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Title:
DEVICE FOR ROTATIONALLY DRIVING A TOOL AND SPINDLE THEREFOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/214958
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a spindle (27) for a device (1) for rotationally driving a tool (6), comprising at least: - a static spindle part (2) which can be connected in a rotationally fixed manner to a drive unit (26) of the device (1), and - a rotatable spindle part (3) which is rotatably mounted on the static spindle part (2) relative to the static spindle part (2) and has an interface (5) for a tool holder (4) for the tool (6), via which the tool holder (4) can be connected in a rotationally fixed manner to the rotatable spindle part (3), wherein the static spindle part (2) has an outer coil (7), and the rotatable spindle part (3) has an inner coil (8), and wherein the outer coil (7) and the inner coil (8) are arranged one inside the other for contactless transmission of electrical energy from the static spindle part (2) via the outer coil (7) and the inner coil (8) to the rotatable spindle part (3).

Inventors:
DICKE, Clemens (Alte Vaalser Straße 121, Aachen, 52074, DE)
BULLA, Benjamin (Wolfskuhl 5, Simmerath, 52152, DE)
Application Number:
EP2019/060609
Publication Date:
November 14, 2019
Filing Date:
April 25, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SON-X GMBH (Steinbachstr. 17, Aachen, 52074, DE)
International Classes:
B23Q1/00; B23B37/00; B23Q5/04; B23Q1/70
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
RÖSSLER, Matthias (Kahlhöfer Rößler Kreuels Patentanwälte PartG mbB, Postfach 32 01 02, Düsseldorf, 40416, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Spindel (27) für eine Vorrichtung (1) zum rotatorischen Antrieb eines Werk zeugs (6), umfassend zumindest:

- einen statischen Spindelteil (2), der drehfest mit einer Antriebseinheit (26) der Vorrichtung (1) verbindbar ist, und

- einen rotierbaren Spindelteil (3), der relativ zu dem statischen Spindelteil (2) drehbar an dem statischen Spindelteil (2) gelagert ist und der eine Schnittstelle (5) für einen Werkzeughalter (4) für das Werkzeug (6) auf- weist, über die der Werkzeughalter (4) drehfest mit dem rotierbaren Spin delteil (3) verbindbar ist,

wobei der statische Spindelteil (2) eine Außenspule (7) aufweist, und der ro tierbare Spindelteil (3) eine Innenspule (8) aufweist, und wobei die Außenspule (7) und die Innenspule (8) für eine berührungslose Übertragung elektrischer Energie von dem statischen Spindelteil (2) über die Außenspule (7) und die Innenspule (8) auf den rotierbaren Spindelteil (3) ineinander angeordnet sind.

2. Spindel (27) nach Patentanspruch 1, wobei die Außenspule (7) einen Au ßenspulendurchmesser (16) aufweist, und wobei die Innenspule (8) einen In nenspulendurchmesser (17) aufweist, der kleiner ist als der Außenspulendurch messer (16).

3. Spindel (27) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Au ßenspule (7) eine Außenspulenwicklung (13) und die die Innenspule (8) eine Innenspulenwicklung (14) aufweist, und wobei zumindest die Außenspulen wicklung (13) oder die Innenspulenwicklung (14) in einer Längsrichtung (15) der Vorrichtung (1) ausgedehnt sind.

4. Spindel (27) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Au ßenspule (7) konzentrisch um die Innenspule (8) angeordnet ist.

5. Spindel (27) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Schnittstelle (5) für den Werkzeughalter (4) derart ausgeführt und mit der In nenspule (8) verbunden ist, dass über die Schnittstelle (5) zumindest elektrische Energie von der Innenspule (8) auf den Werkzeughalter (4) kontaktierend über- tragen werden kann.

6. Spindel (27) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei ein Werkzeughalter (4) mit einem Schwingungsgenerator (20) derart an die Schnittstelle (5) angebunden ist, dass der Schwingungsgenerator (20) über die Schnittstelle (5) mit elektrischer Energie versorgbar ist.

7. Verwendung einer Spindel (27) gemäß einem der vorhergehenden Patentan sprüche zur Ultraschallbearbeitung von Werkstücken, wobei das Werkzeug (6) mit der Spindel (27) verbunden ist und eine Schnittgeschwindigkeit von min- destens 20 m/min eingestellt ist.

