CN108349052A - 具有单侧驱动工件托架的机床 - Google Patents

具有单侧驱动工件托架的机床 Download PDF

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Abstract

该机床(10)具有不对称构造的在三条导轨(17、18、19)上运行的工件定位装置(16)，它包括通过安装的工件托架31连接在一起的两个滑架(20、45)，以便围绕A轴旋转。当第一滑架(20)用于工件托架(31)的纵向和旋转定位时，第二滑架(45)设置成仅用于辅助承重。这导致了具有高定位精度的机械地纤细、重量轻的结构。从而允许高动态载荷能力和由此得到的高加工速度以及特别高的抗振性。

Description

具有单侧驱动工件托架的机床
本发明涉及一种对工件进行加工(特别是形状切割)的机床(Werkzeugmaschine)。
机床通常包括用于移动和定位工件的工件定位装置以及工具承接部分，借助该工具承接部分可以对接收到的工具施加受控的驱动和前进运动。工件定位装置设置为将工件的重量和作用在所述工件上的加工力传递到机床底座(Maschinenbett)上。在此情况下，当要达到高加工精度和质量时，可靠和刚性的工件支架特别重要。参考本文感兴趣的机床的通用基础概念，工件定位装置可以在机床底座上沿水平方向(移动方向)移动。机床的工作主轴可以相对于移动方向水平地以及(另外地)垂直地移动。
从公开文献DE 10 2012 201 736 B3已知一种基于这种概念的机器。该加工机器包括三条水平延伸的导轨，其彼此平行并安装在机床底座上以便水平支撑和引导工件定位装置。三条导轨通过滑架桥接，滑架分别通过两个间隔开的滚动元件旋转滑块(即结果总共通过六个滚动元件旋转滑块)支持在每条导轨上。直线电动机布置在位于外侧的导轨和中央导轨之间。该直线电动机比中央导轨更靠近外侧导轨。芯片通道位于另一外侧导轨和中央导轨之间，在这种情况下工件台的滑架位于所述芯片通道的上方。
在该实施例中，在滑架的线性导轨上给出了静态一致性。
考虑到修改的实施例，直线电动机两侧只布置有两条导轨，而省略了上述芯片通道之外的第三导轨。在该实施例中，工件水平地布置在突出的控制台上并且可以围绕水平枢转轴线枢转。
在该实施例中，由于飞行的单侧轴承的原因，可以预期自由突出的工件支架的最小刚度。
本发明的目的是说明一种避免现有技术缺点的机床。
该目的通过根据权利要求1所述的机床来实现。
根据本发明的机床包括机床底座，该机床底座具有三条水平地沿移动方向彼此平行延伸的导轨。在位于外侧的第一导轨和位于中间的导轨之间布置有线性驱动装置，线性驱动装置驱动第一移动滑架。优选地，后者仅由与线性驱动装置相邻的两条导轨支撑。此外，工件定位装置包括第二移动滑架，第二移动滑架由另一条外侧导轨(第三导轨)支撑。第一和第二移动滑架之间的连接由工件托架提供，该工件托架连接到设置在第一移动滑架上的旋转驱动装置。该旋转驱动装置限定了相对于移动方向横向延伸的水平的枢转轴线A。工件托架也由第二移动滑架枢转地支撑。在第一移动滑架在移动方向(Z方向)上移动期间，借助工件托架带走第二移动滑架。
第二移动滑架设置成垂直地支撑远离驱动器的工件托架末端，以便将重力和加工力注入机床底座。结果可以提高加工精度和加工质量。与此同时实现了纤细机器的概念，在这种情况下工件定位装置的定位驱动器布置成集中在一边。此外，这个概念导致了对工件的良好可及性，特别是考虑到工件更换。第二移动滑架只通过只在一条导轨上运行的工件托架被动地沿水平方向拖动。它可以配置为具有较小的体积，因此不会在工件更换时造成阻碍。
