WO2012049008A1

WO2012049008A1 - Werkzeugmaschine mit kugelgewindespindel

Info

Publication number: WO2012049008A1
Application number: PCT/EP2011/066660
Authority: WO
Inventors: Achim Feinauer
Original assignee: Stama Maschinenfabrik Gmbh
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-04-19
Also published as: DE102010049677A1

Abstract

Eine Maschine, insbesondere eine Werkzeugmaschine zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken besitzt zumindest eine über einen eine Motornabe (65) aufweisenden Motor (64) angetriebene Kugelgewindespindel (67), auf der eine Spindelmutter (68) sitzt, die mit einer Konstruktionskomponente (63) der Werkzeugmaschine (10) derart verbunden ist, dass beim Verdrehen (71) der Kugelgewindespindel (67) mittels des Motors (64) die Konstruktionskomponente (63) längs (72) der Kugelgewindespindel (67) verfahren wird, wobei die Kugelgewindespindel (67) eine Drehachse (70) aufweist. Ferner ist eine passiv wirkende Auffangvorrichtung (74; 77) für die Kugelgewindespindel (67) vorgesehen, die einer ungewollten Verlagerung der Kugelgewindespindel (67) relativ zu der Motornabe (65) entgegenwirkt.

Description

WERKZEUGMASCHINE MIT KUGELGEWINDESPINDEL

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschine, vorzugsweise eine Werkzeugmaschine zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken, die zumindest eine über einen eine Motornabe aufweisenden Motor, vorzugsweise einen Elektro- oder Schrittmotor, angetriebene Kugelgewindespindel aufweist, auf der eine Spindelmutter sitzt, die mit einer Konstruktionskomponente der Werkzeugmaschine derart verbunden ist, dass beim Verdrehen der Kugelgewindespindel mittels des Motors die Konstruktionskomponente längs der Kugelgewindespindel verfahren wird, wobei die Kugelgewindespindel eine Drehachse aufweist.

[0002] Derartige Maschinen sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. [0003] Die Maschinen können als Werkzeugmaschinen ausgebildet sein oder auch als Montageeinrichtungen, Handhabungsvorrichtungen zum Beladen und Entladen von Werkstücken, Werkstückpalletten oder Werkzeugen dienen und beispielsweise den Werkzeugmaschinen zugeordnet sein. Diese Maschinen können als Portalmaschinne ausgebildet sein, an denen eine vertikal ausgerichtete Kugelgewindespindel vorgesehen ist, die eine Greif- oder Transportvorrichtung in vertikaler Richtung bewegt, wobei die Greif- oder Transportvorrichtung über ein Portal in der horizontalen Ebene verfahren wird.

[0004] Derartige Werkzeugmaschinen sind beispielsweise als Fahrständermaschinen ausgebildet, bei denen eine Werkzeugspindel vorgesehen ist, die an ihrem unteren Ende eine Aufnahme für Bearbeitungswerkzeuge aufweist. Die Werkzeugspindel ist in einem Spindelkopf gelagert, der vertikal verstellbar an einem Fahrständer gelagert ist.

[0005] Der Spindelstock wiederum ist in horizontaler Richtung verfahrbar auf einem Kreuzteil gelagert, das wiederum in einer zweiten horizontalen Richtung verfahrbar auf einem Maschinengestell angeordnet ist.

[0006] An dem Maschinengestell ist ferner unterhalb der Werkzeugspindel in einem Arbeitsraum ein Werkstücktisch angeordnet, auf den zu bearbeitende Werkstücke aufgespannt werden.

[0007] Auf diese Weise kann ein in die Aufnahme der Werkzeugspindel eingespanntes Bearbeitungswerkzeug in drei orthogonalen Richtungen relativ zu dem Werkstück verfahren werden, um übliche Bearbeitungsvorgänge wie Fräsen, Bohren, Gewindeschneiden etc. durchzuführen.

[0008] Bei anderen Werkzeugmaschinen sind nicht alle drei orthogonalen Achsen, die üblicherweise als x-, y- und z-Achse bezeichnet werden, in dem Bearbeitungswerkzeug angeordnet, sondern zumindest eine Achse ist in das Werkstück verlagert, so dass das Werkstück beispielsweise in x- und/oder y- Richtung relativ zu der Werkzeugspindel verfahren werden kann, die dann nur noch in der vertikalen z- Achse sowie ggf. in einer horizontalen Achse verfahren wird.

[0009] Bei anderen Werkzeugmaschinen ist es üblich, die Werkzeugspindel nicht vertikal sondern horizontal auszurichten.

[0010] Die vorliegende Erfindung ist bei sämtlichen derartigen Werkzeugmaschinen sowie bei anderen Maschinen wie den eingangs erwähnten Handhabungsvorrichtungen und Montageeinrichtungen einsetzbar.

[0011] Zum Verfahren des Spindelkopfes an dem Spindelstock sowie zum Verfahren des Spindelstockes gegenüber dem Kreuzteil und zum Verfahren des Kreuzteiles gegenüber dem Maschinengestell werden Antriebseinheiten verwendet, die üblicherweise Kugelgewindespindeln aufweisen, die über einen Motor, in der Regel einen Elektro- oder Schrittmotor, angetrieben werden. Derartige Antriebseinheiten finden auch in anderen Maschinen Anwendung, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.

