DE102010015798A1 - Milling device has milling spindle with tool direction, where tool direction is pivoted in axes A and B that are orthogonal to tool direction, where one axis is designed as unit such that platform is tilted between two hinges - Google Patents

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Abstract

The milling device has a milling spindle with a tool direction, where the tool direction is pivoted in axes A and B that are orthogonal to the tool direction. One axis is designed as a unit such that a platform (1) is tilted between two hinges (2,3). Another unit is carried in the former unit, where the latter unit is provided with axis B orthogonal to pivot axis A.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fräskopfeinheit gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches, insbesondere eine Fräskopfeinheit für die 5-achsige spanende Bearbeitung von Werkstücken mit Freiformflächen beliebiger Art. Sie ist Bestandteil eines Fräsmaschinenkonzepts, in der die Fräskopfeinheit zum Verfahren in den Linearachsen X, Y und Z vorgesehen ist.The invention relates to a Fräskopfeinheit according to the preamble of the main claim, in particular a Fräskopfeinheit for 5-axis machining of workpieces with free-form surfaces of any kind. It is part of a Fräsmaschinenkonzepts, in which the milling head unit is provided for moving in the linear axes X, Y and Z. ,

Die 5-achsige Bearbeitung eines Werkstückes erfordert neben der Verwendung von drei Linearachsen zwei zusätzliche Rotationsachsen, um das Werkzeug relativ zu einem Werkstück unter einem vorgegebenen Winkel anzustellen.The 5-axis machining of a workpiece requires, in addition to the use of three linear axes, two additional rotation axes in order to adjust the tool relative to a workpiece at a predetermined angle.

Es sind vielfältige Kombinationen von Anordnungen der Rotationsachsen bekannt. Es können das Werkzeug und/oder das Werkstück geschwenkt werden.Various combinations of arrangements of the axes of rotation are known. It can be pivoted, the tool and / or the workpiece.

Für das Schwenken des Werkzeuges um zwei Rotationsachsen werden zumeist Fräseinheiten verwendet, die als Gabelfräsköpfe bezeichnet werden. Bei diesen Fräseinheiten liegt eine Schwenkachse A senkrecht zur Werkzeugachse Z, die zweite Schwenkachse C liegt parallel zur Werkzeugachse.For the pivoting of the tool about two axes of rotation mostly milling units are used, which are referred to as Gabelfräsköpfe. In these milling units a pivot axis A is perpendicular to the tool axis Z, the second pivot axis C is parallel to the tool axis.

Als Abwandlungen eines Gabelfräskopfes können Fräsköpfe gesehen werden, welche eine Achse schräg zur Werkzeugachse oder nur eine halbe Gabel aufweisen. Auch diese Köpfe sind gekennzeichnet durch eine Schwenkachse C, welche parallel zur Werkzeugachse liegt.As modifications of a Gabelfräskopfes milling heads can be seen, which have an axis oblique to the tool axis or only half a fork. These heads are characterized by a pivot axis C, which is parallel to the tool axis.

Der Nachteil dieser Kopfkonstruktionen ist, dass bei einer gewünschten Stellung des Werkzeuges im Raum häufig die C-Achse einen großen Weg zurücklegen muss. Dies ist begründet in der Mehrdeutigkeit der Stellung der C-Achse, sofern sich die A-Achse in Nullstellung befindet. Diese Stelle wird auch als Polstelle bezeichnet.The disadvantage of these head designs is that when the tool is desired in space, the C axis often has to travel a long way. This is due to the ambiguity of the position of the C-axis, provided that the A-axis is in zero position. This point is also called a pole.

Daher gibt es Lösungsansätze, bei denen andere Anordnungen der Schwenkachsen realisiert werden. Hierbei werden zwei Schwenkachsen A und B verwendet, die senkrecht zur Werkzeugachse Z stehen.Therefore, there are approaches in which other arrangements of the pivot axes are realized. Here, two pivot axes A and B are used, which are perpendicular to the tool axis Z.

