DE20021675U1 - CNC machine with increased infeed speed in the X and Y directions - Google Patents
CNC machine with increased infeed speed in the X and Y directionsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine computergesteuerte numerische Werkzeugmaschine (CNC-Maschine), insbesondere auf eine CNC-Maschine mit einer Gewindestangenanordnung mit einem positiven Gewindeabschnitt und einem Gegengewindeabschnitt und zwei Muttern, die jeweils an einer Werkzeughalteranordnung und einer Werkzeugtischanordnung befestigt sind, die simultan in entgegengesetzte Richtung in bezug aufeinander entlang zumindest einer Koordinatenachse verfahren werden, um die relative Bewegungsgeschwindigkeit von Werkzeughalteranordnung und Werktisch zueinander zu erhöhen, was die Zustellzeiten einer CNC-Maschine erheblichThe invention relates to a computer-controlled numerical control machine tool (CNC machine), in particular to a CNC machine with a threaded rod arrangement with a positive threaded portion and a counter-threaded portion and two nuts, each of which is fastened to a tool holder arrangement and a tool table arrangement, which are simultaneously moved in opposite directions with respect to each other along at least one coordinate axis in order to increase the relative movement speed of the tool holder arrangement and the work table to each other, which can significantly reduce the delivery times of a CNC machine.
herabsetzt.reduces.
Üblicherweise ist eine CNC-Maschine, die ein Werkstück mittels eines Werkzeugs spanabhebend bearbeitet, mit Einrichtungen versehen, die das Werkzeug an das Werkstück während eines Arbeitsschrittes zustellen; ferner enthält eine CNC-Maschine Einrichtungen, um die Relativposition zwischen Werkzeug und Werkstück während einer Unterbrechung des Zerspanungsvorganges zu verändern und neu einzustellen. Während des Zerspanungsvorganges ist die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs relativ zum Werkstück durch die Materialeigenschaften des zu zerspanenden Materials bestimmt und sollte nicht verändert oder willkürlich erhöht werden. Kann jedoch während der Unterbrechung des Zerspanungsvorganges die Zustellzeit zwischen Werkstück und Werkzeug verkürzt werden, können Effizienz und Produktivität durch Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit von Werkstücken durch die CNC-Maschine erheblichUsually, a CNC machine that machines a workpiece using a tool is equipped with devices that move the tool to the workpiece during a work step; a CNC machine also contains devices to change and readjust the relative position between the tool and the workpiece during an interruption of the machining process. During the machining process, the feed rate of the tool relative to the workpiece is determined by the material properties of the material to be machined and should not be changed or arbitrarily increased. However, if the feed time between the workpiece and the tool can be shortened during the interruption of the machining process, efficiency and productivity can be significantly increased by increasing the machining speed of workpieces by the CNC machine.
30 gesteigert werden.30 can be increased.
Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht eine konventionelle, heute eingesetzte CNC-Maschine hervor, die einen Werktisch T umfaßt, der mit einem verschiebbaren Schlitten Tl über eine nicht dargestellte Verschraubung in Verbindung steht. Durch eine Gewinde-The illustration in Figure 1 shows a conventional CNC machine in use today, which comprises a work table T, which is connected to a movable carriage Tl via a screw connection (not shown).
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spindel R ist der Werktisch T entlang der X-Achse auf dem verschiebbaren Schlitten Tl bewegbar, wenn die Gewindespindel R mittels eines Antriebes M verdreht wird. Der verschiebbare Schlitten Tl steht mit dem Maschinenbett F über einen zusätzlichen Gewindespindelmechanismus in Verbindung, so daß dieser in Y-Richtung auf dem Maschinenbett F bewegt werden kann. In ähnlicher Weise ist ein Werkzeughalter B an einem aufrecht angeordneten Ständer FV mittels einer Gewindespindel R und einer Mutter N aufgenommen, so daß der Werkzeughalter B entlang der Z-Achse am aufrecht angeordneten Ständer auf- und abbewegbar ist. Dadurch lassen sich die Relativpositionen in drei Koordinatenrichtungen zwischen dem Werkzeughalter B und dem Werktisch T allesamt einstellen, um die Werkstückbearbeitung zu vereinfachen.spindle R, the work table T can be moved along the X-axis on the sliding carriage Tl when the threaded spindle R is rotated by means of a drive M. The sliding carriage Tl is connected to the machine bed F via an additional threaded spindle mechanism so that it can be moved in the Y direction on the machine bed F. Similarly, a tool holder B is mounted on an upright column FV by means of a threaded spindle R and a nut N so that the tool holder B can be moved up and down along the Z-axis on the upright column. This allows the relative positions in three coordinate directions between the tool holder B and the work table T to be adjusted in order to simplify workpiece machining.
In bezug auf die konventionelle Anwendungsweise des Einsatzes eines Gewindespindel/Muttermechanismus, d.h. eines Getriebemechanismus mit einem Schraubpaar, bestehend aus Gewindespindel und Mutter gemäß der Darstellung in Figur 1, um die Relativpositionen zwischen Werkzeughalter und Werktisch zu verändern und die Geschwindigkeit zu steigern, mit der sich der Werkzeughalter an den Werktisch annähernd oder von diesem entfernt, kann lediglich die Rotationsgeschwindigkeit der Gewindespindel gesteigert werden, indem ein Servomotor mit einer höheren Abtriebsgeschwindigkeit eingesetzt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß keiner der am Markt erhältlichen Servomotoren diese Anforderung in zufriedenstellender Weise erfüllt, so daß eine befriedigende Verschiebungsgeschwindigkeit zwischen dem Werkzeughalter und dem Werktisch während einer Unterbrechung des Zerspanungsvorganges herbeigeführt werden kann.With respect to the conventional application of using a lead screw/nut mechanism, i.e. a gear mechanism with a screw pair consisting of a lead screw and a nut as shown in Figure 1, to change the relative positions between the tool holder and the work table and to increase the speed at which the tool holder approaches or moves away from the work table, only the rotation speed of the lead screw can be increased by using a servo motor with a higher output speed. However, it has been found that none of the servo motors available on the market satisfactorily meets this requirement so that a satisfactory speed of displacement between the tool holder and the work table can be achieved during an interruption of the cutting operation.
