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HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Bearbeitungsvorrichtung sowie auf ein Bearbeitungsverfahren zur spanabtragendeh Bearbeitung komplex gekrümmter Werkstückkanten an Werkstücken, insbesondere zum Entgraten und/oder Anfasen von Profilkanteri an Zahnrädern.
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Werkstücke mit komplex gekrümmten Werkstückkanten, beispielsweise Zahnräder, werden heutzutage in großen Stückzahlen für den Bau von Getrieben und anderen Baugruppen in Antrieben benötigt. Bei der Herstellung werden in der Regel Wälzfräser eingesetzt, um das Zahnprofil zu erzeugen. Beim Wälzfräsen können an den Zahnkanten durch Materialverschiebung Grate entstehen, die bei der Endbearbeitung der Werkstücke beseitigt werden müssen. Häufig wird auch gefordert, dass die Profilkanten eine Fase definierter Größe und Neigung haben sollen.
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Zum Entgraten werden in der Regel feinverzahnte Entgratwerkzeuge oder Entgratbürsten eingesetzt. Beim maschinellen Pendelschleifen wird beispielsweise ein feinverzahntes Entgratwerkzeug unter Schwerkraft oder mittels Federbelastung auf die zu entgratende Werkstückkante aufgelegt und folgt dann der Zahnkontur des sich drehenden Werkstücks. Hierbei ist es jedoch nicht möglich, eine bezügliche Fasenwinkel und Fasenbreite definierte Fase zu erzeugen.
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Bei anderen Bearbeitungsverfahren werden komplex gekrümmte Werkstückkanten durch spezi-. ell geschulte Facharbeiter an besonders eingerichteten Entgratarbeitsplätzen manuell entgratet. Hierzu werden häufig druckluftbetriebene Entgratwerkzeuge bei Drehzahlen zwischen 30.000 Umin-1 und 40.000 Umin-1 eingesetzt, die mit hohem Kraftaufwand an das Werkstück angedrückt werden müssen und die mikrofeine Späne erzeugen, gegen die sich die Arbeiter schützen müssen. Aufgrund der Feinspanbildung und der hohen Lärmbelastung wegen der hohen Werkzeugdrehzahlen ist bei diesen Arbeitsgängen Schutzkleidung erforderlich, so dass die manuelle Entgratung für die Arbeiter insgesamt sehr belastend ist. Auch bei Einsatz von speziell geschulten Facharbeitern für diese schwierigen Arbeiten kann gleichbleibende Qualität der Werkstücke nicht garantiert werden, da die Qualität letztendlich, von der Tagesform des Entgraters abhängt und daher schwankt. Prozesssicherheit ist somit nicht gegeben. Die Komplettbearbeitung eines Werkstückes kann je nach Werkstückgröße mehrere Stunden dauern.
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Die
DE 37 38 619 A1 beschreibt eine Entgratvorrichtung für einen Industrieroboter mit einem mehrgliedrigen Arbeitsarm. Der Antriebsmotor des Entgratfräsers und der Entgratfräser selber sind so innerhalb der Entgratvorrichtung gehaltert, dass die Fräserachse geneigt zur Endglied-Drehachse steht und der Arbeitspunkt des Entgratfräsers auf der Endglied-Drehachse liegt. Um auch bei ungünstig innerhalb des Werkstücks liegenden zu entgratenden Kanten diese behinderungsfrei mit der Entgratvorrichtung bzw. dem Entgratfräser erreichen zu können, ohne den Arbeitsarm des Industrieroboters insgesamt umorientieren zu müssen, ist innerhalb der Entgratvorrichtung eine zum Arbeitspunkt des Entgratfräsers konzentrische kreisbogenförmige Führung vorgesehen. Entlang dieser ist die Haltung des Antriebsmotors mittels eines entsprechenden Schlittens verschiebbar. Dadurch kann der Winkel zwischen Fräserachse und Endglied-Drehachse verändert werden, ohne dass dabei die Lage des Arbeitspunktes und/oder die Lage der Endglied-Drehachse verändert wird.
