DE4324575A1 - Bearbeitungsanordnung mit Vielfachpositionierer - Google Patents
Bearbeitungsanordnung mit VielfachpositioniererInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Bearbeitungsanordnungen mit
Verwendung von elektrischen Linearmotoren und insbesondere
auf Bearbeitungsanordnungen, die mit hohen Beschleunigungen/
Verzögerungen unabhängig voneinander positionierbare Viel
fach-Werkzeuge verwenden.
Positionierer mit vielen Achsen für leichte oder schwere in
dustrielle Bearbeitung verwenden mechanische Kugelrollspin
delantriebe (siehe zum Beispiel US-PS 4 102 035 und
4 359 814). Solche Antriebe leiden naturgemäß an einem lang
samen Rücklauf, der eine schnelle Positionierung und damit
die Produktivität verhindert. Zu deren Erhöhung müssen eine
große Zahl von Bearbeitungszellen, jede mit ihrer eigenen be
grenzten Herstellungsgeschwindigkeit, verwandt werden. In
der amerikanischen Kraftfahrzeugindustrie ist es beim Ausbil
den eines komplexen Werkstücks, wie zum Beispiel eines Motor
blocks oder -kopfes, üblich, dieses mit Festklemmen auf ei
ner Halterung und Palette an einer Reihe von Bearbeitungssta
tionen entlangzuführen, an denen eine spezielle Oberfläche
geschnitten oder mit einem entlang einer unitären Achse zuge
führten zugeordneten Werkzeug (oder einem Bündel von zugeord
neten Werkzeugen) feinbearbeitet wird. Das Werkstück muß mit
einem Zeit verbrauchenden Aufwand anderen Halterungen und/
oder Paletten zugeführt werden, um die verschiedenen Seiten
der Vorschubachse der Werkzeuge freizugeben. Der Prozentsatz
der mit einem solchen System erreichten Schneidzeit ist we
gen der Häufigkeit der mit geringer Geschwindigkeit stattfin
denden Werkstücktransfers und wegen der niedrigen Geschwin
digkeiten der Werkstückpositionierungen niedrig. Jedes Werk
stück führt während mehrerer Betriebsjahre eine nur einer Be
arbeitungsfunktion zugeordnete Aufgabe mit nur geringen Ände
rungen durch. Die Anfangskosten für die Herstellung und den
Einbau einer solchen unflexiblen und nur einer Aufgabe zuge
ordneten Ausrüstung mit verwickelten Kontrollen liegen nicht
nur wegen ihrer Kompliziertheit, sondern auch wegen der gro
ßen Zahl der nur für einen Zweck vorgesehenen Zellen, die
zum vollständigen Ausbilden eines speziellen Motorblocks
oder -kopfes benötigt werden, sehr hoch.
Zum Verteilen dieser hohen Anfangskosten für den Kauf der
Einrichtungen auf einen größeren Zeitraum werden solchen Ar
beitsstraßen Mindestanforderungen bezüglich des Herstellungs
volumens auferlegt, und diese Anforderungen sind äußerst
hoch, das heißt 400 000 bis 800 000 Werkstücke pro Jahr.
Selbst wenn die Kapazität einer Arbeitsstraße, zum Beispiel
für einen Zylinderblock, auf 300 000 Einheiten pro Jahr
(oder bei zwei Schichten 1000 Einheiten pro Tag) herabge
setzt würde und Vielspindel-Revolverköpfe mindestens in eini
ge dieser Bearbeitungszellen eingebaut würden (wie es von ei
nigen japanischen Kraftfahrzeugherstellern zum Erreichen ei
ner Semiflexibilität, siehe Fig. 1, durchgeführt wird), müß
te die Zahl der Bearbeitungszellen bei mindestens etwa vier
zig liegen. Diese hohe Zahl von Bearbeitungszellen ist beim
ursprünglichen Erwerb, beim Unterhalt und wegen des Risikos
von Ausfallzeiten wegen Versagens einer einzigen Zelle
teuer. Die nach dem Stand der Technik aufgebauten Fertigungs
systeme lassen nicht zu, daß ein Hersteller von Kraftfahrzeu
gen auf Änderungen in der Marktnachfrage entweder aufgrund
von anderen Motorblock- oder -kopfkonstruktionen oder ande
rer Volumina der bestehenden Block- oder Kopfkonstruktion
schnell reagiert.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
Bearbeitungssysteme auf neuartige Weise so zu konstruieren,
daß die Zahl der zum Bearbeiten eines bestimmten Werkstückes
notwendigen Bearbeitungszellen dramatisch herabgesetzt, eine
kontinuierliche Verwendung der Bearbeitungsstraße zur flexi
blen Herstellung verschiedener Produkte in Größen wie 50 000
bis 500 000 pro Jahr möglich, die Wiederholbarkeit und Genau
igkeit der Bearbeitung verbessert, die Zahl der Bearbeitungs
vorgänge und die Geschwindigkeit von deren Ausführung an je
der Station erhöht und die Handlingzeit für die Werkstücke
zwischen den Schneidstationen herabgesetzt wird.
