-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Werkzeugspindelkopf
für Mehrachsen-Werkzeugmaschinen,
identifizierbar wie in dem Oberbegriff des anhängenden Patentanspruches 1.
-
Ein
nach der Erfindung ausgeführter
Werkzeugspindelkopf ist in der Lage, Bohr-, Anfas- oder andere Bearbeitungsvorgänge automatisch
und mit ausgesprochen engen Toleranzen auszuführen, aufgrund einer ungefähren Kenntnis
der zu bearbeitenden Oberfläche.
Insbesondere führt
der offengelegte Werkzeugspindelkopf Anfasbohren bis zu einer kontrollierten
Tiefe an Oberflächen
aus, die im Verhältnis zu
der Vorschubrichtung des Werkzeugs auf jeder beliebigen Quote liegen.
-
Die
Erfindung kann vorteilhafterweise numerisch gesteuerten Mehrachsen-Werkzeugmaschinen zugeordnet
werden, wie sie speziell in der Flugzeugindustrie verwendet sind,
um Bohr- und Anfasarbeiten in den äusseren Platten der Flügelstrukturen
und Rumpfabschnitte auszuführen,
dazu bestimmt, Nieten aufzunehmen. Praktisch müssen die Köpfe der eingesetzten Nieten
vollkommen mit der äusseren Hülle des
Flugzeugs abschliessen, um zu sichern, dass sie keine Turbulenzen
erzeugen, welche eine deutliche Erhöhung des aerodynamischen Widerstandes
bewirken würden.
Die vorliegende Erfindung findet aber auch, und mit ähnlichen
Vorteilen, Anwendung in anderen Industriezweigen, solche wie der Kraftfahrzeugbau.
-
Der
Stand der Technik umfasst Vorrichtungen, in der Lage, die Bohr-
oder Anfastiefe zu kontrollieren, wie zum Beispiel in dem Patent
IT 1220732 beschrieben ist,
welche durch das Durchführen
einer mechanischen Regulierung vor jedem Bearbeitungsvorgang eingestellt
werden, sowie Vorrichtungen, durch welche die Bearbeitungstiefe
kontinuierlich in vollkommen automatischer Weise kontrolliert und
gesteuert werden kann, wie durch ein Beispiel in der Anmeldung BO2003A
000043 für
ein Italienisches Patent offengelegt ist, wobei beide der als Bezug
erwähnten
Dokumente auf den Namen der vorliegenden Anmelderin angemeldet sind.
-
Unvorteilhafterweise
sind die oben erwähnten
Vorrichtungen nach dem Stand der Technik in den Werkzeughalter integriert,
montiert an der Spindel eines Werkzeugkopfes.
-
Im
Falle des Patentes
IT 1220732 enthält die betreffende
Vorrichtung genauer gesagt einen Werkzeughalter mit einem Schaft,
der an einer Spindel einer Werkzeugmaschine befestigt werden kann,
sowie ein Druckgehäusemechanismus,
zugeordnet dem Werkzeughalter mit Hilfe von einem Paar von Kugellagern und
ein Paar von Zylindern mit Kolbenstangen aufweisend, die aus beiden
Enden hervorstehen. Jede Stange ist mit einem Ende an einen Rundring
angeschlossen, durch welchen das Werkzeug geht, wenn es in das Werkstück eindringt,
und mit dem entgegengesetzten Ende an eine Montageplatte. Der Rundring
ist im Verhältnis
zu dem Werkzeughalter verschiebbar in einer Richtung parallel zu der
Werkzeugachse. Die mit den von dem Werkzeug entfernten Enden der
Stangen verbundene Montageplatte trägt jeweilige mikrometrische
Schrauben, die in einer gewählten
Position mit Hilfe von Anschlägen festgezogen
werden können.
Zwei Mikroschalter sind an dem Werkzeugkopf dicht an der Spindel
angebracht, deren Achsen mit denen der mikrometrischen Schrauben übereinstimmen.
Die beiden Mikroschalter sind auch mit geeigneten Vorrichtungen
verdrahtet, welche die Vorschubbewegung des Werkzeugs der Spindel
steuern. Um die Anfastiefe zu kontrollieren, wird die Position der
Schrauben auf solche Weise reguliert, dass der Abstand zwischen
der Spitze der Schraube und dem entsprechenden Mikroschalter gleich
dem Abstand zwischen der Fläche
des Rundringes und dem Werkzeug plus der Anfastiefe ist. Während des
Betriebes läuft
die Spindel der Maschine kontinuierlich vor, bis die Schrauben auf
die Mikroschalter treffen und diese auslösen. An diesem Punkt bewirken
die Vorrichtungen, welche den Vorschub der Spindel steuern, das
Zurückziehen
des Werkzeugs.
-
Andere
Werkzeugköpfe
für Werkzeugmaschinen
werden in den Dokumenten
US 6231280 und
US 5848859 gezeigt.
-
Das
Dokument
US 6231280 ,
auf welchem der Oberbegriff des Patentanspruches 1 basiert, zeigt
einen vibrationsabsorbierenden Endeffektor einer automatischen Bohr-
und Anfasmaschine mit einem Dämpfer,
um die Vibrationsverbindung zu dem Bohrwerkzeug aufzufangen, während gleichzeitig
die Vibrationen an ihrer Quelle gedämpft werden, um die Steuerung
eines Bohrwerkzeugs während
der Bohr- und Anfasarbeiten zu verbessern. Der Endeffektor enthält eine
Messskala, um zu sichern, dass die Tiefen der zu bohrenden und anzufasenden
Löcher
kontrolliert und korrigiert werden können, und zwar in Übereinstimmung
mit entsprechenden idealen Tiefen, die in einem Speicher des bereits
mit dem Endeffektor verbundenen Computers gespeichert sind. Ausserdem
ist der Pressfuss des Endeffektors nach oben schwenkbar, um das
Bohrwerkzeug in das Spannfutter einzusetzen.