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Die
DE 34 32 773 A1 beschreibt eine Werkzeuganordnung an einem mehrgliedrigen Arm eines Industrieroboters zum Entgraten von Werkstückkanten. Das umlaufende Werkzeug, beispielsweise ein Frässtift, ist in einer Werkzeugaufnahme gehaltert, die ihrerseits mit dem äußersten Glied des mehrgliedrigen Handhabungsarms des Roboters verbunden ist. Das Werkzeug ist derart angeordnet, dass die verlängert gedachte Drehachse des äußersten Gelenkgliedes das Werkzeug im Arbeitseingriff am Werkstück trifft. Dann resultieren aus Veränderungen der Orientierung des Werkzeugs durch Verdrehung des Gelenkgliedes keine Verschiebungen des Arbeitseingriffs, wodurch ein hoher Nutzungsgrad des Roboters erreicht wird, da der Werkzeugvorschub mit großer Kontinuität und hoher Geschwindigkeit erfolgen kann.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Bearbeitungsvorrichtung und ein Bearbeitungsverfahren zur spanabtragenden Bearbeitung komplex gekrümmter Werkstückkanten an Werkstücken bereitzustellen, die es ermöglichen, in relativ kurzer Bearbeitungszeit Entgrat- und Anfasbearbeitungen an komplex gekrümmten Werkstückkanten durchzuführen und dabei gleichbleibende hohe Qualität im bearbeiteten Kantenbereich sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bearbeitungsvorrichtung. mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Bearbeitungsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Eine erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung hat eine Robotereinheit, die eine Basis und ein mit der Basis kinematisch gekoppeltes und gegenüber der Basis mehrachsig gesteuert verlagerbares Endglied aufweist, welches um eine Drehachse drehbar ist. Die Robotereinheit weist sechs Drehachsen auf. An dem Endglied ist eine Spindeleinheit mit einer um eine Spindelachse drehbaren Arbeitsspindel befestigt, die an ihrem freien Ende eine Werkzeugaufnahme zur Aufnahme eines Rotationswerkzeuges hat. Die Spindelachse ist gegenüber der Drehachse des Endgliedes in einem schrägen Winkel (Anstellwinkel) derart angestellt, dass die Drehachse des Endgliedes die Spindelachse in einem Abstand vor der Werkzeugaufnahme schneidet. Der Abstand kann geringer sein als die Werkzeuglänge eines in die Werkzeugaufnahme einzuspannenden Rotationswerkzeuges, so dass Drehachse des Endgliedes bei eingespanntem Rotationswerkzeug durch dieses hindurch verläuft. Der Schnittpunkt kann auch außerhalb des Werkzeuges vor diesem liegen.
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Der Anstellwinkel weicht deutlich von 90° ab und liegt vorzugsweise zwischen 30° und 60°. Er kann z. B. bei 45° liegen, insbesondere wenn Fasen mit 45° Fasenwinkel erzeugt werden sollen.
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Aufgrund der Schrägstellung der Spindelachse gegenüber der Drehachse des Endgliedes bewirkt eine Drehung des Endgliedes um seine Drehachse einen Umlauf der Spindelachse entlang einer Kegelmantelfläche, wobei der Kegelwinkel durch den Anstellwinkel zwischen der Drehachse des Endgliedes und der Spindelachse gegeben ist. Dadurch können kreisbogenförmig gekrümmte Konturabschnitte der Werkstückkanten gleichmäßig bearbeitet werden, indem ausschließlich das Endglied um seine Drehachse gedreht wird.
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Die Erfinder haben erkannt, dass durch diese Anordnung kreisbogenförmig gekrümmte Konturabschnitte mit bisher nicht möglicher, sehr präziser Wegsteuerung der Vorschubbewegung des Werkzeuges und genau kontrollierbaren Bearbeitungskräfte bearbeitet werden können. Gerade solche Konturabschnitte verursachen bei herkömmlichen Bearbeitungsverfahren erhebliche Probleme. Robotereinheiten können zwar mit hohen Kräften entlang linearer Vorschubstrecken gefahren werden, bei Kreisbogenabschnitten treten jedoch Probleme auf, da für einen Vorschub entlang eines Kreisbogens der Vorschub immer wieder aus drei Punkten entlang des Kreisbogens berechnet werden muss. Da herkömmliche Robotereinheiten hierfür interpolieren, wird die Kreisbogenbewegung in der Regel durch mehr oder weniger viele Dreiecksbewegungen angenähert, so dass das von einer Robotereinheit geführte Werkzeug nur annähernd, aber nicht exakt, entlang einer kreisbogenförmigen Bahn geführt wird. Die Erfindung beseitigt dieses Problem. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können für die Bearbeitungsaufgaben handelsübliche Robotereinheiten verwendet werden, die weder gesondert versteift werden müssen noch besonders hohe Anforderungen an die Rechenleistung der Steuerung stellen.
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Auch kegelschnittförmige Konturabschnitte können mit hoher Präzision gesteuert bearbeitet werden, da zusätzlich zu der Drehung des Endgliedes um seine Drehachse in der Regel nur relativ langsame und geringfügige weitere Achsbewegungen notwendig sind, die der Drehbewegung überlagert werden, um eine mehr oder weniger stark von der Kreisbogenform abweichende kegelschnittförmige Bearbeitungsbahn des Rotationswerkzeuges zu erzeugen.
