DE3918914C2 - Kompensierter Rotationsapparat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kompensierten Rotationsapparat nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Rota­ tionsapparat erlaubt eine Ausbalancierung rotierender Kör­ per, die veränderliche Massenschwerpunkte aufweisen. Der er­ findungsgemäße Rotationsapparat ist insbesondere für die Ausrüstung von und Anwendung an Werkzeugmaschinen bestimmt.

Die ständige Forderung nach höherer Produktivität und größerer Genauigkeit bringt schwierige Probleme für den Werk­ zeugmaschinenbau mit sich. Weil für moderne formgebende Werkzeugmaschinen hohe Geschwindigkeiten gefordert werden, müssen die Werkzeugköpfe exakt ausbalanciert sein. Nicht­ ausbalancierte Zustände verursachen Fehler und Unregelmäßig­ keiten an der Werkstückgeometrie. Wenn Bohrungen mit sich ändernden Öffnungsweiten oder andere geneigte Drehflächen mit (formgebenden) Werkzeugköpfen geschnitten werden, dann erfordert der sich ändernde Abstand des Schneidwerkzeuges und des Werkzeugschiebers von der Rotationsachse die Anwen­ dung einer sich entsprechend ändernden Ausbalancierungs­ kraft.

Die Schwierigkeiten hinsichtlich der Ausbalancierung werden noch verstärkt, wenn die Formgebung bzw. Profilierung mit vergleichsweise kleinen Werkzeugköpfen durchgeführt wird. In vielen Fällen verursacht das kleine Gehäuse, das für die Werkzeugköpfe zur Bearbeitung bestimmter Werkstücke gefor­ dert wird, erhebliche Schwierigkeiten zur Unterbringung aus­ reichender Massen, um in geeigneter Form eine Ausbalancie­ rung des Schneidwerkzeugs und des Schiebers zu gewährlei­ sten. Diese Probleme werden dort ganz besonders zugespitzt, wo die formgebenden Werkzeugköpfe relativ große Verschie­ bungsbewegungen bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten aus­ führen.

Ein kompensierter Rotationsapparat gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus der U.S.-Patentschrift 45 77 535 be­ kannt. Diese Druckschrift betrifft eine formgebende Werk­ zeugmaschine mit einem Werkzeugkopf, der einen in radialer Richtung verstellbaren Schieber aufweist. Im einzelnen be­ findet sich innerhalb des Werkzeugkopfes eine Hülse, die eine Spindel umfaßt, wobei der Werkzeugkopf an einem Ende der Hülse angelenkt ist. Die Spindel kann in einer axialen Richtung auf den Werkzeugkopf zu und von diesem weg bewegt werden. Ein innerhalb des Werkzeugkopfes untergebrachter Schieber kann in zur Spindelbewegungsrichtung vertikalen Ebene (radiale Richtung) verstellt werden. An diesem Schie­ ber ist ein Schneidwerkzeug angebracht. Die Bewegungen und Positionen von Spindel und Schieber sind miteinander gekop­ pelt, um einen Ausgleich von Massekräften bei der Bewegung des Werkzeugkopfes herbeizuführen. Zu diesem Zweck sind zwei Ausgleichsgewichte vorhanden, die verschieblich an je einem Führungsstab geführt und außerhalb und im Abstand zum ra­ dial verschieblichen Schieber angeordnet sind. Diese Aus­ gleichsgewichte werden synchron mit und in der entgegenge­ setzten Richtung zu dem Schieber hin- und herbewegt. Auch der Antrieb zur Gewährleistung dieser Verstellung der Aus­ gleichsgewichte erfordert eine vom Schieber räumlich ge­ trennte Anordnung der Ausgleichsgewichte.

Beim bekannten Rotationsapparat erfolgt die Verstellung des Schiebers mit Hilfe einer Welle, auf der ein Zahnrad sitzt, das mit einer Zahnstange kämmt, die fest mit dem Schieber verbunden ist. Auf der nämlichen Welle sitzen weitere Zahn­ räder, die mit einer Zahnstange kämmen, die mit den Aus­ gleichsgewichten verbunden ist. Aufgrund dieser Anordnung wird für jede schrittweise Verstellung des Schiebers längs der X-Achse eine gleiche und entgegengesetzte Verstellung der Ausgleichsgewichte längs der X-Achse hervorgerufen.

Ersichtlich steht innerhalb des Gehäuses eines solchen Ro­ tationsapparates nur wenig Platz zur Verfügung, und der Schieber soll innerhalb des Gehäuses eine axiale Verstellung von einem Gehäuseende zum anderen Gehäuseende durchführen. Notgedrungen bleibt innerhalb der Ebene der Schieberbewe­ gung kein Raum für die Anordnung der Ausgleichsgewichte und deren Antrieb.

Ausgehend von einem kompensierten Rotationsapparat mit den oben angegebenen Merkmalen besteht das technische Problem (Aufgabe) der vorliegenden Erfindung darin, innerhalb eines Rotationsapparat-Gehäuses mit relativ kleinen Gehäuseabmes­ sungen eine relativ große Schieberverstellung zu ermöglichen und dabei bei allen Schieberstellungen und Rotationsge­ schwindigkeiten eine Ausbalancierung der vom Schieber verur­ sachten Momente im wesentlichen in der gleichen Ebene zu ge­ währleisten, in welcher die Schieberverstellung erfolgt.

Ausgehend von einem kompensierten Rotationsapparat, insbesondere für Werkzeugmaschinen, mit

• - einem Gehäuse, das eine Rotation um eine Mittelache ausführen kann;
• - einem im Gehäuse befindlichen Schieber, der in einer zur Mittelachse senkrechten Ebene eine auf die Mit­ telachse zu und von dieser weg führende Hin- und Her­ bewegung ausführen kann;
• - einer im Gehäuse hin- und herbewegbar angeordneten Ausgleichsgewichtseinrichtung, die wenigstens ein Ausgleichsgewichtsstück aufweist;
• - einer ausschließlich innerhalb des Gehäuses befestig­ ten Kompensationseinrichtung,
  • - die den Schieber direkt mit der Ausgleichsgewichts­ einrichtung verbindet,
  • - die direkt durch die Hin- und Herbewegung des Schiebers angetrieben wird, und
  • - welche die Ausgleichsgewichtseinrichtung synchron mit und in der entgegengesetzten Richtung zu dem Schieber hin- und herbewegt und dabei einen Aus­ gleich zu der auf die Mittelachse zu und von dieser weg gerichteten Hin- und Herbewegung des Schiebers herbeiführt.

Ist die erfindungsgemäße Lösung des vor stehend genannten technischen Problems dadurch gekennzeichnet, daß
innerhalb des Schiebers wenigstens ein Hohlraum ausgebildet ist; und
das Ausgleichsgewichtstück wenigstens teilweise innerhalb dieses Hohlraumes verschieblich angeordnet ist, damit das Ausgleichsgewichtstück wenigstens teilweise eine Hin- und Herbewegung innerhalb des Schiebers ausführt, wenn dieser seine Hin- und Herbewegung innerhalb des Gehäuses ausführt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ohne auf diese Anwendung beschränkt zu sein, wird der erfin­ dungsgemäße kompensierte Rotationsapparat nachstehend in Zu­ sammenhang mit der dynamisch kompensierenden Ausbalancierung der Massekräfte an einem rotierenden Werkzeugkopf einer Werkzeugmaschine erläutert.

Der mit der vorliegenden Erfindung bereitgestellte kompen­ sierte Rotationsapparat kann im Formgebungskopf einer Werk­ zeugmaschine verwirklicht werden, der eine Rotation um eine Mittelachse ausführt. Dieser Werkzeugkopf kann an einer ro­ tierenden Hülse eines üblichen Spindelstockes befestigt sein. Der Werkzeugkopf weist ein Gehäuse auf, das in der Hülse geführt und an dieser befestigt ist. Das Gehäuse weist einen im wesentlichen T-förmigen Kanal bzw. Durchlaß auf, durch welchen ein Schieber in Richtungen radial zur Mittel­ achse hin- und herbewegbar ist. An diesem Schieber ist ein Schneidwerkzeug befestigt.

