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Die vorliegende Erfindung betrifft eine CNC-Bearbeitungsmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 2. Sie dient zur computergestützten Bearbeitung von Werkstücken, die aus Holz, aber auch aus Kunststoff, aus Metall oder aus anderen maschinell bearbeitbaren Materialien bestehen. Die Maschine umfasst ein bei der Bearbeitung nicht bewegtes und somit feststehendes Bearbeitungsfeld, auf dem ein zu bearbeitendes Werkstück fixiert werden kann, sowie mindestens eine Bearbeitungseinheit mit zumindest einer Werkzeugspindel, die oberhalb des Bearbeitungsfeldes mit mindestens zwei Freiheitsgraden in zwei senkrecht zueinander und parallel zur Ebene des Bearbeitungsfeldes liegenden Richtungen, die der Längsrichtung und Querrichtung des Bearbeitungsfeldes entsprechen, sowie mit mindestens einem dritten Freiheitsgrad in einer senkrecht dazu verlaufenden dritten Richtung relativ zu dem Bearbeitungsfeld verfahren werden kann. Zur Ausführung der parallel zur Ebene des Bearbeitungsfeldes liegenden Bewegungen ist an dem Bearbeitungsfeld ein Maschinenportal vorgesehen, das in einer ersten Achse relativ zu dem Bearbeitungsfeld hin- und herverfahren werden kann, wobei an dem Portal die Bearbeitungseinheit in einer senkrecht dazu liegenden zweiten Achse hin- und herverfahren werden kann. Die Bewegung in der senkrecht zur Ebene des Bearbeitungsfeldes liegenden Richtung erfolgt durch verfahren der Werkzeugspindel entlang ihrer Drehachse. Auf diese Weise ist die Werkzeugspindel bzw. das darin aufgenommene Werkzeug, etwa ein Fräskopf oder ein Bohrer, in den üblichen drei kartesischen Maschinenachsen verfahrbar.
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Derartige CNC-Maschinen, die insbesondere auch als CNC-Bearbeitungszentrum ausgeführt sein können, sind allgemein bekannt.
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So offenbart die
DE 100 26 069 A1 ein CNC-Bearbeitungszentrum der oben genannten Art, bei dem zum Zwecke der Reduzierung von Nebenzeiten der Spanntisch als sogenannter Wechseltisch ausgeführt ist. Das bedeutet, dass diese Maschine mit mehreren abwechselnd nutzbaren Wechseltischen versehen ist, von denen sich stets ein Wechseltisch in der aktiven Bearbeitungsposition befindet, während die anderen Wechseltische gleichzeitig zur Entnahme der bearbeiteten Werkstücke sowie zur Fixierung der neuen noch zu bearbeitenden Werkstücke in eine Parkposition gebracht sind. Auf diese Weise kann die zur eigentlichen Bearbeitung aufgewendete Hauptzeit der Maschine maximiert werden, ohne die unproduktiven Nebenzeiten reduzieren zu müssen.
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Diese CNC-Maschine ist auf maximale Produktivität bei großen Stückzahlen, nicht aber auf hohe Flexibilität bei kleinen Stückzahlen hinsichtlich Einsatzort und unterschiedlicher Werkstückgrößen ausgelegt. Aufgrund ihrer Größe mit der Mehrzahl von identischen Wechseltischen ist eine leichte Transportabilität weder möglich noch beabsichtigt. Ebenso ist eine nachträgliche Anpassungsmöglichkeit der Wechseltische an ein größeres Werkstück nicht vorgesehen.
