DE3546252A1 - Werkzeugmaschine und deren betriebsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1. genannten Merkmalen sowie ein Betriebsverfahren für diese.

Bei Maschinen mit sogenannten Elektrospannern als Spannaggregat wird die Drehbewegung eines Elektromotors mittels eines Gleitschraubtriebs in eine translatorische Spannbewegung umgewandelt.

Die Elektrospanner stellen eine Alternative zu den z. Z. noch vorherrschenden ölhydraulischen Spannantrieben dar. Nachteilig ist bei den hydraulischen Spannantrieben, daß für die ein eigener Druckölkreislauf aufgebaut werden muß, der einen erheblichen apparativen, energiemäßigen und wartungsmäßigen Aufwand erfordert.

Hydraulische Spannzeuge können von der Werkzeugmaschinensteuerung nur mittelbar über elektrohydraulische Wandler, etwa Magnetventile, angesteuert werden. Aus diesem Grunde ist es im Gegensatz zu elektromotorisch angetriebenen Spannaggregaten nicht möglich, auf einfache Weise die Eigenschaften moderner Werkzeugmaschinensteuerungen zur Realisierung schneller und genauer Spannfunktionen einzusetzen, etwa, um am Spannmittel (z. B. am Spannfutter einer Drehmaschine) dem Werkstückdurchmesser angepaßte Entspannungs-Hübe durchzuführen.

Bei den heute bekannten Elektrospannern hat man zwischen zwei Ausführungsvarianten zu unterscheiden.

Eine erste Bauart wird durch die Firmendruckschrift der Paul Forkardt KG, Nr. 500.01.7D/1979 "Elektrospanner" belegt.

Diese Elektrospanner umfassen einen Elektromotor, der für das Spannen von Werkzeugen, etwa bei Fräsmaschinen, stationär sein kann und nur für den Spannvorgang angekuppelt wird, aber auch bei Drehmaschinen mit der Spindel umlaufend ausgebildet sein kann. Das Abtriebsmoment des Motors wird über ein Untersetzungsgetriebe und einen Drehmomentenbegrenzer auf die Mutter eines Gleit-Schraubtriebs übertragen, welcher mit einem Zug-/- Druckrohr zusammenwirkt. Der Drehmomentenbegrenzer ist als eine sogenanntes Rastgesperre ausgeführt, bei welchem die an zwei unterschiedlichen Teilen angebrachte Stirnverzahnung nach Überwindung einer einstellbaren Federkraft ausrasten kann. Durch Veränderung der Federkraft kann damit die auf das Zug-/Druckrohr eingeleitete Spannkraft verändert werden. Indem man nach Erreichen des Grenz-Drehmoments das Restgesperre über mehrere Zähne ein- und ausrasten läßt, wird das vom Elektromotor kontinuierlich abgegebene Drehmoment in eine Folge von Drehmoment-Impulsen umgewandelt, womit man eine Erhöhung der durch den Gleit-Schraubtrieb erzeugten Spannkraft erreicht.

Um einen bei den heute üblich hohen Drehzahlen von Werkzeugmaschinen- Arbeitsspindeln stets empfehlenswerten Spannkraftspeicher zu realisieren, ist zwischen Zug-/Druckrohr und Spannmittel (z. B. Drehmaschinen-Spannfutter) in der Bohrung der Arbeitsspindel ein mit Tellerfedern aufgebautes Feder-Element zwischengeschaltet.

Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus.

Ein zweite Bauart von Elektrospannern ist in der DE-PS 33 14 629 C2 offenbart. Die dem vorgenannten Elektrospanner am nächsten kommende Ausführungsform ist in Fig. 3 gezeigt. Im Gegensatz zum Elektrospanner gemäß der genannten Firmendruckschrift wird beim Elektrospanner nach der DE-PS 33 14 629 der Stator des elektrischen Antriebsmotors stets stationär angeordnet, und der Gleit-Schraubtrieb ist durch einen Wälz-Schraubtrieb ersetzt. Da diese Bauart eine durchgehende Durchlaßöffnung für die Bearbeitung von Stangenmaterial zuläßt, ist der durch eine Feder realisierte Spannkraftspeicher ebenfalls andersartig gebaut.

Die durch den Wälz-Schraubtrieb zu erzeugende axiale Spannkraft kann nach einem vorgegebenen Wert elektrisch eingestellt bzw. geregelt werden, dadurch, daß entweder vom Motor ein entsprechend dosiertes Drehmoment vorgegeben wird oder daß bei bekanntem Zusammenhang zwischen dem Federweg des Spannkraftspeichers und der damit erreichbaren axialen Spannkraft eine stetige Regelung des Motordrehwinkels bis zur Einstellung des vorgegebenen Federwegs vorgenommen wird.

Die Nachteile der erstgenannten Bauart mit Gleit-Schraubtrieb sind folgende:
Die Einstellung der Spannkraft an dem meachnischen Drehmomentbegrenzer ist relativ ungenau und schwierig, manuell vorzunehmen und daher verhältnismäßig zeitraubend sowie kaum automatisierbar. Zu der durch die Einstellmöglichkeit bedingten Ungenauigkeit der Spannkraft gesellt sich noch eine weitere, und zwar größere, Ungenauigkeitskomponente. Diese rührt von der großen Streubreite des jeweils im Gleit-Schraubtrieb wirksamen Reibungskoeffizienten her. Der Reibungskoeffizient kann von µ = 0,1 bei einem gut geschmierten und sauberen Gleit-Schraubtrieb bis über µ = 0,2 bei Schmierstoffmangel und ungenügender Wartung reichen. Dies bedeutet selbst bei konstant bleibendem Grenzdrehmoment eine mögliche Spannkraftschwankung von 100%.