Unter einem Blickwinkel ist die Erfindung eine Kombination
von (i) mehreren in Abständen entlang einer Bahn angeordne
ten Bearbeitungszellen, von denen jede ein Einpunktwerkzeug
und eine Schnellpositionierungsanordnung zum Positionieren
des Werkzeuges zum mehrfachen Einschieben in ein Werkstück
wie auch zum schnellen Werkzeugwechsel mit Geschwindigkeiten
aufweist, die annähernd ein G oder mehr als ein G betragen,
(ii) Tischeinrichtungen zum Darbieten einer Tischoberfläche
in einer ausgewählten Ebene für jede Zelle, (iii) Werkstück
einrichtungen für jede Tischoberfläche mit Keilflächen zum
verriegelnden Zusammenführen mit einem Bezugspunkt dieser
Tischoberfläche, (iv) Transfereinrichtungen zum schnellen
Auswechseln eines bearbeiteten Werkstücks gegen ein unbear
beitetes Werkstück auf der Tischoberfläche, wobei das gerade
bearbeitete Werkstück der nächsten Tischoberfläche zugeführt
wird, während das eingewechselte Werkstück bearbeitet wird,
und (v) elektrischen Steuereinrichtungen zum Aktivieren der
Positionierungsanordnungen und Transfereinrichtungen. Die
Positionierungsanordnung besteht vorzugsweise aus relativ
verschiebbaren gestapelten Elementen, die eine volle dreidi
mensionale Verschiebung der Spindel in einen vorgegebenen
bemessenen Bearbeitungsraum und aus diesem heraus besorgen,
wobei jede Positionierungseinrichtung mehrere Linearmotoren
zum selektiven Verschieben der Spindel mit Spitzenbeschleuni
gungen/-verzögerungen von mindestens etwa einem G und mit
Lineargeschwindigkeiten von bis zu 76 000 mm/min. (3000
Zoll pro Minute) aufweist.
Unter einem anderen Blickwinkel dieser Erfindung ist ein Ver
fahren zum Bearbeiten mehrerer unterschiedlicher Flächen an
einem Werkstück vorgesehen, wobei das Verfahren die folgen
den Stufen aufweist: (a) Verriegeln des Werkstücks auf einer
Halterung mit dimensionalen Keilen und lösbares Befestigen
dieser Halterung auf einem verstellbaren Arbeitstisch in ei
ner durch die Keile erleichterten vorgegebenen ersten Stel
lung, (b) an jedem Arbeitstisch schnelles Positionieren ei
nes sich drehenden Einpunktwerkzeuges zur linearen Vorschub
bewegung in eine erste Werkstückoberfläche bei Lage in der
ersten Position, wobei diese Positionierung mit Beschleuni
gungen/Verzögerungen von mindestens etwa 1 G durchgeführt
wird, (c) Vorschieben des sich drehenden Werkzeuges in das
Werkstück zum Ausführen einer Bearbeitung mit Geschwindigkei
ten von 25 bis 33.000 mm (1 bis 1300 Zoll) pro Minute beim
Bohren und Ausdrehen und mindestens etwa 1520 Oberflächenme
ter pro Minute (5000 sfm) für das Fräsen, (d) nach dem Zu
rückziehen des Werkzeuges aus dem Werkstück Repositionieren
des Einpunktwerkzeuges auf einen anderen linearen Vorschub
in andere Werkstückoberflächen, wobei das Repositionieren
mit Beschleunigungen oder Verzögerungen von mindestens etwa
1 G durchgeführt wird, und (e) nach dem Herausziehen des
Werkzeuges aus dem Werkstück Transfer des Werkstücks an ei
nen anderen von mehreren Arbeitstischen, während ein einge
wechseltes Werkstück am Arbeitstisch in der gehaltenen er
sten Stellung bearbeitet wird.
In den Zeichnungen ist:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer für den Stand der
Technik charakteristischen Bearbeitungsanordnung,
Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer
Bearbeitungsanordnung mit Verwendung von mehreren
nach den Regeln dieser Erfindung aufgebauten Schnell
positionierungs-Bearbeitungsmodulen,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines Bearbeitungsmo
duls dieser Erfindung,
Fig. 4 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung
des Bearbeitungsmoduls von Fig. 3,
Fig. 5 eine Seitenansicht des Bearbeitungsmoduls von Fig. 3,
Fig. 6 in vergrößertem Maßstab ein Schnitt durch die Anord
nung nach Fig. 5 im wesentlichen entlang der Schnitt
linie 6-6,
Fig. 7 ein schematisches Steuerdiagramm für die Linearmoto
ren eines Positionierungsmoduls,
Fig. 8 in vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht der Ar
beitstischeinrichtungen und zugehöriger Ausrüstungen
dieser Erfindung,
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsanord
nung zum Herstellen von mindestens 50 000 typischen
Motorköpfen pro Jahr bei Verwendung bestimmter Grund
lagen dieser Erfindung,
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsanord
nung zum Herstellen von mindestens 20.000 Aluminium
motorköpfen pro Jahr bei Verwendung der Grundlagen
dieser Erfindung und
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsanord
nung zum Herstellen von mindestens 250 000 Kraftfahr
zeug-Motorblöcken aus Aluminium pro Jahr bei Verwen
dung bestimmter Grundlagen dieser Erfindung.
Gemäß der Erfindung hat sich gezeigt, daß sich die Bearbei
tungszeit auf etwa ein Zehntel der Zeit bei vergleichbaren
bekannten Anordnungen herabsetzen läßt, falls das rotierende
Schneidwerkzeug bei den Bearbeitungszellen auf ein Einpunkt-
Werkzeug beschränkt und das Werkzeug mit äußerst hohen Be
schleunigungen und Verzögerungen, die sich einem G annähern
oder ein G übersteigen, positioniert wird und falls die Werk
zeuge entlang einer Bahn getrennt voneinander angeordnet
sind, so daß bei Bearbeitung eines Werkstückes an einer Zel
le das gerade bearbeitete Werkzeug der nächsten Zelle zuge
führt wird und zum Austausch für das gerade bearbeitet wer
dende Werkzeug bereitsteht.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 weist eine solche Bearbei
tungsanordnung 10 zum Bearbeiten von Kraftfahrzeugmotorbau
teilen, wie zum Beispiel Aluminiumgußblöcken, mehrere Bear
beitungszellen A auf, die sämtlich eine durch Linearmotoren
betätigte Schnellpositionierungsanordnung 11 zum Positionie
ren und Vorschieben eines rotierenden Einpunkt-Drehwerkzeu
ges 12 in einen Bearbeitungsraum 13 aufweisen. Die Anordnung
enthält auch einen Arbeitstisch B zum Ausrichten der Werk
stücke C im Bearbeitungsraum 13 und eine Transfereinrichtung
D zum synkopischen Bewegen der Werkstücke entlang einer Bahn
14, auf der die Arbeitstische ausgerichtet sind. Die Trans
fereinrichtung weist Tandem-Kranarme wie bei 15 und 16 auf,
die sich im Verfolg der Bahn 14 gesteuert entlang einer
Schiene 17 bewegen. Automatische Greifvorrichtungen 18 am un
teren Ende der Arme ergreifen das Werkstück zum Anheben und
Absenken.
