-
Die
Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einer Funktionseinheit
sowie mit einem Linearantrieb für die Funktionseinheit,
- • wobei die Funktionseinheit mit einer
Bewegungseinheit bewegungsverbunden und die Bewegungseinheit mittels
des Linearantriebes in zwei Achsrichtungen einer Bewegungsebene
bewegbar ist und
- • wobei der Linearantrieb zwei Antriebseinheiten umfasst,
die jeweils einen Primärteil sowie einen dem Primärteil
gegenüberliegenden Sekundärteil aufweisen und
von denen jeweils eine zur Bewegung der Bewegungseinheit in einer
der Achsrichtungen der Bewegungsebene der Bewegungseinheit vorgesehen
ist.
-
Die
Erfindung betrifft außerdem einen Linearantrieb zum Antrieb
einer mit einer Funktionseinheit einer Werkzeugmaschine bewegungsmäßig
verbindbaren Bewegungseinheit, wobei der Linearantrieb zwei Antriebseinheiten
umfasst, die jeweils einen Primärteil sowie einen dem Primärteil
gegenüberliegenden Sekundärteil aufweisen und
von denen jede eine Achsrichtung einer Bewegungsebene der Bewegungseinheit
definiert.
-
Gattungsgemäßer
Stand der Technik ist bekannt aus
EP 1 287 946 A1 . Diese Druckschrift offenbart
eine Werkzeugmaschine mit einer Funktionseinheit in Form eines Laserschneidkopfes.
Dieser ist mittels zweier Linearmotoren in einer vertikalen y-z-Ebene
bewegbar. Der erste Linearmotor treibt Linearlager, an denen der
Laserschneidkopf angebracht ist und die eine Bewegungseinheit bilden,
in z-Richtung an; der zweite Linearmotor bewirkt die Bewegung eines
mit den Linearlagern und dem Laserschneidkopf versehenen Schlittens
in y-Richtung. Beide Linearmotoren umfassen jeweils einen Primärteil
mit einer Erregerspule sowie einen Sekundärteil mit Permanentmagneten.
Der Primärteil des ersten, der z-Richtung zugeordneten
Linearmotors ist an der einen Seite eines Primärteilgehäuses
angeordnet. Der Primärteil des zweiten, der y-Richtung
zugeordneten Linearmotors befindet sich an der senkrecht zu der
y-z-Ebene gegenüberliegenden Seite des Primärteilgehäuses.
Der Sekundärteil für die z-Richtung ist schneidkopfseitig
montiert. Der Sekundärteil für die y-Richtung
ist an einer in y-Richtung verlaufenden Maschinenbrücke
angebracht. Bei Bewegungen des Schlittens bzw. des Laserschneidkopfes
in y-Richtung muss der für diese Richtung vorgesehene Linearmotor
den vollständigen Linearmotor für die z-Richtung
mitbewegen, d. h. „mitschleppen". Aufgrund der Nebeneinanderanordnung
der beiden Linearmotoren und der Linearlager sowie des Laserschneidkopfes wirkt
auf das Führungssystem des Linearmotors für die
y-Richtung eine verhältnismäßig hohe
Momentenbelastung.
-
Die
vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, einen kompakt bauenden
Linearantrieb für Funktionseinheiten von Werkzeugmaschinen
sowie Werkzeugmaschinen, die mit einem derartigen Linearantrieb
ausgerüstet sind, bereitzustellen.
-
Erfindungsgemäß gelöst
wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der Patentansprüche
1 und 9.
-
Aufgrund
der im Falle der Erfindung gewählten Anordnung der Bewegungseinheit
zwischen den Antriebseinheiten des Linearantriebes muss in keiner der
Bewegungsrichtungen der Bewegungseinheit die für die jeweils
andere Bewegungsrichtung vorgesehene Antriebseinheit vollständig
mitgeschleppt werden. Infolgedessen reduzieren sich die Massen,
die bei der Bewegung der Bewegungseinheit bzw. der zugehörigen
Funktionseinheit erfindungsgemäßer Werkzeugmaschinen
zu beschleunigen sind, auf ein Minimum. Dieser Umstand ermöglicht
eine konstruktive Realisierung erfindungsgemäßer
Linearantriebe mit Hilfe von verhältnismäßig
klein bauenden Antriebskomponenten und Führungseinrichtungen. Zum
Betrieb erfindungsgemäßer Linearantriebe reichen
relativ kleine Antriebsleistungen aus, bzw. bereits mit herkömmlichen
Antriebsleistungen sind die erfindungsgemäßen
Linearantriebe außerordentlich leistungsfähig.
