AT14047U1 - Vorrichtung zum Ausgleichen eines Drehmoments - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleichen eines Drehmoments, das durch eine Kraft, insbesondere die Gewichtskraft, bedingt ist, die auf einen exzentrisch um eine horizontale Welle (7) ausgelenkten Massepunkt wirkt, wobei der Massepunkt insbesondere der Schwerpunkt eines Werkzeugs einer Werkzeugmaschine (1) ist, und die einen Sockel, gegenüber dem die Welle (7) drehbar ist, und eine Ausgleichsfeder (13), wobei die Ausgleichsfeder (13) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Welle (7) mit einem einer Drehung gegenüber dem Sockel entgegenwirkenden Gegendrehmoment beaufschlagbar ist, umfasst.

Description

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleichen eines Drehmo¬ments, das durch eine Kraft, insbesondere die Gewichtskraft, bedingt ist, die auf einen exzent¬risch um eine horizontale Welle ausgelenkten Massepunkt wirkt, wobei der Massepunkt insbe¬sondere der Schwerpunkt eines Werkzeugs einer Werkzeugmaschine ist.

STAND DER TECHNIK

[0002] Allgemein entsteht aufgrund einer häufig nicht vorhandenen Koaxialität des Schwer¬punkts eines um eine Welle zu rotierenden Werkzeugs einer Werkzeugmaschine in Bezug aufdie Drehachse der Welle bei einer Bewegung bzw. Positionierung einer vorwiegend horizontalangeordneten Welle der Werkzeugmaschine ein durch die Schwerkraft erzeugtes, winkelab¬hängiges Drehmoment. Um das in jeder Stellung des Werkzeugs notwendige Drehmomenten¬gleichgewicht aufrecht zu erhalten, muss ein Antrieb für die Rotation um die Welle ein entspre¬chendes Gegenmoment erzeugen. Dies erfordert erstens Energie und führt zweitens zu einerreduzierten Bearbeitungsgenauigkeit. Die reduzierte Bearbeitungsgenauigkeit ist durch eineverstärkte Erwärmung der Bauteile und in der Folge höhere thermoelastische Verformungeneinzelner oder mehrerer Komponenten der Werkzeugmaschinen bedingt. Weiterhin ergibt sichunter Umständen die Notwendigkeit, den Antrieb für die Rotation des Werkzeugs um die Wellegrößer zu dimensionieren, wodurch zusätzlicher Bauraum benötigt wird.

[0003] Zum Zwecke des Ausgleichs von Massekräften in Werkzeugmaschinen sind bereits eineReihe unterschiedlicher Konzepte bekannt. Diese basieren im Wesentlichen auf dem Aufbauvon Gegenkräften bzw. Gegenmomenten unter dem Einsatz von Fluiden, Gegengewichten oderFedern. Unabhängig vom physikalischen Wirkprinzip wird die potentielle Energie der bewegtenMasse bei einer Bewegung in eine erste Richtung durch den Mechanismus zwischengespei¬chert und bei einer zur ersten Richtung entgegengesetzten (Zurück-)Bewegung wieder zurVerfügung gestellt und der externe Energiebedarf für die Zurückbewegung damit reduziert.

[0004] Aus DE 100 25 355 A1 ist eine Vorrichtung zum Gewichtsausgleich von vertikal oderschräg bewegbaren Bauteilen einer Werkzeugmaschine bekannt, die mehrere parallel nebenei¬nander angeordnete Spiralfedern enthält, deren innere Enden an einer fixierten Achse undderen äußere Enden an einer zur Achse konzentrischen, drehbar gelagerten Gehäusetrommelbefestigt sind. Über einen flexiblen Band- oder Zahnriemen ist die Gehäusetrommel weiterhinmit den zu bewegenden Bauteilen der Maschine verbunden. Bei einer Verfahrbewegung inRichtung der wirkenden Erdbeschleunigung oder schräg dazu erfolgt eine rotatorische Relativ¬bewegung zwischen der Achse und der Gehäusetrommel und ein Teil der potentiellen Energieder bewegten Bauteile wird in den Spiralfedern gespeichert. Bei einer Bewegungsumkehr wirddie Energie aus dem Federspeicher entnommen und unterstützt damit die Verfahrbewegung.

[0005] Das in DE 10 2005 024 038 A1 beschriebene System zur Kompensation einer un¬gleichmäßigen Massenverteilung an einer Schwinge basiert ebenfalls auf dem Einsatz vonFedern als Energiespeicher, wobei der Speicher linear angeordnet ist. Die notwendige Um¬wandlung der Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung erfolgt beispielsweisemittels eines Exzenters an der rotierenden Achse und einem mit diesem verbundenen Zugpleu¬el. Besonderes Kennzeichen dieser Konstruktion ist, dass die Energieumwandlung vollständiginnerhalb eines Gehäuses stattfindet, wodurch keine Querkräfte auf die Lagerung der Schwingewirken.