8. Vorrichtung (1) zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs (6), umfassend eine Spindel (27) gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 6. 9. Steuerung (21) für eine Vorrichtung (1) gemäß Patentanspruch 8, die zur be darfsgerechten Ansteuerung des Schwingungsgenerators (20) eingerichtet ist.

Description:
Vorrichtung zum rotatorischen Antrieb

eines Werkzeugs und Spindel dafür

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs sowie eine Spindel dafür.

Bei der spanenden Bearbeitung beispielsweise mit einer Fräse ist es wünschens- wert, ein Werkzeug wie einen Fräskopf mit Ultraschall zu beaufschlagen. Dadurch kann der Materialabtrag durch den Fräskopf insbesondere bei besonders harten Materialien erheblich gesteigert und so eine Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden.

Zur Ultraschallerzeugung ist es dabei regelmäßig erforderlich, elektrische Energie von einem feststehenden Teil auf einen sich drehenden Teil einer Maschine zu über- tragen. Zur Vermeidung von Reibungsverlusten und von Verschleiß erfolgt dies bei bekannten Ansätzen berührungslos über induktive Kopplung von Spulen. Eine der artige Übertragung ist aber gemäß Stand der Technik nur bei verhältnismäßig nied- rigen Drehzahlen möglich. Auch ist die Übertragung elektrischer Energie oft inef fizient.

Eine induktive Energie-Übertragung kann zwischen einer Spule und einem (vibrie- renden) Werkzeughalter realisiert werden. Ein solches Konzept hat den Nachteil, dass jeder Werkzeughalter (z. B. eines Werkzeugmagazins einer hochautomatisier ten Fertigungsanlage) mit einer entsprechenden Spule auszustatten ist, was zu einer sehr umfangreichen Anpassung einer Vielzahl unterschiedlicher Werkzeughalter führt. Außerdem erschweren die zusätzlichen Spulenteile die Fertigung von Werk zeughaltern mit einer sehr guten Rundlaufeigenschaft. Zudem erfordert eine An wendung solcher Systeme im Hochdrehzahlbereich besondere Materialien, da dort dem Einsatz von Ferrit-Kernen mechanische Grenzen gesetzt sind. Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusam menhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zu lösen bzw. zumindest zu verringern. Es soll insbesondere eine Vorrichtung zum rotatori schen Antrieb eines Werkzeugs, und eine Spindel dafür vorgestellt werden, bei der elektrische Energie von einem feststehenden auf einen rotierenden Teil der Vor richtung besonders effizient übertragen werden kann und die auch für besonders hohe Drehzahlen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Spindel und einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltun gen der Spindel sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, techno logisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsva rianten der Erfindung aufgezeigt werden.

Hierzu trägt eine Spindel für eine Vorrichtung zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs bei, die zumindest folgendes umfasst:

- einen statischen Spindelteil, der drehfest mit einer Antriebseinheit der Vor richtung verbindbar ist, und

- einen rotierbaren Spindelteil, der relativ zu dem statischen Spindelteil dreh bar an dem statischen Spindelteil gelagert ist und der eine Schnittstelle für einen Werkzeughalter für das Werkzeug aufweist, über die der Werkzeug halter drehfest mit dem rotierbaren Spindelteil verbindbar ist,

wobei der statische Spindelteil eine Außenspule aufweist, und der rotierbare Spin de heil eine Innenspule aufweist, und wobei des Weiteren die Außenspule und die Innenspule für eine berührungslose Übertragung elektrischer Energie von dem sta tischen Spindelteil über die Außenspule und die Innenspule auf den rotierbaren Spindelteil (insbesondere verschachtelt) ineinander angeordnet sind. Die beschriebene Spindel bzw. die Vorrichtung kann insbesondere zur spanenden Bearbeitung, beispielsweise nach Art des Fräsens, bestimmt und eingerichtet sein. Dazu kann ein entsprechendes Werkzeug an die Vorrichtung angebracht werden. Bei dem Werkzeug kann es sich beispielsweise um einen Fräskopf handeln. Alter nativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die beschriebene Vorrichtung zum Bohren bestimmt und eingerichtet ist. In dem Fall ist das Werkzeug ein Bohrer. Vorzugsweise kann das Werkzeug derart lösbar mit der Spindel verbunden werden, dass das Werkzeug von einem Benutzer ausgewechselt werden kann. So kann die beschriebene Vorrichtung insbesondere auch sowohl zum Fräsen als auch zum Bohren bestimmt und eingerichtet sein.

