DE1220701B - Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstuecken mit kurvenfoermiger Umrisslinie - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DES DSLirSCHf« PATEKTASiTES

Int. CL:

B 23 c

Deutschem.: 49 b-5/06

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1220701
L34619Ib/49b
2. November 1959
7. Juli 1966

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit kurvenförmiger Umrißlinie ohne Musterstück, mit einer relativen Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück in mindestens zwei miteinander gekoppelten Freiheitsgraden, mit mindestens drei je eine Sinusschwingung erzeugenden Gliedern, deren Schwingungszahlen untereinander in einem harmoniechen, d. h. ganzzahligen Verhältnis stehen, zur Steuerung einer resultierenden Bewegung in Richtung des einen Freiheitsgrades.

Werkstücke mit kurvenförmigem Umriß werden, wenn ein automatischer Arbeitsvorgang verlangt wird, im allgemeinen im Kopierverfahren hergestellt. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß immer eine Schablone oder ein anderes Bezugsformstück vorhanden sedn muß, dessen Herstellung häufig schwierig und teuer ist. Kopiermaschinen sind für den Einsatz zur Herstellung von Einzelstücken und kleinen Serien ungeeignet. Kopiermaschinen, die einen aufgezeichneten Kurvenzug beispielsweise fotoelektrisch abtasten, benötigen zwar keine Schablone im eigentlichen Sinne, sie sind aber kompliziert, teuer und anfällig.

Es ist bereits eine Kurvenfräsmaschine zum Fräsen von Scheiben- oder Ringkurven bekanntgeworden, die nicht nach einer Schablone, sondern nach einem schräg einstellbaren und verschiebbaren Lineal arbeitet, von dem aus die Steuerbewegung über eine Zahnstange und eine Viergelenkkette dem Werkzeug übermittelt wird. Diese Vorrichtung reicht zwar zur Herstellung bestimmter Scheibenkurven aus, sie bietet aber für allgemeine Anwendungsfälle nicht genügend Vielfalt. Außerdem ist die Kinematik des Getriebes so verwickelt, daß nur mit großer Mühe von dem zu erzeugenden Werkstück auf die Maschineneinstellwerte geschlossen werden kann (deutsche Patentschrift 902 568).

Einer anderen bekannten Vorrichtung lag die Aufgabe zugrunde, Steuerkurven, z. B. die Hubkurve einer Ventilsteuerung, in mechanisch kinematischer Abhängigkeit von der durch diese Kurve zu steuernde Bewegung zu bestimmen. Die Vorrichtung benötigt hierzu ein nach Maß und Form getreues Abbild des Ventilhebels, der mit einem Schablonenträger in einer bestimmten Zwangslaufverbindung steht. Diese Vorrichtung mag wohl zum Anreißen von Nocken für Verbrennungskraftmaschinen brauchbar sein, bietet aber keine Möglichkeit zur Herstellung von Werkstücken mit kurvenförmiger Umrißlinie allgemein (deutsche Patentschrift 937 204).

Ferner ist eine Einrichtung an Fräsmaschinen zum Herstellen von ebenen Kurven an Körpern bekannt-Vorrichtung zum Bearbeiten von
Werkstücken mit kurvenförmiger Umrißlinie

Anmelder:

Carl Hurth, Maschinen- und Zahnradfabrik,

München 5, Holzstr. 17-27

Als Erfinder benannt:
Gerd Lichtenauer, München

geworden, die durch die Verwendung von Kurbelschleifen, teilweise in Kombination mit einem Gelenkgetriebe, ein Bezugsformstück vermeiden soll. Andererseits benötigt diese Vorrichtung aber ein Kurvenstück, das die Anwendbarkeit der Vorrichtung einschränkt in ähnlicher Weise wie die vorher erwähnte Kurvenfräsmaschine, die ein Leitlineal verwendet. Ein vorgeschlagenes Getriebe zum Umgehen des Kurvenstücks ist nicht in der Lage, den Anwendungsbereich der Vorrichtung zu erweitern. Auch dieser Vorrichtung haftet der Mangel an, daß die Einstellwerte aus den Werkstückkonturen nicht entnommen und in der Vorrichtung gespeichert werden können (Patentschrift 15 318 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesens in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands).

