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ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung betrifft einen Fräskopf umfassend eine Spindelbaugruppe, welche schwenkbar in einem Lagergehäuse gelagert ist.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Eine Fräskopf umfassend eine um eine A-Achse drehbar oder schwenkbar gelagerte Spindelbaugruppe ist beispielsweise aus
DE 10 2008 051 613 A1 bekannt. Die Spindelbaugruppe umfasst eine um ihre Längsachse rotierend antreibbare Werkzeugspindel.
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Aus
DE 10 2005 043 835 A1 ist ein Fräskopf mit Torquemotoren (Direktmotoren) zur Verdrehung der Spindel um wenigstens zwei unterschiedliche Achsen bekannt, mit einer ersten Antriebseinrichtung, die einen ersten Torquemotor aufweist, der zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Drehung einer Gabel um eine erste Achse (C-Achse) an die Gabel gekoppelt ist, und mit einer in der Gabel angeordneten zweiten Antriebseinrichtung, die einen zweiten Torquemotor zum Antrieb und zur Steuerung der Drehung der Spindeleinrichtung um eine zweite Achse (A-Achse) und eine untersetzende Zahnradgetriebeeinrichtung aufweist, die zwischen dem zweiten Torquemotor und der Spindeleinrichtung antriebsmäßig eingefügt ist, um die Drehbewegung des zweiten Torquemotors auf die Spindeleinrichtung zu übertragen und um das von dem zweiten Torquemotor gelieferte Drehmoment auf für die Spindeleinrichtung erforderliche Drehmomentwerte zu erhöhen.
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Aus
DE 10 2010 060 358 A1 und
US 2015/0122072 A1 ist jeweils ein Spindelkopf umfassend eine Antriebseinheit mit einem Drehmomentmotor (Direktmotor) und einem Planetengetriebe-Drehzahlminderer, der koaxial mit dem Drehmomentmotor gekoppelt ist, bekannt.
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Weiter ist beispielsweise aus
DE 198 50 603 A1 ein Fräskopf mit einer kardanischen Lagerung der Werkzeugspindel um die A-Achse und eine dazu senkrechte B-Achse bekannt. Ein Schwenkantrieb um die A-Achse und die B-Achse erfolgt dabei jeweils über Direktmotoren.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Fräskopf zu schaffen, welcher eine flexible und präzise Positionierung der Spindelbaugruppe zu einem Werkstück mit hohen Drehmomenten erlaubt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Fräskopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Fräskopf umfassend eine Spindelbaugruppe mit einer um ihre Längsachse rotierend antreibbaren Werkzeugspindel, ein Lagergehäuse und ein in dem Lagergehäuse um eine erste Achse (A-Achse) schwenkbar angeordnetes Schwenkgehäuse geschaffen, wobei die Spindelbaugruppe in dem Schwenkgehäuse um eine zu der ersten Achse (A-Achse) senkrecht verlaufende Pendelachse schwenkbar angeordnet ist, wobei an dem Schwenkgehäuse mindestens ein Pendelachsen-Antrieb vorgesehen ist, mittels welchem die Spindelbaugruppe relativ zu dem Schwenkgehäuse um die Pendelachse verschwenkbar ist, wobei zwischen dem mindestens einen Pendelachsen-Antrieb und der Spindelbaugruppe ein Getriebe angeordnet ist, wobei das Getriebe ein mit der Abtriebswelle des zugeordneten Pendelachsen-Antriebs verbundenes Zahnrad aufweist, welches mit einer zu der Pendelachse konzentrischen Innenverzahnung zusammenwirkt, und wobei die Spindelbaugruppe eine die Innenverzahnung aufweisende, um die Pendelachse relativ zu dem Schwenkgehäuse verschwenkbare Lasche umfasst.
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Der Fräskopf ist an einer Werkzeugmaschine anbringbar und mittels dieser in vorteilhaften Ausgestaltungen um eine als C-Achse bezeichnete Achse für eine Positionierung drehbar. Durch ein Verschwenken um A-Achse und um die C-Achse ist die Werkzeugspindel zu dem Werkstück positionierbar. Allerdings sind je nach Winkellage teilweise bereits für kleine Änderungen einer Ausrichtung der Werkzeugspindel relativ zu dem Werkstück große Verschwenkbewegungen um die A-Achse und/oder um die C-Achse erforderlich, da eine Drehung um 360° um die A-Achse und/oder um die C-Achse aus konstruktiven Gründen und/oder aufgrund einer Kabelführung in der Regel nicht möglich ist. Mit der zusätzlichen Pendelachse wird eine weitere Stellmöglichkeit für eine Positionierung geschaffen, sodass große Verschwenkbewegungen in den meisten Fällen vermeidbar sind.
