WO1998040797A1 - Centre d'usinage a 4 et 5 axes tres grande vitesse - Google Patents

Centre d'usinage a 4 et 5 axes tres grande vitesse Download PDF

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WO1998040797A1
WO1998040797A1 PCT/FR1998/000499 FR9800499W WO9840797A1 WO 1998040797 A1 WO1998040797 A1 WO 1998040797A1 FR 9800499 W FR9800499 W FR 9800499W WO 9840797 A1 WO9840797 A1 WO 9840797A1
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Lionel GAÏANI
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Gaiani Lionel
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/182—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by the machine tool function, e.g. thread cutting, cam making, tool direction control

Definitions

  • the present invention relates to a particular arrangement of rotary axes used on milling machines or machining centers with four and five axes.
  • the device according to the invention overcomes this drawback by a machine architecture conferring speed, acceleration, precision and rigidity.
  • Figure 1 shows the device according to the invention (side view).
  • Figure 2 shows the same device seen from above.
  • Figure 3 shows a sectional side view of the machine.
  • Figure 4 shows a rear view of the machine.
  • Figure 5 shows a top view of the machine.
  • a machining spindle (2) is connected to a carriage (3) by a pivot point (PI).
  • the pivot point can be either a universal joint, a smooth ball joint, a ball joint, roller joint or any other device giving two degrees of freedom (rotation) without play.
  • the carriage (3) can slide vertically relative to a carriage (6).
  • the connection between the two carriages takes place via guides (4) and movement is controlled by a ball screw (5) coupled to a motor (7) connected to the carriage (6) by a bearing (8) .
  • the carriage (3) is moved along the Y + and Y- axis.
  • the mass of the carriage (3) is balanced by a jack (39).
  • the carriage (6) can slide horizontally relative to an upright (9).
  • the connection between the carriage (6) and the upright (9) is effected by 1 " of guides (10) and the movement is controlled by two ball screws (1 1) and (12) respectively coupled to the motors (13) and (14), each of the motors being connected to the upright (9) by bearings, respectively (15) and (16).
  • the carriage (6) moves along the X + and X- axis.
  • the machining spindle (2) is connected without play to an extendable shaft (1).
  • This tree can consist indifferently of two tubes sliding one in the other without play in a guide which can be either hydrostatic or by ball ramps or by preloaded pads.
  • One of the sliding ends of the tube (1) is connected to the machining spindle (2) while the other end is connected to a carriage (16) via a pivot point (P2) which is of the same nature as the pivot point (PI).
  • the carriage (16) can slide vertically relative to a carriage (19).
  • the connection between the carriages (16) and (19) takes place by means of guides (17) and the movement is controlled by a ball screw (18) coupled to a motor (20) connected to the carriage (19) by a bearing (21).
  • the movement of the carriage (16) takes place along the axis Yl + and Yl-
  • the mass of the carriage (16) is balanced by a jack (40).
  • the carriage (19) can slide horizontally relative to the upright (9).
  • the connection between the carriage (19) and the upright (9) is effected by means of guides (22) and the movement is controlled by two ball screws (23) and (24) coupled respectively to motors (25 ) and (26), each of the motors being connected to the upright (9) by bearings (27) and (28).
  • the upright (9) can slide horizontally along the axis Z + and Z- relative to a frame (29).
  • connection between the upright (9) and the frame (29) takes place via guides (30) and the movement is controlled by a ball screw (31) coupled to a motor (32) connected to the frame ( 29) by a bearing (33).
  • a work table (34) on which the workpiece is fixed is made integral with the frame
  • an axis (36) makes it possible to present the work surfaces (34), (37), (38) successively opposite the spindle so that the parts can be loaded and unloaded on the plane (37 ) while the spindle (2) is machining the parts fixed to the worktop (34).
  • This machine configuration gives a limited travel of axes B and C (+ or - 30 ° for example).
  • the high-speed machining tool with three, four or five axes comprises a spindle 2 connected to a carriage 3 moving vertically along guides 4 by means of a ball screw 5 and a motor 7 and moving horizontally along guides through the ball screws 11 and 12 and the motors 13 and 14; behind the upright 9 a carriage 16 moving vertically on guides 17 by means of a ball screw 18 and a motor 20 and moving horizontally along guides 22 by means of ball screws 23 and 24 and motors 25 and 26; a preloaded sliding shaft without play 1 is connected to spindle 2 and to carriage 16 so that the pivot points fi and tv generate the rotary axes B and C of the spindle.
  • the axis motors are either ball screws driven by rotary motors, or linear motors, or a combination of the two previous solutions.
  • the pivot points have a variable center distance which can be obtained either by two sliding tubes l r one inside the other and guided relative to each other either by ball ramps, or by preloaded pads, or by hydrostatic bearings, or by a sliding shaft in the articulation of the pivot point P2.
  • the X axis or the X and Y axes are obtained by translation of the work table.
  • the part can be fixed to the work table 34 by means of a 360 ° turntable so that the angles complementary to the travel of the spindle can be achieved.
  • the distance between the face of the spindle 2 and the pivot point PI can be reduced significantly so as to limit the deflections of the end of the tool.

