DE3620898A1 - Werkzeugaufnahmekopf einer werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Werkzeugaufnahmekopf einer Werk­ zeugmaschine, insbesondere auf einen Frässpindelkopf eines mehrachsigen Fräswerkes.

Im Bereich der Fertigungstechnologien, bei denen man sich der bekannten Werkzeugmaschinensysteme bedient, nimmt der Einsatz von sogenannten flexiblen Fertigungssystemen einen immer größeren Platz ein. Im Rahmen einer weiter fortschreitenden Automation der Produktion im Maschinenbau ist dies ein wettbewerbsfähiger Weg, der zur Senkung der Rüstzeiten und damit Erhöhung der Produktivität und Qualität, Erhöhung der Verfüg­ barkeit und damit Reduzierung der Abhängigkeit von Personal beiträgt sowie weitere Vorteile zur Folge hat. Den kritischen Fragen der Wirt­ schaftlichkeitskontrolle halten solche flexiblen Einrichtungen aber nur Stand, wenn die an sie gestellten Aufgaben mit einem Mindestmaß an Aufwand lösbar sind.

So sind beispielsweise für die Bearbeitung verschiedenartig gewölbter Oberflächen von Werkstücken mehr oder weniger großdimensionierte Fräs­ werke im Einsatz, bei denen dem eigentlichen Fräswerkzeug insgesamt fünf Bewegungsachsen vorgeschaltet sind, die Translations- oder Rota­ tionsbewegungen zulassen. Damit kann das eigentliche Werkzeug in jede beliebige relative Lage zu der Oberfläche des Werkstückes gebracht werden, um so die gewünschte Bearbeitung vorzunehmen.

Bei Fräswerken ist es dabei geläufig, den, dem Werkzeugaufnahmekopf vorgeschalteten Baueinheiten sich überlagernde Translationsbewegungen zuzuschreiben, während der Werkzeugaufnahmekopf in seiner Halterung über eine Drehachse gelagert ist und selbst wiederum die Drehachse bildet für den entsprechend gelagerten eigentlichen Werkzeugträger.

Eine solchermaßen gestaltete Werkzeugmaschine ist durch einen ausge­ sprochen hohen Herstellungsaufwand bestimmt. Soll nun ihr Einsatz auf jeden Fall innerhalb der Rentabilitätsgrenze erfolgen, so ist anzustreben, insbesondere den Aufwand zum Rüsten für einen bestimmten Fertigungsauftrag minimal zu halten. Da solche Werkzeugmaschinen in der Regel auch NC-gesteuert sind, kommt gerade diesem Bereich eine besondere Bedeutung zu.

Der auf die eigentliche Oberflächenbearbeitung gerichtete Komplex der NC-Programmierung läßt sich meist auf kostenmäßig vertretbare Weise realisieren. Bei der Werkstückbearbeitung treten aber weitere Probleme dahingehend auf, daß gerade bei entsprechend gestalteten Werkzeugaufnahmeköpfen mit einer großen Anzahl von Bewegungsfreiheits­ graden in Zusammenhang mit einem zu bearbeitenden Werkstück mit nicht gerade einfachen Oberflächenkonturen, wobei dieses auch noch durch entsprechende Spannmittel gehalten werden muß eine nicht vorhersehbare Kollisionsgefahr der vorgenannten Bauteile während des Bearbeitungs­ prozesses gegeben ist. Kommt es dann zu einer Kollision zwischen Werk­ zeugaufnahmekopf mit Bereichen des Werkstückes oder dessen Spannmitteln, so sind unter Umständen große Beschädigungen die Folge.

Um dies zu verhindern wären eigentlich zusätzliche umfangreiche Kolli­ sions-Untersuchungen in der NC-Programmierung erforderlich, die aber den Aufwand zum Rüsten der Werkzeugmaschine für einen Auftrag in ge­ gebenenfalls unannehmbare Höhe treiben würden.

Aus der DE-PS 35 27 063 ist nun für eine Meßmaschine ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz der z-Pinole gegen Kollision bekannt geworden, bei der mehrere Ultraschallwandler um die Pinole herum ange­ ordnet sind, die in Richtung ihrer Längsachse abstrahlen, wobei die Schallwandler im Multiplexbetrieb zyklisch angesteuert werden.

