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Spindellagerung für Werkzeugmaschinen, insbesondere Schwerdrehbänke
Die Erfindung bezieht sich auf eine Spindellagerung für Werkzeugmaschinen, insbesondere
Schwerdrehbänke, bei der drei oder mehr Lagerstellen für die Spindel vorgesehen
sind.
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Eine Werkzeugmaschinenspindel, z. B. die Hauptspindel einer Drehbank,
unterliegt einer Verformung oder Durchbiegung, die durch das Gewicht eines Futters,
einer Planscheibe, durch das Werkstück-oder Werkzeuggewicht, durch die Schnittkraft,
durch die Einleitung des Antriebsdrehmoments oder durch sonstige äußere Einflüsse
hervorgerufen wird. Derartige Verformungen oder Abweichungen von der Sollage wirken
sich naturgemäß nachteilig auf die Genauigkeit aus.
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Bekannte Vorschläge zur Verringerung der Spindelverformung zielen
auf eine Erhöhung der Starrheit des Spindelsystems hin, so z. B. durch Vergrößerung
des Widerstandsmoments der Spindel, durch Verringerung der Auskraglänge oder des
L7berhanges der Spindelnase u. dgl. Dem sind jedoch vielfach durch die praktischen
Gegebenheiten, z. B. durch den zur Verfügung stehenden Raum oder durch die Art der
Maschine, von vornherein schon Grenzen gesetzt.
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Bei verschiebbaren Teilen hat man versucht, mittels einer bestimmten
Ausbildung der Führungsflächen eine durch Belastung bedingte Absenkung zu kompensieren.
So ist bei einem ausfahrbaren Unterarm eines Bohr- und Fräswerkes eine keilförmige
obere Gleitfläche vorgesehen, die sich an einer festen Gegenfläche abstützt, wobei
der Keil zum hinteren Ende ansteigt. Je weiter also der Unterarm ausgefahren wird,
um so größer wird auch die Höhe des Keiles an der tragenden Stelle.
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Bei sich drehenden Teilen hat man sich auch mit der Verlagerung im
Lager selbst befaßt. Ausgehend davon, daß zwischen Wellenverlagerung und Lagerlast
kein linearer Zusammenhang besteht, ist vorgeschlagen worden, die Welle einer zusätzlichen,
also zu der Arbeitsbelastung hinzukommenden Belastung zu unterwerfen, z. B. durch
entsprechende Druckverteilung im Lagerspalt oder durch am Lager auf die Welle wirkende
Belastungskräfte, um dadurch in einem Bereich kleinerer Verlagerungen zu arbeiten.
Eine Verformung oder Durchbiegung der Welle läßt sich auf diese Weise jedoch nicht
verhindern oder in ihren nachteiligen Auswirkungen beeinflussen.
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Bei relativ kleinen Spindeln. haben sich durch Vorspannung von Wälzlagern
die dynamischen und statischen Eigenschaften des Systems verbessern lassen. Weiterhin
sind Vorschläge zum Auffinden günstiger Lagerabstände gemacht worden. Die ferner
bekannten dreifachen Spindellagerungen stellen hohe Anforderungen an die Fertigung,
obgleich zum Ausschalten von Fluchtfehlern und zur Vereinfachung auch schon vorgeschlagen
wurde, das dritte Lager gesondert herzustellen und nach entsprechender radialer
Justierung einzubauen. Es sind weiterhin geteilte Spindeln bekannt, bei denen der
vordere Teil kurz und stabil gelagert ist, während der hintere Teil der Einleitung
des Antriebsdrehmoments dient und mit dem ersten Teil über eine Zapfenkupplung beweglich
verbunden ist. Der vordere Teil der Spindel ist hierbei zwar von der Einleitung
des Antriebsdrehmoments entlastet, unterliegt jedoch ebenso wie eine ungeteilte
Spindel anderen Verformungskräften. Mit dem Ziel, die Beanspruchungen der Lager
günstiger zu gestalten, ist bei einer zweifach gelagerten Spindel mit einem zwischen
den Lagern auf der Spindel befestigten Zahnrad auch vorgeschlagen worden, das in
das Zahnrad eingreifende Antriebsritzel zur Bedienungsseite der Maschine hin oberhalb
der durch die Spindelachse gehende waagerechten Ebene anzuordnen.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich die nachteiligen
Auswirkungen einer durch das Werkstückgewicht oder sonstige Einflüsse bedingten
Spindelverformung durch die erwähnten Maßnahmen zur Erhöhung der Starrheit des Spindelsystems
allein nicht in der wünschenswerten Weise beseitigen lassen. Die Anwendung der bekannten
Maßnahmen ist zudem nicht generell möglich, sondern hängt von den Gegebenheiten
jedes Einzelfalles ab, wobei sich dieser oder jener Vorschlag schon grundsätzlich
nicht mit sonstigen zu berücksichtigenden Punkten vereinbaren läßt. Dies gilt insbesondere
auch für Spindeln von Schwerdrehbänken. Bei der Erfindung wird deshalb ein neuer
Weg beschritten, um die Beeinträchtigung der Form- und Maßgenauigkeit eines Fertigungsproduktes
durch auftretende Spindelverformung auszuschalten.
