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Dokumentenidentifikation DE19522963C2 13.06.2002
Titel Fachwerkanordnung für eine Werkzeugmaschine
Anmelder Giddings & Lewis, Inc., Fond du Lac, Wis., US
Erfinder Sheldon, Paul C., Mequon, Wis., US;
Kirkham, Edward E., Brookfield, Wis., US
Vertreter Uexküll & Stolberg, 22607 Hamburg
DE-Anmeldedatum 15.06.1995
DE-Aktenzeichen 19522963
Offenlegungstag 21.12.1995
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.06.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.06.2002
IPC-Hauptklasse B23Q 1/44
IPC-Nebenklasse B23Q 1/01   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Fachwerkanordnung für eine Werkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zahlreiche Funktionen einer Maschine erfordern ein hohes Maß an Positionsgenauigkeit zwischen verschiedenen Elementen der Maschine, um eine genaue Arbeitsweise der Maschinenkomponenten oder der Werkstücke zu gewährleisten. Beispielsweise erfordert der Rahmen einer Werkzeugmaschine üblicherweise eine hohe Steifheit, um eine genaue Positionierung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück beizubehalten. Dies wurde in der Vergangenheit im wesentlichen durch schwere Guß- oder Schweißteile erreicht, die die erforderliche Festigkeit und Steifheit haben.

Das Gewicht oder die Masse dieser Maschinenteile ist jedoch problematisch, da sie dem Betrieb und der Konstruktion Grenzen setzen. So lassen sich schwere Guß- oder Schweißteile nicht mit hoher Geschwindigkeit bewegen oder hinreichend stark beschleunigen, um moderne Bearbeitungsanforderungen zu erfüllen. Ferner erfordern zahlreiche moderne Bearbeitungsvorgänge komplizierte Werkzeugbewegungen, was durch schwere Konstruktionsteile nicht ohne weiteres möglich ist. Setzt man hingegen leichtere Konstruktionen ein, dann leidet die Steifheit darunter und die Maschine arbeitet ungenauer. Nicht hinreichend steife Konstruktionen führen jedoch zu einem unregelmäßigen Maschinenbetrieb, der zu unerwünschten Effekten wie Werkzeugrattern führt.

Da sich die Toleranzanforderungen für spanend bearbeitete Werkstücke kontinuierlich steigern, werden solche Instabilitäten und Ungenauigkeiten immer unakzeptabler. Mit der immer steigenden Anforderung an die Genauigkeit steigt auch das Verlangen nach höheren Produktionsgeschwindigkeiten, was zu höheren Werkzeuggeschwindigkeiten und Werkzeugbeschleunigungen führt. So sind beispielsweise hohe Beschleunigungen erforderlich, wenn das Schneidwerkzeug schnell um einen kleinen Radius bewegt werden soll. Nun ist es aber schwierig, bekannte Werkzeugmaschinenkonstruktionen aus Gußeisen oder geschweißtem Stahl hinreichend genau zu beschleunigen oder, wenn nicht so hohe Gewichte vorhanden sind, die erforderliche Starrheit beizubehalten.

In jüngerer Zeit wurden bereits Bearbeitungsmaschinen entwickelt, die starre Rahmen haben und die dadurch die Gesamtmasse reduzieren, während sie versuchen, für wenigstens einen Großteil der Bearbeitungsvorgänge die hinreichende Steifheit zu haben. Eine solche Konstruktion besitzt einen äußeren, feststehenden Rahmen mit vertikalen Streben, die mit Querstreben verbunden sind. Das Volumen innerhalb dieser Konstruktion ist die Maschinenarbeitszone, und sie ist so hinreichend bemessen, daß die Bewegung eines Werkzeugkopfs und eines Schlittens möglich ist. Die Konstruktion hat aber aufgrund des verhältnismäßig großen und starren Rahmens bestimmte Nachteile, da dieser mit hinreichend starren Werkzeugmaschinenköpfen und Werkstückplattformen zusammenarbeiten muß, um ein Verbiegen zu verhindern, was zu ungenauer Bearbeitung führt. Der starre Rahmen dient also mehr zur Reduktion des Transportgewichts als zur Schaffung eines leichten Rahmens, der sich mit einer Maschinenkomponente bewegen soll.

Aus der US 5,259,710 A ist eine Fachwerkanordnung bekannt, die folgende Merkmale aufweist:

eine erste Werkzeugmaschinenkomponente in Form eines Tisches, die mit dem Werkstück zusammenarbeitet;

ein erstes Raumgerüst, das eine Gruppe erster Haltestreben besitzt, die mit der ersten Werkzeugmaschinenkomponente starr verbunden sind, sich von dieser nach außen erstrecken und an einer Anzahl von ersten äußeren Verbindungsbereichen enden;

eine Gruppe von ersten Stützstreben, von den sich zumindest einige von den äußeren Verbindungsbereichen erstrecken, wobei die Stützstreben miteinander verbunden sind, um Kräften entgegenzuwirken, die auf die Werkzeugmaschinenkomponente einwirken, ohne daß eine merkbare Biegung der Haltestreben oder der Stützstreben erfolgt; und

eine zweite Werkzeugmaschinenkomponente in Form eines Spindelkopfs, der mit dem Werkzeug zusammenarbeitet.