-
Das
Dokument
US 5848859 zeigt
eine Bohrvorrichtung zum Bohren normaler Löcher in einem Werkstück, die
durch einen automatischen Steuerarm getragen ist und positioniert
wird. Die verbesserte Bohrvorrichtung enthält einen normgerechten Bohrkopf,
generell enthaltend eine Bohreraufnahme und einen Pressfuss. Der
Pressfuss zum Kontaktieren der Werkstückoberfläche ist an die Bohrer aufnahme
mit einer universellen Schwenkverbindung angeschlossen. Die Bohreraufnahme
enthält
ein Bohrerantriebsmittel, das vorläuft und einen Bohrer um eine
Bohrachse dreht. Beide, der Pressfuss und die Bohreraufnahme haben
axiale Kammern und Öffnungen,
um es dem Bohrwerkzeug zu erlauben, zu der Werkstückoberfläche vorzulaufen.
Lineare Messvorrichtungen, montiert an der Bohreraufnahme, ertasten
die Ausrichtung des Pressfusses im Verhältnis zu der Bohreraufnahme.
Die linearen Messvorrichtungen liefern Daten an den automatischen
Steuerarm, so dass, wenn der Pressfuss einen Abschnitt der Werkstückoberfläche berührt, der
nicht normal zu der Bohrachse verläuft und der Pressfuss im Verhältnis zu
der Bohreraufnahme schwenkt, wenn er sich normal zu der Werkstückoberfläche ausrichtet,
der Steuerarm die Bohreraufnahme wieder zu dem Pressfuss ausrichten
kann, so dass die Bohrachse normal zu der Werkstückoberfläche verläuft und das Bohrwerkzeug zu
der Werkstückoberfläche hin
und durch diese vorgeschoben und gedreht werden kann, und zwar durch
Bohren eines normalen Loches in der Werkstückoberfläche.
-
Die
Anmelderin hat herausgefunden, dass die wie oben beschriebenen Vorrichtungen
nach dem Stand der Technik auf zahlreiche Weisen verbessert werden
können.
-
Insbesondere
im Falle von vollautomatischen Mehrachsen-Werkzeugmaschinen mit numerischer Steuerung
erfordert die Integration einer Kontrollvorrichtung der Bohrtiefe üblicherweise
die Verwendung einer Zahl von einzelnen Werkzeughaltern, entsprechend
der Zahl der an dem Werkstück
auszuführenden
Arbeiten, da nach jedem Arbeitsgang der Werkzeughalter von der Spindel
durch entsprechende Mittel freigegeben und gegen einen Werkzeughalter
ausgetauscht wird, der das Werkzeug für den nächsten Arbeitsgang trägt. Eine
Maschine muss daher mit einer Anzahl von Werkzeughaltern ausgestattet
werden, jeder enthaltend eine Vorrichtung zur Tiefenkontrolle, welche
im Vergleich mit den üblichen Werkzeughaltern
sehr viel teurer und auch viel schwerer sind.
-
Ausserdem,
da der Fühler
zum Erfassen der Verschiebung der Druckgehäusevorrichtung bei den Ausführungen
nach dem Stand der Technik an dem Werkzeugkopf dicht an der Spindel
installiert ist, wird die Kontrolle der Einstellung des Fühlers nach
jedem Werkzeugwechsel erforderlich, und dies hat die Wirkung der
Verlangsamung der Arbeitsabläufe,
auch wenn die Kontrolle automatisch erfolgt.
-
Auch
arbeiten die das Druckgehäuse
mit dem Werkzeughalter verbindenden Kugellager in einer staubgeladenen
Umgebung und müssen
daher abgedeckt sein; folglich dürfen
die Spindelgeschwindigkeiten 16000 UpM oder um diese nicht überschreiten,
da andernfalls die Komponenten überhitzt
werden könnten.
-
Aufgrund
der beschriebenen Situation ist der Hauptzweck der Erfindung, einen
Werkzeugspindelkopf für
eine Mehrachsen-Werkzeugmaschine vorzusehen, die im wesentlichen
in der Lage ist, die oben erwähnten
Nachteile zu überwinden.
-
Insbesondere
ist Zweck der Erfindung, einen Werkzeugspindelkopf für Mehrachsen-Werkzeugmaschinen
vorzusehen, der tiefenkontrollierte Bearbeitungen an Oberflächen ausführt, die
auf einer beliebigen Quote im Verhältnis zu der Vorschubrichtung
des Werkzeuges angeordnet sind.
-
Ebenfalls
ist ein Zweck der Erfindung, einen Werkzeugspindelkopf für Mehrachsen-Werkzeugmaschinen
vorzusehen, der es erlaubt, solche tiefenkontrollierten Bearbeitungen
unter Verwendung von Standard-Werkzeughaltern
auszuführen.
-
Ein
weiterer Zweck der Erfindung ist, einen Werkzeugspindelkopf vorzusehen,
an welchem der Werkzeugwechsel automatisch, schnell und zuverlässig ausgeführt werden
kann.
