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Die Erfindung betrifft einen Werkzeughalter, der in die Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine einsetzbar ist, mit einem quer zur Arbeitsspindel verstellbaren Werkzeugträger sowie mit einem mit dem Werkzeugträger gekoppelten, federbelasteten Zustellstößel, der durch einen an der Werkzeugmaschine angeordneten Festanschlag betätigbar ist, wobei die Arbeitsspindel gegenüber dem Festanschlag verfahrbar ist.
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Mit einem bekannten Werkzeughalter dieser Gattung (DE-OS 20 30 870) kann das Werkzeug nach Maßgabe der durch das maschineneigene Bewegungssystem vorgegebenen Schrittweite verstellt werden. Es ist somit lediglich möglich, eine mehr oder weniger große Bohrung zu erzeugen.
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In der Fertigungstechnik, insbesondere bei spanabhebender Bearbeitung mit engen Toleranzen, wird in verstärktem Maße die Forderung erhoben, zur Vermeidung von Ausschuß unmittelbar nach Beendigung der Fertigbearbeitung einen Meßvorgang einzuschalten und gegebenenfalls die Werkzeugstellung zu korrigieren.
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Bei feststehenden Werkzeugen, wie sie bei Drehmaschinen eingesetzt werden, ist das nicht schwierig, weil die zur Verstellung des Werkzeuges erforderlichen Energieträger, wie z. B. elektrischer Strom, Hydraulik oder Pneumatik, problemlos entsprechenden Antrieben des Werkzeuges zugeführt werden können. Entsprechende Einrichtungen sind bekannt.
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Für rotierende Werkzeuge, z. B. Bohrstangen, die fest an ihrer Arbeitsspindel befestigt sind, gibt es ebenfalls Systeme zur Verstellung der Werkzeuge (Schneiden). Dabei müssen allerdings die zur Verstellung benötigten Energieträger über Drehzuführungen an die mit dem Werkzeug rotierenden Antriebe übertragen werden.
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Schwierig wird die Werkzeugverstellung, wenn das Werkzeug bzw. dessen Halter wie z. B. bei CNC-Bearbeitungszentren, automatisch gewechselt wird, d. h. wenn das Werkzeug von einem sogenannten Werkzeug-Wechsler automatisch aus einem Werkzeug-Magazin entnommen und zur Durchführung der Bearbeitung in die Arbeitsspindel eingesetzt wird. Nach Beendigung der Bearbeitungs-Operation wird das Werkzeug vom Werkzeug-Wechsler aus der Arbeitsspindel entnommen und wieder in das Werkzeug-Magazin zurückgebracht.
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In diesem Zusammenhang ist ein System bekannt, bei dem die Arbeitsspindel mit eingesetztem Werkzeug in eine definierte Umfangslage gebracht wird und bei dem über eine axial zustellbare Kupplung ein Schrittmotor angetrieben wird, der den Werkzeugträger (Schneidenträger) verstellt. Allerdings wird dabei das Werkzeug (Schneide) nicht auf ein absolutes Maß ein- bzw. nachgestellt, sondern auf ein jeder Schneide zugeordnetes Vergleichsmaß. Ein derartiges System ist sehr aufwendig und teuer, es baut sehr groß und stört im Arbeitsraum des Bearbeitungs-Zentrums. Ein wesentlicher Nachteil ist, daß die Schneide nicht auf ein Absolutmaß, sondern nur auf ein Vergleichsmaß eingestellt werden kann. Dazu ist im übrigen ein erheblicher Aufwand an elektrischer und elektronischer Steuerung erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkzeughalter der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, mit dem eine automatische Feineinstellung des Werkzeuges, insbesondere im Hinblick auf Bearbeitung mit engen Toleranzen oder zur Korrektur von Schneidenverschleiß, möglich ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Koppeln des Zustellstößels mit dem Werkzeugträger über ein Schrittschaltwerk und ein Untersetzungsgetriebe erfolgt.
