DE19522963C2 - Fachwerkanordnung für eine Werkzeugmaschine - Google Patents
Fachwerkanordnung für eine WerkzeugmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Fachwerkanordnung für eine Werkzeug
maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zahlreiche Funktionen einer Maschine erfordern ein hohes Maß
an Positionsgenauigkeit zwischen verschiedenen Elementen der
Maschine, 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 Werkzeugmaschinen
konstruktionen aus Gußeisen oder geschweißtem Stahl hinreichend
genau zu beschleunigen oder, wenn nicht so hohe Gewichte vor
handen sind, die erforderliche Starrheit beizubehalten.
In jüngerer Zeit wurden bereits Bearbeitungsmaschinen ent
wickelt, die starre Rahmen haben und die dadurch die Gesamtmasse
reduzieren, während sie versuchen, für wenigstens einen Großteil
der Bearbeitungsvorgänge die hinreichende Steifheit zu haben.
Eine solche Konstruktion besitzt einen äußeren, feststehenden
Rahmen mit vertikalen Streben, die mit Querstreben verbunden
sind. Das Volumen innerhalb dieser Konstruktion ist die Maschi
nenarbeitszone, und sie ist so hinreichend 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 hin
reichend starren Werkzeugmaschinenköpfen und Werkstückplatt
formen zusammenarbeiten muß, um ein Verbiegen zu verhindern, was
zu ungenauer Bearbeitung führt. Der starre Rahmen dient also
mehr zur Reduktion des Transportgewichts als zur Schaffung eines
leichten Rahmens, der sich mit einer Maschinenkomponente bewegen
soll.
Aus der US 5,259,710 A ist eine Fachwerkanordnung bekannt, die
folgende Merkmale aufweist:
eine erste Werkzeugmaschinenkomponente in Form eines Tisches, die mit dem Werkstück zusammenarbeitet;
ein erstes Raumgerüst, das eine Gruppe erster Haltestreben besitzt, die mit der ersten Werkzeugmaschinenkomponente starr verbunden sind, sich von dieser nach außen erstrecken und an einer Anzahl von ersten äußeren Verbindungsbereichen enden;
eine Gruppe von ersten Stützstreben, von den sich zumindest einige von den äußeren Verbindungsbereichen erstrecken, wobei die Stützstreben miteinander verbunden sind, um Kräften ent gegenzuwirken, die auf die Werkzeugmaschinenkomponente ein wirken, ohne daß eine merkbare Biegung der Haltestreben oder der Stützstreben erfolgt; und
eine zweite Werkzeugmaschinenkomponente in Form eines Spindelkopfs, der mit dem Werkzeug zusammenarbeitet.
eine erste Werkzeugmaschinenkomponente in Form eines Tisches, die mit dem Werkstück zusammenarbeitet;
ein erstes Raumgerüst, das eine Gruppe erster Haltestreben besitzt, die mit der ersten Werkzeugmaschinenkomponente starr verbunden sind, sich von dieser nach außen erstrecken und an einer Anzahl von ersten äußeren Verbindungsbereichen enden;
eine Gruppe von ersten Stützstreben, von den sich zumindest einige von den äußeren Verbindungsbereichen erstrecken, wobei die Stützstreben miteinander verbunden sind, um Kräften ent gegenzuwirken, die auf die Werkzeugmaschinenkomponente ein wirken, ohne daß eine merkbare Biegung der Haltestreben oder der Stützstreben erfolgt; und
eine zweite Werkzeugmaschinenkomponente in Form eines Spindelkopfs, der mit dem Werkzeug zusammenarbeitet.
Das Werkstück wird bei der US 5,259,710 A in üblich Weise von dem
Tisch starr getragen und nur die Bearbeitungsvorrichtung (z. B.
ein Spindelkopf) wird in bezug auf das Werkstück bewegt. Das mit
dem Werkstück starr verbundene Raumgerüst vermag zwar Kräfte des
Werkstücks aufzunehmen und die Masse der Werkstückhalterung zu
reduzieren, aber es bleibt dennoch schwierig, die Position des
Werkstücks in bezug auf den Spindelkopf mit ausreichender Genau
igkeit aufrechtzuerhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Fachwerkanordnung für
eine Werkzeugmaschine zu schaffen, bei der die bewegten Massen
minimiert sind und die Positionierung von Werkzeugmaschinen
komponenten noch besser als beim Stand der Technik erreicht
werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen alle Merkmale des Patent
anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft also ein bewegbares, starres Fachwerk für
eine Werkzeugmaschine, die bestimmte Arbeitsvorgänge an einem
Werkstück durchführen kann. Das Fachwerk umfaßt ein leichtes
Raumgerüst mit untereinander verbundenen Streben und Knoten, die
ein starres Fachwerk bilden, das ein Maschinenteil bewegen kann
und gleichzeitig die Positionsgenauigkeit beibehält. Das reduzierte
Gewicht erlaubt es, daß sich das Fachwerk mit hohen
Geschwindigkeiten und schnellen Beschleunigungen bewegt.
