DE3629453A1 - Elektromechanische vorrichtung zum erzeugen einer axialkraft fuer die betaetigung von spannzeugen - Google Patents
Elektromechanische vorrichtung zum erzeugen einer axialkraft fuer die betaetigung von spannzeugenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Vorrichtung
zum Erzeugen einer Axialkraft für die Betätigung von Spann
zeugen, vorzugsweise von mit der Spindel einer Werkzeug
maschine umlaufenden Spannfuttern, mit einem einen Stator und
einen Rotor aufweisenden Elektromotor, dessen Relativbewegung
zwischen Rotor und Stator über ein Stirnradgetriebe und einen
Spindeltrieb als Axialbewegung auf eine vorzugsweise hohl
ausgebildete Zugstange übertragbar ist.
Vorrichtungen der voranstehend beschriebenen Art, insbe
sondere zur Betätigung von mit der Spindel einer Werkzeug
maschine umlaufenden Spannfuttern sind bekannt. Bei einer aus
der DE-OS 31 01 301 bekannten Vorrichtung wird eine zentrale,
mit dem Zugrohr verbundene Spindel verwendet, die insbe
sondere im Hinblick auf die hohl ausgebildete Zugstange große
Gewindedurchmesser und damit Gewindeabmessungen erfordert, so
daß sich nicht nur schwere Konstruktionen ergeben, sondern
wegen der hohen Reibkräfte auch ein besonders großer Elektro
motor verwendet werden muß. Außerdem ergibt sich ein kompli
zierter Vorgang für die Bewegungserzeugung, da die mit dem
Rotor des Elektromotors planetenartig verbundenen Zahnräder
unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen, weil sie einerseits
in einem feststehenden Zahnkranz und andererseits in einem
drehbar gelagerten Doppelrad abrollen, das seinerseits mit
der als Spindelmutter wirkenden Verzahnung versehen ist.
Ausgehend von einer derartigen Vorrichtung liegt der Er
findung die Aufgabe zugrunde, sowohl den Raumbedarf als auch
das Gewicht zu verringern und gleichzeitig zwecks Herab
setzung der Reibungsverluste die Konstruktion zu ver
einfachen, so daß die elektromechanische Vorrichtung auch bei
Drehmaschinen mit den heute üblichen hohen Drehzahlen und
Spannkräften eingesetzt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mit einem Ritzel ver
bunden ist, in das mindestens ein Zahnrad eingreift, das auf
einer axial unverschiebbar in einem Gehäuse gelagerten
Spindel befestigt ist, auf der eine Spindelmutter angeordnet
ist, die ihrerseits mit der axial beweglich im Gehäuse ge
lagerten Zugstange verbunden ist.
Mit diesem Vorschlag wird der Vorteil erreicht, daß durch die
Verwendung einer oder mehrerer, planetenartig die Zugstange
umgebender Gewindespindeln sich kleine Gewindedurchmesser er
geben, ein leichter Elektromotor verwendet werden kann und
dennoch hohe Axialkräfte erzeugt werden, wobei eine hohle,
für die Zufuhr von Werkstücken zum Spannzeug geeignete Zug
stange beibehalten werden kann.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können zur Ver
ringerung der Reibungskräfte zwischen den Gewindeflanken von
Spindel und Spindelmutter Wälzkörper und zwischen der Spindel
und deren Lagergehäuse eine schaltbare Sperre angeordnet
werden, die die durch die Verwendung der Wälzkörper ent
fallende Selbsthemmung im Bedarfsfall ersetzt. Bei einer be
vorzugten Ausführungsform ist die Sperre entgegen der Kraft
mindestens einer Feder durch einen Elektromagneten ausrück
bar.
Um eine Nachspannwirkung bei Erreichen der vorgegebenen
Spannstellung zu erzielen, kann die Spindel erfindungsgemäß
mit dem Zahnrad gegenüber dem Lagergehäuse bzw. dem Ritzel um
einen vorgegebenen Federweg eines zwischen Spindel und Lager
gehäuse angeordneten Federspeichers verschiebbar sein. Dieser
Federspeicher wird entsprechend der aufgebrachten Spannkraft
und Spannrichtung belastet und hat eine entsprechende gering
fügige Verschiebung der Spindel zur Folge.
