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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen gegliederten Kopf von
einem Typ, der auch unter der Bezeichnung anthropomorpher Kopf bekannt ist,
bestimmt zum Anbringen an Werkzeugmaschinen zur Holzbearbeitung,
insbesondere an Bearbeitungszentren zum Fräsen und Bohren von Holzpaneelen oder
-werkstücken
mit einem Werkzeug, welches an zwei oder mehreren Bearbeitungsachsen
positioniert werden kann.
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Solche
Maschinen wie sie in den Dokumenten
DE
3219072 , welches die Basis für den Oberbegriff aus Patentanspruch
1 bildet, und
DE 2451292 offengelegt
werden, sind auf dem Sektor der sekundären Bearbeitung von Holz und ähnlichen
Produkten wohl bekannt. Die mit den genannten Maschinen ausgeführte Fräsarbeit
ist notwendig, um die fertigen Teile aus hölzernen Werkstücken zu
erhalten, normalerweise in Form eines Paneels, die an ihren Kanten gefräst sind,
um einen Rand mit verschiedenen Formen herzustellen, und manchmal
auch an anderen Teilen ihrer Oberflächen, um sie zu formen, das heisst
Vertiefungen und gebohrte Löcher
zu erhalten, die nach verschiedenen Achsen ausgerichtet sind.
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Typische
Anwendungen für
diese Bearbeitungsvorgänge
findet man zum Beispiel in der Produktion von geformten Türen für Küchenmöbel von hoher
Qualität.
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In
den oben erwähnten
Bearbeitungszentren werden die Werkstücke normalerweise auf einem Aufspanntisch
der Maschine positioniert und an diesem mit bekannten Systemen befestigt,
so dass die erforderlichen Fräs-
und Bohrarbeiten beginnen können.
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Bei
solchen Maschinen ist es daher notwendig, es dem Fräswerkzeug
zu erlauben, die grösstmögliche Zahl
von Positionen an dem Werkstück
zu erreichen, abhängig
von den Auflage- und Befestigungshalterungen des Werkstückes. Dies
ist vorgegeben mehr oder weniger durch die gegenseitige Beweglichkeit
an der Maschine zwischen dem Werkzeughalterkopf und dem Aufspanntisch
der Maschine, wo in den meisten Fällen der Aufspanntisch feststehend
ist und dem Werkzeughalterkopf alle Grade an Bewegungsfreiheit erlaubt
sind. Ein zu lösendes Problem – betreffend
die heute vorhandenen Lösungen
und die mit diesen zusammenhängenden
Nachteile – ist
nicht nur, dem Werkzeug alle notwendigen Grade an Bewegungsfreiheit
zu verleihen, sondern – und
zwar gleichzeitig – auch
das technische Problem der Optimierung der Zugänglichkeit des Werkzeuges zu
dem Werkstück,
wobei gleichzeitig die beachtliche Kompaktheit der verwendeten Lösung beibehalten wird.
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Der
Stand der Technik auf dem Gebiet solcher anthropomorpher Köpfe für Bearbeitungszentren
bezieht sich auf Köpfe
im wesentlichen in der Konfiguration einer kinematischen Kette,
welche, mit Hilfe von Teilen, die aufeinanderfolgend angeordnet und
mit Hilfe von Drehpaaren oder Kugelgelenken miteinander verbunden
sind, das Werkzeug an der gewünschten
Koordinaten positionieren können,
natürlich
innerhalb eines vorgegebenen Bereiches der erlaubten Beweglichkeit.
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Grundsätzlich bestehen
solche anthropomorphen Köpfe
aus einer Reihe von Gliedern oder „Gelenken" (daher die Bezeichnung anthropomorph), welche
die Folge von Teilen miteinander verbinden und die kinematische
Kette zur Positionierung des Werkzeugs bilden und diesem auch die
notwendigen Grade der Umdrehungsfreiheit verleihen, erforderlich zur
Orientierung von dessen Achse nach den verschiedenen möglichen
Richtungen. Dagegen sind die gewünschten
Verschiebebewegungen in den drei Richtungen – welche natürlich in
der nachstehenden Beschreibung ausgelassen sind – durch das Bewegen eines Teiles
erhalten, das am Ausgangspunkt solcher Köpfe angeordnet ist, gleitbar
angeschlossen an ein bewegliches Maschinenelement, welches normalerweise
mit dem beweglichen Ständer
oberhalb des Aufspanntisches der Maschine übereinstimmt.
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Am
Ende der kinematischen Kette wird die Schneidumdre hung des Werkzeugs
entweder durch eine Wellenübertragung
und entsprechende zylindrische und/oder kegelförmige Verbindungsgetriebe angetrieben,
welche im Inneren der Teile verlaufen, um die Schneidumdrehung von
dem Ausgangspunkt der Kette auf das Werkzeug am Ende der Kette zu übertragen
(und wo Zahnräder
oder Verbindungen im wesentlichen in den Gelenken der Kette angeordnet sind),
oder die Schneidumdrehung des Werkzeugs wird durch eine herkömmliche
Elektrospindel am Ende der Kette angetrieben, welche die Schneidumdrehung
direkt auf das Werkzeug überträgt.
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Erste
Lösungen
solcher gegliederten Köpfe, die
von verschiedenen Herstellern entwickelt wurden, enthalten die Möglichkeit
der Orientierung der Werkzeugachse nach allen Richtungen einer vertikalen
Ebene „p", gleichbleibend
lotrecht zu dem Aufspanntisch (horizontal) der Maschine, und zwar
mit Hilfe einer kreisförmigen
Sternhalterung mit zwei oder mehr Werkzeugen, die radial an dem
Stern angeordnet sind, welcher wiederum in der Ebene „p" enthalten ist. Bei
diesen Lösungen
richtete eine erste Gelenkverbindung mit vertikaler Achse (U1) ein
erstes Teil aus, an welchem der Stern um eine durch dessen Mitte
und lotrecht zu seiner Ebene „p" verlaufende horizontale
Achse (U2) drehbar getragen wurde. Die Dinge waren ebenfalls normalerweise
so angeordnet, dass die vertikale Achse (U1) auch durch die Mitte des
Stern verlief, wo ein System von Wellen im Inneren der Teile der
Kette die Drehbewegung auf die Werkzeuge übertrug.
