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Dokumentenidentifikation DE19955520C2 07.11.2002
Titel Bearbeitungskopf zur Bearbeitung von Freiformflächen
Anmelder Variomatic GmbH & Co. KG, 09117 Chemnitz, DE
Erfinder Wieland, Frank, 09112 Chemnitz, DE
Vertreter Andrejewski, Honke & Sozien, 45127 Essen
DE-Anmeldedatum 18.11.1999
DE-Aktenzeichen 19955520
Offenlegungstag 31.05.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.11.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.11.2002
IPC-Hauptklasse B23Q 1/44
IPC-Nebenklasse B23Q 1/70   B23K 11/28   B23K 26/08   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf zur Bearbeitung von Freiformflächen, z. B. im Werkzeug- und Formenbau. Freiformflächen sind mathematisch schwierig zu beschreibende Oberflächen. Ziel ist es, das Werkzeug bei der Bearbeitung so zu führen, dass es in jedem Bahnpunkt optimal zur Oberfläche steht.

Ein Bearbeitungskopf der eingangs genannten Art ist aus EP 0 674 969 A1 bekannt. Dieser Bearbeitungskopf kann zur Bearbeitung von Werkstücken eingesetzt werden. Der Bearbeitungskopf weist drei längenverstellbare Streben auf, die mit endseitigen Gelenken an einen. Träger angeschlossen sind. Aufgrund der Verstellbarkeit der Streben kann die Bearbeitungsvorrichtung verschwenkt werden und somit für die Bearbeitung eines Werkstückes positioniert werden. Die Positioniergenauigkeit lässt bei diesem bekannten Bearbeitungskopf aber zu wünschen übrig.

Stand der Technik sind Fünf-Achsen-Bearbeitungsmaschinen für die Positionierung der Bearbeitungsvorrichtung im Koordinatensystem X, Y, Z und mit einem Bearbeitungskopf, der zwei seriell angeordnete Schwenkachsen aufweist und z. B. als Gabelfräskopf ausgeführt sein kann. Bei einer seriellen Anordnung addiert sich die Nachgiebigkeit der einzelnen Achsen. Die beweglichen Teile des Bearbeitungskopfes weisen eine große Masse auf, so dass die Dynamik des Bearbeitungskopfes verbesserungsbedürftig ist.

Der funktionsmäßige Nachteil von Werkzeugmaschinen, deren Verfahrachsen im Koordinatensystem X, Y, Z sowie deren Rotationsachsen zur Werkzeugorientierung seriell angeordnet sind, führte zur Entwicklung von Hexapoden mit sechs direkt auf einen Werkzeugträger wirkenden Teleskopantrieben. Die Teleskopantriebe stützen sich auf einem festen Gestell oder Fundament ab und wirken jeweils direkt auf den Werkzeugträger. Bei der Positionierung und Orientierung des Werkzeugträgers sind hohe Verfahrgeschwindigkeiten und Beschleunigungen, verbunden mit einer großen Positioniergenauigkeit, erreichbar. Ein gravierender Nachteil des Hexapod ist sein verhältnismäßig kleiner Arbeitsraum, was den Einsatz des Hexapoden im Werkzeug- und Formenbau einschränkt.

Die Erfindung setzt ein mit der Überlegung, eine Werkzeugmaschine anzugeben, welche die funktionsmäßigen Vorteile einer konventionellen Werkzeugmaschine mit bis zu drei seriellen Linearachsen mit den Vorteilen einer Parallelkinematik, wie sie z. B. bei einem Hexapod verwirklicht ist, vereinigt. Es soll ein Bearbeitungskopf zur Nachrüstung von Werkzeugmaschinen mit bis zu drei Linearachsen angegeben werden, der eine optimale Ausrichtung des Werkzeuges zum Werkstück ermöglicht und im Vergleich zu einem Bearbeitungskopf mit zwei seriell angeordneten Rundachsen kleinere zu bewegende Massen aufweist.

