DE19813615C2 - Werkzeugkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkzeugkopf mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Ein derartiger Werkzeugkopf ist aus der DE 197 17 172 A1 bekannt.

Solche Werkzeugköpfe werden an vollautomatisch numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen benötigt, insbesondere bei Plan­ dreh-, Hinterdreh- und Einstecharbeiten sowie bei Kopieropera­ tionen, der Herstellung von Passungen etc., also stets dann, wenn neben einer Vorschubbewegung des Werkzeuges noch fein ein­ stellbare Querbewegungen (Radialbewegungen) erforderlich sind.

In der DE-AS 11 93 768 wird ein Bohrkopf beschrieben, insbeson­ dere für eine Koordinatenbohrmaschine, der ein Bohrkopfgehäuse mit einem Halter zum Befestigen an der Spindel und einen radial zur Spindelachse verschiebbaren Schlitten als Meißelhalter aufweist. Zum Einstellen der Radialposition des Schlittens wird ein Servoantrieb verwendet, der im Bohrkopf angeordnet ist und über eine Meßeinrichtung (Stellungsanzeiger) digital angesteu­ ert wird. Der Motor und der Stellungsanzeiger des Servoantrie­ bes liegen im Bohrkopfgehäuse diametral einander gegenüber.

Die Leistungsübertragung, d. h. die Energieeinspeisung für den Motor zur Verschiebung des Schlittens erfolgt im Bohrkopf durch Schleifringe. Der Schlitten, der von Rollen geführt wird, wird mittels einer Präzisionsmikrometerschraube gesteuert, wobei jedes der beiden Schraubenenden ein Ritzel als Teil eines Getriebes zwischen dem Motor und der Mikrometerschraube trägt.

Nachteiligerweise sind die Schleifringe nicht gegen Verschmut­ zung geschützt, die durch Rückstände beim Zerspanungsprozeß, insbesondere durch Kühlschmiermittel auftreten. Das verwendete Zahnradgetriebe liefert nur eine unzureichende Maßgenauigkeit für die Einstellung des Schlittens. Hinzukommt, daß bei azen­ trischer Lage des Schlittens eine Unwucht auftritt.

Auch die US 3 710 659 beschreibt einen Werkzeugkopf, der mit einer rotierenden Maschinenspindel verbunden werden kann. Die­ ser Werkzeugkopf besitzt einen elektrischen Verstellmotor (Schrittmotor), der mit einem Flansch am Werkzeugkopf befestigt ist. Der im wesentlichen zylinderförmige Motor ist parallel zur Maschinenspindeldrehachse angeordnet, wodurch die Bauhöhe des Werkzeugkopfes relativ groß wird. Der Schrittmotor ist über ein Getriebe mit einem vorderseitig am Werkzeugkopf angeordneten, radial zur Werkzeugschaftlängsachse bewegbaren Schlitten ver­ bunden, der als Werkzeugaufnahme ausgebildet ist. Teil des Getriebes ist eine nur einseitig gelagerte Spindel, deren Dre­ hung über ein Ritzel in eine translatorische Schlittenbewegung umgesetzt wird. Auch hier läßt sich die Lage des Schlittens nur ungenau einstellen, wobei die lediglich einseitige Lagerung der Getriebe-Spindel die Einstellgenauigkeit vergrößert.

Die Leistungsübertragung für den Schlitten-Verstellmotor erfolgt ebenfalls über Schleifringe mit den obengenannten Nach­ teilen.

Weiterhin beschreibt die DE 35 26 712 A1 eine Plan- und Aus­ drehvorrichtung mit einem um eine Drehachse rotierenden Gehäuse und mit wenigsten einem in einer Führung quer zur Drehachse verstellbaren Schieber zur Aufnahme von Schneidwerkzeugen. In dem rotierenden Gehäuse der genannten Vorrichtung ist ein Antriebsmotor zur Schieberverstellung sowie eine Meßeinrichtung zur direkten Messung der Verstellwege des Schiebers vorgesehen. Der quer zur Maschinenspindel angeordnete Antriebsmotor greift unter Zwischenschaltung eines Getriebes in ein Ritzel ein, was Zahnstangen antreibt, die mit dem Schieber fest verbunden sind.

