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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Präzisionswerkzeugmaschine,
insbesondere eine Fünf-Achsen-Bewegungssteuerungs-Präzisionswerkzeugmaschine.
Genauer gesagt, betrifft diese Erfindung eine Präzisionswerkzeugmaschine
zur Bearbeitung von Werkstücken mit Strukturen im Mikrometerbereich,
oder welche derart aufgebaut sind, dass sie gekrümmte Flächen
im Mikrometerbereich aufweisen, mit einer Oberflächenrauheit
im Nanometerbereich.
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STAND DER TECHNIK
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Präzisionsteile
oder Präzisionsvorrichtungen wie etwa Lichtführungsleisten,
Mikronadel-Anordnungen, Mikro-Strömungskanäle,
Mikro-Prisma-Retroreflektoren, Linsenanordnungen usw. werden in den
Gebieten Optik, Biotechnologie, Elektronik, Mechatronik usw. verwendet.
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Diese
Präzisionsteile setzen sich aus Strukturen im Mikrometerbereich
zusammen oder sind derart aufgebaut, dass sie gekrümmte
Flächen im Mikrometerbereich aufweisen, welche eine Oberflächenrauheit
im Nanometerbereich haben müssen. Die meisten dieser Teile
werden hergestellt durch Gießen von Kunststoff oder Glas,
so dass Formen für die Massenproduktion dieser Teile erforderlich
sind.
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Die
Bearbeitung solcher Formen erfordert eine Präzisionswerkzeugmaschine,
die derart gesteuert ist, dass ein Werkzeug oder Werkstück
mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich ausgerichtet werden kann.
In der Präzisionswerkzeugmaschine, die in dem
US-Patent 6,870,286 beschrieben wird, wird
ein Tisch oder ein Bearbeitungskopf berührungslos durch
Linearmotoren und aerostatische Lager angetrieben, während
die Position des Tisches oder des Bearbeitungskopfes durch einen
berührungslosen Messaufnehmer festgestellt wird. Ferner ist
ein Paar von Linearmotoren in Positionen symmetrisch um das Zentrum
des Tisches oder des Bearbeitungskopfes angeordnet, und der Tisch
oder der Bearbeitungskopf wird in äquidistanten Positionen
von dem Schwerpunkt angetrieben, so dass eine Bearbeitungsgenauigkeiten
im Nanometerbereich erreicht wird.
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Der
Tisch oder der Bearbeitungskopf ist jedoch asymmetrisch um den Bearbeitungspunkt
in der Werkzeugmaschine aus dem oben genannten US-Patent angeordnet,
so dass die Gefahr besteht, dass Bearbeitungsfehler aufgrund einer
thermischen Verschiebung des Tisches oder des Bearbeitungskopfes
auftreten. Ferner ist die Länge der Kraftschleife zwischen
dem Werkzeug und dem Werkstück lang, da der Bearbeitungskopf
auf der Säule mit einem Überhang gelagert ist,
so dass eine elastische Verformung sich in jedem Bereich konzentriert
und Bewegungsfehler zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück
auftreten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Fünf-Achsen-bewegungsgesteuerten
Präzisionswerkzeugmaschine, in welcher größere
Bereiche als vollständig symmetrischer Aufbau um den Bearbeitungspunkt
herum angeordnet sind, so dass Fehler aufgrund thermischer Verschiebungen minimiert
werden.
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Es
ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine Fünf-Achsen-bewegungsgesteuerte
Präzisionsbearbeitungsmaschine zu schaffen, in welcher
ein Antrieb für alle fünf Achsen in Positionen
mit gleichem Abstand vom Schwerpunkt der Schlitten erfolgt, so dass Fehler
in der Ausrichtung oder Schwingungen vermieden werden. Noch ein
weiteres Ziel dieser Erfindung ist die Schaffung einer Fünf-Achsen-bewegungsgesteuerten
Präzisionswerkzeugmaschine, in welcher die Länge
der Kraftschleife zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück
verkürzt wird, so dass der Einfluss der elastischen Verformung
jedes Bereichs minimiert wird.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer
Fünf-Achsen-bewegungsgesteuerten Präzisionswerkzeugmaschine,
in welcher die Motoren, die auch als Wärmequellen wirken,
von dem Schneidbereich getrennt werden und in gleich verteilten
Positionen angeordnet sind, so dass die thermische Verformung gleichmäßig
erfolgt und Fehler aufgrund thermischer Verschiebung minimiert werden.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer
Fünf-Achsen-bewegungsgesteuerten Präzisionswerkzeugmaschine,
in welcher die Basis des Bearbeitungswerkzeugs durch eine Schwingungsisolationsstruktur
gelagert wird, so dass der Einfluss von Schwingungen auf der Seite des
Bodens minimiert wird.