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Abstract

L'invention concerne un agencement particulier des axes rotatifs utilisés sur fraiseuse ou centre d'usinage à trois, quatre ou cinq axes permettant l'usinage à très grande vitesse en conservant précision, rigidité et accélérations élevées. Cet agencement est constitué d'un arbre extensible coulissant sans jeu (1) relié à la broche (2) de la machine et muni de deux points pivots (P1 et P2). Le déplacement de ces points pivots, soit (P1) dans le plan XY et (P2) dans le plan X1Y1, permet d'obtenir un mouvement de basculement de la broche (2) assimilable à deux axes rotatifs B et C.

Description

CENTRE D'USINAGE A 4 ET 5 AXES TRES GRANDE VITESSE
La présente invention concerne un agencement particulier des axes rotatifs utilisés sur fraiseuse ou centre d'usinage à quatre et cinq axes.
Les machines existantes sont conçues pour obtenir des axes rotatifs supplémentaires ( appelés par convention axe B et C) aux trois axes linéaires classiques ( par convention X , Y et Z) par les différents moyens suivants: axe B obtenu par un plateau tournant incorporé à la table de la machine, axe C obtenu par oscillation de l'axe broche, axe B obtenu par un mouvement de basculement (tilting) du support de l'axe C, axes B et C obtenus par rotation de l'axe broche, ou toute autre combinaison des solutions énoncées ci-dessus.
L'usinage à grande vitesse rendu possible par l'utilisation de broches ayant des vitesses de rotation élevées ( de dix mille tours par minute à quarante mille tours par minute et plus) nécessite des machines ayant des vitesses, des accélérations et une précision de déplacement que ne peuvent atteindre les configurations existantes.
Le dispositif selon l'invention permet de remédier à cet inconvénient par une architecture de machine conférant vitesse, accélération , précision et rigidité.
La figure 1 montre le dispositif selon l'invention (vue latérale). La figure 2 représente ce même dispositif vu de dessus. La figure 3 montre une vue de profil en coupe de la machine. La figure 4 montre une vue arrière de la machine.
La figure 5 montre une vue de dessus de la machine.
Une broche d'usinage (2) est reliée à un chariot (3) par un point pivot (PI). Le point pivot peut être indifférement un cardan, une rotule lisse, une rotule à billes, à galets ou tout autre dispositif donnant deux degrés de liberté (rotation) sans jeu.
Le chariot (3) peut coulisser verticalement par rapport à un chariot (6). La liaison entre les deux chariots s'effectue par l'intermédiaire de guidages (4) et le déplacement est commandé par une vis à bille (5) accouplée à un moteur (7) relié au chariot (6) par un palier (8). Le déplacement du chariot (3) s'effectue suivant l'axe Y+ et Y-.La masse du chariot (3) est équilibrée par un vérin (39).
Le chariot (6) peut coulisser horizontalement par rapport à un montant (9). La liaison entre le chariot (6) et le montant (9) s'effectue par 1" intermédiaire de guidages (10) et le déplacement est commandé par deux vis à billes ( 1 1) et (12) accouplées respectivement aux moteurs (13) et ( 14) , chacun des moteurs étant relié au montant (9) par des paliers, respectivement (15) et ( 16). Le déplacement du chariot (6) s'effectue suivant l'axe X+ et X-.
La broche d'usinage (2) est reliée sans jeu à un arbre extensible (1). Cet arbre peut être constitué indifférement de deux tubes coulissant l'un dans l'autre sans jeu suivant un guidage qui peut être soit hydrostatique, soit par rampes à billes, soit par des patins préchargés.
L'une des extrémités coulissantes du tube ( 1 ) est reliée à la broche d'usinage (2) tandis que l'autre extrémité est reliée à un chariot (16) par l'intermédiaire d'un point pivot (P2) qui est de même nature que le point pivot (PI ).
Le chariot (16) peut coulisser verticalement par rapport à un chariot (19). La liaison entre les chariots (16) et (19) s'effectue par l'intermédiaire de guidages (17) et le déplacement est commandé par une vis à bille (18) accouplée à un moteur (20) relié au chariot (19) par un palier (21). Le déplacement du chariot (16) s'effectue suivant l'axe Yl+et Yl- La masse du chariot (16) est équilibrée par un vérin (40).
