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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Halterung von einem
oder mehreren Werkzeugen, mittels denen ein Werkstück in unterschiedlichen
Winkelstellungen und Lagen der Werkzeuge bearbeitbar ist, wobei
die Vorrichtung als auswechselbares Werkzeugaggregat ausgebildet
ist, das an der Spindel einer Werkzeugmaschine anbringbar ist und
mindestens eine Werkzeugaufnahme für die Werkzeuge aufweist, die
durch die Spindel über
Getriebeglieder antreibbar und zu deren Längsachse verdrehbar und gegenüber dieser
verschwenkbar ist.
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Eine
derartige Vorrichtung, die sich in der Praxis bewährt hat,
ist durch die
DE
10 2004 062 138 B2 bekannt. Die zur Bearbeitung von Werkstücken vorgesehenen
Werkzeuge können
mittels dieser Vorrichtung zwar um die C-Achse verdreht und um die A-Achse
verschwenkt werden, diese Bewegungen sind aber nur getrennt voneinander
und nacheinander auszuführen,
so dass das Ausrichten eines Werkzeuges auf eine vorgegebene Position
zeitaufwändig ist.
Zwar kann auf diese Weise ein Werkzeug im Verstellbereich des Werkzeugaggregates
somit an jede zu bearbeitende Stelle eines Werkstückes verfahren werden,
um sodann einen Arbeitsvorgang auszuführen, eine Bearbeitung während eines
Verstellvorganges ist jedoch nicht möglich. Die Bearbeitungen von Werkstücken mit
kugeligen Flächen
ist demnach nicht zu bewerkstelligen, eine Verstellung eines Werkzeuges
in einer Raumkurve ist nämlich
nicht möglich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, die Vorrichtung der eingangs genannten
Art in der Weise auszubilden, dass ein in dem Werkzeugaggregat eingespanntes
Werkzeug gleichzeitig sowohl um die C-Achse gedreht als auch um
die A-Achse zu verschwenken ist, so dass das Werkzeug beliebige Raumkurven
durchfahren kann. Der Bauaufwand, mittels dem dies zu erreichen
ist, soll gering gehalten werden, auch soll stets eine hohe Betriebssicherheit bei
einfacher Einstellung gewährleistet
sein.
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Gemäß der Erfindung
wird dies bei einem verstellbaren Werkzeugaggregat der vorgenannten Gattung
dadurch erreicht, dass das Werkzeugaggregat und die Werkzeugaufnahme
jeweils mittels eines gesonderten ersten und zweiten Servomotors
antreibbar sind, die unabhängig
voneinander wahlweise einschaltbar und trieblich ständig mit
dem Werkzeugaggregat bzw. der Werkzeugaufnahme verbunden sind.
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Zweckmäßig ist
es hierbei, den dem Werkzeugaggregat zugeordneten ersten Servomotor
ortsfest auf einem Träger
abzustützen
und vorzugsweise über
einen ersten Zahnriementrieb mit einer drehbar in dem Träger gelagerten
Scheibe trieblich zu verbinden, die formschlüssig mit dem Werkzeugaggregat gekoppelt
ist.
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Der
der Werkzeugaufnahme zugeordnete zweite Servomotor kann nach einer
ersten Ausführungsvarianten
unmittelbar an dem Werkzeugaggregat angebracht, vorzugsweise achsparallel
zu dessen Längsachse
auf diesem angeordnet und über Getriebeglieder
zwangläufig
mit der Werkzeugaufnahme verbunden sein.
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Nach
einer zweiten Ausführungsvarianten kann
der der Werkzeugaufnahme zugeordnete zweite Servomotor ortsfest
vorzugsweise auf dem Träger des
ersten Servomotors abgestützt
und über
einen zweiten Zahnriementrieb und Getriebeglieder zwangläufig mit
der Werkzeugaufnahme verbunden sein.
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Bei
der zweiten Ausführungsvarianten
ist es angezeigt, den zweiten Zahnriementrieb mit einem Zahnriemenrad
zu versehen, das vzw. eine Innenverzahnung aufweist, und in dessen
Innenverzahnung ein Ritzel eingreifen zu lassen, das trieblich mit
der Werkzeugaufnahme verbunden ist.