Gemäß der Darstellung in Fig. 3 ist die Positioniereinrich
tung ein dreiachsiges Modul mit einer Supportanordnung E, ei
ner Trage- und Schienenanordnung F, einer Liniearmotoranord
nung G, einem Support- und Bearbeitungsraum 13 für das Werk
stück und einem Werkzeugbestand H oder H-1. Es sei darauf
hingewiesen, daß die hauptsächlichen beweglichen Elemente
der Supportanordnung auf einer Plattform 20 gestapelt sind.
Die Supportanordnung E weist einen ersten Abschnitt zur Defi
nition einer X-Achse mit einem Schwingungen dämpfenden,
schweren, verstärkten, mit Sand gefüllten rechteckförmigen
Bett 21 auf, das den Leichtmetalltisch oder die Leichtmetall
plattform 20 mit einer Lager- und Schienenanordnung F-1 wie
auch mit einer Linearmotoranordnung G-1 trägt, die beide
zwecks Bewegung in einer Ebene entlang der X-Achse zwischen
dem Tisch und dem Bett angeordnet sind. Zweitens wird eine
hochstehende, im wesentlichen hohle Säule 22 an ihrem Boden
ende 22a auf dem Tisch 20 abgestützt. Die Säule weist minde
stens eine Seite 23 (auch Seiten 24 und 25) auf, die mit ei
ner Y-Achse, die senkrecht zu der X-Achse steht, ausgerich
tet ist. Das heißt, daß die y-Achsen-Supportkonstruktion 22
nur an einem Ende mit der verschiebbaren X-Achsen-Konstruk
tion 20 verbunden ist.
Gemäß der Darstellung in Fig. 4 besteht die Säule 22 aus ei
nem Leichtmetallgerüst 26, um die eine integrale Leichtme
tallhaut 27 gespannt ist. Ein Leichtmetallschlitten 28 ist
grundsätzlich als gegossene ebene Platte 29 mit fakultativ
an dieser befestigten oder integralen Leichtmetallflügeln
30, 31 ausgebildet. Der Schlitten fährt mit Hilfe der Schie
nen- und Lageranordnung F-2 entlang der Y-Achsenseiten 23,
24, 25 der Säule auf und ab und wird mit der Linearmotoran
ordnung G-2 betätigt. Ein Leichtmetallkäfig 39, der vorzugs
weise eine ultraleichte zusammengesetzte Haut 32 trägt, wird
zum Ausbilden eines Z-Achsenweges 33 fest auf dem Schlitten
28 getragen. Der Weg 33 steht senkrecht sowohl auf der Y-
als auch auf der X-Achse. Alternativ kann der Käfig 39 zum
Ausrichten der Z-Achse unter einem Winkel gegenüber der Y-
oder der X-Achse winkelmäßig verstellbar sein. Ein hohler
Leichtmetallstempel 34 ist im Weg 33 verschiebbar und wird
in diesem mit einer Schienen- und Lageranordnung F-3 und ei
ner Linearmotoranordnung G-3 abgestützt. Der Stempel 34
trägt an einem Ende eine fest mit ihr verbundene Spindel 37
mit dem in Drehrichtung angetriebenen Einpunkt-Schneidwerk
zeug 12, das zum Ausführen von Bearbeitungsaufgaben wie Frä
sen, Bohren und Ausdrehen freiliegt.
Der Tisch 20 ist eine allgemein tafelförmige Platte mit auf
seiner Unterseite angeordneten langgestreckten Schultern
oder Rippen 56, die Lagereinheiten als Teil der Anordnung
F-1 und Spulenpakete 58 als Teil der Anordnung G-1 halten.
In einem Abstand voneinander sind ultrasteife Schienen 61 am
Bett befestigt und mit der X-Achse ausgerichtet. Reihen von
Dauermagneten 99 (ein Teil der Anordnung G-1) werden auf der
nach unten zeigenden Wand des Tisches gehalten und sind an
Stahlplatten oder Kanälen befestigt, die einen Magnetflußweg
durch die angrenzenden Magnete begünstigen.
Gemäß der Darstellung in Fig. 6 besteht der Schlitten 28 aus
einer aus einem leichten unmagnetischen Metall, das heißt
Aluminium, gegossenen Platte 29 mit hochstehenden Behältern
70, 71 an der Rückseite 72 zur festen Halterung von umlaufen
den Lagereinheiten 73, 74, die mit den Schienen 68, 69 zur
Wirkung kommen. Mehrere hochstehende Schwalbenschwanz-Schlit
ze 75 sind vorgesehen, um Spulenpakete 76 der Linearmotoren
auf der Rückseite an Ort und Stelle zu verklemmen. Horizon
tal verlaufende Führungsbahnen 77, 78 auf der Vorderseite
der Platte 29 nehmen umlaufende Lagereinheiten 78, 80 auf.
