DE3911383A1 - Einrichtung zum erfassen und steuern der drehzahl einer pneumatisch angetriebenen spindel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen und Steuern der Drehzahl einer pneumatisch angetriebenen Spindel, insbesondere ein System zum Aufrechterhalten einer konstanten Drehzahl einer Spindel unabhängig von der Spindellast. Die Erfindung betrifft insbesondere Spindeln von Werkzeugmaschinen.

Es sind bereits Werkzeugmaschinen bekannt, die eine pneumatisch angetriebene Spindel verwenden. Solche Ma­ schinen wurden entwickelt, um sowohl die Genauigkeit der bearbeiteten Oberfläche als auch die Zerspanleistung zu verbessern. Teile einer solchen Ma­ schine sind in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Eine Spindel 2 ist drehbar in einem Spindelgehäuse 1 angeordnet. An einem Ende der Spindel 2 ist ein Werkzeug 4 zum spanabhebenden Bearbeiten des Werkstücks 3 befestigt. Am anderen Ende der Spindel 2 ist eine Luftturbine 5 montiert, die mit Luft versorgt wird und die Spindel 2 antreibt. Die Luftturbine 5 wird durch Luft 6 mit konstanter Durchflußmenge angetrieben, die aus einer nicht dargestellten Druckluftquelle geliefert wird.

Es sind zwei Arten von berührungslosen Drehzahler­ fassungsanordnungen bekannt, die für die oben beschrie­ bene Spindel eingesetzt werden. Eine dieser Anordnungen arbeitet mit einem optischen Sensor, wobei von der Spindel abgelenktes Licht von dem optischen Sensor auf­ genommen wird und die Drehzahl durch weitere zu­ geordnete Bausteine ermittelt wird. Der Nachteil dieser Anordnung liegt darin, daß die Genauigkeit der Er­ fassung der Drehzahl durch den optischen Sensor bei­ spielsweise durch Schmieröl, das an der Spindel haftet, verschlechtert wird.

