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In
der konventionellen Technologie werden Fräsköpfe für Fräsmaschinen eingesetzt, welche
aus einem bezüglich
der Maschine drehbarem Knie und einem bezüglich des Knies drehbarem Werkzeugträger bestehen.
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Mit
der Kombination aus diesen beiden Drehbewegungen soll die für das Arbeitswerkzeug
(Fräser)
gewünschte
Positionierung im Raum erreicht werden.
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Die
Fräsköpfe vom
Typ "Twist" (Fräskopf mit zwei
orthogonal zueinander stehenden Drehwellen und einem in einer Gabel
sitzenden Drehelement, welches als Kopf bezeichnet wird) sind in
der Lage mit Hilfe der Drehwellen den Kopf und das Knie in blockierter
Stellung (für
das Arbeiten auf drei Achsen) bzw. in nicht blockierter Stellung
mit einer kontinuierlichen Drehung (für das Arbeiten auf 5 Achsen)
zu betreiben.
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Bei
den konventionellen Fräsköpfen vom
Typ "Twist" kommen für das Erreichen
der Drehbewegungen des Knies oder des Kopfes Schnecken- bzw. Kronenmechanismen
zum Einsatz, die üblicherweise zu
Verschleißerscheinungen
führen
und in der Folge wartungsanfällig
sind und regelmäßige Einstellungen erforderlich
machen.
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Der
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellende Fräskopf umgeht
dieses Problem durch den Einsatz der nachstehend beschriebenen Vorrichtungen
und Systeme:
- a) Das Antriebssystem des Fräskopfes
und des Knies besteht aus einem Vorgelege mit zylindrischen Zahnrädern mit
Schneckenverzahnung, welche durch die Wirkung von koaxial angeordneten
und permanent den Verschleiß,
Sprünge
und beliebige sonstige Unterbrechungen kompensierenden Federn kontinuierlich
unter Vorspannung gehalten werden.
Bei dem Antriebssystem für die Drehbewegung des
Knies wirkt das Paar unter Vorspannung stehender Zahnräder auf
eine drittes Zahnrad, während
der Angriff bei dem in einer Gabel angeordneten Kopfstück von zwei
vorgespannten Zahnrädern
auf zwei jeweils an einem Arm der Gabel angeordnete Zahnräder mit
dem Zweck erfolgt, einen symmetrischen Vorschub zu erreichen.
Die
hier genannten Antriebssysteme sind mit einem Abtaster verbunden,
welcher mit Bezug auf die Drehwelle oder ein unabhängiges Vorgelege eine
koaxiale Position einnehmen kann.
- b) Die Blockierung/Freigabe des Knies mit Bezug auf die Maschine
bzw. des Fräskopfs
mit Bezug auf das Knie wird mit Hilfe von hydromechanischen Blockiersätzen realisiert,
in denen jede Blockiervorrichtung einen als Stempel wirkenden Körper, einen
als Kolben wirkenden Hals und ein Kopfstück in T-Form mit einer Andruck-/Drucklöse-Funktion
definiert, wobei die Blockiervorrichtungen in entsprechend in den
Maschinenkörper bzw.
ggf. in das Knie eingearbeiteten Aufnahmelöchern sitzen und wobei die
T-förmigen
Kopfstücke
in am äußeren Umfang
des Knies bzw. ggf. des Kopfes eingebrachten Aussparungen sitzen und
die einzelnen Federn um den Hals von in dem Bohrloch sitzenden und
Druck auf den Körper
und auf die Maschine selbst bzw. ggf. auf das Knie ausübenden Schrauben
angeordnet sind.
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Die
Blockiervorrichtungen des Knies und des Kopfes ermöglichen
die Sicherung der erreichten Position in mit einer Präzision von
0,001 Grad. Die von der Blockiervorrichtung ausgeübte Kraft
ist in der Lage die vom Fräskopf
bei voller Leistung erzeugten Kräfte
zu ertragen.
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Für das bessere
Verständnis
des Gegenstands der hier beschriebenen Erfindung wird auf den vorgelegten
Zeichnungen eine praktische Ausführung
derselben dargestellt, die zwar Änderungen
unterworfen sein kann aber in keinem Fall die Grundlagen und das
Prinzip der Erfindung schmälert.
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1 zeigt eine schematische
Ansicht eines Längsschnitts
durch eine praktische Ausführung
des den Gegenstand der vorliegenden Erfindung ausmachenden Fräskopfes,
bei der das Antriebssystem des Kopfes (2) und die Blockier-/Freigabe-Systeme mit Bezug
auf das Knie (1) zu erkennen sind.