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Gemäß dem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Präzisionswerkzeugmaschine geschaffen,
umfassend:
eine Basis (1),
einen X-Achsen-Schlitten
(3), der in X-Richtung horizontal beweglich auf der Basis
angeordnet ist,
ein Paar von X-Achsen-Führungselementen
(31, 31), die an Positionen symmetrisch um den
Schwerpunkt des X-Achsen-Schlittens angeordnet sind, so dass sie
den X-Achsen-Schlitten in der X-Richtung beweglich führen,
ein
Paar von X-Achsen-Linearmotoren (32, 32), die
in symmetrischen Positionen um den Schwerpunkt des X-Achsen-Schlittens
angeordnet sind, so dass sie den X-Achsen-Schlitten in X-Richtung
antreiben,
einen Tisch (33), der drehbar auf dem X-Achsen-Schlitten
gelagert ist und auf welchem ein Werkstück montiert ist,
ein
Paar von Y-Achsen-Schlitten (4, 4), die auf der Basis
zu beiden Seiten des X-Achsen-Schlittens für die X-Richtung
jeweils derart angeordnet sind, dass der X-Achsen-Schlitten zwischen
diesen angeordnet ist und in einer horizontalen Y-Richtung senkrecht
zur X-Richtung beweglich vorgesehen ist,
ein Paar von Y-Achsen-Führungselementen
(41, 41), die auf der Basis jeweils zu beiden
Seiten des X-Achsen-Schlittens für die X-Richtung angeordnet
sind, so dass sie die Y-Achsen-Schlitten jeweils in Y-Richtung führen,
ein
Paar von Y-Achsen-Linearmotoren (42, 42), die auf
der Basis zu beiden Seiten des X-Achsen-Schlittens für
die X-Richtung und in symmetrischen Positionen um den Schwerpunkt
der Kombination der Y-Achsen-Schlitten derart angeordnet sind, dass
sie die Y-Achsen-Schlitten in Y-Richtung antreiben,
ein Paar
von Z-Achsen-Schlitten (5, 5), die jeweils in einer
Z-Richtung senkrecht zu den X- und Y-Richtungen auf dem Paar von
Y-Achsen-Schlitten beweglich angeordnet sind,
zwei Paare von
Z-Achsen-Führungselementen (51, 51),
auf welchen jedes Paar von Z-Achsen-Führungselementen jeweils
in Positionen symmetrisch um den Schwerpunkt der jeweiligen Z-Achsen-Schlitten
auf den Y-Achsen-Schlitten angeordnet sind, so dass das Paar von
Z-Achsen-Schlitten in der Z-Rich tung beweglich geführt
wird,
zwei Paare von Z-Achsen-Linearmotoren (52, 52), von
denen jedes Paar von Z-Achsen-Linearmotoren in Positionen symmetrisch
um den Schwerpunkt von jedem der Z-Achsen-Schlitten auf jeden der
Y-Achsen-Schlitten angeordnet ist, so dass das Paar von Z-Achsen-Schlitten
in Z-Richtung angetrieben wird,
einem Spindelkopf-Lagerträger
(6), in welchem beide Enden in X-Richtung drehbar auf dem
Z-Achsen-Schlitten angeordnet sind, so dass sie drehbar um eine
A-Achse parallel zur X-Achse ausgerichtet werden können,
und
einen Spindelkopf (61), der an einem Spindelkopf-Lagerträger
an dessen Mittelposition gesichert ist und eine Spindel zum Halten
eines Werkzeugs aufweist.
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Gemäß dem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Präzisionswerkzeugmaschine gemäß dem
ersten Aspekt derart ausgebildet, dass der Tisch ein C-Achsen-Tisch
ist, der drehbar gelagert ist, so dass er drehbar um eine C-Achse
parallel zur Z-Achse ausgerichtet werden kann.
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Gemäß dem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Präzisionswerkzeugmaschine
gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt derart ausgebildet,
dass Gegengewichte an dem Spindelkopf-Lagerträger an dessen
jeweiligen Enden angebracht sind, um die Umwucht des Spindelkopflagerträgers 6 und
des Spindelkopfs um die A-Achse zu kompensieren.
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Gemäß dem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Präzisionswerkzeugmaschine
gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt derart ausgebildet,
dass die X-Achsen-Führungselemente, die Y-Achsen-Führungselemente,
die Z-Achsen-Führungselemente, die Rotationslagerteile
des C-Achsen-Tisches und die Rotationslagerteile des Spindelkopf-Lagerträgers
jeweils aus aerostatischen Lagern zusammengesetzt sind.