Die erzielbaren Hubgeschwindigkeiten sind zu klein und müßten wenigstens 20 mm/Sek betragen. Die davon abhängigen Öffnungs- und Schließzeiten gehen nämlich unmittelbar in die unproduktiven Nebenzeiten ein. Die kleinen Hubgeschwindigkeiten haben ihre Ursache darin, daß die durch Wendeschütze angesteuerten-Drehstrommotoren ein relativ niedriges Drehmoment abgeben, so daß zur Erzielung der notwendigen Spannkräfte eine relativ hohe Getriebeuntersetzung notwendig wird. Die Erhöhung der Motordrehzahl über 3000 U/min ist bei Netzfrequenz von 50 Hz prinzipiell nicht möglich, und eine Erhöhung der Motorleistung verbietet sich wegen des notwendigerweise zu vergrößernden Bauvolumens, insbesondere des mit der Spindel umlaufenden Motorstators, dessen Schwungmoment damit beträchtlich vergrößert würde. Mit dem zuletzt angesprochenen Umstand hängt schließlich auch noch ein weiterer Nachteil zusammen.

Bei heutigen modernen Drehmaschinen werden Drehzahlen von 6500 U/min und mehr gefahren. Beim Einsatz von Elektrospannern mit umlaufendem Motorstator wären wegen der bei diesen Drehzahlen extrem hohen Fliehkräfte schnell die Grenzen für die Festigkeit der Motorenbauteile erreicht.

Schließlich ist noch festzuhalten, daß der Elektrospanner mit Gleitschraubtrieb nicht mit einer Durchgangsbohrung für Stangenbearbeitung an Drehmaschinen ausgeführt werden kann, da dies wegen des notwendigerweise zu vergrößernden Schraubdurchmessers und in Anbetracht des extrem niedrigen Wirkungsgrads des Gleit-Schraubtriebs ein extrem hohes Abtriebsdrehmoment des Elektromotors erfordern würde.

Die zuvor beschriebenen Nachteile des Elektrospanners mit Gleit-Schraubtrieb sind bei einem Elektrospanner nach der De-PS 33 14 629 wegen des stationär angeordneten Motorstators, wegen der dort möglichen Betriebsweise des Motors und vor allem wegen des dort vorgesehenen Wälz-Schraubtriebs nicht vorhanden. Zudem kann dieses Aggregat mit einer durchgehenden Mitten-Bohrung ausgestattet werden.

Diese funktionelle Überlegenheit muß allerdings durch beträchtlich höhere Herstellkosten erkauft werden, welche sich vor allem durch das notwendige aufwendigere Ansteueraggregat für den Elektromotor sowie durch den Wälz-Schraubtrieb ergeben.

Die höheren Herstellkosten des Elektrospanners mit Wälz-Schraubtrieb sind sicherlich dann vertretbar, wenn bei der praktischen Aufwendung alle Funktionsvorteile genutzt werden.

In vielen Anwendungsfällen werden jedoch selbst bei modernen Drehmaschinen die aus einem Wälz-Schraubtrieb resultierenden Vorteile nicht voll genutzt.

Dies trifft insbesondere zu, wenn am Elektrospanner keine Durchgangsbohrung zur Durchführung von Stangenarbeiten benötigt wird und wenn die im Vergleich zu einem Wälz-Schraubtrieb beim Gleit-Schraubtrieb bis zum Erreichen der Verschleißgrenze mögliche, beträchtlich geringere Anzahl von Spannvorgängen in Kauf genommen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für solche Anwendungsfälle, bei denen die oben angeführten Einschränkungen zulässig sind, einen Elektrospanner auf der Basis eines Gleit-Schraubtriebs zu schaffen, bei dem jedoch die Spannkraft nach vorgebbaren Werten automatisch und genau einstellbar ist, die Hubgeschwindigkeit erhöht werden und der Einsatz für Spindeldrehzahlen bis über 6500 U/min erfolgen kann. Dabei sollen aber im Vergleich zu einem Elektrospanner mit Wälz-Schraubtrieb gemäß der DE-PS 33 14 629 die Gesamt-Herstellkosten für die Komponenten "Spannaggregat" und "elektrisches Ansteuergerät", der Maschine erheblich verringert werden können.

Die gemäß der Erfindung in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs zur Lösung dieser Aufgabe vorgesehenen Merkmale sind im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. genannt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 12. - Gegenstand der Erfindung sind auch Betriebsverfahren für solche Maschinen, definiert in den Ansprüchen 13 bis 16.

Um die Anforderungen an das für den Antrieb und die Betriebsweise des Elektrospanners gemäß der Erfindung vorgesehenen Motor-Ansteuergerät verdeutlichen zu können, werden zunächst einige Zusammenhänge und Fakten näher erläutert. Dafür werden nachfolgend einige konkrete Dimensionierungsdaten genannt, wie sie beispielsweise für den in Fig. 2 dargestellten, später im Detail erläuterten Elektrospanner gültig sein könnten.

