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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit stabkinematischer Positionierung von Werkzeugen und bzw. oder von Werkstücken für einen Bearbeitungsvorgang, mit einem Maschinenbett und einer Konsole als Werkzeug- oder Werkstückträger, welche über Schlitten, insbesondere über drei Schlitten (U, V, W) und mittels je einem Stabpaar aus parallel zueinander angeordneten Stäben, die paarweise sowohl an jeweils einem Schlitten als auch an der Konsole angelenkt sind, programmgesteuert positionierbar ist.
Neben dem klassischen seriellen, kartesischen Schlittenaufbau dreier überlagerter Werkzeugschlitten ist die Parallelstabkinematik bekannt, auf deren Basis Werkzeugmaschinen konstruiert werden. Aus der DE 196 11 130 A 1 ist ein solches System mit dreieckigem Grundriss, drei vertikalen verfahrbaren Schlitten mit je zwei Stäben und einer dreieckigen Plattform bekannt. Es soll eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erzielt werden, indem die Gelenksangriffspunkte auf der beweglichen Plattform bzw. am Gestell in zwei Ebenen liegen. Ansonsten werden die Gelenke an der beweglichen Plattform gleichmässig an den Aussenflächen von geometrischen Körpern verteilt. Daraus resultiert eine grosse Baugrösse der Maschine.
Eine weitere Besonderheit, jedoch damit auch eine Einschränkung und gleichzeitig Fehlerquelle ergibt die sechsachsige Ausführung der Struktur mit insbesondere längenveränderlichen Streben. In der WO 97/22436 ist eine Vorrichtung zur räumlich gesteuerten Bewegung eines Körpers in drei bis sechs Freiheitsgraden geoffenbart, wobei das Ausführungsbeispiel dort von sechs Schlitten ausgeht, die in drei Bettführungen in der Ebene in einer Achsenrichtung verfahrbar sind.
Über die Literatur hinausgehend zählen zum Stand der Technik bereits einsatzfähige Werkzeugmaschinen, die einen portalähnlichen oder tunnelartige Rahmen mit längsverschiebbaren Schlitten an den Seitenwänden (U-W-Schlitten), sowie mit einem weiteren Schlitten (V-Schlitten) am oberen Rahmenteil zwischen den Seitenwänden aufweisen. Alle Schlitten sind in einer Richtung verschiebbar und tragen jeweils zwei Gelenke (Kardangelenke, Kugelgelenke od. dgl.) für je ein Stäbepaar, weiches am schlittenfernen Ende auf einer gemeinsamen Konsole seitlich bzw. oben angelenkt sind. Die Konsole dient als Werkzeugträger und umfasst beispielsweise eine Bohroder Frässpindel, einschliesslich des Antriebsmotors.
Infolge der Zug- und Schubkräfte in den Stäben, mit den aufzunehmenden Schnittkräften und den hohen Geschwindigkeiten im System, kommt es in der Konsole zu einem unkontrollierten Schwingungsverhalten sowie zu einem stark anisotropen Verhalten der Strebenkräfte (Deformationen, Genauigkeitseinbussen bei den Streben). Damit treten Fehler auf, die die Vorteile der Parallelstabkinematik im Werkzeugmaschinenbau, nämlich hohe Dynamik, hohe Systemsteifigkeit und kostengünstige Konstruktion, wieder aufwiegen.
Die Erfindung zielt darauf ab, diese auf Grund unterschiedlichster Krafteinwirkungen auf die Konsole auftretenden Fehlerquellen zu beseitigen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Verbindungslinie der Anlenkpunkte eines jeden Stabpaares an der Konsole den Schwerpunkt der Konsole durchsetzt, wobei auch die Spindelachse bei einem rotierenden Werkzeug durch den Schwerpunkt führt und wobei die Anlenkpunkte die Gelenksmittelpunkte der als Gabelgelenke, Kugelgelenke oder dergleichen ausgebildeten Gelenke sind. Wenn dieses Kriterium bei der Konstruktion berücksichtigt wird, dann ergibt sich eine Optimierung hinsichtlich des dynamischen Verhaltens im Betrieb und es können Fehler, die andernfalls durch eine Taumelbewegung der Konsole im Zuge der Positionierung der Konsole entstehen, grundsätzlich vermieden werden.