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Gemäß dem
fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Präzisionswerkzeugmaschine
gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt derart ausgebildet,
dass der C-Achsen-Tisch und der Spindelkopflagerträger
jeweils durch Direktantriebsmotoren drehbar ausgerichtet werden.
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Gemäß dem
sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Präzisionswerkzeugmaschine
gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt ferner:
einen
oberen Rahmen, der die Basis lagert,
einen unteren Rahmen,
der den oberen Rahmen lagert und auf dem Boden angeordnet ist, und
passive
pneumatische Schwingungsisolatoren, die zwischen den oberen und
unteren Rahmen angeordnet sind und die Schwingungen dämpfen,
die vom Boden auf die Basis übertragen werden.
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Gemäß dem
siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Präzisionswerkzeugmaschine gemäß dem
ersten oder zweiten Aspekt derart ausgebildet, dass die Basis aus
Granit gebildet wird und die Materialien der X-Achsen-Führungselemente,
der Y-Achsen-Führungselemente und der Z-Achsen-Führungselemente
jeweils eine Aluminiumoxid-Keramik sind.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im folgenden
anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Anordnung der ererfindungsgemäßen
Präzisionswerkzeugmaschine in ihrer Gesamtheit;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht der oberen und unteren Rahmen, welche
die Basis der Präzisionswerkzeugmaschine gemäß 1 lagern.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es
folgt eine Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen.
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Bei
dem Material der rechteckigen Basis 1, welche die erfindungsgemäße
Präzisionswerkzeugmaschine aus den 1 und 2 trägt,
handelt es sich um Granit, welches einen sehr niedrigen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Wie genauer in 2 dargestellt
ist, ist die Basis auf dem oberen Rah men 21 angeordnet,
welcher auf dem unteren Rahmen 22 angeordnet ist, der auf
dem Boden angeordnet ist. Die oberen und unteren Rahmen 21 und 22 werden
geformt durch Verschweißen von Rohrelementen (hohlen Rohren)
mit rechteckigen Querschnitten. Vier Ausgleichseinrichtungen 221 sind
unterhalb der Unterseite des unteren Rahmens 22 an den
vier Ecken angeordnet, wodurch der untere Rahmen 22 auf
dem Boden an vier Stellen gelagert wird. Die Ausgleichseinrichtungen 221 dienen zum
Einstellen der Höhe des unteren Rahmens 22, und
jede der Ausgleichseinrichtungen 221 wird gebildet aus
einem Ausgleichssitz und einem Ausgleichsbolzen.
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Lagergummikissen 211 sind
an drei Stellen zwischen dem oberen Rahmen 21 und der Basis
angeordnet, um zu verhindern, dass die Basis 1 verschoben
wird. Lagerklammern 212 sind einstückig mit dem
oberen Rahmen 21 an dessen vier Ecken ausgebildet und ragen
von der Oberseite des oberen Rahmens 21 nach oben auf.
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Vibrationsisolatoren 23 sind
zwischen den Unterseiten der jeweiligen vier Lagerklammern 212 und
der Oberseite des unteren Rahmens 22 angeordnet. Jeder
der Vibrationsisolatoren 23 umfaßt einen Vibrationssensor,
der mit einer Steuerung und einem pneumatischen Aktuator verbunden
ist. Bei der Detektion von Vibrationen übertragen die Vibrationssensoren
Ausgangssignale an die Steuerung, welche die pneumatischen Aktuatoren
mit ihren Antriebssignalen antreibt, so dass die vom Boden auf die
Basis 1 übertragene Schwingung ausgeglichen und
gedämpft wird.
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Wie
genauer in 1 dargestellt ist, ist ein X-Achsen-Schlitten 3 in
X-Richtung auf der oberen horizontalen Seite der Basis 1 beweglich
angeordnet. Der X-Achsen-Schlitten 3 weist eine rechteckige Form
auf, die in der horizontalen Y-Richtung senkrecht zur X-Richtung
verlängert ist. Ein Paar von X-Achsen-Führungselementen 31, 31,
die an der Basis 1 auf ihrer Oberseite befestigt sind,
sind an Positionen symmetrisch in Y-Richtung um den Schwerpunkt
des X-Achsen-Schlittens 3 angeordnet, so dass der X-Achsen-Schlitten 3 in
X-Richtung beweglich geführt wird.
