DE3041612C1 - Vorrichtung zur Winkellage-Orientierung von Drahtfuehrungselementen an polar oder kartesisch gesteuerten funkenerosiven Konisch-Schneidanlagen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Winkellage-Orientierung von Drahtführungselementen an polar oder kartesisch gesteuerten funkenerosiven Konisch-Schneidanlagen, wobei die Verlagerungen der Drahtführungselemente als Antriebsvorgabeinformationen für eine Verschwenkbewegung der Drahtführungselemente herangezogen werden.

Das funkenerosive Schneiden mit numerischer Steuerung und Drahtelektrode ist zunächst eingeführt worden, um bevorzugt prismatische Durchbrüche in Werkstücken herstellen zu können. Im Schnittwerkzeugbau, bei Sintermatrizen und Extrudiermatrizen liegen jedoch häufig fertigungstechnische Probleme an, bei denen abgesehen vom zylindrischen Durchbruch auch konische Profileinläufe oder Stanzausschnitte bewerkstelligt werden müssen. Zur Vermeidung von Nebenzeiten und von Wechseln auf andere Betriebseinrichtungen soll deshalb ein Weg gesucht werden, auf derselben funkenerosiven Schneidanlage in einer Werkstückanspannung auch diese Bearbeitung durchführen zu können. Die Winkelbeträge können dabei 45° und mehr einnehmen, so daß die auf den bestehenden Anlagen eingeführten üblichen Führungsmittel nicht ohne weiteres angewendet werden können, da beim Austritt der Drahtelektrode aus einem solchen Führungsmittel unter großer Schräglage Kerbwirkungen und erhöhte Reibungen am Draht verursacht werden, die zu unzulässigen Drahtzugspannungs-Schwankungen und zu Biegungen führen können, die eine bleibende plastische Verformung im Draht hervorrufen.

Die gegenwärtig bekannten Einrichtungen, um das konische funkenerosive Schneiden mit einer Drahtelektrode anzuwenden, haben bevorzugt kleine Schrägneigungswinkel in der Größenordnung von weniger als 2° im Auge und beinhalten deshalb nur Steuerungsverfahren, nach denen die obere zur unteren Drahtführungseinrichtung um kleine Beträge V verlagert geführt werden kann. Dabei kann sowohl eine polare wie eine kartesische Führung der Koordinaten angewendet werden und der jeweilige Verlagerungsbetrag V und seine Richtung entweder fest eingestellt werden (DE-PS 21 55 622/US-P 38 30 996) oder auch rechentechnisch aus der numerischen Steuerung abgeleitet werden und kontinuierlich tangential zur momentanen Schnittrichtung justiert werden (CH-PS 5 13 693/US-PS 37 31 044 und CH-PS 5 13 694/US-PS 37 31 043). Es sind im Rahmen dieser Lösungen Einrichtungen bekannt, die als Zubehörgeräte zu bestehenden Maschinen montiert werden, aber auch Einrichtungen, die integral in die Maschinen einbezogen werden und bei denen die Arme, die die Führungsköpfe tragen, entsprechend bewegt werden (DE-OS 22 55 429). Nachteil aller dieser Einrichtungen ist wie vorher beschrieben, daß die Führungsmittel nicht auf die Schräglage des Drahtes orientiert werden und daß dadurch große Schrägeinstellungen nicht möglich sind. Es ist zwar bekannt, Führungsmittel wie z. B. Ziehsteine oder Rollen einzusetzen, bei denen die seitlichen Abzugswinkel größer sein können, bei denen jedoch dann der Kontaktpunkt auf dem Auslaufbogen dieses Führungsmittels sich verlagert, so daß bei Veränderung der Konizität Schwankungen bezüglich der Bearbeitungsgeometrie, d. h. auch der Genauigkeit in Kauf genommen werden müssen. Die dadurch entstehenden Werkstück-Geometrie-Fehler haben Größenordnungen, die im normalen Werkzeugbau nicht akzeptiert werden können. Ein Beispiel dieser Art ist in CH-PS 4 86 288 enthalten, bei dem die Signale für die Konik-Verstellmotoren aus der Abtastung einer Schablone gewonnen werden.