Aus der DE 198 50 603 A1 ist zum Beispiel eine Fräskopfeinheit mit einer kardanischen Lagerung bekannt, die einen brauchbaren Lösungsansatz darstellt. Der Nachteil dieser Lösung ist jedoch der hierfür erforderliche große Bauraum als auch die Notwendigkeit, die erforderlichen Medien zur Versorgung der Frässpindel durch zwei Schwenkachsenmitten durchzuführen. Die DE 1 0 2006 039 202 A1 beschreibt eine Lösung mit einer Bogenführung. Generell ist die präzise Herstellung einer offenen Bogenführung aufwendig. Durch die Materialeigenschaften ergeben sich bei Wärmeeinfluss unvorhersehbare Auswirkungen auf die geforderte Genauigkeit der Fräskopfeinheit. Die DE 10 2008 047 849 A1 beschreibt eine Lösung mit einem „Kugelmotor”. Der Motor muss gleichzeitig die Aufgaben der Bewegung, der Lagerung und der Erfassung der Position übernehmen. Die technische Umsetzung einer präzisen, spielfreien und den Steifigkeitsanforderung genügenden Realisierung erscheint höchst problematisch.From the DE 198 50 603 A1 For example, a milling head unit with a gimbal bearing is known, which is a viable approach. The disadvantage of this solution, however, is the space required for this as well as the need to carry out the necessary media to supply the milling spindle by two Schwenkachsenmitten. The DE 1 0 2006 039 202 A1 describes a solution with a sheet guide. In general, the precise production of an open bow guide is expensive. Due to the material properties, unpredictable effects on the required accuracy of the milling head unit result under the influence of heat. The DE 10 2008 047 849 A1 describes a solution with a "spherical motor". The motor must simultaneously take on the tasks of movement, storage and registration of the position. The technical implementation of a precise, backlash-free and the stiffness requirement sufficient realization appears highly problematic.

Neben den vorgenannten Fräseinheiten mit serieller Kinematik (eine Achse trägt die nächste Achse) sind auch Fräseinheiten mit paralleler Kinematik bekannt. Ein Beispiel hierfür ist die DE 198 50 708 C2 . Durch diesen Lösungsansatz wird mittels dreier Linearantriebe eine gleichzeitige Bewegung der Schwenkachsen A und B als auch der Werkzeugachse Z ermöglicht. Der Nachteil ist zum einen wiederum ein sehr großer Bauraum. Zum anderen ergeben sich jedoch aufwendige kinematische Beschreibungen, die in der zugehörigen CNC-Steuerung zu hinterlegen sind. Es ist bekannt, dass die Genauigkeit parallelkinematischer Fräsmaschinen extrem stark von der Genauigkeit der Längen der beteiligten Hebel- bzw. Schwenkarme abhängt. Zum Erreichen eines gewünschten Schwenkwinkels müssen hier drei Antriebe ordnungsgemäß positionieren. Die Verkopplung der Antriebe und die richtige geometrische Beschreibung in den Transformationsgleichungen in der CNC-Steuerung, abhängig von den Fertigungsgenauigkeiten der beteiligten Strukturelemente, sind schwierig und aufwendig.In addition to the aforementioned milling units with serial kinematics (one axis carries the next axis) are also milling units with parallel kinematics known. An example of this is the DE 198 50 708 C2 , Through this approach, a simultaneous movement of the pivot axes A and B and the tool axis Z is made possible by means of three linear drives. The disadvantage is, on the one hand, a very large amount of space. On the other hand, however, complex kinematic descriptions that are to be stored in the associated CNC control arise. It is known that the accuracy of parallel kinematic milling machines is extremely dependent on the accuracy of the lengths of the lever or pivot arms involved. To achieve a desired swivel angle here must position three drives properly. The coupling of the drives and the correct geometric description in the transformation equations in the CNC control, depending on the manufacturing accuracy of the structural elements involved, are difficult and expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fräseinheit zu schaffen, welche die genannten Nachteile vermeidet und die Vorteile aufweist:

  • – Schwenkachsen A und B orthogonal zur Werkzeugachse Z
  • – Kompakte Bauweise
  • – Gute Kontrolle der Genauigkeit
  • – Einfache Medienführung
  • – Einfache kinematische Beschreibung
The invention has for its object to provide a milling unit, which avoids the disadvantages mentioned and has the advantages:
  • - Swivel axes A and B orthogonal to the tool axis Z
  • - Compact design
  • - Good control of accuracy
  • - Simple media management
  • - Simple kinematic description