-
Die
Erfindung, die in Patentanspruch 1 festgelegt ist, wird nun durch
ein Beispiel im Detail beschrieben, und zwar mit Hilfe der beiliegenden
Zeichnungen, in welchen:
-
1 eine
erste Ausführung
eines Werkzeugspindelkopfes für
Mehrachsen-Werkzeugmaschinen
nach der vorliegenden Erfindung zeigt, gesehen in der Perspektive
und gezeigt in einer ersten Betriebsposition;
-
2 zeigt
den Werkzeugspindelkopf aus 1 in einer
zweiten Betriebsposition;
-
3 zeigt
den Werkzeugspindelkopf aus den 1 und 2 in
einer ersten seitlichen Erhebung, teilweise im Schnitt und mit bestimmten
Teilen ausgelassen, um andere besser hervorzuheben, und mit der
zweiten Betriebsposition in unterbrochenen Linie dargestellt;
-
4 zeigt
den Werkzeugspindelkopf aus den 1 und 2 in
einer zweiten seitlichen Erhebung, teilweise im Schnitt und in den
zwei Betriebspositionen dargestellt;
-
4a ist
ein vergrössertes
Detail aus 4;
-
5 zeigt
den Werkzeugspindelkopf aus 4, versehen
mit einem Abtastwerkzeug und dargestellt in der zweiten Betriebsposition;
-
6 zeigt
eine zweite Ausführung
eines Werkzeugspindelkopfes wie in 1, gesehen
in der Perspektive;
-
7 und 8 zeigen
eine weitere Ausführung
des Werkzeugspindelkopfes wie in 1, jeweils
in einer ersten und in einer zweiten Betriebsposition.
-
Bezugnehmend
auf die Zeichnungen, ist mit 1 in seiner Gesamtheit ein
Werkzeugspindelkopf für Mehrachsen-Werkzeugmaschinen
bezeichnet.
-
Der
Werkzeugspindelkopf 1 wird allgemein an einer numerisch
gesteuerten Mehrachsen-Werkzeugmaschine von herkömmlichem Typ montiert, die weder
im Detail beschrieben noch in den Zeichnungen dargestellt ist.
-
Die
Werkzeugmaschine enthält
typischerweise ein Bett, an welchem der Werkzeugspindelkopf 1 montiert
ist, frei, sich im Verhältnis
zu dem Bett entlang einer Anzahl von Positionierachsen zu bewegen.
Der Werkzeugspindelkopf 1 wird an den verschiedenen Achsen
durch Antriebsmittel positioniert, die mit einer Verarbeitungs-
und Steuereinheit verriegelt sind und auch dazu dienen, die Umdrehung
eines Werkzeugs um eine jeweilige Bearbeitungsachse zu verwalten,
und zwar auf der Basis von Daten, die in der Steuereinheit selbst
programmiert sind.
-
Der
Werkzeugspindelkopf 1 enthält eine Gruppe 2,
dazu bestimmt, eine Spindel 3 zu tragen, und an der Spindel
montiert einen abnehmbaren Werkzeughalter 4, vorzugsweise
von üblicher
Ausführung,
das heisst ein bestimmtes Modell oder Muster, das innerhalb des
betreffenden Fachbereiches als universell und weitverbreitet betrachtet
ist.
-
Die
Spindel 3 dreht sich an einer entsprechenden, mit J bezeichneten
Bearbeitungsachse und wird durch geeignete und hier nicht gezeigte
Antriebsmittel in Bewegung gesetzt, so dass sie ein Werkzeug U dreht,
das in den Werkzeughalter 4 eingespannt ist und das Werkstück bearbeitet.
-
Das
Werkzeug U kann von jedem Typ sein, normalerweise unter Kenntnis
der Bearbeitungstiefe.
-
Zum
Beispiel kann das Werkzeug U eine Bohrspitze sein oder ein Anfaswerkzeug,
mit anderen Worten ein Werkzeug, verwendet zum Anfasen der Öffnung einer
Bohrung.
-
In
dem Beispiel der Abbildungen von 1 bis 4 und
in 4a enthält
das Werkzeug U eine Bohrspitze 5 und einen Schneidabschnitt 6,
erhalten durch Aufweiten des Schaftes der Werkzeugs U, so dass eine
stumpfkegelförmige
Oberfläche 6a hergestellt
wird, welche die mit der Spitze 5 hergestellte Bohrung
anfast (s. Detail in 4a).
-
Alternativ,
wie in 5 gezeigt ist, kann der Werkzeughalter 4 einen
Taster 7 mit einer Kugelspitze 8 zur Kontrolle
der Bohrtiefe tragen.
-
Bei
einer vorgezogenen Ausführung,
wie in dem Beispiel der beiliegenden Zeichnungen gezeigt wird, weist
die Trägergruppe 2 einen
ersten Trägerabschnitt 2a auf,
der eine Spindel 4 trägt,
und einen zweiten Abschnitt 2b, der an der Mehrachsen-Werkzeugmaschine
befestigt werden kann. Der erste Abschnitt 2a ist schwenkbar
an dem zweiten Abschnitt 2b montiert und somit in der Lage,
sich um eine Gelenkachse A zu drehen, die lotrecht zu der Bearbeitungsachse
J verläuft.
-
Der
Werkzeugspindelkopf 1 enthält ausserdem ein Tiefenkontrollelement 9,
das eine aktive Oberfläche 10 aufweist,
angeordnet im wesentlichen quer zu der Bearbeitungsachse J und in
Kontakt zu bringen mit der zu bearbeitenden Oberfläche S eines Werkstückes P (3 und 4).
-
Vorteilhafterweise
ist das Tiefenkontrollelement 9 an der Trägergruppe 2 montiert
und in der Lage, somit eine Bewegung entlang der Bearbeitungsachse
J zwischen einer ausgefahrenen ersten Position, entfernt von der
Spindel 3, und einer zurückgezogenen zweiten Position
in der Nähe
der Spindel 3 auszuführen.
