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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit einem nicht umlaufenden Profil mittels einer Drehmaschine sowie ein Computerprogrammprodukt.
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Nach dem Stand der Technik sind konventionelle Drehmaschinen allgemein bekannt. Solche Drehmaschinen weisen eine Hauptspindel auf, welche mit einem Hauptspindelmotor angetrieben wird. An der Hauptspindel ist üblicherweise ein Spannfutter angebracht. Auf einem Maschinenbett ist verschiebbar in einer z-Richtung ein Bettschlitten abgestützt, welcher manuell zustellbar ist. Der Bettschlitten wiederum trägt einen in einer zur z-Richtung senkrecht verlaufenden x-Richtung manuell zustellbaren Planschlitten. Der Planschlitten kann wahlweise antriebsmäßig mit einer mit einem Servomotor angetriebenen Zugspindel gekoppelt werden. Auf dem Planschlitten ist ferner ein manuell zustellbarer Oberschlitten abgestützt. Der Oberschlitten ist schwenkbar und kann insbesondere beispielsweise in z-Richtung oder in x-Richtung manuell zugestellt werden. Ferner ist eine Steuerung zum Steuern des Hauptspindel- und des Servomotors vorgesehen. Eine solche konventionelle Drehmaschine dient der Herstellung einzelner Werkstücke oder von Kleinserien. Damit ist es nachteiligerweise nicht ohne weiteres möglich, z. B. ein Werkstück mit einem nicht umlaufenden Profil herzustellen.
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Die
DE 10 2017 119 270 A1 offenbart eine Drehmaschine mit einer mit einem Hauptspindelmotor angetriebenen Hauptspindel, einem auf einem Maschinenbett in einer z-Richtung verschiebbar abgestützten und manuell zustellbaren Bettschlitten, einem auf dem Bettschlitten in einer zur z-Richtung senkrecht verlaufenden x-Richtung verschiebbar abgestützten und manuell zustellbaren Planschlitten, einer mittels eines Servomotors angetriebenen Leit- und Zugspindel, welche wahlweise mit dem Bett- und/oder Planschlitten kuppelbar sind, einer Steuerung zum Steuern der Hauptspindel und/oder Servomotors entsprechend zuvor eingegebener Parameter, wobei die Steuerung Eingabemittel zur manuellen Eingabe von Befehlen und Parametern sowie einen Bildschirm zur Anzeige der Parameter umfasst. Die Steuerung umfasst außerdem einen Sprachsteuerungsabschnitt zum Empfangen von mittels eines Mikrofons übermittelten Sprachbefehlen und zur Umwandlung der Sprachbefehle in die Befehle und Parameter.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein möglichst einfach durchführbares Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit einem nicht umlaufenden Profil mittels einer konventionellen Drehmaschine angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 13 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 12.
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Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit einem nicht umlaufenden Profil mittels einer Drehmaschine vorgeschlagen, wobei die Drehmaschine eine mit einem Hauptspindelmotor angetriebene Hauptspindel mit daran angebrachtem Spannfutter, einen auf einem Maschinenbett in einer z-Richtung verschiebbar abgestützten und manuell zustellbaren Bettschlitten, einen auf dem Bettschlitten in einer zur z-Richtung senkrecht verlaufenden x-Richtung manuell zustellbaren Planschlitten, welcher wahlweise antriebsmäßig mit einer mit einem Servomotor angetriebenen Zugspindel kuppelbar ist, und einen auf dem Planschlitten abgestützten manuell zustellbaren Oberschlitten sowie einer Steuerung zum Steuern des Hauptspindel- und des Servomotors umfasst, wobei zum Herstellen des Profils folgende Schritte aufgeführt werden:
- a) Bereitstellen eines auf dem Plan- oder Oberschlitten montierten Fräswerkzeugs,
- b) Wahl eines in der Steuerung vorgesehenen Antriebsprogramms und Einstellen eines zum Profil korrespondierenden Drehwinkels für die Hauptspindel,
- c) manuelles Zustellen des Plan- oder Oberschlittens in z- oder x-Richtung und
- d) Start des Antriebsprogramms, wodurch die Hauptspindel ausschließlich über den Drehwinkel rotiert wird, sodass mittels des Fräswerkzeugs das Profil zumindest abschnittsweise im Werkstück hergestellt wird.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einem „nicht umlaufenden Profil“ ein Profil verstanden, welches sich am Werkstück über einen Winkel von weniger als 360° erstreckt. Bei dem Profil kann es sich beispielsweise um eine Radialnut an einem Außenumfang des Werkstücks oder um eine Axialnut an einer Stirnfläche des Werkstücks handeln. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch die Herstellung schräger Nuten möglich, welche sich beispielsweise an der Mantelfläche des Werkstücks auch in z-Richtung erstrecken.