通过省略桥接所有三条导轨的一个滑架，从而没有静态过载。当工件托架和第二移动滑架之间的连接相对于移动方向(水平)比支持方向(垂直)表现出较小的横向刚度时，尤其如此。为了相对于移动方向增加横向弹性，轴承可以表现出轴向自由行程，该轴承用于将工件托架安装到第二移动滑架上。另外或可选地，工件托架可以包括用于连接到径向轴承的部分，所述部分相对于枢转轴线在轴向方向上比在横向方向上表现出较低的刚度。通过采用这个概念，可以将作用在导轨上的不可避免的力减到最小并减小公差规格。
与其他设计相比，引入的机器概念使整个工件定位装置的质量减少达到30％。由此可以实现更大的移动加速度和更大的旋转加速度。另外，受影响的驱动器可能设计得更弱，这反过来减少由于技术特征的重量和费用。
滚动元件旋转滑块优选用于支撑导轨上的两个移动滑架。为此，第一移动滑架优选地在第一和第二导轨上分别包括至少一个，优选两个滚动元件旋转滑块。在俯视图中，它们优选为四边形布置，由此第一移动滑架围绕其垂直轴线刚性地锁定。当启动或减速线性驱动装置时可能产生动态力矩，所述力矩围绕该垂直轴线起作用，因此安全地从第一和第二导轨传送到机床底座。第二移动滑架由第三导轨支撑，例如，只通过一个滚动元件旋转滑块(可选地，还通过这些的其中几个)。该滚动元件旋转滑块配置成吸收重力。
优选地，预张紧滚动元件旋转滑块以便它们在导轨上无间隙地移动。优选地，第一移动滑架的滚动元件旋转滑块的这种预张紧大于第二移动滑架的滚动元件旋转滑块的预张紧。通过较小程度地预张紧第二移动滑架的滚动元件旋转滑块减小了其摩擦力，由此所述后者的滑架可以更准确地跟随被驱动的第一移动滑架的移动。
第二移动滑架可以设置有锁定装置，以便将第二移动滑架不可移动地保持在固定位置。例如，锁定装置可以设置在第二移动滑架的滚动元件旋转滑块的前方或后方，以便将滑架——如果需要的话并且以受控的方式——夹紧在导轨上。可以将这种夹紧装置配置成可通过液压、电气、气动或其它方式驱动。
通过将第二移动滑架固定地锁定，特别是通过将夹紧滑块液压夹紧到导轨上，可以进一步提高工件支架的刚度，因为那样——在工件被加工的同时——也可以吸收沿着导轨的方向的力。与那些情况(特别是其中在Z方向上起作用的反作用力随时间顺序变化，例如振动)相比，这扩大了可以对工件进行的加工操作的范围。
优选地，第一移动滑架在导轨上沿着移动方向具有某支撑宽度，其至少与第一导轨距第二导轨的距离一样大。这种几何构造使得第一移动滑架具有特别好的方向稳定性，从而允许在一侧停靠工件台，并且拖动第二移动滑架，而没有任何精度损失。
工件托架保持在第一移动滑架上，优选通过轴向/径向滚动轴承，轴向/径向滚动轴承在轴向上预拉伸。另一方面，工件托架通过径向轴承保持在第二移动滑架上。由于这个概念，第一移动滑架可以省去第二径向轴承，而其对于工件托架的悬臂支撑是必需的。特别是对于将工件托架连接到第二移动滑架上的情况，所述连接在垂直方向上是刚性的，尤为如此。这通过工件托架与第二移动滑架枢转接头之间的连接以托架的形式实现，该托架相对于枢转轴线A径向延伸。
优选地，线性驱动装置在第一导轨和第二导轨之间偏心地布置。进一步优选地，线性驱动装置比外侧第一导轨更靠近内侧第二导轨。在此情况下，第一移动滑架偏心地驱动。只要线性驱动器相对于工件偏移，第一移动滑架的这种不对称的驱动在其加速或减速过程中减少了围绕其垂直轴线的现有力矩以及由此减少了由导轨吸收的力。
工件托架的第一移动滑架和第二移动滑架的重量和几何构造优选以这样的方式彼此调整，即，在每个加工阶段，有一个作用在第二移动滑架上指向第三移动滑架的力。在此情况下，作用在第二移动滑架上的重力是这样的，即使得在任何加工状态下其不会被相反方向的力克服。