Das Fachwerk umfaßt eine erste Werkzeugmaschinenkomponente, die
mit dem Werkstück und einem ersten Raumgerüst zusammenarbeitet.
Das Raumgerüst umfaßt eine Gruppe von Haltestreben, die an der
Werkzeugmaschinenkomponente starr angebracht sind. Die Halte
streben erstrecken sich von der Werkzeugmaschinenkomponente 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 Werkzeugkomponente einwirken,
ohne daß ein wesentliches Verbiegen der Haltestreben oder der
Stützstreben erfolgt.
Das starre Fachwerk umfaßt eine zweite Werkzeugmaschinenkompo
nente, die mit dem Werkzeug zusammenarbeitet. Ein Raumgerüst ist
starr an der zweiten Werkzeugmaschinenkomponente angebracht und
eine Betätigungseinrichtung verbindet das zweite Raumgerüst mit
dem ersten Raumgerüst. Die Betätigungseinrichtung bewegt das
erste Raumgerüst gegenüber dem zweiten Raumgerüst auf einem
vorgegebenen Weg.
Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine weist ferner eine Basis
und einen Werkstückhalter auf, der auf der Basis montiert ist.
Ein erstes Raumgerüst ist an dem Halter angebracht und ein zwei
tes Raumgerüst ist von dem ersten Raumgerüst unabhängig. Eine
Werkzeugmaschinenkomponente wie ein Werkzeughalter mit einer
Spindel ist an dem zweiten Raumgerüst angebracht. Eine Anzahl
von ausfahrbaren 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 Raumgerüste können bei Werkzeugmaschinen eingesetzt werden,
bei denen ein starres, biegesteifes Teil erforderlich ist, um
die Positionsgenauigkeit zwischen verschiedenen Teilen der
Maschine beizubehalten und bei der außerdem die Rahmenmasse
einen schädlichen Einfluß auf den Maschinenbetrieb hätte.
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 Werkzeugmaschinen, bei denen eine hohe
Positionsgenauigkeit zwischen Werkzeugmaschinenkomponenten aufrechter
halten werden muß, ohne daß darunter die gewünschte Geschwindig
keit oder Beschleunigung einer Komponente in bezug auf die ande
re leidet. Raumgerüste nach der Erfindung sind aus Streben her
gestellt, die durch Knoten miteinander verbunden sind und die so
gestaltet sind, daß sie Kräften entgegenwirken, die auf eine
feststehende Werkzeugmaschinenkomponente wirken, ohne daß eine wesent
liche Verbiegung erfolgen soll.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine Werkzeugmaschine 10 mit zwei fachwerk
artigen Raumgerüsten, einem unteren Raumgerüst 12 und einem
oberen Raumgerüst 14.
Ferner sei darauf hingewiesen, daß das "untere" Raumgerüst 12
und das "obere" Raumgerüst 14 lediglich aus Gründen der
Beschreibung so bezeichnet sind. In Wirklichkeit könnte der
Einsatz auch anders erfolgen, so daß diese Beschreibung keine
Beschränkung darstellt.
Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Raumgerüste 12
und 14 in Verbindung mit einer Werkzeugmaschine 10 gezeigt,
wobei verschiedene Bearbeitungsvorgänge wie Fräsen, Bohren,
Schneiden, Polieren o. ä. durchgeführt werden können. Die Werk
zeugmaschine 10 besitzt eine Basis 16, an der eine Werkzeug
maschinenkomponente wie ein Werkstückhalter 18 angebracht ist,
vorzugsweise durch Montagestreben 19 gemäß Fig. 2. Das Raum
gerüst 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 anzubringen.
