DE19522963A1 - Fachwerkanordnung für eine Werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein starres Gerüst für eine Werkzeugma­ schine, beispielsweise eine Drehmaschine, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zahlreiche Funktionen einer Maschine erfordern ein hohes Maß an Positionsgenauigkeit zwischen verschiedenen Elementen der Ma­ schine, um eine genaue Arbeitsweise der Maschinenkomponenten oder der Werkstücke zu gewährleisten. Beispielsweise erfordert der Rahmen einer Werkzeugmaschine üblicherweise eine hohe Steif­ heit, um eine genaue Positionierung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück beizubehalten. Dies wurde in der Vergangenheit im wesentlichen durch schwere Guß- oder Schweißteile erreicht, die die erforderliche Festigkeit und Steifheit haben.

Das Gewicht oder die Masse dieser Maschinenteile ist jedoch problematisch, da sie dem Betrieb und der Konstruktion Grenzen setzen. So lassen sich schwere Guß- oder Schweißteile nicht mit hoher Geschwindigkeit bewegen oder hinreichend stark beschleuni­ gen, um moderne Bearbeitungsanforderungen zu erfüllen. Ferner erfordern zahlreiche moderne Bearbeitungsvorgänge komplizierte Werkzeugbewegungen, was durch schwere Konstruktionsteile nicht ohne weiteres möglich ist. Setzt man hingegen leichtere Kon­ struktionen ein, dann leidet die Steifheit darunter und die Maschine arbeitet ungenauer. Nicht hinreichend steife Konstruk­ tionen führen jedoch zu einem unregelmäßigen Maschinenbetrieb, der zu unerwünschten Effekten wie Werkzeugrattern führt.

Da sich die Toleranzanforderungen für spanend bearbeitete Werk­ stücke kontinuierlich steigern, werden solche Instabilitäten und Ungenauigkeiten immer unakzeptabler. Mit der immer steigenden Anforderung an die Genauigkeit steigt auch das Verlangen nach höheren Produktionsgeschwindigkeiten, was zu höheren Werkzeug­ geschwindigkeiten und Werkzeugbeschleunigungen führt. So sind beispielsweise hohe Beschleunigungen erforderlich, wenn das Schneidwerkzeug schnell um einen kleinen Radius bewegt werden soll. Nun ist es aber schwierig, bekannte Werkzeugmaschinenkon­ struktionen aus Gußeisen oder geschweißtem Stahl hinreichend genau zu beschleunigen oder, wenn nicht so hohe Gewichte vorhan­ den sind, die erforderliche Starrheit beizubehalten.

In jüngerer Zeit wurden bereits Bearbeitungsmaschinen entwic­ kelt, die starre Rahmen haben und die dadurch die Gesamtmasse reduzieren, während sie versuchen, für wenigstens einen Großteil der Bearbeitungsvorgänge die hinreichende Steifheit zu haben. So hat zumindest eine bekannte Trägerkonstruktion einen geschlosse­ nen Körper vom Typ "Monocoque". Diese Konstruktion besitzt einen äußeren, feststehenden Rahmen mit vertikalen Streben, die mit Querstreben verbunden sind. Das Volumen innerhalb dieser Kon­ struktion ist die ,Maschinenarbeitszone, und sie ist so hinrei­ chend bemessen, daß die Bewegung eines Werkzeugkopfs und eines Schlittens möglich ist. Die Konstruktion hat aber aufgrund des verhältnismäßig großen und starren Rahmens bestimmte Nachteile, da dieser mit hinreichend starren Werkzeugmaschinenköpfen und Werkstückplattformen zusammenarbeiten muß, um ein Verbiegen zu verhindern, was zu ungenauer Bearbeitung führt. Der starre Rah­ men dient also mehr zur Reduktion des Transportgewichts als zur Schaffung eines leichten Rahmens, der sich mit einer Maschinen­ komponente bewegen soll.

Bei einer anderen Konstruktion hat ein feststehender Rahmen für eine Werkzeugmaschine die Form eines Tetraeders. Auch diese Konstruktion hat einen verhältnismäßig großen Rahmen, der das Transportgewicht reduziert, aber dieser Rahmen kann nicht zu­ sammen mit einem angebrachten Maschinenteil bewegt werden. Der tatsächliche Werkzeugkopf und der Werkstückhalter sind in diesem großen Tetraeder-Rahmen untergebracht und werden dort gehand­ habt, während der Rahmen stationär bleibt. Eine weitere Schwie­ rigkeit dieser Konstruktion besteht darin, daß der Rahmen Biege­ beanspruchungen unterliegt, die auf die Kraftübertragung von dem Werkzeugkopf zu den Werkstückhaltern zurückzuführen sind. Dies ist für genaue Bearbeitungsvorgänge unzuträglich.

Bei einer anderen Konstruktion wird ein externer, stationärer Werkzeugmaschinenrahmen in Form eines Oktaeders verwendet, um eine größere Starrheit für den Gesamtrahmen einer Werkzeugma­ schine herzustellen, wobei sich die tatsächliche Maschinenmasse reduziert. Der oktaedrische Rahmen trägt sowohl einen Arbeits­ tisch und Servorstangen, die wiederum den Spindelkopf tragen. Diese Konstruktion ist jedoch keine leichte, starre, bewegbare Fachwerkkonstruktion, die die Positionierung verschiedener Ma­ schinenteile aufrechterhalten kann. Der äußere, oktaedrische Rahmen reduziert zwar das Transportgewicht, aber er verbessert nicht die Arbeitswirkung der Maschine, da die bewegbaren Massen nicht reduziert sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bearbeitungsmaschine zu schaffen, die die zuvor erwähnten Nachteile nicht besitzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Patentan­ spruchs 1.