[0012] Auf der Kugelgewindespindel sitzt eine Spindelmutter, die beim Drehen der Kugelgewindespindel in die eine oder in die andere Richtung längs der Kugelgewindespindel verfahren wird. Der Kugelgewindespindel ist in der Regel ein Glasmaßstab zugeordnet, der die Verstellung der Spindelmutter messtechnisch überwacht und an eine Maschinensteuerung meldet, die den Motor jeweils derart antreibt, also insbesondere eine entsprechende Anzahl von Umdrehungen vollführen lässt, dass die Spindelmutter auf der Kugelgewindespindel eine vorbestimmte Position einnimmt.

[0013] In der Regel ist der Motor ein Schrittmotor, der positionsgenau gesteuert werden kann, so dass über den Drehwinkel des Schrittmotors sowie die Steigung der Kugelgewindespindel die jeweilige Position der Spindelmutter genau be- kannt ist und vorgegeben werden kann. Der Glasmaßstab dient dann der Kontrolle, ob die Spindelmutter die vorbestimmte Position auch eingenommen hat.

[0014] Mit der Spindelmutter sind nun der Kreuzschlitten, der Spindelstock, der Spindelkopf oder eine vergleichbare Konstruktionskomponente verbunden, so dass beim Verfahren der Spindelmutter längs der Kugelgewindespindel die jeweilige Konstruktionskomponente parallel zu der Kugelgewindespindel verfahren wird.

[0015] Als weitere, über eine derartige Antriebeinheit bewegte Konstruktionskomponente kann beispielsweise ein Vorschubelement genannt werden, mit dem Werkstücke im Arbeitsraum positioniert werden.

[0016] In der Regel ist die Kugelgewindespindel über eine Kupplung mit einer Motornabe des Motors verbunden, wobei diese Kupplung extrem torsionssteif ausgebildet ist, damit die Drehschritte des Motors ohne Spiel in den Vorschub der Spindelmutter umgesetzt werden können.

[0017] Im Betrieb derartiger Maschinen treten immer mal wieder Situationen auf, in denen die Kupplung bricht, so dass die Kugelgewindespindel sozusagen den Kontakt zur Motornabe verloren hat.

[0018] Besonders problematisch ist dieser Bruch der Kupplung bei vertikal verlaufenden Kugelgewindespindeln, weil dies ein Gefahrenpotential darstellt, wenn dem Bediener der Maschine oder dem Service- bzw. Wartungspersonal Zugriff auf die Achse ermöglicht werden muss.

[0019] Aber auch bei horizontal verfahrenden Konstruktionskomponenten kann der Bruch der Kupplung ein Problem darstellen, weil nämlich eine ggf. gerade beschleunigte Konstruktionskomponente dann ungebremst und nicht abbremsbar weiterfährt, was nicht nur ein Gefahrenpotential für Bedienungspersonal darstellt sondern auch die Gefahr birgt, dass Komponenten der Werkzeugmaschine beschädigt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die über die Kugelgewindespindel bewegten Konstruktionskomponenten hohe Massen aufweisen, die mit großer Beschleunigung bewegt werden, wie es im Hinblick auf eine schnelle Bearbeitung, Montage bzw. Beladung der Werkstücke bei allen genannten Maschinen der Fall ist.

[0020] Eine besondere Gefahr für das Bedienungspersonal besteht jedoch bei vertikalen Kugelgewindespindeln, die vertikale Konstruktionskomponenten wie beispielsweise den Spindelkopf bewegen.

[0021] Neben dem Bruch der Kupplung ist ein weiteres Gefahrenpotential dann gegeben, wenn die Kugelgewindespindel selbst bricht. Auch hier ist der Motor nicht mehr in der Lage, die Kugelgewindespindel abzubremsen, so dass im laufenden Betrieb die Gefahr besteht, dass die bewegten Konstruktionskomponenten zu einer ernsthaften Beschädigung der Maschine führen, da sie nicht rechtzeitig abgebremst werden können.

[0022] Bei vertikal verfahrenden Konstruktionskomponenten, also beispielsweise beim Spindelkopf, ist der Bruch der Kugelgewindespindel aber auch im Stillstand eine ernstzunehmende Gefahren für das Bedienungspersonal. Wenn während Rüst- oder Servicearbeiten die Kugelgewindespindel bricht, wird der Spindelkopf häufig nicht mehr gehalten und kann ungehindert nach unten fahren und dabei Personen verletzen, die im Arbeitsraum tätig sind.

[0023] Um diese Probleme zu beherrschen, werden die Konstruktionskomponenten bei eingeschalteter Maschine über den bestromten Motor gehalten, während bei ausgeschaltetem Motor die Achse über eine Bremse gehalten wird, die im Bereich des Motors vorgesehen ist.

[0024] Wenn jedoch die Kupplung bricht oder die Kugelgewindespindel, können weder ein bestromter Motor noch die Bremse ein willkürliches Verfahren der Konstruktionskomponenten verhindern. [0025] Zwar ist es auch möglich, dass die Bremse versagt, die Kupplung auf der Motornabe oder der Kugelgewindespindel rutscht bzw. Wälzkörper aus der Spindelmutter herausfallen, diese Fehler werden jedoch relativ problemlos durch übliche Maßnahmen beherrscht.

[0026] Einem Versagen der Bremse wird durch regelmäßige Überprüfung der Bremse entgegengewirkt, indem sie beispielsweise dadurch zyklisch getestet wird, dass der Motor bei geschlossener Bremse angefahren wird. Sofern die Bremse "hält", wird dies daran erkannt, dass die Konstruktionskomponente sich nicht bewegt, was mittels des bereits erwähnten Glasmaßstabes oder eines anderen geeigneten Maßstabes durch die Motor- oder Maschinensteuerung erkannt wird.

