| JP2011020240 | SPINDLE DEVICE |
| WO/2004/087353 | MAIN SHAFT DEVICE AND MACHINE TOOL WITH THE SAME |
| JP04057650 | HIGH SPEED SPINDLE HEAD EQUIPPED WITH MAIN SPINDLE COOLING FAN |
Trautmann, G�nther-heinrich (Egelsbergstrasse 7, Kirchheim, D-73230, DE)
Link, Helmut Friedrich (Obere Burgstrasse 43, Aichwald, D-73773, DE)
Trautmann, G�nther-heinrich (Egelsbergstrasse 7, Kirchheim, D-73230, DE)
| 1. | Werkstückspindeleinrichtung für eine Werkzeugmaschine mit einer in einem Spindelgehäuse um eine Spindelachse drehbar gelagerten, antreibbaren WerkstückSpindel, wel¬ che mit einer Kraftspannvorrichtung zum Einspannen eines zu bearbeitenden Werkstücks versehen ist, und mit einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung für die Kraftspann¬ vorrichtung, welche einen hydraulischen Spannzylinder mit einem mit der Werkstückspindel fest verbundenen Zy¬ lindergehäuse sowie einem in einem Zylinderraum des Zy¬ lindergehäuses in Richtung der Spindelachse verschiebba¬ ren und mit der Kraftspannvorrichtung in Wirkverbindung stehenden Kolben besitzt, wobei dem Spannzylinder eine über ein äußeres, nichtrotierendes Gehäuseteil verfü¬ gende HydraulikölZuführvorrichtung zum Verbinden wenig¬ stens eines im Zylindergehäuse vorgesehenen Olkanals mit einer den Hydraulikölzufluß von einer Druckölquelle über einen Ölströmungspfad zu einem Zylinderraum des Spannzy¬ linders steuernden Ölsteuervorrichtung zugeordnet ist und die Ölsteuervorrichtung ein zwischen der Drucköl¬ quelle und der Ölzuführvorrichtung liegendes Druckregel¬ ventil sowie zwischen letzterem und der Druckölquelle einen Druckölspeicher und, stromaufwärts des letzteren, ein Rückschlagventil zur Verhinderung ungewollter Druck¬ verluste des Spannzylinders aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß (a) das nichtrotierende Gehäuseteil (42) der Ölzuführ¬ vorrichtung (40) und das Spindelgehäuse (18) fest miteinander verbunden sind, !Ω) (b) die Ölsteuervorrichtung (100) fest mit dem nichtro¬ tierenden Gehäuseteil (42) der Ölzuführvorrichtung (40) verbunden und leitungslos an letztere ange¬ schlossen ist, und daß (c) der Ölströmungspfad zwischen der Ölsteuervorrichtung (100) und dem Zylinderraum (32 bzw. 34) ventillos ist. |
| 2. | Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölsteuervorrichtung (100) ein mit Ölkanälen (102, 104) versehenes Gehäuse besitzt und der nichtrotierende Gehäuseteil (42) der Ölzuführvorrichtung (40) wenigstens einen Ölkanal (72, 74) aufweist, welcher unmittelbar an einen der Ölkanäle (102, 104) der Ölsteuervorrichtung angeschlossen ist. |
| 3. | Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtrotierende Gehäuseteil (42) der Ölzuführvor¬ richtung (100) unmittelbar am Spindelgehäuse (18) und das Gehäuse der Ölsteuervorrichtung (100) unmittelbar am nichtrotierenden Gehäuseteil (42) der Ölzuführvorrich¬ tung (40) befestigt ist. |
| 4. | Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts des Rückschlagventils (124) ein Drucksensor (132, 134) zur Überwachung des an der Ölsteuervorrichtung (100) anlie¬ genden Öldrucks vorgesehen ist. "3θ . |
| 5. | Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts des Rückschlagventils (124) zwei den an der Ölsteuervorrichtung (100) anliegenden Öldruck sowie sich gegenseitig überwachende Drucksensoren (132, 134) vorgesehen sind. |
| 6. | Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Öl¬ zuführvorrichtung (40) und dem Druckregelventil (126) eine als Element einer Strömungswächtervorrichtung (126, 128, 142, 144) für eine HydraulikölStrömung zum Spann¬ zylinder (26) dienende Drossel (128) zur Erzeugung eines Druckgefälles vorgesehen ist und daß zwischen der Dros¬ sel (128) und der Ölzuführvorrichtung (40) ein Drucksen¬ sor (142, 144) für die Durchführung eines Vergleichs des stromabwärts der Drossel (128) herrschenden Öldrucks mit dem am Druckregelventil (126) eingestellten Öldruck an¬ geordnet ist. |
| 7. | Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (30) des Spannzylinders (26) auf jeder seiner beiden Seiten im Zylinderraum jeweils eine Zylinderkammer (32, 34) definiert, von denen jede über jeweils mindestens einen Ölkanal (68, 70) des Zylindergehäuses (28) sowie über jeweils mindestens einen zugeordneten Ölkanal (64, 66, 76, 78, 80, 82, 72, 74) der Ölzuführvorrichtung (40) permanent mit jeweils mindestens einem zugeordneten ersten bzw. zweiten Ölkanal (102 bzw. 104) der Ölsteuer¬ vorrichtung (100) in Verbindung steht, und daß die Öl¬ steuervorrichtung einen mit der Druckölquelle (106) ver¬ bindbaren Drucköleinlaß (112), einen Ölauslaß (150) so¬ wie zwischen dem Druckregelventil (126) und ihrem ersten •3 / und zweiten, an die Ölzuführvorrichtung (40) angeschlos¬ senen Ölkanal (102, 104) ein umsteuerbares Mehrwegeven¬ til (120) zum wahlweisen Verbinden des ersten oder zwei¬ ten Olkanals (102 bzw. 104) mit dem Druckregelventil (126) bzw. dem Ölauslaß (150) aufweist. |
| 8. | Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß sowohl der erste (102) als auch der zweite (104) Ölkanal der Ölsteuervorrichtung (100) mit einem Drucksensor (142 bzw. 144) versehen ist. |
| 9. | Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckregel ventil (126) mit einem elektrischen Versteilmotor (130) sowie einem Signalgeber zur Abgabe eines der momentanen Stellung des Druckregelventil entsprechenden Istwert Signals versehen ist. |
| 10. | Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Versteilmotor (130) eine von letzterem betätigte hydraulische ServoAntriebsvorrichtung zur Betätigung des Druckregelventils (126) zugeordnet ist. |
| 11. | Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucköl¬ speicher (138) entsprechend der Leckrate der Ölzuführ¬ vorrichtung (40) sowie der zum Stillsetzen der mit maxi¬ maler Drehzahl drehenden Werkstückspindel (10) erfor¬ derlichen Abbremszeit so groß bemessen ist, daß bei einem Abfall des am Drucköleinlaß (112) der Ölsteuervor¬ richtung (100) anliegenden Öldrucks bis nahezu auf den im Spannzylinder (26) für eine sichere Werkstückspannung 3^ maximal erforderlichen Druck letzterer bis zum Still¬ stand der Werkstückspindel aufrechterhalten wird. |
| 12. | Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtrotierende, erste Gehäuseteil (42) der Ölzuführvorrichtung (40) sowie ein bezüglich der Spindelachse (16) von diesem Gehäuseteil umfaßter, mit der Werkstückspindel (10) drehfest verbundener zweiter Gehäuseteil (48) der Ölzu¬ führvorrichtung (40) jeweils einen ersten sowie einen zweiten Ölkanal (72, 74 bzw. 70, 68) aufweisen, daß zwi¬ schen den beiden Gehäuseteilen und in Richtung der Spin¬ delachse (16) nebeneinander zwei Ringscheibenkörper (56, 58) angeordnet sind, welche die Spindelachse sowie den zweiten Gehäuseteil umfassen, daß die ersten Ölkanäle (72, 70) der beiden Gehäuseteile über einen Ölkanal (76, 78) des einen Ringscheibenkörpers (56) und die zweiten Ölkanäle (74, 68) der beiden Gehäuseteile über einen Öl¬ kanal (80, 82) des anderen Ringscheibenkörpers (58) mit¬ einander in Verbindung stehen, und daß die beiden Ringscheibenkörper mit dem einen Gehäuseteil (42) dreh¬ fest, jedoch in Richtung der Spindelachse (16) spielbe¬ haftet verbunden sind und sich in Richtung der Spin¬ delachse über Dichtspalte am anderen Gehäuseteil (48) abstützen. |
| 13. | Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtspalte in senkrecht zur Spindelachse (16) verlaufenden Ebenen liegen. |
| 14. | 3 2,. |
| 15. | Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Ringscheibenkörper (56, 58) drehfest mit dem nichtrotierenden, ersten Gehäuseteil (42) ver¬ bunden sind. |