Der Zweck der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen kurvenförmiger Umrißlinien allgemeiner Art, für die es möglich ist, die Einstellwerte für einen automatischen Arbeitsablauf aus den Abmessungen des Werkstücks zu entnehmen und vor dem Arbeitsbeginn in der Vorrichtung zu speichern, um so ein Musterstück zu vermeiden.
Es gibt bereits eine Vorrichtung zum Fräsen von Nookenscheiben für Verbrennungskraftmaschinen, bei der das Werkstück und das Werkzeug relative Bewegungen in Richtung zweier Freiheitsgrade ausführen und bei der das Werkzeug in Richtung des einen Freiheitsgrades ohne Zuhilfenahme eines Bezugsformstücks mit einer Kurbelschleife gesteuert wird. Da die Kurbelschleife einem sinoiden Bewegungsgesetz folgt, ist an sich eine Vorausberechnung

609 588/216

Diese Maschinen, die beispielsweise Lochbänder, Tonbänder od. dgl. benutzen, verfugen über ausgedehnte elektrische, insbesondere elektronische Anlagen und sind daher so teuer, daß ihre Anschaffung 5 für kleinere und mittlere Betriebe und besonders zur Anfertigung von Einzelstücken meist nicht lohnt.

Es ist auch bekannt, mit elektrischen bzw. elektronischen Mitteln eine Maschine nach der Fourierschen Reihe

f(x) = b₀ + b₁ cos χ + b₂ cos 2x + b₃ cos 3x ... + Ci₁ swlx + a₂ sin2x + a₃ sin3x...

zu steuern. Eine solche Vorrichtung hat gegenüber den bekannten Maschinen, die mit einer Rechenvor

der Maschineneinstellwerte, beispielsweise die Hubhöhe und die Phase der Kurbelschleife, möglich. Da aber nur eine einzige Kurbelschleife vorhanden ist, kann die Vorrichtung nur die spezielle Aufgabe erfüllen, bestimmte Nocken mit einer harmonischen — das ist sinoiden — Hubkurve zu erzeugen (deutsche Patentschrift 410 380).

Auch eine andere bekannte Vorrichtung zum Herstellen von druckfreien Kurvenscheiben ist in der
Lage, ohne Schablone Kurvenscheiben mit sinoidem io
Anlauf bzw. Ablauf herzustellen. Die Kinematik
dieser Vorrichtung beruht ähnlich wie bei der vorher
geschilderten auf einer einzigen Kurbelschleife, so
daß einerseits zwar eine Vorausbestimmung der Einzelwerte möglich, aber andererseits der Anwendungs- 15 richtung gesteuert werden, den Vorteil, daß die elekbereich beschränkt ist (französisches Patent irische Steueranlage nur für eine einzige Funktion, 1170 855). nämlich der Fourierschen Reihe, ausgelegt zu werden

Eine weitere Maschine zum Herstellen von Schnitt- braucht. Die Fouriersche Reihe als Funktion für die kurven an Rohren verwendet zwei hintereinanderge- Steuerung hat den Vorteil, daß die zu steuernde Konschaltete Kurbelschleif en zum Steuern des Werkzeugs 20 tür verhältnismäßig einfach zu analysieren ist und in Richtung des einen Freiheitsgrades, während das die durch die Analyse ermittelten Werte verhältnis-Werkstück eine Bewegung in Richtung eines zweiten mäßig einfach in die Maschine eingegeben werden Freiheitsgrades ausführt. Mit dieser Vorrichtung können. Die elektrische bzw. elektronische Steuerung werden Schnittkurven für Rohrstöße aufgezeichnet hat aber den Nachteil, daß sie verhältnismäßig auf- oder ausgeschnitten, deren Verlauf sich auf zwei 25 wendig ist. Auch ist sie wegen ihrer Empfindlichkeit Sinuslinien zurückführen läßt. In diesem Rahmen ist und Störanfälligkeit für einen rauhen Werkstattauch eine Vorausberechnung der Maschineneinstell- betrieb nicht gut geeignet (französisches Patent werte möglich, jedoch ist die Anwendung dieser Vor- 1 113 992).

richtung sehr beschränkt (deutsche Patentschrift Aufgabe der Erfindung ist, diese Nachteile zu ver-