In Fig. 2 ist die zweite bekannte Anordnung zur berührungslosen Drehzahlmessung dargestellt. Die Luft­ turbine 5 ist auf der Spindel 2 mittels einer Mutter 10 befestigt; außerdem ist ein Getrieberad 7 an der Spindel 2 montiert. Das Getrieberad 7 ist zum Beispiel ein Stirnrad und besitzt eine konvex-konkave Fläche 8 an seinem Umfang. Ein als elektromagnetischer Aufnehmer 9 ausgebildeter Drehzahldetektor ist nahe dem Getrieberad 7 und in radialer Richtung von diesem vorgesehen. Die magnetische Feldstärke zwischen der konvexkonkaven Fläche 8 und dem elektromagnetischen Aufnehmer 9 ändert sich mit der Drehung der Spindel 2. Infolge der Änderung der Magnetfeldstärke werden elektrische Impulse erzeugt, die weiterverarbeitet werden, um die Drehzahl zu ermitteln. Bei dieser Anordnung muß für den Aufnehmer 9 Platz in radialer Richtung vom Getrieberad 7 vorgesehen werden. Dies hat zur Folge, daß die Abmes­ sungen des Spindelgehäuses der Fig. 1 groß sein müs­ sen.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnungen liegt darin, daß sich die Drehzahl der Spindel 2 abhängig von der Schnittlast ändert, da die Durchflußmenge der Luft 6 konstant ist. Dies soll anhand der Fig. 3 näher er­ läutert werden. Bei der Betriebsart A wird die momen­ tane Drehzahl N 1 der Spindel auf die gewünschte Dreh­ zahl N eingestellt. Bei der Betriebsart B, bei der das Werkzeug 4 das Werkstück 3 berührt, nimmt die momentane Drehzahl N 1 infolge der Schnittlast ab, bis die An­ triebskraft der Spindel und die Bremskraft im Gleichge­ wicht sind. Danach wird die Drehzahl N 1 der Spindel 2 bis zum gewünschten Wert N durch eine Bedienperson er­ höht, indem der Durchsatz der Luft, mit dem die Turbine 5 versorgt wird, geändert wird. Nach Beendigung des Schneidvorganges wird die die Spindel 2 vom Werkstück 3 entfernt, woraufhin die momentane Drehzahl N 1 über den erforderlichen Wert zunimmt (Betriebsart C). Es ist auch voraussehbar, daß durch die manuelle Drehzahl­ steuerung bei der Betriebsart B ein nicht optimales Zerspanergebnis erreicht wird. Außerdem wird im Falle programmgesteuerter Schnittiefe dann, wenn eine unzu­ lässig große Schnittiefe programmiert wird, die Spindel 2 gestoppt, wenn das auf die Spindel wirkende Brems­ moment das Drehmoment der Spindel 2 übersteigt. Wenn sich dann die Spindel 2 vom Werkstück 3 entfernt, läuft sie mit sehr hoher Drehzahl an, was gefährlich ist.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Drehzahlerfassungssystem für eine durch Luft angetrie­ bene Spindel anzugeben, das eine kompakte Bauform hat. Weiterhin soll eine Einrichtung zum Steuern der Dreh­ zahl einer luftangetriebenen Spindel geschaffen werden, welche die Durchflußmenge der der Turbine zugeführten Luft in Abhängigkeit von der Spindellast regelt, so daß diese Drehzahl auf einem vorgegebenen Wert konstant ge­ halten wird, wodurch ein Automatikbetrieb ermöglicht und eine hohe Barbeitungsgenauigkeit gewährleistet wird. Ferner soll ein System zum Steuern der Drehzahl einer luftangetriebenen Spindel geschaffen werden, welches die Spindeldrehung unterbricht, wenn die Schnittlast einen unzulässig hohen Betrag annimmt.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist ein Drehzahler­ fassungssystem vorgesehen, welches eine Spindel umfaßt, ferner eine auf der Spindel montierte Turbine, eine Befestigungsmutter mit einer an einer Stirnseite der­ selben ausgebildeten konvex-konkaven Fläche, wobei die Turbine mittels der anderen Stirnseite der Mutter an die Spindel angedrückt wird, und Drehzahlerfassungs­ mittel, welche in axialer Richtung der Spindel im Ab­ stand zur Mutter angeordnet sind, so daß sie der konvex-konkaven Fläche der Mutter gegenüberliegen. Diese Anordnung führt zu einer kompakten Bauform des Spindelgehäuses verglichen mit der früheren Konstruk­ tion.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einrichtung zum Steuern der Drehzahl vorgesehen, welche eine Spindel umfaßt, ferner eine auf der Spindel montierte Turbine, ein Gehäuse zum Aufnehmen der Spindel und der Turbine, eine Druckluftquelle und eine mit dem Gehäuse verbundene Leitung für den Turbinenan­ trieb, ein in der Druckluftleitung angeordnetes Ventil zum Regeln der Luftdurchflußmenge, ein Sensor zum Aufnehmen der Turbinendrehzahl und Steuermittel zum Verstellen des Ventils in Abhängigkeit von einem Vergleichswert zwischen einer vorgegebenen Solldrehzahl und einer vom Sensor festgestellten Drehzahl.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einrichtung zum Steuern der Drehzahl vorgesehen, die eine Abwandlung der vorstehend beschriebenen Einrich­ tung ist, wobei die Steuermittel zusätzlich ein Element zum vollständigen Verschließen des Ventils umfassen, wenn die Turbine stehen bleibt, während das Ventil noch offen ist. Diese Abwandlung unterbricht die Energiezu­ fuhr von der Druckluftquelle, wenn die Spindel gewalt­ sam gestoppt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Werkzeugmaschine nach dem Stand der Technik mit einer pneumatisch ange­ triebenen Spindel;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer Drehzahlerfassungsanordnung nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 die Beziehung zwischen der Drehzahl und der jeweiligen Betriebsart bei der Anordnung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines Drehzahlerfassungssystems nach der Erfindung;

Fig. 5 eine vergrößerte Teilansicht der Dar­ stellung nach Fig. 4;

Fig. 6 eine vergrößerte Teilansicht der Dar­ stellung nach Fig. 5;

Fig. 7 ein erfindungsgemäßes System zum Steuern der Drehzahl;

Fig. 8 eine Darstellung der Beziehung zwi­ schen der Drehzahl und den Betriebs­ arten bei einem System nach der Er­ findung, und

Fig. 9 ein weiteres System zum Steuern der Drehzahl einer pneumatisch angetrie­ benen Spindel nach der Erfindung.

Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der Er­ findung unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 9 der Zeichnung erläutert. In dieser sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 4 ist ein Teil einer Werkzeugmaschine darge­ stellt, bei der eine Spindel 2 in einem zylindrischen Gehäuse 1 angeordnet ist. An einem Ende der Spindel 2 ist ein Schneidwerkzeug 4 befestigt, am anderen Ende eine Luftturbine 5. Letztere ist auf der Spindel 2 mit­ tels einer Mutter 10 befestigt.

Wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, hat die Mutter 10 zwei Stirnflächen 14 und 15, von denen die eine die Turbine 5 gegen die Spindel 2 drückt und die andere eine freiliegende Oberfläche bildet. Die letztgenannte Fläche 15 hat einen konvex-konkaven Be­ reich 8, der eine periodisch geformte Struktur bildet. Ein konkaver Teilbereich 17 und ein konvexer Teilbereich 18 sind in Fig. 6 näher dargestellt. Im Inneren einer Öffnung im Spindelgehäuse 1 ist eine Drehzahlerfassungsanordung 109 vorgesehen. Diese umfaßt einen elektromagnetischen Aufnehmer 20, der mit einem Impulsverstärker 21 sowie einem Wandlerbaustein 22 ver­ bunden ist. Der Aufnehmer 20 ist auf einem innerhalb des Spindelgehäuses angeordneten Flansch 23 so befe­ stigt, daß er in axialer Richtung der Spindel 2 einen Abstand von der freiliegenden Fläche 15 der Mutter 10 hat. Der elektromagnetische Aufnehmer 20 erfaßt die sich mit der Drehung der Mutter 10 ändernde Magnetfeld­ stärke. Diese Änderung wird an den Impulsverstärker 21 weitergeleitet und dann vom Wandlerbaustein 22 weiter­ verarbeitet.

Da die Drehzahlerfassungsanordnung 109, insbesondere der Aufnehmer 20, in axialer Richtung zur Spindel 2 an­ geordnet ist, ist es nicht erforderlich, weiteren Raum für die Drehzahlerfassungsanordnung 109 in radialer Richtung vorzusehen. Daher ist es möglich, ein Spindelgehäuse 1 sehr kompakt herzustellen, so daß die gesamte Werkzeugmaschine mit geringen Abmessungen ge­ baut werden kann. Ebenso ist es möglich, die Drehzahl der Spindel mit hoher Genauigkeit zu ermitteln, ohne daß das Vorhandensein von Schmieröl stört. Ferner wird die Zahl von Bauteilen für die Werkzeugmaschine redu­ ziert, da die Mutter 10 sowohl als Befestigungsmittel dient als auch gleichzeitig einen Teil der Dreherfassungsanordung 109 bildet.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt. In Fig. 7 ist eine Spindel 2 in einem Gehäuse 1 angeordnet. An einem Ende der Spindel 2 ist ein Schneidwerkzeug 4 befestigt, am anderen Ende eine Luftturbine 5. Die Luftturbine 5 ist auf der Spindel 2 mittels einer Mutter 10 befestigt. Eine Luftzuführungsöffnung 11 ist in das Gehäuse 1 ein­ gearbeitet. Die Turbine 5 wird durch die Luft angetrie­ ben, die über die mit der Öffnung 11 verbundene Luft­ leitung 26 zugeführt wird. Die Luftleitung 26 umfaßt eine Rohrleitung 27, die von einer nicht dargestellten Druckluftquelle bis zum Spindelgehäuse 1 verläuft, sowie ein Ventil 28. Im Spindelgehäuse 1 ist eine Drehzahlerfassungsanordnung 209 vorgesehen, die mit einer Steureinrichtung 30 verbunden ist.

Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 30 hauptsächlich durch eine Regleran­ gestattet ist. An diesem wird eine vorbestimmte Dreh­ zahl N gemäß den Schneidbedingugen der Werkzeugmaschine voreingestellt. Der Vergleicher 32 vergleicht die Dreh­ zahl N mit der augenblicklichen Drehzahl N 1 der Turbine 5, die durch die Drehzahlerfassungsanordnung 209 erfaßt wird, und verstellt das Ventil 28 aufgrund des Vergleichsergebnisses. Genauer ausgedrückt, ändert die Regleranordnung 34 den Öffnungsgrad des Ventils 28, wo­ durch das der Turbine 5 zugeführte Luftvolumen verän­ dert wird, so daß die tatsächliche Drehzahl N 1 auf den voreingestellten Wert N nachgeregelt wird.

