-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Arbeitsspindelkopf für eine Werkzeugmaschinenspindel,
insbesondere einen Fräskopf
für eine
Frässpindel,
mit Torquemotoren zur Verdrehung der Spindel um wenigstens zwei
unterschiedliche Achsen. Außerdem
betrifft die vorliegende Erfindung eine mit derartigem Fräskopf ausgestattete
Fräsmaschine, die
in Portalbauweise ausgeführt
ist. Solche Portalfräsmaschinen
werden häufig
für den
Werkzeug-, Formen- und Modellbau oder die Produktion in der Automobil-,
Luft- und Raumfahrtindustrie und in sonstigen Anwendungen eingesetzt,
in denen komplexe Oberflächen
an großen
Werkstücken
mit höchster
Oberflächengüte und Bearbeitungsgeschwindigkeit
ausgebildet werden sollen.
-
Eine
aus der Praxis bekannte Portalfräsmaschine
weist ein auf Seitenständern
abgestütztes Portal
auf, das über
einem mit dem Fundament fest verbundenen Aufspanntisch in einer
X-Richtung verfahrbar ist. An dem Portal ist ein Ausleger in einer Y-Richtung
bewegbar gelagert, der einen in Z-Richtung verstellbaren Fräskopf trägt. Der
Fräskopf
selbst weist eine Gabel auf, die um eine vertikale Achse C drehbar
ist. Die Gabel bildet zwei voneinander beabstandete Gabelarme, zwischen
denen das Spindelgehäuse
einer Frässpindel
um eine zu der C-Achse senkrechte Achse A schwenkbar aufgenommen
ist. Die Frässpindel
weist ein Motor angetriebenes Fräswerkzeug
auf, das aus dem Spindelgehäuse
nach außen
ragt und im Betrieb die Schneidoperationen durchführt. Das
Fräswerkzeug
lässt sich
somit in allen erforderlichen Winkellagen in Bezug auf das Werkstück positionieren.
-
Die
Portalfräsmaschine
hat sich in der Praxis bewährt.
Bei fahrendem Portal und stehendem Tisch ist die Dynamik der Maschine
unabhängig
vom Gewicht des Werkstücks,
und die bewegten Massen sind verhältnismäßig gering. Präzise Führungs-,
Antriebs- und Messsysteme ermöglichen
hohe Verfahrgeschwindigkeiten in den linearen Achsen bei hoher Positioniergenauigkeit.
Für eine
Positionierung des Fräskopfes
in der C-Achse und in der A-Achse sorgt jeweils ein Servomotor mit
einem spielarmen Getriebe. Im Allgemeinen wird hierzu ein Räder- oder Schneckengetriebe
verwendet.
-
Mit
den Antriebsgetrieben sind jedoch einige Nachteile verbunden. Bspw.
ist ein Schneckengetriebe einem hohen Verschleiß unterworfen, der nicht kompensiert
werden kann. Außerdem
besteht auf Grund der selbsthemmenden Wirkung des Schneckengetriebes
die Gefahr, dass der Fräskopf
oder das Fräswerkzeug
beim Auflaufen gegen ein Hindernis beschädigt wird. Dem kann jedoch
durch Verwendung eines mechanisch spielarm verspannten Rädergetriebes
ohne Selbsthemmung abgeholfen werden.
-
Unabhängig von
der verwendeten Getriebeart ist die Steifigkeit der Werkzeugmaschine
meist verringert, zumal häufig
mehrere Untersetzungsstufen erforderlich sind, um das erforderliche
hohe Drehmoment am Getriebeausgang zu erzielen. Die reduzierte Steifigkeit
beeinträchtigt
die Bearbeitungsgenauigkeit. Ferner ist auch der Montage- und Wartungsaufwand
von derartigen Antriebsgetrieben relativ hoch. Außerdem ist
die Schwenkgeschwindigkeit begrenzt. Nachdem moderne lineare Achsen
bspw. mit Linearmotoren immer schneller angetrieben werden können und
beim Fräsen
komplexer Oberflächen eine
schnelle Korrekturbewegung des Fräskopfes bzw. der Frässpindel
erforderlich ist, um stets die für die
Kontur der bearbeiteten Oberfläche
erforderliche Winkellage des Werkzeugs zu erreichen, sind hohe Dreh-
oder Schwenkgeschwindigkeiten erforderlich.
-
Heutzutage
werden daher eher Antriebskonzepte verfolgt, die ohne Getriebe auskommen.
Bspw. ist in der
EP
0 885 081 B1 ein getriebeloser, direkt angetriebener Mehrachsen-Drehkopf
für eine
Werkzeugmaschinenspindel vorgeschlagen. Ein erster Servomotor ist
mit der Gabel des Drehkopfes gekuppelt und treibt diese direkt an,
um sie um die C-Achse zu verdrehen. Ein an die Spindel gekuppelter
zweiter Servomotor treibt die Spindel direkt an, um sie um die A-Achse
zu verdrehen. Durch den Fortfall der Getriebe lässt sich der Spindelkopf bzw.
die Spindel mit hohen Geschwindigkeiten in die erforderliche Winkellage überführen, und
die Werkzeugsteifigkeit ist verbessert. Die verwendeten Servomotoren
können aber
nur ein begrenztes Drehmoment liefern, das für eine Großteilebearbeitung mittels einer
Portalfräsmaschine
nicht ausreichend ist.
-
Größere Drehmomente
könnten
durch den Einsatz eines sog. Torquemotors erreicht werden. Torquemotoren
haben inzwischen als Direktantriebe für kleinere Werkzeugmaschinen
herkömmliche
Antriebsgetriebe zunehmend verdrängt.
