DE202014007224U1

DE202014007224U1 - Werkzeugmaschine

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Publication number: DE202014007224U1
Application number: DE202014007224.8U
Authority: DE
Original assignee: Sauer GmbH and Co KG
Current assignee: Sauer GmbH and Co KG
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2015-12-14
Anticipated expiration: 2024-09-12
Also published as: CN107000140A; JP2017530870A; JP6538828B2; WO2016038183A1; US10464142B2; EP3092106A1; US20170259353A1

Abstract

Werkzeugmaschine, mit: einem Rahmen mit zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten, einer Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen (9), einem auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens geführten ersten Schlitten (4) einer ersten Linearachse, der in einer X-Richtung verfahrbar ist, einem auf dem ersten Schlitten (4) geführten zweiten Schlitten (5) einer zweiten Linearachse, der in einer Y-Richtung verfahrbar ist, einem an dem zweiten Schlitten (5) gehaltenen Turmelement (6) einer dritten Linearachse, einem an dem Turmelement (6) direkt oder indirekt gehaltenen Bearbeitungselement (12), das in einer Z-Richtung verfahrbar ist, und einer an dem Bearbeitungselement (12) angeordneten Werkzeugspindel (13) zur Aufnahme eines Werkzeugs (15), wobei der Rahmen ein monolithisches Rahmenelement (2) aus einem faserverstärktem Kunststoff, insbesondere einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, aufweist, das die zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitte umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine bzw. bevorzugt eine mobile Werkzeugmaschine bzw. mobile Fräsmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zum Bearbeiten von Oberflächen großer Werkstücke oder Composite-Bauteile.
Eine gattungsgemäße mobile Werkzeugmaschine ist aus der WO 2010/147733 A1 bekannt, die für ein Verfahren zur Reparatur von Oberflächen von Composite-Bauteilen vorgeschlagen wird. Die gattungsgemäße mobile Werkzeugmaschine umfasst einen im Wesentlichen rechtwinkligen Rahmen mit einer Mehrzahl von an dem Rahmen angebrachten Standfüßen mit denen die mobile Werkzeugmaschine auf einer Oberfläche eines Werkstücks abgestellt bzw. angebracht werden kann.
Ein Bearbeitungskopf der gattungsgemäßen mobilen Werkzeugmaschine umfasst eine Werkzeugspindel mit Werkzeugaufnahme zum Aufnehmen und Antreiben eines Werkzeugs (z. B. Fräswerkzeug, Bohrwerkzeug etc.), wobei der Bearbeitungskopf durch drei aufeinander aufbauende Linearachsen X, Y und Z in orthogonale X-, Y- und Z-Richtungen verfahrbar ist. Hierbei umfasst der Rahmen zwei gegenüberliegende Rahmenabschnitte auf denen Führungsmittel der X-Achse angeordnet sind.
Zur Vermessung der Oberfläche des Werkstücks und zur relativen Positionsbestimmung der Werkzeugmaschinenposition und -orientierung der Werkzeugmaschine zu dem Werkstück umfasst die mobile Werkzeugmaschine eine Lasermesseinrichtung. Außerdem kann die mobile Werkzeugmaschine eine Kamera für die visuelle Überprüfung der Oberfläche des Werkstücks umfassen.
Ausgehend von der vorstehend genannten gattungsgemäßen mobilen Werkzeugmaschine ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeugmaschine bereitzustellen, die mobil genutzt werden kann und die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert und gleichzeitig bei erhöhter Praktikabilität ein breiteres Anwendungsspektrum bietet, insbesondere für die automatisierte Reparatur von großflächigen Composite-Bauteilen bzw. faserverstärkten Kunststoffbauteilen z. B. im Bereich Luft- und Raumfahrt und Automotive.
Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe wird eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine mobile Werkzeugmaschine, gemäß Anspruch 1 bzw. dessen nebengeordneten Ansprüchen vorgeschlagen. Abhängige Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Werkzeugmaschine vorgeschlagen, mit: einem Rahmen mit zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten, einer Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen, einem auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens geführten ersten Schlitten einer ersten Linearachse, der in einer X-Richtung verfahrbar ist, einem auf dem ersten Schlitten geführten zweiten Schlitten einer zweiten Linearachse, der in einer Y-Richtung verfahrbar ist, einem direkt oder indirekt an dem zweiten Schlitten gehaltenen Turmelement einer dritten Linearachse, einem an dem Turmelement gehaltenen Bearbeitungselement, das (direkt oder indirekt) in einer Z-Richtung verfahrbar ist, und einer an dem Bearbeitungselement angeordneten Werkzeugspindel zur Aufnahme eines Werkzeugs, wobei der Rahmen ein monolithisches Rahmenelement aus einem faserverstärktem Kunststoff, insbesondere einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, aufweist, das die zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitte umfasst.
Dies bietet insbesondere den Vorteile, dass der Rahmen der Werkzeugmaschine mit sehr niedrigem Gewicht und somit die gesamte Werkzeugmaschine bei sehr niedrigem Gesamtgewicht bereitgestellt werden können, so dass eine mobile Werkzeugmaschine gemäß diesem Aspekt durch wenige Bediener manuell bewegt werden kann.
Zum Beispiel ist es bei einem derartigen Aufbau bei Rahmendimensionen mit ab 0,5 bis zu 1,5 Meter Länge und Breite möglich, mobile Werkzeugmaschinen bei einem reduzierten Gesamtgewicht bereitzustellen, insbesondere unter 100 kg, die durch zwei oder drei Bediener manuell getragen bzw. bewegt werden kann und manuell auf einem Großflächigen Bauteil abgestellt bzw. angebracht werden kann.
Außerdem bietet der erfindungsgemäße Aufbau des Rahmens mittels eines monolithischen Rahmenelements aus einem faserverstärktem Kunststoff zusätzlich zu der äußerst vorteilhaften Gewichtsersparnis den weiteren Vorteil, dass im Vergleich zu Rahmen aus metallischen Materialien und ggf. bei mehrteiligem Aufbau des Rahmens wie im Stand der Technik eine herausragende Steifigkeit des Rahmens erreicht werden kann, so dass eine deutlich verbesserte Bearbeitungsgenauigkeit an der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine erreichen lässt.
Die Kombination der vorstehenden Vorteile ermöglicht vorteilhaft den Einsatz der mobilen Werkzeugmaschine für die automatisierte Reparatur von großflächigen Composite-Bauteilen bzw. faserverstärkten Kunststoffbauteilen z. B. im Bereich Luft- und Raumfahrt und Automotive.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform umfasst die Werkzeugmaschine weiterhin eine erste Drehachse, die dazu eingerichtet ist, das Bearbeitungselement um eine erste Rotationsachse zu rotieren, und/oder eine zweite Drehachse, die dazu eingerichtet ist, das Bearbeitungselement um eine quer oder senkrecht zur ersten Rotationsachse angeordnete zweite Rotationsachse zu rotieren.