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Mit dem Hauptspindelmotor kann über die Steuerung die Hauptspindel um einen vorgegebenen Drehwinkel rotiert werden. Dabei kann mittels eines zuvor zugestellten Fräswerkzeugs zumindest abschnittsweise das Profil im Werkstück hergestellt werden. Indem das Profil im Antriebsprogramm eingestellt, zweckmäßigerweise auch gespeichert ist, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels konventioneller Drehmaschinen schnell und einfach Kleinserien von Werkstücken mit einer komplexen Geometrie herstellen.
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Der Drehwinkel wird zweckmäßigerweise durch Eingabe eines unteren Winkelgrenzwerts und eines oberen Winkelgrenzwerts eingestellt. Sofern lediglich der Drehwinkel, beispielsweise 60°, angegeben wird, wird als unterer Winkelgrenzwert automatisch die aktuelle Position der Hauptspindel hergenommen und als unterer Winkelgrenzwert gespeichert. Die exakte Angabe eines unteren und oberen Winkelgrenzwerts ist dagegen insbesondere dann von Vorteil, wenn das Werkstück mehrere nicht umlaufende Profile aufweist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird im Antriebsprogramm eine die relative Geschwindigkeit des Werkstücks zum Fräswerkzeug beschreibende Bahngeschwindigkeit eingestellt und daraus mittels des Antriebsprogramms eine erste Rotationsgeschwindigkeit des Hauptspindelmotors bestimmt. Damit kann das Fräswerkzeug effektiv und schonend verwendet werden. Die Bahngeschwindigkeit für das Fräswerkzeug wird insbesondere durch das Material bestimmt, aus welchem das Werkstück hergestellt ist.
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Vorteilhafterweise wird die erste Rotationsgeschwindigkeit bei einer Änderung des Abstands des Fräswerkzeugs von der Drehachse der Hauptspindel automatisch angepasst. Damit kann die Bahngeschwindigkeit konstant gehalten werden. Es kann damit weiter die Effektivität des Fräsvorgangs verbessert werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung kann im Antriebsprogramm eine zweite Rotationsgeschwindigkeit für das Fräswerkzeug eingestellt werden. Die zweite Rotationsgeschwindigkeit ergibt sich aus der Art des verwendeten Fräswerkzeugs sowie aus dem zu fräsenden Material.
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Im Antriebsprogramm kann eine Drehrichtung der Hauptspindel und/oder eine weitere Drehrichtung des Fräswerkzeugs eingestellt werden. Ferner kann eine Kopplung der Drehrichtung der Hauptspindel mit der weiteren Richtung des Fräswerkzeugs eingestellt werden. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Drehrichtung der Hauptspindel wiederholend geändert wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird nach Erreichen des oberen oder unteren Winkelgrenzwerts eine entgegengesetzte Drehbewegung der Hauptspindel erst nach Eingabe eines entsprechenden Befehls in das Antriebsprogramm durchgeführt. D. h., bei Erreichen eines oberen oder unteren Winkelgrenzwerts wird die Drehbewegung der Hauptspindel automatisch gestoppt. Es ist dann möglich, den Plan- oder Oberschlitten weiter in z- oder x-Richtung manuell zuzustellen und dann durch Eingabe eines entsprechenden Befehls im Antriebsprogramm die Hauptspindel in eine entgegengesetzte Richtung zu drehen.
