DE102006011551A1

DE102006011551A1 - Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102006011551A1
Application number: DE102006011551A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Braun; Thomas Bader; Tim Kern; Winfried Geiger; Harald Holzer
Original assignee: Haas Schleifmaschinen GmbH
Current assignee: Haas Schleifmaschinen GmbH
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-13
Also published as: US20070212977A1; ATE410262T1; EP1832383A2; EP1832383A3; ES2314953T3; EP1832383B1; DE502007000150D1

Abstract

Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken (22), mit drei zueinander orthogonalen NC-gesteuerten linearen Achsen, nämlich einer horizontalen X-Achse, einer horizontalen Y-Achse und einer vertikalen Z-Achse, mit einem Maschinenbett (10), welches in der X-Achse beabstandet zwei vertikal nach oben gerichtete Seitenwangen (12) aufweist, mit einer oben an den Seitenwangen (12) in der Y-Achse geführt verfahrbaren Brücke (28), mit einem in Bezug auf die Seitenwangen (12) mittig in der Brücke (28) angeordneten Z-Schlitten, der in der Z-Achse verfahrbar ist und eine Werkzeugspindel (46) trägt, mit einer auf dem Maschinenbett (10) angeordneten X-Führungseinheit (14), mit einer auf der X-Führungseinheit verfahrbaren Werkstückträgereinrichtung (16, 18, 20) und mit einer an der Werkzeugspindel (46) angeordneten Werkzeugaufnahme.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken mit drei zueinander orthogonalen NC-gesteuerten linearen Achsen.
Für die Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere für die Feinbearbeitung in Schleifmaschinen, wird der Form der zu bearbeitenden Werkstücke durch die Anzahl und Anordnung der geregelt steuerbaren Achsen Rechnung getragen. Für das Rundschleifen rotationssymmetrischer Werkstücke sind analog zu den einfachen Drehmaschinen zwei lineare Achsen ausreichend, die zusammen mit einer rotativen Achse des Werkstückes und der rotierenden Werkzeugspindel rotationssymmetrische Konturen erzeugen können. Für die Bearbeitung, insbesondere die Schleifbearbeitung von Werkstücken, die nicht rotationssymmetrisch zur Mittelachse des Werkstückes ausgebildet sind, werden in der Regel Werkzeugmaschinen eingesetzt, die drei zueinander orthogonale lineare Achsen aufweisen, die die Werkzeugspindel räumlich relativ zum Werkstück positionieren, und zwei rotative Achsen, die die Position des Werkzeuges, insbesondere des Schleifwerkzeuges, am Werkzeugeingriffspunkt in zwei weiteren Anstellwinkeln bezüglich des Werkstückes bestimmen. In besonderen Fällen wird zur Herstellung von Freiformflächen aus Gründen der Erreichbarkeit der Bearbeitungsstelle mit den Hauptachsen der Werkzeugmaschine zusätzlich eine dritte rotative Achse verwendet.
Der technische Aufwand beim Aufbau einer solchen Werkzeugmaschine wächst mit der Anzahl der während der Bearbeitung miteinander zusammenwirkenden Achsen. Die linearen Achsen müssen in ihrer gegenseitigen Orthogonalität und die rotativen Achsen in ihrer Achslage bezüglich der linearen Achsen mit höchster Präzision ausgerichtet sein. Eine solche Präzision kann bei dem Bau und der Einstellung der Maschine mit den notwendigen Toleranzen eingehalten werden. Schwieriger sind jedoch solche Abweichungen beherrschbar, die bei dem Betrieb der Werkzeugmaschine auftreten. Solche Abweichungen können thermisch durch unterschiedliche Erwärmung einzelner Bereiche der Maschine und auch durch Deformationen unter dem Einfluss unterschiedlicher Werkstückgewichte oder Bearbeitungskräfte verursacht werden. Solche Fehler können nur näherungsweise durch Messung und Korrektur kompensiert werden. Dies führt zu umso besseren Ergebnissen, je weniger Achsen von den betriebsbedingten Einflüssen betroffen sind. Insbesondere ist eine solche Kompensation dann möglich, wenn stets die gleichen Werkstücke bearbeitet werden. Bei einer größeren Anzahl von Achsen und einer universellen Anwendung für unterschiedliche Werkstücke ist eine solche Fehlerkorrektur kaum durchführbar.