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Aus der
EP 1 279 463 B1 ist unabhängig von einer CNC-Anwendung eine Vorrichtung zur Vergrößerung eines Maschinentisches mit einer Tischplatte bekannt, welche an einer Stirnseite über Haltemittel an der ihr gegenüberliegenden Kante des Maschinentisches angebracht werden kann. Diese Vorrichtung wird eingesetzt, um Maschinentische verlängern zu können, wenn besonders lange Werkstücke bearbeitet werden sollen. Da hier der Maschinentisch relativ zu der feststehenden Maschine bewegt wird, ist die Tischverlängerung ohne sich am Boden abstützende Füße ausgeführt, die für diese Maschinenbauform nachteilig sind. Zusammen mit der Maschine stehen hierbei auch die Bearbeitungseinheit sowie die Maschinenantriebe ortsfest, während sich der Maschinentisch relativ dazu bewegt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine CNC-Bearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich bei einfacher Konstruktion und geringen Kosten durch eine hohe Flexibilität sowohl bezüglich der Größe bearbeitbarer Werkstücke als auch bezüglich des Einsatzortes auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine CNC-Bearbeitungsmaschine nach Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch zwei wesentliche Aspekte aus: Der erste Aspekt sieht vor, dass alle zur Ausführung der in der ersten Achse erfolgenden Bewegung des Portals erforderlichen beweglichen Antriebsmittel an dem Portal angeordnet sind und zusammen mit diesem verfahren werden. Zu diesen Antriebsmitteln gehören insbesondere Elektromotoren und alle davon angetriebenen Elemente, etwa Zahnräder, Wellen, Gestänge oder ähnliche Elemente zur Bewegungsübertragung. Der zweite Aspekt besteht wiederum aus zwei Teilaspekten, die alternativ oder zusammen vorgesehen sein können. So ist einerseits vorgesehen, dass das feststehende Bearbeitungsfeld lediglich lösbar mit dem Portal verbunden ist, so dass es leicht von dem Portal und den an dem Portal angeordneten Komponenten der Maschine getrennt und durch ein anderes Bearbeitungsfeld mit anderen Abmessungen ersetzt werden kann. Zusätzlich oder alternativ dazu kann andererseits auch vorgesehen sein, dass an dem Bearbeitungsfeld mindestens eine mechanische Schnittstelle vorgesehen ist, über die zumindest ein weiteres Bearbeitungsfeld an dem feststehenden Bearbeitungsfeld befestigt werden kann.
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Der Hauptvorteil liegt dabei darin, dass das Bearbeitungsfeld in seiner Längsrichtung bzw. in der ersten Achse bei Bedarf durch Anschluss weiterer Bearbeitungsfelder beliebig verlängert und/oder durch ein größeres bzw. längeres Bearbeitungsfeld ersetzt werden kann. In beiden Fällen kann das Maschinenportal dennoch vollständig über die so neu erzeugte Gesamtlänge des feststehenden Bearbeitungsfeldes hin- und her verfahren werden. Die erfindungsgemäße Versetzung der zum Antrieb des Portals erforderlichen Antriebsmittel vom feststehenden Maschinengestell an das bewegliche Portal ermöglicht so im Gegensatz zu den vielfach eingesetzten Antrieben der Maschinenportale über Gewindespindeln mit Kugelumlaufmuttern eine einfache Anpassung der benötigten Größe des Bearbeitungsfeldes an ein Werkstück.
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Im Gegensatz zu den bekannten CNC-Maschinen, die stets eine von der maximalen Bearbeitungsgröße abhängige Maschinengröße und damit einen entsprechenden Platzbedarf aufweisen, kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene CNC-Bearbeitungsmaschine vom Anwender so mit wenigen Handgriffen vergrößert oder verkleinert werden. Deshalb muss der Anwender nicht auch bei der Verarbeitung von kleineren Werkstücken den maximalen Platzbedarf für die Maschine vorhalten, was einen weiteren wesentlichen Vorteil darstellt.
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Außerdem wird hierdurch eine leichte Transportierbarkeit der Maschine geschaffen, da die Grundeinheit mit dem ersten Bearbeitungsfeld relativ klein ausgeführt sein kann und leicht in die zwei Grundkomponenten Bearbeitungsfeld sowie Portal getrennt werden kann. Darüber hinaus können gegebenenfalls zusätzlich benötigte oder alternativ einsetzbare Bearbeitungsfelder leicht separat transportiert werden.
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Gleichzeitig zeichnet sich die erfindungsgemäße CNC-Bearbeitungsmaschine durch eine einfache Konstruktion aus, wodurch sie vergleichsweise kostengünstig gebaut werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Motorelektronik zur Ansteuerung aller zur Ausführung der Bewegung des Portals erforderlichen Antriebsmittel ebenfalls an dem Portal angeordnet ist und zusammen mit diesem verfahren wird. Es reicht dann aus, das Portal lediglich durch zwei Anschlussleitungen einerseits zur Energieversorgung mit dem Netz sowie andererseits zum Erhalt der Bearbeitungsinformationen mit dem CNC-Rechner, etwa einem PC zu verbinden. Auch ist es möglich, die Bearbeitungsinformationen von dem CNC-Rechner per Funk an die Motor-Elektronik auf dem Portal zu senden, so dass in diesem Fall sogar nur eine einzige Anschlussleitung zur Energieversorgung notwendig ist.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bewegung des Portals relativ zum Bearbeitungsfeld mittels eines Zahnstange-Ritzel-Getriebes erzeugt wird, indem ein am Portal gelagertes Zahnrad in eine am Bearbeitungsfeld angeordnete Zahnstange eingreift. Von Vorteil ist dabei insbesondere, dass anders als bei herkömmlichen Gewindestangenantrieben die Zahnstange bei einer Verlängerung des Bearbeitungsfeldes durch Anschluss eines zusätzlichen Bearbeitungsfeldes mit einer daran vorgesehenen Zahnstange ebenfalls leicht verlängert werden kann.