Zur Durchführung dieser radialen Verschiebungsbewegung von Schieber und Schneidwerkzeug weist der Werkzeugkopf einen Mechanismus auf, der von einer Spindel angetrieben wird, die innerhalb der Hülse untergebracht ist. Die Spindel führt längs der Mittelachse eine Hin- und Herbewegung unter der Steuerung einer üblichen numerischen Werkzeugmaschinen­ steuerung durch. Der Antriebsmechanismus zwischen der Spind­ del und dem Werkzeugkopfschieber kann vorzugsweise ein spielfreier Antrieb sein, etwa mit Hilfe eines auf ziehbaren Getriebezuges, wie das in der Fachwelt bekannt ist. Die Hin- und Herbewegung der Spindel innerhalb der rotierenden Hülse erzeugt entsprechende Radialverschiebungsbewegungen von Schieber und Werkzeugkopf, um den Durchmesser oder das Pro­ fil eines Werkstückes zu verändern, das von dem Werkzeug­ kopf maschinell bearbeitet werden soll.

Zum Ausgleich bzw. zur Kompensierung der sich ändernden radialen Position des Schiebers und des Werkzeugkopfes im Verlauf des Bearbeitungsvorganges weist der Werkzeugkopf ein Ausgleichsgewicht auf, das innerhalb hohler Abschnitte von Werkzeugkopfschieber und Gehäuse untergebracht ist. Das Ausgleichsgewicht führt eine parallele Hin- und Herbewegung jedoch in der entgegengesetzten Richtung und im wesentli­ chen in der gleichen Ebene wie der Schieber aus. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die entgegengesetzte Hin- und Herbewegung des Ausgleichsgewichtes bezüglich des Schie­ bers von einem Ausbalanciersystem durchgeführt, zu dem we­ nigstens zwei Druckmittelzylinder gehören, deren entspre­ chende Gehäuse an dem Werkzeugkopfgehäuse befestigt sind. Die Kolbenstange des einen Zylinders ist mit dem Schieber verbunden. Die Kolbenstange des anderen, zweiten Zylinders ist mit dem Ausgleichsgewicht verbunden. Die Kolbenseite des ersten oder Schieberzylinders ist über eine Leitung mit der Kolbenseite des zweiten Zylinders verbunden, und eine vor­ gegebene Menge eines nicht-kompressiblen Druckmittels ist zwischen den beiden Zylindern eingeschlossen. Es ist nicht erforderlich, daß sich Druckmittel auf der Kolbenstangen­ seite an jedem Zylinder befindet.

Das Ausgleichsgewicht und der Schieber sind so ausgebildet, daß ihre jeweiligen Massenschwerpunkte sich in radialer Richtung auf gegenüberliegenden Seiten der Mittelachse der Rotation befinden - bei einem Blick in Längsrichtung längs der Mittelachse -, unabhängig von den relativen Positionen von Schieber und Ausgleichsgewicht innerhalb des Werkzeug­ kopfgehäuses. Weiterhin befindet sich der Ausgleichsge­ wicht-Massenschwerpunkt zwischen der Mittelachse und dem zweiten oder Ausgleichsgewichtszylinder. Folglich übt, wenn der Werkzeugkopf um die Mittelachse rotiert, das Ausgleichs­ gewicht eine Zentrifugalkraft auf das Druckmittel in dem zweiten Zylinder aus, wodurch ein Druck auf die Kolben in beiden Zylindern erzeugt wird. Weil der Schieber unter einer numerischen Steuerung steht, hat der Druck in den Zylindern keine Auswirkung auf die Schieberposition.

Wird der Schieber durch die numerisch gesteuerte Spindel innerhalb des Gehäuses in radialer Richtung bewegt, so wird der Kolben im ersten Zylinder um einen gleichen Betrag ver­ stellt. Das zwischen den beiden Zylindern eingeschlossene Druckmittel strömt zwischen den entsprechenden Kolbenenden, um den Kolben im zweiten Zylinder, um einen entsprechenden Betrag bzw. Abstand zu verstellen, der proportional der Ver­ schiebebewegung von Schieber und Kolben im ersten Zylinder ist. Die beiden Zylinder sind innerhalb des Gehäuses so an­ geordnet, daß sich das Ausgleichsgewicht in einer Richtung entgegengesetzt zum Schieber bewegt. Der von der Zentrifu­ galkraft des Gegengewichtes auf das Druckmittel im zweiten Zylinder erzeugte Druck hält beide Zylinder in ausreichendem Umfang voller Druckmittel, wenn der Schieber sich in einer Richtung von dem ersten Zylinder weg bewegt. Das heißt, der Schieber und der Kolben im ersten Zylinder wirken als eine Pumpe, welche den Kolben des zweiten Zylinders und das Aus­ gleichsgewicht führt und verstellt, um eine Ausbalancierung für den sich radial verschiebenden Schieber und den Werk­ zeugkopf durchzuführen.

Wegen der räumlichen Beschränkungen innerhalb der handelsüb­ lich erhältlichen formgebenden Werkzeugköpfe weist das Aus­ gleichsgewicht einige Komponenten auf, die vorzugsweise aus einem Material hoher Dichte bestehen. Weiterhin ist die Aus­ gleichsgewichtsmasse vorzugsweise größer als die Masse von Schieber und Werkzeughalter. Demzufolge muß die Verschiebe­ bewegung des Ausgleichsgewichtes nicht genauso groß sein, wie die entsprechende Verschiebebewegung des Schiebers, um den Schieber ausreichend auszubalancieren. Weiterhin können die relativen Verschiebebewegungen von Schieber und Aus­ gleichsgewicht auf ein von Eins abweichendes Verhältnis ein­ gestellt werden, indem für die Zylinder ungleichmäßige Quer­ schnittsflächen vorgesehen werden.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann der kompensierte Rotationsapparat in einer dynamischen Art und Weise kompensiert sein, um außerhalb der Balance bzw. des Gleichgewichtszustandes befindliche Zustände zu korrigieren, ohne daß der Schieber bewegt werden muß. Leichte, jedoch schädliche Ungleichgewichte können entstehen durch Veränderungen oder Ungenauigkeiten in den angenommenen Anordnungen der Massen der verschiedenen rotierenden Teile, wie etwa des Schneidwerkzeuges oder in der Dimensionierung des Schieberzylinders und des Ausgleichsgewichtzylinders. Um eine dynamische Kompensierung zur realisieren, sieht die vorliegende Erfindung einen dritten Hydraulikzylinder vor. Der dritte oder dynamisch kompensierende Zylinder kann ein einfach wirkender Zylinder sein, dessen Druckmittel ledig­ lich auf das Kolbenende wirkt. Das Kolbenende des dritten Zylinders befindet sich innerhalb des Werkzeugkopfgehäuses, und das im dritten Zylinder befindliche Druckmittel ist in einem geschlossenen System an das Druckmittel des ersten Zylinders und des zweiten Zylinders angeschlossen. Das heißt, eine vorgegebene Menge Druckmittel ist in den drei Zylindern und in den Leitungen zwischen diesen Zylindern eingeschlossen.