In Weiterbildung des Hauptgedankens wird mit der Erfindung
weiterhin vorgeschlagen, die Axialverlagerung der Spindel zur
Ermittlung der gespeicherten Kraft durch einen Sensor zu er
fassen, so daß die jeweils erzeugte Axialkraft nicht nur
überwacht, sondern im Rahmen des Programms der Werkzeug
maschine auch gezielt angesteuert werden kann.
Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Betätigung von mit der Spindel einer Werkzeugmaschine um
laufenden Spannfuttern kann der Stator des Elektromotors ent
weder stillstehen oder mit dem Gehäuse umlaufen. Im letzt
genannten Fall wird mit der Erfindung schließlich vorge
schlagen, den Stator des Elektromotors in einem mit dem
Lagergehäuse der Spindel verbundenen, mit diesem umlaufenden
Gehäuse anzuordnen, dem die elektrische Energie für den
Stator über eine Schleifringanordnung zugeführt wird.
Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der er
findungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungs
form,
Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie II-II
in Fig. 1 und
Fig. 3 einen der Fig. 1 entsprechenden Längsschnitt durch
eine zweite Ausführungsform.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten beiden Ausführungs
beispiele dienen zur Erzeugung einer Axialkraft für die Be
tätigung eines mit der Spindel einer Werkzeugmaschine um
laufenden Spannfutters, das mit einer zentralen Bohrung für
die zuzuführenden Werkstücke versehen ist. Das Antriebsglied
dieses auf der Zeichnung nicht dargestellten Spannfutters
wird mit einer hohl ausgebildeten Zugstange 1 verbunden, die
axial beweglich in einem Gehäuse 2 gelagert ist. Dieses Ge
häuse 2 ist durch einen Gehäusedeckel 2 a verschlossen, der
mittels mehrerer Schrauben 3 befestigt wird und somit zum Ge
häuse 2 gehört.
Die Axialbewegung der Zugstange 1 gegenüber dem Gehäuse 2
wird durch einen Elektromotor 4 erzeugt, dessen in einem
Motorgehäuse 4 a angeordneter Stator 4 b auch bei umlaufender
Spindel und damit Zugstange 1 feststeht. Zu diesem Zweck ist
das Motorgehäuse 4 a ebenso wie ein zugehöriger Motordeckel 4 c
über Kugellager 5 auf der Motorwelle 4 d gelagert, die den
Rotor 4 e des Elektromotors 4 trägt. Die Anschlußleitungen 6
für den Stator 4 b sind aus dem feststehenden Motorgehäuse 4 a
herausgeführt, wie dies die Fig. 1 zeigt.
Die den Rotor 4 e des Elektromotors 4 tragende Motorwelle 4 d
ist an ihrem abtriebsseitigen Ende zu einem Ritzel 7 ausge
bildet, in das bei den beiden Ausführungsbeispielen ein Zahn
rad 8 eingreift. Für den Fall, daß höhere Spannkräfte über
tragen werden sollen, können mehrere derartige Zahnräder 8
möglichst gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet
werden.
Das Zahnrad 8 ist auf einer im wesentlichen axial unver
schiebbar im Gehäuse 2 bzw. Gehäusedeckel 2 a gelagerten
Spindel 9 befestigt. Bei beiden Ausführungsbeispielen ist
diese Spindel 9 an ihren Enden jeweils über ein radiales
Nadellager und ein axiales Kugellager in einem Lagergehäuse
10 gelagert. Jedes Lagergehäuse 10 ist entsprechend dem
Federweg eines Federspeichers 11 geringfügig gegenüber dem
Gehäuse 2 bzw. Gehäusedeckel 2 a verschiebbar. Die ent
sprechend begrenzte Relativbewegung zwischen dem Zahnrad 8
und dem Ritzel 7 wird durch eine geeignete Ausbildung der
Verzahnungen möglich. Bei beiden Ausführungsbeispielen be
stehen die Federspeicher 11 jeweils aus drei Tellerfedern.
Auf der Spindel 9 ist eine Spindelmutter 12 angeordnet, wobei
zwischen den Gewindeflanken von Spindel 9 und Spindelmutter
12 beim ersten Ausführungsbeispiel Wälzkörper 13 angeordnet
sind. Diese beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 als Kugeln
ausgebildeten Wälzkörper 13 machen das Spindelgewinde zu
einem nicht selbsthemmenden Wälzgewinde, so daß bei dieser
Ausführungsform eine schaltbare Sperre vorgesehen werden muß.
