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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Positionieren eines
Werkzeugs gegenüber einem
Werkstück
oder eines Werkstücks
gegenüber einem
Werkzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs
1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen Adapter für den Anschluss
eines Werkzeugs an eine Linearführung
einer Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs
7 sowie auf einen Adapter für
den Anschluss eines Werkstücks
an eine Werkstückaufnahme
einer Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs
8.
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Das
Werkzeug kann z. B. ein rotierendes Werkzeug oder auch ein Laser
sein. Wenn in der folgenden Beschreibung näher auf ein rotierendes Werkzeug
Bezug genommen wird, so kann dies immer auch durch einen Laser ersetzt
werden, wobei dann der Drehachse des rotierenden Werkzeugs die optische
Achse entspricht, auf der der Laserstrahl aus dem Laser austritt.
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STAND DER TECHNIK
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Bei
Werkzeugmaschinen, z. B. Fräsmaschinen,
ist es bekannt, zwischen einer Basis, d. h. üblicherweise dem Rahmen, der
Fräsmaschine
und der Drehachse eines Spannfutters zur Aufnahme eines Fräswerkzeugs
zwei Schwenkachsen hintereinander vorzusehen, mit deren Hilfe die
Ausrichtung der Drehachse des Spannfutters und damit des Fräswerkzeugs
im Raum variiert werden kann. Der Winkel zwischen diesen beiden
Schwenkachsen beträgt 45°, d. h. die
von der Basis aus gesehen zweite Schwenkachse knickt um 45° gegenüber der
ersten Schwenkachse ab. Die Drehachse des Spannfutters ist um weitere
45° gegenüber der
zweiten Schwenkachse abgewinkelt. Durch Verschwenken um beide Schwenkachsen
kann die Drehachse des Spannfutters insbesondere in jeder Richtung
radial zu der ersten Schwenkachse und auch koaxial zu dieser ausgerichtet
werden.
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Bei
früheren
Fräsmaschinen
ist ein Verschwenken um die beiden Schwenkachsen nur manuell nach
Lösen von
Befestigungsschrauben und zum Teil auch nur in größeren Winkelschritten
möglich.
Bei moderneren Fräsmaschinen
können
die beiden Schwenkachsen elektromotorisch angesteuert werden. Sowohl
die älteren
als auch die neuen Fräsmaschinen
der eingangs beschriebenen Art weisen von der Basis, über die
konstruktive Ausbildung der Schwenkachsen hinweg und bis zu dem
Antrieb für das
Werkzeug einen relativ langen Aufbau auf. Wenn der Durchmesser dieses
Aufbaus zu seiner Versteifung erhöht wird, steigt seine Länge noch
weiter an.
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Daneben
sind Fräsmaschinen
bekannt, bei denen ein Spannfutter für ein Fräswerkzeug innerhalb eines Gabelkopfs
und zusammen mit diesem um zwei hintereinander geschaltete und senkrecht zueinander
verlaufende Schwenkachsen im Raum verschwenkbar ist. Auch bei diesen
Fräsmaschinen ist
der Aufbau zwischen der Basis und dem Spannfutter für das Fräswerkzeug
relativ lang, insbesondere wenn sein Durchmesser zur Versteifung
erhöht
ist.
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Aus
der
DE 601 02 023
T2 ist eine Vorrichtung zum Positionieren eines Werkzeugs
gegenüber einem
Werkstück
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt. Hier
betragen die beiden Winkel mehr als 45° für das Verschwenken um die erste
und die zweite Schwenkachse ist jeweils ein hohl ausgebildeter Antrieb
in Form eines getriebelosen Elektromotors vorgesehen. Beide Elektromotoren
weisen ungefähr
einen gleichen Durchmesser auf und sind zwischen der Basis der bekannten
Vorrichtung und deren Werkzeug hintereinander angeordnet.
