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Dokumentenidentifikation DE19850708C2 26.10.2000
Titel Fräskopfeinheit
Anmelder DS Technologie Werkzeugmaschinenbau GmbH, 41236 Mönchengladbach, DE
Erfinder Wahl, Joachim, 52156 Monschau, DE
Vertreter Rehders, J., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 40221 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 03.11.1998
DE-Aktenzeichen 19850708
Offenlegungstag 11.05.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse B23C 7/00
IPC-Nebenklasse B23C 9/00   B23Q 1/44   
Zusammenfassung Fräskopfeinheit mit einer in den Achsen A, C und Z beweglichen Motorfrässpindel, wenigstens drei radial an der Motorfrässpindel angelenkten, unabhängig voneinander in Z-Richtung verfahrbaren Lenkern, wenigstens drei mit Abstand um die Motorfrässpindel herum angeordneten, untereinander parallelen Linearbewegungsantrieben für die daran angelenkten Lenker.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Fräskopfeinheit als eine Baugruppe, die Bestandteil eines auf dem Stabkinematikprinzips beruhenden Fräsmaschinenkonzepts ist und zum Verfahren in den Linearachsen X, Y, Z eingerichtet ist.

In dem Aufsatz von Pritschow G.; Wurst, K.-H.: LINAPOD - Ein Baukastensystem für Stabkinematikmaschinen, wt Werkstattstechnik 87 (1997), Seiten 437 bis 440, sind neuere Werkzeugmaschinenkonzepte auf Basis des HEXAPOD-Prinzips beschrieben, die auf einer Stabkinematik basieren. Eine der beschriebenen Maschinen weist nicht längenveränderliche Stäbe in zweifacher Stabparallelogrammanordnung auf, die an einem drei Ständer aufweisenden Gestell mittels Linearantrieben senkrecht verfahrbar sind. Die Manipulation der Werkzeugeinheit erfolgt durch eine Verschiebung der Stabanlenkpunkte am Gestell. Die starren Stäbe sind über Kugel- und Kardangelenke in den senkrecht am Gestell verfahrbaren Antriebsschlitten, in die die Primärteile der Linearantriebe integriert sind, gelagert. Je zwei unabhängig voneinander verfahrbare Primärteile nutzen ein gemeinsames Sekundärteil. Die Anlenkpunkte der Stäbe an der Werkzeugeinheit sind so gestaltet, daß jeweils je drei Stabpaare am vorderen und am hinteren Bereich der Werkzeugeinheit angreifen. Aufgrund der Anordnung der Werkzeugeinheit an sechs Stabpaaren erfordert die Steuerung sechs Freiheitsgrade, obwohl für die allseitige Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Fräskopfes nur fünf Freiheitsgrade erforderlich sind. Dementsprechend ist der Steuerungsaufwand unnötig hoch. Desweiteren ergibt sich aus der Anordnung der Werkzeugeinheit an mittels Schlitten an senkrechten Ständern verfahrbaren Stäben eine Beschränkung des möglichen Arbeitsraums. Gegenüber den klassischen Fräsmaschinenkonzepten weist das HEXAPOD-Prinzip jedoch den Vorteil einer kompakten Bauweise für die Werkzeugeinheit mit einer geringen Masse auf, so daß hohe Beschleunigungen möglich sind. Des weiteren ist durch die HEXAPOD-Bauweise eine hohe Systemsteifigkeit gegeben.

