DE3029783C2

DE3029783C2 -

Info

Publication number: DE3029783C2
Application number: DE3029783A
Authority: DE
Inventors: Thomas Luca De Watertown Mass. Us Fazio
Original assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc
Current assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc
Priority date: 1979-08-03
Filing date: 1980-08-04
Publication date: 1990-09-06
Also published as: FR2462966A1; FR2462966B1; US4242017A; DE3029783A1; GB2055637B; GB2055637A; IT8023903A0; CA1130086A; IT1132306B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausrichten für ein lagegerechtes Eingreifen eines Werkzeugs, insbesondere Bohrwerkzeugs, in ein Werkstück der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-PS 41 55 169 be kannt. Aufgrund der konstruktiv relativ stark belasteten federelastischen Einrichtungen sind für das Ausrichten des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück relativ hohe Kräfte er forderlich, wobei weiterhin aufwendige elektronische Fühl- und Rückkopplungseinrichtungen erforderlich sind, um die Ausrichtung des Werkzeuges gegenüber dem Werkstück mit der erforderlichen Genauigkeit ausführen zu können.

Aus der DE-OS 26 40 256 ist eine Vorrichtung zum Ausrichten für ein lagegerechtes Eingreifen eines zylindrischen Werk zeugs, insbesondere Bohrwerkzeugs, in ein Werkstück bekannt, wobei das Werkzeug an einer dreh- und vorschubantreibbaren Spindel gehalten ist, die ihrerseits begrenzt gegen Feder kraft verschiebbar in einem Gehäuse gehalten ist. Auch bei dieser bekannten Vorrichtung ist eine relativ hohe Kraft erforderlich, um das Werkzeug gegenüber dem Werkstück auszu richten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine Ausrichtung des Werkzeugs gegenüber einem Werkstück mit niedrigen Kräften sowie ohne Verwendung von aufwendigen elektronischen Fühl- und Rückkopplungseinrichtungen möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine einfache Ausrichtung des Werkzeugs gegenüber einem Werkstück ohne großen Kraftaufwand sowie ohne aufwendige elektronische Fühl- und Rückkopplungssysteme möglich. Wesentlich ist da bei, daß das Halteteil lediglich das Werkzeug und nicht auch seinen Antrieb wie beim Stand der Technik gemäß der US-PS 41 55 169 aufnimmt. Hierdurch sind die jeweiligen federelasti schen Einrichtungen relativ gering belastet, so daß eine Ausrichtung mit relativ kleinen Kräften möglich ist, was sich auf die Genauigkeit und Haltbarkeit der in Rede stehen den Vorrichtung besonders positiv auswirkt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Anwendungen der Erfindung werden nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des Erfindungsgegenstandes näher be schrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines passiven Eingriffs-Systems entsprechend der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung teilweise im Schnitt,

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Abwandlung der Aus führungsform der Erfindung teilweise im Schnitt,

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer weiteren Abwandlung der Ausführungsform der Erfindung entsprechend Fig. 3, teilweise im Schnitt.

Die Erfindung kann mit einem passiven Eingriffs-System realisiert werden, das ein Werkzeug, wie beispielsweise einen Bohrer, mit einem Werkstück ausrichtet und in Eingriff bringt. Typischerweise umfaßt die Werkzeugeinrichtung ein Werkzeug, z. B. einen Bohrer, und einen Halter für das Werkstück, z. B. ein Spannfutter. Typischerweise wird der Bohrer durch einen Motor gedreht, der mittels irgendeiner biegsamen Verbindungseinrichtung mit dem Werkzeug gekuppelt ist. Dies kann beispielsweise ein doppelter Universal gelenkmechanismus sein oder eine kabelähnliche Welle, sofern sie in Axialrichtung starr genug ist, um zu ermöglichen, daß die erforderliche Axialkraft durch sie auf die Werkzeug einrichtung übertragen wird.