Die vorhandene Wegmeßeinrichtung besitzt eine mit dem Schieber fest verbundenen Glasmeßstab sowie wenigstens ein mit dem Gehäuse fest verbundenes Abtastelement. Abgesehen davon, daß solche Glasmeßstäbe bei rotierendem Betrieb des Werkzeuges außerordentlich störanfällig sind, ist der Aufbau der Vorrich­ tung schwer zu montieren. Die Meßdaten werden in einem Regel­ kreis verarbeitet, allerdings mit dem Nachteil, daß die Daten­ verarbeitung nicht nur lange Zeiten in Anspruch nimmt, sondern auch mögliche Datenverluste unvermeidbar sind.

Schließlich beschreibt die DE 43 30 822 A1 einen Werkzeugkopf mit einem Grundkörper, einem axial über den Grundkörper über­ stehenden, mit einer rotierenden Maschinenspindel kuppelbaren Werkzeugschaft, mit mindestens einem quer zur Grundkörperachse verstellbaren, eine stirnseitig überstehende Werkzeugaufnahme aufweisenden Schieber mit einer Meßeinrichtung zur direkten Messung des Verstellweges des Schiebers relativ zum Grundkörper sowie mit einer im Grundkörper angeordneten, mit der Meßein­ richtung verbundenen Meßelektronik. Im Grundkörper ist ein elektrischer Verstellmotor angeordnet, dessen im wesentlichen zylindrisches Motorgehäuse in einer quer zur Grundkörperachse ausgerichteten Querausnehmung mit einer parallel zur Queraus­ nehmung ausgerichteten Abtriebswelle liegt. Die Leistung wird induktiv übertragen, während man sich zur Datenübertragung einer Infrarot-Datenübertragungsstrecke bedient. Konstruktions­ bedingt kann der Schieber nur über eine kleine Strecke verfah­ ren werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den eingangs genann­ ten Werkzeugkopf dahingehend weiterzubilden, daß eine optimale Leistungs- und Datenübertragung und eine kompakte Werkzeugkopf- Bauweise ebenso ermöglicht werden wie eine hohe Einstellgenau­ igkeit des Schiebers, ferner sollen Datenverluste bei der Meß­ wertübertragung und eine große Störanfälligkeit vermieden wer­ den.

Diese Aufgabe wird durch den Werkzeugkopf nach Anspruch 1 gelöst, der erfindungsgemäß durch folgende Kombinationen von Maßnahmen gekennzeichnet ist:

So ist der Motor zum Antrieb des Schlittens quer zur Drehachse der Maschinenspindel angeordnet und wird von einem Drehgeber gesteuert. Der Drehgeber, der Motor und ein durch den Motor angetriebenes Zahnritzel liegen auf einer gemeinsamen Dreh­ achse, also quer zur Maschinenspindel-Drehachse. Das durch den Motor angetriebene Zahnritzel treibt zwei weitere Zahnritzel an, die jeweils an einer Spindel angeflanscht sind, von denen die eine mit dem Schlitten und die andere mit dem Gegengewicht derart verbunden sind, daß der Schlitten und das Gegengewicht gleiche Verschiebewege, aber in entgegengesetzter Richtung durchlaufen. Dies wird durch gegenläufige Spindel-Gewinde gewährleistet. Sowohl die Daten- als auch die Leistungsübertra­ gung auf den Drehgeber und den Motor erfolgen in bekannter Weise induktiv.

Die im Prinzip nach dem Stand der Technik bekannte induktive Daten- und Leistungsübertragung gewährleistet vorteilhafter­ weise ein störungsunanfälligeres, exakteres Einstellen des Schiebers und damit des hiermit ausgerichteten Werkzeuges. Durch den quer eingebauten Verstellmotor für den Schieber läßt sich eine geringe Bauhöhe erzielen, wobei die durch Zahnritzel und Spindeln gewählte Getriebeübertragung leicht montierbar ist und auch eine einfache sowie schnell durchzuführende Wartung ermöglicht.

