DE19930850A1 - Numerisch gesteuerte Unrund-Randbearbeitungsmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine numerisch gesteuerte Randbearbeitungsmaschine zum spanlosen Beschneiden bzw. Umformen von unrunden, auf Pressen oder Metalldrückmaschinen vorgeformten Werkstücken. Die Maschine zeichnet sich dadurch aus, daß die Werkstückkontur (8) automatisch unter Anwendung eines neuartigen Abtastverfahrens erfaßt und gespeichert wird. Durch den Einsatz von drei über Servomotoren angetriebenen Achsen erfolgt während der Umformung, auf Basis der aufgezeichneten Geometriedaten, eine ständige Anpassung der Maschine auf die in der Bearbeitungsebene durch die Rotation der unrunden Geometrie (8) um die Spindelachse (7) sich ändernden geometrischen Verhältnisse, mit dem Ziel, jederzeit die optimalen Voraussetzungen für die Umformung sicherzustellen: DOLLAR A 1. Automatische lotrechte Ausrichtung der Bearbeitungseinheit zur Werkstückaußenkante (8) durch Verändern des Schwenkwinkels . DOLLAR A 2. Automatische Positionierung der Bearbeitungseinheit zur Anpassung an den Bearbeitungsdurchmesser durch Veränderung der Schlittenposition x. DOLLAR A 3. Automatische Anpassung der Spindeldrehzahl n, um eine konstante Umformungsgeschwindigkeit V(U) (Bahngeschwindigkeit) an der Werkstückkante (8) zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Randbearbeitungsmaschine zum Beschneiden, bzw. Umformen von unrunden Werkstücken nach der Bearbeitung auf Pressen oder Drückmaschinen, z. B. durch Bördeln, Sicken, Bordieren, Einziehen, Falzen, Beschneiden, Spalten, Glätten, . . .

Das zu bearbeitende Werkstück wird auf einem Werkzeug aufgenommen, daß auf der angetriebenen, rotierenden Maschinenspindel montiert ist und sich während der Umformung um diese Achse mit konstanter Drehzahl dreht. Hierbei wird es von einem über der Spindelachse montierten, hydraulisch verfahrbarem Niederhalter, dem Reitstock, auf dem Werkzeug geklemmt. Während der Spindeldrehung kann nun der Werkstückrand am gesamten Umfang durch eines der genannten Verfahren bearbeitet werden. Dies geschied durch einen auf dem Maschinentisch fest montierten Bearbeitungsschlitten, an dessen Vorderseite das meist als Rolle ausgeführte Umformwerkzeug montiert ist. Durch Zustellung des Schlittens, senkrecht zur Spindelachse, trifft die Rolle auf das Werkstück und kann so durch Krafteinwirkung die gewünschte Umformung erreichen. Bearbeitet werden können rotationssymmetrische, runde Werkstücke, aber auch im speziellen, unrunde Werkstücke, z. B. mit rechteckiger, dreieckiger, oder elyptischer Außenkontur, die bei Rotation einen sich ständig ändernden Bearbeitungsradius, ausgehend vom Spindelmittelpunkt ergeben. Hierdurch ergibt sich bei diesen Unrund- Randbearbeitungsmaschinen die Notwendigkeit, den Bearbeitungsschlitten je nach Werkstückgeometrie und Spindelposition, senkrecht zur Spindelachse zu verfahren um die Bearbeitungsrolle in die jeweils erforderliche Bearbeitungsposition zu bringen.

Diese Positionierung erfolgt bislang auf Basis einer mechanischen Abtastung, die mit einer Kurvenscheibe, bzw. einem Kurvengetriebe zu vergleichen ist. Die Kopierkurve besitzt die gleiche Kontur wie das zu bearbeitende Werkstück und ist Bestandteil des auf der Spindel montierten Aufnahmewerkzeuges. Abgetastet wird die Kurve und somit die Werkstückkontur über eine Kopierrolle, die am Bearbeitungsschlitten montiert ist und auf die Kopierkurve drückt. Der Druck wird hierbei von dem Antrieb des Bearbeitungsschlittens ausgeübt, der auch für die eigentliche Bearbeitung am Werkstück zuständig ist. Bei rotierender Spindel, erzeugt diese Anordnung eine lineare Auslenkung des Bearbeitungsschlittens, die eine Bearbeitung des entsprechendes Werkstückes ermöglicht. Antrieb für diese Auslenkbewegung ist somit die Spindel, bzw. der Spindelantrieb der Maschine, der bei in Drehrichtung anwachsendem Bearbeitungsradius den Bearbeitungsschlitten zurückdrücken und bei sinkendem Bearbeitungsradius abbremsen muß.