Es ist eine Fernzentrum- Federungsvorrichtung bekannt, wie sie in den US-PS 40 98 001 "Remote Center Compliance System" (Paul. C. Watson) und 41 55 169 "Compliant Assembly System" Device (Drake et al) beschrieben ist, auf die hier Bezug genommen wird. In der Fernzentrum-Federungsvorrichtung sind Führungsmittel entlang ihrer Achse angeordnet. Die Führungsmittel halten die Werkzeugeinrichtung und ermöglichen ihr, rückwärts und vorwärts entlang der Achse der Fernzentrum-Federungs vorrichtung zu gleiten und auch mit Hilfe des Antriebs, beispielsweise eines Motors, gedreht zu werden. Das Führungsmittel hat typischerweise einen Durchgang in der Fernzentrum-Federungsvorrichtung und einige Lagereinrichtun gen, die sowohl Gleit- als auch Drehlager umfassen können, und ist am nachgiebigen Ende der Fernzentrum-Federungs einrichtung befestigt. Das Führungsmittel kann auch eine Lagerbuchse oder eine andere Einrichtung an seinem freien Ende aufweisen. Die Fernzentrum-Federungsvorrichtung erzeugt nahe dem Ende des Führungsmittels ein Fernzentrum, um eine schnelle und mühelose Ausrichtung der Werkzeugein richtung oder des Endes des Führungsmittels mit dem Werk stück zu erleichtern. Es sind Einrichtungen zum Halten der Fernzentrum-Federungsvorrichtung und der Antriebsmittel vorhanden: Die Einrichtung zum Halten ist typischerweise eine Konstruktion, die von dem Rahmen der Maschine gehalten wird, die das passive Eingriffs-System trägt. Einige Ein richtungen, wie ein Vorschubzylinder, Solenoid, Feder mechanismus oder anderes Stellglied, erzeugen eine relative Axialbewegung zwischen der Werkzeugeinrichtung und dem Führungs mittel in der Fernzentrum-Federungsvorrichtung, um die Werkzeug einrichtung durch die Fernzentrum-Federungsvorrichtung vorzu schieben und zurückzuholen. Die Einrichtung zum Halten kann eine einzige einheitliche Konstruktion umfassen oder ein Kopfteil, ein Unterteil und Mittel, um die Teile gleitend miteinander zu verbinden. Die Mittel zum gleitenden Miteinander verbinden der Teile können beispielsweise aus Bohrungen oder Kanälen in dem einen Teil bestehen, in die Stifte auf dem anderen Teil eingreifen, beispielsweise durch Spannen und Strecken einer Feder, die federnd in die Unter- und Kopfteile eingreift. In diesem Fall können die Mittel zum Erzeugen einer relativen Axialbewegung eine Feder umfassen, die federnd zwischen den Unter- und dem Kopfteil eingesetzt ist. Die Mittel zum Erzeugen der relativen Axialbewegung können aber auch einen Vorschubzylinder oder Solenoid oder ein anderes Stellglied aufweisen, das die Werkzeugeinrichtung entlang ihrer Achse zurück und vorwärts bewegt. Das Führungsmittel kann eine Werkzeugbuchse zum Eingreifen in eine Werkzeug bohrvorrichtung enthalten, die eine geeignete Ausrichtung zwischen Werkzeug und Werkstück schafft. Wenn das Führungs mittel eine Werkzeugbuchse oder eine andere Einrichtung umfaßt, liegt das Fernzentrum nahe dem Ende dieser Buchse oder Ein richtung, soweit sie Teil des Führungsmittels ist. Beispiels weise kann das Fernzentrum nahe dem Ende des von der Werk zeugeinrichtung gehaltenen Werkzeugs errichtet werden oder nahe dem Ende eines Teils, in das von der Werkzeugein richtung gehaltene Werkzeug eingreift. Das Fernzentrum ist ganz einfach nahe dem Ende des Führungsmittels ange ordnet, wie immer dieses beschaffen sein mag, das zentriert oder in bezug auf ein anderes Teil angeordnet werden soll. Das dargestellte System besitzt im allgemeinen zylindrische Symmetrie.

