DE3629453C2

DE3629453C2 -

Info

Publication number: DE3629453C2
Application number: DE3629453A
Authority: DE
Inventors: Rainer 4006 Erkrath De Kempken
Original assignee: Paul Forkardt GmbH and Co KG
Current assignee: Forkardt Deutschland GmbH
Priority date: 1986-08-29
Filing date: 1986-08-29
Publication date: 1990-01-25
Also published as: GB8719163D0; GB2194615B; GB2194615A; DE3629453A1; US4748357A; JPS6362603A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Vorrichtung zum Erzeugen einer Axialkraft für die Betätigung von Spannzeugen, vorzugsweise von mit der Spindel einer Werkzeugmaschine 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 hohl ausgebildete Zugstange übertragbar ist.

Vorrichtungen der voranstehend beschriebenen Art, insbesondere zur Betätigung von mit der Spindel einer Werkzeugmaschine umlaufenden Spannfuttern sind bekannt. Bei einer aus der DE-OS 31 01 301 bekannten Vorrichtung, von der im Oberbegriff des Anspruches 1 ausgegangen ist, wird eine zentrale, mit dem Zugrohr verbundene Spindel verwendet, die im Hinblick auf die hohl ausgebildete Zugstange einen großen Durchmesser und damit große Gewindeabmessungen erfordert, so daß sich nicht nur schwere Konstruktionen ergeben, sondern wegen der hieraus resultierenden hohen Reibkräfte auch ein besonders großer Elektromotor verwendet werden muß. Außerdem ergibt sich ein komplizierter 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 Erfindung die Aufgabe zugrunde, sowohl den Raumbedarf als auch das Gewicht zu verringern und gleichzeitig zwecks Herabsetzung der Reibungsverluste die Konstruktion zu vereinfachen, 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 zentralen Ritzel verbunden ist, in das mindestens ein Zahnrad eingreift, das auf einer exzentrisch zur Zugstange angeordneten, axial unverschiebbar in einem Gehäuse gelagerten Spindel befestigt ist, auf der eine Spindelmutter angeordnet ist, die ihrerseits mit der axial beweglich im Gehäuse gelagerten Zugstange verbunden ist.

Durch die Verwendung einer oder mehrerer, "planetenartig" die Zugstange umgebender Gewindespindeln, die somit exzentrisch zur Zugstange angeordnet sind, ergeben sich für jede Spindel und zugehörige Spindelmutter erheblich kleinere Gewindedurchmesser, so daß die in diesem Gewindetrieb auftretende Reibung entscheidend herabgesetzt und ein leichterer Elektromotor verwendet werden kann. Um dennoch Axialkräfte erzeugen zu können, ist es lediglich erforderlich, die Anzahl der verwendeten Spindeltriebe zu erhöhen. Wegen der exzentrischen Lage der Spindel sowie der zugehörigen Spindelmutter kann eine hohle Zugstange beibehalten werden, die vorzugsweise für die Zufuhr von Werkstücken zum anzutreibenden Spannzeug verwendet wird.

Aus der DE-OS 24 49 560 ist zwar ein Schubzylinder mit Einphasenmotor bekannt gewesen, bei dem der Rotor des Elektromotors ebenfalls mit einem zentralen Ritzel verbunden ist, in das mindestens ein Zahnrad eingreift; dieses Zahnrad ist jedoch nicht auf einer exzentrisch zur Zugstange angeordneten, axial unverschiebbar in einem Gehäuse gelagerten Spindel befestigt. Außerdem wird keine hohle Zugstange verwendet und die Spindel ist nicht exzentrisch zur Zugstange angeordnet. Die bekannte Konstruktion stellt somit ein zentrales Getriebe dar, das demgemäß zur Übertragung großer Drehmomente auch große Abmessungen erfordert, die, wie bei der Konstruktion nach der DE-OS 31 01 301, eine hohe Reibung zur Folge haben. Schließlich ist es bei der bekannten Konstruktion ausgeschlossen, eine hohle Zugstange für die Werkstückzufuhr zum Spannzeug vorzusehen.