Nachteilig ist hierbei, daß der Spindelantrieb und die Spindelkonstruktion durch das ständige Arbeiten gegen den Bearbeitungsschlitten extrem hoch belastet werden, was insbesondere bei größeren Bearbeitungsdurchmessern, hervorgerufen durch einen großen Hebelarm der Kopierkraft des Bearbeitungsschlittens, ein sehr hohes Antriebsdrehmoment erfordert, und diese Baugruppen so entsprechend groß ausgelegt werden müssen, was für die eigendlich gewollte Umformung und die hierfür erforderlichen Kräfte in den meisten Fällen nicht erforderlich wäre.

Ein weiterer Nachteil dieses mechanischen Kopiervorgangs ist die, im Vergleich zur Bearbeitung runder Werkstücke, vergleichsweise niedrige erreichbare Bearbeitungs- bzw. Umformgeschwindigkeit, die sich aufgrund der konstanten Drehzahl der Hauptspindel und des sich ändernden Bearbeitungsradius in verschiedenen Bereichen der Werkstückkontur zusätzlich laufend ändert, was zu einer ungleichmäßigen Bearbeitung und somit zu teilweise qualitativ schlechten Bearbeitungsergebnissen, oder einer Verlängerung der Bearbeitungszeit führt.

Bedingt durch die besondern geometrischen Verhältnisse zwischen dem sich drehenden Werkstück und der Bearbeitungsrolle, ändert sich ständig, ausgehend von der Zustellachse der Bearbeitungseinheit, die Lage des Berührungspunktes beider Teile. Hierdurch ergeben sich ständig wechselnde Krafteingriffsverhältnisse zwischen Werkstück, Spindel und Bearbeitungsschlitten, die bei extremen Geometrien zu ungünstigen Beabspruchung der Bauteile führen.

Da es für einige Bearbeitungsvorgänge, z. B. beim vertikalen Bordieren eines Werkstückrandes, zwingend erforderlich ist, das die Achse des Bearbeitungsschlittens ständig unter 90 Grad zur Werkstückoberfläche steht, hat man bei den Maschinen eine Schwenkachse vorgesehen, die fest auf dem Bearbeitungsschlitten montiert ist. Der Bearbeitungskopf mit den Kopierrollen läßt sich zusammen um diese Achse frei bewegen. Die beiden kleinen, dicht nebeneinander montierten Kopierrollen tasten so, in gleicher Weise wie eine einzelne, starre Kopierrolle die Werkstück- bzw. Kurvenkontur ab und führen gleichzeitig den Bearbeitungskopf nach. Bedingt durch den relativ großen Abstand der beider Berührungspunkte zwischen den Kopierrollen und der Kopierkurve ergibt sich z. B. bei Übergängen von einer Geraden zu einem Radius eine Abweichung zur idealen Senkrechten, die so groß werden kann, daß z. B. Werkstückgeometrien mit kleinen Eckradien nur schlecht, oder gar nicht bearbeitet werden können. Da die Kopierrollen wegen den auftretenden mechanischen Lasten nicht beliebig klein ausgeführt werden können, ergeben sich hier Grenzen in der möglichen Bearbeitung, die bei den bisherigen Maschinen nicht überschritten werden können.

Zur Eliminierung all dieser systembedingten Nachteile, wurde ein Maschinenkonzept entwickelt, das sich dadurch auszeichnet, daß die Randbearbeitung unrunder Werkstücke mit konstanter Bearbeitungs- also Bahngeschwindigkeit auf dem Umfang des rotierenden Werkstückes erfolgen kann, wobei die durch den sich ändernden Bearbeitungsradius hervorgerufene lineare Positionierung des Bearbeitungsschlittens, sowie die lotrechte Ausrichtung der Bearbeitungsrollenachse zur Werkstückoberfläche durch numerisch kontrollierte Stellachsen durchgeführt wird, so daß die Spindeldrehung lediglich gegen die umformbedingten Kräfte arbeiten muß und unerwünschte Krafteinflüsse nicht auftreten können.