Dies bietet den Vorteil, dass die Bearbeitungsmöglichkeiten, Steuerungsmöglichkeiten und Anwendungsmöglichkeiten der Werkzeugmaschine signifikant erhöht werden können, da zusätzlich zu dem aus dem Stand der Stand der Technik bekannten Aufbau mit drei Linearachsen gemäß der WO 2010/147733 A1 mit drei linearen Freiheitsgraden der Steuerung des Werkzeugs in der Spindel am Bearbeitungselement relativ zu einer Oberfläche eines Werkstücks noch zusätzlich zwei rotatorische Freiheitsgrade bereitgestellt werden können, so dass eine Steuerungsbewegung mit allen möglichen fünf Raumfreiheitsgraden ermöglicht ist.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform sind Führungsmittel zur Führung des ersten Schlittens der ersten Linearachse direkt auf dem monolithischen Rahmenelement angebracht und/oder befestigt. Dies ermöglicht es die Steifigkeit der Kinematik der Werkzeugmaschine weiter zu verbessern, und zusätzlich kann das Gesamtgewicht der Maschine weiter reduziert werden, da die Anzahl der Bauteile reduziert wird.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform weist der erste Schlitten zwei gegenüberliegende Querträger auf, die sich vorzugsweise von einem der zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten zu dem anderen der zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens erstrecken, wobei Führungsmittel zur Führung des zweiten Schlittens der zweiten Linearachse vorzugsweise auf den zwei gegenüberliegenden Querträgern des ersten Schlittens angeordnet sind.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform sind die Führungsmittel zur Führung des zweiten Schlittens der zweiten Linearachse auf den zwei gegenüberliegenden Querträgern des ersten Schlittens auf der Seite des ersten Schlittens angeordnet, auf der der erste Schlitten auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens geführt ist, derart, dass der zweite Schlitten und der Rahmen der Werkzeugmaschine auf der gleichen Seite des ersten Schlittens angeordnet sind.
Dies hat den Vorteil, dass die Gesamthöhe der Werkzeugmaschine reduziert werden kann und die manuelle Beweglichkeit der Werkzeugmaschine verbessert wird. Zudem kann die Werkzeugmaschine besser und sicherer auch an schrägen Oberflächen angebracht werden, da ein bei Schrägstellung durch die Gewichtskraft der Werkzeugmaschine auf die Werkzeugmaschine wirkendes Gesamtdrehmoment durch den niedrigeren Schwerpunkt der Werkzeugmaschine niedriger ist.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform weist der erste Schlitten ein monolithisches Rahmenelement aus einem faserverstärktem Kunststoff, insbesondere einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, auf. Dies hat den Vorteil, dass das Gesamtgewicht der Werkzeugmaschine weiter reduziert werden kann und die Steifigkeit des Maschinenaufbaus weiter verbessert werden kann, so dass noch höhere Bearbeitungsgenauigkeiten erreicht werden können.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform umfasst das monolithische Rahmenelement des ersten Schlittens die zwei gegenüberliegenden Querträger des ersten Schlittens. Dies hat den Vorteil, dass die Steifigkeit des Aufbaus weiter verbessert wird, so dass noch höhere Bearbeitungsgenauigkeiten erreicht werden können.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform sind die Führungsmittel zur Führung des zweiten Schlittens der zweiten Linearachse direkt auf den zwei gegenüberliegenden Querträgern des ersten Schlittens angebracht und/oder befestigt. Dies ermöglicht es die Steifigkeit der Kinematik der Werkzeugmaschine weiter zu verbessern, und zusätzlich kann das Gesamtgewicht der Maschine weiter reduziert werden, da die Anzahl der Bauteile reduziert wird.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform ist das Turmelement zwischen den zwei gegenüberliegenden Querträgern des ersten Schlittens angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass noch höhere Bearbeitungsgenauigkeiten an der Werkzeugmaschine erreicht werden können, da das Gewicht des Turmelements bzw. entgegengesetzt wirkende Kräfte durch Bearbeitung des Werkstücks symmetrisch auf den ersten Schlitten wirken und somit kein Drehmoment auf den ersten Schlitten wirkt.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform weist der zweite Schlitten ein monolithisches Rahmenelement aus einem faserverstärktem Kunststoff, insbesondere einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, auf. Dies hat den Vorteil, dass das Gesamtgewicht der Werkzeugmaschine weiter reduziert werden kann und die Steifigkeit des Maschinenaufbaus weiter verbessert werden kann, so dass noch höhere Bearbeitungsgenauigkeiten erreicht werden können.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform weist der zweite Schlitten zwei gegenüberliegende Querträger auf, wobei das Turmelement vorzugsweise zwischen den zwei gegenüberliegenden Querträgern des zweiten Schlittens angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass noch höhere Bearbeitungsgenauigkeiten an der Werkzeugmaschine erreicht werden können, da das Gewicht des Turmelements bzw. entgegengesetzt wirkende Kräfte durch Bearbeitung des Werkstücks symmetrisch auf den zweiten Schlitten wirken und somit kein Drehmoment auf den zweiten Schlitten wirkt.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform umfasst das monolithische Rahmenelement des zweiten Schlittens die zwei gegenüberliegenden Querträger des zweiten Schlittens. Dies hat den Vorteil, dass die Steifigkeit des Aufbaus weiter verbessert wird, so dass noch höhere Bearbeitungsgenauigkeiten erreicht werden können.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform ist das Turmelement an dem zweiten Schlitten drehbar gelagert und ein Direktantrieb der ersten Drehachse ist vorzugsweise auf dem zweiten Schlitten angeordnet, der das Turmelement rotatorisch antreibt. Dies hat den Vorteil, dass die Gesamthöhe der Werkzeugmaschine weiter reduziert werden kann und auch der Schwerpunkt der Drehachsen näher am zweiten Schlitten liegt. Bei Schrägstellung der Maschine können so die wirkenden Drehmomente verringert werden, wodurch eine weiter verbesserte Bearbeitungsgenauigkeit erreicht werden kann.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform weist das Bearbeitungselement einen Aktuator auf, der dazu eingerichtet ist, eine Vibrationsbewegung eines an der Werkzeugspindel aufgenommenen Werkzeugs in Richtung der Spindelachse anzutreiben, insbesondere bevorzugt bei einer Frequenz im Ultraschallbereich. Dies hat den Vorteil, dass die Bearbeitungsgenauigkeit weiter verbessert werden kann, und insbesondere bei Bearbeitung von Oberflächen von Composite-Bauteilen bzw. Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff die bearbeitete Oberfläche eine signifikant reduzierte Fransenbildung aufweist bzw. eine Fransenbildung auf der Oberfläche von Composite-Bauteilen bzw. Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff vermieden werden kann.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform weist der Aktuator einen Piezoantrieb auf, der dazu eingerichtet ist, die Vibrationsbewegung eines an der Werkzeugspindel aufgenommenen Werkzeugs in Richtung der Spindelachse anzutreiben, insbesondere bei einer Frequenz im Ultraschallbereich.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform umfasst die Werkzeugmaschine weiterhin ein Absaugmittel zum Absaugen von Staub und Bearbeitungsspänen aus einem im Innenraum des Rahmens angeordneten Bearbeitungsraum, wobei der Rahmen vorzugsweise eine oder mehrere Absaugöffnungen aufweist, die dem Innenraum des Rahmens zugewandt sind. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Vorrichtungen bereitgestellt werden müssen, um Späne bzw. Staub aus dem Bearbeitungsraum zu entfernen.