Diese Maßnahme macht aber einen relativ hohen steuerungstechnischen Aufwand erforderlich, mit dem der Steuerrechner der Meßmaschine zusätzlich belastet wird. Darüber hinaus kann der mit den Ultraschallwandlern gebildete Schallmantel nur bei den relativ einfachen und überschaubaren translatorischen Bewegungen einer solchen Meßpinole einigermaßen zuver­ lässig arbeiten.

Dazu kommt, daß bei Werkzeugmaschinen durch das spritzende Kühlmittel und die herumfliegenden Späne eine solche Verfahrensweise praktisch undurchführbar wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, kostengünstige und wirksame Maßnahmen zu ergreifen, mit denen einer unbeabsichtigten Kollision zwischen dem Werkzeugaufnahmekopf von Werk­ zeugmaschinen und Bereichen des Werkstückes bzw. dessen Spannmitteln stets sicher vorgebeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß gestalteten Werkzeugaufnahmekopf gelöst. Die wesent­ lichen Vorteile dieser Maßnahme sind darin zu sehen, daß damit ein mechanischer Eingriff in das Fräswerk selbst, das heißt insbesondere in den 2-Achsenfräskopf entbehrlich wird und der konstruktive und somit auch kostenmäßige Aufwand für die Schutzmaßnahme ausgesprochen gering anzusetzen ist. Mit der aufgezeigten Maßnahme können auch umfang­ reiche Kollisions-Untersuchungen in der NC-Programmierung entfallen oder doch zumindest auf ein Mindestmaß reduziert werden. Damit geht auch eine Erweiterung des Einsatzgebietes der so ausgestatteten Werk­ zeugmaschine einher, da die nunmehr vorliegende Kosten- Nutzen-Relation auch Aufträge zur Bearbeitung zuläßt, für die insbesondere der programm­ technische Aufwand ansonsten unangemessen hoch gewesen wäre. Weitere Vorteile lassen sich aus den Unteransprüchen sowie der nachstehenden Figurenbeschreibung ableiten.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Fräswerk mit einem gemäß der Erfindung ausgestatteten 2-Achsenfräskopf,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des als Gabelkopf ausge­ führten 2-Achsenfräskopfes,

Fig. 3 eine weitere Ansicht der Ausführung nach Fig. 2,

Fig. 4 einen als Universalwinkelfräskopf ausgeführten 2-Achsen­ fräskopf mit einer zweigeteilten Abdeckhaube und

Fig. 5 eine weiter Ansicht der Ausführung nach Fig. 4.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäß ausgestattete Werkzeugmaschine am Beispiel eines Fräswerkes (1) gezeigt. Auf einem Bett (2) ist dabei ein, ein Werkstück (nicht dargestellt) aufnehmender Tisch (3) gelagert und dabei in Vorschubrichtung (Pfeil 4) translatorisch bewegbar. Die Einrichtungen (Hydraulik, Stellmotoren usw.) zur Durchführung dieser Bewegungen (z. B. Eilgang, stufenloser Vorschub usw.) sind der Einfach­ heit halber hier nicht dargestellt.

Dem Tisch (3) ist ein Ständer (5) zugeordnet, der in etwa die Gestalt einer Säule mit rechteckigem Querschnitt besitzt. Eine Seitenfläche dieses Ständers ist dabei als Gleitfläche (6) ausgeführt, auf der ein Querschlitten (7) mittels entsprechender Führungseinrichtungen (8), die hier aber im Detail nicht näher dargestellt sind in Vertikalrichtung (Pfeil 9) bewegbar ist.

Der Querschlitten (7) dient der Aufnahme eines Frässpindelschlittens (10) der darauf wiederum mittels geeigneter Führungseinrichtungen transla­ torisch und dabei quer zur Vorschubrichtung (4) bewegbar ist (Pfeil 13). Der Frässpindelschlitten (10) trägt einen Antriebsmotor (14) mit einem entsprechend ausgestalteten Getriebe zur Erzielung vorgeb­ barer Spindeldrehzahlen. Über eine flexible Kabelführung (15), die den Bewegungen des Frässpindelschlittens (10) folgen kann, führen zu diesem eine Anzahl elektrischer Versorgungsleitungen (16), die die notwendige elektrische Energie für die Bearbeitungsvorgänge sowie die steuerungstechnischen Stellbefehle übertragen.