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Bei
den nach diesen Lösungen
entwickelten gegliederten Köpfen,
zum Beispiel durch das italienische Unternehmen CTC, war die kinematische
Kette ausgeklügelter
und vielseitiger als die vorhergehenden, mit einem ersten Teil,
welches sich um eine erste vertikale Achse (U1) lotrecht zu dem
Aufspanntisch der Maschine drehte, wiederum ein Drehglied enthaltend,
dessen Achse (U2) mit einem Punkt C einfallend und um 45° zu der vorherigen
Achse (U1) orientiert war. An diesem Drehglied mit der Achse (U2)
drehte sich – im
Verhältnis
zu dem ersten Teil – der
Körper
einer normalen Elektrospindel, deren Werkzeugachse (U3) einfallend
mit den vorherigen beiden Achsen (U1) und (U2) an dem beiden gemeinsamen
Punkt C angeordnet war, sowie geneigt um 45° zu der Achse (U2). Auf diese
Weise konnte die Werkzeugachse (U3) aus einer vertikalen Richtung
in eine horizontale Richtung gedreht werden, und zwar durch einfaches
Drehen der Elektrospindel um die Achse (U2), wo dann alle horizontalen
Richtungen für die
Achse (U3) durch einfaches Drehen des ersten Teiles um die Achse
(U1) möglich
waren.
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Eine
gleichartige Lösung
war erreicht durch den Austausch eines Winkels von 45° wie in der
obigen Beschreibung gegen einen Winkel von 90°, so dass die Achsen U1 und
U2 in ei nem rechten Winkel zueinander waren und die Werkzeugachse
U3 die lotrecht zu der Achse U2 und durch den Punkt C verlaufende
Ebene beschreiben konnte.
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Die
oben erwähnten
Lösungen
zur Herstellung der gegliederten Köpfe lösten einerseits das Problem,
dem Werkzeug die notwendigen Grade an Bewegungsfreiheit zu erlauben,
ziemlich zufriedenstellend, andererseits hatten sie den Nachteil,
dass sie keinen zufriedenstellenden Zugang des Werkzeuges zu allen
Teilen des direkt an dem Aufspanntisch der Maschine befestigten
Werkstückes
erlaubten, insbesondere unter Bezugnahme auf die an den Seitenkanten
des Werkstückes
auszuführende
Bearbeitung, zum Beispiel das Bohren mit einer horizontalen Achse
in der mittleren Ebene des Werkstückes. Dies vor allem betreffend
die Behinderung zwischen dem Kopf – oder dessen zum Halten des
Werkzeuges bestimmten Teil – und
dem Aufspanntisch der Maschine.
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Diese
Nachteile sind leicht aus den vorstehenden qualitativen Beschreibungen
abzuleiten.
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Unter
Bezugnahme auf die ersten beschriebenen Lösungen ist es verständlich,
wie der sternförmige
Werkzeughalter leicht Bohr- und Fräsarbeiten an einem direkt an
dem Aufspanntisch der Maschine befestigten Werkstück vornehmen
konnte, wenn und nur wenn die Bearbeitung das Werkzeug vertikal
positioniert erforderte. Wenn die Bohrung an der mittleren Ebene
eines Paneels ausgeführt
werden sollte, mit der Werkzeugachse horizontal positioniert, konnte
natürlich,
zurückzuführen auf
die Behinderung zwischen dem Stern und dem Tisch, das zu bearbeitende
Werkstück
nicht direkt auf dem Aufspanntisch der Maschine aufliegen, sondern
es waren spezielle Abstandshalterungen von bekanntem Typ erforderlich, um
das Paneel von dem Aufspanntisch abstehend zu halten, und zwar wenigstens
um eine Menge entsprechend dem Radius des Sterns. Daher haben die
nach den ersten Lösungen
hergestellten Köpfe
den schwerwiegenden Nachteil, es zu erfordern, dass das Werkstück auf den
genannten Abstandsstücken angeordnet
wird anstelle direkt auf dem Aufspanntisch der Maschine. Ausserdem
bringt eine solche Positionierung in sich den sekundären Nachteil
mit sich, dem Kopf die Bewegungshübe in der Richtung Z lotrecht
zu dem Aufspanntisch der Maschine verleihen zu müssen, dazu bestimmt, die unterschiedliche Bearbeitungshöhe (vergleichbar
mit dem Radius des Sterns) auszugleichen, wenn er von einer Bohr-/Fräsarbeit
mit einer horizontalen Achse (Stern in angehobener Position) zu
einer Arbeit mit vertikaler Achse übergeht (Stern in gesenkter
Position) und umgekehrt.
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Zusammenfassend
waren die oben erwähnten
ersten Lösungen
eingeschränkt
durch den Parameter der „minimalen
zulässigen
Bearbeitungshöhe „Hmin" des
horizontalen Werkzeugs im Verhältnis
zu dem Aufspanntisch der Maschine, ein Parameter, der von dem Radius
des Sterns abhing.
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Unter
Bezugnahme auf die zweiten Lösungen
ist ebenfalls die Einschränkung
vorhanden, aufgezwungen durch die im Verhältnis zu dem Aufspanntisch
der Maschine erlaubte minimale Bearbeitungshöhe Hmin,
wenn auch aus unterschiedlichen Gründen.
