DE112017002077T5

DE112017002077T5 - Werkzeugmaschine mit 5 Achsen

Info

Publication number: DE112017002077T5
Application number: DE112017002077.8T
Authority: DE
Inventors: Claude Jeannerat; Fabrice Droz; Christophe Haag
Original assignee: Haute Ecole Arc
Current assignee: Haute Ecole Arc
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2019-01-10
Also published as: CH713892B1; CH712419B1; US20190084102A1; DE202017102297U1; US11203091B2; JP2019515804A; JP7092679B2; CH712419A2; WO2017182963A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine (1) mit mindestens 5 Achsen, die eine Werkzeugträgerbaugruppe umfasst, welche es ermöglicht, eine Werkzeugträgerspindel (7) relativ zu dem Gestell (3) entlang einer ersten Translationsachse (Z) und entlang einer zweiten Translationsachse (X), die zur ersten senkrecht ist, zu verlagern, und welche Kulissen (9) in einer Ebene (p) einsetzt, die mit der ersten Translationsachse einen Winkel (α1) zwischen + 40° und + 50° bildet.Eine Teileträgeranordnung (11) ermöglicht es, ein Teil (150) entlang einer dritten Translationsachse (Y), die senkrecht zu den anderen Translationsachsen ist, entlang einer ersten Drehachse (b), die parallel zur dritten Translationsachse ist, und entlang einer zweiten Drehachse (c), die senkrecht zu der ersten Drehachse ist, zu verlagern.Die Länge des Präzisionsweges, der das Teil über das Gestell und die Baugruppen der Maschine mit dem Werkzeug verbindet, ist geringer als 1600 mm.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit 5 Achsen und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Stand der Technik
Die Bearbeitungsgenauigkeit herkömmlicher Werkzeugmaschinen, insbesondere von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen (CNC-Werkzeugmaschinen), hängt besonders von ihrer Steifigkeit ab; sehr steife und daher sehr schwere Maschinen werden eingesetzt, um Teile mit hoher Genauigkeit zu bearbeiten - insbesondere, wenn die Präzision den Mikrometer-Bereich erreichen muss.
Derartige Maschinen sind jedoch teuer und voluminös. Die großen Teile, aus denen eine solche Maschine besteht, unterliegen außerdem einer erheblichen Ausdehnung, sodass die Maschinen gekühlt werden müssen. Diese großen Teile haben relativ niedrige Eigenfrequenzen, die den Bearbeitungsprozess stören und die - in der Regel mittels Gestellen und sehr schweren Stützteilen - gedämpft werden müssen. Darüber hinaus verleiht ihnen die große Masse der beweglichen Teile eine erhebliche Trägheit, wodurch die Möglichkeit, mit hoher Geschwindigkeit zu beschleunigen oder die Richtung zu ändern, eingeschränkt wird. Die Kapazität, gekrümmte Oberflächen mit hoher Geschwindigkeit zu bearbeiten, ist daher begrenzt.
Im Übrigen sind auch sehr viel kleinere Werkzeugmaschinen bekannt, die auf einer Werkbank platziert oder sogar in einen Koffer eingebaut werden können. Die mangelnde Steifigkeit und die einzigartige Verwendung dieser Maschinen ermöglichen jedoch weder eine Präzisionsbearbeitung noch eine große Flexibilität.
Kurzdarstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Werkzeugmaschine bereitzustellen, die frei von den Einschränkungen bekannter Werkzeugmaschinen ist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Werkzeugmaschine mit sehr geringem Energieverbrauch vorzuschlagen.
Gemäß der Erfindung werden diese Aufgaben insbesondere durch die Beobachtung gelöst, dass die Fehler aufgrund der Ausdehnungen oft größer sind als die Probleme aufgrund der Steifigkeit - insbesondere bei der Bearbeitung mit sehr hoher Geschwindigkeit und mit sehr hoher Präzision.
Ausgehend von dieser Beobachtung besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Maschine bereitzustellen, bei der die Ausdehnungsprobleme intrinsisch abgeschwächt werden.
Um dieses Ziel zu erreichen, zielt die Erfindung insbesondere darauf ab, die Länge des „Präzisionsweges“, der auch als Kraftschleife bezeichnet wird, zu verringern. Der Präzisionsweg ist die Länge des Weges, der das zu bearbeitende Teil mit dem Werkzeug durch Vorbeigang an starren Teilen, insbesondere an starren und leichten Strukturteilen, die die Achsstruktur der Maschine bilden, verbindet. Je kürzer dieser Weg ist, desto geringer und desto weniger beeinträchtigend werden die Ausdehnungen sein.