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Bei diesem Werkzeughalter braucht zum Verstellen des Werkzeugträgers keine Energie zugeführt zu werden. Elektrische und elektronische Bauteile sind nicht erforderlich. Der Werkzeughalter ist universell einsetzbar. Das Werkzeug wird auf Absolutmaß eingestellt. Der Arbeitsraum des Bearbeitungs-Zentrums bzw. der Werkzeugmaschine wird nicht beschränkt.
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Im einzelnen kann man mit dem erfindungsgemäßen Werkzeughalter wie folgt arbeiten:
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Nach der Bearbeitungs-Operation wird das Werkzeug, d. h. dessen Halter, mit einem Werkzeug-Wechsler aus der Arbeitsspindel entnommen und in das Werkzeug-Magazin zurückgebracht. Der Werkzeug- Wechsler setzt dann in die Arbeitsspindel einen Meßtaster bekannter Bauart ein, der mittels bestimmter Maschinenbewegungen in bekannter Weise z. B. den oder die Durchmesser verschiedener bearbeiteter Bohrungen mißt. Zeigen sich, z. B. durch Schneidenverschleiß, Abweichungen, so werden diese durch die maschineneigene Elektronik erfaßt, digitalisiert und werkzeuggebunden abgespeichert. Vor der Wiederverwendung des gleichen Werkzeuges wird dann mittels des maschineneigenen Meßsystems, der maschineneigenen Bewegungen und des Werkzeughalters, der über ein verstellbares Element, nämlich den Zustellstößel mit einem Festanschlag zusamenarbeitet, die abgespeicherte Abweichung korrigiert. Diese Korrektur erfolgt dadurch, daß der in die Arbeitsspindel eingesetzte Werkzeughalter mit dem verstellbaren Element bei maschineneigenen Bewegungen ein- oder mehrmals gegen den Festanschlag gefahren wird. Die dabei erzeugten Relativbewegungen des Elementes im Werkzeughalter werden durch das Getriebe in Verstellbewegungen des Werkzeugträgers umgesetzt - und zwar ohne zusätzliche Antriebe im Werkzeughalter, Kupplungen oder Steuerungselemente. Es ist lediglich eine Ergänzung der Software der CNC bzw. PC notwendig.
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Das Schrittschaltwerk kann eine am inneren Ende des Zustellstößels schwenkbar gelagerte Rastklinke aufweisen, die auf ein mit dem Untersetzungsgetriebe in Verbindung stehendes Zahnrad wirkt. Die Rastklinke ist zweckmäßig durch eine Feder belastet, damit sie sicher mit dem Zahnrad in Eingriff gehalten wird. Um sicherzugehen, daß bei jedem Kontakt zwischen Zustellstößel und Festanschlag das Untersetzungsgetriebe nur um einen bestimmten Betrag verstellt wird, kann es zweckmäßig sein, wenn die Rastklinke eine Abhubschräge aufweist, der ein Anschlag zugeordnet ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Untersetzungsgetriebe dadurch gebildet, daß das Zahnrad auf einer längsverschieblichen Gewindespindel befestigt ist, die zwei gleichgerichtete Gewindeabschnitte mit unterschiedlicher Steigung und zugeordneten Spindelmuttern aufweist, von denen die eine Spindelmutter ortsfest und die andere Spindelmutter, durch die das Verstellen des Werkzeugträgers erfolgt, drehfest, aber axial beweglich angeordnet ist. Dabei wird die den Werkzeugträger verstellende Spindelmutter immer nur um den Differenzbetrag der beiden Steigungen bewegt.