Die zu erzeugende Spannkraft F _A betrage 70 000 N. Im Interesse eines möglichst niedrigen Verschleißes wird der Gewindededurchmesser D des Gleit-Schraubtriebs größer, als von der Materialfestigkeit her eigentlich notwendig wäre, und zwar auf D = 40 mm ausgelegt. Die Gewindesteigung wird mit p = 2 mm angenommen. Das bei einem Betrieb ohne jegliche Reibung theoretisch notwendige Drehmoment M _ds am Gleit-Schraubtrieb beträgt nach einer vereinfachten Formel mit Bei einem angenommenen oberen Wert von µ = 0,2 für den Reibungskoeffizienten erhält man das Reib-Drehmoment zu Hieraus erkennt man, daß das Reibmoment etwa 12 mal größer als das Nutzdrehmoment sein kann.

Um eine Hubgeschwindigkeit von v = 20 mm/s erreichen zu können, muß die maximale Drehgeschwindigkeit am Gleit-Schraubtrieb n = 10 U/s bzw. n = 600 U/min betragen. Geht man davon aus, daß bei einem Spannaggregat für F _A = 70 000 N sinnvollerweise der Rotordurchmesser den Wert 160 mm und die Rotorbreite den Wert 50 mm nicht übersteigen sollten, so ergibt sich hierfür beim Einsatz des später noch zu erläuternden Ansteuergeräts ein maximales Drehmoment von 110 Nm bis zu einer Motordrehzahl von 180 U/min.

Schätzt man das bei einem Reibungskoeffizienten von µ = 0,2 auch unter Berücksichtigung des beteiligten Axial-Wälzlagers aufzubringende Gesamt- Drehmoment auf M _d,ges ≈ 320 Nm, so wird ersichtlich, daß das Untersetzungsverhältnis i des Planetengetriebes bei i ≈ 1 : 3 liegen muß. Aus dem sich so ergebenden Untersetzungsverhältnis ergibt sich, daß zur Einstellung einer Hubgeschwindigkeit von v = 20 mm/s im Eilgang - bei allerdings geringem Drehmomentenbedarf - der Motor eine maximale Drehzahl von n _max = 1800 U/min erreichen muß. Aus Gründen niedriger Herstellkosten, kleiner Baugröße des Motorrotors und anzustrebender Verschleißfreiheit kommt als Motorbauart nur eine Drehstrom-Asynchronmotor mit Käfigläufer infrage.

Der Motor-Fachmann erkennt, daß die beiden Forderungen, nämlich einmal nach einem extrem hohen Drehmoment bei kleiner Baugröße und niedriger Drehzahl und zum anderen nach einer in Anbetracht der notwendigerweise vorzusehenden Mehrpoligkeit des Stators sehr hohen Drehzahl bei gleichzeitiger Erfüllung der erforderlichen guten Regeldynamik sehr hohe Anforderungen an das Ansteuergerät stellen.

Veränderungen des Untersetzungsverhältnisse i des Planetengetriebes in der einen oder anderen Richtung bei gleichzeitiger Beibehaltung der maximalen Hubgeschwindigkeit bringen kaum eine Erleichterung der Anforderungen an Motor und Ansteuergerät, da bei der hier einzig infrage kommenden Betriebsweise mit der Vergrößerung der Maximaldrehzahl eine Verkleinerung des Maximaldrehmoments - und umgekehrt - einhergeht.

Besonders erwähnt werden muß noch die beim Aufbau der Spannkraft notwendigerweise durchzuführende Betriebsweise:
Die genaue Einstellung einer vorgegebenen Spannkraft-Größe kann bei Verwendung eines Gleit-Schraubtriebes wegen der großen Streuung des Reibungskoeffizienten nicht über das Motordrehmoment erfolgen.

Vielmehr muß die Beeinflussung des Motors unter Einbeziehung eines Sensors zur laufenden Erfassung des Spannkraft-Ist-Wertes erfolgen.

Weiterhin kann die Stillsetzung des Spannmotors nicht derart erfolgen, daß die Motordrehzahl bis zum Erreichen der vorgegebenen Spannkraft bis auf den Wert Null heruntergeregelt wird. Zur Vermeidung des bei Gleit- Schraubtrieben auftretenden "Stick-Slip-Effekts" muß vielmehr bis zuletzt mit einer bestimmten Mindest-Drehgeschwindigkeit gefahren werden, um dann, bei Erreichen der vorgegebenen Spannkraft, den Motor schlagartig stillzusetzen. Dies erfordert eine hohe Regeldynamik des elektrischen Antriebs.

Die zurvor beschriebenen extremen Anforderungen an den elektrischen Antrieb des Spannaggregats können nicht mit normalen Ansteuergeräten, beispielsweise mit Ansteuergeräten mit Phasenanschnitt oder gar mit dem Einsatz einfacher Schaltschütze, erfüllt werden.

Es sind jedoch Ansteuergeräte mit integriertem Mikrorechner bekannt, die nach dem Prinzip der Frequenzumsetzung arbeiten (Prospektblatt der Firma AMK) und, angepaßt an einen entsprechenden Spannantriebsmotor, die oben umrissenen Forderungen zu erfüllen gestatten.

