DE3818449A1

DE3818449A1 - Work spindle for high bending load and torque measurement by torsion

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Publication number: DE3818449A1
Application number: DE19883818449
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: LETAY GABRIEL DIPL ING
Current assignee: LETAY GABRIEL DIPL ING
Priority date: 1988-05-31
Filing date: 1988-05-31
Publication date: 1989-12-07

Abstract

A work spindle (12) for high bending load consists of a hollow shaft (44), mounted in bearings (14, 16/18) at an axial distance apart and largely resistant to bending and torsion, and a torsionally elastic central shaft (48). The hollow shaft (44) and the central shaft (48) are connected to one another at the output side end in such a way as to be locked in terms of rotation. The drive moment is introduced via the free end (40) of the central shaft (48). The free end (40) projects out of the hollow shaft (44). Arranged at the unconnected ends of the shafts (44, 48) are means for producing impulse signals related to the angle of rotation, the torsion-dependent phase displacement of which can be used as a measure of the transmitted torque. This design ensures high bending resistance on the one hand and adequate torsional elasticity between the two measuring locations on the other hand, as a result of which the transmitted torque can be continuously recorded with conventional measuring devices. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsspindel für hohe Biege belastung, die an zwei im Axialabstand angeordneten Stellen Mittel zur Erzeugung von drehwinkelbezogenen Impulssignalen trägt, deren torsionsabhängige Phasenverschiebung als Maß für das übertragene Drehmoment verwendbar ist.The invention relates to a work spindle for high bending load, which is arranged at two axially spaced locations Means for generating angle-related pulse signals carries, whose torsion-dependent phase shift as a measure can be used for the transmitted torque.

Die Antriebsspindeln moderner Werkzeugmaschinen sind sehr kompakt gestaltet. Die gestiegenen Anforderungen an die Fertigungsgüte verlangen eine hohe Biegesteifigkeit zur Aufnahme der radial auf die Spindel wirkenden Anpreßkraft zwischen Werkzeug und Werkstück sowie eine hohe Torsions steifigkeit zur Vermeidung von Drehschwingungen und der daraus resultierenden sog. Rattermarken. Diesen Anforderun gen wird dadurch Rechnung getragen, daß die Arbeitsspindel zwischen zwei gehäusefesten Lagern als Welle mit hohem Flä chenträgheitsmoment, d. h. also kurz und mit großem Durch messer ausgebildet wird.The drive spindles of modern machine tools are very compact design. The increased demands on the Manufacturing quality demands a high bending stiffness Absorption of the contact pressure acting radially on the spindle between tool and workpiece as well as high torsion stiffness to avoid torsional vibrations and the resulting so-called chatter marks. This requirement gene is taken into account by the fact that the work spindle between two housing-fixed bearings as a shaft with a high surface area moment of inertia, d. H. so short and with great success knife is trained.

Der technische Fortschritt stellt darüber hinaus weitere Anforderungen. So gewinnt die Fehlerfrühdiagnose in der Fertigungstechnik zunehmend an Bedeutung, und es besteht ein wachsendes Interesse an einer fortlaufenden Überwachung des Fertigungsprozesses während dessen Ablaufs, da dieser einen unmittelbaren Einfluß auf die Fertigungsqualität hat.Technological advances also mean more Conditions. This is how early error diagnosis in the Manufacturing technology is becoming increasingly important and it exists a growing interest in ongoing surveillance of the manufacturing process during its course, since this has a direct impact on manufacturing quality.