Die Kolbenstange des dritten Zylinders ist mit einem Kom­ pensationsring verbunden, der an der Spindelstockhülse ge­ führt ist und gemeinsam mit dieser Hülse rotiert. Der Kom­ pensationsring ist bezüglich der Hülse und des Werkzeug­ kopfgehäuses hin- und herbewegbar angeordnet. Eine Hin- und Herbewegung des Ringes an der Hülse verstellt die Kolben des dritten Zylinders relativ zu dem Werkezugkopfgehäuse. Eine Verstellung des Kolbens des dritten Zylinders verändert die Menge des im Kolbenende des dritten Zylinders vorhandenen Druckmittels. Die durch das rotierende Ausgleichsgewicht erzeugte und auf den zweiten Zylinder wirkende Zentrifugal­ kraft erzeugt einen Druck, der auf das eingeschlossene Druckmittel wirkt. Der Druckmitteldruck gewährleistet, daß das Kolbenende des dritten Zylinders stets mit Druckmittel gefüllt ist, wenn der Kompensationsring eine Hin- und Her­ bewegung des Kolbens des dritten Zylinders ausführt. Weil der Schieber unter einer numerischen Steuerung steht, ver­ ändert der Kolben des ersten Zylinder seine Stellung nicht, bei Änderungen des Druckmittels innerhalb des zweiten Zylinders und innerhalb des dritten Zylinders. Auf diese Weise werden nicht-ausbalancierte Zustände innerhalb der von den Abmessungen her gegebenen Möglichkeiten des Ausbalan­ ciersystemes kompensiert, ohne daß gleichzeitig eine Ver­ schiebung des Schiebers stattfindet. Um eine konzentrierte Krafteinwirkung auf den Kompensationsring an dessen Ver­ bindungsstelle mit dem dritten Zylinder zu vermeiden, wenn der Kompensationsring axial verstellt wird, ist vorzugs­ weise vorgesehen, daß drei oder mehr Zylinder angenähert in gleichem Abstand zueinander um den Umfang des Kompensations­ ringes und des Gehäuses herum angeordnet sind.

Die Hin- und Herbewegung des Kompensationsringes kann mit Hilfe eines Gewindeteiles vorgenommen werden, das fest am Spindelstock angebracht ist. Hierzu weist ein Kranz Ge­ windegänge auf, welche in die Gewindegänge an dem ring­ förmigen Gewindeteil eingreifen. Der Kranz ist mit einer Getriebeverzahnung versehen, welche über einen geeigneten Antriebszug mit einem Servomotor verbunden ist. Eine Be­ tätigung des Servomotors verursacht eine Rotation des Kranzes relativ zu dem Spindelstock und relativ zu dem ringförmigen Gewindeteil, wodurch der Kranz in axialer Richtung relativ zu dem Spindelstock verstellt wird. Der Kompensationsring ist über ein Gegenlager mit dem Kranz gekoppelt, so daß der Kompensationsring gemeinsam mit dem Kranz in axialer Richtung verstellt wird. Demzufolge ver­ ursacht eine Betätigung des Servomotors eine Rotation des Kranzes relativ zu dem Spindelstock, und mit Hilfe des Gewindes erfolgt eine axiale Verstellung des Kranzes des Kompensationsringes und der Kolben aller dritten Zylinder, um die radiale Position des Ausgleichsgewichtes zu ver­ ändern, ohne daß eine Verstellung des Schiebers des form­ gebenden Werkzeugkopfes erfolgt. Das Gegenlager zwischen dem Kranz und dem Kompensationsring erlaubt eine relative Rota­ tion zwischen diesen beiden Teilen unter der Wirkung des Servomotors.

Zur Regelung des Servomotors zur Ausführung der dynamischen Ausbalancierung des erfindungsgemäßen kompensierten Rota­ tionsapparates kann am Spindelstock der Werkzeugmaschine ein Beschleunigungsmesser bekannter Art befestigt sein. Der Be­ schleunigungsmesser ist innerhalb einer Steuerschaltung vor­ gesehen, um nicht ausbalancierte Kräfte in wenigstens einer Ebene der größten Spindelstock-Nachgiebigkeit zu erfassen. Die vom Beschleunigungsmesser erzeugten Signale werden durch ein Nachlauffilter geschickt, das alle Frequenzen beseitigt, welche nicht die Spindelgeschwindigkeit betreffen. Das ge­ filterte Signal wird daraufhin zur Regelung des Servomotors verwendet. Dies hat zur Folge, daß der dynamisch kompensie­ rende Rotationsapparat lediglich solche Schwingungen kompen­ siert, welche die gleiche Frequenz haben wie die Spindel­ rotation und die Schwingungen in derjenigen Spindelstock­ ebene erzeugen, welche die maximale Nachgiebigkeit aufweist.

Weitere Vorteile, Vorzüge und Besonderheiten der vorliegen­ den Erfindung ergeben sich für Fachleute aus dem Studium der nachstehenden detaillierten Beschreibung. Nachstehend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; die letzteren zeigen:

Fig. 1 in einer Seitenansicht eine typische Werk­ zeugmaschine, an welcher ein erfindungsge­ mäßer dynamisch kompensierender Rotations­ apparat vorgesehen ist;

Fig. 2 eine Darstellung längs der Linie 2-2 aus Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung längs der Linie 3-3 aus Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch die Mittelachse der Rotation des formgebenden Werkzeugkopfes;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung längs der Linie 5-5 aus Fig. 4;

Fig. 6 eine Schnittdarstellung längs der Linie 6-6 aus Fig. 4;

Fig. 7 eine Schnittdarstellung längs der Linie 7-7 aus Fig. 4;

Fig. 8 anhand einer Darstellung, teilweise gebrochen und teilweise im Schnitt den Mechanismus zur Erzeugung der dynamischen Kompensation für den erfindungsgemäßen Rotationsapparat; und

Fig. 9 anhand eines Blockdiagrammes die Regelung der dynamisch kompensierenden Ausbalancierung am erfindungsgemäßen Rotationsapparat.

Die Fig. 1 zeigt mit der Bezugsziffer 1 einen formgebenden Werkzeugkopf, der erfindungsgemäß ausgestaltet ist. Dieser Werkzeugkopf 1 befindet sich an einem Spindelstock 3 einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine 5. Jedoch ist zu be­ achten, daß die Erfindung nicht auf die Anwendung an Werk­ zeugmaschinen beschränkt ist.

Zu der Werkzeugmaschine 5 gehört ein Bett 7, das mit Hilfe von nivellierbaren Stempeln 11 auf einem Fundament 9 be­ festigt ist. An diesem Bett 7 ist eine aufrecht stehende Säule 13 befestigt. Die Säule 13 ist mit vertikal ausge­ richteten Führungen 15 versehen, um die Hin- und Herbewegung des Spindelstockes 3 längs einer Y-Achse zu führen. Die Füh­ rungsflächen der Säule 13 definieren eine vertikale Ebene.

Am Bett 7 ist ein Sattel 17 derart angebracht, daß er eine Hin- und Herbewegung in ersten horizontalen Richtungen längs einer W-Achse ausführen kann, die parallel zu der durch die Führungsflächen 15 der Säule 13 definierten Ebene ausgerich­ tet ist. Der Sattel 17 weist Führungen für die hin- und her­ bewegbare Halterung und Führung eines Tisches 19 auf. Die Bewegung des Tisches 19 erfolgt in horizontalen Richtungen längs einer X-Achse senkrecht zu den Bewegungen des Sattels 17.