Das Werkzeug kann mit der Vorrichtung rotatorisch angetrieben werden. Das be- deutet insbesondere, dass das Werkzeug durch die Vorrichtung um eine Achse des Werkzeugs, die mit der Drehachse der Vorrichtung zusammenfällt, rotiert wird.

Das Werkzeug kann über den Werkzeughalter mit der beschriebenen Vorrichtung und insbesondere mit dem rotierbaren Spindelteil verbunden werden. Der Werk zeughalter ist wie das Werkzeug und die Antriebseinheit nicht Teil der Spindel. Vielmehr weist der rotierende Spindelteil die Schnittstelle auf, über die der Werk zeughalter mit dem rotierbaren Spindelteil verbunden werden kann. Bei der Schnitt stelle kann es sich beispielsweise um eine standardisierte Schnittstelle der HSK-, SK- oder BT-Norm handeln. Weitere von der Norm abweichende Lösungen sind ebenfalls denkbar. Der Werkzeughalter kann über die Schnittstelle vorzugsweise derart mit dem rotierbaren Spindelteil verbunden werden, dass ein Benutzer den Werkzeughalter austauschen kann. So kann der Benutzer beispielsweise für ver schiedene Typen von Werkzeug verschiedene Werkzeughalter mit dem rotierbaren Spindelteil verbinden.

Die Spindel ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass die Spindel mit einer ersten Stirnseite der Spindel mit der Antriebseinheit verbindbar ist. Die Schnittstelle ist vorzugsweise an einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite der Spindel vorgesehen.

Über den Werkzeughalter kann das Werkzeug mit dem rotierbaren Spindelteilver bunden werden. Insbesondere kann das Werkzeug derart lösbar mit dem Werkzeug- halter verbunden werden, dass das Werkzeug von einem Benutzer ausgewechselt werden kann. Im Betrieb ist das Werkzeug drehfest mit dem Werkzeughalter ver bunden.

Es ist auch möglich, dass das Werkzeug einstückig mit dem Werkzeughalter aus gebildet ist. In dem Fall kann der Benutzer das Werkezeug nur durch Austausch des Werkzeughalters austauschen.

Der Werkzeughalter ist im Betrieb drehfest mit dem rotierbaren Spindelteil verbun den. Das bedeutet, dass sich das Werkzeug im Betrieb gemeinsam mit dem Werk zeughalter und dem rotierbaren Spindelteil dreht. Diese Drehung erfolgt relativ zu der feststehenden Antriebseinheit um die Drehachse der Vorrichtung. Dazu ist der rotierbare Spindelteil relativ zu dem statischen Spindelteil rotierbar gelagert. Vor zugsweise sind zwischen dem statischen Spindelteil und dem rotierbaren Spindel teil entsprechende Lagerungen vorgesehen.

Vorzugsweise erfolgt die Übertragung elektrischer Energie in einem mittleren Ab schnitt der Spindel oder in einem Abschnitt der Spindel in der Nähe der zweiten Stirnseite (also unten bzw. dem Werkzeughalter zugewandt). Insbesondere kann die Innenspule (die ggf. auch als Sekundärspule bezeichnet werden kann) unmittelbar neben einer Lagerung der Spindel vorgesehen sein. Damit können dynamische Stö reffekte vermindert werden.

Die Antriebseinheit, mit der die beschriebene Spindel verbindbar ist, umfasst vor zugsweise einen Motor, bei dem es sich insbesondere um einen Elektromotor handeln kann. Mit dem Motor kann der rotierbare Spindelteil relativ zu der An triebseinheit um eine Spindelachse der Spindel, die vorzugsweise mit der Dreh achse der Vorrichtung zusammenfällt, rotiert werden. Die Spindelachse ist also die Achse, um die der rotierende Spindelteil (und damit auch der Werkzeughalter und das Werkzeug) im Betrieb gedreht werden.