Am unteren Ende des Frässpindelschlittens (10) und dort mittels Drehge­ lenk (17) um eine Vertikalachse (19) drehbar gelagert, ist ein Fräs­ spindelkopf (18) vorgesehen und dem das Werkstück tragenden Tisch (3) zugeordnet. Der Frässpindelkopf (18) ist dabei als Gabelkopf ausge­ führt, wobei nähere Einzelheiten aus den Fig. 2 und 3 hervorgehen.

Dort ist zunächst das untere Ende des Frässpindelschlittens (10) erkenn­ bar, an den sich das bereits erwähnte Drehgelenk (17) anschließt. An diesem ist eine Gabel (20) angeflanscht, an der im Bereich der Gabelöffung ein weiteres Drehgelenk (21) zur Aufnahme eines Gabelkopfes (22) vorgesehen ist. Dieser weist an seinem unteren Ende die entsprechen­ den Einrichtungen (23) zum Einsetzen des Fräswerkzeuges (nicht darge­ stellt) auf. Der Gabelkopf (22) ist somit um eine horizontale Achse (24) schwenkbar, wobei, wie aus den gestrichelt dargestellten End­ positionen (Fig. 3) erkennbar, etwa ein Schwenkbereich von 210° Pfeil 25) erzielbar ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist nun nahezu die gesamte Gabel (20), insbesondere der untere, dem Werkstück zugewandte Bereich von einer Abdeckhaube (26) überdeckt, die lediglich im Bereich des Gabelkopfes (22) eine Aussparung (12) aufweist, um dessen Bewegungs­ spielraum nicht zu behindern. Die Abdeckhaube (26) sollte aus relativ hartem aber nicht sprödem Material bestehen, um einerseits durch Kolli­ sionen mit Bereichen des Werkstückes oder dessen Spannmitteln sich ergebende Druckkräfte an Sensoren (27) übertragen zu können, ohne dabei selbst durch diese Kollisionsstöße wesentlichen Schaden zu nehmen. Als Werkstoff käme sowohl eine Metallblech aber auch beispielsweise Plexiglas in Frage. Die Sensoren (27) sind auf Druckkräfte ansprechend ausgeführt und in vorzugsweise gleichmäßigen Abständen auf der Gabel (20) angeordnet. Die Abdeckhaube (26) ist einteilig ausgeführt und derart bemessen, daß über die gesamte Oberfläche der Gabel (20) ein in etwa gleichbleibenden Abstand (28) eingehalten werden kann.

Die Sensoren (27) sind über hier nicht näher dargestellte Leitungsver­ bindungen mit automatischen Endschaltern verbunden, die bei entsprechen­ der Signalübertragung, das heißt bei Auftreten eines Kollisionsfalles (Druckkräfte über Abdeckhaube auf die Sensoren wirkend) den Antrieb des Fräswerkes (1) augenblicklich stillsetzen. Damit wird eine Kollision zwischen Werkstück bzw. dessen Spannmittel und dem eigentlichen Fräs­ spindelkopf (18) sicher verhindert.

Die Fig. 4 und 5 letztlich zeigen eine weitere Ausführungsform eines Frässpindelkopfes (29). Dieser ist dabei als Universalwinkelfräs­ kopf ausgeführt. Auch hier ist wiederum das untere Ende des Frässpindel­ schlittens (10) erkennbar, an dem mittels Drehgelenk (30) um die Verti­ kalachse (19) bewegbar eine Winkelkopfhalterung (31) angeflanscht ist. Diese Winkelkopfhalterung (31) weist eine gegen die Vertikale um etwa 45° geneigte Schräge (32) auf, an der ein Winkelfräskopf (33) um eine geneigte Drehachse (34) mittels Drehgelenk (37) drehbar ist. Der Winkelfräskopf (33) trägt an seinem unteren Ende wiederum die Einrichtung (23) zur Aufnahme des eigentlichen Fräswerkzeuges.

Sowohl die Winkelkopfhalterung (31) als auch der Winkelfräskopf (33) sind insbesondere an den kollisionsgefährdeten Bereichen mit jeweils einer Abdeckhaube (35, 36) versehen. Dabei wird wieder ein etwa gleich­ bleibender Abstand (28) zwischen der Innenfläche der jeweiligen Ab­ deckhaube (35, 36) und dem zweiteiligen Frässpindelkopf (29) einge­ halten. Bezüglich der angeordneten Sensoren (27) sowie bezüglich weiterer Einzelheiten gelten die bereits zu den Fig. 2 und 3 gemachten Aus­ führungen.