Die Erfindung betrifft also ein bewegbares, starres Fachwerk für eine Maschine, beispielsweise eine Werkzeugmaschine, die be­ stimmte Arbeitsvorgänge an einem Werkstück durchführen kann. Das Fachwerk umfaßt ein leichtes Raumgerüst mit untereinander ver­ bundenen Streben und Knoten, die ein starres Fachwerk bilden, das ein Maschinenteil bewegen kann und gleichzeitig die Posi­ tionsgenauigkeit beibehält. Das reduzierte Gewicht erlaubt es, daß sich das Fachwerk mit hohen. Geschwindigkeiten und schnellen Beschleunigungen bewegt.

In einer Ausführungsform umfaßt das Fachwerk eine erste Werk­ zeugmaschinenkomponente, die mit dem Werkstück und einem ersten Raumgerüst zusammenarbeitet. Das Raumgerüst umfaßt eine Gruppe von Haltestreben, die an der Werkzeugmaschinenkomponente starr angebracht sind. Die Haltestreben erstrecken sich von der Werk­ zeugmaschinenkomponente nach außen und enden in einer Anzahl von äußeren Anschlußbereichen. Das Raumgerüst umfaßt ferner eine Gruppe von Haltestreben, von denen zumindest einige sich von den äußeren Anschlußbereichen erstrecken. Die Haltestreben sind miteinander verbunden, um Kräfte aufzunehmen, die auf die Werk­ zeugkomponente einwirken, ohne daß ein wesentliches Verbiegen der Haltestreben oder der Stützstreben erfolgt.

In anderer Hinsicht umfaßt das starre Fachwerk eine zweite Werk­ zeugmaschinenkomponente, die mit dem Werkstück zusammenarbeitet. Ein Raumgerüst ist starr an der zweiten Werkzeugmaschinenkom­ ponente angebracht und eine Betätigungseinrichtung verbindet das zweite Raumgerüst mit dem ersten Raumgerüst. Die Betätigungsein­ richtung bewegt das erste Raumgerüst gegenüber dem zweiten Raum­ gerüst auf einem vorgegebenen Weg.

Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine umfaßt ferner eine Basis und einen Werkstückhalter, der auf der Basis montiert ist. Ein erstes Raumgerüst ist an dem Halter angebracht und ein zweites Raumgerüst ist von dem ersten Raumgerüst unabhängig. Eine Werk­ zeugmaschinenkomponente wie ein Werkzeughalter mit einer Spindel ist an dem zweiten Raumgerüst angebracht. Eine Anzahl von aus­ fahrbaren Beinen verbindet das erste Raumgerüst mit dem zweiten Raumgerüst. Das Ausfahren jedes Beines erfolgt auf gesteuerte Weise, um die Werkzeugmaschinenkomponente auf einem vorgegebenen Weg in bezug auf den Werkstückhalter zu bewegen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbei­ spiels;

Fig. 2 eine Vorderansicht der in Fig. 1 dargestellten Vor­ richtung;

Fig. 3 eine Seitenansicht der Vorrichtung aus Fig. 1;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 2;

Fig. 6 einen Längsteilschnitt einer der Jochanordnungen zum Anschließen eines angetriebenen Beins an eine Platt­ form oder einen Halter;

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 von Fig. 5; und

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie 8-8 von Fig. 2.

Die Erfindung umfaßt also ein bewegbares, fachwerkartiges Raum­ gerüst zur Verwendung bei Maschinen, bei denen eine hohe Posi­ tionsgenauigkeit zwischen Maschinenkomponenten aufrechterhalten werden muß, ohne daß darunter die gewünschte Geschwindigkeit oder Beschleunigung einer Komponente in bezug auf die andere leidet. Raumgerüste nach der Erfindung sind aus Streben herge­ stellt, die durch Knoten miteinander verbunden sind und die so gestaltet sind, daß sie Kräften entgegenwirken, die auf eine feststehende Maschinenkomponente wirken, ohne daß eine wesentli­ che Verbiegung erfolgen soll. Diese Raumgerüste können einzeln oder in Kombination miteinander je nach Anwendungsfall verwendet werden. Beispielsweise kann bei einer üblichen Werkzeugmaschine ein einziges Raumgerüst an einer Spindel angebracht und entweder zur Vertikalbewegung entlang einer senkrechten Säule oder zur horizontalen Bewegung entlang eines Bettes montiert sein. Ob­ gleich die erfindungsgemäßen leichten und bewegbaren Raumgerüste bei einer Anzahl von Maschinen eingesetzt werden können, be­ schreibt die nachfolgende Figurenbeschreibung eine bevorzugte Ausführungsform, bei der zwei Raumgerüste bei einer modernen, mehrachsigen Bearbeitungsmaschine zum Einsatz kommen. Die Er­ findung ist jedoch auf diese besondere Ausführungsform nicht beschränkt.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine Maschine 10 mit zwei fachwerk­ artigen Raumgerüsten, einem unteren Raumgerüst 12 und einem oberen Raumgerüst 14. Natürlich könnten die Raumgerüste 12 und 14 in einer Anzahl von Variationen hergestellt und eingesetzt werden, die einer Anzahl anderer Maschinen entspricht, bei denen ein starres, biegesteifes Teil erforderlich ist, um die Posi­ tionsgenauigkeit zwischen verschiedenen Teilen der Maschine beizubehalten und bei der außerdem die Rahmenmasse einen schäd­ lichen Einfluß auf den Maschinenbetrieb hätte.