Sie sind an sich Syn chronmotoren, deren Geometrie aber speziell
auf hohe Drehmomente statt auf hohe Leistungsabgabe hin optimiert
ist. Torquemotoren bauen deshalb relativ groß. Folglich würden sie
die Störkontur
des Drehkopfes stark vergrößern. Diese
sollte jedoch möglichst
klein sein, damit das Werkzeug in einem beschränkten Raum arbeiten kann. Ferner
weisen drehmomentstarke Torquemotoren ein hohes Gewicht auf, das
die Steifigkeit und Stabilität
der Werkzeugmaschine begrenzt.
-
Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, die Unzulänglichkeiten herkömmlicher
Antriebskonzepte zu beseitigen oder zu minimieren. Ferner ist es
Aufgabe der Erfindung, einen Drehkopf für eine zur Großteilebearbeitung
geeignete Werkzeugmaschinenspindel zu schaffen, der bei geringem Bauvolumen
eine gute Wirkungsweise mit hohen Schwenkgeschwindigkeiten und Drehmomenten
ermöglicht.
Insbesondere sollte eine hohe Steifigkeit und Bearbeitungsgenauigkeit
der Werkzeugmaschine ermöglicht
sein.
-
Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Portalfräsmaschine
für eine
Großteilebearbeitung
mit einem derartigen Drehkopf zu schaffen, mit der die erforderlichen
Genauigkeiten und Steifigkeitseigenschaften erhalten werden können.
-
Diese
Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Drehkopf mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße Portalfräsmaschine nach Anspruch 20
gelöst.
-
Der
erfindungsgemäße Drehkopf
weist eine um eine erste Achse C drehbar angeordnete Gabel mit zwei
voneinander beabstandeten Gabelarmen und eine zwischen den Gabelarmen
gehaltene Spindeleinrichtung auf, die um eine zweite, vorzugsweise zu
der Achse C senkrechte Achse A in Bezug auf die Gabel drehbar gelagert
ist. Eine erste Antriebseinrichtung, die ei nen ersten Torquemotor
aufweist, ist zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Drehung der
Gabel um die Achse C an die Gabel gekoppelt. Eine zweite Antriebseinrichtung
ist in der Gabel untergebracht und weist einen zweiten Torquemotor auf,
der zum Antrieb und zur Steuerung der Drehung der Spindeleinrichtung
in Bezug auf die Gabel um die zweite Achse dient. Der zweite Torquemotor
ist jedoch nicht unmittelbar, sondern über eine untersetzende Zahnradgetriebeeinrichtung
mit der Spindeleinrichtung gekoppelt. Das zwischen dem Torquemotor
und der Spindeleinrichtung antriebsmäßig eingefügte Zahnradgetriebe überträgt somit
die Drehbewegung des zweiten Torquemotors auf die Spindeleinrichtung
und erhöht
dabei das von dem zweiten Torquemotor gelieferte Drehmoment auf
für die
Spindeleinrichtung erforderliche Drehmomentwerte.
-
Die
Erfindung basiert auf der Einsicht, dass durch eine spezielle Kombination
von bisher an sich bekannten und unabhängig voneinander eingesetzten
Antriebskonzepten deren Unzulänglichkeiten weitgehend
beseitigt oder zumindest reduziert werden können, während ihre spezifischen Vorteile
und Eigenschaften besser genutzt werden können. Bspw. schafft die Verwendung
von Torquemotoren als Antriebsmittel die Grundlage zur Erzielung
einer hohen Drehmomentabgabe im Vergleich zu Servomotoren, hohen
Dynamik und Steifigkeit, geringer Verschleißanfälligkeit und leichter Montage
bzw. Instandsetzung. Durch die Zwischenschaltung der erfindungsgemäßen Getriebeeinrichtung
in dem A-Achsen-Antriebsstrang kann aber unter Aufrechterhaltung
des Drehmomentes am Getriebeausgang der Torquemotor deutlich kleiner
ausgelegt werden als bei Direktantrieben. Dadurch wird das Bauvolumen
und Gewicht des Drehkopfes wesentlich reduziert. Umgekehrt liegt
der Erfindung die Einsicht zu Grunde, dass der Ansatz, ein Antriebsgetriebe
zu verwenden, wie er inzwischen zugunsten von Direktantrieben aufgegeben
wurde, für
eine Positionierung in der A-Achse weiterhin verfolgt werden kann,
wenn hierfür
ein Torquemotor mit einem untersetzenden Zahnradgetriebe kombiniert
wird, die beide an sich bekannt sind.
-
In
dem hier verwendeten Sinne bezeichnet der Ausdruck „Torquemotor" im Wesentlichen
einen für
den Direktantrieb vorgesehenen Servomotor, dessen Geometrie speziell
im Sinne hoher Drehmomente bzw. Kräfte anstelle einer hohen Leistungsabgabe konzipiert
ist. Die Bauform der Torquemotoren ist daher eher kurz und mit großem Durchmesser.
Damit die Kupferverluste und elektrischen Zeitkonstanten klein bleiben,
haben diese Motoren auch mehr Pole als konventionelle Servomotoren.
Sie besitzen auch hinreichend eine große thermische Zeitkonstante. Dies
hat zur Folge, dass auch bei sehr kleinen Drehzahlen ein extrem
hohes Drehmoment erreicht werden kann. Kurz gesagt, ist bei diesen
Motoren die Drehmoment- bzw. Kraftabgabe statt des Wirkungsgrads
optimiert. Moderne Ausführungen
sind elektrisch gesehen dreiphasige bürstenlose Synchronmotoren mit
Permanenterregung. Es sind Ausführungen
mit Außen-
oder Innenläufer
bekannt. Torquemotoren werden von Motorherstellern neben herkömmlichen
Servomotoren gesondert angeboten, wobei auch komplette Einbaueinheiten
bestehend aus Rotor, Stator, Lagern und mit integrierter Kühlung erhältlich sind.
-
Die
bei der Erfindung für
die Drehachsen eingesetzten Torquemotoren sind vorzugsweise jeweils in
Form eines direkt angetriebenen Rundmotors ausgebildet, der einen
als Außenring
ausgebildeten Stator mit Drehstromwicklungen sowie einen als Innenring
ausgebildeten Rotor mit Permanentmagneten aufweist, der im Inneren
des Stators, konzentrisch zu diesem angeordnet ist. Es können aber
auch Torquemotoren mit einem Außenläufer verwendet
werden.
