DE102005005905A1

DE102005005905A1 - Werkzeugkopf zum Bewegen eines Werkzeugs mit mehreren beweglichen Achsen

Info

Publication number: DE102005005905A1
Application number: DE102005005905A
Authority: DE
Inventors: Ali Dr. Haj-Fraj; Jens Dr. Hamann; Uwe Ladra; Hans-Peter Dr. Tröndle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2006-08-17
Also published as: US7566193B2; EP1848568A1; JP2008529808A; US20080022793A1; WO2006084815A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Werkzeugkopf und zum Bewegen eines Werkzeugs (6) mit mehreren beweglichen Achsen (2, 4, 5, 8, 11), durch die das Werkzeug (6) linear und drehbar bewegbar ist, und einem Kombinationsantrieb (10) zum Antrieb einer Achse, mittels dessen von der vom Kombinationsantrieb (10) angetriebenen Achse (11) eine Linear- und Drehbewegung ausführbar ist sowie die Verwendung eines Kombinationsantriebs (10) zum Antrieb einer Achse (11) eines Werkzeugkopfs zum Bewegen eines Werkzeugs, wobei von der vom Kombinationsantrieb (10) angetriebenen Achse (11) eine Linear- und Drehbewegung ausführbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bewegungsführung. Die Erfindung schafft einen Werkzeugkkopf, der eine hohe Dynamik der Bewegung eines Werkzeugs ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkzeugkopf zum Bewegen eines Werkzeugs mit mehreren beweglichen Achsen, sowie die Verwendung eines Kombinationsantriebs zum Antrieb einer Achse eines Werkzeugkopfs zum Bewegen eines Werkzeugs.
Weiterhin betriff die Erfindung ein Verfahren zur Bewegungsführung eines Werkzeugs mit dem oben genannten Werkzeugkopf.
Bei Maschinen wie z.B. Roboter, Produktionsmaschinen und/oder Werkzeugmaschinen werden handelsüblich Werkzeugköpfe zum Bewegen eines Werkzeugs mit mehreren beweglichen Achsen, durch die das Werkzeug linear und drehbar bewegbar ist, eingesetzt. Insbesondere bei Fräsmaschinen werden solche Werkzeugköpfe eingesetzt.
In 1 ist eine handelsübliche Fräsmaschine mit einem feststehenden Portal 14 dargestellt. Die Fräsmaschine weist einen Werkzeugkopf 1 auf, der unter anderem eine Z1-Achse 2 aufweist, mittels der er in Richtung des dargestellten Pfeils vertikal auf und ab bewegbar ist. Weiterhin weist die Maschine eine X-Achse 3, mittels der der Werkzeugkopf 1 in Richtung des dargestellten Pfeils, horizontal nach links oder rechts gemäß 1 bewegt werden kann und eine Y-Achse 16 mittels der der Werkzeugkopf 1 in Richtung des dargestellten Pfeils, horizontal nach vorne oder hinten gemäß 1 bewegt werden kann, auf.
In 2 ist eine handelsübliche Ausführungsform eines Werkzeugkopfes dargestellt. Neben der Z1-Achse 2 weist der Werkzeugkopf zur Durchführung einer Drehbewegung (siehe zugehöriger Pfeil) eine Drehachse 4 und zur Durchführung einer weiteren Drehbewegung in Form einer Schwenkbewegung eine Schwenkachse 5 auf. Auf der Schwenkachse 5 ist ein Antrieb schwenkbar montiert, der mittels der Schwenkachse 5 in Form einer Schwenkbewegung (siehe zugehöriger Pfeil) gedreht werden kann. Der Antrieb 7 weist eine rotatorische Welle 8 auf, die ein Werkzeug 6, z.B. ein Fräskopf, in eine Drehbewegung (siehe Pfeil 15) versetzt. Jede Achse besitzt dabei einen eigenen jeweilig zugeordneten Antrieb, wobei der Antrieb der Z1-Achse 2, der Drehachse 4, und der Schwenkachse 5, der Übersichtlichkeit halber und da sie für das Verständnis der Erfindung unwesentlich sind, nicht dargestellt sind. Mit Hilfe der Z1-Achse kann der Werkzeugkopf eine Linearbewegung in vertikale Richtung nach oben oder nach unten durchführen. Mit Hilfe der Drehachse 4 kann die nachfolgende Schwenkachse 5 in Richtung des eingezeichneten zugehörigen Pfeils gedreht werden und mit Hilfe der Schwenkachse 5 kann der Antrieb 7 eine Drehbewegung in Form einer Schwenkbewegung durchführen. Die drehende Welle 8 bildet eine weitere Drehachse, die sich in Richtung des eingezeichneten zugehörigen Pfeils 15 dreht und auch als Spindelachse bezeichnet wird.
Aufgrund der im Vergleich zu den anderen Achsen relativ großen Massen, die mit Hilfe der Z1-Achse 2 bewegt werden müssen, bildet die Z1-Achse hinsichtlich der erreichbaren Bewegungsdynamik der Maschine die beschränkende Achse. Aufgrund der großen Masse und der damit verbundenen Trägheit der Z1-Achse 2 hinsichtlich der Bewegungsführung sind nur wesentlich kleinere Beschleunigungen als auf den anderen Achsen erreichbar. Insbesondere z.B. beim Formfräsen von Werkstücken führt das zu wesentlich größeren Bearbeitungszeiten und damit höheren Kosten.