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Eine besonders große Flexibilität der CNC-Bearbeitungsmaschine kann ferner dadurch erzielt werden, dass an dem Portal mindestens eine mechanische Schnittstelle vorgesehen ist, über die ein sich in Richtung der zweiten Achse erstreckendes Verlängerungselement an das Portal angeschlossen werden kann. Auf diese Weise kann das Portal verbreitert und so die Größe des Bearbeitungsfeldes bei Bedarf auch in der Querrichtung bzw. in der zweiten Achse beliebig vergrößert werden.
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Besonders vorteilhaft ist es auch hierbei, wenn alle für die Ausführung der in der zweiten Achse erfolgenden Bewegung der Bearbeitungseinheit am Portal erforderlichen beweglichen Antriebsmittel an der Bearbeitungseinheit bzw. einem damit verbundenen Träger angeordnet sind und zusammen mit dieser relativ zum Portal verfahren werden. Auch diese Anordnung erlaubt eine einfache Anpassbarkeit der benötigten Breite des Bearbeitungsfeldes an ein Werkstück, da die Bearbeitungseinheit in entsprechender Weise leicht über beliebig breite Portale hin und her verfahren werden kann.
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Dabei ist es auch hier hinsichtlich einer einfachen Verlängerbarkeit besonders vorteilhaft, wenn ein Zahnstange-Ritzel-Getriebe eingesetzt wird, um die Bearbeitungseinheit relativ zum Portal zu bewegen.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen dass an oder neben dem feststehenden Bearbeitungsfeld zwei parallel zueinander angeordnete Führungsschienen vorgesehen sind, an denen das Portal entlang der ersten Achse verfahrbar geführt ist. Die an dem feststehenden Bearbeitungsfeld befestigten Führungsschienen sind dabei ebenso wie das Bearbeitungsfeld bei Bedarf beliebig verlängerbar, indem an den zusätzlichen Bearbeitungsfeldern ebenfalls jeweils entsprechende Führungsschienen befestigt sind.
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Eine konstruktiv besonders einfache Ausführungsform wird dabei dadurch erhalten, dass das feststehende Bearbeitungsfeld durch die beiden Führungsschienen und durch diese miteinander verbindende Querstreben gebildet ist. Das so gebildete Bearbeitungsfeld kann als eine auf ein separates Untergestell fixierbare Einheit oder mit eigenen Standbeinen in der Form eines Bearbeitungstisches ausgeführt sein.
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Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn das Bearbeitungsfeld mit verstellbaren Endanschlägen zum Begrenzen der Verfahrbewegung des Portals entlang der ersten Achse versehen ist. Dadurch kann die Maschinensteuerung auch bei einem verlängerten Bearbeitungsfeld leicht die jeweilige Positionierung des Portals an einem Ende des möglichen Verfahrweges erkennen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
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1: eine schematische dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen CNC-Bearbeitungsmaschine in einer ersten Größenkonfiguration;
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2: schematische Seitenansicht der CNC-Bearbeitungsmaschine aus 1;
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3: eine schematische dreidimensionale Darstellung der CNC-Bearbeitungsmaschine aus 1 in einer zweiten Größenkonfiguration mit drei Bearbeitungsfeldern in auseinander gezogenem Zustand;
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4: schematische Seitenansicht der CNC-Bearbeitungsmaschine aus 3;
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5: eine schematische dreidimensionale Darstellung der CNC-Bearbeitungsmaschine aus 1 in einer dritten Größenkonfiguration;
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6: schematische Seitenansicht der CNC-Bearbeitungsmaschine aus 5.
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Die in den Figuren dargestellte CNC-Bearbeitungsmaschine 1 ist in Portalbauweise mit einem Portal 2 ausgeführt, das über einem feststehenden ersten Bearbeitungsfeld 3, auf dem die jeweils zu bearbeitenden Werkstücke fixiert werden, in einer ersten Achse X hin und her verfahrbar ist. An dem Portal 2 ist eine Bearbeitungseinheit 4 mit einer Werkzeugspindel 5 angeordnet, die in Querrichtung entlang einer zweiten Achse Y an dem Portal 2 hin und her verfahren werden kann. Die Werkzeugspindel 5 kann mit einem darin aufgenommenen Werkzeug 6, beispielsweise einem Fräskopf senkrecht zu den beiden Achsen X und Y relativ zu der Bearbeitungseinheit 4 entlang einer dritten Achse Z nach oben und unten verfahren werden. Insofern ist der grundsätzliche Aufbau mit den üblichen drei kartesischen Maschinenachsen X, Y und Z an sich bekannt. Da das Bearbeitungsfeld 3 und somit auch die erste Achse X hier relativ kurz ausgeführt ist, hat die Maschine 1 nur einen sehr geringen Platzbedarf, was insbesondere bei kleineren Betrieben einen entscheidenden Vorteil darstellt.