Der Erfindung liegt konkret das technische Problem zugrunde, einen Bearbeitungskopf der eingangs genannten Art anzugeben, der eine sehr präzise funktionssichere Ausrichtung und Positionierung des Werkzeuges zum Werkstück bei nichtsdestoweniger hohen Verfahrgeschwindigkeiten gewährleistet und der sich durch relativ große Bearbeitungsräume auszeichnet.

Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Bearbeitungskopf zur Bearbeitung von Freiformflächen mit

einer Grundplatte, die an eine Schnittstelle einer Werkzeugmaschine anschließbar ist,

einem Träger für eine Bearbeitungsvorrichtung und

drei längenverstellbaren Streben, die mit endseitigen Gelenken an den Träger und an die Grundplatte angeschlossen sind,

wobei der Träger durch ein Kugel- oder Kardangelenk beweglich mit der Grundplatte verbunden ist, wobei die Streben NC-gesteuerte Aktoren aufweisen, so dass durch programmgesteuerte Stellbewegungen der Aktoren Schwenkbewegungen des Trägers um das Kugel- oder Kardangelenk ausführbar sind, und wobei die Streben so ausgerichtet sind, dass ihre Wirkungslinien mit einem Drehmomente bildenden Abstand zu einer durch das Kugel- oder Kardangelenk verlaufenden Rotationsachse des Trägers angeordnet sind. - Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind alle Streben identisch ausgebildet und sind ihre Anschlussgelenke mit einem Teilungsmaß von 120° auf Kreisbögen angeordnet. Das Kugel- oder Kardangelenk ist zweckmäßig auf einer Orthogonalen durch den Mittelpunkt des von den grundplattenseitigen Anschlussgelenken beschriebenen Kreises angeordnet. Es resultiert eine symmetrische Anordnung, wobei das Kugel- bzw. Kardangelenk im Innern eines von den Streben umgebenen Raumes angeordnet ist. Als Aktoren eignen sich Linear-Antriebe, elektromechanische Antriebe, pneumatisch und hydraulische Antriebe.

Der erfindungsgemäße Bearbeitungskopf eignet sich zum Anschluss an Werkzeugmaschinen, die bis zu drei serielle Linearachsen aufweisen können. Unter Ausnutzung der Linearachsen der Werkzeugmaschinen ist die Bearbeitungsvorrichtung in den drei Raumrichtungen X, Y, Z verfahrbar. Das ermöglicht die Positionierung der Bearbeitungsvorrichtung an großen Werkstücken, die z. B. im Formenbau vorkommen können. Für die Orientierung der Bearbeitungsvorrichtung, also die Ausrichtung um Achsen A, B, C werden erfindungsgemäß die Vorteile einer Parallelkinematik genutzt, bei der die Aktoren direkt zwischen Träger und Grundplatte wirken und sich die beweglichen Glieder der Kinematik durch kleine Antriebsmassen auszeichnen. In den Streben herrschen dank der direkten Wirkungsweise nur Zug- und Druckzustände, so dass die verstellbewegbaren Streben mit kleinen Querschnitten und geringen Massen ausgelegt werden können. Die Leichtbauweise einer Parallelkinematik ermöglicht eine hohe Dynamik der von dem Träger ausgeführten Schwenkbewegungen. Durch die erfindungsgemäße Kugelgelenk- bzw. Kardangelenkverbindung des Trägers und der Grundplatte ist im Koordinatensystem A, B, C, welches Schwenk- und Rotationsbewegungen des Trägers relativ zur Grundplatte beschreibt, und den Raumkoordinaten X, Y, Z des Arbeitsraumes eine eindeutige Beziehung hergestellt. Die Position der Bearbeitungsvorrichtung im Arbeitsraum und die Orientierung der Bearbeitungsvorrichtung am Werkstück sind durch die erfindungsgemäße Anordnung entkoppelt. Durch Verfahrwege X, Y, Z ergibt sich ein großer Arbeitsraum für eine Werkzeugmaschine, die mit dem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf ausgerüstet ist. Im Unterschied zu Hexapodstrukturen kann der Bearbeitungskopf auch in Randbereichen des Arbeitsraumes unverändert noch große Schwenkbewegungen in allen Raumrichtungen ausführen, so dass eine optimale Orientierung der Bearbeitungsvorrichtung zum Werkstück auch in den Randbereichen des Arbeitsraumes gewährleistet ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass konventionelle Werkzeugmaschinen durch nachträglichen Anschluss eines erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes nachgerüstet werden können.

