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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist eine Maschine zur Bearbeitung eines
Profilteils großer
Länge und
ein entsprechendes Verfahren, siehe beispielsweise US-5343503A;
der Begriff "Bearbeitung" ist hier so definiert,
dass er außer
den herkömmlichen
spanabhebenden Arbeitsgängen,
wie dem Fräsen,
dem Drehen, dem Bohren, dem Schneiden etc. andere Arbeitsgänge wie
das Markieren, das Montieren, das Schweißen oder die Anbringung von Befestigungselementen
wie Nieten umfasst, und zwar jedes Mal mit einem geeigneten Werkzeug.
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Solche
zu bearbeitenden Profilteile großer Länge werden beispielsweise in
der Luftfahrt angewandt, um Verstärkungen für die Ummantelung des Luftfahrzeugs
zu bilden; sie können
gerade oder in einem Kreisabschnitt oder in einem evolutiven Radius
gewölbt
sein, insbesondere wenn sie Rahmen bilden müssen. Gewisse Schwierigkeiten
in ihrer Bearbeitung rühren
von starken Abweichungen (die mehrere Millimeter erreichen können) zwischen
ihren nominalen Abmessungen und ihren Realabmessungen her, sowie
von ihrer Nachgiebigkeit bzw. Elastizität, die starke Verformungen
in Erscheinung treten lässt, wenn
die Bearbeitungskräfte
aufgebracht werden. Die Bearbeitung kann auch je nach Fall interne
Spannungen und damit weitere Verformungen hervorrufen oder freisetzen.
Die wirkliche Form des Profilteils ist also nicht mit einer Präzision festgelegt,
die es gestattet, die Bearbeitungsgänge korrekt auszuführen, und
sie variiert auch noch während
dieser Bearbeitungsgänge.
Es ist eine manuelle Endkalibrierung notwendig, um dem Profilteil
die gewünschte
Form zu verleihen.
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Eine
Möglichkeit,
das Profilteil zu bearbeiten, besteht darin, es in mehrere feststehende
Spannfutter einzuspannen, deren Positionen einer theoretischen Form
des Profilteils entsprechen, und die Werkzeuge der Reihe nach an
die zu bearbeitenden Stellen zu führen. Die Spannfutter müssen genügend starr
sein, um den auftretenden Kräften
bzw. Beanspruchungen zu widerstehen. Diese Art von Vorgehensweise
ist für
die Profilteile von mehreren Metern Länge mit ausreichender Präzision nur
schwer umzusetzen.
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Spezialmaschinen
mit numerischer Steuerung sind ebenfalls entworfen worden. Die französischen
Patente 2685239 und 2799673 offenbaren zwei hiervon. Sie umfassen
im wesentlichen ein Paar Spannfutter des Profilteils, deren Abstand
gering ist, um zwischen ihnen ein sogenanntes Fenster mit einer
geringen Länge
des Profilteils auszusparen, an dem die Bearbeitung vorgenommen
wird. Die Spannfutter haben die Funktion, den Abschnitt des Profilteils,
der in dem Fenster enthalten ist, seine theoretische Form zu vermitteln
und es während
der Bearbeitung dort zu halten, wobei der Rest des Profilteils frei
ist. Wenn die Bearbeitung abgeschlossen ist, wird eines der Spannfutter
gelöst
und das andere durch eine automatische Steuerung verschoben, wobei
das Profilteil mit ihm eingespannt bleibt; eine Schaltung der Einspannung
der Spannfutter ermöglicht
anschließend
eine Rückführung des
beweglichen Spannfutters nahe an das andere, ohne das Profilteil zu
bewegen, von dem ein neuer Abschnitt dann in das Fenster eingebracht
wird und seinerseits bearbeitet werden kann.