Das Werkstück wird bei der US 5,259,710 A in üblich Weise von dem Tisch starr getragen und nur die Bearbeitungsvorrichtung (z. B. ein Spindelkopf) wird in bezug auf das Werkstück bewegt. Das mit dem Werkstück starr verbundene Raumgerüst vermag zwar Kräfte des Werkstücks aufzunehmen und die Masse der Werkstückhalterung zu reduzieren, aber es bleibt dennoch schwierig, die Position des Werkstücks in bezug auf den Spindelkopf mit ausreichender Genauigkeit aufrechtzuerhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Fachwerkanordnung für eine Werkzeugmaschine zu schaffen, bei der die bewegten Massen minimiert sind und die Positionierung von Werkzeugmaschinenkomponenten noch besser als beim Stand der Technik erreicht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen alle Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung betrifft also ein bewegbares, starres Fachwerk für eine Werkzeugmaschine, die bestimmte Arbeitsvorgänge an einem Werkstück durchführen kann. Das Fachwerk umfaßt ein leichtes Raumgerüst mit untereinander verbundenen Streben und Knoten, die ein starres Fachwerk bilden, das ein Maschinenteil bewegen kann und gleichzeitig die Positionsgenauigkeit beibehält. Das reduzierte Gewicht erlaubt es, daß sich das Fachwerk mit hohen Geschwindigkeiten und schnellen Beschleunigungen bewegt.

Das Fachwerk umfaßt eine erste Werkzeugmaschinenkomponente, die mit dem Werkstück und einem ersten Raumgerüst zusammenarbeitet. Das Raumgerüst umfaßt eine Gruppe von Haltestreben, die an der Werkzeugmaschinenkomponente starr angebracht sind. Die Haltestreben erstrecken sich von der Werkzeugmaschinenkomponente nach außen und enden in einer Anzahl von äußeren Anschlußbereichen. Das Raumgerüst umfaßt ferner eine Gruppe von Haltestreben, von denen zumindest einige sich von den äußeren Anschlußbereichen erstrecken. Die Haltestreben sind miteinander verbunden, um Kräfte aufzunehmen, die auf die Werkzeugkomponente einwirken, ohne daß ein wesentliches Verbiegen der Haltestreben oder der Stützstreben erfolgt.

Das starre Fachwerk umfaßt eine zweite Werkzeugmaschinenkomponente, die mit dem Werkzeug zusammenarbeitet. Ein Raumgerüst ist starr an der zweiten Werkzeugmaschinenkomponente angebracht und eine Betätigungseinrichtung verbindet das zweite Raumgerüst mit dem ersten Raumgerüst. Die Betätigungseinrichtung bewegt das erste Raumgerüst gegenüber dem zweiten Raumgerüst auf einem vorgegebenen Weg.

Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine weist ferner eine Basis und einen Werkstückhalter auf, der auf der Basis montiert ist. Ein erstes Raumgerüst ist an dem Halter angebracht und ein zweites Raumgerüst ist von dem ersten Raumgerüst unabhängig. Eine Werkzeugmaschinenkomponente wie ein Werkzeughalter mit einer Spindel ist an dem zweiten Raumgerüst angebracht. Eine Anzahl von ausfahrbaren Beinen verbindet das erste Raumgerüst mit dem zweiten Raumgerüst. Das Ausfahren jedes Beines erfolgt auf gesteuerte Weise, um die Werkzeugmaschinenkomponente auf einem vorgegebenen Weg in bezug auf den Werkstückhalter zu bewegen.

Die Raumgerüste können bei Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, bei denen ein starres, biegesteifes Teil erforderlich ist, um die Positionsgenauigkeit zwischen verschiedenen Teilen der Maschine beizubehalten und bei der außerdem die Rahmenmasse einen schädlichen Einfluß auf den Maschinenbetrieb hätte.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 eine Vorderansicht der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 3 eine Seitenansicht der Vorrichtung aus Fig. 1;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 2;

Fig. 6 einen Längsteilschnitt einer der Jochanordnungen zum Anschließen eines angetriebenen Beins an eine Plattform oder einen Halter;

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 von Fig. 5; und

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie 8-8 von Fig. 2.

Die Erfindung umfaßt also ein bewegbares, fachwerkartiges Raumgerüst zur Verwendung bei Werkzeugmaschinen, bei denen eine hohe Positionsgenauigkeit zwischen Werkzeugmaschinenkomponenten aufrechterhalten werden muß, ohne daß darunter die gewünschte Geschwindigkeit oder Beschleunigung einer Komponente in bezug auf die andere leidet. Raumgerüste nach der Erfindung sind aus Streben hergestellt, die durch Knoten miteinander verbunden sind und die so gestaltet sind, daß sie Kräften entgegenwirken, die auf eine feststehende Werkzeugmaschinenkomponente wirken, ohne daß eine wesentliche Verbiegung erfolgen soll.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine Werkzeugmaschine 10 mit zwei fachwerkartigen Raumgerüsten, einem unteren Raumgerüst 12 und einem oberen Raumgerüst 14.