So ist beispielsweise bei Schleifmaschinen die im Schleif prozeß umgesetzte Schnittleistung ein direktes Maß für die Fertigungsgüte. Versuche, die Schnittleistung durch Messung der Stromaufnahme des Antriebsmotors zu erfassen, brachten jedoch nicht den gewünschten Erfolg. Selbst bei konstanter Drehzahl, d. h. also ohne Einwirkung der Massenträgheits momente, ergaben sich Meßfehler bis zu ±3%. Für die Er fassung der Schnittleistung kommt deshalb nur die Messung mechanischer Größen unmittelbar an der Arbeitsspindel in Betracht. Hierbei spielt das Drehmoment eine entscheidende Rolle, welches über den nahezu konstanten Radius des Schleifwerkzeugs die Schleifkraft als Schleifmoment pro portional wiedergibt. Da das Schleifmoment die Arbeitsspin del auf Torsion beansprucht, bildet die Verwindung der Spin del ein unmittelbares Maß für die Schleifkraft, die durch Messen des zeitlichen Verlaufs des Drehwinkels an zwei axial auseinanderliegenden Stellen der Arbeitsspindel unter Verwendung geeigneter Meßeinrichtungen wie Hall-Sensoren oder dgl. erfaßt und prozeßtechnisch ausgewertet werden kann.For example, in grinding machines it is in grinding Processed cutting performance a direct measure of the Manufacturing quality. Try cutting performance by measuring to record the current consumption of the drive motor but not the desired success. Even with constant Speed, d. H. without the influence of inertia moments, there were measurement errors of up to ± 3%. For the he The cutting performance is therefore only measured mechanical sizes directly on the work spindle in Consider. The torque plays a crucial role here Roll, which over the almost constant radius of the Grinding tool the grinding force as grinding torque per portionally. Since the grinding torque is the working spin del stressed on torsion, forms the twist of the spin del is an immediate measure of the grinding force caused by Measuring the time course of the angle of rotation on two axially apart positions of the work spindle under Use of suitable measuring devices such as Hall sensors or the like. are recorded and evaluated in terms of process technology can.

Für die Genauigkeit der vorbeschriebenen Drehmomentmessung kommt es wesentlich auf die Torsionselastizität der Arbeits spindel zwischen den Meßstellen an. Kurze Spindeln mit gro ßem Durchmesser, wie sie heute zunehmend verwendet werden, haben zwischen ihren Enden nur eine geringe Torsionselasti zität, die eine genaue Erfassung des Drehmoments erschwert und einen entsprechend hohen und damit teueren meßtechni schen Aufwand erfordert.For the accuracy of the torque measurement described above it is essentially the torsional elasticity of the work spindle between the measuring points. Short spindles with large ß diameter, as they are increasingly used today, have little torsional elasticity between their ends tity that makes it difficult to record the torque precisely and a correspondingly high and therefore expensive measuring technology effort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Arbeitsspin del der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie die beiden konträren Forderungen nach einerseits hoher Biege steifigkeit und andererseits ausreichender Torsionselastizi tät zwischen den Meßstellen mit einfachen Mitteln vereinigt und dadurch die Anwendung herkömmlicher Meßeinrichtungen für eine fortlaufende Erfassung des übertragenen Drehmo ments gestattet.The invention has for its object a working pin del of the type mentioned in such a way that they the both contradictory demands for high bending on the one hand rigidity and, on the other hand, sufficient torsional elasticity act united between the measuring points with simple means and thereby the use of conventional measuring devices for a continuous recording of the transmitted torque allowed.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Arbeitsspindel aus einer in axial beabstandeten Lagern ge lagerten, weitgehend biege- und torsionssteifen Hohlwelle und einer von dieser umschlossenen torsionselastischen Zen tralwelle besteht, die am abtriebseitigen Ende drehfest miteinander verbunden sind, wobei das Antriebsmoment über daß aus der Hohlwelle vorstehende freie Ende der Zentral welle eingeleitet wird und die Mittel zur Erzeugung der Impulssignale an den unverbundenen Enden der Wellen angeord net sind.According to the invention this object is achieved in that the Working spindle from a ge in axially spaced bearings stored, largely bending and torsionally rigid hollow shaft and one of these enclosed torsionally elastic Zen tralwelle exists, the rotationally fixed at the output end are connected to each other, the drive torque via that protruding from the hollow shaft free end of the central wave is initiated and the means of generating the Pulse signals arranged at the unconnected ends of the waves are not.

Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, die Welle ohne Inkaufnahme einer Verlängerung gegenüber den bisher verwen deten massiven Wellen in einen biegesteifen äußeren Teil (Hohlwelle) und einen torsionselastischen inneren Teil (Zen tralwelle), über den das Antriebsmoment geleitet wird, auf zuspalten. Da die Biegesteifigkeit vom Flächenträgheitsmo ment des Wellenquerschnitts bestimmt wird, das mit der vier ten Potenz des Radius zunimmt, läßt sich die Biegesteifig keit einer Hohlwelle bei entsprechender Wahl der Wandstärke auf nahezu der gleichen Höhe wie bei einer Vollwelle halten. Demgegenüber braucht die Zentralwelle nur einen solchen Durchmesser zu besitzen, daß sie das Antriebsmoment zur Aufbringung der Bearbeitungskraft zu übertragen vermag. Auslegungskriterium der Zentralwelle ist eine unterkriti sche Dimensionierung dahingehend, daß die Eigenfrequenz des Zwei-Massen-Torsionsschwingers immer über der Anregungsfre quenz liegt. Dadurch wird Rattern verhindert. Da die Hohl welle selbst nicht auf Torsion belastet wird, können die Mittel zur Erzeugung der drehwinkelbezogenen Impulssignale in unmittelbarer Nachbarschaft an den unverbundenen Enden der beiden Wellen angeordnet werden, wodurch Meßfehler durch mechanische oder thermische Verwerfungen zwischen der Arbeitsspindel und stationären Teilen der Meßeinrichtungen ausgeschlossen werden.The invention is based on the basic idea that the shaft without Acceptance of an extension compared to the previously used massive waves in a rigid outer part (Hollow shaft) and a torsionally elastic inner part (Zen tralwelle) over which the drive torque is conducted split up. Since the bending stiffness from the area of inertia ment of the wave cross section is determined, which with the four ten power of the radius increases, the bending stiffness speed of a hollow shaft with appropriate choice of wall thickness hold at almost the same height as a solid wave. In contrast, the central shaft only needs one To have diameter that they have the drive torque Ability to transfer the processing force. The design criterion of the central shaft is a subcritical cal dimensioning in that the natural frequency of the Two-mass torsion transducers always above the excitation frequency quenz lies. This prevents chattering. Because the hollow shaft itself is not subjected to torsion, the Means for generating the angle-related pulse signals in the immediate vicinity at the unconnected ends of the two shafts are arranged, causing measurement errors due to mechanical or thermal faults between the Work spindle and stationary parts of the measuring devices be excluded.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements of the invention result from the subclaims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. An embodiment of the invention is shown below in Connection explained in more detail with the drawing.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Längsschnitt eine Schleifmaschine mit einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 10, in welchem eine in ihrer Gesamtheit mit 12 be zeichnete Arbeitsspindel mit Hilfe von Kugellagern 14, 16, 18 gelagert ist. Zwischen den Kugellagern 14 und 16, 18 ist eine Distanzhülse 20 zur Schaffung des für die Übertra gung der Schleifanpreßkraft auf das Gehäuse 10 erforderli chen Lagerabstandes angeordnet. Ein Flanschring 22 spannt die Lager 14, 16, 18 über die Distanzhülse 20 vor, schließt das werkzeugseitige Ende des Gehäuses 10 ab und hält die Ar beitsspindel 12 mit den vorgenannten Lagerteilen in Stel lung. Eine im Flanschring 22 angeordnete Dichtung 24 ver hindert das Eindringen von Schleifstaub und sonstigen Ver schmutzungen in das Gehäuse 10.The single figure of the drawing shows in longitudinal section a grinding machine with a substantially cylindrical housing 10 , in which a work spindle in its entirety with 12 be marked with the help of ball bearings 14 , 16 , 18 is mounted. Between the ball bearings 14 and 16 , 18 , a spacer sleeve 20 is arranged to create the transmission spacing required for the transmission of the grinding contact pressure on the housing 10 . A flange ring 22 biases the bearings 14 , 16 , 18 through the spacer sleeve 20 , closes the tool-side end of the housing 10 and holds the spindle 12 Ar with the aforementioned bearing parts in Stel development. A arranged in the flange ring 22 seal 24 prevents the ingress of grinding dust and other Ver dirt in the housing 10th

