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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einem Maschinengestell zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken, wobei die Werkzeugmaschine eine Werkzeughalterung aufweist, diese Werkzeughalterung translatorisch in drei Achsrichtungen innerhalb des Maschinengestells beweglich ist und das Werkstück zumindest um eine Achse schwenkbar in einer Werkstückhalterung angeordnet ist.
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Werkzeugmaschinen dieser Gattung sind, insbesondere als Fräsmaschinen ausgeführt, im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Die Maschinen haben zumeist drei translatorische Bearbeitungsachsen, d. h. dass nach dem Einspannen das Werkzeug, z. B. ein Fräswerkzeug, in drei in der Regel zueinander senkrecht stehenden Raumrichtungen translatorisch bewegt und so relativ zu einem Werkstück an jedem beliebigen Ort positioniert werden kann.
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Die Verbesserung der Steuerungen und der Programmiersysteme für die genannten Werkzeugmaschinen haben dazu geführt, dass häufig neben den drei translatorischen (linearen) Achsen weitere Schwenkachsen in der Werkzeugmaschine vorgesehen werden. Mit den Schwenkachsen ist es dann möglich, das Werkstück relativ zum Werkzeug zu verschwenken, um so in einer Aufspannung bis zu 5 Seiten des Werkstücks bearbeiten zu können. Hiermit ist es auch möglich, komplexe Geometrien erheblich wirtschaftlicher zu bearbeiten, als dies mit Maschinen mit nur drei translatorischen Achsen möglich ist.
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Aus der
WO 2005/084881 A1 ist eine derartige Werkzeugmaschine mit einem umrüstbaren Werkstückspanntisch zu entnehmen, bei der ein Schwenktisch zum Verschwenken des Werkstücks in das Maschinengestell so eingebaut werden kann, dass dieser mit einem nachträglich bei Bedarf einzusetzenden festen Werkstückspanntisch überbaut werden kann. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Werkzeugmaschine einerseits bei großen Werkstücken mit eingesetztem Werkstückspanntisch als dreiachsige Maschine genutzt werden kann, andererseits aber auch bei kleinen Werkstücken ohne Werkstückspanntisch, wobei dann durch die Schwenkmöglichkeiten der Werkstücke auch eine fünfachsige Fertigung ermöglicht wird.
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Die Grenzen bei der maßgenauen Fertigung von Werkstücken durch derartige Fräsmaschinen werden üblicherweise durch die bei der Bearbeitung des Werkstücks auftretenden typischen Schwingungsformen und Frequenzgänge bestimmt, wobei durch die während des Fräsvorgangs auftretenden Schwingungen auf bearbeiteten Oberflächen, üblicherweise gefrästen Oberflächen, typische Schwingungsbilder auftreten, die die Qualität des bearbeiteten Werkstücks nachteilig beeinflussen.
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Hierbei sind insbesondere niederfrequente Schwingungen am deutlichsten und gegebenenfalls auch mit bloßem Auge auf der Werkstückoberfläche zu erkennen, da niederfrequente Schwingungen den größten Schwingungsweg aufweisen. Als Hauptursache für derartige Schwingungen werden Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge bei der Bearbeitung des Werkstücks mittels eines rotierenden Werkzeugs sowie periodische Anregungen aus den Antrieb angesehen.
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Es besteht ein Bedarf, die Bearbeitungszeiten des Werkstücks innerhalb einer gattungsgemäßen Werkzeugmaschine weiter zu verkürzen und dabei gleichzeitig bessere Oberflächen erreichen zu können, insbesondere solche Oberflächen, die geringere oder keine durch Schwingungen erzeugte Oberflächenfehler aufweisen.
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2. Aufgabe der Erfindung
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Es war daher eine Aufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile durch Anwendung eines neuen Werkzeugmaschinen-Konzepts auf das unvermeidliche Minimum zu beschränken oder weitestgehend zu eliminieren. Ziel dieses neuen Werkzeugmaschinen-Konzepts ist insbesondere, das Verhältnis von Steifigkeit zu Masse der Werkzeugmaschinen zu erhöhen, um hierdurch insbesondere das Auftreten niederfrequenter Schwingungen deutlich zu reduzieren oder gänzlich zu eliminieren.