Ferner sei darauf hingewiesen, daß das "untere" Raumgerüst 12 und das "obere" Raumgerüst 14 lediglich aus Gründen der Be­ schreibung so bezeichnet sind. In Wirklichkeit könnte der Ein­ satz auch anders erfolgen, so daß diese Beschreibung keine Be­ schränkung darstellt.

Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Raumgerüste 12 und 14 in Verbindung mit einer Maschine 10 gezeigt, die nachfol­ gend als Werkzeugmaschine 10 bezeichnet werden soll, wobei ver­ schiedene Bearbeitungsvorgänge wie Fräsen, Bohren, Schneiden, Polieren o. ä. durchgeführt werden können. Die Werkzeugmaschine 10 besitzt eine Basis 16, an der eine Werkzeugmaschinenkomponen­ te wie ein Werkstückhalter 18 angebracht ist, vorzugsweise durch Montagestreben 19 gemäß Fig. 2. Das Raumgerüst 12 ist starr mit dem Werkstückhalter 18 verbunden, und obgleich es an der Basis 16 befestigt sein könnte, ist es oft zweckmäßig, das Raumgerüst 12 direkt und ausschließlich an dem Werkstückhalter 18 anzubrin­ gen.

Das Raumgerüst 14 ist von dem Raumgerüst 12 getrennt angeordnet und starr an einer anderen Werkzeugmaschinenkomponente ange­ bracht, beispielsweise dem Werkzeughalter 20. Typischerweise umfaßt der Werkzeughalter 20 eine Spindel 22, die ein Schneid­ werkzeug oder ein anderes Bearbeitungswerkzeug, das nicht darge­ stellt ist, einspannt und dreht. Das Raumgerüst 12 und das Raum­ gerüst 14 werden durch eine Betätigungsvorrichtung 24 in bezug aufeinander bewegt, die eine Anzahl von ausfahrbaren Beinen 26 aufweist. Bei einer konventionelleren Werkzeugmaschine könnten ein einzelnes oder mehrere Raumgerüste an einem Bett oder an einem Ständer durch eine Betätigungsvorrichtung angebracht sein, beispielsweise in Form einer Kugelmutter und einer Kugelschnec­ ke, die von einem Elektromotor angetrieben werden. Die Betäti­ gungsvorrichtung würde dann das Raumgerüst in bezug auf das Bett oder den Ständer bewegen. Die Werkzeugmaschine 10 könnte in einer anderen Ausführungsform ein Gegengewicht oder eine Anzahl von Gegengewichten 28 tragen, die zweckmäßigerweise zwischen dem Raumgerüst 14 und der Basis 16 montiert sind.

Das in den Fig. 1 und 2 am deutlichsten dargestellte Raumge­ rüst 12 weist eine Gruppe von Haltestreben 30 auf, die starr an einem Werkstückhalter 18 angebracht sind und sich von diesem nach außen erstrecken. Jede Haltestrebe 30 hat einen äußeren Anschlußbereich 32, der in der dargestellten Ausführungsform ein Gehäuse 34 umfaßt. Jedes Gehäuse 34 ist zweckmäßigerweise mit dem nächst benachbarten Gehäuse 34 durch eine stützende Quer­ strebe 36 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform liegen die Haltestreben 30 und die Querstreben 36 im allgemeinen in einer Horizontalebene, obwohl die Ebene in jeder anderen Aus­ richtung liegen könnte und die relative Anordnung der Streben gemäß der besonderen Anwendung verändert sein könnte.

Ferner erstreckt sich eine Anzahl von Haltestreben 38 im all­ gemeinen nach unten und innen von den Gehäusen 34, um eine An­ zahl von Verbindungsbereichen oder Knoten 40 zu bilden. Im Aus­ führungsbeispiel sind drei Verbindungsknoten 40 vorhanden und jeder ist mit dem nächst benachbarten Verbindungsknoten 40 durch eine Verbindungsstrebe 42 verbunden. In der gezeigten Ausfüh­ rungsform gibt es also sechs Gehäuse 34 und drei Verbindungs­ knoten 40, die durch neun Stützstreben 38 verbunden sind, d. h. drei Stützstreben 38, die sich von jedem Verbindungsknoten 40 zu benachbarten Gehäusen 34 erstrecken. Ferner erstreckt sich min­ destens eine Werkstückhalterstrebe 44 zwischen jedem Knoten 40 und dem Werkstückhalter 18, um den Werkstückhalter 18 starr im Raumgerüst 12 befestigen zu helfen.

Mit dieser Anordnung des Raumgerüsts 12 sind die verschiedenen Streben in Dreiecksmustern angeordnet, die dem Raumgerüst eine steife, unflexible Konfiguration geben. Selbst wenn Kräfte auf das Raumgerüst 12 entweder durch den Werkstückhalter 18 oder die ausfahrbaren Beine 26 einwirken, können die dreieckigen Streben­ anordnungen diese Kräfte sowohl in Druckrichtung, als auch in Zugrichtung im wesentlichen ausgleichen, so daß keine Biegebela­ stungen auftreten, die die Streben verbiegen und die Gesamtan­ ordnung des Raumgerüsts 12 verformen würden.