Das aus dem Gehäuse 10 durch den Flanschring 22 herausragen de Ende 25 der Arbeitsspindel 12 ist kegelstumpfförmig aus gebildet und nimmt eine mit einer entsprechenden Bohrung versehene Schleifscheibe 26 auf, die mittels einer Schraube 28 auf der Arbeitsspindel reibschlüssig befestigt ist.The protruding from the housing 10 through the flange ring 22 de end 25 of the work spindle 12 is frustoconical and takes a grinding wheel provided with a corresponding bore 26 which is frictionally attached to the work spindle by means of a screw 28 .

Am anderen Ende des Gehäuses 10, das bei 30 flanschartig erweitert ist, befindet sich der Antriebsmotor 32 der Schleifmaschine. Der Antriebsmotor 32 ist ein elektrischer Induktionsmotor, dessen das Ständerblechpaket 34 und die Ständerwicklung 36 enthaltendes Gehäuse 38 an der Erweite rung 30 des Maschinengehäuses 10 festgeschraubt ist. Der Läufer 39 des Motors 32 ist als Kurzschlußläufer ausgebil det und mit seiner Motorwelle 40 in einem Kugellager 42 in der Stirnwand des Motorgehäuses 38 gelagert.At the other end of the housing 10 , which is expanded at 30 like a flange, is the drive motor 32 of the grinding machine. The drive motor 32 is an electric induction motor, of which the stator core 34 and the stator winding 36 containing housing 38 is screwed onto the extension 30 of the machine housing 10 . The rotor 39 of the motor 32 is ausgebil det as a short-circuit rotor and mounted with its motor shaft 40 in a ball bearing 42 in the end wall of the motor housing 38 .

Die Motorwelle 40 bildet mit der Arbeitsspindel 12 in nach stehend beschriebener Weise eine Einheit und treibt die Schleifscheibe 26 unmittelbar an.The motor shaft 40 forms a unit with the work spindle 12 in the manner described below and drives the grinding wheel 26 directly.

In Übereinstimmung mit der Erfindung besteht die Antriebs spindel 12 aus einer Außenwelle 44, die durch eine vom mo torseitigen Ende ausgehende Sackbohrung 46 im Bereich des Maschinengehäuses 10 als Hohlwelle ausgebildet ist, und einer in die Bohrung 46 ragenden zentralen Welle 48, die von einem Ansatz der Motorwelle 40 gebildet ist. Die zen trale Welle 48 ist mit einem verdickten Kopf 50 in eine Verengung 52 am inneren Ende der Sackbohrung 46 eingepreßt und mit einem etwa gleichdicken Bund 54, der unmittelbar an die Motorwelle 40 anschließt, durch ein Nadellager 56 in der Hohlwelle 44 gelagert. Dadurch wird eine radiale Zwischenabstützung der zentralen Welle 48 bzw. der damit einstückigen Motorwelle 40 erhalten, um ein eventuelles radiales Ausschlagen dieser Welleneinheit aufgrund der ge ringen Biegesteifigkeit der zentralen Welle 48 zu verhin dern. Eine Dichtung 57 schützt das Nadellager gegen Ver schmutzung.In accordance with the invention, the drive spindle 12 consists of an outer shaft 44 which is formed by a blind bore 46 extending from the motor-side end in the area of the machine housing 10 as a hollow shaft, and a central shaft 48 projecting into the bore 46 , which is of an approach the motor shaft 40 is formed. The central shaft 48 is pressed with a thickened head 50 into a constriction 52 at the inner end of the blind bore 46 and with an approximately equally thick collar 54 , which directly adjoins the motor shaft 40 , is supported by a needle bearing 56 in the hollow shaft 44 . As a result, a radial intermediate support of the central shaft 48 or the motor shaft 40 integral therewith is obtained in order to prevent a possible radial deflection of this shaft unit due to the low bending rigidity of the central shaft 48 . A seal 57 protects the needle bearing against contamination.

