DE3727445C1 - Arrangement for adjusting the jaws in power-operated chucks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen der Backen eines an einer zum Umlauf antreibbaren Arbeitsspindel angeordneten Kraftspannfutters mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.

Eine gattungsgleiche Vorrichtung ist in der DE-PS 33 14 629 beschrieben und dargestellt. Sie umfaßt einen Elektromotor, der im Spindelstillstand mit einem Element eines Wälzschraubtriebs kuppelbar ist. Zum Spannen eines Werkstücks läuft der Wälzschraubtrieb zunächst im wesentlichen leer, bis die Backen auf das zu spannende Werkstück treffen, wonach der Spannkraftspeicher durch Weiterlaufen des Wälzschraubtriebs geladen wird. Um zu verhindern, daß sich die Backen nach Abkuppeln des Motors bei umlaufender Spindel wieder lösen, ist eine Bewegungssperre vorgesehen.

Sowohl der Wälzschraubtrieb als auch die Bewegungssperre sind mitumlaufend an der Spindel angeordnet. Die beiden, den Wälztrieb bildenden Komponenten "Schraube" und "Mutter" bilden dabei das zur Anpassung an unterschiedliche Spanndurchmesser und Spannkräfte längenveränderbare Bauteil, an dem sich der Kraftspeicher direkt oder über zwischengeschaltete Komponenten abstützt. Durch die Verwendung des reibungsarmen Wälzschraubtriebs anstelle eines herkömmlichen Gleitschraubtriebs ist der Leistungsbedarf der Vorrichtung relativ gering.

Bei der praktischen Verwirklichung dieses bekannten Vorschlags zeigt sich, daß die Zahl der unterzubringenden und ineinander zu verschachtelnden Komponenten relativ groß ist mit dem Ergebnis, daß die Vorrichtung radial verhältnismäßig ausladend wird. Dies führt insbesondere bei modernen hochtourigen Werkzeugmaschinen, etwa Drehmaschinen, zu entsprechend hohen Trägheitsmomenten, die zu beschleunigen und abzubremsen sind, und zu Auswuchtproblemen, wobei zusätzlich noch Festigkeitsprobleme wegen der hohen Fliehkräfte auftreten können.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgleiche Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß die Zahl und Abmessung der mit der Spindel umlaufenden Komponenten verringert werden kann.

Die in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen erfindungsgemäß zur Lösung dieser Aufgabe vorgesehenen Merkmale ergeben sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Während bei der bekannten Vorrichtung sowohl die Ladebewegung des Kraftspeichers als auch der Längenausgleich mittels derselben Komponenten, nämlich mittels der Teile des Wälzschraubtriebs, erfolgt, sind bei der erfindungsgemäßen Konzeption die Komponenten für das Laden des Kraftspeichers und für den Längenausgleich voneinander getrennt und sind auch getrennt ansteuerbar (was nicht ausschließt, daß ihr Antrieb von einem gemeinsamen Motor abgeleitet wird). Dies erlaubt, die Antriebseinheit für das Laden des Kraftspeichers stationär auszubilden, so daß mit der Spindel nur noch zusätzlich zum Kraftspeicher und zum Übertragungsorgan das Stellgetriebe, im einfachsten Falle ein einfacher Gleitschraubtrieb, umzulaufen braucht.

Es ist anzumerken, daß anstelle eines Backenfutters irgendeine andere Spannvorrichtung vorgesehen sein kann, etwa eine Spannzange, vorausgesetzt, daß dabei mindestens zwei Backen gemeinsam durch Verlagern eines zentralen Organs in bzw. außer Eingriff mit einem Werkstück oder Werkzeug gebracht werden.

Für die Ansteuerung bedient man sich zweckmäßigerweise eines gemeinsamen Ansteuergeräts für den Spannantrieb einerseits und den Spindelantrieb andererseits, wobei es bevorzugt ist, ein Ansteuergerät zu verwenden, das nach dem Prinzip der Frequenzumrichtung arbeitet, wie in EP O 2 28 007 A2 beschrieben.

Gemäß Patentanspruch 2 kann mittels der Vorrichtung wahlweise mit Innen- oder Außenspannung gearbeitet werden.

Die Ausbildung der Vorrichtung gemäß Anspruch 3 verhindert, daß Reaktionskräfte des Ladevorgangs über die Spindellagerung geleitet werden müssen.

Weitere Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung im einzelnen erläutert.

Fig. 1 ist ein Teilaxialschnitt der ersten Ausführungsform,

Fig. 2 ist ein zugehöriges Blockschaltbild,

Fig. 3 ist ein zugehöriges Ablaufdiagramm und

Fig. 4 bis 6 beziehen sich analog zu Fig. 1 bis 3 auf das zweite Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 und 4 sind nur die erfindungswesentlichen Details dargestellt, während unwesentliche Dinge, etwa Schraubverbindungen und dergleichen, allenfalls angedeutet wurden.