Das Raumgerüst 14 ist ähnlich und schließt eine Gruppe von Hal­ testreben 48 ein, die starr an dem Werkzeughalter 20 angebracht sind und sich von diesem nach außen erstrecken. Jede Haltestrebe 48 hat einen äußeren Anschlußbereich 50, der in der dargestell­ ten Ausführungsform ein Gehäuse 52 einschließt. Jedes Gehäuse 52 ist zweckmäßigerweise mit dem nächst benachbarten Gehäuse durch eine stützende Querstrebe 54 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform liegen die Haltestreben 48 und die Querstrebe 54 im allgemeinen in einer Horizontalebene, wenn die Beine 26 alle gleich weit ausgefahren sind. Die Ebene könnte jedoch in jeder anderen Orientierung sein und die relative Anordnung der Streben könnte nach dem gewünschten Anwendungsfall verändert werden.

Ferner erstreckt sich eine Anzahl von Haltestreben 56 im all­ gemeinen nach oben und innen von dem Gehäuse, um eine Anzahl von Anschlußbereichen oder Knoten 58 zu bilden. (Die Ausdrücke "oben" und "unten" dienen lediglich zur leichteren Beschreibung der dargestellten Ausführungsform, sind aber keinesfalls be­ schränkend hinsichtlich der möglichen Ausrichtung und Orientie­ rung der Streben gemeint). In der zweckmäßigen Ausführungsform sind drei Anschlußbereiche 58 vorgesehen und jeder ist mit einem nächst benachbarten Anschlußbereich 58 durch eine verbindende Stützstrebe 60 verbunden. Es gibt also sechs Gehäuse 52 und drei Anschlußbereiche 58, die durch neun Stützstreben 56 miteinander verbunden sind, d. h. es erstrecken sich sechs Stützstreben 56 von jedem Anschlußbereich 58 zu den benachbarten Gehäusen 52. Ferner erstreckt sich mindestens eine und zweckmäßigerweise ein Paar von derartigen Stützstreben 62 zwischen jedem Anschlußbe­ reich 58 und einer Halteplatte 63, die starr an dem Werkzeug­ halter 20 befestigt ist (siehe Fig. 4). Diese Anordnung befe­ stigt den Werkzeughalter 20 starr im Raumgerüst 14.

Bei dieser Anordnung des Raumgerüsts 14 sind die verschiedenen Streben dreiecksförmig angeordnet und halten das Gerüst steif und unverbiegbar. Selbst wenn auf das Raumgerüst 14 Kräfte von dem Werkzeughalter 20 oder den ausfahrbaren Beinen 26 ausgeübt werden, können die dreiecksförmigen Strebenanordnungen diese Kräfte als Druck- oder Zugkräfte aufnehmen, so daß keine Biege­ kräfte vorliegen, die die Streben verbiegen und die Gesamtanord­ nung des Raumgerüsts 14 verändern würden.

Das Raumgerüst 14 besitzt ferner eine Halteklammer 64 für jedes Gegengewicht 28. Zweckmäßigerweise umfaßt jede Halteklammer 64 ein Paar Arme 66, beispielsweise U-Profile, die sich von zwei benachbarten Gehäusen 52 zu einem Befestigungsbereich 68 er­ strecken. Ein zweites Paar Arme 70 erstreckt sich vom Befesti­ gungsbereich 68 zu einem Paar benachbarter Anschlußbereiche 58, um das entsprechende Gegengewicht 28 in bezug auf das Raumgerüst 14 festzuhalten. In der dargestellten Ausführungsform sind drei Gegengewichte 28 und drei entsprechende Halteklammern 64 im allgemeinen in gleichen Abständen voneinander an dem Raumgerüst vorgesehen. Jeder Befestigungsbereich 68 kann mit seinem zugehö­ rigen Gegengewicht 28 durch eine Anzahl von Befestigern wie Klemmen, Schweißungen oder Bolzen befestigt sein.

Bei den Raumgerüsten 12 und 14 sind die meisten Streben zweckmä­ ßigerweise rohrförmig mit einer Außenwand und einem hohlen Inne­ ren. Die rohrförmige Konstruktion liefert die gleiche Quer­ schnittsfläche an Material wie eine feste Strebe, führt jedoch zu einem größeren Strebendurchmesser. Dieser größere Streben­ durchmesser verstärkt die Stabilität und verhindert das Knicken. Die äußere Wandstärke und der Außendurchmesser können je nach Anwendungsfall optimiert werden. Es kann aber auch eine andere Art von Streben verwendet werden, beispielsweise mit T-Profil, I-Profil oder U-Profil. In der dargestellten Ausführungsform sind die abwechselnden Querstreben 36 und 54 zweckmäßigerweise eben oder T-förmig, um einen zusätzlichen Freiraum für Gegen­ gewichte 28 zu bilden, wenn das Raumgerüst 14 in bezug auf das Raumgerüst 12 bewegt wird.

Der Werkstückhalter 18 und der Werkzeughalter 20 werden allge­ mein als Werkzeugmachinenkomponente bezeichnet. Diese Werkzeug­ maschinenkomponenten könnten miteinander vertauscht sein oder eine Vielzahl von Formen haben. In der dargestellten Ausfüh­ rungsform stehen der Werkstückhalter 18 und ein darauf befestig­ tes Werkstück fest, während der Werkzeughalter 20 mit dem daran angebrachten Werkzeug um das Werkstück bewegt wird, um verschie­ dene Bearbeitungsvorgänge durchzuführen. Der Werkzeughalter 20 könnte aber auch am Raumgerüst 12 befestigt sein, während der Werkstückhalter 18 und das zugehörige Werkstück am Raumgerüst 14 befestigt sind. Es ist klar, daß nicht nur der Werkstückhalter und der Werkzeughalter als Werkzeugmachinenkomponenten in Frage kommen, sondern auch verschiedene andere Werkzeugmachinenkom­ ponenten.