Weiterhin können die Absaugöffnungen vorteilhaft kompakt in dem Rahmenelement ausgebildet werden, so dass der Bearbeitungsraum räumlich nicht weiter durch zusätzliche Absaugvorrichtungen bzw. Absaugschläuche eingeschränkt wird, so dass eine Verfahrbarkeit des Bearbeitungselements im gesamten Innenraum des Rahmens uneingeschränkt möglich bleibt.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform umfasst die Werkzeugmaschine weiterhin ein oder mehrere Absaugkanäle, die vorzugsweise mit der einen oder den mehreren Absaugöffnungen verbunden sind, und die vorzugsweise an oder in dem monolithischen Rahmenelement ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass die Absaugkanäle kompakt und bei niedrigem Gewicht an bzw. in dem Rahmenelement ausgebildet sein können, wobei zusätzlich auch noch die Steifigkeit des Rahmens weiter erhöht werden kann, so dass zudem die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform ist zumindest ein mit den Absaugkanälen verbundener Absauganschluss zum Anschließen einer externen Absaugvorrichtung an dem monolithischen Rahmenelement angebracht oder ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass eine externen Absaugvorrichtung an dem monolithischen Rahmenelement angeschlossen werden kann, bevorzugt auf der dem Bearbeitungsraum abgewandten Seite, so dass der Bearbeitungsraum räumlich nicht weiter durch zusätzliche Absaugvorrichtungen bzw. Absaugschläuche eingeschränkt wird, so dass eine Verfahrbarkeit des Bearbeitungselements im gesamten Innenraum des Rahmens uneingeschränkt möglich bleibt.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform weisen die zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitte des Rahmens Führungen für ein oder mehrere in X-Richtung bewegliche Rollo-Abdeckelemente zur Abdeckung des Innenraums des Rahmens auf. Dies hat den Vorteil, dass der Bearbeitungsraum mit einfachen Mitteln nach oben abgedeckt werden kann. Dies ermöglicht einerseits Eingriffsschutz für den Bediener und Abdichten des Bearbeitungsraums. Zudem kann die Effizienz einer Absaugvorrichtung für den Bearbeitungsraum verbessert werden.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform sind die beweglichen Rollo-Abdeckelemente aus einem transparenten Material ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass der Bearbeitungsraum von oben weiter einsehbar bleibt.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform sind Endabschnitte der beweglichen Rollo-Abdeckelemente an dem ersten Schlitten angebracht, derart, dass ein Verfahren des ersten Schlittens die beweglichen Rollo-Abdeckelemente mitbewegt. Dies hat den Vorteil, dass die Bewegung des ersten Schlittens nicht eingeschränkt wird und die Bewegung der Rollo-Abdeckelemente der Bewegung des ersten Schlittens folgt.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform weist die Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen einen jeweiligen Saugnapfanschluss zur Befestigung an der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks auf. Dies ermöglicht eine einfachere und zuverlässigere lösbare Befestigung der Fußelemente an einer Oberfläche eines Werkstücks.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform weisen die Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen ein jeweiliges Hohlelement auf, das an einem Ende mit dem jeweiligen Saugnapfanschluss verbunden ist und/oder an einem anderen Ende mit einem Medienanschluss verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass ein Unterdruck aufgebracht werden kann, um die Saugnapfanschlüsse zuverlässig an der Oberfläche eines Werkstücks anzubringen und zu befestigen.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform weisen eines oder mehrere der Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen ein jeweiliges Kugelgelenk auf. Dies hat den Vorteil, dass die Saugnapfanschlüsse an den Fußelementen jeweils unabhängig verschwenkt werden können, um an eine unebene Oberfläche eines Werkstücks verbessert angepasst werden zu können.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Hohlelement das Kugelgelenk, wobei das Kugelelement des Kugelgelenks vorzugsweise einen Kanal zur Mediendurchführung aufweist. Dies hat den Vorteil, dass ein Unterdruck durch das Kugelgelenk aufgebracht werden kann, um die Saugnapfanschlüsse zuverlässig an der Oberfläche eines Werkstücks anzubringen und zu befestigen.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform sind die Mehrzahl der an dem Rahmen angeordneten Fußelemente höhenverstellbar ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Höhe der Saugnapfanschlüsse an den Fußelementen jeweils unabhängig verändert werden können, um an eine unebene Oberfläche eines Werkstücks verbessert angepasst werden zu können.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform umfasst die Werkzeugmaschine weiterhin eine Steuerungsschnittstelle zum Anschluss einer externen Steuerungsvorrichtung zum Steuern der Werkzeugmaschine.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform ist die Steuerungsschnittstelle an dem Rahmen angeordnet und weist bevorzugt eine externe Leistungsschnittstelle zur Versorgung der Werkzeugmaschine mit elektrischer Energie und/oder eine externe Kommunikationsschnittstelle zum Empfangen von externen Steuersignalen von der externen Steuerungsvorrichtung auf.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform umfasst die Werkzeugmaschine weiterhin einen oder mehrere Antriebscontroller zum Ansteuern eines jeweiligen Antriebs einer steuerbaren Achse der Werkzeugmaschine, wobei jeder der Antriebscontroller vorzugsweise mit der Kommunikationsschnittstelle der Steuerungsschnittstelle verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass eine dezentrale Steuerungskonfiguration ermöglicht ist, wobei eine einzige externe Verbindung (z. B. ein Bus-Kabel) ausreichend ist, alle Antriebscontroller anzusteuern, da die Verbindungen zu den Antriebscontrollern erst ab der Steuerungsschnittstelle verzweigen. Dies ermöglicht zusätzliche Gewichts- und Platzeinsparungen.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform ist jeder der Antriebscontroller mit der Leistungsschnittstelle der Steuerungsschnittstelle verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass eine einzige externe Verbindung (z. B. ein Leistungskabel) ausreichend ist, alle Antriebscontroller elektrisch zu versorgen, da die Verbindungen zu den Antriebscontrollern erst ab der Steuerungsschnittstelle verzweigen. Dies ermöglicht zusätzliche Gewichts- und Platzeinsparungen.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform umfasst die Werkzeugmaschine weiterhin einen oder mehrere Antriebe zum Antreiben einer jeweiligen steuerbaren Achse der Werkzeugmaschine, wobei jeder der Antriebe vorzugsweise mit der Leistungsschnittstelle der Steuerungsschnittstelle verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass eine einzige externe Verbindung (z. B. ein Leistungskabel) ausreichend ist, alle Antriebe elektrisch zu versorgen, da die Verbindungen zu den Antrieben erst ab der Steuerungsschnittstelle verzweigen. Dies ermöglicht zusätzliche Gewichts- und Platzeinsparungen.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform ist/sind eine oder mehrere Kabelführungskanäle an oder in dem monolithischen Rahmenelement des Rahmens ausgebildet. Dies schafft einen effizienteren und einfacheren Aufbau, bei dem weniger Kabel offen geführt werden. Zudem erhöht sich vorteilhaft die Steifigkeit des Rahmenelements.
Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform umfasst die Werkzeugmaschine weiterhin ein an dem ersten Schlitten angeordnetes Abdeckungselement, das den ersten Schlitten abdeckt. Gemäß einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform deckt das Abdeckungselement den auf dem ersten Schlitten angeordneten zweiten Schlitten und/oder das Turmelement ab. Dies hat den Vorteil, dass ein Eingriffsschutz für den Bediener bereitgestellt ist. Weiterhin werden die beweglichen Bauteile der Werkzeugmaschine durch Einfluss von außen geschützt.
Vorstehende bevorzugte Aspekte bzw. deren Merkmale können einzeln und in Kombination bereitgestellt werden. Weiterhin werden im Folgenden nebengeordnete Aspekte beschrieben, die unabhängig voneinander und in Kombination mit allen vorstehenden Aspekten bereitgestellt werden können.
Gemäß einem nebengeordneten Aspekt wird eine Werkzeugmaschine vorgeschlagen, mit einem Rahmen mit zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten, einer Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen, einem auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens geführten ersten Schlitten einer ersten Linearachse, der in einer X-Richtung verfahrbar ist, einem auf dem ersten Schlitten geführten zweiten Schlitten einer zweiten Linearachse, der in einer Y-Richtung verfahrbar ist, einem an dem zweiten Schlitten gehaltenen Turmelement einer dritten Linearachse, einem direkt oder indirekt an dem Turmelement gehaltenen Bearbeitungselement, das in einer Z-Richtung verfahrbar ist, und/oder einer an dem Bearbeitungselement angeordneten Werkzeugspindel zur Aufnahme eines Werkzeugs, wobei das Bearbeitungselement einen Aktuator aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine Vibrationsbewegung eines an der Werkzeugspindel aufgenommenen Werkzeugs in Richtung der Spindelachse anzutreiben, insbesondere bei einer Frequenz im Ultraschallbereich.
