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NC-Fräsmashine
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Die Erfindung bezieht sich auf eine NC-Fräsmaschine für mehrachsige
bahn- oder streckengesteuerte Bearbeitung.
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Solche, zum Stand der Technik gehörenden Fräsmaschinen sind je Hauptachse
mit einem Antrieb versehen. HIerbei können zwei Vorschubbewegungen gleichzeitig
ausgeführt erden, wobei der wirksame Vorschub die Resultierende aus der Lage bzw.
der Richtung und der Größe der Vorschubvektoren je Koordinatenachse ist. Der Vorschub
setzt sich hier aus mehreren Bewegungen in Richtung der Koordinatenachsen x,y,z
(gesteuerte Achsen) zusammen und das Fräsverfahren ;<ann kinematisch durch eine
Rotations- und eine nranslationsbewegung charakterisiert werden. Diese bekannten
Fräsmaschine besitzen maximale Vorschübe, die jedoch zur Hochgescnwndig Keitsbearbeitung
nicht ausreichen und die Möglichkeiten zur Steigerung der Arbeitsleistung solcher
numerisch gesteuerter Anlagen sind durch die technisch bereits erreichten Grenze
der Antriebe, Meß- und Positioniersysteme, Steuerungen usw.
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kaum gegeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, herkömmliche
NC-Fräsmaschinen ohne großen Aufwand so umzurüsten, daß mit ihnen die Vorschubgeschwindigkeiten,
Beschleunigungs und Verzögerungswerte bei mehrachsig bahngesteuerten Mascninen verdoppelt
werden.
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Diese Aufgabe wird in überraschend zuverlässiger und einfacher Weise
durch die in den Ansprüchen niedergelegten Ma?-nahmen gelöst. In der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
ist die Erfindung erläutert
und in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Skizze
des Grundaufbaus einer NC-Fräsmaschine; Fig. 2 ein Schaltschema der Bewegungssteuerung
der vorgeschlagenen NC-Fräsmaschine; Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des
vorgeschlagenen Maschinentyps; Fig. 4a eine Skizze mit den eingetragenen Hauptachsen
und Vorschubbewegungen; Fig. 4b Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels gemäß Fig.
4a; Fig. 5 ein Diagramm über das prinzipielle Beschleunigungsverhalten in der Gegenüberstellung
des herkömmlichen und des neuen Prinzips; Fig. 6 eine Skizze des Prinzips bei gleichsinnigen
Vorschüben; Fig. 7 ein Diagramm über den Arbeits- und Wirk.ungsbereich einer nach
der Erfindung arbeitenden 2-Achsen-aschine; Fig. 8 eine perspektivische Skizze einer
Vertikal-Fräsmaschine, bei der das Werkzeug in 3 Achsen und das Werkstück in 2 Achsen
verfahrbar ist.
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Fig. 9 eine Skizze eines weiteren Ausführungsbeispiels in Form einer
Horizontal-Fräsmaschine mit vertikaler Spannwand.
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Generell läßt sich das Fräsverfahren - wie schon erwähnt -kinematisch
durch eine Rotations- und eine Translationsbewegung charakterisieren. Alle bisher
bekannten Fräsmaschinen mit 3-Achsen-Bahn- oder Streckensteuerung beruhen auf der
Konzeption, daß je Bewegungsrichtung nur ein Antrieb wirkt und damit je nach Naschinenbauweise
entweder das Werkstück oder das Werkzeug ruht.
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Das nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag konzipierte Ausführungsbeispiel
einer Fräsmaschine 1o sieht nun vor, daß sowohlidas Werkzeug 14 als auch das Werkstück
19 in den einzeine Koordinatenachsen x,y,z relativ zueinander bzw. gegeneinander
bewegt werden und sich so - relativ betrachtet -die Vorschubvektoren addieren. Um
dies zu erreicne, werden zur Erzeugung der Relativbewegung je koordinatenachse zwei
Antriebe 13,18 mit entgegengesetzter oder gleicher Wirkungsrichtung eingesetzt,
wobei zur Erzeugung von Bahnkurven im Raum oder in der Fläche mehrere Vorschübe
simultan bewegt werden.