Gegenstand der Erfindung und Lösung ist eine Fräseinheit, die eine Kopplung aus serieller und paralleler Kinematik darstellt, bei der eine der beiden Schwenkachsen als eine zwischen zwei Gelenken kippbare Einheit, etwa als Plattform, ausgebildet ist, die ihrerseits wiederum eine zweite Schwenkeinheit mit einer zur ersten Schwenkachse A orthogonalen Achse B trägt. Die beiden Schwenkachsen A und B können unabhängig voneinander bewegt und mittels zugeordneter Messgeber in ihren Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erfasst werden. Darüber hinaus ist durch eine einfache Erweiterung auch eine Bewegung in Z realisierbar.The invention and solution is a milling unit, which is a coupling of serial and parallel kinematics, in which one of the two pivot axes as a tiltable between two joints unit, such as a platform formed, in turn, a second pivot unit with a to the first Swivel axis A orthogonal axis B contributes. The two pivot axes A and B can be moved independently of each other and detected by means of associated encoder in their positions, speeds and accelerations. In addition, by a simple extension, a movement in Z can be realized.

Grundgedanke der Erfindung ist, wie bei parallelkinematischen Konstruktionen üblich, die Verwendung einer kippbaren Einheit wie einer Plattform als Basis der Fräseinheit. Die Gestalt der Plattform ist beliebig, im einfachsten Fall eine Platte. Die Komplexität der Bewegung bis hin zu 6 Freiheitsgraden (als Beispiel sei hier die GB 1080074 A genannt) wird jedoch erfindungsgemäß reduziert auf einen rein ebenen Aufbau.The basic idea of the invention is, as usual in parallel kinematic constructions, the Using a tilting unit such as a platform as the base of the milling unit. The shape of the platform is arbitrary, in the simplest case a plate. The complexity of the movement up to 6 degrees of freedom (as an example here is the GB 1080074 A called) is reduced according to the invention, however, to a purely planar structure.

Hierzu wird die Plattform durch zwei vorteilshafterweise zylinderförmige Gelenke gehalten und gelagert. Die Gelenke haben zueinander parallele Achsen in einem geeigneten Abstand. Im einfachsten Fall ist ein Gelenk ortsfest an einem Teil der Fräsmaschine, hier als Spindelkasten (nicht in der Zeichnung dargestellt) bezeichnet, befestigt. Die Plattform kann hierdurch um eine Achse A am Spindelkasten gedreht werden. Am anderen Gelenk greift ein Gelenkarm an, welcher durch mechanische Verstellung mittels eines Motors (linear, rotatorisch) die Plattform in ihrer Lage um die Schwenkachse A dreht. Die Realisierung des Gelenkarmes und der Verstellung erfolgt durch ein geeignetes Führungsgetriebe, welches zweckmäßig im Spindelkasten untergebracht werden kann und somit den Bauraumbedarf erheblich verkleinert.For this purpose, the platform is held and stored by two advantageously cylindrical joints. The joints have mutually parallel axes at a suitable distance. In the simplest case, a joint fixed to a part of the milling machine, here as a spindle box (not shown in the drawing), attached. The platform can thereby be rotated about an axis A on the headstock. At the other joint an articulated arm engages, which by mechanical adjustment by means of a motor (linear, rotary) rotates the platform in its position about the pivot axis A. The realization of the articulated arm and the adjustment is carried out by a suitable guide gear, which can be conveniently housed in the headstock and thus significantly reduces the space requirement.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Zeichnungen näher beschreiben. Es zeigen:Advantageous embodiments of the invention will be described in more detail in the drawings. Show it:

1–3 eine erstes Ausführungsform mit einem ortsfesten Gelenk an einem Teil einer Fräsmaschine, 1 - 3 a first embodiment with a stationary joint on a part of a milling machine,

4 eine zweiachsige parallelkinematisch ausgeführte Lösung, und 4 a biaxial parallel kinematic solution, and

5 einen Gesamtaufbau einer Fräseinheit. 5 a total structure of a milling unit.

Gemäß 2 bleibt beim Schwenken der Plattform 1 um die Achse A der Mittelpunkt der Plattform 1 ortsfest erhalten und fällt weiterhin mit dem Mittelpunkt der nicht dargestellten Frässpindel zusammen. Gemäß 1 ändert sich die Position des Mittelpunktes der Plattform 1 mit dem gegebenen Winkel A, die Verschiebung ist jedoch leicht durch eine entsprechende lineare Bewegung in Y auszugleichen. 3 verwendet einen rotatorischen Antrieb 5, dessen Winkellage mit dem gewünschten Schwenkwinkel A übereinstimmt.According to 2 remains when panning the platform 1 about the axis A, the center of the platform 1 Received stationary and continues to coincide with the center of the milling spindle, not shown. According to 1 the position of the center of the platform changes 1 with the given angle A, however, the displacement is easily compensated by a corresponding linear motion in Y. 3 uses a rotary drive 5 whose angular position coincides with the desired pivoting angle A.