[0027] Dem Rutschen der Kupplung kann dadurch entgegengewirkt werden, dass zwischen der Kupplung und der Motornabe bzw. der Kugelgewindespindel Formschluss herrscht, wobei auch zwischen den beiden Kupplungsteilen, die an der Motornabe bzw. der Kugelgewindespindel angebracht sind, Formschluss vorgesehen ist.

[0028] Einem Fehler durch Herausfallen der Wälzkörper kann durch geeignete Konstruktion der Wälzkörperlager entgegengewirkt werden, wobei auch dafür gesorgt werden kann, dass der Umlauf der Wälzkörper bei Herausfallen eines Wälzkörpers blockiert wird, so dass eine weitere Drehung der Kugelgewindespindel verhindert wird.

[0029] Problematisch sind jedoch das Brechen der Kupplung sowie das Brechen der Kugelgewindespindel selbst.

[0030] Um diesen Fehlern zu begegnen, werden bisher zusätzliche mechanische Elemente eingesetzt, die separat angeordnet sind und entweder unter Funktion der Maschinensteuerung oder von Hand bei Bedarf geklemmt werden, so dass die Konstruktionskomponente nicht mehr auf seinen Führungsschienen verfahren kann, oder die Spindelmutter nicht mehr längs der Kugelgewindespindel bewegt werden kann.

[0031] Dabei ist es auch bekannt, zusätzliche Sicherungselemente wie beispielsweise einen Holzbalken unter den Spindelkopf zu stellen, wenn Wartungsarbeiten durchgeführt werden.

[0032] All diese Maßnahmen sind jedoch zum einen mit dem Problem behaftet, dass sie von dem Bedienungspersonal nicht angewendet werden, wenn eilige Eingriffe erforderlich sind, wobei sie zum anderen dann aufwändige Sicherheitselemente darstellen, wenn sie über die Maschinensteuerung selbst geschaltet werden. Hinzu kommt, dass diese Sicherungselemente auch wiederum überprüft werden müssen.

[0033] Aus dem DE 79 26 126 Ul ist eine vertikale gelagerte Kugelrollspindel für den Antrieb eines Hubwagens bekannt. Wird der Hubwagen entlastet, so wird die unten mit geringem Spiel gelagerte Kugelgewindespindel um dieses Spiel angehoben. Dadurch wird eine drehfest mit dem unteren Ende verbundene Scheibe gegen einen Anschlag gepresst und somit ein weiteres Verdrehen der Kugelgewindespindel verhindert. Bei einem Bruch der Kugelgewindespindel kann der Hubwagen schwerkraftbedingt absinken.

[0034] Das DE 79 26 847 Ul beschreibt die parallel Anordnung mehrerer zwangsgekoppelter Spindeln. Bei Bruch einer dieser Spindeln sind die verbleibenden Spindeln in der Lage, die Funktion zumindest vorübergehend sicherzustellen. Diese Konstruktion ist jedoch sehr aufwändig.

[0035] Die DE 29 18 641 A beschreibt einen Antrieb für einen Werkzeugspindelschlitten in einer Werkzeugmaschine, der zwei mechanisch parallel geschaltete Kugelgewindespindeln umfasst, von denen die beide angetrieben werden. Die erste Kugelgewindespindle ist nicht-selbsthemmend, die zweite selbsthemmend ausgebil- det. Wenn der Antrieb außer Betrieb geht, verhindert die zweite Kugelgewindespindel ein ungewolltes Verdrehen der ersten Kugelgewindespindel. Auch diese Konstruktion ist konstruktiv sehr aufwändig.

[0036] Die US 5,581,220 A beschreibt eine Hubvorrichtung mit einer vertikalen Kugelgewindespindel. Im Bereich der Spindellagerung ist eine Bremsvorrichtung angeordnet, die der Drehung der Kugelgewindespindel entgegenwirkt und so das Absenken schwerer Lasten ermöglicht. Bei einem Bruch der Kugelgewindespindel ist diese Bremse funktionslos.

[0037] Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der dem Gefahrenpotential durch Bruch der Kupplung bzw. Bruch der Kugelgewindespindel auf konstruktiv einfache und sichere Weise entgegengewirkt wird.

[0038] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei der eingangs genannten Maschine dadurch gelöst, dass eine passiv wirkende Auffangvorrichtung für die Kugelgewindespindel vorgesehen ist, die einer ungewollten Verlagerung der Kugelgewindespindel relativ zu der Motornabe, insbesondere infolge Bruch der Kugelgewindespindel (67) oder Bruch einer zwischen Kugelgewindespindel (67) und Motor (64) vorgesehenen Kupplung (66), entgegenwirkt.

[0039] Unter einer "passiv wirkenden Auffangvorrichtung" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden, die sozusagen stets einsatzbereit und aktiv ist, ohne dass sie manuell eingeschaltet bzw. über die Maschinensteuerung betätigt werden muss.

[0040] Unter einer "ungewollten Verlagerung der Kugelgewindespindel relativ zu der Motornabe" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum einen eine axiale Verstellung der Kugelgewindespindel zu der Motornabe verstanden, wie sie bei einem Bruch der Kugelgewindespindel auftritt. Andererseits wird darunter auch ein Verdrehen der Kugelgewindespindel gegenüber der Motornabe verstanden, wie es sowohl bei einem Bruch der Kugelgewindespindel als auch bei einem Bruch der Kupplung auftritt. Bei einem Bruch der Kupplung kann sich die Kugelgewindespindel gegenüber der Motornabe verdrehen, sie ist jedoch in axialer Richtung ggf. noch richtig positioniert, da sie über eigene Lager gehalten wird.