Einander entsprechende Bauteile beider Ausführungsformen sind mit gleichen Bezugszeichen markiert. Als Beispiel sind die Vorrichtungen in Verbindung mit Drehmaschinen gezeigt.

Man erkennt in Fig. 1 das linke, dem Reitstock abgewandte Ende des Spindelkastens 10, in dem über Wälzlager 12 (nur eines dargestellt) die Arbeitsspindel 14 abgestützt ist. Durch die hohl ausgebildete Spindel 14 erstreckt sich als Kraftübertragungsorgan ein Zug-Druck-Rohr 16, das relativ zur Spindel 14 axialverlagerbar ist und dabei Spann- bzw. Lösekräfte auf ein Backenfutter 102 überträgt, das an dem dem Reitstock zugekehrten Spindelkopf befestigt ist. Auf der linken Seite des Spindelkastens 10 ist in üblicher Weise die Vorrichtung befestigt, mittels der das Rohr 16 verlagert wird. Der erfindungsgemäße Aufbau dieser Vorrichtung wird nun erläutert.

Der Federkraftspeicher 18 besteht aus einer Reihe von Ringfedern 20, z. B. Tellerfedern, von denen zur Vereinfachung nur zwei gezeichnet sind. Sie sind mit ihrem Innenumfang am Rohr 16 in Axialrichtung mittels Scheiben 22 abgestützt und an ihrem Außenumfang durch eine Ringbaugruppe 24 miteinander verbunden. Ein Topfteil 26 mit Endflansch 28 umkapselt den Kraftspeicher 18. Das Topfteil 26 ist ferner mit einer Hülse 30 verbunden, die ihrerseits mit einem auf die Spindel 14 fest aufgeschraubten Flansch 32 verschraubt ist. Demgemäß ist das Topfteil 26 axialfest bezüglich der Spindel und läuft mit dieser um.

Von der Ringbaugruppe 24 erstrecken sich einige Bolzen 34, z. B. vier oder sechs, parallel zur Spindelachse durch entsprechende Bohrungen in dem Boden des Topfteils 26 in Richtung Spindelkasten 10. Ihre Enden sind mit einem Stellring 36 fest verbunden. Der Stellring 36 weist Innengewinde auf, das mit einem entsprechenden Außengewinde einer Stellbuchse 38 im Eingriff steht. Die Stellbuchse 38 weist an ihrem spindelkastennahen Ende einen Flansch mit Außenverzahnung 40 auf. Die Stellbuchse 38 ist drehbar auf der Hülse 30 gelagert; ihre Axialerstreckung ist geringer als der Abstand zwischen dem Boden des Topfteils 26 und dem Endflansch 42 von Hülse 30, der mit dem Flansch 32 verbunden ist.

Demgemäß bilden der Stellring 36, an dem sich der Kraftspeicher abstützt, und die Stellbuchse 38 gemeinsam das zur Anpassung an unterschiedliche Spanndurchmesser und Spannkräfte in Axialrichtung längenveränderbare Bauteil, denn eine Drehbewegung der Stellbuchse 38 führt zu einer Verlagerung in Axialrichtung des Stellrings 36.

Oberhalb der insoweit beschriebenen Bauteile sitzt ortsfest am Spindelkasten 10 eine Antriebseinheit 44. (Es ist anzumerken, daß vorzugsweise mindestens zwei solcher untereinander identischer Antriebseinheiten vorgesehen sind, die gleichförmig auf dem Umfang verteilt angeordnet werden. Im Ausführungsbeispiel sind drei solcher Einheiten angenommen, zueinander um 120° versetzt.) Die Antriebseinheit 44 umfaßt ein Hydraulikzylindergehäuse 46 mit zwei koaxialen Zylinderkammern 48, in denen ein gemeinsamer Kolben 50 aufgenommen und für den Betrieb mit Hydraulikmedium unter Hochdruck von einigen hundert bar abgedichtet ist. Die Kammern 48 sind über Anschlüsse 52, 54 alternierend mit Druck beaufschlagbar.

Das Gehäuse ist zwischen den beiden Kammern 48 nach innen offen, so daß der Kolben 50 in diesem Bereich freiliegt. Auf ihm ist eine Klaue 53 montiert, die mit Spiel über die Peripherie des Stellrings 36 greift. Eine ähnliche Beziehung besteht bezüglich eines von dem Mantel des Topfteils 26 nach außen ragenden Ringflansches 55, der mit Spiel zwischen einen Bund 56 des Gehäuses 46 und einen an dem letzteren befestigten Anschlagring 58 greift (dieser ist auch mit den anderen beiden Zylindergehäusen verbunden). Jedes Zylindergehäuse 46 ist in Axialrichtung gleitbeweglich auf einer spindelachsparallelen Säule 60 zwischen Rückstellfedern 62 angeordnet, die so ausgelegt und angeordnet sind, daß sie bei druckentlasteten Kammern 48 das Gehäuse 46 in eine Position verlagern, in der Spiel zwischen dem Ringflansch 55 einerseits, dem Bund 56 und dem Anschlagring 58 andererseits besteht. Durch einen Schlitz 64 des Gehäuses 46 ragt ein Mitnehmer 66, der an der Klaue 53 befestigt ist und einen Positionsfühler 68, z. B. ein Meßpotentiometer, betätigt.