Die Verwendung von zwei Spindeln mit gegenläufigem Gewinde, welche den Schlitten und ein Gegengewicht antreiben, schaffen die Möglichkeit eines optimalen Unwuchtausgleiches.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü­ che 5 bis 8.

So sind die weiteren Zahnritzel und die hieran angeflanschten Spindeln in einer Ebene angeordnet, die parallel zu der gemein­ samen Drehachse des ersten Zahnritzels, des Motors und des Drehgebers angeordnet ist. Hierdurch können in dem Werkzeugkopf die "Motorebene" und die "Antriebsebene" hintereinander ange­ ordnet werden. Für den Antrieb der weiteren Zahnritzel mittels des ersten Zahnritzels wird ein Zahnriemen verwendet, der eine höhere Positioniergenauigkeit des Schlittens und einen weiteren Verfahrweg gestattet, als dies bei nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen der Fall ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der Dreh­ geber, der Motor, das erste Zahnritzel, die weiteren Zahnritzel und die hiermit verbundenen Spindeln über Lagerböcke mit einer gemeinsamen scheibenförmigen Plattform verbunden, die senkrecht zur Werkzeugkopflängsachse, der Maschinenspindeldrehachse liegt. Auch diese Maßnahme dient einer kompakten Bauweise.

Vorzugsweise werden der Schlitten und das Gegengewicht über Kugelgewindetriebe, die mit den gegenläufigen Gewinden versehe­ nen Spindeln gekoppelt sind, verschoben. Dies schafft nicht nur einen guten Wirkungsgrad des Verstellantriebes, sondern verhin­ dert insbesondere ein drohendes Rückgleiten des Schlittens mit dem Werkzeug. Vorzugsweise bilden ein stationärer Ring, der über ein Kugellager an den Werkzeugschaft sowie an einen rotie­ renden Ring angekoppelt ist, die scheibenförmige Plattform sowie ein Deckel mit einer Führung für den Schlitten und das Gegengewicht in Verbindung mit schalenartigen Zylinderteilman­ telflächen ein im wesentlichen zylindrisches Werkzeugkopfge­ häuse, das bis auf den stationären Ring rotierend mit der Maschinenspindel mitbewegbar ist. Die Datenübertragungsstrecke zwischen dem stationären und dem rotierenden Ring kann im Rah­ men der vorliegenden Erfindung einteilig ausgeführt sein und ermöglicht eine hohe Leistungsübertragung. Diese Ausführungs­ form ist auch gegen Verschmutzung wenig anfällig, wobei der Luftspalt zwischen beiden Ringen aufgrund der Kugellagerführung konstant gehalten werden kann.

Die Datenverarbeitung erfolgt vorzugsweise über zwei getrennte Regelkreise.

Weiterhin vorzugsweise ist auf dem stationären Ring oder zumin­ dest mit diesem verbunden eine Regelvorrichtung vorgesehen, über die induktiv an den Drehgeber und den Motor die Leistungs- und Datenübertragung erfolgt, vorzugsweise mittels Mikroprozes­ soren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Werkzeug­ kopfes,

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung dieses Werkzeugkop­ fes, aufgeteilt in drei Teile und

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung aller im Werkzeug­ kopf verwendeten Einzelteile und deren Befesti­ gungen, soweit sie zur Verstellung des Schlit­ tens erforderlich sind.