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Berücksichtigt
man die zweiten Lösungen der
Köpfe in
der Bearbeitungsposition mit der Werkzeugachse parallel zu dem Aufspanntisch
der Maschine (horizontal), so war es die radiale Abmessung des Rotor-
und Statorpaketes des Elektromotors der Elektrospindel, die das
Hindernis gebildet hat, was bedeutete, dass der radiale Abstand
der Spindelwelle im Verhältnis
zu dem Aufspanntisch der Maschine grösser als oder gleich wie der
Wert Hmin bleiben musste, praktisch vergleichbar
mit der radialen Abmessung des Elektropaketes. Wo, zurückzuführen auf
die erheblichen Spindelleistungen (von etwa 10 kW aufwärts), dessen
radiale Abmessung wirklich beachtlich wird, konnte auch nicht das
häufig
vorgenommene Abflachen an der Unterseite – das heisst gegenüberliegend
der Befestigung an der stützenden kinematischen
Kette – zu
irgend einer bedeutenden Verbesserung führen, was die Möglichkeit
der radialen Annäherung
der Spindel an den Aufspanntisch der Maschine betrifft. Somit erforderten
auch die zweiten Lösungen
die Verwendung von Abstandshalterungen zum Positionieren der Werkstücke, wenn auch
ohne den Nachteil, ausgleichende Hübe ausführen zu müssen, wenn die Werkzeugachse
aus der Vertikalen in die Horizontale übergeht, was eine Eigenschaft
der ersten Lösungen
war.
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Die
obige Darstellung zeigt, wie die nach dem Stand der Technik beschriebenen
Auslegungen des gegliederten Kopfes, wie auch andere funktionsmässig gleichwertige
Auslegungen, in sich selbst keine nützlichen Elemente enthalten,
um gleichzeitig das Problem, dem Werkzeug die notwendigen Grade an
Bewegungsfreiheit zu verleihen, und das Problem des umfassenden
und uneingeschränkten
Zugangs zu allen seitlichen Teilen eines direkt an dem Aufspanntisch
der Maschine befestigten Werkstückes
zu lösen,
also für
Bearbeitungen mit der Werkzeugachse parallel zu dem Aufspanntisch
der Maschine und bei reduzierten Höhen Hmin im
Verhältnis
zu dem Aufspanntisch, notwendig für eine korrekte Arbeit der Achse.
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Zweck
des in der vorliegenden Erfindung offengelegten gegliederten Kopfes
ist, die oben erwähnten
Nachteile zu überwinden.
Demgemäss,
und wie in den beiliegenden Patentansprüchen beschrieben ist, löst die vorliegende
Erfindung das Problem durch die Herstellung einer Vorrichtung in
Form eines anthropomorphen gegliederten Kopfes zum Halten eines
Werkzeugs zum Fräsen/Bohren
in Bearbeitungszentren. Grundlegend hat diese Vorrichtung nicht
das Problem einer übermässigen,
zulässigen mindesten
Bearbeitungshöhe Hmin, welche Abstandszubehör zur Befestigung der Werkstücke an dem Aufspanntisch
der Maschine erfordern würde.
Die Vorrichtung in Form eines Kopfes muss gleichzeitig eine ausgesprochen
einfache Konstruktion und einen vielseitigen Betrieb haben, und
sie muss alle die positiven Eigenschaften der vorherigen Lösungen enthalten,
oder noch besser, diese noch verbessern.
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Die
hier nachstehend entwickelte Idee erreicht die vorgenannten Zwecke
mit der Konfiguration eines Kopfes des oben erwähnten Typs, der anzubringen
ist an einem Querträger
(normalerweise beweglich) oberhalb des Aufspanntisches der Maschine,
der zum Befestigen der in einem Bearbeitungszentrum zu bearbeitenden
Werkstücke
bestimmt ist.
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Genauer
gesagt handelt es sich um einen gegliederten Bearbeitungskopf für eine Werkzeugmaschine,
welche Werkstücke
aus Holz auf einem Aufspanntisch der Maschine bearbeitet, konfiguriert als
eine kinematische Kette mit wenigstens einem ersten Glied R1, in
der Lage, sich um wenigstens eine geometrische Achse W1 des Gliedes
zu drehen. Der Kopf enthält
eine kompakte, motorgetriebene Einheit, welche die schnelle Umdrehung
eines Fräswerkzeugs
um eine in der genannten Einheit identifizierten Achse antreibt,
und wo die Einheit durch die kinematische Kette in wenigstens einer
Arbeitsposition positioniert werden kann, in welcher die schnelldrehende
Achse des Werkzeugs parallel zu dem Auf spanntisch der Maschine verläuft.
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Das
spezielle Merkmal dieses Kopfes ist die Tatsache, dass die kompakte,
motorgetriebene Einheit im Inneren eines Wellengehäuses einen
ersten, antreibenden Teil enthält,
bestehend aus einem Elektromotor, dessen Rotor eine erste Antriebswelle
ist, und zwar mit einer ersten, in der Einheit identifizierten Drehachse 7a;
und einen zweiten Betriebsteil, bestehend aus einer zweiten Arbeitswelle,
die eine zweite, in der Einheit identifizierte Drehachse 8a hat,
parallel zu und dicht an der vorgenannten Antriebsachse 7a, und
ein Arbeitsende 8e, dazu bestimmt, koaxial das ausserhalb
des Gehäuses
arbeitende Werkzeug zu tragen, so dass das Werkzeug die zweite Drehachse 8a als
seine eigene schnelldrehende Achse annimmt. Die zweite Welle ist
rationell und über
Mittel zur Übertragung
der Drehbewegung durch die erste Antriebswelle angetrieben.
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Bei
einer solchen Lösung,
zurückzuführen auf
das Fehlen des Elektropaketes an der zweiten Welle, ist das Gehäuse vorteilhafterweise
mit einer stark reduzierten Abmessung entlang den radialen Halbgeraden
s ausgeführt,
die von der zweiten Drehachse 8a ausgehen und sich von
der ersten Drehachse 7a entfernend bewegen, so dass in
einer oder mehreren Arbeitspositionen, in welcher die Werkzeugachse
parallel zu dem Aufspanntisch der Maschine verläuft, der radiale Abstand zwischen
der zweiten Arbeitswelle und dem Aufspanntisch der Maschine und
jedem zu bearbeitenden Werkstück
sehr klein ist.