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Diese Aufgabe wird im erfindungsgemäßen Sinne mit einer Werkzeugmaschine, umfassend die Merkmale des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
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3. Zusammenfassung der Erfindung
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Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Antriebe zur translatorischen Bewegung der Werkzeughalterung in drei Achsrichtungen eisenlose Linearmotoren umfassen und die bei der Bearbeitung des Werkstücks bewegten Teile der Werkzeugmaschine, insbesondere die Werkzeughalterung aus Leichtbauwerkstoff wie beispielsweise Leichtmetall gefertigt sind. Hierdurch wird nicht nur erreicht, dass das Verhältnis von Steifigkeit zu Masse der Werkzeugmaschine besonders vorteilhaft erhöht wird, es werden durch den Einsatz der eisenlosen Linearmotoren auch die Einsatzbereiche der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschinen gegenüber herkömmlichen Werkzeugmaschinen sowohl im Bezug auf die Bearbeitungszeit als auch im Bezug auf die maximal erreichbaren Beschleunigungen und Geschwindigkeiten so erweitert, wie es mit herkömmlichen Werkzeugmaschinen bisher nicht erreichbar war.
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Bevorzugt wird wenn je zwei Linearmotoren für jede translatorische Bewegung, zumindest für die Bewegung in X- und Y-Richtung zur Verfügung stehen. Diese Bauweise minimiert ein Verkanten von Ständern, Schlitten und dergleichen, da sich hierdurch zwischen dem Massenschwerpunkt der zu beschleunigenden Masse und den beiden Antrieben kein Moment bildet. Hierdurch wird somit mit besonders einfachen Mitteln eine besonders hohe dynamische Genauigkeit des Antriebs geschaffen.
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Bei der Konstruktion sehr dynamischer Maschinen wie der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine wird die zu beschleunigende Masse so klein wie möglich gehalten und gleichzeitig eine hohe statische und dynamische Steifigkeit erreicht, um die Auslenkung auskragender Massen wie etwa Stöße, Spindeln, Werkzeuge und dergleichen so klein wie möglich zu halten. Bevorzugt wird daher, wenn die Maschine vollständig vorausberechnet, vorzugsweise mit Berechnung nach der Methode der finiten Elemente ausgelegt werden und Prototypen anhand einer Modelanalyse vorab überprüft werden. Erst die Auswertung einer solchen Modellanalyse kann dann zeigen, ob sämtliche Parameter der Vorabanalyse stimmig waren.
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Die bewegten Massen innerhalb der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine können vorzugsweise in der Summe auf weniger als 200 kg, eingestellt werden, die erreichbaren Maximalbeschleunigungen abhängig vom Ruck auf bis zu 30 m/s2 bei Geschwindigkeiten von bis 90 m/min gesteigert werden. Demgegenüber stehen maximale Beschleunigungswerte herkömmlicher Werkzeugmaschinen von maximal etwa 12 m/s2 bei Maximalgeschwindigkeiten von unterhalb 40 m/min.
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Die erfindungsgemäß eingesetzten sogenannten „eisenlosen Linearmotoren” sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und zeichnen sich durch ein besonders günstiges Verhältnis der maximalen Kraft zur maximalen Masse aus. Prinzipiell erreichen eisenlose Linearmotoren maximale Strom- und Kraftanstiegsgeschwindigkeiten und eignen sich daher für hochdynamische Anwendungen bei höchster Steifigkeit gegenüber Störkräften. Prinzipbedingt erzeugt ein eisenloser Linearmotor dabei keinerlei Anziehungskräfte und erreicht somit eine besonders hohe Gleichlaufgüte. Dies wird insbesondere durch die Eignung der eisenlosen Linearmotoren, keine Rastmomente aufzuweisen, bewirkt. Bei geschlossener Bauform wird kein äußeres Magnetfeld erzeugt, kein Anziehen des Schmutzes erreicht und prinzipiell aufgrund beidseitig angeordneter Magnete eine doppelte Krafteinleitung für die translatorische Bewegung erreicht.
