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Werkzeugmaschine
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oie Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einer von einem Elektromotor
angetriebenen Iiauptspindel und werkzeugträgern, die durch eine Werkzeugwechselvorrichtung
in eine zur Iiauptspindel fluchtende Stellung bringbar sind, wobei die aufeinander
zugerichteten inden der werkzeugträger und der Hauptspindel Kupplungsteile tragen
und zur Kupplung Verschiebeelemente
vorgesehen sind. Bei einer bekannten
als automatisch arbeitende Itevolverbohrmasclline ausgebildeten Werkzeugmaschine
dieser Art bestehen die Werkzeugträger aus Bohrspindeln, die eine Arbeitsspindel
und ein eigenes Getriebe aufweisen. Die Hauptspindel wird von einem Drehstrominotor
angetrieben, sie wird unmittelbar mit der jeweiligen Bohrspindel gekuppelt.
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die Bohrspindeln werden von einem mechanischen Positioniergetriebe
transportiert, sie sitzen in einem Malteserkreuz, das von einem besonderen Iqotor
angetrieben wird. Es ist nur ein schrittweises Weiterscllalten möglich. I)ie Positionierung
ist schwierig, die Ansteuerung ist aufwendig, das Leistungs- Drehzahlverhalten beschränkt,
die Nebenzeiten sind groß, die Bauweise ist schwer und wegen der notwendigen Getriebe
und Motoren von erheblichem Aufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine I#erkzeugmaschine zu
schaffen, die mechanisch wesentlich vereinfacht ist und geringere Nebenzeiten aufweist.
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ur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Eleletromotor
als lage- und gesciiwindigkeitsgeregelter Gleichstrommotor ausgebildet ist und dieser
rotor neben der Iiauptspindel auch die Werkzeugwechselvorrichtung antreibt und dazu
eine Umschalt-
kupplung vorgesehen ist. In besonders vorteilhafter
Weise ist der Gleichstrommotor als Servomotor mit Permanentmagnetfeld ausgebildet.
Solche Motoren haben bei kleinen Abmessungen und geringem Gewicht ein sehr hohes
Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, durch ein hohes Verhältnis von Drehmoment zu
Trägheitsmoment ergibt sich eine hohe Beschleunigung und hohe Reaktionsfähigkeit.
Der Servomotor als Vielpolmotor ist in der Regel über Thyristorverstärker angesteuert.
Er dient zusammen mit dem Meßsystem als Positioniermotor sowohl für die Spindelorientierung
als auch den Magazinantrieb. Die Spindel#-orientierung ist notwendig, wenn beim
automatischen Werkzeugwechsel eine formschlüssige Mitnahme vorgesehen ist, wenn
bei Maschinen mit Koordinatentisch ein einschneidiges Andrehwerkzeug außermittig
einfahren soll, um eine Bearbeitung hinter einer Schulter vorzunehmen, wenn bei
Maschinen mit Koordinatentisch ein einschneidiges Ausdrehwerkzeug zur Vermeidung
von Rückzugsriefen abgehoben zurückfahren soll oder wenn bei'kupplungslosen" Schalt
getrieben die zufällige Zahn-auf-Zahn-Stellung vermieden werden
soll,
was notwendig ist, um eine automatische Getriebeschaltung zu ermöglichen. Andererseits
ist der Positioniermotor beim Magazinantrieb erforderlich, da von der Steuerung
bestimmte Werkzeuge bzw. Spindeln in beliebiger folge in die Bearbeitungsposition
transportiert werden müssen. Der gewählte Motor ermöglicht die stufenlose Drehzahlregelung,
er ist preiswert und hat zerspanungsgerechte Leistungskurven.
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Insbesondere hat er eine hohe thermische Zeitkonstante, so daß eine
hohe Überlastbarkeit ohne gefährliche Erhitzung gegeben ist. Nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung ist daher der Gleichstrommotor bei 100 % ED auf etwa die halbe
maximale Leistung ausgelegt. Das maximale Impuls-Spitzendrehmoment kann das 10-fache
des Nenndrehmomentes erreichen.