Zur Erzielung größerer Neigungswinkel der Drahtelektrode ist auch der Weg beschritten worden, die untere und die obere Drahtführung an einem gemeinsamen Bügel zu befestigen und diesen durch Steuereinrichtungen zu verschwenken (DE-OS 26 44 369), nämlich die Verlagerung des einen Führungskopfes relativ zum anderen durch Schwenkung des die beiden Führungsköpfe tragenden Haltebügels zu bewirken. Dabei wird also die Verlagerung des einen Führungskopfes relativ zum anderen als Antriebsinformation für die Schwenkung der Führungsköpfe der Drahtelektrode benutzt, und der Antrieb für die Schwenkbewegung wird mechanisch und elektrisch ausgeführt. Abgesehen von der schwierigen kardanischen Bewegungslagerung für diesen Bügel und der begrenzten Möglichkeit der Einstellung der Bearbeitungshöhe zwischen den beiden Führungsköpfen hat eine solche Lösung den Nachteil, daß der Haltebügel bei Schrägstellung schnell zu einer Kollision mit dem Werkstück führen kann und daß es nicht möglich ist, die Relativ-Lage des Kegel-Zentrums

für den konischen Schnitt gegenüber dem Werkstück in der Höhe einzustellen. Eine weitere Lösung aus dieser Familie zeigt DD-Patent 1 15 444.

Bekannt ist schließlich noch eine dritte Ausführungsart, bei der zur Erreichung größerer Winkel die Werkstücke auf einer kardanischen Aufhängung montiert und verschwenkt werden (DE-OS 24 01 424). Da die Werkstücke im allgemeinen gegenüber der fast dimensionslosen Drahtelektrode wesentlich störendere Abmessungen annehmen, bedeutet die Ausführung einer kardanischen Aufhängung der Werkstücke im Maschinenbau immer einen beträchtlichen Aufwand. Bei Schrägstellung des mit großen Abmessungen versehenen Werkstückes entsteht zusätzlich der Nachteil, daß die Schwenkbewegung der äußeren Werkstückpartien zu Kollisionen mit der Maschinenstruktur oder den Führungsarmen führen können, die sonst auf besonders weite Führungsdistanzen eingestellt werden müssen. So beträgt z. B. bei einer Winkeleinstellung von 30° der Hub der Verschwenkung in nur 200 mm Abstand vom Bearbeitungszentrum bereits 100 mm (Sinus 30° = 0,5).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne Beeinträchtigung des Arbeitsraumes eine Einstellmöglichkeit der Drahtführungen in Drahtrichtung zu finden, wobei die Bearbeitungsgenauigkeit unabhängig vom eingestellten Konuswinkel ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 ergibt durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine besonders hohe Flexibilität der Schneidanlage sowie äußerst geringe Schwankungen in der Bearbeitungsgeometrie und damit hohe Genauigkeit für das bearbeitete Werkstück, wobei besonders hohe Konuswinkel bei unverändert hoher Genauigkeit für das Werkstück möglich sind.

Ein Beispiel für einen hier verwendbaren Drahtführungskopf zeigt die CH-PS 5 94 477. Die schnittprofil- und einstellungsabhängige Orientierung der Führungen kann entweder mit mechanischen oder elektromechanischen oder rein elektronischen Antriebseinrichtungen durchgeführt werden.