(Alle drei Zylindergehäuse 46 können miteinander verbunden sein, z. B. durch Sektorenabschnitte 70. Die jeweils gemeinsam anzusteuernden drei Zylinderkammern 48 werden mit gleichen Volumina beaufschlagt, so daß der Gleichlauf der drei Kolben gewährleistet ist. Beispielsweise läßt sich dies einfach dadurch bewerkstelligen, daß drei gleiche volumetrische Pumpen von einem gemeinsamen Motor angetrieben werden.)

Mit dem der in der Zeichnung dargestellten Antriebseinheit 44 gegenüberliegenden Sektorenabschnitt 70 sowie mit dem Ring 58 ist eine Halterung 72 verbunden, die einen Elektromotor 74 mit Untersetzungsgetriebe 76 trägt. Das Getriebe ist ausgangsseitig über eine biegsame Welle 78 mit einem Ritzel 80 gekuppelt, das am freien Ende eines Schwenkarms 82, der in Richtung des Pfeiles 84 hin und her beweglich ist, gelagert ist, um so mit seiner Umfangsverzahnung 86 in bzw. außer Eingriff mit der Verzahnung 40 von Stellbuchse 38 gebracht werden zu können. Die Bauteile 72 bis 86 machen die kleinen Verlagerungsbewegungen der Antriebseinheit 44 mit, ohne daß ihre Funktion dadurch beeinträchtigt wird.

Fig. 2 zeigt in Blockform die hier nur schematisch angedeuteten Funktionselemente sowie die Steuerungsmittel und deren Verknüpfung.

Die im Spindelstock 100 gelagerte Spindel 14 trägt das Futter 102 mit Backen 104 zum Spannen eines Werkstücks 106; die Spannkraft wird mittels Zug-Druck-Rohr 16 übertragen. Der Spindelantriebsmotor 108 ist von einem Steuergerät 110 über Leitung 112 gesteuert; ein Inkrementgeber liefert drehwinkelproportional Impulse auf Leitung 114 an das Steuergerät 110 zurück.

Während Fig. 1 nur eine Hydraulikeinheit 48/50 zeigt, sind in Fig. 2 zwei solcher Einheiten mit 48/50 bzw. 48′/50′ bezeichnet; wie vorstehend erwähnt, können auch noch mehr parallel geschaltet werden. Die Druckansteuerung erfolgt über zugeordnete Solenoidventile 116, 116′, die nur gemeinsam betätigbar sind und denen je eine volumetrische Pumpe 118, 118′ mit gemeinsamen Antriebsmotor 120 vorgeschaltet ist. Dieser Motor 120 wird über eine Leitung 126 von dem Steuergerät 128 gespeist und liefert Rückmeldeimpulse an dieses über eine Leitung 124. Die Ausgangssignale des Positionsfühlers 68 werden über eine Leitung 122 zum Steuergerät 128 zurückgeführt. Man erkennt ferner den Stellmotor 74 mit seinem Getriebe 76 sowie den Schwenkarm 82 mit seinem Schwenkantrieb 130. Dieser wird ebenso wie der Motor 74 und die Steuergeräte 110, 128 und das Solenoid 132 von Steuersignalen der übergeordneten CNC-Steuerung 134 gemäß dem Schema der Fig. 3 gesteuert.

Fig. 3 ist ein Balkendiagramm zur Darstellung des zeitlichen Ablaufs eines Spann- und eines Lösevorgangs. Die einzelnen Zeilen sind mit dem jeweils betrachteten Bauteil identifiziert, und die schraffierten Bereiche bedeuten "aktiv" oder "in Bewegung", wobei die Bewegungsumkehr durch aufwärts bzw. abwärts weisende Balken symbolisiert ist.

Zum Zeitpunkt t₀ sind alle Teile der Maschine im Stillstand. Beim Spannen, Bearbeiten und Lösen laufen die folgenden Vorgänge ab:

t₁: Der Antrieb 130 des Schwenkarms 82 wird angesteuert und bringt Ritzel 80 in Eingriff mit der Umfangsverzahnung 40 von Stellbuchse 38.
t₂: Motor 74 wird in vorgegebener Drehrichtung gestartet, derart, daß auf die Stellbuchse 38 ein Drehmoment vorgegebener Richtung übertragen wird, die sich daraufhin in dem Stellring 36 in Richtung eines Anschlags schraubt (beispielsweise nach rechts in Fig. 1).
t₃: Stellbuchse 38 stützt sich jetzt am Anschlag ab, so daß sie diese Axialposition beibehält. Dadurch wird auch ihre Drehbewegung auf Null gebremst; der Stator des Motors 74 bleibt jedoch erregt.

