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Die
Erfindung betrifft einen Fräskopf
für Fräsmaschinen
vom Typ ”Twist” gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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In
der konventionellen Technologie werden Fräsköpfe für Fräsmaschinen eingesetzt, welche
aus einem bezüglich
der Maschine drehbaren Knie und einem bezüglich des Knies drehbaren 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 Kopfstück bezeichnet wird) sind in
der Lage, mit Hilfe der Drehwellen das Kopfstück 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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Die
DE 198 45 750 A1 zeigt
einen Fräsmaschinenkopf
mit unabhängigen
Motoren für
das Drehen eines Winkelstücks
und eines Werkzeugkopfes, wobei die Beweglichkeit zwischen dem Winkelstück und der
Maschine sowie zwischen dem Werkzeugkopf und dem Winkelstück mittels
der Betätigung
von Blockiersätzen
blockiert werden kann. Es wird kein Fräskopf für Fräsmaschinen vom Typ ”Twist” gezeigt.
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Bei
den konventionellen Fräsköpfen vom
Typ ”Twist” kommen
für das
Erreichen der Drehbewegungen des Knies oder des Kopfstückes 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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Die
Lösung
dieses Problems erfolgt durch einen Fräskopf mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1.
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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 Kopfstückes und
des Knies ist mit zylindrischen Zahnrädern mit Schneckenverzahnung
ausgerüstet,
welche durch die Wirkung von koaxial angeordneten und permanent
den Verschleiß,
Sprünge
und beliebige sonstige Unterbrechungen kompensierenden Federn kontinuierlich
unter Vorspannung gehalten werden.
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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.
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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 und die Freigabe des Knies mit Bezug auf die Maschine
und des Kopfstückes
mit Bezug auf das Knie wird mit Hilfe von Blockiersätzen realisiert,
die aus einer Schraube mit einem T-förmigen Kopf in einer umlaufenden Aussparung
in der Maschine, dem Knie oder dem Kopfstück bestehen und bei denen die
Blockierkraft des Kopfstückes
in der Aussparung entweder über
die Aufbringung von hydraulischem Druck oder durch den Einsatz von
entsprechend angeordneten Federn oder auch durch beides gleichzeitig
erreicht wird.
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Die
Blockierung und die Freigabe des Knies mit Bezug auf die Maschine
und des Kopfstückes
mit Bezug auf das Knie wird vorzugsweise 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 Kopfstückes 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 Kopfstückes ermöglichen die Sicherung der erreichten
Position 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 Kopfstückes und die Blockier-/Freigabe-Systeme mit Bezug
auf das Knie 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 und die Blockier-/Freigabe-Systeme
mit Bezug auf die Maschine 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-Kopfstück (2),
die miteinander verbunden sind.
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Das
Knie (1) für
die Positionierung dreht sich um die Achse A, während sich das Kopfstück (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 Kopfstückes (2) und
des Knies (1) in bestimmten Winkeln zueinander erreicht.
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Um
eine nutzbare Positionierung der Welle (C) des Fräskopfes
erreichen zu können,
ist es erforderlich, daß die
Positionierung des Kopfstückes
(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 (C) des Fräskopfes 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
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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 (1) 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 zwei
Zahnräder
(14) 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.
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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 ereichen 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 (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 dem sonstigen Element
der Werkzeugmaschine (17) fixiert, und zwar durch den vom
Knie (1) ausgeübten
Druck auf ein auf dem Schlitten oder auf dem sonstigen Element der
Werkzeugmaschine gehaltenes Bezugselement, wobei dieses auch der
Schlitten selbst oder das sonstige Maschinenelement sein kann. Die
auf das Knie (1) und das Bezugselement 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 eines 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 Andruckschrauben (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 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) im Knie (1) erreicht wird und die freie Drehbewegung
des Knies (1) ermöglicht wird.
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Bei
dem vorgestellten Ausführungsbeispiel (im
Einzelnen in der 1 zu erkennen) ist die Positionierung
des Kopfstückes
(2) mit Bezug auf das Knie (1) zu erkennen, sowie
ebenfalls die Form, in welcher das Kopfstück (2) an dem Knie
(1) blockiert wird.
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Das
Kopfstück
(2) ist mit dem Knie (1) fest verbunden und dreht
sich 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 steuerpro grammierbaren 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 (9) vorgespannte Vorgelege (8) übertragen,
die ihrerseits in die an beiden Armen der Gabel sitzenden und fest
mit dem Kopfstück
(2) verbundenen Zahnräder
(10) eingreifen.
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Das
Maß für die Position
der Drehbewegung des Kopfstückes
(2) wird mit Hilfe eines Abtasters (6) ermittelt,
welcher koaxial auf der Drehwelle des Kopfstückes angeordnet ist.
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In
dem Moment, in dem das Kopfstück
(2) richtig positioniert ist, wird es blockiert und am
Knie (1) 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.
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Bei
dem vorgestellten Ausführungsbeispiel (im
Einzelnen in der 1 zu erkennen) ist die Positionierung
des Kopfstückes
(2) mit Bezug auf das Knie (1) zu erkennen, sowie
ebenfalls die Form, in welcher das Kopfstück (2) an dem Knie
(1) 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 Kopfstück
(2) einen vollständigen
Zusammenbau bildenden Zahnräder
(10) ist eine umlaufende Aussparung eingebracht worden,
in welcher die T-förmigen
Köpfe von
verschiedenen Andruckschrauben (3) 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 (1) 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 Kopfstückes
(2) aufgrund des auf den Kolben (4) wirkenden
hydraulischen Drucks und in der Folge von der von den Schrauben (3)
ausgeübten
Kraft gegen das 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 Kopfstückes
(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 ihren jeweiligen Aufnahmen
erreicht wird, welcher Raum für
die freie Drehbewegung des Kopfstückes (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 Kopfstückes (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 Kopfstück
(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.