-
Die
aktive Oberfläche 10 des
Tiefenkontrollelementes 9 ist dicht an der Bearbeitungsachse
J angeordnet, so dass sie mit einem Bereich der Oberfläche S dicht
an dem Punkt in Kontakt kommt, an welchem das Werkzeug U in das
Werkstück
P eindringt.
-
Vorzugsweise
umgibt die aktive Oberfläche 10 die
Bearbeitungsachse J, wobei sie einen Durchlass 11 für das Werkzeug
U beschreibt und umgibt. In dem dargestellten Beispiel hat die aktive
Oberfläche 10 die
Form eines kreisförmigen
Bundes, konzentrisch zu der Bearbeitungsachse J und dem Werkzeug U.
-
Die
Geometrie der aktiven Oberfläche 10 ist solche,
dass sie, wenn sie mit dem Werkstück P in Kontakt kommt, eine
Ebene belegen wird, die an dem Kontaktpunkt mit der vorgenannten
Oberfläche
des Werkstückes
P selbst übereinstimmt.
Mit anderen Worten gelangt die aktive Oberfläche 10 in vollen frontalen
Kontakt mit der Oberfläche
S des Werkstückes
P. Ebenfalls angeordnet auf dieser selben Ebene ist der anfängliche
Kontaktpunkt zwischen dem Werkstück
P und dem Werkzeug U.
-
Wie
in 3 gezeigt ist, ist der Werkzeugspindelkopf 1 mit
Mitteln 12 ausgestattet, die in der Lage sind, die Position
der aktiven Oberfläche 10 im Verhältnis zu
der Trägergruppe 2 zu
erfassen, so dass sie die Verschiebung der aktiven Oberfläche 10 im
Verhältnis
zu der Trägergruppe 2 überwachen und,
unter Kenntnis der Abmessungen des Werkzeughalters 4 und
des augenblicklich verwendeten Werkzeugs U, die Tiefe erfassen und
kontrollieren, bis auf welche das Werkzeug U in das Werkstück P eindringt.
-
Unter
Bezugnahme auf das Beispiel in den 4 und 5 ist
die korrekte Arbeit des Werkzeugspindelkopfes 1 von der
Wirkung von Federmitteln 13 abhängig, die zwischen der Trägergruppe 2 und
dem Tiefenkontrollelement 9 arbeiten. Solche Federmittel 13 sind
dazu bestimmt, das Tiefenkontrollelement 9 in Richtung
der ersten Position entfernt von der Spindel 3 zu drücken, so
dass, solange das Tiefenkontrollelement 9 unbetätigt ist,
die aktive Oberfläche 10 durch
die Kraft der Federn auf einem maximalen Abstand dmax von
der Spindel 3 und von dem Werkzeug U gehalten bleibt (1 und 3).
-
Unter
Kenntnis des vorgenannten maximalen Abstandes dmax und
des Abstandes d1 zwischen der Spindel 3 und
dem Schneidabschnitt des Werkzeuges U, welcher in dem Beispiel der
Zeichnungen mit der stumpfkegelförmigen
Oberfläche
(6a) übereinstimmt,
durch welche die Bohrungen angefast werden, wird es möglich, die
dem Schneidabschnitt des Werkzeuges U erlaubte Tiefe des Eindringens festzulegen,
und zwar durch das Messen einer entsprechenden Verschiebung zwischen
der Trägergruppe 2 und
dem Tiefenkontrollelement 9, wozu hier nicht im Detail
beschriebene Berechnungen üblicher Art
genutzt werden.
-
Für den Fall,
dass das an dem Werkzeughalter 4 befestigte Werkzeug U
der vorgenannte Taster 7 ist, wird der Werkzeugspindelkopf 1 auch
Triebmittel 14 enthalten (s. 1 und 3),
welche das Tiefenkontrollelement 9 nicht aktiv machen,
indem sie es entgegen den Federmitteln 13 in Richtung der zweiten
Position forcieren, dichter an die Spindel 3 heran und
fort von der Spitze des Tasters 7.
-
Im
Verhältnis
zu der Vorschubrichtung des Werkzeuges U während der Bearbeitung betrachtet, von
der Spindel 3 bis hin zur Spitze 5, belegt das
Tiefenkontrollelement 9 eine Position hinter dem Werkzeug
U, wenn es sich in der zurückgezogenen
zweiten Position befindet, und vor dem Werkzeug U, wenn es sich
in der ausgefahrenen ersten Position befindet.
-
Wenn
es sich in der ersten Position und entfernt von der Spindel 3 befindet,
ist das Tiefenkontrollelement 9 ausserdem um einen Abstand
von dem Werkzeug U getrennt, der ausreichend ist, um das Herausnehmen
und Austauschen des Werkzeughalters 4 zu erlauben, vorzugsweise
unter Verwen-dung automatischer Mittel von bekannter Ausführung, ohne
andere Teile des Kopfes 1 zu berühren oder zu stören.
-
Schliesslich
und vorteilhafterweise ist der Werkzeugspindelkopf 1 mit
herkömmlichen
Staubabzugsmitteln ausgestattet, dargestellt schematisch als Block 33,
dem Tiefenkontrollelement 9 zugeordnet und dazu dienend,
das unverzügliche
Entfernen von Abfall vorzunehmen, erzeugt durch die Bearbeitung an
dem Punkt, an dem das Werkzeug U in das Werkstück eindringt.
-
Genauer
gesagt, und bezugnehmend auf das in den Abbildungen von 1 bis 5 gezeigte
Beispiel, enthält
das Tiefenkontrollelement 9 einen Hohlkörper 15, der die Bearbeitungsachse
J umgibt und einen Durchlass 11 für das Werkzeug U aufweist.