[0041] Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im Folgenden mit der Richtungsangabe "oben" eine Richtung auf den Motor zu und mit "unten" eine Richtung von dem Motor weg bezeichnet. Die Richtungsangaben "oben" und "unten" bedeuten bei zumindest teilweise schräg oder ganz vertikal angeordneten Kugelgewindespindeln auch "gegen die Schwerkraft" sowie "mit der Schwerkraft".

[0042] Bei vertikal angeordneten Kugelgewindespindeln sitzt der Motor immer oberhalb der Kugelgewindespindel, während er bei beispielsweise verschwenkbaren Achsen durchaus auch im Sinne der Schwerkraft unterhalb der Kugelgewindespindeln liegen kann, wenn nämlich die Achse entsprechend geschwenkt wurde.

[0043] Bei einem Bruch der Kupplung bzw. bei einem Bruch der Kugelgewindespindel kommt es im laufenden Betrieb immer und bei Stillstand der Maschine immer dann zu einer Verlagerung der Kugelgewindespindel gegenüber der Motornabe, wenn durch den Einfluss der Schwerkraft die über die Spindelmutter verfahrene Konstruktionskomponente eine Bewegung nach unten aufnimmt. Dies ist besonders relevant bei einem vertikal fahrenden Spindelkopf, wie er beispielsweise in einer Fahrständermaschine verwendet wird.

[0044] Bei einer derartigen ungewollten Verlagerung der Kugelgewindespindel greift jetzt automatisch die passiv wirkende Auffangvorrichtung ein, die es bei einem Bruch der Kupplung verhindert, dass die Kugelgewindespindel sich weiter relativ zu der Motornabe verdreht und bei einem Bruch der Kugelgewindespindel selbst verhindert, dass diese Kugelgewindespindel sich in axialer Richtung von dem Motor entfernt, also absackt.

[0045] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

[0046] In einem Ausführungsbeispiel ist es dann bevorzugt, wenn die Kugelgewindespindel mit ihrer Drehachse vertikal ausgerichtet ist und die Konstruktionskomponente vertikal nach oben oder unten verfahrbar, in besonderer Ausführungsform als Spindelkopf ausgebildet ist.

[0047] Während bei laufender Maschine die erfindungsgemäß vorgesehene, passiv wirkende Auffangvorrichtung sowohl bei horizontal als auch bei vertikal angeordneten Kugelgewindespindeln die eingangs erwähnten Probleme beseitigt, ist sie bei vertikal ausgerichteten Kugelgewindespindeln auch im Stillstand der Maschine wirksam, ja sogar besonders nützlich, da sie Bedienungspersonal vor Verletzungen schützt, die anderweitig bisher nicht oder kaum beherrschbar waren.

[0048] In einer Weiterbildung ist es daher bevorzugt, wenn die Konstruktionskomponente eine vertikal ausgerichtete Werkzeugspindel mit einer Spindelaufnahme zum Einspannen eines Bearbeitungswerkzeuges umfasst, wobei vorzugsweise die Kugelgewindespindel vertikal unterhalb des Motors angeordnet ist.

[0049] In einer Ausgestaltung ist zwischen Kugelgewindespindel und Motornabe eine torsionssteife Kupplung vorgesehen, zu der die Auffangvorrichtung mechanisch derart parallel geschaltet ist, dass sie bei einem Bruch der torsionssteifen Kupplung einem Verdrehen der Kugelgewindespindel gegenüber der Motornabe entgegenwirkt. [0050] Hier ist von Vorteil, dass die Auffangvorrichtung unmittelbar im Bereich der Kupplung selbst wirkt, was sich konstruktiv besonders einfach realisieren lässt.

[0051] In diesem Zusammenhang ist es dann bevorzugt, wenn die Auffangvorrichtung eine torsionsweiche Kupplung umfasst, die vorzugsweise ein erstes Kupplungselement, das oberhalb der torsionssteifen Kupplung an der Motornabe festgelegt ist, und ein zweites Kupplungselement aufweist, das unterhalb der torsionssteifen Kupplung an der Kugelgewindespindel festgelegt ist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungselement eine Verbindungsvorrichtung vorgesehen ist, die die beiden Kupplungselemente mit umfänglichem und ggf. axialem Spiel miteinander verbindet.

[0052] Das Vorsehen einer torsionsweichen Kupplung bietet den Vorteil, dass die Maschinensteuerung selbst eingesetzt werden kann, um das Brechen der Kupplung zu erkennen, wobei andererseits bei Brechen der Kupplung verhindert wird, dass die Kugelgewindespindel sich unkontrolliert weiter dreht.

[0053] Bei einem Brechen der torsionssteifen Kupplung kann sich nämlich die Kugelgewindespindel wegen der mechanisch parallelgeschalteten torsionsweichen Kupplung nur um einen bestimmten Bereich umfänglich gegenüber der Motornabe verdrehen, danach wird sie durch die torsionsweiche Kupplung gehalten. Insbesondere dann, wenn die Kugelgewindespindel abwechselnd im und gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird, oder wenn größere Strecken verfahren werden, erkennt die Maschinensteuerung anhand der Messwerte des Glasmaßstabes dann, dass die starre Verbindung zwischen Motornabe und Kugelgewindespindel gebrochen ist. Daraufhin legt die Maschinensteuerung den Motor still, so dass wegen der torsionsweichen Kupplung die Kugelgewindespindel sich weder gegenüber der Motornabe drehen noch von der Motornabe abfallen kann. [0054] Wichtig ist dabei insbesondere, dass die beiden Kupplungselemente der torsionsweichen Kupplung über die Verbindungsvorrichtung mit umfänglichem Spiel miteinander verbunden sind, dass also die torsionsweiche Kupplung eine gewisse Verdrehung der Kugelgewindespindel gegenüber der Motornabe zulässt.