930 781). Um den Anwendungsbereich der vorge- 30 meiden, d. h., eine nach der Fourierschen Reihe nannten Vorrichtung zu beheben, ist sie um ein arbeitende Vorrichtung zu erstellen, die diese Mangel weiteres Einstellglied ergänzt worden. Ein konse- nicht aufweist. Die Aufgabe ist also, eine robuste quenter Sehritt wäre das Hinzufügen einer dritten Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaf-Kurbelschleife gewesen, deren Bewegung derart vom fen, die weniger störanfällig und einfacher zu warten Hauptantrieb abzuleiten gewesen wäre, daß die 35 ist als die bekannten Einrichtungen. Die Erfindung Übersetzungsverhältnisse aller Kurbelschleifen in geht davon aus, daß im Vergleich mit den elekbezug auf den Hauptantrieb eine harmonische Reihe
bilden, beispielsweise 1:1, 1:2, 1:3. Dieser Weg
wurde aber nicht beschriften, sondern es wurde eine
auf eine bestimmte Grundlänge eingestellte Schub- 40
stange eines Kurbeltriebs so angeordnet, daß sie
während des Arbeitsganges der Maschine durch
einen weiteren Kurbelbetrieb selbsttätig eine kontinuierliche Längenänderung erfährt. Diese Schubstange, die nicht ein Glied einer Kurbelschleife ist, 45 Drehpunkte dieser Hebel ihrerseits an den Enden je sondern einem von einer Geradführung im wesent- eines weiteren gleicharmigen Hebels angelenkt sind, liehen lotrecht abgeleiteten Lenker entspricht, stört wobei der Drehpunkt des letzten Hebels dieser Kette den sinoiden Verlauf des Gesamtantriebs, wodurch an ,dem zu bewegenden Maschinenteil angelenkt ist. die Vorrichtung zwar eine Vorausberechnung für be- Di₆ Erfindung wird vorteilhaft dahingehend weiter stimmte Fälle zuläßt, aber den Anwendungsbereich 50 ausgestaltet, daß der Anlenkpunkt des letzen Hebels beschränkt. Auch stören den sinoiden Verlauf die über eine elektrische oder hydraulische Servosteuenicht harmonisch gestuften Übersetzungen zwischen nmg den zu bewegenden Maschinenteil beeinflußt. Hauptantrieb und Kurbelschleifen (deutsche Patent- Di_e Fouriersche Reihe ist konvergierend, so daß je

schrift 935 636). nach Anzahl der Schwinger in der Steuerung ein

Es ist noch eine Vorrichtung zum Bearbeiten der 55 größerer oder kleinerer Fehler bestehenbleibt. Dieser Schaufeln von Vorsatzläufern von Zentrifugalver- Restfehler kann dadurch ausgeglichen werden, daß dichtem bekannt, bei der Werkstück und Werkzeug den harmonischen Sinusschwingungen zeitweise eine relativ zueinander sinoide Bewegungen in zwei nicht harmonische Bewegung überlagert wird, die zu senkrecht aufeinanderstellenden Richtungen aus- einem vorbestimmten Zweck in einer vorbestimmten führen. Diese Vorrichtung ist auf den bestimmten 60 Größe eingeleitet werden kann. Zweck beschränkt und fällt für die der Erfindung Die Erfindung hat den Vorteil, daß das Einstellen

gestellte Aufgabe aus (deutsche Patentschrift der Steuerelemente einfach und übersichtlich ist und 942 604). mit dem Durchschnittsfachmann gewohnten Mitteln

Es gibt auch bereits Maschinen zur Herstellung vorgenommen wird.

von allen praktisch vorkommenden Werkstückfor- 65 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den men, die von einem Bezugsformstück unabhängig F i g. 1 bis 5 erläutert. Es zeigt sind und die es erlauben, aus den Werkstücken zu F i g. 1 den Querschnitt eines Werkstücks mit

entnehmende Maschineneinstellwerte zu speichern. einer kurvenförmigen Umrißlinie,

irischen oder hydraulischen Einrichtungen eine mechanische Steuerung wegen der Unempfindlichkeit vorzuziehen ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die eine Sinusschwingung erzeugenden Glieder Kreuzschleifengetriebe mit veränderbarem Kurbelradius sind, von denen je zwei an den Enden gleicharmiger Hebel angreifen und die

F i g. 2 eine Äquidistante zum Querschnitt der F i g. 1 als Werkzeugbahn im doppelten Maßstab,

F i g. 3 die Werkzeugbahn der F i g. 2 als Kurvenzug, der zur vollen Periode einer Schwingung ergänzt ist,

F i g. 4 als Ergebnis einer harmonischen Analyse die ersten vier harmonischen Sinusschwingungen aus dem Kurvenzug der F i g. 3,

F i g. 5 das Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Der Aufbau der Vorrichtung ist folgender: Auf einem Maschinengestell 6 (Fig. 5) ist ein Werkzeugschlitten 7 in bekannter Weise geführt und durch eine Vorschubspindel 8 und eine Spindelmutter 9 angetrieben. Der Werkzeugschlitten trägt das Werkzeug, beispielsweise einen Fingerfräser 10. Die Bewegungsrichtung des Werkzeugschlittens 7 möge mit Längsbewegung bezeichnet sein.