Diese Verkürzung des Weges führt zwangsläufig zu einer Verkleinerung des Volumens der beweglichen Teile und des Gestells und damit zu einem Verlust an Steifigkeit. Eines der Ziele der Erfindung besteht folglich darin, eine Konstruktion vorzuschlagen, die es ermöglicht, diesen Weg zu verkürzen, ohne die Steifigkeit mehr als erforderlich zu beeinträchtigen.
Diese zum Teil widersprüchlichen Ziele werden durch den Einsatz einer Werkzeugmaschine erreicht, welche die Elemente des Anspruchs 1 und des Herstellungsverfahrens des Anspruchs 14 umfasst.
Die beanspruchte Werkzeugmaschine eignet sich besonders für die Bearbeitung von kleinen Teilen, beispielsweise von Teilen, deren maximale Abmessungen geringer als 80 mm, vorzugsweise geringer als 50 mm sind. Durch die Begrenzung auf die Bearbeitung von Kleinteilen ist es möglich - dank der Verkürzung des Präzisionsweges und der Länge von Teilen, deren Ausdehnungen die Genauigkeit beeinflussen - eine wesentlich kompaktere und vor allem reaktionsfähigere und präzisere Maschine herzustellen.
Es wurde beobachtet, dass es zur Erhöhung der Steifigkeit und zur Minimierung der Wirkung von geometrischen Fehlern zielführend ist, die Länge von auskragenden Elementen zu reduzieren. Ein Oberflächenfehler von einigen Mikrometern auf einer Gleitschiene wird nämlich verstärkt, wenn der Wagen, der sich entlang dieser Gleitschiene bewegt, erhebliche Abmessungen aufweist.
Die beanspruchte Konstruktion ermöglicht es, den Raum bzw. die Winkelabstände zwischen den verschiedenen Achsen im Wesentlichen gleichmäßig zwischen dem Werkzeug und dem Teil zu verteilen, wodurch es möglich ist, den strukturellen Einfluss jeder einzelnen Achse zu verringern.
So beträgt beispielsweise der Winkel zwischen der ersten Achse und der Ebene der zweiten Achse X 45°; der Winkel zwischen dieser Ebene und der dritten Achse Y beträgt erneut 45°. Der Winkel zwischen der dritten Achse Y und der Drehachse C beträgt 90°; die erste Drehachse befindet sich in diesem Segment zwischen Y und C.
Eine räumliche Konfiguration der Achsen, bei welcher die Achsen zu dem zu bearbeitenden Teil hin konvergieren (Kraftdreieck), ermöglicht es, Bearbeitungsfehler zu reduzieren, da diese spezielle Konfiguration eine Anhäufung von geometrischen Fehlern und/oder thermischen Ausdehnungen der Achsstrukturen verhindert.
Ein Verhältnis von 5/1 zwischen der Achsstruktur der Maschine und dem Teil, das diese bearbeitet, wurde definiert - insbesondere zwischen dem bearbeitbaren Volumen des Teils und der Achsstruktur der Maschine (d. h. dem Volumen der Maschine mit jedem beweglichen Element der beweglichen Teileträgerbaugruppe und der beweglichen Werkzeugträgerbaugruppe in ihren Mittelstellungen).
Die Raumersparnis im Vergleich zu den üblichen Maschinen beträgt mindestens das 3-bis 5-Fache.
Um die Steifigkeit zu steigern, ist die Länge des Präzisionsweges, der das Werkzeug mit dem Teil über die beiden beweglichen Baugruppen und das Gehäuse verbindet, geringer als 600 mm.
Die Form dieses Präzisionsweges bildet im Wesentlichen eine Halbellipse; das heißt, dass der maximale vertikale Abstand zwischen der Achse b und dem unteren Ende der Kulisse der ersten Achse so klein wie möglich, aber dennoch größer als der horizontale Abstand zwischen der Achse Z und dem horizontalen Ende der Kulisse Y ist. Diese Eiform ermöglicht es, die Steifigkeit der Baugruppe zu erhöhen.
Durch die Reduzierung der Masse der beweglichen Teile wird die Energieeffizienz verbessert. Eine herkömmliche Werkzeugmaschine hat üblicherweise eine installierte Leistung von 10 bis 20 kW; die beanspruchte Maschine kann bei vergleichbarer Bearbeitungsgeschwindigkeit mit 350 W - 550 W auskommen.
Die angestrebte Energieeinsparung beträgt mindestens das 10-Fache im Vergleich zu üblichen Maschinen. Ein Verlust der Bearbeitungsqualität ist nicht zu erwarten.
Dank dieser Energieeffizienz heizt sich die Maschine kaum auf. Sie ist auch weniger anfällig für Ausdehnungen. Es ist daher nicht erforderlich, sie zu kühlen.