-
Vorteilhafterweise
kann der erste Torquemotor in einem von der Gabel gesonderten Gehäuse einer
Werkzeugmaschine untergebracht sein, das der C-Achse zugeordnet
ist. Das C-Achs-Gehäuse kann bspw.
durch einen bewegbaren Tragarm oder Ausleger einer Fräsmaschine,
insbesondere einer Portalfräsmaschine,
gebildet sein, der den als Fräskopf
dienenden Drehkopf trägt.
In dem Tragarm ist ausreichend Platz zur Aufnahme des Torquemotors
vorhanden. Der Rotor des Torquemotors ist um die erste Achse C drehbar
und konzentrisch zu dieser angeordnet ist. Er kann mit einer Welle
oder Hülse
betriebsmäßig verbunden
sein, die ebenfalls konzentrisch zu der ersten Achse C angeordnet
und mit der Gabel drehfest verbunden ist, um die Hülse direkt drehbar
anzutreiben. Damit wird eine verschleißarme und steife Direktantriebsverbindung
geschaffen, die hohe Drehmomente und Drehgeschwindigkeiten bzw.
-beschleunigungen bei der Positionierung der Spindeleinrichtung
in der C-Achse ermöglicht.
-
Die
Gabel des Drehkopfes weist vorzugsweise eine im Wesentlichen U-förmige Gestalt
mit einer Basis zur Sicherung des Drehkopfes an der drehangetriebenen
Hülse und
mit den von der Basis frei vorragenden Gabelarmen auf, die im Wesentlichen
parallel zueinander verlaufen. Jeder Gabelarm weist ein Gehäuse auf,
das einen im Wesentlichen kubischen Innenraum definiert. Vorteilhafterweise
kann die zweite Antriebseinrichtung vollständig in dem Innenraum lediglich
eines einzelnen Gabelarmes untergebracht sein.
-
Zwischen
den Gabelarmen ist eine Spindelaufnahme zur Aufnahme einer Arbeitsspindel,
bspw. einer Frässpindel,
angeordnet. Vorzugsweise ist die schwenkbare Spindelaufnahme dazu
eingerichtet, unterschiedliche Spindeln, bspw. zum Schruppen oder
zur Schlichtbearbeitung, aufzunehmen, wobei Mittel vorgesehen sein
können,
die einen halb- oder sogar vollautomatischen Spindelwechsel ermöglichen.
Die Arbeitspindel ist vor zugsweise durch einen eigenen integrierten
Motor drehend antreibbar, der von der ersten und zweiten Antriebseinrichtung
entkoppelt ist.
-
Die
zweite Antriebseinrichtung ist erfindungsgemäß durch die Kombination des
zweiten Torquemotors mit einem einfach, wenngleich speziell gestalteten
untersetzenden Zahnradgetriebe gebildet. Dadurch bleiben die Vorteile
des Torquemotors weitgehend erhalten. Vorteilhafterweise können durch
eine geeignete Untersetzung, die wenigstens 1:2, vorzugsweise wenigstens
1:4 oder sogar größer zu wählen ist,
sehr hohe Drehmomente erzeugt werden, wobei hierzu ein sehr schlank
bauender, kompakter und leichter Torquemotor ausreicht. Damit kann
ein Drehkopf mit kleinem Bauvolumen und geringer Störkontur
geschaffen werden, der sich auch für Bearbeitungsoperationen in
einem beschränkten Raum
gut eignet. Die Masse des Torquemotors und des Drehkopfes lässt sich
deutlich reduzieren. Da diese Masse weit weg von den Lagern an der
Werkzeugmaschine angreift, wird die Neigung zu Schwingungen oder
Pendelbewegungen im Betrieb ebenfalls reduziert. Dies schafft die
Grundlage für
eine hohe Steifigkeit und Dynamik der Maschine und für eine hohe
Oberflächenqualität auch bei
hohen Vorschubgeschwindigkeiten und schnellen Lastwechseln. Trotz
der eingefügten
Untersetzung ist die Schwenkgeschwindigkeit mit wenigstens 180° pro Sekunde
für die
meisten Anwendungen ausreichend.
-
Ferner
ist von Vorteil, dass das erfindungsgemäße Zahnradgetriebe ein nicht
selbsthemmendes Getriebe bildet. Beschädigungen beim Auflaufen des
Drehkopfes gegen ein Hindernis können
somit weitgehend vermieden oder zumindest reduziert werden. Außerdem ist
vorzugsweise lediglich eine einzelne Räderstufe vorgesehen, um eine
Nachgiebigkeit des Getriebes bzw. der Kraftübertragungsstrecke wirksam
zu verhindern.
-
Vorteilhaft
ist, wenn das Zahnradgetriebe derart mechanisch spielfrei verspannt
ist, dass kaum Flankenspiele zwischen den miteinander kämmenden
Verzahnungen vorhanden sind und verschleißbedingte Spiele automatisch
ausgeglichen werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Stirnradgetriebe mit Schrägverzahnung verwendet. Ein
Ritzel ist mit dem Rotor des zweiten Torquemotors drehfest verbunden,
während
ein mit dem Ritzel in Eingriff stehendes Zahnrad an dem Gehäuse der
Spindelaufnahme befestigt ist. Eine Einrichtung zur mechanisch spielfreien
Verspannung des Zahnradgetriebes reduziert toleranz- und verschleißbedingte
Spiele auf ein Minimum.
-
In
einer vorteilhaften Realisierung ist das Zahnrad geteilt ausgebildet
und weist ein erstes und ein zweites Stirnrad auf, die konzentrisch
und axial nebeneinander angeordnet sind. Das zweite Stirnrad ist
drehfest, aber axial verschiebbar in Bezug auf das erste Stirnrad
gehalten. Eine Vorspanneinrichtung spannt das zweite Stirnrad gegen
das erste vor, um für
eine spielfreie Verspannung und eine automatische Verschleißkompensation
zu sorgen.