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Gemäß der Erfindung ist bei einer Spindellagerung der eingangs genannten
Art wenigstens eine der innenliegenden Lagerstellen durch einen Stützkörper gebildet,
der zur Beeinflussung der Spindelverformung
bzw. zur Ausrichtung
der Spindel gegen dieselbe verstellbar ist, oder es weist eine der innenliegenden
Lagerstellen einen Raum zur Aufnahme eines auf die Spindel zur Ausrichtung wirkenden
Druckmittels auf oder es sind beide Maßnahmen gemeinsam angewendet. Hierdurch kann
den jeweils durch ein Werkstück oder andere Einflüsse hervorgerufenen Verformungskräften
entgegengewirkt und Einfluß auf den Verlauf der Spindel genommen werden. Es ist
auf diese Weise möglich, für das Arbeitsergebnis nachteilige Verformungen zu vermeiden,
und zwar auch bei sehr unterschiedlichen oder wechselnden, auf die Spindel wirkenden
Kräften, z. B. bei Werkstücken, deren Gewicht sich in einem großen Bereich ändert.
Es läßt sich also eine den jeweiligen Gegebenheiten Rechnung tragende Ausrichtung
der Spindel erreichen, in dem Sinne, daß die Spindel in ihrer Sollage eingestellt
und in dieser gehalten werden kann. Eine bei einer Durchbiegung durch den Verlauf
der Biegelinie auftretende Neigung oder Abweichung von einer vorgegebenen Lage wird
also gemäß der Erfindung durch eine Gegenkraft bzw. ein Gegenmoment zum Verschwinden
gebracht. Je nach dem Bedarfsfall kann es dabei vollauf genügen, eine solche Ausrichtung
oder Lagekorrektur wenigstens für den Teil der Spindel zu erreichen, dessen Lage
für die Genauigkeit der Bearbeitung von Bedeutung ist, also z. B. bei einer Drehbankspindel
für den Spindelkopf oder den durch das vordere Lager gehenden Teil der Spindel.
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Die Abstützwirkung kann dabei in verschiedener Weise hervorgebracht
und in ihrer Größe eingestellt werden, insbesondere auch durch einen Regelvorgang.
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Der Stützkörper kann z. B. in einer Führung verschiebbar sein und
über einen Gleitschuh od. dgl. an der Spindel angreifen. Er läßt sich auch mit einer
oder mehreren auf der Spindel laufenden Rollen, Kugeln od. dgl. ausrüsten, etwa
nach Art eines Wälzlagers. Bei einer anderen Ausführung erfolgt die Einwirkung auf
die Spindel mit Hilfe eines Druckmittels. Dieses nimmt der Stützkörper in einer
Kammer auf, die zur Spindel hin offen ist. An ihrer seitlichen Begrenzung kann diese
Kammer bei Bedarf auch durch elastische Dichtungen od. dgl. abgeschlossen sein.
Durch das von einer Pumpe od. dgl. gelieferte Druckmittel wird hierbei die Lagebeeinflussung
der Spindel bewirkt, wobei der Stützkörper als Gegenhalter wirkt. Er kann an seinem
der Spindel abgewandten Ende fest angebracht sein. Zweckmäßig ist er jedoch auch
bei dieser Ausführung in Richtung auf die Spindel unter Kraftwirkung verstellbar.
Zum Bewegen des ; Stützkörpers kann ein mechanischer, elektrischer oder hydraulischer
Verstellantdeb dienen.
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Eine vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß der Stützkörper die
Spindel ganz oder teilweise umgibt und wenigstens auf einem Teil seines Umfanges
; als hydrostatisches oder aerostatisches Lager ausgebildet ist.