Weiterhin bewirkt die im Falle der Erfindung realisierte „zentrische"
Anordnung der Bewegungseinheit eine Minimierung der Momentenbelastung,
welcher die Führungssysteme der Antriebseinheiten ausgesetzt
sind. Das Führungssystem keiner Antriebseinheit wird durch
die vollständige andere Antriebseinheit belastet. Auch
die Minimierung der Momentenbelastung der Führungssysteme
der Antriebseinheiten gestattet es, erfindungsgemäße
Linearantriebe mit klein bauenden Antriebs- und Führungseinrichtungen
zu realisieren. Zudem ergibt sich eine besondere Genauigkeit der
von der Bewegungseinheit und damit auch von der zugehörigen Funktionseinheit
ausgeführten Bewegungen. In entsprechender Weise wirkt
es sich aus, dass Querkräfte die funktionsbedingt zwischen
dem Primärteil und dem Sekundärteil einer Antriebseinheit
auftreten, aufgrund der Mittenanordnung der Bewegungseinheit durch
diejenigen Querkräfte zumindest teilweise kompensiert werden,
die an der Antriebseinheit auf der gegenüberliegenden Seite
der Bewegungseinheit erzeugt werden. Aufgrund dieser Querkraftkompensation
sind über die Führungssysteme der Antriebseinheiten
allenfalls geringe Belastungen abzutragen.
-
Besondere
Ausführungsarten der Erfindung nach den Patentansprüchen
1 und 9 ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen
2 bis 8.
-
Die
Erfindungsbauart nach Patentanspruch 2 zeichnet sich durch eine
einfache Konstruktion aus. Als Sekundärteile werden passive
Elemente verwendet. Eine Zufuhr und Regelung von Erregerströmen ist
nur für die Primärteile erforderlich.
-
In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind ausweislich Patentanspruch
3 die Sekundärteile beider Antriebseinheiten des Linearantriebes
an der Bewegungseinheit angebracht. Die Bewegungseinheit ist demnach
mit den passiven Teilen der Antriebseinheiten versehen. Es entfällt
folglich die Notwendigkeit, bei den Bewegungen der Bewegungseinheit
Zuleitungen mitzuführen. Auch besitzen die passiven Sekundärteile
der Antriebseinheiten eine kleinere Masse als die aktiven Primärteile.
Dementsprechend sind bei den Bewegungen der Bewegungseinheit nur
besonders kleine Massen zu beschleunigen.
-
Im
Interesse einer besonders kompakten Bauweise der Gesamtanordnung
sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die kennzeichnenden Merkmale
von Patentanspruch 4 vorgesehen. Im Idealfall erübrigt
sich der Einsatz separater Führungseinrichtungen für
die Bewegungseinheit.
-
Erfindungsgemäß bevorzugte
Möglichkeiten zur Umsetzung dieses Konzeptes ergeben sich
aus den Patentansprüchen 5 und 6.
-
Patentanspruch
7 betrifft eine Ausführungsform der Erfindung, die sich
durch eine besonders einfache konstruktive Gestaltung sowie durch
eine besonders einfache Steuerung der Antriebseinheiten auszeichnet.
Aufgrund der Verwendung gleichartiger Antriebseinheiten für
beide Bewegungsrichtungen der Bewegungseinheit sind etwa für
beide Bewegungsrichtungen gleiche Massenträgheiten zu berücksichtigen.
-
Besonders
vorteilhaft und besonders praxisrelevant ist das erfindungsgemäße
Konzept im Falle von Werkzeugmaschinen in Form von Laserbearbeitungsmaschinen,
die von einem Laserbearbeitungskopf als Funktionseinheit Gebrauch
machen (Patentanspruch 8).