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Durch den Wegfall eines separaten Magazinantriebes ergibt sich eine
erhebliche bauliche Vereinfachung, die Werkzeugträger lassen sich schneller ausrichten,
so daß die unproduktiven Nebenzeiten reduziert werden. Das Umiwppeln erfolgt automatisc#h
- bei der Ausbildung als Bearbeitungszentrum innerhalb ir letzten 25 mm des Spindelhubes.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung weist die Werkzeugwechselvorrichtung
als Werkzeugspeicher ein Nagazintransportrad auf, das in der Nähe des Umfanges mit
Durchgangsöffnungen für den Durchgang
des Werkzeugträgers bzw.
der fiauptspindel bei deren axialen Verschiebung versehen ist, wobei das Magazintransportrad
über ein Getriebe mit dem Gleichstrorimotor verbunden ist. Eine Schaltvorrichtung
ermöglicht das Weiterschalten des Magazintransportrades nur dann, wenn sich die
Iwauptspindel in der Ausgangsposition befindet.
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Ist die Werkzeugmaschine als Bearbeitungszentrum ausgebildet, so kann
nach der Erfindung die Umschaltkupplung aus einer Keilwelle und einem Rupplungsrad
mit entsprechenden Nuten bestehen, in dem die Keilwelle axial verschiebbar geführt
ist. Vorzugsweise ist das Kupplungsrad als Zahnrad ausgebildet, das mit einem drehschlu'ssig'mit
der Hauptspindel verbundenen Zahnrad kämmt. Die Keilwelle ist drehschlüssig, aber
axial verschiebbar in einem axial fixierten Antriebsrad geführt, das mit dem Gleichstrommotor
über ein Antriebsmittel verbunden ist, Auf diese Weise ergibt sich ein überaus kompakter
und einfacher Aufbau. Das Kupplungsrad und das Zahnrad können in einem euseblock
untergebracht werden, der über einen Vorschubantrieb axial verschiebbar ist. l)er
Vorschtibantrieb bestellt aus einer# im Gehäuseblock fixierten Splindelmutter und
einer Vorschubspindel eines besonderen Gleichstrom-Servo-Motors. Das Kupp-
lungsrad
und das Zahnrad sind im Gehäuseblock axial fixiert, die durch das Zahnrad# und den
Gehäuseblock dringende, im Gehäuseblock axial fixierte Hauptspindel ist mit ihrem
einen Ende stirnseitig zu einem Festanschlag hin fahrbar. In weiterer Vereinfachung
der Konstruktion trägt die keilwelle ein Zahnrad, das in Abhängigkeit von der Stellung
der Keilwelle in ein mit dem Magazintransportrad verbundenes Zahnrad eingreifen
kann. Das Magazintransportrad trägt auf seiner einen Stirnseite Indexierbohrungen,
in die die Keilwelle mit ihrem einen Ende beim Vorschub der liauptspindel einfährt.
Zur Spindelorientierung befindet sich über dem Antriebsrad ein Lagemeßgeber, über
der Achse des Magazintransportrades ist ein Lagemeßgeber für dessen Position angeordnet.
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Ist die Werkzeugmaschine als Revolverbohrmaschine ausgebildet, so
kann nach der Erfindung die Umschaltkupplung einen mit der Hauptspindel verbundenen
Kupplungskörper aufweisen, der zwei Kupplungsteile trägt, wobei der eine Kupplungsteil
im einen Fall mit dem Kupplungsteil des Werkzeugträgers und der andere Kupplungsteil
im anderen Fall mit einem Kupplungsrad durch Verschiebung der Hauptspindel verbindbar
sind.
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Die Hauptspindel ist in diesem Falle als Keilwelle ausgebildet, die
durch ein mit dem Gleichstrommotor verbundenes Antriebsrad und das Kupplungsrad,
die
entsprechende Nuten tragen, hindurchgeführt ist.
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Das Kupplungsrad ist vorzugsweise als Zahnrad ausgebildet, das mit
einem mit dem Magazintransportrad verbundenen Zahnrad kämmt. Für den raschen Schaltvorgang
ist die Iiauptspindel mit dem Kupplungskörper über ein Hydraulikelement axial verschiebbar,
dieses Hydraulikelement befindet sich in einem Gehäuseblock, der wieder über einen
Vorschubantrieb (Servo-Gleichstrommotor) axial verschiebbar ist. Das Magazintransportrad
ist in diesem Fall durch einen Indexierbolzen fixierbar, der zweckmäßigerweise ebenfalls
über ein Ilydraulikelement bewegbar ist, wobei beide Hydraulikelemente gemeinsam
steuerbar sind. Die Steuerung für die Gleichstrommotoren und die übrigen Antriebselemente
ist als' NC-Steuerung ausgebildet.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung, die
beispielsweise Ausführungsformen darstellt, näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen
Schnitt dur#ch einen Teil einer als Bearbeitungszentrum ausgebildeten Werkzeugmaschine
in der Stellung beim Werkzeugträgerwechsel, Fig. 2 einen zu Fig. 1 entsprechenden
Schnitt beim Bearbeitungsvorgang,
Fig. 3 einen Schnitt durch einen
Teil einer als Revolverbohrmaschine ausgebildeten Werkzeugmaschine beim Bearbeitungsvorgang
in schematischer Darstellung.