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Der Stützkörper läßt sich auch mit mehreren auf dem Umfang verteilten;
voneinander getrennten Kammern ausrüsten, wobei die Menge des Druckmittels in den
Kammern gesondert einstellbar ist. Hierdurch ist es möglich, je nach dem Bedarfsfall
eine Lagebeeinflussung der Spindel in verschiedenen Richtungen zu erzielen, etwa
zum Ausgleich der Schnittkraft. Es lassen sich zu diesem Zweck auch mehrere Stützkörper
um die Spindel herum anordnen, die in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind und
von denen jeder nur an einem Teil des Spindelumfanges angreift bzw. die Spindel
nur zu einem Teil ihres Umfanges umfaßt. Hierbei können die Stützkörper jeweils
für sich oder in gegenseitiger Abhängigkeit gegen die Spindel verstellbar sein.
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i Es kann weiterhin von Vorteil sein, einen oder mehrere Stützkörper
in Längsrichtung der Spindel verstellbar anzuordnen, beispielsweise mittels eines
auf einer festen Führung gleitenden Schlittens od. dgl.
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Die Breite der Stützkörper kann den jeweiligen Erfordernissen entsprechend
gewählt werden, d. h., sie können verhältnismäßig schmal sein und lassen sich dann
auch bei sehr beschränkten Platzverhältnissen unterbringen, oder sie können sich
auch über einen größeren Bereich der Spindellänge erstrecken. Zweckmäßig sind für
die Lagerung der Spindel selbst hydrostatische oder aerostatische Lager vorgesehen.
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Die Einstellung der Stützkraft läßt sich im einfachsten Fall auf Grund
vorgegebener, einer Tabelle entnehmbarer Werte durchführen. Ist z. B. durch eine
einmal durchgeführte Messung die Durchbiegung der Spindel bei verschiedenen Werkstückabmessungen
oder -gewichten festgestellt worden, so lassen sich die dabei weiterhin ermittelten
Werte der zum Ausgleich dieser Durchbiegung erforderlichen Stützkraft in ihrer Zuordnung
zu den Werkstückabmessungen in einer solchen Tabelle zusammenfassen, nach der dann
gearbeitet wird. Zweckmäßiger ist es jedoch, die Lage der Spindel bei jedem Arbeitsvorgang
zu messen und die Stützkraft in ihrer Größe dann so lange zu ändern, bis die Spindel
ihre Sollage erreicht hat. Ein solcher Vorgang läßt sich dann auch selbsttätig durchführen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist deshalb zur Einstellung
der erforderlichen Druckmittelmenge in der oder den Kammern des Stützkörpers und/oder
zum Verstellen des Stützkörpers eine Regeleinrichtung vorgesehen, die einen die
Spindelverformung an wenigstens einer Stelle messenden Istwertgeber und ein oder
mehrere Stellglieder enthält.
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Eine Vorrichtung zur Erfassung der Spindellage besteht gemäß der Erfindung
aus einem mit der Spindel umlaufenden Teil in Form einer Scheibe od. dgl. und aus
zwei diesem Teil zugeordneten, beiderseits der Spindelachse feststehend angebrachten
Meßwertgebern. Der mit der Spindel umlaufende Teil kann eine eigens zu diesem Zweck
auf der Spindel befestigte Scheibe sein, die beispielsweise im Spindelkasten untergebracht
ist. Es ist aber auch möglich, einen ohnehin auf der Spindel befindlichen Teil,
ein Futter oder eine Planscheibe, bei dieser Messung zu verwenden. Die Meßwertgeber
können dabei die Scheibe abtasten oder auch die Lageänderung berührungslos erfassen.
Es lassen sich zu diesem Zweck beispielsweise induktive und kapazitive Geber oder
auch pneumatische Meßgeräte einsetzen. Die beiden Meßwertgeber sind über eine Brückenschaltung
mit der Regeleinrichtung verbunden. Sofern mehrere, in unterschiedlichen radialen
Richtungen angeordnete Stützkörper oder Stützkörper mit in Umfangsrichtung zueinander
versetzten Kammern vorgesehen sind, kann für jede Richtung ein Paar von Meßwertgebern
vorgesehen sein.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert: F
i g. 1 veranschaulicht die Verformung einer zweifach gelagerten Spindel; F i g.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung:
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i g. 3 stellt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
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Die Werkzeugmaschinenspindel 1 in F i g. 1, z. B. eine Drehbankspindel,
ist in zwei Lagern 2 gelagert und trägt am vorderen Ende eine Planscheibe 3 od.
dgl. Unter dem Gewicht dieser Planscheibe, zu dem noch das Gewicht eines nicht dargestellten
Werkstückes kommt, erleidet die Spindel l eine Durchbiegung. Dabei erfährt die Planscheibe
und zugleich ein von ihr gehaltenes Werkstück eine Lageänderung infolge der Absenkung
des vorderen Teiles der Spindel. Der Winkel a bezeichnet die Neigung gegenüber der
Lagerachse.
