ES2198991T3 - Cabezal articulado para maquinas herramientas. - Google Patents

Abstract

Cabezal articulado de máquina herramienta con: * Una plataforma de herramienta (12), que puede ser desplazada por tres ejes, es decir, por dos ejes de giro, A y C, y por un eje lineal Z; * Tres guías (4), que son paralelas entre si así como con respecto al eje lineal Z; que están dirigidas en un mismo sentido y las que, a una distancia circunferencial fija, están dispuestas alrededor de la plataforma de herramienta (12); * Tres carritos (3), que pueden ser desplazados con independencia entre si así como de forma paralela sobre las guías (4) mediante unos mecanismos de movimiento lineal (5, 6) para el desplazamiento de la plataforma de herramienta (12) por los tres ejes A, C y Z; * Tres elementos de guía (8, 9), que en los carritos (3) están fijados de manera articulada y de forma giratoria por unos ejes (10), que se extienden en el sentido vertical a la dirección de desplazamiento (un grado de libertad) de los carritos (3), así como de una manera omnidireccional móvil (tres grados de libertad) en la plataforma de herramienta (12).

Description

Cabezal articulado para máquinas herramientas.

La presente invención se refiere a un cabezal articulado para las máquinas herramientas como una unidad normalizada, que puede formar parte integrante de distintos conceptos de máquinas fresadoras y la cual está prevista para su desplazamiento por los ejes lineales X, Y y Z.

Existen distintas formas de construcción para las máquinas fresadoras con unidades de cabezal de fresado de dos ejes, las cuales pueden ser desplazadas de forma continua como, por ejemplo, las unidades de cabezal de fresado con un cabezal de eje oblicuo o con un cabezal de tipo horquilla. En la Patente Alemana Núm. DE 34 07 679 Cl está descrito un tren mandrinador fresador horizontal, con un cabezal de husillo, que puede ser girado por un eje, que está inclinado en menos de 45 grados con respecto a la línea horizontal, y este cabezal -al encontrarse el casco del husillo mandrinador en una posición de trabajo horizontal y vertical- puede ser enclavado dentro de una carcasa portante, pudiendo el casco del husillo del mismo ser accionado por medio de un engranaje de ruedas cónicas.

Además, a través de la Patente Núm. 3 483 796 A de los Estados Unidos es conocida una unidad de fresado con un cabezal de tipo horquilla, en la cual este cabezal puede ser girado con hasta 90 grados, pudiendo el mismo ser basculado simultáneamente por un eje vertical. En estas conocidas unidades de cabezal de fresado, el accionamiento del husillo de la fresa es realizado por medio de una viga de husillo, que puede ser ajustada en la dirección X, Y y Z, así como a través de un engranaje intermedio, que asegura -en unión con la viga de husillo- la girabilidad del cabezal del husillo y su accionamiento en cualquier posición angular. Unos servomotores realizan el desplazamiento en la dirección X, Y y Z. La aportación de unos medios refrigerantes y lubrificantes así como la alimentación con energía tienen lugar a través de unas aberturas de paso giratorias, y las señales del sistema de medición son transmitidas por medio de unos anillos colectores. Las partes componentes de la carcasa están hechas, por regla general, de acero. El alojamiento de la viga del husillo tiene lugar o de forma hidrostática o bien por medio de rodamientos. Estas ya conocidas unidades de cabezal de fresado exigen mucho espacio para su ubicación; son de una masa enorme y acusan ciertos problemas en la estanqueidad de la alimentación del husillo con el agente refrigerante y lubrificante. El montaje de estos conocidos sistemas supone muchas horas de trabajo; son elevados los costos de su fabricación, como asimismo es considerable la inversión en trabajos de mantenimiento.