Erfindungsgemäß sind die Streben so ausgerichtet, dass ihre Wirkungslinien mit einem drehmomentbildenden Abstand zu einer durch das Kugel- oder Kardangelenk verlaufenden Rotationsachse des Trägers angeordnet sind. Bei dieser Anordnung kann der Träger durch eine Steuerung der Aktoren nicht nur Schwenkbewegungen im Raum sondern auch eine Drehbewegung um die Rotationsachse, welche nach DIN als C- Achse bezeichnet wird, ausführen.

Der Träger kann je nach Anwendung mit einer Bearbeitungsvorrichtung zur spanenden Bearbeitung mit drehendem oder stehendem Werkzeug, einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung, einer Vorrichtung zum Hobeln oder Stoßen oder auch mit einer Schweißvorrichtung ausgerüstet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist der Träger eine Aufnahme für eine Motorspindel auf. Die Motorspindel ist austauschbar und kann mit einem rotierenden oder stehenden Werkzeug betrieben werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine Werkzeugmaschine mit einem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf zur Bearbeitung von Freiformflächen,

Fig. 2 in einer gegenüber Fig. 1 vergrößerten, perspektivischen Darstellung den Bearbeitungskopf,

Fig. 3 eine Seitenansicht des in Fig. 2 dargestellten Gegenstandes, teilweise im Schnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Werkzeugmaschine weist drei serielle Längsachsen für Fahrbewegungen in X, Y und Z-Richtung auf. Im Ausführungsbeispiel ist die Werkzeugmaschine mit einem in X-Richtung verfahrbaren Ständer 1, einem in Z-Richtung am Ständer verfahrbaren Support 2 und einem am Support in Y-Richtung verfahrbaren Schlitten 3 ausgebildet. Der Schlitten 3 weist eine Schnittstelle zum Anschluß eines Bearbeitungskopfes 4 auf, dessen Aufbau in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.

Der in Fig. 2 und 3 dargestellte Bearbeitungskopf 4 dient zur Bearbeitung von Freiformflächen, z. B. im Werkzeug- und Formenbau. Der Bearbeitungskopf 4 weist eine an die Schnittstelle der Werkzeugmaschine anschließbare Grundplatte 5, einen Träger 6 für eine Bearbeitungsvorrichtung 7 sowie drei längenverstellbare Streben 8 auf. Die Streben 8 sind mit endseitigen Gelenken 9, 10 an den Träger 6 und an die Grundplatte 5 angeschlossen. Der Träger 6 ist ferner durch ein Kugel- oder Kardangelenk 11 beweglich mit der Grundplatte verbunden. Die Streben 8 sind mit NC- gesteuerten Aktoren ausgerüstet, so daß durch programmgesteuerte Stellbewegungen der Aktoren Schwenkbewegungen des Trägers 6 um das Kugel- bzw. Karadangelenk 11 ausführbar sind. Durch Schwenkbewegungen kann die Bearbeitungsvorrichtung 7 so ausgerichtet werden, daß das Werkzeug in jedem Bahnpunkt optimal zu der zu bearbeitenden Oberfläche steht. Die Bearbeitungsvorrichtung 7 besteht im Ausführungsbeispiel aus einer Motorspindel, die in einer Aufnahme 12 des Trägers 6 eingesetzt ist. Je nach Steuerung der Motorspindel ist eine spanende Bearbeitung mit drehendem oder stehendem Werkzeug möglich. Die Motorspindel kann durch andere Vorrichtungen, z. B. zur Laserbearbeitung, zum Schweißen, Hobeln oder Stoßen und dergleichen ersetzt werden. Die Grundplatte 5 ist als koppelbare Einheit zum Anschluß an den Spindelstock einer Werkzeugmaschine ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel sind Anschlußbolzen 13 als Anschlußelemente vorgesehen.