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Aus
der
US 4,630,509 ist
eine Vorrichtung zum Positionieren eines Werkstücks gegenüber einem Werkzeug mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt,
bei der die beiden Winkel 45° betragen
und bei der für die
zweite Schwenkachse und eine weitere Schwenkachse längs der
Hauptrichtung des Anschlusselements über Schneckengetriebe wirkende Elektromotoren
als Antrieb vorgesehen sind. Die Elektromotoren sind zwischen der
Basis der Vorrichtung und dem Werkstück hintereinander angeordnet.
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Aus
der
FR 790 486 ist eine
Vorrichtung zum Positionieren eines Werkstücks gegenüber einem Werkzeug bekannt,
die sich von den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs
dadurch unterscheidet, dass keine Antriebe für das Verschwenken um die Schwenkachsen
vorgesehen sind. Die beiden Winkel zwischen den beiden Schwenkachsen
bzw. zwischen der Schwenkachse und der Hauptrichtung des Anschlusselements,
bei der es sich um eine weitere Schwenkachse eines Schraubstocks
handelt, sind hier jeweils deutlich kleiner als 40°.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des unabhängigen
Patentanspruchs 1 und entsprechende Adapter mit den Merkmalen der
Oberbegriffe der unabhängigen
Patentansprüche
7 und 8 aufzuzeigen, die sich durch gute Voraussetzungen für einen
besonders kompakten Aufbau auszeichnet.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des unabhängigen Patentanspruchs
1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
der neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis
6 beschrieben. Die nebengeordneten Patentansprüche 7 und 8 betreffen Adapter,
um eine herkömmliche
Werkzeugmaschine im Sinne der vorliegenden Erfindung aufzurüsten.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
der neuen Vorrichtung sind die beiden Winkel zwischen den beiden
Schwenkachsen einerseits und der zweiten Schwenkachse und der Hauptrichtung
des um die zweite Schwenkachse verschwenkbaren Anschlusselements
andererseits maximal 40° groß. Dies
ist jedoch bereits die alleräußerste Grenze
für die
beiden Winkel. Vorzugsweise betragen die beiden Winkel deutlich
weniger, nämlich maximal
30°, noch
mehr bevorzugt maximal 20°,
weiter bevorzugt maximal 15° und
am meisten bevorzugt sogar nur maximal 10°, also beispielsweise 7,5°. Allein
durch die reduzierten Winkel kann die neue Vorrichtung zwischen
der Basis und dem Werkstück bzw.
Werkzeug deutlich kompakter aufgebaut werden, als die bekannten
Vorrichtungen aus dem Stand der Technik. Die zur Realisation der
Schwenkachsen verwendeten Bauteile können bei gleichem Durchmesser
in axialer Richtung viel kürzer
gehalten werden, als wenn die bekannten Winkel von 45° realisiert werden
müssen.
Die damit verbundene Möglichkeit, relativ
große
Durchmesser zu wählen,
ohne die axiale Baulänge
stark zu erhöhen,
ermöglicht
es nicht nur, hohe Steifigkeiten zu erreichen, sondern auch, die
Bauelemente zur Realisation der beiden Schwenkachsen ineinander
zu schachteln, wodurch die gesamte Baulänge der neuen Vorrichtung in
axialer Richtung zwischen der Basis und dem Anschlusselement besonders
kurz ausfallen kann. Die sich durch die kleineren Winkel als 45° ergebenden
Beschränkungen
in Bezug auf die Möglichkeiten,
das Anschlusselement gegenüber
der Basis der neuen Vorrichtung auszurichten, sind demgegenüber häufig unbedeutend.
Zumindest kann bei der neuen Vorrichtung ein Winkel zwischen der
Hauptrichtung des Anschlusselements und der ersten Schwenkachse
von null bis zu dem doppelten Winkel zwischen den beiden Schwenkachsen
bzw. der Schwenkachse und der Hauptrichtung eingestellt werden.
D. h. bei einem Winkel zwischen den beiden Schwenkachsen von 15° kann der
Winkel zwischen der ersten Schwenkachse und der Hauptrichtung 0
bis 30° betragen.