Um ein zu bearbeitendes Werkstück während der Bearbeitung an bzw. in einer Werkstückspindel einer Werkzeugmaschine festzu¬ halten, benötigt man ein Werkstück-Einspannsystem mit einer mit der Werkstückspindel rotierenden Kraftspannvorrichtung. Am weitesten verbreitet sind hydraulisch betätigte Kraftspannvorrichtungen in Form eines am vorderen Endbereich der Werkstückspindel angebrachten sogenannten Spannfutters, welches mittels eines hydraulisch betätigten Spannzylinders zum Einspannen eines Werkstücks geschlossen und zum Freigeben des Werkstücks geöffnet wird. Der Spannzylinder hat ein mit der Werkstückspindel fest verbundenes Zylindergehäuse, in dem ein mit dem Spannfutter in Wirkverbindung stehender Kolben in Richtung der Spindelachse hin- und hergeschoben werden kann, indem entweder die eine oder die andere Seite des Kolbens mit Drucköl oder einem anderen Druckmedium beaufschlagt wird. Grundsätzlich ist es aber natürlich auch denkbar, daß das Spannfutter unter der Wirkung einer oder mehrerer Federn öffnet und der Kolben des Spannzylinders nur von einer Seite her mit Drucköl beaufschlagt wird, um die Wirkung dieser Feder bzw. Federn zu überwinden und das Spannfutter zu schließen. Das Druckmedium, im allgemeinen also Hydrauliköl, wird dem rotierenden Spannzylinder und damit der auf der einen Seite des Kolbens liegenden Zylinderkammer bzw. den zu beiden Seiten des Kolbens liegenden Zylinderkammern über eine (Hydrauliköl-)Zuführvorrichtung in Form einer sogenannten Drehzuführung zugeführt; eine Drehzuführung an Spannzylindern üblicher Bauart hat ein äußeres, nicht-rotierendes und die Spindelachse ringförmig umfassendes Gehäuseteil mit zwei
Ölkanälen sowie ein mit der Werkstückspindel und damit mit dem Zylindergehäuse des Spannzylinders rotierendes inneres Gehäuseteil, welches gleichfalls zwei Ölkanäle besitzt, vom äußeren Gehäuseteil umfaßt und gegebenenfalls vom Zylinder¬ gehäuse des Spannzylinders gebildet wird, wobei der eine öl¬ kanal des inneren Gehäuseteils mit der einen Zylinderkammer und dem einen Ölkanal des äußeren Gehäuseteils kommuniziert, der andere Ölkanal des inneren Gehäuseteils mit der anderen Zylinderkammer und dem anderen Ölkanal des äußeren Gehäuse¬ teils. Eine Ölpumpe führt das Hydrauliköl über eine Ölsteuer¬ vorrichtung der Drehzuführung und damit dem Spannzylinder mit dem für ein sicheres Einspannen des Werkstücks erforderlichen Druck zu, im allgemeinen wird der Spannzylinder über die Drehzuführung und die Ölsteuervorrichtung aber auch mit Drucköl beaufschlagt, um das Spannfutter wieder zu öffnen. Alle diese Vorgänge werden ebenso wie der Antrieb für die Werkstückspindel durch die normalerweise als CNC-Steuerung ausgebildete Werkzeugmaschinensteuerung gesteuert, mit wel¬ cher auch Überwachungsvorrichtungen und Regelvorrichtungen der Ölsteuervorrichtung zum Überwachen und Einregeln des Öl¬ drucks kommunizieren.
Wegen der häufig hohen Drehzahlen der Werkstückspindel, ins¬ besondere der Werkstückspindeln von Drehmaschinen, und den großen, auf die Werkstücke einwirkenden Bearbeitungskräften müssen die Werkstück-Einspannsysteme höchsten Sicherheitsan¬ forderungen genügen: Der das Einspannen des Werkstücks in der Kraftspannvorrichtung der Werkstückspindel bewirkende Öldruck auf der einen Seite des Kolbens des Spannzylinders muß stän¬ dig überwacht werden, und wenn die Versorgung des Einspann¬ systems mit dem Druckmedium ausfällt oder mit einem zu ge¬ ringen Druck erfolgt, muß eine für ein sicheres Halten des Werkstücks ausreichende Spannkraft über einen Zeitraum auf-
rechterhalten werden, welcher lange genug ist, damit die Maschinensteuerung die rotierende Werkstückspindel mit Sicherheit zum Stillstand bringen kann, da sonst ein Werk¬ stück mit hoher kinetischer Energie von der Werkstückspindel abgeschleudert werden könnte.
Eine sichere Aufrechterhaltung der erforderlichen Einspann- kraft wird bei bekannten Einspannsystemen dadurch erreicht, daß in dem mit der Werkstückspindel rotierenden, doppeltwir¬ kenden Spannzylinder (dessen Kolben also von beiden Rich¬ tungen mit dem Druckmedium beaufschlagt werden kann) zwei entsperrbare Rückschlagventile vorgesehen werden, und zwar in jedem der beiden im Zylindergehäuse verlaufenden und zu je¬ weils einer Seite des Kolbens führenden Strömungspfade je¬ weils ein Rückschlagventil, so daß bei einem Versagen der Druckmedienzufuhr ein zuvor eingestellter Druck in jeder der beiden Zylinderkammern aufrechterhalten werden kann. Das Ein¬ spannsystem, seine Steuerung und die Rückschlagventile sind dabei so ausgebildet, daß sich die Kraftspannvorrichtung nur bei stillstehender Werkstückspindel öffnen läßt, wobei das¬ jenige Rückschlagventil, welches in dem für das Schließen der Kraftspannvorrichtung verantwortlichen Strömungspfad liegt, durch den im anderen Strömungspfad für das Öffnen der Kraftspannvorrichtung aufgebauten Druck entsperrt und ge¬ öffnet wird (entsprechendes gilt für den umgekehrten Fall).
Derartige entsperrbare Rückschlagventile sind jedoch nicht nur relativ aufwendig, sondern sie haben auch erhebliche Funktionsnachteile: Konstruktionsbedingt drosseln sie die Strömung des Druckmediums weit stärker als ein einfaches, herkömmliches Rückschlagventil, was dazu führt, daß sich die Kraftspannvorrichtung nur vergleichsweise langsam schließen und öffnen läßt; um die Betätigungszeit für die Kraftspann-
Vorrichtung zu verkürzen, weisen bekannte Einspannsysteme für jeden Strömungspfad des Spannzylinders mehrere, parallel ge¬ schaltete derartige entsperrbare Rückschlagventile auf, um den Gesamtdurchflußwiderstand zu verringern. Da sich bei be¬ kannten Einspannsystemen mit entsperrbaren Rückschlagventilen letztere nur bei stillstehender Werkstückspindel entsperren und öffnen lassen, ist es nicht möglich, bei rotierender Werkstückspindel den Spanndruck bzw. die von der Kraftspann¬ vorrichtung auf das Werkstück ausgeübten Einspannkräfte zu reduzieren, wenn nach einer Grobbearbeitung, während welcher wegen der hohen, auf das Werkstück ausgeübten Bearbeitungs¬ kräfte das Werkstück mit hoher Spannkraft gehalten werden muß, eine Feinbearbeitung des Werkstücks mit geringerer Spannkraft erfolgen könnte, um die durch hohe Spannkräfte hervorgerufenen Werkstückverformungen für die Feinbearbei¬ tung, von der ja eine hohe Genauigkeit gefordert wird, zu reduzieren. Schließlich machen es die bekannten Einspann¬ systeme mit entsperrbaren Rückschlagventilen im Spannzylinder unmöglich, den im Spannzylinder auf der einen Seite des Kol¬ bens herrschenden Druck laufend in Abhängigkeit von der Dreh¬ zahl der Werkstückspindel zu verändern, um die z. B. auf die Spannbacken eines Spannfutters einwirkenden Fliehkräfte zu kompensieren - eine solche Kompensationsmöglichkeit würde es erlauben, unabhängig von der Werkstückspindel-Drehzahl die tatsächlich auf das Werkstück einwirkenden Spannkräfte kon¬ stantzuhalten und auf diese Weise die durch die Spannkräfte bewirkten Werkstückdeformationen zu verringern. Wie sich aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt, läßt sich bei dem ge¬ schilderten bekannten Einspannsystem eine Reduktion des Spanndrucks und damit der Spannkräfte nur mit einem erhebli¬ chen Zeitaufwand bewerkstelligen, da zunächst die Werkstück¬ spindel stillgesetzt, sodann die Kraftspannvorrichtung geöff¬ net und die letztere schließlich mit reduziertem Spanndruck
wieder geschlossen werden muß; hierbei muß auch noch das Werkstück durch einen Andrückmechanismus am Herausfallen aus der Kraftspannvorrichtung gehindert werden. Eine solche Vor¬ gehensweise bringt aber zusätzlich auch noch das Risiko mit sich, daß die für eine genaue Endbearbeitung ausschlaggebende exakte Spannposition des Werkstücks verloren geht, wenn sich nämlich das Werkstück bei geöffneter Kraftspannvorrichtung letzterer gegenüber etwas verschiebt.