Es kann eine Luftkühlung (natürlich oder belüftet) eingesetzt werden.
Die Verringerung der beweglichen Massen ermöglicht es, ihre Trägheit zu verringern und folglich mit einer konstanten Geschwindigkeit zu arbeiten, ohne das Werkzeug in den Kurven oder am Ende des Weges verlangsamen zu müssen.
Das Gewicht der beweglichen Massen beträgt vorzugsweise weniger als 10 kg.
Bei Krümmungsradien von 0,5 mm können Bearbeitungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 20 m/Minute oder höher erreicht werden.
Es können Beschleunigungen des Werkzeugs von 2,5 G erreicht werden.
Diese Bearbeitung mit quasi konstanter Geschwindigkeit ermöglicht es, die Oberflächenqualität der bearbeiteten Teile zu verbessern und die Lebensdauer der Werkzeuge zu erhöhen.
Die Achsen der Maschine und die Gleitschienen sind optimiert, um die Reibung zu verringern. Dadurch wird auch der Lärm deutlich reduziert.
Die Verkleinerung des Volumens der Maschine ermöglicht es, den Platzbedarf am Boden und folglich den Bedarf an Industriefläche zu verringern.
Die vorgeschlagene Bearbeitungsmaschine eignet sich besonders für eine Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit (Hochgeschwindigkeitszerspannen, HGZ) mit Hilfe einer Spindel, die mit einer Drehzahl von mehr als über 50'000 Umdrehungen/min, vorzugsweise von bis zu 100'000 Umdrehungen/min, in Rotation versetzt wird.
Dadurch wird die Notwendigkeit einer Schmierung reduziert oder ganz beseitigt.
Die geringe Größe der beweglichen Massen ermöglicht es auch, die Eigenvibrationsfrequenzen der Achsstruktur auf hohe Werte, die den Bearbeitungsprozess nicht stören, zu verschieben. Vibrationsfrequenzen von 250 Hz oder mehr können mit dieser Geometrie und diesen Abmessungen erhalten werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Mikroanlage, in der die geringe Größe der Werkzeugmaschinen genutzt wird, um diese zu vervielfachen.
Die Erfindung betrifft außerdem ein HGZ Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsverfahren.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der durch die beigefügten Figuren veranschaulichten Beschreibung angegeben.
Ausführungsbeispiel(e) der Erfindung
Die 1 bis 4 zeigen eine erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine 1 mit 5 Achsen.
Die Bearbeitungsmaschine 1 umfasst ein Gestell 3 zum operativen Positionieren der Maschine 1 auf einer Arbeitsfläche, wie beispielsweise einem Bearbeitungstisch oder einem Bearbeitungsmöbelstück, um einer Bedienperson das Ausführen einer Bearbeitung mittels der Maschine 1 zu ermöglichen. Die Maschine 1 umfasst eine bewegliche Werkzeugträgerbaugruppe 5, die es ermöglicht, eine Werkzeugträgerspindel 7 relativ zu dem Gestell zu verlagern, und eine bewegliche Teileträgerbaugruppe 11, die es ermöglicht, ein zu bearbeitendes Teil 150 relativ zu dem Gestell zu verlagern.
Die bewegliche Werkzeugträgerbaugruppe 5 ist dazu eingerichtet, eine Verlagerung der Werkzeugträgerspindel 7 relativ zu dem Gestell entlang einer ersten Translationsachse (Z) und entlang einer zweiten Translationsachse (X), die zur ersten Achse senkrecht ist, zu ermöglichen. Die zweite Translationsachse (X) setzt Kulissen 9 in einer Ebene (p) ein, die mit der ersten Translationsachse (Z) einen Winkel α1 zwischen + 40° und + 50° bildet.
Die bewegliche Teileträgerbaugruppe 11 ist dazu konfiguriert, das zu bearbeitende Teil bezogen auf das Gestell 3 zu verlagern entlang:

einer dritten Translationsachse (Y), die zur ersten Translationsachse Z und zur zweiten Translationsachse X senkrecht ist,
einer ersten Drehachse (b), die zur dritten Translationsachse (Y) parallel ist, und
einer zweiten Drehachse (c), die zur ersten Drehachse (b) senkrecht ist.

Die erste Translationsachse (Z) entspricht der Bearbeitungsrichtung des Teils. Die 3 zeigt eine bevorzugte Positionierung der Maschine 1, bei der die erste Achse (Z) vertikal, d. h. in Schwerkraftrichtung, ausgerichtet ist.
Gemäß dieser bevorzugten vertikalen Bearbeitungspositionierung ist die erste Translationsachse Z vertikal, während die zweite Translationsachse X horizontal ist. Die dritte Translationsachse (Y) und die erste Drehachse (b) sind horizontal, senkrecht zu X, ausgerichtet.