-
Nachstehend
wird die Erfindung anhand beispielhafter schematischer Darstellungen
näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine
kombiniert Stanz-/Laserschneidmaschine mit einem Stanzkopf sowie
mit einem Laserschneidkopf,
-
2 eine
Schnittdarstellung einer ersten Bauart eines Laserschneidkopfes
einschließlich eines zugehörigen Linearantriebes
zur Verwendung an der Stanz-/Laserschneidmaschine gemäß 1,
-
3 einen
Schnitt entlang der Linie III-III in 2,
-
4 einen
Schnitt entlang der Linie IV-IV in 2,
-
5 einen
Schnitt entlang der Linie V-V in 2,
-
6 eine
perspektivische Darstellung einer zweiten Bauart eines Laserschneidkopfes
einschließlich eines zugehörigen Linearantriebes
zur Verwendung an der Stanz-/Laserschneidmaschine gemäß 1 und
-
7 einen
Schnitt entlang der Linie VII-VII in 6.
-
Gemäß 1 ist
eine Werkzeugmaschine 1 als kombinierte Stanz-/Laserschneidmaschine
ausgeführt. Als solche ist die Werkzeugmaschine 1 mit einem
Stanzkopf 2 sowie mit einer weiteren Funktionseinheit in
Form eines Laserschneidkopfes 3 versehen. Sowohl der Stanzkopf 2 als
auch der Laserschneidkopf 3 sind an dem freien Ende eines
oberen Gestellschenkels 4 an einem C-förmigen
Maschinengestell 5 angeordnet. In einem Rachen 6 des
Maschinengestells 5 ist eine herkömmliche Koordinatenführung 7 untergebracht.
Diese dient dazu, ein zu bearbeitendes Blech 8 in der für
dessen Bearbeitung erforderlichen Art und Weise gegenüber
dem Stanzkopf 2 sowie dem Laserschneidkopf 3 zu
bewegen. Eine Relativbewegung von Blech 8 und Laserschneidkopf 3 kann
außerdem durch eine Bewegung des Laserschneidkopfes 3 gegenüber
dem Blech 8 realisiert werden. Die Bewegungsmöglichkeiten
des Laserschneidkopfes 3 sind in 1 durch
Koordinatenachsen x, y, z veranschaulicht.
-
Die
Bewegungen des Laserschneidkopfes 3 in Richtung der Koordinatenachsen
x, y, z wird mittels eines Linearantriebes 9 erzeugt, dessen
konstruktiver Aufbau und dessen Funktionsweise sich im Einzelnen
anhand der 2 bis 5 ergeben.
-
Ausweislich 2 ist
der Laserschneidkopf 3 an einer als Schlitten 10 ausgebildeten
Bewegungseinheit vorgesehen. Der Schlitten 10 seinerseits
ist an dem oberen Gestellschenkel 4 des Maschinengestells 5 der
Werkzeugmaschine 1 sowohl in x-Richtung als auch y-Richtung
beweglich gelagert. Die x-Richtung verläuft in 2 senkrecht
zur Zeichenebene.
-
Zur
Führung des Schlittens 10 sowie des daran angebrachten
Laserschneidkopfes 3 bei Bewegungen in x- sowie in y-Richtung
dient ein Führungssystem 11. Dieses umfasst eine
y-Führung 12 sowie eine x-Führung 13 an
einem plattenartigen Teil des Schlittens 10.
-
Teil
der y-Führung 12 sind insgesamt vier y-Linearlager 14 (3),
die mit einer maschinengestellfesten Tragstruktur in Form eines
Gehäuses 15 verschraubt sind. Jeweils zwei y-Linearlager 14 führen
eine in y-Richtung verlaufende y-Führungsschiene 16.
Bei Bewegungen des Schlittens 10 sowie des Laserschneidkopfes 3 in
y-Richtung bewegen sich die y-Führungsschienen 16 gemeinschaftlich
mit Schlitten 10 und Laserschneidkopf 3 relativ
zu den maschinengestellfesten y-Linearlagern 14.
