Werkzeugmaschine

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einer bei der Bearbeitung eines Werkstücks von einem Werkstückspindelmotor kontinuierlich drehange- triebenen Werkstückspindel und mit einer in einem im Wesentlichen festen Drehzahlverhältnis mit der Werkstückspindel von einem Werkzeugspindelmotor kontinuierlich drehangetriebenen Werkzeugspindel, wobei ein oder mehrere Schneidkanten eines der Werkzeugspindel zugeordneten Schneidwerkzeugs insbesondere im unterbrochenen Schnitt spanabhebend in das der Werkstück- spindel zugeordnete Werkstück eintreten, wobei Werkstückspindelmotor und Werkzeugspindelmotor von einer Synchronisationsregelung angesteuert werden, welche als Eingangsdaten Winkelstandinformationen von je einem der Werkstückspindel und einem der Werkzeugspindel zugeordneten Drehgeber erhält, um aus diesen Winkelstandinformationen Wechsel- oder Dreh- Antriebsströme zu erzeugen zum Antrieb des Werkstückspindelmotors und des Werkzeugspindelmotors, wobei die beiden Spindelmotoren je eine Vielzahl von dem Stator oder dem Rotor in gleichmäßiger Winkelverteilung zugeordnete Wicklungen aufweisen, die mit dem jeweiligen Wechsel- oder Drehstrom bestromt werden und die mit dem Rotor oder dem Stator in gleichmäßiger Winkelverteilung zugeordneten Magneten, insbesondere Permanent-Magneten zusammenwirken.

Derartige Werkzeugmaschinen sind im Stand der Technik bekannt und dienen insbesondere der Zahnflankenbearbeitung von Werkstücken. Die Werkstücke können unverzahnt oder bereits vorverzahnt sein. Das Werkzeug besteht aus einem drehangetriebenen Werkzeugträger mit mindestens einer Schneidkante. Werkzeugmaschinen der vorbezeichneten Art sind beispielsweise bekannt aus der DE 3240165, DE 33 76300, EP 107826, DE 3718 261 oder DE 19631 673. Unabhängig davon, wie das Werkzeug im Detail ausgebildet ist, ob es mit ei- nem Schlagmesser oder mit einer Vielzahl von Schneidkanten, insbesondere

schraubengangf örmig angeordneter Schneidkanten versehen ist, arbeitet ein derartiges Werkzeug mit einem unterbrochenen Schnitt. Werkzeugspindel und Werkstückspindel stehen nicht über einen mechanischen Getriebezug in Wirkung zueinander. Vielmehr werden Werkstückspindel oder Werkzeugspindel jeweils von einem Servo-Spindelmotor angetrieben. Jeder dieser Spindelmotoren besitzt einen Stator und einen Rotor. Entweder der Stator oder der Rotor besitzt eine Vielzahl von Wicklungen, die mit einem Drehstrom oder einem Wechselstrom bestromt werden. Der jeweils andere Teil des Motors, also der Rotor oder der Stator besitzt den Wicklungen zugeordnete Magnete. Diese Magnete können von Kurzschlussspulen, mit einem Erregerstrom bestromten Spulen oder von Permanentmagneten gebildet werden. Die Anzahl der Magnete entspricht der Anzahl der Wicklungen und liegt in der Regel bei drei. Jede Spindel besitzt einen Drehgeber, der eine gewisse Winkelteilung besitzt. Dieser Drehgeber versorgt die Synchronisationsregelung für die "elektrische Welle" zwischen den beiden Spindelmotoren mit den Ist-Werten. Die Synchronisationsregelung bestromt die Servo-Motoren derart, dass nach Möglichkeit die Soll- Werte erreicht werden. Bei diesen Sollwerten laufen Werkstückspindel und Werkzeugspindel in einem vorbestimmten und im Wesentlichen festen Drehzahlverhältnis zueinander. Wie aus den oben genannten Druckschriften her- vorgeht, wird dieses feste Drehzahlverhältnis bei bestimmten Bearbeitungsverfahren kontrolliert geringfügig geändert. Dabei wird dem Drehzahlverhältnis eine gewisse Phasenverschiebung aufgezwungen. Auf diese Weise können Schrägverzahnungen erzeugt werden.

In den heutigen Werkzeugmaschinen werden allgemein frequenzgesteuerte

Synchron- oder Asynchronmotoren als Werkstück- oder Werkzeugantriebe eingesetzt. Diese sind entweder als Direktantriebe oder als Baueinheiten, bei denen der Motor über einen Riementrieb oder mit anderen Maschinenelementen, z.B. mit Getrieben mit einer Spindeleinheit verbunden ist, ausgebildet.