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Lediglich
das Vorderseitige eines Paars von X-Achsen-Führungselementen 31, 31 ist
in 1 sichtbar, während das andere nicht
sichtbar ist. Die X-Achsen-Führungselemente 31, 31 bestehen
aus einer Aluminiumoxid-Keramik mit einem rechteckigen Querschnitt,
wie dargestellt. Die X-Achsen-Führungselemente 31, 31 sind
an der Oberseite der Basis 1 derart gesichert, dass lediglich
Teile der Unterseite des jeweiligen X-Achsen-Führungselements 31 auf
der Oberseite der Basis 1 aufliegt, so dass X-Achsen-Führungsflächen
an den vier Seiten jedes rechteckigen X-Achsen-Führungselements 31 gebildet werden.
Aluminiumoxid-Keramik hat einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
so dass Fehler aufgrund einer thermischen Verschiebung der X-Achsen-Führungselemente
minimiert werden können.
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Druckluft
mit einem eingestellten Druck wird in die Lagerzwischenräume
zwischen dem X-Achsen-Schlitten 3 und den X-Achsen-Führungsflächen eingeführt,
so dass aerostatische Lager gebildet werden. Ein Paar von X-Achsen-Linearmotoren 32, 32 zum
Antrieb des X-Achsen-Schlittens 3 in der X-Richtung sind
in Positionen symmetrisch um den Schwerpunkt des X-Achsen-Schlittens 3 und
außerhalb der X-Achsen-Führungselemente 31 für
die Y-Richtung angeordnet. Der Stator 321 jedes X-Achsen-Linearmotors 32 mit
U-förmigem Querschnitt ist auf der Oberseite der Basis 1 parallel
zu dem X-Achsen-Führungselement 31 und außerhalb
der X-Achsen-Führungselemente 31 für
die Y-Richtung befestigt.
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Ein
Statorbett ist zwischen jedem Stator 321 und der Basis 1 zur
Sicherung jedes Stators 321 an der Basis 1 angeordnet.
Eine Anzahl von Reihen von Magneten ist in X-Richtung in dem Stator 321 angeordnet.
Plattenförmige Bewegungselemente 322, 322 der
X-Achsen-Linearmotoren 32, 32 sind auf den jeweiligen
Seitenflächen für die Y-Richtung des X-Achsen-Schlittens 3 und
parallel zu dem X-Achsen-Führungselement 31, 31 angeordnet
und daran befestigt. Jedes der Bewegungselemente 322 umfaßt
eine Anzahl von Reihen von Spulen, die derart angeordnet sind, dass
sie den Reihen von Magneten in jedem Stator 321 gegenüberliegen.
Lediglich die vordere Seite eines Paars von X-Achsen-Linearmotoren 32 ist
in 1 sichtbar, während der andere X-Achsen-Linearmotor
nicht sichtbar ist.
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Ein
C-Achsen-Tisch 33, auf welchem ein Werkstück montiert
ist, ist drehbar auf dem X-Achsen-Schlitten 3 gelagert,
so dass er drehbar ausgerichtet werden kann. Der C-Achsen-Tisch 33 ist
drehbar gelagert, so dass er um die C-Achse parallel zur senkrechten
(vertikalen) Z-Achse drehbar ausgerichtet werden kann. Druckluft
mit eingestelltem Druck wird in den Bereich (nicht dar gestellt)
eingeleitet, der den C-Achsen-Tisch drehbar lagert, so dass ein
aerostatisches Lager gebildet wird. Die Rotationsausrichtung des
C-Achsen-Tisches 33 wird durch einen Direktantriebsmotor
(nicht dargestellt) durchgeführt. Die Konstruktion und
Funktion aerostatischer Lager und Direktantriebsmotoren ist auf
dem Gebiet der Werkzeugmaschinen wohlbekannt und stellt keinen wesentlichen
Bestandteil der vorliegenden Erfindung dar, so das auf Erläuterungen
derselben an dieser Stelle verzichtet wird.
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Ein
Paar von X-Achsen-Linearmotoren 32, 32 und ein
Paar von X-Achsen-Führungselementen 31, 31 sind
in symmetrischen Positionen um den Schwerpunkt des X-Achsen-Schlittens 3 jeweils
angeordnet, so dass der X-Achsen-Schlitten 3 in X-Richtung
mit einem Minimum an Schwingungen und mit minimalen Ausrichtungsfedern
angetrieben werden kann. Ferner treiben die X-Achsen Linearmotoren 32, 32 und
die X-Achsen-Führungselemente 31, 31 den
X-Achsen-Schlitten 3 in der X-Richtung berührungslos
an, so dass der X-Achsen-Schlitten 3 gleichmäßig
ohne Rückstellfeder angetrieben werden kann.