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Bei
dieser speziellen Auslegung der Elemente der Erfindung sind die Übertragungselemente,
die zwischen den Wellen und den Antriebs- und Betriebsteilen wirken,
ebenfalls spezifiziert, und zwar in Form eines Zahnriemens und entsprechenden
Riemenscheiben an dem nicht arbeitenden Ende der angetriebenen Welle.
Zusätzlich
ist das Vorhandensein von Mitteln vorgesehen, dazu bestimmt, das
Werkzeug einzuspannen und freizugeben, wenn auch die Ansprüche nur
deren Positionierung und Verträglichkeit
mit der Auslegung der oben beschriebenen, motorgetriebenen Einheit
abdecken, da deren andere Aspekte im wesentlichen bekannt sind.
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Wieder
abhängig
von der speziellen Auslegung der Elemente in der Erfindung, wird
ebenfalls die Struktur der über
der Einheit liegenden und den Kopf insgesamt gestaltenden kinematischen
Kette hervorgehoben. In dem betreffenden Falle sind die Positionen
der Gliederachsen des anthropomorphen Kopfes spezifiziert. Insbesondere
kann die geometrische Achse W1 des Gliedes R1 lotrecht zu dem Aufspanntisch
der Maschine sein, während
die Achse 8a der Arbeitswelle parallel zu dem Aufspanntisch
verlaufen kann.
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Ausserdem
kann die den Kopf bildende kinematische Kette wenigstens ein zusätzliches
Glied R2 mit einer Drehachse W2 haben, wo die Achsen W1 und W2 miteinander
an einem Punkt C für
wenigstens eine Reihe von Kopfpositionen einfallend sein würden. Für die genannte
Reihe von Kopfpositionen würde
das erste Glied R1 die Umdrehung der Achse W2 um die Achse W1 erlauben,
und zwar nach einem Kegel mit einer Spitze C und einer Halböffnung entsprechend
45°, und
das zweite Glied R2 würde
eine Umdrehung der Achse 8a um die Achse W2 erlauben, und
zwar nach einem Kegel mit einer Spitze C und einer Halböffnung entsprechend
45°, so
dass in dem besonderen Falle, in welchem die Achse W1 lotrecht zu
dem Aufspanntisch der Maschine verläuft, die Drehachse 8a des
Werkzeugs – mit
Hilfe einer Schwingung von 180° um
die Achse W2 – eine
Arbeitsposition parallel zum dem Aufspanntisch der Maschine und
eine Arbeitsposition lotrecht zu dem Aufspanntisch und übereinstimmend
mit der Achse W1 belegen könnte.
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Die
mit der vorliegenden Erfindung erhaltenen Vorteile ergeben sich
aus vielen, bereits erwähnten
Umständen,
wobei der wichtigste die Möglichkeit ist,
das zu bearbeitende Werkstück
direkt an dem Aufspanntisch der Maschine zu befestigen, ohne die Notwendigkeit
von zusätzlichen
Abstandsvorrichtungen.
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Hinzu
kommt, dass die Auslegung eines nach der vorliegenden Erfindung
hergestellten Kopfes keinerlei Ausgleichshub erfordert (wie oben
gesehen werden kann), um vom vertikalen zum horizontalen Fräsen/Bohren überzugehen,
und vor allem ist die minimale, für das Werkzeug an der horizontalen Achse
zulässige
Arbeitshöhe
Hmin bedeutend niedriger als bei allen zuvor
nach dem Stand der Technik bekannten Auslegungen, wobei dies der
besonderen strukturellen Konfiguration der Erfindung zugeschrieben
werden kann, in welcher die radiale Abmessung der Elektropakete
aus Stator und Rotor vollkommen auf die Antriebswelle verlegt wurde,
welche von der Arbeitswelle getrennt worden ist, so dass um letztere nur
die Abmessungen der zum Stützen
der Umdrehung der Arbeitswelle notwendigen Elemente vorhanden sind,
vorgesehen als mindest notwendige Abmessungen.
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Die
Erfindung wird nachstehend mehr im Detail beschrieben, und zwar
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, welche eine vorgezogene
Ausführung
zeigen, ohne den Zweck ihrer Anwendung zu begrenzen. Zu dem einzigen.
Zweck, die Bezugnahme deutlicher zu machen, werden Elemente der
Maschine erwähnt,
die normalerweise an den offengelegten Kopf angeschlossen sind.
Unter Bezugnahme auf einen Satz von drei Maschinenachsen X, Y, Z
mit rechten Winkeln zueinander, wo der Aufspanntisch der Maschine
zum Befestigen der Werkstücke
horizontal an XY liegt und X die Bewegungsrichtung des Ständers anzeigt,
welcher den Kopf über
dem Aufspanntisch trägt,
hat man somit in:
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1 eine
Seitenansicht nach der Achse Y der Gruppe des anthropomorphen Kopfes,
in welcher alle seine be deutenden Achsen in derselben Ebene der
Zeichnung liegen. Der Kopf ist, mit Hilfe eines zwischenliegenden
Schlittens, ebenfalls an den beweglichen Ständer der Maschine angeschlossen
dargestellt, mit welchem er die drei notwendigen Grade an Bewegungsfreiheit
X, Y, Z der Verschiebung über dem
Aufspanntisch der Maschine erlangt und sich über einem vorgegebenen Bearbeitungsbereich
des Aufspanntisches bewegen kann. Die kompakte, motorgetriebene
Einheit wird in zwei Grenzpositionen dargestellt, beide mit der
Achse parallel zu dem Aufspanntisch der Maschine und mit der Achse
lotrecht zu dem Aufspanntisch;
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2 ist,
unter Bezugnahme auf dieselbe Konfiguration, in welcher die kinematische
Kette des Kopfes in der vorstehenden Abbildung dargestellt wird,
eine Frontansicht nur der kompakten, motorgetriebenen Arbeitseinheit,
und zwar nach der Werkzeugachse;
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3 ergibt
sich aus der 1, jedoch ist die kompakte,
motorgetriebene Einheit im Querschnitt dargestellt, mit der Arbeitsachse
parallel zu dem Aufspanntisch der Maschine, zum Fräsen/Bohren
mit einer horizontalen Achse;
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4 ist
direkt der 3 entnommen, jedoch noch weiter
vergrössert.