Ferner sei darauf hingewiesen, daß das "untere" Raumgerüst 12 und das "obere" Raumgerüst 14 lediglich aus Gründen der Beschreibung so bezeichnet sind. In Wirklichkeit könnte der Einsatz auch anders erfolgen, so daß diese Beschreibung keine Beschränkung darstellt.

Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Raumgerüste 12 und 14 in Verbindung mit einer Werkzeugmaschine 10 gezeigt, wobei verschiedene Bearbeitungsvorgänge wie Fräsen, Bohren, Schneiden, Polieren o. ä. durchgeführt werden können. Die Werkzeugmaschine 10 besitzt eine Basis 16, an der eine Werkzeugmaschinenkomponente wie ein Werkstückhalter 18 angebracht ist, vorzugsweise durch Montagestreben 19 gemäß Fig. 2. Das Raumgerüst 12 ist starr mit dem Werkstückhalter 18 verbunden, und obgleich es an der Basis 16 befestigt sein könnte, ist es oft zweckmäßig, das Raumgerüst 12 direkt und ausschließlich an dem Werkstückhalter 18 anzubringen.

Das Raumgerüst 14 ist von dem Raumgerüst 12 getrennt angeordnet und starr an einer anderen Werkzeugmaschinenkomponente angebracht, beispielsweise dem Werkzeughalter 20. Typischerweise umfaßt der Werkzeughalter 20 eine Spindel 22, die ein Schneidwerkzeug oder ein anderes Bearbeitungswerkzeug, das nicht dargestellt ist, einspannt und dreht. Das Raumgerüst 12 und das Raumgerüst 14 werden durch eine Betätigungsvorrichtung 24 in bezug aufeinander bewegt, die eine Anzahl von ausfahrbaren Beinen 26 aufweist. Bei einer konventionelleren Werkzeugmaschine könnten ein einzelnes oder mehrere Raumgerüste an einem Bett oder an einem Ständer durch eine Betätigungsvorrichtung angebracht sein, beispielsweise in Form einer Kugelmutter und einer Kugelrollspindel, die von einem Elektromotor angetrieben werden. Die Betätigungsvorrichtung würde dann das Raumgerüst in bezug auf das Bett oder den Ständer bewegen. Die Werkzeugmaschine 10 könnte in einer anderen Ausführungsform ein Gegengewicht oder eine Anzahl von Gegengewichten 28 tragen, die zweckmäßigerweise zwischen dem Raumgerüst 14 und der Basis 16 montiert sind.

Das in den Fig. 1 und 2 am deutlichsten dargestellte Raumgerüst 12 weist eine Gruppe von Haltestreben 30 auf, die starr an einem Werkstückhalter 18 angebracht sind und sich von diesem nach außen erstrecken. Jede Haltestrebe 30 hat einen äußeren Verbindungsbereich 32, der in der dargestellten Ausführungsform ein Gehäuse 34 umfaßt. Jedes Gehäuse 34 ist zweckmäßigerweise mit dem nächst benachbarten Gehäuse 34 durch eine Stützstrebe 36 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform liegen die Haltestreben 30 und die Stützstreben 36 im allgemeinen in einer Horizontalebene, obwohl die Ebene in jeder anderen Ausrichtung liegen könnte und die relative Anordnung der Streben gemäß der besonderen Anwendung verändert sein könnte.

Ferner erstreckt sich eine Anzahl von Stützstreben 38 im allgemeinen nach unten und innen von den Gehäusen 34, um eine Anzahl von Verbindungsbereichen oder Knoten 40 zu bilden. Im Ausführungsbeispiel sind drei Verbindungsbereiche 40 vorhanden und jeder ist mit dem nächst benachbarten Verbindungsbereich 40 durch eine Stützstrebe 42 verbunden. In der gezeigten Ausführungsform gibt es also sechs Gehäuse 34 und drei Verbindungsbereiche 40, die durch neun Stützstreben 38 verbunden sind, d. h. drei Stützstreben 38, die sich von jedem Verbindungsbereich 40 zu benachbarten Gehäusen 34 erstrecken. Ferner erstreckt sich mindestens eine Werkstückhalterstrebe 44 zwischen jedem Verbindungsbereich 40 und dem Werkstückhalter 18, um den Werkstückhalter 18 starr im Raumgerüst 12 befestigen zu helfen.

Mit dieser Anordnung des Raumgerüsts 12 sind die verschiedenen Streben in Dreiecksmustern angeordnet, die dem Raumgerüst eine steife, unflexible Konfiguration geben. Selbst wenn Kräfte auf das Raumgerüst 12 entweder durch den Werkstückhalter 18 oder die ausfahrbaren Beine 26 einwirken, können die dreieckigen Strebenanordnungen diese Kräfte sowohl in Druckrichtung, als auch in Zugrichtung im wesentlichen ausgleichen, so daß keine Biegebelastungen auftreten, die die Streben verbiegen und die Gesamtanordnung des Raumgerüsts 12 verformen würden.