Die Flügel 30, 31 sind beide als massive, dicke, gekröpfte
Platten gegossen. Im Abstand voneinander sind Paare von Li
nearmotorspulenpaketen 87, 88 Seite an Seite auf der Innen
seite der Flügel befestigt, und im Abstand voneinander sind
Seite an Seite Spulenpakete 76 auf der Platte befestigt und
bewirken zusammen mit sechs Reihen von Dauermagneten 67 eine
Verschiebung entlang der Y-Achse. Der gerippte Käfig 39 be
steht aus mehreren parallelen, getrennten gekröpften Spanten
84, die an einer Seite mit einem Steg 85 verbunden sind. Je
der Spant weist eine zentrale Öffnung 86 auf. Sämtliche Öff
nungen sind koaxial miteinander ausgerichtet. Am Steg 85
sind vertikal auseinanderliegende, horizontal verlaufende
Schienen befestigt. Umlaufende Lagereinheiten sind auf dem
Schlitten 28 befestigt. Der gerippte Käfig 39 bildet zusam
men mit einer zusammengesetzten Graphithaut 93, die an in
Längsrichtung auseinanderliegenden Stellen mit Metallstreben
verstärkt ist, einen sechseckig geformten Tunnel. An drei In
nenseiten 89, 90 und 91 sind Spulenpakete 92 am Käfig 31 be
festigt.
Jeder zwischen den Stützelementen des Positionierers angeord
nete Linearmotor besteht aus einem Stator (vorzugsweise Spu
lenpaketen wie 50 auf dem Bett 21) und einem linearen Ver
schiebeelement (vorzugsweise Reihen von Dauermagneten wie 99
auf dem auf Metallkanälen oder -bändern 66 abgestützten
Tisch 20). Die Linearmotoren sind bürstenlose Gleichstromoto
ren mit einer Schubkraftspitze von etwa 453 kp (1000 Pfund)
(maximale Kraft). Die Dauermagnete und Spulenpakete können
bei jeder Anwendungsart zwischen dem Stator und dem bewegli
chen Element ausgewechselt werden. Bei der hier gezeigten
Ausführungsform bilden die die elektrische Leistung liefern
den Spulenpakete den Stator auf dem festen Bett und bilden
den Stator auf dem Käfig 31, der in der Z-Achse befestigt
ist, während Reihen von abgestützten Dauermagneten den Sta
tor auf der Säule bilden, die ihre Lage entlang der Y-Achse
fest beibehält. Die Spulenpakete können aus in einem Epoxyma
terial geschichteten ferromagnetischen Platten hergestellt
werden. Dadurch ergeben sich Schlitze, in die die Spulenwick
lungen vor der Schichtung eingelegt werden. In dem Paket kön
nen die Spulen in Reihe geschaltet und die Pakete parallel
an eine Leistungssteuerung angeschlossen werden, wie es in
Fig. 7 gezeigt wird. Diese Steuerung kann die Spulen der Li
nearmotoren 135 mit zwei, drei oder mehr Phasen versorgen.
Zum Ändern der Polarität der Spulen wird eine geeignete Kom
mutation verwandt und damit zum Fördern der linearen Bewe
gung eine konstante elektromagnetische Schubkraft in einer
Richtung aufrechterhalten.
Sensoren werden zum Detektieren der Stellung der beweglichen
Elemente verwandt und senden Signale aus, damit die Lei
stungssteuerung nur die im Gebiet der Bewegung benötigten
Spulen aktiviert oder steuert. Diese Sensoren können magne
tisch oder optisch sein und arbeiten mit einem Schaltsystem
für die Spulen. Gemäß der Darstellung in Fig. 7 wird ein mag
netischer Sensor (Waage) betätigt. Die für jeden Linearmotor
vorgesehene Leistungssteuerung enthält eine magnetische Wie
gevorrichtung 129, eine numerische Steuervorrichtung (CNC)
133 und eine elektronische Schaltvorrichtung 134, die sämt
lich mit den Linearmotoren 135 elektrisch in Reihe liegen.
Drei Motorschaltungen oder Rückkopplungsschleifen 130, 131
und 132 enthalten mindestens zwei dieser Vorrichtungen. Die
Rückkopplungsschleife 130 verbindet den Linearmotor mit der
Waage 129, und deren Ausgangssignal wird über eine Nullein
stellung zu einem Positionssignalkomparator 136 und dann auf
einen den Motor 135 antreibenden Stromverstärker 137 weiter
geleitet. Die Waage 129 weist auf einem Stator 129a Sinus-
und Cosinuswicklungen (gedruckte Schaltungen) und auf einem
Rotor 129b eine andere Wicklung auf. Das Ausgangssignal der
Rotorwicklung 129b ist eine Funktion der Stellung dieser
Wicklung gegenüber den beiden anderen Wicklungen des Stators
129a. Das Ausgangssignal kann über den Komparator 136 eine
Anzeige bezüglich einer mechanischen Verschiebung ergeben,
oder die Geschwindigkeit der Änderung des in der Rotorwick
lung induzierten Stroms führt über den Geschwindigkeitskompa
rator der Schleife 131 zu einem Geschwindigkeitssignal oder
über den Beschleunigungskomparator der Schleife 132 zu einem
Beschleunigungssignal.
Ein besonderes Merkmal dieser Erfindung liegt in der Fähig
keit der Anpassung der Maschinenzelle an ein neu gestaltetes
Werkstück einfach durch Reprogrammieren der Software in der
numerischen Steuervorrichtung 133 und der Rückkopplungs
schleife 130. Die gesamte Hardware der Zelle braucht mit Aus
nahme neuer Plattenbefestigungen zum Halten der neuen Werk
stücke nicht geändert zu werden. Bei der Planung der Anlage
bedeutet dies eine beträchtliche Kostenersparnis.