In der bevorzugten Ausführungsform hat die Basis 16 drei sich radial erstreckende Beine 72, an denen der Werkstückhalter 18 befestigt ist. In zahlreichen Anwendungen ist das Raumgerüst 12 starr und ausschließlich an dem Werkstückhalter 18 angebracht. Dies hilft eine Verwindung des Raumgerüsts 12 in bezug auf das Raumgerüst 14 zu vermeiden, wenn sich der Werkstückhalter 18 biegt oder bezüglich der Basis 16 verschiebt. Eine Palette oder eine Werkstück-Haltebefestigung 74 ist starr an dem Werkstück­ halter 18 angebracht und kann verschiedene Formen haben, je nach Art des zu spannenden Werkstücks. Häufig hat die Palette 74 eine Anzahl von Klemmen oder Fortsätzen, um ein Werkstück 75 gemäß den gestrichelten Linien in Fig. 2 zu spannen.

Das Werkzeugmachinenkomponente, das am Raumgerüst 14 angebracht ist, beispielsweise der Werkzeughalter 20, ist in ähnlicher Weise starr an dem Raumgerüst angebracht. Diese Anordnung des Raumgerüsts 14 hält ähnlich wie das Raumgerüst 12 den Werkzeug­ halter 20 so genau an einer bestimmten Stelle, daß eine schnelle und genaue Bearbeitung vorgenommen werden kann, indem die Raum­ gerüste gegeneinander bewegt werden. Die dreiecksförmige Anord­ nung der Streben des Raumgerüsts 14 versteift dieses ganz we­ sentlich, so daß die Spindel 22 und ihr angebrachtes Werkzeug genau und konstant positioniert und hochgenau an bestimmte Stel­ len des Werkstücks schnell heran bewegt werden kann.

Die Betätigungsvorrichtung 24 verschiebt das Raumgerüst 14 ge­ genüber dem Raumgerüst 12 auf einem vorgegebenen oder vorpro­ grammierten Weg, um die gewünschten Maschinenoperationen durch­ zuführen. In einer Ausführungsform hat die Betätigungsvorrich­ tung eine Anzahl von Beinen, beispielweise sechs gemäß den Figu­ ren 1 bis 4. Es kann aber auch eine andere Anzahl von ausfahr­ baren Beinen 26 verwendet werden, obgleich die Anordnung mit sechs Beinen in drei Paaren mit sich überkreuzenden Beinen zweckmäßig ist. Dadurch kann die Spindel 22 in bezug auf das Werkstück entlang von sechs verschiedenen Achsen bewegt werden, um komplizierte Bearbeitungsvorgänge durchzuführen. Das Über­ kreuzen der Beine bedeutet eine größere Stabilität des Raumge­ rüsts 12 gegenüber dem Raumgerüst 14.

Jedes ausfahrbare Bein 26 ist schwenkbar im Gehäuse 34 des Raumgerüsts 12 und einem entsprechenden Gehäuse 52 des Raumge­ rüsts 14 montiert. Die Beine können in dem Gehäuse auf verschie­ dene Weise montiert sein, sind aber zweckmäßigerweise in Kardan­ gelenken 76 befestigt.

Die ausfahrbaren Beine 26 können Druckluftzylinder, Hydraulik­ zylinder, Drahtseilanordnungen oder Kugelschnecken sein. Eine zweckmäßige Ausführungsform ist in den Fig. 5 bis 7 darge­ stellt und umfaßt eine Kugelschneckenanordnung. Im allgemeinen ist eine drehbare Kugelschnecke 78 an einem feststehenden Platt­ formjoch 80 angebracht. Ein Mutterrohr 82 umgibt die Kugel­ schneckenstange und ist mit dieser durch eine Anzahl von umlau­ fenden Kugeln 84 gekoppelt. Das Mutterrohr 82 ist an einem ver­ schiebbaren Plattformjoch 86 befestigt. Die Jochanordnungen 80 und 86 sind an zugehörige Kardangelenke 76 der Raumgerüste 12 und 14 angeschlossen. Die Kugelschnecke 78 wird durch einen hydraulischen oder elektrischen Motor 88 gedreht, der auf einer Klammer 90 sitzt, die an dem Joch 80 angebracht ist. Die Motoren 88 können auch an ihren zugehörigen Gehäusen 34 angebracht sein. Der Motor hat eine Abgabewelle 92, die mit der Kugelschnecke 78 über einen Zahnriemen 94 verbunden ist, der um Riemenscheiben läuft, die auf der Abgabewelle 92 und der Kugelschnecke 78 sit­ zen. Die Kugelschnecke 78 ist in einem Paar von Drucklagern 96 gelagert, die in einem Käfig montiert sind, der zu einer Motor­ gabel 98 gehört, die Teil des feststehenden Plattformjochs 80 ist. Ein Faltenbalg 100 ist an ein Ende des Mutterrohrs 82 und mit dem anderen Ende an ein Rohr 102 angeschlossen, das wiederum mit einer Motorgabel 98 verbunden ist.

Wenn die Kugelschnecke 78 von dem Motor 88 gedreht werden, be­ wegt sich das Mutterrohr 82 entlang der Schnecke 78 in einer Richtung, die von der Drehrichtung der Schnecke 78 abhängt. Dadurch wird der Abstand der beiden Jochanordnungen 80 und 86 verändert, nämlich verkleinert oder vergrößert, wodurch die tatsächliche Länge des Beins verändert wird.