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2 zeigt eine schematische
Ansicht eines Längsschnitts
durch eine praktische Ausführung
des den Gegenstand der vorliegenden Erfindung ausmachenden Fräskopfes,
bei der das Antriebssystem des Knies (1) und die Blockier-/Freigabe-Systeme mit Bezug
auf die Maschine (17) zu erkennen sind.
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Nachstehend
wird ein Beispiel einer praktischen Ausführung beschrieben, das allerdings
für die vorliegende
Erfindung nicht beschränkend
ist noch sein soll.
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Der
Fräskopf
besteht dabei aus zwei Teilen, einem Knie (1) und einem
Werkzeugträger-Kopf
(2), die miteinander verbunden sind.
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Das
Knie (1) für
die Positionierung dreht um die Achse A, während der Fräskopf (2)
um die Achse B dreht.
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Die
Positionierung im Raum der Welle des Kopfes, an dem das Fräswerkzeug
sitzt (Welle C) wird durch die Positionierung des Fräskopfes
(2) und des Knies (1) in bestimmten Winkeln zueinander
erreicht.
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Um
eine nutzbare Positionierung der Welle des Fräskopfes (C) erreichen zu können ist
es erforderlich, daß die
Positionierung des Fräskopfes
(2) und des Knies (1) stufenweise erfolgt, d.h.
daß die
Inkremente der möglichen
Positionierungen innerhalb einer Spanne liegen, die so klein wie
eben möglich sein
soll. (Bei dem den Gegenstand der vorliegenden Erfindung ausmachenden
Fräskopf
wird eine Präzision
von 0,001 Grad erreicht).
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Zusätzlich zum
Erreichen einer nutzbaren und präzisen
Positionierung der Welle des Fräskopfes
(C) ist bei dem hier beschriebenen Fräskopf die Möglichkeit einer kontinuierlich
gesteuerten Fahrstrecke der Welle C und damit des Werkzeugs gegeben, welche
im Zusammenspiel mit dem linearen Verfahren der Schlitten einer
Werkzeugmaschine das Fräsen
von kurvenförmigen
Flächen
(Fräsen
auf 5 Achsen) möglich
macht.
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Funktionsweise
Wie auf der schematischen Darstellung der 2 zu erkennen ist, ist das Knie (1)
mit dem Schlitten oder einem sonstigen Element einer Werkzeugmaschine
(17) verbunden und dreht um die Achse A. Für die Drehbewegung
und axiale Steuerung des Knies (2) werden Wälzlager
(D1) und (D2) eingesetzt, wobei allerdings gleichermaßen Buchsen
oder Lager verwendet werden können.
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Bei
dem Antriebssystem handelt es sich um ein Servosystem mit geschlossenem
Kreislauf bestehend aus einem Antriebsmotor und einem Meßsystem
(11), (12). Die Steuerung des Servosystems kann
dabei über
eine numerische Steuerung, einen steuerprogrammierbaren Speicher
oder mit Hilfe von elektronischen Steuerkarten und einer Positionssteuerung
erfolgen.
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Der
Antrieb für
die Drehbewegung wird mit Hilfe eines unabhängigen Motors (nicht dargestellt) erreicht,
der elektronisch oder hydraulisch sein kann. Der Motor ist an ein
Vor gelege (14) aus zwei Zahnrädern gekoppelt, welche über eine
koaxial angeordnete Feder (13) vorgespannt gehalten werden
und auf ein Zahnrad (16) greifen, welches fest mit dem
aus der Drehwelle (15) und dem Knie (1) bestehenden Zusammenbau
verbunden ist.
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Das
Maß für die Position
der Drehbewegung des Knies (1) wird mit Hilfe eines Abtasters
(12) ermittelt, welcher die Drehbewegung über ein
Vorgelege (11) mit minimalem Spiel für die Drehbewegung des Knies
(1) übermittelt
bekommt. Das Vorgelege kann aus Zahnrädern bestehen, kann aber auch
eine Ausführung
mit Treibriemen haben.
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Um
das oben angesprochene minimale Spiel zu erreichen bzw., was dasselbe
ist, um das Übertragen
von Meßfehlern
aufgrund von Verformungen der Welle (15) durch Verwindung
zu vermeiden ist vorgesehen worden, daß das Getriebe (11)
für die
kinematische Übertragung
auf den Abtaster (12) so weit wie möglich von der Verbindung mit
dem Zahnrad des Vorgeleges (16) entfernt in die Welle (15)
eingreift.