Insbesondere in dem Fall, in dem bei konventionellen Gewindespindeln/Muttermechanismen translatorische Bewegungen des Werkzeughalters entlang einer vertikalen Achse, d.h. wenn der Werkzeughalter N entlang der vertikalen Z-Achse durch die Gewindespindel R in Verbindung mit der Mutter N einer konventionellen CNC-Maschine, wie in Figur 1 dargestellt bewegt wird, ist die Belastung des Servomotors M zur Verdrehung der Gewindespindel R für in Aufwärtsrichtung gerichtete Bewegungen des Werkzeughalters B erheblich größer als die Belastung des Servomotors für abwärts gerichtete Bewegungen des Werkzeughalters B. Dies rührt aus dem Gewicht des Werkzeughalters B her. Dieser Umstand reduziert nicht nur die Standzeit des eingesetztenIn particular, in the case of conventional threaded spindle/nut mechanisms where translational movements of the tool holder along a vertical axis are required, i.e. when the tool holder N is moved along the vertical Z-axis by the threaded spindle R in conjunction with the nut N of a conventional CNC machine, as shown in Figure 1, the load on the servo motor M for rotating the threaded spindle R for upward movements of the tool holder B is considerably greater than the load on the servo motor for downward movements of the tool holder B. This is due to the weight of the tool holder B. This circumstance not only reduces the service life of the tool holder used, but also reduces the tool life of the tool holder.
ft ft ft · · * ft &iacgr;ft ft ft · · * ft &iacgr;
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Servomotors, sondern ist nachteilig in bezug auf die Steuerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit. Um diesem Problem der ungleichen Belastung eines Servomotors M bei Auf- bzw. Abwärtsbewegung des Werkzeughalters B abzuhelfen, beim Antreiben der Gewindespindel für Abwärts- und Aufwärtsbewegungen des Werkzeughalters B, werden üblicherweise Ketten, Drähte oder dergleichen eingesetzt um ein Ausgleichsgewicht zu bewegen. Das Ausgleichsgewicht entspricht in der Regel dem Gewicht des Werkzeughalters B, so daß das Problem der unterschiedlichen Belastung des Servomotors bei Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung des Werkzeughaltes umgangen werden kann. Zwar stellt dieses Vorgehen einen gangbaren Weg dar, es hat jedoch den Nachteil, daß es die Werkzeugmaschine konstruktiv kompliziert, sperriger werden läßt und nachteilig in bezug auf deren Fertigung und die Wartung ist.servo motor, but is disadvantageous in terms of controlling the machining speed. In order to remedy this problem of uneven loading of a servo motor M during the up and down movement of the tool holder B, when driving the threaded spindle for the downward and upward movements of the tool holder B, chains, wires or the like are usually used to move a counterweight. The counterweight usually corresponds to the weight of the tool holder B, so that the problem of the different loading of the servo motor during the upward and downward movement of the tool holder can be avoided. Although this approach represents a viable way, it has the disadvantage that it makes the machine tool structurally complicated, more bulky and is disadvantageous in terms of its manufacture and maintenance.
In bezug auf die konventionelle CNC-Maschine gemäß der Darstellung in Figur 1, wird der Werkzeughalter B nach oben oder nach unten verschoben, wenn der Servomotor M die Gewindespindel R im Uhrzeigersinn oder entgegen des Uhrzeigersinns antreibt. Bei einem solchen Betriebsverfahren und Auslegung eines Servomotors M in Verbindung mit einer Gewindespindel/Muttermechanismus zur Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung eines Werkzeughalters B, erzeugt das Gewicht des Werkzeughaltes B ein Moment zur Verdrehung der frei drehbaren Gewindespindel R, wenn der Servomotor M stillsteht bzw. wenn die elektrische Stromversorgung abgeschaltet ist, so daß sich der Werkzeughalter B allmählich nach unten bewegt. Dies wird unvermeidlich dazu führen, daß der Werkzeughalter B mit einem eingespannten Werkstück, dem Werktisch T oder anderen Teilen der Werkzeugmaschine kollidiert.With respect to the conventional CNC machine shown in Fig. 1, the tool holder B is moved up or down when the servo motor M drives the lead screw R clockwise or counterclockwise. With such an operating method and design of a servo motor M in combination with a lead screw/nut mechanism for moving a tool holder B up or down, the weight of the tool holder B generates a moment to twist the freely rotating lead screw R when the servo motor M is stopped or when the electric power is turned off, so that the tool holder B gradually moves down. This will inevitably cause the tool holder B to collide with a clamped workpiece, the work table T or other parts of the machine tool.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine CNC-Maschine bereitzustellen, in welcher die Relatiwerschiebungsgeschwindigkeit entlang zumindest einer Koordinatenachse zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück mindestens das Doppelte der Relatiwerschiebungsgeschwindigkeit konventioneller CNC-Maschinen beträgt, welche ebenfalls Gewindespindel/Muttergetriebe einsetzen, um entweder nur das Werkzeug oder nur den Werktisch zu verschieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Gewindespindel zwei Abschnitte mit entgegengesetzten Gewindesteigungen, nämlich eine positive Gewindesteigung und eine Gegengewindesteigung, welche mit zwei Muttern zusammenwirken, die getrennt an der Werkzeughalteranordnung bzw. an der Werktischanordnung aufgenommen sind, um eine Relatiwerschiebung zwischen demTherefore, it is an object of the present invention to provide a CNC machine in which the relative displacement speed along at least one coordinate axis between the tool and the workpiece is at least twice the relative displacement speed of conventional CNC machines which also use lead screw/nut gears to move either only the tool or only the work table. According to the present invention, the lead screw comprises two sections with opposite thread pitches, namely a positive thread pitch and a counter thread pitch, which cooperate with two nuts which are separately received on the tool holder assembly and on the work table assembly, respectively, to achieve a relative displacement between the