Schließlich sind die bekannten entsperrbaren Rückschlagven¬ tile auch nicht absolut funktionssicher: Zwar werden sie im Neuzustand auf Dichtheit geprüft, es gibt aber keine prakti¬ kable Möglichkeit, während der Betriebszeit der Werkzeug¬ maschine eine solche Prüfung durchzuführen. Infolgedessen kann nicht ausgeschlossen werden, daß durch Schmutz oder eine Verharzung des üblicherweise das Druckmedium bildenden Hydrauliköls das Rückschlagventil seine Dichtheit verliert, und schon die geringste Undichtigkeit führt beim Versagen der Druckmedienversorgung zu einem sofortigen Abfall des Spann¬ drucks - in diesem Zusammenhang muß man sich vor Augen hal¬ ten, daß die bekannten Drehzuführungen unvermeidlich ganz er¬ heblich lecken, so daß ein undichtes Rückschlagventil auf¬ grund dieser Leckverluste zu einem sofortigen Abfall des Spanndrucks führt.
Die FR-PS 2 675 230 beschreibt nun ein Einspannsystem mit entsperrbaren Rückschlagventilen im Spannzylinder, welches jedoch ein Absenken des im Spannzylinder herrschenden Drucks bei laufender Werkstückspindel ermöglicht. Zu diesem Zweck sind parallel zu den entsperrbaren Rückschlagventilen des Spannzylinders Druckventile eingebaut, welche bei einem Mindestspanndruck von z. B. 10 bar öffnen, bei einem höheren Druck offen bleiben und dann jeweils einen Bypass zu dem zu-
geordneten Rückschlagventil bilden, wobei der Bypass so aus¬ gebildet ist, daß er einen starken Drosseleffekt bewirkt. Bei einem plötzlichen Druckverlust unter den Wert des vorgenann¬ ten Mindestspanndrucks schließen diese Druckventile schnell genug, um dank des Drosseleffekts der Bypassleitung den in der betreffenden Zylinderkammer herrschenden hohen Druck zu¬ mindest nahezu aufrechtzuerhalten. Bei einem langsamen Druck¬ abfall kann der Druck in der betreffenden Zylinderkammer aber bis auf den genannten Mindestspanndruck absinken; ein solcher langsamer Druckabfall kann gewollt stattfinden, um die Spann¬ kraft zu reduzieren, er kann aber auch durch eine Fehlfunk¬ tion der Druckmedienversorgung hervorgerufen werden, z. B. durch eine im Betrieb auftretende Undichtigkeit in einer Schlauchverbindungsleitung, und da eine Unterscheidung dieser beiden Fälle nicht möglich ist, kann es bei einer Fehlfunk¬ tion der Druσkmedienversorgung zu einem Herausschleudern des Werkstücks aus der Kraftspannvorrichtung kommen.
Bei den vorstehend beschriebenen, mit einer sogenannten Dreh¬ zuführung (Hydrauliköl-Zuführvorrichtung zum Zuführen und Ab¬ leiten von Hydrauliköl zum bzw. vom rotierenden Zylinderge¬ häuse des Spannzylinders) versehenen Spannzylindern üblicher Bauart nimmt das äußere, nicht-rotierende Gehäuseteil der Drehzuführung mindestens zwei in Richtung der Spindelachse im Abstand voneinander angeordnete Lager auf, mit deren Hilfe ein inneres, mit dem Spannzylindergehäuse rotierendes Ge¬ häuseteil der Drehzuführung in deren äußerem Gehäuseteil ge¬ lagert ist, und das äußere Gehäuseteil der Drehzuführung wird mittels stationärer Anschläge am Mitdrehen gehindert.
Die Ölsteuervorrichtung, über die der Ölzu- und -abfluß zur bzw. von der Drehzuführung gesteuert wird, ist bei allen be¬ kannten Konstruktionen über zwei flexible Schlauchleitungen
an die Drehzuführung angeschlossen und enthält einen durch die vorstehend erwähnte Ölpumpe aufladbaren Druckölspeicher, ein zwischen diesem und der Drehzuführung liegendes Druck¬ regelventil zum Einregeln des an der Kraftspannvorrichtung anliegenden Öldrucks, sowie ein zwischen Druckölspeicher und Ölpumpe liegendes Rückschlagventil zur Verhinderung unge¬ wollter Druckverluste (sieht man einmal von den unvermeid¬ lichen Leckverlusten in der Drehzuführung ab). Eine solche, von einer Ölpumpe gespeiste Ölsteuervorrichtung ergibt sich z. B. aus der DE-42 37 901-C2.
Die Erfindung befaßt sich nun mit einer Werkstückspindelein¬ richtung für eine Werkzeugmaschine mit einer in einem Spin¬ delgehäuse um eine Spindelachse drehbar gelagerten, antreib¬ baren Werkstückspindel, welche mit einer Kraftspannvorrich¬ tung zum Einspannen eines zu bearbeitenden Werkstücks ver¬ sehen ist, und mit einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung für die Kraftspannvorrichtung, welche einen hydraulischen Spannzylinder mit einem mit der Werkstückspindel fest ver¬ bundenen Zylindergehäuse sowie einem in einem Zylinderraum des Zylindergehäuses in Richtung der Spindelachse verschieb¬ baren und mit der KraftspannVorrichtung in Wirkverbindung stehenden Kolben besitzt, wobei dem Spannzylinder eine über ein äußeres, nicht-rotierendes Gehäuseteil verfügende Hydrau- liköl-Zuführvorrichtung zum Verbinden wenigstens eines im Zylindergehäuse vorgesehenen Ölkanals mit einer den Hydrau- likölzufluß von einer Druckölquelle über einen Ölströmungs- pfad zu einem Zylinderraum des Spannzylinders steuernden Öl¬ steuervorrichtung zugeordnet ist und die Ölsteuervorrichtung ein zwischen der Druckölquelle und der Ölzuführvorrichtung liegendes Druckregelventil sowie zwischen letzterem und der Druckölquelle einen Druckölspeicher und, stromaufwärts des letzteren, ein Rückschlagventil zur Verhinderung ungewollter
Druckverluste des Spannzylinders aufweist. Aufgrund der vor¬ stehenden Ausführungen versteht es sich von selbst, daß an die Stelle von Hydrauliköl auch ein anderes geeignetes Druck¬ medium treten kann, daß das Zylindergehäuse des Spannzylin¬ ders nicht unmittelbar mit der Werkstückspindel verbunden sein muß, daß der Spannzylinder ein doppeltwirkender Zylinder sein und infolgedessen das Zylindergehäuse mehrere Ölkanäle haben kann und daß die Hydrauliköl-Zuführvorrichtung als her¬ kömmliche und oben geschilderte Drehzuführung ausgebildet sein könnte.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine solche Werk¬ stückspindeleinrichtung so zu gestalten, daß sie nicht nur eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet, sondern bei rotierender Werkstückspindel eine beliebige Veränderung der Spannkraft ermöglicht, und zwar bei Verwendung eines Spann¬ zylinders, welcher einfacher aufgebaut ist als der vorstehend beschriebene bekannte Spannzylinder mit entsperrbaren Rück¬ schlagventilen und mit Druckventile enthaltenden Bypass- Pfaden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäße vorgeschla¬ gen, (a) das nicht-rotierende Gehäuseteil der Ölzuführvor¬ richtung und das Spindelgehäuse fest miteinander zu verbin¬ den, (b) die Ölsteuervorrichtung fest mit dem nicht-rotieren¬ den Gehäuseteil der Ölzuführvorrichtung zu verbinden und leitungslos an die Ölzuführvorrichtung anzuschließen, und (c) den Ölströ ungspfad zwischen der Ölsteuervorrichtung und dem Zylinderraum ventillos zu gestalten.