In Fig. 8 ist die Drehzahl der Spindel 2 in Abhängig­ keit von verschiedenen Betriebsarten A, B, C darge­ stellt. In Betriebsart A befindet sich das Werkzeug 4 nicht im Eingriff mit dem Werkstück 3. In Betriebsart B ist das Werkzeug 4 mit dem Werkstück 3 in Kontakt. In Betriebsart C ist das Werkzeug 4 vom Werkstück 3 wieder abgehoben worden. In Betriebsart A wirkt keine Last auf das Werkzeug 4 und die Spindel 2, so daß diese mit einer konstanten Drehzahl N 1 rotiert, die mit der vor­ bestimmten Drehzahl N übereinstimmt. Mit Beginn des Schneidvorganges (Betriebsart B) wird die Spindel 2 be­ lastet, so daß die Drehzahl N 1 anfängt zurückzugehen. Die Differenz zwischen der voreingestellten Drehzahl N und der tatsächlichen Drehzahl N 1 wird durch die Steuereinrichtung 30 mit Hilfe der Drehzahlerfassungs­ anordnung 209 sofort erkannt, woraufhin die Durchfluß­ menge der Luft durch das Ventil 28 entsprechend erhöht wird. Demgemäß wird das Abfallen der Drehzahl N 1 wieder kompensiert. Nach Beendigung des Schneidvorganges ent­ fernt sich das Werkstück 4 vom Werkstück 3 (Betriebsart C). Die Spindel 2 ist ohne jede Last, so daß die Dreh­ zahl N 1 größer als die Drehzahl N wird. Daraufhin dros­ selt die Steuereinrichtung 30 das Ventil 28, wodurch die der Turbine 5 zugeführte Luftdurchflußmenge redu­ ziert wird. Damit wird erreicht, daß die Spindel 2 nicht auf eine nicht erforderlich hohe Drehzahl hoch­ läuft.

Gemäß der Erfindung rotiert die Spindel 2 mit einer verglichen mit der bekannten Anordnung verhältnismäßig konstanten Drehzahl, die unabhängig von der Schneidlast ist. Ebenso ist die Schnittgenauigkeit verbessert und der für die Bearbeitung erforderliche manuelle Arbeits­ aufwand vermindert, da die Drehzahl nicht durch eine Bedienperson gesteuert wird.

Für den Fall, daß die Schnittiefe für die Werkzeug­ maschine gemäß dem oben beschriebenen zweiten Aus­ führungsbeispiel programmgesteuert eingestellt wird, das Programm jedoch fehlerhaft ist, kann die Schnittlast zu groß werden, was ein Anhalten der Spindel 2 während der Betriebsart B des Zerspanens zur Folge hätte. In diesem Falle wird der Turbine 5 zuviel Luft zugeführt, da die Differenz zwischen den Drehzahlen N und N 1 sehr groß ist. Dadurch würde die Spindel 2 mit hoher Beschleunigung anlaufen, wenn man sie vom Werkstück 3 freigibt, was gefährlich ist. Um dieses Problem zu vermeiden, wird gemäß der Fig. 9 in einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Steuerung 130 vorgesehen, die zusätzlich zum Vergleicher 32 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein weiteres Steuerelement 36 verwendet. Ein Drehzahlsollwert N wird am Vergleicher 32 eingestellt und mit der tatsächlichen Drehzahl N 1 verglichen, die durch die Drehzahlerfassungsanordnung 209 erfaßt wird. Wenn die Drehzahl N 1 nicht gleich der Drehzahl N ist, verstellt die Steuerung 130 das Ventil 28 so, daß beide Drehzahlen N 1 und N übereinstimmen. Das Steuerelement 36 wird dann aktiviert, wenn die von der Drehzahlerfassungsanordnung 209 festgestellte tatsächliche Drehzahl N 1 auf Null abfällt. Die Steuerung 130 erzeugt daraufhin einen Steuerbefehl 122, der das Ventil 28 schließt, wenn die Spindel 2 in der Betriebsart B des Zerspanens zwangsweise stillgesetzt wird. Anders ausgedrückt wird ein Steuerbefehl 122 dann erzeugt, wenn das Steuerelement 36 aktiviert und die Drehzahl N ungleich Null ist. Damit bleibt die Spindel 2 weiterhin stehen, wenn sie in der Betriebsart B des Zerspanens einmal angehalten worden ist, wodurch die Sicherheit bei der zerspanenden Bearbeitung erhöht wird.

Claims (13)

1. Einrichtung zum Erfassen der Drehzahl einer von einer Turbine angetriebenen Spindel, gekennzeichnet durch ein Befestigungselement (10) zum Befestigen der Turbine (5) auf der Spindel (2), wobei das Befestigungselement (10) eine in die axiale Rich­ tung der Spindel weisende freiliegende Fläche (15) hat, auf der ein Bereich (8) mit einer konvex- konkaven Struktur ausgebildet ist, und durch seine zum Erfassen der Spindeldrehzahl dienende Drehzahlerfassungsanordnung (109), die in axialer Richtung von der Spindel (2) angeordnet ist, wobei diese Drehzahlerfassungsanordnung der frei­ liegenden Fläche (15) des Befestigungselementes (10) zugewandt ist und von dieser einen Abstand hat.