In Fig. 1 ist ein passives Eingriffs-System entsprechend dieser Erfindung gezeigt, das einen Halter 12 umfaßt, der auf einem üblichen Werkzeugmaschinenrahmen 14 getragen werden kann. Der Halter 12 hält einen Werkzeugeinrichtungs vorschub 16; ein Werkzeugeinrichtungsantrieb 18 treibt über eine Kupplung 20 die Werkzeugeinrichtung 22 an, die in einer Führung 24 untergebracht dargestellt ist, welche an dem Federungsabschnitt der Fernzentrum-Federungsvorrichtung 26 befestigt ist. Wenn der Vorschub 16 der Werkzeugeinrichtung betätigt wird, kann der Antrieb 18 der Werkzeugeinrichtung mit der Kupplung 20 nach links bewegt werden, so daß das mit der Werkzeugeinrichtung 22 verbundene Werkzeug sich über das Ende 28 der Führung 24 hinaus erstreckt. Die Fernzentrum- Federungsvorrichtung 26 errichtet ein Fernzentrum 30 entweder am Ende der Führung 24 oder genau darüber hinaus, wie in den US-PS 40 98 001 und 41 55 169 erläutert. Die Aufspann vorrichtung 32 weist eine Bohrung 34 auf, die das Ende der Führung 24 aufnimmt und genau mit dem Punkt 36 auf dem Werk stück 38 ausgerichtet ist, mit dem das Werkzeug der Werkzeug einrichtung 22 in Eingriff treten soll.

Während des Betriebes wird das von dem Maschinenrahmen 14 getragene System 10 nach links bewegt, bis das Ende 28 der Führung 24, die als Bohrbuchse wirkt, durch die Einwirkung der Fernzentrum-Federungsvorrichtung 26 in der Bohrung 34 der Aufspannvorrichtung 32 zentriert ist. Der Vorschub 16 der Werkzeugeinrichtung wird dann betätigt, um die Werkzeug einrichtung 22 nach links vorzuschieben, so daß die Spitze des Werkzeugs an der Stelle 36 in das Werkstück 38 eingreift. Der Antrieb 18 der Werkzeugeinrichtung treibt die Werkzeug einrichtung 22 an, so daß das Werkzeug bohrt oder seine Tätig keit auf andere Weise ausführt.

In einer Ausführungsform, in der gleiche Teile gleiche Bezugszeichen unter Zusatz eines "a" tragen, umfaßt das System 10 a, Fig. 2, eine Halterkonstruktion oder ein Nasen teil 12 a, das am Maschinenrahmen 14 a befestigt ist. Die Kupplung 20 a umfaßt eine Welle 40 a mit universalen Doppel gelenken 42 a und 44 a, angetrieben durch einen Bohrmotor 18 a, der an einem beweglichen Teil in dem Vorschubzylinder 16 a angebracht ist, der hin- und hergetrieben wird, um die Werk zeugeinrichtung 22 a vorzuschieben und zurückzuholen. Die Werk zeugeinrichtung 22 a umfaßt einen Werkzeughalter oder ein Spannfutter 46 a und Werkzeug 48 a sowie eine Welle 50 a, die an der Kupplung 20 a angebracht ist und in Drehlagern 52 a, 54 a eines Lagerteils 56 a drehbar gehalten wird, das Teil der Führung 24 a ist. Rückhalteringe 51 a und 53 a sind vorgesehen, um die Bewegung der Welle 50 a in bezug auf die Lager 52 a, 54 a und 56 a zu begrenzen oder die Lager 52 a und 54 a zurückzuhalten. Die Führung 24 a umfaßt auch einen Durchgang 58 a, in dem das Lagerteil 56 a auf seiner zylindrischen Lagerfläche 60 a gleitend beweglich ist. Eine Buchse 62 a am Ende des Durch ganges 58 a kann in einigen Ausführungsformen auch in dem Führungsmittel 24 a enthalten sein. Die Fernzentrum-Federungs vorrichtung 26 a umfaßt ein Teil 64 a am äußere Ende des Nasenteils 12 a, verbunden durch Teile 68 a, die in das Fernzentrum 30 a an dem oder nahe dem Ende der Buchse 62 a oder über diese hinaus auslaufen. Die Fernzentrum-Federungs vorrichtung 26 a ist von der in der US-PS 41 55 169 beschriebenen Art. Sie umfaßt ein verformbares Teil 66 a und drei lang gestreckte Träger 68 a, deren Konstruktion und Funktion in der US-PS 41 55 169 offenbart ist. Führungsteile 24 a sind an Stelle der Operatorteile des Patents angeordnet.