Gemäß einem weiteren nebengeordneten Aspekt wird eine Werkzeugmaschine vorgeschlagen, mit einem Rahmen mit zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten, einer Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen, einem auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens geführten ersten Schlitten einer ersten Linearachse, der in einer X-Richtung verfahrbar ist, einem auf dem ersten Schlitten geführten zweiten Schlitten einer zweiten Linearachse, der in einer Y-Richtung verfahrbar ist, einem an dem zweiten Schlitten gehaltenen Turmelement einer dritten Linearachse, einem direkt oder indirekt an dem Turmelement gehaltenen Bearbeitungselement, das in einer Z-Richtung verfahrbar ist, einer an dem Bearbeitungselement angeordneten Werkzeugspindel zur Aufnahme eines Werkzeugs, und/oder einem Absaugmittel zum Absaugen von Staub und Bearbeitungsspänen aus einem im Innenraum des Rahmens angeordneten Bearbeitungsraum, wobei der Rahmen eine oder mehrere Absaugöffnungen aufweist, die dem Innenraum des Rahmens zugewandt sind.
Gemäß einem weiteren nebengeordneten Aspekt wird eine Werkzeugmaschine vorgeschlagen, mit einem Rahmen mit zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten, einer Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen, einem auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens geführten ersten Schlitten einer ersten Linearachse, der in einer X-Richtung verfahrbar ist, einem auf dem ersten Schlitten geführten zweiten Schlitten einer zweiten Linearachse, der in einer Y-Richtung verfahrbar ist, einem an dem zweiten Schlitten gehaltenen Turmelement einer dritten Linearachse, einem direkt oder indirekt an dem Turmelement gehaltenen Bearbeitungselement, das in einer Z-Richtung verfahrbar ist, einer an dem Bearbeitungselement angeordneten Werkzeugspindel zur Aufnahme eines Werkzeugs, und/oder einem oder mehreren in X-Richtung beweglichen Rollo-Abdeckelementen zur Abdeckung des Innenraums des Rahmens, wobei die zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitte des Rahmens Führungen für die Rollo-Abdeckelemente aufweisen.
Gemäß einem weiteren nebengeordneten Aspekt wird eine Werkzeugmaschine vorgeschlagen, mit einem Rahmen mit zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten, einer Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen, einem auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens geführten ersten Schlitten einer ersten Linearachse, der in einer X-Richtung verfahrbar ist, einem auf dem ersten Schlitten geführten zweiten Schlitten einer zweiten Linearachse, der in einer Y-Richtung verfahrbar ist, einem an dem zweiten Schlitten gehaltenen Turmelement einer dritten Linearachse, einem direkt oder indirekt an dem Turmelement gehaltenen Bearbeitungselement, das in einer Z-Richtung verfahrbar ist, einer an dem Bearbeitungselement angeordneten Werkzeugspindel zur Aufnahme eines Werkzeugs, und/oder einer Steuerungsschnittstelle zum Anschluss einer externen Steuerungsvorrichtung zum Steuern der Werkzeugmaschine, wobei die Steuerungsschnittstelle an dem Rahmen angeordnet ist und eine externe Leistungsschnittstelle zur Versorgung der Werkzeugmaschine mit elektrischer Energie sowie eine externe Kommunikationsschnittstelle zum Empfangen von externen Steuersignalen von der externen Steuerungsvorrichtung aufweist, und/oder wobei die Werkzeugmaschine weiterhin einen oder mehrere Antriebscontroller zum Ansteuern eines jeweiligen Antriebs einer steuerbaren Achse der Werkzeugmaschine aufweist, wobei jeder der Antriebscontroller mit der Kommunikationsschnittstelle und der Leistungsschnittstelle der Steuerungsschnittstelle verbunden ist.
Zusammenfassend werden gemäß Aspekten und bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung Werkzeugmaschinen vorgeschlagen, die es vorteilhaft erlauben, bei signifikanter Gewichtseinsparung mobil genutzt zu werden, wobei die Steifigkeit der Maschine erhöht werden kann und die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert werden kann, bei gleichzeitig erhöhter Praktikabilität mit einem breiteren möglichen Anwendungsspektrum.
Die vorstehenden Aspekte ermöglichen vorteilhaft den Einsatz der mobilen Werkzeugmaschine für die automatisierte Reparatur von großflächigen Composite-Bauteilen bzw. faserverstärkten Kunststoffbauteilen z. B. im Bereich Luft- und Raumfahrt und Automotive.
Die Erfindung wird im Folgenden exemplarisch mit Bezug auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Perspektivansicht einer Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von schräg oben,
2 eine schematische Frontansicht der Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
3 eine schematische Draufsicht der Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
4 eine schematische Seitenansicht der Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
5 eine schematische Perspektivansicht der Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von schräg unten,
6 eine schematische Unteransicht der Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
7 eine schematische Perspektivansicht einer Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von schräg oben ohne Haubenelement,
8 eine weitere schematische Perspektivansicht einer Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von schräg oben ohne Haubenelement, und
9 eine schematische beispielhafte Detaildarstellung der Fußelemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren werden hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebenen Ausführungsmerkmale begrenzt, sondern umfasst weiterhin Modifikationen von Merkmalen der beschriebenen Beispiele und Kombination von Merkmalen verschiedener Beispiele im Rahmen des Schutzumfangs der unabhängigen Ansprüche.
1 bis 8 zeigen schematische Ansichten einer mobilen Werkzeugmaschine 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine schematische Perspektivansicht der Werkzeugmaschine 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von schräg oben, 2 zeigt eine schematische Frontansicht der Werkzeugmaschine 1, 3 zeigt eine schematische Draufsicht der Werkzeugmaschine 1 und 4 zeigt eine schematische Seitenansicht der Werkzeugmaschine 1,
Als Grundgestell umfasst die Werkzeugmaschine 1 einen beispielhaft rechtwinklig bzw. im Wesentlichen quadratisch ausgebildeten Rahmen, welcher beispielhaft aus einem monolithisch ausgebildeten Rahmenelement 2 aus einem faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, gebildet ist, auf dem ggf. in Ausführungsbeispielen weitere Elemente angebracht sein können wie z. B. angebrachte Abdeckplatten oder ähnliches. Bevorzugt beträgt die Rahmenbreite und/oder die Rahmenlänge etwa 0,5 bis 1,5 m.
Im Inneren des Rahmenelements 2 weist die Werkzeugmaschine 1 einen Bearbeitungsraum auf, der vollumfänglich von dem monolithischen Rahmenelement 2 umschlossen ist (siehe z. B. 5 und 6).
Auf zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten der vier Rahmenabschnitte des Rahmenelements 2 sind sich in X-Richtung erstreckende Führungen 3a und 3b für eine steuerbare X-Linearachse (erste Linearachse) direkt auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmenelements 2 abgebracht (siehe z. B. 1, 3 und 4).
Ein in X-Richtung verfahrbarer X-Schlitten 4 wird von den Führungen 3a und 3b geführt. Vorzugsweise weist die X-Linearachse auf zumindest einem und bevorzugt auf jedem der beiden gegenüberliegenden Rahmenabschnitte an jeder der Führungen 3a und 3b ein jeweiliges Längenmesssystem auf, so dass die Position des X-Schlittens 4 der X-Linearachse auf einer und bevorzugt auf beiden Seiten bestimmbar ist.
Die X-Linearachse weist beispielhaft auf beiden Seiten des X-Schlittens einen jeweiligen Schraubantrieb mit einer jeweiligen Schraubenwelle 3c bzw. 3d auf. Auf den Schraubenwellen 3c und 3d werden Antriebe 3e und 3f gehalten, die an dem X-Schlitten 4 seitlich angebracht bzw. angeordnet sind. Die Antriebe 3e und 3f sind dazu eingerichtet, den X-Schlitten 4 entlang der Schraubenwellen 3c und 3d in der X-Richtung zu verfahren.