En la Publicación Técnica "Werkzeugmaschinen" (máquinas herramientas) de Manfred Beck, Editorial Springer, 1998, páginas 203 hasta 209, están descritos unos más modernos conceptos de máquinas herramientas sobre la base del principio HEXAPOD, los cuales están basados en la cinemática de barras. Una de las máquinas descritas -la que representa el estado de la técnica, el cual se acerca más al objeto de la presente invención- tiene seis patas, que no varían en su longitud y de las cuales cada vez dos patas pueden ser desplazadas, en el sentido vertical, por un bastidor, que posee tres soportes. La manipulación de esta unidad de herramienta es llevada a efecto mediante un desplazamiento de los puntos de fijación articulada de las patas en el bastidor. Las patas o barras rígidas se encuentran alojadas -por medio de unas articulaciones esféricas así como de tipo Cardán- en los carritos de impulsión, que en el sentido vertical pueden ser desplazados en el bastidor y en los cuales están integradas las partes componentes primarias de unos mecanismos de accionamiento lineal. Dos de estas partes componentes primarias -que pueden ser desplazadas con independencia entre si- utilizan una respectiva parte componente secundaria común. Los puntos de articulación de las barras en la unidad de herramientas están realizados de tal manera, que cada vez tres barras puedan atacar por la parte delantera y por la parte posterior de la unidad de herramienta. A causa de la forma de disposición de la unidad de herramienta en tres parejas de barras, el sistema de control exige seis grados de libertad si bien para un mecanizado omnidireccional de las piezas de trabajo mediante el cabezal de fresado se precisan solamente cinco grados de libertad. Por consiguiente, resulta innecesariamente elevada la inversión en el sistema de control. Además, de la forma de disponer la unidad de herramienta en unas barras, que mediante unos carritos pueden ser desplazadas por unos soportes verticales, es derivada una delimitación del posible espacio de trabajo. Frente a los conceptos clásicos de las máquinas fresadoras, el principio de HEXAPOD ofrece, sin embargo, la ventaja de una forma de construcción más compacta para la unidad de herramienta, con una masa más reducida, por lo cual son posibles unas elevadas velocidades de trabajo. Además, gracias a la forma de construcción de tipo HEXAPOD, queda facilitada una mayor resistencia del sistema.

La presente invención tiene el objeto de eliminar los inconvenientes de las conocidas formas de construcción de las máquinas fresadoras con las unidades de cabezal de fresado; de aprovechar las ventajas del principio HEXAPOD; y de perfeccionar estas ventajas con el fin de que -a causa de unas más reducidas necesidades en partes componentes y en espacio; por el motivo de ser suprimidas unas adicionales partes componentes del engranaje y las aberturas de paso giratorias; así como debido a una reducción en el número de las partes componentes- se pueda conseguir una reducción en la inversión de trabajos, tanto de construcción como de mantenimiento, de tal manera que se puedan alcanzar unas mayores aceleraciones de los ejes impulsados así como una más reducida inversión en el sistema de control.

Para solucionar esta problemática, es propuesto un cabezal articulado para las máquinas herramientas, el cual posee:

*) Una plataforma de herramienta, que puede ser desplazada por tres ejes, es decir, por dos ejes de giro, A y C, y por un eje lineal Z;

*) Tres guías, que son paralelas entre si así como con respecto al eje lineal Z; que están dirigidas en un mismo sentido y que a una distancia circunferencial fija están dispuestas alrededor de la plataforma de la herramienta;

*) Tres carritos, que pueden ser desplazados con independencia entre si así como de forma paralela sobre las guías mediante unos mecanismos de accionamiento de movimiento lineal para el desplazamiento de la plataforma de la herramienta por los tres ejes A, C y Z; como asimismo posee:

*) Tres elementos de guía, que en los carritos están fijados de una manera articulada y de forma giratoria por unos ejes, que se extienden en el sentido vertical a la dirección de desplazamiento de los carritos (un grado de libertad), así como de una manera omnidireccionalmente móvil (tres grados de libertad) en la plataforma de la herramienta.