Hierdurch lassen sich insbesondere die folgenden Vorteile erzielen:
"-
Da der Spannzylinder kein Rückschlagventil bzw. keine Rück¬ schlagventile enthält und das in der Ölsteuervorrichtung ent¬ haltene Rückschlagventil stromaufwärts der unvermeidlich leckenden Ölzuführvorrichtung, d. h. also beispielsweise der vorstehend geschilderten bekannten Drehzuführung, liegt, läßt sich bei laufender Werkstückspindel mit dem Druckregelventil der Ölsteuervorrichtung auch ein geringerer Spanndruck ein¬ regeln, insbesondere also ein drehzahlabhängiger Spanndruck, obwohl es sich bei dem in der Ölsteuervorrichtung enthaltenen Rückschlagventil um ein ganz einfaches, herkömmliches Rück¬ schlagventil handeln kann.
Da bei der erfindungsgemäßen Einrichtung das nicht-rotierende Gehäuseteil der Ölzuführvorrichtung vom Spindelgehäuse ge¬ tragen wird, sind durch die Erfindung die Voraussetzungen dafür geschaffen worden, die Ölsteuervorrichtung, welche üblicherweise ein nicht unbeträchtliches Gewicht aufweist, fest mit der Ölzuführvorrichtung zu verbinden, also insbe¬ sondere gleichfalls vom Spindelgehäuse tragen zu lassen, was einen weiteren, hinsichtlich der Betriebssicherheit ganz wesentlichen Vorteil mit sich bringt:
Die Ölsteuervorrichtung kann leitungslos an die Ölzuführvor¬ richtung angeschlossen werden, so daß es nicht der üblichen, flexiblen Schlauchverbindungsleitungen zwischen Ölsteuervor¬ richtung und Ölzuführvorrichtung bedarf, und zwar auch dann nicht, wenn die Werkstückspindel mit dem sie lagernden Spin¬ delgehäuse auf einem verfahrbaren Maschinenschlitten angeord¬ net ist.
Außerdem führ die Erfindung zu vergleichsweise kurzen Ölkanä- len zwischen dem Druckregelventil und dem Spannzylinder, wes¬ halb sich bei einer erfindungsgemäßen Werkstückspindelein-
/O
richtung auch bei kleinsten Spanndrücken die Kraftspannvor¬ richtung vergleichsweise schnell schließen und öffnen läßt. Infolge der kurzen Strömungspfade und der Tatsache, daß im Spannzylinder keine Sicherheitsrückschlagventile erforderlich sind, wodurch diese Strömungspfade praktisch ungedrosselt sind, entstehen im Spannzylinder bei einer Erhöhung des Spanndrucks auch keine sich insbesondere auf das Werkstück nachteilig auswirkenden Druckspitzen.
Trotz der unvermeidlichen Leckage der zwischen Spannzylinder und Rückschlagventil liegenden Hydrauliköl-Zuführvorrichtung läßt sich gewährleisten, daß auch bei einem Ausfall der Öl¬ pumpe der erforderliche Spanndruck über denjenigen Zeitraum aufrechterhalten bleibt, welcher für das Stillsetzen der rotierenden Werkstückspindel benötigt wird, da sich diese Leckverluste durch einen hinreichend groß dimensionierten Druckölspeicher oder durch eine zweite Ölpumpe kompensieren lassen.
Schließlich können bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Werkstückspindeleinrichtung die Werkstück¬ spindel, das diese lagernde Spindelgehäuse, der Spannzylin¬ der, dessen Ölzuführvorrichtung und die Ölsteuervorrichtung samt Druckregelventil, Rückschlagventil und Druckölspeicher eine komplette, funktionsfähige Baueinheit bilden, welche montage- und testfreundlich ist, vor allem dann, wenn es sich bei der Werkstückspindel um eine sogenannte Motorspindel han¬ delt, bei der der Spindelantriebsmotor in die Werkstückspin¬ del integriert ist.
Auch sei noch darauf hingewiesen, daß es eine erfindungsge¬ mäße Werkstückspindeleinrichtung erlaubt, den Spanndruck in Abhängigkeit von der Drehzahl der Werkstückspindel stetig zu
M
verändern, um die auf die Spannelemente der Kraftspannvor¬ richtung einwirkenden Fliehkräfte zu kompensieren, jedenfalls dann, wenn die Kraftspannvorrichtung eine geringe Hysterese aufweist, wie dies z. B. bei den bekannten, als sogenannte Hebelfutter ausgebildeten Spannfuttern der Fall ist.
Wenn die Ölsteuervorrichtung, wie dies bei bevorzugten Aus¬ führungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung der Fall ist, vor dem Rückschlagventil einen Drucksensor aufweist, so läßt sich mit diesem der eingangsseitig an der Ölsteuervor¬ richtung anliegende Öldruck überwachen, insbesondere also die Funktion einer die Einrichtung mit Hydrauliköl versorgenden Ölpumpe sowie die Unversehrtheit einer Verbindungsleitung zwischen der Pumpe und der Ölsteuervorrichtung, was dann von besonderer Bedeutung ist, wenn die Einrichtung auf einem Schlitten der Werkzeugmaschine angeordnet ist und infolge¬ dessen eine flexible Schlauchleitung als Verbindungsleitung benötigt wird. Um auch noch die mit einem Ausfall dieses Drucksensors verbundenen Risiken auszuschalten - ein solcher Ausfall könnte sonst nicht festgestellt werden -, empfiehlt es sich, vor dem Rückschlagventil zwei den an der Ölsteuer¬ vorrichtung anliegenden Öldruck überwachende Drucksensoren vorzusehen, da sich diese beiden Drucksensoren dann auch gegenseitig überwachen können.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfin¬ dungsgemäßen Einrichtung ist zwischen der Ölzuführvorrichtung und dem Druckregelventil der Ölsteuervorrichtung eine als Element einer Strömungswächtervorrichtung für eine Hydraulik- ölströmung zum Spannzylinder dienende Drossel zur Erzeugung eines Druckgefälles vorgesehen, zwischen der und der Ölzu¬ führvorrichtung ein Drucksensor für die Durchführung eines Vergleichs des stromabwärts der Drossel herrschenden Öldrucks
it dem am Druckregelventil eingestellten Öldruck angeordnet ist. Der genannte Druckvergleich kann in der CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine vorgenommen werden, so daß die CNC- Steuerung feststellen kann, wenn im Zuge des Einspannens eines Werkstücks kein nennenswerter Ölstrom zum Spannzylinder mehr fließt (an der Drossel findet dann auch kein nennens¬ werter Druckabfall mehr statt), worauf die CNC-Steuerung den Antrieb der Werkstückspindel einschalten kann - der genannte Druckvergleich kann also dazu herangezogen werden, ein Frei- gabesignal zum Start der Werkstückspindel zu erzeugen.