-
Mit
den y-Führungsschienen 16 verbunden sind zwei
in x-Richtung verlaufende und in y-Richtung voneinander beabstandete
x-Führungsschienen 17 (4). Die
x-Führungsschienen 17 wiederum lagern insgesamt
vier x-Linearlager 18. Die x-Linearlager 18 schließlich
sind an dem Schlitten 10 befestigt. Bei Bewegungen des
Schlittens 10 und des Laserschneidkopfes 3 in
x-Richtung verlagern sich Schlitten 10 und Laserschneidkopf 3 gemeinschaftlich
mit den x-Linearlagern 18 längs der x-Führungsschienen 17.
-
Alles
in allem ist das Führungssystem 11 für den
Laserschneidkopf 3 nach Art eines Kreuzschlittens ausgeführt.
Mittels des kreuzschlittenartigen Führungssys tems 11 wird
eine von der x-Koordinatenachse sowie von der y-Koordinatenachse
aufgespannte horizontale Bewegungsebene des Schlittens 10 und
damit des Laserschneidkopfes 3 definiert.
-
Zum
Antrieb von Schlitten 10 und Laserschneidkopf 3 in
dieser horizontalen Bewegungsebene dienen zwei Antriebseinheiten
des Linearantriebes 9, im Einzelnen eine x-Antriebseinheit 19 sowie eine
y-Antriebseinheit 20.
-
Jeweils
für sich alleine betrachtet, handelt es sich sowohl bei
der x-Antriebseinheit 19 als auch bei der y-Antriebseinheit 20 um
einen herkömmlichen Linearmotor. Dementsprechend umfasst
die x-Antriebseinheit 19 als Primärteil 21 eine
Erregerspule und als Sekundärteil 22 eine Aneinanderreihung
von Permanentmagneten in x-Richtung (5). In analoger
Weise bilden ein als Erregerspule ausgebildeter Primärteil 23 sowie
ein Sekundärteil 24 die y-Antriebseinheit 20.
Der Sekundärteil 24 der y-Antriebseinheit 20 umfasst
eine Mehrzahl von in y-Richtung aufeinander folgenden Permanentmagneten
(4). Die Erstreckung der Permanentmagneten des
Sekundärteils 22 in y-Richtung ist auf die Länge
des Verfahrweges von Schlitten 10 und Laserschneidkopf 3 in
y-Richtung abgestimmt. Entsprechend berücksichtigt die
Bemessung der Permanentmagneten des Sekundärteils 24 in
x-Richtung die Verfahrweglänge von Schlitten 10 und
Laserschneidkopf 3 in dieser Richtung.
-
Von
besonderer Bedeutung ist die Verteilung der Primärteile 21, 23 sowie
der Sekundärteile 22, 24 auf den Schlitten 10 einerseits
sowie auf den oberen Gestellschenkel 4 bzw. das Maschinengestell 5 andererseits.
-
An
einander senkrecht zu der horizontalen Bewegungsebene des Schlittens 10 sowie
des Laserschneidkopfes 3 gegenüberliegenden Seiten
des Schlittens 10 sind gleichartige Teile der x-Antriebseinheit 19 sowie
der y-Antriebseinheit 20 montiert. In dem gezeigten Beispielsfall
handelt es sich dabei um den Sekundärteil 22 der
x-Antriebseinheit 19 sowie um den auf der gegenüberliegenden
Seite des Schlittens 10 angeordneten Sekundärteil 24 der
y-Antriebseinheit 20. Der Sekundärteil 22 sowie
der Sekundärteil 24 werden gemeinschaftlich mit
dem Schlitten 20 bzw. Laserschneidkopf 3 bewegt.
Da es sich bei den Sekundärteilen 22, 24 um
passive Einheiten handelt, sind bei Bewegungen des Schlittens 10 sowie
des Laserschneidkopfes 3 vorteilhafterweise keine für
den Betrieb der Antriebseinheiten 19, 20 benötigten
Versorgungsleitungen mitzuführen. Auch sind die Massen
der Sekundärteile 22, 24 relativ gering.