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Werkzeug und dem Werkstück herbeizuführen, so daß die Unterbrechung der Zerspanungsvorgänge durch Zustellbewegungen an der CNC-Maschine signifikant reduziert werden kann und sich die gesamte Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Produktivität verbessern.tool and the workpiece so that the interruption of the machining processes by feed movements on the CNC machine can be significantly reduced and the overall machining speed and productivity can be improved.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu erblicken, eine CNC-Maschine bereitzustellen, in welcher die Werkzeughalteranordnung und die Werktischanordnung translatorisch entlang einer vertikalen Achse mittels einer Gewindespindel, die zwei Abschnitte unterschiedlicher Gewindesteigungen aufweist, bewegt werden kann, nämlich eine positive Gewindesteigung und eine Gegengewindesteigung, wobei diese mit zwei Muttern zusammenarbeiten, die entweder an der Werkzeughalteranordnung oder an der Werktischanordnung aufgenommen sind. Auf diese Weise kann ein Servomotor beim Antrieb der Gewindespindel im Uhrzeigersinn oder entgegen des Uhrzeigersinns zur Veränderung der Relativposition entlang der vertikalen Achse zwischen Werkzeughalteranordnung und Werktischanordnung mit im wesentlichen identischer Belastung betrieben werden, so daß ein zusätzliches Ausgleichsgewicht entfallen kann.Another object of the present invention is to provide a CNC machine in which the tool holder assembly and the work table assembly can be moved translationally along a vertical axis by means of a threaded spindle having two sections of different thread pitches, namely a positive thread pitch and a counter thread pitch, which cooperate with two nuts which are received either on the tool holder assembly or on the work table assembly. In this way, a servo motor can be operated with essentially identical load when driving the threaded spindle clockwise or counterclockwise to change the relative position along the vertical axis between the tool holder assembly and the work table assembly, so that an additional counterweight can be omitted.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine CNC-Maschine bereitzustellen, welche sicherstellt, daß bei unerwartetem Stromausfall oder abgeschaltetem Servoantrieb keine Kollisionen zwischen Werkzeughaltern und eingespanntem Werkstück oder Teilen der Maschine auftreten können.Another object of the present invention is to provide a CNC machine which ensures that in the event of an unexpected power failure or a switched off servo drive, no collisions can occur between tool holders and clamped workpieces or parts of the machine.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften, Betriebsprinzipien, Vorteile, Konstruktionsvarianten und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen hervor, im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen, in welchen identische Bezugszeichen identische Komponenten bezeichnen.Further advantageous properties, operating principles, advantages, construction variants and features of the present invention will become apparent from the following description and the appended claims, taken in conjunction with the accompanying drawings in which identical reference numerals designate identical components.
Zeichnungdrawing
Figur 1 zeigt eine schematisch wiedergegebene perspektivische Ansicht einerFigure 1 shows a schematic perspective view of a
konventionellen CNC-Maschine, wobei der Werktisch und der Werkzeughalter relativ zueinander entlang der X-, Y- und Z-Achsenconventional CNC machine, where the work table and the tool holder are positioned relative to each other along the X, Y and Z axes
bewegbar sind,are movable,
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Figur 2 zeigt eine schematische, perspektivisch wiedergegebene Ansicht einerFigure 2 shows a schematic, perspective view of a
ersten vorteilhaften Ausführungsvariante einer CNC-Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Relativbewegung zwischen demfirst advantageous embodiment of a CNC machine according to the present invention, wherein the relative movement between the
Werktisch und dem Werkzeughalter entlang einer vertikalen Achse (Z-Work table and the tool holder along a vertical axis (Z-
Achse) über eine Gewindespindel mit positivem GewindesteigungsabschnittAxis) via a threaded spindle with positive thread pitch
und einem Gegengewindeabschnitt herbeigeführt werden, die jeweils mitand a counter thread section, each with
einer Schraube zusammenarbeiten, die am Werktisch oder am Werkzeughalter befestigt ist, so daß der Werktisch und der Werkzeughaltera screw attached to the workbench or tool holder so that the workbench and the tool holder
entlang der vertikalen Z-Achse mit doppelter Geschwindigkeit relativalong the vertical Z-axis at double speed relative
zueinander verstellbar sind,are adjustable to each other,
Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht der Gewindespindel gemäß derFigure 3 shows a schematic view of the threaded spindle according to the
vorliegenden Erfindung, welcher einen positiven Gewindeabschnitt undpresent invention, which has a positive threaded portion and
einen Gegengewindeabschnitt umfaßt, die jeweils mit zwei Schrauben am Werktisch und am Werkzeughalter zusammenarbeiten, wobei die Gewindespindel im Uhrzeigersinn rotiert, so daß Werktisch und Werkzeughalter aufeinander zugestellt werden,
20 comprises a counter-threaded section, each of which works together with two screws on the work table and the tool holder, whereby the threaded spindle rotates clockwise so that the work table and the tool holder are moved towards each other,
20
Figur 4 zeigt eine weitere, schematisch wiedergegebene Ansicht derFigure 4 shows another schematic view of the
Gewindespindel gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Gewindespindel entgegen des Uhrzeigersinnes rotiert, so daß der Werktisch und der Werkzeughalter auseinander gestellt werden,
25 Threaded spindle according to the present invention, wherein the threaded spindle rotates counterclockwise so that the work table and the tool holder are spaced apart,
25
Figur 5 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht einer CNC-Maschine inFigure 5 shows a schematic perspective view of a CNC machine in
Übereinstimmung mit einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung undAccording to a second preferred embodiment of the present invention and
Figur 6 zeigt eine schematische, perspektivisch wiedergegebene Ansicht einerFigure 6 shows a schematic perspective view of a
CNC-Maschine in Übereinstimmung mit einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.CNC machine in accordance with a third preferred embodiment of the present invention.