[0006] In DE 37 14 637 A1 wird ein Drehmoment-Ausgleichssystem vorgestellt, das ebenfallseine Transformation einer Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung bewirkt. Reali¬siert wird diese Funktion mittels eines Kurbeltriebes und einer Schubstange. Bei einer Drehungder Kurbel wird die Drehbewegung über eine Schubstange in eine translatorische Bewegungumgewandelt. Anhand der Koppelung der geradlinigen Bewegung an eine Feder, die sich in einem Gehäuse bewegt, kann die Rotationsenergie der Drehachse in Federenergie transfor¬miert und zwischengespeichert werden. Besonderes Kennzeichen des beschriebenen Systemsist eine Vorrichtung, die eine radiale Verschiebung des Anlenkpunktes der Schubstange undsomit des wirksamen Kraftangriffspunktes bewirkt. Dadurch kann der Verlauf des zur Verfügungstehenden Drehmomentes in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Drehachse eingestelltwerden.

[0007] Die in DE 697 22 036 T2 beschriebene Vorrichtung löst die erfindungsgemäße Aufgabemittels einer Nockenscheibe und einem daran angefederten Stößel. Wird die Drehachse auseiner neutralen Position heraus bewegt, so dreht sich auch eine mit der Drehachse verbundeneNockenscheibe. Entsprechend der Ausformung der Nockenscheibe erzwingt die Rotationsbe¬wegung eine translatorische Bewegung von über Rollen an die Nockenscheibe angefedertenStößeln. Da die in einem Kolben gelagerten Stößel über eine Feder gegen die Nockenscheibegepresst werden, ergibt sich eine von der Nockenform abhängige Reaktionskraft die wiederumin einem Gegenmoment zum aus der Drehbewegung resultierenden Drehmoment resultiert.

[0008] Fluidtechnische Lösungen zum Ausgleich der Massekräften von translatorisch oderrotatorisch bewegten Maschinenteilen werden beispielsweise in DE 33 12 971 C2, DE 102 20617 A1, US 4 904 150 A und in EP 1 880 797 B1 beschrieben. Als weitere mechanische Lö¬sung, die über Seilzüge mit Umlenkrollen und mit Gegengewichten für einen Ausgleich derMassekräfte sorgt, sei ergänzend zu den bereits beschriebenen Ansätzen DE 12 37 403 Bgenannt.

[0009] Die vorbenannten Konzepte weisen eine Reihe von Nachteilen auf.

[0010] Lösungen die Massekräfte mittels Gegengewichten und gegebenenfalls Seilzügen undUmlenkrollen ausgleichen sind bauraumintensiv und beschränken aufgrund der zusätzlichenMassen und der Gefahr des Abhebens die Beschleunigung der jeweiligen Achsen. In der Folgeist eine größere Dimensionierung der Antriebe notwendig oder aber Produktivitätsverluste derMaschinen müssen in Kauf genommen werden, um eine Beschädigung der Vorrichtung zumMasseausgleich und die Funktionssicherheit zu gewährleisten.

[0011] Fluidtechnische Lösungen erfordern einen komplizierten Aufbau und insbesondere eineaufwendige Druckmittelversorgung sowie komplexe Steuerungseinrichtungen. Da bei derartigenSystemen das Fluid - Hydrauliköl, Druckluft oder Gas, wie beispielsweise Stickstoff - typischer¬weise zwischen einem Ausgleichszylinder und einem Fluidspeicher hin und her pendelt, erge¬ben sich nicht vernachlässigbare Verlustleistungen, die durch den Antrieb oder die Fluidversor¬gungseinrichtung kompensiert werden müssen.

[0012] Die bekannten Konzepte, die auf dem Einsatz von Federn als Energiespeicher basieren,benötigen eine Vielzahl von Bauteilen mit entsprechendem Bauraumbedarf. Da sich diese zurFunktionserfüllung teilweise an den Kontaktflächen relativ zueinander bewegen müssen, erge¬ben sich ein erhöhter Verschleiß sowie Reibungskräfte. Insbesondere bei Werkzeugmaschinenführt die Reibung bei der Bewegungsumkehr zu Hysteresefehlern im Bewegungsablauf derMaschine, die zu Bearbeitungsungenauigkeiten am Bauteil führen können.

[0013] Weiterhin haben die bekannten Lösungen zum Ausgleich von durch Massekräfte indu¬zierten Drehmomenten in Wellen als gemeinsames Merkmal den Nachteil, dass die Drehbewe¬gung der Welle zunächst in eine translatorische Bewegung umgewandelt werden muss, bevordie Energie zwischengespeichert wird. Im Falle der Bewegungsumkehr gilt das umgekehrtePrinzip der Transformation einer translatorischen Bewegung in eine Rotationsbewegung. Diebeschriebene Eigenschaft führt in der Folge auch dazu, dass der Arbeitsbereich der entspre¬chenden Lösungen eingeschränkt wird.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0014] Vor dem Hintergrund des oben skizzierten Stands der Technik liegt die Aufgabe dervorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zum Ausgleichen eines Drehmoments des obi¬gen technischen Gebiets derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders einfacher Aufbau und eine platzsparende kompakte Bauweise der Vorrichtung möglich ist. Hierfür liegt eine weitereAufgabe der Erfindung darin, die Transformation einer Rotationsbewegung in eine Translati¬onsbewegung bei der Energiespeicherung zu vermeiden und die im Stand der Technik auftre¬tenden Nachteile aufgrund von Reibung zwischen einzelnen Teilen oder aufgrund großer be¬wegter Massen, insbesondere Zusatzmassen, zu verhindern.

