DE112010002585T5

DE112010002585T5 - Arbeitsmaschine mit Positionskorrekturfunktion

Info

Publication number: DE112010002585T5
Application number: DE112010002585T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Komai; Masaki Nakagawa
Original assignee: NT Engineering KK
Current assignee: NT Engineering KK
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2012-08-16
Also published as: CN102802849B; JP2011000698A; KR20120025558A; KR101347935B1; CN102802849A; WO2010146953A1; JP5120665B2

Abstract

Ein Werkzeughalter einer Werkzeugmaschine umfasst einen an der Spindel befestigten Grundabschnitt, einen Werkzeuganbringungsabschnitt, an dem ein Werkzeug, beispielsweise eine Bohrstange, angebracht werden kann, einen elastischen Verformungsabschnitt, der den Grundabschnitt mit dem Werkzeuganbringungsabschnitt verbindet, ein Arbeitswellenelement, das sich in radialer Richtung gegen den Werkzeughalter bewegen kann und dabei die Drehrichtung der Spindel kreuzt, einen Umwandlungsmechanismus zur Umwandlung der Verfahrbewegung des Arbeitswellenelements in die Schrägbewegung des Werkzeuganbringungsabschnitts gegen die axiale Richtung, und einen Verfahrmechanismus zum Bewegen des Arbeitswellenelements in die radiale Richtung.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine mit Positionskorrekturfunktion, bei der ein Werkzeug in einem Werkzeughalter angebracht werden kann, der sich mit der Spindel zusammen in einer Einheit drehen kann.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Im Allgemeinen kommen diverse Werkzeugmaschinen (Arbeitsmaschinen) zum Einsatz, bei denen die Bearbeitung des Werkstücks mittels eines im Werkstückhalter angebrachten Werkzeugs, d. h. einem Bearbeitungswerkzeug, erfolgt. Zum Beispiel muss der Innendurchmesser eines Zylinders für einen Motorblock auf den Mikrometer genau ausgebohrt werden.
Bei der Massenfertigung von Fahrzeugmotoren kommt es jedoch selbst bei Werkzeug aus hartem Material wie CBN im Verlauf der Bearbeitung mit nur einer Werkzeugschneide zu einer Schneideabnutzung. Um die Bohrung trotz des sich abnutzungsbedingt verringernden Bearbeitungsdurchmessers konstant zu halten, kommt ein Korrekturwerkzeughalter mit Korrekturfunktion zur Anwendung.
Aus der ungeprüften japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2002-36009 ist zum Beispiel eine Schneidenjustiereinheit bekannt. Diese ungeprüfte japanische Offenlegungsschrift Nr. 2002-36009 beschreibt eine Schneidemaschine, bei der die Bearbeitung mit dem Werkzeug am Spindelende unter Steuerung der X-, Y- und Z-Achsenmotoren erfolgt, die Spindel im Spindelkopf bei freier Drehung unterstützt wird, ein abnehmbarer Werkzeughalter am Ende der Spindel angebracht ist, der Werkzeughalter an einer von der Spindelachse versetzten exzentrischen Position mit einer Justierwelle versehen ist, und die radiale Position der Schneide des im Werkzeughalter angebrachten Werkzeugs derart eingestellt ist, dass die radiale Position durch Drehung der Justierwelle eingestellt werden kann. Die Schneidemaschine weist auf ihrer feststehenden Seite ein Drehungsverhinderungselement auf, das mit der Justierwelle in Eingriff steht bzw. von dieser entkoppelt ist, und der Spindelkopf bewegt sich in X- oder Y-Achsenrichtung senkrecht zur Spindelachse mit den X- und Y-Achsen-Antriebsmotoren, und die Schneidemaschine ist mit einer Steuervorrichtung zum Drehen der Spindel um die Achse der Justierwelle unter Steuerung des Spindelkopfes auf der X- und Y-Achse versehen, wobei die Justierwelle mit dem Drehverhinderungselement in Eingriff steht.
Bei der oben erwähnten Patentschrift 1 wird durch einen im Hauptkörper des Werkzeughalters angebrachten Schlitz eine elastische Verformung zur Positionseinstellung der Schneide bewirkt. Dies mindert jedoch die Eigensteifigkeit des Werkzeughalters.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für diese Art von Bearbeitungsmaschine eine präzisere Positionskorrekturfunktion im Mikrometerbereich in radialer Richtung des Werkzeughalters bezüglich des im Werkzeughalter angeordneten Werkzeugs bereitzustellen, wobei gleichzeitig ein hohes Maß an Steifigkeit beibehalten werden soll.
Offenbarung der Erfindung
Die mit einer Positionskorrekturfunktion gemäß vorliegender Erfindung ausgestattete Arbeitsmaschine weist einen Werkzeughalter auf, der sich mit der Spindel zusammen als Einheit drehen kann. Der Werkzeughalter umfasst dabei einen an der Spindel befestigten Grundabschnitt, einen Werkzeuganbringungsabschnitt, an dem das Werkzeug angebracht wird, einen elastischen Verformungsabschnitt, der den Grundabschnitt mit dem Werkzeuganbringungsabschnitt verbindet, ein Arbeitsachsenelement, das sich in radialer Richtung senkrecht zur Rotationsrichtung der Spindel bewegen kann, einen Umwandlungsmechanismus, der die Verfahrbewegung des Arbeitsachsenelements auf die axiale Richtung bezogen in die Schrägbewegung des Werkzeuganbringungsabschnitts umwandelt, und ein Laufwerk, das das Arbeitsachsenelement in die radiale Richtung bewegt.
Dabei ist der elastische Verformungsabschnitt mit einer ersten und einer zweiten Durchgangsbohrung versehen, die in radialer Richtung parallel zueinander verlaufen, sowie mit einem ersten und einem zweiten Schlitz, die die erste und die zweite Durchgangsbohrung miteinander verbinden und in radialer Richtung auswärts nach außen verlaufen.