Ein Werkstück 21 kann direkt am Werkzeugmaschinentisch 19 befestigt werden. Alternativ kann, wie das in Fig. 1 darge­ stellt ist, das Werkstück 21 an einer Einspannvorrichtung 23 gehalten sein, etwa einem Drehtisch oder an einer Wechsel­ palette, wie das in der Fachwelt bekannt ist. Das Werkstück 21 ist mit einer repräsentativen, sich konisch verjüngenden Kegelstumpf-Mantelfläche 25 dargestellt, die sich um eine horizontale Achse 27 herum erstreckt und mit dem Werkzeug 5 bearbeitet werden soll. Im vorliegenden Falle ist die Fläche 25 als Bohrung dargestellt; für Fachleute ist jedoch er­ sichtlich, daß auch außenliegende Umlaufflächen in gleicher Weise unter Anwendung der vorliegenden Erfindung maschinell bearbeitbar sind.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist im Spindelstock 3 eine Hülse 37 gehalten, die um eine Mittelachse 31 rotieren kann. Diese Mittelachse 31 definiert eine Z-Achse. Mit Hilfe von Lagern 39 ist die Hülse 37 in dem Spindelstock 3 gelagert. Eine Drehbewegung der Hülse 37 wird durch ein großes Antriebs­ zahnrad 41 hervorgerufen, das damit verkeilt ist. Das An­ triebszahnrad 41 kämmt mit einem geeigneten (nicht darge­ stellten) Antriebszug, der seinerseits von einem Motor 43 angetrieben wird (vgl. Fig. 1).

Der formgebende Werkzeugkopf

Die maschinelle Bearbeitung der Werkstückbohrung 25 erfolgt durch einen formgebenden Werkzeugkopf, der so an den Spin­ delstock 3 befestigt ist, daß er eine Drehung um die Mittel­ achse 31 ausführen kann. Zum Werkzeugkopf 1 gehört ein Schneidwerkzeug 29, das an einer Schneidwerkzeughalterung 32 befestigt ist. Diese Schneidwerkzeughalterung 32 ist wieder­ um an einem Schieber 33 befestigt. Wie auch aus Fig. 2 er­ sichtlich, ist der Schieber 33 in einer zur Mittelachse 31 senkrechten Ebene hin- und herbewegbar innerhalb eines Ge­ häuses 35 angeordnet. Die Hin- und Herbewegung des Schiebers 33 erfolgt in den Richtungen des Pfeiles 34 zwischen einem offenen Gehäuseende 36 und einem geschlossenen Gehäuseende 38. Die Hin- und Herbewegung des Schiebers 33 wird von einer Einrichtung hervorgerufen, deren Mechanismus nachstehend beschrieben wird.

Zur drehbaren Halterung des formgebenden Werkzeugkopfes an dem Spindelstock 3 ist das Werkzeugkopfgehäuse 35 an der Spindelstockhülse 37 befestigt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weist das Werkzeugkopfgehäuse 35 einen Führungszapfen (Pilot) 45 auf, der genau in eine Bohrung in der Hülse 37 paßt. Mit Hilfe von Schrauben 47 ist das Werkzeugkopfgehäuse 35 fest an der Hülse 37 angebracht, um gemeinsam mit dieser zu rotieren.

Zur Gewährleistung einer Hin- und Herbewegung des Schiebers 33 ist eine Spindel 49 axial verschiebbar innerhalb der Hülse 37 gehalten, um den Schieber 33 über einen Antriebs­ zug 51 anzutreiben. In der dargestellten Ausführungsform weist dieser Antriebszug 51 einen Satz Zahnstangen 53 auf, die an einer Innenfläche 54 des Schiebers 33 angebracht sind. Zwei Sätze von kämmenden Zahnrädern 55 und 57 sind zwischen die Spindel 49 und die verschieblichen Zahnstangen 53 eingesetzt. Um die Zahnräder 53 und 57 und damit den Schieber 33 anzutreiben, ist eine weitere Zahnstange 59 an einer abgeflachten Spindelverlängerung 58 angebracht. Vor­ zugsweise arbeitet der Getriebezug 51 spielfrei. Wie auch aus Fig. 5 ersichtlich, weisen die Sätze von Zahnrädern 55 zwei Zahnräder 55a und 55b auf, die auf einer gemeinsamen Welle 61 gelagert sind, die ihrerseits innerhalb des Werk­ zeugkopfgehäuses 35 angebracht ist. Zum zweiten Satz von Zahnrädern 57 gehören zwei Zahnräder 57a und 57b, die eben­ falls auf einer gemeinsamen Welle 63 gelagert sind. Das Zahnrad 57a kämmt mit der Zahnstange 53a des Zahnstangen­ sets 53, der verschieblich an der Innenfläche 54 angebracht ist. Die Zahnstange 53b ist an dem Schieber 33 einstellbar. Zu diesem Zweck ist ein Keil 60 (vgl. Fig. 4) zwischen dem einen Ende der Zahnstange 53b und einer gewölbten Fläche 62 am Schieber 33 eingesetzt. Der Keil 60 wird mit Hilfe von Schrauben 80 in seiner vorgesehenen Position gehalten. Durch Anziehen der Schrauben 80 läßt sich der Keil 60 längs der Fläche 62 verschieben und verschiebt damit auch die Zahn­ stange 53b. Insgesamt rotieren die Zahnräder 57a, 57b sowie 55a und 55b gegen die Spindelzahnstange 59 und gegen die Schieberzahnstange 53a und nehmen damit jegliches Spiel aus dem Antriebszug 51. Sofern das angestrebt wird, kann eine vorgegebene Vorspannung mit Hilfe des Keiles 60 innerhalb des Antriebszuges 51 vorgesehen werden.

Als Folge des Aufbaus des spielfreien Antriebszuges 51 verursacht jegliche Axialbewegung der Spindel 49 längs der Z-Achse eine sehr genau korrespondierende Bewegung des Werkzeugkopf-Schiebers 33 in einer vertikalen Ebene, senk­ recht zu der Z-Achse. Um eine Rückmeldung der Schieber­ position innerhalb des Gehäuses 35 zu erhalten, weist der Werkzeugkopf 1 eine am Gehäuse befestigte induktive Maß­ einteilung (Inductosyn scale) 64 und einen Schieber 66 auf, der am Schieber 33 angebracht ist (vgl. Fig. 5). Die induk­ tive Maßeinteilung 64 und der Schieber 66 sind in ein nume­ risches Steuersystem für formgebende Werkzeugmaschinen inte­ griert, wie das in der Fachwelt bekannt ist.

Um den Schieber 33 exakt innerhalb des Gehäuses 35 zu halten und zu führen weist der Werkzeugkopf 1 mehrere Führungs­ leisten auf, wie das am besten den Fig. 2, 5 und 6 zu ent­ nehmen ist. Die Führungsleisten 68 und 70 halten den Schie­ ber 33 bezüglich des Gehäuses in einer zur Z-Achse paralle­ len Richtung. Die Führungsleiste 72 hält den Schieber 33 in einer zur Z-Achse transversalen Richtung bezüglich einer Platte 74, die am Gehäuse befestigt ist. Über geeignete Kanäle, die durch diese Komponenten und durch das Gehäuse gebohrt sind, ist eine Schmierung der verschiedenen Paß­ flächen zwischen dem Schieber, den Führungsleisten und der Platte 74 gewährleistet. Das Schmiermittel wird dem Gehäuse über eine flexible Leitung 77 zugeführt, die zwischen den Spindeln 49 und den Schieber 33 eingesetzt ist (vgl. Fig. 4). Übliche Wischer und Dichtungen 78 halten einen Schmiermit­ telaustritt aus der Hülse heraus und eine Verunreinigung des Gehäuses so gering wie möglich (vgl. Fig. 2).