此外，在第一移动滑架加速和减速期间出现的反作用力矩优选地经由第一和第二导轨传递到机床底座。第二移动滑架设置成仅用于承载并因此支撑重量，但不用于吸收加速力和/或加速力矩。然而，如果所述滑架设置有制动装置(夹紧装置)，则它还可以起到将加工力释放到机架中的作用。
本发明的有利实施例的其他细节是说明书、权利要求书或附图的主题。它们在下列附图中示出。
图1是加工机器的示意性透视图；
图2是根据图1的进一步的示意性主视图；
图3是包括导轨和滚动元件旋转滑块的线性导轨的示意性横截面图；
图4是可夹紧滑块的示意性横截面图；
图5是为支撑工件托架而设置的交叉滚子轴承的示意性纵向截面图；
图6是交叉滚子轴承的替代实施例中的轴向/径向滚动轴承的示意性纵向截面图；
图7是用于支撑第二移动滑架的工件托架的轴承单元的示意性纵向截面图；以及
图8是工件定位装置的导轨和滚动元件旋转滑块的示意性俯视图。
图1示出了设置为用于工件的形状切割或其他加工的机床10。为了说明，工件11在图2中用虚线示意表示。机床10包括机床底座12，机床底座12具有基本上水平延伸的部分(Abschnitt)13和从其上向上延伸的部分(Teil)14。向上延伸的部分14设置有用于容纳机床的可旋转驱动的工作主轴15。通过未具体示出的引导和驱动装置，工作主轴15可以在至少一个方向上，优选地在两个方向X和Y上移动，所述方向相对于彼此成直角地延伸，即，水平和垂直地延伸。还可以设置另外的移动选项、翻转、倾斜和枢转选项，还有轴向前进的可能性。
机床底座12的水平部分13承载了工件定位装置16。其目的是为了在Z方向上水平地朝向和远离工作主轴15移动工件11，以及进一步地(至少可选地)围绕水平枢转轴线A旋转工件，所述水平枢转轴线A优选地在横向方向上取向并且将工件保持在特定的角度位置。
为了使工件11能够在Z方向上移动，在机床底座12的部分13之上或其中总共布置三条导轨17、18、19，所述导轨优选布置在共同的平面内。第一导轨17和第二导轨18的彼此距离布置成小于第二导轨18和第三导轨19的彼此距离。所有三条导轨17、18、19优选彼此平行地水平取向。也可以将导轨7、18布置在第一水平面内并且将第三导轨19布置在所述水平面之上。
在第一导轨17和第二导轨18上支撑有第一移动滑架20，以便能够沿着导轨17、18移动。为此，移动滑架20设置有至少两个滚动元件旋转滑块21、22(图2)或者如可以从图8推断的那样有总共四个这样的滚动元件旋转滑块21、22、23、24。它们承载第一移动滑架20并且优选地布置在它的角上以便与移动滑架20一起限定如图8所示的正方形或矩形区域，移动滑架20由虚线表示。
滚动元件旋转滑块21、22、23、24可以采用任何合适的设计。根据图3的示例，其示出配置为滚子旋转滑块的滚动元件旋转滑块21。该滑块包括总共四个滚动元件组(滚子)，在该滚动元件组(滚子)上布置有四条轨道25、26、27、28并且分配有返回轨道。滚动元件旋转滑块21、22、23、24也可以在移动滑架20的整个长度上延伸(或者它们可以布置在移动方向上间隔开的位置上)。在任何情况下，它们在两条导轨17、18中的至少一条上限定出某长度，该长度足以吸收围绕垂直轴线(Hochachse)H(图8)发生的力矩M，以及经由相应的导轨17和/或18将所述力矩排出到机床底座中。
线性驱动装置29设置为驱动所述移动滑架20，所述驱动装置设置为用于在Z方向上(即沿着彼此平行布置的导轨17、18)加速或减速所述移动滑架18，以及进一步地，设置为准确地定位所述滑架，并准确地将其保持在特定的位置。特别地，合适的驱动器为位置控制驱动器，例如在图1、图2中作为示例示出的主轴驱动器30。优选地，这种主轴驱动器布置在导轨17、18之间。从图1和8中可以特别明显地看出，(仅由图8中的点划线表示的)主轴驱动器30是偏心地布置的。该主轴驱动器的点划线标出了主轴的旋转轴线，该主轴布置成离导轨17一定距离，该距离大于离导轨18的距离。结果，加速力F偏心地引入移动滑架20并偏心地从移动滑架20移除。