Mit der beschriebenen Spindel bzw. mit der Vorrichtung ist es insbesondere mög lich, elektrische Energie berührungslos von der Antriebseinheit mit dem statischen Spindelteil als einen feststehenden Teil der Vorrichtung auf den relativ dazu rotier- baren Spindelteil als einen sich drehenden Teil der Vorrichtung zu übertragen. Das erfolgt über eine induktive Kopplung zwischen der Außenspule (die ggf. auch als Primärspule bezeichnet werden kann) an dem statischen Spindelteilund der Innen spule an dem rotierbaren Spindelteil. Vorzugsweise weist die Antriebseinheit eine Wechselspannungsquelle auf, über die eine Wechselspannung in die Außenspule eingekoppelt werden kann. Durch die Wechselspannung wird von der Außenspule ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Die Innenspule ist derart innerhalb des so erzeugten magnetischen Wechselfelds angeordnet, dass eine Wechselspannung in der Innenspule induziert wird. Auf diese Weise kann elektrische Energie von der Antriebseinheit über den statischen Spindelteil, die Außenspule und die Innenspule auf den rotierbaren Spindelteil übertragen werden. Dabei fließt kein Strom von der

Außenspule zur Innenspule. Stattdessen erfolgt die Übertragung der elektrischen Energie induktiv und damit berührungslos.

Die Außenspule ist vorzugsweise drehfest mit dem statischen Spindelteil verbun- den. Sofern die Spindel mit der Vorrichtung verbunden ist, ist die Außenspule auch relativ zu der Antriebseinheit drehfest. Die Innenspule ist vorzugsweise drehfest mit dem rotierbaren Spindelteil verbunden. Das bedeutet, dass sich die Innenspule im Betrieb gemeinsam mit dem rotierbaren Spindelteil relativ zu der Außenspule bzw. zu dem statischen Spindelteil und der Antriebseinheit dreht. Eine besonders effiziente Übertragung der elektrischen Energie kann bei der vor liegenden Vorrichtung dadurch erreicht werden, dass die Außenspule und die In nenspule ineinander angeordnet sind. Unter einer derartigen Anordnung ist zu ver stehen, dass die Außenspule die Innenspule zumindest teilweise umschließt. Die Innenspule und die Außenspule liegen bevorzugt beide in einer gemeinsamen Ebene, die normal bzw. senkrecht zu einer Achse der Spindel und der Antriebsein heit ausgerichtet ist. Eine solche Ausrichtung der Innenspule und der Außenspule zueinander kann auch als„Eingreifen“ der Innenspule in die Außenspule oder eine „zueinander verschachtelte“ Anordnung bezeichnet werden.

Insbesondere Fräsmaschinen können mit mehreren verschiedenen Werkzeughaltern ausgestattet sein. Im Zuge der Automatisierung werden Fräsmaschinen mit ver schiedenen Werkzeugen bestückt, die in einem Magazin innerhalb der Fräsma schine aufgestellt werden können. Dies ermöglicht die voll automatisierte Bearbei tung von Werkstücken, bei denen aus fertigungstechnischen Gründen verschiedene Fräswerkzeuge zum Einsatz kommen müssen. Da somit mehr als ein Werkzeughal ter zum Einsatz kommen soll, wäre es nachteilig, jeden Werkzeughalter mit Spulen versehen zu müssen. Mit der beschriebenen Spindel kann auf Spulen an den Werk zeughaltern verzichtet werden. Das kann nicht nur die Kosten für einen Werkzeug halter reduzieren, sondern auch die Entwicklung des Werkzeughalters erleichtern. Das liegt insbesondere daran, dass Spulen am Werkzeughalter dessen Rundlaufei genschaften beeinträchtigen können. Bei Verwendung der beschriebenen Spindel reicht es aus, wenn der Werkzeughalter beispielsweise Steckkontakte aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist die Außenspule einen Außenspulendurchmesser und die Innenspule einen Innenspulendurchmesser auf, der kleiner ist als der Außenspulendurchmesser.

Ein besonders kleiner Innenspulendurchmesser ist insbesondere für besonders hohe Drehzahlen des rotierbaren Spindelteils vorteilhaft. Im Betrieb dreht sich die Innenspule mit der Drehzahl des rotierbaren Spindelteils. Dabei können besonders große Fliehkräfte an der Innenspule angreifen. Je größer der Innenspulendurchmes- ser ist, umso größer sind diese Fliehkräfte. Eine maximal verwendbare Drehzahl der Vorrichtung kann daher insbesondere durch Materialeigenschaften der Innen spule bestimmt sein. Je kleiner der Innenspulendurchmesser ist, umso größer kann die maximal verwendbare Drehzahl der Vorrichtung sein.