Bei einer Erhöhung der Schubkraft eines Linearmotors neigt
die Masse des Motors zu einer proportionalen Erhöhung, übt
auf die Stützkonstruktion eine schwerere Last aus und senkt
die Steifigkeit der Abstützung. Diese Gewichtszunahme ergibt
sich aus dem nicht nur in den Dauermagneten des Ankers, son
dern auch in den Statorwicklungen verwandten dichten ferro
magnetischen Metall, um damit eine Flußdichte zu erzielen,
die diese Schubkraft ermöglicht. Diese Erhöhung der Schub
kraft und der Masse zum Erzielen höherer Beschleunigungen
oder Verzögerungen schaltet progressiv die Fähigkeit aus, ei
ne genaue Maschinenbearbeitung zu erzielen, da die Steifig
keit der Stützkonstruktion abgesenkt und ein großer Teil der
erhöhten Beschleunigungs/Verzögerungsfähigkeit verschwendet
wird, da der Positionierungsabstand im allgemeinen zu gering
ist, um maximale Beschleunigung/Verzögerung zu erreichen.
Dieses Bearbeitungssystem verwendet zum Erreichen einer grö
ßeren Bearbeitungsgenauigkeit (zum Beispiel ± 0,0127 mm (±
0,0005 Zoll)) in der Maschinenzelle eine erhöhte Steifigkeit
durch: (a) Erhöhen der natürlichen Frequenz der Stützkon
struktion auf einen Wert über, aber in der Nähe der Betriebs
frequenz der Motorantriebsschaltung (das heißt der Bandbrei
te der Steuergeschwindigkeitsschleife, wie es in Fig. 7 ge
zeigt wird) und (b) Begrenzen der Motorschubkraft auf den Be
trag, der Positionierungsbeschleunigungen/-verzögerungen für
die Spindel im Bereich von etwa mindestens einem G oder mehr
erreicht. Die bevorzugte Ausführungsform erzielt eine natür
liche mechanische Frequenz von etwa 100 Hz, während eine
Spindel mit einem Gewicht von etwa 180 kg (400 pound) abge
stützt und bewegt wird. Der Arbeitsbereich für diese Er
findung nutzbare natürliche mechanisch strukturelle Frequen
zen liegt bei etwa 90 bis 200 Hz. Die spezifischen Techniken
zum Regulieren und Erhöhen der natürlichen mechanischen Fre
quenz der Stützkonstruktion werden in der gleichzeitig anhän
gigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen No. (92-427),
die auch auf den Erwerber dieser Erfindung umgeschrieben wur
de, gezeigt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 8 enthält die einstellbare Ar
beitstischeinrichtung B eine Arbeitstischfläche 150, die um
eine Achse 151 schwenkbar und um eine Achse 152 bis zu 360°
in Drehrichtung verstellbar ist. Die Drehverstellung 156,
die auf einem Ständer 158 angeordnet ist, weist einen elek
trischen Servomotor 155 auf, der die Oberfläche 150 mit ei
ner Kupplung an ihrer Stelle verriegelt. Damit ergibt sich
in Drehrichtung eine Genauigkeit von plus oder minus einer
Bogensekunde. Die Kippverstellung 157 erfolgt mit einem elek
trischen Servomotor 153, der zum Kippen eine Kurbelwelle 154
antreibt. Der Servomotor 153 läßt sich mit einer Genauigkeit
von plus oder minus zehn Bogensekunden an einer Stelle ver
riegeln. Die Arbeitstischoberfläche weist Keile oder Nuten
160 auf, die mit einer Haltevorrichtung, einer Aufnahme oder
einer Palette 159 in Eingriff gebracht werden können. Das
Element 159 ist hier eine Aufnahme, die eine Haltevorrich
tung 161 annimmt. Die Haltevorrichtung 161 klemmt bei 162 ei
ne Werkstückhaltevorrichtung automatisch in einer gewünsch
ten Ausrichtung. Die Werkstückhaltevorrichtung 162 bezieht
sich über die Aufnahme genau auf die Nuten 160 des Arbeitsti
sches. Die Haltevorrichtung 162 weist Kontaktflächen 163,
164 zur internen Anordnung in dem jeweiligen Werkstück auf,
wie zum Beispiel einem Motorblock oder einem -kopf in einer
Ausrichtung, um damit die gewünschten Oberflächen unter 90°
zu der Z-Achse und damit auf das Schneidwerkzeug auszurich
ten. Ein schneller Wechsel der Halterungen ist zum erneuten
Ausrichten eines komplizierten Werkstücks, wie zum Beispiel
eines Motorblocks, in Dreh- oder Winkelrichtung möglich, um
damit andere Bearbeitungsstellen auf die Z-Achse auszurich
ten. Die Geschwindigkeit dieser erneuten Ausrichtung liegt
unter drei Sekunden.
Die Arbeitstischeinrichtung dieser Erfindung benötigt für ei
nen Aluminiummotorkopf im wesentlichen nur drei Haltevorrich
tungen 162: eine Haltevorrichtung zum Ausrichten der Kipphe
belabdeckseite gegenüber der Z-Achse, eine Haltevorrichtung
zum Ausrichten sämtlicher Seiten des Kopfes (einschließlich
Ein- und Auslaß) zur Z-Achse und eine Haltevorrichtung zum
Ausrichten der Dichtfläche zur Z-Achse. Gemäß der Darstel
lung in Fig. 9 hat eine Bearbeitungsanordnung für Aluminium
köpfe, die eine Kapazität zum Herstellen von etwa 50 000 Köp
fen pro Jahr hat, drei Maschinenzellen (Module 1, 2 und 3),
die sämtlich gemäß der obigen Darstellung eine Haltevorrich
tung zum Eingriff mit einer Arbeitstischoberfläche aufwei
sen. Bei dieser besonderen Konstruktion werden qualifizierte
Arbeiten (Bearbeiten von Bezugsoberflächen in oder am Werk
stück) und das Bohren von Nockenwellen nach Wahl mit herkömm
lichen Maschinenzellen durchgeführt. Beim Bohren von Nocken
wellen bringt die Verwendung einer schnell positionierenden
Anordnung keinen besonderen Vorteil, da das Schneidwerkzeug
einen außergewöhnlich langen Hub aufweist, der an beiden En
den auf einem besonderen Drehsupport abgestützt werden muß.
