DE3826863A1

DE3826863A1 - Vorrichtung zum positionieren eines werkstuecks oder einer hilfsvorrichtung in zwei koordinaten mit hoher wegaufloesung fuer nc-fraesmaschinen

Info

Publication number: DE3826863A1
Application number: DE19883826863
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Koenig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-08-08
Filing date: 1988-08-08
Publication date: 1990-02-15

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Positionieren eines Werkstücks oder einer Hilfsvorrichtung beim Bearbeiten auf vorzugsweise einer NC-Fräsmaschine oder einem Bearbeitungszentrum in zwei Koordinaten mit voneinander getrennt steuerbaren Bewegungen in Längsrichtung einer Achse und in Um fangsrichtung um dieselbe Achse mit hoher Wegauflösung.

Charakteristik der bisherigen technischen Lösungen

Um die erforderlichen Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück bei Bearbeitung mit mehrachsigen NC-Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren in und um die drei Raumrichtungen durch zuführen, bestehen verschiedene konstruktive Ausführungen. Gene rell werden dazu die Längs- von den Drehbewegungen derart ge trennt, daß das Werkstück oder das Werkzeug mit in Führungsbah nen verschobenen Schlitten in den Achsrichtungen bewegt und das Werkstück zur Drehung in einen Teilapparat eingespannt wird.

Dieser Teilapparat besitzt einen eigenen Antrieb oder kann mit dem Antrieb für die Bewegung in einer anderen Achsrichtung ge koppelt werden und wird bei Fräsmaschinen in der Regel auf den Werkzeugtisch aufgespannt.

Zum einen erlauben diese Teilapparate nur eine Drehung des Werk stücks um wenige ausgewählte Winkel, da sie entweder mit einem Ratschenmechanismus (Bsp. Patent EP 02 56 628 A1 oder Patent DE 36 05 308 A1) oder mit einer Klinkensperre (Bsp. Patent DE 36 42 294 A1) ausgerüstet sind und den angestrebten Winkel durch Formschluß des drehenden mit dem feststehenden Teil fest halten. Zum anderen bestehen verschiedene Anwendungsfälle, bei de nen die getrennte Längs- und Drehbewegung des Werkstücks relativ zum Werkzeug durch einen z. B. in mehreren Richtungen verfahrba ren Arbeitstisch mit zusätzlich montiertem Teilapparat einen übermäßig hohen Bauaufwand bedeutet und damit hohe Kosten verur sacht. Als Beispiel sei eine Kurvenfräsmaschine genannt, bei der der Frästischlängsbewegung eine Werkstückdrehung überlagert wird. Auch erweist es sich bei einigen Bearbeitungsvorgängen als sinnvoll ein Meßwerkzeug unabhängig von den Bewegungen des Fräs tisches in einer Achse verfahren und mittels einer Drehbewegung auf dem Werkstück aufsetzen zu können.

Problemstellung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine bei kleinem Bauraum und höchstmöglicher Wegauflösung in zwei voneinander un abhängigen Koordinatenrichtungen, einer Längsbewegung in einer Achsrichtung und einer Drehbewegung um dieselbe Achse, steuerbare Positioniervorrichtung zu schaffen, deren Bewegungsrichtungen sich spielfrei umkehren lassen und die sich im gemeinsamen Ein satz mit numerisch gesteuerten Fräsmaschinen eignet.