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Aufgrund des zwischen der Spindelbaugruppe und dem Pendelachsen-Antrieb angeordneten Getriebes wird dabei eine kleinbauende Lösung geschaffen, durch welche hohe Drehmomente, beispielsweise Drehmomente von mindestens 1000Nm, aufbringbar sind.
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Das Getriebe ist für eine spielfreie Drehmomentenübersetzung durch den Fachmann geeignet ausgelegt. Die Innenverzahnung ist in einer Ausgestaltung an einer Wandung des Spindelgehäuses vorgesehen. Eine Bogenlänge der Innenverzahnung ist dabei je nach einem gewünschten maximalen Schwenkwinkel geeignet wählbar.
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Die Lasche ist vorzugsweise einteilig mit dem Spindelgehäuse, sodass das Spindelgehäuse und die Lasche eine gemeinsame Bewegung ausführen. Dabei sind in vorteilhaften Ausgestaltungen die Lasche und Wandungen des Spindelgehäuses getrennt gefertigt und mittels einer steifen Verbindung miteinander gekoppelt.
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In einer Ausgestaltung erfolgt ein einseitiger Antrieb. Vorzugsweise sind an dem Schwenkgehäuse jedoch zwei Pendelachsen-Antriebe vorgesehen, mittels welchen die Spindelbaugruppe relativ zu dem Schwenkgehäuse um die Pendelachse verschwenkbar ist, wobei zwischen den Pendelachsen-Antrieben und der Spindelbaugruppe jeweils ein Getriebe angeordnet ist. Die zwei Pendelachsen-Antriebe sind dabei vorzugsweise elektronisch gekoppelt, wobei je nach Anforderungen eine Kopplung durch eine Master-Slave-Beziehung oder in Bezug auf eine übergeordnete Synchronisationsachse erfolgt.
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Die Spindelbaugruppe umfasst in vorteilhaften Ausgestaltungen ein die Werkzeugspindel lagerndes Spindelgehäuse. Für eine relative Verschwenkbewegungen ermöglichende Kopplung weisen das Spindelgehäuse oder das Schwenkgehäuse vorzugsweise Lagerzapfen oder kurz Zapfen auf, welche in Ausnehmungen des anderen Gehäuses gelagert sind. In vorteilhaften Ausgestaltungen ist das Spindelgehäuse einteilig mit mindestens einem ersten Zapfen, vorzugsweise mit zwei an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Zapfen, ausgebildet, wobei der mindestens eine Zapfen mittels einer in einer Ausnehmung des Schwenkgehäuses angeordnete Lagereinrichtung konzentrisch zu der Pendelachse schwenkbar gelagert ist.
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Als „einteilig“ oder „einstückig“ wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine Bauform bezeichnet, welche keine Schwächung und/oder Steifigkeitsverluste durch Schraubenverbindungen oder dergleichen aufweist. Ein entsprechendes Bauteil kann einteilig hergestellt sein, beispielsweise als Guss-, Schmiede- oder Drehteil. Als „einteilig“ im Sinne der Erfindung werden auch Bauformen bezeichnet, welche mehr als ein Bauteil umfassen, die durch eine steife, insbesondere eine verwindungssteife Verbindung gekoppelt sind, vorzugsweise stoffschlüssig durch Kleben, Schweißen oder dergleichen.
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Der Pendelachsen-Antrieb ist vorzugsweise an einer Außenseite einer Wandung des Schwenkgehäuses angeflanscht. Für eine kleinbauende Lösung ist das Getriebe dagegen vorzugsweise an einer Innenseite des Schwenkgehäuses angeordnet.
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Das Lagergehäuse, welches das verschwenkbare Schwenkgehäuse einschließlich der Pendelachsen-Antriebe aufnimmt, ist geeignet zu dimensionieren, um eine Verschwenkbewegung des Schwenkgehäuses und eine Schwenkbewegung des Spindelgehäuses zuzulassen. Vorzugsweise ist der Fräskopf derart ausgelegt, das ein maximaler Schwenkwinkel um die Pendelachse kleiner ist als ein maximaler Schwenkwinkel um die erste Achse (A-Achse).
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Das Lagergehäuse ist vorzugsweise als Gabel umfassend einen ersten Gabelarm und einen davon beabstandeten zweiten Gabelarm gestaltet, wobei das Schwenkgehäuse schwenkbar zwischen dem ersten Gabelarm und dem zweiten Gabelarmen angeordnet ist. Vorzugsweise ist für eine verschwenkbare Lagerung das Schwenkgehäuse einteilig mit mindestens einem Zapfen, vorzugsweise mit zwei an gegenüberliegenden Seiten des Schwenkgehäuses angeordneten Zapfen, ausgebildet, wobei der mindestens eine Zapfen durch eine in einer Ausnehmung des Lagergehäuses angeordneten Lagereinrichtung, insbesondere durch eine in einer Ausnehmung des ersten Gabelarms angeordneten Lagereinrichtung, konzentrisch zu der ersten Achse (A-Achse) schwenkbar gelagert ist. Eine geeignete Gestaltung des Lagergehäuses ist beispielsweise aus
DE 10 2008 051 613 A1 bekannt, auf welche hiermit Bezug genommen wird.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen ist ein Klemmsystem vorgesehen, mittels welchem die Spindelbaugruppe in einer Winkellage um die Pendelachse arretierbar ist. Das Klemmsystem umfasst für eine sichere Klemmung vorzugsweise zwei beidseitig an dem Schwenkgehäuse vorgesehene Klemmeinheiten.
