If you are looking for the full article on the construction and calculation, check out this article here. All information on the famous 2,2KW china spindle (without ATC functionality) can be found here.

On a diet

First things first: The general structure and setup of the spindle remains unchanged. Nevertheless, the outer diameter has changed down to 96mm. This way we can use a 100mm x 100mm piece of stock (compared to 120mm previously), which has a positive impact on material and machining costs.

In addition the overall length has been reduced so the spindle will take up less space on the machine.

What else did change?

• The spacer between the lower bearings has been removed. It will not have a major impact on stability but adds a lot of complexity and cost.
• The labyrinth seal has been de-featured for easier manufacturing. At the same time tolerances have been lowered in order to still ensure a safe seal against dust and chips
• Previously we had planned for a cam belt. Due to the high speeds we had to swap it for a multi-rib belt (profile PJ). This also helps the manufacturing process as the grooves can be cut directly into the main shaft.
• To protect the belt from chips and lower the noise a full casing was added
• The spring tension package was enlarged. The picture is still missing a screw-on limit to adjust the load.
• As the overall structure has no more centering references all parts will be doweled together loosely and then bolted in place. This way assembly becomes much easier.
• One big change is the belt tensioning mechanism, which now works eccentric.

Material

Für die Spindel selbst möchten wir C45E (alte Norm CK45) verwenden. Dieser Vergütungsstahl wird aufgrund seiner hohen Zug- und Dauerfestigkeit für Kurbelwellen, Achsen, Pleulstangen und andere stark belastete Teile verwendet. Die Werkzeugaufnahme soll zusätzlich gehärtet werden, um sie resistenter gegen mechanische Beschädigungen zu machen. Nach dem härten wird der Steilkegel dann auf das finale Maß ausgeschliffen.

Für das Gehäuse ist die Werkstoffauswahl noch nicht fix. Aluminium wäre wohl ausreichend, für die Lagersitze wäre Stahl schöner, wenn dieser aber rostfrei bleiben soll, wird es direkt teuer und schwer zu bearbeiten. Da Oberflächenbeschichtungen meistens die Passung der Lager verändern, müsste man diese bei der Herstellung der Lagersitze bereits berücksichtigen. Ich werde berichten, worauf die Wahl schlussendlich gefallen ist.

Riemenspanner

Auch bei der Spannvorrichtung für den Riemen gibt es Neuerungen. Anstatt einem Kugellager mit Arm und Stellschraube wird nun die Spindelklemmung als Exzenterspanner verwendet. Die Spindelaufnahme wird dadurch ein wenig komplexer, sollte aber dank eigener Drehbank samt Planscheibe kein Problem mehr darstellen. Der Exzenter beträgt 5 mm, wodurch der Riemen effektiv um 10 mm gespannt werden kann. Durch insgesamt 10 Gewindebohrungen zur Befestigung ist sichergestellt, dass immer je Langloch zwei Schrauben eingeschraubt werden können.  Die Ausrichtung des Antriebsgehäuses ist in alle vier Richtungen möglich, was eine individuelle Anpassung an den vorhandene Bauraum zulässt.

Sensorik

Trotz der nun deutlich kompakteren Bauweise werden noch Lagesensoren für die Ausdrückstange Platz finden. Damit sollen die Zustände “Leer”, “Voll” sowie “Offen” überprüft werden.

Aufgrund der beengten Platzverhältnisse werden wir vermutlich Sensoren in Baugröße M5 oder M6 verwenden. Der Mehrpreis ist nicht so hoch wie gedacht und die möglichen Lagezustände der Ausdrückstange definiert genug für solch einen kleinen Sensor. Typisch liegt der Schaltabstand hier unter 2mm. Wo genau die Sensoren untergebracht werden ist noch nicht final entschieden.

Dieser Beitrag soll auch den Entwicklungsprozess darstellen. Daher werden Änderungen unten am Beitrag angehangen, d.h. für den aktuellen Stand ganz runter scrollen.