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Solche
Maschinen stellen einen erheblichen Fortschritt dar. Sie nehmen
wenig Platz ein und sind unkompliziert, wobei sie außer dem
Werkzeughalter nur das Spannfutterpaar aufweisen. Sie ermöglichen schnelle
Montagen und Demontagen des Profilteils; und indem sie dem Abschnitt
der Profilteile, der in dem Fenster enthalten ist, eine ausreichende
Starrheit bzw. Steifigkeit verleihen, ermöglichen sie genauere Bearbeitungsgänge mit
schnellerer Schneidgeschwindigkeit, welche die Qualität der Bearbeitung verbessern
und die dem Profilteil auferlegten Verformungen dank der Schwingungsdämpfung und
der Dämpfung
der Schneidbeanspruchung reduzieren.
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Diese
Maschinen sind jedoch nicht für
alle Profilteile angebracht. Es können bei den längsten Profilteilen,
deren Wölbung
stark ist, Begrenzungen der ordnungsgemäßen Funktionsweise auftreten,
da die Führung
durch die Spannfutter hierbei schwierig wird. Da die Ungenauigkeit
jeder Bewegung der Spannfutter sich längs des Profilteils kumuliert,
können
die letzten Bearbeitungsgänge
mit einer übermäßigen longitudinalen
Versetzung erfolgen.
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Die
Erfindung ist in Anbetracht dieser Unzulänglichkeiten getätigt worden
und besteht in ihrer allgemeinsten Form aus einer Maschine zur Bearbeitung
eines Profilteils großer
Länge,
mit einem Werkzeughalter, einem Paar von Spannfuttern, die längs des
Profilteils beweglich sind, sowie Mechanismen zum Verschieben der
Spannfutter und des Werkzeughalters, dadurch gekennzeichnet, dass
sie eine Halterung des Profilteils umfasst, die eine stationäre Struktur
aufweist, sowie Spannfutter des Profilteils, die an der stationären Struktur über elastische
Verbindungen angebracht sind.
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In
Bezug auf den Stand der Technik nimmt die vorliegende Maschine das
Konzept beweglicher Spannfutter des Profilteils auf, um ein Bearbeitungsfenster
zu umgrenzen, die beweglichen Spannfutter verschieben aber das Profilteil
nicht, das an den tragenden Spannfuttern stationär bleibt: sie bewegen sich
mit dem Werkzeughalter längs
des gesamten Profilteils, und zwar um denjenigen Abschnitten des Profilteils,
die sie der Reihe nach einspannen, die theoretische Form zu vermitteln,
ohne aber während ihrer
Bewegungen einen größeren kumulierten
Fehler zu erzeugen. Die stationären
Spannfutter sind mit nachgiebigen bzw. elastischen Verbindungsteilen versehen,
um den dem Profilteil von den beweglichen Spannfuttern vermittelten
Bewegungen zu folgen, ohne interne Spannungen bzw. Beanspruchungen
zu erzeugen. Die beweglichen Spannfutter können hierbei bis zu Positionen
verschoben werden, die vorher durch Markierungen festgelegt worden
sind, das heißt
in Bezug auf einen feststehenden Bezugspunkt, und ergeben eine vergleichsweise
größere Präzision gegenüber Maschinen, welche
mittels inkrementalen Verschiebungen arbeiten, wie sie die oben
genannten französischen
Patente beschreiben.
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Die
Elastizität
der Anbringung der stationären
Spannfutter vermeidet ein hyperstatisches Verhalten, das leicht
durch Kumulierung von starren stationären Spannfuttern und starren
beweglichen Spannfuttern in Erscheinung treten könnte, insbesondere bei einer
automatisierten Bearbeitung, bei der die Möglichkeiten einer Kontrolle
und einer Intervention im Fall einer Beschädigung oder übermäßigen Verformung
des Profilteils geringer sind.
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Ein
besonders wichtiger Fall ist der der gewölbten Profilteile. Die Maschine
umfasst hierbei vorteilhafterweise eine zentrale stationäre Säule, an
der die stationäre
Struktur angebracht ist, wobei ein Paar Arme sich um die Säule herum
drehen und jeweils an den beweglichen Spannfuttern enden, sowie
einen Portalrahmen, der dem Werkzeughalter zugeordnet ist und von
der Säule
sowie einer kreisförmigen,
zu der Säule
konzentrischen Schiene gehalten wird.
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Es
ist zu ersehen, dass sich drehende Arme leicht mit bestimmten Winkelpositionen
gesteuert werden können.