Der X-Schlitten 4 ist folglich in der X-Richtung mittels Ansteuerung der X-Linearachse verfahrbar an den Führungen 3a und 3b auf dem Rahmenelement 2 des Werkzeugmaschinenrahmens geführt und weist ein monolithisch ausgebildetes Rahmenelement auf, das beispielhaft aus einem faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, gebildet ist.
An den Außenseiten des Rahmenelements 2 des Rahmens der Werkzeugmaschine sind an jedem der vier Rahmenabschnitte jeweils vier Fußelemente 9 angeordnet. Die Fußelemente dienen dazu, die Werkzeugmaschine 1 auf einer Oberfläche aufzustellen, wie z. B. auf einer Oberfläche eines großflächigen Werkstücks.
In den 1 bis 5 ist beispielhaft ein Haubenelement 21 (Abdeckungselement, bzw. Abdeckung, ggf. aus Kunststoff) auf dem X-Schlitten 4 angebracht bzw. angeordnet, um die darunterliegenden Bauteile abzudecken bzw. zu schützen. Des Weiteren ergibt sich durch das Haubenelement 21 ein Eingriffsschutz für Bediener der Werkzeugmaschine 1. Jedoch ist es auch möglich, Ausführungsbeispiele ohne Haubenelement 21 vorzusehen.
6 bis 8 zeigen die Werkzeugmaschine 1 beispielhaft ohne dieses Haubenelement 21. 6 zeigt eine schematische Unteransicht der Werkzeugmaschine 1, 7 zeigt eine schematische Perspektivansicht der Werkzeugmaschine 1 von schräg oben ohne Haubenelement 21 und 8 zeigt eine weitere schematische Perspektivansicht der Werkzeugmaschine 1 von schräg oben ohne Haubenelement 21.
Das Rahmenelement des X-Schlittens 4 weist zwei Querträger 4a und 4b auf, die sich jeweils von der Führung 3a auf einem Rahmenabschnitt des Rahmenelements 2 zu dem gegenüberliegenden Rahmenabschnitt des Rahmenelements 2 und der Führung 3b erstrecken.
Auf der Unterseite des X-Schlittens 4 ist ein Y-Schlitten 5 einer Y-Linearachse (zweite Linearachse) gehalten, der mittels eines nicht gezeigten Antriebs in der Y-Richtung verfahren werden kann. Beispielhaft ist die X-Richtung orthogonal zu der Y-Richtung, und die Unterseiten der Querträger 4a und 4b des X-Schlittens 4 weisen jeweilige in Y-Richtung ausgerichtete Führungen (nicht gezeigt) auf, an denen der Y-Schlitten 5 der Y-Linearachse geführt ist.
Der Y-Schlitten 5 ist in der Y-Richtung mittels der Y-Linearachse verfahrbar auf den Führungen auf der Unterseite des Rahmenelements 4 des X-Schlittens verfahrbar geführt und weist ein monolithisch ausgebildetes Rahmenelement auf, das beispielhaft aus einem faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, gebildet ist.
In dieser bevorzugten Ausführungsform sind der X- und der Y-Schlitten jeweils aus einem faserverstärktem Kunststoff gebildet bzw. umfasst ein jeweiliges Rahmenelement aus einem faserverstärktem Kunststoff. In weiteren Ausführungsbeispielen ist es natürlich möglich, einen oder beide dieser Schlitten bzw. deren Rahmenelemente aus einem anderen Material auszubilden, z. B. aus Metall, bevorzugt beispielsweise Aluminium aus Gewichtsgründen.
Mittig am Y-Schlitten 5 der Y-Linearachse ist ein Turmelement 6 gehalten, das sich in einer Z-Richtung erstreckt, welche sich beispielhaft orthogonal zu den X- und Y-Richtungen der X- und Y-Linearachsen erstreckt.
Ein rotatorischer Direktantrieb 7 ist an dem Y-Schlitten 5 der Y-Linearachse angeordnet (siehe z. B. 7 und 8) und ist dazu eingerichtet, das Turmelement 6 um eine Rotationsachse zu drehend anzutreiben (zweite Drehachse, bevorzugt mindestens 360°-Steuerbarkeit), die parallel zur Z-Richtung ausgerichtet ist.
Im Inneren des beispielhaft hohl ausgebildeten Turmelements 6 ist ein Z-Schlitten 8 einer Z-Linearachse (dritte Linearachse) angeordnet (siehe z. B. 5, 7 und 8), der über einen weiteren Linearantrieb in Z-Richtung verfahrbar ist.
An dem unteren Ende des Z-Schlittens 8 ist ein Bearbeitungselement 12 angeordnet (Bearbeitungskopf, bzw. z. B. Fräskopf), siehe z. B. 5 und 6. Das Bearbeitungselement 12 trägt eine Werkzeugspindel 13 mit einer Werkzeugaufnahme 14, an der beispielhaft ein Fräswerkzeug 15 zur Bearbeitung eines Werkstücks aufgenommen ist. Im Spindelgehäuse der Spindel 13 ist ein Spindelmotor zum Antreiben der Spindel angeordnet.
Zudem kann in bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung zusätzlich ein Piezo-Aktor oder ein ähnlicher Vibrationsantrieb bereitgestellt werden, um bei dem Werkzeug zusätzlich eine Vibrationsbewegung anzutreiben, bei der das Werkzeug in Richtung der Spindelachse vibriert. Dies ist insbesondere bei der Bearbeitung von Composite-Bauteilen und Oberflächen aus Faserverbundstoffen vorteilhaft, da eine Fransenbildung bzw. Ausfaserung auf der bearbeiteten Oberfläche vermieden werden kann.
Das Bearbeitungselement 12 ist an dem unteren Ende des Z-Schlittens 8 angeordnet bzw. gehalten, der in das um die Z-Achse drehbare Turmelement 6 mit dem rotatorischen Direktantrieb 7 an dem Y-Schlitten 5 hineinragt und am Turmelement 6 in Z-Richtung verfahrbar gehalten ist.
Am unteren Ende des Z-Schlittens 8 ist beispielhaft ein weiterer rotatorischer Direktantrieb 11 vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, das Bearbeitungselement 12 mit der Spindel 13 um eine zur Z-Richtung beispielhaft senkrecht ausgerichtete Rotationsachse drehend anzutreiben (zweite Drehachse ggf. als Schwenkachse ausgebildet, bevorzugt mindestens 180°-Steuerbarkeit).
An einer Seite des Bearbeitungselements 12 ist beispielhaft eine Messeinrichtung 17 angebracht, die z. B. ein Lasermesssystem zum Vermessen der Oberfläche des Werkstücks bzw. zum Ermitteln einer Position der Werkzeugmaschine 1 relativ zu dem Werkstück und/oder andere nichtberührende Messsysteme zur Untersuchung der Oberfläche des Werkstücks aufweisen kann (z. B. ein optisches System mit Kamera und/oder ein Ultraschallmesssystem). Eine derartige Messeinrichtung (oder Teile einer derartigen Messeinrichtung) kann auch an der Innenseite des Rahmens 2 angeordnet sein.