Das Raumgerüst 14 ist ähnlich und schließt eine Gruppe von Haltestreben 48 ein, die starr an dem Werkzeughalter 20 angebracht sind und sich von diesem nach außen erstrecken. Jede Haltestrebe 48 hat einen äußeren Anschlußbereich 50, der in der dargestellten Ausführungsform ein Gehäuse 52 einschließt. Jedes Gehäuse 52 ist zweckmäßigerweise mit dem nächst benachbarten Gehäuse durch eine Stützstrebe 54 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform liegen die Haltestreben 48 und die Stützstrebe 54 im allgemeinen in einer Horizontalebene, wenn die Beine 26 alle gleich weit ausgefahren sind. Die Ebene könnte jedoch in jeder anderen Orientierung sein und die relative Anordnung der Streben könnte nach dem gewünschten Anwendungsfall verändert werden.

Ferner erstreckt sich eine Anzahl von Stützstreben 56 im allgemeinen nach oben und innen von dem Gehäuse, um eine Anzahl von Anschlußbereichen oder Knoten 58 zu bilden. (Die Ausdrücke "oben" und "unten" dienen lediglich zur leichteren Beschreibung der dargestellten Ausführungsform, sind aber keinesfalls beschränkend hinsichtlich der möglichen Ausrichtung und Orientierung der Streben gemeint). In der zweckmäßigen Ausführungsform sind drei Anschlußbereiche 58 vorgesehen und jeder ist mit einem nächst benachbarten Anschlußbereich 58 durch eine verbindende Stützstrebe 60 verbunden. Es gibt also sechs Gehäuse 52 und drei Anschlußbereiche 58, die durch neun Stützstreben 56 miteinander verbunden sind, d. h. es erstrecken sich sechs Stützstreben 56 von jedem Anschlußbereich 58 zu den benachbarten Gehäusen 52. Ferner erstreckt sich mindestens eine und zweckmäßigerweise ein Paar von derartigen Stützstreben 62 zwischen jedem Anschlußbereich 58 und einer Halteplatte 63, die starr an dem Werkzeughalter 20 befestigt ist (siehe Fig. 4). Diese Anordnung befestigt den Werkzeughalter 20 starr im Raumgerüst 14.

Bei dieser Anordnung des Raumgerüsts 14 sind die verschiedenen Streben dreiecksförmig angeordnet und halten das Gerüst steif und unverbiegbar. Selbst wenn auf das Raumgerüst 14 Kräfte von dem Werkzeughalter 20 oder den ausfahrbaren Beinen 26 ausgeübt werden, können die dreiecksförmigen Strebenanordnungen diese Kräfte als Druck- oder Zugkräfte aufnehmen, so daß keine Biegekräfte vorliegen, die die Streben verbiegen und die Gesamtanordnung des Raumgerüsts 14 verändern würden.

Das Raumgerüst 14 besitzt ferner eine Halteklammer 64 für jedes Gegengewicht 28. Zweckmäßigerweise umfaßt jede Halteklammer 64 ein Paar Arme 66, beispielsweise U-Profile, die sich von zwei benachbarten Gehäusen 52 zu einem Befestigungsbereich 68 erstrecken. Ein zweites Paar Arme 70 erstreckt sich vom Befestigungsbereich 68 zu einem Paar benachbarter Anschlußbereiche 58, um das entsprechende Gegengewicht 28 in bezug auf das Raumgerüst 14 festzuhalten. In der dargestellten Ausführungsform sind drei Gegengewichte 28 und drei entsprechende Halteklammern 64 im allgemeinen in gleichen Abständen voneinander an dem Raumgerüst vorgesehen. Jeder Befestigungsbereich 68 kann mit seinem zugehörigen Gegengewicht 28 durch eine Anzahl von Befestigern wie Klemmen, Schweißungen oder Bolzen befestigt sein.

Bei den Raumgerüsten 12 und 14 sind die meisten Streben zweckmäßigerweise rohrförmig mit einer Außenwand und einem hohlen Inneren. Die rohrförmige Konstruktion liefert die gleiche Querschnittsfläche an Material wie eine feste Strebe, führt jedoch zu einem größeren Strebendurchmesser. Dieser größere Strebendurchmesser verstärkt die Stabilität und verhindert das Knicken. Die äußere Wandstärke und der Außendurchmesser können je nach Anwendungsfall optimiert werden. Es kann aber auch eine andere Art von Streben verwendet werden, beispielsweise mit T-Profil, I-Profil oder U-Profil. In der dargestellten Ausführungsform sind die abwechselnden Stützstreben 36 und 54 zweckmäßigerweise eben oder T-förmig, um einen zusätzlichen Freiraum für Gegengewichte 28 zu bilden, wenn das Raumgerüst 14 in bezug auf das Raumgerüst 12 bewegt wird.