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Die F i g. 2 und 3 veranschaulichen nun als Beispiel die Anwendung
der Erfindung zur Behebung solcher und ähnlicher, sich nachteilig auswirkender Verformungen.
Die in F i g. 2 dargestellte Spindel 4 ist waagerecht in zwei hydrostatischen Lagern
5 und 6 gelagert. Die Ölzufuhr zu diesen Lagern ist durch die Pfeile 7 angedeutet,
während die Ölableitung nicht besonders gezeigt ist. Die Speisung der Lager kann
z. B. durch eine Verdrängerpumpe erfolgen. Zur Einstellung der Spindel 4 in die
gewünschte Lage und zur Beseitigung der Verformung ist ein Stützkörper 9 vorgesehen,
der bei der dargestellten Ausführung die Spindel wirkenden Druckmittels selbsttätig
mit Hilfe hydrostatisches Lager ausgebildet ist. Denvorgesehenen Kammern 10 wird
von einer nicht wiedergegebenen Pumpe od. dgl. über eine Leitung 11 Druckmittel,
z. B. Öl, zugeführt, um die Spindel 4 zu belasten. Durch Einstellung der Ölzufuhr,
z. B. durch Beeinflussung einer das Druckmittel liefernden Pumpe, kann eine Kraft
auf die Spindel 4 ausgeübt werden, die so groß ist, daß das vordere Endes der Spindel
horizontal durch das Vorderlager 6 geht, d. h. daß eine auf der Spindel 4 befestigte
Planscheibe 8 od. dgl. senkrecht zur Lagerachse steht, wobei sich dann auch ein
aufgespanntes Werkstück in der richtigen Lage befindet. Der Verlauf der Biegelinie
am Spindelende, also am hinteren Lager, ist von geringerer Bedeutung, da dies keine
Nachteile mit sich bringen kann, zumal dann nicht, wenn hydrostatische Lager verwendet
werden.
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Der Stützkörper 9 ist in radialer Richtung zur Spindel 4, bei dem
gewählten Beispiel also in senkrechter Richtung, abgestützt, wobei außerdem eine
zusätzliche Einstellmöglichkeit vorgesehen ist. Diesem Zweck dient eine Gewindespindel
1.2, die in einem gegenüber der Spindel 4 feststehenden Teil 13 geführt ist, z.
B. einem Teil des Spindelkastens. An ihrem oberen Ende kann die Gewindespindel 12
im einfachsten Fall mit einem Schlüsselangriff versehen sein. Zweckmäßig ist sie
jedoch über eine entsprechende Übersetzung mit einem Stellantrieb verbunden, etwa
einem Elektromotor. Es läßt sich dabei auch ein Handrad od. dgl. zum Drehen der
Spindel vorsehen.
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Noch vorteilhafter ist es, wenn die Einwirkung auf die Spindel, d.
h. die Verstellung des Stützkörpers und/oder die Änderung der Menge eines auf die
Spindel wirkenden Druckmittels selbsttätig mit Hilfe einer Regeleinrichtung bewerkstelligt
wird. F i g. 3 veranschaulicht als Beispiel eine solche Ausführung. Dabei ist wiederum
eine in hydrostatischen Lagern 16, 17 gelagerte Spindel 15 mit an deren vorderem
Ende befestigter Planscheibe 18 vorhanden. An der Rückseite der Planscheibe 18 sind
in Durchmesserrichtung gegenüberliegend zwei Meßorgane 19, z. B. Weggeber, feststehend
angebracht. Die Geber 19 können Taster aufweisen oder auch berührungslos arbeiten.
An Stelle der Planscheibe kann zur Messung auch eine besondere Scheibe vorgesehen
sein, die z. B. innerhalb des Spindelkastens auf der Spindel befestigt ist. Tritt
nun eine Verformung der Spindel 15 ein, so ergibt sich damit auch eine Schrägstellung
der Planscheibe 18 (vgl. F i g. 1) bzw. einer gesonderten, mit der Spindel umlaufenden
Meßscheibe. Die auftretende Lageänderung wird durch die Geber 19 gemessen und z.
B. in eine entsprechende Spannungsänderung umgewandelt. Bei Bedarf kann ein Anzeigegerät
vorgesehen sein, auf dem das Ausmaß der Verformung zu jedem Zeitpunkt ablesbar ist.