Diese Antriebe sind in ihren bautechnischen Eigenschaften dafür ausgelegt, bei einer bestimmten Nenndrehzahl ein bestimmtes Drehmoment aufbringen zu können. Allen den vorgenannten Motortypen gemein ist, dass sie aus dem Stillstand heraus bzw. bei niedrigen Drehzahlen relativ geringe Drehmomente be- sitzen. Sollen Werkzeug- und insbesondere Werkstückspindeln in einem relativ niedrigen Drehzahlbereich von 10 bis 600 rpm (Rotation pro Minute) angetrieben werden, so müssen diese Servo-Motoren die oben genannten Untersetzungsgetriebe besitzen. Werden diese Untersetzungsgetriebe nicht verwendet, so haben die Antriebe den Nachteil einer äußerst geringen Drehzahlsteifigkeit bzw. -konstanz.

Typisch bei dem Verzahnen von Werkzeugen mit den eingangs genannten Werkzeugmaschinen ist der unterbrochene Schnitt. Die Werkzeugspindel läuft für einen gewissen Drehwinkelbereich nahezu frei, bis eine Schneidkante eines Schneidwerkzeuges in das Material eintritt. Dann erhöht sich schlagartig die Drehmomentbelastung der Werkzeugspindel. Bei den bekannten Antrieben wird dabei die Regelung geringfügig aus dem Takt gebracht, so dass das Werkzeug seinem Sollwinkel nachläuft. Dies führt bei der Verzahnung oder aber auch bei der Mehrkantbearbeitung zu Fehlern in den zu erzeugenden Oberf lä- chen. Im Stand der Technik wurden bereits Vorschläge gemacht, Synchron- o- der Asynchronmotoren mit Planetengetrieben oder dergleichen zusammenwirken zu lassen. Nachteilig ist dabei neben dem höheren bautechnischen Aufwand die Langzeitfähigkeit solcher Elemente. Der Antrieb läuft in der Regel nach mehreren tausend Betriebsstunden nicht mehr drehfehlerfrei. Die Dreh- zahlgenauigkeit wird somit nicht erreicht. Außerdem ist ein großer Platzbedarf nachteilhaft.

Werden Untersetzungsgetriebe verwendet, so ist das damit einhergehende Getriebespiel nachteilhaft für die Präzision der Bearbeitung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art Maßnahmen vorzusehen, um die Bearbeitungsgenauigkeit trotz wechselnder Drehmomentbelastungen zu erhöhen.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.

Jeder Anspruch stellt für sich eine eigenständige Lösung der vorgenannten Aufgabe dar und ist grundsätzlich mit jedwedem anderen Anspruch kombinierbar.

Es ist zunächst und im Wesentlichen vorgesehen, dass einer der Spindelmotoren, also entweder ein Werkstückspindelmotor oder ein Werkzeugspindelmotor oder beide Spindelmotoren eine Magnetanzahl besitzen, die entweder verschieden von der Anzahl der Wicklungen ist und/ oder mindestens zehn be- trägt. Die Anzahl der Magnete kann somit größer oder kleiner sein als die Anzahl der Wicklungen. Sie ist bevorzugt kleiner als die Anzahl der Wicklungen. Bevorzugt ist eine große Zahl von Magneten bzw. Wicklungen. Die Wicklungen können dem Stator des Elektromotors oder aber dem Rotor des Elektromotors zugeordnet sein. Selbiges gilt für die Magnete, die mit den Wicklungen zu- sammenwirken. Zufolge der unterschiedlichen Anzahl der Magnete zur Anzahl der Wicklungen ist es möglich, dass der erfindungsgemäße Spindelmotor mit extrem kleinen Drehzahlen betrieben wird und dennoch große Drehmomente übertragen kann, wobei der Motor eine große Drehmomentsteifigkeit besitzt. Der Motor kann darüber hinaus in jeder beliebigen Drehstellung an- gehalten werden und auch aus jeder beliebigen Drehstellung wieder selbsttätig anlaufen. Wesentlich ist auch die hohe Anzahl der Polpaare, die eine deutlich feinere Abstufung der Drehzahl bei festen Frequenzschritten ermöglicht. In entsprechender Weise benötigen dann auch die Drehgeber eine entsprechend hohe und höhere Winkelauflösung, als es beim Stand der Technik erforderlich bzw. möglich ist. Der besondere Vorteil der Verwendung der eingangs beschriebe-