Zudem kann die Raumrichtung der Hauptrichtung des Anschlusselements
in Umfangsrichtung um die erste Schwenkachse frei gewählt werden.
Diese Möglichkeiten
sind z. B. für
die winklige Positionierung eines Werkzeugs gegenüber einem
Werkstück
oder auch eines Werkstücks
gegenüber
einem Werkzeug völlig ausreichend.
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Bei
der neuen Vorrichtung ist für
das Verschwenken um mindestens eine der Schwenkachsen ein im dem
Bereich der Schwenkachse hohl ausgebildeter Antrieb vorgesehen ist.
Die geringen Winkel zwischen den Schwenkachsen erlauben es dann,
in diesem hohlen Bereich weitere Bauteile zur Realisation der weiteren
Schwenkachsen anzuordnen. In dem von dem hohl ausgebildeten Antrieb
frei gelassenen Hohlraum kann ein für das Drehen um die jeweils
andere der Schwenkachsen vorgesehener Antrieb zumindest teilweise
angeordnet sein. Dies ist ein Fall der bereits erwähnten Schachtelung,
die bei der neuen Vorrichtung zu einer besonders geringen Baulänge in axialer
Richtung zwischen der Basis und dem Anschlusselement führt.
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Konkret
kann der hohl ausgebildete Antrieb ein getriebeloser Elektromotor,
d. h. ein so genannter Torque Motor sein.
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Die
beiden Winkel zwischen den beiden Schwenkachsen einerseits und der
zweiten Schwenkachse und der Hauptrichtung des um die zweite Schwenkachse
verschwenkbaren Anschlusselements andererseits müssen nicht exakt gleich groß sein.
Vielmehr werden allein aufgrund von Fertigungstoleranzen, die auch
mit großem
Aufwand nur reduziert, aber nicht beseitigt werden können, immer kleinere
Differenzen zwischen diesen Winkeln auftreten. Diese Differenzen
sind jedoch zumindest dann problemlos kompensierbar, indem sie bei
der Ansteuerung der Schwenkachsen berücksichtigt werden, wenn der
kleinere Winkel zwischen den beiden Schwenkachsen vorliegt. Aus
diesem Grund mag der Winkel zwischen den beiden Schwenkachsen absichtlich
etwas kleiner gehalten werden als der Winkel zwischen der zweiten
Schwenkachse und der Hauptrichtung des um die zweite Schwenkachse
verschwenkbaren Anschlusselements. Eine größere absichtliche Differenz
zwischen den beiden Winkeln hat aber keine Vorteile.
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Bei
der neuen Vorrichtung ist die Hauptrichtung des Anschlusselements,
die unter einem Winkel gegenüber
der zweiten Schwenkachse ausgerichtet ist, in aller Regel eine weitere
Schwenkachse, z. B. die Drehachse eines Spannfutters für ein Fräswerkzeug
oder eines Drehtellers, um ein Werkstück gegenüber dem Anschlusselement um
eine Symmetrieachse zu verdrehen. Es kann sich aber z. B. auch um eine
optische Achse handeln, auf der ein Laser einen Laserstrahl abgibt.
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Für das Verschwenken
um die einzelnen Schwenkachsen sind bei der neuen Vorrichtung in
aller Regel einzeln ansteuerbare Antriebe vorgesehen. Einzelne der
Schwenkachsen können
aber durchaus auch ausschließlich
manuell betätigbar
sein. Wenn mehrere oder gar alle Schwenkachsen der neuen Vorrichtung über einzeln
ansteuerbare Antriebe verfügen,
kann deren Ansteuerung auch synchronisiert erfolgen, wobei unterschiedliche
Verhältnisse
der Synchronisation möglich
sind. Jeder ansteuerbare Antrieb ist vorzugsweise so ausgebildet,
das er eine numerisch kontrollierte Verdrehung um die jeweilige Schwenkachse
ermöglicht,
also beispielsweise als Schrittmotor oder mit einer Messeinrichtung
für die Drehstellung.