Aus der deutschen Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 10 2004 056 210.5 ist ein Rotationslinearantrieb mit einer Rotationsantriebseinrichtung bekannt.

Aus der deutschen Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 10 2004 045 493.0 ist eine elektrische Maschine, welche ins besondere als Antrieb für eine Spritzgießmaschine vorgesehen ist, wobei die elektrische Maschine zur Ausführung einer Linearbewegung einen ersten elektrischen Motor und zur Ausführung einer Drehbewegung einen zweiten elektrischen Motor aufweist, bekannt.

Aus der Veröffentlichung im Internet „Antrieb für kombinierte Rotations- und Axialbewegung z.B. einer Pinole in einer Werkzeugmaschine", www.ip.com, IPCOM000028477D, Holger Schunk, Erich Bott, ist ein Antrieb für eine kombinierte Rotations- und Axialbewegung, bekannt.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10324601 A1 ist eine Antriebsvorrichtung für eine Linear- und Rotationsbewegung bekannt.

Aus der deutschen Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 10 2004 056 211.3 ist ein Rotationslinearantrieb mit einer Linearantriebseinrichtung, die ein Primärteil und ein Sekundärteil aufweist, wobei das Sekundärteil als Außenläufer ausgestaltet ist und eine Gebereinrichtung zur Erfassung einer Linearbewegung und/oder einer Rotationsbewegung des Sekundärteils zumindest teilweise im Inneren des Primärteils angeordnet ist, bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe eines geeigneten Werkzeugkopfes eine hohe Dynamik der Bewegung eines Werkzeugs zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Werkzeugkopf zum Bewegen eines Werkzeugs mit

– mehreren beweglichen Achsen, durch die das Werkzeug linear und drehbar bewegbar ist,
– einem Kombinationsantrieb zum Antrieb einer Achse, mittels dessen von der vom Kombinationsantrieb angetriebenen Achse eine Linear- und Drehbewegung ausführbar ist.

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Kombinationsantriebs zum Antrieb einer Achse eines Werkzeugkopfs zum Bewegen eines Werkzeugs, wobei von der vom Kombinationsantrieb angetriebenen Achse eine Linear- und Drehbewegung ausführbar ist.

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bewegungsführung eines Werkzeugs mit einem Werkzeugkopf, wobei eine Aufteilung einer linearen Bewegung des Werkzeugs erfolgt indem hochdynamische lineare Bewegungsanteile des Werkzeugs im Wesentlichen mittels der vom Kombinationsantrieb angetriebenen Achse ausgeführt werden und niederdynamische lineare Bewegungsanteile des Werkzeugs im Wesentlichen von einer weiteren Achse ausgeführt werden.

Es erweist sich dabei als vorteilhaft, wenn eine Achse als Schwenkachse ausgebildet ist und der Kombinationsantrieb mittels der Schwenkachse schwenkbar ist. Hierdurch wird ein beliebiges Drehen des Kombinationsantriebs ermöglicht, so dass eine hochdynamische Bewegungsführung in nahezu jeder Bewegungsrichtung möglich ist.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn eine Achse als Linearachse ausgebildet ist und der Kombinationsantrieb mittels der Linearachse linear bewegbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die gesamte nachgeordnete Schwenkachse hoch dynamisch bewegbar ist.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass die Linear- und Drehbewegung der vom Kombinationsantrieb angetriebenen Achse gleichzeitig ausführbar ist. Hierdurch wird das kombinierte Durchführen komplexer Bewegungsvorgänge ermöglicht.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, eine Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder einen Roboter mit dem erfindungsgemäßen Werkzeugkopf auszubilden, da auf diesen technischen Gebieten hohe Anforderungen an die Dynamik der Bewegungsführung gestellt werden.

Vorteilhafte Ausbildungen des Werkzeugskopfs ergeben sich analog zur vorteilhaften Verwendungen des Werkzeugkopfes und vorteilhaften Verfahren zur Bewegungsführung eines Werkzeugs und umgekehrt.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine handelsübliche Fräsmaschine,

2 ein handelsüblicher Fräskopf,

3 ein handelsüblicher Kombinationsantrieb,

4 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugkopfs und

5 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugkopfs.