Der Portalrahmen bleibt hierbei an seinen beiden Enden gut gestützt und
kann so auf starke Schneidkräfte
reagieren.
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Die
stationäre
Struktur besteht vorteilhafterweise aus Armen, die aus gleitenden
Abschnitten gebildet sind, deren Gesamtlänge einstellbar ist: sie können sich
so an unterschiedliche Profilteile anpassen, insbesondere mit unterschiedlichen
Durchmessern und/oder mit einem evolutiven Radius, und zwar in dem
vorher betrachteten Fall einer Maschine mit stationärer zentraler
Säule,
an der alle diese Arme in einer radiusartigen Anordnung enden.
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Die
beweglichen Spannfutter und ihre Halterungen können hierbei analog zu den
stationären Spannfutter
sein, wobei die beweglichen Spannfutter nur den Abschnitt des im
Fenster vorhandenen Profilteils in eine bestimmte Position bringen
müssen.
In dem üblichen
Fall eines planen Profilteils ist es von Vorteil, dass die beweglichen
Spannfutter an unabhängigen und
verformbaren Halterungen angebracht sind, beispielsweise auch in
Form von von den gleitenden Abschnitten gebildeten radiusartigen
Armen, die die beweglichen Spannfutter senkrecht zu dem Profilteil
in ihrer Ebene bewegen können,
und die auch um eine zu dieser Ebene senkrechte Achse herum schwenken
können,
wobei sie starr werden, wenn die gewünschten Positionen der Spannfutter erreicht
worden sind.
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Schließlich wird
eine einfache Funktionsweise, welche die Bewegung der beweglichen
Spannfutter erleichtert, auch dann erreicht, wenn die stationären Spannfutter
mit einem Mechanismus ausgestattet sind, der es ermöglicht,
sie einzuziehen.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Bearbeitungsverfahren eines Profilteils
großer
Länge,
das mit einer Maschine mit numerischer Steuerung durchgeführt wird,
die ein Paar beweglicher Spannfutter umfasst, welche sukzessive
Abschnitte des Profilteils einspannen, sowie ein zwischen den beweglichen Spannfuttern
angeordnetes Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilteil
an einer Halterung an einer im wesentlichen feststehenden Position
festgehalten wird und die beweglichen Spannfutter und das Werkzeug
sich längs
des Profilteils auf einer gesamten, zu bearbeitenden Länge verschieben.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der dieser Beschreibung beigefügten Figuren
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf die Maschine,
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2 eine
Seitenansicht der Maschine,
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3 eine
Ansicht eines beweglichen Spannfutters,
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4 eine
Ansicht eines Arms zum Halten eines der beweglichen Spannfutter,
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5 eine
Ansicht eines stationären
Haltearms eines stationären
Spannfutters zur Halterung, und
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6 eine
Ansicht eines stationäres
Spannfutters sowie von benachbarten Abschnitten des Arms.
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Die
Maschine umfasst zunächst
(1 und 2) einen Portalrahmen 1 mit
einem oberen Träger 2,
einer zentralen Säule 3 und
einer kreisförmigen,
konzentrischen Bahn 4. Der Träger 2 umfasst einen
Werkzeughalter 5, der mehrere Achsen aufweisen kann und
der mit einem Bearbeitungswerkzeug versehen ist (in der zu Beginn
angegebenen Definition). Der Werkzeughalter 5 kann das
Werkzeug 39 in einem ziemlich großen Bearbeitungsraum unter
dem Portalrahmen bewegen. Der Träger 2 wird
durch Drehung um die zentrale Säulen
durch einen Zahnstangentrieb ohne Spiel bewegt, der aus einem an
der zentralen Säule 3 befestigten
Zahnkranz 6 und einem Ritzel 7 besteht, die durch
einen Schrittschaltmotor 8 angetrieben werden und einstückig bzw.
fest verbunden mit dem Träger 2 sind.
Die Drehbewegung des Trägers 2 kann
kontinuierlich oder unterbrochen sein, wie später erläutert wird. Die Maschine umfasst
auf jeden Fall eine numerische Steuerung 9, die hier nicht
symbolisiert ist und die in jedem Augenblick die Position und die
Bewegung des Trägers 2 bestimmen kann.