Als Materialien für die Innenspule (bzw. Sekundärspule) und/oder die Außenspule (bzw. Primärspule) kommen vorzugsweise ferromagnetische Eisen-Legierungen zum Einsatz. Es werden bevorzugt elektrotechnisch besonders wirkungsvolle Le gierungen für den Stator (hier die Außenspule) und elektrotechnisch weniger wir kungsvolle, jedoch mechanisch bessere Legierungen für den Rotor (hier die Innen spule) verwendet. Es gibt jedoch auch spezielle Legierungen, welche beide Eigen schaften ineinander vereinen. Typische derartige Materialien sind ferromagnetische Legierungen aus Eisen, Nickel und Cobalt. Auch bevorzugt ist die Verwendung von AlNiCo, SmCo, Nd2Fel4B, Ni80Fe20 (häufig als "Permalloy"), oder NiFeCo-Le- gierungen (häufig als "Mu-Metall”). Beispielsweise sind derartige Materialien unter folgenden Marken bekannt: MUMETALL® / VACOPERM® 100 (80% NiFe), CRYOPERM® 10 (80%NiFe), VACOFLUX® / VACODUR® (50% CoFe), TRAFOPERM® (3% SiFe), VITROVAC® 6025 X (80% Co).

Die Außenspule und/oder die Innenspule sind vorzugsweise als Zylinderspulen aus geführt. In dem Fall ist der Innenspulendurchmesser beziehungsweise der Au ßenspulendurchmesser der Zylinderdurchmesser der jeweiligen Spule. Sind die Spulen anders ausgeführt, ist der jeweilige Spulendurchmesser analog definiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist die Außen spule eine Außenspulenachse und die Innenspule eine Innenspulenachse auf, wobei die Außenspulenachse und/oder die Innenspulenachse mit einer Spindelachse der Spindel zusammenfallen. Vorzugsweise fallen sowohl die Außenspulenachse als auch die Innenspulenachse mit der Spindelachse zusammen. In dem Fall fallen die Außenspulenachse und die Innenspulenachse auch miteinander zusammen.

Die Außenspule und/oder die Innenspule sind vorzugsweise zylinderförmig ausge- bildet. In dem Fall ist die Außenspulenachse beziehungsweise die Innenspu- lenachse die Zylinderachse der jeweiligen Spule. Sind die Spulen anders ausge- führt, ist die jeweilige Spulenachse analog definiert.

Die Außenspule weist vorzugsweise eine Außenspulenwicklung auf und die Innen spule weist vorzugsweise eine Innenspulenwicklung auf. Die jeweilige Spulen wicklung ist dabei vorzugsweise insbesondere um die entsprechende Spulenachse umlaufend ausgebildet. Bei einer Zylinderspule bedeutet das, dass die Spulenwick lung entlang des Umfangs des Zylindermantels der Zylinderspule vorgesehen ist.

Entlang einer Achse der Spindel erstrecken sich die Innenspule und die Außenspule beide bevorzugt über eine bestimmte Höhe. Beispielsweise haben die Außenspule und die Innenspule jeweils eine Höhe von 1 bis 5 cm [Zentimeter] Bevorzugt liegen Mittelebenen (mittlere Ebenen) der Innenspule und der Außenspule aufeinander in der oben beschriebenen gemeinsamen Ebene. In Ausführungsvarianten ist es auch möglich, dass die Mittelebenen der Innenspule und der Außenspule nicht exakt auf einander liegen, sondern gemäß einem Abstand von beispielsweise 0 cm bis 5 cm entlang der Achse relativ zueinander verschoben sind. Bevorzugt ist in dieser Aus führungsvariante allerdings, dass sich die Höhen der Spulen zueinander überlappen. So kann eine gute Leistungsübertragung der Außenspule auf die Innenspule erreicht werden. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante überlappt die Außenspule in beide Richtungen entlang der Achse (nach oben und nach unten) die Innenspule. Dies verbessert die Leistungsübertragung von der Außenspule auf die Innenspule weiter. Fällt die Innenspulenachse mit der Spindelachse zusammen, wird die Innenspule im Betrieb um die eigene Achse gedreht. Das ist besonders vorteilhaft, weil es an sonsten zu erheblichen Vibrationen kommen könnte. Fällt die Außenspulenachse zudem noch mit der Spindelachse und der Innenspule zusammen, kann ein Spalt zwischen der Innenspule und der Außenspule besonders schmal ausgeführt sein. Dadurch kann elektrische Energie von der Außenspule besonders verlustarm und damit besonders effizient auf die Innenspule übertragen werden. Das wird noch dadurch weiter begünstigt, dass das von der Außenspule erzeugte magnetische Feld in dem Fall eine besonders hohe Flussdichte im Bereich der Innenspule hat.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist die Außen spule eine Außenspulenwicklung und die Innenspule eine Innenspulenwicklung auf, wobei die Außenspulenwicklung und/oder die Innenspulenwicklung in einer Längsrichtung der Vorrichtung ausgedehnt sind.

