DE60105663T2

DE60105663T2 - Pneumatische Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE60105663T2
Application number: DE60105663T
Authority: DE
Inventors: Marcel Desmoulins
Original assignee: Recoules SAS
Current assignee: Apex Tool Group SAS
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: ES2232572T3; FR2804353B1; US20010010783A1; US6565293B2; EP1120190B1; FR2804353A1; DE60105663D1; EP1120190A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine pneumatische Werkzeugmaschine, welche besonders für eine Benutzung in der Luftfahrtindustrie geeignet ist.
Pneumatische Maschinen sind weit verbreitet und werden aufgrund ihrer Leistung oft Maschinen mit elektrischem Antrieb vorgezogen.
Aus dem Stand der Technik ist eine pneumatische Werkzeugmaschine bekannt, welche eine Werkzeughalterteleskopspindel aufweist, die eine Antriebswelle aufweist, die von einem pneumatischen Motor zu einer Rotationsbewegung angetrieben ist und auf der aufschiebbar eine Hohlwelle montiert ist, mit der ein Werkzeughalter verbunden ist, und die von einer Steuereinrichtung zu einer Translationsbewegung angetrieben ist, wobei die Steuereinrichtung einen Schlitten umfasst, der von einer Förderschraube über ein Gewindemutterelement, das von dem Schlitten getragen ist, zu einer Translationsbewegung angetrieben ist, wobei die Förderschraube von einem Elektromotor zu einer Rotationsbewegung angetrieben ist.
Derartige Maschinen sind oft mit einem Ring versehen, der eine Verriegelung der Maschine auf einem Bearbeitungsgitter erlaubt.
Nach der Montage der Maschine auf diesem Gitter betätigt eine Zentraleinheit, mit der die Maschine ausgestattet ist, den elektrischen Motor so, dass eine Phase schneller Annäherung des Werkzeugs gestartet wird bis dieses in Kontakt mit dem zu bearbeitenden Werkstück gelangt.
An diese Phase schließt sich eine Bearbeitungsphase im eigentlichen Sinn an. Nach der Bearbeitung ist der Zyklus schließlich abgeschlossen.
Es existieren heutzutage verschiedene Techniken, welche eine Erfassung des Bearbeitungsendes erlauben.
Insbesondere kann die Erfassung des Durchbohrens bewirkt werden, indem die Intensität des von dem elektrischen Motor verbrauchten Stroms gemessen wird. Diese Technik ist in bestimmten Fällen ineffektiv, insofern sie nicht angewandt werden kann, wenn der Elektromotor ein Schrittmotor ist.
Es ist ebenfalls möglich, das Ende des Durchbohrens des Werkstückes zu erfassen, indem man eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit der Antriebswelle der Maschine feststellt. Diese Technik weist gewisse Nachteile auf, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass sie es nicht ermöglicht eine genaue Information zu liefern, sofern die Rotationsgeschwindigkeit der Welle in Abhängigkeit einer großen Anzahl von Parametern variiert, zum Beispiel in Abhängigkeit der Menge von auf dem Werkstück angebrachtem Schmiermittel.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beheben.
Sie betrifft daher eine pneumatische Werkzeugmaschine mit einer Teleskopspindel, die eine Antriebswelle aufweist, die von einem pneumatischen Motor zu einer Rotationsbewegung angetrieben ist und auf der aufschiebbar eine Hohlwelle montiert ist, mit der ein Werkzeughalter verbunden ist, und die von Steuermitteln zu einer Translationsbewegung angetrieben ist, wobei die Steuermittel einen Schlitten aufweisen, der von einer Förderschraube über ein Gewindemutterelement, das von dem Schlitten getragen ist, zu einer Translationsbewegung angetrieben ist, wobei die Förderschraube von einem Elektromotor zu einer Rotationsbewegung angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten mit einem Kraftsensor ausgestattet ist, der zum Messen der auf den Werkzeugträger ausgeübten Schubkraft geeignet ist und an eine zentrale Verarbeitungseinheit angeschlossen ist, in der ein Algorithmus zur Verarbeitung des Signals, das von dem Sensor geliefert wird, und zur Überwachung des Vorschubs des von der Spindel getragenen Werkzeugs gespeichert ist.