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Da die Verstellung bei dem erfindungsgemäßen Werkzeughalter ausschließlich mechanisch erfolgt und die Bewegungen der Gewindespindel sowie ihrer Spindelmutter begrenzt ist, kann nur eine begrenzte Zahl von Zustellungen zwischen Zustellstößel und Festanschlag zugelassen werden. Die Anzahl der zulässigen Zustellungen wird im Programm gespeichert. Die durchgeführten Zustell-Hübe werden aufaddiert, und bei Erreichen der zulässigen Anzahl wird das jeweilige Werkzeug für weitere Korrekturen gesperrt. Das wird durch ein Signal bekanntgegeben. Wenn die Grenze der Verstellmöglichkeit erreicht ist, muß der Verstellmechanismus von Hand zurückgestellt werden. Dazu kann die Gewindespindel an ihrem einen Ende in einer das Ansetzen eines von außen heranführbaren Stellwerkzeuges gestattenden Weise ausgebildet sein.
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Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert; es zeigt
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Fig. 1 eine Ansicht eines Werkzeughalters mit verstellbarem Werkzeugträger, teilweise geschnitten,
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Fig. 2 den Werkzeughalter nach Fig. 1 in einer anderen Ebene, teilweise geschnitten.
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Der dargestellte Werkzeughalter besitzt einen Werkzeugkegel 1 bekannter Bauart (z. B. DIN 69 871), mit dem der Werkzeughalter in eine nicht dargestellte Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine eingesetzt werden kann.
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An den Werkzeugkegel 1 schließt ein quaderförmiges Teil 2 an, welches zwei Bohrungen 3, 4 besitzt, die rechtwinklig zueinander stehen und achsenversetzt sind. Die Bohrung 3 ist als Stufenbohrung mit einer Stufe 5 ausgebildet. Außerdem erstreckt sich in der Bohrung 3 eine Längsnut 6. An der Stufe 5 ist eine Spindelmutter 7 abgestützt, die mit einer teilweise in der Längsnut 6 gehaltenen Paßfeder 15 drehfest in der Bohrung 3 festgelegt ist. In der Spindelmutter 7 ist eine Gewindespindel 8 geführt. Die Gewindespindel 8 besitzt zwei gleichgerichtete Gewindeabschnitte 9, 10 mit unterschiedlichen Steigungen. Zwischen den beiden Gewindeabschnitten 9, 10 befindet sich ein fest mit der Gewindespindel 8 verbundenes Zahnrad 11 mit Stirnverzahnung 12. Das Zahnrad 11 ist so auf der Gewindespindel 8 angeordnet, daß es sich unterhalb der anderen Bohrung 4 befindet, die die Bohrung 3 teilweise schneidet. Auf dem anderen Gewindeabschnitt 10 der Gewindespindel 8 sitzt eine weitere Spindelmutter 13, in die ein Druckstück 14 eingepreßt ist. Auch die Spindelmutter 13 ist mit einer teilweise in der Längsnut 6 geführten Paßfeder 16 drehfest im Werkzeughalter abgestützt.
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In der Bohrung 4 ist ein in deren Längsrichtung verschieblicher Zustellstößel 17 angeordnet, der teilweise über den Werkzeughalter vorsteht. Der Zustellstößel 17 besitzt an seinem innerhalb des Werkzeughalters befindlichen Ende einen Schlitz, in den eine Rastklinke 18 eingesetzt ist. Die Rastklinke 18 ist mit ihrem dem Zustellstößel 17 zugewandten Ende auf einer Druckfeder 19 abgestützt und im übrigen auf einem den Schlitz durchdringenden Stift 20 gelagert. Der Stift 20 ist einendig in einer Längsnut 26 der Bohrung 4 geführt, so daß der Zustellstößel 17 axial verschieblich und drehfest in der Bohrung 4 geführt ist.
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Die Rastklinke 18 weist auf ihrem freien Ende einen Zahn 21 auf, der in die Stirnverzahnung 12 des Zahnrades 11 eingreift. Außerdem weist die Rastklinke 18 an ihrem freien Ende eine Abhubschräge 22 auf. Die Abhubschräge 22 kann mit der einen Anschlag bildenden Spitze 24 eines Führungsstiftes 23 zusammenwirken, der am anderen Ende der Bohrung 4 in einer axial verschieblichen Büchse 40 angeordnet ist, deren Boden eine Durchtrittsöffnung 41 für den Stift 23 besitzt. Der Führungsstift 23 ist von einer Druckfeder 25 umgeben, die einerseits am Grund der Bohrung 4 bzw. am Kopf des Führungsstiftes 23 und andererseits am Boden der Büchse 40 abgestützt ist.