Bevor die einzelnen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung näher beschrieben werden, sei daraufhingewiesen, daß bestimmte Ausdrücke in derBefore the individual embodiments of the solution proposed according to the invention are described in more detail, it should be pointed out that certain terms in the
nachfolgenden Beschreibung zur Vereinfachung benutzt werden. Beispielsweise werden die Ausdrücke "vorwärts", "rückwärts", "rechts", "links", "ober" und "unter" benutzt, um Richtungen in den entsprechenden Zeichnungen auf die jeweils verwiesen wird, anzugeben. Mit den Ausdrücken "nach innen gerichtet", "innen" oder "innerhalb" und "außerhalb", "äußere" und dergleichen wird auf Richtungen bezug genommen, die sich entweder auf das Zentrum zu oder vom Zentrum hinweg des jeweils angesprochenen Elementes beziehen. Die Ausdrücke "radial" und "axial" beziehen sich auf Richtungen oder Ebenen in Umfangsrichtung und parallel zur Längsachse des angesprochenen Elementes. Ähnlich gewählte terminologische Ausdrücke, die sich von den oben angeführten Ausdrücken unterscheiden, werden nicht in limitierender Weise angewendet, sondern sind aus Gründen der Vereinfachung gewählt worden.The terms "forward," "backward," "right," "left," "upper," and "lower" are used to indicate directions in the respective drawings to which reference is made. The terms "inward," "inside," or "inside," and "outside," "outer," and the like refer to directions either toward or away from the center of the element being referred to. The terms "radial" and "axial" refer to directions or planes circumferentially and parallel to the longitudinal axis of the element being referred to. Similar terminology other than those used above is not intended to be limiting, but is chosen for the sake of simplicity.
Um die Beschreibung zu vereinfachen, werden X-, Y- und Z-Achsen nachfolgend erwähnt und beziehen sich auf die drei Koordinatenachsen, die senkrecht aufeinander stehen und in den beigefügten Zeichnungen angegeben sind. Identische Bezugszeichen identifizieren identische Baukomponenten in den beiliegenden Zeichnungen.For ease of description, X, Y and Z axes are mentioned below and refer to the three coordinate axes that are perpendicular to each other and indicated in the accompanying drawings. Identical reference numerals identify identical components in the accompanying drawings.
Wie der Darstellung gemäß Figur 2 entnehmbar ist, enthält eine CNC-Maschine gemäß eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ein Maschinenbett 1, einen aufrecht angeordneten Ständer 2, eine Werktischanordnung 3 und eine Werkzeughalteranordnung 4. Der aufrecht angeordnete Ständer 2 erstreckt sich in vertikaler Richtung zum Maschinenbett 1 und umfaßt zwei aufwärts weisende Schienen 21, die parallel zueinander angeordnet sind. Unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 umfaßt eine Gewindespindel 22 zwei Abschnitte einander entgegengesetzter Gewindesteigungen, nämlich einen positiven Gewindeabschnitt 221 und einen Gegengewindeabschnitt 222. Die Gewindespindel 22 ist im aufrecht angeordneten Ständer 2 entlang der sich vertikal erstreckenden Z-Achse verdrehbar aufgenommen und wird mittels eines Servomotors Ml entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen des Uhrzeigersinns angetrieben.As can be seen from the illustration in Figure 2, a CNC machine according to a first preferred embodiment of the present invention includes a machine bed 1, an upright column 2, a work table assembly 3 and a tool holder assembly 4. The upright column 2 extends vertically to the machine bed 1 and includes two upwardly facing rails 21 arranged parallel to each other. With reference to Figures 2 and 3, a lead screw 22 includes two portions of opposite thread pitches, namely a positive thread portion 221 and a counter thread portion 222. The lead screw 22 is rotatably received in the upright column 2 along the vertically extending Z-axis and is driven by a servo motor M1 either clockwise or counterclockwise.
Die Werktischanordnung 3, vorgesehen zur Aufnahme und Fixierung eines zu bearbeitenden Werkstücks umfaßt eine Z-Achsen-Schlitten 31 und einen Werktisch 32, wobei der Z-Achsen-Schlitten 31 zwei Gleitstücke 311 enthält, die mit den Schienen 21 zur Führung des Z-Achsen-Schlittens 31 zusammenarbeiten, so daß eine translatorischeThe work table arrangement 3, provided for receiving and fixing a workpiece to be machined, comprises a Z-axis slide 31 and a work table 32, wherein the Z-axis slide 31 contains two sliding pieces 311, which cooperate with the rails 21 for guiding the Z-axis slide 31, so that a translatory
Bewegung abwärts und aufwärts entlang der Z-Achse im aufrechten Ständer 2 ermöglicht wird. Eine Mutter 312 ist am Z-Achsen-Schlitten 31 befestigt und umschließt den Gegengewindeabschnitt 222 der Gewindespindel 22 um eine translatorische Bewegung des Z-Achsen-Schlittens 31 entlang der Z-Achse zu ermöglichen, wenn die Gewindespindel 22 mittels des Servomotors Ml verdreht wird. Der Z-Achsen-Schlitten 31 ist in X-Richtung mit zwei zueinander parallelen Schienen 313 sowie einer Gewindespindel 314 versehen, die verdrehbar im X-Achsen-Schlitten 31 aufgenommen ist und mittels eines Servomotors M22 angetrieben ist.Movement downwards and upwards along the Z-axis in the upright stand 2 is made possible. A nut 312 is attached to the Z-axis slide 31 and encloses the counter-threaded section 222 of the threaded spindle 22 to enable a translational movement of the Z-axis slide 31 along the Z-axis when the threaded spindle 22 is rotated by means of the servo motor M1. The Z-axis slide 31 is provided in the X-direction with two mutually parallel rails 313 and a threaded spindle 314 which is rotatably received in the X-axis slide 31 and is driven by means of a servo motor M22.