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Vorteilhafterweise werden bei einer Wiederholung der Schritte c) und d) die Hauptspindel und das Fräswerkzeug jeweils in entgegengesetzte Richtung rotiert.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung umfasst die konventionelle Drehmaschine eine Koordinatenmess- und -anzeigeeinrichtung. Damit können laufend die z- und x-Koordinaten des Oberschlittens oder eines darauf aufgenommenen Fräswerkzeugs gemessen und an die Steuerung übermittelt werden. Im Antriebsprogramm können vorteilhafterweise Endkoordinaten für das manuelle Zustellen des Plan- oder Oberschlittens eingegeben werden. Bei Erreichen der Endkoordinaten kann der Hauptspindel- und/oder der Servomotor automatisch gestoppt werden. Damit ist es beispielsweise möglich, eine Tiefe des herzustellenden Profils vorzugeben.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Herstellung eines Schrägprofils die folgenden Schritte ausgeführt:
- b1) Zusätzlich zum Schritt b): Eingabe von Anfangs- und Endkoordinaten in das Antriebsprogramm,
- c1) Einkuppeln des Planschlittens in die Zugspindel,
- c2) manuelles Zustellen des Oberschlittens in z-Richtung,
- d1) Start des Antriebsprogramms, wodurch die Hauptspindel ausschließlich über den Drehwinkel rotiert und gekoppelt dazu der Planschlitten in x-Richtung bewegt werden, so dass mittels des Fräswerkzeugs das Schrägprofil zumindest abschnittsweise im Werkstück hergestellt wird.
- Das vorgeschlagene Verfahren dient der Herstellung eines Schrägprofils z. B. in einer Stirnfläche des Werkstücks. Dabei ersetzen die Schritte c1), c2) den Schritt c) und der Schritt d1) den Schritt d).
- Nach einer alternativen Ausgestaltung können zur Herstellung eines Schrägprofils die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- b1) Zusätzlich zum Schritt b): Eingabe von z-Anfangs- und Endkoordinaten in das Antriebsprogramm,
- c1) Einkuppeln des Bettschlittens in die Zugspindel,
- c2) manuelles Zustellen des Plan- oder des Oberschlittens in x-Richtung,
- d1) Start des Antriebsprogramms, wodurch die Hauptspindel über den Drehwinkel rotiert und gekoppelt dazu der Bettschlitten in z-Richtung bewegt werden, so dass mittels des Fräswerkzeugs das Schrägprofil zumindest abschnittsweise im Werkstück hergestellt wird.
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Das alternative Verfahren ermöglicht die Herstellung eines Schrägprofils z. B. in einer Mantelfläche des Werkstücks.
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Bei den vorgenannten Verfahren zur Herstellung eines Schrägprofils können auch zusätzlich zu den Anfangs- und Endkoordinaten Zwischenkoordinaten eingegeben werden. Das ermöglicht die Herstellung komplexer Schrägprofile, welche beispielsweise auch Stufen aufweisen können.
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Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt zur Herstellung eines Werkstücks mit einem nicht umlaufenden Profil mittels einer Drehmaschine vorgeschlagen, umfassend Computerprogrammanweisungen auf einem computerlesbaren Programmspeicher, wobei die Computerprogrammanweisungen die Steuerung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranlassen, wenn die Anweisungen von der Steuerung gelesen und ausgeführt werden.
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Bei der Steuerung handelt es sich um einen Computer, auf dem das Computerprogrammprodukt gespeichert sein kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt können geeignete herkömmliche Drehmaschinen nachgerüstet und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergerichtet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise die Herstellung von Werkstücken mit komplexen Geometrien mittels einer konventionellen Drehmaschine.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer konventionellen Drehmaschine,
- 2 eine Draufsicht auf die Stirnseite eines Werkstücks,
- 3 ein Werkstück mit einer sich in Axialrichtung erstreckenden Axialnut, und
- 4 ein Werkstück mit einer sich in Radialrichtung erstreckenden Radialnut.