Gracias al alojamiento de la plataforma de la herramienta en unos elementos de guía -que pueden ser desplazados con independencia entre si y de forma paralela- se pueden prever unos mecanismos de accionamiento directo, tanto para el husillo del motor como para los ejes de giro y para el eje lineal, y las tuberías para la aportación del agente refrigerante/lubrificante así como para la alimentación de energía pueden ser empalmadas directamente en la plataforma de la herramienta o en un husillo con motor o en un portahusillos de fresa o en un mecanismo de accionamiento del husillo de fresa, sin emplear para ello unas aberturas de paso giratorias.

De una manera conveniente, es así que en la plataforma de la herramienta puede estar dispuesto un husillo de motor con una cogida para un cabezal angular que, de forma automática, puede ser cambiado desde el depósito cargador de la herramienta y que, de una manera controlada, es giratorio por el eje del husillo con motor. Mediante los cabezales angulares de este tipo pueden ser taladrados unos agujeros en unas diferentes posiciones angulares.

Los mecanismos de accionamiento para el movimiento lineal pueden estar fijados, con preferencia, en la superficie interior de una carcasa de forma tubular, de manera paralela, tanto entre si como con respecto al eje de la carcasa; en este caso, los elementos de guía están realizados como unos elementos de guía triangulares que, por sus puntas, pueden estar fijados de forma articulada en la plataforma de la herramienta -de una manera móvil en todas las direcciones- y estar fijados por sus partes de base en los mecanismos de accionamiento del movimiento lineal, de forma giratoria por unos ejes, que se extienden en el sentido vertical a la dirección del desplazamiento de los mecanismos de accionamiento del movimiento lineal.

Al estar esta carcasa de forma tubular o dispuesta en una viga de husillo o bien está realizada como una tal viga de husillo y puede ser desplazada en la dirección axial, y al estar la viga de husillo dispuesta en un carrito con ajuste de altura, el cual se encuentra guiado por un soporte -pudiendo, en este caso, el soporte y la pieza de trabajo ser desplazados entre si- pueden ser mecanizadas unas piezas de trabajo muy grandes, pero con una máquina fresadora convencional así como con más rapidez y con una mayor precisión.

De una manera más detallada, estos elementos de guía pueden estar realizados, en primer lugar, con una extensión en el sentido radial y esencialmente de forma oblicua, para luego extenderse de forma acodada, más o menos de forma paralela a los mecanismos de accionamiento del movimiento lineal, de tal modo que los ejes de giro de los elementos de guía se encuentren desplazados -en los mecanismos de accionamiento del movimiento lineal- con respecto a las articulaciones, previstas en la plataforma de la herramienta.

Una guía sin holgura así como un control de los movimientos de los elementos de guía se consiguen si los mecanismos de accionamiento del movimiento lineal tienen unos mecanismos de rodadura esféricos, que son accionados por servomotores, o bien tienen unos mecanismos de accionamiento directo de tipo lineal.

Un sistema de control numérico para los mecanismos de accionamiento del movimiento lineal surte el efecto de un vuelco del husillo de fresa con motor por los dos ejes de giro así como el desplazamiento del mismo en dirección del tercer eje lineal, y en los mecanismos de accionamiento del movimiento lineal pueden estar integrados unos sensores de posición para los elementos de guía, los cuales actúan en conjunto con el sistema de control numérico.

En los mecanismos de accionamiento del movimiento lineal pueden estar integrados los sistemas de medición -que sean necesarios para el control de la máquina a los efectos de medir los ángulos de giro por lo ejes de giro así como el recorrido en dirección del eje lineal- y esto por el hecho o de integrar unos correspondientes codificadores en los respectivos mecanismos de accionamiento o bien de realizar los propios mecanismos de accionamiento en forma de unos sensores de la posición o del ángulo de giro.