Weiterhin umfasst die Werkzeugmaschine 1 in weiteren Ausführungsbeispielen bevorzugt ein Laser-Werkzeugvermessungssystem bzw. eine Laser-Werkzeugvermessungseinrichtung, die entweder an dem Bearbeitungselement 2 und/oder an der Innenseite des Rahmens 2 angeordnet sein kann, um ein an der Spindel 13 aufgenommenes Werkzeug 15 mittels eines Lasers zu vermessen, bzw. dessen Position zu vermessen. Beispielhaft ist in 5 und 6 eine optionale Laser-Werkzeugmesseinrichtung 24 an der Innenseite des Rahmens 2 angeordnet. Dies bietet die Möglichkeit der Vermessung z. B. von Werkzeuglänge und -durchmesser des an der Spindel 13 aufgenommenen Werkzeugs 15 durch den im Innenraum der Maschine an den Rahmen angebrachten Werkzeuglaser der Werkzeugmesseinrichtung 24.
Eine nicht dargestellte von dem Y-Schlitten 5 kommende Kabelzuführung kann mit dem Bearbeitungselement 12 verbunden werden und stellt dann die elektrische Stromversorgung für den Spindelantrieb, den Direktantrieb 11, den Piezo-Antrieb und/oder die Messeinrichtung 17 bereit. Zudem können über die Kabelzuführung 16 Steuersignale an den Spindelantrieb und den Direktantrieb 11 übermittelt werden und Sensorsignale aus der Messeinrichtung 17 ausgelesen werden.
Weitere Kabelführungen (z. B. für Aktorsignale, Sensorsignale oder die elektrische Stromversorgung) sind bevorzugt in Kabelkanälen geführt, die in bevorzugten Ausführungsbeispielen an den bzw. in dem monolithischen Rahmenelement 2 ausgebildet sind.
Beispielhaft ist in den 1, 3, 5 und 6 eine Schnittstellenöffnung 19 an einer Ecke des Rahmenelements 2 außen ausgebildet, als Ende von an dem bzw. in dem Rahmenelement 2 ausgebildeten Kabelführungskanälen nach innen z. B. direkt bzw. indirekt zu einem oder mehreren der Schlitten und der Antriebe an den Schlitten der Achsen.
Auf der Innenfläche 2a des Rahmenelements 2 der Werkzeugmaschine sind gemäß dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels Ansaugöffnungen 18 ausgebildet, über die Staub und Späne aus dem Bearbeitungsraum abgesaugt werden können (siehe z. B. 5).
Kabelzuführungskanäle und/oder Absaugkanäle sind bevorzugt an und/oder in dem Rahmenelement 2 der Werkzeugmaschine ausgebildet.
Zudem stellt die Werkzeugmaschine 1 weiterhin bevorzugt äußere, an dem Rahmenelement 2 angeordnete Anschüsse bereit, z. B. die bereits erwähnte Steuerungsschnittstelle 19 zum Anschluss einer Leistungsverbindung zur elektrischen Stromversorgung und/oder zum Anschluss einer Kommunikationsverbindung für Aktor und/oder Sensorsignalübertragung von/zu einer externen Steuervorrichtung, und/oder auch einen Ansauganschluss 20 für eine externe Ansaugvorrichtung (ggf. bevorzugt über einer Verbindung interner Ansaugkanäle am bzw. im Rahmenelement 2 zu den Ansaugöffnungen 18).
Hierbei sind die Ansaugkanäle bzw. ist der Ansauganschluss 20 in bevorzugten Ausführungsbeispielen mit den Kabelzuführungskanälen hydraulisch bzw. pneumatisch verbunden, da so ein Unterdruck bzw. Vakuum auch auf die Kabelzuführungskanäle einwirkt, und die elektrischen Bauteile vor elektrisch aufgeladenem Staub schützt.
9 zeigt eine schematische beispielhafte Detaildarstellung der Fußelemente 9, die beispielhaft alle gleich ausgebildet sind. Das Fußelement weist ein hohles Stangenelement 9a auf, welches vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, gebildet ist.
Das Stangenelement 9a ist mittels Befestigungselementen 10a und 10b an der Außenseite des Rahmenelements 2 des Rahmens der Werkzeugmaschine 1 befestigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind an den Befestigungselementen 10a und 10b Schnellspannmechanismen bereitgestellt, um die Neigung und Höhe der Fußelemente 9 individuell einstellen zu können.
An dem oberen Ende des Stangenelements 9a ist ein Anschluss bzw. Medienanschluss 9d angebracht und an dem unteren Ende des Stangenelements 9a ist ein Kugelgelenk 9b angebracht, an dem ein Saugnapfanschluss 9c angebracht ist. Über einen Medienkanal im Inneren des Kugelelements des Kugelgelenks 9b und über einen Medienkanal im Inneren des Stangenelements 9a kann der Saugnapfanschluss 9c gesteuert werden, z. B. indem durch Anschließen eines hydraulischen und/oder pneumatischen Systems z. B. per Schlauchverbindung an dem Medienanschluss 9d ein Unterdruck im Inneren des Medienkanals aufgebracht wird.
Das Kugelgelenk 9b ermöglicht ein Verschwenken des Saugnapfs 9c zum Anpassen der Neigung des Saugnapfs 9c an eine unebene Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks, an dem die Werkzeugmaschine 1 mittels der Fußelemente 9 angebracht wird.
Weiterhin können die Stangenelemente 9a in weiteren Ausführungsbeispielen z. B. mittels eines Aufbaus gemäß Teleskopprinzip (z. B. Teleskopstange) höhenverstellbar ausgebildet sein, um die Höhenposition der Saugnäpfe 9c an die unebene Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks anzupassen. Position und/oder Neigung jedes einzelnen Saugnapfs 9c ist somit vorteilhaft individuell einstellbar.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist es möglich, die Medienanschlüsse 9d der Fußelemente über pneumatische Verbindungen (z. B. über Schlauchverbindungen) mit Öffnungen an dem Rahmenelement 2 zu verbinden, die wiederum mit der Ansaugöffnung 20 verbunden sind, z. B. durch an dem bzw. in dem Rahmenelement 2 ausgebildete Kanäle und/oder innere Schlauchverbindungen. Dies ermöglicht vorteilhaft die Erzeugung des Unterdrucks bzw. Vakuums für die Saugnapfhalterungen 9c durch Ejektoren im Rahmen der Maschine.
In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen ist eine einzige externe Ansaugeinrichtung (z. B. Vakuumpumpe oder ähnliches) an der an der Außenseite des Rahmenelements 2 ausgebildeten Ansaugöffnung 20 angeschlossen, wobei über an bzw. in dem Rahmenelement ausgebildete Kanäle die Ansaugöffnung jeweils mit den Ansaugöffnungen 18 an der Innenseite des Rahmens 2 verbunden ist zum Absaugen von Staub und Spänen aus dem Arbeitsraum und mit Öffnungen an der Außenseite des Rahmenelements, an denen Verbindungen angeschlossen sind, die wiederrum mit den Medienanschlüssen 9d verbunden sind, um die Saugnäpfe 9b anzusteuern bzw. Unterdruck oder Vakuum von Innen auf die Saugnäpfe 9b aufzubringen.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 8 sind auf den Rahmenabschnitten des Rahmens 2, die senkrecht zur X-Achse ausgerichtet sind optional beispielhafte Gehäuse 23a und 23b angeordnet, in denen Rollo-Abdeckelemente aufgerollt gelagert werden können.
Enden bzw. Endabschnitte derartiger Rollo-Abdeckelemente können in weiteren Ausführungsbeispielen am den Seiten des X-Schlittens 4 angebracht werden, um bei Bewegung des X-Schlittens 4 jeweils auf einer Seite, von der sich der X-Schlitten 4 wegbewegt, aus dem jeweiligen Gehäuse gezogen zu werden, und/oder auf einer Seite, zu der sich der X-Schlitten 4 hinbewegt, in das jeweilige Gehäuse gezogen zu werden. Dies führt optional zu einer Abdeckung des Bearbeitungsraums von oben.