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Für eine Erfassung der Winkellage der Spindelbaugruppe um die Pendelachse ist in einer Ausgestaltung ein in dem Pendelachsen-Antrieb integriertes Messsystem einsetzbar, wobei eine Umrechnung unter Berücksichtigung einer Übersetzung des Getriebes erfolgt. In vorteilhaften Ausgestaltungen ist ein Messsystem vorgesehen, mittels welchem unmittelbar eine Winkellage der Spindelbaugruppe um die Pendelachse erfassbar ist.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich außer aus den Ansprüchen auch aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen schematisch:
- 1: eine geschnittene Prinzipdarstellung eines Fräskopfs von unten und
- 2: eine perspektivische Darstellung einer Ausgestaltung eines Fräskopfs von unten.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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1 zeigt schematisch eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Fräskopfs 1 in einer geschnittenen Unteransicht. Der Fräskopf 1 umfasst eine Spindelbaugruppe 2 mit einer um ihre Längsachse rotierend antreibbaren Werkzeugspindel oder Frässpindel. Der Fräskopf 1 umfasst weiter ein 1 nur teilweise dargestelltes Lagergehäuse 3, das mit seiner von dem freien Ende der Spindelbaugruppe 1 abgewandten Ende an einer Werkzeugmaschine (nicht dargestellt), insbesondere einem waagerechten oder senkrechten Spindelbalken befestigbar ist. Das Lagergehäuse 3 ist in vorteilhaften Ausgestaltungen wie schematisch in 1 dargestellt als Gabel umfassend einen ersten Gabelarm 31 und einen davon beabstandeten zweiten Gabelarm 32 gestaltet.
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Das Lagergehäuse
3 nimmt ein Schwenkgehäuse
4 auf, wobei das Schwenkgehäuse
4 zwischen dem ersten Gabelarm
31 und dem zweiten Gabelarmen
32 schwenkbar um eine erste Achse, die sogenannte A-Achse, angeordnet ist. Für eine Schwenkbewegung des Schwenkgehäuses 3 relativ zu dem Lagergehäuse
3 sind an dem Schwenkgehäuse
4 zwei Zapfen 41, 42 (s.
2) vorgesehen, welche in entsprechenden Ausnehmungen
30 mittels Lager 33 um die A-Achse verschwenkbar aufgenommen sind. Das Schwenkgehäuse
4 wird mittels zweier, jeweils an einem Gabelarm
31,
32 angeflanschten Antriebe
35 zur Schwenkbewegung um die A-Achse angetrieben. Ein Antrieb erfolgt vorzugsweise direkt, d. h. ohne dazwischengeschaltete Getriebestufe. Die Gestaltung der Gabelarme
31,
32, der Antriebe 35 und die Lagerung des Schwenkgehäuses
4 in den Gabelarmen
31,
32 erfolgt beispielsweise analog zu der in
DE 10 2008 051 613 A1 beschriebene Lagerung des Spindelgehäuses, wobei auf die Offenbarung der
DE 10 2008 051 613 A1 hiermit Bezug genommen wird.
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Im Unterschied zu dem beispielsweise aus
DE 10 2008 051 613 A1 bekannten Fräskopf ist die Spindelbaugruppe
2 in dem Schwenkgehäuse
4 um eine zu der A-Achse senkrecht verlaufende Pendelachse
50 schwenkbar angeordnet. Die Pendelachse
50 wird auch als zweite Achse oder B-Achse bezeichnet, wobei ein maximaler Schwenkwinkel um die Pendelachse 50 vorzugsweise kleiner ist als ein maximaler Schwenkwinkel um die A-Achse, und beispielsweise an der Werkzeugmaschine eine weitere B-Achse vorgesehen sein kann.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Spindelbaugruppe 2 ein um die Pendelachse 50 relativ zu dem Schwenkgehäuse 4 verschwenkbares Spindelgehäuse 20, welches um die Pendelachse 50 verschwenkbar in dem Schwenkgehäuse 4 gelagert ist. Das Spindelgehäuse 20 weist zu diesem Zweck beispielsweise Zapfen 21, 22 auf, welche in entsprechenden Ausnehmungen 40 des Schwenkgehäuses 4 mittels Lager 23 gelagert sind.