Selbstverständlich ist es möglich, die Maschine so zu drehen, dass die erste Achse Z horizontal (senkrecht zur Schwerkraftrichtung) oder geneigt zur Schwerkraftrichtung angeordnet ist. Für die Zwecke des Textes ist daher die vertikale Richtung als die der Achse Z definiert.
Die Länge des Präzisionsweges der Maschine, der auch als Kraftschleife der Maschine bezeichnet wird und der das Teil mit dem Werkzeug über das Gestell und die Teileträger- und Werkzeugträgerbaugruppen verbindet, ist geringer als 1000 mm.
Die axiale Konfiguration dieser Maschine sowie ihre kleine Kraftschleife (ihr kurzer Abstand), ermöglichen es, eine Bearbeitungsmaschine vorzuschlagen, welche die Ausbreitung sowie die Verstärkung der Wärmeausdehnungseffekte dieser Baugruppen auf die relative Positionierung zwischen der Werkzeugträgerspindel und dem zu bearbeitenden Teil verringert. Dadurch wird die Inbetriebnahmezeit der Maschine erheblich verkürzt.
Die Maschine umfasst einen entlang der dritten Translationsachse Y beweglichen Wagen 15. Dieser Wagen, der durch die 5 und 6 dargestellt ist, nimmt einen Motor 13 auf, der eine Drehung des Teils 150 um die erste Drehachse (b) ermöglicht. Der Wagen umfasst einen Zylinder 17, der mit Rippen zur Aufnahme und Kühlung dieses Motors 13 versehen ist, und einen durchbrochenen Käfig 19 um diesen Zylinder herum.
Vorteilhafterweise sind der Käfig und der Zylinder aus einem einzigen Gussstück gebildet, wobei die Kontaktoberfläche zwischen dem Käfig und dem Zylinder geringer ist als 10 cm2, um die Wärmeübertragung von dem Motor auf den Käfig zu minimieren.
Die Maschine ist mit einem Motor 23 versehen, der dazu eingerichtet ist, eine Drehung des Teils um die zweite Drehachse (c) zu ermöglichen. Der Motor 23 ist entlang der dritten Translationsachse (Y) und entlang der ersten Drehachse (b) beweglich montiert, da er durch einen Träger 25 gehalten ist, der auf der Achse des Motors 13 der ersten Drehachse (b) montiert ist.
Die Maschine umfasst Kulissen 27, die in einer ersten Ebene angeordnet sind und entlang der dritten Translationsachse Y arbeiten. Diese erste Ebene ist vorzugsweise horizontal, wenn die Maschine zur vertikalen Bearbeitung konfiguriert ist.
Vorteilhafterweise ist die Maschine 1 so angeordnet, dass der Abstand (d1) entlang der Bearbeitungsrichtung (erste Translationsachse Z) zwischen dieser ersten Ebene und der ersten Drehachse (b) geringer ist als 10 cm.
Die Maschine umfasst Kulissen, die in einer zweiten Ebene angeordnet sind und entlang der ersten Translationsachse Z arbeiten. Vorteilhafterweise ist die Maschine 1 so angeordnet, dass der Abstand d2 entlang der Bearbeitungsrichtung (erste Translationsachse Z) zwischen dem unteren Ende dieser vertikalen Kulissen und der ersten Ebene geringer ist als 10 cm.
Vorteilhafterweise ist die Maschine 1 so angeordnet, dass der Abstand d3 senkrecht zur Bearbeitungsrichtung (erste Translationsachse Z) zwischen der Drehachse der Spindel und der zweiten Ebene geringer ist als 10 cm.
Vorteilhafterweise ist die Maschine 1 so angeordnet, dass der Abstand d4 senkrecht zur Bearbeitungsrichtung (erste Translationsachse Z) zwischen der Drehachse der Spindel und dem Ende der Kulissen 27 der ersten Ebene geringer ist als 10 cm.
Die zu dem zu bearbeitenden Teil hin konvergierenden Kulissen ermöglichen es, Bearbeitungsfehler zu reduzieren, da diese Konfiguration einer Anhäufung und/oder einer Verstärkung von geometrischen Fehlern und/oder Ausdehnungen jeder Kulisse entgegenwirkt.
Die erhöhte Steifigkeit der Maschine 1 im Vergleich zu den bekannten Bearbeitungsmaschinen mit kleinen Abmessungen ermöglicht den Einsatz eines Hochgeschwindigkeitsbearbeitungswerkzeugs (HGZ).
Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist eine Bearbeitungstechnik, die gekennzeichnet ist durch eine Schneidgeschwindigkeit, die im Allgemeinen mindestens vier- bis zehnmal höher ist als bei der herkömmlichen Bearbeitung.
Die HGZ-Schneidgeschwindigkeit entspricht, was die Bearbeitung von Stahl betrifft, einem Geschwindigkeitsbereich zwischen 500 und 2'000 m/min (Meter pro Minute), während die herkömmliche Bearbeitungsgeschwindigkeit auf einen Bereich von 30 bis 200 m/min beschränkt ist. Die Drehzahl der Spindeln ist folglich üblicherweise höher als 20'000 Umdrehungen/min, beispielsweise in der Größenordnung von 50'000 bis 100'000 Umdrehungen/min.
Die HGZ-Bearbeitungsbedingungen ermöglichen insbesondere eine Verringerung der Ausbreitung von Wärme, die im Betrieb der Bearbeitung an die Komponenten der Maschine, insbesondere an den Teileträger, abgegeben wird. Die höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit ermöglicht es - bezogen auf eine herkömmliche Bearbeitung - einen größeren Teil der Wärme durch den Span abzuführen.
Diese Lösung ermöglicht es, später die Wärmeausdehnungen der Struktur der Maschine unterhalb eines kritischen Schwellenwerts zu begrenzen.
Das Verhältnis 1/5 zwischen dem Teil und der Achsstruktur ermöglicht eine Verringerung des Stromverbrauchs der Maschine. Eine signifikante Verringerung der Trägheiten, die durch die Miniaturisierung der Achsstruktur (Verhältnis 1/5 zwischen dem Teil und der Achsstruktur) erhalten wird, ermöglicht es nämlich - in Kombination mit einer HGZ-Bearbeitungsstrategie mit einer erhöhten Schneidgeschwindigkeit im Verhältnis zu einer herkömmlichen Bearbeitung - die für die Bearbeitung eines Teils erforderliche Energie zu verringern, z. B. von einem Gesamtverbrauch von 10 kW auf 550 W oder sogar 300 W. Diese Lösung verringert später die Betriebskosten der Maschine sowie die durch die Betätigungsvorrichtungen der Maschine erzeugte Wärmeenergie, was es ermöglicht, auf eine Klimatisierungslösung für die thermische Stabilisierung der Struktur der Bearbeitungsmaschine zu verzichten.
Die HGZ-Bearbeitung und die geringe Abmessung der beweglichen Teile ermöglicht es, im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen relativ hohe Eigenfrequenzen, in der Größenordnung von 250 Hz oder mehr, zu erhalten. Diese relativ hohen Eigenfrequenzen stören den Bearbeitungsprozess weniger und müssen somit nicht mittels Gestellen und sehr schweren Stützteilen gedämpft werden, wodurch die Kapazität zur Beschleunigung oder Richtungsänderung mit großer Geschwindigkeit nicht beschränkt wird.
Die Begrenzung der in Bewegung befindlichen Massen der Maschine, insbesondere auf weniger als 10 kg, ermöglicht es, besonders durch höhere Beschleunigungen und eine Verringerung der Trägheit, welche die Notwendigkeit, in den Kurven zu verlangsamen, vermeidet, im Vergleich zu den Maschinen des Standes der Technik eine erhöhte Bearbeitungskapazität zu erhalten.
Die 7 und 8 zeigen eine Mikroanlage 30 mit mehreren Bearbeitungsmaschinen 1.
Das Bearbeitungszentrum 30 umfasst mehrere Abteilungen, die jeweils dazu bestimmt sind, eine Bearbeitungsmaschine 1 betriebsfähig aufzunehmen.
Durch die verringerten Abmessungen der Maschinen 1 können diese Abteilungen nicht nur nebeneinander, sondern auch übereinander angeordnet sein.
Vorteilhafterweise ist eine erste dieser Bearbeitungsmaschinen dazu eingerichtet, synchron zu einer zweiten dieser Bearbeitungsmaschinen derart zu arbeiten, insbesondere ein erstes Teil zu bearbeiten, dass eine Ausbreitung der Vibrationen, die durch die zweite Maschine bei einer Bearbeitung eines zweiten Teils erzeugt werden, gedämpft und/oder verringert wird.
Diese Lösung ermöglicht es, die Vibrationen, die in den Strukturen des Bearbeitungszentrums erzeugt werden und sich in diesen ausbreiten, zu verringern, wodurch es möglich wird, ihre negativen Auswirkungen auf die Bearbeitungsgenauigkeit der Maschinen des Zentrums abzuschwächen.