Bei der dargestellten Ausführung bilden die Geber 19 die Istwertgeber einer
Regeleinrichtung. Die einzelnen Teile sind als Blockschaltbild wiedergegeben. Die
Geber 19 wirken über eine Brückenschaltung 20, über einen Verstärker 21 auf ein
Verstellglied 22, welches die Arbeitsweise einer Pumpe 23 beeinflußt, die über ein
Rückschlagventil 25 und eine Leitung 24 Öl aus einem Behälter 26 ansaugt. Durch
die beschriebene Einrichtung wird über die Leitung 27 den Kammern 29 des ähnlich
wie in F i g. 2 ausgebildeten Stützkörpers 28 so viel Öl zugeführt, daß durch die
hierdurch auf die Spindel 15 wirkende Kraft die Spindelverformung rückgängig gemacht
wird. Es ist naturgemäß auch möglich, die Regeleinrichtung in jeder anderen geeigneten
Weise auszubilden, um die erforderliche Einwirkung zum Ausrichten der Spindel zu
erzielen.
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Zur zusätzlichen Verstellung des Stützkörpers 18 ist bei dieser Ausführung
ein hydraulischer Antrieb vorgesehen, der aus einem feststehend angeordneten Zylinder
30 und einem in diesem verschiebbaren Kolben 31 mit Kolbenstange 32 besteht. Der
Zylinder 30 ist durch Leitungen 33 und 34 mit einem Steuerventil 35 verbunden, an
das eine Druckmittelzuleitung 36 und eine Ableitung 37 angeschlossen ist. Das Ventil
35 schaltet die Leitungen 33 und 34 so, daß wahlweise der Kolben 31 und mit ihm
der Stützkörper 28 entweder gegen die Spindel 15 verstellt oder von dieser entfernt
werden kann. Zweckmäßig ist das Ventil 35 als Magnetventil od. dgl. ausgebildet.
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Sollte z. B. die Verformung der Spindel 15 so groß werden, daß die
durch das Öl in den Kammern 29 aufgebrachte Kraft und der dadurch zu erzielende
Verstellweg nicht mehr ausreichen, um die Lage der Spindel in der gewünschten Weise
zu beeinflussen, so kann mittels des hydraulischen Antriebs der Stützkörper 28 durch
die Kolbenstange 32 zusätzlich in radialer Richtung verstellt werden, d. h., es
kann eine zusätzliche Kraft ausgeübt werden, um die gewünschte Ausrichtung der Spindel
zu erreichen.
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Eine solche Verstellung des Stützkörpers, sei es mit Hilfe einer Gewindespindel
gemäß F i g. 2 oder mit Hilfe eines hydraulischen Antriebs der in F i g. 3 gezeigten
Art, wird zweckmäßig ebenfalls in die Regelung einbezogen. Dies kann bei der Ausführung
nach F i g. 3 beispielsweise mittels eines weiteren Stellgliedes 38 erreicht werden,
welches in Abhängigkeit von dem Stellglied 22 arbeitet und das Ventil 35 betätigt.
Durch gestrichelte Linien ist die Wirkverbindung zwischen dem Stellglied 38 und
dem Ventil 35 sowie die Verbindung zwischen dem Stellglied 38 und dem Stellglied
22 angedeutet. Die Ausbildung der einzelnen Elemente kann dabei so sein, daß das
Stellglied 38 in Tätigkeit tritt, wenn das Stellglied 22 in der einen oder anderen
Richtung einen bestimmten
Betriebspunkt erreicht hat. Der Kolben
31 im Zylinder 30 wird z. B. dann nachgestellt, wenn das Stellglied 22 die Pumpe
auf volle Förderleistung eingestellt hat, aber trotzdem noch eine Verformung besteht,
so daß die von den Gebern 19 gespeiste Brücke 20 nicht abgeglichen ist. Dann kann
das Stellglied 38 arbeiten und durch Verstellen des Ventils 35 in der erforderlichen
Weise eine Verschiebung des Kolbens 31 bewirken.
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Wie bereits in dem voraufgegangenen Teil der Beschreibung erläutert
wurde, bestehen für die erfindungsgemäß ausgebildete Spindellagerung z. B. bezüglich
der Anordnung und Ausbildung eines oder mehrerer Stützkörper, abweichend von den
dargestellten Ausführungsbeispielen, noch zahlreiche andere Möglichkeiten, so daß
den verschiedensten Bedarfsfällen Rechnung getragen werden kann.