Gemäß den Fig. 6 bis 8 hat das bewegbare Plattformjoch 86 eine U-förmige Gabel 104, die an das Mutterrohr 82 angeschlossen ist und die eine Mittelöffnung 106 aufweist, durch die die Schnecke 78 läuft. Ein Schutzrohr 108 erstreckt sich von der Gabel 104 über das Äußere der Schnecke 78. Die Seitenarme 110 und 112 der Gabel 104 tragen Lagerhalter 114, die den Innenring des Drucklagers 116 in einer Vertiefung an gegenüberliegenden Seitenflächen eines Blocks 118 halten. Der Block 118 hat eine Mittelöffnung 120, die von ihrem Mittelpunkt in Richtung auf gegenüberliegende Seiten des Blocks 118 gemäß Fig. 7 schräg verläuft. Die übrigen zwei Seitenflächen des Blocks 118 haben Lagervertiefungen 122, welche Drucklager 124 aufnehmen, die durch Lagerhalter 126 gehalten werden. Die Lagerhalter 126 sind in beabstandeten Armen 128 einer zweiten Gabel montiert, die an der bewegbaren Plattform angebracht ist. Aus Konstruktionsgrün­ den sind die Gabeln um 90° gegeneinander versetzt.

Man erkennt, daß die Jochanordnung 86 eine Drehbewegung um eine Achse durch die Lager 124 und eine Drehbewegung um eine Achse durch die Lager 116 zuläßt. Die Abschrägung der Öffnung 120 nimmt die zuletzt genannte Drehbewegung auf. Ferner beschränkt die obere Jochanordnung 86 die Drehung der Kugelschneckenmutter um ihre Achse in bezug auf die obere Jochanordnung 86. Der Auf­ bau und die Funktion der feststehenden Plattformjochanordnung 80 sind gleich wie die für die bewegbare Plattformjochanordnung 86. Wenn man die Jochanordnung an Stellen entlang der Länge der angetriebenen Beine anbringt, und nicht an den Enden, dann führt das zu einer wesentlichen Vergrößerung im Verhältnis der Maxi­ maldistanz zur Minimaldistanz zwischen den Jochanordnungen, wenn das Bein bewegt wird.

Ein erster Annäherungsschalter 130 ist in dem Mutterrohr 82 in der Nähe des Kugelkäfigs angebracht. Ein zweiter Annäherungs­ schalter 132 ist in der Nähe des Endes des Schutzrohrs 108 mon­ tiert. Die Annäherungsschalter 130 und 132 dienen dazu, die Bewegung zu unterbrechen, wenn die Kugelschneckenstange 78 die Grenzen ihrer zulässigen Bewegung erreicht. Das heißt, wenn das Ende der Kugelschnecke 78 den Annäherungsschalter 132 schaltet, dann ist das ausfahrbare Bein auf seinen vorgegebenen Bewegungs­ spielraum verkürzt. Der in Fig. 5 dargestellte Zustand ist der in der Nähe dieser verkürzten Bewegung. Wenn andererseits das Ende der Kugelschnecke 78 den Annäherungsschalter 130 betätigt, dann erfolgt das, wenn das angetriebene Bein auf seine maximal gewünschte Länge ausgefahren ist. In beiden Fällen begrenzen die Annäherungsschalter 130 und 132 die fortgesetzte Aktivierung des Motors 88.

Ein Gegengewicht 28 kann auch auf verschiedene Art gebildet werden, um das Gewicht des Raumgerüsts 14 gegenüber dem Raumge­ rüst 12 auszugleichen. In einer Ausführung ist das Gegengewicht 28 eine Gasfeder gemäß Fig. 8. Ein äußerer Zylinder 136 ist am Befestigungsbereich 68 angebracht und umfaßt eine Führung 138, in der er verschiebbar sitzt. Die Führung 138 ist an eine Stange 140 angeschlossen, die durch ein Lager 142 mit einer Dichtung 144 verschiebbar ist. Die Dichtung 144 schließt ein Fluid ein, zweckmäßigerweise ein Druckgas wie Stickstoff, und zwar im Inne­ ren des Außenzylinders 136.

Die Führung 138 hat eine große Öffnung 146, die sich in Längs­ richtung hindurcherstreckt, um eine Bewegung von Zylinder 136 und Stange 140 zu gestatten. Im Grunde erleichtert die Führung 138 die Bewegung der Stange 140 durch den Zylinder 136, so daß das Gegengewicht 28 als Gasfeder arbeiten kann. Wenn die Stange 140 weiter in den Zylinder 136 durch eine Bewegung des Raumge­ rüsts 12 gegenüber dem Raumgerüst 14 gedrückt wird, nimmt das Innenvolumen des Zylinders 136 ab und das Gas wird stärker unter Druck gesetzt. Dieser zusätzliche Druck drückt die Stange 140 in entgegengesetzte Richtung, was eine Federwirkung zur Folge hat.

Die Stange 140 ist an der Basis 16 durch einen Bügel 148 befe­ stigt, der am entfernten Ende der Stange 140 angebracht ist. Der Bügel 148 ist zweckmäßigerweise an einem Fortsatz 150 ange­ bracht, der an der Basis 16 vorgesehen ist. Der Bügel 148 ist gemäß Fig. 2 durch einen Stift 152 am Fortsatz 150 schwenkbar befestigt.