Vorzugsweise sind sowohl die Außenspulenwicklung als auch die Innenspulen wicklung in der Längsrichtung der Vorrichtung ausgedehnt.

Die Längsrichtung der Vorrichtung ist entlang der Drehachse definiert. Die In nenspulenachse und die Außenspulenachse sind vorzugsweise zur Längsrichtung parallel angeordnet.

Die jeweilige Spulenwicklung ist vorzugsweise als ein Draht ausgeführt, der um die jeweilige Spulenachse umlaufend aufgewickelt ist. Dass die Innenspulenwick lung, beziehungsweise die Außenspulenwicklung in Längsrichtung ausgedehnt aus geführt sind, bedeutet insbesondere, dass der jeweilige Draht nicht bloß in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung aufgewickelt ist. Insbesondere wenn die Au ßenspule und/oder die Innenspule als Zylinderspulen mit einer Spulenachse entlang der Längsrichtung ausgebildet sind, ist die jeweilige Spulenwicklung in Längsrichtung ausgedehnt. Spulenhöhen der Innenspule und der Außenspule erstre- cken sich jeweils entlang der Längsrichtung.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Außen- spule konzentrisch um die Innenspule angeordnet.

In dieser Ausführungsform ist der Außenspulendurchmesser größer als der In nenspulendurchmesser. Daraus ergeben sich die weiter oben beschriebenen entspre- chenden Vorteile.

Sind die Innenspule und die Außenspule zylinderförmig ausgebildet, können die Innenspule und die Außenspule insbesondere derart ineinander geschachtelt ange- ordnet sein, dass sich ein Spalt mit Form eines dünnen Hohlzylinders zwischen den beiden Spulen ergibt. Durch eine derartige Anordnung kann das von der Außen- spule erzeugte magnetische Feld im Bereich der Innenspule eine besonders hohe Flussdichte aufweisen, so dass die elektrische Energie besonders gut von der Au- ßenspule auf die Innenspule übertragen werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Schnitt- stelle für den Werkzeughalter derart ausgeführt und mit der Innenspule bzw. Se- kundärspule verbunden, dass über die Schnittstelle zumindest elektrische Energie von der Innenspule bzw. Sekundärspule auf den Werkzeughalter übertragen werden kann. In dieser Ausführungsform kann der Werkzeughalter insbesondere elektrisch an- treibbare Komponenten aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist ein Werkzeug- halter mit einem Schwingungsgenerator derart an die Schnittstelle angebunden, dass der Schwingungsgenerator über die Schnittstelle mit elektrischer Energie ver sorgbar ist.

Der Schwingungsgenerator kann insbesondere eine elektrisch antreibbare Kompo- nente im Sinne der zuvor beschriebenen Ausführungsform sein. Bei dem Schwin gungsgenerator handelt es sich vorzugsweise um ein Piezoelement. Das Piezoele- ment ist vorzugsweise derart in dem Werkzeughalter angeordnet und derart orien tiert, dass durch das Piezoelement zumindest das Werkzeug in Schwingungen ent lang der Längsrichtung der Vorrichtung versetzt werden kann. Alternativ kann die Schwingungsanregung auch in andere Richtungen erfolgen. Damit können bei spielsweise beim Fräsen mit einem Fräskopf als Werkzeug ein besonders hoher Materialabtrag von einem zu bearbeitenden Werkstück und eine entsprechend hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden.

Der Schwingungsgenerator kann insbesondere von der Antriebseinheit bzw. dem durch die vom statischen Spindelteil auf den rotierbaren Spindelteil übertragene elektrische Energie angetrieben werden. Dazu ist der Schwingungsgenerator vor zugsweise über die Schnittstelle mit der Innenspule verbunden. Eine in der Innen spule wie weiter oben beschrieben induzierte Wechselspannung kann unmittelbar an den Schwingungsgenerator angelegt werden. Es ist aber auch möglich, dass die in der Innenspule induzierte Spannung umtransformiert wird, bevor diese an den Schwingungsgenerator angelegt wird.