Um eine wesentlich größere Dynamik in der Bewegungsführung des Werkstücks 6 in Richtung der Z1-Achse zu erreichen wird erfindungsgemäß, die in dem Ausführungsbeispiel vertikale Linearbewegung der Z1-Achse teilweise auf eine zusätzliche hochdynamische lineare Z2-Achse verlegt. Diese Z2-Achse ist erfindungsgemäß mittels eines Kombinationsantriebs realisiert und in den Werkzeugkopf integriert. Aufgrund der kleinen Massen, die mittels der Z2-Achse verfahren werden müssen, können diese mit hoher Dynamik d.h. mit großer Beschleunigung verfahren werden. Der Verfahrbereich der zusätzlichen Z2-Achse kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen variiert und optimiert werden. Die Aufteilung der Gesamtbewegung auf die Z1-Achse und die Z2-Achse erfolgt im Wesentlichen nach zeitoptimalen Gesichtspunkten. Niederdynamische Bewegungsanteile (Anteile ohne hohe Beschleunigung) der Bewegung des Werkzeugs, die häufig bei größeren Bewegungen des Werkzeugs auftreten, werden dabei von der Z1-Achse ausgeführt, während hochdynamische Bewegungsanteile (Anteile mit hoher Beschleunigung) des Werkzeugs von der Z2-Achse ausgeführt werden. Eine Aufteilung einer linearen Bewegung des Werkzeugs erfolgt somit indem hochdynamische lineare Bewegungsanteile des Werkzeugs mittels der vom Kombinationsantrieb angetriebenen Achse ausgeführt werden und niederdynamische lineare Bewegungsanteile des Werkzeugs von einer weiteren Achse ausgeführt werden.
Die Aufteilung der Bewegung des Werkzeugs in einen hochdynamischen Bewegungsanteil und einen niederdynamischen Bewegungsanteil, sowie die Ansteuerung der Achsen erfolgt in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Maschine.
Erfindungsgemäß wird zur Realisierung der Z2-Achse in den Werkzeugkopf ein Kombinationsantrieb zum Antrieb einer Achse integriert, mittels dessen die vom Kombinationsantrieb angetriebene Achse eine Linear- und Drehbewegung ausführen kann. Ein solcher Kombinationsantrieb ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 24 601 A1 bekannt.
In 3 ist ein solcher Kombinationsantrieb schematisiert dargestellt. Der Kombinationsantrieb 10, welcher in dem Ausführungsbeispiel in Form eines Elektromotors vorliegt, treibt eine Welle 11 an, die sich z.B. in Richtung des Pfeils 13 dreht. Der Elektromotor kann jedoch nicht nur die Welle 11 in Rotation versetzen, sondern die Welle 11 kann auch eine Linearbewegung 12 durchführen. Der Kombinationsantrieb 10 kann somit die Welle 11 sowohl rotatorisch als auch linear antreiben.
In 4 ist eine erste Ausbildung des erfindungsgemäßen Werkzeugkopfes dargestellt. Mit Hilfe der Z1-Achse 2 kann der Kombinationsantrieb 10 in vertikale Richtung linear auf und ab bewegt werden. Der Kombinationsantrieb 10 treibt die Welle 11 an, wobei die Welle 11, wie schon oben gesagt, vom Kombinationsantrieb 10 sowohl rotatorisch als auch linear ange trieben wird. Die Welle 11 bildet somit eine Kombinationsachse, die aus der Drehachse 13 und einer linearen Z2-Achse 12 gebildet wird. Die Kombinationsachse, die vom Kombinationsantrieb angetrieben wird, kann somit eine Linear- und Drehbewegung ausführen, wobei die Linear- und Drehbewegung gleichzeitig ausgeführt werden können. In 4 sind die beiden möglichen Bewegungen der Welle 11 dargestellt. Die Welle 11 ist mit der Schwenkachse 5 verbunden, so dass die Schwenkachse durch eine Drehbewegung der Welle 11 gedreht werden kann. Mit Hilfe der Schwenkachse 5 kann genau, wie schon bei 1 beschrieben, ein Antrieb 7 in Richtung der Schwenkachse gedreht werden. Der Antrieb 7 treibt rotatorisch eine Welle 8 an, die wiederum ein Werkzeug 6 antreibt. Die Bewegung der Schwenkachse sowie die Rotation der Welle 8 sind durch entsprechende zugehörige Pfeile angedeutet. Mit Hilfe des Kombinationsantriebs 10 ist, wie schon gesagt, durch die Welle 11 die hochdynamische lineare Z2-Achse 12, die durch einen entsprechenden Pfeil angedeutet ist und die Drehachse 13, die ebenfalls durch einen entsprechenden Pfeil angedeutet ist, in Form einer Kombinationsachse realisiert. Lineare Bewegungsvorgänge in vertikaler Richtung, die eine hohe Beschleunigung erfordern, werden mit Hilfe der vertikalen Linearbewegung der Welle 11, die vom Kombinationsantrieb 10 angetrieben ist, durchgeführt, während langsame Bewegungsvorgänge in vertikaler Richtung durch die Z1-Achse ausgeführt werden. Das Antriebssystem der Schwenkachse 5 sowie der Z1-Achse 2 ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
In 5 ist eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Werkzeugkopfes dargestellt. Der Kombinationsantrieb 10 ist dabei anstelle des konventionellen rotatorischen Antriebs 7 in den Werkzeugkopf eingebaut. Die Welle 11 des Kombinationsantriebs 10 bildet dabei wieder eine in lineare Richtung bewegliche Z2-Achse 12 und ist mit dem Werkzeug 6 verbunden, wobei durch eine entsprechende Drehbewegung der Welle 11 das Werkzeug 6 in Rotation versetzt wird. Das Werkzeug 6 kann z.B. in Form eines Fräskopfes vorliegen. Die Welle 11 stellt somit eine Kombinationsachse dar, in der die Z2-Achse 12 und die so genannte drehende Spindelachse 13 realisiert sind. Der Kombinationsantrieb 10 ist wiederum mittels der Schwenkachse 5 drehbar. Die Schwenkachse 5 ist wiederum durch eine Drehachse 4 drehbar und der Werkzeugkopf ist mittels der Z1-Achse 2 des Werkzeugkopfs in vertikaler Richtung bewegbar. Weiterhin ist der Werkzeugkopf mittels der X-Achse und der Y-Achse (siehe 1) in horizontaler Richtung bewegbar. Funktionell gesehen stimmt 5 ansonsten mit 4 weitgehend überein.
Gegenüber der Ausführungsform gemäß 4 besitzt die Ausführungsform gemäß 5 den Vorteil, dass die hochdynamische Z2-Achse 12 nicht nur für hochdynamische lineare Bewegungsvorgänge in vertikaler Richtung zur Verfügung steht, sondern auch, wenn die Schwenkachse 5 entsprechend gedreht ist, für andere lineare Bewegungsrichtungen zur Verfügung steht.
Als direktes Messsystem zur Messung der Linear- und/oder Drehbewegung der Welle 11 des Kombinationsantriebs 10 kann dabei ein so genannter Kombinationsmaßstab zur Anwendung kommen, der vorzugsweise im Kombinationsantrieb 10 integriert ist. Aus der deutschen Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 10 2004 056 211.3 ist eine geeignete Geberanordnung und Geberauswertung bekannt.
Weiterhin sei an dieser Stelle angemerkt, dass selbstverständlich die einzelnen drehbaren Achsen in beide Drehrichtungen drehbar sind und nicht nur in Richtung des jeweilig eingezeichneten Pfeils.