Die Erfindung sieht demzufolge den Einsatz derartiger Steuergeräte vor, um die damit für den Spannmotor gebotene Möglichkeit der Kombination von sowohl extrem hohen Drehmomenten im Bereich niedriger Drehzahlen als auch sehr hoher Maximaldrehzahlen nutzen zu können.

Das Erreichen der - auf die Baugröße bezogenen - sehr hohen Drehmomente bei niedriger Drehzahl ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß bei dem dem Motor aufgeschalteten Strom die Werte für die magnetisierende Stromkomponente und die Werte für die drehmomentbildende Stromkomponente vom Mikrorechner in stetiger Anpassung an den Motor-Betriebszustand optimal variiert werden können.

Dadurch bedingt, kann bei gleicher Baugröße und bei gleicher, dem Motorstator zugeführten elektrischen Leistung beim Einsatz des vorgesehenen Ansteuergeräts am Spannmotor z. B. ein Anfahrdrehmoment erreicht werden, welches um den Faktor 8 bis 10 größer ist als bei einer Ansteuerungsweise, welche diese Stromkomponenten-Anpassung nicht vorsieht, beispielsweise bei einer Ansteuerung durch ein Schaltschütz.

Die benötigte hohe Regeldynamik - vor allem beim Aufbau der Spannkraft - läßt sich ebenfalls durch die rechnergeführte Stromkomponenten-Anpassung erreichen.

Unter ökonomischen Aspekten allerdings erweist sich das System, bestehend aus Drehstrommotor und rechnergeführtem Ansteuergerät, als wesentlich zu teuer, z. B. im Vergleich mit dem herkömmlichen hydraulischen Spannsystem. Deshalb berücksichtigt das erfindungsgemäße Konzept die Tatsache, daß in aller Regel die Spannvorgänge der infrage kommenden Werkzeugmaschinen während des Stillstandes zumindest des Spindelantriebsmotors, gegebenenfalls auch von zusätzlich vorgesehenen Vorschubmotoren, ablaufen, und daß diese Motoren mit Vorteil in ähnlicher Weise angesteuert werden können.

Verwendet man nämlich als diesen mindestens einen weiteren Motor ebenfalls einen Asynchrondrehstrom-Kurzschlußläufermotor, so kann dieser alternierend dasselbe Ansteuergerät "mitbenutzen" wie der Spannmotor.

Das Ansteuergerät ist für diesen Zweck allerdings zu modifizieren. Seine Ausgänge müssen alternierend dem einen oder dem anderen Motor zugeschaltet werden und ebenso die Eingänge, denen das Ist-Signal von den Motoren zugeführt wird, im einfachsten Fall handelt es sich dabei um das Ausgangssignal eines am Motor vorgesehenen Winkelstellungsgebers. Außerdem werden nur in Ausnahmefällen die beiden anzusteuernden Motoren ganz gleiche Parameter aufweisen; solche Parameter sind aber für den Betrieb des Ansteuergeräts zu berücksichtigen, und eben dasselbe gilt auch für die Regelcharakteristik, die z. B. für einen Drehmaschinen-Spindelantrieb anders gewünscht wird als für den Spannbetrieb. Bei Umschaltung der Aus- und Eingänge des Ansteuergeräts wird mithin auch auf die jeweils für den zugehörigen Motor geltenden Parameter und Regelalgorithmen umgeschaltet.

Diese Konzeption ist wesentlich weniger aufwendig, als wenn jedem einzelnen Motor ein eigenes Ansteuergerät zugeordnet würde, da die teuren Komponenten, insbesondere die Leistungsstufe, nicht modifiziert zu werden und nur einmal vorhanden zu sein brauchen.

Der Gegenstand der Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Fig. 1 bis 5 im einzelnen erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Spindelstock einer Drehmaschine gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ist ein Axialschnitt durch den Spannmotor aus Fig. 1,

Fig. 3 ist ein Axialschnitt durch das Zug-Druckrohr aus Fig. 1,

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Betriebsablaufs der Drehmaschine nach Fig. 1, und

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in dem für einen Spannvorgang die Spannkraft und die Motordrehgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Rotordrehwinkel aufgezeichnet sind.f

Man erkennt in Fig. 1 den Spindelkasten 10 mit der in Wälzlagern 12 gelagerten Spindel 14. Am einen freien Ende der Spindel sitzt ein Spannfutterkörper 16, in dem axial verlagerbar ein Spannkolben 18 aufgenommen ist; dieser betätigt über Keilführungen 20 in an sich bekannter Weise die Spannbacken 22. Der Spindelantrieb erfolgt über ein Zahnrad 24, das zum Beispiel über einen Zahnriemen (nicht gezeigt) mit einem Spindelantriebsmotor (nicht gezeigt) verbunden ist.

Am anderen freien Ende der Spindel 14 trägt diese den Rotor 26 eines Spannmotors, dessen Stator in einem an den Spindelkasten 10 angeflanschten Gehäuse 28 untergebracht ist.