Ausbalanciersystem

Wie insbesondere den Fig. 3, 4 und 5 zu entnehmen ist, weist der Werkzeugkopfschieber vier innere Hohlräume auf. Der erste Hohlraum 65 schafft Raum für einen Mechanismus, um die Schneidwerkzeughalterung 32 starr jedoch lösbar an dem Schieber 33 zu befestigen. Ein solcher Mechanismus bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung und soll des­ wegen hier nicht im einzelnen beschrieben werden. Weiterhin sind am Schieber 33 ein mittiger Hohlraum 67 und zwei klei­ nere, seitliche Hohlräume 69 und 71 ausgebildet. Die Hohl­ räume 65, 67, 69 und 71 sind zum Außenende 73 des Schiebers 33 hin offen; weiterhin sind diese Hohlräume 65, 67, 69 und 71 mit einer Platte 75 bedeckt. Die Hohlräume 65, 67, 69 und 71 sind am Innenende 79 des Schiebers 33 offen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Ausbalanciersystem 81 vorgeschlagen, um die Masse des Schiebers 33, der Schneidwerkzeughalterung 32 und anderer an dem Schieber 33 angebrachter Komponenten zu kompensieren, wenn diese von der Spindel entsprechend der numerischen Steuerung radial zur Mittelachse 31 bewegt werden. Bei einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform weist das Ausbalanciersystem 81 zwei Hydraulik­ zylinder 83 und 85 und ein Ausgleichsgewicht 87 auf. In Ab­ hängigkeit von den Abmessungen des Werkzeugkopfes 1 kann mehr als ein Zylinder 83 und/oder Zylinder 85 angewandt wer­ den. Sowohl der Hydraulikzylinder 83 wie der Hydraulikzylin­ der 85 können als einfach wirkende Zylinder ausgebildet sein, bei welchen das hydraulische Druckmittel lediglich auf die entsprechenden Kolbenenden einwirkt. Die entsprechenden Zylindergehäuse sind an einen gemeinsamen Rohrverteiler 86 angeschlossen, der wiederum am Werkzeugkopfgehäuse 35 be­ festigt ist. Der Rohrverteiler 86 weist innere Kanäle 88 auf, welche die Kolbenenden der beiden Hydraulikzylinder 83 und 85 miteinander verbinden. Folglich ist eine bestimmte, vorgegebene Menge Druckmittel innerhalb der Zylinder-Kolben­ enden und innerhalb der Rohrverteilerkanäle 88 eingeschlos­ sen.

Das Ausgleichsgewicht 87 besteht aus drei Hauptteilen und mehreren kleineren Komponenten. Wie auch aus den Fig. 6 und 7 ersichtlich, weist das erste Hauptteil 90 des Ausgleichs­ gewichtes 87 einen Querschnitt auf, der verschieblich in den mittigen Hohlraum 67 paßt. U-förmige Schienen 93a und 93b an der Innenseite des Hohlraumes 67 führen das Ausgleichsge­ wichtstück 90 innerhalb dieses Hohlraumes. In analoger Weise sind große Ausgleichsgewichtstücke 89 und 91 mit Hilfe von Schienen 95 und 97 innerhalb der Gehäusehohlräume 69 und 71 geführt. Um die Reibung zwischen dem Ausgleichsgewicht und den Schienen 93a, 93b, 95 und 97 zu reduzieren, sind die Gleitflächen der drei Ausgleichsgewicht-Hauptstücke 89, 90 und 91 vorzugsweise mit einem Material überzogen, das einen kleinen Reibungskoeffizienten aufweist, etwa das bekannte reibungsarme "Rulon"-Material.

Nachstehend wird das Zusammenwirken zwischen dem Schieber 33 und dem Ausgleichsgewicht 87 insbesondere mit Bezugnahme auf die Fig. 4, 6 und 7 erläutert. Das Bezugszeichen 99 bezeich­ net eine hufeisenförmige Klammer mit einem Steg 100. Die Kolbenstange 103 des Zylinders 85 ist mit dem Steg 100 die­ ser hufeisenförmigen Klammer verbunden. An der Vorderseite der hufeisenförmigen Klammer 99 ist eine Deckplatte 102 be­ festigt. Eine kleinere Bodenplatte 104 ist an der Rückseite der hufeisenförmigen Klammer 99 innerhalb einer geeigneten Aussparung befestigt. Befestigungsmittel erstrecken sich durch die hufeisenförmige Klammer 99, die Deckplatte 102 und die Bodenplatte 104 hindurch und verbinden zwei Bodenplatten 106 und 108 miteinander. Die Bodenplatten 106 und 108 sind im wesentlichen fluchtend mit den seitlichen Hohlräumen 69 und 71 angeordnet. Abstandshalter 107 und 110 sind zwischen die Bodenplatten 106 bzw. 108 und das eine Ende der Aus­ gleichsgewichtstücke 89 bzw. 91 eingesetzt. Die Ausgleichs­ gewichtstücke 89 und 91 sind mit Hilfe von Schrauben 112 an der jeweiligen Bodenplatte 106 bzw. 108 angebracht. Auf diese Weise gehört zu dem Ausgleichsgewicht 87 die hufeisen­ förmige Klammer 99, die Platten 102, 104, 106 und 108 und die Abstandshalter 107 und 110. Die Dicke/Stärke der Ab­ standshalter 107 und 110 kann abgeändert werden, um die An­ ordnung der Ausgleichsgewichtstücke 89 und 91 entsprechend zu ändern. Auf diese Weise kann eine optimale Ausgleichs­ gewichtanordnung erreicht werden, um diese Variablen an Änderungen der Werkzeuganordnung am Schieber 33 anzupassen.

Die Kolbenstange 101 des Zylinders 83 ist mit dem Schieber 33 verbunden, etwa über eine Mutter 114, die am Innenende 79 des Schiebers 33 angebracht ist.

Wenn die numerisch gesteuerte Spindel 49 über den Antriebs­ mechanismus 51 eine Hin- und Herbewegung des Schiebers 33 verursacht, dann wird das im Zylinder 83 befindliche Druck­ mittel aus dem Kolbenende herausgedrückt oder zu diesem Kolbenende hingezogen. Gleichzeitig wird Druckmittel in das Kolbenende des Zylinders 85 hineingedrückt oder aus diesem herausgezogen. Demzufolge führen die hufeisenförmige Klam­ mer 99, die Platten 102, 104, 106 und 108, die Abstandshal­ ter 107 und 110 sowie die größeren Ausgleichsgewichtstücke 89, 90 und 91 eine gemeinsame Hin- und Herbewegung aus, und zwar in der entgegengesetzten Richtung zu der Hin- und Her­ bewegung des Schiebers 33.

In den Fig. 1 bis 6 sind der Werkzeugkopfschieber 33 und die Schneidwerkzeughalterung 32 in einer Anordnung der maximalen radialen Verschiebung dargestellt, d. h. bei dem weitestmög­ lichen Abstand zu der Mittelachse 31. In dieser Situation ist die Kolbenstange 101 des Zylinders 83 völlig herausge­ führt, und die Kolbenstange 103 des Zylinders 85 ist völlig zurückgeführt. Eine Verschiebung des Schiebers 33 mit Hilfe der Spindel 49 auf die Mittelachse 31 zu drückt die Kolben­ stange 101 in den Zylinder 83 hinein. Das Druckmittel aus dem Zylinder 83 strömt durch den Rohrverteilerkanal 88 und tritt in das Kolbenende des Zylinders 85 ein. Die Kolben­ stange 103 wird aus dem Zylinder 85 herausgedrückt, wodurch das Ausgleichsgewicht 87 auf die Mittelachse 31 zu verscho­ ben wird, und der Schieber 33 scheint das sich in die ent­ gegengesetzte Richtung verschiebene Ausgleichsgewicht zu "verschlucken". Weil sich das Ausgleichsgewicht 87 im we­ sentlichen in der gleichen Rotationsebene wie der Schieber 33 befindet, sind die Schwierigkeiten mit einem dynamischen Ungleichgewicht bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten auf ein Minimum herabgesetzt.

