DE10244857A1

DE10244857A1 - Mechatronisches Wuchtmodul für rotierende Werkzeuge

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Publication number: DE10244857A1
Application number: DE2002144857
Authority: DE
Original assignee: GFE GES fur FERTIGUNGSTECHNIK; Gfe-Gesellschaft fur Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden/chemnitz Mbh
Current assignee: GFE GES fur FERTIGUNGSTECHNIK; Gfe-Gesellschaft fur Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden/chemnitz Mbh
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-08

Abstract

Mechatronisches Wuchtmodul zum Ausgleichen von Unwucht an drehend arbeitenden Werkzeugen, wie insbesondere Bohr- und Ausbohrköpfen mit an diesen radial verstellbar angeordnetem Zerspanungswerkzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
1.1. das mechatronisch steuerbare Wuchtmodul (1) stellt einen gesonderten Bestandteil eines aus einer in die Arbeitsspindel (2) einer Werkzeugmaschine eingesetzten Werkzeugaufnahme (3), einem Werkzeughalter (4) sowie aus Messvorrichtung (7) und Datenübertragungsstrecken gebildeten Werkzeugsystems dar, bei dem
1.2. die der Arbeitsspindel zugehörige Werkzeugaufnahme (3) vorzugsweise axial angeordnete telemetrische Übertragungselemente (9; 10) aufweist und über eine mechanische Schnittstelle (12), mit dem die Wuchtausgleichskörper (16) und die zugehörigen Steuerungselemente in Form von Stellmotor (18) und Antriebs- sowie Gewindespindel (17; 19) aufnehmenden Wuchtmodul (1) montagefähig verbunden ist, und wobei
1.3. das Wuchtmodul (1) seinerseits koaxial über eine weitere mechanische, z. B. HSK-Wirkstelle mit dem das Bearbeitungswerkzeug (6) tragenden Werkzeughalter (4) fest verbunden ist.

Description

Die Efindung betrifft ein mechatronisch aufgebautes Wuchtmodul, insbesondere zum Ausgleich von Unwuchten eines Bohrkopfes, mit an diesem radial verstellbar angeordneten Werkzeughalter.

Bei der Ein- und Verstellung beweglicher Teile von rotierend arbeitenden Werkzeugen, insbesondere von Bohrköpfen oder Ausspindelwerkzeugen, verlagert sich bekanntlich neben den Stellgliedern und Dreh- bzw. Bohrmeißeln der Massenschwerpunkt des Werkzeuges, der sich gewöhnlich, d. h. im Normalfall in bzw. im engeren Bereich der Werkzeuglängsachse befindet und führt zu einer Unwucht des Werkzeuges.

Eine solche Unwucht tritt vor allem dann verstärkt auf, wenn der im Bohrkopfgehäuse vorgesehene Werkzeughalter, etwa zum ein- oder nachstellen des mit dem Bohrmeißel zu erzeugenden Arbeitsdurchmessers radial zur Werkzeugrotationsachse verstellt wird. Ertolgt dies ohne am Werkzeug einen Unwuchtausgleich vorzunehmen, können in deren Folge erhebliche Nachteile beim Zerspanungsvorgang auftreten, die vor allem durch an der Werkzeugschneide wirkende Vibrationseffekte und der zu erzeugenden Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit der bearbeiteten Bohrung bedingt sind. Das gilt umsomehr, wenn es sich darum handelt, im Bereich von wenigen Mikrometern liegende Fertigungstoleranzen einhalten zu müssen und Präzisionsbohrungen herzustellen.

Ganz besondere Bedeutung hat das in der Zerspanungstechnik schon seit jeher vorhandene Problem der Unwuchtbeseitigung in jüngerer Zeit mit der zunehmenden Hochgeschwindigkeitszerspanung erlangt, wo sich Unwuchtfehler naturgemäß noch mehr und sehr graphierend auf das Arbeitsergebnis auswirken.

Für die immer bessere Beherrschbarkeit dieses Problems hält der bekannte Stand der Technik eine Reihe von Lösungen bereit, wie sie beispielsweise in den Schutzrechtsschriften DE 3926026C2 ; G 8912241.0 ; DE 4434166A1 ; DE 4421583A1 ; DE 19703937C2 ; DE 19813615C2 dargestellt und beschrieben sind.

