DE3818449A1 - Arbeitsspindel fuer hohe biegebelastung und drehmomentmessung durch torsion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsspindel für hohe Biege­ belastung, die an zwei im Axialabstand angeordneten Stellen Mittel zur Erzeugung von drehwinkelbezogenen Impulssignalen trägt, deren torsionsabhängige Phasenverschiebung als Maß für das übertragene Drehmoment verwendbar ist.

Die Antriebsspindeln moderner Werkzeugmaschinen sind sehr kompakt gestaltet. Die gestiegenen Anforderungen an die Fertigungsgüte verlangen eine hohe Biegesteifigkeit zur Aufnahme der radial auf die Spindel wirkenden Anpreßkraft zwischen Werkzeug und Werkstück sowie eine hohe Torsions­ steifigkeit zur Vermeidung von Drehschwingungen und der daraus resultierenden sog. Rattermarken. Diesen Anforderun­ gen wird dadurch Rechnung getragen, daß die Arbeitsspindel zwischen zwei gehäusefesten Lagern als Welle mit hohem Flä­ chenträgheitsmoment, d. h. also kurz und mit großem Durch­ messer ausgebildet wird.

Der technische Fortschritt stellt darüber hinaus weitere Anforderungen. So gewinnt die Fehlerfrühdiagnose in der Fertigungstechnik zunehmend an Bedeutung, und es besteht ein wachsendes Interesse an einer fortlaufenden Überwachung des Fertigungsprozesses während dessen Ablaufs, da dieser einen unmittelbaren Einfluß auf die Fertigungsqualität hat.

So ist beispielsweise bei Schleifmaschinen die im Schleif­ prozeß umgesetzte Schnittleistung ein direktes Maß für die Fertigungsgüte. Versuche, die Schnittleistung durch Messung der Stromaufnahme des Antriebsmotors zu erfassen, brachten jedoch nicht den gewünschten Erfolg. Selbst bei konstanter Drehzahl, d. h. also ohne Einwirkung der Massenträgheits­ momente, ergaben sich Meßfehler bis zu ±3%. Für die Er­ fassung der Schnittleistung kommt deshalb nur die Messung mechanischer Größen unmittelbar an der Arbeitsspindel in Betracht. Hierbei spielt das Drehmoment eine entscheidende Rolle, welches über den nahezu konstanten Radius des Schleifwerkzeugs die Schleifkraft als Schleifmoment pro­ portional wiedergibt. Da das Schleifmoment die Arbeitsspin­ del auf Torsion beansprucht, bildet die Verwindung der Spin­ del ein unmittelbares Maß für die Schleifkraft, die durch Messen des zeitlichen Verlaufs des Drehwinkels an zwei axial auseinanderliegenden Stellen der Arbeitsspindel unter Verwendung geeigneter Meßeinrichtungen wie Hall-Sensoren oder dgl. erfaßt und prozeßtechnisch ausgewertet werden kann.

Für die Genauigkeit der vorbeschriebenen Drehmomentmessung kommt es wesentlich auf die Torsionselastizität der Arbeits­ spindel zwischen den Meßstellen an. Kurze Spindeln mit gro­ ßem Durchmesser, wie sie heute zunehmend verwendet werden, haben zwischen ihren Enden nur eine geringe Torsionselasti­ zität, die eine genaue Erfassung des Drehmoments erschwert und einen entsprechend hohen und damit teueren meßtechni­ schen Aufwand erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Arbeitsspin­ del der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie die beiden konträren Forderungen nach einerseits hoher Biege­ steifigkeit und andererseits ausreichender Torsionselastizi­ tät zwischen den Meßstellen mit einfachen Mitteln vereinigt und dadurch die Anwendung herkömmlicher Meßeinrichtungen für eine fortlaufende Erfassung des übertragenen Drehmo­ ments gestattet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Arbeitsspindel aus einer in axial beabstandeten Lagern ge­ lagerten, weitgehend biege- und torsionssteifen Hohlwelle und einer von dieser umschlossenen torsionselastischen Zen­ tralwelle besteht, die am abtriebseitigen Ende drehfest miteinander verbunden sind, wobei das Antriebsmoment über daß aus der Hohlwelle vorstehende freie Ende der Zentral­ welle eingeleitet wird und die Mittel zur Erzeugung der Impulssignale an den unverbundenen Enden der Wellen angeord­ net sind.

Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, die Welle ohne Inkaufnahme einer Verlängerung gegenüber den bisher verwen­ deten massiven Wellen in einen biegesteifen äußeren Teil (Hohlwelle) und einen torsionselastischen inneren Teil (Zen­ tralwelle), über den das Antriebsmoment geleitet wird, auf­ zuspalten. Da die Biegesteifigkeit vom Flächenträgheitsmo­ ment des Wellenquerschnitts bestimmt wird, das mit der vier­ ten Potenz des Radius zunimmt, läßt sich die Biegesteifig­ keit einer Hohlwelle bei entsprechender Wahl der Wandstärke auf nahezu der gleichen Höhe wie bei einer Vollwelle halten. Demgegenüber braucht die Zentralwelle nur einen solchen Durchmesser zu besitzen, daß sie das Antriebsmoment zur Aufbringung der Bearbeitungskraft zu übertragen vermag. Auslegungskriterium der Zentralwelle ist eine unterkriti­ sche Dimensionierung dahingehend, daß die Eigenfrequenz des Zwei-Massen-Torsionsschwingers immer über der Anregungsfre­ quenz liegt. Dadurch wird Rattern verhindert. Da die Hohl­ welle selbst nicht auf Torsion belastet wird, können die Mittel zur Erzeugung der drehwinkelbezogenen Impulssignale in unmittelbarer Nachbarschaft an den unverbundenen Enden der beiden Wellen angeordnet werden, wodurch Meßfehler durch mechanische oder thermische Verwerfungen zwischen der Arbeitsspindel und stationären Teilen der Meßeinrichtungen ausgeschlossen werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Längsschnitt eine Schleifmaschine mit einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 10, in welchem eine in ihrer Gesamtheit mit 12 be­ zeichnete Arbeitsspindel mit Hilfe von Kugellagern 14, 16, 18 gelagert ist. Zwischen den Kugellagern 14 und 16, 18 ist eine Distanzhülse 20 zur Schaffung des für die Übertra­ gung der Schleifanpreßkraft auf das Gehäuse 10 erforderli­ chen Lagerabstandes angeordnet. Ein Flanschring 22 spannt die Lager 14, 16, 18 über die Distanzhülse 20 vor, schließt das werkzeugseitige Ende des Gehäuses 10 ab und hält die Ar­ beitsspindel 12 mit den vorgenannten Lagerteilen in Stel­ lung. Eine im Flanschring 22 angeordnete Dichtung 24 ver­ hindert das Eindringen von Schleifstaub und sonstigen Ver­ schmutzungen in das Gehäuse 10.

Das aus dem Gehäuse 10 durch den Flanschring 22 herausragen­ de Ende 25 der Arbeitsspindel 12 ist kegelstumpfförmig aus­ gebildet und nimmt eine mit einer entsprechenden Bohrung versehene Schleifscheibe 26 auf, die mittels einer Schraube 28 auf der Arbeitsspindel reibschlüssig befestigt ist.

Am anderen Ende des Gehäuses 10, das bei 30 flanschartig erweitert ist, befindet sich der Antriebsmotor 32 der Schleifmaschine. Der Antriebsmotor 32 ist ein elektrischer Induktionsmotor, dessen das Ständerblechpaket 34 und die Ständerwicklung 36 enthaltendes Gehäuse 38 an der Erweite­ rung 30 des Maschinengehäuses 10 festgeschraubt ist. Der Läufer 39 des Motors 32 ist als Kurzschlußläufer ausgebil­ det und mit seiner Motorwelle 40 in einem Kugellager 42 in der Stirnwand des Motorgehäuses 38 gelagert.

Die Motorwelle 40 bildet mit der Arbeitsspindel 12 in nach­ stehend beschriebener Weise eine Einheit und treibt die Schleifscheibe 26 unmittelbar an.

In Übereinstimmung mit der Erfindung besteht die Antriebs­ spindel 12 aus einer Außenwelle 44, die durch eine vom mo­ torseitigen Ende ausgehende Sackbohrung 46 im Bereich des Maschinengehäuses 10 als Hohlwelle ausgebildet ist, und einer in die Bohrung 46 ragenden zentralen Welle 48, die von einem Ansatz der Motorwelle 40 gebildet ist. Die zen­ trale Welle 48 ist mit einem verdickten Kopf 50 in eine Verengung 52 am inneren Ende der Sackbohrung 46 eingepreßt und mit einem etwa gleichdicken Bund 54, der unmittelbar an die Motorwelle 40 anschließt, durch ein Nadellager 56 in der Hohlwelle 44 gelagert. Dadurch wird eine radiale Zwischenabstützung der zentralen Welle 48 bzw. der damit einstückigen Motorwelle 40 erhalten, um ein eventuelles radiales Ausschlagen dieser Welleneinheit aufgrund der ge­ ringen Biegesteifigkeit der zentralen Welle 48 zu verhin­ dern. Eine Dichtung 57 schützt das Nadellager gegen Ver­ schmutzung.

Die zentrale Welle 48 ist aufgrund ihres geringen Durchmes­ sers in hohem Maße torsionselastisch und wird sich im Be­ trieb unter dem Antriebsmoment des Induktionsmotors 32 pro­ portional zu diesem verwinden. Zur Messung dieser Verwin­ dung trägt die Hohlwelle 44 an ihrem offenen Ende einen an einer flanschartigen Vergrößerung 58 ausgebildeten ersten Zahnkranz 60. Ein zweiter Zahnkranz 62 ist an einem Ring 64 ausgebildet, der auf die Welleneinheit 40, 48 im Bereich der Motorwelle 40 axial unmittelbar neben dem Zahn­ kranz 60 aufgeschoben ist. Beide Zahnkränze 60, 62 haben denselben Durchmesser und dieselbe Zahnteilung und können im Stillstand bzw. im Leerlauf des Induktionsmotors 32 um eine Viertel-Zahnteilung in Umfangsrichtung versetzt sein.