Durch die hohl ausgebildete Spindel 14 erstreckt sich ein Zug-/Druckrohr 30, das am futterseitigen Ende mit dem Spannkolben 18 verbunden ist, am spannmotorseitigen Ende mit der Schraube eines Wälzschraubtriebs, dessen Mutter vom Spannmotor relativ zur Spindel 14 verdrehbar ist.

Der Klemmenkasten für die Statorstromversorgung ist mit 32 bezeichnet.

In Fig. 2 erkennt man das Gehäuse 28 mit dem Stator des Spannmotors, umfassend das Joch 40 mit der Wicklung 42. Der als Kurzschlußläufer ausgebildete Rotor umfaßt den Kern 44 mit den Kurzschlußringen 46. Er ist auf einer Hülse 48 festgeklemmt, deren Endflansch 50 eine Stirnverzahnung 52 trägt; diese rotiert vor einem stationären induktiv arbeitenden Geber 128, der pro Drehwinkeleinheit einen Impuls liefert; die Verwendung dieser Impulse wird später erläutert. - Der Endflansch 50 ist mit einem zur Hülse 48 koaxialen Innenrohr 54 verschraubt, das in Wälzlagern 56, 58 abgestützt ist und an seinem freien Ende eine Außenverzahnung 60 aufweist.

Auf das freie Ende der Spindel 14 ist eine Muffe 62 aufgeschraubt, mit der ein Rohrstück 64 verbunden ist; dieses weist eine Innenverzahnung 66 in Höhe der Verzahnung 60 auf. An seinem der Spindel abgekehrten Ende ist eine Buchse 68 angeschraubt, in der die Außenringe der Wälzlager 56, 58 festgelegt sind.

In dem Ringraum zwischen den Verzahnungen 60 und 66 befindet sich ein Planetenträger 70 mit Planetenritzeln 72, welche mit den Verzahnungen 60 und 66 kämmen; der Planetenträger 70 ist mit der Gewindetrieb-Mutter 74 verschraubt und mittels eines Stirnlagers 76 axial an dem Rohrstück 64 abgestützt.

Demgemäß sind mit der Spindel 14 die Muffe 62, das Rohrstück 64 und die Buchse 68 drehfest verbunden. Relativ zu dieser Baugruppe und zu dem stationären Gehäuse 28 drehbar sind die mit dem Läufer 44/46 des Spannmotors verbundenen Komponenten, also die Hülse 48, der Endflansch 50 und das Innenrohr 54. Bei einer Drehung der letztgenannten Baugruppe relativ zur Spindel 14 wird also der Planetenträger 70 einen Drehwinkel durchlaufen, der vom Untersetzungsverhältnis des Planetengetriebes abhängt, gebildet von den Verzahnungen 60, 66 und den Ritzeln 72. Diese Drehung des Planetenträgers wird auf die Mutter 74 übertragen und durch das Gewinde 77 in eine axiale Verlagerung der Triebschraube 78 und der mit ihr verbundenen Komponenten umgesetzt.

Diese Komponenten umfassen auf der der Spindel 14 abgewandten Seite ein Führungsrohr 80, dessen freies Ende über ein Wälzlager 82 mit einem Schlitten 84 derart gekuppelt ist, daß der Schlitten - der mittels eines eingeschraubten Nockens 86, welcher in einem Langloch 88 des Gehäuseansatzes 90 läuft, gegen Drehung gesichert ist - von der Triebschraube 78 mitgeschleppt wird. Der Schlitten 84 trägt einen Meßkopf 92, auf den später eingegangen wird.

Auf der der Spindel 14 zugekehrten Seite der Triebschraube 78 ist diese dreh- und axialfest mit dem rohrförmigen Anschlußstück 94 zum Zug-/- Druckrohr 30 verbunden. Dessen Aufbau ist in Fig. 3 dargestellt, auf die nachstehend eingegangen wird.

Das Zug-/Druckrohr 30 umfaßt ein Außenrohr 100, dreh- und axialfest verbunden mit einer Anschlagmuffe 102, in die koaxial der Spannkolben 18 eingeschraubt ist. In dem Außenrohr 100 befindet sich die Stange 104, an deren futterseitigem Ende sich die Mitnehmerbuchse 106 befindet; zwischen Außenrohr und Stange sind Tellerfederpakete 108 angeordnet. Sie stützen sich futterseitig über einen Druckring 110 an der Muffe 102 ab, der jedoch von der Mitnehmerbuchse 106 in Richtung Spannmotor unter Kompression der Tellerfedern verlagert werden kann, wenn die Stange 104 aus dem Außenrohr (nach links in Fig. 3) gezogen wird.

Auf der dem Futter abgewandten Seite stützen sich die Tellerfederpakete 108 über einen zweiten Druckring 112 an einer Schulter des Außenrohrs 100 ab. Auch dieser Druckring ist jedoch in das Außenrohr 100 hinein verlagerbar, wobei die Tellerfedern komprimiert werden, wenn die Stange 104 in das Außenrohr 100 hineingeschoben wird (nach rechts in Fig. 3).

Das Anschlußstück 94 trägt einen Keil 114, der in Axialnuten 116des Außenrohrs 100 greift und so Anschlußstück 94 und Außenrohr 100 miteinander drehfest verbindet, jedoch eine relative Verlagerung beider in beiden Axialrichtungen, jeweils unter Kompression der Tellerfedern, wie oben erläutert, zuläßt.