Auch die DE-OS 28 19 021 zeigt ein einstufiges Zahnradvorgelege mit einem Räderpaar, hat aber weder eine hohle Zugstange, noch eine in axialer Richtung festgelegte Spindel. Bei dieser vorbekannten Konstruktion wird eine axial feststehende Spindelmutter verwendet, durch die die Spindel in axialer Richtung verschoben wird. Dies ist bei der bekannten Konstruktion nur deshalb möglich, weil diese nicht der Betätigung eines Spannzeuges, d. h. zur Übertragung hoher Drehmomente dient, sondern zur Erzeugung von Bewegungsvorgängen mit geringen Kräften, beispielsweise zur Drosselklappenbetätigung an Kraftfahrzeugmotoren. Die aus der DE-OS 28 19 021 bekannte Konstruktion betrifft somit eine andere Gattung einer elektromechanischen Vorrichtung zum Erzeugen einer Axialkraft, die weder zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabenstellung herangezogen werden kann, noch den erfindungsgemäßen Lösungsvorschlag zeigt.

Das aus der DE-OS 34 16 938 bekannte elektromechanische Stellglied verwendet wiederum keine hohle Zugstange, sondern eine zentrale Spindel, die axial bewegt wird, und zwar mit Hilfe eines Planetengetriebes. Von dieser bekannten Konstruktion unterscheidet sich der erfindungsgemäße Vorschlag wiederum dadurch, daß eine oder mehrere Spindeln exzentrisch zur Zugstange angeordnet und axial unverschiebbar in einem Gehäuse gelagert sind, wobei die auf der Spindel angeordnete Spindelmutter ihrerseits mit der axial beweglich im Gehäuse gelagerten Zugstange verbunden ist.

Schließlich zeigt die DE-OS 32 18 083 einen zentrischen Spindeltrieb, bei dem sich wiederum die Spindel axial bewegt. Auch bei dieser Spindel und der Spindelmutter und hieraus resultierend eine hohe Reibung.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können zur Verringerung der Reibungskräfte zwischen den Gewindeflanken von Spindel und Spindelmutter Wälzkörper und zwischen der Motorwelle und dem Lagergehäuse eine schaltbare Sperre angeordnet werden, die die durch die Verwendung der Wälzkörper entfallende Selbsthemmung im Bedarfsfall ersetzt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sperre entgegen der Kraft mindestens einer Feder durch einen Elektromagneten ausrückbar.

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 Lagergehäuse angeordneten Federspeichers verschiebbar sein. Dieser Federspeicher wird entsprechend der aufgebrachten Spannkraft und Spannrichtung belastet und hat eine entsprechende geringfügige 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 erfassen, so daß die jeweils erzeugte Axialkraft nicht nur überwacht, sondern im Rahmen des Programms der Werkzeugmaschine auch gezielt angesteuert werden kann.

Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Betätigung von mit der Spindel einer Werkzeugmaschine umlaufenden Spannfuttern kann der Stator des Elektromotors entweder stillstehen oder mit dem Gehäuse umlaufen. Im letztgenannten Fall wird mit der Erfindung schließlich vorgeschlagen, 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 erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform,

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

1. Elektromechanische Vorrichtung zum Erzeugen einer Axialkraft für die Betätigung von Spannzeugen, vorzugsweise von mit der Spindel einer Werkzeugmaschine umlaufenden Spannfuttern, mit einem einen Stator (4 b) und einen Rotor (4 e) aufweisenden Elektromotor (4), dessen Relativbewegung zwischen Rotor (4 e) und Stator (4 b) über ein Stirnradgetriebe und einen Spindeltrieb als Axialbewegung auf eine hohl ausgebildete Zugstange (1) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4 e) mit einem zentralen Ritzel (7) verbunden ist, in das mindestens ein Zahnrad (8) eingreift, das auf einer exzentrisch zur Zugstange (1) angeordneten, 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 Spindelmutter (12) Wälzkörper (13) angeordnet sind und daß zwischen der Motorwelle (4 d) und dem Lagergehäuse (2) eine schaltbare Sperre (14, 14 a, 4 f) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperre (14, 14 a, 4 f) entgegen der Kraft mindestens einer Feder (16) durch einen Elektromagneten (17) ausrückbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, 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) verschiebbar 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 Elektromotors (4) in einem mit dem Lagergehäuse (2) der Spindel (9) verbundenen, mit diesem umlaufenden Gehäuse (2 b) angeordnet ist, dem die elektrische Energie für den Stator (4 b) über eine Schleifringanordnung zugeführt wird.