-
Der
erfindungsgemäße Drehkopf
ist bevorzugter Weise für
die Verwendung als Fräskopf
für eine
Fräsmaschine,
insbesondere eine Portalfräsmaschine
zur Großteilebearbeitung
im Werkzeug-, Formen- und Modellbau vorgesehen. Die durch die ausgeklügelte Antriebstechnik
erzielbare hochdynamische Steifigkeit macht den erfindungsgemäßen Drehkopf
für Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit
hohen Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit, wie sie bspw.
von der Automobil- und Luftfahrtindustrie gestellt werden, besonders
geeignet.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Portalfräsmaschine,
insbesondere zur Großteilebearbei tung,
geschaffen, die einen feststehenden Aufspanntisch, der eine X-Achse
definiert, ein längs
der X-Achse verfahrbares Portal, eine erste Vorschubeinrichtung
zum lagegenauen Verfahren des Portals längs der X-Achse, einen an dem
Portal gehalterten, vorzugsweise in einer Y-Achse verfahrbaren Tragarm
und einen an dem Tragarm befestigten, vorzugsweise in einer Z-Achse verfahrbaren
Fräskopf
aufweist, der in Form des erfindungsgemäßen Drehkopfs mit den vorstehend
erläuterten Merkmalen
und Vorteilen ausgebildet ist. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Fräskopfes
kommen auch der Fräsmaschine
zugute, die somit hochdynamisch aber auch steif ausgebildet ist,
so dass auch bei schnellen Vorschubgeschwindigkeiten und Achsbeschleunigungen
eine hohe Oberflächenqualität erzielt
werden kann.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Portalfräsmaschine
können
auch extrem große
und schwere Werkstücke
in einem Stück
fertig gefräst
werden, ohne ein Nachschleifen oder eine sonstige Nachbearbeitung
zu erfordern. Die Portalfräsmaschine
kann einen feststehenden, vorzugsweise mit dem Fundament fest verankerten
Aufspanntisch für
das Werkstück
und stabile Seitenständer
aufweisen, die das Portal stützen.
Die zu bewegenden Massen sind dann immer die gleichen und verhältnismäßig gering. Mit
der erfindungsgemäßen Portalfräsmaschine
können,
um ein Beispiel anzugeben, Werkstücke z.B. aus Stahl mit einer
Masse von bspw. 15 Tonnen in einem Maschinenraum mit den Abmessungen
von bspw. 4 × 3 × 1,5 m
bearbeitet werden. Den Vorschubeinrichtungen für die linearen Achsen sowie
die erste und die zweite Antriebseinrichtung sorgen in Verbindung
mit geeigneten Messsystemen und einer CNC-Steuerung für eine lagegenaue
Positionierung des Fräskopfes
bzw. der Frässpindel
während
der Bearbeitungsoperation.
-
Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung und
Unteransprüchen. In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
-
1 eine
erfindungsgemäße Portalfräsmaschine
in einer schematisierten perspektivischen Ansicht;
-
2 eine
vergrößerte Darstellung
eines in der Portalfräsmaschine
nach 1 verwendeten erfindungsgemäßen Fräskopfes, in einer vereinfachten Perspektivdarstellung;
-
3 einen
Ausschnitt des erfindungsgemäßen Fräskopfes
in einer schematisierten Querschnittsansicht, in einem anderen Maßstab; und
-
4 einen
weiteren Ausschnitt des erfindungsgemäßen Fräskopfes in einer vereinfachten, gegenüber 1 bis 3 vergrößerten Querschnittsdarstellung.
-
In 1 ist
auf schematisierte Weise eine in Portalbauweise ausgeführte Fräsmaschine 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht. Die Portalfräsmaschine 1 weist
einen Maschinenraum 2 auf, der durch massiv ausgebildete
seitliche Ständerwände 3, 4,
eine Vorderwand 6 sowie eine Rückwand 7 festgelegt
und durch eine an der Vorderwand 6 angebrachte Zugangstür 8 zugänglich ist.
In dem Maschinenraum 2 ist zur Aufnahme eines Werkstücks ein Maschinentisch 9 vorgesehen,
der vorzugsweise mit dem Fundament fest verankert ist. Wie 1 entnehmbar,
ist der Maschinenraum 2 und der Tisch 9 zur Aufnahme
relativ großer
Werkstücke
eingerichtet, wie sie beispielsweise beim Formen- oder Modellbau in
der Automobil- oder Luftfahrtindustrie verwendet werden.
-
Die
Fräsmaschine
ist in Portalbauweise ausgeführt
und weist ein an den Seitenständern 3, 4 abgestütztes Portal 11 auf,
das in einer durch einen Doppelpfeil angezeigten horizontalen X-Richtung verfahrbar
und über
hier lediglich angedeutete Führungen
präzise
geführt
ist, die an beiden Seitenständern
vorgesehen sind. An dem Portal 11 ist in senkrechter Anordnung
ein Ausleger 15 gehalten, der über einen Kreuzschlitten längs des
Portals 11 in der angezeigten horizontalen Y-Richtung bewegbar
ist. Der Ausleger 15 umfasst einen Tragarm 14 (vgl. 3),
der einen Fräskopf 16 mit
einer Frässpindel 17 trägt. Der
Fräskopf 16 ist über einen
Z-Schlitten in vertikaler Z-Richtung
bewegbar. Die den linearen Achsen zugeordneten Antriebseinrichtungen,
bspw. Linearmotoren, Führungen,
der Kreuz- und Z-Schlitten, zugehörige Wegmesssysteme und Steuerungen sind
in 1 nicht explizit dargestellt. Sie sind als solche
bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung sind.
-
Es
sind auch zwei Drehfreiheitsgrade für den Fräskopf 16 bzw. die
Frässpindel 17 vorgesehen.