-
Der
Hohlkörper 15 grenzt
eine interne Absaugkammer C ab, strömungsdynamisch angeschlossen
an die Abzugsmittel 33 (anzeigt durch unterbrochene Linien
in den 3, 4 und 5), welche
an dem Werkzeugspindelkopf 1 montiert sind.
-
In
den beiliegenden Zeichnungen hat der Hohlkörper 15 im wesentlichen
die Form eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes, von welchem die entgegengesetzten
Enden Öffnungen 15a und 15b aufweisen,
die den Durchlass 11 für
das Werkzeug U bilden.
-
Die
zu dem Werkstück
P hin gerichtete Öffnung 15b ist
auch vollkommen von einem ringförmigen
Rand 15c umgeben, welcher die aktive Oberfläche 10 des
Elementes 9 beschreibt. Das Tiefenkontrollelement 9 wird
zwischen den ersten und zweiten Positionen durch wenigstens einen
bewegungsübertragenden
Arm 16 verschoben, eingebaut in den Werkzeugspindelkopf 1,
von welchem ein erstes Ende 16a an der Trägergruppe 2 montiert
und ein zweites Ende 16b dauerhaft an dem Tiefenkontrollelement 9 verankert
ist.
-
Bei
einer vorgezogenen Ausführung,
wie in den Abbildungen gezeigt ist, bei welcher der erste Trägerabschnitt 2a die
Spindel 3 trägt
und der zweite Abschnitt 2b an der Mehrachsen-Werkzeugmaschine
anbringbar ist, ist das erste Ende 16a des wenigstens einen
bewegungsübertragenden
Armes 16 an dem ersten Abschnitt 2a der Trägergruppe 2 montiert.
-
Der
bewegungsübertragende
Arm 16 enthält eine
Stange 17, von welcher ein erstes Ende 17a verschiebbar
in einem an der Trägergruppe 2 montierten Zylinder 18 gehalten
ist. Ein zweites Ende 17b der Stange 17, entgegengesetzt
von dem ersten Ende 17a, ist an das Tiefenkontrollelement 9 angeschlossen.
-
Die
Stange 17 erstreckt sich parallel zu und mit einem Abstand
von der Bearbeitungsachse J und ist an das Tiefenkontrollelement 9 über einen
Verbindungsabschnitt 19 angeschlossen, angewinkelt im Verhältnis zu
der Bearbeitungsachse J und sich von dem zweiten Ende 17b der
Stange 17 bis zu dem Tiefenkontrollelement 9 erstreckend.
-
In
dem Beispiel der Abbildungen von 1 bis 5 enthält der Werkzeugspindelkopf 1 zwei bewegungsübertragende
Arme 16, positioniert an sich gegenüberliegenden Seiten der Bearbeitungsachse
J. Die Stangen 17 der beiden Arme 16 und die beiden
angewinkelten Verbindungsabschnitte 19 sind mit einem solchen
Abstand angeordnet, dass ein ausreichender Freiraum um den Werkzeughalter 4 gesichert
ist, um diesen durch bekannte automatische Systeme zu greifen, herauszunehmen
und auszutauschen.
-
Ebenfalls
in dem Beispiel der Abbildungen von 1 bis 5 enthalten
die Federmittel 13 wenigstens eine Feder 13a,
die zwischen dem Zylinder 18 und der entsprechenden Stange 17 des
bewegungsübertragenden
Armes 16 arbeitet.
-
Genauer
gesagt, bezugnehmend auf die 4, 4a und 5,
weist die Stange 17 einen axialen Hohlraum 20 auf,
und die Feder 13a, eine Schraubenfeder, ist im Inneren
des Hohlraumes 20 der Stange 17 aufgenommen und
im Inneren des Zylinders 18 entlang der gesamten axialen
Länge der zusammengesetzten
Stange 17 und des Zylinders 18.
-
Die
Feder 13a umfasst ebenfalls einen Steuerzapfen 21,
starr dem Zylinder 18 zugeordnet und zu diesem ausgerichtet.
-
Um
die Bewegung der Stange 17 im Inneren des Zylinders 18 zu
erleichtern, und um das akkurate Führen des Tiefenkontrollelementes 9 entlang
einer fehlerfreien geraden Bahn zu sichern, wird die Stange 17 von
einem Paar von linearen Kugellagern 22 getragen, angeordnet
im Inneren des Zylinders 18 und eins von dem anderen abstehend.
-
Die
vorgenannten Triebmittel 14 bestehen aus hin- und hergehenden
pneumatischen Mitteln, installiert parallel zu dem Zylinder 18 und
der Stange 17 und vorzugsweise mit jedem der bewegungsübertragenden
Arme 16 verbunden (1 und 3).
-
Jedes
der pneumatischen Triebmittel 14 weist eine Stange 23 auf,
angeordnet gleitbar in einem jeweiligen Zylinder 24, von
welchem die Kammer an eine Druckluftquelle 25 angeschlossen
ist, gezeigt schematisch als Block in 3.
-
Die
Druckluftmittel der vorgezogenen Lösung sind jedoch nicht verbindlicher
Art, sondern austauschbar gegen andere Triebmittel, zum Beispiel hydraulische,
elektrische usw.
-
Es
kann ebenfalls gesehen werden, dass die in der 6 gezeigte
Ausführung
sich von der aus den Abbildungen von 1 bis 5 nur
dadurch unterscheidet, dass nur ein bewegungsübertragender Arm 16 vorhanden
ist, während
die Struktur des Kopfes 1 eine einfachere Konfiguration
annimmt, wodurch die Arbeiten des Werkzeugwechsels erleichtert werden.