Der in Fig. 1 dargestellte Werkzeugkopf besitzt einen stationä­ ren Ring 10 sowie einen rotierenden Teil 11, an dessen vorderen Ende der Schieber 12 zur Aufnahme eines Werkzeugträgers oder Werkzeuges (nicht dargestellt) angeordnet ist. Der stationäre Ring 10 ist über ein Lager am rotierenden Teil 11 befestigt. Die Daten sowie die Energie für den Motorantrieb werden über einen Luftspalt zwischen dem stationären Ring 10 und dem rotie­ renden Teil 11 induktiv übertragen. Die Ankoppelung der der NC-Steuerung zum stationären Ring 10 erfolgt über eine nicht dargestellte Schnellsteckerverbindung, die vom Maschinenbedie­ ner per Hand oder automatisch eingekoppelt werden kann. Ebenso nicht dargestellt ist eine Verarbeitungsbox, die dem stationä­ ren Ring 10 vorgeschaltet ist. Diese Verarbeitungsbox verarbei­ tet die Daten sowie Energien in einem integrierten Regelkreis mittels eines Mikroprozessors bzw. Mikrocontrollers. Ein weite­ rer Regelkreis mit einem Mikrocontroller ist dem rotierenden Teil 11 nachgeschaltet, um die benötigten Daten aufzuarbeiten. Die Daten werden an einen Lageregler, den Drehzahlregler 13 (siehe Fig. 3) weitergeleitet, der den Motor 14 steuert. Der Drehgeber 13 auf einer Motorwelle meldet die aktuelle Position zurück. Die Leistungsübertragung zur Stromversorgung des Motors 14 erfolgt direkt und wird von einem nicht dargestellten Mikrocontroller gesteuert. Die auf den Motor gegebene Energie wird in rotatorische Bewegungen umgewandelt, z. B. über ein Pla­ netengetriebe übersetzt, und an ein auf der Getriebewelle ange­ flanschtes Zahnriemenritzel 15 weitergeleitet. Der Drehge­ ber 13, der Motor 14, das Getriebe und das Zahnritzel 15 sind koaxial angeordnet. Über einen nicht dargestellten Zahnriemen wird die Rotationsbewegung des Ritzels 15 auf weitere Ritzel 16 und 17 übertragen, die sich im Gegensatz zum Zahnritzel 15, das sich auf der Motorebene 18 befindet, auf eine Antriebsebene 19 übertragen, wo sie über ein weiter unten beschriebenes Getriebe in eine translatorische Bewegung auf der Verstellebene 20 wei­ tergeleitet wird.

Wie im einzelnen aus Fig. 2 ersichtlich, läßt sich der darge­ stellte CNC-Ausdrehkopf in drei Einheiten gliedern. In der ersten Einheit ist ein Werkzeugschaft 21 mit einer Ankopplungs­ möglichkeit an eine Werkzeugmaschine vorgesehen. An den Werk­ zeugschaft 21 ist ein stationärer Ring 10 über ein Kugellager, welches mit einem Sicherungsring axial gesichert ist, angekop­ pelt. Auf den stationären Ring ist ein rotierender Ring in einem einen Luftspalt bildenden Abstand aufgesetzt. Der rotie­ rende Ring 22 besitzt zwei spiegelsymmetrisch angeordnete Außenwände 23 und 24, die Teil des Werkzeugkopf-Zylindermantels sind.

Mit dem rotierenden Ring 22 und damit ebenfalls drehend über die Maschinenspindel antreibbar ist eine Montageplattform 25, auf der der Drehgeber 13, der Motor 14 sowie das Zahnritzel 15 mitsamt Lagerböcken und Kugellagern unter Bildung einer Motor­ ebene 18 befestigt sind. An der Unterseite der Montageplattform und damit der Motorebene 18 gegenüberliegend ist die Antriebs­ ebene 19 ausgebildet, deren Teile die Zahnritzel 16 und 17 sind, die über ein Getriebe mit dem Schlitten 12 sowie dem Gegengewicht 26 verbunden sind.

Den vorderseitigen Abschluß bilden neben einem teilzylinderför­ migen Außenmantel 27 drei Abdeckplatten 28, wovon eine dieser Abdeckplatten als Führung für den Schlitten 12 und das Gegenge­ wicht 26 dient und die beiden anderen Platten den Schlitten auf der Führungsbahn fixieren und gleichzeitig als Schmutzabweiser dienen. In den Außenwänden kann eine Bohrung zur Kühlmittelfüh­ rung vorgesehen sein, worüber ein Kühlmittel zur Werkzeug­ schneide geführt wird.

