DE69110413T2

DE69110413T2 - Werkzeugmaschine mit Spindelkopf mit drei Freiheitsgraden.

Info

Publication number: DE69110413T2
Application number: DE69110413T
Authority: DE
Inventors: Lorenzo Crivellin
Original assignee: Vigel SpA
Current assignee: Vigel SpA
Priority date: 1990-11-23
Filing date: 1991-11-18
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2011-11-19
Also published as: JPH05220637A; ES2073650T3; US5197836A; EP0486992A1; EP0486992B1; IT1247783B; IT9067922A1; DE69110413D1; ATE123681T1; IT9067922A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine spanabhebende Werkzeugmaschine, die mit einem Spindelkopf mit drei Freiheitsgraden versehen ist, wobei dieser Ausdruck die Tatsache aufzeigt, daß die Spindel sich im Raum entlang einer Anordnung von drei Cartesischen Achsen bewegen kann.
Insbesondere betrifft die Erfindung Werkzeugmaschinen, in denen die Rotationsachse der Spindel parallel zu einer Achse der Cartesischen Anordnung von drei Achsen ist, zum Beispiel die "z"-Achse, und in der die Spindel sich in Richtung der beiden anderen rechtwinkligen Achsen "x" und "y" sowie entlang der Richtung der "z"-Achse bewegen kann, während sie ihre eigene Rotationsachse parallel zu der "z"-Achse beibehält.
Wie bekannt ist verwenden moderne Werkzeugmaschinen mit drei Freiheitsgraden zur Bewegung des Spindelkopfes eine Anordnung von drei zueinander senkrechten Schlitten, die jeweils parallel zu der Anordnung von drei Bezugsachsen sind; die Schlitten sind starr miteinander verbunden und können sich relativ zueinander verschieben.
Dieses bekannte und weit verbreitete Bewegungssystem weist verschiedene Nachteile auf, die hauptsächlich seine Sperrigkeit, die Schwierigkeit, ein hohes Maß an Präzision zu erreichen (da das Spiel der verschiedenen Kaskadenkupplungen sich addiert) und die Komplexität des Mechanismus zur geradlinigen Bewegung der Schlitten beinhalten.
FR-A-2 528 745 offenbart eine numerisch steuerbare Werkzeugmaschine wie sie im Oberbegriff des beigefügten Anspruch 1 definiert ist, die eine Spindel umfaßt, die exzentrisch durch einen zylindrischen Träger gehalten ist, der drehbar durch einen starren Rahmen gehalten ist. Der starre Rahmen ist selbst auf einem linearen Führungselement verschiebbar geführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, diese Nachteile zu eliminieren und im Rahmen dieser allgemeinen Aufgabe ist ein wichtiges Ziel der Erfindung, eine Werkzeugmaschine mit einem Spindelkopf mit drei Freiheitsgraden zur Verfügung zu stellen, die für einen gleichen Bewegungsbereich der Spindel eine mäßige Ausdehnung besitzt, die um ungefähr 40 % im Vergleich zu bekannten Anordnungen mit rechtwinkligen Schlitten reduziert ist.
Ein anderes wichtiges Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Werkzeugmaschine mit einem Spindelkopf mit drei Freiheitsgraden zur Verfügung zu stellen, die geeignet ist, ein hohes Maß an Präzision in den Bewegungen der Spindel zu ermöglichen.
Ein weiteres wichtiges Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Werkzeugmaschine mit einem Spindelkopf mit drei Freiheitsgraden zur Verfügung zu stellen, die geeignet ist, eine beträchtliche Vereinfachung der Mechanismen für die Bewegung der Spindel parallel zu der Anordnung von drei Bezugsachsen zu ermöglichen.
Ein weiteres Ziel er Erfindung ist, die gesamte Struktur von Werkzeugmaschinen dieses Typs zu verbessern, indem sie kompakter, weniger empfindlich gegenüber dem Abnutzungszustand und der Wartung der Kontaktflächen und besser geeignet für automatische Führung mittels bekannter numerischer Steuerungssysteme gemacht werden.
Diese Aufgabe, wichtigen Ziele und andere, die aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich werden, werden erreicht durch eine numerisch steuerbare spanabhebende Werkzeugmaschine wie sie im beigefügten Anspruch 1 definiert ist.
Erfindungsgemäß sind daher die Bewegungen der Spindel entlang der beiden Bezugsachsen durch die Polarkoordinaten des zentralen Trägers in Bezug auf den Spindelkopf definiert und durch die Polarkoordinaten des Planetenträgers in Bezug auf den zentralen Träger und zu diesem Zweck verläuft die Planetenkreisbahn durch das Rotationszentrum des zentralen Trägers; der Ausdruck "Planeten" wird verwendet, um den durch einen Punkt auf der Achse der Spindel durch die Rotation des Planetenträgers allein verfolgten Weg anzugeben.
Dementsprechend ist der maximale Ausschlag der Spindel entlang der beiden senkrechten Achsen gleich dem doppelten Durchmesser der Planetenkreisbahn und der Durchmesser ist wiederum gleich dem Radius der maximalen zentralen Kreisbahn; der Ausdruck "zentral" wird verwendet, um den durch einen Punkt auf der Achse der Spindel durch die Rotation des zentralen Trägers allein verfolgten Weg anzugeben.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, die als nicht einschränkendes Beispiel angegeben sind, worin:
Figur 1 eine Perspektivansicht der erfindungsgemäßen Maschine darstellt;
Figur 2 eine schematische Perspektivansicht eines Details des kinematischen Systems des Spindelkopfes darstellt;
Figur 3 eine ähnliche Perspektivansicht eines anderen Details des Spindelkopfes darstellt;
Figur 4 eine axiale Teillängsschnittansicht des Spindelkopfes darstellt;
Figur 5 einen Ausdruck der Polarkoordinaten eines generischen Punktes auf der Achse der Spindel darstellt;