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In 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Hauptspindelmotor bezeichnet, welcher beispielsweise über einen Zahnriemen 2 eine Hauptspindel 3 antreibt, die Hauptspindel 3 ist um eine Drehachse D rotierbar. Auf einem Maschinenbett 4 ist in einer z-Richtung verschiebbar ein Bettschlitten 5 abgestützt, welcher manuell zustellbar ist. Mit dem Bezugszeichen 6 ist ein auf dem Bettschlitten 5 in einer zur z-Richtung senkrecht verlaufenden x-Richtung manuell zustellbarer Planschlitten bezeichnet. Auf dem Planschlitten 6 ist ein Oberschlitten 7 aufgenommen, welcher um eine senkrecht zur z- und x-Richtung verlaufende y-Richtung schwenkbar ist. Der Oberschlitten 7 ist mittels eines Handrads 8 manuell, beispielsweise in x- oder z-Richtung, zustellbar.
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Mit dem Bezugszeichen 9 ist ein Servomotor bezeichnet, welcher eine Zugspindel 10 antreibt. Die Zugspindel 10 ist wahlweise mit dem Planschlitten 6 koppelbar, so dass der Planschlitten 6 durch den Servomotor 9 in x-Richtung hin- und herbewegbar ist.
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Auf dem Oberschlitten 7 ist ein Fräswerkzeug 11 aufgenommen, welches mittels eines Fräsantriebs 12 rotierbar ist. Eine Steuerung steuert die Bewegungen des Hauptspindelmotors 1 sowie des Servomotors 9. In einem hier nicht näher gezeigten Spannfutter ist ein Werkstück 14 aufgenommen.
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Nachfolgend wird die Funktion eines mit der Steuerung 13 ausführbaren Antriebs- bzw. Computerprogramms am Beispiel mehrerer Profile näher erläutert.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine Stirnseite des Werkstücks 14. Zur Durchführung des Verfahrens wird im Antriebsprogramm zunächst ein unterer Winkelgrenzwert W1 und ein oberer Winkelgrenzwert W2 eingegeben. Der untere Winkelgrenzwert W1 und der obere Winkelgrenzwert W2 schließen einen Drehwinkel α ein. Anstelle der Winkelgrenzwerte W1, W2 kann auch der Drehwinkel α eingegeben werden. In diesem Fall wird als unterer Winkelgrenzwert W1 die aktuelle Position der Hauptspindel 3 hergenommen. In 2 beträgt der Drehwinkel α etwa 90°. Nach Vorgabe des Drehwinkels α wird der Fräsantrieb 12 gestartet und das Fräswerkzeug 11 rotiert.
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Zur Herstellung des in 3 gezeigten Axialprofils wird das Fräswerkzeug beispielsweise am unteren Winkelgrenzwert W1 in z-Richtung über einen vorgegebenen Weg manuell zugestellt. Die Vorgabe des Wegs erfolgt individuell und kann auf der Erfahrung einer Bedienperson der Drehmaschine beruhen. Nachdem sich das Fräswerkzeug über den vorgegebenen Weg in das Werkstück 14, beispielsweise im Bereich des unteren Winkelgrenzwerts W1 gefräst hat, wird das Antriebsprogramm gestartet. Infolgedessen dreht sich die Hauptspindel 3 über den Drehwinkel α vom unteren Winkelgrenzwert W1 bis zum oberen Winkelgrenzwert W2. Es ergibt sich das in 3 gezeigte erste Profil P1, dessen Profiltiefe durch die anfängliche Zustellung in z-Richtung festgelegt ist. Sobald der obere Winkelgrenzwert W2 erreicht ist, stoppt die Drehbewegung der Hauptspindel 3 automatisch. Es besteht dann die Möglichkeit, das Fräswerkzeug 11 weiter in z-Richtung zuzustellen und nachfolgend das Antriebsprogramm durch Eingabe eines entsprechenden Befehls in die Steuerung 13 erneut zu starten. In diesem Fall bewegt sich die Hauptspindel 3 in entgegengesetzter Richtung, d. h. vom oberen Winkelgrenzwert W2 in Richtung des unteren Winkelgrenzwerts W1. Sobald der untere Winkelgrenzwert W1 erreicht worden ist, stoppt die Drehbewegung der Hauptspindel 3 automatisch. Auf diese Weise kann sukzessive ein nicht umlaufendes erstes Profil P1 in einer Stirnseite eines Werkstücks 14 hergestellt werden. Es können auch Endkoordinaten in z-Richtung angegeben werden. Wenn beim manuellen Zustellen die Endkoordinaten erreicht werden, wird automatisch beispielsweise der Fräsantrieb 12 und/oder der Hauptspindelmotor 1 gestoppt.