[0055] Konstruktionsbedingt kann es weiter von Vorteil sein, wenn auch ein gewisses axiales Spiel ermöglicht wird.

[0056] Dieses umfängliche und ggf. axiale Spiel ist jedoch so bemessen, dass bei einem Bruch der torsionssteifen Kupplung keine Gefahren für Bedienungspersonal oder die Werkzeugmaschine bestehen.

[0057] Die Verbindungsvorrichtung kann dabei im einfachsten Fall durch Stahlseile gebildet sein.

[0058] In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kugelgewindespindel ein freies unteres Ende auf, wobei die Auffangvorrichtung ein in Richtung der Drehachse unterhalb des freien Endes der Kugelgewindespindel angeordnetes Auffangelement umfasst, das bei einem Bruch der Kugelgewindespindel mit dieser in Eingriff gelangt und einer weiteren axialen Bewegung der Kugelgewindespindel entgegenwirkt.

[0059] Diese Maßnahme ist insbesondere konstruktiv von Vorteil, weil sie die Kugelgewindespindel bei einem Bruch schon nach einem sehr kurzen Fallweg auffängt. Das freie untere Ende stößt nach dem Bruch der Kugelgewindespindel und einem sehr kurzen Fall auf das Auffangelement, das einer weiteren axialen Bewegung der Kugelgewindespindel entgegenwirkt.

[0060] In einer besonderen Ausführungsform sind das freie untere Ende der Kugelgewindespindel und das Auffangelement außermittig zueinander angeordnet. [0061] Bei dieser Anordnung ist von Vorteil, dass neben dem axialen Auffangen der Kugelgewindespindel auch verhindert wird, dass die Kugelgewindespindel sich gegenüber dem Auffangelement verdreht, was dazu führen würde, dass die Spindelmutter mit der Konstruktionskomponente weiter nach unten läuft und Gefahren hervorrufen könnte.

[0062] Andererseits ist es bevorzugt, wenn das freie untere Ende der Kugelgewindespindel und die Auffangvorrichtung koaxial zueinander angeordnet sind, wobei vorzugsweise zwischen dem freien unteren Ende der Kugelgewindespindel und dem Auffangelement eine Sperrvorrichtung angeordnet ist, die einem Verdrehen der Kugelgewindespindel gegenüber dem Auffangelement entgegenwirkt, wenn das freie Ende der Kugelgewindespindel in Kontakt mit dem Auffangelement gelangt.

[0063] Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, dass wegen der koaxialen Ausrichtung ein sicheres Auffangen des freien Endes der Kugelgewindespindel in dem Auffangelement gewährleistet ist, während durch die Sperrvorrichtung andererseits zuverlässig verhindert wird, dass die Kugelgewindespindel sich weiter verdreht.

[0064] Dabei kann das freie Ende der Kugelgewindespindel konisch zulaufen und das Auffangelement als Buchse mit einer konischen Auffangöffnung für das konische Ende der Kugelgewindespindel ausgebildet sein, wobei andererseits das freie Ende der Kugelgewindespindel auch eine nach unten weisende, konische Bohrung aufweisen kann, und wobei das Auffangelement einen sich nach oben konisch verjüngenden Dorn umfasst.

[0065] Durch diese Maßnahmen wird ein sicheres Einfangen des freien Endes der Kugelgewindespindel durch das Auffangelement auf konstruktiv einfache Weise gewährleistet.

[0066] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

[0067] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Seitenansicht, eine vereinfachte Darstellung einer

Werkzeugmaschine, an der die neue Auffangvorrichtung eingesetzt wird;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Antriebes für eine Konstruktionskomponente der Werkzeugmaschine aus Fig. 1, bei dem die neue Auffangvorrichtung in zwei Ausführungsbeispielen verwendet wird;

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Auffangelement der Auffangvorrichtung aus Fig. 2;

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Auffangelement der Auffangvorrichtung aus Fig. 2; und

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein Auffangelement der Auffangvorrichtung aus Fig. 2.

[0068] In Fig. 1 ist in einer schematischen und nicht maßstabsgetreuen Seitenansicht eine Werkzeugmaschine dargestellt, die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist.

[0069] Die Werkzeugmaschine 10 besitzt einen Fahrständer 12, der über eine erste Schlittenführung 14 auf einem Kreuzteil 16 angeordnet ist. Der Fahrständer 12 kann mit Hilfe der ersten Schlittenführung 14 auf dem Kreuzteil 16 in Richtung einer Achse verfahren werden, die üblicherweise als y- Achse bezeichnet wird und hier mit einem Pfeil 18 symbolisch dargestellt ist. Es versteht sich, dass der Fahrständer 12 auf der ersten Schlittenführung 14 motorisch verfahren wird, wobei ein entsprechender Antrieb hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.

[0070] Das Kreuzteil 16 ist über eine zweite Schlittenführung 20 auf einem Maschinengestell 22 gelagert. Die zweite Schlittenführung 20 ermöglicht eine Bewegung des Kreuzteils 16 entlang einer zweiten Achse, die hier bei der Bezugsziffer 24 dargestellt ist. Die Bezugsziffer 24 bezeichnet die so genannte X-Achse. Es versteht sich, dass auch die Bewegung des Kreuzteils 16 auf der zweiten Schlittenführung 20 mit Hilfe eines geeigneten Antriebs erfolgt, der hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.