Obgleich bisher das Werkzeug als entlang der Achse der Fernzentrum-Federungsvorrichtung hinabgeführt dargestellt ist, ist es nicht erforderlich, daß die Drehachse des Werk zeugs mit der Achse der Fernzentrum-Federungsvorrichtung zusammenfällt oder daß die Drehachse durch das Zentrum der Federung der Fernzentrum-Federungsvorrichtung verlaufen muß. Die Kupplungseinrichtung erfordert typischerweise eine gewisse flexible Kupplungswelle in der Kupplung zwischen der Werkzeugeinrichtung und der Fernzentrum- Federungsvorrichtung, um zu ermöglichen, daß das Antriebs mittel, beispielsweise ein Motor, unabhängig von der Fern zentrum-Federungsvorrichtung angeordnet wird. Die Welle sollte seitlich flexibel genug sein, um einen Betrieb selbst dann zu ermöglichen, wenn die Mittelachse der Werk zeugeinrichtung und der Motor nicht ausgerichtet sind, und axial starr genug, um zu ermöglichen, daß die Werkzeug einrichtung relativ zu der Führung oder Buchse vorgeschoben und zurückgeholt wird, die von der Fernzentrum-Federungs vorrichtung getragen wird, wie in Fig. 2 dargestellt. Zwei verschiedene Mittel können verwendet werden, beispielsweise eine Welle für die Drehung der Werkzeugeinrichtung und eine andere Welle für die Bewegung dieser zurück und vorwärts entlang der Achse der Fernzentrum-Federungsvorrichtung. Die Lagereinrichtung ermöglicht sowohl Dreh- als auch Gleit bewegung und kann beide Funktionen in einer einzigen Einheit oder in einer Anzahl von Teilen enthalten.

In einer Abwandlung, in der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen unter Zusatz von "b" versehen sind, im System 10 b, Fig. 3, umfaßt der Halter oder das Nasenteil 12 b ein Kopfteil 70 b, das Kanäle 72 b, 74 b umfaßt, und ein Unterteil 76 b, das Stifte 78 b, 80 b umfaßt, die auf der Platte 82 b angeordnet sind und gleitend in Kanäle 72 b bzw. 74 b eingreifen. Rückhalteringe 84 b und 86 b werden verwendet, um die Bewegung des Kopfteils 70 b auf den Stiften 78 b und 80 b zu begrenzen. Obwohl nur zwei Kanäle und zwei Stifte in Fig. 3 dargestellt sind, werden aus Stabilitäts gründen typischerweise drei oder mehr verwendet. Das Kopf teil 70 b umfaßt auch einen Abschnitt 88 b mit einer Bohrung 90 b, in dem das Kupplungsteil 20 b untergebracht ist. Vor schubzylinder 16 a fehlt in Fig. 3 und ist ersetzt durch eine Feder 16 b, die gemeinsam mit den Stiften 78 b und 80 b sowie mit den Kanälen 72 b und 74 b wirkt, um eine Relativ bewegung zwischen der Werkzeugeinrichtung 22 b und der Fernzentrum-Federungsvorrichtung 26 b zu erzeugen. Dies findet statt, wenn während des Betriebs die Buchse 62 b und das Führungsteil 24 b in Berührung mit einer Aufspannvorrichtung gelangen. An diesem Punkt, wenn das Unterteil 82 b, angetrieben von dem Maschinenrahmen 14 b, fortfährt, sich nach links in Fig. 3 zu bewegen, wird die Feder 16 b zusammengedrückt, und der Knopf 70 b gleitet nach rechts auf den Stiften 78 b und 80 b. Dies hat zur Folge, daß die Fernzentrum-Federungs vorrichtung 28 b nach rechts bewegt wird und sich relativ zu der Werkzeugeinrichtung 22 b verschiebt, so daß das Werkzeug 48 b sich über das Ende der Buchse 62 b hinaus er streckt und in das Werkstück eingreift.