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Leseköpfe 341, 341 eines
Paars von X-Achsen-Linearmeßgebern 34, 34 sind
jeweils an Befestigungsblöcken 342, 342 befestigt,
so dass sie die Position des X-Achsen-Schlittens 3 in der
X-Richtung aufnehmen. Die Befestigungsblöcke 342, 342 sind auf
der Oberseite der Basis 1 in Positionen außerhalb der
X-Achsen-Linearmotoren 32, 32 für die
Y-Richtung befestigt. Maßstäbe 343, 343 sind
auf der Oberseite des Y-Achsen-Schlittens 3 an äußeren
Positionen desselben und jeweils parallel zu den X-Achsen-Führungselementen 31, 31 befestigt.
Auf jedem der Maßstäbe 343, 343 ist
eine Anzahl von Gitterteilungen in gleichmäßigem
Abstand entlang der X-Achse markiert.
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Jeder
der Leseköpfe 341, 341 umfaßt
ein lichtemittierendes Element, das den Maßstab 343 beleuchtet,
und ein lichtempfindliches Element, das Licht detektiert, das von
dem Maßstab 343 reflektiert wird, so dass die
Gitterteilungen des Maßstabs 343 berührungslos
entsprechend der Veränderung des von dem Maßstab 343 reflektierten
Lichts ausgelesen werden können. Lediglich der vordere
eines Paars von X-Achsen-Linearmeßgebern 34, 34 ist
in 1 dargestellt, und der andere ist hier nicht sichtbar.
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Ein
Paar von X-Achsen-Führungselementen 41, 41 ist
auf der Oberseite der Basis 1 zu beiden Seiten in X-Richtung
derart befestigt, dass die jeweiligen Befestigungsbetten dazwischen
liegen. Bewegliche Betten 411, 411 sind beweglich
auf die jeweiligen Y-Achsen-Führungselemente 41, 41 gelegt.
Y-Achsen-Schlitten 4, 4 sind auf die jeweiligen
beweglichen Betten 411, 411 gelegt und daran befestigt.
Die beweglichen Betten 411, 411 führen
beweglich die Y-Achsen-Schlitten 4, 4 in der horizontalen
Y-Richtung senkrecht zur X-Achse. Wie in 1 gezeigt
ist, ist ein Ende einer Y-Achsen-Verbindungsplatte 412 an
einem der beweglichen Betten 411 von dessen Seitenfläche
durch Schrauben befestigt, und das andere Ende der Y-Achsen-Verbindungsplattte 412 ist an
dem anderen der beweglichen Betten 411 an dessen Seitenfläche
auf die gleiche Weise mit Schrauben befestigt. Infolge dessen sind
beide bewegliche Betten 411, 411 miteinander verbunden,
so dass beide Y-Achsen-Schlitten 4, 4 synchron
jeweils auf den Y-Achsen-Führungselementen 41, 41 bewegt
werden können. Jeder der Y-Achsen-Schlitten 4, 4 ist derart
angeordnet, dass er eine kleine Breite in X-Richtung aufweist und
in Y- und Z-Richtung jeweils verlängert ist.
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Die
Y-Achsenführungselemente 41, 41 mit rechteckigem
Querschnitt bestehen aus einer Aluminiumoxid-Keramik. Die Y-Achsen-Führungselemente 41, 41 werden
auf der Oberseite der Basis 1 derart befestigt, dass lediglich
Teile, d. h. lediglich beide Enden der Unterseite jedes Y-Achsen-Führungselements 41 auf
der Oberseite der Basis 1 aufliegen, so dass Y-Achsen-Führungsflächen
an den vier Seiten des Y-Achsen-Führungselements 41 gebildet
werden. Druckluft mit eingestelltem Druck wird in die Lagerzwischenräume
zwischen den Y-Achsen-Schlitten 4, 4 und den Y-Achsen-Führungsflächen
eingeleitet, so dass aerostatischen Lager gebildet werden. Ein Paar
von Y-Achsen-Linearmotoren 42, 42 zum Antrieb
der Y-Achsen-Schlitten 4, 4 in Y-Richtung sind
in Positionen außerhalb der Y-Achsen-Führungselemente 41, 41 bezüglich
der X-Richtung vorgesehen.
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Die
Y-Achsen-Linearmotoren 42, 42 umfassen jeweils
Statoren 421, 421, welche Kanäle mit
einem U-förmigen Querschnitt in dem oberen Bereich aufweisen.