Die Werkzeugmaschine kann des weiteren eines oder mehrere der folgenden Merkmale, jeweils für sich genommen oder in allen technisch möglichen Kombinationen, aufweisen:

– der Algorithmus zur Verarbeitung weist Softwaremittel auf zur Berechnung des Unterschieds zwischen dem von dem Sensor gelieferten Signal und einen Schubkraftschwellenwert, der einem Minimalwert der während der maschinellen Bearbeitung auf das Werkzeug ausgeübten Schubkraft entspricht,
– die Mittel zur Berechnung bilden Mittel zur Erfassung des Fortschritts des Durchbohrens eines Werkstückes während der maschinellen Bearbeitung,
– der Elektromotor ist ein Schrittmotor, und die Maschine weist zusätzlich einen Zähler zum Messen der axialen Verschiebung des Werkzeugs auf, wobei die zentrale Verarbeitungseinheit einen Bearbeitungszyklus in Ansprechen auf die Erfassung eines Endes des Durchbohrens anhält, sobald das Werkzeug nach dem Durchbohren um eine vorbestimmte Distanz vorgerückt ist,
– der Sensor ist zwischen einem Organ zum Blockieren des Gewindemutterelements auf dem Schlitten und dem Gewindemutterelement montiert,
– der Sensor ist in ein Halteorgan des Gewindemutterelements auf dem Schlitten integriert,
– der Sensor ist zwischen einem Halteorgan und dem Schlitten montiert,
– der Sensor ist von einem Dehnungsmessgerät gebildet,
– der Sensor ist von einem piezoelektrischen Sensor gebildet,
– der Sensor ist in eine Wheatstone-Brücke eingebaut.

Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden rein beispielhaften Beschreibung hervorgehen, welche Bezug auf die beigefügten Zeichnungen nimmt, auf denen:
1 eine Teilquerschnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist;
2 eine schematische Teilansicht einer Variante der Werkzeugmaschine aus 1 ist; und
3 die Variation des von dem Kraftsensor gelieferten Signals in Abhängigkeit von der Zeit veranschaulicht.
In 1 ist eine erfindungsgemäße pneumatischen Werkzeugmaschine im Schnitt dargestellt, welche mit der allgemeinen Bezugsziffer 10 bezeichnet ist.
Die Maschine 10 umfasst im Inneren eines Gehäuses 12 einen pneumatischen Motor 14, der mit Druckluft versorgt ist und mit einer geeigneten Versorgungsquelle verbunden ist, eine Werkzeugträgerteleskopspindel 18 und Steuermittel 24 für die axiale Erstreckung der Werkzeughalterspindel 18.
Der pneumatische Motor 14 und die Steuermittel für die axiale Erstreckung der Spindel 18 sind mit einer zentralen (auf dieser Figur nicht sichtbaren) Verarbeitungseinheit verbunden, welche auf einer Karte mit integrierten Schaltkreisen 26 angeordnet ist und in der auf konventionelle Weise eine oder mehrere Steueralgorithmen der Maschine gespeichert sind.
Die Teleskopspindel 18 umfasst eine Antriebswelle 28, welche in axialer Bewegungsrichtung feststeht und über einen Satz von Ritzeln 20 und 22 von dem pneumatischen Motor 14 zu einer Rotationsbewegung angetrieben ist, und eine Hohlwelle 36, mit der ein Werkzeughalter 30 verbunden ist, der mit Mitteln ausgestattet ist, welche die Montage eines (nicht dargestellten) Werkzeugs erlauben und der sowohl drehbar als auch verschiebbar montiert ist.
Des weiteren ist die Maschine 10 auf konventionelle Weise mit einem Fühlerrohr 32 ausgestattet, welches mit einem Pneumatikzylinder ver bunden ist, um eine genaue Information was die Position des Werkzeugs in Bezug auf das Werkstück betrifft, zu übertragen, wobei diese Information von der Zentraleinheit so übertragen wird, dass der Maschine ermöglicht wird, die Verschiebung der Hohlwelle 36 und des Werkzeughalters 30 dementsprechend davon zu korrigieren.
Das Fühlerrohr 32 ist von einem Verriegelungsring 34 der Maschine auf einem Bearbeitungsgitter umgeben.
Die Steuermittel der axialen Erstreckung der Werkzeughalterspindel 18 umfassen die Hohlwelle 36 und einen Schlitten 38, der mit einem Gewindemutterelement mit Rollenumlauf ausgestattet ist, das auf 2 zu sehen ist.