Durch Langlöcher 118 des Anschlußstücks 94 erstreckt sich radial ein Stift 120, der drehfest mit einem Gleitstück 122 verbunden ist, das in einer Bohrung des Anschlußstücks 94 axialverlagerbar geführt ist. In das Gleitstück ist ein Ende einer Sensorstange 124 eingeschraubt, die sich durch die Triebschraube 78 und das Führungsrohr 80 hindurch bis jenseits des Wälzlagers 82 erstreckt und dort einen Sensorkopf 126 trägt. Bei einer relativen axialen Verlagerung von Außenrohr 100 und Stange 104 erfolgt demgemäß auch eine relative Verlagerung des Sensorkopfes 126 zu dem Meßkopf 92. Sensorkopf 126 und Meßkopf 92 wirken derart zusammen, daß in Abhängigkeit von ihrem gegenseitigen Abstand im Meßkopf ein elektrisches Signal (analog oder digital) erzeugt wird, das für diesen Abstand repräsentativ ist und damit repräsentativ für das Maß der Kompression der Tellerfederpakete 108, die als Spannkraftspeicher dienen.

Anhand der Fig. 4 und 5 wird nun das Zusammenwirken der insoweit beschriebenen Ausführungsform mit dem Ansteuergerät erläutert.

In Fig. 4 sind der Motor MI für den Spannbetrieb und ein Motor MII für den Antrieb der Spindel 14 symbolisch dargestellt. Jeder Motor ist mit einem Drehwinkelgeber bestückt, der z. B. pro Grad Drehwinkel einen Ausgangsimpuls liefert (in Fig. 2 die Komponenten 52/128). Durch Differenzieren nach der Zeit erhält man die Drehgeschwindigkeit, durch normaliges Differenzieren die Drehbeschleunigung. Die benötigten Motorparameter (z. B. Trägheitsmoment des Rotors und sonstige Festdaten) sind in zugehörigen Speichern 210 für Motor MI, 212 für Motor MII abgespeichert.

Ähnlich sind auch die entsprechenden Regelalgorithmen in Speichern 211 (für Motor MI) bzw. 213 (für Motor MII) festgehalten. Die IST-Werte und die Ausgänge der Speicher - der Einfachheit 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 des Schalters 219 einem der Motoren MI bzw. MII aufgeschaltet werden. Die CNC-Steuerung liefert auch die Sollwerte über die Schnittstelle, und auch die Sollwerte werden jeweils umgeschaltet mittels Schalter 220. Alle drei Schalter werden von der CNC-Steuerung aus, über die Schnittstelle, gesteuert. Die dargestellten Schalter, vornehmlich jedoch die Schalter 214 und 220, können in der Praxis natürlich als Halbleiter-Schalter ausgeführt sein.

Es sei angenommen, daß gerade ein Werkstück fertig bearbeitet und ausgespannt worden ist. Die Schalter befinden sich in der dargestellten Schaltposition, da als letztes bei stillstehender Arbeitsspindel das Spannfutter von Motor MI in Ausspannrichtung betätigt worden ist. Nach Einsetzen eines neuen Rohlings in das Futter wird Motor MI mit Strom gespeist derart, daß er mit maximaler Drehbeschleunigung bis zu einer Solldrehzahl hochläuft, was durch Vergleich der IST- und SOLL-Werte überwacht wird. Aufgrund der Rohlingstoleranzen ist nicht vorhersehbar, wieviele Umdrehungen der Spannmotor ausführen kann. Bei Auftreffen der vom Motor MI angetriebenen Spannmittel (hier: Spannbacken 22 des Futters) auf das Werkstück wird mittels des Spannkraft-Sensors 92/126 ein Signal generiert, welches eine stetige Herabsetzung der Drehfrequenz bei gleichzeitigem Anstieg der Spannkraft bewirkt, derart, daß mit Erreichen eines bestimmten Spannkraft-Wertes die Drehgeschwindigkeit des Spannmotors einen bestimmten vorgeschriebenen Rest-Wert angenommen hat.

Aufgrund des eingangs geschilderten Sachverhalts, daß nämlich der Gleitschraubtrieb im sogenannten "Stick-Slip"-Modus arbeitet, wird der Regelalgorithmus gemäß Fig. 5 ausgelegt. Die untere Kurve zeigt den Verlauf des Ausgangssignals vom Sensor 92/96 in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Spannmotorrotors, der mit β bezeichnet ist. Während des Leerhubes β _L wird nur eine sehr geringe Kraft entsprechend der Reibung im Futter gemessen. Sobald die Futterbacken auf das Werkstück auftreffen, steigt die Kraft an, und sobald ein vorbestimmter Wert F _S erreicht ist, - der nur um eine gewisse Sicherheitsmarge oberhalb des Kraftwertes bei β _L liegt - wird die Drehgeschwindigkeit d β/dt (oberer Teil des Diagramms Fig. 5) z. B. linear, wie dargestellt, herabgesetzt, während zugleich die Spannkraft F _A ansteigt. Die Drehgeschwindigkeit darf jedoch einen Mindestwert d β/dt min nicht unterschreiten, damit stets der "Slip"-Betrieb aufrechterhalten bleibt. Erst wenn ein vorgeschriebener Spannkraftwert F _E erreicht ist, wird die Drehgeschwindigkeit des Motors abrupt auf den Wert Null heruntergeführt.