Erfindungsgemäße Problemlösung

Die Aufgabe wird dadurch erfindungsgemäß gelöst, indem eine das Werkstück tragende Aufnahmeplatte mit einem Spindelantrieb in axialer Richtung, vorzugsweise spielfrei, verfahren wird, der Spin delantrieb selbst in einem Drehzylinder gelagert ist und diese Anordnung durch ein äußeres, vorzugsweise ebenfalls spielfrei eingeleitetes Moment um ihre Längsachse verdreht werden kann. Für den Antrieb der vorliegenden Positioniervorrichtung eignen sich in besonderem Maße elektrische Motoren, Gleichstrommotoren oder Schrittmotoren. Verwendet man vorzugsweise Schrittmotoren, so genügt der Anschluß eines kapazitiven oder induktiven Nähe rungsgebers an jeden Motor, um mit ihm einen Ausgangspunkt für den Fahrweg festzulegen. Durch die Registrierung der an den Schrittmotor abgesandten Impulsfolge ist jederzeit die Motor stellung und damit die Werkstückposition vom Ausgangspunkt be kannt. Überschreiten die am Werkstück angreifenden Kräfte das dem Schrittmotor eigene Haltemotor, so läßt sich die Aufnahme platte mit Werkstück durch zwei über Reibschluß wirkende Klemm vorrichtungen, die beispielsweise von Elektromagneten betätigt werden, in ihrer Lage fixieren. Die eine Klemmvorrichtung greift vorteilhafterweise an der Kupplungshülse zwischen der Gewinde spindel und dem Schrittmotor an, die andere wird auf dem Außen gehäuse sitzen und durch Aussparungen am Drehzylinder angreifen. Reibschlüssige Klemmvorrichtungen sind deshalb formschlüssigen Haltemechanismen vorzuziehen, da infolge der Fertigungsmöglich keiten mit letzteren sich im Vergleich zur Anzahl der möglichen Positionen nur wenige ausgewählte Winkel- und Achspositionen einstellen lassen.

Beim Einsatz von Gleichstrommotoren sind zusätzlich zu den Refe renzschaltern für jeden Motor ein Inkrementalgeber oder ein Po tentiometer vorzusehen, dessen Signal einem elektronischen Regel kreis zugeleitet wird. Dieser bestimmt die Stellung des Motors und damit die Position der Aufnahmeplatte und des Werkstücks durch einen permanenten Soll-Ist-Wertvergleich. Das Beharren des Gleichstrommotors in der erreichten Position kann zum einen über den Regelkreis, zum anderen aber auch durch eine an den Mo tor angebaute Bremse erfolgen.

Um ohne Einbuße an Positioniergenauigkeit die Bewegungsrichtung der Motoren umkehren zu können, wird für die Längsbewegung der Einbau einer Kugelgewindestange mit spielfreier Kugeldoppelmutter und für die Drehbewegung der Einbau eines Zahnriementriebes vor gesehen. Die Spielfreiheit dieser Antriebselemente ist besonders bei Verwendung von Schrittmotoren zu beachten, da bei ihnen keine Rückmeldung über das Erreichen der Position vorliegt.

Die Weg- und die Drehwinkelmessung für jede Koordinate erfolgt ge gen einen festgelegten Ausgangspunkt, an dem ein bekannter und handelsüblicher kapazitiver oder induktiver Näherungsgeber oder auch optischer Schalter sitzt. Nach der Inbetriebnahme fahren die Motoren zunächst die zugeordneten Näherungsgeber oder Schalter an, womit sich die Aufnahmeplatte für das Werkstück in der Aus gangsposition befindet und nun im allgemeinen das zu bearbeiten de Werkstück oder die Hilfsvorrichtung auf die Aufnahmeplatte aufgespannt werden können. Von diesem Ausgangspunkt läßt sich das Werkstück oder die Hilfsvorrichtung in axialer Richtung bis zu dem für die Führungsbuchse auf der Gewindespindel maximal mögli chem Verfahrweg bewegen und gleichzeitig oder anschließend in Um fangsrichtung mit Drehwinkeln zwischen 0° oder 360° in jede ge wünschte Winkelposition bringen.