Die Statoren 421, 421 sind auf den Basen 11, 11 parallel
zu den Y-Achsen-Führungselementen 41, 41 und
jeweils außerhalb der Y-Achsen-Führungselemente 41, 41 bezüglich
der X-Richtung befestigt. Das Material, das die Basen 11, 11 bildet,
die auf der Oberseite der Basis 1 befestigt sind, ist Granit.
Eine Anzahl von Reihen von Magneten ist in Y-Richtung in den Statoren 421, 421 angeordnet.
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Die
oberen Bereiche der beweglichen Elemente 422, 422 sind
an den Seitenflächen der Y-Achsen-Schlitten 4, 4 außerhalb
bezüglich der X-Richtung des Schwerpunktes derselben befestigt
und jeweils parallel zu den Y-Achsen-Führungselementen. Die
unteren Bereiche der beweglichen Elemente 422, 422 sind
in die U-förmigen Kanäle der jeweiligen Statoren 421, 421 eingesetzt.
Jedes der beweglichen Elemente 422, 422 umfaßt
eine Anzahl von Reihen von Spulen, die den Reihen von Magneten in
jedem Stator 421 gegenüberliegend angeordnet sind.
Lediglich der vorderseitige aus dem Paar von Linearmotoren 4, 4 ist
in 1 sichtbar, und der größere
Teil des anderen ist hier nicht sichtbar.
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Da
die Y-Achsen-Linearmotoren 42, 42 an den Schwerpunkten
der Kombination der beiden Y-Achsen-Schlitten 4, 4 angeordnet
sind und die Y-Achsen-Schlitten 4, 4 synchron
angetrieben werden, können die Y-Achsen-Schlitten 4, 4 in
der Y-Richtung mit minimierten Schwingungen und Ausrichtungsfehlern
angetrieben werden. Da ferner die Y-Achsen-Linearmotoren 42, 42 und
die Y-Achsen-Führungselemente 41, 41 die
Y-Achsen-Schlitten 4, 4 in der Y-Richtung berührungslos
antreiben, können die Y-Achsen-Schlitten 4, 4 gleichmäßig
und ohne Spiel angetrieben werden.
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Leseköpfe 441, 441 eines
Paares von Y-Achsen-Linearmeßgebern 44, 44 sind
an Befestigungsblöcken 442, 442 jeweils
zur Feststellung der Position der Y-Achsen-Schlitten 4, 4 in
der Y-Richtung angeordnet. Die Befestigungsblöcke 442, 442 sind
auf der Oberseite der Basen 11, 11 in Positionen
außerhalb der Y-Achsen-Linearmotoren 42, 42 bezüglich der
X-Richtung befestigt. Maßstäbe 443, 443 sind
an den Außenflächen der Y-Achsen-Schlitten 4, 4 bezüglich
der X-Richtung jeweils parallel zu den Y-Achsen-Führungselementen 41, 41 befestigt.
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Auf
jeden der Maßstäbe 443, 443 ist
eine Anzahl von Gitterteilungen in gleichmäßigem
Abstand entlang der Y-Achse angeordnet. Jeder der Leseköpfe 441, 441 umfaßt
ein lichtemittierendes Element, das den Maßstab 443 beleuchtet,
und ein lichtempfindliches Element, das das Licht detektiert, das
von dem Maßstab 443 reflektiert wird, so dass
die Gitterteilungen des Maßstabs 443 berührungslos
entsprechend der Veränderung der Stärke des von
dem Maßstab 443 reflektierten Lichts gelesen werden können.
Lediglich der vorderseitige des Paars der Y-Achsen-Linearmeßgeber 44, 44 ist
in 1 sichtbar, und der andere ist nicht sichtbar.
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Ein
Paar von Z-Achsen-Schlitten 5, 5 ist beweglich
in Z-Richtung senkrecht zu den X- und -Richtungen auf den jeweiligen
Y-Achsen-Schlitten 4, 4 angeordnet. Ein Paar von
Z-Achsen-Führungselementen 51, 51 ist
an jedem der Y-Achsen-Schlitten 4, 4 befestigt.
Die Z-Achsen-Führungselemente 51, 51 sind
in Positionen symmetrisch um den Schwerpunkt der jeweiligen Z-Achsen-Schlitten 5, 5 angeordnet, um
die Z-Achsen-Schlitten 5, 5 beweglich in Z-Richtung
zu führen.
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Zwei
Paare von Z-Achsen-Führungselementen 51, 51 sind
aus Aluminiumoxid-Keramik mit einem rechteckigen Querschnitt gebildet.