[0071] An dem Fahrständer 12 ist ein Spindelkopf 25 mit einer darin drehbar gelagerten Werkzeugspindel 26 vertikal hängend gelagert. Die Werkzeugspindel 26 besitzt an ihrem unteren Ende eine Spindelaufnahme 28, in die in bekannter Weise ein Werkzughalter 29 mit einem daran befestigten Bearbeitungswerkzeug 30 eingespannt werden kann. Typischerweise ist der Werkzeughalter standardisiert und vom Steilkegel (SK)- oder Hohlschaftkegel (HSK)-Typ. Die Werkzeugspindel 26 ist dazu ausgebildet, das Bearbeitungswerkzeug 30 um ihre Spindelachse 32 zu rotieren, was mit einem Pfeil 34 dargestellt ist. Typischerweise ist die Werkzeugspindel 26 in der Lage, das Bearbeitungswerkzeug 30 mit mehreren tausend Umdrehungen pro Minute zu rotieren, um insbesondere eine Bohr- und Fräsbearbeitung von metallischen Werkstücken zu ermöglichen.

[0072] Die Werkzeugspindel 26 kann an dem Fahrständer 12 in Richtung eines Pfeils 36, hier also in vertikaler Richtung, verfahren werden. Dementsprechend ist die Werkzeugspindel 26 über eine dritte Schlittenführung 38 an dem Fahrständer 12 gelagert. Die Bewegung der Werkzeugspindel 26 in Richtung des Pfeils 36 wird üblicherweise als Z-Achse bezeichnet. Typischerweise verlaufen die drei Schlittenführungen 14, 20 und 38 für die drei Bewegungsachsen 18, 24, 36 orthogonal zueinander. [0073] Die Werkzeugmaschine 10 ist also eine Fahrständermaschine mit vertikaler Werkzeugspindel 26 bei der alle drei Bewegungsachsen 18, 24, 36 in dem Bearbeitungswerkzeug 30 realisiert sind.

[0074] Mit der Bezugsziffer 40 ist ein auf dem Maschinengestell gelagerter Werkstücktisch bezeichnet, auf dem ein zu bearbeitendes Werkstück 42 aufgespannt ist. Die Bezugsziffer 44 bezeichnet ein Gehäuse, das die bislang beschriebenen Komponenten der Werkzeugmaschine 10 einschließt. Mit der Bezugsziffer 46 ist schließlich eine Steuereinheit bezeichnet, mit deren Hilfe sämtliche Bewegungen der Werkzeugmaschine 10 sowie Hilfsaggregate (Kühlmittelzufuhr, Druckluft sowie das nachfolgend beschriebene Werkzeugmagazin) gesteuert werden.

[0075] Auf diese Weise kann das Bearbeitungswerkzeug 30 in einem mit 48 bezeichneten Arbeitstraum verfahren werden, um dort das Werkstück 42 zu bearbeiten.

[0076] Während dieser Bearbeitung kommen unterschiedliche Bearbeitungswerkzeuge 30 zum Einsatz, die in einem in Fig. 1 nur sehr schematisch dargestellten Werkzeugmagazin 50 vorrätig gehalten werden.

[0077] Zum Werkzeugwechsel fährt der Fahrständer in y- Richtung 18 nach hinten, in Fig. 1 also nach rechts. Die Werkzeugspindel 26 befindet sich jetzt oberhalb des Werkzeugmagazins 50, in dem ein Leerplatz vorgesehen ist, in den die Werkzeugspindel 26 nun den Werkzeughalter 29 mit dem bisher im Einsatz gewesenen Bearbeitungswerkzeug 30 ablegt. Dann verfährt das Werkzeugmagazin 50 einen bestückten Magazinplatz in die Übergabeposition unter die Werkzeugspindel 26, in dem sich ein Werkzeughalter 29 mit einem jetzt zum Einsatz vorgesehenen Bearbeitungswerkzeug 30 befindet. Diese Art des Werkzeugwechsels wird als Pick-up-Verfahren bezeichnet. [0078] Die Fig. 2 zeigt einen Antrieb 62 für eine Konstruktionskomponente 63 der Werkzeugmaschine 10 aus Fig. 1.

[0079] Die Konstruktionskomponente 63 kann beispielsweise der Spindelkopf 25 sein, so dass der Antrieb 62 vertikal ausgerichtet ist. Es ist aber auch möglich, den Antrieb 62 für das Kreuzteil 16 oder den Fahrständer 12 zu verwenden, dann ist der Antrieb 62 horizontal ausgerichtet.

[0080] Der Antrieb 62 umfasst einen Motor 64, der im gezeigten Beispiel ein Schrittmotor ist, der elektrisch mit Steuersignalen von der Steuereinheit 46 versorgt und angetrieben wird.

[0081] Der Motor 64 weist eine Motornabe 65 auf, die über eine torsionssteife Kupplung 66 mit einer Kugelgewindespindel 67 verbunden ist, auf der eine Spindelmutter 68 angeordnet ist.

[0082] Die Spindelmutter 68 ist über ein Verbindungsteil 69 mit der Konstruktionskomponente 63 verbunden.

[0083] Kugelgewindespindel 67 sowie Motornabe 65 sind koaxial zueinander ausgerichtet und weisen eine vertikal ausgerichtete Drehachse 70 auf, so dass der Motor 64 über die Kupplung 66 die Kugelgewindespindel 67 gemäß einem Pfeil 71 im und gegen den Uhrzeigersinn verdrehen kann.