Bei den bekannten Werkzeugmaschinen sind in der Regel der Werkstückträger und der Werkzeugträger einseitig und außermittig durch einen Maschinenständer miteinander verbunden. Ein solcher Ständer reagiert auf eine einseitige Erwärmung oder auf eine Belastung grundsätzlich mit einer Verbiegung. Diese Situation ist bei Portalmaschinen, z.B. bei Gantry-Maschinen dadurch günstiger, dass sich die Ständeranordnung beidseitig des Bearbeitungsraumes und symmetrisch zu einer Ausdehnung der Maschine befindet. Dabei liegen alle drei linearen Achsen in einer die Werkzeugspindel tragenden Brücke. Diese Brücke wird zwar symmetrisch beiderseits der Bearbeitungsstelle abgestützt, die Werkzeugspindel ist jedoch in der Brücke zwischen den Abstützungspunkten verfahrbar, so dass hierdurch wiederum asymmetrische Gewichtskräfte und Bearbeitungskräfte entstehen können. Auch eine asymmetrische thermische Belastung der Brücke kann nicht ausgeschlossen werden.

Aus der DE 42 12 175 A1 ist eine Drehmaschine bekannt, bei welcher ein Maschinenbett zwei in der X-Achse beabstandete vertikal nach oben gerichtete Seitenwangen aufweist, auf welchen eine Brücke in der Y-Achse verfahrbar ist. An dieser Brücke ist mittels eines Kreuzschlittens die Werkstückspindel in der horizontalen X-Achse und der vertikalen Z-Achse verfahrbar. Das Werkzeug ist ortsfest am Maschinenbett angeordnet. Das Gewicht der Werkstückspindel und des Werkstückes sowie die Bearbeitungskräfte wirken an der Brücke in der Y-Richtung asymmetrisch an und ihr Angriffspunkt an der Brücke verlagert sich in der X-Richtung während des Bearbeitungsvorganges.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken zu schaffen, bei welcher Bearbeitungsfehler durch thermische Einflüsse und/oder Gewichtskräfte und Bearbeitungskräfte während des Betriebs der Maschine minimiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken ist vorzugsweise als Schleifmaschine ausgebildet.

Um Fehler verursachende Verformungen durch thermische Einflüsse und durch Gewichtskräfte und Bearbeitungskräfte minimal zu halten, ist bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine darauf Wert gelegt, dass sowohl der Aufbau der Werkzeugmaschine als auch die während des Betriebs auftretenden Kräfte möglichst mittensymmetrisch ausgebildet sind. Die Werkzeugspindel ist an einer Brücke angeordnet, die in der Y-Achse verfahrbar ist. In dieser Brücke ist die Werkzeugspindel bezüglich der X-Achse mittensymmetrisch angeordnet. In der X-Achse ist die Werkzeugspindel nicht verfahrbar, so dass sie stets in dieser mittigen Anordnung in der Brücke verbleibt. Die X-Achse für die Bearbeitung ist als Werkstück-Trägerachse ausgebildet und auf dem Maschinenbett angeordnet, auf welchem die X-Führungseinheit für die Werkstückträgereinrichtung massiv unterstützt wird, so dass Werkstückgewicht und auf das Werkstück einwirkende Bearbeitungskräfte zu keiner Verformung führen.

In einer vorteilhaften Ausführung sind in den Seitenwangen des Maschinenbettes Durchbrüche vorgesehen, durch welche die auf dem Maschinenbett angeordnete X-Führung hindurch geführt ist. Dadurch ist es möglich, einen großen Verfahrweg in der X-Achse z.B. für in dieser Achse langgestreckte Werkstücke zur Verfügung zu stellen, ohne dass der lichte Abstand in X-Richtung für die die Brücke tragenden Y-Führungen entsprechend vergrößert werden müsste. Die Abstützung der oben auf den Seitenwangen fahrenden Massen der Brücke und der Werkzeugspindel verteilt sich dabei mittensymmetrisch auf vier Säulen, nämlich jeweils die beiderseits des Durchbruchs verbleibenden zwei Säulen jeder Seitenwange. Ohne den Maschinenaufbau ändern zu müssen, können bei dieser Ausführung die Maschinenabmessungen in der X-Achse entsprechend der jeweiligen Bearbeitungsaufgabe verlängert werden.

Um auch die Abstützung der Brücke in ihrer Y-Verfahrrichtung nicht asymmetrisch zu belasten, ist vorzugsweise der Z-Schlitten, der die Werkzeugspindel trägt, in Bezug auf diese Y-Achse mittig in der Brücke angeordnet. Dadurch treten unabhängig von dem Gewicht der Werkzeugspindel und von den auf die Werkzeugspindel wirkenden Bearbeitungskräften keine Kippmomente auf die Brücke und ihre Y-Führung auf.