Auf dem Maschinengestell ist eine weitere Schlittenführung 11 vorgesehen, die quer zur Längsrichtung verläuft und die einen Werkstückschlitten 12 aufnimmt. Mit Hilfe eines Spannstockes 13 ist auf dem Werkstückschlitten ein Werkstück 14 aufgespannt, an dem eine kurvenförmige Umrißlinie bearbeitet werden soll, wie beispielsweise F i g. 1 zeigt. Der Werkstückschlitten 12 ist mit einem Zylinder verbunden, in dem ein Kolben 15 geführt ist, der mit Hilfe einer Kolbenstange 16 am Maschinengestell befestigt ist. Der Kolben teilt den Zylinder in die beiden Zylinderräume 17 und 18. Auf der dem Kolben 15 entgegengesetzten Seite des Schlittens ist ein Steuerschieber 19 in bekannter Weise so angeordnet, daß er einen Druckmittelzulauf 20 über die Leitungen 21, 22 auf die Zylinderräume 17,18 verteilen kann. Die Druckmittelabläufe am Steuerschieber sind mit 23, 24 bezeichnet. Auf den Steuerschieber wirkt eine Feder 25, die den dauernden Kontakt zwischen dem Steuerschieber 19 und einem erfindungsgemäßen Steuermechanismus aufrechterhält, der im folgenden beschrieben wird.

Der Steuermechanimus besteht aus einer Anzahl Kreuzschubkurbeln, deren Kurbelradien einstellbar sind. Die Kurbeln sind mit 26, 27, 28, 29 bezeichnet. Auch die Anfangswerte der Kurbeldrehung, die Phasen, sind einstellbar. Die erste, 26, der Kurbeln ist mit dem Antrieb der Vorschubspindel 8 in einem solchen Übersetzungsverhältnis 1 : K verbunden, daß ein Umlauf des Werkzeugs um das Werkstück oder eine Periode des Werkzeugweges einer Umdrehung der Kurbel 26 entspricht. Während dieser Umdrehung der Kurbel 26 macht Kurbel 27 zwei, Kurbel 28 drei, Kurbel 29 vier usf. Umdrehungen. Die Kurbelzapfen greifen in jeweils eine Kulisse 30, 31, 32,33 ein, deren Wirkungen mit einem summierenden Hebelsystem 34 od. dgl. zusammengefaßt werden. Die Schubstangen 50 bis 53 der Kreuzschubkurbeln wirken jeweils paarweise auf zweiarmige Hebel 44, 45, an deren mittleren Drehpunkten 46, 47 jeweils wieder Schubstangen 54,55 angreifen, die paarweise auf einen übergeordneten zweiarmigen Hebel einwirken. Auf diese Weise werden die Schwingungen aller Kurbeln zu einer resultierenden Schwingung zusammengefaßt. Am mittleren Drehpunkt des letzten Hebels 41 greift der bereits erwähnte Steuerschieber 19 an.

Die Wirkungsweise ist folgende: Es sei angenommen, daß ein Werkstück 14 (F i g. 1) mit einer kurvenförmigen Umrißlinie, beispielsweise mit einem Fingerfräser, bearbeitet werden soll. Die Achse des Fräsers führt dann eine zum Profil des Werkstücks äquidistante Bahn 37 aus. Diese Bahn ist in F i g. 2 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Als Arbeitsbeginn möge der Punkt 38 gewählt sein. Das Werkzeug führt jetzt einen Längsvorschub in Richtung 41 aus, während der Werkzeugschlitten in Richtung 42 gesteuert wird. Ist das Werkzeug im Punkt 39 angekommen, so wird der Längsvorschub auf Rückwärtsgang umgeschaltet, so daß das Werkzeug wieder auf den Ausgangspunkt zurücklaufen kann oder seinen ■ Rückweg in Punkt 38 beendet.