Unter einer Konsole ist im Sinne der Erfindung im Allgemeinen ein Werkzeugträger, z. B. mit einer Bearbeitungsspindel für Bohren und Fräsen, zu verstehen. Es könnte aber auch ein Werkstück durch die Konsole in Position gebracht bzw. manipuliert werden.
Eine konkrete Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Konsole als vorzugsweise kreiszylindrischer Körper ausgebildet ist, der sternförmig im rechten Winkel zueinander Rippen oder dergleichen aufweist, auf weichen die Stäbe durch einander diametral gegenüberliegende Lager angelenkt sind. Wenn ein V-Schlitten in einer horizontalen Ebene, z. B. unterhalb oder oberhalb der Konsole, linear verfahrbar ist, dann greifen die parallel zueinander vom V-Schlitten zur Konsole geführten Stäbe an den horizontal als Lagerböcke beiderseits der Konsole auskragenden Rippen an, wobei die Anlenkpunkte durch den Schwerpunkt der Konsole gehen. Der Schwerpunkt wird von der Konsole, einschliesslich der Spindel bestimmt. Bei Werkzeugen mit unterschiedlicher Masse kann ein Masseausgleich zur Beibehaltung des Konsolenschwerpunktes erfolgen.
Dies gilt auch für die Werkzugschneidenkorrektur, deren Verstellung mit einem Massenausgleich synchro-
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nisierbar ist (Verschieben einer Masse auf der gedachten Spindelachse diesseits oder jenseits des im Idealzustand berechneten Schwerpunktes der Konsole). Die Abstände der Anlenkpunkte eines Paares paralleler Stäbe an der Konsole sollten möglichst gering sein und beispielsweise das Zweibis Dreifache des Spindeldurchmessers betragen. Es ist zweckmässig, wenn die Anlenkpunkte der Stäbe der U- und W-Schlitten an der Konsole in einer Vertikalebene liegen, die die Spindelachse aufnimmt, wobei die Anlenkpunkte je eines Stabpaares in Längsrichtung der Spindelachse versetzt untereinander liegen, sodass die Verbindungslinien jeweils der Anlenkpunkte einander im Schwerpunkt der Konsole schneiden.
Diese Anlenkpunkte sind die Lagermittelpunkte, für Lager, welche auf Rippen als Lagerböcke sitzen. Diese Lager des Stabpaares zu dem U-Schlitten sind entweder seitlich auf aus dem Mittel versetzten Rippen angeordnet, oder sie sitzen unmittelbar auf der Stirnfläche der Rippen, sodass die Lagermittelpunkte jedenfalls genau in der Vertikalebene liegen.
Ebenso können die Anlenkpunkte der Stäbe des V-Schlittens in einer Horizontalebene liegen, die die Spindelachse aufnimmt, wobei die Anlenkpunkte des Stabpaares, in Längsrichtung der Spindelachse gesehen, versetzt zueinander angeordnet sind. Eine spezielle kinematische Möglichkeit der Positionierung der Konsole im Raum ergibt sich dann, wenn der V-Schlitten in seiner Verschieberichtung zweigeteilt und die Teilschlitten (V1, V2) unabhängig voneinander verfahrbar sind, wobei jeder Teilschlitten (V1, V2) mit mindestens einem Stab mit der Konsole verbunden ist und wenn die Anlenkpunkte der Stäbe der Stabpaare des U- und W-Schlittens auf einer vertikalen Achse als Schwenkachse liegen. Damit wird unabhängig von einer Parallelverschiebung der Spindelachse im Raum auch deren Schrägstellung bezüglich Vorschubrichtung der Schlitten möglich.
Ausführungsbeispiele zum Erfindungsgegenstand sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt. Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Anordnung einer Konsole, z. B. eines Werkzeugträgers mit drei Stabpaaren, zu je einem Schlitten in räumlicher Darstellung und Fig. 2 eine ähnliche Ausführungsform mit auf einer Geraden angeordneten Anlenkpunkten von zwei Stabpaaren an der Konsole und mit einem geteilten Schlitten für das dritte Stabpaar.
Gemäss Fig. 1 umfasst eine Werkzeugmaschine drei Schlitten U, V, W, die in den Ebenen 1,2 und 3 in Führungen in einer Richtung verfahrbar sind. Dazu sind bekannte Schlittenantriebe, z. B. mit Linearmotoren, sowie eine elektronische Programmsteuerung vorgesehen. Über Gabelgelenke mit drehbaren Hülsen bzw. Achsen oder Kugelgelenke sind an jedem Schlitten U, V, W jeweils zwei Stäbe 4, 5 ; 6, 7 ; 8,9 angelenkt. Die Stäbe 4 bis 9 sind mit ihren schlittenfernen Endpunkten gelenkig mit einer Konsole 10 verbunden, die im Ausführungsbeispiel ein Antriebsaggregat sowie eine Spindel für ein Bohr- oder Fräswerkzeug trägt. Dies ist durch die Spindelachse 11 symbolisiert.