Andererseits umfasst der Bewegungsmechanismus ein hydraulisches Stellglied mit zwei ersten Kolben, die an beiden Enden des Arbeitsachsenelements angebracht sind, sowie einen Abschnitt zur Hydraulikdruckerzeugung, der über den Hydraulikdruckweg mit dem hydraulischen Stellglied verbunden ist und den ersten Kolben unter Hubbetrieb des zweiten Kolbens in die radiale Richtung bewegt.
Bei der mit einer Positionskorrekturfunktion gemäß vorliegender Erfindung versehenen Arbeitsmaschine erzeugt der den Abschnitt zur Hydraulikdruckerzeugung konfigurierende zweite Kolben bei seinem Herunterdrücken (Betätigung) einen zusätzlichen Hydraulikdruck in diesem Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt. Dieser Hydraulikdruck wird dann über den Hydraulikdruckweg an das hydraulische Stellglied übertragen.
Zu diesem Zeitpunkt hat der das hydraulische Stellglied konfigurierende erste Kolben einen größeren Durchmesser als der zweite Kolben. Dadurch ist der erste Kolben aufgrund des Flächenverhältnisses bezüglich des zweiten Kolbens für einen Hydraulikdruckanstieg anfällig, was dazu führt, dass eine größere Kraft auf den ersten Kolben ausgeübt wird, selbst wenn der zweite Kolben mit relativ geringerer Kraft heruntergedrückt wird.
Somit kann selbst bei starker Reibung zwischen dem Umwandlungsmechanismus und dem elastischen Verformungsabschnitt der Umwandlungsmechanismus mittels einer relativ geringen, auf den zweiten Kolben einwirkenden Kraft sicher in einem gewissen Maße bewegt und korrigiert werden. Dementsprechend lässt sich die Position des im Werkzeughalter angeordneten Werkzeugs mikrometergenau in radialer Richtung des Werkzeughalters korrigieren, während geichzeitig eine hohe Steifigkeit beibehalten wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Winkeldarstellung der Werkzeugmaschine, bei der es sich um die mit einer Positionskorrekturfunktion gemäß der ersten Ausführungsform vorliegender Erfindung versehene Arbeitsmaschine handelt;
2 eine schematische Schnittdarstellung des Hauptteils der Werkzeugmaschine;
3 eine schematische Schnittansicht von vorne auf den die Werkzeugmaschine konfigurierenden Werkzeughalter;
4 eine weitere schematische Schnittansicht des Werkzeughalters;
5 eine schematische Darstellung des die Werkzeugmaschine konfigurierenden Betriebsmechanismus;
6 eine Seitenansicht zur Erläuterung einer an der Bohrstange erfolgten Korrektur;
7 eine Frontansicht zur Erläuterung einer Korrektur der Bohrstange;
8 eine schematische Darstellung eines Korrekturvorgangs der Bohrstange;
9 eine schematische Darstellung zur Bestätigung des durch die Korrekturbewegung bewirkten Grads der Bewegung der Bohrstange, und
10 eine schematische Darstellung des Ursprungserkennungsaufbaus des Werkzeughalters.
Bester Modus zur Ausführung der Erfindung
Wie in 1 gezeigt, umfasst die Werkzeugmaschine 10, bei der es sich um eine mit einer Positionskorrekturfunktion gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung versehene Arbeitsmaschine handelt, einen Hauptkörperabschnitt 12, an dem das Spindelgehäuse 14 in X-, Y- und Z-Richtung verschiebbar angebracht ist. Wie 2 zeigt, umfasst das Spindelgehäuse 14 eine über ein Lager 18 drehbar gelagerte Spindel 16, und diese Spindel 16 umfasst einen abnehmbar angebrachten Werkzeughalter (Korrekturwerkzeughalter) 20.
Der Werkzeughalter 20 umfasst einen an der Spindel 16 befestigten Grundabschnitt 22, einen Werkzeuganbringungsabschnitt 26 zur Anbringung eines Werkzeugs, beispielsweise einer Bohrstange 24, einen elastischen Verformungsabschnitt 28, der den Grundabschnitt 22 mit dem Werkzeuganbringungsabschnitt 26 verbindet, ein Arbeitswellenelement 30, das sich in radialer Richtung (Pfeilrichtung A) gegen den Werkzeughalter 20 bewegen kann, wobei es die Drehrichtung der Spindel 16 kreuzt, einen Umwandlungsmechanismus 32, der die Verlaufsbewegung des Arbeitswellenelements 30 in die Schrägbewegung gegen die axiale Richtung (Pfeilrichtung B) des Werkzeuganbringungsabschnitts 26 umwandelt, und einen Verfahrmechanismus 34, der das Arbeitswellenelement 30 in die radiale Richtung bewegt, wobei all diese Komponenten in einem einzigen Gehäuse 35 untergebracht sind.
Der Werkzeuganbringungsabschnitt 26 hat eine ebene Anbringungsstirnfläche 26a an dem Ende, mit dem die ebene Fläche 24a der Bohrstange 24 in Kontakt gebracht wird. Die Bohrstange 24 hat einen Zapfenverbindungsabschnitt 24b, und ist über (nicht dargestellte) Bolzen an der Befestigungsfläche 26a angebracht.
Der elastische Verformungsabschnitt 28 befindet sich in diametrischer Richtung im Werkzeughalter 20 und umfasst die erste und die zweite Durchgangsbohrung 36a und 36b, die in radialer Richtung parallel zueinander vorgesehen sind. Der elastische Verformungsabschnitt 28 ist mit der ersten und der zweiten Durchgangsbohrung 36a und 36b verbunden und verläuft in radialer Richtung nach außen, und ist mit einem ersten und einem zweiten Schlitz 38a und 38b versehen, die nach außen offen sind.
Das Arbeitswellenelement 30 umfasst einen Stabschnitt 42, der frei gleitend in einer Bohrung 40 des säulenartigen Abschnitts mit kleinem Durchmesser des Grundabschnitts 22 verläuft, welche im diametrischen Abschnitt durchgebohrt ist. An beiden Enden in Pfeilrichtung A des Stababschnitts 42 sind (erste) Kolben 44a und 44b mit großem Durchmesser angeformt.