Der Fräskopf 16 lässt sich
um eine zentral durch den Fräskopf 16 verlaufende,
hier mit der Z-Achse zusammenfallende Drehachse C drehen. Die Frässpindel 17 lässt sich
um eine horizontale Achse A verdrehen bzw. verschwenken, die zu
der C-Achse senkrecht ausgerichtet ist. Die hierfür eingesetzten
Drehantriebe sind nachstehend im Zusammenhang mit 3 und 4 näher erläutert.
-
2 zeigt
auf leicht schematisierte Weise den erfindungsgemäßen Fräskopf 16 in
einer vergrößerten Darstellung
ohne den Tragarm 14. Der Fräskopf 16 ist im Wesentlichen
kastenförmig
gestaltet. Er weist eine Gabel 18 mit einer Basis 19,
die zur Befestigung des Fräskopfes 16 an
dem Tragarm 14 dient, und mit von der Basis wegragenden
Gabelarmen 21, 22, die im Abstand und parallel
zueinander verlaufen, sowie eine Spindeleinrichtung 23 mit
der Frässpindel 17 auf.
Die Gabel 18 enthält
ein Gehäuse 24,
das im Bereich der Gabelarme 21, 22 Innenräume zur
Unterbringung weiterer Komponenten des Fräskopfes 16 bildet.
In 2 ist eine Gehäusewand 26 entfernt,
um einen Blick in den Innenraum 27 des Gabelarmes 21 zuzulassen.
-
Die
Spindeleinrichtung 23 weist eine Spindelaufnahme 28 mit
einem Gehäuse 29 auf,
das zwischen den Gabelarmen 21 schwenkbar aufgenommen ist.
An dem in 1 und 2 unteren
Ende der Spindelaufnahme 28 ragt die Frässpindel 17 mit einem
Fräswerkzeug 31,
das zur maschinellen Bearbeitung einer Werkstückoberfläche dient, aus dem Gehäuse 29 nach
außen
vor.
-
Es
wird nun auf 3 und 4 Bezug
genommen, die in vereinfachten Darstellungen Details des Fräskopfes 16 und
der Fräsmaschine 1 gemäß der Erfindung
veranschaulichen. 3 zeigt eine Querschnittsansicht
längs einer
die C-Achse enthaltenden Ebene, in der der das Gehäuse der
C-Achse bildende Tragarm 14 ausschnittsweise dargestellt
ist, um eine erste Antriebseinrichtung 32 zu veranschaulichen,
die zur Verdrehung des Fräskopfes
um die C-Achse dient. 4 zeigt einen ent sprechenden Querschnitt
durch den Fräskopf 16 zur
Veranschaulichung einer zweiten Antriebseinrichtung 33,
die zur Verdrehung der Spindeleinrichtung 23 um die A-Achse
dient. Zur Vereinfachung ist lediglich ein Halbschnitt mit dem aufgeschnittenen
Gabelarm 21 dargestellt.
-
Wie
in 3 veranschaulicht, weist der Trägerarm 14 ein
mehrteiliges Gehäuse 34 mit
einer im Wesentlichen zylindrischen Außenfläche auf. In dem Innenraum 36 des
Gehäuses 34 sind
die erste Antriebseinrichtung 32 sowie eine von dieser
angetriebene Hülse 37 angeordnet,
die längs
des Tragarms 14 und zu der C-Achse konzentrisch verläuft. Die Hülse 37 weist
einen an ihrem in 3 unteren Ende ausgebildeten
Flansch 38, über
den sie an dem Fräskopf 16 befestigt
ist, sowie einen von dem Befestigungsflansch 38 vorragender
ringförmiger
Ansatz 39 auf. Die Außenseite
der Hülse 37 ist
zwischen ihrem oberen Ende und dem Flansch 38 mehrfach
abgestuft, um bspw. in einem mittleren Abschnitt 41 gemeinsam
mit dem Gehäuse 34 einen
Raum zur Aufnahme der ersten Antriebseinrichtung 32 zu
schaffen.
-
Die
erste Antriebseinrichtung 32 ist zum direkten Antrieb und
zur Steuerung der Gabeldrehung eingerichtet. Sie ist durch einen
Torquemotor, also in etwa einen für hohe Drehmomente ausgelegten
Servomotor 42, gebildet, zu dem im Wesentlichen ein ringförmiger Stator 43 und
ein innerhalb des Stators 43 drehbar angeordneter Rotor 44 gehören. Der
Stator 43 ist an einem Lagerbund 46 des Gehäuses 34 angeordnet
und einerseits durch einen Klemmhülse 45, die zwischen
dem Bund 46 und der Hülse 37 eingefügt ist,
und auf der axial gegenüberliegenden
Seite durch eine ringförmige
Halterung 47 in seiner Lage gesichert. Der ebenfalls ringförmige Rotor 44 ist
unter Ausbildung eines geringen Spalts dem Stator 43 radial
gegenüberliegend
angeordnet und an dem Hülsenabschnitt 41 drehfest
angebracht. Hier sind die axialen Enden des Rotors 44 zwischen
einem Kra gen 48 der Hülse 37 und
einem Klemmelement 49 aufgenommen und durch Verschraubung
fixiert. Die Längsachsen
des Stators 43 und des Rotors 44 sind konzentrisch
zu der vertikalen Achse C.
-
Die
Hülse 37 ist
zur Drehung um die Achse C durch Lageranordnungen gelagert. Ein
erstes Lager 51 stützt
die Hülse 37 in
ihrem oberen Bereich, oberhalb des Abschnitts 41 gegen
die Halterung 47 ab. Ein weiteres Lager 52 ist
in der Nähe
des Flansches 38 angeordnet. Die Lager 51, 52 sind
geeignet zwischen dem Gehäuse 34 und
der Hülse 37 fixiert.