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Diese
Vorrichtung in Form eines gegliederten Bearbeitungs kopfes 1,
besonders innovativ was die Lösung
betrifft, die sich auf die vorgesehene kompakte, motorgetriebene
Arbeitseinheit bezieht, und gleichzeitig sehr einfach, enthält grundlegend
eine kinematische Kette von im wesentlichen bekannter Ausführung, bestehend
aus drei Teilen 15, 16, 17, die aufeinanderfolgend
miteinander verbunden sind, um einen Arm zu bilden, und zwar durch
zwei Gelenkglieder R1 und R2, wo jedes der Gelenkglieder – vom Gesichtpunkt
der Verbindung her – ein
drehendes Glied mit einer Drehachse W1 oder W2 ist. Das Glied R1
ist zwischen den Teilen 15 und 16 angeordnet und das
Glied R2 zwischen den Teilen 16 und 17, wo das Teil 17 unmittelbar
stromabwärts
des Gliedes R2 eine spezielle Gehäusestruktur 6 hat,
eine äussere
Abdeckung der kompakten, motorgetriebenen Einheit 3 bildend,
welche das Werkzeug 4 trägt und antreibt, die dazu bestimmt,
deren Mechanismus einzuschliessen.
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Das
Kopfteil 15 ist wiederum gleitbar von einem Maschinenschlitten 18 getragen,
eingesetzt zwischen dem Kopfteil 15 und dem Ständer 19 der
Maschine, welcher entlang der Achse X beweglich ist. Der Schlitten 18 wiederum
weist Führungen 18g an einer
seiner Flächen
auf, orientiert nach der Achse Z, und an welchen das Teil 15 vertikal
gleiten kann, sowie Gegenführungen
an seiner anderen Fläche,
dazu bestimmt, dem Schlitten 18 das Gleiten an den Führungen 19g an
dem Ständer
zu erlauben, die nach der Richtung Y orientiert sind.
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Somit
ist der Schlitten 18 vom Typ eines kreuzförmigen Schlittens,
welcher, zusammen mit der Beweglichkeit des Ständers 19 in Richtung
X, die drei Grade an Bewegungsfreiheit bei der Kopfverschiebung
X, Y, Z gewährleistet.
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Natürlich sind
die Glieder R1 und R2, wie auch die anderen Bewegungen, motorgetrieben
und gesteuert nach den üblichen
Lösungen
(welche daher nicht weiter im Detail beschrieben werden) und dazu
bestimmt, die gewünschte
Positionierung der Teile des Kopfes 1 in vorgegebenen,
aufeinanderfolgenden Konfigurationen zu ermöglichen, insbesondere die Werkzeugachse
nach jeder Richtung zu orientieren. Das Glied R1, durch welches
das Teil 15 das nächste
Teil 16 hält,
ist auf solche Weise positioniert, dass seine Drehachse W1 lotrecht
zu dem Aufspanntisch 5 der Maschine verläuft, vorgesehen
zum Befestigen der Werkstücke 2,
und somit wie die Maschinenachse Z orientiert ist.
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Das
anschliessende Glied R2, durch welches das Teil 16 das
nächste
Teil 17 hält,
ist auf solche Weise positioniert, dass seine Drehachse W2 mit der
vorherigen Achse W1 an einem Punkt C einfallend ist, und so, dass
die Achse W2 zu der Achse W1 um 45° geneigt ist. Auf diese Weise
ist auch die Achse W2 zu dem Aufspanntisch 5 der Maschine
um 45° geneigt,
und dank des Gliedes R1 kann die Achse W2 die seitliche Oberfläche eines
Kegels mit einer Spitze C und Achse W1 beschreiben, wobei eine Halböffnung entsprechend
45° aufgewiesen
wird.
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Mit
anderen Worten bewirkt die Umdrehung des Teiles 16 an dem
Teil 15 die Umdrehung der Achse W2 um die vertikale Achse
W1, und zwar nach dem vorgenannten Ablauf. Unmittelbar stromabwärts des
Gliedes R2, und durch dieses drehbar an das vorangegangene Teil 16 angeschlossen,
ist das Teil 17, wie oben schon erwähnt.
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Ein
Abschnitt des Teiles 17, angrenzend an das Glied R2, hat
eine flache Anschlussfläche,
an welcher das Gehäuse 6 durch
Schraubverbindungen befestigt wird. Das Gehäuse schliesst die kompakte, motorgetriebene
Einheit 3 ein, welche das Werkzeug 4 hält und antreibt,
und ist als dem dritten Teil 17 zugehörig betrachtet.
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Das
Gehäuse 6 der
Einheit 3 ist besonders geeignet zur Aufnahme von zwei
parallelen Wellen 7 und 8, die sich im Verhältnis zu
dem Gehäuse 6 um jeweilige
geometrische Achsen 7a und 8a drehen, in diesem
identifiziert durch geeignete Haltesitze, und wo von den beiden
die Welle 8 dazu bestimmt ist, das Fräs-/Bohrwerkzeug zu tragen,
wie nachstehend mehr im Detail angegeben wird.
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Die
Verbindung zwischen dem Gehäuse 6 und
der flachen Oberfläche
des Teils 17 ist während der
Herstellung so ausgeführt,
dass die durch die zwei parallelen Achsen 7a und 8a identifizierte
Ebene auch die Achse W2 des Teiles 17 enthält, wo die
Orientierung, nach welcher die parallelen Achsen 7a und 8a die
Achse W2 schneiden, 45° entspricht.