[0015] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0016] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausgleichen eines Drehmoments, das durcheine Kraft, insbesondere die Gewichtskraft, bedingt ist, die auf einen exzentrisch um eine hori¬zontale Welle ausgelenkten Massepunkt wirkt, wobei der Massepunkt insbesondere derSchwerpunkt eines Werkzeugs einer Werkzeugmaschine ist, umfasst einen Sockel, gegenüberdem die Welle drehbar ist, und eine Ausgleichsfeder. Dabei ist die Ausgleichsfeder derart aus¬gestaltet und angeordnet, dass die Welle mit einem einer Drehung gegenüber dem Sockelentgegenwirkenden Drehmoment beaufschlagbar ist.

[0017] Unter einer „horizontalen Welle" wird in dieser Anmeldung auch eine Welle verstanden,die nicht genau horizontal, sondern schräg und mit einer horizontalen Ausrichtungskomponenteausgerichtet ist. Mit „Welle" ist jedes Element gemeint, das zur Übertragung von Rotationskräf¬ten geeignet ist, insbesondere also auch ein Zapfen und eine Kardanwelle.

[0018] Als Beispiel für ein „Werkzeug" einer Werkzeugmaschine dient hierin eine Frässpindel.Es sind jedoch auch andere Werkzeuge unter diesem Betreff zu verstehen, nämlich solche, diesich üblicherweise an einer Werkzeugmaschine befinden und um eine horizontale Welle ver¬schwend werden können. Die Erfindung lässt sich dabei ebenso auf ein um eine Welle ver-schwenkbares Werkstück anwenden. Die „Frässpindel" umfasst bevorzugt alle um die Wellerotierbaren Teile der Werkzeugmaschine.

[0019] Unter dem Ausdruck „Sockel" wird in dieser Anmeldung beispielsweise ein Gehäuseverstanden, in dem die Welle drehbar gelagert ist. Es kann jedoch auch ein von dem Gehäuseabweichender Gegenstand sein, solange dieser als Bezugspunkt für die Drehung der Welledienen kann, insbesondere nur durch Translationsbewegungen verschiebbar, jedoch nichtrotierbar ist.

[0020] Unter einer „Ausgleichsfeder" ist im Sinne der Erfindung eine Einrichtung zu verstehen,welche eine einzige Ausgleichsfeder oder mehrere Teilfedern umfasst, die gegebenenfallsseriell und/oder parallel miteinander gekoppelt sein können. Zudem kann der Ausdruck „Aus¬gleichsfeder" weitere Bauteile umfassen, um einzelne Federn an unterschiedlichen Positionenfestzuklemmen oder mit anderen Federn oder anderen Bauteilen zu verbinden oder zu ver¬spannen.

[0021] Der Begriff der Ausgleichsfeder meint dabei jede Art Feder, die um ihre Federachse aufTorsion beansprucht wird. Beispiele für eine Ausgleichsfeder sind eine gewundene Biegefeder,bevorzugt eine als Schenkelfeder ausgestaltete schraubenförmige Feder, eine Spiralfeder oderein Torsionsstab, vorzugsweise eine Schenkel- oder Spiralfeder.

[0022] Unter einem „Gegendrehmoment" wird in dieser Anmeldung dasjenige Drehmomentverstanden, das dem durch die auf das Werkzeug wirkende Schwerkraft ausgeübten und überden Hebelarm, über den der Schwerpunkt des Werkzeugs mit der Welle verbunden ist, vermit¬telten Drehmoment entgegengesetzt wird, um das Werkzeug in einer vorgegebenen Auslenk¬stellung zu halten. Das Gegendrehmoment muss dabei betragsmäßig nicht gleich dem durchdie Schwerkraft bewirkten Drehmoment, diesem jedoch entgegengerichtet sein, das heißt dasDrehmoment der Schwerkraft abschwächen.

[0023] Mit Vorteil ist die Ausgleichsfeder zumindest teilweise um die Welle herum angeordnet.Dies bedeutet, dass die Ausgleichsfeder, die beispielsweise als Schenkelfeder und damit alsschraubenförmige Feder ausgestaltet sein kann, die Welle umfangseitig umgibt und somit ins¬besondere dieselbe Längsachse wie die Welle aufweist. Bevorzugt wird die Ausgleichsfeder sowohl an dem Sockel als auch an der Welle angebracht.

[0024] Die Ausgleichsfeder kann sich zum Aufbau des Gegendrehmoments bei einer Relativ¬bewegung zwischen der Welle und dem Sockel verspannen. Hierzu wird bevorzugt, die Aus¬gleichsfeder an mindestens einer Stelle mit dem Sockel und an mindestens einer Stelle mit derWelle zu verbinden. Demzufolge umfasst die Ausgleichsfeder bevorzugt auch geeignet ausge¬formte Konstruktionselemente, welche die Herstellung einer solchen, lösbaren oder auch nichtlösbaren Verbindung ermöglichen. Beispielsweise kann eine derartige Verbindung mittels einesSpannsatzes erfolgen, der eine reibschlüssige Verbindung der Ausgleichsfeder mit dem Sockelund/oder der Welle herstellt. Alternativ sind aber auch andere Verbindungsarten denkbar, wiebeispielsweise eine formschlüssige Verbindung mittels eines Keilwellenprofils oder eineSchraubenverbindung.