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Für einen Schwenkantrieb des Spindelgehäuses 20 sind beidseitig angeordnete Pendelachsen-Antriebe 51, 52 vorgesehen. Um ein ausreichendes Drehmoment bei Verwendung kleinbauender Antriebsmotoren zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß jeweils ein Getriebe 6 zwischen den Pendelachsen-Antrieben 51, 52 und der Spindelbaugruppe 2 angeordnet.
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Für eine Arretierung des Spindelgehäuses 20 in bestimmten Winkellagen relativ um die Pendelachse 50 während einer Fräsbearbeitung ist ein Klemmsystem 7 mit zwei Klemmeinheiten 71, 72 vorgesehen.
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In der in 1 dargestellten Prinzipdarstellung sind Motorachsen der Pendelachsen-Antriebe 51, 52 und die Pendelachse 50 in Richtung der A-Achse zueinander versetzt angeordnet. Die Anordnung ist jedoch lediglich zu Gunsten der besseren Darstellung gewählt. Für eine optimale Bauraumnutzung sind die Motorachsen der Pendelachsen-Antriebe 51, 52 und die Pendelachse 50 vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur A-Achse und zur Pendelachse 50 zueinander versetzt. Ebenso sind in der in 1 dargestellten Prinzipdarstellung die Getriebe 6 an einer Außenseite des Schwenkgehäuses 4 angeordnet. Für eine optimale Bauraumnutzung sind die Getriebe 6 jedoch an der Innenseite des Schwenkgehäuses 4 angeordnet.
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2 zeigt eine Ausgestaltung eines Fräskopfs 1, wobei einzelne Bauteile zur besseren Übersicht nicht dargestellt oder nur teilweise dargestellt sind.
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Der Fräskopf 1 umfasst die Spindelbaugruppe 2, welche jeweils mittels eines Antriebsmotorenpaars 35; 51, 52 um die erste Achse, welche als A-Achse bezeichnet wird, bzw. um eine Pendelachse 50, welche auch als B-Achse bezeichnet wird, verschwenkbar ist. Die Antriebe 35 sind dabei jeweils an einem nur teilweise dargestellten Lagergehäuse 3 angeflanscht. Die Antriebe 51, 52 sind an einem ebenfalls nicht vollständig dargestellten Schwenkgehäuse 4 angeflanscht. Zwischen den Pendelachsen-Antrieben 51, 52 und der Spindelbaugruppe 2 ist dabei jeweils ein Getriebe 6 angeordnet, wobei in 2 nur ein Getriebe 6 sichtbar ist.
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Die Spindelbaugruppe 2 ist in einem Spindelgehäuse 20 gelagert, wobei das Spindelgehäuse 20 einteilig mit zwei Zapfen 21, 22 ausgebildet und mittels der Zapfen 21, 22 in dem Schwenkgehäuse 4 konzentrisch zu der Pendelachse 50 schwenkbar gelagert ist. In 2 ist dabei nur ein Zapfen 21 sichtbar.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind Motorachsen 54 der Pendelachsen-Antriebe 51, 52 und die Pendelachse 50 vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur A-Achse und zur Pendelachse 50 zueinander versetzt. Für einen Schwenkantrieb um die Pendelachse 50 umfassen die Getriebe 6 jeweils ein an einer Abtriebswelle des zugehörigen Pendelachsen-Antriebs 51, 52 angeordnetes Zahnrad 60, welches mit einer konzentrisch zu der Pendelachse 50 angeordneten Innenverzahnung 61 zusammenwirkt.
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Die Innenverzahnung 61 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel an einer Lasche 25 vorgesehen. Eine Drehbewegung des ortsfest an dem Schwenkgehäuse 4 angeordneten Zahnrads 60 bewirkt eine Verschwenkbewegung der Lasche 25 um die Pendelachse 50. Die Lasche 25 ist mit dem Spindelgehäuse 20 gekoppelt, sodass eine Verschwenkbewegung der Lasche eine Verschwenkbewegung der Spindelbaugruppe 2 bewirkt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lasche 25 einteilig mit dem Spindelgehäuse 20 gestaltet.
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Eine für die Maschinensteuerung notwendige Messung der Drehwinkel um die A-Achse und um die Pendelachse 50 erfolgt in einer Ausgestaltung durch Messsysteme, welche in die in die Antriebe 35, 51, 52 integriert sind, beispielsweise durch unabhängige Drehgeber. Dabei erfolgt eine Umrechnung der Drehgeberwerte der Antriebe 51, 52 auf die Bewegung des Spindelgehäuses 20 um die Pendelachse 50. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem Spindelgehäuse 20 ein separates Messsystem 8 zugeordnet, welches unmittelbar die Winkellage des Spindelgehäuses 20 um die Pendelachse 50 erfasst.