In der britischen Patentschrift 1 080 074 ist ein auf dem HEXAPOD-Prinzip beruhendes Positioniersystem beschrieben, bei dem an einer Grundplatte drei gleichmäßig beabstandete, an der Grundplatte um eine waagerechte Achse schwenkbare Dreieckslenker vorgesehen sind. An den Dreieckslenkern sind mittels Kardangelenken Stäbe angelenkt, die ihrerseits mittels Kugelgelenken mit einer Plattform verbunden sind. Zwischen der Grundplatte und den Dreieckslenkern und zwischen den Dreieckslenkern und den Stäben sind Linearbewegungsantriebe vorgesehen, durch die sich die Plattform gesteuert in sechs Achsen bewegen läßt. Auch bei dieser Vorrichtung ist der Steuerungsaufwand hoch, und durch die sechs Lenker ist keine kompakte Bauweise möglich.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Nachteile der bekannten Fräsmaschinenbauarten mit Fräskopfeinheiten zu vermeiden, die Vorteile des HEXAPOD-Prinzips zu nutzen und dieses dahingehend zu verbessern, daß aufgrund eines geringeren Bauteil- und Platzbedarfs, des Wegfalls zusätzlicher Getriebebauteile und Drehdurchführungen und der Verringerung der Bauteilanzahl eine Verringerung des Bau- und Wartungsaufwands sowie der bewegten Massen erreicht wird, so daß höhere Beschleunigungen der angetriebenen Achsen und ein geringerer Steuerungsaufwand erreichbar sind.

Ausgehend von dieser Problemstellung wird vorgeschlagen, die Fräskopfeinheit mit einer in den Achsen A, C und Z beweglichen Motorfrässpindel, wenigstens drei radial an der Motorfrässpindel angelenkten, unabhängig voneinander in Z-Richtung verfahrbaren Lenkern, wenigstens drei mit Abstand um die Motorfrässpindel herum angeordneten, untereinander parallelen Linearbewegungsantrieben für die daran angelenkten Lenker auszustatten, wobei die Lenker an der Motorfrässpindel allseits beweglich und an den Linearbewegungsantrieben um senkrecht zur Bewegungsrichtung der Linearbewegungsantriebe verlaufende Achsen schwenkbar angelenkt sind.

Aufgrund der Lagerung der Motorfrässpindel an unabhängig voneinander, parallel verfahrbaren Lenkern lassen sich Direktantriebe sowohl für die Motorfrässpindel als auch für die Schwenkachsen A, C und die Linearachse Z vorsehen, und die Leitungen für die Kühl-/Schmierstoff und Energiezufuhr lassen sich direkt an der Motorfrässpindel oder an einem Frässpindelträger oder an dem Frässpindelantrieb ohne Verwendung von Drehdurchführungen anschließen.

Vorzugsweise können die Linearbewegungsantriebe auf der Innenfläche eines rohrförmigen Gehäuses untereinander und zur Gehäuseachse Z parallel befestigt sein, wobei die Lenker als Dreieckslenker ausgebildet und mit ihren Spitzen an der Motorfrässpindel allseits beweglich und an den Linearbewegungsantrieben mit ihren Basen um senkrecht zur Bewegungsrichtung der Linearbewegungsantriebe verlaufende Achse schwenkbar angelenkt sein können.

Im einzelnen können die Lenker zunächst im wesentlichen radial verlaufend und dann um etwa 90° abgeknickt etwa parallel zu den Linearbewegungsantrieben verlaufend ausgebildet sein, so daß deren Schwenkachsen an den Linearbewegungsantrieben gegenüber den Anlenkungen an der Motorfrässpindel in Z-Richtung zurückversetzt liegen.

Eine spielfreie Führung und Bewegungssteuerung der Lenker wird erreicht, wenn die Linearbewegungsantriebe durch Servomotoren bewegte Kugelrolltriebe aufweisen.

Eine CNC-Steuerung für die Linearbewegungsantriebe bewirkt das Kippen der Motorfrässpindel um die Achsen A und C sowie die Bewegung in Richtung der Z-Achse, und in die Linearbewegungsantriebe sind Stellungsgeber für die Lenker integriert, die mit der CNC-Steuerung zusammenwirken.

Aufgrund der Aufhängung der Motorfrässpindel an den Lenkern lassen sich die Leitungen für die Kühl-/Schmierstoff- und Energiezufuhr direkt an dem Gehäuse der Motorfrässpindel ohne Verwendung von Drehdurchführungen anschließen.