Der Werkstückhalter 18 und der Werkzeughalter 20 werden allgemein als Werkzeugmaschinenkomponenten bezeichnet. Diese Werkzeugmaschinenkomponenten könnten miteinander vertauscht sein oder eine Vielzahl von Formen haben. In der dargestellten Ausführungsform stehen der Werkstückhalter 18 und ein darauf befestigtes Werkstück fest, während der Werkzeughalter 20 mit dem daran angebrachten Werkzeug um das Werkstück bewegt wird, um verschiedene Bearbeitungsvorgänge durchzuführen. Der Werkzeughalter 20 könnte aber auch am Raumgerüst 12 befestigt sein, während der Werkstückhalter 18 und das zugehörige Werkstück am Raumgerüst 14 befestigt sind.

In der bevorzugten Ausführungsform hat die Basis 16 drei sich radial erstreckende Beine 72, an denen der Werkstückhalter 18 befestigt ist. In zahlreichen Anwendungen ist das Raumgerüst 12 starr und ausschließlich an dem Werkstückhalter 18 angebracht. Dies hilft eine Verwindung des Raumgerüsts 12 in bezug auf das Raumgerüst 14 zu vermeiden, wenn sich der Werkstückhalter 18 biegt oder bezüglich der Basis 16 verschiebt. Eine Palette oder eine Werkstück-Haltebefestigung 74 ist starr an dem Werkstückhalter 18 angebracht und kann verschiedene Formen haben, je nach Art des zu spannenden Werkstücks. Häufig hat die Palette 74 eine Anzahl von Klemmen oder Fortsätzen, um ein Werkstück 75 gemäß den gestrichelten Linien in Fig. 2 zu spannen.

Die Werkzeugmaschinenkomponente, die am Raumgerüst 14 angebracht ist, beispielsweise der Werkzeughalter 20, ist in ähnlicher Weise starr an dem Raumgerüst angebracht. Diese Anordnung des Raumgerüsts 14 hält ähnlich wie das Raumgerüst 12 den Werkzeughalter 20 so genau an einer bestimmten Stelle, daß eine schnelle und genaue Bearbeitung vorgenommen werden kann, indem die Raumgerüste gegeneinander bewegt werden. Die dreiecksförmige Anordnung der Streben des Raumgerüsts 14 versteift dieses ganz wesentlich, so daß die Spindel 22 und ihr angebrachtes Werkzeug genau und konstant positioniert und hochgenau an bestimmte Stellen des Werkstücks schnell heran bewegt werden kann.

Die Betätigungsvorrichtung 24 verschiebt das Raumgerüst 14 gegenüber dem Raumgerüst 12 auf einem vorgegebenen oder vorprogrammierten Weg, um die gewünschten Maschinenoperationen durchzuführen. In einer Ausführungsform hat die Betätigungsvorrichtung eine Anzahl von Beinen, beispielweise sechs gemäß den Fig. 1 bis 4. Es kann aber auch eine andere Anzahl von ausfahrbaren Beinen 26 verwendet werden, obgleich die Anordnung mit sechs Beinen in drei Paaren mit sich überkreuzenden Beinen zweckmäßig ist. Dadurch kann die Spindel 22 in bezug auf das Werkstück entlang von sechs verschiedenen Achsen bewegt werden, um komplizierte Bearbeitungsvorgänge durchzuführen. Das Überkreuzen der Beine bedeutet eine größere Stabilität des Raumgerüsts 12 gegenüber dem Raumgerüst 14.

Jedes ausfahrbare Bein 26 ist schwenkbar im Gehäuse 34 des Raumgerüsts 12 und einem entsprechenden Gehäuse 52 des Raumgerüsts 14 montiert. Die Beine können in dem Gehäuse auf verschiedene Weise montiert sein, sind aber zweckmäßigerweise in Kardangelenken 76 befestigt.

Die ausfahrbaren Beine 26 können Druckluftzylinder, Hydraulikzylinder, Drahtseilanordnungen oder Kugelrollspindeln sein. Eine zweckmäßige Ausführungsform ist in den Fig. 5 bis 7 dargestellt und umfaßt ein Kugelrollspindelsystem. Im allgemeinen ist eine drehbare Kugelrollspindel 78 an einem feststehenden Plattformjoch 80 angebracht. Ein Mutterrohr 82 umgibt die Spindel und ist mit dieser durch eine Anzahl von umlaufenden Kugeln 84 gekoppelt. Das Mutterrohr 82 ist an einem verschiebbaren Plattformjoch 86 befestigt. Die Jochanordnungen 80 und 86 sind an zugehörige Kardangelenke 76 der Raumgerüste 12 und 14 angeschlossen. Die Kugelrollspindel 78 wird durch einen hydraulischen oder elektrischen Motor 88 gedreht, der auf einer Klammer 90 sitzt, die an dem Joch 80 angebracht ist. Die Motoren 88 können auch an ihren zugehörigen Gehäusen 34 angebracht sein. Der Motor hat eine Abgabewelle 92, die mit der Kugelrollspindel 78 über einen Zahnriemen 94 verbunden ist, der um Riemenscheiben läuft, die auf der Abgabewelle 92 und der Kugelrollspindel 78 sitzen. Die Kugelrollspindel 78 ist in einem Paar von Drucklagern 96 gelagert, die in einem Käfig montiert sind, der zu einer Motorgabel 98 gehört, die Teil des feststehenden Plattformjochs 80 ist. Ein Faltenbalg 100 ist an ein Ende des Mutterrohrs 82 und mit dem anderen Ende an ein Rohr 102 angeschlossen, das wiederum mit einer Motorgabel 98 verbunden ist.