Zum Zeitpunkt t₃ wird auch das Solenoid 132 für die entsprechende Durchflußrichtung erregt. Eine der Zylinderkammern 48 wird mit Druckmedium angespeist, und nach Durchlaufen eines Leerhubs - bis Klaue 53 am Stellring 36 anliegt - wird ab

t₄ über diesen, Bolzen 34, Federkraftspeicher 18 und Halteringe 22 das Zug-Druck-Rohr 16 axial verlagert. Dabei wird der Federkraftspeicher 18 noch nicht geladen, da die Backen 104 noch nicht am Werkstück anliegen.
t₅: Die Spannbacken 104 fassen das Werkstück, und damit hat das Zug- Druck-Rohr 16 seine Arbeitslage erreicht (abgesehen von elastischen Verformungen, die hier der Einfachheit halber als im Federkraftspeicher 18 konzentriert angenommen werden). Im Zeitraum von t₅ bis
t₆ wird der Federkraftspeicher 18 geladen, da das Solenoidventil 132 noch nicht umgeschaltet hat. Auch der Stellring 36 wird in diesem Zeitraum entsprechend axial verlagert, wobei die Stellbuchse 38, vom Stellring 36 mitgenommen, sich immer wieder an den Anschlag schraubt.

Die Position der einzelnen Komponenten ist in Fig. 1 zum Zeitpunkt t₆ dargestellt mit Ausnahme von Schwenkarm 82, der zum Zeitpunkt t₆ gerade auskuppelt.

Das Solenoid 132 wird nun hinsichtlich der Durchflußrichtung umgesteuert, so daß der Kolben 50 die Klaue 53 vom Stellring 36 zurückzieht; der Stellring 36 ist jedoch durch die mit ihm in Schraubverbindung stehende, am Anschlag anliegende Stellbuchse 38 gehindert, der Klaue 53 zu folgen. So bleibt auch die erreichte Federspannung des Kraftspeichers 18 unverändert.

t₇: Alle bezüglich der Spindeldrehung stationären Teile haben sich von der Spindel gelöst, so daß ihr Antriebsmotor 108 anlaufen kann. Bis zum Zeitpunkt
t₈ erfolgt die Bearbeitung des Werkstücks.

Die Spindel ist auf Null abgebremst. Der Schwenkantrieb 130 kuppelt das Ritzel 80 wieder mit der Verzahnung 40, und der Stator des Motors 74 wird bei

t₉ erregt, jedoch mit einem Drehsinn derart, daß sich die Stellbuchse 38 in Richtung des gegenüberliegenden Anschlags schrauben möchte. Dies ist aber noch nicht möglich, da die volle gespeicherte Federkraft auf ihr lastet. Deshalb wird bei
t₁₀ das Solenoid 132 erneut im Spannsinn (!) erregt, um die Stellbuchse 38 zu entlasten. Sie läuft bis zum Zeitpunkt
t₁₁ bis zu dem anderen Anschlag, also im Beispiel nach links, bis sie auf das Topfteil 26 auftrifft. Das Solenoid 132 wird umgesteuert und gibt den Federkraftspeicher 18 frei, der sich bis zum Zeitpunkt
t₁₂ entlädt. Jetzt sind die Backen 104 vom Werkstück 106 gelöst. Die Kolben 50 bzw. 50′ sind nach wie vor mit Druck in Richtung "Backen lösen" beaufschlagt, so daß sie nun das Zug-Druck-Rohr 16 axial in Löserichtung verlagern und damit die Backen 104 öffnen. Dies ist bei
t₁₃ beendet. Das Solenoid 132 wird nochmals umgesteuert, um die stationären und die umlaufenden Teile vollständig voneinander zu lösen, und die Komponenten haben ihre Ausgangsstellung wieder bei
t₁₄ erreicht.

Es ist zu betonen, daß weder die Zeitachse maßstabsgerecht unterteilt ist, noch die jeweils erreichten Endlagen der einzelnen Komponenten untereinander maßstäblich vergleichbar wären; diese Anmerkung gilt auch für die später zu erläuternde Fig. 6.

Es versteht sich, daß der Ablauf durch Rückmeldung der einzelnen Vorgänge abgesichert werden kann, was an sich bekannt ist und nicht im einzelnen dargestellt wurde.