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 Kugelroll
spindel, die von einem Elektromotor angetrieben werden. Die
Betätigungsvorrichtung 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 Raum
gerüst 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
Verbindungsbereich 32, der in der dargestellten Ausführungsform ein
Gehäuse 34 umfaßt. Jedes Gehäuse 34 ist zweckmäßigerweise mit
dem nächst benachbarten Gehäuse 34 durch eine Stütz
strebe 36 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform liegen
die Haltestreben 30 und die Stützstreben 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 Stützstreben 38 im all
gemeinen nach unten und innen von den Gehäusen 34, um eine
Anzahl von Verbindungsbereichen oder Knoten 40 zu bilden. Im
Ausführungsbeispiel sind drei Verbindungsbereiche 40 vorhanden und
jeder ist mit dem nächst benachbarten Verbindungsbereich 40 durch
eine Stützstrebe 42 verbunden. In der gezeigten Ausfüh
rungsform gibt es also sechs Gehäuse 34 und drei Verbindungs
bereiche 40, die durch neun Stützstreben 38 verbunden sind, d. h.
drei Stützstreben 38, die sich von jedem Verbindungsbereich 40
zu benachbarten Gehäusen 34 erstrecken. Ferner erstreckt sich
mindestens eine Werkstückhalterstrebe 44 zwischen jedem Verbindungsbereich
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 Biege
belastungen auftreten, die die Streben verbiegen und die Gesamt
anordnung des Raumgerüsts 12 verformen würden.
Das Raumgerüst 14 ist ähnlich und schließt eine Gruppe von
Haltestreben 48 ein, die starr an dem Werkzeughalter 20 ange
bracht sind und sich von diesem nach außen erstrecken. Jede
Haltestrebe 48 hat einen äußeren Anschlußbereich 50, der in der
dargestellten Ausführungsform ein Gehäuse 52 einschließt. Jedes
Gehäuse 52 ist zweckmäßigerweise mit dem nächst benachbarten
Gehäuse durch eine Stützstrebe 54 verbunden. In der
dargestellten Ausführungsform liegen die Haltestreben 48 und die
Stützstrebe 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 Stützstreben 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
beschränkend hinsichtlich der möglichen Ausrichtung und Orien
tierung der Streben gemeint). In der zweckmäßigen Ausführungs
form sind drei Anschlußbereiche 58 vorgesehen und jeder ist mit
einem nächst benachbarten Anschlußbereich 58 durch eine ver
bindende 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 zweck
mäßigerweise ein Paar von derartigen Stützstreben 62 zwischen
jedem Anschlußbereich 58 und einer Halteplatte 63, die starr
an dem Werkzeughalter 20 befestigt ist (siehe Fig. 4).
Diese Anordnung befestigt 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 zweck
mäßigerweise rohrförmig mit einer Außenwand und einem hohlen
Inneren. Die rohrförmige Konstruktion liefert die gleiche Quer
schnittsfläche an Material wie eine feste Strebe, führt jedoch
zu einem größeren Strebendurchmesser. Dieser größere Strebendurchmesser
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 Stützstreben 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 Werkzeugmaschinenkomponenten 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.
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.
Die Werkzeugmaschinenkomponente, die 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
wesentlich, so daß die Spindel 22 und ihr angebrachtes Werkzeug
genau und konstant positioniert und hochgenau an bestimmte
Stellen des Werkstücks schnell heran bewegt werden kann.
Die Betätigungsvorrichtung 24 verschiebt das Raumgerüst 14
gegenüber dem Raumgerüst 12 auf einem vorgegebenen oder vor
programmierten Weg, um die gewünschten Maschinenoperationen
durchzuführen. In einer Ausführungsform hat die Betätigungs
vorrichtung eine Anzahl von Beinen, beispielweise sechs gemäß
den Fig. 1 bis 4. Es kann aber auch eine andere Anzahl von
ausfahrbaren 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 Raum
gerüsts 12 gegenüber dem Raumgerüst 14.
Jedes ausfahrbare Bein 26 ist schwenkbar im Gehäuse 34 des
Raumgerüsts 12 und einem entsprechenden Gehäuse 52 des Raum
gerüsts 14 montiert. Die Beine können in dem Gehäuse auf
verschiedene Weise montiert sein, sind aber zweckmäßigerweise
in Kardangelenken 76 befestigt.
