FR2606310A1 - Multi-function machine tool - Google Patents

Abstract

This multi-function machine comprises a workpiece spindle 10 which interacts with tools 4, 6 requiring very different working speeds of the spindle (3000 rpm and 10 rpm, for example). In order to ensure a sufficient torque at each of these speeds, the spindle is selectively entrained by two distinct drive devices 12, 13; 14 to 20 each loaded to work with the rotational speed specific to it. One of the drive devices 14 to 20 comprises a clutch which is engaged only when this drive device is in operation. Application particularly to lathes intended to perform cutting and twisting operations.

Description

MACHINE-OUTIL MULTI-FONCTION
La présente invention concerne les machines-outils.MULTI-FUNCTION MACHINE TOOL
The present invention relates to machine tools.

Plus particulièrement, l'invention a trait à des machines-outils capables d'effectuer, sur une même pièce montée à rotation sur la machine, plusieurs opérations successives nécessitant des vitesses de rotation très différentes de la pièce. More particularly, the invention relates to machine tools capable of performing, on the same part rotatably mounted on the machine, several successive operations requiring very different rotational speeds of the part.

Pratiquement, toutes les machines-outils actuelles de ce type, telles que les tours par exemple, sont équipées d'un dispositif de commande de vitesse permettant d'animer la broche porte-pièce d'un mouvement de rotation dont la vitesse peut être régulée avec précision. On tente également de maintenir constant le couple moteur qui entraine la broche quelle que soit la vitesse à laquelle elle est entraînée. In practice, all current machine tools of this type, such as lathes for example, are equipped with a speed control device making it possible to animate the workpiece spindle with a rotational movement whose speed can be regulated. precisely. We also try to keep constant the motor torque which drives the spindle regardless of the speed at which it is driven.

On réussit sans problèmes majeurs à atteindre cet objectif si la vitesse de rotation minimale se situe à une valeur relativement élevée, par exemple entre 1'000 et 6000 t/m, en utilisant un moteur d'entrainement, par exemple un moteur électrique à courant continu, alimenté par l'intermédiaire d'une boucle d'asservissement de vitesse. On peut ainsi travailler sur la pièce en y effectuant des opérations qui nécessitent des vitesses de rotation relativement élevées, telles que la coupe, le perçage et analogues. We succeed without major problems in achieving this objective if the minimum speed is at a relatively high value, for example between 1,000 and 6,000 rpm, by using a drive motor, for example an electric current motor. continuous, supplied via a speed control loop. It is thus possible to work on the part by performing operations there which require relatively high rotational speeds, such as cutting, drilling and the like.

En revanche, il est nettement plus problématique d'exécuter à l'aide d'un tel moteur et d'une telle commande de vitesse des opérations lentes qui impliquent une vitesse de rotation de la broche porte-pièce relativement basse, de l'ordre de 10 t/m par exemple, comme cela peut être le cas pour le fraisage ou le contournage. On sait, en effet, qu'à très basse vitesse, les moteurs d'entraînement ont un couple de rotation faible, c'est-à-dire insuffisant pour pouvoir entraîner la broche pour l'exécution du travail considéré. On the other hand, it is much more problematic to execute with such a motor and such a speed control slow operations which imply a relatively low speed of rotation of the work-holding spindle, of the order 10 t / m for example, as can be the case for milling or contouring. It is known, in fact, that at very low speed, the drive motors have a low torque, that is to say insufficient to be able to drive the spindle for the execution of the work considered.

C'est la raison pour laquelle, jusqu'à présent, on préférait utiliser des machines-outils dédicacées spécialement les unes pour des travaux à grande vitesse et les autres pour des travaux à basse vitesse. This is the reason why, until now, we preferred to use machine tools specially dedicated, some for high speed work and the others for low speed work.

Il est clair que cela nécessite des opérations de transfert des pièces d'une machine à l'autre, un investissement tres lourd en raison du fait qu'il faut acheter plusieurs machines, un encombrement important dans l'atelier, etc.. It is clear that this requires operations of transferring parts from one machine to another, a very heavy investment due to the fact that it is necessary to buy several machines, a large footprint in the workshop, etc.