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Bei der Ausbildung der Werkzeugmaschine als Bearbeitungszentrum ist
an einem Ständer 1 ein Ausleger 2 in wichtung gemäß dem angegebenen Doppelpfeil
3 verschieb- und feststellbar. Im Ausleger 2 sind ein iiauptantriebsmotor 4, eine
Iiauptspindel 5, ein Vorschubantrieb 6 und eine Werkzeugwechselvorrichtung 7 mit
einem Magazintransportrad 8 als wesentlicher Bestandteil aufgenommen.
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Der Iiauptantriebsmotor 4 ist als Servo-Gleichstrommotor 9 ausgebildet
mit einer Maximalleistung von 7,5 - 11 KW. Solche Vielpol-Motoren mit Permanentmagnetfeld
haben über einen außerordentlich großen Drehzahlbereich ein nahezu konstantes Drehmoment,
die thermische Zeitkonstante beträgt mehr als 100 Minuten, der scweisenbehaftete
Anker kann die Ir'ärme aufnehmen, die entsteht, wenn über längere Zeit wesentlich
höhere Spitzendrehmomente als das Nenndrehmoment abgegeben werden. Der Motor braucht
deshalb nur für etwa die halbe Maximalleistung als Nennleistung ausgelegt zu sein.
Er ist bislang lediglich als Motor für Vorschubantriebe angewendet
worden.
Die maximal erreiellbare Drehzahl liegt etwa bei 3000 U/iiin. hexen des großen Drehzahlbereiches
kommt man für die ilauptspindel mit einem zweistufigen Getriebe aus. Der Servo-Gleichstrommotor
9 treibt über ein als Zahnriemen ausgebildetes Antriebsmittel 10 ein Antriebsrad
11, das axial unverschiebbar im Ausleger 2 gelagert ist. Im Antriebsrad 11 ist axial
verschiebbar eine Keilwelle 12 angeordnet, die durch einen Gehäuseblock 13 und ein
dort axial unverschiebbar gelagertes Kupplungsrad 14 dringt, in einer Büchse 15
im Ausleger 2 weitergeführt ist und ein, Zahnrad 1G als Haga zinantriebsr itzel
trägt. Sowohl das Antriebsrad 11 als auch das Kupplungsrad lß, das als Zahnrad 17
ausgebildet ist, sind mit Nuten für die Keilwelle 12 versehen, wobei aber die Nuten
bzw.
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das Keilwellenprofil in bestimmten Bereichen fehlen.
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Auf diese Weise bilden die Keilwelle 12 und das kupplungsrad 14 eine
Umschaltkupplung 18.
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Im Gehäuseblock 13 ist weiter die Hauptspindel 5 drehbar gelagert,
auf der drehschlüssig und axial unverschiebbar ein Zahnrad 19 sitzt, das mit dem
Zahnrad 17 kämmt. Die iiauptspindel 5 ragt mit ihrem freien Ende 20 aus dem Gehäuseblock
13 hervor und kann mit diesem zu einem Festanschlag 21 am Ausleger 2 hin fahren.
Der Gehäuseblock 13 mit den Zahnrädern 17 und
19 und der Hauptspindel
5 ist über den Vorschubantrieb 6 axial verfahrbar. Dieser besteht aus einem weiteren
Servo-Gleicbstrommotor 22, dessen Vorschubspindel 23 eine Vorschubspindelmutter
24 beaufschlagt, die mit dem Gehäuseblock 13 verbunden ist. Die Hauptspindel 5 ist
einmal im Gehäuseblock 13 und einmal in einer Lagerbuchse 25 im Ausleger 2 drehbar
gelagert, sie ist zusammen mit dem Gehäuseblock 13 axial verschiebbar. Sie trägt
an ihrer freien Stirnseite einen Kupplungsteil 26, der aus einem Zentrierkonus 27
und einem Halteglied 28 besteht. Das Halteglied 28 ist an seinem Ende T-förmig ausgebildet,
es wird durch ein Verschiebeelement 29 in Form eines Tellerfederpakets 30 nach innen
gezogen. Mit der Hauptspindel 5 kuppelbar ist ein Werkzeugträger 31, der auf seiner
einen Stirnseite als Kupplungsteil 32 einen Kurzkegel 33 und eine Nut 34 aufweist.