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Der erfindungsgemäße Einsatz von eisenlosen Linearmotoren erreicht somit in Abkehr von den bisher verwendeten Elektromotoren zur Bewirkung des Linearantriebs von Werkzeugführungen eine maximale Krafteinleitung bei gleichzeitig geringstmöglicher Masse. Das Verhältnis von Steifigkeit zur Masse der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine wird schließlich dadurch besonders vorteilhaft unterstützt, dass die während der Bearbeitung des Werkstücks bewegten Teile der Werkzeugmaschine aus Leichtbauwerkstoff wie beispielsweise Leichtmetall gefertigt sind und hierdurch die bewegten Massen auf das absolut erforderliche Minimum reduziert werden.
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Im Ergebnis wird eine Werkzeugmaschine erhalten, deren Performance über die bisher bekannten Grenzen traditioneller Fräsmaschinen hinausgeht und insbesondere niederfrequente Schwingungen auch aufgrund der höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten, insbesondere jedoch aufgrund der Vergleichmäßigung des Antriebs der Linearführungen auf ein Minimum beschränkt.
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Dieses erfindungsgemäße Konzept wird vorzugsweise durch einen symmetrischen Aufbau der Werkzeugmaschine in ihrer Horizontalebene in X- und Y-Richtung vorteilhaft unterstützt. Dieses Konzept wird insbesondere dann vorteilhaft umgesetzt, wenn die Horizontalebene der Werkzeugmaschine, vorzugsweise von dem Maschinengestell der Werkzeugmaschine, nahezu quadratisch ausgebildet ist. Besonders bevorzugt wird dabei ein Maschinengestell mit einem Grundriss von etwa 1.000 × 1.000 mm und einer Höhe von < 2.000 mm, wodurch des symmetrische Aufbau der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine mit besonders wirksamen Mitteln unterstützt wird. Abweichungen von ±5% für jedes Maß werden als Verwirklichung des Merkmals „etwa quadratisch” angesehen.
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Bevorzugt wird jedoch eine Werkzeugmaschine mit Werkstückhalterungen, die das Werkstück jeweils in einer Ebene halten können, und einer hierzu in X-, Y- und Z-Richtung verfahrbahren Werkzeughalterung, die in einer überaus bevorzugten Ausführungsform der Erfindung innerhalb eines Rahmens, vorzugsweise eines Leichtbau-Rahmens, angeordnet ist. Insbesondere durch den rahmenartigen Aufbau der Halterung für die Antriebseinheit kann eine größtmöglich mechanische Entkopplung von Werkstück und Werkzeug erreicht werden, wobei sämtliche von den Antrieben auf das Werkzeug aufgebrachten Schwingungen von dem Rahmen aufgenommen werden, die Werkstückhalterung dagegen mit dem Maschinengestell verbunden ist.
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Wenn das Werkstück zumindest um eine Achse verschwenkbar innerhalb einer der Werkstückhalterungen angeordnet ist, erlaubt die Bewegung des Werkzeugs über die Werkzeughalterung in X-, Y- und Z-Richtung eine vollständig automatisierte Bearbeitung des Werkstücks mittels des Werkzeugs. Erfindungsgemäß erfolgt dies mit einem Minimum von Schwingungen, insbesondere niederfrequenten Schwingungen, bei extremer Steifigkeit des rahmenartigen Aufbaus der Werkzeugmaschine und bei Vermeidung von Kippmomenten.
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Bevorzugt bildet das Maschinengestell einen Rahmen zum Tragen einer seitlich oder höhenversetzt zu der wenigstens einen Werkstückhalterung angeordneten Werkzeughalterung aus. In einer ersten Alternative ist die Werkzeughalterung innerhalb eines vorzugsweise quadratischen Rahmens translatorisch in der Horizontalebene beweglich angeordnet und in einer zweiten Alternative der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine translatorisch in der Vertikalebene beweglich angeordnet. Abgestellt wird hierbei auf die Lage des Rahmens zum Halten der Werkzeughalterung in Bezug auf die von den Werkstückhalterungen aufgespannte Ebene. In beiden Fallen wird eine translatorische Bewegung der Werkzeughalterung in X-, Y- und Z-Richtung gegenüber dem in der Werkstückhalterung eingespannten Werkstück ermöglicht, wobei besonders bevorzugt ein besonders großer Hub der Werkzeughalterung in allen drei Richtungen ermöglicht wird. Insbesondere ein großer Hub der Werkzeughalterung in Z-Richtung von bis zu 250 mm erlaubt auch den Einsatz von Werkzeugen mit einer Längserstreckung von bis zu 150 mm und somit eine besonders hohe Einsatzvielfalt der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine.