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Es
sollte bemerkt werden, dass diesen geometrischen Anforderungen zufriedenstellend
durch die Verfahren entsprochen werden kann, die zur Herstellung
des einzelnen Teils 17 angewandt sind, da in dem genannten
Teil die Drehachse W2 des Gliedes R2 perfekt identifiziert ist – ungeachtet
der Verbindung mit dem vorangehenden Teil 16 – und zwar durch
den Abschnitt des Gliedes R2, der in dem Teil 17 enthalten
und dazu bestimmt ist, mit dem verbleibenden, in dem anderen Teil 16 enthaltenen
Abschnitt des Gliedes R2 verbunden zu werden.
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Eine
andere wichtige Eigenschaft des Kopfes 1 ergibt sich aus
der korrekten Durchführung
des Verfahrens, das zum Anschliessen des Teils 17 an das
Teil 16 angewandt wird. Dies bedeutet die Eigenschaft,
durch welche der Punkt, an welchem sich die Achsen 8a und
W2 treffen, mit dem Punkt C übereinstimmt,
vorher festgelegt als Schnittstelle der Achsen W1 und W2, wo insbesondere
diese Eigenschaft erhalten ist durch die korrekte Einstellung des
axialen Abstandes zwischen den Ringmuttern des Gliedes R2.
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Die
oben erwähnten
gegenseitigen Verhältnisse,
welche – für ein korrektes
Zusammenwirken – die
Elemente der stützenden
kinematischen Kette verbinden, von welcher einige Aspekte bekannt
sind, und die speziellen Ausführungsmerkmale
der motorgetriebenen Werkzeughaltereinheit 3, bestätigen die Tatsache,
dass der Kopf 1 als eine einzelne funktionelle Gruppe betrachtet
werden muss, in welcher die Funktionstüchtigkeit gesichert ist – in Übereinstimmung
mit den Patentansprüchen
und der Beschreibung der vorliegenden Erfindung – durch die Einhaltung der
gegenseitigen Anordnungen zwischen den Elementen der kinematischen
Kette und jenen der Betriebseinheit 3, wie auch durch die
speziellen Eigenschaften der Einheit 3.
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Die
Struktur der kompakten, motorgetriebenen Einheit 3 wird
nun mehr im Detail beschrieben.
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Wie
bereits erwähnt,
ist sie durch das Gehäuse 6 eingegrenzt
und im wesentlichen in zwei Teile unterteilt, von welchen einer
ein Antriebsteil ist, der sich um eine geometrische Achse 7a erstreckt,
und einer ein Arbeitsteil, der das Werkzeug antreibt und sich um
eine geometrische Achse 8a erstreckt. Die Achsen 7a und 8a sind
in dem Gehäuse 6 durch
jeweilige Haltesitze identifiziert und verlaufen parallel zueinander.
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Der
Antriebsteil hat einen Elektromotor, dessen Rotor eine Welle 7 mit
geometrischer Achse 7a ist, getragen durch das Gehäuse 6 mit
Hilfe von Wälzlagern,
und welcher ein herkömmliches
Elektropaket hat, bestehend aus einem Rotor, welcher sich wiederum – mit einem
Luftspalt – in
einem herkömmlichen
Elektropaket dreht, bestehend aus Statorwicklungen nach den üblichen
elektrotechnischen Lösungen.
An einem Ende der Welle 7 – welche als vorderes im Ver hältnis zu
dem Vorderteil der Arbeitseinheit 3 bezeichnet werden kann – hat das
Gehäuse
einen sekundären
Hilfsdeckel 20 zur Wartung oder zum Austausch des vorderen
Stützlagers,
während
an dem entgegengesetzten Ende – welches
als hinteres bezeichnet werden kann – die Welle 7 eine
verzahnte Riemenscheibe 7p für einen Zahnriemen 10 aufweist und
durch ein hinteres Lager getragen ist.
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An
den Enden der Welle 7 hat das Gehäuse 6 auch Endplatten 21 und 22,
welche die Wälzlager enthalten,
wobei die Endplatten aus dem Gehäuse 6 entfernbar
sind, um diesem die Modularität
zu verleihen, welche den Ein- und Ausbau der internen Teile erlaubt,
wie bei den in Wellengehäusen
angewandten Lösungen.
Der obere Teil der 2 zeigt den sekundären Hilfsdeckel 20,
wie auch die entfernbare Endplatte 21 des Gehäuses 6,
dazu bestimmt, das Lager an dem vorderen Ende der Welle 7 zu
tragen.
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Im
Gegensatz zu der Endplatte 21, die in dem Gehäuse 6 sichtbar
ist und den vorderen Gehäuseverschluss
bildet, befindet sich die Endplatte 22, welche den Sitz
des hinteren Lagers der Welle 7 bildet, im Inneren des
Gehäuses 6.
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Beim
Fortfahren mit der strukturellen Beschreibung in Richtung der Übertragung
der Bewegung, die von der Antriebswelle 7 ausgeht, ist – aufgezogen
auf die Welle 7 – die
Riemenscheibe 7p vorhanden, welche die Bewegung auf den
Zahnriemen 10 überträgt, der
sie wiederum auf den Ar beitsteil der Einheit 3 überträgt.
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Der
genannte Arbeitsteil ist von dem Antriebsteil getrennt durch eine
unvollständige
Trennwand 29, welche für
das Gehäuse 6 ebenfalls
strukturelle Funktionen hat und einen Raum in dem Gehäuse 6 beschreibt,
welcher unter Bezugnahme auf eine horizontale Position der Welle 7 unterhalb
des Raumes liegt, in welchem der Antriebsteil angeordnet ist. Eine
axial hohle Welle 8, mit einer geometrischen Achse 8a und
getragen durch Wälzlager
im unteren Teil des Gehäuses 6,
ist das Grundelement des Arbeitsteils.
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Auf
das eine Ende 8f der Welle, das hintere, an der Riemenscheibe 7p der
vorherigen Welle 7 angeordnete, ist eine verzahnte Riemenscheibe 8p aufgezogen,
geeignet zum Eingreifen in den Zahnriemen 10 und zum Nutzen
des Riemens, um die durch die Antriebswelle 7 erzeugte
Bewegung zu erhalten.