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Der Zustellstößel 17 besitzt eine Stufe 42, die mit einem die Bohrung 4 abschließenden Deckel 27 als Anschlag zusammenwirkt, in dem eine Durchtrittsbohrung für den Zustellstößel 17 angeordnet ist.
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Wie man aus Fig. 2 entnimmt, sind an gegenüberliegenden Seiten des quaderförmigen Teils 2 Platten 28 und 29 mit Schrauben 30 befestigt. Die beiden Platten 28, 29 besitzen jeweils im Bereich ihres oberen Randes, unterhalb der Schraubbefestigung, sowie ihres unteren Randes durchgehende Nuten 31, die Biegegelenke dieser Platten 28, 29 definieren. Die Platte 28 nimmt außerdem eine Einstellschraube 32 mit Kontermutter 33 auf. An dem inneren Ende der Einstellschraube 32 ist das Druckstück 14 der beweglichen Spindelmutter 13 abgestützt.
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Zwischen den beiden Platten 28 und 29 ist mit Schrauben 34 eine Trägerplatte 35 befestigt. Diese Trägerplatte 35 ist zur Aufnahme verschiedenster Schneidenhalter bzw. Werkzeuge an ihrer Unterseite eingerichtet und weist dazu unterschiedliche Gewinde- und Aufnahme-Bohrungen auf. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist an der Unterseite der Trägerplatte 35 eine Bohrstange 43 mit eingesetzter Schneide 44 befestigt.
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Der dargestellte Werkzeughalter funktioniert wie folgt:
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Nach der Fertigbearbeitung einer Bohrung wird automatisch ein Meßfühler bekannter Bauart in die Arbeitsspindel eingewechselt und das Ist-Maß der fertiggebohrten Bohrung festgestellt. Liegt das Ist-Maß im oberen Toleranzbereich, dann enthält das Steuerprogramm ein entsprechendes Signal; die weiteren Arbeitsgänge werden wie üblich gesteuert. Nähert sich jedoch, durch Schneidenverschleiß bedingt, das Ist-Maß der unteren Toleranzgrenze, so wird vom Programm die Abweichung vom gewünschten Soll- Maß ermittelt, auf den Durchmesser oder Radius der Bohrung umgerechnet sowie digitalisiert, z. B. in 2 µ-Schritte. Die Anzahl der festgelegten 2 µ-Schritte wird zusammen mit der Werkzeugnummer abgespeichert. Vor dem Einsatz eines Werkzeuges wird grundsätzlich der Speicher auf das Vorhandensein eventueller Korrekturwerte abgefragt. Sind keine Korrekturwerte vorhanden, dann wird das betreffende Werkzeug mit dessen Halter in die zugeordnete Arbeitsspindel eingesetzt und zur Bearbeitung freigegeben.
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Wenn jedoch Korrekturwerte vorhanden sind, dann wird unmittelbar nach dem Einsetzen des Werkzeughalters in die Arbeitsspindel ein Unterprogramm aufgerufen, das den Werkzeughalter durch maschineneigene Bewegung derart positioniert, daß der Zustellstößel 17 sich unmittelbar vor einem maschinenfesten Festanschlag 36 befindet und diesen berührt. Nunmehr wird programmgesteuert die Arbeitsspindel mit dem Werkzeughalter in Richtung auf den Festanschlag 36 verfahren, wodurch der Zustellstößel 17 um ein bestimmtes Maß in seine Bohrung 4 hineingedrückt wird. Nach Erreichen des Zustellhubes wird die Bewegungsrichtung umgekehrt, bis die Ausgangsposition wieder erreicht ist. Dieser Vorgang wird nach Maßgabe der gespeicherten Korrekturwerte ein- oder mehrmals wiederholt.