Die in Fig. 1 dargestellte und oben hinsichtlich Aufbau und Arbeitsweise erläuterte Vorrichtung kann in verschiedener Hinsicht abgewandelt werden. So werden in Fig. 1 die Spindellager durch den Spannvorgang nicht in Axialrichtung belastet. Ist jedoch die Spindellagerung bei der betreffenden Maschine so ausgebildet, daß sie auch höhere Axiallasten aufnehmen kann, ist es möglich, die in der Betätigungseinheit 44 erzeugten Betätigungskräfte über die Spindellagerung zu führen, so daß dann die Abstützung der Einheit 44 über den Ringflansch 55 - und damit dieser selbst - entfallen kann ebenso wie die Rückstellfedern 62; die gesamte Betätigungseinheit 44 ist dann vielmehr axial unverschieblich auf den sie tragenden Säulen 60 angebracht. Es ist anzumerken, daß das in Fig. 1 gezeigte Wälzlager 12 als sogenanntes Loselager keine Axialkräfte aufnehmen kann; üblicherweise ist aber das im futterseitigen Ende des Spindelkastens vorgesehene Festlager axial belastbar.

In weiterer Abwandlung der Vorrichtung ist es dann möglich, das Futter nicht nur im Spindelstillstand, sondern auch bei umlaufender Spindel zu betätigen, indem nämlich die Klauen 53 einerseits, der Stellring 36 andererseits als drehfester bzw. umlaufender Teil eines Gleitlagers ausgebildet werden. Zur Herabsetzung der Reibung ist es dabei bevorzugt, mindestens eine der Lagerfläche reibungsmindernd zu beschichten, etwa mit diamantartigem Kohlenstoff (siehe Aisenberg/Chabot, Ion-beam Deposition of Thin Films of Diamondlike Carbon, J. Appl. Phys., 1971, S. 2953-2958). Der Reibungskoeffizient wird dabei etwa auf den Wert eines konventionell geschmierten Gleitlagers herabgesetzt, so daß angesichts der nur kurzzeitigen Belastungen auch Trockenlauf zulässig sein dürfte. Alternativ kann man ein Axialwälzlager so ausbilden, daß der Stellring 36 der Innenring eines Rillenkugellagers wird, während die Klauen 53 einen entsprechenden Außenring abstützen würden.

Ferner kann man anstelle eines elektrisch angetriebenen Stellgetriebes 36/38 ein hydraulisch angetriebenes vorsehen.

Der Federweg ist in der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 relativ groß. In vielen Anwendungsfällen werden jedoch nur kleine Federwege benötigt, wenn beispielsweise die Spannbacken nur "nachfassen" müssen, weil das gespannte Material Kaltfluß aufweist. In solchen Fällen genügt es, sich auf die elastische Dehnung des Zug-Druck-Rohrs 16 selbst zu verlassen; insgesamt weisen ja alle im Kraftfluß liegenden Bauteile eine mehr oder weniger ausgeprägte Elastizität auf, wenn auch das verhältnismäßig dünnwandige Rohr 16 den Hauptanteil der Spannkraftspeicherung übernehmen kann, insbesondere dann, wenn man ein Material mit z. B. 1% zulässiger Dehnung (Glasfasern) einsetzt. Die Bauteile 20, 22, 24 der Fig. 1 würden dann zu einer einzigen, im wesentlichen nur als Übertragungsorgan wirkenden Scheibe reduziert mit entsprechender Herabsetzung der umlaufenden Massen.

Fig. 4 zeigt in einer Darstellung analog zu Fig. 1 das zweite Ausführungsbeispiel. Im Spindelkasten 10 ist die Spindel 14 in Wälzlagern 12 abgestützt, und sie nimmt das Zug-Druck-Rohr 16 auf. Mit der Spindel 14 ist ein Flansch 17 verschraubt, an den eine Hülse 19 angeflanscht ist. Spindel 14, Flansch 17 und Hülse 19 laufen gemeinsam um und sind axialfest zueinander. Der Federkraftspeicher 18 umfaßt Tellerfedern 20, deren Innenumfang mittels Ringen 22 an einer Stufe der Hülse 19 festgelegt ist; der freie äußere Umfang der Tellerfedern 20 ist zwischen einer Ringbaugruppe 24 und einem Verlängerungsstück 21 gehalten, dessen dem Kraftspeicher 18 abgewandtes zylindrisches Ende mit Außengewinde 23 versehen ist. Dieses Gewinde ist im Eingriff mit einem entsprechenden Innengewindeabschnitt 25 eines Rotors 27, der auf seiner dem Kraftspeicher abgewandten Seite ein Innengewinde 29 mit einer zum Gewinde 25 entgegengesetzten und vorzugsweise gleichgroßen Steigung aufweist. Dieses Innengewinde 29 ist seinerseits im Eingriff mit dem passenden Außengewinde 31 einer Kupplungsbüchse 33, die auf das Zug-Druck-Rohr 16 aufgeschraubt ist. Die Kupplungsbüchse 33 und der zylindrische Abschnitt des Verlängerungsstücks 21 weisen auf ihrer der Hülse 19 zugekehrten Innenseite eine Keilnut 35 auf, die mittels eines Keils 37 mit der Hülse 19 drehfest, aber axialverschieblich verbunden ist. Durch Umlauf des Rotors 27 erfolgt demgemäß eine Verlängerung bzw. Verkürzung der Baugruppe, bestehend aus dem Verlängerungsstück 21, Rotor 27 und Kupplungsbüchse 33, die somit das längenanpaßbare Bauteil der Vorrichtung bilden.