Außerdem
ist zwischen einem stillstehenden Gehäuseteil und der umlaufenden
Hülse 37 ein
Winkelmesssystem 53 vorgesehen, um die relative Winkelstellung
oder Geschwindigkeit der Hülse 37 und
des daran befestigten Fräskopfs 16 zu
erfassen und an die Steuerung zu senden, die die Positionierung
der Frässpindel 17 steuert.
-
Wie
auch aus 4 hervorgeht, ist die Basis 19 der
Gabel 18 des Fräskopfes 16 an
dem Flansch 38 durch Befestigungsmittel, bspw. Schrauben 54, gesichert.
Außerdem
ist an dem Kopfende der Basis 19 eine zylindrische Ausnehmung 56 eingearbeitet, in
die der Ansatz 39 der Hülse 37 spielarm
passt, so dass der Fräskopf 16 zu
dem Tragarm 14 exakt konzentrisch ausgerichtet werden kann.
-
In 4 ist
die zweite Antriebseinrichtung 33 zum Antrieb und zur Steuerung
der Spindeldrehung um die Achse A veranschaulicht. Die gesamte Antriebseinrichtung 33 ist
in dem Innenraum 27 des Gabelarmes 21 untergebracht.
Sie weist als Antriebsmittel ebenfalls einen Torquemotor 57 mit
einem äußeren Statorring 58,
der die Drehstromwicklungen trägt,
und einem inneren Rotorring 59, der mit Permanentmagneten
versehen ist, auf. Allerdings ist der Torquemotor 57 erfindungsgemäß nicht
als Direktantriebsmotor an die Frässpindel 17 gekoppelt.
Vielmehr enthält
die zweite Antriebseinrichtung 33 eine Ge triebeeinrichtung 61,
die zwischen dem Torquemotor 57 und der Frässpindel 17 zur
Kraftübertragung
eingefügt
ist.
-
Der
Stator 58 des Torquemotors 57 ist an einem Motorlagergehäuse 62 befestigt,
das mit dem Gehäuse 34 starr
verbunden ist. Der Rotor 59 ist an dem Motorlagergehäuse 62 über eine
Wälzlageranordnung 63 drehbar
gelagert, die hier durch zwei einreihige Schrägkugellager gebildet sind.
Die Kugellager 63 sind im Abstand hintereinander angeordnet und
weisen Innenringe 64 und Außenringe 66 auf, die äußere bzw.
innere Laufbahnen bilden, auf denen Kugeln 67 abrollen,
die in Umfangsrichtung bspw. durch einen Käfig gleichmäßig voneinander beabstandet
gehalten sind. Die Innenringe 64 sind mit dem Motorlagergehäuse 62 und
die Außenringe 66 mit
einem Anpassflansch 68 drehfest verbunden, der den Rotor 59 sichert.
Der Anpassflansch 68 ist mit einer Welle 69 über eine
Wellennabenverbindung drehfest verbunden, zu der eine an dem Anpassflansch 68 befestigte
Nabe 71 und eine zwischen der Nabe 71 und der
Welle 69 eingefügte
Klemmhülse 72 gehören. Der
Rotor ist somit über
die Elemente 68, 71, 72 steif mit der
Welle 69 verbunden, Die Welle 69 definiert eine
Torquemotorachse 73, zu der der Rotor 59 und der
Stator 58 konzentrisch angeordnet sind. Die Achse 73 verläuft parallel
zu der Schwenkachse A.
-
Auf
einer Seite der Welle 69 in Bezug auf die Nabe 71 ist
an einem Wellenfortsatz 74 ein Signalgeber 76 eines
Winkelmesssystems 77 angebracht. Der Signalgeber 76 erfasst
die Winkelstellung oder -geschwindigkeit des Rotors 59 und
liefert hierfür kennzeichnende
Signale an die Steuerung für
die Positionierung der Frässpindel 17.
Ein ortsfester Signalaufnehmer 78 des Winkelmesssystems 77 ist
in geringem Abstand zu dem Signalgeber 76 an dem Motorlagergehäuse 62 gesichert.
-
Auf
der gegenüberliegenden
Seite in Bezug auf die Nabe 71 weist die Welle 69 einen
vergrößerten Durchmesser
und eine Schrägverzahnung
auf, um ein Ritzel 79 der Getriebeeinrichtung 61 zu
bilden. Das Ritzel 79 kämmt
mit einem über
der Achse A drehbar gelagerten Zahnrad 81, das hier geteilt,
mit einem ersten Stirnrad 82 und einem zweiten Stirnrad 83 ausgebildet
ist. Das erste Stirnrad 82 weist einen rohrförmigen Abschnitt 84,
der in Axialrichtung und zu der Schwenkachse A konzentrisch verläuft, einen ersten
radialen Abschnitt 86, der sich ausgehend von einem der
Frässpindel 17 zugewandten
Ende des axialen Abschnitts 84 radial nach innen erstreckt,
und einen bundartigen radialen Abschnitt 87 auf, der sich in
der Nähe
des anderen Endes 88 des axialen Abschnitts 84 von
diesem aus radial nach außen
erstreckt und die Schrägverzahnung
trägt.
Zwischen dem Ende 88 und dem radialen Abschnitt 87 ist
eine ringförmige
Aussparung 89 definiert.
-
In
der Aussparung 89 ist das ringförmige zweite Stirnrad 83 angeordnet,
das an seiner radialen Außenfläche eine
zu den Schrägverzahnungen
des Ritzels 79 und Stirnrads 82 passende Schrägverzahnung
trägt.
Die Breite und Höhe
des zweiten Stirnrads 83 entsprechen den Dimensionen des
Abschnitts 87, der axial hinter dem Stirnrad 83 und
konzentrisch zu diesem angeordnet ist. Das zweite Stirnrad 83 ist
in Bezug auf das erste Stirnrad 82 unverdrehbar, jedoch
axial verschiebbar gehalten. Hierzu dienen mehrere Bolzen 91,
die an dem ersten Stirnrad 82 befestigt sind und spielarm
in zugehörige
Axialbohrungen des ersten Stirnrads 82 eingreifen.