Nachdem damit der Spannvorgang beendet ist, kann auf Motor MII zwecks Durchführung der Bearbeitungsgänge umgeschaltet werden. Die hierfür nötigen Befehle werden in üblicher Weise von der CNC-Steuerung geliefert. Nach Ablauf des Bearbeitungsprogramms werden die Schalter wieder umgelegt, und zum Ausspannen des Werkstücks laufen die Vorgänge sinngemäß rückwärts ab.

Für den Fall, daß z. B. an einer Bohr-Fräsmaschine das Spannmittel zur Aufnahme von auswechselbaren Werkzeugen mit stets gleichen Schaftdurchmessern dient, kann auf einen Sensor zur Ermittlung des IST-Wertes der Spannkraft verzichtet werden. Da sich hier beim Spannvorgang - ausgehend von einer bestimmten Winkelposition des Spannmotor-Rotors im geöffneten Zustand des Spannmittels - eine vorbestimmte Spannkraft mit einer davon abgeleiteten Verformung einer Spannkraftspeicher-Feder nach dem Zurücklegen eines zugehörigen konstanten Drehwinkels einstellt, kann die Steuerung des Spannmotors allein nach dem gemessenen Drehwinkel-IST-Wert erfolgen.

Es ist anzumerken, daß der Leistungsbedarf für einen Arbeitsspindelantrieb einer Drehmaschine und für ihren Spannfutterantrieb mindestens in etwa vergleichbare Größe haben, so daß die Dimensionierung der Endstufe für beide paßt. Es ist noch darauf hinzuweisen, daß anstelle des Spannfutterantriebs, oder alternierend mit diesem, auch der Antrieb für die Reitstockpinole mit dem Hauptspindelantrieb-Ansteuergerät betätigbar ist. Die Übertragung der Erfindung auf andere Typen von Maschinen, z. B. auch zum Spannen von Werkzeugen, ergibt sich für den Fachmann aus den vorstehenden Ausführungen ohne weiteres.

Die Einschaltdauer des Spannantriebmotors liegt im allgemeinen höchstens bei 2%, wobei die Maximalleistung nur während eines Bruchteils dieser Zeit aufzubringen ist. Der Motor kann also sehr klein ausgeführt werden, ohne daß die Gefahr thermischer Überlastung besteht. Dagegen ist der Spindelantrieb für eine Einschaltdauer von 100% auszulegen, so daß der Motor MII wesentlich größer als der Motor MI sein wird. Dies läßt sich jedoch durch die dem Regler aufgeschalteten unterschiedlichen Parameter berücksichtigen, ebenso wie die daraus resultierenden unterschiedlichen Regelalgorithmen.

Würde die Spindel 14 bei Abschaltung ihres Antriebsmotors und Einschalten des Spannmotors nicht gebremst, so könnte der Spannmotor die Spindel drehen, anstatt die Triebschraube zu verlagern, oder beides tun. Man kann jedoch davon ausgehen, daß die Spindelantriebsmotor eine Bremse aufweist, die ihn bei ausgeschaltetem Spindelantrieb blockiert. Es besteht jedoch noch immer die Gefahr, daß bei einem plötzlich auf die umlaufende Spindel wirkenden Bremsmoment der Rotor des Spannmotors zumindest kurzzeitig mit der vorherigen Drehzahl weiterläuft und dabei - je nachdem - die Spannkraft unzulässig hoch macht oder sogar, im anderen Falle, das Werkstück ausspannt. Aus diesem Grund ist Vorsorge getroffen, den Rotor bei ausgeschaltetem Spannmotor mechanisch mit der Spindel zu kuppeln.

Zu diesem Zweck ist der Statorkern 40 des Spannmotors axial gegenüber dem Rotorkern in Richtung auf die Spindel verlängert, und im Stirnbereich des Statorkerns sitzt auf dem Rotor ein Kupplungsring 130 mit einer Stirnverzahnung in Ausfluchtung mit einer Gegenverzahnung 132 auf der Buchse 68. Der Kupplungsring ist auf Bolzen 134 montiert, die von Federn 136 in Richtung Verzahnungseingriff vorgespannt sind.

Das Ansteuergerät in seiner bevorzugten Ausführungsform ermöglicht die getrennte Aufschaltung der felderzeugenden Stromkomponente und der drehmomenterzeugenden Stromkomponente auf die Statorwicklung 42. Der Regelalgorithmus wird demgemäß so ausgelegt, daß immer zuerst die felderzeugende Komponente eingeschaltet wird, wodurch der Kupplungsring - als Anker des dann als Magnet wirkenden Statorkerns - aus der Verzahnung gelöst wird, und dann erst das Drehmoment erzeugt wird. Beim Ausschalten geht man natürlich umgekehrt vor.

Die parallele Erfassung von Drehwinkel, Spannkraft und Bremsmoment (über die Betriebsparameter des Ansteuergeräts) ermöglicht, verschiedene Überwachungsfunktionen vorzusehen. So macht sich das Spiel zwischen Triebmutter und Triebschraube bei Drehrichtungsumkehr durch einen starken Abfall des Bremsmoments bemerkbar, und der zugeordnete Drehwinkel ist dann ein Maß für die "Lose" in dem Gleitgewindetrieb und damit ein Maß für den Verschleiß, so daß z. B. bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts ein Warnsignal ausgelöst werden kann.