Der Umwandlungsmechanismus 32 umfasst Schrägelemente 46a und 46b, die an einem Ende eines jeden Kolbens 44a und 44b mit großem Durchmesser vorgesehen sind. Die Schrägelemente 46a und 46b weisen Schrägflächen 48a und 48b auf, die in einem einheitlichen Winkel geneigt sind, wodurch sie vom Werkzeuganbringungsabschnitt 26 getrennt sind.
Der Werkzeuganbringungsabschnitt 26 weist zwei Kontaktelemente 50a und 50b auf, die an den Schrägelementen 46a und 46b an- und diesen gegenüber liegen, und befindet sich im Eingriff mit Druckschrauben 51a und 51b, um die Kontaktelemente 50a und 50b gegen die Schrägelemente 46a und 46b zu drücken.
Wie es in den 3 und 4 dargestellt ist, umfasst der Verfahrmechanismus 34 einen Hydraulikzylinderabschnitt (Hydraulikstellglied) 52, in dem Kolben 44a und 44b mit großem Durchmesser untergebracht sind, die für das Arbeitswellenelement 30 vorgesehen sind. Beim Hydraulikzylinderabschnitt 52 sind die erste Hydraulikkammer 52a und die zweite Hydraulikkammer 52b mit Kolben 44a und 44b mit großem Durchmesser ausgestattet. Während die erste Hydraulikkammer 52a über den ersten Hydraulikdruckweg 54a mit dem ersten Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56a verbunden ist, ist die zweite Hydraulikkammer 52b über den zweiten Hydraulikdruckweg 54b mit dem zweiten Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56b verbunden.
Während sich im ersten Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56a der Kolben mit kleinem Durchmesser (zweiter Kolben) 58a befindet, dessen Durchmesser geringer ist als derjenige des Kolbens 44a mit großem Durchmesser, wie in 4 gezeigt, ist dieser Kolben 58a mit kleinem Durchmesser mit einem Druckknopf (Druckaufbauabschnitt) 60a zum Eindrücken des Kolbens 58a mit kleinem Durchmesser vom Äußeren des Werkzeughalters 20 versehen. Der Druckknopf 60a geht dabei mit einer Rückstellfeder 62a in Kontakt, die den Druckknopf 60a außerhalb des Werkzeughalters 20 anordnet, d. h. zum Ausgangspunkt hin, wo ein Anschlag 61a vorgesehen ist. Die Verlaufsstrecke des Druckknopfes 60a nach innen ist begrenzt, da er auf die Anschlagsstirnfläche 63a auftrifft, wodurch die bei jeweils einer Vorschub-/Rückzugs-Bewegung durchgepresste Ölmenge sicher eingestellt wird.
Die erste Hydraulikkammer 52a und die zweite Hydraulikkammer 52b sind über den ersten Hydraulikdruckweg 64a und den zweiten Hydraulikdruckweg 64b an den Öltank 66 angeschlossen. Während der erste Hydraulikdruckweg 64a blockiert wird, wenn der erste Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56a betrieben wird, wird der zweite Hydraulikdruckweg 64b blockiert, wenn der zweite Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56b betrieben wird. Nach ihrem Übergang in den dritten Hydraulikdruckweg 64c sind dann der erste Hydraulikdruckweg 64a und der zweite Hydraulikdruckweg 64b an den Öltank 66 angeschlossen.
Während ein Rückschlagventil 68a für den ersten Hydraulikdruckweg 64a vorgesehen ist, um den Rückfluss von Öl aus dem Öltank 66 zu blockieren, ist ein Rückschlagventil 68b für den zweiten Hydraulikdruckweg 64b vorgesehen, um den Rückfluss an den Öltank 66 zu blockieren. Der Öltank 66 konfiguriert die Tankkammer 74 über eine Schiebewand 72, die frei mit einer Feder 70 gleitet.
Da der zweite Hydraulikdruckabschnitt 56b ähnlich dem weiter oben beschriebenen ersten Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56a konfiguriert ist, wird an dieser Stelle auf eine nochmalige Detailbeschreibung verzichtet, obwohl entsprechende Teile mit einem der gleichen Bezugsziffer nachgestellten „b” gekennzeichnet sein sollten.
Wie 1 zeigt, befindet sich der Betriebsmechanismus 80 zur Aktivierung des ersten und zweiten Hydraulikdruckerzeugungsabschnitts 56a und 56b von außen außerhalb des Werkzeughalters 20. Beim Betriebsmechanismus 80 ist das Gehäuse 84 am Stützplattenelement 82 angebracht, und eine Druckstange (Druckelement) 86 zur Unterdrucksetzung der Kolben 58a und 58b mit kleinem Durchmesser ist im gleichen Gehäuse 84 vorgesehen, wie 5 zeigt. Im Gehäuse 84 ist eine Feder 88 zur Verdrängung der Druckstange 86 zu den Kolben 58a und 58b mit kleinem Durchmesser hin vorgesehen. Am hinteren Ende der Druckstange 86 ist ein Flansch 90 ausgebildet, und am Stützplattenelement 82 ist ein Näherungssensor 92 zur sensorischen Erfassung des Flansches 90 angeordnet.
Nachstehend folgt eine Beschreibung der Bewegung der derart konfigurierten Werkzeugmaschine 10 gemäß der ersten Ausführungsform.
Zunächst wird Öl in die erste und in die zweite Hydraulikkammer 52a bzw. 52b, den ersten und den zweiten Hydraulikdruckweg 54a bzw. 54b, die erste Hydraulikdruckleitung 64a bis zur dritten Hydraulikdruckleitung 64c und den Öltank 66 gefüllt. Bei Abnutzungserscheinungen an der Schneide der Bohrstange 24 wird dann mittels des Umwandlungsmechanismus 32 die Position der Bohrstange außen in radialer Richtung eingestellt (korrigiert).