工件托架31由移动滑架20支撑，从而可绕水平旋转轴线A枢转。工件托架31限定安装表面32，该安装表面32位于旋转轴线A上或略微低于旋转轴线A以便使旋转轴线A延伸穿过工件11。
工件托架31经由轴向/径向滚动轴承33支撑在移动滑架20上，例如，从图5所推断。轴向/径向滚动轴承33可以配置为具有内环34的交叉滚子轴承，该内环34包括用于交叉布置轴承滚子的三角形凹槽。后者具有旋转轴线，该旋转轴线相对于彼此成直角地交替，所述轴线在图5中以点划线表示。相关的外部轴承部分由两个外环35、36组成，两个外环35、36可以通过弹簧37和螺母38相对于彼此张紧。或者，可以设置成如图6中所示的轴承配置。在那里显示的轴向/径向轴承33a包括相对于彼此张紧的径向轴承39和两个轴向轴承40、41。轴向轴承40、41可以相对于彼此弹性地张紧，其借助的方式不再进一步说明。
在远离第一移动滑架20的工件托架31的端部42上(图2)，所述工件托架经由部分(Abschnitt)43连接到枢转轴承44，枢转轴承44相对于轴线A同心地布置。枢转轴承44连接到在导轨19上延伸的第二移动滑架45。为此，设置至少一个滚动元件旋转滑块46(图3和8)。滚动元件旋转滑块46可以以与滚动元件旋转滑块21至24相同的方式配置。然而优选地，例如在滚动元件保持在较低的预应力的条件下，它比后者运行更加平稳。然而，第一移动滑架20的滚动元件旋转滑块22、24与第一移动滑架的滚动元件旋转滑块21、23形成四边形，优选地它们与第二移动滑架45的滚动元件旋转滑块46形成等腰三角形。在此情况下，特别地导轨18、19之间的距离可以大于导轨17、18之间的距离。类似地，导轨18、19彼此的距离可能大于彼此背离的滚动元件旋转滑块22、24的表面之间的距离。根据本发明的配置允许将占据空间的工件容纳在相对较小的机床上，该机床只需要很小的占地面积。
提供滑动滑块或静压轴承而不是滚动元件旋转滑块46是可以的。这样的轴承可以在导轨19的运行轨道和轴承滑块的对应导向表面之间具有狭窄的间隙，所述间隙填充有气态或液态流体。这表示表现出特别低的摩擦力的某个选项，其中第二移动滑架45以特别精确的方式跟随第一移动滑架20。
枢转轴承44是径向轴承，它首先地并最重要地(优选地，然而，排他地)传递径向力。它可以按照图7示意性所示的设计进行配置。特别地，如所描绘的，它可以由两个倾斜滚子轴承或倾斜球轴承47、48组成，倾斜滚子轴承或倾斜球轴承设置成在轴承箱中可旋转地支撑销49。滚动轴承47、48的外圈可以支撑在轴承箱50中，以便可以轴向移动。
另外或可选地，优选地，部分43在相对于轴线A横向的方向上是刚性的，然而沿着轴线A则略微有弹性，即它被制造成刚度较小。第一移动滑架20和第二移动滑架45之间的连接仅通过工件托架31完成，工件托架31包括部分43，以及可选的销49。第二移动滑架45不被驱动。只有第一移动滑架20被驱动。第二移动滑架45仅用作支撑，特别地，用于支撑工件11以及相关的工件托架31的重力FG，其中该重力分配FG分配在两个移动滑架20、45上(F1、F2)。
然而，如有必要，可以静止地锁定移动滑架45。为此，可以将夹紧滑块53安装在滚动元件旋转滑块的前方或后方，该夹紧滑块53可以以可控制的方式阻止。图4示出了关于这个的示例性实施例。在那里示出的夹紧滑块53包括一个，优选两个位置相对的制动滑块51、52，制动滑块保持导轨19夹在它们之间，所述滑块配置为液压活塞，或者滑块也可能配置成连接到这种活塞，以便根据需要而承受压力或被释放。分别用于装载活塞和制动滑块51、52的具有液压油的压力管线，可以延伸穿过工件托架31。可以在枢转轴承44上设置耦合到流体的适当的旋转接头，以便将工件托架31的流体管线连接到滚动元件旋转滑块46。