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Um
unverwünschte
Verstellbewegungen der Werkzeugaufnahme beim Antrieb des Werkzeugaggregates
durch den ersten Servomotor zu vermeiden, ist in diesem Betriebszustand
der zweite Servomotor derart gesteuert gegenläufig anzutreiben, dass die
Drehbewegungen des Werkzeugaggregats mittels des zweiten Zahnriementriebes
ausgleichbar sind.
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Außerdem sollten
dem ersten und dem zweiten Servomotor jeweils eine unmittelbar in
diese integrierte Steuerelektronik zugeordnet sein und/oder der
erste und der zweite Servomotor sollte an die Steuerelektronik der
Werkzeugmaschine anschließbar
sein.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform sind
die beiden Zahnriementriebe bzw. der erste Zahnriementrieb und ein
Stirnradgetriebe über
ein Überlagerungsgetriebe
gegeneinander abgestützt.
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Das Überlagerungsgetriebe
ist hierbei als Planetenradgetriebe ausgebildet, dessen Planetenräder mit
an einem von dem ersten Zahnriementrieb antreibbaren Tellerrad und
mit einem dem zweiten Zahnriementrieb vorgeschalteten zweiten Tellerrad zusammenwirken
und der zweite Stellmotor ist mit dem dem zweiten Zahnriementrieb
vorgeschalteten Tellerrad oder dem Planetenradträger des Überlagerungsgetriebes trieblich
verbunden.
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Außerdem sind
die Übersetzungsverhältnisse
des ersten Zahnriemenrades zu dem zweiten Zahnriemenrad doppelt
so groß bzw.
gleich groß zu wählen wie
das Übersetzungsverhältnis des
dritten Zahnriemenrades zu dem vierten Zahnriemenrad. Auf diese
Weise wird vermieden, dass die Werkzeugaufnahme bei Rotation des
Werkzeugaggregates um die C-Achse ihre Lage ändert.
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Zweckmäßig ist
es ferner, das Überlagerungsgetriebe
koaxial zur Abtriebswelle des zweiten Servomotors anzuordnen und
bei einem Antrieb des Planetenradträgers des Überlagerungsgetriebes) den
zweiten Zahnriementrieb als Stirnradgetriebe mit Zwischenrad auszubilden.
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Nach
einer andersartigen Ausführungsvarianten
kann der der Werkzeugaufnahme zugeordnete zweite Servomotor drehfest
auf einem Zahnriemenrad abgestützt
sein, das mit dem dem Werkzeugaggregat zugeordneten ersten Zahnriementrieb
trieblich verbunden ist.
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Zur
Triebverbindung des der Werkzeugaufnahme zugeordneten zweiten Servomotors
mit dieser sollte hierbei ein zweiter Zahnriementrieb vorgesehen
sein, der über
ein auf der Abtriebswelle des zweiten Servomotors angeordnetes ersten
Zahnriemenrad und ein in dem Werkzeugaggregat drehbar gelagertes
zweites Zahnriemenrad geführt
ist, und das zweite Zahnriemenrad sollte vzw. eine Innenverzahnung
aufweisen, in die ein mit der Werkzeugaufnahme trieblich verbundenes
Ritzel eingreift.
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Um
auch bei dieser Ausführungsform
unerwünschte
Verstellungen der Werkzeugaufnahme zuverlässig und auf einfache Weise
zu vermeiden, sollten die Zähnezahlverhältnisse
der zueinander fluchtenden in den dem Werkzeugaggregat zugeordneten ersten
Zahnriementrieb eingreifenden Zahnriemenräder und der in den der Werkzeugaufnahme
zugeordneten zweiten Zahnriementrieb eingreifenden Zahnriemenräder einander
entsprechen, so dass das in die Innenverzahnung des zweiten Zahnriemenrades
eingreifende Ritzel nicht verstellt wird.
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Da
der auf dem Zahnriemenrad angeordnete zweite Servomotor zeitweise
mit umläuft,
sollte dieser Servomotor über
Schleifkontakte an eine Stromquelle und/oder an die Steuerelektronik
der Werkzeugmaschine anschliessbar sein.