Genauer gesagt steigt bei Betätigung des Druckknopfes 60a, der den ersten Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56a konfiguriert, in Pfeilrichtung C1 der Hydraulikdruck im Inneren des ersten Hydraulikdruckwegs 54a an, wodurch Öl an die erste Hydraulikkammer 52a des Hydraulikzylinderabschnitts 52 geleitet wird, wie 4 zeigt. Im Hydraulikzylinderabschnitt 52 ist die Fläche des Kolbens 44a mit großem Durchmesser im Vergleich zu derjenigen des Kolbens 58a mit geringem Durchmesser groß genug, dass der Kolben 44a mit großem Durchmesser durch das Ölvolumen, das unter dem entsprechend dem Flächenverhältnis erhöhten Hydraulikdruck eingepresst wird, in Pfeilrichtung A1 bewegt wird.
Andererseits bewegt sich der Kolben 44b mit großem Durchmesser in Pfeilrichtung A1 einstückig mit dem Kolben 44a mit großem Durchmesser. Somit wird das Volumen der zweiten Hydraulikkammer 52b verringert, um den Hydraulikdruck im Inneren der zweiten Hydraulikkammer 52b zu erhöhen, so dass Öl in der zweiten Hydraulikkammer 52b von der zweiten Hydraulikdruckleitung 64b über die dritte Hydraulikdruckleitung 64c an den Öltank 66 geleitet wird.
Da zu diesem Zeitpunkt die mit der ersten Hydraulikkammer 52a verbundene erste Hydraulikdruckleitung 64a durch den Kolben 58a mit kleinem Durchmesser blockiert wird, ist die erste Hydraulikkammer 52a somit vom Öltank 66 getrennt. Dadurch lässt sich ein Entweichen des Hydraulikdruckes aus der ersten Hydraulikkammer 52a verhindern.
Bei der Bewegung des Kolbens 44a mit großem Durchmesser in Pfeilrichtung A1 bewegt sich folglich auch das am Werkzeughalter 20 angebrachte Arbeitswellenelement 30 in radialer Richtung (Pfeilrichtung A1) einstückig mit diesem Kolben 44a mit großem Durchmesser.
Der mit dem Ende des Arbeitswellenelements 30 verbundene Umwandlungsmechanismus 32 bewegt sich in Pfeilrichtung A1, wie 6 zeigt, und die Schrägfläche 48a bzw. 48b des Schrägelements 46a bzw. 46b gleitet in Kontakt mit dem Kontaktelement 50a bzw. 50b, das den Werkzeuganbringungsabschnitt 26 konfiguriert. Dabei ist zu beachten, dass die Schrägflächen 48a und 48b in einem einheitlichen Winkel vom Werkzeuganbringungsabschnitt 26 weg schräg nach außen verlaufen.
Entsprechend bewegt sich bei einer Bewegung des Kontaktelements 50a in Pfeilrichtung B1 auch das Kontaktelement 50b um die entsprechende Strecke, jedoch in Pfeilrichtung 62. Somit bewirkt der Werkzeuganbringungsabschnitt 26 eine elastische Verformung des Endes der Bohrstange 24 von der Achse O zur exzentrischen Achse O1, indem er die Bohrstange 24 in radialer Richtung nach außen bewegt, wodurch sich der Bearbeitungsdurchmesser erhöht.
Wird die auf den Druckknopf 60a ausgeübte Druckkraft wieder zurückgenommen, dann kehrt auch der Kolben 58a mit kleinem Durchmesser aufgrund der elastischen Kraft der Rückstellfeder 62a in seine Ausgangsstellung zurück (der Position, an der er am Anschlag 61a anliegt), wie 3 zeigt. Das an die erste Hydraulikkammer 52a zugeführte Öl versucht dann im ersten Hydraulikdruckweg 54a zurückzulaufen, wodurch es vorübergehend zu einem Druckabfall im ersten Hydraulikdruckweg 54a und in der ersten Hydraulikkammer 52a kommt.
Andererseits wird am Öltank 66 unter dem Druck der Feder 70 ein bestimmter Hydraulikdruck im Inneren der Tankkammer 74 aufrechterhalten. Somit öffnet sich bei einer Verringerung des Hydraulikdruckes im ersten Hydraulikdruckweg 54a das Rückschlagventil 68a und leitet Öl aus dem Öltank 66 in den ersten Hydraulikdruckweg 54a und an die erste Hydraulikkammer 52a. Der erste Hydraulikdruckweg 54a und die erste Hydraulikkammer 52a sind an die erste Hydraulikdruckleitung 64a angeschlossen, die mit dem Kolben 58a mit kleinem Durchmesser blockiert wurde, und sie sind über die dritte Hydraulikdruckleitung 64c an den Öltank 66 angeschlossen. Somit kehrt der Druckausgleich im Hydrauliksystem wieder auf seinen Ausgangszustand zurück, wobei eine Reihe von Korrekturbewegungen zum Abschluss gebracht wird.
Aufgrund einer ausreichend hohen Federkonstante des elastischen Verformungsabschnitts 28 wird der Kolben 44a mit großem Durchmesser mit einer starken Haltekraft sicher festgehalten, die sich zwischen der Schrägfläche 48a des integral angebrachten Schrägelements 46a und dem Kontaktelement 50a sowie zwischen dem Umfang des Kolbens 44a mit großem Durchmesser und der Innenfläche des Hydraulikzylinderabschnitts 52 im elastischen Verformungszustand ergibt, wie 6 zeigt. Daher behält der Kolben 44a mit großem Durchmesser, nachdem er sich bei hohem Hydraulikdruck des Kolbens 58a mit kleinem Durchmesser im Tippbetrieb in Pfeilrichtung A1 bewegt hat, diesen Zustand auch selbständig bei.
Muss der Werkzeughalter 20 zur passenden Positionierung noch weiter verschoben werden, kann der Kolben 58a mit kleinem Durchmesser zur Verschiebung des Endes des Werkzeughalters 20 wie bereits oben beschrieben um die vorbestimmte Anzahl von Malen hineingedrückt werden, bevor mit der eigentlichen Bearbeitung begonnen wird.