Wie aus Fig. 3 im einzelnen ersichtlich, sind auf der Oberseite der Montageplattform 25 der Drehgeber 13, der Motor 14 sowie das Zahnritzel 15 in Lagerböcken 29, 30 und 31 unter Verwendung von Kugellagern 32 gelagert. Die Lagerböcke sind fest mit der Montageplattform 2 verschraubt. Das Zahnriemenritzel 15 ist formschlüssig, jedoch axial frei verschieblich mit der Getrie­ bewelle verbunden und wird durch das Lager 29 axial und radial fixiert. Durch diese Maßnahme wird gleichzeitig die Getriebe­ welle in axialer und radialer Richtung entlastet. Unterhalb der Montageplattform 25 sind über Lagerböcke 33 bis 36 hintereinan­ der die Zahnritzel 16 und 17 jeweils mit Spindeln 37 verbunden. Auf der Antriebsebene 19 sind somit zwei Antriebsstränge paral­ lel zueinander angeordnet, die jeweils aus einem Zahnriemenrit­ zel 16 bzw. 17, einem Lagerbock 33, 34 für das Festlager, dem doppelseitigen Schrägkugellager 38, 39 als Festlager, der Spin­ del 37, dem Kugelgewindetrieb 40, 41, dem Rillenkugellager 42, 43 als Loslager und einem Lagerbock 25 bzw. 36. Das Festla­ ger 38, 39 sitzt im Lagerbock 33, 34 und führt das Zahnriemen­ ritzel 16 bzw. 17. Das jeweils links dargestellte Ende der Gewindespindel 37 wird in das Zahnritzel 16 bzw. 17 eingeführt, über eine Nutmutter 44 gesichert und mittels einer Paßfeder 45 formschlüssig mit dem Zahnritzel 16 bzw. 17 verbunden. Das rechts dargestellte Ende der Spindel 37 wird durch das Rillen­ kugellager 42 bzw. 43 geführt, welches seinerseits im Lager­ bock 35 sitzt. Die beiden Antriebsstränge in der Antriebs­ ebene 19 sind nebeneinander angeordnet und unterscheiden sich lediglich in der Steigung der Spindeln 37, welche gegenläufig ist. Auf dem einen Antriebsstrang verfährt der Schlitten 12, der über ein Halterelement an den Kugelgewindetrieb 41 ange­ flanscht ist. Dieser Schlitten 12 dient zur Aufnahme des eigentlichen Werkzeuges bzw. Werkzeughalters. Auf dem anderen Antriebsstrang verfährt ein Gegengewicht 26 als Ausgleichsmasse in entgegengesetzter Richtung. Diese Ausgleichsmasse ist eben­ falls über ein Halterelement mit einem zweiten Kugelgewinde­ trieb 40 verschraubt. Zur translatorischen Bewegung des Schlit­ tens 12 in einer der durch Doppelpfeil 46 erkennbaren Richtung werden die Daten an den Drehgeber 13 weitergeleitet, der den Motor 14 steuert. Der Drehgeber meldet sowohl die aktuelle Schlittenposition und gibt ferner den Start-Impuls für den Motor 14, der das Zahnritzel 15 antreibt. Über einen nicht dar­ gestellten Zahnriemen wird die Rotationsbewegung des Zahnrit­ zels 15 auf die Zahnritzel 16 und 17 übertragen, die durch die Anflanschung an die Spindeln 37, von denen die eine ein links­ läufiges und die andere ein rechtsläufiges Gewinde besitzt, diese Spindeln in Drehung versetzt werden. Von den Spindeln wird die Drehbewegung über einen Kugelgewindetrieb 40 bzw. 41 übertragen und in eine translatorische Bewegung des Schlit­ tens 12 und des Gegengewichtes 26 umgewandelt. Wegen der gegen­ läufigen Gewinde und der gleichen Drehzahlen der Zahnritzel 16 und 17 bzw. der Spindeln 37 bewegen sich das Gegengewicht 26 und der Schlitten 12 in entgegengesetzter Richtung um gleiche Wegstrecken. Die exakte Steuerung sowie die gewählte Verbindung der beweglichen Teile läßt mit Hilfe des Drehgebers 13 die genaue Position des Schlittens 12 und damit des nicht darge­ stellten Werkzeuges ebenso ermitteln wie die Verschiebung hier über gesteuert werden kann. Unwuchtmomente bei exzentrischer Lage des Schlittens 12 werden durch das Gegengewicht 26 kompen­ siert.