-
Der
dem Sekundärteil 22 zugeordnete Primärteil 21 der
x-Antriebseinheit 19 ist an dem oberen Gestellschenkel 4 des
Maschinengestells 5, im Einzelnen an dem maschinengestellfesten
Gehäuse 15, montiert. Dementsprechend bleibt der
Primärteil 21 der x-Antriebseinheit 19 bei
Bewegungen von Schlitten 10 und Laserschneidkopf 3 ortsfest.
Der Anschluss des Primärteils 21 an die zugehörigen
Versorgungsleitungen, insbesondere der Anschluss der Erregerspule
an die elektrische Energieversorgung, gestaltet sich folglich ausgesprochen
einfach. Entsprechend stellen sich die Verhältnisse an
der y-Antriebseinheit 20 dar. Dem an dem Schlitten 10 angebrachten
passiven Sekundärteil 24 liegt der Primärteil 23 gegenüber,
der seinerseits an dem maschinengestellfesten Gehäuse 15 montiert
ist und folglich bei Bewegungen des Schlittens 10 gleichfalls
seine Montagelage beibehält.
-
Querkräfte
die bei Betrieb der x-Antriebseinheit 19 sowie der y-Antriebseinheit 20 funktionsbedingt
zwischen dem Primärteil 21 und dem Sekundärteil 22 einerseits
sowie dem Primärteil 23 und dem Sekundärteil 24 andererseits
auftreten, kompensieren sich gegenseitig. Bei entsprechender Regelung der
durch den Primärteil 21 sowie den Primärteil 23 geleiteten
Erregerströme kann sich der Betrag der Resultierenden aus
den sich an der x-Antriebseinheit 19 sowie an der y-Antriebseinheit 20 einstellenden Querkräften
zu Null ergeben. Von dem Führungssystem 11 ist
in diesem Fall keine durch die auftretenden Querkräfte
bedingte Last abzutragen.
-
Werden
die Erregerströme durch den Primärteil 21 und
den Primärteil 23 derart geregelt, dass sich eine
in 2 vertikal nach oben gerichtete resultierende
Querkraft ergibt, deren Betrag der Gewichtskraft der Einheit aus
Schlitten 10 und Laserschneidkopf 3 entspricht,
so kann sogar diese Gewichtskraft in den oberen Gestellschenkel 4 des
Maschinengestells 5 abgetragen werden, ohne dass zu diesem Zweck
das Führungssystem 11 genutzt werden müsste.
-
In
jedem Fall ist ein Führungssystem 11 mit geringem
Lastaufnahmevermögen ausreichend. Entsprechend klein baut
das Führungssystem 11 und entsprechend kompakt
gestaltet sich die Gesamtanordnung.
-
Zur
Bewegung des Laserschneidkopfes 3 in z-Richtung dient eine
z-Antriebseinheit 25 mit einem an dem Schlitten 10 fest
montierten Primärteil 26 sowie einem mit dem Laserschneidkopf 3 verbundenen Sekundärteil 27.
Auch bei der z-Antriebseinheit 25 handelt es sich um einen
Linearmotor üblicher Bauweise.
-
Die 6 und 7 betreffen
eine Anordnung, die an der Werkzeugmaschine 1 anstelle
der Anordnung gemäß den 2 bis 5 vorgesehen sein
kann. Beide Anordnungen stimmen in ihrer Funktionsweise grundsätzlich
miteinander überein.
-
Ausweislich
der 6 und 7 ist als Funktionseinheit ein
stark schematisiert dargestellter Laserschneidkopf 30 an
einem als Bewegungseinheit dienenden Schlitten 40 montiert.
Gemeinschaftlich mit dem Laserschneidkopf 30 kann der Schlitten 40 in
x-Richtung sowie in y-Richtung bewegt werden. Dabei werden der Laserschneidkopf 30 und
der Schlitten 40 von einem Linearantrieb 39 angetrieben. Zur
Führung der Bewegung von Laserschneidkopf 30 und
Schlitten 40 ist ein Führungssystem 41 vorgesehen.