In der Zeichnung ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung in mehreren beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch veranschaulicht. Es zeigt

—Fig. 1 Übersichtsskizze zur Anordnung orientierbarer Drahtführungsköpfe in der Arbeitszone einer Schneiderodieranlage,

— F i g. 2 Anordnung der kardanischen Aufhängung für den Führungskopf an einem Führungsarm mit motorischem Verschwenkantrieb,

— F i g. 3a und 3b schematische Erklärung der unterschiedlichen Anforderungen an Schwenkbewegung der Führungsköpfe in Abhängigkeit von der Einstellung der Bearbeitungshöhe und von der Lage des momentanen Kegelzentrums,

— F i g. 4 Lösung für den mechanischen Verschwenk-Antrieb für die Führungsköpfe oben und unten,

— Fig.5 Lösungsbeispiel für den elektro-mechanischen Antrieb der oberen und unteren Führungsköpfe, abgeleitet von den Antrieben für die kartesische Achsverstellung.

In F i g. 1 wird schematisch und ausschnittweise die Arbeitszone einer funkenerosiven Schneidanlage dargestellt mit der Drahtelektrode (1) und dem Werkstück (2), wobei die Drahtelektrode durch die Führungsköpfe (3) und (4) gegenüber dem Werkstück in der beabsichtigten Lage geführt wird. Die Führungsköpfe selbst befinden sich an Tragarmen (5 und 6), welche am Maschinengestell, das nur mit (7) angedeutet ist, befestigt werden. Der obere Drahtführungsarm (5) ist dabei an einem Koordinatenschlitten (8) montiert, der in diesem Fall eine kartesische Ausführungsart mit den Motoren (9) und (10) darstellt, wodurch es möglich ist, den Arm (5) gegenüber dem Gestell (7) im Rahmen der Verstellmöglichkeiten des Koordinatenschlittens (8) zu verstellen, so daß der obere Führungskopf (3) gegenüber dem unteren Führungskopf (4) eine Relativlage einnimmt, die zur Schrägführung des Drahtes im Werkstück benötigt wird. Der Neigungswinkel des Drahtes gegenüber dem Werkstück wird im Vergleich zur zylindrischen Laufrichtung des Drahtes gemessen und ist mit oc gekennzeichnet. Es ist wohl selbstverständlich, daß die Drahtelektrode während der konkreten Bearbeitung von Antriebsmitteln bewegt wird und daß auf das Werkstück (2) gegenüber dem Koordinatentisch der Maschine mit in der Skizze nicht enthaltenen Aufspannmitteln befestigt wird. Die Drahtführungsköpfe (3) und (4) sind an den Armen (5) und (6) gemäß der Erfindung in einer kardanischen Aufhängung (11) und (12) befestigt und können deshalb entsprechend dem Winkel ac in Schräglage verschwenkt werden. Einzelheiten dieses Vorganges werden im folgenden anhand der F i g. 2 erklärt, die schematisch sowohl für den oberen wie für den unteren Führungsarm identisch ist und nur spiegelbildlich angeordnet werden muß.

In F i g. 2 zeigt (5), (6) den Endteil des die Führungsköpfe tragenden Armes der Maschine, an dem die Führungsköpfe für den Draht (3, 4) in einer kardanischen Aufhängung (11, 12) befestigt werden. Diese Aufhängung besteht zunächst aus einem Zapfen (13), der drehbar stirnseitig in das Endstück des Tragarmes gelagert ist und der um diese Lagerung verschwenkt werden kann. In diesem Beispiel erfolgt das über einen Antrieb durch einen Regelmotor (14), der mit seinem auf der Motorwelle montierten Ritzel (15) ein Gegenzahnrad

(16) treibt, das mit dem Zapfen (13) fest montiert ist. An der kardanischen Aufhängung (11,12) ist der Führungskopf (3, 4) in einer zur ersten Lagerung senkrechten Ebene erneut drehbar befestigt und gelagert durch den Zapfen (17). Auch in diesem Fall erfolgt der Schwenkantrieb über einen Regelmotor (18) mit einem auf seiner Motorwelle montierten Ritzel (19) auf ein Zahnrad (20), das fest auf dem Lagerzapfen angeordnet ist. Die Schwenkebenen in den Zapfen (13) und (17) sind im Niveau konstruktiv so angeordnet, daß sie in der Ebene liegen, wo in den Führungsköpfen (3) und (4) die Drahtelektrode aus dem Drahtführungsmittel austritt Dadurch wird bei Ausführung der Verschwenkung keine weitere Lageveränderung dieses Austrittspunktes außer der Verschwenkung hervorgerufen. Damit die Drahtelektrode von ihrer Zuführseite oder Entsorgungsseite ohne Probleme zu den Drahtführungsköpfen zugeführt werden kann, ist es notwendig, an der entsprechenden Seite noch eine zusätzliche Umlenkrolle (21) anzuordnen, die um die Drahtachse an ihrem Halter