nen Motoren als Spindelmotoren besteht des Weiteren darin, dass der Motor relativ wenig belastet wird, aber dennoch durch seine Bauart bedingt sehr steif und unempfindlich gegen Drehmomentstöße von außen z.B. durch den unterbrochenen Schnitt bei der Bearbeitung von Werkstücken reagiert. Es wird also die Eigenschaft der Motoren benutzt, kurzzeitig sehr hohe Drehmomente aufbringen zu können. Diese Motoren können zwar ihr maximales Drehmoment nicht auf Dauer aufbringen, da sie sonst überhitzt würden, wenn sie nicht besonders gekühlt werden. Für den unterbrochenen Schnitt ist dies aber ausreichend. Die Motoren werden ohne besonderes Untersetzungsgetriebe verwen- det. Der Stator wird am Maschinengestell befestigt. Der Rotor treibt direkt die Werkzeugspindel oder Werkstückspindel an.

Die zuvor beschriebene Werkzeugmaschine ist nicht nur geeignet, Verfahren mit einem unterbrochenen Schnitt durchzuführen. Mit der Werkzeugmaschine lässt sich auch das Wälzschälverfahren durchführen. Bei diesem Verfahren stehen Werkstückspindelachse und Werkzeugspindelachse windschief in einem Achskreuzwinkel zueinander. Der Vorschub erfolgt in Achsrichtung der Werkstückspindel. Die insbesondere schräg verlaufenden Zähne des Wälzschälrades greifen bei diesem Verfahren kontinuierlich in die Zähne des Werkstücks ein. Beide Zähne kämmen miteinander. Gleichwohl laufen diese beiden Zahnräder nicht in gegenseitiger Drehmitnahme in dem Sinne, dass lediglich eines der beiden Zahnräder (Werkstück oder Werkzeug) drehangetrieben ist und das andere jeweils mitläuft. Obgleich die Spanrichtung in der Erstreckungsrichtung der Zähne des Werkstücks erfolgt, werden sowohl Werkstückspindel als auch Werkzeugspindel jeweils von einem der zuvor beschriebenen Motoren drehangetrieben, so dass Werkstück bzw. Werkzeug jeweils über eine Welle unmittelbar mit der Motorwelle in Verbindung stehen. Die Schälkanten des Wälzschälwerkzeuges werden von den Stirnkanten der Zähne des Wälzschälrades gebildet. Die beiden miteinander kämmenden Räder können mit Drehzahlen ange- trieben werden, die höher sind, als die zuvor genannten Drehzahlen. Die Moto-

ren sind dementsprechend ausgelegt. Bei dieser Betriebsart werden die Zahnlücken gleichsam "gehämmert". Dabei entsteht ein bei jeder Werkstückumdrehung größer werdender Span, der vom Schäl Werkzeug weitergetrieben wird. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Motoren ist hier insbesondere wegen der großen Drehmomente vorteilhaft. Bei einem entsprechend massiven Maschinenaufbau können die Zähne mittelst des Wälzschälverfahrens sogar aus einem vollen Rohling, bspw. einem Ring, herausgearbeitet werden. Die hierzu erforderlichen Axialkräfte werden von der Werkstückspindel bzw. der Werkzeugspindel aufgenommen. Bevorzugt werden aber vorverzahnte Werkstücke bearbeitet, die von dem Wälzschälverfahren lediglich auf Kontur gebracht werden. Die Werkzeugmaschine ist somit nicht nur geeignet für Prozesse mit unterbrochenem Schnitt, sondern auch für solche Prozesse, bei denen hohe Kräfte erforderlich sind und insbesondere bei spanenden Bearbeitungsprozessen, bei denen zufolge der Relativlage von Werkstück und Werkzeug zueinander und Form des Werkzeuges die Drehbewegung in eine axiale spanabhebende Bewegung umgewandelt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau der wesentlichen Elemente der beanspruchten Werkzeugmaschine,

Fig. 2 in schematischer Darstellung den Querschnitt durch einen Spindelmotor und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Wälzschälwerkzeuges im Eingriff in ein innenverzahntes Werkstück im Schnitt.

Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine besteht aus einem nicht dargestellten Maschinenbett, dem ein Werkstückspindelträger für die Werkstückspindel 3 und ein Werkzeugspindelträger für die Werkzeugspindel 5 zugeordnet ist. Die Werkzeugmaschine kann mehrere Werkstückspindeln 2 und auch mehrere Werkzeugspindeln 5 besitzen. Insbesondere ist vorgesehen, dass einer Werkstückspindel 3 zwei oder mehr Werkzeugspindeln 5 zugeordnet sind. Die Werkstückspindel 3 kann mittelst eines Werkstückspindelträgers derartig dem Maschinenbett zugeordnet sein, dass die Werkstückspindel 3 in den in Figur 1 mit x, y, z bezeichneten Raumrichtungen verschiebbar ist. Zusätzlich können Maßnahmen vorgesehen sein, um die Werkstückspindel 3 um eine dieser Raumrichtungen, vorzugsweise um die x-Richtung zu verschwenken.