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Es wird besonders bevorzugt, wenn auch der Rahmen für die Werkzeughalterung aus Leichtbauwerkstoff wie beispielsweise Leichtmetall gefertigt ist, um hierdurch die Masse der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine nochmals zu reduzieren. Zusätzlich wird hierdurch eine thermische Symmetrie der Maschine erreicht. Insbesondere dann, wenn der Rahmen vollständig am Maschinengestell abgestützt ist, wird das Verhältnis von Masse zu Steifigkeit der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine besonders vorteilhaft erhöht.
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Wie eingangs bereits erwähnt, ist es ein Ziel der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine, die bewegten Massen, somit die Summe insbesondere aus Gewicht der Werkzeughalterung inklusive des Werkzeugs und der Werkstückhalterungen, auf das absolut notwendige Minimum zu beschränken. Für vorteilhafte dynamische Eigenschaften wird somit angestrebt, die Steifigkeit der Maschine insgesamt möglichst hoch, die Masse der bewegten Teile dagegen möglichst niedrig einzustellen. Dagegen sollte die Masse der ruhenden Teile der Maschine zum Zwecke einer besseren Dämpfung hoch sein. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass das Maschinengestell anders als der Rahmen nicht aus Leichtbauwerkstoff besteht. Bevorzugt wird, wenn die bewegten Massen in der Summe ein Gewicht von kleiner 200 kg, besonders bevorzugt kleiner 150 kg, aufweisen. Bisher übliche Werkzeugmaschinen zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken weisen bewegte Massen von wenigstens 700 kg auf. Das Auftreten insbesondere von niederfrequenten Schwingungen wird somit durch die erfindungsgemäße Erhöhung des Verhältnisses von Steifigkeit zu Masse mit besonders wirkungsvollen Mitteln minimiert.
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Es wird überdies bevorzugt, wenn die Linearführungen der Werkzeugführung eine Zwangszentrierung der zueinander bewegten Teile der Linearführungen bereitstellen. Dies wird beispielsweise und besonders bevorzugt unter Einsatz einer V-förmigen Linearführung und vorzugsweise durch feingeschliffene Laufflächen innerhalb der Linearführungen erreicht. Besonders bevorzugt wird der Einsatz von Präzisions-Linearführungen mit Zwangszentrierung, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung ”Formula-S” von der Firma Schneeberger vertrieben werden.
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Wie eingangs bereits erwähnt, führt der erfindungsgemäße Einsatz eisenloser Linearmotoren zu einer gegenüber herkömmlichen Werkzeugmaschinen deutlich erhöhten Geschwindigkeit von vorzugsweise mehr als 50 m/min., insbesondere von mehr als 50 m/min bis zu 90 m/min. Ebenso können durch den Einsatz eisenloser Linearmotoren erhöhte Beschleunigungen erreicht werden, besonders bevorzugt Beschleunigungen von 18 bis 21 m/s2, vorzugsweise etwa 20 m/s2. In Werkzeugmaschinen gemäß dem Stand der Technik führten derartige Beschleunigungen bisher aufgrund einer zu geringen Steifigkeit und einer zu hohen zu bewegenden Masse zum Auftreten von Schwingungen mit niedrigen Eigenfrequenzen. Dies ist erfindungsgemäße überwunden worden.
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4. Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf vier Figuren näher erläutert, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine in einer Erstausführungsform, der sogenannten Vertikalausführung,
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine, in einer sogenannten Horizontalausführung,
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine als weitere Horizontalausführung, und
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4 zeigt eine schematische Ansicht von oben auf eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine in Vertikalausführung.