-
Das
Führungssystem 41 wird gebildet von einer y-Führung 42 sowie
von einer x-Führung 43. Die y-Führung 42 umfasst
y-Linearlager 44 sowie y-Führungsschienen 46,
die beidseits des Laserschneidkopfes 30 in y-Richtung verlaufen.
Die y-Führungsschienen 46 sind an der Oberseite
des plattenartigen Schlittens 40 angebracht. Die y-Linearlager 44 befinden
sich an der Unterseite einer Zwischenplatte 58 des nach
Art eines Kreuzschlittens ausgeführten Führungssystems 41.
An ihrer Oberseite ist die Zwischenplatte 58 mit x-Führungsschienen 47 versehen, die
in x-Richtung verlaufen und in y-Richtung voneinander beabstandet
sind. Geführt werden die x-Führungsschienen 47 durch
x-Linearlager 48 (6). Die
x-Linearlager 48 sind in Einbaulage ortsunveränderlich
mit dem oberen Gestellschenkel 4 des Maschinengestells 5 verbunden.
Auf die beschriebene Art und Weise definiert das Führungssystem 41 die von
der x-Koordinatenachse sowie von der y-Koordinatenachse aufgespannte
horizontale Bewegungsebene von Schlitten 40 und Laserschneidkopf 30.
-
Der
Linearantrieb 39 umfasst eine x-Antriebseinheit 49 sowie
eine y-Antriebseinheit 50. Sowohl die x-Antriebseinheit 49 als
auch die y-Antriebseinheit 50 sind zweiteilig ausgebildet.
Eine Antriebsteileinheit 49/1 sowie eine Antriebsteileinheit 49/2 der x-Antriebseinheit 49 sowie
eine Antriebsteileinheit 50/1 und eine Antriebsteileinheit 50/2 der
y-Antriebseinheit 50 sind jeweils beidseits des Laserschneidkopfes 30 angeordnet.
-
Zweigeteilt
sind ein Primärteil 51 sowie ein Sekundärteil 52 der
x-Antriebseinheit 49 ebenso wie ein Primärteil 53 und
ein Sekundärteil 54 der y-Antriebseinheit 50.
Vorgesehen sind dementsprechend Primärteilelemente 51/1, 51/2 und
Sekundärteilelemente 52/1, 52/2 der x-Antriebseinheit 49 sowie
Primärteilelemente 53/1, 53/2 und Sekundärteilelemente 54/1, 54/2 der
y-Antriebseinheit 50. Bei den Primärteilelementen 51/1, 51/2; 53/1, 53/2 handelt
es sich um Erregerspulen, bei den Sekundärteilelementen 52/1, 52/2; 54/1, 54/2 um
Aneinanderreihungen von Permanentmagneten. Entsprechend den Verhältnissen
gemäß den 2 bis 5 sind
im Falle der Anordnung nach den 6 und 7 die
Sekundärteile 52, 54 an einander gegenüberliegenden
Seiten des Schlittens 40 angebracht und die Primärteile 51, 53 gestellfest
mit dem oberen Gestellschenkel 4 der Werkzeugmaschine 1 verbunden.
Unter anderem zu diesem Zweck dient ein maschinengestellfestes Gehäuse 45.
Durch die bezogen auf den Schlitten 40 spiegelsymmetrische
Anordnung der x-Antriebseinheit 49 und der y-Antriebseinheit 50 können
auch an dem Linearantrieb 39 antriebsbedingte Querkräfte kompensiert
werden.
-
Abweichend
von dem Beispielsfall gemäß den 2 bis 5 liegt
im Falle der Vorrichtungsbauart nach den 6 und 7 der
Schwerpunkt der Gesamtanordnung im Zentrum des Führungssystems 41.
Aufgrund der sich damit einstellenden Lastverhältnisse
können die y-Führung 42 sowie die x-Führung 43 besonders
klein bauen. Gleichzeitig lassen sich die Bewegungen des Laserschneidkopfes 30 mit
außerordentlich hoher Genauigkeit steuern.
-
In
den 6 bis 7 der Einfachheit halber nicht
dargestellt ist eine Einrichtung zur Einstellung des Laserschneidkopfes 30 in
z-Richtung.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-