Ferner ist z. B. die Höhe des Bremsmoments während des Leerhubs β _L ein Maß für den Schmierzustand des Gewindetriebs, und auch hier kann bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes ein Warnsignal erzeugt werden.

Claims (16)

1. Werkzeugmaschine mit einer zum Umlauf antreibbaren Arbeitsspindel und einem mit dieser verbundenen elektrisch betriebenen Spannaggregat, umfassend einen Asynchrondrehstrom-Kurzschlußläufermotor und einen Gleitschraubtrieb zur Umsetzung der Motordrehbewegung in eine translatorische axiale Spannbewegung sowie ein Ansteuergerät für den Motor, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale:

• a) der Stator des Spannmotors ist stationär angeordnet,
• b) die Werkzeugmaschine weist noch mindestens einen weiteren Asynchrondrehstrom-Kurzschlußläufermotor als Antrieb für ein Maschinenaggregat auf, das nur alternierend mit dem Spannagreregat betrieben wird,
• c) für die Motoren ist ein stetig regelndes Ansteuergerät vorgesehen, das nach dem Prinzip der Frequenzumrichtung arbeitet,
• d) zum alternierenden Ansteuern der Motoren sind die Ausgänge des Ansteuergeräts sowie seine IST-Werteingänge umschaltbar, wobei zugleich dem Ansteuergerät die für den jeweils anzusteuernden Motor maßgebliche Motorparameter und/oder Regelalgorithmen aufgeschaltet werden.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Ansteuergeräts einen Drehstrom als Summe einer magnetisierenden Stromkomponente und einer drehmomentbildenden Stromkomponente führt, wobei beide Komponenten von einem geräteinternen Rechner in stetiger Anpassung an den Motor-Betriebszustand veränderbar sind.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Motor der Antriebsmotor der Arbeitsspindel der Maschine ist.

4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kraftfluß der vom Spannaggregat erzeugten Spannkraft ein als Feder ausgebildeter Spannkraftspeicher eingeschaltet ist.

5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor zur Erfassung der vom Spannaggregat erzeugten Spannkraft vorgesehen und daß eine vorgebbare Spannkraft durch Regelung des Motor- Drehwinkels in Abhängigkeit vom Sensor-IST-Signal einstellbar ist.

6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannkraft-Sensor zur Erfassung des Federweges des Spannkraftspeichers vorgesehen ist.

7. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2 bis 4, ausgebildet als eine Bohr-/Fräsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß beim Spannen der Werkzeuge der Spannmotor nach einem vorgegebenen Motor-Drehwinkel geregelt wird.

8. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Motorrotor und Gleitschraubtrieb ein Planetengetriebe als Drehmomentwandler vorgesehen ist.

9. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsspindel relativ zum Spindelgehäuse blockierbar ist.

10. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Arbeitsspindel mitumlaufende Bewegungssperre zur Arretierung des Spannmotorrotors relativ zur Arbeitsspindel vorgesehen ist.

11. Werkzeugmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungssperre durch den vom Ansteuergerät dem Spannmotor vorgegebenen Magnetisierungsstrom entsperrbar ist.

12. Werkzeugmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltglied der Bewegungssperre durch den Magnetisierungsfluß des Spannmotors verlagerbar ist.

13. Betriebsverfahren für eine Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß für die Durchführung einer aus Leerhub (β _L ) mit anschließendem Krafthub (β _K ) zusammengesetzten Spannbewegung zum Aufbau einer von außen vorgebbaren Spannkraft F _E der Sollwert d β/dt für die Drehgeschwindigkeit des Spannmotors derart vorgegeben wird,
• - daß d β/dt während des Leerhubes (b _L ) einen definierten konstanten Wert hat,
• - daß d β/dt während des Krafthubes (β _K ) stetig von dem konstanten Wert auf einen definierten Restwert (d β/dt min) abgesenkt wird und
• - daß d β/dt bei Erreichen der Soll-Spannkraft (F _E ) auf den Wert Null gebracht wird, wobei der Beginn des Krafthubs (β _K ) dadurch definiert ist, daß die Spannkraft (F) einen definierten Schwellenwert (F _s ) überschreitet und wobei die Restgeschwindigkeit (d β/dt min) oberhalb der "Stick-Slip"- Drehzahl des Gleitschraubtriebs liegt.

14. Betriebsverfahren nach Anspruch 13 mit Benutzung einer Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgebbare Spannkraft eingestellt werden kann, indem die Führung der Drehgeschwindigkeit des Spannmotors während des Krafthubes (β _K ) in Abhängigkeit von dem stetig erfaßten Spannkraft-Istwert erfolgt.

15. Betriebsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei Drehrichtungsumkehr des Gewindetriebs der Abfall des Bremsmoments und der Drehwinkel, in welchem dieser vorliegt, erfaßt und zu einem Maß für den Gewindeverschleiß verknüpft werden.

16. Betriebsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Spannmotor aufzubringende Drehmoment als Maß für den Schmierzustand des Gewindetriebs ausgewertet wird.