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In
dem Moment, in dem das Knie (1) richtig positioniert ist,
wird es blockiert und an dem Schlitten oder das sonstige Element
der Werkzeugmaschine (16) fixiert, und zwar durch den vom
Knie (1) auf das auf dem Schlitten oder auf dem sonstigen
Element der Werkzeugmaschine gehaltene Bezugselement (17),
wobei dieses auch der Schlitten selbst bzw. das sonstige Maschinenelement
sein kann. Die auf das Knie (1) und das Bezugselement (17)
ausgeübte
Blockierkraft wird entweder mit Hilfe von hydraulischem Druck oder
durch die Verwendung von entsprechenden Federn oder aber auch durch
beides gleichzeitig erreicht.
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Bei
dem vorgestellten Ausführungsbeispiel (im
Einzelnen in der 2 zu
erkennen) ist die Positionierung des Knies (1) mit Bezug
auf den Schlitten oder das sonstige Element der Werkzeugmaschine (17)
zu erkennen, sowie ebenfalls die Form, in der dieses blockiert wird.
Der Einfachheit halber ist lediglich eins dargestellt, obwohl mehrere
gleichartige und um den äußeren Umfang
angeordnete Sätze
gegeben sind.
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In
das Knie (1) ist eine umlaufende Aussparung eingebracht
(23), in welcher die Köpfe
(24) von verschiedenen Andrückschrauben (22) mit
dem als Stempel wirkenden Körper
(19), als Kolben wirkenden Hals (21) und dem Kopf
(24) mit Andrück-/Drucklöse-Funktion
untergebracht sind, wobei die Körper (19)
dieser Schrauben (22) in umlaufend eingebrachten Bohrlöchern (18)
sitzen. Außerdem
sind in diesen Bohrlöchern
(18) verschiedene Tellerfedern (20) angeordnet,
welche den Hals (21) der jeweils entsprechenden Schraube
(22) begleiten und Druck auf den Körper und die gegenüberliegende
Wand ausüben.
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Das
Knie (1) blockiert sich/drückt auf das Bezugselement/Komponente
(17) aufgrund des von den genannten Köpfen (24) aufgebrachten
und auf eine Seite des Stempels (19) wirkenden hydraulischen
Drucks und der Wirkung der Tellerfedern (20). Die Freigabe,
welche die ungehinderte Drehbewegung des Knies (1) ermöglicht,
wird einerseits durch die Aufhebung der oben beschriebenen Blockierkraft und
andererseits durch die Erzeugung einer in Gegenrichtung wirkenden
Kraft erreicht, und zwar durch den auf die andere Seite des Stempels
(19) aufgebrachten hydraulischen Druck, auf dessen Wirkung hin
ein Freiraum an den Köpfen
(24), den Schrauben (21) in ihren jeweiligen Aufnahmen
(23) und des Knies (1) erreicht wird, der Raum
für die
freie Drehbewegung des Knies (1) gibt.
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Bei
dem vorgestellten Ausführungsbeispiel (im
Einzelnen in der 1 zu
erkennen) ist die Positionierung des Kopfes (2) mit Bezug
auf das Knie (1) zu erkennen, sowie ebenfalls die Form,
in welcher der Kopf an dem Knie blockiert wird.
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Der
Kopf (2) ist mit dem Knie (1) fest verbunden und
dreht um die Achse B. Für
die Drehbewegung werden Wälzlager
E und für
die axiale Steuerung Wälzlager
F eingesetzt, wobei allerdings gleichermaßen Buchsen oder Lager verwendet
werden können.
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Bei
dem Antriebssystem handelt es sich um ein Servosystem mit geschlossenem
Kreislauf, bestehend aus einem Antriebsmotor und einem Meßsystem.
Die Steuerung des Servosystems kann dabei über eine numerische Steuerung,
einen steuerprogrammierbaren Speicher oder mit Hilfe von elektronischen
Steuerkarten und einer Positionssteuerung erfolgen.
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Der
Antrieb für
die Drehbewegung wird mit Hilfe eines unabhängigen elektrischen oder hydraulischen
Motors (25) und einer Transmission erreicht, die zusammen
die kinematische Kette (CC) bilden, welche ihrerseits den Bewegungsablauf
auf zwei über
die Buchse (7) verbundene und von der koaxial angeordneten
Feder (7) vorgespannte Vorgelege (8) übertragen,
die ihrerseits in die an beiden Armen der Gabel sitzenden und fest
mit dem Kopf (1) verbundenen Zahnräder (10) eingreifen.