In einer weiteren Konstruktion ähnlich der der Fig. 3, im System 10 c, Fig. 4, in der gleichen Teilen die gleichen Bezugszeichen unter Zusatz von "c" gegeben wurde, ist der Motor 18 c in einen Lagerzylinder 78 c eingeschlossen, der ähnlich wie die Stifte 78 b und 80 b in Fig. 3 funktioniert. Der Lagerzylinder 78 c wird von dem Unterteil 82 c gehalten und hält gleitend das Kopfteil 70 c in gleitendem Eingriff mit der Innenfläche 72 c. Der Motor 18 c ist innerhalb der zylindrischen Lagerfläche 78 c angebracht. Das System 10 c arbeitet in der gleichen Weise wie das System 10 b, d. h. nachdem die Buchse 62 c in Eingriff tritt und durch die Auf spannvorrichtung angehalten wird, verursacht eine weitere Bewegung des Bodenteils 82 c das Zusammendrücken der Feder 16 c sowie fortschreitende Relativbewegung zwischen der Werkzeug einrichtung 22 c und der Fernzentrum-Federungsvorrichtung 26 c, so daß der Bohrer 48 c aus dem Ende der Buchse 62 c hinaustritt und in das Werkstück eingreift.

Claims

1. Vorrichtung zum Ausrichten für ein lagegerechtes Ein greifen eines Werkzeugs, insbesondere Bohrwerkzeugs, in ein Werkstück mit

- einem starren Haltering an einem Gehäuseteil,
- einer mit dem Haltering verbundenen federelastisch verformbaren ersten Einrichtung,
- einem länglichen Halteteil,
- einer zweiten federelastisch verformbaren Einrichtung zum Anschließen des Halteteils an die verformbare erste Einrichtung, wobei
- das Halteteil gegenüber dem Haltering radial verschieb bar angeordnet ist,
- die verformbare erste Einrichtung von über einen Kreis umfang angeordneten Biegestäben gebildet ist, die zum Haltering hin konvergieren und deren Verlängerungen sich in einem Punkt gegenüber dem Haltering schneiden, und
- die verformbare zweite Einrichtung sich quer zu den Biegestäben erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, daß das Halteteil als Lager gehäuse (24 a, 24 b, 24 c) ausgebildet ist, in dem das Werk zeug (48 a, 48 b, 48 c) drehbar und/oder axial verschiebbar ist, und daß zwischen einem Antrieb (18 a, 18 b, 18 c) und dem Werkzeug (48 a, 48 b, 48 c) eine Kupplung (20 a, 20 b, 20 c) angeordnet ist, die in axialer Richtung starr und seitlich nachgiebig ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil als Kopfteil (12 a, 12 b) an einem Rahmen (14 a, 14 b) einer Werkzeugmaschine gehalten ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfteil (12 a) am Rahmen (14 a) fest ist und daß der Antrieb (18 a) für das Werkzeug (48 a) innerhalb des Kopf teils (12 a) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (18 b) für das Werkzeug (48 b) am Rahmen (14 b) fest ist und der Kopfteil (12 b) am Rahmen (14 b) ver schieblich gehalten ist, wobei zwischen dem Kopfteil (12 b) und dem Antrieb (18 b) eine Federkraft (16 b) ge schaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (18 c) für das Werkzeug (48 c) von einem Zylin der (78 c) umfaßt ist, der in eine zylindrische Ausnehmung (72 c) des Gehäuseteils (12 c) eingreift, daß der Antrieb (18 c) an einem Rahmen (14 c) einer Werkzeugmaschine fest ist und daß in der zylindrischen Ausnehmung (72 c) zwischen dem Antrieb (18 c) und dem äußeren Gehäuse (12 c) eine Federkraft (16 c) geschaltet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am vorderen Ende (28) des Lagergehäuses (24 a, 24 b, 24 c) eine Buchse (62 a, 62 b, 62 c) vorgesehen ist, die zur Ausrichtung des Werkzeugs (48 a, 48 b, 48 c) in eine Bohrung (34) einer Aufspannvorrichtung (32) eingreift, welche gegenüber dem Bearbeitungsort (36) des Werkstücks (38) ausgerichtet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (20 a, 20 b, 20 c) eine Welle (40 a, 40 b, 40 c) mit zwei Gelenken (42 a, 42 b, 42 c; 44 a, 44 b, 44 c) umfaßt.