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Der Begriff „Robotereinheit“ steht hier allgemein für eine universelle, programmierbare Maschine, die im Allgemeinen einen Manipulator, eine Steuerung und einen Effektor umfasst, welcher bei der Bearbeitungsmaschine die Spindeleinheit und den Antrieb des daran angebrachten Rotationswerkzeug umfasst. Die Robotereinheit kann beispielsweise nach Art eines Gelenkarmroboters mit serieller Kinematik ausgestattet sein. Erfindungs gemäß hat die Robotereinheit sechs Drehachsen, so dass das Endglied bzw. ein daran angebrachtes Werkzeug gegenüber der Basis im Arbeitsbereich der Robotereinheit an jedem Raumpunkt in jede beliebige Ausrichtung gebracht werden kann. Herkömmliche Industrieroboter mit sechs elektromechanisch angetriebenen Drehachsen können z. B. verwendet werden.
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Zur Aufnahme des Werkstückes ist vorzugsweise eine an einem Rundtisch angeordnete Spannvorrichtung vorgesehen, wobei die Drehachse des Rundtisches eine weitere steuerbare Achse der Bearbeitungsvorrichtung darstellt. Dementsprechend hat eine bevorzugte Variante insgesamt sieben Drehachsen, die über eine gemeinsame Steuerung der Robotereinheit koordiniert angesteuert werden können.
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Ein erfindungsgemäßes Bearbeitungsverfahren zur spanabtragenden Bearbeitung komplex gekrümmter Werkstückkanten an Werkstücken, insbesondere zum Entgraten und/oder Anfasen von Profilkanten an Zahnrädern, zeichnet sich dadurch aus, dass zur spanabtragenden Bearbeitung an der Werkstückkante ein frei schneidendes Fräswerkzeug verwendet wird, welches mit einer gesteuerten Bewegung entlang der Werkstückkante geführt wird. Eine Vorschubbewegung des Fräswerkzeugs wird mindestens zum Teil mit Hilfe eine Robotereinheit mit sechs Drehachsen erzeugt, die eine Basis und ein mit der Basis kinematisch gekoppeltes Endglied aufweist, welches um eine Drehachse drehbar ist. Das Fräswerkzeug wird im Bereich eines kegelschnittförmig gekrümmten Abschnitts der Werkstückkante phasenweise ausschließlich durch Drehung einer das Fräswerkzeug tragenden Spindeleinheit um eine schräg zur Spindelachse verlaufende Drehachse entlang der Werkstückkante vorgeschoben.
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Insbesondere kann es so sein, dass das Fräswerkzeug im Bereich eines kreisbogenförmig gekrümmten Abschnitts der Werkstückkante ausschließlich durch Drehung einer das Fräswerkzeug tragenden Spindeleinheit um eine schräg zur Spindelachse verlaufende Drehachse entlang der Werkstückkante vorgeschoben wird.
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Durch die Verwendung eines frei schneidenden Fräswerkzeuges mit einem großen Spanvolumen, welches um ein Mehrfaches größer sein kann als das Spanvolumen hochdrehend angetriebener Entgratwerkzeuge, ist eine echte spanabhebende Bearbeitung mit hoher Zerspanungsleistung möglich. Typische Spangrößen bzw. Spanlängen können im Bereich von einem oder mehreren Zehntelmillimetern liegen, häufig auch im Millimeterbereich, z.B. bei einem oder zwei Millimetern oder mehr. Durch die hohe Zerspanungsleistung können insbesondere auch Fasen mit großer Fasenbreite und erheblicher Länge in relativ kurzer Zeit erzeugt werden.
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Die kinematischen Vorteile bei der Bearbeitung kreisbogenförmiger oder kegelschnittförmiger Konturabschnitte wurden oben bereits erläutert. Wenn bei der Bearbeitung einer Werkstückkante z.B. ein kreisbogenförmiger Abschnitt der Werkstückkante erreicht wird, so kann dieser dadurch bearbeitet werden, dass das Fräswerkzeug im Bereich des kreisbogenförmig gekrümmten Abschnittes phasenweise ausschließlich durch Drehung eines das Fräswerkzeug tragenden Spindeleinheit um eine schräg zur Spindelachse verlaufende Drehachse entlang der Werkstückkante vorgeschoben wird. Hierdurch ist eine exakte Führung entlang der kreisbogenförmigen Kontur und eine entsprechend kreisbogenförmige Fase hoher Güte bearbeitbar.