[0084] Bei dieser Drehung der Kugelgewindespindel 67 wird die Spindelmutter 68 und somit die Konstruktionskomponente 63 in Richtung eines Pfeils 72 nach oben, also auf den Motor 64 zu und damit gegen die Schwerkraft, oder nach unten und damit von dem Motor 64 weg, und somit in Richtung der Schwerkraft, verfahren. [0085] Da die Kupplung 66 torsionssteif ist, folgt die Kugelgewindespindel 67 spielfrei den Umdrehungen der Motornabe 65. Dadurch wird eine Bewegung der Spindelmutter 68 verursacht, die durch die Steigung der Kugelgewindespindel 67 bestimmt wird. Die Verstellwege der Spindelmutter 68 längs der Kugelgewindespindel 67 werden mit Hilfe eines bei 73 schematisch angedeuteten Glasmaßstabes überprüft.

[0086] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Werkzeugmaschine 10 erörtert, sie kann jedoch auch bei anderen Maschinen eingesetzt werden, die im obigen Sinne eine Antriebseinheit mit Kugelgewindespindel 67, Spindelmutter 68, Kupplung 66 und Motor 64 aufweisen.

[0087] Die Kugelgewindespindel 67 weist ein freies unteres Ende 74 auf, unter dem koaxial zu der Drehachse 70 ausgerichtet ein Auffangelement 75 angeordnet ist, in dem eine Sacklochbohrung 76 vorgesehen ist, in die das freie Ende 74 hineinfällt, wenn die Kugelgewindespindel 67 brechen sollte.

[0088] Das Auffangelement 75 stellt somit eine passive Auffangvorrichtung für die Kugelgewindespindel dar, die bei einer ungewollten Verlagerung der Kugelgewindespindel 67 relativ zu der Motornabe 65, also bei einem Brechen und Absacken der Kugelgewindespindel 67, dieser Verlagerung, also dem Absacken, entgegenwirkt.

[0089] Wäre das Auffangelement 75 nicht vorgesehen, könnte das freie untere Ende 74 der Kugelgewindespindel 67 und mit ihr die Konstruktionskomponente 63 ungehindert so weit absacken, bis entweder das Ende 74 und/oder die Konstruktionskomponente 63 auf eine andere Maschinenkomponente treffen, was zu erheblichen Schäden führen kann.

[0090] Mechanisch parallel zu der torsionssteifen Kupplung 66 ist eine torsionsweiche Kupplung 77 angeordnet, die ebenfalls als passiv werdende Auffangvorrichtung für die Kugelgewindespindel 67 vorgesehen ist. Bei einem Bruch der torsionssteifen Kupplung 66 erlaubt die torsionsweiche Kupplung 67 ein relatives Verdrehen der Kugelgewindespindel 67 gegenüber der Motornabe 65, also eine ungewollte Verlagerung in umfänglicher Richtung, dies allerdings nur mit einem gewissen Spiel, also zu einem geringen Maß, danach greift die torsionsweiche Kupplung 77, und die Kugelgewindespindel 67 folgt wieder der Bewegung der Motornabe 65.

[0091] Allerdings führt ein Bruch der torsionssteifen Kupplung 66 dazu, dass die Drehbewegung des Motors 64 nicht unmittelbar in eine Längsbewegung der Spindelmutter 68 längs des Pfeils 72 umgesetzt wird, was die Steuereinheit 46 anhand der Signale des Glasmaßstabes 73 erkennt, der über eine bei 78 schematisch angedeutete Verbindung mit ihr verbunden ist.

[0092] Mit 79 angedeutet ist oberhalb des Motors 64 eine übliche Bremse gezeigt, die im normalen, also fehlerfreien Betrieb zum Einsatz kommt.

[0093] Um dies zu erreichen, weist die torsionsweiche Kupplung 77 ein oberhalb der torsionssteifen Kupplung 66 an der Motornabe 65 befestigtes erstes Kupplungselement 81 sowie ein unterhalb der torsionssteifen Kupplung 66 an der Kugelgewindespindel 67 befestigtes zweites Kupplungselement 82 auf. Die Kupplungselemente 81 und 82 können beispielsweise als Stahlscheiben ausgebildet sein.

[0094] Zwischen den Kupplungselementen 81 und 82 ist eine Verbindungsvorrichtung 83 vorgesehen, die die beiden Kupplungselemente 81 und 82 mit geringem umfänglichem Spiel miteinander verbindet. Die Verbindungsvorrichtung 83 kann beispielsweise durch Stahlseile gebildet sein, von denen vier oder sechs vorgesehen sind.

[0095] Es ist auch möglich, die Verbindungsvorrichtung mit leichtem axialem Spiel vorzusehen, so dass bei einem Bruch der Kupplung 66 die Kugelgewindespindel 67 leicht absackt. [0096] In Fig. 3 ist ausschnittsweise das freie Ende 74 der Kugelgewindespindel 67 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Koaxial unterhalb des freien Endes 74, das hier als konisch zulaufendes, stumpfes Ende ausgebildet ist, ist das Auffangelement 75 angeordnet, in dem eine konische Auffangöffnung 84 vorgesehen ist, die von der Form her zu der konischen Spitze des freien Endes 74 passt.

[0097] In der Auffangöffnung 84 sind zwei Sperrelemente in Form von vorstehenden Nasen 85 vorgesehen, die in Ausklinkungen 86 an dem freien Ende 74 eingreifen, wenn die Kugelgewindespindel 67 mit ihrem freien Ende 74 in das Auffangelement 75 hineinfällt, das hier als Buchse 87 ausgebildet ist.

[0098] Nase 85 sowie Ausklinkung 86 wirken als Sperrvorrichtung und verhindern es, dass die Kugelgewindespindel 67 sich gegenüber dem Auffangelement 75 verdreht, wenn die Kugelgewindespindel 67 gebrochen ist und mit ihrem freien Ende in dem Auffangelement 75 zu liegen kommt.