An den Spindelkasten 10 sind Säulen 60, gleichförmig um den Umfang verteilt, angeflanscht, die zwischen weichen Federpaketen 62 eine Antriebseinheit 44 tragen. Sie umfaßt ein aus mehreren Teilen zusammengesetztes Statorgehäuse 46 zur Aufnahme des Stators 39 eines ersten Elektromotors und des Stators 41 eines zweiten Elektromotors. Mittels eines Kreuzrollenlagers 43 ist im Innern des Gehäuses 46 koaxial zu Spindel 14 und Zug-Druck-Rohr 16 ein hohlzylindrischer Rotorträger 45 gelagert, der den Rotors 47 des ersten Motors trägt und an seinem freien Ende das Schraubengewinde eines Wälzschraubtriebs 49 aufweist, dessen zugehörige Mutter mit 51 beziechnet ist. Bolzen 34, die an der Mutter 51 befestigt sind, durchsetzen den Stator 41 und sichern die Mutter 51 gegen Drehung. Zugleich übertragen sie axiale Bewegungen der Mutter 51, hervorgerufen durch Erregung des ersten Elektromotors und damit Drehung des Rotors 47, auf ein Treibglied 53, das klauenartig entsprechende Bünde der Ringbaugruppe 24 bzw. des Verlängerungsstücks 21 umgreift. Zur Aufnahme der Reaktionskräfte umgreifen der Flansch 17 und die Hülse 19 in ähnlicher Weise einen an das Gehäuse 46 angeformten Innenflansch 55.

Der Rotor 27 weist auf seiner Außenseite den Eisenkern und die Wicklung des zum Stator 41 gehörenden zweiten Motors auf.

Am Spindelkasten 10 ist ein Näherungstaster 68 befestigt, der den Innenflansch 55 durchsetzt und die jeweilige Relativlage der Ringbaugruppe 24 auch während des Spindelumlaufs zu überwachen gestattet.

Mit 90 ist ein z. B. induktiver Sensor bezeichnet, der auf den Vorbeilauf von Zähnen 92 anspricht und somit das Zählen von Winkelinkrementen gestattet. Daraus lassen sich natürlich auch Drehzahl- bzw- Drehbeschleunigungsdaten ableiten, die in angeschlossenen Reglern (nicht dargestellt) weiterverarbeitet werden.

In Fig. 4 ist ein einziger Wälzschraubtrieb 45/51, koaxial zur Spindelachse angeordnet, dargestellt. Alternativ könnte man zwei einander gegenüberliegende oder auch mehr einzelne Schraubtriebe um den Umfang verteilt vorsehen, ähnlich wie dies bei Fig. 1 für die Arbeitszylinder 46, 48, 50 beschrieben wurde. Die Arbeitsdurchmesser der Gewinde werden dann sehr viel kleiner, so daß gegebenenfalls auch mit Gleitschraubtrieben gearbeitet werden könnte, da die Reibungsverluste entsprechend geringer ausfallen. Es versteht sich, daß dann analog zu Fig. 1 alle einzelnen Triebe synchron anzusteuern sind.

In Fig. 5 sind für Bauteile analog zu Fig. 2 gleiche Bezugszeichen verwendet.

Die Motoren sind Drehstrommotoren, vorzugsweise Kurzschlußläufermotoren, wobei Asynchronmotoren bevorzugt sind. Man verwendet ein einziges Ansteuergerät sowohl für den Spannantrieb als auch für den Spindelantrieb, da deren Motoren ja immer nur alternativ anzusteuern sind, so daß zumindest die teure Endstufe des Steuergeräts nur einmal vorhanden zu sein braucht, während die übrigen Daten jeweils umgeschaltet werden. Das Ansteuergerät arbeitet nach dem Prinzip der Frequenzumrichtung mit getrennter Steuerung der felderzeugenden und der drehmomenterzeugenden Stromkomponenten, was extrem hohe Drehzahlen bei niedriger Belastung und extrem hohe Drehmomente bei geringer Drehzahl ermöglicht.

Man erkennt in Fig. 5 den Motorstator 39 für den Spannantrieb und einen Motor 108 für den Arbeitsspindelantrieb. Jeder Motor ist mit einem Drehwinkelgeber bestückt, der z. B. pro Grad Drehwinkel einen Ausgangsimpuls liefert. Durch Differenzieren nach der Zeit erhält man die Drehgeschwindigkeit, durch nochmaliges Differenzieren die Drehbeschleunigung. Die benötigten Motorparameter (z. B. Trägheitsmoment des Rotors und sonstige Festdaten) sind in zugehörigen Speichern 200 für Motor 38/47 bzw. 202 für Motor 108 abgespeichert.