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Besondere Vorteile ergeben sich dann, wenn das Fräswerkzeug mit einer Drehzahl von weniger als 10.000 Umin-1 gedreht wird. Typische Drehzahlen können im Bereich von 9.000 Umin-1 oder darunter liegen. Diese Drehzahlen liegen deutlich niedriger als die Drehzahlen herkömmlicher Entgratwerkzeuge, die nicht selten mit Drehzahlen von 30.000 Umin-1 bis 40 000 Umin-1 angetrieben werden und dabei sehr feine Späne mit Spanlängen im Mikrometerbereich erzeugen können. Die relativ niedrigen Drehzahlen von 10.000 Umin-1 oder weniger erleichtern die Spindelkühlung und sind auch auch unter Kostengesichtspunkten vorteilhaft, da kostengünstige Antriebe mit geringeren Antriebsleistungen verwendet werden können. Damit ergeben sich einfache, kostengünstige, aber dauerhaft zuverlässige Konstruktionen. Die niedrigen Drehzahlen vermeiden auch einen anderen, bei sehr hohen Drehzahlen auftretenden nachteiligen Effekt, der bisher unberücksichtigt geblieben ist. Wenn eine Arbeitsspindel mit hoher Drehzahl angetrieben wird, so ergeben sich Kreiselkräfte, die versuchen, die schnell rotierende Arbeitsspindel in ihrer Ausrichtung zu stabilisieren. Die Kreiselkräfte wirken jeglichem Versuch der Änderung der Neigung der Spindelachse entgegen, so dass für Neigungsänderungen erhebliche Kräfte erforderlich sind. Bewegungen quer zur Spindelachse werden aufgrund des gyroskopischen Effekts ebenfall erschwert und erzeugen Zusatzkräfte. Die Kreiselkräfte erschweren somit eine gezielte präzise Steuerung von Lage und Neigung der Spindeldrehachse bzw. der Werkzeugdrehachse, so dass die Qualität der erzeugten Bearbeitungsfläche dadurch leidet. Diese Probleme werden bei Bearbeitung mit relativ niedrigeren Drehzahlen vermieden oder jedenfalls stark vermindert.
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Vorzugsweise wird als Fräswerkzeug ein spiralverzahnter Schaftfräser verwendet, der zur Bearbeitung mit seinem Umfang an der Werkstückkante angreift (Umfangsfräser). Durch die Neigung der Drehachse des Schaftfräsers kann der erzeugte Fasenwinkel exakt vorgegeben werden. Ein Schaftfräser mit zylindrischer Wirkkontur hat auf der gesamten mit Schneiden versehenen Länge die gleiche Schnittgeschwindigkeit, so dass die axiale Position des Fräsers variiert werden kann, ohne dass sich Ungleichmäßigkeiten der Schnittleistung ergeben.
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Fräser mit positivem Schnittwinkel sind bevorzugt, da sie freier und mit größerem Abtrag schneiden als bei anderen Schnittwinkeln. Der Drall in der Schneide sollte so gestaltet sein, dass die Schneiden ziehend wirken, wodurch ein ruhigerer Lauf bei der Bearbeitung erreicht wird.
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Es kann sich um einen Fräser aus Hartmetall handeln, der auch bei der Bearbeitung von festen Stahlwerkstoffen hohe Standzeiten hat. Auch beschichtete Fräser sind möglich.
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Bei Ausführungsformen der Erfindung kann ein zusammenhängender Abschnitt der Werkstückkante, z.B. die gesamte Profilkante einer Zahnlücke eines Zahnrades, in einer einzigen Vorschubbewegung auf Endmaß gefräst werden, wobei keine Hin- und Zurückbewegung des Bearbeitungswerkzeuges nötig ist.
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Aufgrund der hohen erzielbaren Spanleistungen können bei vertretbaren Taktzeiten Fasen mit erheblichen Fasenbreiten auch an großen und ggf. relativ schwer zu bearbeitenden Werkstücken erzeugt werden. Bei manchen Ausführungsformen wird an der Werkstückkante eine Fase mit einer Fasenbreite von mehr als 2 mm erzeugt, wobei die Fasenbreite beispielsweise zwischen 2 mm und 5 mm bis 7 mm liegen kann, ggf. auch darüber.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Übersichtsdarstellung einer Ausführungsform einer Bearbeitungsvorrichtung zum Entgraten und Anfasen von Profilkanten an Zahnrädern;
- 2 zeigt eine schrägperspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines Zahnrades mit Evolventenverzahnung während der Bearbeitung mit einem Schaftfräser; und
- 3 zeigt einen schematischen Schnitt parallel zur Drehachse eines Zahnrades durch den Bereich eines kreisbogenförmig gerundeten Zahngrundes einer Evolventenverzahnung zusammen mit der Position des Fräswerkzeuges in der Anfangsphase und in der Endphase der Erzeugung einer Fase im Bereich des Zahngrundes.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die schematische Seitenansicht in 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung B zur spanabtragenden Bearbeitung komplex gekrümmter Werkstückkanten an Werkstücken. Die Bearbeitungsvorrichtung ist für die Bearbeitung von Profilkanten an der Verzahnung von Großzahnrädern eingerichtet. Die computergesteuerte Standalone-Maschine mit Robotereinheit ist so dimensioniert, dass Großzahnräder, typischerweise mit Durchmessern zwischen 1.000 mm und 10.000 mm, in einer einzigen Aufspannung beidseitig komplett entgratet und an den Zahnprofilkanten mit einer Fase versehen werden können.