Claims (8)

1. Werkzeugkopf, mit einem in eine drehend antreibbare Maschinenspindel und mit dieser Spindel umlaufenden Werk­ zeugträger, der in einer Werkzeugaufnahme eines quer zur Spindelachse mittels eines Motorantriebes radial ver­ schiebbaren Schlittens (12) lösbar befestigt ist, wobei die Verschiebung des Schlittens (12) mittels einer Meßvor­ richtung steuerbar ist, und mit einer Stromversorgungs­ einrichtung sowie einer Datenübertragungsstrecke, wobei zum translatorischen Antrieb des Schlittens (12) ein Motor (14) vorgesehen ist, der ein Zahnritzel antreibt, das mit dem Motor (14) auf einer gemeinsamen Drehachse liegt, und wobei das durch den Motor (14) angetriebene Zahnritzel zwei weitere Zahnbauteile antreibt, von denen das eine mit einem Schlitten (12) und das andere mit einem Gegengewicht (26) derart verbunden sind, daß der Schlit­ ten (12) und das Gegengewicht (26) gleiche Verschiebewege, aber in entgegengesetzter Richtung durchlaufen und wobei die Daten- und Leistungsübertragung auf den Drehgeber (13) und den Motor (14) induktiv erfolgen, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor quer zur Drehachse der Maschinenspindel angeordnet und von einem mit dem Motor (14) und dem Zahn­ ritzel (15) in einer gemeinsamen Drehachse liegenden Dreh­ geber (13) gesteuert ist und daß die weiteren Zahnbauteile Zahnritzel (16, 17) sind, die jeweils an einer Spin­ del (37) angeflanscht sind, die gegenläufige Gewinde auf­ weisen und von denen die eine mit dem Schlitten (12) und die andere mit dem Gegengewicht (26) verbunden sind.

2. Werkzeugkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnritzel (16, 17) und die Spindeln (37) in einer Ebene (19) liegen, die parallel zu der gemeinsamen Dreh­ achse des ersten Zahnritzels (15), des Motors (14) und des Drehgebers (13) angeordnet ist.

3. Werkzeugkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Zahnritzel (15) die Zahnritzel (16, 17) über einen Zahnriemen antreibt.

4. Werkzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehgeber (13), der Motor (14), das Zahnritzel (15), die Zahnritzel (16, 17) und die Spin­ deln (37) über Lagerböcke (33 bis 36) mit einer gemeinsa­ men scheibenförmigen Plattform (25) verbunden sind, die senkrecht zur Werkzeugkopflängsachse liegt.

5. Werkzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (12) und das Gegenge­ wicht (26) über Kugelgewindetriebe (40, 41), die mit den Spindeln (37) gekoppelt sind, verschiebbar sind.

6. Werkzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein stationärer Ring (10), der über ein Kugellager an den Werkzeugschaft sowie an einen rotie­ renden Ring (22) angekoppelt ist, die scheibenförmige Plattform (25) sowie ein Deckel (28) mit einer Führung für den Schlitten (12) und das Gegengewicht (26) in Verbindung mit schalenartigen Zylinderteilmantelflächen (23, 24, 27) ein im wesentlichen zylindrisches Werkzeugkopfgehäuse bil­ den, das bis auf den stationären Ring (10) rotierend mit der Maschinenspindel mitbewegbar ist.

7. Werkzeugkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem stationären Ring (10) oder zumindest mit diesem verbunden eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, über die induktiv an den Drehgeber (13) und den Motor (14) die Lei­ stungs- und Datenübertragung erfolgt, vorzugsweise mittels Mikroprozessoren und/oder Mikrocontroller.

6. Werkzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitung mittels zwei getrennt voneinander arbeitender Regelkreise erfolgt.