Für die Bedienung und Programmierung der Maschine ist von großer Wichtigkeit, daß diese in nahezu gleicher Weise erfolgen kann, wie bei den bisherigen Maschinenkonzepten, was keinerlei Umgewöhnung erforderlich macht. Auch die Eingabe der Werkstückkontur an die Steuerung ist so ausgeführt, daß der Vorgang von der Maschine selbsttätig über ein speziell entwickeltes Abtastsytem erfolgt. Einmal abgetastete Konturen, können gespeichert und jederzeit wieder geladen werden. Da auch die gleichen Umformwerkzeuge wie bei den bisherigen Maschinen eingesetzt werden können, erübrigt sich eine systembedigte Umstellung der Bedienungs- und Arbeitsabläufe komplett.

Erreicht wunde diese Zielsetzung durch eine Maschine, wie sie auf beiliegender Zeichung (Fig. 1) dargestellt ist. Die Maschine (1) besteht aus einem Maschinentisch (2) in dem die zur Aufnahme des Aufnahmewerkzeuges, bzw. Werkstückes (8) ausgeführte Hauptspindel (7) in vertikaler Ausrichtung montiert ist. Angetrieben wird die Spindel über einen Zahnriementrieb (4/5/6), durch einen Servo-Getriebemotor (3), der eine variable Drehzahlansteuerung während der Umformung erlaubt. Über der Hauptspindel befindet sich ein Hydraulikzylinder (10), an dessen Kolbenstange ein wälzgelagerter Druckkopf (9) montiert ist. Beide Baugruppen, zusammen auch als Reitstock bezeichnet, sind an einer über dem Maschinenbett auf zwei Haltesäulen (12) montierten Traverse (11) befestigt und dienen zum Halten, bzw. Klemmen des Werkstückes auf der Hauptspindel während der Umformung. Hierzu kann der Reitstockzylinder in vertikaler Richtung verfahren werden. Die drehbar gelagerte Umformrolle (25) mit entsprechendem Rollenhalter (24) ist auf dem Bearbeitungsschlitten (22) montiert, der über einen Hydraulikzylinder (23) verfahren werden kann um die Umformung durchzuführen. Die komplette Bearbeitungseinheit ist über ein Lager (17) schwenkbar angeordnet um die erforderliche lotrechte Ausrichtung der Bearbeitungsrolle zu ermöglichen. Dieser Vorgang, sowie die erforderliche lineare Positionierung und Anpassung auf den sich ändernden Bearbeitungsdurchmesser, ist auf eine der beiliegenden Zeichnungen (Fig. 3) dargestellt. Angetrieben wird die Schwenkachse ebenfalls über einen Zahnriementrieb (18/19/20), durch einen Servo-Getriebemotor (21). Bearbeitungseinheit, Schwenkachse und Antrieb, sind auf einem senkrecht zur Spindelachse verfahrbarem Positionierschlitten (14) montiert, der über einen Kugelgewindetrieb (15) durch einen Servo- Getriebemotor (13)angetrieben wird und für die Anpassung an den jeweiligen Bearbeitungsradius zuständig ist.

Der für die Konturerfassung erforderliche Tastkopf, kann an Stelle der Bearbeitungseinheit auf der Schwenkachse montiert werden und ist auf beiliegender Zeichnung (Fig. 2) dargestellt. Der eigendliche Sensorkopf besteht aus zwei dicht nebeneinander, in einem Gehäuse (26) montierten Tastfühlern (29/29'), die über Steckverbindungen (30) mit der Steuerung verbunden werden können. Die gesamte Einheit ist ihrerseits auf einem manuellen Stellschlitten (27) montiert, der über einem Stellknopf (31) und mit Hilfe von Justierskalen (28) je nach eingesetzter Bearbeitungseinheit und Rollenhalter eingestellt werden kann.