Als Beispiel wird davon ausgegangen, dass der Außendurchmesser des Kolbens 58a mit kleinem Durchmesser 3 mm (im Durchmesser) beträgt, der Außendurchmesser des Kolbens 44a mit großem Durchmesser des Arbeitswellenelements 30 35 mm (im Durchmesser) beträgt und der Außendurchmesser des Wellenabschnitts des Arbeitswellenelements 30 10 mm (im Durchmesser) beträgt. Wird der Kolben 58a mit kleinem Durchmesser um 1 mm weiter hineingedrückt, nachdem der erste Hydraulikdruckweg 54a und die dritte Hydraulikdruckleitung 64c voneinander getrennt wurden, dann werden 7 mm³ Öl an die erste Hydraulikkammer 52a geleitet. Da die drucktragende Fläche des Kolbenabschnitts 884 mm² beträgt, gleitet der Kolben 44a mit großem Durchmesser um 0,008 mm in Pfeilrichtung A1.
Es wird davon ausgegangen, dass der Kegelwinkel der Schrägfläche 48a bzw. 48b 1/30 beträgt. Das im Werkzeuganbringungsabschnitt 26 angebrachte Kontaktelement 50a wird somit um 0,00026 mm in Pfeilrichtung 81 (axiale Richtung) verschoben (gezogen), während das Kontaktelement 50b um 0,00026 mm in Pfeilrichtung B2 (axiale Richtung) verdrängt (gedrückt) wird. Als Beispiel wird angenommen, dass der Anordnungsabstand des Kontaktelements 50a bzw. 50b 50 mm beträgt und die Position des aus dem elastischen Verformungsabschnitt 28 herausragenden Werkzeughalters 24 100 mm beträgt. Ein einziger Schub des Kolbens 58a mit kleinem Durchmesser bewirkt somit eine Erhöhung von 0,001 mm (0,002 mm im Durchmesser) des Durchmessers des Werkzeughalters 24. Dies ermöglicht eine mikrometergenaue Justierung der Schneide des Werkzeughalters 24.
Ferner beträgt bei der ersten Ausführungsform das Flächenverhältnis des Kolbens 58a mit kleinem Durchmesser zum Kolben 44a mit großem Durchmesser 125 bei einem Wert von 125. Wird beispielsweise eine zusätzliche Kraft von 30 N an den Kolben 58a mit kleinem Durchmesser angelegt, dann erhöht sich die auf den Kolben 44a mit großem Durchmesser einwirkende Kraft dadurch auf 3750 N. Außerdem wird die Kraft aufgrund des Kegelverhältnisses von 1/30 des am Umwandlungsmechanismus vorgesehenen Schrägelements 46a verstärkt, so dass sich eine ausreichende Kraft zur zwangsweisen Erweiterung des elastischen Verformungsabschnitt 28 ergibt.
Außerdem wird beim Zurückverlauf des Werkzeughalters 24 nach innen in radialer Richtung der Druckknopf 60b, der den zweiten Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56b konfiguriert, in Pfeilrichtung C1 gedrückt. Somit wird das Öl vom zweiten Hydraulikdruckpfad 54b in die zweite Hydraulikkammer 52b des Hydraulikzylinderabschnitts 52 geleitet.
Da zu diesem Zeitpunkt der Kolben 58b mit kleinem Durchmesser die mit der zweiten Hydraulikkammer 52b verbundene Hydraulikdruckleitung 64b blockiert, ist folglich die zweite Hydraulikkammer 52b vom Öltank 66 getrennt. Da der Hydraulikdruck in der zweiten Hydraulikdruckleitung 54b größer ist als derjenige im Öltank 66, wird darüber hinaus das Rückschlagventil 68b geschlossen. Dementsprechend kommt es zu einem Anstieg des aus der Bewegung des Kolbens 58b mit kleinem Durchmesser resultierenden Öldrucks im zweiten Hydraulikdruckweg 54b und in der zweiten Hydraulikkammer 52b.
Während der Kolben 44b mit großem Durchmesser mit starker elastischer Kraft zwischen dem Werkzeuganbringungsabschnitt 26 und dem Grundabschnitt 22 festgehalten wird, ist die Fläche des Kolbens 44b mit großem Durchmesser im Vergleich zu derjenigen des Kolbens 58b mit kleinem Durchmesser groß genug. Folglich entsteht in der zweiten Hydraulikkammer 52b durch das Flächenverhältnis bedingt ein sehr großer Hydraulikdruck, wodurch der Kolben 44b mit großem Durchmesser entsprechend dem Ausmaß des eingedrückten Öls in Pfeilrichtung A2 bewegt wird. Bei der Bewegung des Kolbens 44b mit großem Durchmesser in Pfeilrichtung A2 bewegt sich auch der daran angeformte Kolben 44a mit großem Durchmesser über den Stababschnitt 42 in Pfeilrichtung A2.
Zu diesem Zeitpunkt verringert sich infolge der Bewegung des Kolbens 44a mit großem Durchmesser das Volumen der ersten Hydraulikkammer 52a. Da das Öl in der ersten Hydraulikkammer 52a über den ersten Hydraulikdruckweg 54a, die erste Hydraulikleitung 64a und die dritte Hydraulikleitung 64c an den Öltank 66 geleitet wird, wird der Kolben 44b mit großem Durchmesser in seiner Bewegung nicht beeinträchtigt.
Der mit dem Ende des Arbeitswellenelements 30 verbundene Umwandlungsmechanismus 32 bewegt sich in Pfeilrichtung A2, und die Schrägflächen 48a und 48b der Schrägelemente 46a und 46b verschieben sich und kontaktieren die Kontaktelemente 50a und 50b, die den Werkzeuganbringungsabschnitt 26 konfigurieren, wie 6 zeigt. Folglich bewegt sich das Kontaktelement 50a in Pfeilrichtung B2, während sich das Kontaktelement 50b über dieselbe Distanz hinweg in Pfeilrichtung B1 bewegt. Dies verdrängt den Werkzeuganbringungsabschnitt 26 wieder aus seinem Verformungszustand heraus, wodurch das Ende der Bohrstange 24 von der exzentrischen Achse O1 nach innen zur Mittelachse O bewegt wird (in radialer Richtung nach innen), was den Bearbeitungsdurchmesser verringert.