Die Spindelmutter 12 ist - beim Ausführungsbeispiel durch
einstückige Ausbildung - mit der Zugstange 1 verbunden, so
daß die vom Elektromotor 4 erzeugte Axialbewegung der
Spindelmutter 12 zugleich eine Axialbewegung der Zugstange 1
zur Folge hat.
Die schaltbare Sperre besteht beim dargestellten Ausführungs
beispiel aus einer Druckplatte 14, die unverdrehbar, jedoch
begrenzt in axialer Richtung verschiebbar auf einer Lager
platte 15 angeordnet ist, die ihrerseits unverdrehbar mit dem
Gehäuse 2 verbunden ist. Die Druckplatte 14 ist mit einer
Stirnverzahnung 14 a versehen, die in eine entsprechende
Stirnverzahnung 4 f an der Motorwelle 4 d des Elektromotors 4
eingreift. Dieser Zahneingriff wird im Normalfall durch
Druckfedern 16 erzeugt, die zwischen der Lagerplatte 15 und
der Druckplatte 14, über den Umfang verteilt, angeordnet
sind. Durch den Zahneingriff zwischen den Stirnverzahnungen
4 f der Motorwelle 4 d und der Stirnverzahnung 14 a der auf der
Lagerplatte 15 unverdrehbar gehaltenen Druckplatte 14 wird
sichergestellt, daß keine unbeabsichtigte Verdrehung der
Motorwelle 4 d gegenüber dem Gehäuse 2 erfolgt, auch wenn
durch die Wälzkörper 13 der Spindelantrieb keine Selbsthem
mung hat.
Sobald eine gezielte Verstellung erfolgen soll, wird die
Druckplatte 14 entgegen der Kraft der Druckfedern 16 durch
eine Magnetspule 17 in Fig. 1 so weit nach links verschoben,
daß die Stirnverzahnungen 4 f und 14 a außer Eingriff gelangen.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies durch eine
abstoßende Wirkung der Magnetspule 17 erreicht, die im Motor
deckel 4 c angeordnet ist.
Nach dem Betätigen der voranstehend beschriebenen schaltbaren
Sperre wird zur Axialverstellung der Zugstange 1 der Elektro
motor 4 eingeschaltet. Hierdurch führt der Rotor 4 e gegenüber
dem Stator 4 b eine Drehbewegung aus, die ein Verdrehen des
Zahnrades 8 gegenüber dem Gehäuse 2 zur Folge hat. Sollte
hierbei die auf der Zeichnung nicht dargestellte Spindel mit
der Zugstange 1 und mit dieser das Gehäuse 2 umlaufen, muß
die zur Verstellung der Zugstange 1 herangezogene relative
Drehbewegung des Rotors 4 e gegenüber dem Stator 4 b zu der
Drehbewegung hinzukommen, die der Rotor 4 e aufgrund der
Spindeldrehung bereits gegenüber dem stillstehenden Stator 4 b
ausführt.
Die Differenzdrehzahl, die ein Drehen der Spindel 9 bewirkt,
verursacht über die Wälzkörper 13 eine Axialverlagerung der
Spindelmutter 12 gegenüber der Spindel 9. Die in einem mit
der Zugstange 1 verbundenen Lagerflansch 1 a angeordnete
Spindelmutter 12 bewirkt auf diese Weise ein axiales Ver
schieben der Zugstange 1.
Aufgrund der von der Zugstange 1 auf ein nicht dargestelltes
Spannfutter ausgeübten Spannkraft wird je nach Spannrichtung
einer der beiden Federspeicher 11 belastet. Entsprechend
dessen Federkennlinie erfolgt eine geringfügige Axialver
schiebung des Lagergehäuses 10 gegenüber dem Gehäuse 2 bzw.
dem Gehäusedeckel 2 a, wobei die im Federspeicher 11 ge
speicherte Kraft eine entsprechende Nachspannwirkung für das
Spannfutter erzeugt. Die Axialverlagerung der Spindel 9
gegenüber dem Gehäuse 2 kann zur Ermittlung der in einem der
Federspeicher 11 gespeicherten Kraft mittels eines geeigneten
Sensors erfaßt werden.
