DE60105373T2

DE60105373T2 - Bearbeitungskopf für automatische Werkzeugmaschinen mit einer wechselbaren, nach aussen ragenden Futtereinheit

Info

Publication number: DE60105373T2
Application number: DE60105373T
Authority: DE
Inventors: Mauro Colombo
Original assignee: Tecniche Industriali Srl
Current assignee: Tecniche Industriali Srl
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2021-02-21
Also published as: EP1205275A3; US6832880B2; ES2226998T3; DE60105373D1; EP1205275B1; US20010046423A1; EP1205275A2; ATE275459T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Arbeitskopf für automatische Werkzeugmaschinen gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Insbesondere weist der erfindungsgemäße Kopf einen Halter auf, der um eine erste Achse rotiert, wobei der Halter ein Leistungsübertragungssystem und einen kinematischen Mechanismus für die winkelmäßige Positionierung einer Spindelgruppe um eine zweite Achse aufweist, die üblicherweise im rechten Winkel zur Rotationsachse des Halters steht.
Eine mit der Spindelanordnung verbundene Platte ist mit Kupplungen ausgestattet, die für die Verbindung des Halters ausgelegt sind.
Die Spindelanordnung kann eine Antriebseinheit oder eine motorisierte Spindel enthalten, die für die Durchführung von Endbearbeitungen mit hoher Geschwindigkeit geeignet ist.
Dieses Merkmal ermöglicht es dem Benutzer, von einer Aufrauung zu einer Endbearbeitung umzuschalten, ohne den gesamten Kopf auszutauschen (wie dies bei bekannten Geräten der Fall ist, bei denen die Spindelanordnung auf einem Gabelhalter montiert ist), indem man einfach die Spindelgruppe austauscht, was einen viel schnelleren und günstigeren Vorgang darstellt.
Automatische Werkzeugmaschinen, die zur Durchführung spanbildender Aufgaben verwendet werden, wie z. B. Fräsen, Konturbearbeitung, etc., weisen einen Halter auf, der sich entlang dreier orthogonaler Achsen bewegt, auf denen ein Arbeitskopf mit zwei Freiheitsgraden montiert ist. Der Arbeitskopf trägt eine Werkzeugeinheit, die z. B. aus einer Spindel oder einer motorisierten Spindel besteht, auf der das für jede Aufgabe benötigte Werkzeug montiert wird.
Der Aufbau und die Merkmale dieser Arbeitsköpfe unterscheiden sich beachtlich je nach dem, ob die durchzuführende Arbeit eine energieintensive Arbeit ist, die mit einem Aufrauungswerkzeug durchgeführt wird, das mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit rotiert (maximal 3.000 bis 5.000 rpm) und große Mengen an Material entfernt, wodurch beachtliche Reaktionskräfte auf den Aufbau ausgeübt werden, oder ob es sich um eine Endbearbeitung/Fräsbearbeitung handelt, die mit einem Werkzeug durchgeführt wird, das mit hoher Geschwindigkeit rotiert (bis zu 15.000 bis 30.000 rpm).
Die Spannungen bzw. Belastungen, denen das Werkzeug während dieser verschiedenen Arten an Arbeiten ausgesetzt ist und die auf den Aufbau und die vorgelagerten Vorrichtungen übertragen werden, erfordern die Verwendung von Spindeln mit unterschiedlichen Merkmalen und Abmessungen. Dies bedeutet, dass verschiedene Arbeitsköpfe hergestellt werden müssen.
Wenn ein Benutzer gemäss dem Stand der Technik von einer energieintensiven Aufgabe zu einer Endbearbeitungsaufgabe umschalten will, muss der gesamte Arbeitskopf ausgetauscht werden, was zu sehr hohen Kosten führt.
Diese Faktoren führen zu einer Erhöhung der Gesamtkosten nicht nur aufgrund der längeren Produktionszeiten, sondern auch aufgrund der Notwendigkeit, zwei oder mehrere Arbeitsköpfe besitzen zu müssen, die mit dem entsprechenden kinematischen Mechanismus vollständig ausgestattet sind, wenn nicht sogar zwei oder mehrere gesonderte Maschinen für das Aufrau en, Endbearbeiten oder andere zusätzliche Aufgaben verwendet werden.