Durch das Umschalten im Punkt 39 kann der relative Werkzeugweg als fortlaufender Linienzug betrachtet werden, der, wie F i g. 3 zeigt, zu einer vollen Periode einer Schwingung ergänzt werden kann. Der Umschaltpunkt 39 ist in F i g. 3 mit der Linie R-R bezeichnet. Durch eine harmonische Analyse wird diese Schwingung in so viel harmonische Sinusschwingungen aufgegliedert, wie für den Steuermechanismus Sinusschwingungen erzeugende Glieder vorhanden sind. Die ersten vier harmonischen Sinusschwingungen sind in F i g. 4 a bis 4 d dargestellt. Die harmonische Analyse gibt die Amplituden, Frequenzen und Phasen der haromischen Sinusschwingungen an, die die Einstellwerte für den Steuermechanismus liefern, wobei die Amplituden durch die Radien der Kurbeln 26 bis 29 und die Phasen durch deren winkelmäßigen Anfangswerte dargestellt werden. Die Frequenz der ersten harmonischen Sinusschwingungen entspricht der Frequenz der Ursprungsschwingung (Fig. 3); alle anderen Frequenzen stehen im allgemeinen Verhältnis zur ersten harmonischen Sinusschwingung. Das Zusammenwirken aller Kreuzschubkurbeln 26, 30 usw. ergibt eine resultierende Schwingung gemäß Fig. 3, die auf den Steuerschieber 19 übertragen wird. Der Steuerschieber verteilt das Druckmedium über die Leitungen 21, 22 in bekannter Weise auf die Zylinderräume 17,18 so, daß die zusammengesetzte Bewegung aus dem Längsvorschub 41 und dem gesteuerten Quervorschub 42 den gewünschten Linienzug 37 ergibt.

Der in F i g. 5 gezeigte Hilfsantrieb 15,19 ist nur als Beispiel zu werten; es ist statt dessen auch jeder andere bekannte Servomotor benutzbar.

Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel mit geradliniger Bewegung des ungesteuerten Vorschubs dargelegt worden. Ohne weitere Erläuterung ist zu übersehen, daß sie ebenso auf Maschinen mit kreisendem, ungesteuertem Vorschub angewendet werden kann, wobei die gesteuerte Bewegung radial oder axial wirken kann. Hiermit sind Steuerkurven, Schaltnocken u. dgl. herstellbar. Auch ist die Erfindung auf Maschinen mit kreisender Hauptbewegung,

z. B. auf Drehbänke, anwendbar, wo sie die Schablone der Kopierdrehbank zu ersetzen vermag, wobei zur Erzeugung von senkrechten Absätzen ähnliche Maßnahmen wie bei diesem möglich sind, d. h., wie bei der Kopierdrehvorrichtung kann auch der erfindungsgemäße Steuermechanismus so angeordnet sein, daß er ebenfalls steuernd auf den Längsvorschub einwirkt. Der erfindungsgemäße Steuermechanismus kann z. B. genau »schräg« gestellt werden wie eine Kopierdrehvorrichtung.

Es sei noch erwähnt, daß die Erfindung nicht auf ein Zweikoordinatensystem beschränkt ist, sondern auch auf ein Dreikoordinatensystem angewendet werden kann, um krumme Flächen herzustellen. Für

diesen Fall können für zwei Koordinaten eines räumlichen Systems je ein erfindungsgemäßer Steuermechanismus vorgesehen sein.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß F i g. 5 nur ein sehr vereinfachtes Schema zeigt und bewußt alle Maßnahmen zur Spanzustellung u. dgl. außer acht läßt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit kurvenförmiger Umrißlinie ohne Musterstück, mit einer relativen Bewegung zwisehen Werkzeug und Werkstück in mindestens zwei miteinander gekoppelten Freiheitsgraden, mit mindestens drei je eine Sinusschwingung erzeugenden Gliedern, deren Schwingungszahlen untereinander in einem harmonischen, d. h. ganzzahligen Verhältnis stehen, zur Steuerung einer resultierenden Bewegung in Richtung des einen Freiheitsgrades, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Sinusschwingung erzeugenden Glieder Kreuzschleifengetriebe (30, 31, 32, 33)

mit veränderbarem Kurbelradius sind, von denen je zwei an den Enden gleicharmiger Hebel (41) angreifen und die Drehpunkte (42, 43) dieser Hebel (41) ihrerseits an den Enden je eines weiteren gleicharmigen Hebels (44,45) angelenkt sind, wobei der Drehpunkt (48) des letzten Hebels (41) dieser Kette an dem zu bewegenden Maschinenteil angelenkt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlenkpunkt (48) des letzten Hebels (41) über eine elektrische oder hydraulische Servosteuerung den zu bewegenden Maschinenteil beeinflußt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 902 568, 937 204,
380, 930 781, 935 636, 942 604;

Patentschrift Nr. 15 318 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands;

französische Patentschriften Nr. 1 170 855,
992.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 588/216 6. 66 © Bundesdruckerei Berlin