Vor der Konturerfassung wird der Tastkopf an Stelle der Bearbeitungseinheit auf der Schwenkachse montiert und entsprechend der eingesetzten Bearbeitungseinheit justiert. Die für die Justierung erforderlichen Längendaten sind einer Tabelle zu entnehmen, die jeder einsetzbaren Type Bearbeitungseinheit einen entsprechenden Wert zuweist. Der Abtastvorgang läuft danach wie folgt ab:

• - Vorfahren des Positionierschlittens (14) bis die Tastfühler (29/29') Kontakt zur Werkzeugoberfläche bekommen,
• - je nach Werkstückkontur und Spindelposition werden die Tastfühlerstifte unterschiedlich stark eingedrückt,
• - die Schwenkachse und der Positionierschlitten werden so lange nachgeführt, bis beide Fühlerstifte auf ein festgelegtes, konstant gleiches Maß (ρ = ρ') eingefahren sind.
• - Sobald diese gewünschte Position erreicht ist, ist sichergestellt, daß später der Bearbeitungsschlitten, bzw. die Umformrolle unter 90 Grad zur Werkstückoberfläche steht und auf den jeweiligen Bearbeitungsradius eingestellt ist.
• - Die Positionen der Schwenkachse und der Positionierachse werden der entsprechenden Spindelposition zugeordnet und gespeichert.
• - Der Abtastvorgang ist abgeschlossen, sobald das Werkstück, somit die Spindel eine volle Drehung (360 Grad) ausgeführt hat und zu jeder Spindelposition die Schwenk- und Positionierwerte aufgenommen wurden.

Basierend auf den aufgezeichneten Geometriedaten, kann jetzt über einen speziellen Algerythmus die erforderliche Spindeldrehzahl abhängig von der Position der Spindelachse und somit der Werkstücks errechnet werden, wobei eine konstante Umformgeschwindigkeit vom Bediener vorgeben wird und je nach Umformungsart, Werkstoff und Materialstärke angepasst werden kann.

Die Bearbeitung des Werkstückes erfolgt nun in der Form, daß das Rohteil auf das Aufnahmewerkzeug gelegt und mit dem Reitstock geklemmt wird. Über die Hauptspindel wird das Werkstück in Rotation versetzt, wobei die Drehzahl entsprechend der jeweiligen Spindelposition über die Steuerung so eingestellt, bzw. wiedergegeben wird, daß die Bearbeitung mit der gewünschten konstanten Umfangsgeschwindigkeit am Werkstück erfolgt. Während der Spindeldrehung werden neben der Drehzahl auch die Position der Schwenkachse und des Positionierschlittens entsprechend der jeweiligen Spindelposition von der Steuerung nachgeführt. Es ergibt sich bei ständiger Spindeldrehung ein periodisch über 360 Grad sich wiederholender Regel- bzw. Positionierzyklus, der ständig die Einhaltung der optimalen Umformparameter zum Ziel hat. Die eigentliche Umformaufgabe kann so von der hydraulisch angetriebenen Bearbeitungseinheit optimal ausgeführt werden. Nach Beendigung der Umformung fahren die Schwenk- und Positionierachse, sowie die Bearbeitungseinheit in Ausgangsstellung und die Spindel wird angehalten. Nach Spindelstillstand öffnet der Reitstockzylinder und das fertige Teil kann entnommen werden.

Durch entsprechend dynamische Auslegung der Antriebe, können auf der neuen Maschine kürzeste Fertigungszeiten bei hoher Umformqualität erreicht werden. Da die Bearbeitungsachse ständig unter 90 Grad zur Werkstückoberfläche gehalten wird und auch eine ständige Anpassung auf den jeweiligen Bearbeitungsdurchmesser erfolgt, ohne einen mit den aufgeführten mit Nachteilen behafteten mechanischen Abtastvorgang einzusetzen, dessen Funktionalität stattdessen durch moderne NC-Achsen ersetzt wird, kann die erforderliche Antriebsleistung der Maschine stark reduziert werden, was neben der Kürzung der Fertigungszeit und der Verbesserung der Werkstückqualität, auch eine Verbesserung der Maschinenwirkungsgrades ermöglicht.