Il est donc souhaitable de pouvoir disposer d'une machine-outil universelle capable d'exécuter successivement sur une même pièce à travailler, plusieurs opérations d'usinage nécessitant des vitesses de rotation différant considérablement l'une de l'autre et ce avec des couples d'entraînement suffisants pour l'exécution correcte des opérations d'usinage considérées. It is therefore desirable to be able to have a universal machine tool capable of successively executing on the same workpiece, several machining operations requiring rotational speeds differing considerably from one another and this with torques sufficient training for the correct execution of the machining operations considered.

L'invention a donc pour objet une machine-outil multi-fonction qui comporte un bâti, une broche porte-pièce montée à rotation dans ce bâti et adaptée pour recevoir des pièces à travailler, une table porte-outil montée mobile en translation sur le bâti avec au moins deux degrés de liberté et un dispositif moteur pour entraîner la broche à une vitesse variable. Ce dispositif moteur est commandé par un dispositif de commande comprenant une boucle d'asservissement de vitesse pour réguler la vitesse du dispositif moteur. Selon l'invention, la table porte-outil supporte au moins deux outils nécessitant respectivement des vitesses de rotation de la broche différant considérablement l'une de l'autre.La machine comporte en outre un second dispositif moteur couple sélectivement à ladite broche par l'intermédiaire d'un dispositif d'accouplement: Le dispositif de commande comprend également une seconde boucle d'asservissement pour réguler la vitesse du second dispositif moteur. Le dispositif de commande est conçu de manière à provoquer sélectivement, d'une part, la commmande du premier dispositif moteur pour entraîner la broche a grande vitesse, le débrayage dudit dispositif d'embrayage et le positionnement dudit premier outil en position de travail par rapport à la broche et, d'autre part, la commande dudit second dispositif moteur, l'embrayage dudit dispositif d'embrayage et le positionnement dudit second outil en position de travail par rapport à la broche. The invention therefore relates to a multi-function machine tool which comprises a frame, a workpiece spindle mounted for rotation in this frame and adapted to receive workpieces, a tool table mounted movable in translation on the frame with at least two degrees of freedom and a motor device to drive the spindle at a variable speed. This motor device is controlled by a control device comprising a speed control loop for regulating the speed of the motor device. According to the invention, the tool holder table supports at least two tools respectively requiring spindle rotational speeds which differ considerably from one another. The machine furthermore comprises a second motor device which selectively couples said spindle by l 'Intermediate of a coupling device: The control device also includes a second control loop for regulating the speed of the second motor device. The control device is designed so as to selectively cause, on the one hand, the control of the first motor device to drive the spindle at high speed, the disengagement of said clutch device and the positioning of said first tool in the working position relative to to the spindle and, on the other hand, the control of said second motor device, the clutch of said clutch device and the positioning of said second tool in the working position relative to the spindle.

Grâce à ces caractéristiques, la machine-outil peut exécuter consécutivement des opérations d'usinage dont les vitesses de consigne peuvent être de 3'000 t/m et de 10 t/m par exemple, et ce avec des couples de rotation suffisants dans chaque cas, moyennant une commutation coordonnée des dispositifs moteurs et des outils.  Thanks to these characteristics, the machine tool can execute machining operations consecutively whose set speeds can be 3,000 rpm and 10 rpm for example, and this with sufficient torques in each case, by means of a coordinated switching of the motor devices and tools.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation particulier, cette description étant faite en faisant référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et sur lesquels:
- la figure 1 est une vue en perspective schématique d'une machine-outil multi-fonction suivant l'invention;
- la figure 2, également schématique, montre en élévation les moyens d'entraînement de la broche rotative de la machine-outil; et
- la figure 3 est un graphique représentant la courbe du couple d'entraînement en Newtonmètres (Nm), engendré sur la broche par les moyens moteurs, en fonction de la vitesse de rotation en tours par minute de la broche.The invention will be better understood on reading the description which follows of a particular embodiment, this description being made with reference to the appended drawings, given only by way of example and in which:
- Figure 1 is a schematic perspective view of a multi-function machine tool according to the invention;
- Figure 2, also schematic, shows in elevation the drive means of the rotary spindle of the machine tool; and
- Figure 3 is a graph showing the curve of the drive torque in Newtonmeters (Nm), generated on the spindle by the motor means, as a function of the speed of rotation in revolutions per minute of the spindle.