Wenn die Kugelrollspindel 78 von dem Motor 88 gedreht werden, bewegt sich das Mutterrohr 82 entlang der Spindel 78 in einer Richtung, die von der Drehrichtung der Kugelrollspindel 78 abhängt. Dadurch wird der Abstand der beiden Jochanordnungen 80 und 86 verändert, nämlich verkleinert oder vergrößert, wodurch die tatsächliche Länge des Beins verändert wird.

Gemäß den Fig. 6 bis 8 hat das bewegbare Plattformjoch 86 eine U-förmige Gabel 104, die an das Mutterrohr 82 angeschlossen ist und die eine Mittelöffnung 106 aufweist, durch die die Kugelrollspindel 78 läuft. Ein Schutzrohr 108 erstreckt sich von der Gabel 104 über das Äußere der Kugelrollspindel 78. Die Seitenarme 110 und 112 der Gabel 104 tragen Lagerhalter 114, die den Innenring des Drucklagers 116 in einer Vertiefung an gegenüberliegenden Seitenflächen eines Blocks 118 halten. Der Block 118 hat eine Mittelöffnung 120, die von ihrem Mittelpunkt in Richtung auf gegenüberliegende Seiten des Blocks 118 gemäß Fig. 7 schräg verläuft. Die übrigen zwei Seitenflächen des Blocks 118 haben Lagervertiefungen 122, welche Drucklager 124 aufnehmen, die durch Lagerhalter 126 gehalten werden. Die Lagerhalter 126 sind in beabstandeten Armen 128 einer zweiten Gabel montiert, die an der bewegbaren Plattform angebracht ist. Aus Konstruktionsgründen sind die Gabeln um 90° gegeneinander versetzt.

Man erkennt, daß die Jochanordnung 86 eine Drehbewegung um eine Achse durch die Lager 124 und eine Drehbewegung um eine Achse durch die Lager 116 zuläßt. Die Abschrägung der Öffnung 120 nimmt die zuletzt genannte Drehbewegung auf. Ferner beschränkt die obere Jochanordnung 86 die Drehung der Kugelrollspindel- Mutter um ihre Achse in bezug auf die obere Jochanordnung 86. Der Aufbau und die Funktion der feststehenden Plattformjochanordnung 80 sind gleich wie die für die bewegbare Plattformjochanordnung 86. Wenn man die Jochanordnung an Stellen entlang der Länge der angetriebenen Beine anbringt, und nicht an den Enden, dann führt das zu einer wesentlichen Vergrößerung im Verhältnis der Maximaldistanz zur Minimaldistanz zwischen den Jochanordnungen, wenn das Bein bewegt wird.

Ein erster Annäherungsschalter 130 ist in dem Mutterrohr 82 in der Nähe des Kugelkäfigs angebracht. Ein zweiter Annäherungsschalter 132 ist in der Nähe des Endes des Schutzrohrs 108 montiert. Die Annäherungsschalter 130 und 132 dienen dazu, die Bewegung zu unterbrechen, wenn die Spindel 78 die Grenzen ihrer zulässigen Bewegung erreicht. Das heißt, wenn das Ende der Spindel 78 den Annäherungsschalter 132 schaltet, dann ist das ausfahrbare Bein auf seinen vorgegebenen Bewegungsspielraum verkürzt. Der in Fig. 5 dargestellte Zustand ist der in der Nähe dieser verkürzten Bewegung. Wenn andererseits das Ende der Spindel 78 den Annäherungsschalter 130 betätigt, dann erfolgt das, wenn das angetriebene Bein auf seine maximal gewünschte Länge ausgefahren ist. In beiden Fällen begrenzen die Annäherungsschalter 130 und 132 die fortgesetzte Aktivierung des Motors 88.

Ein Gegengewicht 28 kann auch auf verschiedene Art gebildet werden, um das Gewicht des Raumgerüsts 14 gegenüber dem Raumgerüst 12 auszugleichen. In einer Ausführung ist das Gegengewicht 28 eine Gasfeder gemäß Fig. 8. Ein äußerer Zylinder 136 ist am Befestigungsbereich 68 angebracht und umfaßt eine Führung 138, in der er verschiebbar sitzt. Die Führung 138 ist an eine Stange 140 angeschlossen, die durch ein Lager 142 mit einer Dichtung 144 verschiebbar ist. Die Dichtung 144 schließt ein Fluid ein, zweckmäßigerweise ein Druckgas wie Stickstoff, und zwar im Inneren des Außenzylinders 136.