Dieselben Maßnahmen können auch für die Werkzeugspindel 5 vorgesehen sein. Auch hier kann der diesbezügliche Träger, nämlich der Werkstückspindel- träger in den drei Raumrichtungen x, y, z verschiebbar angeordnet sein. Zusätzlich kann die Werkstückspindel 5 um zumindest eine Raumachse, um den Winkel W verstellt werden. Alle diese Verstellmöglichkeiten der Lage der Werkstückspindelachse 3 bzw. der Werkzeugspindelachse 5 können mittelst Stellmotoren vorgenommen werden.

Die Werkzeugspindel 3 trägt mit einem nicht dargestellten Spannfutter ein Werkstück 1. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein vorverzahntes Zahnrad, dessen Zahnflanken vom Werkzeug bearbeitet werden sollen. Die Werkstückspindel 3 wird von einem Werkstückspindelmotor 2 angetrieben. Die Drehzahl bzw. der Drehwinkel der Werkstückspindel 3 wird mittelst eines Drehgebers 8 gemessen und einer Synchronisationsregelung 7 zugeleitet. Der Werkstückspindelmotor 2 erhält seinen Strom von der Synchronisationsregelung 7. Die Frequenz des den Werkstückspindelmotor 2 antreibenden Drehoder Wechselstroms wird von der Synchronisationsregelung 7 anhand der vom Drehgeber 8 empfangenen Informationen gesteuert.

Die Werkzeugspindel 5 trägt ein Schneidwerkzeug 6, welches die oben genannte Zahnflankenbearbeitung im unterbrochenen Schnitt durchführt. Die Werkzeugspindel 5 wird von einem Werkzeugspindelmotor 4 drehangetrieben. Auf der Werkzeugspindel 5 sitzt ein Drehgeber 9, der seine Drehzahl bzw. Winkelstandinformation der Synchronisationsregelung 7 übermittelt. Die Synchronisationsregelung 7 erzeugt den Dreh- bzw. Wechselstrom, um den Werkzeugspindelmotor 4 anzutreiben.

Die Synchronisationsregelung 7 verwendet bei der Erzeugung des Antriebsstroms für den Werkstückspindelmotor 2 bzw. den Werkzeugspindelmotor 4 die Daten beider Drehgeber 8, 9, um die Drehbewegungen von Werkstück 1 und Schneidwerkzeug 6 derart zu synchronisieren, dass das Schneidwerkzeug 6 im Wesentlichen mit einem festen Drehzahlverhältnis zum Werkstück 1 dreht.

Zur Erzeugung einer Schrägverzahnung kann es vorgesehen sein, dass sich die Phasenlage der beiden Drehbewegungen der Werkzeugspindel 5 und der Werkstückspindel 3 während der Bearbeitung geringfügig ändert.

Zufolge der Erfindung ist entweder der Werkstückspindelmotor 2, der Werkzeugspindelmotor 4 oder sind beide Motoren 2, 4 als Torque-Motoren ausgebildet.

Im Ausführungsbeispiel besitzt einer der beiden Spindelmotoren 2, 4 einen Aufbau, der schematisch in der Figur 2 dargestellt ist, welche einen Querschnitt durch einen Spindelmotor 2, 4 zeigt. Der mit der Bezugziffer 10 bezeichnete Stator des Motors ist gehäusefest und liegt in einer Höhlung eines Spindelträgers ein. Der Stator 10 bildet eine Hülse, innerhalb welcher sich der Rotor 11 drehen kann. Es ist aber auch möglich, dass der Rotor die Form einer Hülse be- sitzt und sich um einen den Stator bildenden Kern dreht. In jedem Falle ist aber

die jeweilige Spindel 3, 5 fest mit dem Rotor verbunden, so dass die Rotordrehung der Drehung des Werkstückes 1 bzw. der Drehung des Schneidwerkzeuges 6 entspricht.