Lediglich Teile der beiden Enden der Z-Achsen-Führungselemente 51, 51 liegen
auf den inneren Seitenflächen der Y-Achsen-Schlitten 4, 4 bezüglich
der X-Richtung an, so dass Z-Achsen-Führungsflächen
an den vier Seiten des jeweiligen Z-Achsen-Führungselements 51 gebildet
werden. Druckluft mit eingestelltem Druck wird in die Lagerzwischenräume
zwischen den Z-Achsen-Schlitten 5, 5 und den Z-Achsen-Führungsflächen
eingeleitet, so dass aerostatische Lager gebildet werden. Ein Paar
von Z-Achsen-Linearmotoren 52, 52 zum Antrieb
der Z-Achsen-Schlitten 5, 5 in Z-Richtung sind
in den Positionen symmetrisch um den Schwerpunkt der Z-Achsen-Schlitten 5, 5 und
außerhalb der Z-Achsen-Führungselemente 51, 51 bezüglich
der Y-Richtung angeordnet.
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Die
Statoren 521, 521 der Z-Achsen-Linearmotoren 52, 52 weisen
Kanäle mit einem U-förmigen Querschnitt auf. Die
Statoren 521, 521 sind an den inneren Seitenflächen
der Y-Achsenschlitten 4, 4 bezüglich
der X-Richtung parallel zu den Z-Achsenführungselementen 51, 51 und
außerhalb der Z-Achsen-Führungselemente 51, 51 bezüglich
der Y-Richtung angeordnet. Eine Anzahl von Reihen von Magneten ist
in Z-Richtung in den Statoren 521, 521 angeordnet.
Bewegliche Elemente 522, 522 sind an den inneren
Seitenflächen der Z-Achsen-Schlitten 5, 5 bezüglich
der Y-Richtung außerhalb in Positionen symmetrisch um den
Schwerpunkt der Z-Achsen-Schlitten 5, 5 und parallel
jeweils zu dem Z-Achsen-Führungselement 51, 51 angeordnet.
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Ein
Ende von jedem der beweglichen Elemente 522, 522 umfaßt
eine Anzahl von Reihen von Spulen, die den Reihen von Magneten in
den entsprechenden Statoren 521, 521 gegenüberliegend angeordnet
sind, und das andere Ende von jedem der beweglichen Elemente 522, 522 ist
in den Kanal mit dem U-förmigen Querschnitt eingesetzt.
Lediglich von dem Z-Achsen-Linearmotor 52 auf der rechten Seite
des rückseitigen Z-Achsen-Schlittens 5 sind sowohl
der Stator 521 und das bewegliche Element 522 in 1 sichtbar
und von den anderen Z-Achsen-Linearmotoren 52 sind lediglich
die Statoren 521 hier erkennbar.
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Da
die Z-Achsen-Linearmotoren 52, 52 und die Z-Achsen-Führungselemente 51, 51 jeweils
in Positionen symmetrisch um den Schwerpunkt der Z-Achsen-Schlitten 5, 5 angeordnet
sind, können die Z-Achsen-Schlitten 5, 5 in
der Z-Richtung mit minimierten Schwingungen und Ausrichtungsfehlern
angetrieben werden. Da ferner die Z-Achsen-Linearmotoren 52, 52 und
die Z-Achsen-Führungselemente 51, 51 die
Z-Achsen-Schlitten 5, 5 in Z-Richtung berührungslos
antreiben, können die Z-Achsen-Schlitten 5, 5 gleichmäßig
ohne Spiel angetrieben werden.
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Leseköpfe 541, 541 von
Z-Achsen-Linearmeßgebern 54, 54 sind
an den inneren Seitenflächen der Z-Achsen-Schlitten 5, 5 außerhalb
bezüglich der Y-Richtung an jeweils beiden Seiten angeordnet,
so dass die Positionen der Z-Achsen-Schlitten 5, 5 in Z-Richtung
detektiert werden können. Maßstäbe 543, 543 sind
an den Innenseiten der Y-Achsen-Schlitten 4 bezüglich
der X-Richtung parallel jeweils zu den Z-Achsen-Führungselementen 51, 51 befestigt.
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An
jedem der Maßstäbe 543, 543 ist
eine Anzahl von Gitterteilungen in gleichen Abständen entlang
der Z-Achse markiert. Jeder der Leseköpfe 541, 541 umfaßt
ein lichtemittierendes Element, das den Maßstab 543 beleuchtet,
und ein lichtempfindliches Element, das Licht detektiert, das von
dem Maßstab 543 reflektiert wird, so dass Gitterteilungen
des Maßstabs 543 berührungslos entsprechend
der Veränderung der Stärke des reflektierten Lichts
vom Maßstab 543 gelesen werden können.