Der Werktisch 32 enthält zwei Gleitelemente 321, die sich auf den Schienen 313 mittels einer hier nicht dargestellten Mutter bewegen, welche ihrerseits mit der Gewindespindel 314 zusammenarbeitet, so daß der Werktisch 32 in translatorischer Richtung auf den Schienen 313 in X-Richtung bewegbar ist, wenn der Servomotor M22 die Gewindespindel 314 antreibt.The work table 32 contains two sliding elements 321 which move on the rails 313 by means of a nut (not shown here), which in turn cooperates with the threaded spindle 314, so that the work table 32 can be moved in a translational direction on the rails 313 in the X direction when the servo motor M22 drives the threaded spindle 314.
Die Werkzeughalteranordnung 4 umfaßt einen Z-Achsen-Schlitten 41, einen X-Achsen-Schlitten 42 sowie einen Y-Achsen-Schiebeschlitten 43. Der Z-Achsen-Schlitten 41 ist, ähnlich zum Z-Achsen-Schlitten 31 wie vorstehend beschrieben mit zwei Gleitelementen 411 versehen, die mit den Schienen 21 zusammenwirken; ferner mit einer Mutter 412, welche den positiven Gewindeabschnitt 221 der Gewindespindel 22 umschließt, so daß der Z-Achsen-Schlitten 42 nach oben oder nach unten entlang der Z-Achse verschoben werden kann, wenn die Gewindespindel 22 über den Servomotor Ml verdreht wird. Der Z-Achsen-Schlitten 41 umfaßt sich entlang der X-Achse erstreckende parallele Schienen 413 sowie eine Gewindespindel 414, welche verdrehbar im X-Achsen-Schlitten 41 entlang der X-Achse aufgenommen wird und über einen Servomotor M21 antreibbar ist.The tool holder assembly 4 includes a Z-axis slide 41, an X-axis slide 42 and a Y-axis slide 43. The Z-axis slide 41 is provided, similar to the Z-axis slide 31 as described above, with two sliding elements 411 which cooperate with the rails 21; furthermore with a nut 412 which encloses the positive threaded portion 221 of the threaded spindle 22, so that the Z-axis slide 42 can be moved up or down along the Z-axis when the threaded spindle 22 is rotated via the servo motor M1. The Z-axis slide 41 comprises parallel rails 413 extending along the X-axis and a threaded spindle 414 which is rotatably received in the X-axis slide 41 along the X-axis and can be driven by a servo motor M21.
Der X-Achsen-Schlitten 42 umfaßt zwei parallel angeordnete Gleitelemente 421, welche mit den Schienen 413 und einer nicht dargestellten Mutter zusammenarbeiten, die ihrerseits die Gewindespindel 414 umschließt, so daß der X-Achsen-Schlitten 42 entlang der Schienen 413 in Richtung der X-Achse translatorisch bewegbar ist, wenn die Gewindespindel 414 über den Servomotor M21 verdreht wird. Der X-Achsen-Schlitten 42 ist ferner in Y-Richtung mit zwei parallel angeordneten Schienen 423 versehen sowie einer Gewindespindel 424, welche verdrehbar im X-Achsen-Obersitz 42 in Y-Richtung sichThe X-axis slide 42 comprises two parallel sliding elements 421, which cooperate with the rails 413 and a nut (not shown), which in turn encloses the threaded spindle 414, so that the X-axis slide 42 can be moved translationally along the rails 413 in the direction of the X-axis when the threaded spindle 414 is rotated via the servo motor M21. The X-axis slide 42 is further provided in the Y-direction with two parallel rails 423 and a threaded spindle 424, which is rotatable in the X-axis upper seat 42 in the Y-direction.
erstreckend aufgenommen ist und über einen hier nicht näher dargestellten Servomotor angetrieben werden kann.
5 extending and can be driven by a servo motor not shown here in detail.
5
Der Y-Achsen-Schiebeschlitten 43 ist zur Aufnahme einer Werkzeugspindel (ohne Bezugszeichen) geeignet und umfaßt zwei Gleitelemente 431, welche mit den Schienen 423 und einer hier nicht dargestellten Mutter zusammenarbeiten, die ihrerseits die Gewindespindel 424 umschließt, so daß der Y-Achsen-Schiebeschlitten 43 auf den Schienen 423 in Y-Richtung hin- und herbewegbar ist, wenn die Gewindespindel 424 über den nicht dargestellten Servomotor angetrieben wird.The Y-axis sliding carriage 43 is suitable for receiving a tool spindle (without reference number) and comprises two sliding elements 431 which cooperate with the rails 423 and a nut (not shown here), which in turn encloses the threaded spindle 424, so that the Y-axis sliding carriage 43 can be moved back and forth on the rails 423 in the Y direction when the threaded spindle 424 is driven by the servo motor (not shown).