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Das
Maß für die Position
der Drehbewegung des Kopfes (2) wird mit Hilfe eines Abtasters
(6) ermittelt, welcher koaxial auf der Drehwelle des Kopfes angeordnet
ist.
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In
dem Moment, in dem der Kopf (2) richtig positioniert ist,
wird er blockiert und am Knie fixiert, und zwar analog zu der weiter
oben beschriebenen Fixierung zwischen dem Knie (1) und
dem Bezugselement der Werkzeugmaschine, nur in diesem Fall durch
die Wirkung der Kronenräder
(10) auf das Knie (1). Die Blockierkraft wird
entweder mit Hilfe von hydraulischem Druck oder durch die Verwendung
von entsprechenden Federn oder aber auch durch beides gleichzeitig
erreicht Bei dem vorgestellten Ausführungsbeispiel (im Einzelnen
in der 1 zu erkennen)
ist die Positionierung des Kopfes (2) mit Bezug auf das
Knie (1) zu erkennen, sowie ebenfalls die Form, in welcher
der Kopf an dem Knie blockiert wird. Es sind dabei verschiedene ähnliche
Sätze um
den Umfang herum angeordnet, konkret in zwei gegenüber stehenden
Serien, obwohl angesichts der Duplizität nur auf einen davon Bezug
genommen wird.
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In
die zusammen mit dem Kopf (2) einen vollständigen Zusammenbau
bildenden Zahnräder
(10) ist eine umlaufende Aussparung (3) eingebracht
worden, in welcher die T-förmigen
Köpfe von
verschiedenen Andruckschrauben mit dem als Stempel wirkenden Körper (4),
untergebracht sind. Die als Blockiervorrichtung dienenden Zusammenbauten
sitzen in umlaufend an den Armen der Gabel eingebrachten Bohrlöchern. Weiterhin
vorgesehen sind verschiedene Tellerfedern (5), welche in
den oben genannten Bohrlöchern
des Knies (1) mit der Blockierfunktion untergebracht sind.
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Die
Blockierkraft zwischen den Zahnrädern (10)
und dem Knie (2) wird entweder mit hydraulischem Druck
oder aber durch die Verwendung von entsprechenden Federn oder auch
durch beides gleichzeitig aufgebracht.
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Bei
dem vorgestellten Ausführungsbeispiel (im
Einzelnen in der 1 zu
erkennen) ist zu erkennen, wie die Position des Kopfes (2)
aufgrund des auf den Kolben (4) wirkenden hydraulischen
Drucks und in der Folge von der von den Schrauben (3) ausgeübten Kraft
gegen Knie (1) gedrückt
und dort blockiert wird. Für
die Ausübung
der Blockierkraft sind auf dem gesamten Umlauf mehrere Schrauben
(3) verteilt angeordnet. Die Freigabe, welche die ungehinderte Drehbewegung
des Kopfes (2) ermöglicht,
wird einerseits durch die Aufhebung der oben beschriebenen Blockierkraft
und andererseits durch die Erzeugung einer in Gegenrichtung wirkenden Kraft
der Federn (5) erreicht, auf deren Wirkung hin ein Freiraum an
den Schrauben (3) in ihrem jeweiligen Aufnahmen erreicht
wird, welcher Raum für
die freie Drehbewegung des Kopfes (2) gibt.
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Es
ist unschwer verständlich,
daß für die Blockierung
bzw. Freigabe des Knies (1) mit Bezug auf die Maschine
(17) und des Kopfes (2) mit Bezug auf das Knie
(1) das System auch umgedreht werden kann und die Aussparungen
und Köpfe
der Schrauben in gleicher Weise auch direkt an der Maschine anstelle
am Knie (1) (insoweit es die Achse A betrifft) und/oder
an dem Knie (1) anstelle am Kopf (2) (insoweit
es die Achse B betrifft) angeordnet werden können.
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Zum
Weiteren beinhaltet die Erfindung die Möglichkeit anstelle von die
Schraubenkörper
aufnehmenden Blindlöchern
eine durchgehende Aussparung einzubringen, so daß anstelle von unabhängigen Schrauben
ein kontinuierliches ringförmiges Element
verwendet werden kann.
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Bei
dem oben angesprochenen Vorgelege werden die einzelnen Zahnräder durch
die Wirkung der koaxial angeordneten Federn (9) permanent
vorgespannt, wodurch kontinuierlich Verschleiß, Sprüngen, Überbelastungen oder Unregelmäßigkeiten sonstiger
Natur vorgebeugt wird.