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Durch die Überlagerung von Bewegungen, wie es in den Skizzen der Fig.
3 bis 4b dargestellt ist, werden nun wesentliche Vorteile gegenüber den Ausführungsformen
nach dem Stand der Technik erreicht, und zwar werden die maximalen Vorschubgeschwindigkeiten
je Achsrichtung und im Raum verdoppelt, aber ebenso der maximale Vorschubgeschwindigkeitsbereich
und die Beschleunigung bzwVerzögerung an sic, Die Fig. 5 verdeutlicht dies in einem
Diagramm.
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Geht man davon aus, daß je Antrieb gleiche Leistunsdaten gegeben sind,
so können durch die gleichzeitige Beschleunigung und gegenläufige Vorschübe die
maximalen Vorschubgeschwindigkeiten herkömmlicher Maschinen bereits auf dem halben
Weg, bzw. in der halben Zeit erreicht werden, oder in der gleichen Zeit die doppelte
Vorschubgeschwindigkeit, wobei dies insbesondere dann von großem Vorteil ist, wenn
Bahnkurven gefahren werden müssen.
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Durch die vorgeschlagene Erhöhung der Antriebe bzw. Vorschübe werden
nun zusätzliche Freiheitsgrade geschaffen, die frei wählbar den Erfordernissen der
Bearbeitungstechnologie einsetzbar sind, so daß es nicht erforderlich ist, daß die
gegenläufigen Bewegungen mit gleicher Geschwindigkeit durchgeführt werden müssen.
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Das in der Fig. 1 gezeigte Allsfuhrlngsbeispiel einer Dreiachsen-F-äsmaschine
1o verdeutlicht die nach der Erfindung vorgeschlagene Konzeption, wonach der Werkstückhalter
und die Spindeleinheit mit ihrem Antrieb jeweils in drei Achsen verfahrbar sind
und die zur Bearbeitung erforderliche Relativbewegung räumlich durch simultane gegenläufige
Bewegungen erfolgt. Auf einem sogenannten Kreuztisch 21, der in Richtung der Spindelachse
z verfahrbar ist, befindet sich ein Maschinenständer 22, der quer - also in der
x-Achse - bewegt werden kann. Dieser Maschinenständer 22 ist sowohl die Spindeleinheit
23 mit ihrem Antrieb, als auch die Werkzeugaufnahmevorrichtung mit dem Werkzeug
24 in der y-Achse verfahrbar zugeordnet. Durch diese Ausgestaltung mit drei translatorischen
Achsen, kann das Werkzeug 24 in drei Richtungen verfahren werden. Dieser vorbeschriebenen
Anordnung
spiegelbildich gegenüber wird mit fluchtenden Achsen der Werkzeugträger angeordnet,
der sich aus dem Kreuztisch 25 - der in der z-Achse verfahrbar ist - dem quer bewegbaren
- in der x-Achse verfahrbaren - Werkstück-Ständer 25 und senkrecht dazu dem Arbeitstisch
27 zusammensetzt. Letzterer ist in der y-Achse verfahrbar angeordnet. Diese Maschine
verfügt also über 6 Freiheitsgrade, welche in jeder Achsrichtung gegenlRufige Vorschübe
erzeugen können. Hierzu wird je Bewegung bzw. Bewegungsrichtung ein Antriebsaggregat
so eingebaut, daß jeder Einzel antrieb unabhängig von allen anderen Antrieben steuerbar
ist. Die Richtungsumkehr erfolgt durch die numerische Steuerung.
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Ein Beispiel der Steuerschaltung zeigt die Fig. 2, worin die komplette
Schaltung für alle Achsen gleich ist und einer besonderen Erläuterung nicht bedarf.
Mit 11 und 16 ist eweils die Einheit für den Soll-Istwertvergleich bezei hret, mit
12 und 17 die Leistungsverstärker, die einmal dem Antrieb für den Werkzeugvorschub
13 und zum anderen dem Werkstückvorschubs-Antrieb 18 vorgeschaltet sind. Mit 15
und 20 sind die Lagemeßeinrichtungen für Werkzeug 14 und Werkstück 19 bezeichnet.