Unabhängige Spülvorrichtungen werden verwandt, um das Werk
stück, nachdem jeder Modul seinen Arbeitsgang abgeschlossen
hat, von Spänen zu reinigen. Der Einbau der Ventilsitze er
folgt automatisch an der angegebenen Station und verlangt
das Eintauchen in flüssigen Stickstoff zum Erzielen einer
Schrumpfpassung, und die Ventilführungen werden mit einem
Preßsitz eingebaut. Nockenlagerkappen können an der angegebe
nen Station mit der Hand eingebaut werden.
Zum Erhöhen der Leistungsfähigkeit der in Fig. 9 gezeigten
Anordnung auf 200 000 Köpfe pro Jahr wird die Zahl der Zel
len proportional im wesentlichen um vier erhöht. Im allgemei
nen würde dies zu einem Bedarf von zwölf Zellen (Modulen)
führen. Beim Aufbau der Konstruktion von Fig. 10 mit einem
kleinen Bearbeitungsanteil mit niedriger Leistung, wie die
Schlußbearbeitung von Ventilführungen und -sitzen, was mit
kleinen herkömmlichen Maschinen durchgeführt wird, werden je
doch nur zehn Zellen benötigt. Die Nockenlagerkappen werden
automatisch eingebaut. Der wichtige Punkt liegt darin, daß
eine solche Proportionierung für eine 300 000/Jahr-Bearbei
tungsstraße nur achtzehn Zellen (Module) erfordern würde.
Dies ist beträchtlich weniger als der Bedarf bei nach dem
Stand der Technik aufgebauten Straßen, wie zum Beispiel min
destens 40 bei der in Fig. 1 gezeigten Blockstraße. Nach dem
Stand der Technik aufgebaute Bearbeitungszellen 1 bis 6 wer
den zum Bohren, Schneiden und Aufbohren von Bohrungen in der
Stirnseite der Ölwanne und in einer tiefgelegenen Stirnseite
verwandt; eine beträchtliche Transferzeit ergibt sich zwi
schen den Zellen, wie zum Beispiel durch langsame Leistungs
walzen; die für ein erneutes Festklemmen erforderliche Zeit
verzögert auch den Transfer. Die für eine Verlagerung erfor
derliche Zeit verzögert den Transfer, und das Weiterschalten
von Revolverköpfen erfolgt langsam. Die Zellen 7 bis 14 wer
den zum Bohren, Schneiden und Aufbohren von Bohrungen und Zy
linderbohrungen in den Dichtscheibenstirnseiten verwandt.
Die Zellen 15 bis 31 werden zum Bearbeiten der Stirnseiten
und zum Feinbohren in dazugehörigen Stirnseiten verwandt.
Die Zellen 32 bis 37 führen das Feinhonen aus. Die Zellen 38
und 39 führen die Bearbeitung der Dichtungsscheibenstirnsei
ten aus, und die Zellen 40 und 41 führen das Linienbohren
aus. Unabhängige Spülvorrichtungen werden nicht verwandt.
Die Arbeitstischeinrichtung dieser Erfindung erfordert im
wesentlichen nur drei Halterungen für einen Motorblock: eine
Halterung zum Ausrichten eines Kopfdecks oder von zwei Kopf
decks (Dichtungsscheibenseiten) gegenüber der Z-Achse, eine
zum Freilegen der beiden Enden gegenüber der Z-Achse und ei
ne zum Ausrichten der Wannenschienenseite (und Hauptlagerkap
pen) gegenüber der Z-Achse. Gemäß der Darstellung in Fig. 11
würde eine Bearbeitungsanordnung für Aluminiummotorblöcke,
die eine Herstellungskapazität von etwa 50 000 Blöcken/Jahr
aufweist, drei Bearbeitungszellen (Module 1, 2 und 3) aufwei
sen, von denen jede eine Halterung, wie diese oben beschrie
ben wurde, zur Anpassung an eine Arbeitstischoberfläche ver
wendet. Bei dieser besonderen Anordnung werden eine Qualifi
zierung, das Fräsen der Stirnwände der Motorräume und das
Halbfertig- und Fertigbearbeiten der Bohrungen wahlweise mit
herkömmlichen Bearbeitungszellen durchgeführt. Beim Fräsen
der Stirnwände der Motorräume bringt die Verwendung einer
Schnellpositionieranordnung keinen besonderen Vorteil, da
das Schneidwerkzeug einen solch langen Hub aufweist, daß es
an beiden Enden abgestützt werden muß. Unabhängige Spülvor
richtungen werden nach jedem Abschluß eines Arbeitsganges je
des Moduls verwandt. Aluminiumspäne bleiben trotz der hohen
Strömungsgeschwindigkeit der während der Bearbeitung verwand
ten Bearbeitungsflüssigkeiten am Werkstück haften.