Es können
mechanische Kodierer und Anzeiger verwendet werden, oder aber weitere
bekannte Mittel, um die Bewegung des Trägers 2 zu verfolgen oder
ihn an bestimmten Positionen anzuhalten. Die Arbeitsgänge können bei
angehaltenem Träger 2 oder
auch bei einem sich bewegenden Träger ausgeführt werden.
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Die
Maschine umfasst außerdem
ein Paar Arme 10 (1, 2, 3 und 4),
die von der Säule 3 unter
dem Träger 2 gehalten
werden, sowie Spannfutterhalter 11 an ihrem von der Säule 3 entfernten
Ende. Die Spannfutter 11 dienen zum Festhalten des Profilteils 12.
Sie sind mit Backen zur Positionierung und zum Festhalten ausgestattet,
deren Anordnung und Form für
den Querschnitt des Profilteils 12 geeignet sind. In dem
hier dargestellten Fall (3) eines viereckigen Profilteils 12 sind
eine vertikale feststehende Spannbacke 13, eine vertikale bewegliche
Spannbacke 14 gegenüber
der ersteren, eine horizontale feststehende Spannbacke 15 und eine
horizontale bewegliche Spannbacke 16 gegenüber der
vorgenannten zu erkennen, wobei alle diese Spannbacken an einer
bogenförmigen
Halterung 17 angeordnet sind. Die feststehenden Spannbacken 13 und 15 liefern
einen Positionsbezug durch das Anlegen des Profilteils 12,
und die beweglichen Spannbacken 14 und 16, die
von Hydraulikzylindern betätigt werden,
deren druckbeaufschlagte Flüssigkeit
in Leitungen 18 enthalten ist, liegen an den beiden anderen
Flächen
des Profilteils 12 an und vervollständigen das Festhalten bzw.
Einklemmen. Die Arme 10 bestehen aus einem Abschnitt 19,
der mit der zentralen Säule 3 verbunden
ist, einem Abschnitt 20, welcher den vorangehenden verlängert und
in diesem gleitet, sowie aus einem Plateau 21, das mit
dem Abschnitt 20 über
einen vertikalen Gelenkpunkt 22 verbunden ist. Eine Ausfahrbewegung
des Abschnitts 20 in Radialrichtung ebenso wie ein Drehen/Schwenken
des Plateaus 22 um die Vertikalachse werden durch die numerische
Steuerung 9 gesteuert, um den Aktionsradius und die Richtung
des Abschnitts des Profilteils 12, den das Spannfutter 11 festhält, einzustellen.
Die beiden Arme 10 und die beiden Spannfutter 11 werden
unabhängig
gesteuert. Wenn sie beide das Profilteil 12 festhalten,
legen sie ein Bearbeitungsfenster unter sich fest, in dem das Werkzeug 39 arbeitet,
wobei das Profilteils 12 an dieser Stelle an seiner theoretischen
Position gehalten wird.
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Die
Arme 10 werden durch ein Paar kreisförmiger Schienen 40 und 41 gehaltert,
mit denen die Säule 3 versehen
ist. Sie können
auch auf den Schienen 40 und 41 um die Säule 3 herum
auf kontinuierliche oder nicht-kontinuierliche Weise bewegt werden,
und zwar durch die numerische Steuerung 9 über Mittel,
die analog zu denjenigen des Trägers 2 sind.
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Es
wird nun zu der Beschreibung der Halterungsmittel des Profilteils 12 (1, 2, 5 und 6) übergegangen.
Sie tragen allgemein die Bezugsziffer 23 und bestehen aus
Armen 24 und stationären
Spannfuttern 25. Die Arme 24 umfassen einen Abschnitt 26 zum
Einstecken, der mit der zentralen Säule 3 verbunden ist,
einen mittleren Abschnitt 27, welcher den vorangehenden
verlängert
und an diesem befestigt ist, einen Endabschnitt 28, der
am vorangehenden befestigt ist und das Spannfutter 25 am
Scheitel eines Säulchens 29 trägt. Die Endabschnitte 28 können leicht
durch analoge Abschnitte ersetzt werden, die aber ein Säulchen 29 unterschiedlicher
Höhe aufweisen,
oder durch Spannfutter 25 unterschiedlicher Form, je nach
dem Querschnitt des Profilteils oder der Art der durchzuführenden
Bearbeitung.