Wie vorzugsweise in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellt ist, bewegen sich die Werktischanordnung 3 und die Werkzeughalteranordnung 4 gleichzeitig in zwei entgegengesetzte Richtungen entlang der Z-Achse, um näher zueinander zu gelangen oder sich voneinander zu entfernen wenn die Gewindespindel 22 im Uhrzeigersinn verdreht wird (vergleiche Figur 3) oder wenn die Gewindespindel entgegen des Uhrzeigersinns (vergleiche Figur 4) durch den Servomotor Ml angetrieben wird. Die einander entgegenlaufenden Bewegungen werden durch die Gewindespindel 22 erzeugt, welche einen positiven Gewindeabschnitt 221 und einen Gegengewindeabschnitt 222 umfaßt, welche entsprechend mit den Muttern 412 bzw. 312, welche an der Werkzeughalteranordnung 4 bzw. an der Werktischanordnung 3 aufgenommen sind. Daraus ergibt sich, daß die relativen Verschiebungsgeschwindigkeiten entlang der Z-Achse zwischen der Werktischanordnung 3 und der Werkzeughalteranordnung 4 das Doppelte als Verschiebegeschwindigkeit einer konventionellen in Figur 1 dargestellten Werkzeugmaschine betragen, in welcher eine Gewindespindel R mit einem einfachen Gewindeabschnitt aufgenommen ist, welcher mit einer Mutter N zusammenarbeitet, um den Werkzeughalter B relativ zum Werkstück zu verschieben. Ungeachtet der Steigerung der Rotationsgeschwindigkeit der Gewindespindel durch den Servomotor, bietet die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung die Möglichkeit, die relative Verschiebungsgeschwindigkeit zwischen der Werkzeughalteranordnung und dem Werkstücktisch in zumindest eine Achse zu verdoppeln, verglichen mit den konventionellen Geschwindigkeiten in einer Werkzeugmaschine, welche eine Gewindespindel mit einer einfachen Gewindesteigung einsetzt, in Zusammenarbeit mit einer Mutter, die am Werkzeughalter bzw. am Werktisch aufgenommen ist.As preferably shown in Figures 2, 3 and 4, the work table assembly 3 and the tool holder assembly 4 move simultaneously in two opposite directions along the Z-axis to move closer to or away from each other when the lead screw 22 is rotated clockwise (see Figure 3) or when the lead screw is driven counterclockwise (see Figure 4) by the servo motor M1. The opposing movements are produced by the lead screw 22 which comprises a positive threaded portion 221 and a counter threaded portion 222 which are respectively engaged with the nuts 412 and 312 received on the tool holder assembly 4 and on the work table assembly 3. As a result, the relative displacement speeds along the Z axis between the work table assembly 3 and the tool holder assembly 4 are twice the displacement speed of a conventional machine tool shown in Figure 1, in which a threaded spindle R is incorporated with a single threaded portion which cooperates with a nut N to displace the tool holder B relative to the workpiece. Notwithstanding the increase in the rotational speed of the threaded spindle by the servo motor, the solution proposed by the invention offers the possibility of doubling the relative displacement speed between the tool holder assembly and the workpiece table in at least one axis, compared to the conventional speeds in a machine tool which employs a threaded spindle with a single thread pitch in cooperation with a nut incorporated on the tool holder or on the work table.
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In Richtung der X-Achse, wenn die Servomotoren M21 bzw. M22 die mit einfachen Gewinden versehenen Gewindespindel 414 bzw. 314 antreiben, bewegen sich der X-Achsen-Schlitten 41 und der Werktisch 32 simultan in entgegengesetzte Richtung zueinander entlang der X-Achse, so daß die relative Verschiebungsgeschwindigkeit zwischen dem Werkzeughalter und dem Werktisch entlang der X-Achse auf das doppelte vergrößert wird, verglichen mit der konventionellen Weise, entweder nur den Werkzeughalter oder nur den Werkzeugtisch zu verschieben.In the X-axis direction, when the servo motors M21 and M22 drive the single-threaded lead screws 414 and 314, respectively, the X-axis slide 41 and the work table 32 simultaneously move in opposite directions to each other along the X-axis, so that the relative displacement speed between the tool holder and the work table along the X-axis is increased to twice that of the conventional way of displacing either only the tool holder or only the tool table.
Da in bezug auf die Y-Achse die Bewegungsdistanz für das Werkzeug relativ kurz bemessen ist, kann die Verschiebeoperation für den Werkzeughalter in Y-Richtung sehr einfach dadurch bewerkstelligt werden, daß eine mit einem einfachen Gewinde versehene Gewindespindel 424 durch einen nicht dargestellten Servomotor bewegt wird, welche mit einer hier nicht dargestellten Mutter zusammenwirkt, welche am Y-Achsen-Schiebeschlitten 43 befestigt ist.Since the movement distance for the tool is relatively short with respect to the Y-axis, the displacement operation for the tool holder in the Y direction can be accomplished very easily by moving a single-threaded lead screw 424 by a servo motor (not shown) which cooperates with a nut (not shown) which is attached to the Y-axis slide 43.