Das zweite, in Fig. 3 anhand eines Längsschnittes dargestellte
Ausführungsbeispiel unterscheidet sich dadurch von der voran
stehend beschriebenen Ausführung, daß auch der Stator 4 b des
Elektromotors 4 bei umlaufender Spindel, d.h. umlaufender
Zugstange 1 mit umläuft. Aus diesem Grunde ist der Stator 4 b
nicht in einem separaten Motorgehäuse 4 a, sondern in einer
entsprechenden Gehäuseverlängerung 2 b des Gehäuses 2 ange
ordnet, die durch den Motordeckel 4 c stirnseitig verschlossen
wird. Um die durch die Anschlußleitung 6 dem Elektromotor 4
zuzuführende Energie dem umlaufenden Stator 4 b zuführen zu
können, ist ein mit Schleifringen 18 a versehener Schleifring
träger 18 vorgesehen, der mittels eines Kugellagers 19 auf
der Motorwelle 4 d gelagert ist und bei einem Umlauf der Vor
richtung feststeht. Über federbelastete Schleifringschuhe 20,
die im Motordeckel 4 c angeordnet sind, wird die Energie von
den Schleifringen 18 a abgenommen und dem Stator 4 b zugeführt.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist das Gewinde zwischen
Spindel 9 und Spindelmutter 12 als selbsthemmendes Gleitge
winde ausgeführt, so daß in diesem Fall auf die Anordnung
einer schaltbaren Sperre verzichtet werden kann.
- Bezugsziffernliste:
1 Zugstange
1 a Lagerflansch
2 Gehäuse
2 a Gehäusedeckel
2 b Gehäuseverlängerung
3 Schraube
4 Elektromotor
4 a Motorgehäuse
4 b Stator
4 c Motordeckel
4 d Motorwelle
4 e Rotor
4 f Stirnverzahnung
5 Kugellager
6 Anschlußleitung
7 Ritzel
8 Zahnrad
9 Spindel
10 Lagergehäuse
11 Federspeicher
12 Spindelmutter
13 Wälzkörper
14 Druckplatte
14 a Stirnverzahnung
15 Lagerplatte
16 Druckfeder
17 Magnetspule
18 Schleifringträger
18 a Schleifring
19 Kugellager
20 Schleifringschuh
Claims (6)
1. Elektromechanische Vorrichtung zum Erzeugen einer Axial
kraft für die Betätigung von Spannzeugen, vorzugsweise von
mit der Spindel einer Werkzeugmaschine umlaufenden Spann
futtern, mit einem einen Stator und einen Rotor aufweisen
den Elektromotor, dessen Relativbewegung zwischen Rotor
und Stator über ein Stirnradgetriebe und einen Spindel
trieb als Axialbewegung auf eine vorzugsweise hohl ausge
bildete Zugstange übertragbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (4 e) mit einem Ritzel (7) verbunden ist, in
das mindestens ein Zahnrad (8) eingreift, das auf einer
axial unverschiebbar in einem Gehäuse (2) gelagerten
Spindel (9) befestigt ist, auf der eine Spindelmutter (12)
angeordnet ist, die ihrerseits mit der axial beweglich im
Gehäuse (2) gelagerten Zugstange (1) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den Gewindeflanken von Spindel (9) und Spindel
mutter (12) Wälzkörper (13) angeordnet sind und daß zwi
schen der Spindel (9) und deren Lagergehäuse (2) eine
schaltbare Sperre angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Sperre entgegen der Kraft mindestens einer Feder (16)
durch einen Elektromagneten (17) ausrückbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Spindel (9) mit dem Zahnrad (8)
gegenüber dem Lagergehäuse (2) bzw. dem Ritzel (7) um
einen vorgegebenen Federweg eines zwischen Spindel (9) und
Lagergehäuse (2) angeordneten Federspeichers (11) ver
schiebbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Axialverlagerung der Spindel (9) zur Ermittlung der
gespeicherten Kraft durch einen Sensor erfaßt wird.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (4 b) des Elektro
motors (4) in einem mit dem Lagergehäuse (2) der Spindel
(9) verbundenen, mit diesem umlaufenden Gehäuse (2 b) ange
ordnet ist, dem die elektrische Energie für den Stator
(4 b) über eine Schleifringanordnung zugeführt wird.
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