-
Eine
Vorspanneinrichtung 92 spannt die Stirnräder 82, 83 axial
gegeneinander vor. Die Vorspanneinrichtung 92 ist hier
durch einen Bolzenstift 93, der die Stirnräder 82, 83 in
axialer Richtung mit geringem Spiel durchgreift, und eine Feder 94 gebildet.
Der Bolzenstift 93 weist einen vergrößerten Kopf 96 auf,
der gegen das zweite Stirnrad 83 drückt, während die Feder 94 an
dem gegenüberliegenden
Ende des Bolzenstiftes 93 befestigt und gegen das erste Stirnrad 82 abgestützt ist.
Es sind vorzugsweise mehrere derartige Anordnungen aus Bolzenstift 93 und
Feder 94 über
den Umfang verteilt vorgesehen, um einen Verspannmechanismus zu
bilden, der das einstufige Zahnradgetriebe 61 gleichmäßig mechanisch
spielfrei verspannt. Außerdem
bildet der Verspannmechanismus zugleich eine automatische Justiereinrichtung,
die durch Fertigungstoleranzen oder Verschleiß bedingte Spiele selbsttätig ausgleicht. Nimmt
bspw. die Zahndicke in Folge eines Verschleißes an den Zahnflanken ab,
wird das zweite Stirnrad 83 durch die Vorspanneinrichtung 92 über den
Führungsbolzen 91 in
Richtung auf das erste Stirnrad 82 verschoben. Dadurch
sind die Schrägverzahnungen in
Umfangsrichtung geringfügig
zueinander versetzt und die effektive Dicke zwischen der Vorderflanke
eines der Stirnräder 82 bzw. 83 und
der Rückflanke
des anderen Stirnrads entsprechend erhöht. Somit werden Flankenspiele
automatisch eliminiert.
-
Zur
Lagerung des Zahnrads 81 ist ein Lager 97 vorgesehen,
das zwischen dem axialen Abschnitt 84 und einem Gehäuseabschnitt 98 des
Gabelarms 21 wirksam eingefügt ist. Das Gehäuse 29 der
Spindelaufnahme 28 ist über
Befestigungsmittel 99 drehfest mit dem Stirnrad 82 verbunden,
so dass die Frässpindel 17 über der
Achse A schwenkbar gehalten ist. Im Inneren des axialen Abschnitts 84 des
Stirnrads 82 ist ein weiteres Winkelmesssystem 101 mit einem
an dem radialen Abschnitt 86 befestigten umlaufenden Signalgeber 102 und
einem bspw. an dem Motorlagergehäuse 62 befestigten
feststehenden Signalaufnehmer 103 angeordnet. Das zweite
Winkelmesssystem 101 versorgt die Steuerungseinrichtung mit
Signalen, die die Winkellage des Zahnrads 81 und somit
der Frässpindel 17 über der
Schwenkachse A kennzeichnen.
-
Der
erfindungsgemäße Fräskopf 16 weist weitere
Einrichtungen und Mittel auf, z.B. Versorgungsleitungen zur Zuführung von
Kühlluft
oder einer Kühlflüssigkeit
für die
Torquemotoren 42, 57, zur Zuführung eines Schmiermittels
und/oder zur Zuführung
eines Kühlmediums,
das das Fräswerkzeug 31 bei
der Bearbeitung einer Werkstückoberfläche kühlt. Derartige
Einrichtungen und Mittel sind in den Figuren zwecks besserer Übersichtlichkeit
weggelassen und an sich für
die Erfindung nicht wesentlich. Es ist jedoch zu bemerken, dass
durch die kompakte Bauform, die durch die Kombination des zweiten
Torquemotors 57 mit dem einstufigen Rädergetriebe 61 erhalten
wird, eine bessere Unterbringung derartiger Mittel in einem sehr
beschränkten
Raum innerhalb der Gabel 18 ermöglicht wird.
-
Die
insoweit beschriebene erfindungsgemäße Fräsmaschine 1 mit dem
erfindungsgemäßen Fräskopf 16 ist
zur simultanen 5-Achsen-Bearbeitung von
Werkstückoberflächen mit
hoher Oberflächengüte eingerichtet
und insbesondere für
Großteilebearbetung
in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie geeignet. Sie arbeitet
wie folgt:
Im Betrieb ist ein Werkstück auf dem Maschinentisch 9 platziert.
Da der Tisch 9 und das Werkstück nicht bewegt werden, können auch
sehr große
und schwere Werkstücke
aus unterschiedlichen Materialien bearbeitet werden. Die bewegten
Massen, zu denen im Wesentlichen das Portal 11, der Tragarm 14 und
der Fräskopf 16 gehören, bleiben
stets gleich und sind verhältnismäßig gering.
Die gesamte Maschinenstruktur, bspw. die massiven, standfesten Seitenständer 3, 4,
das struktursteife Portal 11 etc., ist für hohe Dynamik
und hohe Steifigkeit ausgelegt, so dass selbst sehr schnelle Vorschübe und hohe
Lastwechsel kaum Erschütterungen
oder Schwingungen hervorrufen. Auch die eingesetzten Antriebe sind
für eine
hohe dynamische Steifigkeit eingerichtet, um hohe Vorschübe und Achsbe schleunigungen
bis zu 5 m/s2 oder sogar mehr zu ermöglichen.
Damit lassen sich innerhalb kürzester
Zeit auch komplexe Oberflächen
mit sehr guter Qualität
fräsen.