Wird die Werkzeugmaschine zusätzlich zu den drei orthogonalen linearen Achsen noch mit rotativen Achsen ausgestattet, wie dies insbesondere für universell einsetzbare Schleifmaschinen vorteilhaft ist, so werden auch diese rotativen Achsen so angeordnet, dass diese die gesamte Mittensymmetrie der Werkzeugmaschine möglichst wenig beeinträchtigen.

Um Werkstücke bearbeiten zu können, die zumindest teilweise rotationssymmetrisch sind und die ggf. in dieser Rotationsachse langgestreckt sind, ist vorzugsweise eine rotative Achse, die sogenannte A-Achse mit der X-Achse zusammenfallend ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Werkstück in der Werkstückspanneinrichtung um diese mit der linearen X-Achse zusammenfallende A-Achse drehbar ist. Die jeweils zu bearbeitende Stelle des Werkstückes kann mittels der A-Achse dem bearbeitenden Werkzeug zugedreht werden. Die Positionierung des Werkstückes in der X-Achse gewährleistet dabei, dass diese Bearbeitungsstelle stets mittig in der Maschine zwischen den Seitenwangen positioniert wird.

Eine weitere rotative Achse, die sogenannte C-Achse, wird zweckmäßig mit der vertikalen Z-Achse zusammenfallend ausgebildet. Die Werkzeugspindel kann mit ihrer die Z-Achse schneidenden Achse um diese C-Achse gedreht werden, um den Anstellwinkel des Werkzeuges bezüglich des Werkstückes gesteuert einzustellen.

In einer Ausführung ist hierzu der Z-Schlitten in der Brücke vertikal verfahrbar gelagert. An dem unteren Ende des Z-Schlittens ist die Werkzeugspindel um die vertikale C-Achse drehbar gelagert. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Lagerung des Z-Schlittens in der Brücke und die rotierbare Lagerung der Werkzeugspindel an dem Z-Schlitten konstruktiv einfach gelöst werden können. Allerdings muss das Gewicht der drehbaren Lagerung der Werkzeugspindel mit dem Z-Schlitten gehoben und gesenkt werden und die drehbare Lagerung der Werkzeugspindel nimmt Platz am unteren Ende des Z-Schlittens innerhalb des zur Verfügung stehenden Bauraumes in Anspruch.

In einer anderen Ausführung ist die drehbare Lagerung der C-Achse nicht zwischen dem Z-Schlitten und der Werkzeugspindel angeordnet, sondern die rotative C-Achse ist in die Brücke integriert und der Z-Schlitten ist in der C-Achse und aus Symmetriegründen vorzugsweise koaxial mittig in der C-Achse vertikal verfahrbar. Die Masse der rotativen C-Achse wird dadurch reduziert, da hierfür kein gesondertes Achsengehäuse erforderlich ist. Die Masse der rotativen C-Achse muss außerdem nicht vertikal bewegt werden. Die Führung und der Antrieb des Z-Schlittens können dabei um die C-Achse mitgedreht werden, so dass die unten an den Z-Schlitten angebaute Werkzeugspindel stets die gleiche relative Lage in Bezug auf den Z-Schlitten beibehält. Eine koaxial verschiebbare drehbare Spindel ist z.B. aus der DE 198 58 667 A1 bekannt.

Eine dritte rotative Achse kann dadurch realisiert werden, dass die Werkzeugspindel um eine horizontale Achse, die sogenannte B-Achse, schwenkbar gelagert ist, die in einer zur Z-Achse orthogonalen Ebene liegt.

Vorzugsweise ist die Werkzeugspindel so an dem Z-Schlitten angeordnet, dass ein in der Werkzeugspindel gespanntes Werkzeug axial mit der Z-Achse und insbesondere mit der rotativen C-Achse fluchtet. Dadurch kann der Anstellwinkel des Werkzeuges in der C-Achse und ggf. in der B-Achse geändert werden, ohne dass die Bearbeitungsstelle, d.h. die Angriffsstelle des Werkzeuges an dem Werkstück aus der mittigen Position in der Maschine wandert.