Wenn es sich bei dem Spannzylinder um 1 einen doppeltwirkenden Druckmittelzylinder handelt, bei dem also die zwei zu beiden Seiten des Kolbens liegenden Zylinderkammern des Spannzylin¬ ders abwechselnd mit dem Druckmedium beaufschlagt werden kön¬ nen, um die Kraftspannvorrichtung zu schließen oder zu öff¬ nen, verfügt die Ölsteuervorrichtung über zwei mit der Ölzu¬ führvorrichtung verbundene Strömungspfade, für die in der öl¬ steuervorrichtung ein Mehrwegeventil zum wahlweisen Verbinden des ersten oder zweiten Strömungspfads mit dem Druckregelven¬ til bzw. einem Ölauslaß der Ölsteuervorrichtung versehen ist. In diesem Fall empfiehlt es sich, sowohl den ersten, als auch den zweiten Strömungspfad der Ölsteuervorrichtung mit einem Drucksensor zu versehen, denn dadurch lassen sich die folgen¬ den Vorteile erzielen: Sowohl während des Schließens, als auch während des Öffnens der Kraftspannvorrichtung lassen sich mit diesen beiden Drucksensoren die am Druckregelventil eingestellten Drücke ständig und unabhängig kontrollieren, außerdem ermöglichen es die beiden Drucksensoren, indirekt die Schaltposition des MehrWegeventils zu überwachen, da die Drucksensoren anzeigen, welche Seite des Spannzylinders mit Druck beaufschlagt bzw. drucklos ist; auch läßt sich mit den beiden Drucksensoren in jeder Schaltposition des Mehrwege-
ventils die Wirksamkeit des Druckölspeichers überwachen, und schließlich überwachen sich die beiden Drucksensoren gegen¬ seitig, da bei jeder Betätigung der Kraftspannvorrichtung ein Druckwechsel in jedem der beiden Strömungspfade erfolgen muß.
Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsge¬ mäßen Werkstückspindeleinrichtung weisen eine Ölzuführvor¬ richtung auf, welche im Prinzip der sich aus der EP-0 657 239-A ergebenden Ölzuführvorrichtung entspricht, wobei es sich empfiehlt, diese bekannte Ölzuführvorrichtung noch so weiter zu verbessern, wie es sich aus der folgenden Beschreibung sowie den beigefügten Ansprüchen ergibt.
Schließlich sei bezüglich des vorstehend geschilderten Grund¬ prinzips der Erfindung noch auf folgendes hingewiesen: Natür¬ lich muß das nicht-rotierende Gehäuseteil der Ölzuführvor¬ richtung nicht unmittelbar am Spindelgehäuse befestigt sein, da es nur auf eine feste, d. h. für die Praxis starre Verbin¬ dung zwischen diesem Gehäuseteil und dem Spindelgehäuse an¬ kommt. Gleiches gilt bezüglich der Verbindung zwischen Öl¬ steuervorrichtung und Ölzuführvorrichtung. Das Merkmal, daß die Ölsteuervorrichtung leitungslos an die Ölzuführvorrich¬ tung angeschlossen ist, darf nicht so einengend interpretiert werden, daß dadurch z. B. Ölbohrungen in einem starren Zwischenstück zwischen Ölsteuervorrichtung und Ölzuführvor¬ richtung ausgeschlossen werden - über dieses Zwischenstück könnte die Ölsteuervorrichtung auch mit der Ölzuführvorrich¬ tung fest verbunden sein. Wie sich aus dem Vorstehenden er¬ gibt, soll mit dem Merkmal, daß der Ölströmungspfad zwischen der Ölsteuervorrichtung und einem Zylinderraum des Spann¬ zylinders ventillos zu gestalten ist, zum Ausdruck gebracht werden, daß dieser Ölströmungspfad zwischen der Ölsteuervor¬ richtung und dem Zylinderraum kein Rückschlagventil enthält.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung er¬ geben sich aus den beigefügten Ansprüchen und/oder aus der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten zeichneri¬ schen Darstellung einer besonders vorteilhaften Ausführungs¬ form der erfindungsgemäßen Einrichtung; in der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch die Werk¬ stückspindel, das Spindelgehäuse, den Spann¬ zylinder und die Ölzuführvorrichtung samt schematischer Darstellung der'Ölsteuervor¬ richtung, und
Fig. 2 ein Schaltbild der Ölsteuervorrichtung.
Die Fig. 1 zeigt eine Werkstückspindel 10, welche als Hohl¬ welle ausgebildet und mittels Lagern 12 und 14 um eine Spin¬ delachse 16 drehbar in einem Spindelgehäuse 18 (auch Spindel¬ stock genannt) gelagert ist. Eine auf der Spindel 10 be¬ festigte Riemenscheibe 20, über welche Antriebsriemen 22 ver¬ laufen, dient zusammen mit einem nicht dargestellten, die Riemen 22 antreibenden Motor dem Antrieb der Werkstückspindel 10; die letztere könnte aber auch als sogenannte Motorspindel ausgebildet sein (derartige Motorspindeln, bei denen der Spindelantriebsmotor in die Werkstückspindel integriert ist, sind bekannt und weit verbreitet). Das Spindelgehäuse 18 samt Werkstückspindel 10 kann auf einem verfahrbaren Schlitten einer Werkzeugmaschine angeordnet sein, vor allem dann, wenn es sich bei der Werkstückspindel um eine Motorspindel han¬ delt, jedoch kann auch die dargestellte Ausführungsform von einem Maschinenschlitten getragen werden, wenn der nicht ge-
zeigte Spindelantriebsmotor gleichfalls auf diesem Schlitten angeordnet ist.
An dem gemäß Fig. 1 rechten Ende der Werkstückspindel 10 ist eine Kraftspannvorrichtung 24 befestigt, welche bei der dar¬ gestellten Ausführungsform die Gestalt eines bekannten Backenfutters hat; in dieser Kraftspannvorrichtung läßt sich ein zu bearbeitendes Werkstück fest einspannen, so daß es mit der Werkstückspindel 10 um die Spindelachse 16 rotiert. Mit dem gemäß Fig. 1 linken Ende der Werkstückspindel 10 ist ein als Ganzes mit 26 bezeichneter Spannzylinder fest verbunden, so daß auch dieser Spannzylinder zusammen mit der Spindel 10 um die Spindelachse 16 rotiert. Der Spannzylinder 26 hat ein mehrteiliges Zylindergehäuse 28 sowie einen in diesem in Richtung der Spindelachse 16 hin- und herverschiebbar geführ¬ ten Kolben 30, durch den der vom Zylindergehäuse 28 gebildete Zylinderraum in eine linke und eine rechte Zylinderkammer 32 bzw. 34 unterteilt wird. Eine als zur Spindelachse 16 koaxia¬ les Rohr ausgebildete Kolbenstange 36 ist mit ihrem gemäß Fig. 1 linken Ende fest mit dem Kolben 30 verbunden, während ihr rechtes Ende in bekannter und üblicher Weise in Wirkver¬ bindung mit der Kraftspannvorrichtung 24 steht - da die axiale Betätigung eines solchen, in Fig. 1 schematisch darge¬ stellten Backenfutters bekannt ist, kann auf die Darstellung von Details verzichtet werden, so daß nur noch erwähnt werden soll, daß eine axiale Verschiebung der Kolbenstange 36 in der einen Richtung zu einem Schließen der Kraftspannvorrichtung führt, eine Verschiebung in der anderen Richtung zum Öffnen der Kraftspannvorrichtung.
Dem Spannzylinder 26 ist eine als Ganzes mit 40 bezeichnete Ölzuführvorrichtung zugeordnet; derartige Ölzuführvorrich- tungen werden üblicherweise als Drehzuführungen bezeichnet
und gehen hinsichtlich ihres prinzipiellen Aufbaus beispiels¬ weise aus der EP-0 657 238-A1 hervor. Bei der dargestellten Ausführungsform hat die Ölzuführvorrichtung 40 einen zweige¬ teilten äußeren, nicht-rotierenden Gehäuseteil 42, welcher von Schrauben 44 zusammengehalten wird und mittels Schrauben 46 am Spindelgehäuse 18 befestigt ist. Des weiteren verfügt die Ölzuführvorrichtung 40 über einen mit der Werkstückspin¬ del 10 um die Spindelachse 16 rotierenden inneren Gehäuse¬ teil, welcher als Ganzes mit 48 bezeichnet wurde und von meh¬ reren Einzelelementen gebildet wird: Eines dieser Elemente ist das Zylindergehäuse 28, ein weiteres Element ist ein Ringscheibenkörper 50, welcher bezüglich der Spindelachse 16 rotationssymmetrisch gestaltet ist, und der Vervollständigung des inneren Gehäuseteils 48 dient ein gleichfalls bezüglich der Spindelachse 16 rotationssymmetrisch gestalteter Ringkör¬ per 52. Die Elemente 28, 50 und 52 werden durch Schrauben 54 zusammengehalten. Erwähnt sei noch, daß die der Ölzuführvor¬ richtung 40 zuzurechnende Außenumfangsfläche des Zylinderge¬ häuses 28 bezüglich der Spindelachse 16 gleichfalls rota¬ tionssymmetrisch gestaltet ist. Zu beiden Seiten des Ringscheibenkörpers 50 ist jeweils ein Ringscheibenkörper 56 bzw. 58 angeordnet; damit sich diese beiden Ringscheibenkör¬ per nicht zusammen mit der Werkstückspindel 10 drehen können, wohl aber in Richtung der Spindelachse 16 geringfügig frei verschiebbar sind, sind sich in Richtung der Spindelachse er¬ streckende Verzahnungen 60 vorgesehen, und zwar am Außenum¬ fang eines jeden der Ringscheibenkörper 56 und 58 sowie an den benachbarten Innenumfangsbereichen des äußeren Gehäuse¬ teils 42. Schließlich sind noch zwei sich in Richtung der Spindelachse 16 erstreckende Zylinderkörper 62 und 64 vorge¬ sehen, welche die Ringscheibenkörper 56 und 58 mit minimalem Spiel durchdringen.