Die gelenkige Verbindung der Stäbe 4 bis 9 mit der Konsole 10 erfolgt wieder über Gabella- ger oder Kugellager od. dgl., wobei dazu an der Konsole 10 Rippen 12,13 und 14,15 radial auskragend vorgesehen sind. Auf diesen Rippen 12,13 und 14,15 sind die konsolenseitigen Gelenke der Stäbe 4,5 bzw. 6,7 bzw. 8,9 angeordnet. Sie können seitlich links und rechts oder oben an den Rippen 12 bis 15 vorgesehen sein. Auch eine Gelenkanordnung unmittelbar an der Konsole 10 ist möglich. Die zwei Anlenkpunkte jedes Stabpaares 4,5 und 6,7 und 8,9 an der Konsole sind so gewählt, dass die Verbindungslinie derselben durch den Schwerpunkt S der Konsole 10 geht.
Dadurch wird ein neutrales Verhalten der Konsole 10 bei einer äusseren Krafteinwirkung und den daraus resultierenden Zug- und Druckkräfte in den Stäben 4 bis 9 und dies auch bei der Positionierung der Konsole 10 durch das Verschieben der Schlitten U, V, W erreicht. Die Verbindungslinien der paarweisen Anlenkpunkte sind in Fig. 1 strichliert eingezeichnet. Die parallelen Stäbe eines Stabpaares 4, 5 ; 6, 7 ; 8,9) bilden zusammen mit dem zugehörigen Schlitten U, V, W und mit der Konsole 10 ein Parallelogramm.
Eine Alternative zu der üblichen parallelstabkinematischen Positionierung der Konsole 10, jedoch mit der erfindungsgemässen Lage der Anlenkpunkte an der Konsole 10, ist in Fig. 2 wieder schematisch dargestellt. Übereinstimmend mit Fig. 1 sind Schlitten U, V, und V2 sowie W in die Ebenen 1,2, 3 in einer Richtung vor und zurück programmgesteuert verschiebbar. Die Stäbe 4,5 sowie 8,9 verbinden die Schlitten U, W paarweise, während der Schlitten V (Fig. 1) in Schlitten V, und V2 (Fig. 2) geteilt ist, sodass die Stäbe 6 und 7 eine Schwenkung der Konsole 10 erwirken könne, sofern - wie in Fig. 2 dargestellt - die Anlenkpunkte der Stäbe 4,5 und 8,9 auf einer Geraden, nämlich der Schwenkachse 16 liegen. So wie auch bei Fig. 1 gehen die Verbindungslinien der Stäbe-Anlenkpunkte durch den Schwerpunkt S der Konsole 10, ebenso wie auch die Spindelachse 11.
Damit kann ein Werkzeug, z. B. ein Bohrwerkzeug, in der Konsole 10, die als Werkzeugträger
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mit Werkzeugantrieb ausgebildet ist, auch schräggestellt und beliebig im Raum bewegt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Werkzeugmaschine mit stabkinematischer Positionierung von Werkzeugen und bzw. oder von Werkstücken für einen Bearbeitungsvorgang, mit einem Maschinenbett und einer Kon- sole als Werkzeug- oder Werkstückträger, welche über Schlitten, insbesondere über drei
Schlitten (U, V, W) und mittels je einem Stabpaar aus parallel zueinander angeordneten
Stäben, die paarweise sowohl an jeweils einem Schlitten als auch an der Konsole ange- lenkt sind, programmgesteuert positionierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver- bindungslinie der Anlenkpunkte eines jeden Stabpaares (4, 5 ;
6, 7 ; 8,9) an der Konsole (10) den Schwerpunkt (S) der Konsole (10) durchsetzt, wobei auch die Spindelachse (11) bei einem rotierenden Werkzeug durch den Schwerpunkt (5) führt und wobei die Anlenk- punkte die Gelenksmittelpunkte der als Gabelgelenke, Kugelgelenke oder dergleichen ausgebildeten Gelenke sind.