Figuren 6 und 7 Ausdrucke der Konfigurationen des Systems für Bewegungen des Punktes auf der Achse der Spindel entlang zweier senkrechter Achsen "x" bzw. "y" darstellen.
In den Zeichnungen bezeichnet Bezugszahl 10 allgemein die Werkzeugmaschine, die einen Trägertisch 11 und einen Spindelkopf 12 umfaßt, der so gestützt ist, daß er auf Führungen 13 des Tisches, die eine Spindelbewegungsrichtung definieren, verschiebbar ist, zum Beispiel Richtung "z" einer Anordnung von drei senkrechten Bezugsachsen "x", "y" und "z". Ein Positionierungsmotor 14 und eine mit dem Motor verbundene Betätigungsschraube 14a bewegen den Kopf 12 entlang der Führungen 13 in bekannter Weise.
In Bezug auf den Kopf 12 seitlich ist der Tisch mit einem Werkzeugmagazin versehen, das aus einer Vielzahl von Trägern 15 für Werkzeuge ausgebildet ist, die mit Kettengliedern 16 verbunden sind, die mit Zugzahnrädern zusammenwirken, die durch einen Motor angetrieben sind, der in der Figur nicht dargestellt ist.
Der Spindelkopf 12 umfaßt einen starren Rahmen 17, der durch einen Schlitten 18 getragen ist, der entlang der Führungen 13 des Tisches verschiebbar ist, einen ersten zentralen zylindrischen Träger 19, der durch den Rahmen 17 mittels der Lager 20 drehbar getragen ist und einen zweiten zylindrischen Planetenträger 21, der die Spindel 22 trägt und durch den zentralen Träger 19 mittels der Lager 23 drehbar getragen ist.
Wie aus den Figuren deutlich sichtbar ist, ist die Spindel 22 exzentrisch auf dem Planetenträger angeordnet und ihre Rotationsachse "a" ist um einen Betrag R1 in Bezug auf die Rotationsachse "b" des Trägers 21 abgesetzt. Wenn daher der Planetenträger 21 sich in Bezug auf den zentralen Träger 19 dreht, definiert ein generischer Punkt auf der Achse "a" der Spindel eine kreisförmige Planetenbahn "t", die einen Radius R1 besitzt und auf der Rotationsachse "b" des Planetenträgers 21 zentriert ist. In ähnlicher Weise ist der Planetenträger 21 exzentrisch auf dem zentralen Träger 19 getragen und die Rotationsachse "b" des Trägers 21 ist axial um einen Betrag R1 in Bezug auf die Rotationsachse "c" des zentralen Trägers 19 abgesetzt. Dementsprechend führt die Planetenbahn "t" der Spindel durch die Rotationsachse des zentralen Trägers 19 und der maximale Ausschlag der Spindel entlang zweier senkrechter Achsen "x" und "y", deren Ursprung auf der Achse "c" liegt, ist gleich dem doppelten Durchmesser der Planetenbahn "t" ist, wobei der Durchmesser wiederum gleich dem Radius R2 der maximalen zentralen Kreisbahn T ist, d. h. des maximalen Weges, der von einem Punkt auf der Achse der Spindel durch die Rotation des Trägers 19 verfolgt wird.
Auf dem zentralen Träger 19 ist ein peripheres Schrägzahnradgetriebe 24 vorgesehen und eine Schneckenschraube 25 greift darin ein; die Schneckenschraube wird mittels einer mit einem Zahnriemen 26 versehenen Transmission durch einen zentralen Positionierungsmotor 27 angetrieben (Figur 2).
In gleicher Weise ist ein peripheres Schrägzahnradgetriebe 28 auf dem Planetenträger 21 (Figur 3) vorgesehen und eine Schneckenschraube 29 greift darin ein; die Schneckenschraube ist durch einen Planetenpositionierungsmotor 31 mit einer dazwischen angeordneten Kegelradgetriebetransmission 30 angetrieben. Die Aufnahme von Schrauben-/Getriebepaaren ist vorteilhaft im Hinblick auf die Nichtumkehrbarkeit der Bewegung und der daraus folgenden Stabilität der Positionen der Spindel, sogar wenn die Belastung des Werkzeugs darauf wirkt.
Ein dritter Antriebsmotor 32 bewirkt die Arbeitsrotation der Welle 33 der Spindel mittels einer Transmissionswelle 34, die koaxial zum Träger 21 ist und durch eine Anordnung von drei Transmissionsgetrieben 35-36-37 angetrieben ist, die den Motor 32 mit der Welle 34 verbinden und durch ein weiteres Paar von Transmissionsgetrieben 38-39, die die Transmissionswelle 34 mit der Spindelwelle 33 verbinden. Ein fluidbetätigter Zylinder 40 ist auf der Spindelwelle 33 angeordnet, um die Backen der Spindel auf eine per se bekannte Weise zu öffnen und zu schließen.
Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die Bewegungen der Spindel 22 entlang der Bezugsachsen "x" und "y" durch die Polarkoordinate α des zentralen Trägers 19 in Bezug auf den Rahmen 17 des Kopfes und durch die Polarkoordinate β des Planetenträgers 21 in Bezug auf den zentralen Träger 19 definiert sind; die Spindel kann sich selbst an jeden Punkt der Kreisfläche, die einen Radius R2=2R1 besitzt, positionieren.
Es sind Winkelmessmittel (nicht dargestellt) zum Beispiel bekannte Encoder vorgesehen, um die Winkelposition der Träger nachzuweisen und entsprechende Positionierungsdaten an einen Mikroprozessor zu geben, der die numerische Steuerung der Maschine auf eine per se bekannte Weise bewirkt.
Der Ausdruck von Figur 5, der unmittelbar verständlich ist, zeigt die Konfigurationen des Systems für Bewegungen der Spindel entlang der "x"-Achse und der Ausdruck von Figur 6 zeigt ähnliche Konfigurationen des Systems für Bewegungen entlang der "y"-Achse.
Erfindungsgemäß ist bevorzugt, daß sich der zentrale Träger 19 und der Planetenträger 21 gegenläufig drehen.
Wo in einem Anspruch genannte technische Merkmale von einem Bezugszeichen gefolgt sind, wurden diese Bezugszeichen einzig zum Zwecke des besseren Verständnisses der Ansprüche eingefügt und dementsprechend besitzen diese Bezugszeichen keine einschränkende Wirkung auf den Bereich eines Elementes, das beispielsweise durch solche Bezugszeichen identifiziert ist.