Debido a la suspensión de la plataforma de la herramienta en los elementos de guía, es así que las tuberías para la aportación del agente refrigerante/lubrificante y para la alimentación de la energía pueden estar conectadas directamente en la plataforma de la herramienta, sin el empleo de las aberturas de paso giratorias, y las mismas pueden estar acopladas a los husillos de motor o a los cabezales de mecanizado, que pueden ser intercambiados de forma automática.

Gracias a la forma de realización de la presente invención para el cabezal articulado de máquina herramienta, es decir, con un alojamiento de la plataforma de la herramienta en unos elementos de guía que -con independencia así como de forma paralela entre si- pueden ser desplazados por el eje lineal, resultan unas más reducidas necesidades de espacio en esta dirección, habida cuenta de que no hacen falta unas adicionales partes componentes de engranajes entre el cabezal articulado de la herramienta y la viga del husillo. Como consecuencia, también puede ser reducido el número de las partes componentes, y, a causa de la supresión de las aberturas de paso giratorias, son conseguidas una mayor fiabilidad así como estanqueidad en la aportación del agente refrigerante/lubrificante y de la energía. Si, de una manera adicional, también las carcasas y/o algunas partes de carcasa están hechas de una aleación de metal ligero, de una aleación de titanio y/o de una espuma de metal, las masas en movimiento pueden ser reducidas aún más, de tal modo que se puedan obtener unas mayores aceleraciones, tanto en la dirección X, Y y Z como asimismo en los ejes de giro, toda vez que, gracias al empleo de unos servomotores con una masa más reducida, quedan eliminadas las limitaciones existentes en las conocidas unidades de cabezal de fresado.

A continuación, la presente invención es explicada con más detalles por medio de un ejemplo de realización, que está representado en los planos adjuntos, en los cuales:

La Figura 1 muestra la vista de perspectiva

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-parcialmente en sección- de un cabezal articulado de máquina herramienta; mientras que

La Figura 2 indica la vista lateral de un cabezal angular, que puede ser colocado en un husillo con motor.

De una máquina herramienta, el cabezal articulado de herramienta según la presente invención está indicado aquí en una vista de perspectiva. Una carcasa de forma tubular 1 -que puede estar dispuesta en una viga de husillo horizontal ó vertical ó bien que puede estar realizada como una tal viga de husillo y puede ser desplazada en las direcciones X, Y y Z- tiene por su superficie inferior 2 tres unidades de movimiento lineal, que por la circunferencia de la misma están dispuestas a una distancia uniforme y que se componen de unos carritos 3, que sobre unas guías 4 -que están fijadas en unas placas de base 7- pueden ser desplazados, sin holgura, por medio de un mecanismo de rodadura esféricos 5, para lo cual los carritos están siendo impulsados por los servomotores 6.

En lugar de los mecanismo de rodadura esféricos 5 y de los servomotores 6 también pueden ser empleados unos mecanismos de accionamiento directo.

En los carritos 3 se encuentran fijados de forma articulada unos elementos de guía, que pueden ser girados por los ejes de giro 10 con un grado de libertad y que se componen de una parte de elemento de guía 8, que se extiende esencialmente en la dirección Z, y de una parte de elemento de guía 9, que se extiende principalmente en el sentido radial con respecto a la primera. Estos elementos de guía, 8 y 9, están realizados como unos elementos de guía triangulares; a este efecto, el eje de giro se extiende por la base de los mismos y de forma vertical a la dirección de desplazamiento de los carritos 3 y, por consiguiente, al eje Z, mientras que dentro de la zona de la punta de los mismos están previstas unas articulaciones 11, que pueden ser desplazadas de forma omnidireccional y con tres grados de libertad como, por ejemplo, unas rótulas, que se encuentran unidas con una plataforma 12 de la herramienta. En la plataforma de herramienta 12 puede ser colocado automáticamente un husillo de motor 13. El husillo de motor 13 sostiene una fresa 14, y el primero está unido -a través de un acoplamiento automático, de unas uniones por enchufe así como por medio de una línea de conexión 15- con un sistema de control numérico 16, que activa los servomotores 6.