Die ausfahrbaren Beine 26 können Druckluftzylinder, Hydraulik
zylinder, Drahtseilanordnungen oder Kugelrollspindeln sein. Eine
zweckmäßige Ausführungsform ist in den Fig. 5 bis 7 darge
stellt und umfaßt ein Kugelrollspindelsystem. Im allgemeinen ist
eine drehbare Kugelrollspindel 78 an einem feststehenden Platt
formjoch 80 angebracht. Ein Mutterrohr 82 umgibt die Spindel und
ist mit dieser durch eine Anzahl von umlaufenden Kugeln 84
gekoppelt. Das Mutterrohr 82 ist an einem verschiebbaren Platt
formjoch 86 befestigt. Die Jochanordnungen 80 und 86 sind an
zugehörige Kardangelenke 76 der Raumgerüste 12 und 14 ange
schlossen. Die Kugelrollspindel 78 wird durch einen hydrau
lischen oder elektrischen Motor 88 gedreht, der auf einer Klam
mer 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 Kugelrollspindel
78 über einen Zahnriemen 94 verbunden ist, der um Riemenscheiben
läuft, die auf der Abgabewelle 92 und der Kugelrollspindel 78
sitzen. Die Kugelrollspindel 78 ist in einem Paar von Druck
lagern 96 gelagert, die in einem Käfig montiert sind, der zu
einer Motorgabel 98 gehört, die Teil des feststehenden Platt
formjochs 80 ist. Ein Faltenbalg 100 ist an ein Ende des Mutter
rohrs 82 und mit dem anderen Ende an ein Rohr 102 angeschlossen,
das wiederum mit einer Motorgabel 98 verbunden ist.
Wenn die Kugelrollspindel 78 von dem Motor 88 gedreht werden,
bewegt sich das Mutterrohr 82 entlang der Spindel 78 in einer
Richtung, die von der Drehrichtung der Kugelrollspindel 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
Kugelrollspindel 78 läuft. Ein Schutzrohr 108 erstreckt sich
von der Gabel 104 über das Äußere der Kugelrollspindel 78. Die
Seitenarme 110 und 112 der Gabel 104 tragen Lagerhalter 114, die
den Innenring des Drucklagers 116 in einer Vertiefung an gegen
überliegenden 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 Konstruktionsgründen 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 Kugelrollspindel-
Mutter um ihre Achse in bezug auf die obere Jochanordnung 86.
Der Aufbau und die Funktion der feststehenden Plattformjoch
anordnung 80 sind gleich wie die für die bewegbare Plattform
jochanordnung 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 Maximaldistanz 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
montiert. Die Annäherungsschalter 130 und 132 dienen dazu, die
Bewegung zu unterbrechen, wenn die Spindel 78 die Grenzen ihrer
zulässigen Bewegung erreicht. Das heißt, wenn das Ende der
Spindel 78 den Annäherungsschalter 132 schaltet, dann ist das
ausfahrbare Bein auf seinen vorgegebenen Bewegungsspielraum
verkürzt. Der in Fig. 5 dargestellte Zustand ist der in der
Nähe dieser verkürzten Bewegung. Wenn andererseits das Ende der
Spindel 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 Raum
gerüst 12 auszugleichen. In einer Ausführung ist das Gegen
gewicht 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 Inneren 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 Raum
gerüsts 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 vorge
gebenen 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:
- A) Initialisierung der gegenwärtigen Maschinenkoordinaten X, Y, Z, A, B, C
- B) 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.
- C) 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.
- D) 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:
- 4. Für jede der sechs Koordinaten:
- 5. Gegenwärtiger Wert ist gleich Endwert des vorhergehenden Sub-Blocks.
- 6. Endwert = (Destinationswert minus ge genwärtigem Wert) geteilt durch Anzahl der verbleibenden Sub-Blöcke plus ge genwärtiger Wert.
- 7. Verwenden des Endwerts der sechs Koordinaten und Bilden eines Sub-Block-Endvektors.
- 8. Für jedes Bein:
- 9. Drehen des oberen Schwenkvektors in die Endwinkel für den gegenwärtigen Sub-Block.
- 10. Addieren eines Sub-Block-Endvektors zu dem Resultat.
- 11. Subtrahieren des Bodenschwenkvektors von dem Resultat.
- 12. Berechnen der Beinendlänge durch Zie hen der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Koordinaten des Re sultats aus dem Schritt (c). (3).
- 13. Umwandeln der Beinendlänge auf die nächste ganze Servopositionsbefehlzäh lung.
- 14. Senden der Positionszählung an einen Servobefehlpuffer.
- 15. Berechnen der Beingeschwindigkeit, die erforderlich ist, um eine neue Bein länge in einer Sub-Block-Zeit zu er reichen.
- 16. Umwandeln der Beingeschwindigkeit in die nächste ganzzahlige Servobefehls zählung.
- 17. Senden der Geschwindigkeitszählung an den Servobefehlpuffer.
- 18. Senden des Sub-Block-Startbefehls gleichzei tig an alle Beinservomotoren.