-
Die
vorgenannten Mittel 12, die in der Lage sind, die Position
der aktiven Oberfläche 10 im
Verhältnis
zu der Trägergruppe 2 zu
erfassen, werden wenigstens einen Verschie-bungsfühler 26 enthalten, angeschlossen
an eine Verarbeitungseinheit 27, vorzugsweise ein und dieselbe
wie die Hauptsteuereinheit der Maschine, beide dargestellt in 3 schematisch
durch Blöcke.
-
Der
Fühler 26 kann
von jeder beliebigen Art sein, in der Lage, an die Verarbeitungseinheit 27 ein Signal
auszusenden, das eine Funktion der entsprechenden Verschiebung zwischen
den betreffenden Komponenten ist, und vorzugsweise ein Signal proportional
zu dieser selben Verschiebung.
-
Bei
einer ersten Lösung
könnte
der Verschiebungsfühler 26 ein
LVDT-Aufnehmer (Linear Variable Differential Transformer) sein,
montiert zwischen der Trägergruppe 2 und
dem Tiefenkontrollelement 9.
-
Bei
einer zweiten Lösung
könnte
der Verschiebungsfühler 26 eine
Messsonde sein, montiert zwischen der Trägergruppe 2 und dem
Tiefenkontrollelement 9.
-
Alternativ
könnte
der Verschiebungsfühler 26 ein
induktiver Messwandler sein, der zwischen der Trägergruppe 2 und dem
Tiefenkontrollelement 9 arbeitet.
-
Ebenfalls
könnte
der Verschiebungsfühler 26 ein
Laser-Verschiebungsfühler sein,
der zwischen der Trägergruppe 2 und
dem Tiefenkontrollelement 9 arbeitet.
-
Um
die Messfunktion einzuleiten, enthalten die Fühlermittel 12 auch
einen Schalter 28, in diesem Falle einen Mikroschalter,
ebenfalls an die Verarbeitungseinheit 27 angeschlossen,
der den Verschiebungsfühler 26 auslöst und aktiviert,
wann immer eine Bewegung des Tiefenkontrollelementes 9 aus seiner
ersten Position fort entfernt von der Spindel 3 erfolgt.
-
Bei
einer vorgezogenen Ausführung
enthält der
Werkzeugspindelkopf 1 zwei Mikroschalter 28, jeder
montiert an einem jeweiligen Arm 16.
-
Wie
andere erwähnte
Komponenten kann auch der Fühler 26 in
den Arm 16 eingebaut und zum Beispiel auf solche Weise
montiert sein, dass die verhältnismässige Bewegung
zwischen dem starr der Trägergruppe 2 zugeordneten
Zylinder 18 und der starr dem Tiefenkontrollelement 9 zugeordneten Stange 17 erfasst
wird, oder die zwischen dem Zylinder 24 und der Stange 23 der
Triebmittel 14.
-
Die
in das Tiefenkontrollelement 9 eingelassene Absaugkammer
C ist strömungsdynamisch
mit den Abzugsmitteln 33 mit Hilfe einer beweglichen Leitung 29 verbunden,
so dass die Strömungsverbindung
während
der Bewegung des Tiefenkontrollelement 9 beibehalten bleibt.
-
Vorteilhafterweise,
wie in den 1, 2 und 3 gezeigt
wird, ist die Leitung 29 teleskopisch und enthält einen
ersten Abschnitt 30, der ein erstes, an die Trägergruppe 2 angeschlossenes Ende 30a aufweist,
sowie ein zweites Ende 30b, in welches das erste Ende 31a eines
zweiten Abschnittes 31 gleitbar eingesetzt ist. Das zweite
Ende 31b des zweiten Abschnittes 31 ist an den
Hohlkörper 15 des
Tiefenkontroll-elementes 9 angeschlossen.
-
Der
erste Abschnitt 30 erstreckt sich parallel zu der Bearbeitungsachse
J, und wie die Stangen 17 der bewegungsübertragenden Arme 16 ist
er von der Bearbeitungsachse J abstehend.
-
Der
zweite Abschnitt 31 der Leitung weist ein einem Boomerang ähnliches
Profil auf und dient als Verbindungsabschnitt 32, der im
Verhältnis
zu der Bearbeitungsachse J angewinkelt ist und sich mit dem Tiefenkontrollelement 9 verbindet.
-
Mit
dem ersten Abschnitt 30 mit einem Abstand von dem Werkzeug
U angeordnet, und durch die Verwendung des angewinkelten Verbindungsabschnittes 32,
ist der Raum um den Werkzeughalter 4 ausreichend, um diesen
herauszunehmen und auszutauschen, und zwar unter Verwendung automatischer
Mittel von bekannter Ausführung,
ohne mit anderen Teilen des Kopfes 1 in Berührung zu
kommen.
-
Schliesslich
ist bei der dargestellten Ausführung
das erste, von dem ersten Abschnitt 30 der teleskopischen
Leitung 29 aufgewiesene Ende 30a schwenkbar an
dem zweiten Abschnitt 2b der Trägergruppe 2 befestigt,
frei, sich an der vorgenannten Scharnierachse A lotrecht zu der
Bearbeitungsachse J zu drehen und somit in der Lage, der durch den
ersten Abschnitt 2a der Trägergruppe 2 beschriebenen Winkelbewegung
zu folgen.