Das Bearbeitungszentrum umfasst ein Werkzeugmagazin 32 und ein Teilemagazin 34, die einem Teil, vorteilhafterweise der Gesamtheit, der Maschinen 1 des Bearbeitungszentrums zur Verfügung gestellt werden. Das Zentrum umfasst einen Roboter 36, der dazu eingerichtet ist, Teile und/oder Werkzeuge zwischen einem der Magazine 32, 34 und jeder dieser Maschinen transportieren zu können, um die Bearbeitung des Teils zu ermöglichen.
Das Teilemagazin 32 kann vorteilhafterweise dazu eingerichtet sein, zu bearbeitende Teile, Zwischenteile und Fertigteile einzulagern.
Vorteilhafterweise kann das Bearbeitungszentrum eine oder mehrere gemeinsam genutzte Stationen oder Vorrichtungen umfassen, die für mehrere Maschinen des Zentrums gebündelt werden, insbesondere:

eine Stromversorgung;
eine Sauganlage für das Absaugen der Dämpfe;
ein System zur Rückgewinnung von Spänen (40);
einen Feuerlöscher;
eine Sicherheitstür; und/oder
eine Sprinkleranlage.

Die Mikroanlage nimmt für jede Maschine einen individuellen Verstärker 38 auf, um die Steuersignale jeder Bearbeitungsmaschine zu erzeugen.
Die Anordnung der Maschinen 1 der Mikroanlage 30 in einer Matrix, d. h. in mehreren Spalten und Reihen, ermöglicht vor allem, die in einem Bearbeitungsraum zur Verfügung stehenden Räume besser zu nutzen, indem die Einrichtungskosten der Maschinen verringert werden. Diese Anordnung ermöglicht es außerdem, die Verfahrwege des Roboters beim Transport von Teilen und/oder eines Werkzeugs von oder zu den Bearbeitungsmaschinen zu verkürzen.
Außerdem ermöglicht es diese Anordnung von Standorten der Bearbeitungsmaschinen in einer Matrix vorteilhafterweise, an einem oder mehreren dieser Standorte eine Messmaschine zur Kalibrierung dieser Bearbeitungsmaschinen und zur Überprüfung der Qualität der hergestellten Teile unterzubringen.
Das Bearbeitungszentrum kann an einem der Standorte auch mindestens eine Endbearbeitungsmaschine und/oder eine Waschmaschine umfassen.
Das Bearbeitungszentrum kann auch eine Benutzerschnittstelle, wie ein Tablet 50, für die Steuerung des gesamten Bearbeitungszentrums, insbesondere seiner Bearbeitungsmaschinen, seiner gemeinsam genutzten Stationen oder Vorrichtungen, der Messmaschine, der Endbearbeitungsmaschine und/oder der Waschmaschine umfassen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Bearbeitungsmaschine, wie beispielsweise die vorgenannte Bearbeitungsmaschine 1, umfassend mindestens eine bewegliche Baugruppe 5, 11 zum Bewegen einer Werkzeugspindel 7 relativ zu einem zu bearbeitenden Teil 150.
Das Verfahren zur Herstellung der Bearbeitungsmaschine umfasst einen Schritt des Bestimmens des Platzbedarfs der Bearbeitungsmaschine; einen Schritt des Auswählens einer Architektur; einen Schritt des Optimierens der Steifigkeit der Maschine und einen Schritt des Reduzierens der in Bewegung befindlichen Massen.
Das Bestimmen des Platzbedarfs der Bearbeitungsmaschine umfasst insbesondere ein Dimensionieren der Größe der Bearbeitungsmaschine, d. h. ein Dimensionieren der Achsstruktur der Maschine in Abhängigkeit von der maximalen Größe der von der Maschine bearbeitbaren Teile.
Die maximale Größe der von der Maschine bearbeitbaren Teile kann als das maximale Volumen, das von der Bearbeitungsmaschine bearbeitet werden kann, definiert werden. Das Volumen kann durch eine geometrische Form definiert werden, die eine Typologie von zu bearbeitenden Teilen beschreibt. Im Bereich der Uhren- und Schmuckindustrie kann das Volumen vorteilhaft durch eine kubische Form beschrieben werden, um die unterschiedlichsten Uhren und Schmuckstücke unabhängig von ihrer Ausrichtung besser zu repräsentieren.
Das Dimensionieren der Achsstruktur der Maschine erfolgt durch eine Multiplikation eines Achsstrukturfaktors mit dem maximal durch die Maschine bearbeitbaren Volumen.