Das Verfahren dieser Erfindung erhöht den prozentualen Zeit
anteil, an dem sich das Einpunktwerkzeug im Schneidmodus be
findet, und verringert die Zeit, während derer das Werkstück
nicht bearbeitet und zwischen den Bearbeitungsstellen ver
schoben wird. Dies erhöht die Wirksamkeit des Bearbeitungszy
klus dramatisch. Das Verfahren beinhaltet insbesondere: (a)
Verriegeln mindestens eines der zahlreichen Werkstücke an ei
ner Halterung mit dimensionalen Keilen und lösbares Befesti
gen der Halterung an einem verstellbaren Werktisch in einer
durch die Keile erleichterten vorbestimmten ersten Stellung,
(b) an jedem Werktisch schnelles Positionieren eines Ein
punktwerkzeuges zur linearen Vorbewegung in eine erste der
Werkstückoberflächen, während sich dieses in der ersten Stel
lung befindet, wobei die Positionierung mit Beschleunigun
gen/Verzögerungen von mindestens etwa 1 G ausgeführt wird,
(c) Vorbewegen des rotierenden Werkzeuges in das Werkstück
zum Ausführen der Bearbeitung und mit Geschwindigkeiten von
25 bis 33 000 mm pro Minute (1 bis 1300 Zoll pro Minute)
für das Bohren und Ausdrehen und mindestens 1520 Oberflä
chenmeter pro Minute (5000 sfm) für das Fräsen, (d) nach
Herausnehmen des Werkzeuges aus dem Werkstück Repositionie
ren des Einpunktwerkzeuges für eine andere lineare Vorbewe
gung in andere Werkstückoberflächen, wobei das Positionieren
wieder mit Beschleunigungen/Verzögerungen von mindestens et
wa 1 G durchgeführt wird, und (e) nach Herausnehmen des Werk
zeuges aus dem Werkstück Transfer des befestigten Werkstüc
kes an einen anderen der zahlreichen Arbeitstische, während
ein an die Stelle gesetztes anderes Werkstück am Arbeits
tisch einer Bearbeitung unterzogen wird.
Bearbeitungszellen mit einem Antrieb mit einer Kugelrollspin
del nach dem Stand der Technik erreichen beim Bearbeiten von
Aluminium in typischen Fällen nur Vorschubgeschwindigkeiten
von 300 mm pro Minute (12 Zoll pro Minute) für das Bohren,
810 mm pro Minute (32 Zoll pro Minute) für das Ausdrehen und
120 Oberflächenmeter pro Minute (400 sfm) für das Fräsen
beim Bearbeiten von Aluminium.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 liegen die Arbeitstische ent
lang des Systemweges in einem Abstand voneinander, so daß
die modularen Schnellpositionierungsanordnungen hinsichtlich
Schwingungen und sich störender Bewegungen, die die Genauig
keit der Bearbeitung nachteilig beeinflussen würden, vonein
ander isoliert sind. Die Bearbeitung findet mit ultrahohen
Drehgeschwindigkeiten statt, wenn die Spindel mit 30 000 bis
40 000 Umdrehungen pro Minute betrieben wird und die linea
ren Positioniergeschwindigkeiten 1 G erreichen und über
schreiten.
Der Einspindel- oder Einpunktwerkzeug-Positionierer dieser
Erfindung arbeitet in einzigartiger Weise mit dem würfelför
migen Werkzeuglagerraum beim schnellen Wechsel der Bearbei
tungswerkzeuge und mit einem verstellbaren Arbeitstisch zum
erneuten Ausrichten des Werkstücks während der Bearbeitung
zum Ausführen von äußerst schnellen Positionierungs- und Be
arbeitungsaufgaben zusammen. Das Bearbeitungssystem hat eine
ungewöhnliche Produktionsflexibilität, indem es für das Her
stellen eines einzigen Werkstücks in großen Mengen oder vie
len verschiedenen Werkstücken in kleinen Mengen eingesetzt
werden kann, ohne daß dies besondere Bearbeitungsköpfe ver
langt.
Claims (22)
1. Anordnung zum Bearbeiten von Werkstücken, gekennzeichnet
durch:
- (a) mehrere unabhängig voneinander in Abständen angeord nete Einpunktwerkzeug-Bearbeitungszellen, von denen jede eine Schnellpositionierungsanordnung zum Posi tionieren des Werkzeuges zum Bearbeiten durch mehrfa ches Einführen in eines der Werkstücke und zum Posi tionieren des Werkzeuges zum Auswechseln aufweist, wobei beides mit Geschwindigkeiten von annähernd ei nem G oder mehr als einem G erfolgt,
- (b) Tischeinrichtungen mit mehreren Arbeitstischen, die jeder Zelle eine Tischoberfläche in einer ausgewähl ten Ebene darbieten, wobei die Arbeitstische entlang einer singulären oder einer gespaltenen Bahn angeord net sind und jeder Arbeitstisch identische Bezugsflä chen aufweist,
- (c) Werkstücke für jeden Arbeitstisch mit mit den Bezugs flächen zusammenpassenden Keilflächen und zum Verrie geln in einer Position relativ zu den Positionieran ordnungen,
- (d) Transfereinrichtungen zum schnellen Auswechseln ei nes bearbeiteten Werkstückes gegen ein unbearbeite tes Werkstück auf der Tischoberfläche, wobei diese Einrichtungen den Transfer des bearbeiteten Werkstük kes zu einer anderen Tischoberfläche besorgen, wäh rend das eingewechselte Werkstück bearbeitet wird, und
- (e) computerisierte elektrische Steuereinrichtungen zum selektiven Aktivieren einer schnellen Bewegung der Positionieranordnungen und der Transfereinrichtun gen, wobei diese Steuereinrichtungen zum Anpassen der Positionieranordnungen an einen anderen Bearbei tungsvorgang oder ein anderes Werkstück reprogram mierbar sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
jede Positionieranordnung aus mehreren Supportelementen,
die übereinandergestapelt sämtlich schnell positionier
bar sind, und aus mehreren elektrischen Linearmotoren
zum Verschieben dieser Elemente besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Positionieranordnung eine natürliche mechanische Fre
quenz aufweist, die zum Bewirken einer Steifigkeit, die
Positionierungsgenauigkeiten von ± 0,0050 mm (0,0002
Zoll) erreicht, über der elektrischen Betriebsfrequenz
der Steuereinrichtungen liegt.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Transfereinrichtung (i) Tandemgreifer, die zum Grei
fen eines Werkstücks von entgegengesetzten Seiten selek
tiv betätigbar sind, und (ii) Tandemkranarme, die sämt
lich entlang X-Y-Achsen verschiebbar sind und die Grei
fer abstützen, aufweist.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Tischeinrichtung kipp- und drehbar ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens einige der Keilflächen Innenflächen des Werk
stücks sind.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl der Zellen nicht größer als die Anzahl der
Werkstückseiten ist, die durch Drehung um eine einzige
Achse nicht freigelegt werden können.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Positionieranordnung eine selektiv angetriebene Spin
del zum Drehen des Werkzeuges mit hohen Geschwindigkei
ten trägt.