Vorteilhaft ist es, das Maschinenbett und die Seitenwangen einstückig als Mineralgussbauteile auszubilden. Dadurch ergibt sich ein wesentlich langsamerer und gleichmäßiger Wärmegang und eine hohe Schwingungsdämpfung des Maschinenbettes ist gewährleistet.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Frontansicht der Werkzeugmaschine und
2 eine Seitenansicht im Vertikalschnitt.
In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Werkzeugmaschine gezeigt, die als Schleifmaschine ausgebildet ist.
Die Werkzeugmaschine weist ein Maschinenbett 10 auf, welches sich in der Richtung der X-Achse erstreckt. An den beiden in der X-Richtung voneinander beabstandeten Enden des Maschinenbettes 10 sind jeweils vertikal nach oben gerichtete Seitenwangen 12 angeordnet. Das Maschinenbett 10 und die Seitenwangen 12 sind einstückig als Mineralgussbauteile hergestellt.
Auf der Oberseite des Maschinenbettes 10 ist eine horizontal in der X-Achse verlaufende X-Führungseinheit 14 befestigt, die über ihre gesamte Länge durch das Maschinenbett 10 abgestützt wird. Auf der X-Führungseinheit ist NC-gesteuert in der X- Achse verfahrbar eine Werkstückträgereinrichtung angeordnet. Die Werkstückträgereinrichtung besteht im dargestellten Beispiel aus einem auf der X-Führungseinheit 14 verschiebbar gelagerten Werkstücktisch 16, auf welchem eine Werkstückspanneinheit 18 und ein Reitstock 20 angeordnet sind. Ein Werkstück 22 kann mit in X-Richtung verlaufender Achse in der Werkstückspanneinheit 18 gespannt werden und wird an seinem entgegengesetzten Ende durch den Reitstock abgestützt. Die Werkstückspanneinheit 18 weist einen Drehantrieb, die sogenannte A-Achse auf, durch welchen das Werkstück 22 um seine zur X-Achse parallele Achse NC-gesteuert drehbar ist.
Die beiden Seitenwangen 12 weisen in ihrem an das Maschinenbett 10 anschließenden unteren Bereich jeweils einen Durchbruch 24 auf. Die Durchbrüche 24 fluchten mit der X-Führungseinheit 14 und sind in der zur X-Achse senkrechten horizontalen Y-Richtung symmetrisch zu der X-Führung ausgebildet. Die X-Führungseinheit kann durch die Durchbrüche 24 hindurchragen, so dass auch in X-Richtung langgestreckte Werkstücke 22 in der Werkstückträgereinrichtung aufgenommen und durch die Durchbrüche 24 hindurchgeführt werden können, deren linearer Verfahrweg in der X-Richtung größer ist als der lichte Innenabstand der Seitenwangen 12.
Auf den oberen horizontalen in Y-Richtung verlaufenden Randflächen der Seitenwangen 12 sind Y-Führungen 26 angebracht. Auf diesen Y-Führungen 26 ist in der Y-Achse verfahrbar eine Brücke 28 gelagert. Die Brücke 28 überspannt den Innenraum der Maschine zwischen den Seitenwangen 12 in der X-Richtung und versteift die Seitenwangen 12 an ihren freien oberen Rändern in X-Richtung gegeneinander. Die Brücke 28 ist mittels eines an einer Maschinenrückwand 30 angeordneten Antriebsmotors 32 und einer Spindel 34 in der Y-Achse NC-gesteuert verfahrbar.
Flächenmittig, d.h. sowohl in Bezug auf die X-Richtung als auch in Bezug auf die Y-Richtung mittig in der Brücke 28 ist ein Z-Schlitten 36 vorgesehen. Der Z-Schlitten 36 ist in einer Hülse 38 in der vertikalen Z-Achse geführt. In der Hülse 38 ist der Z-Schlitten mittels eines Antriebsmotors 40 und einer Spindel 42 NC-gesteuert vertikal verfahrbar. Die Hülse 38 ist in der Brücke 28 axial unverschiebbar und um eine vertikale Achse NC-gesteuert drehbar gelagert. Diese vertikale Drehachse der Hülse 38, die sogenannte C-Achse fällt mit der Z-Achse zusammen.
An dem nach unten aus der Hülse 38 und der Brücke 28 herausragenden Ende des Z-Schlittens ist ein radial abstehender Bügel 44 befestigt. An diesem Bügel 44 ist eine Werkzeugspindel 46 über ein Schwenkgelenk 48 schwenkbar gelagert. Die Schwenkachse des Schwenkgelenkes 48 verläuft außermittig zu der Z-Achse bzw. der C-Achse in einer zu der Z-Achse orthogonalen horizontalen Ebene. Die Schwenkachse des Schwenkgelenks 48 bildet eine dritte rotative Achse, die sogenannte B-Achse.
Die Werkzeugspindel 46 wird durch einen koaxialen Spindelmotor 50 angetrieben und weist an ihrem Ende eine Werkzeugaufnahme auf, in welcher ein Werkzeug 52, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Schleifwerkzeug, gespannt werden kann.
Zur Schleifbearbeitung des Werkstückes 22 wird dieses mit der Werkstückträgereinrichtung in der X-Achse positioniert, wobei die jeweils zu bearbeitende Stelle des Werkstückes 22 in der X-Achse mittig zwischen den Seitenwangen 12 positioniert wird. Das bearbeitende Werkzeug 52 wird mittels der Bewegung der Brücke 28 in der Y-Achse und mittels der Bewegung des Z-Schlittens 36 in der Z-Achse zugestellt. Durch Drehung des Werkstückes 22 um die A-Achse wird der zu bearbeitende Umfangsbereich des Werkstückes 22 dem Werkzeug 52 zugekehrt. Durch Drehung der Hülse 38 um die C-Achse wird die Achse der Werkzeugspindel 46 und damit des Werkzeuges 52 in der X-Y-Ebene positioniert. Durch Schwenken der Werkzeugspindel 46 um die B-Achse des Schwenkgelenkes 48 kann weiter der Neigungswinkel der Werkzeugspindel 46 und damit des Werkzeugs 52 in Bezug auf die X-Y-Ebene eingestellt werden. Durch die Anordnung des Schwenkgelenkes 48 und der Befestigung der Werkzeugspindel 46 außerhalb der Z-Achse wird erreicht, dass das Werkzeug 52 und damit die Bearbeitungsstelle an dem Werkstück 22 sich fluchtend in der Z-Achse bzw. der C-Achse befindet, unabhängig von der Rotation der Werkzeugspindel 46 um die C-Achse. Der lichte Abstand der Seitenwangen 12 in der X-Richtung erlaubt eine Drehung der horizontal angeordneten Werkzeugspindel 46 um die C-Achse um 360°.