Der Kurzkegel 33 sitzt passend in den Zentrierkonus 27 ein, in der Nut 34 wird das
T-förmige Ende des Haltegliedes 28 aufgenommen, das auch der Drehmomentübertragung
dient.
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Dazu ist das axial in der Hauptspindel 5 bewegbare llalteglied 28
über einen Keil 35 drehschlüssig mit der iiauptspindel 5 verbunden.
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Die Werkzeugträger 31 sind aufgenommen im Flagazintransportrad 8 als
wesentlicher Bestandteil der Werkzeugwechselvorrichtung 7, das in der Nähe seines
äußeren
Umfanges 36 Durchgangsöffnungen 37 trägt, durch die die werkzeugträger 31 und die
Hauptspindel 5 in der Bearbeitungsposition hindurchgeführt werden können. Das Nagazintransportrad
8 ist mit seiner Achse 38 im Ausleger 2 axial unverschiebbar gelagert.
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Die Achse 38 trägt ein Zahnrad 39, das mit dem Zalinrad 16 der Keilwelle
12 in Eingriff bringbar ist.
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Oberhalb der Achse 38 befindet sich ein Lagemeßgeber 40 für die I4agazinposition.
Auf der einen Stirnseite des Magazintransportrades 8 sind Indexierbohrungen 41 eingelassen,
in die bei fluchtender Stellung das abgesetzte Ende 42 der Keilwelle 12 einfahren
kann.
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Die Keilwelle 12 ist mit einem Bund 43 versehen, der sich an einer
Anlaufscheibe 44 abstützen kann. Zwischen ihrem stirnseitigen Ende und dem Antriebsrad
11 befindet sich eine Schaltfeder 45, über dem An-Antriebsrad 11 sitzt ein Lagemeßgeber
46 für die Orientierung der Hauptspindel 5.
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In Fig; 1 ist das Bearbeitüngszentrum in einer Stellung gezeigt, in
der sich ein Werkzeugwechsel vollziehen kann. Die Hauptspindel 5 befindet sich in
iiirer Ausgangsposition, das heißt das Ende des iialtegliedes 28 liegt am Festanschlag
21 an, der Spindelkörper ist ganz in den Ausleger 2 eingefahren, so daß sich das
Magazintransportrad 8 drehen kann. Lediglich das T-förmige Ende des lialtegliedes
28 ragt
so weit hervor, daß der erzeugträger 31 mit seinem Kurzkegel
32 aus dem Zentrierkonus 27 herausbewegt ist. Die Hauptspindel 5 befindet sich in
der "home position", also in einer Drebwinkellage, in der die Nut 54 und das halteglied
28 so ausgerichtet sind, daß der Werkzeugträger 31 bei der Drehbewegung des Magazintransportrades
8 vom Halteglied 28 heruntergeführt werden kann. Um die ßusgangsposition zu erreichen,
ist der Gehäuseblock 13 über den Vorschubantrieb 6 ganz nach oben geführt, dabei
wird auch die Keilwelle 12 über den Bund 43 mitgenommen, wobei durch eine Aussparung
47 im Kupplungsrad 14 die Drehverbindung unterbrochen wird, so daß in der Ausgangsposition
die Hauptspindel 5 nicht angetrieben wird.
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dagegen ist das Zahnrad 16 mit dem Zahnrad 39 in Lingriff und das
Ende 42 der Keilwelle 12 aus der Indexierbohrung 41 herausgehoben. Bei laufendem
Hauptantriebsmotor 4 wird damit das Magazintransportrad 8 über das Antriebsmittel
10, das Antriebsrad 11, die Keilwelle 12 und das Getriebe 48 gedreht, so daß ein
neuer Werkzeugträger 31 fluchtend unter die Elauptspindel 5 gebracht werden kann.