Die zentrale Welle 48 ist aufgrund ihres geringen Durchmes sers in hohem Maße torsionselastisch und wird sich im Be trieb unter dem Antriebsmoment des Induktionsmotors 32 pro portional zu diesem verwinden. Zur Messung dieser Verwin dung trägt die Hohlwelle 44 an ihrem offenen Ende einen an einer flanschartigen Vergrößerung 58 ausgebildeten ersten Zahnkranz 60. Ein zweiter Zahnkranz 62 ist an einem Ring 64 ausgebildet, der auf die Welleneinheit 40, 48 im Bereich der Motorwelle 40 axial unmittelbar neben dem Zahn kranz 60 aufgeschoben ist. Beide Zahnkränze 60, 62 haben denselben Durchmesser und dieselbe Zahnteilung und können im Stillstand bzw. im Leerlauf des Induktionsmotors 32 um eine Viertel-Zahnteilung in Umfangsrichtung versetzt sein.The central shaft 48 is due to its small diam sers to a high degree torsionally elastic and will be in operation under the drive torque of the induction motor 32 proportional to this. To measure this torsion, the hollow shaft 44 carries at its open end a first ring gear 60 formed on a flange-like enlargement 58 . A second ring gear 62 is formed on a ring 64 which is axially pushed onto the shaft unit 40, 48 in the region of the motor shaft 40 immediately adjacent to the ring gear 60th Both ring gears 60 , 62 have the same diameter and the same tooth pitch and can be offset by a quarter tooth pitch in the circumferential direction when the induction motor 32 is at a standstill or idling.

Den Zahnkränzen 60, 62 sind im Gehäuseteil 30 angeordnete Meßwertgeber 66 bzw. 68 zugeordnet, die von den Zahnkränzen 60, 62 bei deren Drehung berührungslos beeinflußt werden und elektrische Impulssignale erzeugen, die über Anschluß drähte 70, 72 einer nicht gezeigten Überwachungs- und Steu ereinrichtung zugeführt werden. Die Meßwertgeber 66, 68 können mit Vorteil als Hall-Sensoren ausgebildet sein, de ren Impulssignale bei unbelasteter und gleichförmig drehen der Schleifmaschine einen bestimmten Phasenabstand zuein ander wie beispielsweise eine Phasenverschiebung von 90° bei dem oben erwähnten Versatz der Verzahnungen 60, 62 um eine Viertel-Zahnteilung aufweist. Wird die Schleifscheibe belastet, verwindet sich proportional der Höhe des übertra genen Drehmoments die zentrale Welle 48, und der Phasenab stand zwischen den Meßwertgeber 66, 68 wird entsprechend verschoben und kann in der Überwachungs- und Steuereinrich tung auf bekannte Weise zur Bestimmung des Drehmoments her angezogen werden.The gear rings 60 , 62 arranged in the housing part 30 are assigned sensors 66 and 68 , which are influenced by the gear rings 60 , 62 during their rotation without contact and generate electrical pulse signals, the wires 70 , 72 of a monitoring and control device (not shown) are fed. The transducers 66 , 68 can advantageously be designed as Hall sensors, de ren pulse signals with unloaded and uniformly rotate the grinding machine a certain phase distance to each other, such as a phase shift of 90 ° with the above-mentioned offset of the teeth 60 , 62 by a quarter - tooth pitch. If the grinding wheel is loaded, the central shaft 48 twists proportionally to the amount of the transmitted torque, and the phase spacing between the sensors 66 , 68 is shifted accordingly and can be tightened in the monitoring and control device in a known manner to determine the torque will.