Die längenverstellbaren Streben 8 bestehen aus jeweils zwei ineinanderverfahrbaren Rohren. Das äußere Rohr ist an der Grundplatte 5 durch ein Strebengelenk, z. B. ein Kugelgelenk oder Kardangelenk, beweglich angeschlossen. Das innere Rohr ist über einen Kugelrollspindelantrieb bewegbar und mit dem Träger 6 über ein Kugelgelenk 9 verbunden. Anstelle der beschriebenen Teleskopaktoren können beispielsweise auch Streben mit Linearantrieben zum Einsatz kommen.

Insbesondere der Fig. 2 entnimmt man, daß alle Streben 8 identisch ausgebildet sind und ihre Anschlußgelenke 9, 10 mit einem Teilungsmaß von 120° auf Kreisbögen angeordnet sind. Das Kugelgelenk bzw. Kardangelenk 11 ist auf einer Orthogonalen 14 durch den Mittelpunkt des von den grundplattenseitigen Anschlußgelenken 10 beschriebenen Kreises angeordnet. Insofern ist eine symmetrische Anordnung vorgesehen. Der Fig. 2 entnimmt man auch, daß die Streben 8 so ausgerichtet sind, daß ihre Wirkungslinien F mit einem drehmomentbildenden Abstand zu einer durch das Kugel- oder Kardangelenk 11 verlaufenden Rotationsachse C des Trägers 6 angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die Anschlußgelenke 9, 10 der Streben 8 an der Grundplatte 5 und dem Träger 6 winkelversetzt zueinander ausgerichtet. Durch gleichgerichtete Stellbewegungen aller Aktoren kann eine Drehbewegung des Trägers 6 um die Rotationsachse C ausgeübt werden. Der Träger kann Drehbewegungen um die Rotationsachse C sowie Schwenkbewegungen mit einem Schwenkwinkel bis ±45° ausführen. Das ermöglicht eine optimale Werkzeugorientierung im gesamten Arbeitsraum der Werkzeugmaschine.


Anspruch[de]
  1. 1. Bearbeitungskopf zur Bearbeitung von Freiformflächen, mit

    einer Grundplatte (5), die an eine Schnittstelle einer Werkzeugmaschine anschließbar ist,

    einem Träger (6) für eine Bearbeitungsvorrichtung (7) und

    drei längenverstellbaren Streben (8), die mit endseitigen Gelenken (9, 10) an den Träger und an die Grundplatte (5) angeschlossen sind,

    wobei der Träger (6) durch ein Kugel- oder Kardangelenk (11) beweglich mit der Grundplatte (5) verbunden ist, wobei die Streben (8) NC-gesteuerte Aktoren aufweisen, so daß durch programmgesteuerte Stellbewegungen der Aktoren Schwenkbewegungen des Trägers (6) um das Kugel- oder Kardangelenk (11) ausführbar sind und wobei Streben (8) so ausgerichtet sind, dass ihre Wirkungslinien (F) mit einem drehmomentbildenden Abstand zu einer durch das Kugel- oder Kardangelenk (11) verlaufenden Rotationsachse C des Trägers (6) angeordnet sind.
  2. 2. Bearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei alle Streben (8) identisch ausgebildet sind, wobei ihre Anschlußgelenke (9, 10) mit einem Teilungsmaß von 120° auf Kreisbögen angeordnet sind und wobei das Kugel- oder Kardangelenk (11) auf einer Orthogonalen (14) durch den Mittelpunkt des von den grundplattenseitigen Anschlußgelenken (10) beschriebenen Kreises angeordnet ist.
  3. 3. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Träger (6) eine Aufnahme (12) für eine Motorspindel aufweist.
  4. 4. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Träger (6) mit einer Einrichtung zur Laserbearbeitung und/oder zum Schweißen ausgerüstet ist.






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