Lediglich der linke von den Z-Achsen-Linearmeßgebern 54, 54 des
rückseitigen Z-Achsen-Schlittens 5 ist in 1 erkennbar, und
die anderen Z-Achsen-Linearmeßgeber sind hier nicht sichtbar.
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Ein
Spindelkopf-Lagerträger 6 ist drehbar an seinen
beiden Enden bezüglich der X-Richtung durch die jeweiligen
Z-Achsen-Schlitten 5, 5 gelagert, so dass er sich
um eine A-Achse parallel zur X-Achse drehbar ausrichten kann.
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Druckluft
mit eingestelltem Druck wird in die drehbar gelagerten Bereiche
der Z-Achsen-Schlitten 5, 5 für die A-Achse
eingeleitet, so dass jeweils aerostatische Lager gebildet werden.
Die Z-Achsen-Schlitten 5, 5 werden um die A-Achse
jeweils durch Direktantriebsmotoren drehbar ausgerichtet.
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Ein
Spindelkopf 61 ist an dem Spindelkopflagerträger 6 in
seiner zentralen Position bezüglich der X-Richtung befestigt.
Der Spindelkopf 61 umfaßt eine drehbare Spindel,
die zur Drehung durch einen Aktuator vom Luftturbinen-Typ angetrieben
wird. Das Werkstück, das auf dem C-Achsen-Tisch 33 montiert ist,
wird durch das Werkzeug 63 bearbeitet, das an dem vorderseitigen
Ende der Spindel in dem Spindelkopf 61 befestigt ist. Gegengewichte 62, 62 sind
an dem Spindelkopflagerträger 6 an seinen beiden
Enden bezüglich der X-Richtung angeordnet, um die Umwucht
der Masse des Spindelkopf-Lagerträgers 6 und des
Spindelkopfes um die A-Achse zu kompensieren. Lediglich die Rückseite
der Gegengewichte 62, 62 ist in 1 sichtbar,
und die andere ist nicht sichtbar.
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Da
die Direktantriebsmotoren zur drehbaren Ausrichtung um die A-Achse
in symmetrischen Positionen um den Schwerpunkt des Spindelkopflagerträgers 6 mit
dem Spindelkopf 61 angeordnet sind, kann der Spindelkopflagerträger 6 drehbar
um die A-Achse ohne Vibration und mit minimierten Ausrichtungsfehlern
ausgerichtet werden. Da ferner die Drehlagerbereiche für
die A-Achse mit aerostatischen Lagern ausgestattet sind und die
Drehausrichtung um die A-Achse durch Direktantriebsmotoren praktisch berührungsfrei
vorgenommen wird, kann ein gleichmäßiger Antrieb
ohne Spiel durchgeführt werden.
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Wie
zuvor erwähnt, bilden die größeren Bereiche,
die sich entlang der X- und Y-Achsen erstrecken, Strukturen, die
jeweils vollständig symmetrisch um den Bearbeitungspunkt
in der Präzisionswerkzeugmaschine gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind. Ferner
werden die größeren Bereiche aus anorganischen
Materialien wie etwa Granit, Aluminiumoxid-Keramik oder dergleichen
gebildet, so dass das Werkstück mit Nanometer-Genauigkeit
bearbeitet werden kann, wobei Fehler aufgrund thermischer Verschiebung
minimiert werden.
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Darüber
hinaus wird der Antrieb der Bereiche am Schwerpunkt für
alle fünf Achsen durchgeführt, d. h. für
die X-, Y-, Z-, A- und C-Achsen, so dass Vibra tionen und Ausrichtungsfehler
minimiert werden. Da ferner der Überhang des Spindelkopfs
oder des Tisches in der Präzisionswerkzeugmaschine gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung klein ist, ist
die Länge der Kraftschleife zwischen dem Werkzeug und dem
Werkstück klein, und der Einfluß einer elastischen
Verformung in jedem Bereich kann minimiert werden.
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Da
ferner die X-Achsen-Linearmotoren die Y-Achsen-Linearmotoren, die
Z-Achsen-Linearmoteren und die Direktantriebsmotoren, die als Wärmequellen
wirken, zur Rotationsausrichtung um die A-Achse getrennt von dem
Schneidbereich angeordnet sind, ist in der Präzisionswerkzeugmaschine
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung die thermische Verformung gleichmäßig,
und Fehler aufgrund der thermischen Verschiebung werden minimiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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