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Der Ringscheibenkörper 56 bildet zusammen mit dem Ringkörper 52 eine erste, mit der Spindelachse 16 koaxiale Ringkammer
65, und eine zweite, gleichartige Ringkammer 66 befindet sich zwischen dem Ringscheibenkörper 58 und dem Zylindergehäuse 28. In letzterem ist ein Ölkanal 68 vorgesehen (dieser und alle anderen, im folgenden noch erwähnten Ölkanäle werden jeweils von einer oder mehreren, ineinander übergehenden Bohrungen gebildet), welcher die linke Zylinderkammer 32 mit der rechten Ringkammer 66 verbindet. Ein sich durch den Ring¬ körper 52, den Ringscheibenkörper 50 und das Zylindergehäuse 28 hindurch erstreckender Ölkanal 70 verbindet die rechte Zylinderkammer 34 mit der linken Ringkammer 65. Im äußeren Gehäuseteil 42 der Ölzuführvorrichtung befinden sich zwei Öl¬ kanäle, nämlich ein erster Ölkanal 72 und ein zweiter Ölkanal 74, deren in Fig. 1 obere Enden eine Öleintritts- bzw. eine Ölaustrittsöffnung der Ölzuführvorrichtung 40 bilden. Dem er¬ sten Ölkanal 72 sind Ölkanäle 76 und 78 im Zylinderkörper 62 bzw. im Ringscheibenkörper 56 zugeordnet, dem zweiten Ölkanal 74 Ölkanäle 80 und 82 im Zylinderkörper 64 bzw. im Ringschei¬ benkörper 58, so daß der erste Ölkanal 72 des nicht-rotieren¬ den äußeren Gehäuseteils 42 mit der linken Ringkammer 65 kom¬ muniziert, der zweite Ölkanal 74 mit der rechten Ringkammer
66. Wegen der sich kreisringförmig um die Spindelachse 16 herum erstreckenden Ringkammern 65 und 66 kommuniziert also der erste Ölkanal 72 ständig mit der rechten Zylinderkammer 34, der zweite Ölkanal 74 ständig mit der linken Zylinderkam¬ mer 32, obwohl der äußere Gehäuseteil 42 der Ölzuführvorrich¬ tung 40 nicht rotiert, sich der Spannzylinder 26 jedoch zu¬ sammen mit der Werkstückspindel 10 dreht.
Wie die Fig. 1 erkennen läßt, handelt es sich bei dem Spann¬ zylinder 26 bei der bevorzugten Ausführungsform um einen so¬ genannten lagerlosen Spannzylinder, da das Gehäuse 28 des
I S
Spannzylinders 26 von der mit den Lagern 12 und 14 gelagerten Werkstückspindel 10 getragen wird und nicht über eine eigene Lagerung verfügt und da das äußere Gehäuseteil 42 der Ölzu¬ führvorrichtung 40 vom Spindelgehäuse 18 getragen wird und nicht von Wälzlagern.
Jeder der nicht-rotierenden Ringscheibenkörper 56 und 58 bil¬ det mit den rotierenden Elementen des inneren Gehäuseteils 48 der Ölzuführvorrichtung 40 jeweils drei enge Dichtspalte, die bei der dargestellten Ausführungsform in zur Spindelachse 16 senkrecht verlaufenden Ebenen liegen, sich bei Zuführung von Drucköl auf ein vorgegebenes Spaltbreitenmaß einregeln (wegen der minimalen axialen Verschiebbarkeit der Ringscheibenkörper 56 und 58) und so gewährleisten, daß keine Berührung zwischen stehenden und rotierenden Teilen der Ölzuführvorrichtung 40 stattfindet; in diesem Zusammenhang sei noch einmal auf die EP-0 657 238-A1 verwiesen.
Derartige Drehzuführungen, wie die Ölzuführvorrichtung 40, sind niemals absolut dicht, sondern führen zu einer nicht un¬ beträchtlichen Öl-Leckrate von beispielsweise 30 - 35 ml/s. Wie die Fig. 1 erkennen läßt, wird das Lecköl in einem Kanal 90 gesammelt, welcher im unteren Bereich des nicht-rotieren¬ den äußeren Gehäuseteils 42 der Ölzuführvorrichtung 40 vorge¬ sehen ist und aus dem das Lecköl über einen Abführstutzen 92 ablaufen und zur Ölpumpe zurückgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß ist unmittelbar am nicht-rotierenden äußeren Gehäuseteil 42 der Ölzuführvorrichtung 40 eine in Fig. 1 nur schematisch dargestellte Ölsteuervorrichtung 100 befestigt, von der die Fig. 1 nur einen ersten und einen zweiten Strö¬ mungspfad 102 bzw. 104 für das Hydrauliköl andeutet, welche im Bereich der Peripherie der Ölsteuervorrichtung 100 von
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Bohrungen in einem Gehäuse 101 der Ölsteuervorrichtung 100 gebildet werden, die Drucköl-dicht an die Ölkanäle 72 und 74 des äußeren Gehäuseteils 42 der Ölzuführvorrichtung 40 ange¬ schlossen sein sollen.
Anhand der Fig. 2 soll nun der Aufbau der Ölsteuervorrichtung 100 weiter erläutert werden.
In Fig. 2 sind oben der erste und der zweite Ölkanal 72 bzw. 74 der Ölzuführvorrichtung 40 angedeutet, welche in die bei¬ den in der Fig. 1 angedeuteten Ölkanäle 102 und 104 der Öl¬ steuervorrichtung 100 übergehen. Die Fig. 2 zeigt außer der Ölsteuervorrichtung 100 eine als Ganzes mit 106 bezeichnete Ölpumpe, welche aus einem Tank 108 Hydrauliköl ansaugt und in eine beispielsweise als flexible Schlauchleitung ausgebildete Verbindungsleitung 110 fördert, die an einen Drucköleinlaß 112 der Ölsteuervorrichtung 100 angeschlossen ist. Wie in Fig. 2 angedeutet, ist die Pumpe 106 mit Mitteln versehen, mit denen sich der maximale, an der Verbindungsleitung 110 anliegende Förderdruck begrenzen und einstellen läßt, da der¬ artige Mittel dem Fachmann jedoch bekannt und nicht Gegen¬ stand der vorliegenden Erfindung sind, bedarf es diesbezüg¬ lich keiner weiteren Erläuterungen. Auch zeigt die Fig. 2 noch einen von der nicht dargestellten CNC-Steuerung der gleichfalls nicht gezeigten Werkzeugmaschine gesteuerten Elektromotor 114 für den Antrieb der Pumpe 106.
Vom Drucköleinlaß 112 führt ein Ölkanal 118 zu einem Mehr¬ wegeventil 120, bei dem es sich bei der dargestellten Ausfüh¬ rungsform um ein marktübliches hydraulisches 4/2-Wegeventil handelt, wie es beispielsweise von der Firma HERION-Werke KG, 7012 Fellbach, Bundesrepublik Deutschland, bezogen werden kann. Dieses Mehrwegeventil wird elektromagnetisch betätigt,
2.0
sein Schieberkolben (das eigentliche Ventilglied) 122 ist ge¬ mäß Fig. 2 in horizontaler Richtung zwischen einer linken und einer rechten Position hin- und herschiebbar (wobei die Fig. 2 den Schieberkolben in seiner linken Position zeigt), und wie in Fig. 2 im linken Teil des Mehrwegeventils 120 angedeu¬ tet wurde, soll es sich bei dem letzteren um ein Rastenventil handeln, um den Schieberkolben 122 in seinen beiden Positio¬ nen gegen ein unbeabsichtigtes Verschieben zu sichern. Die elektromagnetische Betätigung des Mehrwegeventils 120 erfolgt unter der Kontrolle der CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine.