Konzept

• Antrieb
  • Über externen 3 bis 4KW Servomotor
  • Eventuell zunächst Antrieb über vorhandene 2.2kW Frässpindel
  • Als Direktantrieb oder über Zahnriemen
• Spindel
  • Vierfach gelagert Update: Dreifach gelagert, Kostengründe und geringe Kräfte
  • Evtl. Sperrluft
• Werkzeugwechsel
  • Aufnahmen/Kegelgröße SK30 nach DIN 69871 / Zugbolzen nach DIN 69872
  • Spannung über Feder, Spannkraft ~ 1300N
  • Pneumatischer Werkzeugwechsel über doppelwirkenden Zylinder
  • (Pneumatische Kegelreinigung)
• Überwachung
  • Werkzeugwechsel überwacht über Endlagen der Einzugstange (Kegel “Leer” und “Voll”)
  • Positionsüberwachung des Ausdrückzylinders
  • Temperaturüberwachung der beiden unteren Spindellager
  • Stillstandsüberwachung (Eventuell über Frequenzumrichter / Sicherer Halt)

Aufbau

Erster Entwurf:

• Blau: Grundkörper
• Grün: Hauptspindel
• Gelb: Riemenkasten

Gegen das eindringen von Staub und anderem Schmutz gibt es eine einfache Labyrinthdichtung mit etwa 0,1mm Spaltmaß. Über Sperrluft denken wir noch nach. Hierbei sorgt ein leichter Überdruck im inneren der Spindel für noch mehr Schutz gegen das Eindringen von Staub.

Lagerung

Als Lager kommen insgesamt 3 Hochgeschwindigkeits-Spindellager Bauform 71910/71909 in Präzisionsklasse P4A von FAG/SKF zum Einsatz.

Antrieb

Für den Antrieb gibt es momentan noch 3 verschiedene Ansätze.

1. Verwendung der vorhandenen 2,2KW HF Spindel, welche über einen Riemenantrieb mit Untersetzung die Spindel antreibt
2. Einbau eines 3 bis 4KW starken Servomotors, gekoppelt ebenfalls durch einen untersetzten Riemenantrieb
3. Einbau des Servos mit Direktantrieb aber dafür über ein Getriebe

Bei Lösung 1 und 2 ist die Geschwindigkeit hauptsächlich durch den Riemen beschränkt. Im Hochgeschwindigkeitsbereich sind das etwa 50m/s Umlaufgeschwindigkeit.

Lösung 3 muss dafür um ein Ölbad erweitert werden, damit das Getriebe nicht übermäßig verschleißt.

Lösungen 2 und 3 haben den großen Vorteil von Positioniergenauigkeit sowie einer elektrischen Bremse. Somit sind indizierte Werkzeuge für z.B. Sonderanwendungen (Einwechselbares Tangentialmesser) oder sogar Gewindeschneiden möglich. Letzteres hängt allerdings auch am Drehmoment des Motors im unteren Drezhalbereich.

Zwischenstand Juli 2016:

Die Anzahl der Lager wurde von Anfangs vier auf jetzt drei reduziert. Die obere Lagerstelle hat eher stützende Wirkung, daher ist hier ein Lager völlig ausreichend um alle Kräfte aufzunehmen. Positiver Nebeneffekt ist das Einsparen eines Präzisionslagers, welche alles andere als günstig sind.

Für die ersten Tests wird die vorhandene Spindel adaptiert und die Verbindung über HTD-Zahnriemen ausgeführt. Bei Drehzahlen bis knapp 18.000 U/min kommen die Riemen an ihre Grenzen. Hier sollten Umlaufgeschwindigkeiten von über 50 m/s vermieden werden oder es kommt zu frühzeitigem Verschleiß und starker Geräuschbildung.

Hier noch ein paar neue Bilder vom aktuellen (aber noch nicht finalen) Stand:

Zwischenstand August 2016

Bei beiden Lagern kommt die UL-Version zum Einsatz, d.h. Universallager, leicht vorgespannt. Diese können direkt gegeneinander montiert werden und haben dann eine definierte Vorspannung. Um im unteren Lagerbereich etwas mehr Steifigkeit zu bekommen habe ich mich für Distanzhülsen entschieden. Diese werden später gemeinsam überschliffen, damit sie ein identisches Höhenmaß erhalten um die Vorspannung der Lager nicht zu verändern.

Außerdem wurde der Wechsler insgesamt nochmal deutlich verkürzt um Gewicht und Einbauraum zu sparen.

Mit montiertem Antrieb (erstmal über die bereits vorhandene 2,2KW HF Spindel):

Das obere Lager wird mit Hilfe einer Wellfeder vorgespannt, wodurch eventuelle thermische Längenänderungen kompensiert werden können.

Die Riemenscheibe wird gemeinsam mit einem Reduzierstück auf das obere Wellenende aufgeschraubt. Konstruktiv ist das nicht die schönste Lösung, aber Fertigungstechnisch einfach herzustellen.