到目前为止描述的机床10如下操作：
为了加工工件11，将所述工件放置在工件托架31的工件安装表面32上。尽管轴承箱44仅在A轴上略微延伸，但从侧面也可以容易地进入工件安装表面32。适当的搬运装置可以将工件11从Z方向和X方向几乎不受阻碍地运送到工件托架31上并远离工件托架31。
为了加工，移动滑架20移动到期望的加工位置。通过工件托架31，所述滑架沿着第二移动滑架45而承载。优选地，第二移动滑架45以特别低的摩擦运行。为此目的，例如，可以只设置有一个滚动元件旋转滑块46，其可能还会起到降低滚子预应力的作用。从而，第二移动滑架45以精确的方式跟随第一移动滑架20。当达到期望的Z位置时，线性驱动装置29阻止第一移动滑架20继续前进。从而，第二移动滑架45保持在其位置上。工件11的重力分布在两个移动滑架20、45上。
参考具有锁定装置的实施例，假设工件不在Z方向上移动，可以驱动制动滑块51、52，由此则将第二移动滑架45锁定在Z位置。这具有这么一种优势，即在Z方向上也产生力，所述的力(例如，可能是由于工件的加工而造成的)被两个移动滑架20、45吸收并排出到机床底座13中。
在加工过程中，或在各个加工步骤之间，可以借助于未具体描述的枢转装置使工件11围绕A轴枢转。在这种情况下，任何产生的加速力仅被第一移动滑架20吸收并被排出到机床底座13中。与此形成对照，枢转轴承44总是可以自由地旋转。
如果要在Z方向上移动工件11，则通过线性驱动装置29来实现，线性驱动装置29使第一移动滑架20加速并减速。结果可能是产生力矩M，特别是当整个装置的质量中心S(见图8)位于第一移动滑架20的中心之外时，整个装置包括工件定位装置16以及工件11。为了使其最小化，位于内侧的轨道18的线性驱动装置29比位于外侧的导轨17更近。残余的或仍然产生的力M的力矩被滚动元件旋转滑块21-24吸收。与此形成对照，滚动元件旋转滑块26设置成仅承受重量。
机床10包括不对称地构造的工件定位装置16，工件定位装置16在三条导轨17、18、19上运行。它包括两个移动滑架20、45，它们通过工件托架31相互连接，以便可围绕A轴旋转。第一移动滑架20布置成用于工件托架31的纵向和旋转定位，而第二移动滑架45仅设置成用于辅助承重。
这导致了机械地纤细、重量轻的结构，从而表现出高精度定位。高动态载荷能力和高机械加工速度以及特别高的抗振性成为可能。
附图标记列表：

Claims (15)

1.一种特别适用于通过形状切割进行工件加工的机床(10)，
具有机床底座(13)，其上布置有第一、第二和第三导轨，并且因此至少有三条导轨(17，18，19)，这些导轨彼此平行布置，并沿移动方向(Z)水平延伸，
具有工件定位装置(16)，其布置在机床底座(13)上以便在移动方向(Z)上可以移动，
具有线性驱动装置(29)，其布置在第一和第二导轨(17，18)之间，并连接到工件定位装置(16)以便在移动方向(Z)上移动，
其中，工件定位装置(16)包括支撑在第一和第二导轨(17，18)上的第一移动滑架(20)以便可以移动，并包括支撑在第三导轨(19)的第二移动滑架(45)以便可以移动，并且，
其中，工件定位装置(16)，进一步包括被支撑的工件托架(31)以便在第一移动滑架(20)和第二移动滑架(45)之间围绕水平取向的枢转轴线(A)在相对于所述移动方向横向的方向上可旋转地移动。
2.根据权利要求1所述的机床，其特征在于，为了可移动地支撑第一滑架(20)，在第一和第二导轨(17，18)上设置滚动元件旋转滑块(21-24)，以及为了支撑第二移动滑架(45)，在第三导轨(19)上设有至少一个滚动元件旋转滑块(46)。