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Der
Verbindungs- bzw. Einsteckabschnitt 26 kann um die Säule 3 herum
gedreht werden, indem er auf einem Paar kreisförmiger Schienen 42 und 43 gleitet,
mit denen diese ausgestattet ist. Der Mittelabschnitt 27 kann
aus dem Einsteckabschnitt 26 ausgefahren werden. Der Endabschnitt 28 kann
sich in Bezug auf den Mittelabschnitt 27 um eine vertikale
Achse 44 drehen. Alle diese Bewegungen sind Regelungen
unterworfen, die vor der Bearbeitung getroffen werden, um das Spannfutter 25 an
der gewünschten Position
anzuordnen und sich einer variablen Krümmung des Profilteils 12 anzupassen;
sie werden anschließend
durch nicht-dargestellte Blockierschrauben arretiert. Eine schwingungsdämpfende
Halterung 45 ist zwischen das Ende des Arms 24 und
den Boden eingefügt.
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Ein
gelenkiger Hebel 30 am Scheitel des Säulchens 29 trägt das Spannfutter 25.
Ein Zylinder 31 ist zwischen einem Ende des Hebels 30 und
einem feststehenden Punkt des Endabschnitts angeordnet. Das Spannfutter 25 kann
ein leichteres Festklemmen ausüben
als die mit der Bearbeitung verbundenen Spannfutter 11:
es kann also mit einer feststehenden Spannbacke 32 mit
oberer Druckstelle ausgestattet werden, die zwei laterale Flächen und eine
untere Auflagefläche
des Profilteils 12 umfasst, sowie mit einer Spannbacke 33,
die unter der Einwirkung eines Hydraulikzylinders 46 hin-
und herbeweglich ist, um eine obere Spannbacke zu ergeben und das
Profilteil 12 am Druckteil zu halten. Ein wesentliches
Element besteht darin, dass das Druckteil 32 auf elastische
Weise (oder "nachgiebig" gemäß einer bei
dieser Technik häufigen
Bezeichnung) an dem Hebel 30 über elastische Blöcke 35,
angebracht ist, welche Bewegungen des Profilteils 12 in
der Ebene der 5 und 6 in der
Radialrichtung und um eine Vertikalachse zulassen. Die Halterung
passt sich so den vom Profilteil 12 während der Bearbeitung erfahrenen
Verformungen an und vermeidet es, überschüssige Kräfte auf dieses zu übertragen,
indem eine ausreichende Positionshaltung, insbesondere in der Horizontalebene
des Profilteils 12, erreicht wird. Der Zylinder 31 wird
dazu verwendet, das Spannfutter 25 zurückzuziehen, wobei es abgesenkt wird,
wobei die Spannbacke 33 eingezogen wird, um das Profilteil 12 freizugeben,
indem jegliche Kollision mit den beweglichen Spannfuttern 11 während deren Bewegungen
längs des
Profilteils 12 vermieden wird.
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Unter
der Halterungsarmen 24 ist auch noch einer anzumerken,
der sich etwas unterscheidet, da er kein Spannfutter 25 trägt, sondern
einen Anschlag 38, der dazu bestimmt ist, ein Ende des
Profilteils 12 festzukeilen und so der Maschine einen Positionsbezug
zu liefern.