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Wird
eine Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgebildet,
so ist es möglich
ein Werkzeug gleichzeitig um die C-Achse zu drehen und um die A-Achse zu
verschwenken, so dass in dem Verstellbereich des Werkzeuges dieses
in kurzer Zeit in jede Position überzuführen ist.
Dabei ist es möglich,
beliebige Raumkurven zu durchfahren und dabei ein Werkstück mittels
eines geeigneten Werkzeuges, zum Beispiel einem Fräser, zu
bearbeiten. Auf diese Weise können
zum Beispiel auch konkave und konvexe Flächen geformt werden.
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Der
Bauaufwand, mittels dem dies zu bewerkstelligen ist, ist gering.
Zum Einzelantrieb des Werkzeugaggregates und der Werkzeugaufnahme ist
jeweils nur ein Motor erforderlich, die in entsprechender Weise
mit Hilfe der Steuerelektronik der Werkzeugmaschine oder gesonderte
elektronische Steuerungen ein- und auszuschalten sind, um die Verstellbewegungen
vorzunehmen. Dabei ist eine hohe Betriebssicherheit, da nur einfache
Schaltvorgänge
auszuführen
sind und weitgehend handelsübliche
Bauteile verwendet werden können,
gegeben. Mit Hilfe der vorschlagsgemäß ausgebildeten Vorrichtung
kann somit die Bearbeitung von Werkstücken wirtschaftlicher als bisher
erfolgen, vor allem aber lassen sich Bearbeitungen ausführen, die
mit den bekannten Werkzeugaggregaten nicht zu bewerkstelligen sind,
da das Werkzeug in Raumkurven verstellt werden kann. Eine vielseitige
Verwendbarkeit der vorschlagsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung ist demnach gegeben.
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In
der Zeichnung sind einige Ausführungsvarianten
einer Vorrichtung zur Halterung eines verstellbaren Werkzeuges dargestellt,
die nachfolgenden im einzelnen erläutert sind:
Hierbei zeigen,
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1 die
Vorrichtung mit verdrehbarer und verschwenkbarer Werkzeugaufnahme
durch zwei getrennt angeordnete und getrennt steuerbare Servomotoren,
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2 die
Vorrichtung nach 1 mit andersartiger Einbindung
des dem Werkzeugaggregat zugeordneten Servomotors,
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3 eine
weitere Ausführungsform
der Anordnung der Servomotoren nach 2,
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4 die
Vorrichtung nach 2 mit über ein Überlagerungsgetriebe abgestützten Zahnriementrieben
und
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5 und 6 unterschiedliche
Ausgestaltungen des Überlagerungsgetriebes
nach 4 und des diesem nachgeschalteten Getriebezuges.
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Die
in den 1 bis 6 dargestellte und mit 1, 1', 1'' bzw. 1''' bezeichnete
Vorrichtung dient zur Halterung von einem oder mehreren z.B. als
Fräser
ausgebildeten in einer Werkzeugaufnahme 6 eingesetzten
Werkzeugen 10, mittels denen Werkstücke vielseitig zu bearbeiten
sind, und ist in Form eines Werkzeugaggregates 4 ausgebildet,
das mittels einer Welle 5 an einer Spindel 3 einer
Werkzugmaschine 2 zu befestigen ist. Über nicht dargestellte Getriebeglieder
ist die Werkaufnahme 6 und damit das in diese eingespannte
Werkzeug 10 durch die Spindel 3 antreibbar.
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Die
Werkzeugaufnahme 6 ist unabhängig von deren Antriebsgliedern
um die Längsachse
C der Spindel 3 verdrehbar und auch gegenüber der
senkrecht zu dieser verlaufenden A-Achse um einen wählbaren
Winkel stufenlos verschwenkbar. Um dies zu bewerkstelligen, sind
ein erster und ein zweiter Servomotor 11 bzw. 21 vorgesehen,
die unabhängig
voneinander wahlweise einschaltbar sind. Die Servomotoren 11 und 21 sind
ständig
mit dem Werkzeugaggregat 4 bzw. der Werkzeugaufnahme 6 trieblich
verbunden, so dass, um das Werkzeug 10 in eine bestimmte
Arbeitsposition zu bringen, gleichzeitig das Werkzeugaggregat 4 gedreht
und die Werkzeugaufnahme 6 geschwenkt werden können.