3.根据权利要求2所述的机床，其特征在于，两个移动滑架(20，45)的每一个滚动元件旋转滑块(21-24，46)是预张紧的，在这种情况下第二移动滑架(45)上的预应力比第一移动滑架(20)上的预应力小。
4.根据以上权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，第二移动滑架(45)受引导，以便在第三导轨(19)上是可锁定的。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的机床，其特征在于，在第二移动滑架(45)的滚动元件旋转滑块(46)的前方或后方设置有夹紧滑块(53)，所述夹紧滑块包括夹紧装置(51，52)，夹紧装置有效地抵靠在导轨(19)上而起作用。
6.根据以上权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，第一移动滑架(20)在移动方向(Z)的导轨(17，18)上显示出支撑宽度，所述支撑宽度至少与第一导轨(17)距第二导轨(18)的距离一样大。
7.根据以上权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，工件托架(31)借助轴向/径向滚动轴承(33，33a)支撑在第一移动滑架(20)上，所述轴向/径向滚动轴承(33，33a)相对于枢转轴线(A)同心地布置。
8.根据权利要求7所述的机床，其特征在于，轴向/径向滚动轴承(33，33a)在枢转轴线(A)的轴向方向上弹性地预张紧。
9.根据以上权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，工件托架(31)借助轴向轴承(44)支撑在第二移动滑架(45)上，所述轴承相对于枢转轴线(A)同心地布置。
10.根据权利要求9所述的机床，其特征在于，轴向轴承(44)与枢转轴线(A)的方向上的轴向间隙相关联。
11.根据权利要求9或10所述的机床，其特征在于，轴向轴承(44)具有两个相对彼此张紧的反向倾斜元件(47，48)。
12.根据以上权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，工件托架(31)具有用于连接轴向轴承(44)的部分(43)，所述部分相对于枢转轴线(A)显示出比相对于其横向较小的刚度。
13.根据以上权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，线性驱动装置(29)偏心地布置在第一导轨(17)和第二导轨(18)之间。
14.根据以上权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，工件定位装置(16)的几何构造和重量相互适应，并且以这样一种方式与产生的加工力相适应，使得在第二移动滑架(45)上的每个加工状态中，存在指向导轨(19)的力(F2)。
15.根据以上权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，工件定位装置(16)的几何构造和重量相互适应，并且以这样一种方式与产生的加速力相适应，使得在每个移动状态中，产生的加速力和加速力矩经由第一和第二导轨(17，18)传送到机床底座(13)，而工件定位装置(16)和工件(11)的重量经由所有三条导轨(17，18，19)传送到机床底座(13)。
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