(22) drehbar angeordnet ist und sich automatisch nach der jeweiligen Schräglage orientiert. Die Laufrichtung der Drahtelektrode (1) ist bei Einstellung der Anordnung auf oc = 0° genau senkrecht zur Ebene, die von den Bewegungsachsen der Schwenkzapfen (13) und (17) aufgespannt wird. Die Regelmotoren (14) und (18) erhalten von der numerischen Steuerung ihre Bewegungsinformationen auf definierte Winkellage, die sich mathematisch bestimmt nach dem Größenbetrag des Winkels

oc und nach der Lage des momentanen Kegelzentrums gegenüber dem Werkstück. Die Bestimmung dieser Berechnungen erfolgt gleich wie die Rechnung der Verlagerung der oberen Führung relativ zur unteren Führung in kartesischen, bzw. polaren Koordinatensystemen gemaß CH-Patent 513 694/BE 13'886 und CH-P 5 13 693/BE 13'887.

Aus Fig.3a wird deutlich, daß bei unterschiedlich eingestellter Rachenweite zwischen den Führungsköpfen (3) und (4) mit entsprechend unterschiedlicher Distanz Hi bzw. H 2 zwischen den Haltearmen (5) und (6) der Verschwenkungswinkel der Führungsköpfe (3, 4) immer gleich dem Neigungswinkel oc der Drahtelektrode ist Das bedeutet auch, daß die Verschwenkung der Führungsköpfe bei unterschiedlicher Rachenweite in bezug auf die Verlagerung Vi bzw. V 2 des Führungskopfes (3) gegenüber dem Führungskopf (4) eine geänderte Beziehung einnimmt.

In F i g. 3b ist ein Fall dargestellt, wo der Zentrumspunkt für die Kegelstellungen der Elektrode (1) nicht bei einem der Führungsköpfe (3,4) liegt, sondern zwischen den Führungen angeordnet ist Bei einer solchen Anordnung wird zusätzlich die untere Führung (4) an ihrem Tragarm (6) aus der strich-punktierten Achse für die zylindrische Schnittlage herausbewegt. Es wird ohne weiteres deutlich, daß der Schwenkwinkel oc für die Führungsköpfe damit zu der Verlagerung V3 eine andere Relation einhalten muß als bei den Fällen, die in F i g. 3a beschrieben wurden.

In F i g. 4 wird eine rein mechanische Lösung für das Verfahren der »orientierten Drahtführungsköpfe« prinzipmäßig dargestellt. An den Drahtführungsköpfen (3, 4) wird ein Auslenkhebel (30) angebracht, der sich über ein sphärisches Lager (31) jeweils in einem Verstellhebel (32,33) abstützt. Die beiden Verstellhebel sind zur Einstellung des Schwenkwinkelbetrages im Verhältnis zur Relativverlagerung V zwischen den Führungsköpfen auf verschiedene Hebelverhältnisse verstellbar und werden jeweils mit Hilfe einer Klemmschraube (34,35) geklemmt an eine Halterung (36,37). Dabei ist die Haiterung für den oberen Führungsarm, der selbst im Koordinatenschlitten (8) bewegt werden kann, an dessen feststehenden Teil abgestützt, während der feststehende untere Arm seinen Halter (37) fest mit dem beweglichen oberen Tragarm (5) verbunden hat. Beim Antrieb der Motoren (9, 10) zur Einstellung der relativen Verlagerung des oberen Führungskopfes zum unteren Führungskopf, wobei dies für die volle Bearbeitungsebene gilt, wird so über die Halter (36,37) und die Verstellhebel (32,33) die durch das eingestellte Übersetzungsverhältnis bestimmte Auslenkung der Führungsköpfe automatisch ausgelöst.