Eine Schaltungsanordnung zur Auswertung der Impulssignale der Meßwertgeber 60, 62 ist beispielsweise aus der DE-OS 35 09 763 bekannt.A circuit arrangement for evaluating the pulse signals of the transducers 60 , 62 is known for example from DE-OS 35 09 763.

Die vorbeschriebene Schleifmaschine mit der erfindungsge mäß ausgebildeten Arbeitsspindel läßt sich mit besonderem Vorteil für eine selbstanpassende Regelung der Schleiflei stung beim Schleifen der Umfangskanten von unrunden Platten wie beispielsweise den Fensterscheiben von Kraftfahrzeugen anwenden, wenn einerseits die Schleifleistung durch ent sprechende Steuerung des Vorschubs konstant hochgehalten und auf der anderen Seite Überlastungen der Schleifscheibe mit der Gefahr ihrer Zerstörung durch Überhitzung des die Diamanten enthaltenden Einbettungsmaterials verhindert wer den soll.The grinding machine described above with the fiction According to the trained work spindle, special Advantage for a self-adapting regulation of the grinding line when grinding the peripheral edges of non-circular plates such as the window panes of motor vehicles apply if on the one hand the grinding performance by ent speaking control of the feed held up constantly and on the other hand overloading the grinding wheel with the risk of their destruction by overheating the Embedding material containing diamonds is prevented that should.

Claims

1. Work spindle for high bending stress, which carries means for the generation of rotation angle-related pulse signals at two axially spaced locations, de ren torsion-dependent phase shift can be used as a measure of the transmitted torque, characterized in that the work spindle ( 12 ) from an axially spaced Bearings ( 14 , 16/18 ) mounted, largely bend- and torsionsstei fen hollow shaft ( 44 ) and one of these enclosed torsionally elastic central shaft ( 48 ) which are rotatably connected to each other at the output end, the drive torque via the le from the Hohlwel ( 44 ) projecting free end ( 40 ) of the central shaft ( 48 ) is introduced and the means for generating the pulse signals ( 60 , 62 , 66 , 68 ) are arranged at the unconnected ends of the shafts ( 44 , 48 ).

2. Working spindle according to claim 1, characterized in that the central shaft ( 48 ) is designed as a solid shaft.

3. Working spindle according to claim 2, characterized in that the central shaft ( 48 ) within the hollow shaft ( 44 ) has a section weakened in diameter.

4. Working spindle according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow shaft ( 44 ) is formed by a part with a central bore ( 46 ) part of a solid shaft, de ren output side end ( 25 ) solid and with a seat for attaching a Tool ( 26 ) is provided, and that the central shaft ( 48 ) in an Endab section ( 52 ) of the central bore ( 46 ) of the hollow shaft ( 44 ) is pressed.

5. Working spindle according to one of the preceding claims, characterized in that the central shaft ( 48 ) in the hollow shaft ( 44 ) is mounted at its free end.

6. Working spindle according to claim 5, characterized in that a needle bearing ( 56 ) is arranged for mounting the central shaft ( 48 ) in the hollow shaft ( 44 ).

7. Working spindle according to claim 5, characterized ge indicates that for storing the Zen tralwelle in the hollow shaft a dry lubricated Plain bearing is provided.

8. Working spindle according to one of the preceding claims, characterized in that the means for generating the pulse signals are gear rings ( 60 , 62 ) which work together with stationary sensors ( 66 , 68 ) which can be influenced in a contactless manner.

9. Working spindle according to claim 8, characterized in that the sensors ( 66 , 68 ) are Hall sensors.

10. Working spindle according to claim 8 or 9, characterized in that the free end ( 58 ) of the hollow shaft ( 44 ) itself is ausgebil det as a ring gear ( 60 ), while the other ring gear ( 62 ) is a separate ring part ( 64 ), which on the projecting part ( 40 ) of the central shaft ( 48 ) rotatably applied, in particular shrinked special.