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4 zeigt ein Werkstück 14 mit einem an dessen umlaufender Mantelfläche hergestellten zweiten Profil P2. Es handelt sich dabei um ein Schrägprofil. Zur Herstellung des zweiten Profils P2 wird wie folgt vorgegangen:
- Zunächst wird im Antriebsprogramm der Drehwinkel α bzw. der untere Winkelgrenzwert W1 und der obere Winkelgrenzwert W2 eingestellt. Ferner wird eine erste z-Koordinate z1 und eine zweite z-Koordinate z2 eingegeben. Die erste z-Koordinate z1 befindet sich am unteren Winkelgrenzwert, die zweite z-Koordinate z2 am oberen Winkelgrenzwert W2. Nachfolgend wird der Bettschlitten in die Zugspindel 10 eingekuppelt. Es wird nun manuell der Plan 6- oder der Oberschlitten 7 über einen vorgegebenen Weg in x-Richtung zugestellt, so dass sich das
- Fräswerkzeug 11 in das Werkstück 14 fräst. Anschließend wird das Antriebsprogramm gestartet. Mittels des Antriebsprogramms wird die Hauptspindel 3 um den Drehwinkel α vom unteren Winkelgrenzwert W1 zu oberen Winkelgrenzwert W2 rotiert. Gleichzeitig wird mittels des Servomotors 9 über die Zugspindel 10 der Bettschlitten 5 von der ersten z-Koordinate z1 zur zweiten z-Koordinate z2 bewegt. Infolgedessen ergibt sich an der Mantelfläche das schräg verlaufende zweite Profil P2. Ähnlich wie beim ersten Profil P1 können sodann die Drehbewegung der Hauptspindel 3 sowie des Bettschlittens 5 umgekehrt werden und das Fräswerkzeug zur Vertiefung der Radialnut P2 vom oberen Winkelgrenzwert W2 zum unteren Winkelgrenzwert W1 zurückbewegt werden.
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Als weitere Parameter können im Antriebsprogramm eine erste Rotationsgeschwindigkeit der Hauptspindel und eine zweite Rotationsgeschwindigkeit des Fräsantriebs 12 eingegeben werden. Ferner kann eine Bahngeschwindigkeit vorgegeben werden, welche ein Verhältnis zwischen der ersten und der zweiten Rotationsgeschwindigkeit festlegt. Bei Einstellung einer Bahngeschwindigkeit sowie einer vorgegebenen zweiten Rotationsgeschwindigkeit für das Fräswerkzeug 11 kann die erste Rotationsgeschwindigkeit für die Hauptspindel berechnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hauptspindelmotor
- 2
- Zahnriemen
- 3
- Hauptspindel
- 4
- Maschinenbett
- 5
- Bettschlitten
- 6
- Planschlitten
- 7
- Oberschlitten
- 8
- Handrad
- 9
- Servomotor
- 10
- Zugspindel
- 11
- Fräswerkzeug
- 12
- Fräsantrieb
- 13
- Steuerung
- 14
- Werkstück
- D
- Drehachse
- P1
- erstes Profil
- P2
- zweites Profil
- W1
- unterer Winkelgrenzwert
- W2
- oberer Winkelgrenzwert
- z1
- erste Z-Koordinate
- z2
- zweite Z-Koordinate
- α
- Drehwinkel