Von der Anmelderin durchgeführte Tests haben gezeigt, dass ein Achsstrukturfaktor zwischen 3 und 7 eine Herstellung einer kompakten und gleichzeitig effizienten Bearbeitungsmaschine ermöglicht. Studien der Anmelderin bestätigten - insbesondere für kubische Bearbeitungsvolumen von 50 bis 100 mm Seitenlänge - ein Verhältnis von 5 : 1 zwischen den Abmessungen des maximal zu bearbeitenden Teils (Abmessung des maximalen bearbeitbaren Volumens) und den Abmessungen der Maschine (Abmessung des Maschinenvolumens, d. h. der Achsstruktur der Maschine).
Mobile Baugruppen mit im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen reduzierten Maximalhüben ermöglichen eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs der Maschine, da die Massen, die (insbesondere durch ihre Motoren) in Bewegung gesetzt werden müssen, leichter sind.
Das Bestimmen des Platzbedarfs der Bearbeitungsmaschine umfasst außerdem eine Definition des Präzisionsweges (Kraftschleife) in Abhängigkeit von der Dimensionierung der genannten Achsstruktur der Maschine, d. h. in Abhängigkeit von dem maximalen Volumen, das von der Bearbeitungsmaschine bearbeitet werden kann.
Der Präzisionsweg, auch als Kraftschleife bezeichnet, wird durch den kürzesten Weg, der das zu bearbeitende Teil mit dem Werkzeug durch Vorbeigang an starren Maschinenteilen verbindet, bestimmt, wenn sich alle ihre Kulissen in der Mitte befinden. Der Präzisionsweg stellt somit die Kraftlinien dar, die durch die verschiedenen Strukturen der Maschine, insbesondere durch die bewegliche Baugruppe 5, 11, von dem Werkzeug zu dem Teil verlaufen.
Der optimale Präzisionsweg wird durch Multiplikation eines Wege-Faktors mit einer der Abmessungen der Achsstruktur, insbesondere einer ihrer Seiten, wenn die Achsstruktur eine kubische Form aufweist, bestimmt.
Von der Anmelderin durchgeführte Tests haben ergeben, dass ein Wege-Faktor von 0.3 bis 0.9 multipliziert mit einer der Seiten des die Achsstruktur darstellenden kubischen Volumens, es ermöglicht, die Ausdehnungen der Komponenten der Maschine, insbesondere der starren Strukturen der beweglichen Baugruppe 5, 11, zu reduzieren. Die Studien der Anmelderin bestätigten einen Wege-Faktor von 0.6 als besonders vorteilhaft.
Der Schritt des Optimierens der Steifigkeit der Maschine umfasst eine Herstellung der starren Strukturen der Maschine, insbesondere der beweglichen Baugruppe mittels vorzugsweise (im Wesentlichen) geschlossener Schalenstrukturen.
Eine Schalenstruktur ist ein Festkörper, der durch zwei Hauptflächen begrenzt ist, die nahe und etwa parallel zueinander liegen. Eine (im Wesentlichen) geschlossene Schalenstruktur ist eine in sich geschlossene, und/oder durch eine Umfangsfläche (den Rand) begrenzte Schalenstruktur, welche die beiden Hauptflächen verbindet.
Diese Lösung ermöglicht es, starre Strukturen, die zugleich leicht bleiben, zu erzeugen, wodurch in der Folge der Energieverbrauch der Maschine, insbesondere ihrer Motoren, welche die beweglichen Baugruppen in Bewegung setzen, reduziert werden kann.

Claims

Bearbeitungsmaschine (1) mit mindestens 5 Achsen, umfassend: ein Gestell (3), eine bewegliche Werkzeugträgerbaugruppe (5), welche es ermöglicht, eine Werkzeugträgerspindel (7) relativ zu dem Gestell entlang einer ersten Translationsachse (Z) und entlang einer zweiten Translationsachse (X), die zur ersten Translationsachse (Z) senkrecht ist, zu verlagern, wobei die zweite Translationsachse (X) Kulissen (9) in einer Ebene (p) einsetzt, die mit der ersten Translationsachse (Z) einen Winkel (α1) zwischen + 40° und + 50° bildet, eine bewegliche Teileträgerbaugruppe (11), die es ermöglicht, ein Teil (150) bezogen auf das Gestell entlang einer dritten Translationsachse (Y), die zu der ersten und der zweiten Translationsachse senkrecht ist, entlang einer ersten Drehachse (b), die zur dritten Translationsachse (Y) parallel ist, und entlang einer zweiten Drehachse (c), die zu der ersten Drehachse (b) senkrecht ist, zu verlagern, wobei die Länge des Präzisionsweges, der das Teil (150) mit dem Werkzeug (21) über das Gestell und die Baugruppen verbindet, geringer als 1600 mm, vorzugsweise geringer als 1000 mm ist.
Maschine nach Anspruch 1, bei der der Motor (13) der ersten Drehachse (b) entlang der dritten Translationsachse (Y) beweglich ist.