[0025] Um die erfindungsgemäße Funktion erfüllen zu können, muss die Ausgleichsfeder min¬destens eine Feder enthalten, die geeignet zu dimensionieren ist. Dies kann beispielsweisedadurch geschehen, dass der Wicklungsdurchmessers und/oder der Drahtdurchmessers einerals Schenkelfeder ausgestalteten Feder an die vorgesehene Werkzeugmaschine, insbesonderedie Masse, den Hebelarm und den Auslenkwinkel des Werkzeugs, angepasst werden. Eineweitere Möglichkeit zur Adaption an den zur Verfügung stehenden Bauraum, das auszuglei¬chende Drehmoment und den notwendigen Auslenkbereich der Welle besteht in der Kombinati¬on mehrerer Federn, die seriell oder parallel miteinander in Bezug auf den Sockel und die Welleverbunden werden.

[0026] Die Art und Reihenfolge der Anordnung einzelner Federn in Form von elementarenSerien- und/oder Reihenschaltungen in Kombination mit der Lage der Anbindungsstellen amSockel und an der Welle wird im weiteren Verlauf der Beschreibung als Federanordnung be¬zeichnet.

[0027] In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Welle aus einer Nulllage in zwei einanderentgegengesetzte Drehrichtungen drehbar und das Gegendrehmoment wirkt einer Drehung derWelle in jeder der beiden Drehrichtungen jeweils entgegen.

[0028] Unter der „Nulllage" ist eine Stellung des Werkzeugs und damit der Welle zu verstehen,in der die Ausgleichsfeder kein Gegendrehmoment auf die Welle gegenüber dem Sockel aus¬übt. Darunter, dass das Gegendrehmoment einer Drehung der Welle in jeder der beiden Dreh¬richtungen jeweils entgegenwirkt, ist zu verstehen, dass eine Auslenkung der Welle aus derNulllage, die beispielsweise durch einen separaten Antrieb initiiert und durch die Schwerkraftverstärkt wird, zu einem Rückstelldrehmoment führt, das durch die bevorzugte Vorrichtungaufgebaut wird.

[0029] In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gegendrehmoment proportional zu einemAuslenkwinkel der Welle. Mit dem Auslenkwinkel ist dabei der Winkel gemeint, um den dieWelle aus der Nulllage ausgelenkt wird.

[0030] Mit Vorteil ist die Ausgleichsfeder als schraubenförmige Feder, insbesondere als Schen¬kelfeder, ausgebildet, die sich die Welle umgebend entlang der Welle erstreckt. Eine Erstre¬ckung der schraubenförmigen Feder entlang der Welle bedeutet hierbei, dass die Zylinderachseder schraubenförmigen Feder parallel zu der Mittelachse der Welle verläuft. Weiter bevorzugtweist die Ausgleichsfeder eine oder mehrere Biegefedern auf, die bevorzugt als Schenkelfederausgeführt ist, beziehungsweise als Schenkelfedern ausgeführt sind. Weiter bevorzugt kann dieAusgleichsfeder an der Welle und/oder an dem Sockel durch eine Klemmverbindung ange¬bracht werden.

[0031] Prinzipiell sind jedoch auch andere Ausführungsformen der Erfindung möglich, die einedirekte Speicherung der Energie, ohne eine Transformation der Rotationsbewegung in einetranslatorische Bewegung erlauben. Der Begriff der Biegefeder bezieht sich hierbei auf dieprimäre innere Belastungsart der verwendeten Feder.

[0032] Schenkelfedern sind den Biegefedern zugeordnet und entsprechen in ihrer Form im

Wesentlichen schraubenförmigen Federn. Sie bestehen aus einem zylinderförmig aufgewickel¬ten Draht, wobei sich die einzelnen Wicklungen berühren oder aber einen bestimmten Abstandzueinander aufweisen können. Die auf die Ausgleichsfeder wirkende Torsionskraft ist dabei umdie Zylinderachse der Schenkelfeder gerichtet.

[0033] Die beschriebene Form ermöglicht es, eine entsprechend aufgebaute Ausgleichsfederäußerst kompakt aufzubauen und platzsparend zwischen dem Sockel und der Welle zu integrie¬ren. Entsprechender Bauraum ist bei Wellen von Werkzeugmaschinen typischerweise vorhan¬den, da zum einen für die Lagerung der jeweiligen Baugruppen ausreichend Platz notwendig istund zum anderen auch eine einfache Montage und Demontage des Systems ermöglicht werdenmuss. Die bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung nutzt also den bereits vorhandenen Bau¬raum auf besonders effiziente Weise.

[0034] Mit Vorteil ist die Ausgleichsfeder mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgebildet. Diesbedeutet, dass die Ausgleichsfeder auch aus mehreren Einzelfedern zusammengesetzt seinkann, um eine insgesamt auf die Welle und den Sockel wirkende Ausgleichsfeder zu bilden.