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5. Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Werkzeugmaschine 1, umfassend ein Maschinengestell 2 mit quadratischer Grundfläche, in dem drei Werkstückhalterungen 5 zum Halten und schwenkbaren Lagern (nicht gezeigter) Werkstücke um die jeweilige Drehachse der Werkstückhalterungen 5 vorgesehen sind. Oberhalb der durch die Werkzeughalterungen 5 aufgespannten Horizontalebene in X- und Y-Richtung ist ein quadratischer Rahmen 6 durch vier Pfosten des Maschinengestells 2 gehalten. Innerhalb des Rahmens 6 sind Linearführungen angeordnet, die eine Bewegung der Werkzeughalterung 4 in X- und Y-Richtung erlauben. Die Bewegung der Werkzeughalterung 4 in Z-Richtung erfolgt durch Linearführungen, die senkrecht zur Horizontalebene an der Werkzeughalterung 4 angeordnet sind. Sämtliche in 1 schattiert dargestellten Teile der Werkzeugmaschine 1, insbesondere sämtliche Werkstückhalterungen 5, der Rahmen 6 und die Werkzeughalterung 4, sind aus Leichtmetall gefertigt, um die bewegten Massen der Werkzeugmaschine 1 auf ein Minimum zu begrenzen und gleichzeitig die Steifigkeit der Werkzeugmaschine 1 im Wesentlichen unverändert beizubehalten.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erste Horizontal-Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine 1, bei der das Maschinengestell 2 im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist, wobei im liegenden Schenkel des L drei Werkstückhalterungen 5 angeordnet sind und ein Rahmen 6 für eine Werkzeughalterung 4 aufrecht stehend an den stehenden Schenkel des L angepasst ist. Das Maschinengestell 2 stützt somit sämtliche Werkstückhalterungen und den Rahmen 6 für die Werkzeughalterung 4 vollständig ab, wobei in dieser Ausführungsform der Erfindung die vom Rahmen 6 aufgespannte Ebene parallel zu der von den Werkzeughalterungen 5 aufgespannten Ebene steht. Die liegend angeordnete, mittlere Werkzeughalterung 5 ist im Wesentlichen in der Form eines drehbaren Haltetellers vorgesehen. Durch die bewegliche Anordnung der Werkzeughalterung 4 sowohl in X- als auch Y- und Z-Richtung ist ein vollständig umfängliches Bearbeiten eines (nicht dargestellten) Werkstücks durch das (nicht dargestellte) Werkzeug innerhalb der Werkzeughalterung 4 möglich.
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3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 1 in einer Horizontal-Ausführungsform, bei der der Rahmen 6 wie in der Ausführungsform gemäß 2 aufrecht stehend an dem aufrechten Schenkel eines L-förmigen Maschinengestells 2 vollumfänglich abgestützt ist. An dem liegenden Schenkel des L-förmigen Maschinengestells 2 sind drei Werkstückhalterungen 5 angeordnet, deren Anordnung sich im Wesentlichen dadurch von der in 2 dargestellten Ausführungsform unterscheidet, dass die mittlere Werkstückhalterung 5 aufrecht stehend der Werkzeughalterung 4 gegenübersteht. Auch ist die Werkzeughalterung 4 so im Rahmen 6 angeordnet, dass ihre Drehachse parallel zu dem liegenden Schenkel L des Maschinengestells 2 ausgerichtet ist. Auch durch diese Ausführungsform ist eine vollständige umfängliche Bearbeitung eines (nicht dargestellten) Werkstücks durch einen innerhalb der Werkzeughalterung 4 angeordnetes (nicht dargestelltes) Werkzeug möglich.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 1 in einer Vertikalausführung, bei der die Werkzeughalterung 4 in einem Rahmen 6 angeordnet ist. Sowohl für die translatorische Bewegung in X-Richtung als auch die translatorische Bewegung in Y-Richtung sind jeweils zwei eisenlose Linearmotoren 7a, 7b bzw. 7c, 7d vorgesehen, mittels derer die Werkzeughalterung 4 in der vom Rahmen 6 aufgespannten Ebene frei bewegt werden kann. Die Bewegung des (nicht dargestellten) Werkzeugs in Z-Richtung wird mit zwei eisenlosen Linearmotoren 7e, 7f bewirkt, um eine vollständige Symmetrie der Maschine senkrecht zur Darstellungsebene zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugmaschine
- 2
- Maschinengestell
- 3
- Werkstück
- 4
- Werkzeughalterung
- 5
- Werkstückhalterung
- 6
- Antrieb
- 7
- Linearmotor
- X
- Achsrichtung
- Y
- Achsrichtung
- Z
- Achsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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