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Ist
das Werkzeug 10, wie dies in den 1 bis 6 dargestellt
ist, als Fräser
ausgebildet, kann bei diesen räumlichen
Bewegungen auch eine Bearbeitung eines Werkstückes erfolgen. Im gesamten Verstellbereich
der Werkzeugaufnahme 6 können somit jedwede Bearbeitungen,
da das Werkzeug 10 in Abhängigkeit von den Ansteuerungen
der Servomotoren 11 und 21 jede Raumkurve durchfahren
kann, vorgenommen werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, in
einer eingenommenen Position des Werkzeuges 10 ein Werkstück zu bearbeiten.
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Bei
der Ausführungsvarianten
der Vorrichtung 1 nach 1 ist der
Servomotor 11 ortsfest auf einem Träger 12 abgestützt und
dessen Abtriebswelle 17 ist über einen ersten Zahnriementrieb I trieblich mit
einer Scheibe 13 verbunden, die mittels Wälzlager 14 drehbar
in dem Träger 12 gelagert
ist. Über
einen an dem Werkzeugaggregat 4 angebrachten Bolzen 16,
der in eine in die Scheibe 13 eingearbeitete Bohrung 15 eingreift,
ist das Werkzeugaggregat 4 formschlüssig mit der Scheibe 13 gekoppelt.
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Der
Zahnriementrieb I besteht aus einem auf der Abtriebswelle 17 des
ersten Servomotors 11 angeordneten Zahnriemenrad 18 und
einem mit der Scheibe 13 fest verbundenen Zahnriemenrad 19, über die
ein Zahnriemen 20 geführt
ist. Bei eingeschaltetem ersten Servomotor 11 wird somit
das Werkzeugaggregat 4 und damit die Werkzugaufnahme 6 um
die C-Achse der Spindel 3 verstellt, so dass das Werkzeug 10 in
entsprechender Weise verdreht wird.
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Zum
Verschwenken des Werkzeugaggregates 4 um die A-Achse ist
der zweite Servomotor 21 in Betrieb zu nehmen. Auf dessen
Abtriebswelle 22 ist hierbei ein Zahnrad 23 angeordnet,
das in ein auf einer Welle 25 drehfest angebrachtes Ritzel 24 eingreift.
Auf der Welle 25 ist des Weiteren eine Schnecke 26 drehfest
gelagert, die mit einem Schneckenrad 27 kämmt, das
trieblich mit der Werkzeugaufnahme 6 gekoppelt ist. Durch
Verdrehen des Schneckenrades 27 wird somit die Werkzeugaufnahme 6 und mit
dieser das Werkzeug 10 verschwenkt.
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Werden
die beiden Servomotoren 11 und 21 gleichzeitig
eingeschaltet, durchfährt
das Werkzeug 10 eine Raumkurve, die abhängig ist von den Verstellbewegungen
des Werkzeugaggregates 4 und der Werkzeugaufnahme 6,
die wiederum von den Servomotoren 11 und 21 vorgenommen
werden. Ein vielseitiger Einsatz des auswechselbar an der Spindel 3 der
Werkzeugmaschine angebrachten Werkaggregates 4 ist auf
diese Weise gewährleistet.
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Gemäß 2 bei
der Vorrichtung 1' ist
der zweite Servomotor 21 ebenfalls auf dem Träger 12 abgestützt und
dessen Abtriebswelle 22 ist über ein Kupplungsstück 28 mit
einem Zahnriemenrad 31 trieblich verbunden, das in einem
weiteren Träger 30 angeordnet
ist. Auch das Werkzeugaggregat 4 ist hierbei mittels eines
Wälzlagers 35 drehbar
in dem Träger 30 gelagert
und auf dem Werkzeugaggregat 4 ist drehbar ein Zahnriemenrad 32 gehalten,
das über einen
Zahnriemen 33 trieblich mit dem Zahnriemenrad 31 verbunden
ist. Die beiden Zahnriemenräder 31 und 32 sowie
der Zahnriemen 33 bilden den zweiten Zahnriementrieb II.