Die Führung 138 hat eine große Öffnung 146, die sich in Längsrichtung hindurcherstreckt, um eine Bewegung von Zylinder 136 und Stange 140 zu gestatten. Im Grunde erleichtert die Führung 138 die Bewegung der Stange 140 durch den Zylinder 136, so daß das Gegengewicht 28 als Gasfeder arbeiten kann. Wenn die Stange 140 weiter in den Zylinder 136 durch eine Bewegung des Raumgerüsts 12 gegenüber dem Raumgerüst 14 gedrückt wird, nimmt das Innenvolumen des Zylinders 136 ab und das Gas wird stärker unter Druck gesetzt. Dieser zusätzliche Druck drückt die Stange 140 in entgegengesetzte Richtung, was eine Federwirkung zur Folge hat.

Die Stange 140 ist an der Basis 16 durch einen Bügel 148 befestigt, der am entfernten Ende der Stange 140 angebracht ist. Der Bügel 148 ist zweckmäßigerweise an einem Fortsatz 150 angebracht, der an der Basis 16 vorgesehen ist. Der Bügel 148 ist gemäß Fig. 2 durch einen Stift 152 am Fortsatz 150 schwenkbar befestigt.

Durch Steuerung des Ausfahrens oder Zurückziehens jedes Beins 25 können die Spindel 22 und das Schneidwerkzeug auf einem vorgegebenen Weg in bezug auf das Werkstück bewegt werden. Die sechs Beine haben mindestens sechs Achsen X, Y, Z, A, B, C, entlang derer das Schneidwerkzeug bewegt werden kann. Die Bewegung der Beine und des Schneidwerkzeugs wird typischerweise von einem Computer gesteuert, der Steuerungsbefehle an das Schneidwerkzeug und das Werkstück liefert, die den Koordinaten X, Y, Z, A, B und C entsprechen. Zur Steuerung der Werkzeugmaschine 10 kann das folgende Verfahren verwendet werden. Die Schritte sind in logischer Folge angeordnet und lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • A) Initialisierung der gegenwärtigen Maschinenkoordinaten X, Y, Z, A, B, C
  • B) Für jedes der sechs Beine:
    • A) Initialisieren der oberen und unteren Schwenkvektorkoordinaten.
    • B) Berechnen und Initialisieren der gegenwärtigen Beinlänge.
    • C) Definieren der Grundposition für X, Y, Z, A, B, C für die gegenwärtige Beinlänge.
  • C) Einstellen der Sub-Blockzeit (typischerweise 0,02-0,004 Sekunden) auf eine hinreichend kurze Zeit, die die gewünschte Linearität und Genauigkeit der Bewegung ergibt.
  • D) Für jedes Teilprogramm:
    • A) Für jeden Block:
      • 1. Lesen der Maschinenkoordinaten der Bestimmungsorte X, Y, Z, A, B, C und die Zuführrate aus dem Unterprogramm.
      • 2. Lesen der Zuführrate und der Sub-Blockzeit, Berechnen der Anzahl der Sub-Blöcke, die erforderlich sind, um den Blockort zu erreichen.
      • 3. Für jeden Sub-Block:
      • 4. Für jede der sechs Koordinaten:
      • 5. Gegenwärtiger Wert ist gleich Endwert des vorhergehenden Sub-Blocks.
      • 6. Endwert = (Destinationswert minus gegenwärtigem Wert) geteilt durch Anzahl der verbleibenden Sub-Blöcke plus gegenwärtiger Wert.
      • 7. Verwenden des Endwerts der sechs Koordinaten und Bilden eines Sub-Block-Endvektors.
      • 8. Für jedes Bein:
      • 9. Drehen des oberen Schwenkvektors in die Endwinkel für den gegenwärtigen Sub-Block.
      • 10. Addieren eines Sub-Block-Endvektors zu dem Resultat.
      • 11. Subtrahieren des Bodenschwenkvektors von dem Resultat.
      • 12. Berechnen der Beinendlänge durch Ziehen der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Koordinaten des Resultats aus dem Schritt (c). (3).
      • 13. Umwandeln der Beinendlänge auf die nächste ganze Servopositionsbefehlzählung.
      • 14. Senden der Positionszählung an einen Servobefehlpuffer.
      • 15. Berechnen der Beingeschwindigkeit, die erforderlich ist, um eine neue Beinlänge in einer Sub-Block-Zeit zu erreichen.
      • 16. Umwandeln der Beingeschwindigkeit in die nächste ganzzahlige Servobefehlszählung.
      • 17. Senden der Geschwindigkeitszählung an den Servobefehlpuffer.
      • 18. Senden des Sub-Block-Startbefehls gleichzeitig an alle Beinservomotoren.
    • B) Ein Block ist fertig, wenn keine Sub-Blöcke verbleiben.
  • E) Die Aufgabe ist fertig, wenn keine Blöcke in dem Teilprogramm verbleiben.

Das Initialisieren der gegenwärtigen Maschine ist ein Prozeß, der bei Werkzeugmaschinen als Gradieren (gridding) bezeichnet wird. Dabei wird eine Ausgangsposition festgelegt, in der die Werkzeugspitze und der Mittelpunkt des Werkstückwürfels zusammenfallen.