Den Zahnkränzen 60, 62 sind im Gehäuseteil 30 angeordnete Meßwertgeber 66 bzw. 68 zugeordnet, die von den Zahnkränzen 60, 62 bei deren Drehung berührungslos beeinflußt werden und elektrische Impulssignale erzeugen, die über Anschluß­ drähte 70, 72 einer nicht gezeigten Überwachungs- und Steu­ ereinrichtung zugeführt werden. Die Meßwertgeber 66, 68 können mit Vorteil als Hall-Sensoren ausgebildet sein, de­ ren Impulssignale bei unbelasteter und gleichförmig drehen­ der Schleifmaschine einen bestimmten Phasenabstand zuein­ ander wie beispielsweise eine Phasenverschiebung von 90° bei dem oben erwähnten Versatz der Verzahnungen 60, 62 um eine Viertel-Zahnteilung aufweist. Wird die Schleifscheibe belastet, verwindet sich proportional der Höhe des übertra­ genen Drehmoments die zentrale Welle 48, und der Phasenab­ stand zwischen den Meßwertgeber 66, 68 wird entsprechend verschoben und kann in der Überwachungs- und Steuereinrich­ tung auf bekannte Weise zur Bestimmung des Drehmoments her­ angezogen werden.

Eine Schaltungsanordnung zur Auswertung der Impulssignale der Meßwertgeber 60, 62 ist beispielsweise aus der DE-OS 35 09 763 bekannt.

Die vorbeschriebene Schleifmaschine mit der erfindungsge­ mäß ausgebildeten Arbeitsspindel läßt sich mit besonderem Vorteil für eine selbstanpassende Regelung der Schleiflei­ stung beim Schleifen der Umfangskanten von unrunden Platten wie beispielsweise den Fensterscheiben von Kraftfahrzeugen anwenden, wenn einerseits die Schleifleistung durch ent­ sprechende Steuerung des Vorschubs konstant hochgehalten und auf der anderen Seite Überlastungen der Schleifscheibe mit der Gefahr ihrer Zerstörung durch Überhitzung des die Diamanten enthaltenden Einbettungsmaterials verhindert wer­ den soll.

Claims (10)

1. Arbeitsspindel für hohe Biegebelastung, die an zwei im Axialabstand angeordneten Stellen Mittel zur Erzeu­ gung von drehwinkelbezogenen Impulssignalen trägt, de­ ren torsionsabhängige Phasenverschiebung als Maß für das übertragene Drehmoment verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsspindel (12) aus einer in axial beabstandeten Lagern (14, 16/18) gelagerten, weitgehend biege- und torsionsstei­ fen Hohlwelle (44) und einer von dieser umschlossenen torsionselastische Zentralwelle (48) besteht, die am abtriebseitigen Ende drehfest miteinander verbunden sind, wobei das Antriebsmoment über das aus der Hohlwel­ le (44) vorstehende freie Ende (40) der Zentralwelle (48) eingeleitet wird und die Mittel zur Erzeugung der Impulssignale (60, 62, 66, 68) an den unverbundenen Enden der Wellen (44, 48) angeordnet sind.

2. Arbeitsspindel nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zentralwelle (48) als Vollwelle ausgebildet ist.

3. Arbeitsspindel nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zentralwelle (48) innerhalb der Hohlwelle (44) einen im Durchmesser ge­ schwächten Abschnitt aufweist.

4. Arbeitsspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (44) von einem mit einer zentralen Bohrung (46) versehenen Teil einer Vollwelle gebildet ist, de­ ren abtriebseitiges Ende (25) massiv belassen und mit einem Sitz zur Anbringung eines Werkzeugs (26) versehen ist, und daß die Zentralwelle (48) in einen Endab­ schnitt (52) der zentralen Bohrung (46) der Hohlwelle (44) eingepreßt ist.

5. Arbeitsspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralwelle (48) in der Hohlwelle (44) an deren freiem Ende gelagert ist.

6. Arbeitsspindel nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Lagerung der Zentral­ welle (48) in der Hohlwelle (44) ein Nadellager (56) angeordnet ist.

7. Arbeitsspindel nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Lagerung der Zen­ tralwelle in der Hohlwelle ein trockengeschmiertes Gleitlager vorgesehen ist.

8. Arbeitsspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Impulssignale Zahnkränze (60, 62) sind, die mit davon berührungslos beeinflußbaren, stationär angebrachten Meßwertgebern (66, 68) zusammen­ arbeiten.

9. Arbeitsspindel nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßwertgeber (66, 68) Hall-Sensoren sind.

10. Arbeitsspindel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (58) der Hohlwelle (44) selbst als Zahnkranz (60) ausgebil­ det ist, während der andere Zahnkranz (62) ein getrenn­ tes Ringteil (64) ist, das auf den vorstehenden Teil (40) der Zentralwelle (48) drehfest aufgebracht, insbe­ sondere aufgeschrumpft ist.