[0035] Mit Vorteil ist die Ausgleichsfeder vorgespannt. Hierzu wird das aus einer Ausgleichsfe¬der oder mehreren Ausgleichs-(Teil-)federn bestehende System bevorzugt an einem Ende derFederanordnung mittels geeignet ausgeformter Klemmelemente festgehalten und an einemdem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende um einen definierten Winkel koaxial umdie Längsachse der Federanordnung verdreht. Das dem ersten Ende gegenüberliegende zwei¬te Ende wird dann ebenfalls mittels eines Klemmelements geklemmt und die beiden Klemm¬elemente werden weiterhin mittels eines Jochs miteinander verbunden, sodass die Ausgleichs¬feder im unbelasteten Zustand bereits vorgespannt ist.

[0036] Die Verbindung der Feder mit der Welle erfolgt mit Vorteil in einer neutralen Stellung(Nulllage), in der kein oder nur ein minimales Ausgleichsmoment (Gegendrehmoment) erforder¬lich ist.

[0037] Bevorzugt wird in dieser Position das Joch mit dem Sockel verbunden. Die Anbindungder Ausgleichsfeder an der Welle erfolgt bevorzugt genauso in der neutralen Stellung und mit¬tels eines geeignet ausgeformten Klemmsystems. Dieses wird zwischen den beiden Enden derAusgleichsfeder mit der Ausgleichsfeder verbunden und an der Welle befestigt.

[0038] Es kann auch eine andersartige Anbindung der Ausgleichsfeder an den Sockel und dieWelle realisiert werden, indem beispielsweise das Joch mit der Welle verbunden wird, währenddas an einer Stelle zwischen den beiden Enden der Ausgleichsfeder positionierte Klemmsystemmit der Ausgleichsfeder und dem Sockel verbunden wird.

[0039] In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Welle durch einen Antrieb, insbesondereeinen Elektromotor, gegenüber dem Sockel drehbar, um den Massepunkt abzulenken. Dieserwird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Direktantrieb ausge¬führt und direkt zwischen den Sockel und die Welle integriert.

[0040] Mit Vorteil ist die Ausgleichsfeder zwischen der Welle und dem Sockel integriert. Diesbedeutet, dass die Ausgleichsfeder in den Bauraum zwischen Welle und Sockel eingebaut ist.

[0041] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Ausgleichsfeder mit einer Profil¬hülse oder mehreren Profilhülsen versehen. Es ist zusätzlich möglich, die Ausgleichsfederdurch die eine Profilhülse oder die mehreren Profilhülsen an der Welle und/oder dem Sockelanzubringen.

[0042] In dieser vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird durch eine Variation derSteifigkeit der verwendeten Ausgleichs-, insbesondere Schenkelfeder eine nahezu beliebigeAnpassung des zur Verfügung stehenden Gegendrehmomentes in Abhängigkeit von der Win¬kelposition der Welle gegenüber dem Sockel ermöglicht. Hierzu wird die Tatsache genutzt, dassdie eingesetzte Feder bei einer definierten Verdrehung um ihre Längssachse ihren Außen¬durchmesser bzw. Innendurchmesser ebenfalls definiert verändert. Indem geeignet ausgeform¬te Profilhülsen von außen an die Feder angelegt oder in die Feder eingesetzt werden, kann gezielt gesteuert werden, welche Abschnitte der Feder effektiv wirksam sind.

[0043] Wird beispielsweise aufgrund der Verdrehung einer Schenkelfeder eine Verkleinerungdes Wicklungsdurchmessers erzwungen, so kann eine innenliegende Profilhülse so ausgeformtsein, dass mit zunehmendem Drehwinkel Teile der Feder an der Profilhülse anliegen und damitdiese Teile der Feder nicht mehr wirksam sind. In der Folge wird die Steifigkeit des noch wirk¬samen Teils der Feder erhöht, wodurch mit zunehmendem Drehwinkel eine überproportionaleSteigerung des verfügbaren Drehmoments erfolgt. Ein analoger Sachverhalt gilt für eine außenan die Feder anliegende Profilhülse, wenn aufgrund der Verdrehung der Feder eine Vergröße¬rung des Federdurchmessers erzwungen wird.

[0044] Bei einer bereits vorgespannten Feder kann auch eine Abnahme der wirksamen Feder¬steifigkeit erzielt werden. Wird beispielsweise aufgrund der Verdrehung einer Feder eine Ver¬kleinerung des Federdurchmessers erzwungen, so kann eine außenliegende Profilhülse soausgeformt sein, dass mit zunehmendem Drehwinkel Teile der an der Profilhülse anliegendenFeder wieder frei werden und damit diese Teile der Feder wieder wirksam sind. In der Folgewird die Steifigkeit des wirksamen Teils der Feder reduziert, wodurch mit zunehmendem Dreh¬winkel eine unterproportionale Steigerung des verfügbaren Drehmoments erfolgt. Ein analogerSachverhalt gilt für eine innen an die Feder anliegende Profilhülse, wenn aufgrund der Verdre¬hung der Feder eine Vergrößerung des Federdurchmessers erzwungen wird.

[0045] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgendenFigurenbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche.

KURZE FIGURENBESCHREIBUNG

[0046] Figur 1a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Werkzeugmaschine mit einer horizontal angeordneten Welle und einem um diese Welle drehbarenWerkzeug.