10: Maschinenbett
12: Seitenwangen
14: X-Führungseinheit
16: Werkstücktisch
18: Werkstückspanneinheit
20: Reitstock
22: Werkstück
24: Durchbruch
26: Y-Führungen
28: Brücke
30: Maschinenrückwand
32: Antriebsmotor
34: Spindel
36: Z-Schlitten
38: Hülse
40: Antriebsmotor
42: Spindel
44: Bügel
46: Werkzeugspindel
48: Schwenkgelenk
50: Spindelmotor
52: Werkzeug.

Claims

Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken (22), mit drei zueinander orthogonalen NC-gesteuerten linearen Achsen, nämlich einer horizontalen X-Achse, einer horizontalen Y-Achse und einer vertikalen Z-Achse, mit einem Maschinenbett (10), welches in der X-Achse beanstandet zwei vertikal nach oben gerichtete Seitenwangen (12) aufweist, mit einer oben an den Seitenwangen (12) in der Y-Achse geführt verfahrbaren Brücke (28), mit einem in Bezug auf die Seitenwangen (12) mittig in der Brücke (28) angeordneten Z-Schlitten, der in der Z-Achse verfahrbar ist und eine Werkzeugspindel (46) trägt, mit einer auf dem Maschinenbett (10) angeordneten X-Führungseinheit (14), mit einer auf der X-Führungseinheit verfahrbaren Werkstückträgereinrichtung (16, 18, 20) und mit einer an der Werkzeugspindel (46) angeordneten Werkzeugaufnahme.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwangen (12) jeweils einen Durchbruch (24) aufweisen, durch welchen die X-Führungseiheit (14) hindurchgeführt ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Z-Schlitten in der Brücke (28) auch in Bezug auf die Y-Achse mittig angeordnet ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der Werkzeugspindel (46) die Z-Achse schneidet und dass die Werkzeugspindel (46) um eine mit der Z-Achse zusammenfallende Achse (C-Achse) NC-gesteuert drehbar ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Z-Schlitten (36) in der Brücke (28) um die C-Achse drehbar gelagert ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugspindel (46) an dem Z-Schlitten (36) um die C-Achse drehbar gelagert ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (22) in der Werkstückträgereinrichtung (16, 18, 20) NC-gesteuert um eine mit der X-Achse zusammenfallende A-Achse drehbar ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugspindel (46) um eine horizontale B-Achse schwenkbar gelagert ist, die in einer zur Z-Achse orthogonalen Ebene liegt.
Werkzeugmaschine nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Werkzeugaufnahme der Werkzeugspindel (46) gespanntes Werkzeug (52) sich im Wesentlichen in der Z-Achse befindet.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Abstand der Seitenwangen (12) in der X-Richtung eine Drehung der Werkzeugspindel um die C-Achse um 360° zulässt.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenbett (10) und die Seitenwangen (12) ein einstückiges Mineralgussbauteil bilden.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine als Schleifmaschine ausgebildet ist.