Der Ölkanal 118 enthält zwischen dem Drucköleinlaß 112 und dem Mehrwegeventil 120 hinter- bzw. nacheinander ein ein¬ faches, herkömmliches Rückschlagventil 124, welches einen Öl- rückfluß gemäß Fig. 2 nach unten verhindert, ein als Ganzes mit 126 bezeichnetes Druckregelventil und eine schematisch dargestellte Drossel 128 zur Erzeugung eines Druckgefälles, wenn die Drossel von Hydrauliköl durchströmt wird. Bei dem Druckregelventil 126 soll es sich um ein marktübliches Gerät handeln, wie es beispielsweise in der Informationsschrift RIQ Ausgabe 1/1996 der deutschen Firma REXROTH beschrieben ist. Ein solches Druckregelventil wird mit hydraulischer Servo- unterstützung motorisch verstellt (der elektrische Stellmotor wurde bei 130 angedeutet), und zwar unter der Kontrolle der CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine. Zwischen dem Rückschlag¬ ventil 124 und dem Drucköleinlaß 112, d. h. stromaufwärts des Rückschlagventils, wird der im Ölkanal 118 herrschende Öl¬ druck durch zwei als sogenannte Druckwächter (Druckschalter) gestaltete Drucksensoren 132 und 134 erfaßt, welche gleich¬ falls mit der Maschinensteuerung verbunden sind und es somit ermöglichen, den von der Ölpumpe 106 erzeugten Öldruck und damit die Funktionstüchtigkeit der Pumpe sowie der Verbin¬ dungsleitung 110 zu überwachen; hierfür würde zwar prinzi-
piell ein einziger der beiden Drucksensoren 132, 134 genügen, da jedoch in diesem Fall ein Fehlverhalten des einzigen Drucksensors nicht unmittelbar erkennbar würde, sind an dieser Stelle zwei redundante Drucksensoren vorgesehen, damit diese beiden Drucksensoren sich gegenseitig überwachen kön¬ nen.
Zwischen dem Rückschlagventil 124 und dem Druckregelventil 126 ist ein Druckölspeicher 138 über einen Ölkanal 140 an den Ölkanal 118 angeschlossen. Auch bei diesem Druckölspeicher handelt es sich um ein auf dem Markt erhältliches Gerät, in welches gegen den Druck eines Gaspolsters ein 1 Druckmedium, wie Hydrauliköl, hineingepumpt werden kann, wobei das vom Speicher 138 aufgenommene Hydraulikölvolumen vom Gaspolster des Speichers z. B. durch eine flexible Membran getrennt ist.
Den beiden vom Mehrwegeventil 120 wegführenden Ölkanälen 102 und 104 ist jeweils ein gleichfalls mit der Maschinensteue¬ rung verbundener Drucksensor 142 bzw. 144 zugeordnet, mit denen sich unter anderem, jedoch nicht im laufenden Betrieb, die Funktionstüchtigkeit des Druckölspeichers 138 überwachen läßt, und zwar in jeder der beiden Stellungen des Mehrwege¬ ventils 120 - die Drucksensoren 142 und 144 überwachen dann, ob die Vorspannung des Gaspolsters des Druckölspeichers 138 noch hinreichend ist, d. h. ob der Druckölspeicher in der Lage ist, am Eingang des Druckregelventils 126 (d. h. strom¬ abwärts des Rückschlagventils 124) den für einen funktions¬ sicheren Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung erforder¬ lichen Mindestdruck aufrechtzuerhalten, wenn am Drucköleinlaß 112, aus welchen Gründen auch immer, ein Druckabfall ein¬ tritt. Weitere Funktionen der beiden Drucksensoren 142 und 144 werden sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Funk¬ tion der erfindungsgemäßen Einrichtung noch ergeben.
2.2_
Schließlich läßt die Fig. 2 noch erkennen, daß ein unter dem rechten Teil des Mehrwegeventils 120 angedeuteter Ölauslaß 150 über eine Verbindungsleitung, welche der Übersichtlich¬ keit der Fig. 2 halber nicht dargestellt wurde, mit dem Tank 108 verbunden ist.
Vor der Beschreibung der verschiedenen Funktionen der erfin¬ dungsgemäßen Einrichtung soll noch darauf hingewiesen werden, daß ein motorisch verstellbares Druckregelventil, wie das Druckregelventil 126, gegenüber einem gleichfalls bekannten sogenannten Proportional-Druckregelventil den entscheidenden Vorteil hat, daß sich der mit dem Druckregelventil einge¬ stellte Druck nicht verändern kann, wenn z. B. die elektri¬ sche Versorgung der Werkzeugmaschine oder auch nur der erfin¬ dungsgemäßen Einrichtung ausfällt oder eine zum Druckregel¬ ventil führende elektrische Leitung unterbrochen wird.
Wenn ein Werkstück in der Kraftspannvorrichtung 24 einge¬ spannt wird, fördert die zu diesem Zweck eingeschaltete Öl¬ pumpe 106 Drucköl über das Mehrwegeventil 120 in einen der beiden Ölkanäle 102, 104, bei der in Fig. 2 dargestellten Position des Mehrwegeventils in den ersten Ölkanal 102; in welchen der Ölkanäle 102, 104 das Drucköl einzuspeisen ist, um die Kraftspannvorrichtung 24 zu schließen, hängt von deren Konstruktion ab, d. h. davon, ob zum Schließen der KraftSpannvorrichtung die Kolbenstange 36 gemäß Fig. 1 nach links oder nach rechts bewegt werden muß. Die betreffende Seite des Kolbens 30 des Spannzylinders 26 wird dann mit dem durch das Druckregelventil 126 vorgegebenen Spanndruck beauf¬ schlagt. Der Ölstrom durch die Drossel 128 hindurch bewirkt an dieser einen Druckabfall, so daß der Drucksensor 142 einen kleineren Druck mißt als den durch das Druckregelventil 126
vorgegebenen Druck. Wenn der in der CNC-Maschinensteuerung erfolgende Vergleich des vom Drucksensor 142 gemessenen Drucks mit dem durch das Druckregelventil 126 vorgegebenen Druck ergibt, daß der vom Drucksensor 142 erfaßte Druck gleich dem durch das Druckregelventil 126 vorgegebenen Druck ist (oder nahezu gleich diesem Druck, wenn man die Leckrate der Ölzuführvorrichtung 40 berücksichtigt), zeigt dies an, daß sich der Kolben 30 nicht mehr bewegt, d. h. daß das Werk¬ stück in der Kraftspannvorrichtung 24 mit dem vorgegebenen Spanndruck eingespannt ist; daraufhin erzeugt die CNC-Maschi¬ nensteuerung ein Freigabesignal für den Antrieb der Werk¬ stückspindel 10. Während der Bewegung' des Kolbens 30 wird das in der nicht mit Drucköl beaufschlagten Zylinderkammer ent¬ haltene Öl über den Ölkanal 104 (jedenfalls bei der in Fig. 2 dargestellten Position des Mehrwegeventils 120), das Mehr¬ wegeventil 120 und den Ölauslaß 150 in den Tank 108 ver¬ drängt.
Entsprechendes gilt natürlich für den Fall, daß bei stillge¬ setzter Werkstückspindel 10 ein in der Kraftspannvorrichtung 24 eingespanntes Werkstück freigegeben und aus der Kraftspannvorrichtung entnommen werden soll; zu diesem Zweck wird das Mehrwegeventil 120 umgeschaltet, so daß es bei¬ spielsweise seine gemäß Fig. 2 rechte Position einnimmt, in der der Ölkanal 102 mit dem Ölauslaß 150 und der Ölkanal 104 mit dem Ölkanal 118 kommuniziert. In diesem Fall wird der vom Drucksensor 144 erfaßte Druck mit dem vom Druckregelventil 126 vorgegebenen Druck verglichen, und Druckgleichheit zeigt an, daß die Öffnungsbewegung der Kraftspannvorrichtung 24 be¬ endet ist.