-
Die
bis hierher ausgeführte
Beschreibung betraf vorwiegend die strukturellen Aspekte, während nun
der Betrieb des Werkzeugspindelkopfes 1 nach der Erfindung
beschrieben wird, und genauer gesagt eine Bohr- und Anfasarbeit,
ausgeführt
mit einem Werkzeug U, wie in den Zeichnungen dargestellt und oben
beschrieben ist.
-
Die
geometrischen Parameter des Werkzeugspindelkopfes 1, des
Werkzeughalters 4 und des Werkzeugs U sind bekannt und
werden in die Verarbeitungseinheit 27 eingegeben. Die bekannten Parameter
sind insbesondere der oben erwähnte
Abstand dmax, der Abstand d1 zwischen
der Spindel 3 und dem stumpfkegelförmigen Schneidabschnitt 6 und
der Abstand d2 zwischen der Spindel 3 und
der Bohrspitze 5 des Werkzeugs U.
-
Die
Verarbeitungseinheit 27 ist auch programmiert, um eine
bestimmte Zahl von Bohr- und Anfashüben auf einer bekannten theoretischen
Oberfläche
auszuführen,
jede auf vorgegebene Bohr- und Anfastiefen.
-
Die
Maschine beginnt den Arbeitszyklus, indem der Werkzeugspindelkopf 1 an
das Werkstück
P herangeführt
wird, mit dem Tiefenkontrollelement 9 in der ersten Position,
folglich mit dem maximalen Anstand dmax von
der Spindel und von dem Werkzeug U.
-
Wenn
die aktive Oberfläche 10 mit
dem Werkstück
P in Kontakt kommt, bleibt das Tiefenkontrollelement 9 an
der zu bearbeitenden Oberfläche
S stillstehend, während
die Trägergruppe 2 und
das Werkzeug U sich weiter vorschieben. Als Ergebnis der verhältnismässigen Verschiebung
zwischen dem Tiefenkontrollelement 9 und der Trägergruppe 2 wird der
Schalter 27 ausgelöst
und der Verschiebungsfühler 26 wird
aktiviert. Der durch den Verschiebungsfühler 26 gemessene
Wert liefert einen Hinweis von einem Moment zum anderen auf die
Position, die von der Bohrspitze 5 und von der stumpfkegelförmigen Oberfläche 6 des
Werkzeugs U im Verhältnis
zu der Oberfläche
S des Werkstückes
eingenommen ist, folglich die Kenntnis der tatsächlichen Bohr- und Anfastiefen.
Sobald die tatsächlichen
Bohr- und Anfastiefen den programmierten Werten entsprechen, wird der
Werkzeugspindelkopf 1 durch die Verarbeitungseinheit 27 gesteuert,
sich zurückzuziehen,
bereit für einen
neuen Zyklus.
-
Wo
unterschiedliche Werkzeuge erforderlich sind, um eine Arbeit auszuführen, wird
das Tiefenkontrollelement 9 durch die Federmittel 13 zurückgezogen
bis zu dem maximalen Abstand von der Spindel 3, und der
Greifer eines automatischen Werkzeugmagazins ist in der Lage, den
Werkzeughalter 4 zu lösen
und auszutauschen, ohne irgend einen anderen Teil des Kopfes 1 zu
berühren.
-
Schliesslich,
wenn der Taster 7 zum Prüfen der Bohrtiefen benutzt
wird, wird das Tiefenkontrollelement 9 durch die Triebmittel 14 in
die zweite Position der Annäherung
an die Spindel 3 zurückgezogen. Genauer
gesagt ist die Druckluftquelle 25 mit der Verarbeitungseinheit 27 verriegelt
und wird gesteuert, um Luft in den Zylinder 24 zu leiten,
wobei die Stange 23 in den Zylinder 24 selbst
zurückgezogen
wird.
-
Somit,
wenn die aktive Oberfläche 10 auf
das Werkstück
P trifft, spricht der Fühler 26 an
und der Ablauf der Phasen, abhängig
von dem verwendeten Typ des Fühlers,
ist folgender:
- – wenn der Fühler von
einem einfachen ON/OFF-Typ ist (mechanischer Mikroschalter, induktiver
oder kapazitiver Aufnehmer usw.), wird der abzudeckende Abstand
unter Verwendung der Messsysteme der Maschine berechnet, wobei die
richtungsmässige
Ausrichtung der Achse J berücksichtigt
wird;
- – wenn
der Fühler
von einem den Abstand messenden Typ ist, der ein Ausgangssignal
proportional zu dem tatsächlichen
Abstand aussendet, ist das Verfahren wie oben beschrieben, oder
es wird das Messsystem der Maschine berücksichtigt und der durch den
Fühler 26 abgelesene
Wert verglichen. Dies gibt Redundanz in den Bearbeitungsablauf ein,
so dass ein Schaden entweder an dem Werkstück P oder an der Maschine vermieden wird.
-
Bei
der alternativen Ausführung
wie in den 7 und 8 werden
die Triebmittel 14, die dazu dienen, das Tiefenkontrollelement 9 in
die zweite Position der Annäherung
an die Spindel 3 zurückzuziehen
und es von der Spitze des Tasters 7 zu entfernen, sowie
der Arm 16 beide durch Triebmittel 14a ersetzt,
bestehend aus einem einzelnen Druckluftzylinder 24a mit
einer entsprechenden Stange 23a, welche ebenfalls die Federmittel 13 ersetzt.
-
Der
Zylinder 24a ist an den zweiten Abschnitt 2a angeschlossen,
und das Ende der Stange 23a ist an dem teleskopischen Abschnitt 31a der
Leitung 29 verankert. Bei dieser Anordnung funktioniert
der Druckluftzylinder 24a demgemäss auch als einziger Arm 16,
in der Lage, das Tiefenkontrollelement 9 zwischen den beiden
Positionen zu verschieben.