-
Im
Betrieb aktiviert eine hier nicht näher veranschaulichte numerische
Steuerung der Fräsmaschine 1 die
den linearen Achsen X, Y und Z zugeordneten Antriebe, um den Fräskopf in
dem Maschinenraum 2 in die zum Fräsen geeignete Position zu überführen. Außerdem aktiviert
die Steuerung gleichzeitig die Torquemotoren 42, 57 und
bewirkt eine Drehung der Rotoren 44, 59 und somit
eine gesteuerte Drehung der damit gekoppelten Spindeleinrichtung 23 um
die Achsen C und A. Damit kann das Fräswerkzeug 31 auch
bei hohen Vorschub- und Schnittgeschwindigkeiten bezüglich der
zu bearbeitenden Oberfläche
unter dem erforderlichen Winkel gehalten werden. Bei abrupten Änderungen
der linearen Achse oder Kontur der maschinell bearbeiteten Oberfläche sind
schnelle Korrekturbewegungen der Drehachsen C und A unter Beibehaltung
der erforderlichen Winkellage möglich.
Der mit dem Fräskopf 16 gekoppelte
Torquemotor 42 stellt als Direktantrieb eine schnelle Beschleunigung
und Abbremsung des Fräskopfes 16 um
die erste Achse C sicher. Die zweite Antriebseinrichtung 33,
also der Torquemotor 57 gemeinsam mit dem einstufigen Zahnradgetriebe 61, sorgt
für eine
ausreichende Geschwindigkeit und Dynamik beim Verschwenken der Frässpindel 17 um
die zweite Achse A. Vorteilhafterweise ermöglicht die Kombination der
beiden Winkelmesssysteme 77 und 101 der Steuerung,
die Spindeleinrichtung 23 auch bei etwaigen Spielen in
dem Antriebsstrang in der exakten Position in der A-Achse zu positionieren.
-
Der
wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gegenüber einem
Direktantrieb für
die Positionierung in der A-Achse besteht darin, dass wesentlich
kleiner bauende Torquemotoren eingesetzt werden können, um
der Spindel das für die vorliegenden
Anwendungen erforderliche hohe Drehmoment zuzuführen. Bei der gewählten Getriebeuntersetzung
von 1:6, wie in 4 veranschaulicht, steht bspw.
bei einem Torquemotor, der ein Ausgangsdrehmoment von 220 Nm liefert,
am Getriebeausgang ein Drehmoment von 1320 Nm zur Verfügung. Es
sind auch noch größere Untersetzungen möglich. Nachdem
der Durchmesser von Torquemotoren mit zunehmendem maximalem Drehmoment überproportional
steigt, kann mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine deutlich
geringere Auskraglänge
und Störkontur
des Fräskopfes 16 erreicht werden.
Dadurch wird das Fräsen
auch sehr feiner Konturen auf engem Raum ermöglicht. Auch das Gewicht des
Torquemotors 57 und des Fräskopfes 16 lässt sich
deutlich reduzieren, was die Schwingungsneigung wesentlich verringert.
-
Erfindungsgemäß wird gezielt
ein einstufiges, mechanisch spielfrei verspanntes Zahnradgetriebe 61 eingesetzt,
weil dieses sehr robust und wartungsarm ausgeführt sein kann. Dadurch kann
eine hohe Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Langlebigkeit der Fräsmaschine 1 erzielt
werden. Außerdem
können
durch das Zahnradgetriebe 61 Schäden an der Fräsmaschine 1 beim
Auflaufen gegen ein Hindernis vermieden werden.
-
Durch
gezielte Maßnahmen,
wie das Vorsehen lediglich einer einzelnen Räderstufe, ihre mechanisch spielfreie
Verspannung, konstruktive Ausgestaltung der Elemente, das geringe
Bauvolumen und Gewicht des Fräskopfes,
ist die Grundlage für
eine hohe dynamische Steifigkeit und Bearbeitungsgenauigkeit der
Fräsmaschine 1 gegeben.
-
Im
Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Variationen und Modifikationen
der vorstehend beschriebenen Ausführungsform möglich. Wie
bereits erwähnt,
kann bspw. die Untersetzung an die jeweiligen Anwendung und Anforderungen
angepasst werden.
-
Das
Ritzel 79 könnte
als gesondertes Teil an der Torquemotorwelle 69 befestigt
sein. Das Zahnrad 81 und der Verspannmechanismus 91-96 lassen
sich auch auf andere Weise, bspw. mit mehreren gegeneinander verspannten
Zahnrädern
realisieren. Die hier veranschaulichten Ausführungsformen werden aber auf
Grund des einfachen und robusten Aufbaus bevorzugt. Außerdem kann
die hier beschriebene Ausführungsform
ohne weiteres erweitert werden, um die Frässpindel 17 nach Art
eines Kardanaufbaus zusätzlich
um eine zu den Achsen A und C orthogonale dritte Achse drehen oder
schwenken zu können. Für die vorliegenden
Anwendungen ist aber eine dritte Drehachse nicht erforderlich.
-
Es
ist selbstverständlich,
dass bezüglich
der hier erläuterten
speziellen Vorrichtung keine Einschränkung beabsichtigt oder vorgenommen
werden sollte. Vielmehr sollen die beigefügten Ansprüche sämtliche Modifikationen umfassen,
wie sie in den Umfang der Ansprüche
fallen.
-
Ein
Fräskopf 16 für eine zur
Bearbeitung von Großteilen
eingerichtete Fräsmaschine 1 weist
eine um eine erste Achse C drehbar angeordnete Gabel 18,
die ein paar voneinander beabstandete Gabelarme 21, 22 aufweist,
eine um eine zweite Achse A drehbare, zwischen den Gabelarmen angeordnete Spindeleinrichtung 23,
einen ersten Torquemotor 42, der zum direkten Antrieb und
zur Steuerung der Gabeldrehung um die erste Achse C mit der Gabel 18 gekuppelt
ist, und einen zweiten Torquemotor 57 auf, der über ein
einstufiges, mechanisch spielfrei verspanntes Zahnradgetriebe 61 zum
Antrieb und zur Steuerung der Spindeldrehung um die zweite Achse A
mit der Spindeleinrichtung 23 gekoppelt ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung
ist zur Erzielung hoher Drehmomente bei einer hohen dynamischen Steifigkeit
und einer geringen Störkontur
des Fräskopfs 16 eingerichtet.