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An
dem anderen Ende 8e der Welle 8 – das als
Arbeitsende bezeichnet werden kann, da das Werkzeug 4 an
diesem positioniert ist – hat
das Gehäuse
eine Öffnung
für den
Austritt der Welle 8, versehen mit einem Deckel 28,
der ebenfalls eine Öffnung
hat und teilweise dazu bestimmt ist, die an dem Arbeitsende 8e angeordneten
Lager zu halten. 2 zeigt eine Frontansicht der
Befestigungsschrauben und des Randes des Deckels 28. Wie ebenso
aus 4 hervorgeht, ist die zum Tragen der Arbeitswelle 8 notwendige
radi ale Abmessung erheblich reduziert im Vergleich mit jener, die
für die Antriebswelle 7 erforderlich
ist, welche nicht nur von den Lagern, sondern auch von den Elektropaketen aus
Rotor und Stator umgeben sein muss.
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Wie
erwähnt,
hat die Welle 8 einen axialen durchgehenden Hohlraum, der
an dem Arbeitsende 8e in einem kegelförmigen Sitz endet und geeignet
ist zur Aufnahme von genormten Kegelschäften, zum Beispiel vom Typ
HSK nach den DIN-Normen.
Der axiale Hohlraum nimmt einen Teil 11b der Serie von Systemen 11 auf,
die üblicherweise
zum Spannen/Freigeben des Halters des Werkzeugs 4 verwendet
werden, das heisst eine Antriebsstange, ein Packen von die Stange
umgebenden Tellerfedern und die Spannhülse des Werkzeughalters, wobei
einige dieser Elemente nur teilweise in den beiliegenden Zeichnungen
oder überhaupt
nicht in dem Hohlraum dargestellt sind, da sie sich auf die bekannte
Technik beziehen. Der Teil 11b der Reihe von Spann-/Freigabesystemen 11,
die in dem Hohlraum der Welle aufgenommen sind, wird durch einen
Antriebsteil 11a für die
Reihe von Systemen 11 angetrieben. Der Antriebsteil 11a besteht
aus einer geformten Platte 23, angeschlossen auf der einen
Seite an die Endplatte 22 und an andere Elemente des Gehäuses 6,
während
die andere Seite den Körper
eines Druckluftzylinders mit geometrischer Achse 7a bildet,
der einen durch Druckluft angetriebenen zylindrischen Hohlraum für einen Kolben 24 mit
grossem Durchmesser hat, welcher entlang der Achse 7a gleitet.
Ein Deckel 26 wirkt als Boden für den Körper des Druckluftzylinders
und das Gehäuse 6 der
Einheit 3, und es ist ebenfalls ein Drehpunkt für einen
Kipphebel 25 vorhanden, welcher den Hub des Kolbens 24 an
die Antriebsstange zur Freigabe des Werkzeugs transferiert.
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In
dem genannten Druckluftzylinder strömt die aus dem Verteilernetz
kommende Luft zu/von den beiden Kammern in dem Zylinder durch spezielle Bohrungen,
und zwar unter Verwendung üblicher Komponenten
zur Druckluftverteilung, gesteuert durch eine Steuervorrichtung.
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Ein
leichter Hilfsdeckel 27 ist an der eigentlichen Rückseite
des Gehäuses 6 angeordnet
und schützt
den Kipphebel vor Staub. Dieser weist eine Öffnung entsprechend der Achse 8a der
Welle 8 auf, das heisst der Welle, welche darin gleitet.
Bei einer alternativen Ausführung
zu der oben beschriebenen kann der Antriebsteil 11a der
Spann-/Freigabemittel 11 an ein Kopfteil 11m angeschlossen
sein, getrennt von der Einheit 3, um die Einheit 3 leichter
zu machen und das Vorhandensein entsprechender Leitungen für die Druckluft
zum Steuern der Druckluftzylinder zu vermeiden, die bis an die Einheit 3 gelangen.
Natürlich
wird – bei
solchen Auslegungen – das
Werkzeug nur mit dem Kopf 1 in der Konfiguration in einer
kinematischen Kette freigegeben, in welcher die Teile 11a und 11b aneinandergrenzend
sind, so dass der akti ve Teil des Teils 11a mit Hilfe des
Durchlasses, der durch die Bohrung in dem leichten Deckel 27 dargestellt
ist, auf die Antriebsstange wirken kann.
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Betrieblich
gesehen erfüllt
die auf diese Weise in Form eines Kopfes 1 mit einer motorgetriebenen
Antriebseinheit 3 für
das Werkzeug hergestellte Vorrichtung die gewünschten Zwecke, und zwar dank der
Anordnung der verschiedenen dargestellten Elemente zueinander, ohne
die bereits vorhandene Struktur der restlichen Maschine ändern zu
müssen.
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Was
die Bewegung der kinematischen Kette betrifft, welche die motorgetriebene
Einheit 3 stützt, kann
beobachtet werden, dass, wie oben beschrieben, im Verhältnis zu
den für
die geometrischen Elemente des Kopfes 1 vorgesehenen gegenseitigen Positionen,
die geometrischen Achsen W1, W2 und 8a an einem Punkt C
konvergieren, wo – dank
der Umdrehung des Teiles 16 an dem Glied R1 – die Achse
W2 eine Kegelfläche
mit Spitze C beschreiben kann, mit einer Achse W1 und einer Halböffnung entsprechend
45°, während – dank der
Umdrehung des Teiles 17 an dem Glied R2 – die Achse 8a eine
Kegelfläche
mit Spitze C beschreiben kann, mit der Achse W2 und einer Halböffnung entsprechend
45°. Die
beiden Arten der Umdrehung – um
W2 und um W1 – können beweisen,
wie die Werkzeugachse 8a nach einer jeden der zu dem Stern
gehörenden
Geraden mit Punkt C als Stütze
orientiert werden kann, und insbesondere – wie in
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1 gezeigt – kann sie
alle Richtungen in der horizontalen Ebene einnehmen, das heisst
parallel zu dem Aufspanntisch 5, und die mit der Achse W1 übereinstimmende
vertikale Richtung, das heisst lotrecht zu dem Aufspanntisch 5.