Grundsätzlich sind auch andere ähnliche Antriebslösungen zum Schwenken der als Plattform 1 ausgebildeten kippbaren Einheit denkbar.In principle, other similar drive solutions for pivoting as a platform 1 trained tiltable unit conceivable.

Durch einfache Erweiterung um einen zweiten Gelenkarm 6 und Ausbildung der motorischen Verstellung der Gelenkarme 4; 6 mittels zweier linearer Antriebe 5; 7 (Linearmotor, Kugelrollspindel, Zahnstange etc.) kann die mittels der Plattform 1 realisierte Fräseinheit zusätzlich zur Schwenkachse A in Achsrichtung Z bewegt werden. Die Anordnung der beiden Gelenkarme 4; 6 und der Antriebe 5; 7 innerhalb des üblicherweise mit rechteckigem Querschnitt versehenen Spindelkastens ist möglich und erlaubt erfindungsgemäß ebenfalls eine kompakte Realisierung.By simply adding a second articulated arm 6 and training the motorized adjustment of the articulated arms 4 ; 6 by means of two linear drives 5 ; 7 (Linear motor, ball screw, rack, etc.) can by means of the platform 1 realized milling unit in addition to the pivot axis A in the axial direction Z are moved. The arrangement of the two articulated arms 4 ; 6 and the drives 5 ; 7 Within the headstock, which is usually provided with a rectangular cross-section, is possible and according to the invention also permits a compact realization.

4 zeigt ein Beispiel für die zweiachsige parallelkinematisch ausgeführte Lösung. Nicht dargestellt ist eine Möglichkeit, die Antriebe 5; 7 in Y zu bewegen, um ebenfalls eine Z-Bewegung der Plattform 1 zu erreichen. 4 shows an example of the biaxial parallel kinematic solution. Not shown is a possibility, the drives 5 ; 7 to move in Y, also a Z-movement of the platform 1 to reach.

In beiden Fällen der 1–3 und 4 sind die zugehörigen Transformationsgleichungen, die notwendig sind um die gewünschte Winkelstellung durch eine lineare Bewegung zu erreichen, einfach und unkompliziert. Durch die erfindungsgemäße Reduktion der Freiheitsgrade und die serielle kinematische Kopplung der Schwenkachsen ergeben sich drastisch weniger Fehlereinflüsse, die Kinematik wird insgesamt gut beherrschbar.In both cases the 1 - 3 and 4 are the corresponding transformation equations that are necessary to achieve the desired angular position by a linear movement, simple and straightforward. The inventive reduction of the degrees of freedom and the serial kinematic coupling of the pivot axes result in drastically fewer error influences, the kinematics is overall well controlled.

So können vorzugsweise alle Gelenke 2; 3 zylindrisch ausgebildet werden. Hierdurch ergibt sich eine hohe und gewünschte Steifigkeit der Gelenke 2; 3 in allen Richtungen mit Ausnahme der beabsichtigten Schwenkrichtung. Die bei der DE 198 50 708 C2 erforderlichen Kugelgelenke bzw. kardanischen Gelenke weisen eine deutlich geringere Steifigkeit auf, das unerwünschte Verdrehen der Plattform in Richtung C (um die Z-Achse) ist aufwendig zu verhindern.So, preferably all joints 2 ; 3 be formed cylindrical. This results in a high and desired stiffness of the joints 2 ; 3 in all directions except the intended swing direction. The at the DE 198 50 708 C2 required ball joints or gimbal joints have a significantly lower rigidity, the unwanted rotation of the platform in the direction of C (around the Z axis) is complicated to prevent.

Die Realisierung der Schwenkachse B erfolgt durch die mögliche Integration geeigneter Schwenkantriebe in die als Plattform 1 realisierte Fräseinheit. Hierbei kann auf viele bereits bekannte Lösungen zurückgegriffen werden. B kann unabhängig von A geschwenkt werden. Durch gleichzeitige Bewegung von A und B kann eine gewünschte Winkelstellung des Werkzeugs unmittelbar auf direktem Weg erreicht werden.The realization of the pivot axis B is carried out by the possible integration of suitable part-turn actuators in the platform 1 realized milling unit. This can be used on many already known solutions. B can be panned independently of A. By simultaneously moving A and B, a desired angular position of the tool can be achieved directly by a direct route.