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Drei
Bearbeitungsgänge
können
angewandt werden. Der erste kann als durch "Maschen und aufeinanderfolgende Fenster" ("par mailles et fenêtrages
successifs") bezeichnet
werden und umfasst die folgenden Schritte. Das Profilteil 12 wird
auf die durch die feststehenden Spannfutter 25 gebildeten
Halterungen aufgebracht. Eines seiner Enden kann an einem Anschlag 38 zur
Anlage gebracht werden. Die feststehenden Spannfutter 25 werden
angezogen. Die beweglichen Spannfutter 11 werden an einem Bearbeitungsanfangsabschnitt
des Profilteils 12 angeordnet und so angezogen, dass sie
ein erstes Bearbeitungsfenster festlegen. Der Portalrahmen 1 wird hierbei
an einer indizierten Position oberhalb des Fensters angeordnet und
die Bearbeitung wird durch den Werkzeughalter 5 durchgeführt, wobei
der Portalrahmen 1 feststehend bleibt. Danach wird eines der
beweglichen Spannfutter 11 längs des Profilteils 12 gelegt,
wobei es durch einen geringeren Festklemmdruck auf diesem gehalten
wird, was es ihm gestattet, weiterzugleiten, bis es die zweite gewünschte Position
einnimmt; das zweite bewegliche Spannfutter 11 bleibt während dieser
Zeit angezogen, löst
sich jedoch, wenn das erste bewegliche Spannfutter 11 seine
zweite Position erreicht hat und wieder angezogen worden. Die zweite
bewegliche Spannbacke 11 bewegt sich längs des Profilteils mit dem
Festziehdruck, der ihr ein Gleiten bis zum Erreichen seiner zweiten
festgelegten Position gestattet: dabei wird ein zweites Bearbeitungsfenster
gebildet, wenn das zweite bewegliche Spannfutter 11 wieder angezogen
wird, und das Werkzeug 6 führt diese zweite Bearbeitung
nach einer eventuellen Bewegung des Portalrahmens 1 durch.
Ebenso wird für alle
weiteren Bearbeitungsfenster vorgegangen; das Profilteil 12 ist
in seiner Bewegung in den weiter oben genannten Grenzen an den Halterungsspannfuttern 25 frei
beweglich, indem die elastischen Blöcke 35 verformt werden,
welche die ursprünglichen
Formfehler und andere Verformungen des Profilteils 12 ausgleichen.
Es ist anzumerken, dass das Profilteil 12 von den feststehenden
Spannfuttern 25 in einer Horizontalebene gehalten wird,
und dass die beweglichen Spannfutter 11 (von denen eines
immer gut festgezogen ist) den bestehenden Translationsgrad und
Rotationsgrad des Profilteils 12 annehmen. Ein isostatische
Anbringung wird also während
der gesamten Bearbeitung dort, wo sie stattfindet, beibehalten,
wobei das Profilteil 12 anderweitig über eine ausreichend elastische
Anbringung verfügt.
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Die
Bearbeitungsfenster können
in beliebiger Reihenfolge längs
des Profilteils 12 abgearbeitet werden.
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Der
zweite in Betracht kommende Bearbeitungsvorgang wird als "in Bändern und
mit kontinuierlicher Bewegung des Bearbeitungsfensters" ("par bandes et déplacement
continu du fenêtrage") bezeichnet. Er
wird beispielsweise angewandt, um eine komplette Seite des Profilteils 12 auf
seiner gesamten Länge
abzurichten. Eines der Enden des Profilteils 12 wird am
Anschlag 38 zur Anlage gebracht. So wird das Profilteil 12 durch
die feststehenden Spannfutter 25 in einer Horizontalebene
und durch den Anschlag 38 in einem feststehenden horizontalen
Bezug gehalten. Um Wiederaufnahmemarken der Bearbeitung von einem
Fenster zum anderen zu vermeiden, werden die beiden beweglichen
Arme 10 gleichzeitig längs
des Profilteils 12 synchron mit dem Werkzeug 39 bewegt,
wobei der Festklemmdruck der Spannfutter 11 geregelt wird,
um Gleitbewegungen zu ermöglichen.
Wenn die Bearbeitungslänge
die Tragweite des Werkzeughalters 5 überschreitet, wird der Träger 2 um
die Säule 3 mit
der gewünschten
Geschwindigkeit bewegt.
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Ein
Zwischenverfahren bestünde
darin, aufeinanderfolgende Fensterbildungen auf einem Arbeitsband
durchzuführen,
wobei das Werkzeug 39 dauernd bewegt würde und die beweglichen Spannfutter 11 bewegt
würden,
wenn das Werkzeug 39 am Ende eines Fensters ankommt.