Da die Gewindespindel 22, die vertikal und verdrehbar in Z-Richtung aufgenommen ist, den positiven Gewindeabschnitt 221 und den Gegengewindeabschnitt 222 umfaßt, welche mit den Muttern 412 bzw. 312 die sich an der Werkzeughalteranordnung 4 bzw. an der Werktischanordnung 3 befinden, zusammenwirken, kann das Gewicht der Werktischanordnung 3, wenn dieses im wesentlichen dem Gesamtgewicht der Werkzeughalteranordnung 4 entspricht, ausgeglichen werden. Das Moment, welches durch das Gewicht der Werktischanordnung 3 erzeugt wird und die Gewindespindel 22 in eine Richtung verdreht, wird ausgeglichen bzw. neutralisiert durch ein Gegenmoment, welches durch die Werkzeughalteranordnung 4 auf die Gewindespindel 22 in deren andere Drehrichtung ausgeübt wird. Dadurch entsprichen die Lasten, welche der Servomotor Ml zur Verdrehung der Gewindespindel im Uhrzeigersinn oder entgegen des Uhrzeigersinns aufzubringen hat, im wesentlichen einander. Deshalb ist es nicht mehr notwendig, ein zusätzliches Ausgleichsgewicht zur Minimierung der Belastungsdifferenz für den Servomotor vorzusehen, um die sich in vertikaler Richtung erstreckende Gewindespindel im Uhrzeigersinn oder entgegen des Uhrzeigersinns anzutreiben.Since the threaded spindle 22, which is received vertically and rotatably in the Z direction, comprises the positive threaded section 221 and the counter-threaded section 222, which interact with the nuts 412 and 312, respectively, which are located on the tool holder arrangement 4 and on the work table arrangement 3, respectively, the weight of the work table arrangement 3, if this substantially corresponds to the total weight of the tool holder arrangement 4, can be balanced. The moment which is generated by the weight of the work table arrangement 3 and which rotates the threaded spindle 22 in one direction is balanced or neutralized by a counter-moment which is exerted by the tool holder arrangement 4 on the threaded spindle 22 in its other direction of rotation. As a result, the loads which the servo motor M1 has to apply to rotate the threaded spindle clockwise or counterclockwise substantially correspond to one another. Therefore, it is no longer necessary to provide an additional counterweight to minimize the load difference for the servo motor to drive the vertically extending lead screw clockwise or counterclockwise.
Wird während des Betriebs der CNC-Maschine, wenn ein Werkstück auf dem Werkzeugtisch 32 plaziert ist, die CNC-Maschine plötzlich abgeschaltet und liegt das Gesamtgewicht der Werktischanordnung 3 und des Werkstückes etwas höher als dasIf during operation of the CNC machine, when a workpiece is placed on the tool table 32, the CNC machine is suddenly switched off and the total weight of the work table assembly 3 and the workpiece is slightly higher than the
-&Igr;&Ogr;--&Igr;&Ogr;-
Gesamtgewicht der Werkzeughalteranordnung 4, wird sich die Werktischanordnung 3 langsam nach unten bewegen und ein Moment erzeugen, welches die Gewindespindel 22 verdreht und die Werkzeughalteranordnung 4 langsam nach oben verschiebt. Dadurch wird das an der Werkzeughalteranordnung 4 aufgenommene Werkzeug nicht mit dem Werkstück, welches auf der Werktischanordnung 3 aufgenommen ist, kollidieren, wenn die CNC-Maschine abgeschaltet wird oder unerwartet stillgesetzt wird.total weight of the tool holder assembly 4, the work table assembly 3 will slowly move downward and create a moment which twists the lead screw 22 and slowly moves the tool holder assembly 4 upward. As a result, the tool held on the tool holder assembly 4 will not collide with the workpiece held on the work table assembly 3 when the CNC machine is turned off or unexpectedly stopped.
Der Darstellung gemäß Figur 5 ist ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer CNC-Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung zu entnehmen. Die Ausführungsweise des zweiten Ausführungsbeispiels ist ähnlich zur Auslegungsweise des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2, wie oben bereits beschrieben. Insbesondere sind die Einrichtungen, welche im zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet sind, um eine relative Verschiebeoperation zwischen der Werkzeughalteranordnung 4 und der Werktischanordnung 3 entlang der Z- bzw. der Y-Achse herbeizuführen, im wesentlichen identisch mit den entsprechenden Einrichtungen, welche im ersten Ausführungsbeispiel in Zusammenhang mit Figur 2 wiedergegeben sind. Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 wird die relative Verschiebeoperation der Werktischanordnung 3 und der Werkzeughalteranordnung 4 entlang der X-Achse mittels zweier Servomotoren M21 und M22 gleichzeitig und getrennt durch zwei einzelne mit Gewindeabschnitten versehene Gewindespindeln 414 bzw. 314 erzielt. Demgegenüber wird im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung die relative Verschiebeoperation zwischen der Werktischanordnung 3 und der Werkzeughalteranordnung 4 entlang der X-Achse über eine Gewindespindel realisiert, welche gegenläufige Gewindeabschnitte umfaßt und über einen Servomotor angetrieben wird, ähnlich zur Gewindespindel 22, wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Die Gewindespindel 22 arbeitet mit zwei Muttern zusammen, die sowohl am Werktisch 32 und am X-Achsen-Schlitten 42 aufgenommen sind.A second preferred embodiment of a CNC machine according to the present invention can be seen in the illustration according to Figure 5. The design of the second embodiment is similar to the design of the first embodiment according to Figure 2, as already described above. In particular, the devices which are designed in the second embodiment to bring about a relative displacement operation between the tool holder arrangement 4 and the work table arrangement 3 along the Z and Y axes, respectively, are essentially identical to the corresponding devices which are shown in the first embodiment in connection with Figure 2. In the first embodiment according to Figure 2, the relative displacement operation of the work table arrangement 3 and the tool holder arrangement 4 along the X axis is achieved by means of two servo motors M21 and M22 simultaneously and separately by two individual threaded spindles 414 and 314 provided with threaded sections. In contrast, in the second embodiment according to the present invention, the relative displacement operation between the work table assembly 3 and the tool holder assembly 4 along the X-axis is realized via a threaded spindle which comprises opposing threaded portions and is driven by a servo motor, similar to the threaded spindle 22 as shown in Figures 2 and 3. The threaded spindle 22 cooperates with two nuts which are received on both the work table 32 and the X-axis slide 42.