Ähnlich sind auch die entsprechenden Regelalgorithmen in Speichern 201 (für Motor 39/47) bzw. 203 (für Motor 108) festgehalten. Die Ausgänge der Speicher - der Einachheit halber sind die Verbindungen als Busse dargestellt - gelangen zu einem Umschalter 214, so daß dem Regler 215 nur die jeweils zusammengehörigen Daten zugeführt werden können. Die IST-Werte sind außerdem einer Schnittstelle 216 aufgeschaltet, die über einen Bus 217 im Dialog mit einer üblichen CNC-Maschinensteuerung steht. Die Stellsignale des Reglers 215 gelangen zu einem Stellgrößen-Umsetzer oder einer Endstufe 218, die die zugeführte Netzleistung, hier 380 V Netzspannung, dreiphasig, in die jeweils benötigten eingeprägten Statorströme der beiden Motoren umsetzt, die je nach Position eines Schalters 219 einem der Motoren aufgeschaltet werden. Die CNC-Steuerung liefert auch die SOLL-Werte über die Schnittstelle, und auch die SOLL-Werte werden jeweils umgeschaltet mittels eines Schalters 220. Alle drei Schalter 214, 219, 220 werden von der CNC-Steuerung aus, über die Schnittstellen 216, gesteuert. Die dargestellten Schalter, vornehmlich jedoch die Schalter 214 und 220, können in der Praxis natürlich als Halbleiter-Schalter ausgeführt sein.

In Fig. 5 kommen noch der Fühler 68 aus Fig. 4 sowie der Motorstator 41 mit einem Ansteuergerät 221 hinzu; der Fühler 68 ermöglicht die Überwachung des Spannzustands während des Umlaufs der Spindel und, gegebenenfalls, die Einstellung der Spannkraft, wenn er als IST-Wertgeber geschaltet wird.

Aus Fig. 6 ergibt sich folgender Ablauf:

t₀: Maschine im Stillstand, Antriebseinheit 44 in Axialrichtung von den umlaufenden Teilen durch Spalt getrennt.
t₁: Stator 39 wird erregt. Antriebseinheit 44 verlagert sich axial gegen Federkraft 62.
t₂: Antriebseinheit 44 erreicht axiale Anlage an umlaufenden Teilen. Stator 39 bleibt erregt, so daß Federkraftspeicher 18 auf vorgegebenen Wert geladen wird.
t₃: Federkraftspeicher 18 ist geladen. Stator 41 wird erregt und führt das Zug-Druck-Rohr 16 nach.
t₄: Backen 104 legen sich an das Werkstück 106 an.
t₅: Stator 41 wird entregt, Stator 39 wird im entgegengesetzten Drehsinn erregt. Durch das Lösen des Spannantriebs von den umlaufenden Teilen erfolgt eine geringfügige Entladung des Federkraftspeichers 18.
t₆: Maschine ist betriebsbereit; der Spindelantriebsmotor 108 startet.
t₇: Das Werkstück 106 ist fertig bearbeitet, die Spindel 14 zum Stillstand gekommen. Stator 39 wird im Spannsinn erregt, Federkraftspeicher 18 wird "nachgeladen".
t₈: Stator 41 wird im entgegengesetzten Drehsinn erregt. Das Zug-Druck- Rohr 16 wird axial verlagert; die Backen 104 geben das Werkstück frei.
t₉: Die Erregung von Stator 39 wird umgesteuert, und der Federkraftspeicher 18 beginnt, sich zu entladen.
t₁₀: Entladung ist beendet. Stator 39 bleibt noch kurzzeitig erregt, um die bezüglich des Spindelumlaufs stationären Teile in Axialrichtung von den umlaufenden Teilen zu lösen.
t₁₁: Die Maschine ist wieder betriebsbereit.

Legende zu Fig. 3:

Legende zu Fig. 6:

Claims (29)

1. Vorrichtung zum Verstellen der Backen eines an einer zum Umlauf antreibbaren Arbeitsspindel angeordneten Kraftspannfutters

• - mit einem mitumlaufenden Futterkörper, einem mitumlaufenden, mit den Backen verbundenen Kraftübertragungsorgan (16) und mit einem mitumlaufenden Federkraftspeicher (18) zum Speichern der Spannkraft, der sich über ein erstes Bauteil an der Spindel (14) und über ein zweites Bauteil an dem Kraftübertragungsorgan abstützt, wobei mindestens eines dieser Bauteile (36/38; 21/27/33) zur Anpassung an unterschiedliche Spanndurchmesser und Spannkräfte in Axialrichtung längenveränderbar ist, sowie
• - mit einer Betätigungseinrichtung zum Laden des Federkraftspeichers und zum Durchführen der Längenanpassung,

dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung eine nichtmitumlaufend angeordnete Antriebseinheit (44) umfaßt, die wenigstens ein axialbewegliches, zum Laden des Federkraftspeichers (18) mit einem mitumlaufenden Bauteil (21, 36) kuppelbares Treibglied (53) aufweist, und daß für die Längenanpassung ein gesondertes Stellgetriebe (36/38/-40//74-86; 41/27/23/25/29/31) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibglied (53) für das Laden d es Federkraftspeichers (18) in beiden axialen Wirkrichtungen von der Antriebseinheit (44) betätigbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit (44) mindestens ein zusätzliches Treibglied (55′; 56, 58) aufweist, über das sich die beim Laden des Federkraftspeichers (18) auftretenden Reaktionskräfte an einem mitumlaufenden Bauteil (17, 19; 55) abstützen.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine ölhydraulische Antriebseinheit (44) (Fig. 1-3).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine elektromotorische Antriebseinheit (39/47/45/51/53).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsdrehmoment des elektromotorischen Antriebs über einen Gewindetrieb (45/51) in die Axialbewegung des Treibglieds (53) umsetzbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Wälzgewindetrieb.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gesonderte Stellgetriebe (36/38; 21/33/27) einen eigenen Antriebsmotor (74/76; 27/41) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das gesonderte Stellgetriebe einen Gewindetrieb (36/38; 33/21/27) umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit (39/47/45) und der Motor (27/41) des Stellgetriebes (21/- 33/27) getrennt steuerbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (74/76) des gesonderten Stellgetriebes (36/38) stationär bezüglich des Spindelumlaufs ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Federkraftspeicher sich direkt oder über Zwischenglieder an mindestens einem in die Bewegungsbahn des Treibglieds (53) ragenden Flansch (24; 36) abstützt.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (24; 36) sich zwischen ein klauenartig ausgebildetes Treibglied (53) erstreckt.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Federkraftspeicher sich beidseitig an Elementen (36; 55) abstützt, die in die Bewegungsbahn des Treibglieds (53) bzw. der seine Raktionskräfte übertragenden Teile (56/58) ragen.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Treibglied (55′) zwischen klauenartige Abstützelemente (17/19) des Federkraftspeichers ragt.

16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit der Antriebseinheit (44) in Wirkverbindung stehende Rückstelleinrichtung (60/62) zum vollständigen Lösen der Antriebseinheit von den umlaufenden Teilen nach Beendigung des Spann- bzw. Lösevorgangs.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstelleinrichtung gegeneinanderwirkende Federanordnungen (62) umfaßt, zwischen denen die Antriebseinheit (44) in Axialrichtung schwimmend abgestützt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Drehstrommotoren (39/47; 41/27; 108) für die Antriebseinheit und/oder das Stellgetriebe sowie für den Spindelantrieb vorgesehen sind, denen ein gemeinsames, stetig regelndes, nach dem Prinzip der Frequenzumrichtung arbeitendes Ansteuergerät (215/218) zugeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stellgetriebe ein eigener elektrischer Antriebsmotor (74/76) mit eigenem Ansteuergerät zugeordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit (44) eine Mehrzahl von um die Spindel herum gleichförmig verteilten, synchron betätigbaren Einzelantrieben (48/50/53) umfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß zum alternierenden Ansteuern der Motoren (39; 108) die leistungsseitigen Ausgänge (219) des Ansteuergeräts (215/218) umschaltbar sind und zugleich ein alternierender Zugriff auf die für den jeweils anzusteuernden Motor maßgeblichen Motorparameter (200; 202) und/oder Regelalgorithmen (201; 203) sowie die zugeordneten Motor-ISTwerte (114) und -SOLLwerte gewährleistet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansteuergerät (215/218) leistungsseitig einen Drehstrom führt, der die Summe einer magnetisierenden und einer drehmomentbildenden Stromkomponente ist, und daß beide Komponenten von einem Rechner in stetiger Anpassung an den Motorbetriebszustand veränderbar sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 bis 13, 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Laden des Federkraftspeichers zwischen Antriebseinheit und Spindel auftretenden Reaktionskräfte über mindestens ein im Spindelkasten untergebrachtes Wälzlager abgestützt sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 bis 13, 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zum Laden des Federkraftspeichers während des Spindelumlaufs das Treibglied einerseits, das mitumlaufende Bauteil andererseits als stationärer bzw. umlaufender Teil eines Axiallagers ausgebildet sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Axiallager als Wälzlager ausgebildet ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen hydraulischen Stellgetriebe-Antrieb.

27. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, jedoch derart abgewandelt, daß der umlaufende Federkraftspeicher integraler Bestandteil des Kraftübertragungsorgans selbst ist und sich einerseits über das Stellgetriebe an der Spindel und andererseits über die Backen am gespannten Werkstück abstützt.

28. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, jedoch derart abgewandelt, daß anstelle des Backenfutters eine Spannzange vorgesehen ist.