Estos servomotores 6 pueden comprender unos sistemas de medición como, por ejemplo, unos transmisores giratorios independientes, ó bien los mismos pueden estar realizados como tales transmisores giratorios, de tal manera que lleguen al sistema de control numérico las señales, que son representativas para cada posición de los carritos 3.

Al ser desplazado, por ejemplo, solamente el carrito inferior 3, tiene lugar un giro del husillo de motor de fresa 13 por el eje C, que se extiende de forma paralela al eje de giro 10. Por un desplazamiento de los carritos superiores 3 en el sentido contrario, se produce un giro del husillo de motor de fresa 13 por el eje C, de forma vertical al eje A, mientras que un desplazamiento simultáneo de los tres carritos en la misma dirección tiene por efecto un movimiento del husillo de motor de fresa 13, en la dirección Z. De manera análoga, unos desplazamientos tridimensionales del husillo de motor de fresa 13 pueden ser conseguidos -en cualquier dirección- por medio de una correspondiente activación de los servomotores 6 a través del sistema de control numérico 16.

La tubería 15 sirve tanto para la alimentación del husillo de motor de fresa con la energía como asimismo para la aportación del agente refrigerante/lubrificante, y la misma está directamente unida con la caja 12 del husillo de motor de fresa 13, sin el empleo de las aberturas de paso giratorias.

En la plataforma de herramienta 12 está dispuesta una cogida 17 para un cabezal angular 19, que puede ser intercambiado automáticamente desde un depósito cargador de herramientas y el que, de manera controlada, es giratorio por el eje del husillo de motor 13, de tal modo que el cabezal angular 19 -mediante el sistema de control numérico- pueda ser girado por el eje Z. El cabezal angular 19 sirve, a su vez, como cogida para unas brocas 12 para mandrinar unos taladros bajo distintos ángulos. Estos cabezales angulares son unos cabezales de tipo estándar, que son suministrados por diferentes fabricantes, por lo que los mismos no se describen aquí con más detalles. El giro por el eje Z es llevado a efecto por medio de un mecanismo de accionamiento giratorio 18, cuyo apoyo del momento de giro tiene lugar a través de una espiga 20, que entra en un taladro 18 previsto en la cogida 17. El acoplamiento del cabezal angular 19 al husillo de motor 13 es efectuado por medio de un cono de herramienta normalizado 23 dentro de un porta-herramientas normalizado del husillo de motor 13.

El cabezal articulado de herramienta según la presente invención se compone de solamente unas pocas partes componentes que, en su mayoría, son idénticas entre si. Este cabezal articulado de herramienta es de una estructura muy sencilla, y el mismo puede ser premontado -incluida la alineación de los ejes lineales- sobre una placa de soporte, para luego ser atornillado, con un ajuste terminado, en la máquina herramienta. Gracias a unas reducidas masas en movimiento, son posibles unas máximas aceleraciones. Con una masa más reducida, la rigidez de la forma de disposición es, como mínimo, de la misma magnitud como la rigidez de una unidad de cabezal fresador convencional en una viga de husillo.

Claims (10)

1. l. Cabezal articulado de máquina herramienta con:

   * Una plataforma de herramienta (12), que puede ser desplazada por tres ejes, es decir, por dos ejes de giro, A y C, y por un eje lineal Z;

   * Tres guías (4), que son paralelas entre si así como con respecto al eje lineal Z; que están dirigidas en un mismo sentido y las que, a una distancia circunferencial fija, están dispuestas alrededor de la plataforma de herramienta (12);

   * Tres carritos (3), que pueden ser desplazados con independencia entre si así como de forma paralela sobre las guías (4) mediante unos mecanismos de movimiento lineal (5, 6) para el desplazamiento de la plataforma de herramienta (12) por los tres ejes

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   A, C y Z;