Die Wegauflösung der Positioniervorrichtung läßt sich in axialer Richtung durch die Steigung der Gewindespindel und in Umfangs richtung durch das Übersetzungsverhältnis des Zahnriementriebes oder der Zahnradstufe und in beiden Koordinaten durch die Motor bauart, also die Phasenzahl der Schrittmotoren oder die Regelelek tronik der Gleichstrommotoren bestimmen. Sollte eine feinere Weg auflösung für das Verfahren in axialer Richtung oder die Drehung in Umfangsrichtung erforderlich sein, so kann vor jeden Motor ein vorzugsweise, insbesondere bei Schrittmotoren, spielfreies Unter setzungsgetriebe vorgeschaltet werden.

Vorteile der vorliegenden Positioniervorrichtung

- Kombination der Verfahr- und Verdrehbewegung eines Werkstücks oder einer Hilfsvorrichtung auf kleinstem Raum in einer kom pakten Einheit.
- Unabhängigkeit der Bewegungen in Längs- und in Umfangsrichtung.
- hohe Positioniergenauigkeit in beiden Koordinaten bei einer der jeweiligen Positionieraufgabe angepaßten Wegauflösung durch geeignete Wahl der Spindelsteigung und der Untersetzung des vorzugsweise verwendeten Zahnriementriebes, sowie, gegebe nenfalls auch nachträglich eingebauten Untersetzungsgetriebes.
- praktisch Spielfreiheit der Vorrichtung, da alle gewählten An triebselemente spielfrei sind. Damit ist ohne Einbuße an Genau igkeit eine Bewegungsrichtungsumkehr bei beiden Koordinaten ohne zwischenzeitliches Anfahren der Referenzschalter bei An trieb mit Schrittmotoren realisierbar.
- Hohes Maß an Flexibilität durch Austausch der Aufnahmeplatte zur Befestigung verschieden geformter Werkstücke, Austausch der Motoren gegen z. B. drehmomentstärkere Motoren, Ersatz von Außengehäuse, Drehzylinder oder Kugelgewindespindel gegen ent sprechend längere Bauteile für eine neue Positionieraufgabe mit größerem axialem Verfahrweg, womit nur ein selektiver Aus tausch von wenigen Bauteilen und nicht der gesamten Vorrich tung erforderlich wird.
- einfache Anschlußmöglichkeit an die Steuerelektronik einer NC-Fräsmaschine oder eines Bearbeitungszentrums und damit leichte Integration in einen vollautomatischen Fertigungs ablauf.
- einfache Herstellbarkeit aller Bauteile, geringe Fertigungs kosten
- leichte Montage und Demontage der kompletten Einheit an der Fräsmaschine ohne ihre Zerlegung in die Einzelteile.

Beispiel einer ausgeführten Positioniervorrichtung

Zum besseren Verständnis wird der Aufbau einer ausgeführten Po sitioniervorrichtung mit Hilfe von zwei Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäß vorgestellte Positioniervor richtung im Hauptschnitt.

Fig. 2 stellt den in Fig. 1 mit Pfeilen bezeichneten Schnitt A-A dar, der senkrecht zur Gewindespindelachse verläuft.