Die beiden Drucksensoren 142 und 144 ermöglichen es aber vor allem, in jeder Position des Mehrwegeventils 120 zu über-
2.
wachen, ob derjenige Druck, den das Druckregelventil 126 pro¬ grammgemäß vorgeben soll, auch tatsächlich erreicht wird, und diese Überwachung stellt eine ständige und unabhängige Kon¬ trolle dar. Die Fig. 2 läßt auch erkennen, daß die beiden Drucksensoren 142 und 144 dazu herangezogen werden können, indirekt zu überwachen, ob das Mehrwegeventil 120 seine durch das Steuerungsprogramm der Werkzeugmaschine vorgegebene Schaltposition auch tatsächlich einnimmt, da die beiden Drucksensoren anzeigen, welche Seite des Kolbens 30 des Spannzylinders 26 druckbeaufschlagt bzw. drucklos ist. Wie sich aus dem Folgenden noch ergeben wird, überwachen die bei¬ den Drucksensoren 142 und 144 auch die Funktionsfähigkeit des Druckölspeichers 138, und schließlich überwachen sich die beiden Drucksensoren gegenseitig, da bei jeder Betätigung der Kraftspannvorrichtung 24 eine sprunghafte Änderung des Öl¬ drucks in jedem der beiden Ölkanäle 102 und 104 erfolgt.
Im folgenden werden nun weitere denkbare Fälle eines Ver¬ sagens verschiedener Komponenten erörtert, wozu zu bemerken ist, daß derartige Fälle in der Praxis durchaus auch auf¬ treten; durch die folgenden Erörterungen wird auch bewiesen werden, daß sich dank der Erfindung eine Werkzeugmaschine hinsichtlich der Funktion der Kraftspannvorrichtung absolut sicher betreiben läßt; es wird nämlich jeder Fehler erkannt, worauf dann die Werkstückspindel 10 durch die CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine innerhalb weniger Sekunden stillgesetzt wird, insbesondere auch bei einem Energieausfall. In diesem Zusammenhang wird auf die Druckschrift "CNC report", Ausgabe 2/96 aus Mai 1996 der Firma SIEMENS AG, Bereich Automatisie¬ rungstechnik, in D-90327 Nürnberg, verwiesen, und zwar dort auf das Kapitel "SINUMERIK Safety Integrated".
Falls die Druckmedienversorgung versagt, z. B. wegen Energie¬ ausfall, Defekt der Ölpumpe 106 oder Bruch der Verbindungs¬ leitung 110, wird die kurze Zeitspanne zwischen der Meldung des Fehlers durch wenigstens einen der beiden Drucksensoren 132 und 134 bis zum Stillstand der rotierenden Werkstückspin¬ del 10 durch den Druckölspeicher 138 überbrückt. Bei der vor¬ stehend angegebenen Leckrate der Ölzuführvorrichtung 40 ge¬ nügt hierfür eine Ölspeicherkapazität des Druckölspeichers 138 von 500 ml.
Derartige, ein Gaspolster, insbesondere ein Stickstoff¬ polster, enthaltende Druckspeicher versagen meist wegen eines schleichenden Gasverlusts, der dazu führt, daß die Vorspan¬ nung des Gaspolsters im Laufe der Zeit, jedoch sehr langsam, abnimmt. Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht es nun, mit Hilfe der CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine immer wieder den Zustand des Druckölspeichers 138 zu überprüfen, und zwar in folgender Weise: Bei jedem Einschalten der Hydraulik (gegebenenfalls durch Programmvorgabe z. B. alle acht Stun¬ den) wird der Druckölspeicher 138 vermittels der Ölpumpe 106 geladen, d. h. es wird bis zum Erreichen des Betriebsdrucks Öl in den Druckölspeicher gepreßt. Anschließend wird die Pumpe 106 durch die Maschinensteuerung abgeschaltet. Wegen der insbesondere in der Ölzuführvorrichtung 40 auftretenden Leckverluste entlädt sich dann der Druckölspeicher 138 lang¬ sam. Die von der Maschinensteuerung erfaßte Zeitspanne zwi¬ schen dem Abschalten der Pumpe 106 und dem Zeitpunkt, in dem der mit dem Drucksensor 142 bzw. 144 (je nach Stellung des Mehrwegeventils 120) gemessene Druck einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, ist ein Maß für den Zustand des Druckölspeichers 138, und für einen funktionssicheren Betrieb der Werkzeugmaschine muß diese Zeitspanne deutlich länger sein als die maximale Abbremszeit für die Werkstückspindel
±<T
10, d. h. derjenige Zeitraum, welcher benötigt wird, um die mit maximaler Drehzahl rotierende Werkstückspindel stillzu¬ setzen. Bei nachlassender Gasvorspannung des Druckölspeichers 138 wird die gemessene, vorstehend definierte Zeitspanne im¬ mer kürzer, bis schließlich der Druckölspeicher 138 unbrauch¬ bar geworden und zu ersetzen ist.
Ein mit der Werkzeugmaschine abzuarbeitendes Bearbeitungspro¬ gramm für die Maschinensteuerung definiert auch den maximalen Spanndruck, welcher für einen Bearbeitungsvorgang erforder¬ lich ist; ob dieser maximale Spanndruck erreicht wird, läßt sich mit den beiden Drucksensoren 142' und 144 kontrollieren, nachdem zuvor das Druckregelventil 126 auf diesen Druck ein¬ gestellt wurde.
Durch den vorstehend beschriebenen Test lassen sich auch anomale Leckverluste z. B. im Rückschlagventil 124, in der Ölzuführvorrichtung 40 oder im Druckregelventil 126 sowie im Mehrwegeventil 120 feststellen.
Die Steuerelemente in der Ölsteuervorrichtung 100 und die Bauteile des Spannzylinders 26 können ohne weiteres so sicher dimensioniert werden, daß sie nicht ausfallen können.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung garantieren insbeson¬ dere die folgenden Merkmale einen sicheren Betrieb der Werk¬ zeugmaschine: fehlende Schlauchleitungen zwischen den Hydrau¬ lik-Steuerelementen und dem Spannzylinder sowie eine starre Verbindung der nicht-rotierenden Teile der Ölzuführvorrich¬ tung 40 mit dem Spindelgehäuse 18.
Dank der beweglichen, jedoch gegen ein Verdrehen gesicherten Ringscheibenkörper 56 und 58 der Ölzuführvorrichtung 40 wird
V
die Gefahr, daß sich relativ zueinander drehende Teile der Ölzuführvorrichtung 40 durch Schmutzpartikel in den Dichtspalten blockiert werden, reduziert, und selbst wenn es zu einem solchen Blockieren kommt, hat dies keine spontane Unterbrechung der Ölzuführpfade zur Folge - schlimmstenfalls blockiert die Werkstückspindel 10 oder sie kann aus dem Stillstand nicht mehr anlaufen. Außerdem wird ein Verschleiß der die Dichtspalte zwischen sich einschließenden Bauteile durch die erfindungsgemäße Einrichtung erkannt, weil dann die Ölleckrate ansteigt, wodurch auch der Druckabfall an der Drossel 128 ansteigt, was die CNC-Steuerung der Werkzeug¬ maschine aufgrund des laufenden Vergleichs derjenigen Drücke erkennt, welche durch die Drucksensoren 142 und 144 erfaßt bzw. durch das Druckregelventil 126 vorgegeben werden.
Es könnten noch andere Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden; wie bereits erwähnt, könnte eine zweite Ölpumpe vorgesehen werden, welche druckgesteuert automatisch in Betrieb genommen wird, wenn die Ölpumpe 106 versagt; in diesem Fall kann auf den Druckölspeicher 138 verzichtet werden. Es wäre außerdem möglich, bei einem Ausfall der Energieversorgung denjenigen Zeitraum zu überbrücken, welcher für das Stillsetzen der Werkstückspindel benötigt wird, indem die von der Werkstück¬ spindel beim Abbremsen infolge der Wirkung ihres Antriebs als Generator erzeugte Energie zum weiteren Betrieb der Ölpumpe genutzt wird, bis die Werkstückspindel zum Stillstand gekom¬ men ist.
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