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Bei jedem Zustellhub wird der Zustellstößel 17 gegen die Druckfeder 25 bewegt, wobei die durch die Druckfeder 19 in Richtung auf die Stirnverzahnung 12 des Zahnrades 11 vorgespannte Rastklinke 18 mit ihrem Zahn 21 zwischen zwei Zähne des Zahnrades 11 eingreift und das Zahnrad 11 um eine Zahnteilung weiterbewegt. Wird der Zustellstößel 17 freigegeben, dann nimmt er wieder die Ausgangslage ein, bei der seine Stufe 42 am Deckel 27 anliegt.
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Bei Verdrehung des Zahnrades 11 wird auch die Gewindespindel 8 mitgenommen und entsprechend der Gewindesteigung des Gewindeabschnitts 9 axial verschoben (bei der in Fig. 2 dargestellten Projektion nach links). Gleichzeitig dreht sich die Gewindespindel 8 mit ihrem Gewindeabschnitt 10 in der Spindelmutter 13. Da die Steigung des Gewindeabschnitts 10 größer ist als die Steigung des Gewindeabschnitts 9, wird die Spindelmutter 13 jeweils um den Differenzbetrag der beiden Steigungen weiter nach links bewegt, als die Gewindespindel 8. Die Bewegung der Spindelmutter 13 wird über das Druckstück 14 auf die Einstellschraube 32 und damit auf die Platte 28 übertragen. Die Platten 28 und 29 bilden Parallellenker für die daran befestigte Trägerplatte 35. Unter Wirkung der Stellkraft der Spindelmutter 13 verschiebt sich folglich die Trägerplatte 35 um einen bestimmten Betrag, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel 2 µ beträgt, wenn die Rastklinke 18 des Zustellstößels 17 das Zahnrad 11 um die eine Zahnteilung verdreht.
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Die Bewegungen der Gewindespindel 8, der Spindelmutter 13 und der von den Nuten 31 der Platten 28, 29 definierten Biegegelenke sind begrenzt. Die Anzahl der zulässigen Zustellungen werden gespeichert und vom Programm berücksichtigt. Das Programm addiert die durchgeführten Zustellungen auf und sperrt bei Erreichung der zulässigen Anzahl das jeweilige Werkzeug für weitere Korrekturen. Gleichzeitig wird ein entsprechendes Signal abgegeben. Damit auch bei Fehlbedienungen keine Beschädigungen am Werkzeughalter auftreten, ist die Breite des Zahnrades 11 und die Breite der Spindelmutter 13 so bemessen, daß bei den Zustellungen die Gewindespindel 8 sich so weit nach links bewegen kann, daß nach Überschreitung der zulässigen Anzahl an Zustellungen die Rastklinke 18 neben das Zahnrad 11 fällt und dadurch außer Eingriff mit der Stirnverzahnung 12 kommt.
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Der Zustell-Mechanismus muß von Hand zurückgestellt werden, wenn die Grenze der Verstellbarkeit erreicht ist. Dazu wird der Zustellstößel 17 ganz zurückgedrückt. In dieser Position trifft die Abhubschräge 22 auf die Spitze 24 des Führungsstiftes 23. Die Rastklinke 18 wird dadurch so weit angehoben, daß ihr Zahn 21 außer Eingriff mit der Stirnverzahnung 12 des Zahnrades 11 kommt. Nunmehr kann mit einem geeigneten Stellwerkzeug die Gewindespindel 8, die durch die Platte 29 aus dem Werkzeughalter herausgeführt ist und an diesem Ende zum Ansetzen des Stellwerkzeuges eingerichtet ist, in ihre Ausgangslage zurückgedreht werden. Darauf kann das Werkzeug neu eingerichtet werden.