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Solche Großzahnräder mit Geradverzahnung oder Schrägverzahnung kommen z.B. in Windkraftanlagen sowie in der Schiffstechnik und in Großbetrieben des Anlagenbaues zum Einsatz, wo hohe Anforderungen an eine dauerhafte betriebssichere Funktion gestellt werden, was eine hohe dimensionelle Präzision vor allem auch im Bereich von Zahnprofilkanten voraussetzt.
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Auf einem Maschinenbett MB ist die Basis BA einer Robotereinheit RE befestigt. Die Robotereinheit ist nach Art eines Gelenkarmroboters mit sechs Rotationsachsen ausgebildet und daher in der Lage, ein am freien Ende der Robotereinheit angebrachtes Rotationswerkzeug WZ innerhalb des Arbeitsbereiches der Robotereinheit an beliebige Raumpositionen zu verfahren und dort mit beliebiger Ausrichtung der Rotationsachse des Werkstückes zu positionieren und zu bewegen.
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Die Robotereinheit hat ein erstes Glied G1, welches gegenüber der Basis BA um eine vertikale erste Achse A1 gedreht werden kann. Ein zweites Glied G2 ist am ersten Glied G1 angelenkt und kann gegenüber diesem um eine senkrecht zur ersten Achse verlaufende horizontale zweite Achse A2 verschwenkt werden. Am Ende des zweiten Gliedes G2 ist ein drittes Glied G3 angelenkt, welches gegenüber dem zweiten Glied G2 um eine horizontale dritte Achse A3 verschwenkbar ist, welche parallel zur zweiten Achse A2 verläuft. Am der dritten Achse abgewandten Ende des dritten Gliedes G3 ist über ein Drehgelenk ein viertes Glied G4 angekoppelt, welches gegenüber dem dritten Glied G3 um eine vierte Achse A4 verdrehbar ist, die senkrecht zur dritten Achse A3 verläuft. Am anderen Ende des vierten Gliedes G4 befindet sich ein weiteres Drehgelenk mit einer senkrecht zur vierten Achse A4 ausgerichteten fünften Achse A5. Dieses Drehgelenk trägt das fünfte Glied G5 der Robotereinheit, welches gegenüber dem vierten Glied G4 um die fünfte Achse A5 verschwenkbar ist. Das freie Ende des Roboterarms wird durch ein Endglied EG gebildet, welches über ein Drehgelenk mit dem fünften Glied G5 gekoppelt ist. Mit Hilfe des Drehgelenks kann das Endglied EG gegenüber dem fünften Glied G5 um eine sechste Achse A6 verdreht werden, welche senkrecht zur fünften Achse A5 verläuft und welche die Drehachse des Endgliedes EG bildet. Die elektromechanischen Antriebe zur Erzeugung der Schwenkbewegungen um die sechs Rotationsachsen der Robotereinheit werden von einer zentralen Steuerung ST der Robotereinheit gesteuert. Da Industrieroboter mit sechs elektromechanisch angetriebenen Rotationsachsen an sich bekannt sind, wird hier auf eine weitergehende Beschreibung verzichtet.
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Aufgrund der Konstruktion der Robotereinheit ist das Endglied EG mit der Basis BA kinematisch gekoppelt und gegenüber der Basis mehrachsig, nämlich in 6 Rotationsachsen, gesteuert verlagerbar. Das Endglied EG ist dabei um eine Drehachse, nämlich die sechste Achse A6, drehbar. Das Endglied EG hat eine winklig geknickte Form. Genauer gesagt ist das Endglied im Beispielsfall als Winkelkonsole mit einem ersten Abschnitt und einem gegenüber dem ersten Abschnitt in einem schrägen Anstellwinkel von 45° ausgerichteten zweiten Abschnitt ausgebildet, wobei ein freies Ende des ersten Abschnitts als Teil eines Drehgelenks zur Drehung des Endgliedes um die Drehachse A6 des Endgliedes ausgebildet ist und ein freies Ende des zweiten Abschnitts Kopplungsstrukturen zur Ankopplung einer Spindeleinheit SE aufweist.