Bevorzugt werden solche Rollo-Abdeckelemente aus einem transparenten Material bereitgestellt. Bevorzugt können die Rahmenabschnitte des Rahmens 2, an denen die Führungen 3a und 3b angeordnet sind weiterhin seitliche Führungen für die Rollo-Abdeckelemente aufweisen, die parallel zur X-Achse verlaufen, wobei die Gehäuse 23a und 23b bzw. die Rollo-Abdeckelemente bevorzugt senkrecht zur X-Achse ausgerichtet sind
In weiteren beispielhaften Modifikationen des vorstehend genannten Ausführungsbeispiels können die vorstehend genannten Aspekte getrennt voneinander und in verschiedensten Kombinationen bereitgestellt werden. Mögliche kombinierbare Aspekte und etwaige nebengeordnete Aspekte ergeben sich insbesondere, aber nicht abschließend, aus der Zusammenfassung der Erfindung vor der Figurenbeschreibung und anhand der nachfolgenden Ansprüche und Unteransprüche.
Zusammenfassend werden gemäß Aspekten und bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung Werkzeugmaschinen, insbesondere mobile Werkzeugmaschinen, vorgeschlagen, die es vorteilhaft erlauben, bei signifikanter Gewichtseinsparung mobil für die Bearbeitung großflächiger Bauteile und Werkstücke eingesetzt zu werden, wobei die Steifigkeit der Maschine erhöht werden kann und die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert werden kann, bei gleichzeitig erhöhter Praktikabilität mit einem breiteren möglichen Anwendungsspektrum.
All dies ermöglicht vorteilhaft den Einsatz der mobilen Werkzeugmaschine gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Aspekte für die automatisierte Reparatur von großflächigen Composite-Bauteilen bzw. faserverstärkten Kunststoffbauteilen z. B. im Bereich Luft- und Raumfahrt und Automotive.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/147733 A1 [0002, 0013]

Claims

Werkzeugmaschine, mit: einem Rahmen mit zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten, einer Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen (9), einem auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens geführten ersten Schlitten (4) einer ersten Linearachse, der in einer X-Richtung verfahrbar ist, einem auf dem ersten Schlitten (4) geführten zweiten Schlitten (5) einer zweiten Linearachse, der in einer Y-Richtung verfahrbar ist, einem an dem zweiten Schlitten (5) gehaltenen Turmelement (6) einer dritten Linearachse, einem an dem Turmelement (6) direkt oder indirekt gehaltenen Bearbeitungselement (12), das in einer Z-Richtung verfahrbar ist, und einer an dem Bearbeitungselement (12) angeordneten Werkzeugspindel (13) zur Aufnahme eines Werkzeugs (15), wobei der Rahmen ein monolithisches Rahmenelement (2) aus einem faserverstärktem Kunststoff, insbesondere einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, aufweist, das die zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitte umfasst.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine (1) weiterhin eine erste Drehachse (7, 8), die dazu eingerichtet ist, das Bearbeitungselement (12) um eine erste Rotationsachse zu rotieren, und eine zweite Drehachse (11, 12), die dazu eingerichtet ist, das Bearbeitungselement (12) um eine quer oder senkrecht zur ersten Rotationsachse angeordnete zweite Rotationsachse zu rotieren, aufweist,
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Führungsmittel (3a, 3b) zur Führung des ersten Schlittens (4) der ersten Linearachse direkt auf dem monolithischen Rahmenelement (2) angebracht und befestigt sind.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schlitten (4) zwei gegenüberliegende Querträger (4a, 4b) aufweist, die sich von einem der zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitte zu dem anderen der zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitte des Rahmens (2) erstrecken, wobei Führungsmittel zur Führung des zweiten Schlittens (5) der zweiten Linearachse auf den zwei gegenüberliegenden Querträgern (4a, 4b) des ersten Schlittens (4) angeordnet sind.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsmittel zur Führung des zweiten Schlittens (5) der zweiten Linearachse auf den zwei gegenüberliegenden Querträgern (4a, 4b) des ersten Schlittens (4) auf der Seite des ersten Schlittens (4) angeordnet sind, auf der der erste Schlitten (4) auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens (2) geführt ist, derart, dass der zweite Schlitten (5) und der Rahmen (2) der Werkzeugmaschine auf der gleichen Seite des ersten Schlittens (4) angeordnet sind.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schlitten (4) ein monolithisches Rahmenelement aus einem faserverstärktem Kunststoff oder einem Metall, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff oder Aluminium, aufweist.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische Rahmenelement des ersten Schlittens (4) die zwei gegenüberliegenden Querträger (4a, 4b) des ersten Schlittens (4) umfasst.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsmittel zur Führung des zweiten Schlittens (5) der zweiten Linearachse direkt auf den zwei gegenüberliegenden Querträgern (4a, 4b) des ersten Schlittens (4) angebracht und befestigt sind.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Turmelement (6) zwischen den zwei gegenüberliegenden Querträgern (4a, 4b) des ersten Schlittens (4) angeordnet ist.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schlitten (5) ein monolithisches Rahmenelement aus einem faserverstärktem Kunststoff oder einem Metall, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff oder Aluminium, aufweist.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schlitten (5) zwei gegenüberliegende Querträger aufweist, wobei das Turmelement (6) zwischen den zwei gegenüberliegenden Querträgern des zweiten Schlittens (5) angeordnet ist.
Werkzeugmaschine gemäß den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische Rahmenelement des zweiten Schlittens (5) die zwei gegenüberliegenden Querträger des zweiten Schlittens (5) umfasst.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turmelement (6) an dem zweiten Schlitten (5) drehbar gelagert ist und ein Direktantrieb (7) der ersten Drehachse auf dem zweiten Schlitten (5) angeordnet ist, der das Turmelement (6) rotatorisch antreibt.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungselement (12) einen Aktuator aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine Vibrationsbewegung eines an der Werkzeugspindel (13) aufgenommenen Werkzeugs (15) in Richtung der Spindelachse anzutreiben, insbesondere bei einer Frequenz im Ultraschallbereich.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator einen Piezoantrieb aufweist, der dazu eingerichtet ist, die Vibrationsbewegung eines an der Werkzeugspindel (13) aufgenommenen Werkzeugs (15) in Richtung der Spindelachse anzutreiben, insbesondere bei einer Frequenz im Ultraschallbereich.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch ein Absaugmittel zum Absaugen von Staub und Bearbeitungsspänen aus einem im Innenraum des Rahmens angeordneten Bearbeitungsraum, wobei der Rahmen (2) oder das Rahmenelement des Rahmens (2) eine oder mehrere Absaugöffnungen (18) aufweist, die dem Innenraum des Rahmens zugewandt sind.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Absaugkanäle, die mit der einen oder den mehreren Absaugöffnungen verbunden sind, an oder in dem monolithischen Rahmenelement (2) ausgebildet sind.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein mit den Absaugkanälen verbundenen Absauganschluss (20) zum Anschließen einer externen Absaugvorrichtung an dem monolithischen Rahmenelement angebracht oder ausgebildet ist.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitte des Rahmens Führungen für ein oder mehrere in X-Richtung bewegliche Rollo-Abdeckelemente zur Abdeckung des Innenraums des Rahmens aufweisen.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Rollo-Abdeckelemente aus einem transparenten Material ausgebildet sind.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass Endabschnitte der beweglichen Rollo-Abdeckelemente an dem ersten Schlitten angebracht sind, derart, dass ein Verfahren des ersten Schlittens die beweglichen Rollo-Abdeckelemente mitbewegt.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen (9) einen jeweiligen Saugnapfanschluss (9c) zur Befestigung an der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks aufweisen.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen (9) ein jeweiliges Hohlelement (9a, 9b) aufweisen, das an einem Ende mit dem jeweiligen Saugnapfanschluss (9c) verbunden ist und an einem anderen Ende mit einem Medienanschluss (9d) verbunden ist.