   * Tres elementos de guía (8,9), que en los carritos (3) están fijados de manera articulada y de forma giratoria por unos ejes (10), que se extienden en el sentido vertical a la dirección de desplazamiento (un grado de libertad) de los carritos (3), así como de una manera omnidireccional móvil (tres grados de libertad) en la plataforma de herramienta (12).
2. 2. Cabezal articulado de máquina herramienta conforme a la reivindicación 1), según el cual los elementos de guía (8, 9) están realizados en forma de unos elementos de guía triangulares, que están fijados de manera articulada, es decir, con sus puntas (11) en la plataforma de herramienta (12) y de forma móvil en el sentido omnidireccional, así como con sus partes de base en unos mecanismos de accionamiento de movimiento lineal (3, 4, 5, 6, 7) y de manera giratoria por unos ejes (10), que se extienden en el sentido vertical a la dirección de desplazamiento de los mecanismos de accionamiento de movimiento lineal (3, 4, 5, 6, 7).
3. 3. Cabezal articulado de máquina herramienta conforme a la reivindicación 2), según el cual los elementos de guía (8, 9) están realizados para extenderse, en primer lugar, de forma esencialmente oblicua y en el sentido radial, para luego extenderse de manera acodada y de forma aproximadamente paralela a los mecanismos de accionamiento de movimiento lineal (3, 4, 5, 6, 7).
4. 4. Cabezal articulado de máquina herramienta conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 3), según el cual los mecanismos de accionamiento de movimiento lineal (3, 4, 5, 6, 7) poseen unos mecanismos de rodadura esféricos (5), que son impulsados por los servomotores (6), o bien tienen unos mecanismos de accionamiento lineal directo.
5. 5. Cabezal articulado de máquina herramienta conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 4), según el cual un sistema de control numérico (16) para los mecanismos de accionamiento de movimiento lineal (3, 4, 5, 6, 7) controla la inclinación de la plataforma de herramienta (12) por dos ejes de giro como asimismo controla el movimiento lineal en dirección del tercer eje lineal.
6. 6. Cabezal articulado de máquina herramienta conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 5), según el cual en los mecanismos de accionamiento de movimiento lineal (3, 4, 5, 6, 7) están integrados unos sensores de posición (6) para los elementos de guía (8, 9).
7. 7. Cabezal articulado de máquina herramienta conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 6), según el cual en la plataforma de herramienta (12) está dispuesto un husillo de motor (13) con una cogida (17) para un cabezal angular (19), que -de manera automática- puede ser intercambiado desde un depósito cargador de herramienta y el cual es giratorio -de una forma controlada- por el eje del husillo de motor (13).
8. 8. Cabezal articulado de máquina herramienta conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 7), según el cual los mecanismos de accionamiento de movimiento lineal (3, 4, 5, 6, 7) -que son paralelos entre si así como con respecto al eje de la carcasa- están fijados en la superficie interior (2) de una carcasa de forma tubular (1).
9. 9. Cabezal articulado de máquina herramienta conforme a las reivindicaciones 7) u 8), según el cual las tuberías (15) para la aportación del agente refrigerante/lubrificante y para la alimentación de energía están previstas directamente en la plataforma de herramienta (12), sin el empleo de ninguna abertura de paso giratoria; tuberías éstas que pueden ser acopladas a los husillos de motor (13) o a los cabezales de mecanizado, que pueden ser intercambiados de forma automática.
10. 10. Cabezal articulado de máquina herramienta conforme a las reivindicaciones 8) o 9), según el cual la carcasa de forma tubular (1) está dispuesta en una viga de husillo o bien está realizada en forma de una tal viga de husillo; la carcasa puede ser desplazada en la dirección axial, mientras que la viga de husillo está dispuesta en un carrito, que puede ser ajustado en su altura y que se encuentra guiado en un soporte; en este caso, el soporte y la pieza de trabajo de mecanizado pueden ser desplazados entre si.