Maschine nach Anspruch 2, einen Wagen (15) zur Aufnahme des Motors (13) der ersten Drehachse (b) umfassend, wobei der Wagen einen Zylinder (17) umfasst, der vorzugsweise mit passiven Kühlmitteln, insbesondere Rippen, zur Aufnahme und Kühlung dieses Motors (13) und mit einem offenen Käfig (19) um diesen Zylinder herum versehen ist, wobei der Käfig und der Zylinder aus einem einzigen Gussstück gebildet sind, wobei die Kontaktoberfläche zwischen dem Käfig und dem Zylinder geringer ist als 10 cm2, um die Wärmeübertragung vom Motor auf den Käfig zu minimieren.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Motor (23) der zweiten Drehachse (c) entlang der dritten Translationsachse (Y) und entlang der ersten Drehachse (b) beweglich ist.
Maschine nach Anspruch 4, einen Träger (25) für den Motor (23) der zweiten Drehachse umfassend, wobei der Träger (25) auf der Achse des Motors (13) der ersten Drehachse (b) montiert ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die dritte Translationsachse (Y) Kulissen (27) in einer ersten, vorzugsweise horizontalen, Ebene einsetzt, wobei der Abstand (d1) entlang der ersten Translationsachse (Z) zwischen dieser ersten Ebene und der ersten Drehachse (b) geringer ist als 10 cm, wobei die erste Translationsachse (Z) Kulissen in einer zweiten, vorzugsweise vertikalen Ebene einsetzt, wobei der Abstand (d2) entlang der ersten Translationsachse (Z) zwischen dem unteren Ende dieser Kulissen dieser zweiten Ebene und der ersten Ebene geringer ist als 10 cm.
Maschine nach Anspruch 6, wobei der Abstand (d3) senkrecht zur ersten Translationsachse (Z) zwischen der Achse der Spindel und der zweiten Ebene geringer ist als 10 cm.
Maschine nach Anspruch 7, wobei der Abstand (d4) senkrecht zur ersten Translationsachse (Z) zwischen der Achse der Spindel und dem Ende der Kulissen (27) in der ersten Ebene geringer ist als 10 cm.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die bewegliche Werkzeugträgerbaugruppe (5) einen Aktuator umfasst, der dazu eingerichtet ist, die Werkzeugträgerspindel 7 mit einer Drehzahl von mehr als 50'000 Umdrehungen/min, vorzugsweise zwischen 50'000 und 100'000 Umdrehungen/min zu drehen.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der, wenn die Maschine (1) betriebsfähig positioniert ist, um das Teil zu bearbeiten, die erste Translationsachse (Z) vertikal ausgerichtet ist, die zweite Translationsachse (X) horizontal ausgerichtet ist, und die dritte Translationsachse (Y) horizontal ausgerichtet ist.
Mikroanlage (30), eine Vielzahl von Maschinen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die übereinander angeordnet sind, umfassend.
Mikroanlage nach Anspruch 11, eine Vielzahl von Maschinen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die nebeneinander angeordnet sind, umfassend.
Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsverfahren, insbesondere HGZ-Bearbeitung, das von einer Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Bearbeitungsmaschine (1), die mindestens eine bewegliche Baugruppe (5, 11) umfasst, welche es ermöglicht, eine Werkzeugspindel (7) relativ zu einem zu bearbeitenden Teil (150) zu verlagern, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - das Bestimmen eines maximalen durch die Bearbeitungsmaschine (1) bearbeitbaren Volumens, wobei das bearbeitbare Volumen vorzugsweise kubisch ist; - das Dimensionieren der Achsstruktur der Maschine durch das Multiplizieren eines Achsstrukturfaktors mit dem maximal durch die Maschine bearbeitbaren Volumen; und - das Dimensionieren des Präzisionsweges der Maschine abhängig von der Dimensionierung der Achsstruktur der Maschine; wobei der Achsstrukturfaktor aus einem Wertebereich von 3 bis 7 ausgewählt ist und wobei der Translationsfaktor vorzugsweise 5 ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 14, wobei der Präzisionsweg durch Multiplikation eines Wege-Faktors mit einer der Dimensionen der Achsstruktur dimensioniert wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, wobei die Achsstruktur eine kubische Form aufweist, wobei die Abmessung der Achsstruktur eine der Seiten des Kubus ist; wobei der Wege-Faktor aus einem Wertebereich von 0.3 bis 0.9 ausgewählt ist und wobei der Wege-Faktor vorzugsweise 0.6 ist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die mindestens eine bewegliche Baugruppe (5, 11) mittels im Wesentlichen geschlossener Schalenstrukturen hergestellt wird.