Durch Steuerung des Ausfahrens oder Zurückziehens jedes Beins 25 können die Spindel 22 und das Schneidwerkzeug auf einem vorgege­ benen Weg in bezug auf das Werkstück bewegt werden. Die sechs Beine haben mindestens sechs Achsen X, Y, Z, A, B, C, entlang derer das Schneidwerkzeug bewegt werden kann. Die Bewegung der Beine und des Schneidwerkzeugs wird typischerweise von einem Computer gesteuert, der Steuerungsbefehle an das Schneidwerkzeug und das Werkstück liefert, die den Koordinaten X, Y, Z, A, B und C entsprechen. Zur Steuerung der Werkzeugmaschine 10 kann das folgende Verfahren verwendet werden. Die Schritte sind in logi­ scher Folge angeordnet und lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• I. Initialisierung der gegenwärtigen Maschinenkoordinaten X, Y, Z, A, B, C
• II. Für jedes der sechs Beine:
• A. Initialisieren der oberen und unteren Schwenkvektor­ koordinaten.
• B. Berechnen und Initialisieren der gegenwärtigen Bein­ länge.
• C. Definieren der Grundposition für X, Y, Z, A, B, C für die gegenwärtige Beinlänge.
• III. Einstellen der Sub-Blockzeit (typischerweise 0,02-0,004 Sekunden) auf eine hinreichend kurze Zeit, die die ge­ wünschte Linearität und Genauigkeit der Bewegung ergibt.
• IV. Für jedes Teilprogramm:
• A. Für jeden Block:
• 1. Lesen der Maschinenkoordinaten der Bestimmungs­ orte X, Y, Z, A, B, C und die Zuführrate aus dem Unterprogramm.
• 2. Lesen der Zuführrate und der Sub-Blockzeit, Be­ rechnen der Anzahl der Sub-Blöcke, die erforder­ lich sind, um den Blockort zu erreichen.
• 3. Für jeden Sub-Block:
• (a) Für jede der sechs Koordinaten:
• 1. Gegenwärtiger Wert ist gleich Endwert des vorhergehenden Sub-Blocks.
• 2. Endwert = (Destinationswert minus ge­ genwärtigem Wert) geteilt durch Anzahl der verbleibenden Sub-Blöcke plus ge­ genwärtiger Wert.
• (b) Verwenden des Endwerts der sechs Koordinaten und Bilden eines Sub-Block-Endvektors.
• (c) Für jedes Bein:
• 1. Drehen des oberen Schwenkvektors in die Endwinkel für den gegenwärtigen Sub-Block.
• 2. Addieren eines Sub-Block-Endvektors zu dem Resultat.
• 3. Subtrahieren des Bodenschwenkvektors von dem Resultat.
• 4. Berechnen der Beinendlänge durch Zie­ hen der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Koordinaten des Re­ sultats aus dem Schritt (c). (3).
• 5. Umwandeln der Beinendlänge auf die nächste ganze Servopositionsbefehlzäh­ lung.
• 6. Senden der Positionszählung an einen Servobefehlpuffer.
• 7. Berechnen der Beingeschwindigkeit, die erforderlich ist, um eine neue Bein­ länge in einer Sub-Block-Zeit zu er­ reichen.
• 8. Umwandeln der Beingeschwindigkeit in die nächste ganzzahlige Servobefehls­ zählung.
• 9. Senden der Geschwindigkeitszählung an den Servobefehlpuffer.
• (d) Senden des Sub-Block-Startbefehls gleichzei­ tig an alle Beinservomotoren.
• B. Ein Block ist fertig, wenn keine Sub-Blöcke verblei­ ben.
• V. Die Aufgabe ist fertig, wenn keine Blöcke in dem Teilpro­ gramm verbleiben.

Das Initialisieren der gegenwärtigen Maschine ist ein Prozeß, der bei Werkzeugmaschinen als Gradieren (gridding) bezeichnet wird. Dabei wird eine Ausgangsposition festgelegt, in der die Werkzeugspitze und der Mittelpunkt des Werkstückwürfels zusam­ menfallen.

Ein oberer Schwenkvektor ist der Vektor der Werkzeugspitze in bezug auf einen oberen Schwenkpunkt für ein bestimmtes Bein. Ein unterer Schwenkvektor ist der Vektor des Mittelpunkts des Werk­ stück-Würfels in bezug auf einen unteren Schwenkpunkt für ein bestimmtes Bein. Die oberen Schwenkvektoren haben eine unver­ änderliche Länge, können sich jedoch um die Koordinaten A, B und C drehen.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Beschreibung nur ein Aus­ führungsbeispiel betrifft, auf das die Erfindung nicht be­ schränkt ist. So können die verschiedenen Streben, die die Raum­ gerüste bilden, in verschiedenen Anordnungen je nach Anwendungs­ fall angeordnet sein. Man könnte ein einziges Raumgerüst in Verbindung mit einer festen Plattform verwenden oder es könnten einzelne Raumgerüste an die Stelle fester bewegbarer Teile einer herkömmlichen Werkzeugmaschine treten. Die Erfindung umfaßt auch die Verwendung von Raumgerüsten bei anderen Maschinen, als sie hier beschrieben sind. Beispielsweise könnten die Raumgerüste in einer Anzahl von Situationen verwendet werden, in denen die Masse reduziert werden soll, während Steifheit und Positions­ genauigkeit zwischen den Elementen einer Maschine bestehen blei­ ben sollen. Ferner können die Streben aus verschiedenen Materia­ lien und in verschiedenen Formen hergestellt sein. Die Basis, die Gegengewichte und die Betätigungsvorrichtungen können alle an bestimmte Anwendungsfälle angepaßt sein, beispielsweise brau­ chen die ausfahrbaren Beine nicht unbedingt als Kreuzpaare an­ geordnet zu werden, denn auch andere Anordnungen sind möglich.