Die Erfindung schließt selbstverständlich auch konstruktive Abwandlungen der Abdeckhauben ein, die aufgrund von Anpassungen an eventuelle andere Formen und Funktionsprinzipien von Werkzeugmaschinen-Spindelköpfen notwendig werden. Die Abdeckhaube sollte demontierbar sein, um eventuell sich ansammelnde Verschmutzungen beseitigen zu können.

Um solchen Verschmutzungen ggf. schon vorbeugen zu können, wäre anstatt einer geschlossenen Abdeckhaube auch die Verwendung eines Drahtgitter­ gewebes denkbar mit dem die Druckkräfte auf die Sensoren übertragen werden. Ebenso ist denkbar und im Rahmen der Erfindung, die Registrie­ rung und Weiterleitung der bei einer Kollision der Abdeckhaube mit dem Werkstück oder dessen Spannmitteln auftretenden Stöße auf andere Weise als über die hier beschriebenen Sensoren zu bewerkstelligen.

Claims (9)

1. Werkzeugaufnahmekopf einer Werkzeugmaschine, insbesondere Fräs­ spindelkopf eines mehrachsigen Fräswerkes, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte oder zumindest die gegenüber einem Werkstück und dessen Spannmitteln besonders kollisionsgefährdeten Bereiche (20, 31, 33) des Werkzeugauf­ nahmekopfes (18, 29) mit einer oder mehreren Abdeckhauben (26, 35, 36) versehen sind, denen auf Druckkräfte ansprechende und mit der Werkzeugmaschinenantriebssteuerung gekoppelte Sensoren (27) zugeordnet sind.

2. Werkzeugaufnahmekopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (27) in einem zwischen der Oberfläche des Werkzeugaufnahmekopfes (18, 29) und der Innenfläche der Abdeckhaube (26, 35, 36) gebildeten Zwischenraum in vorzugsweise gleichmäßigen Abständen angeordnet sind.

3. Werkzeugaufnahmekopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckhaube (26, 35, 36) eine geschlossene Oberflächenstruktur aufweist.

4. Werkzeugaufnahmekopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckhaube aus einem Gittergewebe mit offener Oberflächenstruktur aufgebaut ist.

5. Werkzeugaufnahmekopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als 2-Achsenfräs­ spindelkopf (18, 29) für ein Fräswerk (1) ausgeführt ist und dabei jeweils zwei, relativ zueinander und gegenüber einem Frässpindelschlitten (10) über Drehgelenke (17, 21, 30, 37) bewegbare Frässpindelkopfeinheiten ( 20, 22, 31, 33) aufweist.

6. Werkzeugaufnahmekopf nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich einer Frässpin­ delkopfeinheit (20) eine Abdeckhaube (26) zugeordnet ist.

7. Werkzeugaufnahmekopf nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Frässpindelkopf­ einheiten (31, 33) eine Abdeckhaube (35, 36) zugeordnet ist.

8. Werkzeugaufnahmekopf nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine am Frässpindelschlitten (10) drehbar gelagerte Gabel (20) vorgesehen ist, an der im Bereich der Gabelöffnung ein weiteres Drehgelenk (21) zur Aufnahme eines Gabelkopfes (22) vorgesehen ist, der an seinem unteren Ende die Einrichtungen (23) zum Einsetzen eines Fräswerkzeuges aufweist, wobei die Abdeckhaube (26) die Gabel (20) unter Einhaltung eines in etwa gleichbleibenden Abstandes (28) überdeckt und im Bereich des Gabelkopfes (22) eine Aussparung (12) aufweist.

9. Werkzeugaufnahmekopf nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Frässpindelschlitten (10) des Fräswerkes (1) mittels Drehgelenk (30) um eine Vertikalachse (19) bewegbar eine Winkelkopfhalterung (31) angeflanscht ist, die gegenüber der Vertikalen eine um etwa 45° geneigte Schräge (32) aufweist, an der ein Winkelfräskopf (33) über ein weiteres Drehgelenk (37) befestigt ist und an seinem unteren Ende die Einrichtungen (23) zur Aufnahme des Fräswerkzeuges trägt und sowohl die Winkelkopfhalterung (31) als auch der Winkelfräskopf (33) jeweils mit einer Abdeckhaube (35, 36) versehen sind, deren Innenflächen zu den Oberflächen von Winkelkopfhalterung (31) und Winkelfräs­ kopf (33) einen in etwa gleich bleibenden Abstand (28) einhalten.