Wenn der Werkzeugkopf 1 nicht rotiert, dann weist der Druck­ mitteldruck in den Zylindern 83 und 85 und in dem Rohrver­ teiler 86 keinen Überdruck auf. Die Ausgleichsgewichtstücke 89, 90 und 91 sind so ausgebildet, daß ihre jeweiligen Mas­ senschwerpunkte zwischen der Mittelachse 31 und dem Zylin­ der 85 angeordnet sind. Demzufolge übt das Ausgleichsge­ wicht 87 bei einer Rotation des Werkzeugkopfes 1 eine Zen­ trifugalkraft auf die Kolbenstange 103 aus. Die Kolbenstange 103 leitet wiederum den durch diese Kraft erzeugten Druck in das hydraulische Druckmittel ein. Der davon resultierende Druckmitteldruck gewährleistet, daß das Druckmittel den Zylinder 83 gut ausfüllt, wenn der Schieber 33 vom geschlos­ senen Gehäuseende 38 und dem Zylinder 83 weg verschoben wird. Da die auf das Druckmittel im Zylinder 85 ausgeübte Kraft mit dem Quadrat der Werkzeugkopf-Rotationsgeschwindig­ keit zunimmt, steht stets ein ausreichender hydraulischer Druck zur Verfügung, um eine gute Durchführung der Aus­ balancierung zu gewährleisten.

Eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung besteht gerade darin, daß die entsprechenden Verschiebungswege des Schie­ bers 33 und des Ausgleichgewichtes 87 nicht notwendigerweise gleich sein müssen. Vielmehr kann die Ausgleichsgewichtver­ schiebung proportional relativ zu der Schieberverschiebung festgelegt werden. Vorzugsweise erfolgt diese proportionale Festlegung durch entsprechende Ausbildung der Zylinder 83 und 85 mit proportionalen Querschnittsflächen. In der dar­ gestellten Ausführungsform weist der Zylinder 85 eine größere Kolbenfläche auf, als der Zylinder 83, so daß eine vorgegebene Verschiebung des Schiebers 33 eine geringere Verschiebung des Ausgleichsgewichtes hervorruft.

Um eine kleinere Ausgleichsgewichtverschiebung als die ent­ sprechende Schieberverschiebung zu ermöglichen und dennoch ausbalancierte Zustände zu erreichen, bestehen die Aus­ gleichsgewichtstücke 89, 90 und 91 aus einem Material hoher Dichte. Ein geeignetes Material ist ein Wolfram/Kohlenstoff- Legierungspulver, das in die besondere Gestalt der jeweili­ gen Ausgleichsgewichtstücke geformt worden ist. Die Dichte eines solchen Materials ist angenähert 2,6-mal größer als die Dichte von Stahl. Um die Masse der Ausbalancierungskom­ ponenten möglichst groß zu machen, bestehen die Deckplatte 102, die Bodenplatte 104, die Seitenplatten 106 und 108 und die Abstandshalter 107 ebenfalls aus diesem hochdichten Ma­ terial. Die hochdichten Ausgleichsgewichtstücke gewährlei­ sten den besonderen Vorteil, daß nur ein minimaler Raum innerhalb des Schiebers 33 und des Gehäuses 35 besetzt wird und daß weiterhin eine gute Funktion auch noch bei radialen Positionen gewährleistet wird, die sich relativ nahe an der Mittelachse 31 befinden. Die hochdichten Komponenten und die proportionale Festlegung der Verschiebungswege sind sehr wichtig bei der Auslegung eines formgebenden Werkzeugkopfes 1, der lediglich eine kleine Umhüllung aufweist, jedoch eine relativ große Schieberverstellung mitmacht.

Wenn sich der Schieber 33 in der Position der maximalen ra­ dialen Verstellung befindet, dann steht das Ausgleichsge­ wicht 87 einen relativen großen Abstand über das Schieber­ innenende 79 hinaus. Um das hervorstehende Ausgleichsge­ wicht zu führen, sind zwei Keile 105 an dem Gehäuse 35 nahe dessen geschlossenen Ende 38 angebracht, wie das am besten aus Fig. 6 ersichtlich ist. Passende Kerben in den Boden­ platten 106 und 108 des Ausgleichsgewichtes 87 gleiten über diese Keile 105. Auf diese Weise wird eine Führung für den­ jenigen Ausgleichsgewichtabschnitt gewährleistet, der über die Schieberführungsschienen 93, 95 und 97 hinaussteht, wie das am besten aus den Fig. 3 und 5 ersichtlich ist.

Dynamische Kompensation

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die dynamisch kompensierende Ausbalancierung in der Lage, die radiale Anordnung des Ausgleichgewichtes 87 ohne entsprechende Verschiebung des Schiebers 33 einzustellen. Eine solche Ausgleichsgewicht-Einstellung ist wichtig für eine optimale Ausbalancierung unter bestimmten Bedingungen, wo Ungleichgewichte Abweichungen von der runden Geometrie an der Werkstückbohrung 25 erzeugen können (vgl. Fig. 1).

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die dynamische Kom­ pensation durch einen Apparat bewirkt, der zumindest einen und vorzugsweise mehrere kompensierende Zylinder aufweist, die in Druckmittel-Strömungsverbindung mit den Zylindern 83 und 85 stehen. In Fig. 8 ist ein Druckmittelzylinder 109 dargestellt, dessen Kolbenende 111 fest innerhalb des Werk­ zeugkopfgehäuses 35 befestigt ist. Der kompensierende Zylin­ der 109 ist einfach wirkend, wobei sich kein Druckmittel an der Seite der Kolbenstange 117 befindet. Es ist wünschens­ wert, daß drei kompensierende Zylinder verwendet werden, welche bei gleichen Abständen zueinander rund um den Ge­ häuseumfang angeordnet sind. Es können jedoch auch mehr als drei Zylinder vorgesehen werden, sofern eine besondere An­ wendung dies erfordert. Das Druckmittel im Kolbenende 111 jedes Zylinders kann durch eine Dichtung, etwa einen O-Ring 113 zu einem entsprechenden Kanal oder Durchlaß 115 strömen, der innerhalb des Gehäuses ausgespart ist. Sofern das ge­ wünscht wird, können auch Druckmittelkanäle vorgesehen wer­ den, die nicht einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet sind. Die Strömungskanäle 115 aller kompensierenden Zylinder sind miteinander verbunden, so daß jeder Zylinder hydraulisch mit dem anderen Zylinder verknüpft ist. Weiterhin sind die inne­ ren Kanäle der kompensierenden Zylinder innerhalb des Ge­ häuses an den Strömungskanal 88 des Rohrverteilers 86 ange­ schlossen (vgl. auch Fig. 4). Folglich schließt das zwischen den beiden Zylindern 83 und 85 eingeschlossene Druckmittel auch dasjenige Druckmittel ein, das sich in den Strömungs­ kanälen 115 befindet, die zu den kompensierenden Zylindern führen. Bei einem vorgegebenen eingeschlossenen Volumen an nicht-komprimierbarem Druckmittel wird jede Verstellung eines Kolbens aus irgendeinem Zylinder eine entsprechende Verstellung des Kolbens eines anderen Zylinders hervorru­ fen.

Um die Kolben der Zylinder 109 zu verstellen, sind deren Kolbenstangen 117 an einem Kompensationsring 119 angelenkt. In der dargestellten Ausführungsform weist der Kompensa­ tionsring 119 im wesentlichen eine ringförmige Gestalt auf, und er paßt über den Umfang 121 des Hülsenflansches 123. Am Kompensationsring 119 sind keulenartige Auslenkungen 125 angeformt, welche den Kolbenstangen entsprechen und je eine Kolbenstange eines Zylinders aufnehmen. Die keulenförmigen Auslenkungen 125 passen mit entsprechenden Aussparungen 127 zusammen, die am Hülsenflanschumfang 121 ausgespart sind. Der Kompensationsring 119 rotiert gemeinsam mit dem Werk­ zeugkopfgehäuse 35; hierzu sind - nicht dargestellte - Stifte vorhanden, welche den Kompensationsring 119 mit dem Werkzeugkopfgehäuse 35 verbinden.