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Auch
das Anschlusselement der neuen Vorrichtung kann zumindest teilweise
innerhalb eines hohl ausgebildeten Antriebs für die zweite Schwenkachse angeordnet
sein. So können
beispielsweise ein Antrieb für
die erste Schwenkachse um einen Antrieb für die zweite Schwenkachse und
der Antrieb für die
zweite Schwenkachse um das Anschlusselement herum angeordnet sein.
Auch hierbei handelt es sich um einen Fall der bereits erwähnten Schachtelung.
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Es
ist nicht zwingend notwendig, dass jede Schwenkachse bei der neuen
Vorrichtung so ausgebildet ist, dass sie ein endloses Verschwenken
um sich herum erlaubt. Sinnvoll ist es aber, wenn zumindest die
erste Schwenkachse derart ausgebildet ist. Auch wenn die Hauptrichtung
des Anschlusselements eine weitere Schwenkachse darstellt, weist diese
in aller Regel eine derartige Ausbildung auf. Mit anderen Worten
ist es häufig
allenfalls sinnvoll, die zweite Schwenkachse so auszubilden, dass
sie ein Verschwenken nur über
einen begrenzten Winkel erlaubt. Dieser sollte jedoch mindestens
180° und
vorzugsweise mindestens 360° betragen.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch an bestehenden Werkzeugmaschinen
nachgerüstet
werden. Zu diesem Zweck dienen die in den nebengeordneten Ansprüchen 7 und
8 definierten Adapter. Bei einem Adapter für den Anschluss eines Werkzeugs
an eine Linearführung
einer Werkzeugmaschine sind ein Ankoppelelement zum Ankoppeln des
Adapters an die Linearführung,
ein um die erste Schwenkachse gegenüber dem Ankoppelelement verschwenkbares
Zwischenelement und das um die zweite Schwenkachse gegenüber dem
Zwischenelement verschwenkbare Anschlusselement für das Werkzeug
vorgesehen. Bei einem entsprechenden Adapter für den Anschluss eines Werkstücks an die Werkstückaufnahme
einer Werkzeugmaschine sind entsprechend ein Ankoppelelement zum
Ankoppeln des Adapters an die Werkstückaufnahme, ein um die erste
Schwenkachse gegenüber
dem Ankoppelelement verschwenkbares Zwischenelement und das um die
zweite Schwenkachse gegenüber
dem Zwischenelement verschwenkbare Anschlusselement für das Werkstück vorgesehen.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind auch hierbei die beiden Winkel zwischen den Schwenkachsen
einerseits und der zweiten Schwenkachse und der Hauptrichtung des Anschlusselements
andererseits, bei der es sich typischerweise um eine Drehachse für ein Spannfutter für das Werkzeug
oder eine Drehachse eines Drehtellers für das Werkstück handelt,
gleich groß und
betragen maximal 40°,
vorzugsweise deutlich weniger. Auch die anderen bevorzugten Merkmale
der neuen Vorrichtung, die voranstehend beschrieben wurden, sind
bei den neuen Adaptern vorzugsweise verwirklicht.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter
bevorzugter Ausführungsbeispiele
weiter erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
die wesentlichen Teile einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Positionieren eines Werkstücks
gegenüber
einem Werkzeug in einer ersten Betriebsstellung,
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2 zeigt
Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß 1 in
einer zweiten Betriebsstellung; und
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3 zeigt
einen bevorzugten geschachtelten Aufbau einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Positionieren eines Werkzeugs gegenüber einem Werkstück in einem
schematischen Querschnitt.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die
in den 1 und 2 in ihren wesentlichen Bestandteilen
gezeigte Vorrichtung 1 dient zum Positionieren eines Werkstücks 2 gegenüber einem
hier nicht dargestellten Werkzeug relativ zu einer Basis 3.