Insbesondere umfaßt das zweite Ausführungsbeispiel der CNC-Maschine gemäß der Darstellung in Figur 5 eine Gewindespindel 5, welche zwei Abschnitte mit zwei einander gegenläufigen Gewinden umfaßt, ähnlich zur Gewindespindel 22 gemäß den Darstellungen in den Figuren 2 und 3. Die Gewindespindel 5 umfaßt einen positiven Gewindeabschnitt 51 und einen Gegengewindeabschnitt 52, welche drehbar am aufrechten Ständer 2 in X-Achsen-Richtung aufgenommen sind und die über einen Servomotor M5 im UhrzeigersinnIn particular, the second embodiment of the CNC machine as shown in Figure 5 comprises a threaded spindle 5 which comprises two sections with two opposing threads, similar to the threaded spindle 22 as shown in Figures 2 and 3. The threaded spindle 5 comprises a positive threaded section 51 and a counter threaded section 52 which are rotatably mounted on the upright 2 in the X-axis direction and which are rotated clockwise by a servo motor M5.
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oder entgegen des Uhrzeigersinns angetrieben wird. Jeweils zusammenarbeitend mit den positiven Gewindeabschnitt 51 bzw. mit dem Gegengewindeabschnitt 52 der Gewindespindel 5 umfassen die Werkzeughalteranordnung 4 und die Werktischanordnung 3 jeweils eine Mutter 53 und eine Mutter 54, welche auf Schienen 55 bzw. 56 aufgenommen sind, die sich jeweils in Richtung der Z-Achse erstrecken. Der Werktisch 32 erstreckt sich in Richtung der Z-Achse mit einer Öffnung 322, wodurch die Schiene 56 verläuft und eine Gleitführung entlang der Schiene 46 in Z-Achse ermöglicht. Ähnlich zur Öffnung 322 des Werktisches 32, umfaßt der X-Achsen-Schlitten 42 in Z-Richtung eine Gleitausnehmung (nicht dargestellt), durch welche sich die Schiene 55 erstreckt und eine Gleitbewegung in Richtung der Z-Achse ermöglicht wird. Auf diese Weise werden zwei Muttern 53 bzw. 54 simultan in zueinander entgegengesetzte Richtungen auf der Gewindespindel 5 in X-Achsen-Richtung bewegt, wenn der Servomotor M5 die Gewindespindel 5 antreibt, so daß die Muttern 53 bzw. 54 aufeinander zu- bzw. je nach Drehrichtung voneinander wegbewegt werden. Durch Zwischenschaltung der Schienen 55 bzw. 56 werden der X-Achsen-Schlitten 42 und der Werktisch 32 simultan in zueinander entgegengesetzten Richtungen entlang der X-Achse bewegt, um aufeinander zuzufahren oder auseinanderzufahren.or counterclockwise. Cooperating with the male threaded portion 51 and the female threaded portion 52 of the lead screw 5, respectively, the tool holder assembly 4 and the work table assembly 3 each include a nut 53 and a nut 54 received on rails 55 and 56, respectively, each extending in the Z-axis direction. The work table 32 extends in the Z-axis direction with an opening 322 through which the rail 56 extends and allows sliding along the rail 46 in the Z-axis. Similar to the opening 322 of the work table 32, the X-axis carriage 42 in the Z direction includes a sliding recess (not shown) through which the rail 55 extends and allows sliding movement in the Z-axis direction. In this way, when the servo motor M5 drives the screw spindle 5, two nuts 53 and 54 are simultaneously moved in opposite directions on the screw spindle 5 in the X-axis direction, so that the nuts 53 and 54 are moved toward each other or away from each other depending on the direction of rotation. By interposing the rails 55 and 56, the X-axis slide 42 and the work table 32 are simultaneously moved in opposite directions along the X-axis to move toward each other or away from each other.
Aus der Darstellung gemäß Figur 6 geht ein drittes Ausfuhrungsbeispiel der CNC-Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung hervor. Die Konstruktionsvariante wird gemäß des dritten Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen identisch mit dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung in Figur 5, außer daß die Muttern 53 bzw. 54 des dritten Ausführungsbeispiels mit Gleitelementen 55' bzw. 56' versehen sind, um eine Gleitbewegung entlang einer Schiene 425 entlang der Z-Achse und des X-Achsen-Schiebeschlitten 43 und entlang der Gleitschiene 322', entlang der Z-Achse des Werktisches 32 zu ermöglichen. Durch die Bewegungsübertragung mittels des Gleitelementes 55' bzw. 56', welche auf den Schienen 425 bzw. 322' gleiten, werden der X-Achsen-Schlitten 42 und der Werktisch 32 simultan zueinander in entgegengesetzte Richtungen entlang der X-Achse verfahren, wenn der Servomotor M5 die Gewindespindel 5 antreibt, so daß die Muttern 53 bzw. 54 simultan in entgegengesetzte Richtungen entlang der X-Achse bewegt werden.A third embodiment of the CNC machine according to the present invention is shown in Figure 6. The construction variant according to the third embodiment is essentially identical to the second embodiment according to the illustration in Figure 5, except that the nuts 53 and 54 of the third embodiment are provided with sliding elements 55' and 56' respectively in order to enable a sliding movement along a rail 425 along the Z-axis and the X-axis sliding carriage 43 and along the sliding rail 322' along the Z-axis of the work table 32. By transmitting motion by means of the sliding element 55' or 56', which slide on the rails 425 or 322', the X-axis carriage 42 and the work table 32 are moved simultaneously in opposite directions along the X-axis when the servo motor M5 drives the threaded spindle 5, so that the nuts 53 or 54 are moved simultaneously in opposite directions along the X-axis.
Claims (9)
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Publications (1)
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