[0047] Figur 1 b zeigt eine vergrößerte Teilansicht der Welle der Werkzeugmaschine, teilweise in Schnittdarstellung, in einer bevorzugten Ausführungsform ei¬ner erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0048] Figur 2a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausgleichsfeder in einer bevor¬ zugten Ausführungsform.

[0049] Figur 2b zeigt eine perspektivische Ansicht eines Spannsatzes zur Verbindung einer Welle mit einer Ausgleichsfeder in einer bevorzugten Ausführungs¬form.

[0050] Figuren 3a-3f zeigen einige beispielhafte Ausführungsformen einer Federanordnung der

Ausgleichsfeder gegenüber einer Welle und einem Sockel.

[0051] Figur 4a zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausfüh¬ rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit integrierten Profilhül¬sen zur Anpassung des verfügbaren Gegendrehmomentverlaufs in einerneutralen Stellung.

[0052] Figur 4b zeigt eine schematische Schnittdarstellung der bevorzugten Ausführungs¬ form aus Figur 4a in einer von der neutralen Stellung abweichenden Stel¬lung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0053] Figur 1a zeigt als typisches Anwendungsbeispiel für den Einsatz einer ersten, bevorzug¬ten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine perspektivische Ansicht einerWerkzeugmaschine 1 mit einer horizontal angeordneten Rotationsachse 8 und einem alsFrässpindel 6 ausgestalteten Werkzeug, das gegenüber der Rotationsachse 8 eine exzentri¬sche Last bildet.

[0054] Die Werkzeugmaschine 1 weist einen horizontal verfahrbaren Ständer 2 auf, der wiede¬rum einen vertikal verfahrbaren Schlitten 3 trägt. Der Schlitten 3 hält und führt wiederum einGehäuse 4 welches ebenfalls in horizontaler Richtung relativ zum Schlitten 3 entlang einertranslatorischen Bewegungsachse verfahrbar ist, wobei diese lotrecht zu den beiden überge¬ordneten Bewegungsachsen angeordnet ist. An einer Stirnseite 5 des Gehäuses 4 befindet sichdie Frässpindel 6, die im Gehäuse 4 über eine Welle 7 drehbar gelagert ist, wobei die Rotati¬onsachse 8 horizontal und somit parallel zur translatorischen Bewegungsachse des Gehäuses4 liegt. Die Frässpindel 6 ist dabei über die Welle 7 um einen Winkel ß drehbar, um ein zubearbeitendes Werkstück (nicht gezeigt) aus verschiedenen Richtungen bearbeiten zu können.

[0055] Figur 1b zeigt eine vergrößerte Teilansicht des horizontal verfahrbaren Gehäuses 4, dieWelle 7, die Frässpindel 6 und weitere Bauteile gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungs¬form der Erfindung in einer Schnittdarstellung. Die rotatorische Lagerung 9, 10 ermöglicht es,die Frässpindel 6 aus der dargestellten „vertikalen" Stellung im Uhrzeigersinn oder gegen denUhrzeigersinn um mehr als neunzig Grad um die Rotationsachse 8 zu schwenken, wodurch dieAusführung komplexer Fräsoperationen ermöglicht wird. Die „vertikale" Stellung wird deshalb sobezeichnet, weil der Schwerpunkt 11 der Frässpindel 6 in dieser Stellung über der Rotations¬achse 8 angeordnet ist und die direkte Verbindung zwischen dem Schwerpunkt 11 und derRotationsachse 8 somit vertikal verläuft.

[0056] Der Schwerpunkt 11 der Frässpindel 6 sowie ihrer Anbauteile liegt also nicht koaxial aufder Rotationsachse 8, sondern in Bezug auf diese Rotationsachse 8 exzentrisch. Um dieFrässpindel 6 aus ihrer vertikalen Stellung um die Rotationsachse 8 zu drehen wird ein in dasGehäuse 4 integrierter Elektromotor 12, der im beschriebenen Anwendungsbeispiel in Formeines Torquemotor ausgeführt ist, eingesetzt, der die Welle 7 um den gewünschten Auslenk¬winkel dreht.

[0057] Sobald sich die Frässpindel nicht mehr in ihrer vertikalen Stellung befindet, wirkt eindurch die Gewichtskraft des Schwerpunkts 11 bewirktes Drehmoment auf die Welle 7. DerBetrag dieses Drehmoments ist proportional zur Masse der Frässpindel 6, dem Hebelarm desSchwerpunkts 11 und dem Sinus des Auslenkwinkels. Dieses Drehmoment wird durch denElektromotor 12 sowie eine Ausgleichsfeder 13 ausgeglichen, um die Frässpindel 6 in einergewünschten Stellung, d.h. in einem gewünschten Auslenkwinkel in Bezug auf die vertikaleStellung, zu halten.

[0058] In Figur 2a ist eine erste bevorzugte Ausführungsform der Ausgleichsfeder 13 in einerperspektivischen Ansicht dargestellt. Eine als Schenkelfeder 14 ausgebildete Ausgleichsfederist an ihren beiden Enden mit Klemmelementen 15, 16 versehen. Die beiden Klemmelemente15, 16 sind an einem Joch 17 angebracht, das die Klemmelemente 15, 16 und damit die beidenEnden der Schenkelfeder 14 miteinander verbindet. Indem die Schenkelfeder 14 vor dem Ver¬binden der beiden Klemmelemente 15, 16 mit dem Joch 17 um einen definierten Winkel um ihreLängsachse 18 verdreht wird, kann die Ausgleichsfeder 13 vorgespannt werden. Dies kanninsbesondere vor dem Einbau der Ausgleichsfeder 13 in die Werkzeugmaschine 1 erfolgen unddiesen Einbau somit vereinfachen.