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Am freien Ende des Endgliedes ist die leicht auswechselbare Spindeleinheit SE befestigt, welche alle Komponenten zur Aufnahme und zum Antrieb des für die Bearbeitung vorgesehenen Rotationswerkzeuges WZ enthält. Die Spindeleinheit SE hat eine um eine Spindelachse SA drehbare Arbeitsspindel, die von einem Elektromotor EM über ein Getriebe angetrieben wird. Der Antrieb ist für relativ geringe Werkzeugdrehzahlen bis maximal 10.000 Umin-1 ausgelegt, so dass robuste, kostengünstige Elektromotoren verwendet werden können. Am antriebsabgewandten freien Ende der Arbeitsspindel ist eine Werkzeugaufnahme WA angebracht, in die ein Rotationswerkzeug WZ so eingespannt werden kann, dass die Werkzeugachse koaxial mit der Spindelachse verläuft. Das eigentliche Werkzeug WZ ist dabei in einer HSK-Werkzeugaufnahme aufgenommen, die wiederum in die Werkzeugaufnahme WA der Arbeitsspindel eingespannt wird.
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Aufgrund der geknickten Ausgestaltung des Endgliedes ist die Spindelachse SA gegenüber der Drehachse A6 des Endgliedes in einem schrägen Anstellwinkel α= 45° derart angestellt, dass die Drehachse A6 des Endgliedes die Spindelachse SA bzw. deren Verlängerung in einem Abstand vor der Werkzeugaufnahme WA schneidet. Der Abstand ist dabei so bemessen, dass die Verlängerung der sechsten Achse A6 durch den Bearbeitungspunkt (tool center point) des Werkzeuges WZ verläuft (vgl. 3). Dadurch wird erreicht, dass die Spindelachse SA bei Drehung des Endgliedes EG um die sechste Achse A6 entlang einer rotationssymmetrischen Kegelmantelfläche umläuft, deren Kegelwinkel (Winkel zwischen Rotationsachse und Mantelfläche) dem Anstellwinkel α entspricht.
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Zur Aufnahme des Werkstückes WS ist eine Spannvorrichtung SV in Form eines mechanischen Backenfutters vorgesehen, welches auf einen numerisch gesteuerten Rundtisch RT montiert ist. Der NC-Rundtisch RT ist um eine parallel zur ersten Achse A1 verlaufende siebte Achse A7 drehbar und ebenfalls über die Steuerung ST der Robotereinheit ansteuerbar. Dadurch ist eine synchrone Ansteuerung des Rundtisches als siebte Achse A7 über die Robotersteuerung möglich.
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Im Beispielsfall ist das Werkstück mit Hilfe einer Verlängerung des Backenfutters derart mit Abstand oberhalb des Rundtisches gehalten, dass sowohl die Profilkanten an der nach oben gerichteten Oberseite des Zahnrades, also auch die Profilkanten an der nach unten gerichteten Unterseite des Zahnrades für die Bearbeitung durch das Werkzeug WZ zugänglich sind, so dass ohne Wenden des Werkstückes in einer Aufspannung alle zu bearbeitenden Profilkanten erreicht und bearbeitet werden können. Dies ist durch die beiden dargestellten Arbeitspositionen O und U des Werkzeuges an der Oberseite bzw. die Unterseite des Werkstückes veranschaulicht.
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Im Arbeitsbereich der Robotereinheit ist weiterhin ein Magazin MA zur Aufnahme unterschiedlicher Spindeleinheiten angeordnet; an denen andersartige Werkzeuge befestigt werden können, beispielsweise ein Bürstwerkzeug zum Bürstentgraten. Alle Spindeleinheiten sind mit geeigneten Kopplungsstrukturen versehen, die ein schnelles und einfaches Einwechseln bzw. Auswechseln am freien Ende des Endgliedes EG ermöglichen.
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Die schrägperspektivische Ansicht in 2 zeigt einen Ausschnitt des Randes eines aus einem Stahlgusswerkstoff hergestellten Werkstücks WS in Form eines Stirnrades mit gerader Evolventenverzahnung. Bei der Erzeugung der Zähne Z durch Wälzfräsen entstehen an den Werkstückkanten WK im Übergangsbereich zwischen der oberen und unteren Planfläche des Zahnrades und den Zahninnenseiten durch Materialverschiebungen stellenweise Grate G, die bei der Endbearbeitung beseitigt werden müssen. Gleichzeitig besteht in der Regel die Forderung, an der Werkstückkante eine Fase FA mit definiertem Fasenwinkel und definierter Fasenbreite anzubringen. Im Beispielsfall haben die Zähne Z leicht nach innen konvex gekrümmte Zahnflanken FL, die im Bereich des Zahngrundes ZG in einen kegelschnittförmig, insbesondere kreisbogenförmig gerundeten Konturabschnitt übergehen.