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Zur Erzeugung einer größtmöglichen Flexibilität bezüglich verschiedener Werkstückgrößen ist aber erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Bearbeitungsfeld 3 als Verbindungsmittel zwei mechanische Schnittstellen 7 aufweist, über die weitere Bearbeitungsfelder 8 mit entsprechend ausgebildeten Schnittstellen an dem ersten feststehenden Bearbeitungsfeld 3 befestigt werden können, wie es schematisch in den 3 und 4 dargestellt ist. Da alle zur Ausführung der in Richtung der Achse X erfolgenden Bewegungen des Portals 2 erforderlichen Antriebsmittel, insbesondere ein Elektromotor und ein davon über ein Getriebe angetriebenes Ritzel, das in eine an den Bearbeitungsfeldern 3 und 8 angeordnete Zahnstange eingreift, an dem Portal 2 angeordnet sind und zusammen mit diesem verfahren werden, kann das Portal 2 auch nach dem Anschluss der beiden zur Vergrößerung hinzugefügten Bearbeitungsfelder 8 problemlos über die gesamte Bearbeitungsfeldgröße hin und her verfahren werden. Dabei signalisieren Endanschläge 9 über an dem Portal 2 angeordnete Kontaktschalter der Antriebssteuerung 10 jeweils das Ende des Verfahrbereichs in der X-Richtung.
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Der hier im Querschnitt L-förmig ausgebildete obere Querbalken 11 des Portals 2 ragt an einer Seite über die Breite des Bearbeitungsfeldes 3 und 8 hinaus, um auch in der Y-Richtung Potential für eine Vergrößerung der Bearbeitungsfelder 3 und 8 zu haben. Alternativ dazu oder zusätzlich kann auch der Querbalken 11 bei Bedarf mit weiteren daran anschließbaren Verlängerungsbalken noch weiter vergrößert werden. Dazu werden die Führungsschienen 12 des Portals 2 an den Bearbeitungsfeldern 3 und 8 entsprechend auseinander gezogen und durch breitere oder längenverstellbare Querstreben neu aneinander fixiert. Der in den Zeichnungen rechte Fuß 13 des Portals 2 wird sodann entsprechend am Querbalken 11 verschoben und in der gewünschten Position erneut fixiert.
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Bei der in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsvariante wird die volle Breite des Querbalkens 11 genutzt, so dass hier auch breitere Wertstücke auf den verbreiterten Bearbeitungsfeldern 3 und 8 bearbeitet werden können.
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In der einfachsten Variante können die Führungsschienen 12 der Bearbeitungsfelder 3 und 8 auf einer geeigneten Unterlage montiert werden. Sie können aber auch mit Querstreben oder Füllflächen als Werkstückunterlage verbunden sein. Ferner können die Führungsschienen 12 auf Grundtischen montiert sein, die bei Bedarf zu der benötigten Maschinengröße zusammengestellt werden können.
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Der Querbalken 11 trägt unter anderen die Antriebssteuerung 10, über deren Elektronik die Elektromotoren zum Antrieb in den drei Achsen X, Y und Z angesteuert werden. Abgesehen von dem CNC-Computer, der das für ein bestimmtes Werkstück abzuarbeitende Programm enthält, befinden sich somit alle für die Ansteuerung erforderlichen Elemente auf dem beweglichen Teil 2 und nicht im feststehenden Chassis 3, 8 der CNC-Maschine 1. Für die Steuerung ist daher neben dem Netzanschluss lediglich noch ein Computeranschluss erforderlich.
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Die erfindungsgemäße CNC-Bearbeitungsmaschine 1 ist aufgrund ihrer Herstellung in Einzelkomponenten in ihrer Größe flexibel an verschiedene Einsatzbedingungen anpassbar, und leicht in die Einzelkomponenten zerlegbar und daher einfach zu transportieren. Dabei können die einzelnen Komponenten so untereinander ausgetauscht bzw. in Beziehung zueinander gesetzt werden, dass sich die Maschine mit wenigen Handgriffen in ihre Einzelkomponenten zerlegen oder je nach Bedarf vom Kleinformat zum Großformat verändern lässt.