Diese bekannten Konstruktionen von Wuchtsystemen stellen bei ansprechender Funktionalität verschiedentlich recht komplizierte, technologisch aufwendige Vorrichtungselemente zum Wuchten dar. Sie genügen jedoch nur teilweise den Anforderungen, die derzeit an einen genau und selbsttätig anpassbaren Massenausgleich bei schnell laufenden Werkzeugen gestellt werden.

Aus diesen Umständen resultiert der Zweck und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Der Zweck besteht vor allem darin, die Wuchtvorrichtung bei einfachem Aufbau der Konstruktionselemente als modulates System zu gestalten, wobei in jeglicher Stellung und Verstellung des Spanungswerkzeuges ein genau zu bemessender Wuchtausgleich erreicht werden soll.

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, einen Wuchtmodul an Werkzeugköpfen für rotierende Zerspanungswerkzeuge zu entwickeln, der bei Werkzeugradialverstellungen und der damit einhergehenden Unwuchten einen präzisen selbsttätig wirkenden Massenausgleich gestattet und bei dem die Energieeinspeisung für selbsttätig gesteuerte Modulelemente auf telemetrischem Wege vorgenommen wird. Die Erfindung strebt dabei fernerhin eine den praktischen Anforderungen besser entsprechende Ausbildung des Bohrkopfes an, um einzelne Funktionseinheiten der Werkzeugkonstruktion einfach und leicht auswechseln zu können.

Diese Aufgabe wird durch den bezeichneten Wuchtmodul nach Anspruch 1 gelöst, der erfindungsgemäß durch die Kombination von mechatronischkonstruktiven Maßnahmen gekennzeichnet ist.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung weist die Werkzeugkombination mit telemetrisch und mechatronisch steuerbarem Wuchtmodul zunächst die spindelzugehörige Werkzeugaufnahme mit triaxialen Beschleunigungssensor und telemetrischen Energieübertragungselementen mit adaptivem Regelkreis auf. An diese Werkzeugaufnahme schließt sich in axialer Fortsetzung des Systems über eine mechanische Schnittstelle das baulich in sich geschlossene Wuchtmodul an, dessen Auswuchteinrichtung durch im Modulkörper radial verstellbare Wuchtausgleichskörper gebildet ist, deren Bewegung in direkter Abhängigkeit von der Werkzeughalterverstellung über die genannten Mess- und Übertragungsorgane gesteuert wird.

An den Modulkörper schließt sich über eine entsprechend gestaltete mechanische Schnittstelle vorzugsweise in Form einer HSK-Schnittstelle, der in üblicher Form gestaltete, ebenfalls mechatronisch steuerbare Werkzeughalter an, dessen auszuwuchtenden Massenanteile dank der vorteilhaft wirkenden Wuchtausgleichskörper auch bei hohen Arbeitsdrehzahlen der Arbeitsspindel einfach und funktionssicher beherrschbar sind.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher dargestellt und erläutert werden.
Die zugehörige Zeichnung stellt in
1 in einem stilisierten Zeichnungsbild die Arbeitsspindel mit Werkzeugaufnahme, Wuchtmodul und Werkzeughalter, einschließlich der Einrichtung zur Datenerfassung und Daten- sowie Energieübertragung, und in
2 den Längsschnitt durch das Wuchtmodul mit der Prinzipdarstellung der Wuchtausgleichskörper und deren Steuerungselemente dar.
Der Wuchtmodul 1 als Wuchtvorrichtung eines rotierend arbeitenden Zerspanungswerkzeuges, z. B. eines Ausbohrwerkzeuges, bildet das Kernstück eines Werkzeugsystems, welches aus einer in die Arbeitsspindel 2 einer Werkzeugmaschine eingesetzten Werkzeugaufnahme 3 und einem koaxial an das Wuchtmodul 1 gekoppelten Werkzeughalter 4 mit verstellbar ausgeführten, im Arbeitskontakt mit einem Werkstück 5 stehenden Bohrwerkzeug 6 zusammengesetzt ist.
An die Arbeitsspindel 2 ist in prinzipiell bekannter Weise ein triaxialer Beschleunigungssensor 7 angekoppelt, dessen Messwerte in einen adaptiven Regelkreis 8 verarbeitet und durch telemetrische Energieübertragungselemente 9 und 10 an das anzusteuernde Antriebssystem der Wuchteinrichtung 11 weitergegeben werden.
Der Wuchtmodul 1 ist in geeigneter Weise, z. B. durch eine zylindrische Schnittstelle 12, mit der Werkzeugaufnahme 3 passgerecht verbunden. Er nimmt in einer den zylindrischen Grundkörper 13 durchgreifenden, senkrecht zu dessen Längsmittelachse 14 angeordneten Querbohrung 15 die Auswuchteinrichtung 11, bestehend aus zwei quer zur Längsmittelachse 14 bewegbaren Wuchtausgleichskörpein 16 und einem zentral angeordneten, mit diesen antriebswirksam durch eine Antriebsspindel 17 gekoppelten Stellmotor 18 auf, dessen Ansteuerung über die Energieübertragungselemente 9 und 10 erfolgt.
Die Antriebsspindel 17 ist hierbei mit je einer den Wuchtausgleichskörpern 16 zugeordneten Gewindespindel 19 drehschlüssig verbunden, so dass bei entsprechend der Verstellwerte angesteuertem Stellmotor 18 die Wuchtausgleichskörper 16 längs ihrer Führung gleichsinnig verschoben werden und auf diese Weise die ertorderliche Balance innerhalb der Werkzeugkombination herstellen, so dass jegliche Unwucht im Werkzeugsystem beseitigt wird.
Für die montagemäßige Zugänglichkeit des Grundkörpers 13 zum Einbringen des Stellmotors 18 dienen axial in den Grundkörper 13 eingearbeitete Durchbrechungen 20, wie sie in 2 andeutungsweise dargestellt sind.