Le chariot (19) peut coulisser horizontalement par rapport au montant (9). La liaison entre le chariot (19) et le montant (9) s'effectue par l' intermédiaire de guidages (22) et le déplacement est commandé par deux vis à billes (23) et (24) accouplées respectivement à des moteurs (25) et (26), chacun des moteurs étant relié au montant (9) par des paliers (27) et (28). Le déplacement du chariot
(19) s'effectue suivant l'axe X1+ et X1-.
Le montant (9) peut coulisser horizontalement suivant l'axe Z+ et Z- par rapport à un bâti (29).
La liaison entre le montant (9) et le bâti (29) s'effectue par l'intermédiaire de guidages (30) et le déplacement est commandé par une vis à bille (31) accouplée à un moteur (32) relié au bâti (29) par un palier (33).
Une table de travail (34) sur laquelle vient se fixer la pièce à usiner est rendue solidaire du bâti
(29) par l'intermédiaire d'un support (35).
Dans l'exemple représenté un axe (36) permet de présenter successivement face à la broche les plans de travail (34) , (37) , (38) de sorte que l'on peut charger et décharger les pièces sur le plan (37) pendant que la broche (2) usine les pièces fixées sur le plan de travail (34).
D'autres configurations sont possibles avec uniquement deux faces de travail, plus de trois faces ou bien un système de navette venant s'arrimer automatiquement sur le bâti (29). La machine est représentée , pour plus de clarté, sans carénages; elle peut être équipée d'un évacuateur de copeaux dans la zone (38) ainsi que d'un changeur automatique d'outils en relation avec la broche (2).
Lorsque l'axe de la broche (2) est perpendiculaire au plan de travail (34) , que le chariot ( 16) se déplace de manière synchrone avec le chariot (3), et que le chariot ( 19) se déplace de manière synchrone avec le chariot (6), la machine se comporte comme un centre d'usinage classique qui travaille suivant les axes X, Y, Z.
Lorsque le chariot ( 16) va plus vite ou moins vite que le chariot (3) , l'arbre coulissant ( 1 ) s'expa se, et les points pivots (P I ) et (P2) permettent à la broche de pivoter suivant une rotation C+ ou C-.
Lorsque le chariot ( 19) va plus vite ou moins vite que le chariot (6), l'arbre coulissant ( 1 ) change de longueur et les points pivots (P I ) et (P2) permettent à la broche de pivoter suivant une rotation B+ ou B-.
La combinaison des mouvements précédents permet donc d'obtenir un centre d'usinage ayant cinq axes, trois linéaires X, Y, Z et deux rotatifs B et C.
Cette configuration machine donne un débattement limité des axes B et C ( + ou - 30° par exemple). On peut pallier cette limitation en fixant la pièce sur la table (34) par l'intermédiaire d'un plateau rotatif qui permettra d'obtenir les angles complémentaires.
En résumé, les caractéristiques de l'invention sont les suivantes :
1) La machine-outil d'usinage grande vitesse à trois, quatre ou cinq axes comprend une broche 2 reliée à un chariot 3 se déplaçant verticalement suivant des guidages 4 par l'intermédiaire d'une vis à bille 5 et d'un moteur 7 et se déplaçant horizontalement suivant des guidages par l'intermédiaire des vis à billes 11 et 12 et des moteurs 13 et 14 ; à l'arrière du montant 9 un chariot 16 se déplaçant verticalement sur des guidages 17 par l'intermédiaire d'une vis à bille 18 et d'un moteur 20 et se déplaçant horizontalement suivant des guidages 22 par l'intermédiaire de vis à billes 23 et 24 et de moteurs 25 et 26 ; un arbre coulissant préchargé sans jeu 1 est relié à la broche 2 et au chariot 16 de sorte que les points pivots fi et tv génèrent les axes rotatifs B et C de la broche.
2) Les cinq axes de la broche X, Y, Z, B et C sont obtenus par des mouve- ments linéaires.: l'axe rotatif B résulte de la combinaison des deux axes linéaires X et XI, de même l'axe rotatif C résulte de la combinaison des deux axes linéaires Y et Yl .