[0059] Figur 2b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Verbindung der Schenkelfeder mitder Welle 7 in Form eines Spannsatzes 19. Dieser besteht aus einem konischen Innenring 20und einem ebenfalls konischen Außenring 21, die über eine Schraubenverbindung 22 gegenei¬nander verspannt werden und eine kraftschlüssige Verbindung zur Welle 7 hersteilen.

[0060] Der Außenring 21 des Spannsatzes 19 verfügt an der Außenseite über eine schrauben¬förmig ausgebildete Ausfräsung 23, die auf die Steigung und den Durchmesser der Schenkelfe¬der 14 abgestimmt ist. Die Verbindung des Spannsatzes 19 mit der Schenkelfeder 14 erfolgt inder Mitte der Federanordnung, durch ein Klemmstück 24 mit einer ebenfalls schraubenförmigausgeführten Ausfräsung 25 und eine Schraubenverbindung 26.

[0061] Die Verbindung der Ausgleichsfeder 13 mit dem Gehäuse 4 (dem „Sockel") wird bei derersten, bevorzugten Ausführungsform bewerkstelligt, indem das Joch 17 mit dem Gehäuse 4 verschraubt wird.

[0062] Figuren 3a bis 3f zeigen exemplarisch einige mögliche Anordnungen der Federn in einerAusgleichsfeder. Die für die jeweilige Anwendung bevorzugte Anordnung wird unter anderemdurch den vorhandenen Bauraum und das zu kompensierende Drehmoment/das aufzubringen¬de Gegendrehmoment sowie den erforderlichen Schwenkbereich der Frässpindel 6 bestimmt.

[0063] Die in Figur 3a gezeigte Anordnung ist eine Federanordnung entsprechend der be¬schriebenen ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus Figur 2. Sie umfasst eineeinzige Feder, die an ihren beiden Enden 27, 28 sowie an einer Zwischen position 29 über einesoder mehrere Hilfselemente mit dem Gehäuse 4 und der Welle 7 verbunden ist.

[0064] Die in Figur 3b dargestellte Anordnung zeigt eine Kombination zweier identischer Federn30a und 30b, die eine betragsmäßig gleich große Steifigkeit c aufweisen.

[0065] In Figur 3c hingegen umfasst die Federanordnung zwei unterschiedliche Federn 31, 32,die unterschiedliche Abmessungen, jedoch ebenfalls eine betragsmäßig gleich große Steifigkeitc aufweisen.

[0066] Die in Figur 3d gezeigte Federanordnung entspricht im Aufbau der Anordnung aus Figur3c. Im Unterschied dazu, weisen die einzelnen Federn jedoch eine betragsmäßig unterschied¬lich große Steifigkeit c auf.

[0067] Figur 3e zeigt eine Kombination aus einer einzelnen Feder 33 und einer Parallelschal¬tung zweier Federn 34, 35, wobei der parallel geschaltete Teil der Federanordnung mit denFedern 34 und 35 sowie der zweite Teil der Federanordnung mit der Feder 33 eine betragsmä¬ßig gleich große Steifigkeit q aufweisen.

[0068] Die in Figur 3f dargestellte Anordnung umfasst eine einzige Feder 36, die jedoch nicht ineiner Zwischenposition mit dem Gehäuse 4 bzw. der Welle 7 verbunden ist, sondern an ihrenjeweiligen Enden 37, 38.

[0069] Figur 4a zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dererfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer integrierten, innen liegenden Profilhülse 39 und einerzusätzlichen außen liegenden Profilhülse 40 zur Anpassung des verfügbaren Gegendrehmo¬ments.

[0070] Die Federanordnung ist gemäß dem in Figur 3f dargestellten Konzept implementiert undnicht vorgespannt. Sie umfasst dementsprechend bei dieser Ausführungsform der Erfindungeine einzelne Schenkelfeder 14, die an ihren jeweiligen Enden 41,42 mit dem Gehäuse 4 bzw.der Welle 7 verbunden ist (Verbindung nicht dargestellt). Die innen liegende Profilhülse 39verfügt über eine außen liegende Profilfläche 43 die derart ausgeformt ist, dass sich die Schen¬kelfeder 14 in der neutralen Stellung der Rotationsachse 8, d.h. der vertikalen Stellung derFrässpindel 6, auf einer definierten Länge U an die Profilfläche 43 der Profilhülse 39 anlegt unddamit auf dieser Länge nicht wirksam ist.

[0071] Die außen liegende Profilhülse 40 hingegen verfügt über eine innen liegende Profilfläche44, die ebenfalls derart ausgeformt ist, dass sich die Schenkelfeder 14 in der neutralen Stellungder Rotationsachse 8 auf einer definierten Länge L2 an die Profilfläche 44 der Profilhülse 40anlegt und damit auf dieser Länge nicht wirksam ist. Die Steifigkeit der Federanordnung wirddamit durch die freie wirksame Länge LWirko der Schenkelfeder 14 bestimmt.