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2 zeigt das Werkstück während der Bearbeitung mit Hilfe der Bearbeitungsvorrichtung aus 1. Als Werkzeug WZ wird ein wendelgezahnter bzw. spiralgezahnter Schaftfräser aus Hartmetall verwendet. Die Schneiden haben einen Drall, um die erzeugten Späne über die zwischen den Schneiden liegenden Spanräume nach oben vom Werkstück wegzuführen. Die Schneiden haben positive Schnittwinkel, so dass in Verbindung mit dem großen Spanvolumen ein freier Schnitt mit großem Abtrag erzeugt werden kann. Der Drallwinkel der Schneiden ist dabei derart groß bemessen, dass eine Schneide erst in Eingriff geht, wenn die nächste Schneide bereits in Eingriff mit dem Werkzeug steht und in den Werkstoff eindringt. Dadurch werden eine Bearbeitung mit gleichmäßiger Schnittkraft über die gesamte Eingriffslänge des Werkzeuges, ein ruhiger Maschinenlauf und damit eine hohe Qualität der bearbeitenden Flächen erreicht.
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2 zeigt den Fräser zu einem Bearbeitungszeitpunkt, in dem bereits der in der Figur links gezeigte vordere Teil der komplex gekrümmten Werkstückkante mit einer Fase FA versehen wurde, während der in Vorschubrichtung V vor dem Werkzeug liegende Teil noch scharfkantig ist und teilweise Grate G hat. Über die Neigung der Rotationsachse des Werkzeuges gegenüber der Werkstückachse (Rotationsachse des Zahnrades) wird der Fasenwinkel (hier 45°) zu jedem Zeitpunkt der Vorschubbewegung präzise definiert. Während der Bearbeitung der Zahnflanken sind in der Regel mehrere Achsen der Robotereinheit aktiv, damit der Fräser mit seiner zylindrischen Wirkkontur mit vorgegebener Neigung der gekrümmten Kontur folgen und die Fase erzeugen kann.
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Eine Besonderheit bei der Vorschubbewegung ergibt sich im Bereich des Zahngrundes ZG, der im Beispielsfall mehr oder weniger kreisbogenförmig gekrümmt ist. In diesem Bereich wird die Vorschubbewegung des Fräsers phasenweise ausschließlich oder weit überwiegend über die Drehbewegung des Endgliedes um die sechste Achse A6 bewirkt. Aufgrund der Schrägstellung der Spindelachse gegenüber der sechsten Achse A6 und dem Umstand, dass die Verlängerung der sechsten Achse A6 durch den Bearbeitungspunkt (tool center point, TCP) des Fräsers verläuft (vgl. 3), bewegt sich der Fräser im Bereich des Zahngrundes allein aufgrund der Drehung um die sechste Achse A6 entlang eines Ausschnitts einer Kegelmantelfläche, so dass im Bereich des Zahngrundes ein im Wesentlichen konischer Abschnitt der Fase erzeugt werden kann. 2 zeigt zur Verdeutlichung drei nacheinander erreichte Lagen I, II und III der Spindelachse SA bzw. der Drehachse des Rotationswerkzeuges bei der Bearbeitung des Zahngrundes. Alle Achslagen I, II und III liegen auf der Kegelmantelfläche eines Kegels, dessen Symmetrieachse mit der sechsten Achse A6 zusammenfällt.
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3 zeigt zur weiteren Verdeutlichung eine Schnittansicht senkrecht zur sechsen Achse A6 der Robotereinheit durch das Werkstück im Bereich des kreisbogenförmig gekrümmten Zahngrundes. Zwischen der links gezeigten ersten Werkzeugposition I und bei der rechts gezeigten zweiten Werkzeugposition II hat sich das Endglied EG um 180° um die sechste Achse A6 gedreht, während bei diese Drehbewegung alle anderen Achsen der Robotereinheit ruhen.
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Die Leistungsfähigkeit der Bearbeitungsvorrichtung bzw. des Bearbeitungsverfahrens kann anhand einiger Beispiele aus dem Bereich der Bearbeitung von Zahnrädern verdeutlicht werden, die nicht nur entgratet, sondern auch mit einer Fase versehen werden sollen. Typische Qualitätsanforderungen verlangen beispielsweise bei Zahnrädern mit Modul 10 Fasen Fasenbreiten im Bereich von 1,6 mm, bei Modul 16 Fasen mit Fasenbreiten von ca. 2,5 mm, bei Modul 24 Fasen ca. 4 mm Fasenbreite und bei Modul 27 Fasen mit 5 mm Breite. Dabei soll nach Möglichkeit eine variable Fasenstärke mit konstantem Fasenwinkel erreicht werden, damit nach einem nachgeschalteten Schleifprozess eine konstante Fase entsteht. Gegebenenfalls sollen die Fasenkanten nach dem Härten und Schleifen noch verrundet werden.