Wird die auf den Druckknopf 60b ausgeübte Schubkraft weggenommen, dann kehrt der Kolben 58b mit kleinem Durchmesser aufgrund der elastischen Kraft der Rückstellfeder 62b wieder in seine Ausgangsstellung (in der er den Anschlag 61b kontaktiert) zurück. Durch die Rücklaufbewegung des Kolbens 58b mit kleinem Durchmesser wird das Öl von der zweiten Hydraulikkammer 52b in den zweiten Hydraulikdruckweg 54b zurück geleitet, wodurch es vorübergehend zu einem Abfall des Hydraulikdrucks in der zweiten Hydraulikkammer 52b und im zweiten Hydraulikdruckwegs 54b kommt.
Andererseits wird am Öltank 66 unter dem Druck der Feder 70 im Inneren der Tankkammer 74 ein bestimmter Hydraulikdruck aufrechterhalten. Da eine Verringerung des Hydraulikdrucks des zweiten Hydraulikdruckwegs 54b das Lösen des Rückschlagventils 68b bewirkt, wird das Öl im Öltank 66 der zweiten Hydraulikkammer 52b und dem zweiten Hydraulikdruckweg 54b zugeführt. Außerdem sind der zweite Hydraulikdruckweg 54b und die zweite Hydraulikkammer 52b mit dem zweiten Hydraulikdruckweg 64b verbunden, der durch den Kolben 58b mit kleinem Durchmesser blockiert wurde, und sie sind über die dritte Hydraulikdruckleitung 64c mit dem Öltank 66 verbunden. Dadurch kehrt der Druckausgleich im Hydrauliksystem wieder in den Ausgangszustand zurück und schließt somit mit einer Reihe von Korrekturbewegungen ab.
Der erste und der zweite Hydraulikerzeugungsabschnitt 56a bzw. 56b werden wie oben erwähnt durch einen Betriebsmechanismus 80 gemäß der Programmsteuerung (NC-Steuerung) der Werkzeugmaschine 10 automatisch gesteuert. Die Spindel 16 der Werkzeugmaschine 10 kann die Drehung des Werkzeughalters zu einer bestimmten Phase mit einer Ausrichtungsfunktion sperren.
Die axiale Verlaufsrichtung des Kolbens 58a bzw. 58b mit kleinem Durchmesser des Werkzeughalters 20 während der Ausrichtung kann entsprechend der Richtung der Gleitwelle der Druckstange 86 gewählt werden, so dass jeder der beiden Druckknöpfe 60a oder 60b des Werkzeughalters 20 mit der Druckstange 86 betätigt wird.
Ähnliche Steuerwirkungen werden zwischen dem ersten Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56a und dem zweiten Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56b erzielt. Hier folgt nun lediglich die Beschreibung für den ersten Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56a, während von einer Beschreibung des zweiten Hydraulikerzeugungsabschnitts 56b abgesehen wird.
Zur Erzielung einer positiven Korrekturbewegung (Korrekturbewegung zur Durchmessererhöhung) im automatischen Betrieb bewegt sich der Werkzeughalter 20 in Pfeilrichtung X1 nach der Ausrichtung, während die Welle des Kolbens 58a mit kleinem Durchmesser unter NC-Steuerung mit der Welle der Druckstange 86 ausgerichtet wird, wie 5 zeigt. Die Druckstange 86 geht dabei mit dem Druckknopf 60a in Kontakt und drückt ihn, bis er mit der Anschlagsstirnfläche 63a Kontakt hat und den am Ende der Anschlagsstirnfläche angeordneten Kolben 58a mit kleinem Durchmesser bis zum dessen Hubende schiebt. Dadurch wird eine bestimmte Ölmenge verdrängt, was eine positive Korrektur ermöglicht.
Während dieses Vorgangs wird der hintere Teil der Druckstange 86 mit einer Feder 88 abgestützt. Die Feder 88 ist steif genug, um der Gleitkraft des Kolbens 58a mit kleinem Durchmesser entgegenzuwirken. Dadurch wird der Kolben 58a mit kleinem Durchmesser bis zum Hubende geschoben. Gleitet andererseits jedoch der Werkzeughalter 20 infolge eines Programmfehlers oder ähnlichem in Pfeilrichtung X1 über das Hubende hinaus, dann wird die Feder 88 zusammengedrückt, um diese Kraft zu absorbieren. Auf diese Weise fungiert die Feder 88 als Sicherheitsventil und eine Kollision des Werkzeughalters 20 mit der Druckstange 86 wird selbst im Fall eines Programmfehlers oder ähnlichem absorbiert.
Zudem lassen sich die Druckstange 86 und die Feder 88 auch als Mittel zur Funktionsprüfung der automatischen Korrektur einsetzen. In diesem Modus wird der Werkzeughalter 20 in Pfeilrichtung X1 geschoben, bis der Druckknopf 60a mit der Anschlagsstirnfläche 63a in Kontakt kommt, und wird dann um ein bestimmtes Maß (Strecke L) werter geschoben. Dadurch wird die Feder 88 komprimiert, damit der Flansch 90 der Druckstange 86 die sensorische Erfassungszone des Näherungsschalters 92 erreicht. Die Aktivierung des Näherungsschalters 92 ist dann der Beweis dafür, dass eine sichere Korrekturbewegung stattgefunden hat.
Des Weiteren kann der erste Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56a (oder entsprechend der zweite Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt 56b) auch manuell gesteuert werden. Wie 8 zeigt wird bei Drücken des seitlich am Werkzeughalter 20 vorgesehenen Druckknopfs 60a aus dessen Wartestellung (unbelastete Stellung) heraus, die durch Betrieb der Rückstellfeder 62a und Anschlag 61a bestimmt wird, bis zum Hubende in Pfeilrichtung D die Arbeitsölmenge für einen einzigen Hub bestimmt. Dabei kann zur Betätigung des Druckknopfs 60a für manuelle Korrekturvorgänge ein T-Schlüssel oder dünner T-Dorn oder ähnliches verwendet werden.