Als ein weiterer Aspekt wird eine Verwendung der beschriebenen Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung von Werkstücken vorgestellt, wobei das Werkzeug mit ei ner Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 20 m/s [Meter pro Sekunde], insbe sondere von mindestens 55 m/s rotiert.

Als ein weiterer Aspekt wird eine Verwendung der beschriebenen Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung von Werkstücken vorgestellt, wobei bei der Bearbeitung mit einem Werkzeug eine Schnittgeschwindigkeit von mindestens 20 m/min [Meter pro Minute] eingestellt ist, insbesondere eine Schnittgeschwindigkeit im Bereich bis maximal 350 m/min. Die Verwendung dient insbesondere der (finalen bzw. ultrapräzisen) Bearbeitung einer (insbesondere gewölbten bzw. gekrümmten) Oberfläche eines Werkstücks. Hierbei kommt insbesondere ein spanabhebendes Werkzeug zum Einsatz.

Beispielhaft werden folgende Schnittgeschwindigkeiten bei der Ultraschallbearbei- tung von Werkstücken unterschiedlicher Werkstoffe mit Hartmetall- Werkzeugen ermöglicht bzw. eingestellt:

Ultraschall-Bohren:

Ultraschall-Fräsen:

Die Vorrichtung wird insbesondere mit einem Werkzeughalter gemäß HSK-, SK-, oder BT-Norm, insbesondere gemäß HSK 63 (DIN 69893) verwendet, wobei ins besondere Umfangsgeschwindigkeiten oberhalb von 55 m/s eingestellt und eine Ultraschallanregung aktiviert sind.

Die weiter vorne für die Vorrichtung beschriebenen besonderen Vorteile und Aus gestaltungsmerkmale sind auf die beschriebene Verwendung anwendbar und über tragbar, und umgekehrt. Durch die beschriebene Ausgestaltung der Vorrichtung sind die beschriebenen hohen Umfangsgeschwindigkeiten möglich. Als ein weiterer Aspekt wird eine Steuerung für die beschriebene Vorrichtung vor gestellt, die zur bedarfsgerechten Ansteuerung des Schwingungsgenerators einge- richtet ist. Die weiter vorne für die Vorrichtung und für die Verwendung beschriebenen be- sonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind auf die beschriebene Steue- rung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.

Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figur und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schema tisch sind. Es zeigt: Fig. 1 : eine Darstellung einer Vorrichtung zum rotatorischen Antrieb eines

Werkzeugs mit einer Spindel.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs 6. Das Werkzeug 6 kann mit der Vorrichtung 1 wie durch einen runden Pfeil angedeutet um eine Drehachse 22 gedreht werden.

Die Vorrichtung 1 weist eine Antriebseinheit 26 auf, an die eine Spindel 27 ange bunden ist. Die Spindel 27 weist einen rotierbaren Spindelteil 3 auf, der relativ zur Antriebseinheit 26 um eine Spindelachse 11 , die mit der Drehachse 22 zusammen- fällt, drehbar ist. Zudem weist die Spindel 27 einen statischen Spindelteil 2 auf, der drehfest mit der Antriebseinheit 26 verbunden ist. Die Spindel 27 hat eine erste Stirnseite 18 und eine der ersten Stirnseite 18 gegenüberliegende zweite Stirnseite 19. Zwischen der ersten Stirnseite 18 und der zweiten Stirnseite 19 sind Fagerungen 25 vorgesehen, über die der rotierbare Spindelteil 3 relativ zum statischen Spindelteil 2 rotierbar gelagert ist. An der ersten Stirnseite 18 ist die Spindel 27 an der Antriebseinheit 26 gehalten.

Weiterhin weist der rotierbare Spindelteil 3 an der zweiten Stirnseite 19 eine Schnittstelle 5 für einen Werkzeughalter 4 für das Werkzeug 6 auf. Der Werkzeug- halter 4 und das Werkzeug 6 sind keine Bestandteile der Vorrichtung 1. Der Werk zeughalter 4 kann austauschbar mit dem rotierbaren Spindelteil 3 verbunden wer den und das Werkzeug 6 kann austauschbar mit dem Werkzeughalter 4 verbunden werden. In dem Beispiel der Fig. 1 ist der Fall gezeigt, dass der Werkzeughalter 4 mit dem rotierbaren Spindelteil 3 verbunden ist und dass das Werkzeug 6 mit dem Werkzeughalter 4 verbunden ist. Dabei ist der Werkzeughalter 4 drehfest mit dem rotierbaren Spindelteil 3 und das Werkzeug 6 drehfest mit dem Werkzeughalter 4 verbunden.