In die Linearbewegungsantriebe lassen sich die für die Maschinensteuerung zum Messen der Drehwinkel um die Achsen A und C sowie des Verfahrweges in Richtung der Z-Achse erforderlichen Meßsysteme integrieren, entweder indem entsprechende Encoder in die jeweiligen Antriebe integriert oder die Antriebe selber als Weg- bzw. Drehwinkelgeber ausgebildet werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Fräskopfeinheit mit einer Lagerung der Motorfrässpindel an unabhängig parallel in Z-Richtung verfahrbaren Lenkern ergibt sich ein geringerer Platzbedarf in Z-Richtung, da keine zusätzlichen Getriebebauteile zwischen der Fräskopfeinheit und dem Spindelbalken erforderlich sind. Hierdurch läßt sich auch die Anzahl der Bauteile verringern, und durch den Wegfall von Drehdurchführungen wird eine höhere Zuverlässigkeit und Dichtigkeit bei der Kühl-/Schmierstoff- und Energiezuführung erreicht. Wenn zusätzlich noch die Gehäuse und/oder Gehäuseteile aus einer Leichtmetallegierung, aus einer Titanlegierung und/oder aus geschäumten Metall bestehen, läßt sich die bewegte Masse noch weiter verringern, so daß sowohl höhere Beschleunigungen in X-, Y-, und Z-Richtung möglich sind, als auch höhere Beschleunigungen um die Achsen A und C, da durch die Verwendung von Servomotoren mit geringer Masse die bei den bekannten Fräskopfeinheiten vorhandenen Beschränkungen entfallen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.

Von einer Werkzeugmaschine ist nur die erfindungsgemäße Fräskopfeinheit perspektivisch dargestellt. Ein rohrförmiges Gehäuse 1, das mit seiner Rückseite an einem waagerechten oder senkrechten Spindelbalken befestigt sein kann, wobei der Spindelbalken in X-, Y- und Z-Richtung beweglich ist, trägt an seiner Innenfläche 2 drei umfangsmäßig gleichmäßig beabstandete Linearbewegungseinheiten aus Schlitten 3, die auf an Grundplatten 7 befestigten Führungen 4 mittels eines Kugelrolltriebs 5 spielfrei bewegbar sind und dafür von Servomotoren 6 angetrieben sind.

An den Schlitten 3 sind um Schwenkachsen 10 schwenkbare Lenker aus einem im wesentlichen in Z-Richtung verlaufenden Lenkerteil und einem dazu im wesentlichen radial verlaufenden Lenkerteil 9 schwenkbar angelenkt. Die Lenker 8, 9 sind als Dreieckslenker ausgebildet, wobei die Schwenkachse 10 durch deren Basis senkrecht zur Achse Z verläuft, während im Bereich von deren Spitze allseits bewegliche Gelenke 11, beispielsweise Kugelgelenke vorgesehen sind, die mit einem Gehäuse 12 einer Motorfrässpindel 13 verbunden sind. Die Motorfrässpindel 13 trägt ein Fräswerkzeug 14 und ist über eine Leitung 15 mit einer CNC-Steuerung 16 verbunden, die auch die Servomotoren 6 ansteuert.

Die Servomotoren 6 können integrierte Meßsysteme, beispielsweise unabhängige Drehgeber aufweisen oder selber als Drehgeber ausgebildet sein, so daß Signale an die CNC-Steuerung gelangen, die für die jeweilige Stellung der Schlitten 3 repräsentativ sind.

Wird beispielsweise der untere Schlitten 3 allein verfahren, ergibt sich ein Schwenken der Motorfrässpindel 13 um die Achse C, die parallel zur Schwenkachse 10 verläuft. Durch gegenläufiges Verfahren der oberen Schlitten 3 ergibt sich ein Schwenken der Motorfrässpindel 13 um die auf der Achse C senkrecht stehenden Achse A, während ein gleichzeitiges Verfahren aller drei Schlitten in dieselbe Richtung ein Verfahren der Motorfrässpindel 13 in Richtung Z bewirkt. Analog lassen sich räumliche Bewegungen der Motorfrässpindel 13 in beliebige Richtungen durch entsprechendes Ansteuern der Servomotoren 6 mittels der CNC-Steuerung 16bewirken.