Das Zahnriemenrad 32 ist ferner mit einer Innenverzahnung 34 ausgestattet,
in die das auf der Welle 25 angeordnete Ritzel 24 eingreift.
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Wird
der zweite Servomotor 21 eingeschaltet, so wird die Werkzeugaufnahme 6 um
die A-Achse verschwenkt, da durch das Zahnriemenrad 32 das in
dessen Innenverzahnung 34 eingreifende Ritzel 24 verdreht
wird. Das Werkzeugaggregat 4 ist dagegen über den
Bolzen 16 an der stillstehenden Scheibe 13 abgestützt.
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Wird
dagegen der erste Servomotor 11 eingeschaltet, wird das
Werkzeugaggregat 4 um die C-Achse verdreht. Da dabei das
Ritzel 24 mit verdreht wird, würde bei stillstehendem Zahnriemenrad 32 auch
das Ritzel 24 in der Innenverzahnung 34 des Zahnriemenrades 32 abgewälzt werden
und die Werkzeugaufnahme 6 würde gleichzeitig eine Schwenkbewegung
ausführen.
Um eine derart ungewollte Bewegung auszuschließen, ist der zweite Servomotor 21 derart
gesteuert gegenläufig
anzutreiben, dass die Drehbewegung des Werkzeugaggregates 4 ausgeglichen
wird, in dem über
den zweiten Zahnriementrieb II eine solche Bewegung auf
das Zahnriemenrad 32 ausgeübt wird, dass das Ritzel 24 sich nicht
in der Innenverzahnung 34 des Zahnriemenrades 32 abwälzt, sondern
in der Ruheposition verbleibt.
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Selbstverständlich ist
es auch bei dieser Ausführungsvarianten
möglich,
die beiden Servomotoren 11 und 21 gemeinsam in
Betrieb zu nehmen und über
entsprechende elektronische Steuerungen diese derart zu beeinflussen,
dass das Werkzeug 10 Raumkurven durchfährt.
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Bei
der Ausführungsvarianten
der Vorrichtung 1'' nach 3 ist
der zweite Servomotor 21 auf einem Zahnriemenrad 29 abgestützt, das
in dem Träger 12 angeordnet
ist und in den Zahnriemen 20 des Zahnriementriebes I eingreift.
Da sich der zweite Servomotor 21 bei eingeschaltetem erstem
Servomotor 11 somit dreht, erfolgt der Anschluss an eine
Stromquelle sowie eine nicht dargestellte Steuerelektronik über Schleifkontakte 36.
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Auch
bei dieser Ausgestaltung würde
bei eingeschaltetem ersten Servomotor 11 das Ritzel 24 in der
Innenverzahnung 34 des Zahnriemenrades 32 abgewälzt werden
und eine Verstellbewegung der Werkzeugaufnahme 6 bewirken. Über den
Zahnriementrieb II wird hierbei aber eine Kompensation
vorgenommen, ohne dass es dazu besonderer elektronischer Steuerungen
des zweiten Servomotors 21 bedarf. Die Zähnezahlverhältnisse
der fluchtend zueinander angeordneten Zahnriemenräder 29 und 31 sowie 14 und 32 sind
nämlich
gleich gewählt,
so dass das Werkzeugaggregat 4 zwar verdreht wird, das Zahnriemenrad 32 aber
synchron mit dem Zahnriemenrad 14 umläuft. Das Ritzel 24 verbleibt
demnach in der eingenommenen Position, eine Lageränderung der
Werkzeugaufnahme 6 tritt, ohne dass es besonderer Steuerungen
bedarf, nicht ein.
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Selbstverständlich ist
es bei dieser Ausgestaltung möglich,
auch beide Servomotoren 11 und 21 gemeinsam anzutreiben
und über
elektronische Steuerungen den Verlauf des Werkzeuges 10 vorzugeben.