Der statische Spindelteil 2 weist eine Außenspule 7 und der rotierbare Spindelteil 3 eine Innenspule 8 auf. Die Außenspule 7 und die Innenspule 8 sind für eine berüh rungslose Übertragung elektrischer Energie von der Antriebseinheit 26 über den statischen Spindelteil 2, die Außenspule 7 und die Innenspule 8 auf den rotierbaren Spindelteil 3 konzentrisch umeinander und ineinander eingreifend angeordnet. Die elektrische Energie kann insbesondere als Wechselspannung von einer Wechsel spannungsquelle 12 bereitgestellt und in die Außenspule 7 geleitet und von dieser induktiv auf die Innenspule 8 übertragen werden. Die Außenspule 7 weist eine Au ßenspulenachse 9 und die Innenspule 8 eine Innenspulenachse 10 auf. Die Au ßenspulenachse 9 und die Innenspulenachse 10 fallen mit der Spindelachse 1 1 der Spindel 27 sowie mit der Drehachse 22 zusammen. Die Innenspule 8 und die Au ßenspule 7 haben entlang der Spulenachsen 9, 10 jeweils eine Spulenhöhe 23 und eine normal bzw. senkrecht zu den Spulenachsen 9, 10 ausgerichtete Spulenmittel ebene 24. Die Spulenhöhen 23 überlappen sich hier exakt. Die Spulenmittelebenen 24 liegen hier exakt aufeinander. Dies ist eine bevorzugte Ausführungs Variante. Es sind auch Ausführungsvarianten möglich, in denen die Spulenmittelebenen 24 ver setzt zueinander angeordnet sind und sich die Spulenhöhen 23 nur teilweise über lappen. Die Schnittstelle 5 für den Werkzeughalter 4 ist derart ausgeführt und mit der In nenspule 8 verbunden, dass über die Schnittstelle 5 zumindest elektrische Energie von der Innenspule 8 auf den Werkzeughalter 4 kontaktierend übertragen werden kann. Dass die Energie kontaktierend übertragen wird, bedeutet, dass Leitungen unmittelbar miteinander in Kontakt stehen und so einen Stromfluss entlang eines durchgehenden Leitungspfads ermöglichen. Im Gegensatz zu einer kontaktierenden

Übertragung von Energie steht eine berührungslose Übertragung, bei der ein Lei tungspfad unterbrochen ist und die Energie beispielsweise induktiv über die Unter brechung hinaus übermittelt wird. Der Werkzeughalter 4 weist einen Schwingungs generator 20 auf und ist derart an die Schnittstelle 5 angebunden, dass der Schwin- gungsgenerator 20 über die Schnittstelle 5 mit elektrischer Energie versorgbar ist. Eine Steuerung 21 ist an die Wechselspannungsquelle 12 angebunden. Die Steue rung 21 ist insbesondere zur bedarfsgerechten Ansteuerung des Schwingungsgene rators 20 eingerichtet. Die Außenspule 7 weist einen Außenspulendurchmesser 16 und die Innenspule 8 einen Innenspulendurchmesser 17 auf. Der Innenspulendurchmesser 17 ist kleiner als der Außenspulendurchmesser 16.

Die Außenspule 7 weist eine Außenspulenwicklung 13 und die die Innenspule 8 eine Innenspulenwicklung 14 auf. Die Außenspulenwicklung 13 und die Innenspu lenwicklung 14 sind in einer Längsrichtung 15 der Vorrichtung 1 ausgedehnt. Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 statischer Spindelteil

3 rotierbarer Spindelteil

4 Werkzeughalter

5 Schnittstelle

6 Werkzeug

7 Außenspule

8 Innenspule

9 Außenspulenachse

10 Innenspulenachse

11 Spindelachse

12 Wechselspannungsquelle

13 Außenspulenwicklung

14 Innenspulenwicklung

15 Längsrichtung

16 Außenspulendurchmesser

17 Innenspulendurchmesser

18 erste Stirnseite

19 zweite Stirnseite

20 Schwingungsgenerator

21 Steuerung

22 Drehachse

23 Spulenhöhe

24 Spulenmittelebene

25 Lagerung

26 Antriebseinheit

27 Spindel