Der Kompensationsring 119 kann eine axiale Verschiebung am Gehäuse 35 längs der Z-Achse ausführen. Eine solche axiale Verschiebung verändert das Druckmittelvolumen in den Kol­ benenden 111 der Kompensationszylinder und hat eine ent­ sprechende Auswirkung auf der Druckmittelvolumen in den Zylindern 83 und 85. Andererseits befindet sich unter den Bedingungen der maschinellen Bearbeitung der Schieber 33 unter der numerischen Steuerung der Spindel 49 und des ange­ spannten Getriebezuges 51. Demzufolge kann kein zusätzliches Druckmittel aus den Zylindern 109 in den Zylinder 83 ein­ treten oder aus diesem heraustreten. Die gesamte Änderung des Druckmittelvolumens in den Kompensationszylindern wirkt sich lediglich im Ausgleichsgewicht-Zylinder 85 aus. Das heißt, eine axiale Verschiebung des Kompensationsringes 119 an der Hülse 37 verstellt die Kolbenstange 103 des Zylin­ ders 85, um dadurch die Position des Ausgleichsgewichtes 87 zu verändern.

Es können verschiedene Einrichtungen vorgesehen werden, etwa ein Zahnstangengetriebe, um den Kompensationsring 119 in axialer Richtung relativ zu dem Werkzeugkopfgehäuse 35 hin- und herzubewegen. In der dargestellten Ausführungsform wird diese axiale Verschiebung mit Hilfe einer Gewindeverbindung zwischen dem Spindelstock 3 und dem Kompensationsring 119 hervorgerufen. Oberhalb des Kompensationsringes 119 befin­ det sich ein Gegenlager 129. Ein ringförmiger Kranz 131, der aus zwei Teilstücken 131a und 131b zusammengesetzt sein kann, ist auf den Außendurchmesser des Gegenlagers 129 auf­ gesetzt. Das Kranzstück 131b weist ein Innengewinde 135 auf. An der Oberfläche des Spindelstockes 3 ist ein Ring 137 fest angebracht, der ein Außengewinde aufweist, das an das Innen­ gewinde 135 am Kranzstück 131b angepaßt ist. Um eine schnelle Reaktion des Kompensationsringes 119 und der Kom­ pensationszylinder 109 hervorzurufen, ist vorzugsweise vor­ gesehen, daß diese Gewinde eine relativ hohe Steigung auf­ weisen, etwa 12 mm (0.5 Zoll). Ersichtlich wird eine Rota­ tion des Kranzes 131 um die Mittelachse 31 gemeinsam mit dem Gegenlager und dem Kompensationsring 119 eine axiale Ver­ schiebung längs der Mittelachse 31 hervorrufen und dadurch eine Verstellung der Kolbenstangen 117 und der damit ver­ knüpften Betätigung des Zylinders 85 bewirkt.

Um den Kranz 131 in Rotation zu versetzen und damit die Kolbenstangen 117 zu verstellen, weist das Kranzstück 131b einen Außenzahnkranz 139 auf. Der Zahnkranz 139 kämmt mit einem Zahnrad 141, das fest auf einer Welle 143 sitzt, die in geeigneter Form in einem Gehäuse 144 gelagert ist. Das Gehäuse 144 kann an der Unterseite des Spindelstockes 3 angebracht sein und kann mit einer großen Abdeckung 146 (vgl. Fig. 1) abgedeckt sein. Das Zahnrad 141 wird von einem anderen Zahnrad 145 angetrieben, das am Abtriebsende eines Drehzahlmindergetriebes 147 sitzt. Das Drehzahlmindergetrie­ be 147 wird wiederum über eine spiel freie Kupplung 151 von einem Servomotor 149 angetrieben. Am Ende des Schaftes 143 ist weiterhin ein Funktionsgeber 153 angekoppelt.

Bei einer Betätigung des Servomotors 149 in einer ersten Richtung versetzen die Zahnräder 141 und 145 den Kranz 131 in Rotation, und der Kompensationsring 119 wird vom Spin­ delstock 3 weg verschoben - in einer Richtung nach links be­ zogen auf die Fig. 8. Das Ausmaß der Servomotor-Umdrehung und der Kompensationsring-Verstellung werden von dem Funk­ tionsgeber 153 erfaßt. Die Verstellung des Kompensations­ ringes 119 weg von dem Spindelstock 3 bewirkt, daß Druck­ mittel aus dem Kompensationszylindern 109 austritt und in den Zylinder 85 eintritt. Als Folge wird die Kolbenstange 103 und das Ausgleichsgewicht 87 weiter in den Schieber 33 hineingeführt auf dessen Außenende 73 zu. Weil sich der Massenschwerpunkt des Ausgleichsgewichtes 87 zwischen dem Zylinder 85 und der Mittelachse 31 befindet, wird die auf den Werkzeugkopf 1 einwirkende Ausbalancierkraft herabge­ setzt.

In analoger Weise bewirkt eine Drehung des Servomotors 149 in einer zweiten Richtung, entgegengesetzt zur ersten Rich­ tung, daß der Kompensationsring 119 auf den Spindelstock 3 zu verschoben wird. Der Kompensationsring 119 zieht die Kolben der Kompensationszylinder 109 mit sich. Die vom Aus­ gleichsgewicht 87 ausgeübte und auf das Druckmittel im Zylinder 85 einwirkende Zentrifugalkraft gewährleistet, daß die Kompensationszylinder 109 mit Druckmittel gefüllt blei­ ben. Wiederum kann wegen der auf den Schieber 33 einwirken­ den Verriegelung kein zusätzliches Druckmittel in den Zylin­ der 83 eintreten. Als Folge verschiebt sich das Ausgleichs­ gewicht 87 leicht auf das Schieberinnenende 79 zu und von der Mittelachse 31 weg; die vom Ausgleichsgewicht 87 ausge­ übte Ausbalancierkraft wird leicht erhöht, wiederum ohne Verschiebung des Schiebers.

Kompensationssteuerung

Die Funktion des Servomotors 149 besteht darin, an formge­ benden Werkzeugmaschinen Schwingungen zu kompensieren, die nicht allein durch radiale Verstellung des Schiebers 33 aus­ balancierbar sind. Um die mit der vorliegenden Erfindung zu kompensierenden Schwingungen zu erfassen ist ein üblicher Beschleunigungsmesser 155 vorgesehen, der an der Werkzeug­ maschine 5 angebracht ist. Im vorliegenden Falle ist der Beschleunigungsmesser 155 am Spindelstock 3 angebracht, weil der formgebende Werkzeugkopf 1 ebenfalls am Spindelstock 3 befestigt ist (vgl. Fig. 1). Vorzugsweise ist ein solcher Beschleunigungsmesser 155 vorgesehen, der die Schwingungen in mehr als einer Ebene erfaßt; weiterhin kann zumindest in einer Anfangsphase eine Mehr-Ebenen-Erfassung vorgesehen sein, um das Ausgleichsgewicht in verschiedenen Ebenen des Ungleichgewichtes einzustellen. Während der Durchführung der erfindungsgemäßen, dynamische kompensierenden Ausbalancie­ rung wird ein Ungleichgewicht lediglich in der Ebene der größten Nachgiebigkeit relativ zu dem Maschinenfundament benötigt. Demzufolge kann bei Bedarf der Beschleunigungs­ messer 155 so eingesetzt werden, daß er Signale erzeugt, welche den Beschleunigungskräften zur Kompensation in ledig­ lich einer Ebene entsprechen. Bei der Anwendung der Erfin­ dung auf einen formgebenden Werkzeugkopf 1, ist die Nach­ giebigkeit des Spindelstockes 3 in eine horizontalen Ebene am größten. Folglich kann die dynamische Kompensation mit Hilfe des Ausgleichsgewichtes im Verlauf des Arbeitens mit dem formgebenden Werkzeugkopf auf Ungleichgewichte be­ schränkt werden, die in einer horizontalen Ebene erzeugt werden.