Die durch die Spitze des Werkzeugs identifizierte Richtung hat stets
eine dem Aufspanntisch 5 zugewandte Komponente, welche
höchstens
Null sein kann. Praktisch wird mit dem festgelegten Punkt C die
Position der Achse 8a des Werkzeugs 4 durch den
Punkt C und durch jeden anderen Punkt Q der Achse 8a identifiziert,
wo die Bewegung des Punktes Q – strukturmässig – an einer kugelförmigen Oberfläche mit
Mitte C und Radius CQ erfolgen muss, dazu bestimmt, eine Bewegung
eines starren Körpers
mit einem feststehenden Punkt darzustellen.
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Die
Möglichkeiten
der Bewegung, die sich aus der Beweglichkeit des Ständers 19 und
des Schlittens 18 an diesem ergeben, wie auch die des Teiles 15 an
dem Schlitten 18, gewährleisten
die Möglichkeit
der Anordnung des Punktes C an jedem beliebigen Punkt in dem Arbeitsbereich
des Aufspanntisches 5 der Maschine.
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An
den Gliedern R1 und R2 (oder eher an deren Ringmuttern) befindet
sich ein fester Ausgangspunkt der jeweiligen Drehwinkel und eine Messskala
für diese.
Die an solchen Skalen von R1 und R2 gemessenen Winkel bilden ein
Paar von Parametern, die notwendig und ausreichend zur Identifi zierung
der geometrischen Konfiguration des Kopfes 1 sind, das
heisst zum Festlegen der Position der Werkzeugachse, wo – ausgehend
zum Beispiel von den jeweiligen Ausgangspunkten an den Messskalen – die Folge,
mit welcher die Umdrehungen den beiden Gliedern zugeordnet werden,
keinen Einfluss hat, da die beiden Achsen nicht absolut im Raum feststehend
sind (da dies das Schalten der Zusammensetzung der fertigen Umdrehungen
verhindern würde),
sondern die, zweite Achse W2 durch die erste Achse W1 gedreht wird.
Mit anderen Worten bilden die beiden Umdrehungen, die an den Gliedern
R1 und R2 gemessen werden, zwei Parameter, bekannt als Lagrangische
Definitionen, welche unzweideutig die Konfiguration des Systems
identifizieren, wo bekanntlich die genannte Konfiguration nicht
von der Folge abhängt,
mit welcher solche Parameter zugeordnet werden. Was den Betrieb
im Inneren der Einheit 3 betrifft, ist es offensichtlich,
teilweise mit Hilfe der 4, dass die durch den Elektromotor
mit der Welle 7 als Rotor erzeugte Drehbewegung auf die angrenzende
und parallele Welle 8 übertragen
wird, und zwar durch das aus der Riemenscheibe 7p der Welle 7,
dem Zahnriemen 10 und der Riemenscheibe 8p der
Welle 8 bestehende System. Das Werkzeug 4 mit
dem entsprechenden Werkzeughalter ist an dem Arbeitsende 8e der
Welle 8 getragen und steht aus dem Gehäuse 6 der Einheit 3 hervor,
und es kann Bohr- und Fräsbearbeitungen
an dem Werkstück 2 ausführen, das
auf dem Aufspanntisch 5 der Maschine befestigt ist.
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Der
Betrieb der Freigabevorrichtung des Werkzeugs ist leicht erklärbar durch
die Beobachtung, dass, während
der Kolben 24 einen aktiven Freigabehub in Richtung des
hinteren Teils des Gehäuses 6 ausführt, die
entsprechende Stange den Kipphebel 25 aktiviert, welcher
auf die in dem Hohlraum der Welle enthaltene Freigabestange wirkt,
wo der Rücklaufhub
der Stange – und
der des Kolbens 24 – direkt
durch die elastische Reaktion der Tellerfedern gesteuert ist, die
zwischen der Welle 8 und der Stange arbeiten.
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Es
ist wichtig, nochmals hervorzuheben, was bezüglich dieser Tatsache bereits
erwähnt
wurde, dass (s. 2) die reduzierte Abmessung
der motorgetriebenen Einheit 3 – insbesondere entlang der radialen
Halbgeraden s, ausgehend von der Arbeitsachse 8a und sich
von der Antriebsachse 7a fort bewegend – es der Einheit 3 erlaubt,
sich dem Aufspanntische 5 zu nähern, und zwar sehr dicht an
diesem und in allen Bearbeitungskonfigurationen des Kopfes 1,
in welchen die Achse 8a horizontal verläuft, zum Beispiel für horizontale
Fräs- und
Bohrarbeiten. Somit ist es dank der speziellen Konfiguration der
beschriebenen Erfindung, dass mit der Werkzeugachse 8a im
wesentlichen horizontal angeordnet Bearbeitungen mit Höhen H der
Werkzeugachse ausgeführt werden
können,
die im Verhältnis
zu dem Aufspanntisch 5 der Maschine sehr viel niedriger
sind, wobei mit anderen Worten das System eine minimale zulässige Bearbeitungshöhe Hmin vorsieht, die sehr niedrig auf dem Aufspanntisch 5 ist,
was eine optimale Zugangsmöglichkeit
zu den Seitenwänden
eines Werkstücks
verleiht, auch wenn das Werkstück
direkt an dem Aufspanntisch 5 der Maschine befestigt ist.
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Die
beschriebene Erfindung kann zahlreichen Änderungen und Varianten unterliegen,
ohne dabei von dem Zweckbereich des erfinderischen Konzeptes abzuweichen,
wie es in den Patentansprüchen
festgelegt ist. Ausserdem können
alle Details der Erfindung gegen technisch gleichwertige Elemente
ausgetauscht werden.