Suivant l'exemple de réalisation de l'invention représenté aux figures, la machine-outil se présente sous la forme d'un tour comprenant un bâti 1 sur lequel est montée mobile une table porteoutil 2 qui est dotée de deux degrés de liberté à directions mutuellement perpendiculaires (X et Y) dans le plan horizontal. According to the embodiment of the invention shown in the figures, the machine tool is in the form of a lathe comprising a frame 1 on which is movably mounted a tool table 2 which is provided with two degrees of freedom in directions mutually perpendicular (X and Y) in the horizontal plane.

Dans cet exemple, la table porte-outil 2 comporte, d'une part quatre montures 3a à 3d pour des burins 4 qui nécessitent une vitesse élevée de travail de la broche 2 et, d'autre part, une monture 5 pour une fraise 6. Celle-ci peut être animée d'un mouve ment de rotation autour de son axe à l'aide d'un moteur d'entrainement 7 porté par un support 8 qui est solidaire de la table 2. In this example, the tool table 2 comprises, on the one hand four mounts 3a to 3d for chisels 4 which require a high speed of work of the spindle 2 and, on the other hand, a mount 5 for a cutter 6 The latter can be driven in a rotational movement about its axis using a drive motor 7 carried by a support 8 which is integral with the table 2.

L'usinage effectué par cette fraise 6 nécessite une vitesse de travail de la broche extrêmement faible comparée à celle qui est nécessaire lors de l'usinage à l'aide des burins 4.The machining carried out by this cutter 6 requires an extremely low working speed of the spindle compared to that which is necessary during machining using chisels 4.

Le bâti 1 supporte également une poupée fixe 9 dans laquelle est montée à rotation une broche 10 pourvue à son extrémité proche de la table 2 d'un mécanisme de serrage 11 destiné à la fixation de pièces à travailler sur cette broche. The frame 1 also supports a fixed headstock 9 in which is rotatably mounted a spindle 10 provided at its end close to the table 2 with a clamping mechanism 11 intended for fixing work pieces to this spindle.

A son extrémité opposée, la broche 10 est couplée directement à un premier moteur électrique d'entraînement 12 fixé dans le bâti et transmettant sa force motrice à la broche par l'intermédiaire d'une transmission 13. Celle-ci comporte une poulie 13a fixée sur l'arbre de sortie du moteur 12, une plage 13b de la broche faisant office de poulie et une courroie 13c passant sur ces deux poulies 13a et 13b.  At its opposite end, the spindle 10 is directly coupled to a first electric drive motor 12 fixed in the frame and transmitting its motive force to the spindle via a transmission 13. The latter comprises a pulley 13a fixed on the output shaft of the motor 12, a range 13b of the spindle acting as a pulley and a belt 13c passing over these two pulleys 13a and 13b.

En d'autres termes, lorsque le moteur 12 est alimenté, il entraîne la broche à une vitesse déterminée, tandis que, lorsque la broche est entraînée d'une autre manière (qui sera décrite cidessous), la broche entraîne l'induit du moteur dont l'alimentation est alors coupée. In other words, when the motor 12 is powered, it drives the spindle at a determined speed, while, when the spindle is driven in another way (which will be described below), the spindle drives the armature of the motor whose power is then cut off.