[0072] Figur 4b zeigt eine Schnittdarstellung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindungnach Figur 4a in einer von der neutralen Stellung abweichenden Stellung, bei der die Drehach¬se um einen definierten Winkel ß in Bezug auf die neutrale Stellung der Achse und damit dievertikale Stellung der Frässpindel 6 verdreht ist.

[0073] Bei einer Drehung der Welle 7 in eine erste Richtung vergrößert sich der Durchmesserder Schenkelfeder 14 und somit löst sich diese in Abhängigkeit vom Drehwinkel ß auf einerbestimmten Länge L^ß) von der Profilfläche 43 der innen liegenden Profilhülse 39. Gleichzeitiglegt sich die Schenkelfeder 14 in Abhängigkeit vom Drehwinkel ß auf einer bestimmten Länge I_2(ß) an die Profilfläche 44 der außen liegenden Profilhülse 40 an.

[0074] Bei einer Drehung der Welle 7 in eine zur ersten Richtung entgegengesetzte zweiteRichtung verkleinert sich der Durchmesser der Schenkelfeder 14 dagegen und somit legt sichdiese in Abhängigkeit vom Drehwinkel ß auf einer bestimmten Länge U (ß ) an die Profilfläche43 der innen liegenden Profilhülse 39 an. Gleichzeitig löst sich die Schenkelfeder 14 in Abhän¬gigkeit vom Drehwinkel ß auf einer bestimmten Länge L2(ß) von der Profilfläche 44 der außenliegenden Profilhülse 40.

[0075] Zusammenfassend kann für diese bevorzugte Ausführungsform konstatiert werden, dassdie wirksame Länge LWirk(ß) der Schenkelfeder 14 und damit deren Steifigkeit durch die Aus¬formung der Profilflächen 43, 44 der beiden Profilhülsen 39, 40 bestimmt wird. Durch eine andie jeweilige Anwendung angepasste Auslegung und Gestaltung der Schenkelfeder 14 und derbeiden Profilhülsen 39, 40 kann damit der drehwinkelabhängige Verlauf des zur Verfügungstehenden Gegendrehmoments der erfindungsgemäßen Vorrichtung individuell angepasstwerden.

Claims (17)

1. Ansprüche 1. Vorrichtung zum Ausgleichen eines Drehmoments, das durch eine Kraft, insbesondere dieGewichtskraft, bedingt ist, die auf einen exzentrisch um eine horizontale Welle (7) ausge¬lenkten Massepunkt wirkt, wobei der Massepunkt insbesondere der Schwerpunkt eines Werkzeugs einer Werkzeug¬maschine (1) ist,umfassend: einen Sockel, gegenüber dem die Welle (7) drehbar ist, undeine Ausgleichsfeder (13), wobei die Ausgleichsfeder (13) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Welle (7)mit einem einer Drehung gegenüber dem Sockel entgegenwirkenden Gegendrehmomentbeaufschlagbar ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Massepunkt der Schwerpunkt einer Frässpindel (6) einer Werkzeugmaschine (1) ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgleichsfeder (13) zumindest teilweiseum die Welle (7) herum angeordnet ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgleichsfeder (13)sowohl mit dem Sockel als auch mit der Welle (7) verbunden, bevorzugt an diesen ange¬bracht ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Welle (7) aus einerNulllage in zwei einander entgegengesetzte Drehrichtungen drehbar ist und wobei das Ge¬gendrehmoment einer Drehung der Welle (7) in jeder der beiden Drehrichtungen jeweilsentgegenwirkt.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gegendrehmomentproportional zu einem Auslenkwinkel der Welle (7) ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgleichsfeder (13) inForm einer schraubenförmigen Feder, insbesondere einer Schenkelfeder (14), ausgebildetist, die sich die Welle (7) umgebend entlang der Welle (7) erstreckt.
8. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgleichsfeder (13)eine Biegefeder oder mehrere Biegefedern aufweist, die bevorzugt als Schenkelfeder (14)ausgeführt ist oder als Schenkelfedern (14) ausgeführt sind.
9. 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgleichsfeder (13)an der Welle (7) und/oder dem Sockel durch eine Klemmverbindung angebracht ist.
10. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgleichsfeder (13)mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgebildet ist.
11. 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgleichsfeder (13)vorgespannt ist.
12. 12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sockel ein die Welle (7) umgebendes Gehäuse (4) umfasst.
13. 13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Welle (7) durch einenAntrieb, insbesondere einen Elektromotor (12), gegenüber dem Sockel drehbar ist, um denMassepunkt auszulenken.
14. 14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgleichsfeder (13)zwischen der Welle (7) und dem Sockel integriert ist.
15. 15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit zumindest einer Profil¬hülse (39, 40) eine Steifigkeitsmodulation der Ausgleichsfeder (13), die bevorzugt alsSchenkelfeder (14) ausgeführt ist, erzeugt wird.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Ausgleichsfeder (13) kraft- und/oder formschlüs¬sig an der zumindest einen Profilhülse (39, 40) angebracht ist.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Ausgleichsfeder (13) kraft- und/oderformschlüssig an der Welle (7) und/oder dem Sockel angebracht ist. Hierzu 7 Blatt Zeichnungen