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In Versuchen konnten für Modul 10 Fase 1,6 mm Taktzeiten in der Größenordnung von 3,5 Sek. pro Zahnlücke erreicht werden, bei Modul 16, Fase 2,5 mm waren Taktzeiten um ca. 6 Sek. erzielbar, bei Modul 24, Fase 3,0 mm Taktzeiten von ca. 8 Sek. und bei Modul 27 mit breiteren Fasen, nämlich Fasenbreite 5,0 mm, ca. 50 Sek. Diese Taktzeiten liegen deutlich unterhalb derjenigen Zeiten, die bei manueller Bearbeitung erforderlich wären, wobei in herkömmlichen Verfahren Fasenbreiten von mehr als 2 mm nur maschinell, dabei aber nicht zuverlässig mit variabler Fasenbreite und definierten Winkel hergestellt werden konnten.
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Die Bearbeitung kann, wie im Beispielsfall, trocken erfolgen. Bei Bedarf sind auch Einrichtungen zur Zuführung von Kühlschmierstoff für eine Nassbearbeitung möglich, gegebenenfalls auch ein System für Minimalmengenschmierung.
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Bei entsprechender Programmierung der Steuerung kann die gesamte Werkstückkante im Bereich einer Zahnlücke und gegebenenfalls auch um die Zahnspitze herum in einer einzigen, ununterbrochenen (kontinuierlichen) Vorschubbewegung auf das gewünschte Endmaß gefräst werden. Zu Beginn der Bearbeitung findet die Robotereinheit nach entsprechender Programmierung selbsttätig mit Hilfe geeigneter Sensorik ihren Startpunkt der Bearbeitung, d.h. den Einstieg in eine Zahnflanke. Danach wird das rotierende Werkzeug in Eingriff mit der Zahnflanke gebracht und wird dann in einer einzigen kontinuierlichen Vorschubbewegung an der komplex gekrümmten Werkstückkante entlanggeführt, um diese zu entgraten und mit einer Fase zu versehen. Für die Bearbeitung der nächsten Zahnlücke wird das Werkstück über den Rundtisch weitergetaktet.
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Aufgrund der Konstruktion der Anlage mit der in Bezug auf die sechste Achse A6 schräggestellten Spindelachse wird besonders die Steuerung für die Bearbeitung von kreisbogenförmigen oder kegelschnittförmigen Konturabschnitten erheblich vereinfacht, so dass die Programmierung einer Bearbeitung stark vereinfacht wird. Mit anderen Worten: Die Bearbeitung eines Werkstückes kann durch einen Bediener mit wenigen Schritten programmiert bzw. dem System in einem Teach-In-Verfahren „geteacht“ werden. Da geringere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Steuerung gestellt werden, können Kosten reduziert werden. Gleichzeitig ergibt sich eine gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich verbesserte Qualität der bearbeitetenden Werkstücke, insbesondere im Bereich von kreisförmig oder kegelschnittförmig gekrümmten Konturabschnitten, bei sehr geringen Taktzeiten. Die Erfindung kombiniert somit die Vorteile geringerer Kosten, hoher Produktivität und Zuverlässigkeit mit erheblichen Qualitätsverbesserungen an den bearbeitenden Werkstücken.
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Mit Hilfe der Bearbeitungsvorrichtung ist es möglich, eine hinsichtlich der Fasenbreite variable Fase mit definierter Winkellage an komplex gekrümmten Werkstückkanten anzubringen. Ähnliches ist bisher nur bei manueller Bearbeitung durch einen sehr erfahrenen Facharbeiter in günstigen Fällen möglich gewesen, allerdings bei erheblich größerem Zeitaufwand.
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Die angegebenen Dimensionierungen sind lediglich beispielhaft. Bearbeitungsmaschinen mit ähnlicher Konstruktion können auch für kleinere oder größere Werkstücke genutzt werden. Zahnräder werden hier als ein Beispiel für Werkstücke mit komplex gekrümmten Werkstückkanten herangezogen, die nach einer Vorbearbeitung entgratet und gegebenenfalls mit einer Fase versehen werden müssen. Selbstverständlich können auch andere komplex geformte Werkstücke bearbeitet werden, beispielsweise Labyrinthringe für Triebwerke und Kraftwerksturbinen, welche häufig Tannenbaumstrukturen haben, Ritzelwellen, andere Ringe und Räder sowie Wellen mit und ohne Verzahnung.