1: Wuchtmodul
2: Arbeitsspindel
3: Werkzeugaufnahme
4: Werkzeughalter
5: Werkstück
6: Bohrwerkzeug
7: Beschleunigungssensor
8: Regelkreis
9, 10: telemetrische Übertragungselemente
11: Wuchteinrichtung
12: Schnittstelle
13: Grundkörper
14: Längsmittelachse
15: Querbohrung
16: Wuchtausgleichskörper
17: Antriebsspindel
18: Stellmotor
19: Gewindespindel
20: Durchbrechungen

Claims

Mechatronisches Wuchtmodul zum Ausgleichen von Unwucht an drehend arbeitenden Werkzeugen, wie insbesondere Bohr- und Ausbohrköpfen mit an diesen radial verstellbar angeordnetem Zerspanungswerkzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1.1. das mechatronisch steuerbare Wuchtmodul (1) stellt einen gesonderten Bestandteil eines aus einer in die Arbeitsspindel (2) einer Werkzeugmaschine eingesetzten Werkzeugaufnahme (3), einem Werkzeughalter (4) sowie aus Messvorrichtung (7) und Datenübertragungsstrecken gebildeten Werkzeugsystems dar, bei dem 1.2. die der Arbeitsspindel zugehörige Werkzeugaufnahme (3) vorzugsweise axial angeordnete telemetrische Übertragungselemente (9; 10) aufweist und über eine mechanische Schnittstelle (12), mit dem die Wuchtausgleichskörper (16) und die zugehörigen Steuerungselemente in Form von Stellmotor (18) und Antriebs- sowie Gewindespindel (17; 19) aufnehmenden Wuchtmodul (1) montagefähig verbunden ist, und wobei 1.3. das Wuchtmodul (1) seinerseits koaxial über eine weitere mechanische, z. B. HSK-Wirkstelle mit dem das Bearbeitungswerkzeug (6) tragenden Werkzeughalter (4) fest verbunden ist.
Wuchtmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wuchtausgleichskörper (16) aus zwei voneinander getrennt angeordneten, gleichläufig in einer zur Längsmittelachse (14) des Werkzeugsystems senkrecht angeordneten Querbohrung (15) bewegbaren Wuchtmassen gebildet sind und durch einen zwischen beiden angeordneten Stellmotor (18) über jeweils eine Gewindespindel (19) in Wuchtausgleichsstellung bewegbar sind, wobei der Stellmotor (18) über den Regelkreis (8) nach Auswertung der relevanten Messwerte durch Beschleunigungssensor (7) regelnd angesteuert wird.