Die US-A-5584621, die den nächstliegenden Stand der Technik gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 darstellt, offenbart einen mehrachsigen Rotationskopf für eine Werkzeugmaschine, in welchem Linearmotoren für die winkelmäßige Positionierung der Spindel vorgesehen sind. Die Anordnung enthält eine Gabel, die um eine erste Achse drehbar montiert ist, und eine Spindel, die zwischen den Gabelarmen mit Rotationsmöglichkeit um eine zweite Achse montiert ist, die zu der ersten im rechten Winkel steht.
Die Gabel ist auf einem Halterarm montiert, der ein Gehäuse für den Motor enthält.
Die Spindel kann nicht rasch ausgetauscht werden, da keine Schnellverbindung vorgesehen ist, die es ermöglicht, die Spindel ohne weiteres zu entfernen und zu montieren, ohne den Kopf auseinanderbauen zu müssen.
Die US-A-5385436 offenbart einen Arbeitskopf für automatische Werkzeugmaschinen mit einer Gabel, die auf einem Halter befestigt ist, der verschiedene Freiheitsgrade hat, einem Mittel zur Drehung der Gabel um ihre Achse, einem Halter für eine Spindel, der um eine Achse rotieren kann, die zu der zuvor erwähnten Achse im rechten Winkel steht, und zwar unter numerischer Steuerung, sowie mit einer Welle, die mit der Rotationsachse des Halters für die Spindel koaxial ist und mittels eines Kegelradgetriebes an einem Ende mit Vorrichtungen zur Bewegungsübertragung und an seinem anderen Ende mit der Welle der Spindel verbunden ist, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, um eine Änderung der Winkelposition sowohl der Gabel als auch des Halters für die Spindel zu ermöglichen, wodurch das Werkzeug mit dem maschinell zu bearbeitenden Teil in Berührung gehalten wird.
Die Spindel ist nicht austauschbar, da sie erst dann entfernt werden kann, wenn die Stützlager entfernt worden sind, wofür ein Auseinanderbauen mindestens eines Teils des Kopfes erforderlich ist.
Die oben genannten Probleme können durch die vorliegende Erfindung gemäss Anspruch 1 gelöst werden.
Da z. B. das Leistungsübertragungssystem und die Winkelpositionierungsvorrichtungen der Spindel in den Halter eingebaut sind, an dem die Spindelgruppe befestigt ist, kann der Bediener von einer Kraftspindel zu einer motorisierten Endbearbeitungsspindel mit mittlerer oder hoher Drehzahl sehr rasch umschalten, ohne den gesamten Kopf austauschen zu müssen.
Die Erfindung wird nun anhand eines nicht einschränkend aufzufassenden Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlich beschrieben, wobei:
1 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Arbeitskopfes zeigt;
2 eine zum Teil im Querschnitt gezeigte Seitenansicht des in 1 dargestellten Arbeitskopfes ist, wobei die Anordnung der Kupplungen, welche die verschiedenen Spindelanordnungen verriegeln, und die entsprechenden hydraulischen und elektrischen Energieversorgungen, welche die automatischen Betriebsvorrichtungen antreiben, gezeigt sind;
3 die austauschbare Spindelgruppe, auf der eine motorisierte Spindel befestigt ist, schematisch zeigt; und
4 die an der Spindelgruppe befestigte Platte für die Verbindung mit dem entsprechenden Halter zeigt.
In 1 kennzeichnet die Bezugsziffer 1 einen erfindungsgemäßen Arbeitskopf, der an einer Hülse 2 derart befestigt ist, dass er um eine erste Achse C rotieren kann.
Der Kopf besitzt einen Halter 3, der an der Hülse über Lager 4 befestigt ist, wobei eine Spindelgruppe 5 an der Hülse montiert ist. Bei der Spindelgruppe 5 kann es sich um eine Spindel, wie sie in 1 dargestellt ist, oder um eine motorisierte Spindel, wie sie in 3 dargestellt ist, handeln.
Eine Welle 6, die mit einem in der Figur nicht dargestellten Motorsystem verbunden ist, überträgt die Bewegung über ein Kegelradgetriebe 7 auf eine zweite geneigte Welle 8, welche über ein weiteres Kegelradgetriebe 9 eine Welle 10 in Rotation versetzt.
Eine Kupplung bekannter Bauart ist an dem Ende der Welle 10 befestigt, um die Bewegung auf die Welle 11 eines weiteren Kegelradgetriebes 12 zu übertragen, das an der Spindelgruppe befestigt ist und mit einer Kraftspindel 5 verbunden ist.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf den dargestellten Aufbau, sondern deckt auch sämtliche äquivalente Lösungen ab.