Der in der Figur 2 schematisch dargestellte Rotor 11 trägt auf seiner radial nach außen weisenden Mantelfläche eine Vielzahl von dicht aber mit Abstand nebeneinander liegenden Permanentmagneten 13. Die Polrichtung B der Permanentmagnete 13 verläuft in Radialrichtung der Drehachse des Rotors 11. In der zeichnerischen Darstellung liegen die Magnete 13 etwas beabstandet voneinan- der. In der Realität können die Permanentmagnete 13 dichter aneinander liegen. Die Polungen benachbarter Magnete 13 verlaufen in entgegengesetzter Richtung.

Zwischen den Magneten 14 und den Wicklungen 12, die dem Stator 10 zuge- ordnet sind, befindet sich ein schmaler, kreisförmiger Luftspalt. Der Durchmesser dieses Ringspaltes zwischen den Magneten 13 und den Wicklungen 12 ist bevorzugt größer als 7, 8, 11, 16, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 60 oder 70 cm.

Im Ausführungsbeispiel besitzt der Rotor 11 zehn Magnete. Bevorzugt ist die Anzahl der Magnete größer als 10 und größer als 12, 14, 16, 18, 20, 24, 28, 32, 38, 46, 50, 60, 72, 90 oder 102.

Die Anzahl der Magnete 13 ist kleiner als die Anzahl der Wicklung 12. Im Ausführungsbeispiel besitzt der Stator 10 elf Wicklungen. Demzufolge ist der Win- kelabstand zweier Wicklungen 12 kleiner als der Winkelabstand zweier Magnete 13.

Eine typische Anordnung von Magneten 13 und Wicklungen 12 wird in der DE 695 03 521 T3 anhand eines Linearmotors bzw. eines Torque-Motors beschrie- ben.

Im Ausführungsbeispiel beträgt der Unterschied zwischen der Anzahl der Magnete 13 und der Wicklungen 12 eins. In der nicht dargestellten Ausgestaltung der Erfindung können diese Unterschiede aber auch 2, 3, 4, 5 oder sogar mehr betragen.

Bei dem zuvor beschrieben Ausführungsbeispiel unterscheidet sich die Anzahl der Magnete 13 von der Anzahl der Wicklungen 12. Es gibt dort mehr Wicklungen 12 als Magnete 13. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Magnete 13 größer als die Anzahl der Wicklungen 12. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel stehen sich Wicklungen 12 und Magnete 13 in unterschiedlicher Winkellage gegenüber, so dass sich eine Vielzahl von schräg zur Radialen verlaufenden Kraftfelder ausbilden, die derartig auch entgegengesetzt wirken, dass der Motor durch verspannte Magnetfelder im Stillstand gehalten oder bei geringsten Drehzahlen gedreht werden kann.

In der Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Werkstückspindel, die mit der Bezugsziffer 3 angedeutet ist, wird von einem der oben beschriebenen Motoren drehangetrieben. Das Werkstück 1 ist ein innenverzahnter Rohling. Die Verzahnung des Rohlings 1 besitzt ein Aufmaß, so dass die Zahnlücken geringer sind, als die Zahnlücken des fertig bearbeiteten Zahnrades. In diese Rohlingszahnkontur wird mittels des mit der Bezugsziffer 6 bezeichneten Wälzschälwerkzeuges die Fertigkontur eingeschnitten. Das überschüssige Material wird dabei in Achsrichtung der Werkstückspindelachse 3 abgeschält, wo- zu das Werkstück 1 in der Richtung V vorgeschoben wird. Dies erfolgt in ständigem Zahneingriff der schräg stehenden Zähne des Wälzschälwerkzeuges 6 in die Zahnlücken des Werkstücks 1. Beim Wälzschälwerkzeug 6 sind die Zahnstirnflanken die spanabtragenden Werkzeuge. Die Kontur der Zahnflanken des Werkstücks 1 wird von der Kontur der Stirnkanten des Werkzeuges 6 definiert.

Das Werkzeug 6 wird um die mit der Bezugsziffer 5 bezeichnete Achse drehangetrieben. Der Antrieb erfolgt dabei synchronisiert zum Antrieb der Werkstückachse 3. Auch der Wälzschälkopf 6 wird von einem Motor, wie er oben beschrieben ist, drehangetrieben.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die Anzahl der Magnete 13 der Anzahl der Wicklungen 12. Jeder Wicklung 12 kann dabei ein Magnet 13 unmittelbar gegenüberliegen. Dieser Aufbau entspricht im Wesentlichen dem Aufbau eines üblichen Synchronmotors, jedoch mit dem Un- terschied, dass die Anzahl der Polpaare sehr hoch ist. Sie beträgt hier mindestens 10, 14, 19, 27, 38, 54, 75, 105.

Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehö- rigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.