Wie man aus Fig. 1 erkennt, besteht die erfindungsgemäße Positio niervorrichtung aus dem Außengehäuse (1), in dem der Drehzylinder (2) mit den beiden Rillenkugellagern (3) und (4) drehbar gelagert ist. Im hohlgebohrten und geschliffenen Drehzylinder (2) läßt sich die durch die Schraube (21) zwar drehstarr mit ihm verbundene, aber axial verschiebliche Führungsbuchse (5) hin- und herbewegen. Sie ist über die Paßfeder (6) mit der doppelten Kugelgewindemut ter (7) verbunden. An ihrem unteren Ende wird die Kugelgewinde spindel (8) mit einem Pendelkugellager im Drehgehäuse (2) ge führt. Bei einer Umdrehung der Kugelgewindespindel (8) verfährt die Kugelgewindemutter (7) und damit die Führungsbuchse (5) ent sprechend der Steigung des Kugelgewindes ein Stück in axiale Richtung. Am freien Ende der Führungsbuchse (5) wird beispielhaft vom Werkzeughalter (10) und der Stützhülse (11) die Aufnahme platte (12) getragen, die eine beliebig gestaltete Klemm- oder Spannvorrichtung für das Werkzeug oder die Hilfsvorrichtung auf nimmt. Auf dem Drehzylinder (2) sitzt, von einer Wellenmutter (14) axial fixiert, die Zahnscheibe (13) und überträgt durch eine nicht dargestellte Paßfeder spielfrei Drehbewegungen. Ein Zahnriemen (18) überträgt das Drehmoment des Schrittmotors (15) von dem Zahnritzel (17) auf seiner Antriebswelle. Die Motorhalterung (16) stützt sich am Außengehäuse (1) ab. Die Drehbewegung der Kugel gewindespindel erzeugt ein mit der Motorhülse (19) auf dem Dreh zylinder (2) befestigter, weiterer Schrittmotor (20). Die in die ser Vorrichtung verwendeten kapazitiven Näherungsgeber sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Der Teilschnitt A-A in Fig. 2 verdeutlicht die Anordnung der Bauteile und zeigt die Kompaktheit der Einheit.

Claims

1. Vorrichtung zum Positionieren eines Werkstücks oder einer Hilfsvorrichtung beim Bearbeiten auf vorzugsweise einer NC- Fräsmaschine oder einem Bearbeitungszentrum in zwei Koordinaten mit voneinander getrennt steuerbaren Bewegungen in Längsrichtung einer Achse und in Umfangsrichtung um dieselbe Achse mit hoher Wegauflösung, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialbewegung der das Werkzeug oder die Vorrichtung tragenden Aufnahmeplatte (12) durch die Längsverschiebung einer Gewindemutter (7) auf einer Gewindespindel (8) bei ihrer Drehung erfolgt, der Gewindetrieb zusammen mit einer drehstarren, aber axial beweglichen Führungs buchse (3) in einem Drehzylinder (2) eingebaut ist, der selbst drehbar in einem Außengehäuse (1) gelagert ist, so daß sich unter Einwirkung eines äußeren Momentes der Drehzylinder (2) und mit ihm das auf der Aufnahmeplatte (12) befestigte Werkzeug oder die Hilfsvorrichtung verdreht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Trapezgewindestange be liebiger Steigung und entsprechender Gewindemutter.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Gewindestange mit Regel- oder Feingewinde beliebiger Steigung und entsprechender Gewinde mutter.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Kugel- oder Rollenge windestange beliebiger Steigung und einer einfachen oder doppel ten Kugelgewindemutter bzw. Rollengewindemutter.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die spielfrei mit der Gewindemutter (7) verbundene Führungsbuchse (5) im Drehzylinder (2) in axialer Richtung, die sen mit ihrer Außenfläche berührend, gleitet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Führungsbuchse (5) an ihrer Außenseite eine oder mehrere Kugelhülsen trägt, deren Kugeln die Abstützung der Führungsbuchse (5) im Drehzylinder (2) sicherstellen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, 3 oder 4 und 5 oder 6 mit einem in radialer Richtung in Gleitlagern und in axialer Rich tung mit Gleit- oder Wälzlagern im Außengewinde (1) geführtem Drehzylinder (2).

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, 3 oder 4 und 5 oder 6 mit einem in radialer und in axialer Richtung mit Wälzlagern im Au ßengehäuse (1) geführten Drehzylinder (2).

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, 3 oder 4, 5 oder 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Moment über einen Zahnrie men (18) und eine Zahnscheibe (13), die drehstarr auf dem Dreh zylinder (2) befestigt ist, übertragen wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, 3 oder 4, 5 oder 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Moment über eine Zahnkette und ein Kettenrad, das drehstarr auf dem Drehzylinder (2) befe stigt ist, übertragen wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, 3 oder 4, 5 oder 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Moment über ein Zahnrad, das auf dem Drehzylinder (2) befestigt ist, übertragen wird.