Die Arbeitsölmenge und das Ausmaß des Korrekturverlaufs (= Ausmaß des Tippens) stehen dabei in Korrelation zueinander und das Ausmaß der Korrektur wird mit dem Produkt der Menge an Bewegung, die durch ein Drücken des Kolbens 58a mit kleinem Durchmesser bewirkt wird, multipliziert mit der Schiebefrequenz, bestimmt. Beträgt zum Beispiel das Ausmaß der Korrektur, die durch eine einzige Schubbewegung bewirkt wird, 2 μm (im Durchmesser), dann sollte der Druckknopf 60a dreimal betätigt werden, um 6 μm (im Durchmesser) an Korrektur zu erzielen.
Man kann den Werkzeughalter 20 an einer Werkzeug-Voreinstellvorrichtung 94 anordnen und eine Messuhr 96 an der Schneide der Bohrstange 24 anbringen und den Druckknopf 60a oder 60b betätigen, wie 9 zeigt, um den Betrag des durch die Korrekturbewegung erzielten Verlaufs der Bohrstange 24 zu überprüfen.
Genauer gesagt sind zum Voreinstellen des Bearbeitungsdurchmessers mit an der Werkzeug-Voreinstellvorrichtung 94 angeordnetem Werkzeughalter keine besonderen Voreinstellgeräte erforderlich, da die Druckknöpfe 60a und 60b mit geringer manueller Kraft betätigt werden können, was äußerst praktisch ist.
Zur Voreinstellung des Werkzeughalters 20 bedient man sich vorzugsweise einer genau markierten Position (d. h. Ursprung), die als Bezugsgröße für die Korrekturstrecke dient Während der Wiederholung der Korrekturverläufe durch bloßes Drücken der Druckknöpfe 60a und 60b kann sich die Ausgangsposition allmählich verschieben und daher möglicherweise von der anfänglichen Position abweichen.
Wie 10 zeigt ist die Werkzeugmaschine 10 mit Mikroschaltern (Positionserfassungssensoren) 100a und 100b, mit denen der Ausgangspunkt der Arbeitswelle 30 im Inneren des Werkzeughalters 20 erfasst wird, und mit einer tragbaren Lampeneinheit (Anzeigeabschnitt) 102 versehen, die bei Empfang von Signalen von den Mikroschaltern 100a und 100b anzeigt, ob sich das Arbeitswellenelement 30 an seinem Ausgangspunkt befindet.
Isolatoren 104a und 104b mit ebenen Kontaktflächen sind seitlich am Werkzeughalter angeordnet, und zwei elektrisch leitende Kontaktstifte 106a und 106b sind in den Isolatoren 104a und 104b eingebettet. Zwei Kabel 108a und 108b sind mit den Kontaktstiften 106a und 106b verbunden und an zwei Anschlüssen der Mikroschalter 100a und 100b angeschlossen, die ähnlich im Werkzeughalter angebracht sind.
Die Mikroschalter 100a und 100b sind mit Kontaktenden 110a und 110b versehen. Diese Kontaktenden 110a und 110b gehen mit Hubgrenzen-Erfassungsenden 111a und 111b bin Kontakt, die im umgebenden Abdeckringabschnitt 109 vorgesehen sind, wenn das Arbeitswellenelement 30 in die Nähe der Hubgrenze der radialen Bewegung kommt. Die Mikroschalter 100a und 100b können im Mikrometerbereich ein- oder ausgeschaltet werden.
Die Lampeneinheit 102 ist mit ebenen Flächen versehen, die gegen die Isolatoren 104a und 104b drücken, und weist ferner eine Batterie 112, eine LED-Lampe 114 und zwei Gleitstifte 116 auf, die mit (nicht dargestellten) Kabeln verbunden sind. Die Gleitstifte 116 können über eine Feder 118 vorgeschoben oder zurückgezogen werden. Die Lampeneinheit 102 wird durch einen Magneten 120 an der Seitenfläche des Werkzeughalters 20 festgehalten, wobei die Gleitstifte 116 dann in engem Kontakt mit dem Kontaktstift 106a bzw. 106b stehen.
Bewegt sich bei dieser Konfiguration das Arbeitswellenelement 30 des Werkzeughalters 20 in Pfeilrichtung A2, um sich in die Ausgangsstellung für den Korrekturvorgang zu begeben, dann bewegt sich das Kontaktende 110b des Mikroschalters 100b ebenfalls in Pfeilrichtung A2, um das Kontaktende 110b des Mikroschalters 100b mit dem Hubgrenzen-Erfassungsende 111 bin Kontakt zu bringen, was dieses einschaltet. Somit entsteht eine elektrische Verbindung mit dem Stromkreis der tragbaren Lampeneinheit 102 und die LED-Lampe 114 leuchtet auf. Die Ausgangsposition lässt sich somit mit der LED-Lampe akkurat verifizieren.
Bewegt sich andererseits das Arbeitswellenelement 30 des Werkzeughalters 20 in Pfeilrichtung A1, dann schaltet sich der Mikroschalter 100b wieder aus und auch die LED-Lampe 114 erlischt. Auf diese Weise wird die LED-Lampe 114 ein- oder ausgeschaltet und dient somit als Mittel zur Überprüfung der Ausgangsposition von außen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Ist die Arbeitsmaschine mit einer Positionskorrekturfunktion gemäß vorliegender Erfindung ausgestattet, dann steigt der hydraulische Druck im Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt, wenn der zweite Kolben, der den Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt konfiguriert, gedrückt (betrieben) wird. Der erhöhte Hydraulikdruck wird dann im Hydraulikdruckweg an das Hydraulikstellglied übertragen.
Zu diesem Zeitpunkt hat der erste Kolben, der das hydraulische Stellglied konfiguriert, einen größeren Durchmesser als der zweite Kolben. Aus diesem Grund wird auf den ersten Kolben ein größerer Druck ausgeübt aufgrund des Flächenverhältnisses zum zweiten Kolben, und eine größere Kraft wirkt auf den ersten Kolben unter dem hydraulischen Druck, selbst wenn der zweite Kolben mit relativ geringer Kraft gedrückt wird.
Selbst bei großen Reibungskräften zwischen dem Umwandlungsmechanismus und dem elastischen Verformungsabschnitt lässt sich durch das Anlegen einer relativ geringen Kraft an den zweiten Kolben ein sicherer Korrekturverlauf des Umwandlungsmechanismus in einem gewünschten Ausmaß gewährleisten.