[0099] In Fig. 4 ist eine alternative Konstruktion zu der in Fig. 3 gezeigten dargestellt, bei der in dem freien Ende 74 der Kugelgewindespindel 67 eine konische Bohrung 88 vorgesehen ist, die mit einem konischen Dorn 89 auf dem Auffangelement 75 so zusammenwirkt, wie dies bereits im Zusammenhang mit der Fig. 4 beschrieben wurde.

[00100] Während bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 die Drehachse 70 der Kugelgewindespindel 67 koaxial zu einer Symmetrieachse 90 des Dorns verläuft, sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 die Drehachse 70 und die Symmetrieachse 90 zueinander versetzt, wobei auch die konische Bohrung 88 außermittig in dem freien unteren Ende 74 der Kugelgewindespindel 67 angebracht ist.

[00101] Auffangelement 75 und Kugelgewindespindel 67 liegen so außermittig zueinander, was dazu führ, dass nach dem Eingreifen des Dorns 89 in die Bohrung 88 die Kugelgewindespindel 67 nicht in Richtung ihre Drehachse 70 nicht weiter nach unten fallen kann, sie kann sich auch nicht gegenüber dem Auffangelement 75 verdrehen.

Claims

Patentansprüche

1. Maschine, insbesondere Werkzeugmaschine zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken (42), die zumindest eine über einen eine Motornabe (65) aufweisenden Motor (64), vorzugsweise einen Elektro- oder Schrittmotor, angetriebene Kugelgewindespindel (67) aufweist, auf der eine Spindelmutter (68) sitzt, die mit einer Konstruktionskomponente (63) der Werkzeugmaschine (10) derart verbunden ist, dass beim Verdrehen (71) der Kugelgewindespindel (67) mittels des Motors (64) die Konstruktionskomponente (63) längs (72) der Kugelgewindespindel (67) verfahren wird, wobei die Kugelgewindespindel (67) eine Drehachse (70) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine passiv wirkende Auffangvorrichtung (74; 77) für die Kugelgewindespindel (67) vorgesehen ist, die einer ungewollten Verlagerung der Kugelgewindespindel (67) relativ zu der Motornabe (65) infolge Bruch der Kugelgewindespindel (67) oder Bruch einer zwischen Kugelgewindespindel (67) und Motor (64) vorgesehenen Kupplung (66) entgegenwirkt.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelgewindespindel (67) mit ihrer Drehachse (70) vertikal ausgerichtet ist und die Konstruktionskomponente (63) vertikal nach oben oder unten (72) verfahren wird.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktionskomponente (63) eine vertikal ausgerichtete Werkzeugspindel (26) mit einer Spindelaufnahme (28) zum Einspannen eines Bearbeitungswerkzeugs (30) um- fasst.

4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelgewindespindel (67) vertikal unterhalb des Motors (64) angeordnet ist.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kugelgewindespindel (67) und der Motornabe (65) eine torsionssteife Kupplung (66) vorgesehen ist, zu der die Auffangvorrichtung (77) mechanisch derart parallel geschaltet ist, dass sie bei einem Bruch der torsionssteifen Kupplung (66) einem Verdrehen der Kugelgewindespindel (67) gegenüber der Motornabe (65) entgegenwirkt.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangvorrichtung (75; 77) eine torsionsweiche Kupplung (77) umfasst.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die torsionsweiche Kupplung (77) ein erstes Kupplungselement (81), das oberhalb der torsionssteife Kupplung (66) an der Motornabe (65) festgelegt ist, und ein zweites Kupplungselement (82) aufweist, das unterhalb der torsionssteife Kupplung (66) an der Kugelgewindespindel (67) festgelegt ist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungselement (81, 82) eine Verbindungsvorrichtung (83) vorgesehen ist, die die beiden Kupplungselemente (81, 82) mit umfänglichem und ggf. axialem Spiel miteinander verbindet.

8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelgewindespindel (67) ein freies unteres Ende (74) aufweist und die Auffangvorrichtung (74; 77) ein in Richtung der Drehachse (70) unterhalb des freien Endes (74) der Kugelgewindespindel (67) angeordnetes Auffangelement (74) umfasst, das bei einem Bruch der Kugelgewindespindel (67) mit dieser in Eingriff gelangt und einer weiteren axialen Bewegung der Kugelgewindespindel (67) entgegenwirkt.

9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das freie untere Ende (74) der Kugelgewindespindel (67) und das Auffangelement (74) außermittig zueinander angeordnet sind.

10. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das freie untere Ende (74) der Kugelgewindespindel (67) und das Auffangelement (74) koaxial zueinander angeordnet sind.

11. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem freien unteren Ende (74) der Kugelgewindespindel (67) und dem Auffangele- ment (74) eine Sperrvorrichtung (85, 86) angeordnet ist, die einem Verdrehen der Kugelgewindespindel (67) gegenüber dem Auffangelement (74) entgegenwirkt, wenn das freie Ende (74) der Kugelgewindespindel (67) in Kontakt mit dem Auffangelement (74) gelangt.

12. Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (74) der Kugelgewindespindel (67) konisch zuläuft und das Auffangelement (74) eine Buchse (87) mit konischer Auffangöffnung (84) für das konische Ende (74) der Kugelgewindespindel (67) aufweist.

13. Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (74) der Kugelgewindespindel (67) eine nach unten weisende, konische Bohrung (88) aufweist und das Auffangelement (74) einen sich nach oben konisch verjüngenden Dorn (89) umfasst.