Man ist dabei nicht auf eine Schrittschaltung angewiesen, sondern kann durch die
Steuerung jeden beliebigen Werkzeugträger 31 unter die Hauptspindel 5 bringen. Sobald
der gewählt werkzeugträger 31 unter der Ilauptspindel 5
angelangt
ist, geht der Gehäuseblock 13 nach unten, das iialteglied 28 kommt vom Festanschlag
21 frei und das Verschiebeelement 29 zieht den Werkzeugträger 31 gegen die Hauptspindel
5, so daß die Kupplung vollzogen wird. Die Schaltfeder 45 läßt die Keilwelle 12
zunächst dem niedergehenden Gehäuseblock 13 folgen, so daß das Zahnrad 16 außer
Lingriff mit dem Zahnrad 39 kommt und das Magazintransportrad 8 durch das einfahren
des Endes 42 der Keilwelle 12 in die Indexierbohrung 41 fixiert wird. Bei der weiteren
Vorschubbewegung wird durch die einfahrende Keilwelle 12 das Kupplung rad 14 mitgenommen
und damit die Hauptspindel 5 und der Werkzeugträger 31 in Drehbewegung versetzt.
Diese Stellung während des Vorschubes ist in Fig. 2 wiedergegel)en: die Hauptspindel
5 ist angekuppelt, das Magazintransportrad 8 abgekuppelt.
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Bei der Darstellung nach Fig. 3 ist die Werkzeugmaschine als Revolverbohrmaschine
mit kombiniertem Spindel-Magazinantrieb ausgebildet. Die entsprechenden Teile sind
mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie bei der Ausführungsforin- als Bearbeitungszentrum
nach den Fig. 1 und 2. Die Hauptspindel 5 ist hier unmittelbar als Keilwelle 12
ausgeführt, auf - ihr sitzt das Antriebsrad 11 und das Kupplungsrad 14, das in diesem
Falle Bestandteil des Getriebes 48 zum Antrieb des als Revolver
iisgebildeten
Magazintransportrades 8 ist. An ihrem Ende befindet sicli ein besonderer Kupplungskörper
49, der einerseits mit dei hupplungsteil 26 und andererseits mit einem kupplungsteil
50 zur Kupplung mit dem Kupplungsrad 14 versehen ist. Der Werkzeugträger 31 besteht
in diesem Falle aus einem Werkzeugspindelträger mit einem eigenen Getriebe 51. Der
Werkzeugspindelträger wird über den Vorschubantrieb 6 axial bewegt, er ist dazu
im Magazintransportrad 8 in einer Büchse 52 geführt. Der Kupplungskörper 49 ist
zusammen mit der Hauptspindel 5 axial verschiebbar über ein Hydraulikelement 53,
das im Geiiäuseblock 13 untergebracht ist, der wieder die Vorschubspindelmutter
24 aufnimmt. Zur Indexierung des Magazintransportrades 8 dringt ein Bolzen 54 als
Bestanelteil eines weiteren ilydraulikelementes 55 in die Indexierbohrung 41 ein,
die sich hier am Umfang 36 des revolvers befindet. Die Hydraulikelemente 53,55 sind,
wie angedeutet, gemeinsam über ein Schaltventil 56 ansteuerbar.
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In der Darstellung nach Fig. 3 ist die Bearbeitungsposition wiedergegeben.
Der Vorschubantrieb 6 bewegt den Gehäuseblock 13 und damit über das Verschiebeelement
29 die Hauptspindel 5 und den Werkzeugspindelträger nach unten, um die Bearbeitung
des nicht näher
dargestellten Werkstückes vorzunehmen. Danach wird
der erkzeugträger 31 und die Hauptspindel 5 über den Vorschubantrieb 6 zurückbewegt.
In einer definierten Endstellung wird die llauptspindel 5 mit dem Kupllungskörper
49 über das flydraiilikelement 53 noch weiter nach oben bewegt, so daß die Kupplung
zwischen der Hauptspindel 5 und dem Werkzeugträger 31 gelöst wird und schließlich
der Kupplungsteil 50 in das Kupplungsrad 14 einfährt, so daß jetzt das Magazintransportrad
8 über das Getriebe 48 gedreht wird.
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Mit dem Hydraulikelement 53 ist auch das IIydraulikelement 55 in Tätigkeit
getreten, so daß der Bolzen-54 zurückgezogen wurde und die Indexierung gelöst ist.
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Damit wird ein neuer Werkzeugträger 31 in fluchtende Position mit
der Hauptspindel 5 gebracht, in der dann über das Hydraulikelement 53 der Kupplungskörper
49 nach unten gefahren wird: die Kupplung zwischen Hauptspindel 5 und Werkzeugträger
31 wird hergestellt, die Werkzeugwechselvorrichtung 7 ist abgekuppelt Das Hydraulikelement
55 hat den Bolzen 54 wieder in die Indexierbohrung 41 eingeschoben.
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