Ein oberer Schwenkvektor ist der Vektor der Werkzeugspitze in bezug auf einen oberen Schwenkpunkt für ein bestimmtes Bein. Ein unterer Schwenkvektor ist der Vektor des Mittelpunkts des Werkstück-Würfels in bezug auf einen unteren Schwenkpunkt für ein bestimmtes Bein. Die oberen Schwenkvektoren haben eine unveränderliche Länge, können sich jedoch um die Koordinaten A, B und C drehen.


Anspruch[de]
  1. 1. Fachwerkanordnung für eine Werkzeugmaschine (10), die verschiedene Bearbeitungen an einem Werkstück vornehmen kann,

    mit einer ersten Werkzeugmaschinenkomponente (18), die entweder mit dem Werkstück oder einem Werkzeug zusammenarbeitet;

    mit einem ersten Raumgerüst (12), das eine Gruppe erster Haltestreben (30) besitzt, die mit der Werkzeugmaschinenkomponente (18) starr verbunden sind, sich von dieser nach außen erstrecken und an einer Anzahl von ersten äußeren Verbindungsbereichen (32) enden;

    mit einer Gruppe von ersten Stützstreben (36, 38, 42), von denen sich zumindest einige von den äußeren Verbindungsbereichen (32) erstrecken, wobei die Stützstreben (36, 38, 42) miteinander verbunden sind, um Kräften entgegenzuwirken, die auf die Werkzeugmaschinenkomponente einwirken, ohne daß eine merkbare Biegung der Haltestreben (30) oder der Stützstreben (36, 38, 42) erfolgt;

    mit einer zweiten Werkzeugmaschinenkomponente (20), die mit dem anderen von dem Werkstück oder dem Werkzeug zusammenarbeitet;

    mit einem zweiten Raumgerüst (14), das an der zweiten Werkzeugmaschinenkomponente (20) starr befestigt ist; und

    mit einer Betätigungsvorrichtung (24), die das zweite Raumgerüst (14) mit dem ersten Raumgerüst (12) verbindet, um das erste Raumgerüst (12) in bezug auf das zweite Raumgerüst (14) auf einem vorgegebenen Pfad zu bewegen.
  2. 2. Fachwerkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung (24) sechs ausfahrbare Beine (26) umfaßt, die zwischen ersten Raumgerüst (12) und dem zweiten Raumgerüst (14) angeschlossen sind.
  3. 3. Fachwerkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Raumgerüst (14) aufweist:

    eine Gruppe von zweiten Haltestreben (48), die starr an die zweite Werkzeugmaschinenkomponente (20) angeschlossen sind und sich von dieser nach außen erstrecken und in einer Anzahl zweiter, äußerer Anschlußbereiche (50) enden; und

    eine Gruppe von zweiten Stützstreben (54, 56, 60), von denen zumindest einige sich von den zweiten, äußeren Anschlußbereichen (50) erstrecken, wobei die zweiten Stützstreben (54, 56, 60) untereinander verbunden sind, um Kräfte aufzunehmen, die auf die zweite Werkzeugmaschinenkomponente (20) einwirken, ohne daß ein merkbares Verbiegen der zweiten Haltestreben (48) oder der zweiten Stützstreben (54, 56, 60) erfolgt.
  4. 4. Fachwerkanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung (24) eine Anzahl von ausfahrbaren Beinen (26) umfaßt, die zwischen ersten äußeren Verbindungsbereichen (32) und bestimmten zweiten äußeren Anschlußbereichen (50) angeschlossen sind.
  5. 5. Fachwerkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Werkzeugmaschinenkomponente (18) einen Werkstückhalter und die zweite Werkzeugmaschinenkomponente (20) eine Spindel (22) zum Halten eines Werkzeugs aufweist, oder umgekehrt.
  6. 6. Fachwerkanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten äußeren Verbindungsbereiche (32) Kardangelenkgehäuse (34) aufweisen, an denen die ersten Haltestreben (30) und die ersten Stützstreben (36, 38) angebracht sind, wobei die zweiten äußeren Anschlußbereiche (50) Kardangelenkgehäuse (52) aufweisen, an denen die zweiten Haltestreben (48) und die zweiten Stützstreben (54, 56) angebracht sind, wobei jedes ausfahrbare Bein (26) an ein Paar Kardangelenke (76) angeschlossen ist, wobei ein Kardangelenk in einem entsprechenden Gehäuse (34) der ersten äußeren Verbindungsbereiche (32) und das andere Kardangelenk des Paares in einem entsprechenden Gehäuse (52) der zweiten äußeren Anschlußbereiche (50) angebracht ist.
  7. 7. Fachwerkanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Basis (16), die an der ersten Werkzeugmaschinenkomponente (18) angebracht ist; und durch mindestens ein Gegengewicht (28), das zwischen der Basis (16) und dem zweiten Raumgerüst (14) angeschlossen ist.
  8. 8. Fachwerkanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Streben (30, 36, 38, 42, 48, 54, 56, 60) hohl ist.
  9. 9. Fachwerkanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungs-/Anschlußbereiche (32, 40, 50, 58) und die Anzahl der Streben (30, 36, 38, 42, 48, 54, 56, 60) in Dreiecksmustern angeordnet sind, wobei jedes Dreiecksmuster drei miteinander verbundene Streben umfaßt.






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