Die Welle 36 wird von dem Schlitten 38 zu einer Translationsbewegung angetrieben, wobei dessen Gewindemutterelement 40 von einer Förderschraube 42 gequert wird, die von einem Elektromotor 44, wie beispielsweise einem Schrittmotor, über einen Riemen 46 und Riemenscheiben 48, 50 zu einer Rotationsbewegung angetrieben wird. Der Elektromotor 44 wird von der Zentraleinheit gesteuert.
Wie man auf 1 sieht, ist das proximale Ende des Werkzeughalters 40 in Translationsrichtung mit der Welle 36 fest verbunden.
Somit verursacht, wie man versteht, die Rotation der Förderschraube 42 unter der Einwirkung des Gewindemutterelements 40 mit Rollenumlauf eine darauf folgende Translationsbewegung der Welle 36 und somit einen Vorschub des Werkzeughalters 30.
Um den Vorschub des Werkzeughalters 30 der Werkzeughaltespindel 18 zu steuern, weist die Maschine 10 einen in den Schlitten 38 integrierten Kraftsensor auf, welcher geeignet ist, die auf die Teleskopspindel 18 und insbesondere auf den Werkzeughalter 30 ausgeübte Schubkraft zu messen.
Der Kraftsensor ist mit der zentralen Verarbeitungseinheit so verbunden, dass er letzterer ein Messsignal der ausgeübten Kraft liefert.
Der Kraftsensor ist vorzugsweise von einem Dehnungsmessgerät gebildet, so dass eine vergleichsweise genaue Angabe der ausgeübten Kraft bei reduzierten Kosten geliefert wird.
Man versteht allerdings, dass das Dehnungsmessgerät durch einen piezoelektrischen Sensor ersetzt werden kann, wenn man eine gesteigerte Genauigkeit erhalten möchte.
Wie man auf 1 sieht, ist ein Kraftsensor 52 beispielsweise zwischen einem Halteorgan 53 und dem Schlitten 38 montiert.
In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist ein Kraftsensor 55 zwischen dem von dem Schlitten 38 getragenen Gewindemutterelement 40 und einem Blockierorgan 56 des Gewindemutterelements auf dem Schlitten 38 angeordnet.
Genauer ist der Kraftsensor 52 in eine nicht dargestellte Wheatstone-Brücke vom üblichen Typ eingebaut und liefert auf diese Weise der zentralen Verarbeitungseinheit eine Spannung, die repräsentativ für die auf die Teleskopspindel 18 und auf den Werkzeughalter 30 ausgeübte Kraft ist.
Der Elektromotor 44, der die Förderschraube 42 (2) zu einer Rotationsbewegung antreibt, besteht aus einem elektrischen Schrittmotor.
Er ist mit einem Zähler verbunden, der bei jeder Drehung der Förderschraube 42 inkrementiert wird und somit eine Angabe über die axiale Verschiebung des Werkzeugs gibt.
Beispielsweise ist für die Durchbohrung die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs linear und variiert zwischen 0 und 700 mm pro Minute.
Dies erlaubt es, eine genaue Angabe der Bohrungstiefe zu liefern und diese ununterbrochen zu überprüfen. Es ist auf diese Weise möglich, in einem gegebenen Material schneller oder langsamer vorzurücken, Reinigungszyklen durchzuführen, punktuelle Ausfahrvorgänge der Spindel ohne Rotation durchzuführen,...
Die in der vorstehend beschriebenen Maschine 10 angewandte Technik wird nun unter Bezugnahme auf 3 für den Fall der Durchbohrung eines Werkstücks dargelegt.
Zunächst wird während einer ersten Phase I der elektrische Schrittmotor 44 so aktiviert, dass er eine Phase schneller Annäherung ohne Berührung des zu durchbohrenden Werkstücks durchläuft.
Während dieser Phase I ist das von dem Kraftsensor 52 oder 55 gelieferte Signal im Wesentlichen Null.
Am Ende dieser Anfangsphase I entspricht die spätere Phase II der Bearbeitung des Werkstücks im eigentlichen Sinn.
Man bemerkt, dass diese Phase beginnt, wenn das von dem Sensor 52 oder 55 gelieferte Signal S einen Schwellenwert S_min überschreitet, der einem Minimalwert der ausgeübten Schubkraft während der Bearbeitung eines Werkstücks entspricht.
Beispielsweise entspricht dieser Schwellenwert S_min einer Kraft von 20 kg für das Bohren einer Bohrung mit einem Durchmesser von 7 mm.