An der Basis 3 ist ein Zwischenelement 4 um eine
erste Schwenkachse 5 verschwenkbar gelagert. Dabei kann
zwischen der Basis 3 und dem Zwischenelement 4 ein
starr an die Basis angekoppeltes Ankoppelelement vorgesehen sein,
dem gegenüber
dann das Zwischenelement 4 um die erste Schwenkachse 5 verschwenkbar
ist. An dem Zwischenelement 4 ist ein Anschlusselement 6 um
eine zweite Schwenkachse 7 verschwenkbar gelagert. Durch
Verdrehen des Zwischenelements 4 um die ersten Schwenkachse 5 verändert sich
die Raumlage der zweiten Schwenkachse 7. An dem Anschlusselement 6 ist über eine
Anschlussfläche 8 ein
Drehteller 9 für
das Werkstück 2 um
eine weitere Schwenkachse 10 verschwenkbar gelagert. Auf
dem Drehteller 9 ist das Werkstück 2 angeordnet, wobei
die Schwenkachse 10 eine Rotationssymmetrieachse des Werkstücks 2 sein
kann. zwischen der weiteren Schwenkachse 10 und der zweiten
Schwenkachse 7 liegt ein Winkel 11 vor, der genauso
groß ist
wie ein Winkel 12 zwischen der ersten Schwenkachse 5 und
der zweiten Schwenkachse 7. Hierdurch kann die weitere Schwenkachse 10,
wie in 1 dargestellt ist, in derselben Richtung ausgerichtet
werden, wie die ersten Schwenkachse 5. Wenn der Drehteller 9 mit
der weiteren Schwenkachse 10 nicht vorgesehen ist, gilt
diese Winkelbeziehung für
die Flächennormale
der Anschlussfläche 8 des
Anschlusselements 6.
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In
der in 2 gezeigten Betriebsstellung der Vorrichtung 1 ist
der Winkel zwischen der ersten Schwenkachse 5 und der weiteren
Schwenkachse 10 bzw. der Flächennormalen zu der Anschlussfläche 8 maximiert,
indem er hier die Summe der beiden gleich großen Winkel 11 und 12 beträgt. Dabei
kann die resultierende Richtung der Neigung des Werkstücks 2 durch
Verdrehen des Zwischenelements 4 um die erste Schwenkachse 5 in
jeder radialen Richtung zu der ersten Schwenkachse 5 orientiert
werden.
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Die
Vorrichtung 1 kann statt zur Positionierung eines Werkstücks gegenüber einem
Werkzeug auch zur Positionierung eines Werkzeugs gegenüber einem
Werkstück
vorgesehen sein. In diesem Fall wäre beispielsweise der Drehteller 9 ein
Spannfutter, während
das Werkstück 2 ein
mit dem Spannfutter um die Schwenkachse 10 gegenüber dem
Anschlusselement 6 drehantreibbares Werkzeug wäre. Die Basis 3 wäre ein Ankoppelelement,
das z. B. an eine Linearführung
einer Werkzeugmaschine für
das Werkzeug anzukoppeln wäre.
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Die 1 und 2 machen
bereits deutlich, dass der Aufbau der neuen Vorrichtung 1 sehr kompakt
ist, insbesondere wenn die gleichen Winkel 11 und 12 einen
vergleichsweise kleinen Wert, wie hier dargestellt von beispielsweise
7,5° aufweisen. Insbesondere
weisen das Zwischenelement 4 und das Anschlusselement 6 trotz
großer
radialer Erstreckung zu der ersten Schwenkachse 5 bzw.
der zweiten Schwenkachse 7 eine vergleichsweise geringe Bauhöhe auf.
Dies resultiert in eine hohe Steifigkeit der Anordnung. Zudem beeinträchtigen
lineare Beschleunigungen, wie sie z. B. dann auftreten, wenn das
Zwischenelement 4 und das Anschlusselement 6 an
einer Linearführung
gelagert sind, die Funktion der Schwenkachsen 5 und 7 nicht.