Neben der möglichen Integration der Schwenkachse B ist es gemäß der erfinderischen Lösung auch möglich, einen „halben” Gabelfräskopf 8 mit Schwenkgehäuse 9 und Frässpindel 10 ohne C-Achse an die als Plattform 1 ausgebildete Fräseinheit zu montieren. Darüber hinaus ist es zudem möglich, einen vollständigen Gabelfräskopf anzubauen und hierdurch eine Lösung einer Fräseinheit mit drei Schwenkachsen A, B und C zu realisieren.In addition to the possible integration of the pivot axis B, it is also possible according to the inventive solution, a "half" Gabelfräskopf 8th with swivel housing 9 and milling spindle 10 without C axis to the as platform 1 to mount a trained milling unit. In addition, it is also possible to grow a complete Gabelfräskopf and thereby realize a solution of a milling unit with three pivot axes A, B and C.

Der beispielsweise Gesamtaufbau der erfinderischen Lösung in einer der beschriebenen Varianten ist in 3 dargestellt.The example overall structure of the inventive solution in one of the variants described is in 3 shown.

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Claims (6)

Fräseinheit mit einer Frässpindel und einer Werkzeugrichtung Z, die in zu Z orthogonalen Achsen A und B schwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Schwenkachsen als eine zwischen zwei Gelenken (2; 3) kippbare Einheit wie etwa eine Plattform (1) ausgebildet ist, die ihrerseits wiederum eine zweite Schwenkeinheit (8) mit einer zur ersten Schwenkachse A orthogonalen Achse B trägt.Milling unit with a milling spindle and a tool direction Z, which is pivotable in Z orthogonal axes A and B, characterized in that one of the two pivot axes as one between two joints ( 2 ; 3 ) tiltable unit such as a platform ( 1 ) is formed, in turn, a second pivot unit ( 8th ) carries with an orthogonal to the first pivot axis A axis B. Fräseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gelenk (2) ortsfest an einem Spindelkasten befestigt ist und über die Verstellung des anderen Gelenks (3) mittels eines Antriebs (5) und eines Gelenkarmes (4) die Plattform (1) um die Achse A schwenkbar ist.Milling unit according to claim 1, characterized in that a joint ( 2 ) is fixedly attached to a headstock and the adjustment of the other joint ( 3 ) by means of a drive ( 5 ) and an articulated arm ( 4 ) the platform ( 1 ) is pivotable about the axis A. Fräseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch entsprechende Verstellung beider Gelenke (2; 3) mittels zweier Antriebe (5; 7) über Gelenkarme (4; 6) in Z- oder Y-Richtung ein Schwenken der Plattform (1) um die Achse A und/oder eine lineare Bewegung in Werkzeugrichtung Z erzeugbar ist.Milling unit according to claim 1, characterized in that by appropriate adjustment of both joints ( 2 ; 3 ) by means of two drives ( 5 ; 7 ) via articulated arms ( 4 ; 6 ) in the Z or Y direction pivoting of the platform ( 1 ) about the axis A and / or a linear movement in the tool direction Z can be generated. Fräseinheit nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gelenke (2; 3) in einem Abstand zueinander parallel angeordnet sind und seitlich an der Plattform (1) oder aber auch anders, z. B. mit einem Gelenk (2) mittig an der Einheit (1) angebracht sind.Milling unit according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the two joints ( 2 ; 3 ) are arranged at a distance parallel to each other and laterally on the platform ( 1 ) or otherwise, for. B. with a joint ( 2 ) in the middle of the unit ( 1 ) are mounted. Fräseinheit nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke (2; 3) direkt an der zweiten Schwenkeinheit (8) angebracht sind.Milling unit according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that the joints ( 2 ; 3 ) directly on the second pivoting unit ( 8th ) are mounted. Fräseinheit nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwenkeinheit (8) neben der Schwenkachse B eine zusätzliche Achse, beispielsweise eine Rotationsachse C, aufweist.Milling unit according to claim 1, 2, 3, 4 and 5, characterized in that the second pivoting unit ( 8th ) in addition to the pivot axis B an additional axis, for example, a rotation axis C has.
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