La broche 10 est également couplée à un second moteur électrique 14 fixé dans le bâti et entraînant un réducteur de vitesse 15 à vis sans fin, par exemple. L'arbre de sortie 16 de ce moteur 14 est pourvu d'un dispositif d'embrayage 17, tel qu'un accouplement à crabots, de telle sorte que la force motrice de ce moteur 14 puisse être transmise sélectivement à une poulie 18. Celle-ci est couplée à une seconde plage 19 de la broche formant poulie par l'intermédiaire d'une seconde courroie de transmission 20. Par conséquent, lorsque le moteur 14 est alimenté, il entraîne la broche 12 par l'intermédiaire du réducteur 15, du dispositif d'embrayage 17, alors embrayé, et de la transmission formée par les poulies 18 et 19 et la courroie 20, cependant que l'alimentation du moteur 12 est coupée. The spindle 10 is also coupled to a second electric motor 14 fixed in the frame and driving a speed reducer 15 with worm, for example. The output shaft 16 of this motor 14 is provided with a clutch device 17, such as a dog clutch, so that the driving force of this motor 14 can be selectively transmitted to a pulley 18. That this is coupled to a second track 19 of the pulley spindle by means of a second transmission belt 20. Consequently, when the motor 14 is powered, it drives the spindle 12 by means of the reduction gear 15, the clutch device 17, then engaged, and the transmission formed by the pulleys 18 and 19 and the belt 20, while the power to the engine 12 is cut.

La machine suivant l'invention comporte également un dispositif de commande 21, du type numérique par exemple, chargé d'exécuter un programme de travail régissant les mouvements et la coordination du fonctionnement de tous les organes mobiles comme la table 2, la fraise 6 et, bien entendu, la broche 10. A cet effet, celle-ci est couplée par une troisième transmission 22 à deux capteurs de vitesse 23 et 24 comprenant chacun une poulie 25, 26 qui sont reliées à une plage 27 de la broche 10 formant poulie. Les capteurs 23 et 24 sont connectés, d'une façon connue en soi dans des boucles d'asservissement de vitesse qui commandent respectivement les paramètres de fonctionnement des moteurs 12 et 14, tels que leur vitesse et leur couple. Les boucles d'asservissement sont matérialisées dans le dispositif de commande 21 d'une façon connue des spécialistes, par exemple à l'aide d'un microprocesseur convenablement programmé. Ce dispositif 21 est également programmé pour assurer le fonctionnement alterné des moteurs 12 et 14 en relation avec la commande appropriée du dispositif d'embrayage 17. The machine according to the invention also comprises a control device 21, of the digital type for example, responsible for executing a work program governing the movements and the coordination of the operation of all the movable members such as the table 2, the cutter 6 and , of course, the spindle 10. For this purpose, it is coupled by a third transmission 22 to two speed sensors 23 and 24 each comprising a pulley 25, 26 which are connected to a pad 27 of the spindle 10 forming a pulley . The sensors 23 and 24 are connected, in a manner known per se in speed control loops which respectively control the operating parameters of the motors 12 and 14, such as their speed and their torque. The control loops are embodied in the control device 21 in a manner known to specialists, for example using a suitably programmed microprocessor. This device 21 is also programmed to ensure the alternating operation of the motors 12 and 14 in relation to the appropriate control of the clutch device 17.

On va maintenant décrire le fonctionnement de la machine-outil multi-fonction suivant l'invention, étant entendu qu'il ne s'agit que d'un exemple, l'invention pouvant être mise en oeuvre avec profit moyennant d'autres types d'outils et d'autres paramètres des moteurs 12 et 14, comme le comprendront aisément les spécialistes. We will now describe the operation of the multi-function machine tool according to the invention, it being understood that this is only an example, the invention being able to be implemented with profit by means of other types of tools and other parameters of engines 12 and 14, as will readily be understood by specialists.

La figure 3 représente un diagramme qui illustre l'exemple choisi. FIG. 3 represents a diagram which illustrates the example chosen.