Die Richtungsumkehr erfolgt über die Einheit 21, die ebenfalls von der NC-Steuereinheit
3O ihre Signale bekommt.
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Der wesentliche Funktionsablauf vollzieht sich wie folgt: wird das
auf dem Arbeitstisch 27 fest aufgespannte Werkstück beispielsweise von unten nach
oben bewegt, so steuert die Einheit 3O gleichzeitig das Werkzeug von oben nach unten.
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In gleicher Weise arbeiten die Axial- und die Quervorschübe
zusammen.
Durch simultanes Verfahren von Kreuztischcn, Ständern und Spindeleinheiten sowie
Arbeitstische lassen sich beliebige Flächen herstellen. Damit gewinnt die Maschine
eine hohe Flexibilität hinsichtlich der unterschiedlichsten Anwendungsfälle. Die
Bewegungen sind hier entgegengesetzt, aber gleichförmig.
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Selbstverständiich läßt sich der erfindungsgemäße Vorschlag auf Vier-
und Fünfachsenmaschinen ebenso anwenden, so daß es möglich ist weitere Kipp- und
Schwenkbewegungen zu realisieren. Auch Mehrspindelmaschinen können nach dem vorbeschriebenen
Prinzip umgebaut werden.
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Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen sind nun NC-Fräsmaschinen in der
Lage, in Leistungsbereichen zu arbeiten, die bisher nicht erreichbar waren.
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sei ungleichförmiger Bewegung der einzelnen Noordinatenachsen, d.h.
die Bewegungen von Werkstück und Werkzeug werden unabhängig voneinander nach Weg,
Richtung und Geschwindigkeit gesteuert, muß die Steuerung 3O ledIglIch mit der entsprechenden
7ahl von Signal ausgängen ausgestattet werden. Im großen und ganzen können für die
er'in dungsgemäße Ausführungsformen Aufbau, Antriebs- Steuerungs-und Überwachungssysteme
der herkömmlichen Art verwendet werden.
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Elne Variante der Erfindung sieht vor, daß Werkzeug und Werkstück
in gleicher Richtung bewegt werden. Hierbei können bei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten
je Vorschubeinheit beliebig kleine Vorschübe aus der Relativgeschwindlgkeit erreicht
werden. Auch hier sind je Koordinatenachse zwei Antriebe angeordnet, die in die
gleiche Richtung
( 1 x Werkzeug, 1 x Werkstück) mit unterschiedlicher
gesteuerter Geschwindigkeit verfahren werden. Durch diese Maßnahmen ist nun erstmals
die Möglichkeit geboten, Vorschübe praktisch bis gegen Null zu erzeugen, was bisher
nicht erzielt werden konnte, da die Vorschubgeschwin digkeiten nach unten begrenzt
sind. Ein Schema zeigt hier die Fig. 6.
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Natürlich läßt sich auch eine Kombination von gleichsinnigen und gegenläufigen
Vor schüben ohne besonderen Anderungs aufwand konzipieren. Hier sind die Richtungen
je Vorschub antrieb dann umkehrbar und die Geschwindigkeiten je Vorschubeinheit
in einem definierten Bereich steuerbar. Daß dadurch die Vorschubbereiche wesentlich
verrößert werden, ist leicht zu verstehen.
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Durch die vorbeschriebenen Maßnahmen sind nun .NC-Fräsmascninen geschaffen
worden, die ohne große ankerung der Gesamtmaschinenkonzeption und unter Verwendung
herkömmlicher 3aueinheiten und -elemente die Vorschubgeschwindigkeiten, die Beschleunigungs-
und Verzeigerungswerte bei mehrachsig bahngesteuerten Maschinen verdoppeln und die
3earbeitungshauptzeiten und zum Teil auch die Nebenzeiten (Eilgangpositionierung)
um 50% reduzieren. £)ie lniJ. 7 verdeutlicht in einem Schema die wesentliche Vergrößerung
des Wirkungsbereiches der Erfindung gegenüber den Maschinen nach dem Stand der Technik,
wobei das Schema sich auf eine ZweI-Achsenmaschlne bezieht, aber bei Drei- und Nehrachsenmaschinen
sind die Wirkungsbereiche analog dazu.