Auf der Vorderseite befinden sich jetzt zusätzlich noch zwei Bohrungen in Höhe der Lagersitze. In diese werden Temperatursensoren montiert, welche eine Überwachung der Lagertemperatur ermöglichen. Auf eine Kühlung der Lager wird bewusst verzichtet, da bei korrekter Vorspannung und Einbau der Lager keine starke Reibung und somit Temperaturerhöhung auftreten darf. Ein Temperaturanstieg über eine gewisse Arbeitstemperatur (ca. 40°C werden erwartet) deutet auf ein Problem mit der Vorspannung der Lager oder der Schmierung hin. Generell ist es sehr wichtig den vom Hersteller angegebenen Einlaufzyklus einzuhalten. Dieser sorgt für eine gleichmäßige Fettverteilung im Lager wodurch stabile Betriebszustände erst ermöglicht werden.

Das Federpaket wurde auch nochmals überarbeitet. Die Verbauten Tellerfedern haben bei eingespannter Werkzeugaufnahme eine Einzugskraft von ca. 1300N. Zum erreichen der Auswurfposition (ca. 8mm Verfahrweg)  ist eine Kraft von ca. 2200N auf die Ausrückstange nötig. Der Pneumatikzylinder erreicht bei 6 bar Betriebsdruck eine Kraft von ca. 2650N.

Seitlich sind Gewinde angebracht, um den Halter für den Antriebsmotor zu montieren.

Auch über die Zustandsüberwachung haben wir uns Gedanken gemacht, damit Maschine und Werkzeugwechsler bei einem Fehler keinen Schaden nehmen. Hierfür werden zwei bis drei kleine induktive Näherungssensoren verbaut, welche die Position der Ausrückstange überwachen. Abgegriffen werden somit die Zustände

• “Leer”, d.h. kein Werkzeug eingezogen
• “Voll”, d.h. Werkzeug eingezogen
• Stillstand: Werden wir wahrscheinlich nach EN 60204 SS1 über den Frequenzumrichter ausführen. Alternativ ließe sich ein Hallsensor an der Spindel dafür verwenden.

Schema der Zustandsüberwachung:

Bei leitenden Werkstoffen ist dies relativ leicht durch einen elektronischen Kantentaster möglich, dieser ist sehr günstig zu haben und auch für den Hobbybereich hinreichend genau. Bei nichtleitenden Materialien muss man jedoch anders vorgehen. Hier kommen 3d-Kantentaster zum Einsatz, welche für alle Materialien gleichermaßen geeignet sind.

Diese Kantentaster sind bei Industriemaschinen Standard, kosten leider, wenn von professionellen Herstellern wie z.B. Renishaw hergestellt, für den Hobbynutzer zu viel.

Aufbau

Der Grundaufbau ist jedoch relativ einfach und im Groben bei den meisten Tastern gleichartig aufgebaut:

Die einzelnen Kugeln werden stellenweise untereinander verbunden, die drei Stifte agieren als NC-Schalter. Sobald einer der Stifte abgehoben wird ist der Stromkreis offen, was von der Steuerung erkannt wird.

Herstellung

Du Kugeln wurden zuerst mit Litzen verbunden und im Anschluss in die Trägerplatte eingeklebt. Während des Klebevorganges wurden die Kugeln mit einer Metallplatte belastet, um eine gleichmäßige Tiefe zu erreichen. Zum Schutz der Kontakte wurden diese vor dem Einbau noch großzügig mit Vaseline behandelt. Über eine BNC-Buchse wird das Signal nach außen geführt. Diese dient auch später zum ausrichten des Probentasters, damit die hinterlegte Kalibrierung auch immer passt.

Vermessung

Nach der Montage wurde der gesamte Taster auf einer Formmessmaschine vermessen. Hier stellte sich heraus, dass es aufgrund von Fertigungstoleranzen eine Exzentrizität von ca. 150µm gibt. Diese wird später jedoch einfach herauskalibriert. Der Taster reagiert sehr schnell und stellt sich immer sauber zurück.

Endergebnis

Das Ergebnis kann sich sehen lassen.

Update Juli 2016

Aufgrund der bereits angesprochenen Problematik der Exzentrizität sind wir mittlerweile auf einen Kantentaster der Firma Renishaw umgestiegen, daher wird an diesem Kantentaster erst zu einem späteren Zeitpunkt weitergearbeitet.