On suppose que l'on veuille réaliser une pièce devant subir tout d'abord quatre opérations de tournage nécessitant des vitesses de rotation élevées de la broche 10 ainsi qu'un couple de rotation au niveau de la broche situé entre 25 et 30 Nm. Le dispositif de commande 21 alimente alors le moteur 12 successivement au cours de quatre passes de travail tandis que la table de travail 2 est animée des mouvements de translation appropriés pour que chacun des burins 4 puisse effectuer un travail d'usinage sur la pièce. Le moteur 12 est commandé en vitesse et en couple de manière à respecter les tronçons A et B de la courbe de la figure 3.Chacune des opérations est ainsi réalisée en fonction d'une vitesse et d'un couple de consigne que le dispositif de commande 21 tente de maintenir, les valeurs de consigne de la vitesse et du couple étant choisies en fonction des opérations particulières à réaliser. It is assumed that we want to make a part that must first undergo four turning operations requiring high rotational speeds of the spindle 10 as well as a torque at the spindle located between 25 and 30 Nm. control device 21 then supplies the motor 12 successively during four work passes while the work table 2 is driven with appropriate translational movements so that each of the chisels 4 can perform machining work on the workpiece. The motor 12 is controlled in speed and in torque so as to respect the sections A and B of the curve of FIG. 3. Each of the operations is thus carried out as a function of a speed and of a setpoint torque that the device for command 21 attempts to maintain, the speed and torque setpoints being chosen as a function of the particular operations to be carried out.

On suppose également que l'on veuille ensuite effectuer sur la même pièce une opération de contournage. It is also assumed that we then want to perform a bypass operation on the same part.

Celle-ci nécessite essentiellement deux modifications de la configuration de la machine par rapport à celle qu'elle avait auparavant. This essentially requires two modifications to the configuration of the machine compared to the one it had before.

Tout d'abord, la fraise 6 doit être placée convenablement par rapport à la pièce serrée dans la broche 10, et être entraînée en rotation à une vitesse convenable à l'aide du moteur 7. Mais il faut également que la broche soit entraînée à une vitesse et avec un couple très inférieurs à ceux nécessaires pour l'exécution des opérations précédentes. A titre d'exemple, la broche doit tourner à une vitesse de 10 t/m et le couple être maintenu à une valeur de 4
Nm (voir tronçon C du diagramme de la figure 3).First of all, the milling cutter 6 must be placed suitably relative to the workpiece clamped in the spindle 10, and be rotated at a suitable speed using the motor 7. But it is also necessary that the spindle is driven at a speed and with a torque much lower than those necessary for the execution of the preceding operations. For example, the spindle must rotate at a speed of 10 rpm and the torque must be maintained at a value of 4
Nm (see section C of the diagram in Figure 3).

Le dispositif de commande 21 est donc programmé pour couper l'alimentation du moteur 12, embrayer l'embrayage 17, alimenter le moteur 14 à l'aide de sa boucle d'asservissement appropriée et commander le moteur 7 de manière à ce qu'il tourne à la vitesse appropriée. Pendant le travail de contournage, l'induit du moteur 12 est entraîné en rotation, mais ceci n'est pas gênant, car son alimentation est coupée. The control device 21 is therefore programmed to cut off the power to the engine 12, engage the clutch 17, power the engine 14 using its appropriate servo loop and control the engine 7 so that it rotates at the appropriate speed. During the contouring work, the armature of the motor 12 is rotated, but this is not a problem, since its power is cut off.

Il convient de noter qu'avant de commencer le travail de contournage, le dispositif de commande 21 alimente le moteur 14 brièvement pour indexer la position angulaire de la broche 10 sur une position de référence à partir de laquelle le contournage de la pièce est effectué. Ce positionnement peut être réalisé à une vitesse nettement supérieure à la vitesse de travail, le moteur 14 et le réducteur 16 étant conçus pour entraîner la broche 10 à une vitesse pouvant aller jusqu'à 1'000 t/m. It should be noted that before starting the contouring work, the control device 21 supplies the motor 14 briefly to index the angular position of the spindle 10 to a reference position from which the contouring of the part is carried out. This positioning can be carried out at a speed significantly higher than the working speed, the motor 14 and the reduction gear 16 being designed to drive the spindle 10 at a speed of up to 1,000 rpm.