So ist z. B. im Falle des Leistungsübertragungssystems die Erfindung nicht auf die Lösung mit einer geneigten Welle beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf Köpfe mit anderen Übertragungsarten, wie z. B. solche mit parallelen und/oder orthogonalen Wellen und dergleichen.
Die Spindelgruppe ist derart geformt, dass sie eine Kupplung für die Verbindung mit einem Körper oder einem Halter 16 mit einer Gruppe aus Stiften oder Schäften 14 bildet, die durch an dem Halter 16 befestigte Greifelemente 15 bekannter Bauart ergriffen werden, um die Spindel 5 zu verriegeln.
Der Halter 16 ist mit Zähnen 17 ausgestattet, die mit an dem Körper der Spindel vorhandenen entsprechenden Zähnen 17' in Eingriff stehen, und wirkt als Positionierungsplatte für die richtige Positionierung der Spindel.
Um die Spindelgruppe bezüglich des Halters 16 genau zu positionieren, können alternativ andere Vorrichtungen anstelle der Referenzzähne angebracht werden, wie z. B. Stifte, die in entsprechende Sitze in dem benachbarten Teil oder anderen Systemen eingeführt werden.
Ein Gruppe aus Schnellverbindungen bekannter Bauart 25 und 26 ist an der Platte befestigt, welche die Schnittstelle zwischen der Spindeleinheit und ihrem Halter bildet, wobei die Kupplungen 25 und 26 so ausgelegt sind, dass sie die Gruppe mit elektrischen Energieversorgungsvorrichtungen und Fluidversorgungsvorrichtungen, z. B. für Schmiermittel, Kühlmittel, oder dergleichen (2), verbinden.
Ein in 2 schematisch gezeigter Motor 18 bewirkt, dass eine entsprechende Verzahnung 20 auf dem Halter 16 über ein Zahnrad 19 mit einem Spannsystem bekannter Bauart in Rotation versetzt wird.
Der über einen Messwandler gesteuerte Motor 18 steuert die Winkelposition der Spindelgruppe um eine Achse A.
Aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung ist klar ersichtlich, dass die Spindelgruppe 5 ohne weiteres entfernt werden kann, da sie nur mit den Übertragungsvorrichtungen über eine Kupplung verbunden ist, wodurch erforderlich wird, die beiden Teile miteinander in Kontakt zu bringen und durch eine einfache, geradlinige Annäherungsbewegung festzuklemmen. Die Spindelgruppe kann daher abgelöst werden, ohne irgendeinen Teil des Kopfes zu entfernen, indem einfach die Greifvorrichtungen bzw. Spannzangen 15 betätigt werden, um die Schäfte oder Stifte 14 zu lösen und die elektrischen und hydraulischen Kupplungen abzukoppeln.
Die Spindel 5 kann daher rasch und ohne weiteres durch eine andere Spindelgruppe ausgetauscht werden, welche dieselbe Kupplung hat, wie z. B. eine motorisierte Spindel, die zur Durchführung von Endbearbeitungen von Fräsaufgaben mit hoher Drehzahl ausgelegt ist.
Während des Betriebs bewirkt dann der Motor 18 eine Rotation des Halters 16, um die Spindel um eine Achse A herum zu positionieren, woraufhin im Falle einer maschinellen Bearbeitung, die mit drei Maschinenachsen durchgeführt wird (3 + 2 Betrieb), der Halter 16 in der erreichten Position verriegelt wird.
Für diesen Zweck ist eine ringförmige Kammer 30 (1) mit Wänden aus deformierbarem Material um den Halter 16 herum vorgesehen.
Die Kammer 30 ist mit Mitteln verbunden, die dazu ausgelegt sind, um ein druckbeaufschlagtes Fluid in die Kammer zu fördern, um die Wände zu deformieren, wodurch sie nach außen hin ausgedehnt werden, um den Halter 16 durch Reibung zu verriegeln.
Die maschinelle Bearbeitung kann begonnen werden, indem man das Spindelwerkzeug mittels des durch die Wellen 6, 8, 10 und 11 gebildeten Übertragungssystems in Rotation versetzt.
Im Falle der maschinellen Bearbeitung mit fünf simultanen Achsen, verändert der Motor 18 kontinuierlich den Winkel der Spindelgruppe unter dem Einfluss einer numerischen Steuerung.
Es sind auch Spanauswurfsvorrichtungen vorgesehen mit einer ringförmigen Kammer 21, welche die Basis des Kopfes umgibt und einen oder mehrere Schlitze enthält, die mit einer Schnellverbindung 22 bekannter Bauart für die Verbindung mit einem Arm 23 ausgestattet ist. Ein weiterer Arm 24, der nahe an dem Werkzeug endet, ist mit dem Ende des Arms 23 verbunden.