Claims (9)

1. Randbearbeitungsmaschine für unrunde Werkstücke, bestehend aus einem Maschinenfisch (2), Hauptspindel (7) in vertikaler Ausrichtung montiert, einem Reitstock in Traverse (11) auf zwei Haltesäulen (12), mindestens einer drehbar gelagerten Umformrolle (25) mit entsprechendem Rollenhalter (24), mindestens einem Bearbeitungsschlitten (22), der über ein Lager (17) schwenkbar angeordnet ist um die erforderliche lotrechte Ausrichtung der Bearbeitungsrolle zu ermöglichen, und einem auf einem senkrecht zur Spindelachse verfahrbarem Positionierschlitten (14). Die Maschine zeichnet sich dadurch aus, daß die Anpassung auf sich ändernde Werkstückgeometrien, d. h. die lotrechte Ausrichtung der Bearbeitungsrollenachse und die senkrecht zur Maschinenspindel erforderliche Positionierung der Bearbeitungseinheit, in Abhängigkeit von der jeweiligen Spindelposition, über numerisch kontrollierte Achsantriebe erfolgt.

2. Hauptspindelantrieb für die unter Pos. 1 genannte Maschine, ausgeführt als Servo-Getriebemotor (3) mit Zahnriementrieb (4/5/6) zur Kraftübertragung auf die Spindel (7), der eine, abhängig von der Werkstückgeometrie (8) und somit der Spindelposition, permanete Anpassung, bzw. Änderung der Spindeldrehzahl erlaubt, mit dem Ziel die Umformgschwindigkeit, bzw. Bahngeschwindigkeit der Umformrolle (25) an der Werkzeugaußenkannte (8) konstant zu halten.

3. Maschine wie unter Pos. 1 beschrieben, mit automatischer Erfassung der Werkstückkontur (8), durch Einsatz einer speziellen Abtasteinheit (Fig. 2), und Speicherung der geometrischen Daten, bzw. der jeweilig ermittelten Achspositionen, wobei jeder Spindelposition der Wert der Schwenkachse und der Positionierachse zugeordnet wird.

4. Maschine wie unter Pos. 1, bei der, überwacht durch eine numerische Steuerung, die Schwenkachse und die Positionierachse, sowie die Spindeldrehzahl, in Abhängikgeit von der Spindelposition nachgeführt, bzw. gesteuert werden. Als Führungsgrößen dienen die durch die automatische Abtastung gewonnenen, gespeicherten Geometriedaten und die durch einen peziellen Algorythmus errechneten Drehzahldaten.

5. Sensorkopf (Fig. 2) zur automatischen Abtastung der Werkstückkontur auf der unter Pos. 1 beschriebenen Maschine, gekennzeichnet dadurch, daß zwei gleiche Wegaufnehmer (29/29') dicht nebeneinander montiert sind, deren Tastfinger in axialer Richtung verschiebbar sind, sowie einem zur zusätzlichen axialen Justierung, mit Skalen versehenen Stellschlitten.

6. Abtastverfahren zum Einsatz auf der unter Pos. 1 beschriebenen Maschine, das darauf beruht, daß die lotrechte Ausrichtung der Schwenkachse zur Werkstückaußenkannte dann erreicht ist, wenn beide Tastfühler (29/29'), gleich weit eingedrückt sind, wobei bei ungleichmäßiger Auslenkung der Fühler dieses von der Maschinensteuerung erfaßt wird und dies zu entsprechenden Korrekturen der Schwenkachse führt. Gleichzeitig wird der Positionierschlitten so lange nachgeführt, bis beide Stifte gleich, um einen festgelegten Betrag eingedrückt sind (ρ = ρ')

7. Numerisch kontrollierte Schwenkachse zum Einsatz auf der unter Pos. 1 beschriebenen Maschine, angetrieben über einen Zahnriementrieb (18/19/20), durch einen Servo-Getriebemotor (21), zur lotrechten Ausrichtung der Bearbeitungseinheit.

8. Numerisch kontrollierte Positionierachse zum Einsatz auf der unter Pos. 1 beschriebenen Maschine, angetrieben über einen Kugelgewindetrieb (15), durch einen Servo-Getriebemotor (13), zur axialen Ausrichtung der Bearbeitungseinheit.

9. Schwenk- und Positionierschlitten, wie unter Pos. 7/8 beschrieben, der konstruktiv so ausgeführt ist, daß auf der über dem Schwenklager (17) befindlichen Montageplatte, unterschiedliche Bearbeitungseinheiten (22/23) zur Aufnahme verschiedener Umformwerkzeuge (24/25) montiert werden können, um eine Anpassung auf die jeweilige Umformaufgabe vornehmen zu können.