2. Einrichtung zum Steuern der Drehzahl einer von einer Turbine angetriebenen Spindel, gekennzeichnet durch ein zum Befestigen der Turbine auf der Spindel dienendes Befestigungselement (10), das einen Flächenabschnitt (15) hat, der quer zur Längsachse der Spindel (2) steht und einen sich periodisch ändernden Verlauf hat, ferner durch eine Anordnung (109) zum Erfassen der Spindeldrehzahl mit Mitteln (20), die mit axialem Abstand von dem Flächen­ bereich (15) des Befestigungselements (10) und diesem gegenüberliegend angeordnet sind, um die Drehung des periodischen Flächenverlaufs dieses Flächenbereiches (15) zu erfassen, und durch eine erste Steuereinrichtung (30), die abhängig von Signalen der Drehzahlerfassungsanordnung (109) die Spindeldrehzahl (N 1) steuert.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement (10) als mit einem Ge­ winde versehenes Element mit zwei einander gegen­ überliegenden Flächen (14, 15) ausgebildet und an die Spindel (2) angeschraubt ist, wobei eine (15) der Flächen mit der periodisch geformten Oberflächenstruktur (8) versehen ist, der ein Aufnehmer (20) zum Erfassen der Drehzahl des Befestigungselementes gegenübersteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer (20) zu der periodischen Oberflächenstruktur (8) auf dem Flächenbereich (15) im wesentlichen in Richtung der Längsachse fluchtend ausgerichtet ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Oberflächenstruktur (8) auf dem Flächenbereich (15) eine konvex-konkave Form hat.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (5) von einem Gehäuse (1) umgeben ist, das eine Öffnung in einem axialen Abstand von der Turbine (5) hat und daß der Aufnehmer (209) in dieser Öffnung angeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer (20) radial innerhalb des äuße­ ren Umfanges der Turbine (5) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Luftversorgung der Turbine (5) eine Luft­ zufuhrleitung (26) vorgesehen ist, die mit einem Ventil (26) zum Einstellen der der Turbine (5) zu­ geführten Luftmenge versehen ist, und daß die Steuereinrichtung (30) Steuerelemente (32) hat, die die von der Drehzahlerfassungsanordnung (109) erfaßte Spindeldrehzahl (N 1) mit einem vorgegebe­ nen Wert (N) vergleichen und die das Ventil (28) so steuern, daß die der Turbine (5) zugeführte Luftmenge abhängig von der Differenz zwischen der erfaßten Spindeldrehzahl (N 1) und dem vorgegebenen Wert (N) eingestellt wird.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch ein die Spindel (2) und die Turbine (5) aufnehmen­ des Gehäuse (1), mit dem die zur Luftversorgung der Turbine (5) dienende Luftzufuhrleitung (26) mit dem darin angeordneten Ventil (28) zum Ein­ stellen der Durchflußmenge der der Turbine (5) zu­ geführten Luft verbunden ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekennzeichnet durch eine zweite Steuereinrichtung (130), die das Ven­ til (28) schließt, wenn die von dem Aufnehmer er­ faßte Drehzahl (N 1) Null ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung (30) die Drehzahl (N 1) mit einem vorgegebenen Wert (N) vergleicht und das Ventil (28) abhängig von der Differenz zwischen der Drehzahl (N 1) und dem Wert (N) so eingestellt wird, daß die Differenz kleiner wird, wenn die Drehzahl (N 1) und der Wert (N) größer als Null sind, und daß die zweite Steuereinrichtung (130) das Ventil (28) schließt, wenn der Wert (N) größer als Null und die Drehzahl (N 1) gleichzeitig gleich Null ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement (10) an einem Ende der Spindel (2) so angeordnet ist, daß die Fläche (15) des Befestigungselements (10), von welcher ein Be­ reich (8) konvex-konkav ausgebildet ist, in axialer Richtung der Spindel (2) freiliegt, wobei der Aufnehmer in axialer Richtung der Spindel (2) und in einem Abstand zum Befestigungselement (10) so angeordnet ist, daß er dem konvex-konkaven Be­ reich (8) zugewandt ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an der Spindel (2) ein Gewindefortsatz ausgebildet ist und daß das Befestigungselement (10) als Mutter ausgebildet ist, die mit dem Gewindefortsatz verschraubt ist.