On constate donc que l'invention fournit une machine-outil multi-fonction permettant, moyennant l'adjonction de moyens simples et relativement peu coûteux, d'exécuter des travaux d'usinage impliquant pour la broche des vitesses de rotation et des couples dont les valeurs diffèrent considérablement, tout en garantissant des conditions d'usinage adaptées à chaque travail particulier.  It can therefore be seen that the invention provides a multi-function machine tool making it possible, by means of the addition of simple and relatively inexpensive means, to carry out machining work involving for the spindle rotational speeds and torques whose values differ considerably, while guaranteeing machining conditions adapted to each particular job.

Claims (6)

REVENDICATIONS 1. Machine-outil multi-fonction comportant un bâti (1), une broche porte-pièce (10) montée à rotation dans le bâti (1) et adaptée pour recevoir des pièces à travailler, une table porte-outil (2) montée mobile en translation sur le bâti avec au moins deux degrés de liberté, un dispositif moteur (12, 13) pour entraîner la broche (10) à une vitesse variable, et un dispositif de commande (21) pour réguler le fonctionnement dudit dispositif moteur (12, 13), caractérisée en ce que ladite table porte-outil (2) supporte au moins un premier et un second outil (4, 6) nécessitant Pespective- ment des vitesses de rotation de la broche différant considérablement l'une de l'autre, en ce que la machine comporte en outre un second dispositif moteur (14 à 20) couplé sélectivement à ladite broche (10) par l'intermédiaire d'un dispositif d'accouplement (17) et en ce que ledit dispositif de commande est connecté auxdits premier et second dispositifs moteurs de manière à provoquer selectivement, d'une part, la commande du premier dispositif moteur pour entraîner la broche à grande vitesse, le débrayage dudit dispositif d'embrayage (17) et le positionnement dudit premier outil (4) en position de travail vis-à-vis de la broche et, d'autre part, la commande dudit second dispositif moteur (14 à 20), l'embrayage dudit dispositif d'embrayage (17) et le positionnement dudit second outil (16) en position de travail par rapport à ladite broche. 1. Multi-function machine tool comprising a frame (1), a workpiece spindle (10) rotatably mounted in the frame (1) and suitable for receiving work pieces, a tool table (2) mounted movable in translation on the frame with at least two degrees of freedom, a motor device (12, 13) for driving the spindle (10) at a variable speed, and a control device (21) for regulating the operation of said motor device ( 12, 13), characterized in that said tool-holder table (2) supports at least a first and a second tool (4, 6) requiring the spindle rotation speeds differing considerably from one of the other, in that the machine further comprises a second motor device (14 to 20) selectively coupled to said spindle (10) via a coupling device (17) and in that said control device is connected to said first and second motor devices so as to selectively cause, on the one hand , controlling the first motor device to drive the spindle at high speed, disengaging said clutch device (17) and positioning said first tool (4) in the working position with respect to the spindle and, on the other hand, the control of said second motor device (14 to 20), the clutch of said clutch device (17) and the positioning of said second tool (16) in the working position relative to said spindle. 2. Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le premier dispositif moteur (12, 13) est couplé en permanence à ladite broche (10). 2. Machine according to claim 1, characterized in that the first motor device (12, 13) is permanently coupled to said spindle (10). 3. Machine suivant la revendication 2, caractérisée en ce que ledit dispositif d'embrayage (17) est un accouplement à crabots. 3. Machine according to claim 2, characterized in that said clutch device (17) is a clutch coupling. 4. Machine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier outil (4) est un outil de coupe. 4. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the first tool (4) is a cutting tool. 5. Machine suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que le second outil (6) est un outil de contournage. 5. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the second tool (6) is a contouring tool. 6. Machine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits premier et second dispositifs moteurs (12, 13, 14 à 20) comportent chacun une transmission à courroie qui passe directement sur le corps de ladite broche (10).  6. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that said first and second motor devices (12, 13, 14 to 20) each comprise a belt transmission which passes directly over the body of said spindle (10).