-
In
dem Beispiel der 7 und 8 weist die
teleskopische Leitung 29 einen ersten Abschnitt 30 mit
einem ersten Ende 30a auf, das an die Trägergruppe 2 angeschlossen
ist, und ein zweites Ende 30b, in welches das erste Ende 31a eines
zweiten Abschnittes 31 gleitbar eingesetzt ist. Das zweite Ende 31b des
zweiten Abschnittes 31 ist an den Hohlkörper 15 des Tiefenkontrollelementes 9 angeschlossen.
In diesem Falle ist der Hohlkörper 15 im wesentlichen
stumpfkegelförmig.
-
Der
erste Abschnitt 30 erstreckt sich parallel zu der Bearbeitungsachse
J und ist von dieser selben Achse J abstehend.
-
Der
zweite Abschnitt 31 weist ein Profil von „S"-förmigem Umriss
auf, mit einem Endverbindungsabschnitt 32, der im Verhältnis zu
der Bearbeitungsachse J angewinkelt und mit dem Hohlkörper 15 des
Tiefenkontrollelementes 9 verbunden ist.
-
Auch
bei dieser Ausführung
ist das erste Ende 30a des ersten Abschnittes 30 der
teleskopischen Leitung 29 schwenkbar an den zweiten Abschnitt 2b der
Trägergruppe 2 angeschlossen,
frei, sich um die Gelenkachse A lotrecht zu der Bearbeitungsachse
J zu drehen und in der Lage, der durch den ersten Abschnitt 2a der
Trägergruppe 2 beschriebenen
Winkelbewegung zu folgen.
-
Der
Werkzeugspindelkopf 1 der 7 und 8 enthält ebenfalls
Stangen 17, jede angeschlossen mit einem Ende 17a an
ein Ende 30a des ersten Abschnittes 30 der teleskopischen
Leitung 29, und mit dem anderen 17b an das entgegengesetzte Ende 30b des
ersten Abschnittes 30. Die Stangen 17 sind in
jeweiligen Gleitschuhen 34 gleitbar und dienen dazu, die
Leitung 29 zu stabilisieren, wenn sie ein- und ausgefahren
wird.
-
Wie
in den Beispielen der Abbildungen von 1 bis 6,
wird auch in dem der 7 und 8 Abfall
aus dem Bearbeitungsbereich durch die Staubabzugsmittel 33,
durch den Hohlkörper 15 und
die Leitung 29 entfernt.
-
Mit
dem Druckluftzylinder 24a an die vorgenannte Druckluftquelle 25 angeschlossen,
können der
Steuerdruck und die Richtungssteuerung wahlweise wie folgt angewandt
werden:
- – zum
Halten des Tiefenkontrollelementes 9 an dem Werkstück P, wobei
eine Kraft proportional zu dem durch die Quelle 25 zugeführten Luftdruck angewandt
wird;
- – zum
Zurückziehen
des Hohlkörpers 15,
wenn sich der Taster 7 im Betrieb befindet.
-
Es
kann gesehen werden, dass der Druckluftzylinder 24a ebenfalls
die Funktion der Federmittel 13a ausführt, in der Lage, das Tiefenkontrollelement 9 in
Richtung der ersten Position entfernt von der Spindel 3 zu
drücken.
-
Im
Betrieb unterscheidet sich der Werkzeugspindelkopf 1 der 7 und 8 nicht
von den in den Abbildungen von 1 bis 5 und
in 6 gezeigten.
-
Die
nach dem Stand der Technik festgestellten Nachteile sind überwunden
durch die vorliegende Erfindung, und die hervorgehobenen Zwecke
sind somit realisiert.
-
Zunächst und
vor allem sichert der Werkzeugspindelkopf für Mehrachsen-Werkzeugmaschinen
nach der Erfindung eine sorgfältige
und kontinuierliche Kontrolle der Bearbeitungstiefe in jedem Moment
des Verfahrens, auch wenn eine Oberfläche bearbeitet wird, von welcher
die genaue Quote unbekannt sein kann.
-
Zusätzlich erlaubt
der offengelegte Werkzeugspindelkopf die Bearbeitung mit gesteuerten Tiefen
unter Verwendung von Werkzeughaltern in Standardausführung, welche
wirtschaftlicher, kleiner und leichter sind und leichter erhalten
werden können als
jene, die typischerweise bisher für Anwendungen des betreffenden
Typs benutzt wurden.
-
Der
Werkzeugspindelkopf nach der vorliegenden Erfindung erlaubt das
schnelle und vollautomatische Austauschen des Werkzeughalters, ohne dass
irgend ein Teil des Kopfes oder der Maschine entfernt werden muss.
Insbesondere ist es nicht notwendig, die Staubabzugshaube zu entfernen.
-
Dadurch,
dass das Tiefenkontrollelement eines Werkzeugspindelkopfes nach
der Erfindung nicht an dem Werkzeughalter mit Hilfe von abgeschirmten Lager
montiert ist, ist die Drehgeschwindigkeit der Spindel nicht begrenzt.
-
Schliesslich
kann das Tiefenkontrollelement des offengelegten Werkzeugspindelkopfes
in eine nicht aktive Position verschoben werden, zum Beispiel um
die Verwendung eines Tasters zu erlauben, ohne dass das Element
selbst von dem Halteteil gelöst
werden muss.
-
Die
oben erwähnten
Vorteile wirken sich in minimalen Totzeiten zwischen den Arbeitszyklen
aus, und folglich in einer optimierten Produktion.