Während der maschinellen Bearbeitung werden Späne und/oder Staub durch Kanäle 24, 23 und 21 durch Vorrichtungen bekannter Bauart ausgestoßen. Wenn die Spindel ausgetauscht werden muss, reicht es aus, die Kanäle bzw. Leitungen 23 und 24 abzukoppeln, die dann zusammen mit der Spindel entfernt werden und durch neue Kanäle bzw. Leitungen ersetzt werden, die der an dem Kopf anzubringenden Spindel zugeordnet sind, wobei die neuen Kanäle bzw. Leitungen über einen Schnellverschluss 22 angeschlossen werden.

Claims

Arbeitskopf für automatische Werkzeugmaschinen, umfassend: • einen ersten Halter (3), der auf einer Struktur (2) montiert ist, die sich längs von kartesischen Dreierachsen bewegt, mit Rotationsmöglichkeit um eine erste Achse (C); • einen zweiten Halter (16), der auf besagtem ersten Halter (3) montiert ist und um eine Achse (A) rotieren kann, die im rechten Winkel zur ersten Achse (C) steht; • eine austauschbare Spindelgruppe (5), die auf besagtem zweiten Halter (16) montiert ist; • Mittel, die die Rotation des zweiten Halters um die zweite Achse kontrollieren; • Blockiermittel, die geeignet sind, den zweiten Halter in der Rotation um die zweite Achse zu blockieren; • eine Leistungsübertragung (6, 7, 8, 9, 10), versehen mit einer Kupplung zur Verbindung mit einer Übertragung einer Spindel der besagten Spindelgruppe; gekennzeichnet durch die Tatsache, dass: • besagter zweiter Halter (16) eine Kupplung (14, 15) zur Schnellverbindung der Spindelgruppe aufweist; • besagte Spindelgruppe mit besagter Leistungsübertragung durch eine Kupplung verbunden werden kann, die Teile (10, 11) umfasst, die miteinander in Kontakt gebracht und durch eine gradlinige Annäherungsbewegung blockiert werden.
Arbeitskopf für automatische Werkzeugmaschinen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass besagte Leistungsübertragung eine Wellenübertagung (6, 8, 10) und Kegelradtriebe (7, 9) umfasst und auf der einen Seite mit in der Struktur (2) vorhandenen Antriebsmitteln verbunden ist und auf der entgegengesetzten Seite einen Anschluss zur Verbindung mit auf besagter Spindelgruppe vorhandenen kinematischen Vorrichtungen (12) aufweist.
Arbeitskopf für automatische Werkzeugmaschinen nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass Verbindungsvorrichtungen vorgesehen sind, die auf einer Welle (10) des besagten Übertragungssystems montiert sind, um einer Welle (11) eines Kegelradtriebs (12), der auf der Spindelgruppe montiert und mit der Leistungsspindel (5) verbunden ist, die Bewegung zu übertragen.
Arbeitskopf für automatische Werkzeugmaschinen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass besagter zweiter Halter (16) einen Schnellanschluss (25, 26) zur Verbindung mit elektrisch gespeisten Vorrichtungen und mit hydraulisch gespeisten Vorrichtungen, wie Schmiermittel, bzw. Kühlmittel, aufweist.
Arbeitskopf nach einem beliebigen der vorherigen Ansprüche, bei dem die austauschbare Spindelgruppe (5) eine Motorspindel oder eine Leistungsspindel ist.
Arbeitskopf nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem besagte Blockiermittel eine Kammer (30) mit Wänden aus deformierbarem Material und Mittel umfassen, die geeignet sind, in die Kammer eine unter Druck stehende Flüssigkeit einzubringen, die die Wände deformiert und durch Reibung den zweiten Halter in der rotierten Position blockiert.
Arbeitskopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass besagte Kupplung zur Schnellverbindung der Spindelgruppe aus Spannzangen (15) besteht, die geeignet sind, Schalte (14) aufzunehmen, die fest mit dem Halter der besagten Spindelgruppe (5) verbunden sind.
Arbeitskopf nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass eine auf besagter Struktur (2) montierte ringförmige Kammer (21) vorgesehen ist, die auf der einen Seite mit Ausstoßvorrichtungen verbunden ist und auf der anderen mit Leitungen (23, 24), die in der Nähe des Werkzeugeinsatzes enden.