Anstelle der Zahnriementriebe I und II können verständlicherweise
auch andersartige Getriebeglieder, wie zum Beispiel Zahnradsätze, verwendet
werden. Auch kann das Ritzel 24 gegebenenfalls in eine Außenverzahnung
eines durch den ersten Servomotor 21 angetriebenen Zahnrades
eingreifen.
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Bei
der Vorrichtung 1''' nach den 4, 5 und 6 sind
die beiden Zahnriementriebe I und II bzw. ein
den Zahnriementrieb II ersetzendes Stirnradgetriebe 51 (5 und 6) über ein Überlagerungsgetriebe 41,
das als Planetenradgetriebe ausgebildet ist, gegeneinander abgestützt. Ein
Planetenradträger 42 nimmt
hierbei mehrere auf Bolzen 44 drehbar gelagerte Planetenräder 43 auf,
die mit Tellerrädern 45 und 46 in
Eingriff sind. Das Tellerrad 45 wird hierbei von dem Zahnriementrieb I angetrieben,
das Tellerrad 46 ist mit einer Stirnverzahnung 47 versehen,
in die das auf der Abtriebswelle 22 des zweiten Servomotors 21 angeordnete
Zahnrad 23 eingreift.
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Bei
der Ausführungsvariante
nach 5 ist der Planetenradträger 42 mit einer Stirnverzahnung 48 ausgestattet,
die zu dessen Antrieb mit dem Zahnrad 23 kämmt. Gemäß 6 ist
der Planetenradträger 42 unmittelbar
mit der Abtriebswelle 22 des zweiten Servomotors 21 fest
verbunden und wird somit durch diesen angetrieben.
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Wird
bei der Vorrichtung 1''' der Servomotor 21 eingeschaltet,
so wird über
das Zahnrad 23 das Kegelrad 46 angetrieben und
von diesem der Planetenradträger 42,
da sich die Planetenräder 43 in
dem stillstehenden Kegelrad 45 abwälzen. Über das Kupplungsstück 28 wird
der zweite Zahnriementrieb II in Drehung versetzt, der,
wie bei der Ausgestaltung nach 2, eine
Schwenkbewegung des Werkzeugträgers 6 um
die A-Achse bewirkt.
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Wird
dagegen der Servomotor 11 eingeschaltet, wird das Werkzeugaggregat 4 um
die C-Achse verschwenkt. Über
den Zahnriementrieb I wird aber auch das Kegelrad 45 in
Drehung versetzt, so dass eine Rotation der Werkzeugaufnahme 6 um die
A-Achse erfolgen würde.
Um dies auszuschließen,
weisen die Zahnriemenräder 31 und 32 die
halbe Zähnezahl
auf wie das Zahnriemenrad 19 und die Außenverzahnung 45' des Kegelrades 45.
Im Zusammenwirken mit dem Überlagerungsgetriebe 41, durch
das die eingeleiteten Drehzahlen jeweils halbiert werden, erfolgt
somit bei einer Verdrehung des Werkzeugaggregates 4 um
die C-Achse keine Verschwenkung der Werkzeugaufnahme 6 um
die A-Achse, die Werkzeugaufnahme 6 behält vielmehr die eingenommene
Lage bei, so dass mit Hilfe des Werkzeuges 10 geradlinige
durch die Drehung des Werkzeugaggregates 4 ausgelöste Bearbeitungen vorgenommen
werden können.
Das Überlagerungsgetriebe 41 ermöglicht es
auch, die beiden Motore 11 und 21 auf dem Träger 12 ortsfest
anzuordnen und diesen elektrische Energie über stationäre Leitungen zuzuführen.
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Bei
den Ausführungsvarianten
nach den 5 und 6 ist der
zweite Zahnriementrieb II als Stirnradgetriebe 41 in
Form eines Hohlrades 52 ausgebildet. Mit einer Außenverzahnung 53 greift
das Hohlrad 52 in das Zahnriemenrad 31 ein, das
der Schnecke 26 zugeordnete Ritzel 24 ist mit
einer Innenverzahnung 54 des Hohlrades 52 in Eingriff,
so dass gegenüber
dem Zahnriementrieb II gemäß 2 keine
Drehrichtungsumkehrung auftritt.