Claims

Werkzeugkopf zum Bewegen eines Werkzeugs (6) mit – mehreren beweglichen Achsen (2, 4, 5, 8, 11), durch die das Werkzeug (6) linear und drehbar bewegbar ist, – einem Kombinationsantrieb (10) zum Antrieb einer Achse, mittels dessen von der vom Kombinationsantrieb (10) angetriebenen Achse (11) eine Linear- und Drehbewegung ausführbar ist.
Werkzeugkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Achse als Schwenkachse (5) ausgebildet ist und der Kombinationsantrieb (10) mittels der Schwenkachse (5) schwenkbar ist.
Werkzeugkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Achse als Linearachse (2) ausgebildet ist und der Kombinationsantrieb (10) mittels der Linearachse (2) linear bewegbar ist.
Werkzeugkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linear- und Drehbewegung der vom Kombinationsantrieb (10) angetriebenen Achse (11) gleichzeitig ausführbar ist.
Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder Roboter mit einem Werkzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Verwendung eines Kombinationsantriebs (10) zum Antrieb einer Achse (11) eines Werkzeugkopfs zum Bewegen eines Werkzeugs, wobei von der vom Kombinationsantrieb (10) angetriebenen Achse (11) eine Linear- und Drehbewegung ausführbar ist.
Verfahren zur Bewegungsführung eines Werkzeugs (6) mit einem Werkzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auftei lung einer linearen Bewegung des Werkzeugs (6) erfolgt indem hochdynamische lineare Bewegungsanteile des Werkzeugs im Wesentlichen mittels der vom Kombinationsantrieb (10) angetriebenen Achse (11) ausgeführt werden und niederdynamische lineare Bewegungsanteile des Werkzeugs (6) im Wesentlichen von einer weiteren Achse (2) ausgeführt werden.