Werkzeugmaschine gemäß den Ansprüchen 18 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienanschluss (9D) der jeweiligen Fußelemente (9) über eine jeweilige pneumatische Verbindung mit an dem Rahmenelement (2) ausgebildeten Öffnungen verbunden ist, die über pneumatische Kanäle mit dem Absauganschluss (20) verbunden sind, insbesondere durch an dem oder in dem monolithischen Rahmenelement (2) des Rahmens ausgebildeten Kanälen.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen (9) ein jeweiliges Kugelgelenk (9b) aufweisen.
Werkzeugmaschine gemäß den Ansprüchen 23 und 25, dadurch gekennzeichnet, dass das das Hohlelement (9a, 9b) das Kugelgelenk (9b) umfasst, und das ein Kugelelement des Kugelgelenks (9b) einen Kanal zur Mediendurchführung aufweist.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der an dem Rahmen angeordneten Fußelemente (9) höhenverstellbar ausgebildet ist.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerungsschnittstelle (19) zum Anschluss einer externen Steuerungsvorrichtung zum Steuern der Werkzeugmaschine.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschnittstelle (19) an dem Rahmen angeordnet ist und eine externe Leistungsschnittstelle zur Versorgung der Werkzeugmaschine mit elektrischer Energie sowie eine externe Kommunikationsschnittstelle zum Empfangen von externen Steuersignalen von der externen Steuerungsvorrichtung aufweist.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 29, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Antriebscontroller zum Ansteuern eines jeweiligen Antriebs einer steuerbaren Achse der Werkzeugmaschine, wobei jeder der Antriebscontroller mit der Kommunikationsschnittstelle der Steuerungsschnittstelle (19) verbunden ist.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Antriebscontroller mit der Leistungsschnittstelle der Steuerungsschnittstelle (19) verbunden ist.
Werkzeugmaschine gemäß einem der Ansprüche 29 bis 31, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Antriebe zum Antreiben einer jeweiligen steuerbaren Achse der Werkzeugmaschine, wobei jeder der Antriebe mit der Leistungsschnittstelle der Steuerungsschnittstelle (19) verbunden ist.
Werkzeugmaschine gemäß einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Kabelführungskanäle an oder in dem monolithischen Rahmenelement (2) des Rahmens ausgebildet sind, wobei die Kabelführungskanäle insbesondere mit einer an dem bzw. in dem Rahmenelement ausgebildeten Öffnung (19) für die Steuerungsschnittstelle verbunden sind.
Werkzeugmaschine gemäß den Ansprüchen 18 und 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelführungskanäle mit dem Absauganschluss (20) pneumatisch verbunden sind.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein an dem ersten Schlitten angeordnetes Abdeckungselement (21), das den ersten Schlitten (4) abdeckt.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckungselement den auf dem ersten Schlitten (4) angeordneten zweiten Schlitten (5) und/oder das Turmelement (8) abdeckt.
Werkzeugmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an einer Innenseite des Rahmens der Werkzeugmaschine (1) angeordnete Werkzeugmesseinrichtung (24) zum Vermessen eines an der Werkzeugspindel (13) aufgenommenen Werkzeugs (15), insbesondere mittels eines Lasers.
Werkzeugmaschine, mit: einem Rahmen mit zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten, einer Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen, einem auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens geführten ersten Schlitten einer ersten Linearachse, der in einer X-Richtung verfahrbar ist, einem auf dem ersten Schlitten geführten zweiten Schlitten einer zweiten Linearachse, der in einer Y-Richtung verfahrbar ist, einem an dem zweiten Schlitten gehaltenen Turmelement einer dritten Linearachse, einem an dem Turmelement gehaltenen Bearbeitungselement, das direkt oder indirekt in einer Z-Richtung verfahrbar ist, und einer an dem Bearbeitungselement angeordneten Werkzeugspindel zur Aufnahme eines Werkzeugs, wobei das Bearbeitungselement einen Aktuator aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine Vibrationsbewegung eines an der Werkzeugspindel aufgenommenen Werkzeugs in Richtung der Spindelachse anzutreiben, insbesondere bei einer Frequenz im Ultraschallbereich.
Werkzeugmaschine, mit: einem Rahmen mit zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten, einer Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen, einem auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens geführten ersten Schlitten einer ersten Linearachse, der in einer X-Richtung verfahrbar ist, einem auf dem ersten Schlitten geführten zweiten Schlitten einer zweiten Linearachse, der in einer Y-Richtung verfahrbar ist, einem an dem zweiten Schlitten gehaltenen Turmelement einer dritten Linearachse, einem direkt oder indirekt an dem Turmelement gehaltenen Bearbeitungselement, das in einer Z-Richtung verfahrbar ist, einer an dem Bearbeitungselement angeordneten Werkzeugspindel zur Aufnahme eines Werkzeugs, und einem Absaugmittel zum Absaugen von Staub und Bearbeitungsspänen aus einem im Innenraum des Rahmens angeordneten Bearbeitungsraum, wobei der Rahmen eine oder mehrere Absaugöffnungen aufweist, die dem Innenraum des Rahmens zugewandt sind.
Werkzeugmaschine, mit: einem Rahmen mit zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten, einer Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen, einem auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens geführten ersten Schlitten einer ersten Linearachse, der in einer X-Richtung verfahrbar ist, einem auf dem ersten Schlitten geführten zweiten Schlitten einer zweiten Linearachse, der in einer Y-Richtung verfahrbar ist, einem an dem zweiten Schlitten gehaltenen Turmelement einer dritten Linearachse, einem direkt oder indirekt an dem Turmelement gehaltenen Bearbeitungselement, das in einer Z-Richtung verfahrbar ist, einer an dem Bearbeitungselement angeordneten Werkzeugspindel zur Aufnahme eines Werkzeugs, und einem oder mehreren in X-Richtung beweglichen Rollo-Abdeckelementen zur Abdeckung des Innenraums des Rahmens, wobei die zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitte des Rahmens Führungen für die Rollo-Abdeckelemente aufweisen.
Werkzeugmaschine, mit: einem Rahmen mit zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten, einer Mehrzahl von an dem Rahmen angeordneten Fußelementen, einem auf den zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten des Rahmens geführten ersten Schlitten einer ersten Linearachse, der in einer X-Richtung verfahrbar ist, einem auf dem ersten Schlitten geführten zweiten Schlitten einer zweiten Linearachse, der in einer Y-Richtung verfahrbar ist, einem an dem zweiten Schlitten gehaltenen Turmelement einer dritten Linearachse, einem direkt oder indirekt an dem Turmelement gehaltenen Bearbeitungselement, das in einer Z-Richtung verfahrbar ist, einer an dem Bearbeitungselement angeordneten Werkzeugspindel zur Aufnahme eines Werkzeugs, und einer Steuerungsschnittstelle zum Anschluss einer externen Steuerungsvorrichtung zum Steuern der Werkzeugmaschine, wobei die Steuerungsschnittstelle an dem Rahmen angeordnet ist und eine externe Leistungsschnittstelle zur Versorgung der Werkzeugmaschine mit elektrischer Energie sowie eine externe Kommunikationsschnittstelle zum Empfangen von externen Steuersignalen von der externen Steuerungsvorrichtung aufweist, und wobei die Werkzeugmaschine weiterhin einen oder mehrere Antriebscontroller zum Ansteuern eines jeweiligen Antriebs einer steuerbaren Achse der Werkzeugmaschine aufweist, wobei jeder der Antriebscontroller mit der Kommunikationsschnittstelle und der Leistungsschnittstelle der Steuerungsschnittstelle verbunden ist.