Dadurch kann eine mikrometergenaue Positionskorrektur mit hoher Steifigkeit in radialer Richtung des Werkzeughalters zur Steuerung des im Werkzeughalter angebrachten Werkzeugs erzielt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2002-36009 [0004, 0004]

Claims

Arbeitsmaschine mit Positionskorrekturfunktion, die folgendes umfasst: einen Werkzeughalter, der sich in Einheit mit der Spindel dreht; und wobei der Werkzeughalter einen an der Spindel angebrachten Grundabschnitt hat, einen Werkzeuganbringungsabschnitt, an dem ein Werkzeug angebracht ist, einen elastischen Verformungsabschnitt, der den Grundabschnitt mit dem Werkzeuganbringungsabschnitt verbindet, ein Arbeitswellenelement, das sich in radialer Richtung gegen den Werkzeughalter bewegt und dabei die Drehrichtung der Spindel kreuzt, einen Umwandlungsmechanismus, der die Verlaufsbewegung des Arbeitswellenelements in eine zur axialen Richtung des Werkzeuganbringungsabschnitts schräg verlaufende Bewegung umwandelt, sowie einen Verfahrmechanismus, der das Arbeitswellenelement in die radiale Richtung bewegt, und wobei der elastische Verformungsabschnitt mit einer ersten und einer zweiten Durchgangsbohrung versehen ist, die parallel zueinander in der radialen Richtung vorgesehen sind, und einen ersten und einen zweiten Schlitz, die in radialer Richtung nach außen ans Äußere verlaufen und mit der ersten und der zweiten Durchgangsbohrung verbunden sind; und wobei der Verfahrmechanismus ein hydraulisches Stellglied mit zwei ersten Kolben umfasst, welche an beiden Enden des Arbeitswellenelements vorgesehen sind, einen zweiten Kolben, der über Hydraulikdruckwege mit dem Hydraulikstellglied verbunden ist, wobei dessen Durchmesser geringer ist als derjenige des ersten Kolbens, und einen Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt zum Verfahren des ersten Kolbens in radialer Richtung unter dem Hubbetrieb des zweiten Kolbes.
Arbeitsmaschine mit Positionskorrekturfunktion nach Anspruch 1, umfassend den Grundabschnitt, den Werkzeuganbringungsabschnitt, den elastischen Verformungsabschnitt, das Arbeitswellenelement, den Umwandlungsmechanismus und den Verfahrmechanismus, wobei alle diese Komponenten in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind.
Arbeitsmaschine mit Positionskorrekturfunktion nach Anspruch 1, bei der der Werkzeuganbringungsabschnitt mit einer ebenen Anbringungsfläche an dem Ende versehen ist, an dem das Werkzeug angebracht werden kann.
Arbeitsmaschine mit Positionskorrekturfunktion nach Anspruch 1, umfassend den Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt, der mit einem Druckabschnitt im zweiten Kolben versehen ist, so dass unter Hubbetrieb des zweiten Kolbens, der von außerhalb des Werkzeughalters betätigt wird, eine bestimmte Ölmenge an das hydraulische Stellglied zugeführt wird, und eine Feder, die den Druckabschnitt nach außerhalb des Werkzeughalters drückt.
Arbeitsmaschine mit Positionskorrekturfunktion nach Anspruch 1, umfassend das hydraulische Stellglied mit der ersten Hydraulikkammer und der zweiten Hydraulikkammer, die mit dem ersten Kolben konfiguriert ist, und wobei der erste Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt über den ersten Hydraulikdruckweg mit der ersten Hydraulikkammer verbunden ist, um das Arbeitswellenelement in eine der radialen Richtungen zu bewegen, und der zweite Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt über den zweiten Hydraulikdruckweg mit der zweiten Hydraulikkammer verbunden ist, um das Arbeitswellenelement in eine andere radiale Richtung zu bewegen.
Arbeitsmaschine mit Positionskorrekturfunktion nach Anspruch 5, umfassend: die erste Hydraulikkammer und die zweite Hydraulikkammer, die über die erste Hydraulikdruckleitung und die zweite Hydraulikdruckleitung mit einem Öltank verbunden sind, und wobei der erste Hydraulikdruckweg blockiert wird, wenn der erste Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt betrieben wird, und der zweite Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt blockiert wird, wenn der zweite Hydraulikdruckerzeugungsabschnitt betrieben wird.
Arbeitsmaschine mit Positionskorrekturfunktion nach Anspruch 1, umfassend: den Umwandlungsmechanismus, der an jedem Ende des ersten Kolbens vorgesehen ist, und mit zwei Schrägelementen versehen ist, die sich in der vom Werkzeuganbringungsabschnitt weiter entfernten radialen Richtung nach außen neigen, zwei Kontaktelemente, die am Werkzeuganbringungsabschnitt vorgesehen sind und gegen die zwei Schrägelemente drücken.
Arbeitsmaschine mit Positionskorrekturfunktion nach Anspruch 7, umfassend: den Werkzeuganbringungsabschnitt, der mit einer Druckschraube in Eingriff steht, um jedes Kontaktelement an jeden Schrägabschnitt anzudrücken.
Arbeitsmaschine mit Positionskorrekturfunktion nach Anspruch 1, umfassend: einen Betriebsmechanismus zur Betätigung des Hydraulikdruckerzeugungsabschnitts von außen, und wobei der Betriebsmechanismus mit einem Druckelement zum Drücken des zweiten Kolbens versehen ist, und eine Feder, die das Druckelement gegen den zweiten Kolben drückt.
Arbeitsmaschine mit Positionskorrekturfunktion nach Anspruch 1, umfassend: einen Positionserfassungssensor, der im Werkzeughalter installiert ist, um die Ausgangsposition des Arbeitswellenelements zu erfassen, einen Anzeigeabschnitt, der am Werkzeughalter angebracht bzw. von diesem abgenommen werden kann und auf ein Signal vom Positionserfassungssensor hin anzeigt, ob sich das Arbeitswellenelement an seiner Ausgangsposition befindet.