- B) Ein Block ist fertig, wenn keine Sub-Blöcke verblei ben.
- A) Für jeden Block:
- E) 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.
Claims (9)
1. Fachwerkanordnung für eine Werkzeugmaschine (10), die
verschiedene Bearbeitungen an einem Werkstück vornehmen kann,
mit einer ersten Werkzeugmaschinenkomponente (18), die entweder mit dem Werkstück oder einem Werkzeug zusammenarbeitet;
mit einem ersten Raumgerüst (12), das eine Gruppe erster Haltestreben (30) besitzt, die mit der Werkzeugmaschinenkompo nente (18) starr verbunden sind, sich von dieser nach außen erstrecken und an einer Anzahl von ersten äußeren Verbindungs bereichen (32) enden;
mit einer Gruppe von ersten Stützstreben (36, 38, 42), von denen 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 Biegung der Haltestreben (30) oder der Stützstreben (36, 38, 42) erfolgt;
mit einer zweiten Werkzeugmaschinenkomponente (20), die mit dem anderen von dem Werkstück oder dem Werkzeug zusammen arbeitet;
mit einem zweiten Raumgerüst (14), das an der zweiten Werk zeugmaschinenkomponente (20) starr befestigt ist; und
mit einer Betätigungsvorrichtung (24), die das zweite Raum gerüst (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.
mit einer ersten Werkzeugmaschinenkomponente (18), die entweder mit dem Werkstück oder einem Werkzeug zusammenarbeitet;
mit einem ersten Raumgerüst (12), das eine Gruppe erster Haltestreben (30) besitzt, die mit der Werkzeugmaschinenkompo nente (18) starr verbunden sind, sich von dieser nach außen erstrecken und an einer Anzahl von ersten äußeren Verbindungs bereichen (32) enden;
mit einer Gruppe von ersten Stützstreben (36, 38, 42), von denen 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 Biegung der Haltestreben (30) oder der Stützstreben (36, 38, 42) erfolgt;
mit einer zweiten Werkzeugmaschinenkomponente (20), die mit dem anderen von dem Werkstück oder dem Werkzeug zusammen arbeitet;
mit einem zweiten Raumgerüst (14), das an der zweiten Werk zeugmaschinenkomponente (20) starr befestigt ist; und
mit einer Betätigungsvorrichtung (24), die das zweite Raum gerüst (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.
2. Fachwerkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Betätigungsvorrichtung (24) sechs ausfahrbare Beine (26)
umfaßt, die zwischen ersten Raumgerüst (12) und dem zweiten
Raumgerüst (14) angeschlossen sind.
3. Fachwerkanordnung nach Anspruch 1, 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 Anschlußbereiche (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 aufzunehmen, die auf die zweite Werkzeugmaschinenkomponente (20) einwirken, ohne daß ein merkbares Verbiegen der zweiten Haltestreben (48) oder der zweiten Stützstreben (54, 56, 60) erfolgt.
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 Anschlußbereiche (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 aufzunehmen, 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 Verbindungsberei
chen (32) und bestimmten zweiten äußeren Anschlußbereichen (50)
angeschlossen sind.
5. Fachwerkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Werkzeugmaschinenkomponente (18) einen Werkstück
halter und die zweite Werkzeugmaschinenkomponente (20) eine
Spindel (22) zum Halten eines Werkzeugs aufweist, oder
umgekehrt.
6. Fachwerkanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten äußeren Verbindungsbereiche (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 ist,
wobei ein Kardangelenk in einem entsprechenden Gehäuse (34) der
ersten äußeren Verbindungsbereiche (32) und das andere Kardangelenk
des Paares in einem entsprechenden Gehäuse (52) der zweiten
äußeren Anschlußbereiche (50) angebracht ist.
7. Fachwerkanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch
eine Basis (16), die an der ersten Werkzeugmaschinenkomponente
(18) angebracht ist; und durch mindestens ein Gegengewicht (28),
das zwischen der Basis (16) und dem zweiten Raumgerüst (14)
angeschlossen ist.
8. Fachwerkanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Streben (30, 36, 38,
42, 48, 54, 56, 60) hohl ist.
9. Fachwerkanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verbindungs-/Anschlußbereiche (32, 40, 50,
58) und die Anzahl der Streben (30, 36, 38, 42, 48, 54, 56, 60)
in Dreiecksmustern angeordnet sind, wobei jedes Dreiecksmuster
drei miteinander verbundene Streben umfaßt.
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