Selbst wenn die Schwenkachse 10 maximal gegenüber der
Schwenkachse 5 abgewinkelt ist, sind die um die Schwenkachsen 5 und 7 verdrehbaren
Massen um diese Schwenkachsen noch weitgehend rotationssymmetrisch
verteilt und rufen so mit ihren Trägheitskräften auch bei großen linearen
Beschleunigungen keine nennenswerten Drehmomenten um eine der Schwenkachsen 5 und 7 hervor.
Dies macht die neue Vorrichtung 1 im Gegensatz zu bekannten
Vorrichtungen mit Gabelkopf für
Hochgeschwindigkeitswerkzeugmaschinen besonders geeignet.
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In 3 ist
eine Ausführungsform
der Vorrichtung 1 zur Positionierung eines Werkzeugs 13 in Form
eines rotierenden Fräsers 14 gegenüber einer hier
nicht dargestellten Linearführung
für das
Werkzeug 13 dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist
dabei ein Ankoppelelement 15 zum starren Ankoppeln an das Endglied
der Linearführung
auf. Zu dem Ankoppelelement 15 gehört der außen liegende Stator 16 eines ersten
getriebelosen Elektromotors 17, der hier nur schematisch
wiedergegeben ist und bei dem es sich um einen so genannten Torque
Motor handeln kann. Der innen liegende Rotor 18 des Elektromotors 17 ist bereits
Teil des Zwischenelements 4, das gegenüber dem Ankoppelelement 15 um
die erste Schwenkachse 5 verschwenkbar ist. Für diese
Verschwenkung wird der Elektromotor 17 angesteuert. Weiter
gehört zu
dem Zwischenelement 4 der Stator 19 eines zweiten
getriebelosen Elektromotors 20, der um den Winkel 12 verkippt
innerhalb des Rotors 18 angeordnet ist. Der innen liegende
Rotor 21 des Elektromotors 20 ist gegenüber dem
Stator 19 um die zweite Schwenkachse 7 drehantreibbar.
Innerhalb des ebenso wie der Rotor 18 hohl ausgebildeten
Rotors 21 ist eine Frässpindel 22 an
dem Anschlusselement 6 gelagert, die das Werkzeug 13 um
die in der Betriebsstellung gemäß 3 mit
der ersten Schwenkachse 5 zusammenfallenden weiteren Schwenkachse 10 antreibt.
Das Werkzeug 13 ist aus der in 3 dargestellten
Richtung bis maximal in die Richtung 23 verkippbar, die
einen Winkel von der Summe der Winkel 11 und 12 zu
der ersten Schwenkachse 5 aufweist. Diese Richtung kann,
wie durch einen Pfeil 24 verdeutlicht ist, in jede radiale
Richtung zu der ersten Schwenkachse 5 orientiert werden.
Für die
Winkelausrichtung des Werkzeugs 13 bzw. der Schwenkachse 10,
um die dieses umläuft,
steht der gesamte von dem Pfeil 14 umschlossene Bereich
zur Verfügung.
Die Ineinanderanordnung der Elektromotoren 17 und 20 und
der Frässpindel 22 ergibt
einen extrem kompakten Aufbau der gesamten Vorrichtung 1.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Werkstück
- 3
- Basis
- 4
- Zwischenelement
- 5
- erste
Schwenkachse
- 6
- Anschlusselement
- 7
- zweite
Schwenkachse
- 8
- Anschlussfläche
- 9
- Drehteller
- 10
- weitere
Schwenkachse
- 11
- Winkel
- 12
- Winkel
- 13
- Werkzeug
- 14
- Fräser
- 15
- Ankoppelelement
- 16
- Stator
- 17
- Elektromotor
- 18
- Rotor
- 19
- Stator
- 20
- Elektromotor
- 21
- Rotor
- 22
- Frässpindel
- 23
- Richtung
- 24
- Pfeil