Claims

1. Numerisch steuerbare spanabhebende Werkzeugmaschine mit mindestens einem Spindelkopf (12) mit drei Freiheitsgraden, wobei der Spindelkopf (12) einen ersten zentralen Träger (19) besitzt, der durch einen starren Rahmen (17) des Spindelkopfes (12), der exzentrisch die Spindel (22) hält, drehbar gehalten ist, wobei der Spindelkopf wiederum durch einen Schlitten (18) für Längsbewegung in einer ersten Richtung (z) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spindelkopf einen zweiten Planetenträger (21) besitzt, der die Spindel exzentrisch und drehbar hält und selbst drehbar und exzentrisch durch den zentralen Träger (19) gehalten ist; wobei der erste (19) und zweite (21) Träger numerisch steuerbar sind, um durch die Kombination ihrer gegenseitigen Rotationsbewegungen Bewegungen der Spindel (22) in zwei zueinander senkrechten Richtungen (x-y) zu erzeugen, die beide senkrecht zur ersten Richtung (z) sind.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenkreisbahn (t) der Spindel (22) durch das Rotationszentrum (c) des zentralen Trägers (19) verläuft und dadurch, daß die maximale zentrale Kreisbahn (T) einen Radius gleich dem Durchmesser der Planetenbahn (t) besitzt.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (22) auf jedem Punkt einer Kreisfläche positioniert werden kann, die einen Radius besitzt, der gleich dem Durchmesser der Planetenbahn (t) ist, wobei die generische Position der Spindel (22) durch die Polarkoordinate des zentralen Trägers (19) in Bezug auf den Rahmen (17) des Spindelkopfes (12) und durch die Polarkoordinate des Planetenträgers (21) in Bezug auf den zentralen Träger (19) definiert ist.

4. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Träger (19) zylindrisch ist und durch den Rahmen (17) des Kopfes (22) gehalten ist, wobei Rollenlager (20) dazwischen angeordnet sind.

5. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Planetenträger (21) zylindrisch ist und durch den zentralen Träger (19) gehalten ist, wobei Rollenlager (23) dazwischen angeordnet sind.

6. Werkzeugmaschine nach den Ansprüchen 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Träger (19) und der Planetenträger (21) mit peripheren Schrägzahnrädern (24;28) versehen sind, bei denen entsprechende Schneckenschrauben (25;29) eingreifen, wobei die Schneckenschrauben durch zugehörige Positionierungsmotoren (27;31) angetrieben sind.

7. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelwelle (33) durch einen zugehörigen Antriebsmotor (32) mittels einer Transmissionswelle (34), die koaxial zum Planetenträger (21) ist und mittels Getrieben (35-39), die zwischen der Transmissionswelle (34), dem Motor (32) und der Spindelwelle (33) angeordnet sind, angetrieben sind.