Fig.5 zeigt eine elektro-mechanische Alternative, die zur Vermeidung von störenden Gestängen in der Arbeitszone die Antriebe der Verschwenkbewegung mit Hilfe von biegbaren Zug/Schub-Mitteln (48) ausführt Auf den Antriebsmotoren (9, 10) für die Relativverlagerung zwischen oberer und unterer Führung wird zusätzlich ein kleines Getriebe (40) montiert, in dem ein Ritzel (41) auf der Motorwelle (42) montiert ist. Beim Betrieb des Motors zur Verlagerung der Führungsköpfe wird durch die Drehung des Ritzels je eine Zahnstange (43,44) verschoben, die mit dem Zug/Schub-Mittel (48) in direkter fester Verbindung steht und die ihre Verlagerung damit über die biegsame Antriebseinrichtung zu den Führungsköpfen jeweils oben und unten überträgt. Dort wird gemäß der Skizze in F i g. 2 die Verschiebebewegung jeweils auf die Zahnräder (20) für die eine Achse bzw. auf die Zahnräder (16) für die andere Achse wiederum mit Hilfe von Zahnstangen übertragen. Damit die Schiebebewegung genügend leichtgängig ist, sind die Zahnstangen in Lagern (45) axial leicht beweglich und zur Erzielung einer guten Präzision wird um das Zug/Schub-Mittel ein biegeelastisches Distanzrohr (46) geführt, das als Abstützung zwischen der Antriebsstelle und der Abtriebsstelle an den Führungsköpfen liegt. Zur Einstellung des Übertragungsverhältnisses zwischen der Verlagerungsbewegung und der Schwenkpunkte der Führungsköpfe kann die Untersetzung zwischen Zahnstange und Ritzel entweder im Getriebe (40) verändert werden oder an den Führungsköpfen im Verhältnis zu den Zahnrädern (20) und (16).

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Winkellage-Orientierung von Drahtführungselementen an polar oder kartensisch gesteuerten funkenerosiven Konisch-Schneidanlagen, wobei die Verlagerungen der Drahtführungselemente als Antriebsvorgabeinformation für eine Verschwenkbewegung der Drahtführungselemente herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Ende mindestens eines Drahtführungsarmes (5, 6) ein Drahtführungskopf (3) kardanisch schwenkbar befestigt ist, daß die kardanischen Schwenkachsen (13,17) des Drahtführungskopfes in einer gemeinsamen Ebene liegen, auf der bei nicht verschwenktem Drahtführungskopf die Drahtlaufrichtung zum zweiten Drahtführungskopf (4) senkrecht steht, daß die Achse der Drahtlaufrichtung den Schnittpunkt der beiden kardanischen Schwenkachsen (13, 17) schneidet und daß die kardanischen Schwenkachsen (13,17) mit Stellantrieben (14,18; 32,33; 48) in Wirkverbindung stehen, wobei die Stellantriebe durch die Maschinensteuerung werkstückabhängig kontinuierlich steuerbar sind.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellantriebe (14,18; 32,33; 48) für die kardanischen Schwenkachsen (13,17) mit mechanischen oder elektrischen Antriebsuntersetzungen zur Ausführung der von der Maschinensteuerung gelieferten und gegebenenfalls korrigier- ten Verstellinformationen in Abhängigkeit von der jeweils eingestellten Rachenweite (H) in Verbindung stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkbewegung über Hebel (32,33) und Gestänge (36,37) mit einstellbarer Übersetzung von den Antrieben (9, 10) für die Verlagerung zum Konisch-Schneiden abgeleitet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkbewegung über flexible Zug/Schub-Mittel (48) mit einstellbarer Übersetzung von den Antrieben (9,10) für die Verlagerung zum Konisch-Schneiden abgeleitet ist.