Die Leitung 15 dient sowohl für die Energiezuführung zur Motorfrässpindel als auch zur Zufuhr von Kühl-/Schmierstoff und ist direkt an das Gehäuse 12 der Motorfrässpindel 13 ohne Verwendung von Drehdurchführungen angeschlossen.

Die erfindungsgemäße Fräskopfeinheit besteht nur aus wenigen Bauteilen, von denen die Mehrzahl identisch ist. Die Fräskopfeinheit ist sehr einfach aufgebaut und läßt sich auf einer Trägerplatte komplett, einschließlich der Ausrichtung der Linearachsen vormontieren und wird fertig justiert an der Werkzeugmaschine verschraubt. Aufgrund der geringen zu bewegenden Massen sind höchste Beschleunigungen möglich.


Anspruch[de]
  1. 1. Fräskopfeinheit mit
    1. - einer in den Achsen A, C und Z beweglichen Motorfrässpindel (13),
    2. - wenigstens drei radial an der Motorfrässpindel (13) angelenkten, unabhängig voneinander in Z-Richtung verfahrbaren Lenkern (8, 9),
    3. - wenigstens drei mit Abstand um die Motorfrässpindel (13) herum angeordneten, untereinander parallelen Linearbewegungsantrieben (3, 4, 5, 6, 7) für die daran angelenkten Lenker (8, 9), wobei die Lenker (8, 9) an der Motorfrässpindel (13) allseits beweglich und an den Linearbewegungsantrieben (3, 4, 5, 6, 7) um senkrecht zur Bewegungsrichtung der Linearbewegungsantriebe (3, 4, 5, 6, 7) verlaufende Achsen (10) schwenkbar angelenkt sind.
  2. 2. Fräskopfeinheit nach Anspruch 1, bei der auf der Innenfläche (2) eines rohrförmigen Gehäuses (1) die untereinander und zur Gehäuseachse Z parallelen Linearbewegungsantriebe (3, 4, 5, 6, 7) befestigt sind.
  3. 3. Fräskopfeinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Lenker (8, 9) als Dreieckslenker ausgebildet und mit ihren Spitzen (11) an der Motorfrässpindel (13) allseits beweglich und an den Linearbewegungsantrieben (3, 4, 5, 6, 7) mit ihren Basen um senkrecht zur Bewegungsrichtung der Linearbewegungsantriebe (3, 4, 5, 6, 7) verlaufenden Achsen (10) schwenkbar angelenkt sind.
  4. 4. Fräskopfeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Lenker (8, 9) zunächst im wesentlichen radial verlaufend und dann um etwa 90° abgeknickt etwa parallel zu den Linearbewegungsantrieben (3, 4, 5, 6, 7) verlaufend ausgebildet sind.
  5. 5. Fräskopfeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Linearbewegungsantriebe (3, 4, 5, 6, 7) durch Servomotoren (6) bewegte Kugelrolltriebe (5) aufweisen.
  6. 6. Fräskopfeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, beider eine CNC-Steuerung (16) für die Linearbewegungsantriebe (3, 4, 5, 6, 7) das Kippen der Motorfrässpindel (13) um die Achsen A und C und die Bewegung in Richtung der Z-Achse bewirkt.
  7. 7. Fräskopfeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der Leitungen (15) für die Kühl-/Schmierstoff- und Energiezufuhr direkt an dem Gehäuse (12) der Motorfrässpindel (13) ohne Verwendung von Drehdurchführungen angeschlossen sind.
  8. 8. Fräskopfeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der in die Linearbewegungsantriebe (3, 4, 5, 6, 7) Stellungsgeber (6) für die Lenker (8, 9) integriert sind.






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