Claims (10)

1. Fachwerkanordnung für eine Werkzeugmaschine (10), die ver­ schiedene Bearbeitungen an einem Werkstück vornehmen kann, mit einer ersten Werkzeugmaschinenkomponente (18), die mit dem Werkstück zusammenarbeitet; gekennzeichnet durch ein erstes Raumgerüst (12), das eine Gruppe erster Haltestreben (30). besitzt, die mit der Werkzeug­ maschinenkomponente (18) starr verbunden sind, sich von dieser nach außen erstrecken und an eine Anzahl von ersten äußeren Verbindungsbereichen (32) enden; und durch eine Gruppe von ersten Stützstreben (36, 38, 42), von den sich zumindest einige von den äußeren Verbindungsbereichen (32) erstrecken, wobei die Stützstreben (36, 38, 42) miteinander verbunden sind, um Kräften entgegenzuwirken, die auf die Werk­ zeugmaschinenkomponente einwirken, ohne daß eine merkbare Bie­ gung der Haltestreben (30) oder der Stützstreben (36, 38, 42) erfolgt.

2. Fachwerkanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Werkzeugmaschinenkomponente (20), die mit dem Werk­ stück zusammenarbeitet; ein zweites Raumgerüst (14), das an der zweiten Werkzeug­ maschinenkomponente (20) starr befestigt ist; und durch eine Betätigungsvorrichtung (24), die das zweite Raumgerüst (14) mit dem ersten Raumgerüst (12) verbindet, um das erste Raumgerüst (12) in bezug auf das zweite Raumgerüst (14) auf einem vorgegebenen Pfad zu bewegen.

3. Fachwerkanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Raumgerüst (14) aufweist: eine Gruppe von zweiten Haltestreben (48), die starr an die zweite Werkzeugmaschinenkomponente (20) angeschlossen sind und sich von dieser nach außen erstrecken und in einer Anzahl zwei­ ter, äußerer Befestigungsbereiche (50) enden; und eine Gruppe von zweiten Stützstreben (54, 56, 60), von denen zumindest einige sich von den zweiten, äußeren Anschlußbe­ reichen (50) erstrecken, wobei die zweiten Stützstreben (54, 56, 60) untereinander verbunden sind, um Kräfte auf zunehmen, die auf die zweite Werkzeugmaschinenkomponente (20) einwirken, ohne daß ein merkbares Verbiegen der zweiten Haltestreben (48) oder der zweiten Stützstreben (54, 56, 60) erfolgt.

4. Fachwerkanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung (24) eine Anzahl von ausfahrbaren Beinen (26) umfaßt, die zwischen ersten äußeren Anschlußberei­ chen (32) und bestimmten zweiten äußeren Anschlußbereichen (50) angeschlossen sind.

5. Fachwerkanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Werkzeugmaschinenkomponente (18) einen Werkzeug­ halter umfaßt und daß die zweite Werkzeugmaschinenkomponente (20) eine Spindel (22) zum Halten eines Werkzeugs aufweist.

6. Fachwerkanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten äußeren Anschlußbereiche (32) Kardangelenkgehäuse (34) aufweisen, an denen die ersten Haltestreben (30) und die ersten Stützstreben (36, 38) angebracht sind, wobei die zweiten äußeren Anschlußbereiche (50) Kardangelenkgehäuse (52) aufwei­ sen, an denen die zweiten Haltestreben (48) und die zweiten Stützstreben (54, 56) angebracht sind, wobei jedes ausfahrbare Bein (26) an ein Paar Kardangelenke (76) angeschlossen sind, wobei ein Kardangelenk in einem entsprechenden Gehäuse (34) der ersten äußeren Anschlußbereiche (32) und das andere Kardangelenk des Paares in einem entsprechenden Gehäuse (52) der zweiten äußeren Anschlußbereiche angebracht ist.

7. Fachwerkanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Basis (16), die an der zweiten Werkzeugmaschinenkomponente (18) angebracht ist; und durch mindestens ein Gegengewicht (28), das zwischen der Basis (16) und dem zweiten Raumgerüst (14) angeschlossen ist.

8. Fachwerkanordnung für eine Werkzeugmaschine, gekennzeichnet durch:
eine Anzahl von Streben (48, 54, 56, 60); eine Anzahl von Anschlußbereichen (50, 58) für die Streben, welche Gruppen von Streben aus-der Anzahl der Streben (48, 54, 56, 60) verbinden; und durch eine Werkzeugmaschinenkomponente (20), die an ausgewählten Streben (30, 48) der Anzahl von Streben (48, 54, 56, 60) fest montiert ist, wobei die Kräfte, die während des Betriebs der Werkzeugmaschine auf die Werkzeugmaschinenkomponente (20) ein­ wirken, durch wenigstens ein Paar der ausgewählten Streben (48, 54, 56, 60) aufgenommen und aufandere Streben (48, 54, 56, 60) an bestimmten Strebenverbindungspunkten verteilt werden.

9. Fachwerkanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Streben (48, 54, 56, 60) hohl ist.

10. Fachwerkanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebenverbindungsbereiche (50, 58) und die Anzahl der Streben (48, 54, 56, 60) in Dreiecksmustern angeordnet sind, wobei jedes Dreiecksmuster drei miteinander verbundene Streben umfaßt.