3) Les moteurs d'axes sont soit des vis à billes entraînées par des moteurs rotatifs, soit des moteurs linéaires, soit une combinaison des deux solutions précédentes.
4) Les points pivots ont un entraxe variable qui peut être obtenu soit par deux tubes coulissant lrun dans l'autre et guidés l'un par rapport à l'autre soit par des rampes à billes, soit par des patins préchargés, soit par des paliers hydrostatiques, soit par un arbre coulissant dans l'articulation du point pivot P2.
5) L'axe X ou les axes X et Y sont obtenus par translation de la table de travail.
6) La pièce peut être fixée sur la table de travail 34 par l'intermédiaire d'un plateau tournant 360° de façon à pouvoir réaliser les angles complémentaires au débattement de la broche.
7) Les chariots 3 et 16 sont directement mobiles par rapport au montant 9 (les chariots 6 et 19 sont supprimés), la broche dans ce cas n'a plus que quatre degrés de liberté soit les axes X, Y, Z et C.
8) La distance entre la face de la broche 2 et le point pivot PI peut être réduite significativement de façon à limiter les débattements de l'extrémité de l'outil.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Machine -outil d'usinage grande vitesse à trois, quatre ou cinq axes comprenant une broche (2) reliée à un chariot (3) se déplaçant verticalement suivant des guidages (4) par l' intermédiaire d'une vis à bille (5) et d'un moteur (7) et se déplaçant horizontalement suivant les guidages ( 10) par l' intermédiaire des vis à billes ( 1 1 ) et ( 12) et des moteurs ( 13 ) et ( 14); à l'arrière du montant (9) un chariot ( 1 6) se déplaçant verticalement sur des guidages ( 1 7) par l ' intermédiaire d'une vis à bille ( 18) et d'un moteur (20) et se déplaçant horizontalement suivant des guidages (22) par l' intermédiaire de vis à billes (23) et (24) et de moteurs (25) et (26) ; caractérisée en ce qu'un arbre coulissant préchargé sans jeu ( 1 ) est relié à la broche (2) et au chariot ( 16) de sorte que les points pivots (P I ) et (P2) génèrent les axes rotatifs B et C de la broche.
2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les cinq axes de la broche X, Y, Z, B et C sont obtenus par des mouvements linéaires: l'axe rotatif B résulte de la combinaison des deux axes linéaires X et X I , de même Taxe rotatif C résulte de la combinaison des deux axes linéaires Y el Y l .
3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les moteurs d'axes sont soit des vis à bil les entraînées par des moteurs rotatifs, soit des moteurs linéaires, soit une combinaison des deux solutions précédentes.
4) Dispositi f selon les revendications précédentes caractérisé en ce que les points pivots ont un eiur'axe variable qui peut être obtenu soit par deux tubes coulissant l'un dans l'autre et guidés l'un par rapport à l'autre soit par des rampes à billes, soit par des patins préchargés, soit par des paliers hydrostatiques , soit par un arbre coulissant dans l'articulation du point pivot (P2).
5) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé en ce que l'axe X ou les axes X et Y sont obtenus par translation de la table de travail. 6) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé en ce que la pièce peut être fixée sur la table de travail (34) par l' intermédiaire d'un plateau tournant 360° de façon à pouvoir réaliser les angles complémentaires au débattement de la broche.
7) Dispositi f selon les revendications précédentes caractérisé en ce que les chariots (3 ) et ( 16) sont directement mobiles par rapport au montant (9) ( les chariots (6) et ( 1 9) sont supprimés) , la broche dans ce cas n 'a plus que 4 degrés de l iberté soit les axes X, Y, Z et C.
8) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé en ce que la distance entre la face de la broche (2) et le point pivot (P I ) peut être réduite significativement de façon à limiter les débattements de l 'extrémité de l'outil.
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