Man bemerkt, dass sobald das Signal S diesen Schwellenwert S_min überschreitet, was bedeutet dass die Maschine im Arbeitsfortschrittsmodus ist, die Zentraleinheit die Verarbeitung des Signals S im eigentlichen Sinne so durchführt, dass sie eine Kontrolle des Vorschubs des Werkzeugs durchführt.
Insbesondere stellt die Zentraleinheit, um das Ende der Durchbohrung des Werkstücks festzustellen, den Moment fest, in dem das Signal S von Neuem unter diesen Schwellenwert S_min sinkt, was dem Ende des Durchbohrens des Werkstücks entspricht.
Sobald das Ende des Durchbohrens festgestellt worden ist, liest die Zentraleinheit den Zählwert des Zählers und verfährt dann weiter mit einem Anhalten des Bearbeitungszyklus, sobald das Werkzeug nach der Durchbohrung um eine vorbestimmte Distanz, beispielsweise um 10 mm, vorgerückt ist.
Man versteht, dass die vorstehend beschriebene Erfindung, welche zur Kontrolle des Vorschubs des Werkzeugs einen mit einem den Vorschub des Werkzeugs verursachenden Gewindemutterelement verbundenen Kraftsensor verwendet, es erlaubt, eine genaue Angabe des Endes des Bearbeitungsvorgangs eines Werkstücks zu liefern und somit einen Bearbeitungszyklus für einen Anfangswert der Verschiebung zu optimieren.
Man bemerke schließlich, dass die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist.
In der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Werkzeugmaschine ist nämlich der Kraftsensor zwischen dem Halteorgan des Gewindemutterelements in dem Schlitten und dem Gewindemutterelement montiert.
Er könnte ebenso in einer Variante in das Halteorgan selbst integriert sein.

Claims

Pneumatische Werkzeugmaschine mit einer Teleskopspindel (18), die eine Antriebswelle (28) aufweist, die von einem pneumatischen Motor (14) zu einer Rotationsbewegung angetrieben ist und auf der aufschiebbar eine Hohlwelle (36) montiert ist, mit der ein Werkzeughalter (30) verbunden ist, und die von Steuermitteln (24) zu einer Translationsbewegung angetrieben ist, wobei die Steuermittel einen Schlitten (38) aufweisen, der von einer Förderschraube (42) über ein Gewindemutterelement (40), das von dem Schlitten (38) getragen ist, zu einer Translationsbewegung angetrieben ist, wobei die Förderschraube von einem Elektromotor zu einer Rotationsbewegung angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten mit einem Kraftsensor (52; 55) ausgestattet ist, der zum Messen der auf den Werkzeugträger (30) ausgeübten Schubkraft geeignet ist und an eine zentrale Verarbeitungseinheit angeschlossen ist, in der ein Algorithmus zur Verarbeitung des Signals, das von dem Sensor geliefert wird, und zur Überwachung des Vorschubs des von der Spindel getragenen Werkzeugs gespeichert ist.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus zur Verarbeitung Softwaremittel aufweist zur Berechnung des Unterschieds zwischen dem von dem Sensor (52; 55) gelieferten Signal (S) und einem Schubkraft- Schwellenwert, der einem Minimalwert der während der maschinellen Bearbeitung auf das Werkstück ausgeübten Schubkraft entspricht.
Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Berechnung Mittel zur Erfassung des Fortschritts des Durchbohrens eines Werkstückes während der maschinellen Bearbeitung bilden.
Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Schrittmotor ist, und dass sie zusätzlich einen Zähler zum Messen der axialen Verschiebung des Werkzeugs aufweist, wobei die zentrale Verarbeitungseinheit das Anhalten eines Bearbeitungszyklus als Antwort auf die Feststellung eines Endes des Durchbohrens steuert, sobald das Werkzeug nach dem Durchbohren um eine vorbestimmte Distanz vorgerückt ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (55) zwischen einem Organ (56) zum Blockieren des Gewindemutterelements (40) auf dem Schlitten (38) und dem Gewindemutterelement (40) montiert ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in ein Halteorgan des Gewindemutterelements auf dem Schlitten integriert ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (52) zwischen einem Halteorgan (53) und dem Schlitten (38) montiert ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (52; 55) von einem Dehnungsmessgerät gebildet ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (52; 55) von einem piezo-elektrischen Sensor gebildet ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (52; 55) in eine Wheatstone-Brücke eingebaut ist.