Um die nicht-ausbalancierten Kräfte in der gewünschten, vom Beschleunigungsmesser 155 erfaßten Ebene zu kompensieren, werden die vom Beschleunigungsmesser erzeugten Signale Nachlauffiltern 157 zugeführt (vgl. Fig. 9). Es ist ein solches Nachlauffilter 157 vorgesehen, das sämtliche Schwingungssignale sperrt, ausgenommen solche Signale, welche die gleiche Frequenz wie die rotierende Hülse 37 aufweisen. Folglich werden dem Servomotor 149 lediglich solche Signale zugeführt, welche den Spindelstockschwingun­ gen bei der gleichen Frequenz wie die Hülsenumlauffrequenz entsprechen, und welche in der gewünschten Ebene des Un­ gleichgewichtes wirken, damit der Servomotor 149 in Rota­ tion versetzt werden kann, um diese Schwingungen zu kom­ pensieren. Auf diese Weise werden Schwingungen mit Hilfe des Ausgleichsgewichtes 87 kompensiert, ohne daß eine erneute radiale Verstellung des Schiebers 33 erforderlich ist.

Es ist somit ersichtlich, daß mit der vorliegenden Erfindung eine dynamisch kompensierende Ausbalancierung bereitge­ stellt worden ist, welche die eingangs genannten Aufgaben löst und die gewünschten Vorteile bringt. Obwohl die Erfin­ dung anhand besonderer Ausführungsformen erläutert worden ist, ist für Fachleute ersichtlich, daß viele Alternativen, Modifizierungen und Abwandlungen möglich sind, ohne vom grundlegenden Konzept der Erfindung abzuweichen. Demzufolge ist beabsichtigt, auch alle diese Alternativen, Modifizie­ rungen und Abänderungen zu erfassen, soweit sie sich unter den Gegenstand der Patentansprüche subsumieren lassen.

Claims (8)

1. Kompensierter Rotationsapparat, insbesondere für Werkzeugmaschinen, mit

• - einem Gehäuse (35), das eine Rotation um eine Mittel­ achse (31) ausführen kann;
• - einem im Gehäuse (35) befindlichen Schieber (33), der in einer zur Mittelachse (31) senkrechten Ebene eine auf die Mittelachse (31) zu und von dieser weg führen­ de Hin- und Herbewegung ausführen kann;
• - einer im Gehäuse (35) hin- und herbewegbar angeordne­ ten Ausgleichsgewichteinrichtung (87), die wenigstens ein Ausgleichsgewichtsstück (89, 90, 91) aufweist;
• - einer ausschließlich innerhalb des Gehäuses (35) be­ festigten Kompensationseinrichtung (81),
• - die den Schieber (33) direkt mit der Ausgleichsge­ wichtseinrichtung (87) verbindet,
• - die direkt durch die Hin- und Herbewegung des Schie­ bers (33) angetrieben wird, und
• - welche die Ausgleichsgewichtseinrichtung (87) syn­ chron mit und in der entgegengesetzten Richtung zu dem Schieber (33) hin- und herbewegt und dabei einen Ausgleich zu der auf die Mittelachse (31) zu und von dieser weg gerichteten Hin- und Herbewegung des Schiebers (33) herbeiführt,

dadurch gekennzeichnet, daß
innerhalb des Schiebers (33) wenigstens ein Hohlraum (67, 69, 71) ausgebildet ist; und
das Ausgleichsgewichtstück (89, 90, 91) wenigstens teil­ weise innerhalb dieses Hohlraumes (67, 69, 71) verschieb­ lich angeordnet ist, damit das Ausgleichsgewichtstück (89, 90, 91) wenigstens teilweise eine Hin- und Herbewe­ gung innerhalb des Schiebers (33) ausführt, wenn dieser seine Hin- und Herbewegung innerhalb des Gehäuses (35) ausführt.

2. Kompensierter Rotationsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsgewichtstück (89, 90, 91) aus einem Mate­ rial besteht, das eine größere Dichte als Stahl aufweist.

3. Kompensierter Rotationsapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (81) aufweist:

• - wenigstens einen ersten am Gehäuse (35) befestigten Druckmittelzylinder (83), der eine Kolbenstange (101) aufweist, die mit dem Schieber (33) verbunden und als Folge der Hin- und Herbewegung des Schiebers (33) ver­ stellbar ist;
• - wenigstens einen zweiten am Gehäuse (35) befestigten Druckmittelzylinder (85), der eine Kolbenstange (103) aufweist, die mit der Ausgleichsgewichtseinrichtung (87) verbunden ist;
• - wenigstens eine Leitung (86) für eine Druckmittel­ strömung zwischen dem ersten Zylinder (83) und dem zweiten Zylinder (85);

wobei eine Schieberbewegung eine entsprechende Bewegung der Kolbenstange (101) des ersten Zylinders (83) hervor­ ruft, um Druckmittel zwischen dem ersten Zylinder (83) und dem zweiten Zylinder (85) auszutauschen, um dadurch eine entsprechende Verstellung der Kolbenstange (103) des zweiten Zylinders (85) und der mit ihr verbundenen Aus­ gleichsgewichtseinrichtung (87) auszuführen.

4. Kompensierter Rotationsapparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (81) zusätzlich aufweist:

• - einen Kompensationsring (119), der relativ zu dem Ge­ häuse (35) hin- und herbewegbar ist;
• - eine Einrichtung, um eine Hin- und Herbewegung des Kompensationsringes (119) relativ zu dem Gehäuse (35) hervorzurufen; und
• - eine dritte, am Gehäuse (35) befestigte Zylinderein­ richtung (109), welche auf die Hin- und Herbewegung des Kompensationsringes (119) hin eine Verstellung der Aus­ gleichsgewichtseinrichtung (87) hervorruft, um auch ohne Verstellung des Schiebers (33) eine Verstellung der Ausgleichsgewichtseinrichtung (87) hervorrufen zu können.

5. Kompensierter Rotationsapparat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zylindereinrichtung wenigstens einen am Ge­ häuse (35) befestigten, kompensierenden Zylinder (109) aufweist, der eine Kolbenstange (117) aufweist, die an dem Kompensationsring (119) angelenkt ist, und der kom­ pensierende Zylinder (109) in einer Druckmittel-Strö­ mungsverbindung mit der Druckmittel-Strömungsverbindung (86) zwischen dem ersten Druckmittelzylinder (83) und dem zweiten Druckmittelzylinder (85) steht,
damit eine Hin- und Herbewegung des Kompensationsringes (119) das im kompensierenden Zylinder (109) befindliche Druckmittel verdrängt und damit die Kolbenstange (103) des zweiten Zylinders (85) und die Ausgleichsgewichts­ einrichtung (87) verstellt, wenn sich der Schieber (33) unter der Steuerung einer ersten Kontrolleinrichtung be­ findet, die eine Schieberverstellung verhindert.

6. Kompensierter Rotationsapparat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Hin- und Herbewegung des Kompensa­ tionsringes (119) aufweist:

• - ein ortsfest angebrachtes Gewindeteil (137);
• - einen Kranz (131), der in das Gewindes des Gewinde­ teiles (139) eingreift;
• - eine Lagereinrichtung (129), welche den Kompensations­ ring (119) drehbar mit dem Kranz (131) verbindet; und
• - eine zweite Antriebseinrichtung (149), die wahlweise den Kranz (131) am Gewindeteil (137) in entgegenge­ setzter Richtung in Rotation versetzt, um damit eine Hin- und Herbewegung des Kranzes (131) der Lagerein­ richtung (129) und des Kompensationsringes (119) zu verursachen.