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Positionieranordnung ein mehrfaches Einführen des
Werkzeuges in einen das Werkstück enthaltenden würfelför
migen Bearbeitungsraum bewirken kann, wobei dieses mehr
fache Einführen den Vorschub des Werkzeuges in das Werk
stück zur erneuten Definition der gleichen Oberflächen
oder zum Bearbeiten verschiedener Oberflächen der glei
chen Seite umfaßt.
10. Anordnung zum Bearbeiten von Werkstücken, gekennzeichnet
durch
- (a) mehrere entlang einer Bahn auseinanderliegende Bear beitungszellen, von denen jede ein von einer Schnell positionieranordnung getragenes Einpunktwerkzeug zu dessen Positionieren zum mehrfachen Einführen in ein Werkstück wie auch für schnellen Werkzeugwechsel mit Geschwindigkeiten von annähernd einem G oder mehr als einem G aufweist,
- (b) Tischeinrichtungen, die jeder Zelle eine Tischober fläche in einer ausgewählten Ebene darbieten,
- (c) Werkstücke für jede Tischoberfläche mit Keilflächen zum verriegelnden Zusammenpassen mit einem Bezugs punkt dieser Tischoberfläche,
- (d) Transfereinrichtungen zum raschen Auswechseln eines bearbeiteten Werkstückes gegen ein unbearbeitetes Werkstück auf einer Tischoberfläche, wobei die Ein richtungen den Transfer des Werkstücks zur nächsten Tischoberfläche bewirken, während das eingewechselte Werkstück bearbeitet wird, und
- (e) elektrische Steuereinrichtungen zum Aktivieren der Positionierungsanordnungen und der Transfereinrich tungen.
11. Bearbeitungsanordnung mit einem Vielfachpositionierer
für ein oder mehrere Werkstücke, gekennzeichnet durch
- (a) mehrere modulare Einpunktwerkzeug-Bearbeitungszel len, von denen jede eine Schnellpositionierungsanord nung zum Positionieren des Werkzeuges mit Geschwin digkeiten von annähernd einem G oder mehr als einem G für einen oder mehrere Bearbeitungshübe an einem einzigen Werkstück in einer einzigen festgeklemmten Halterungsposition aufweist, wobei die Zellen ausrei chend voneinander getrennt sind, um zwischen sich die Weiterleitung von Trägheits- oder Schwingungs kräften, die die Zellensteifigkeit herabsetzen, zu verhindern,
- (b) Arbeitstischeinrichtungen für jede Bearbeitungszelle zur flexiblen Ausrichtung eines Werkstücks zur Bear beitung durch eine Zelle,
- (c) eine an einem Werkstück Verriegelbare und an jedem Arbeitstisch festklemmbare Halterung, um vorbestimm te Seiten des Werkstücks der Bearbeitungszelle zur Bearbeitung darzubieten, und
- (d) eine Transfereinrichtung zum schnellen Verschieben eines gehaltenen Werkstücks von Zelle zu Zelle zum Erleichtern des Festklemmens auf einem Arbeitstisch.
12. Bearbeitungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß sämtliche Bearbeitungszellen in Konstruk
tion und Funktion identisch und gegeneinander austausch
bar sind.
13. Bearbeitungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß jede Bearbeitungszelle ein Einschubmodul
ist, das zur Reparatur ohne Beeinflussung der anderen Be
arbeitungszellen in dem System herausgenommen werden
kann.
14. Bearbeitungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Transfereinrichtung aus einem entlang
einer Schiene zwecks Transferbewegung des Werkstücks ver
schiebbaren Roboterarm besteht.
15. Verfahren zum Bearbeiten von mehreren unterschiedlichen
Flächen an einem Werkstück, insbesondere mit einer Anord
nung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, ge
kennzeichnet durch
- (a) Verriegeln des Werkstücks auf einer Halterung mit di mensionalen Keilen und lösbares Befestigen dieser Halterung auf einem verstellbaren Arbeitstisch in ei ner durch die Keile erleichterten vorgegebenen er sten Stellung,
- (b) an jedem Arbeitstisch schnelles Positionieren eines sich drehenden Einpunktwerkzeuges zur linearen Vor schubbewegung in eine erste Werkstückoberfläche bei Lage in der ersten Position, wobei diese Positionie rung mit Beschleunigungen/Verzögerungen von minde stens etwa 1 G durchgeführt wird,
- (c) Vorschieben des sich drehenden Werkzeuges in das Werkstück zum Ausführen einer Bearbeitung mit Ge schwindigkeiten von 2280 bis 7370 mm (90 bis 290 Zoll) pro Minute beim Bohren, mindestens etwa 7620 mm (300 Zoll) pro Minute für das Ausdrehen und mindestens etwa 1.520 Oberflächenmeter pro Minute (5000 sfm) für das Fräsen,
- (d) nach dem Zurückziehen des Werkzeuges aus dem Werk stück Repositionieren des Einpunktwerkzeuges auf ei nen anderen linearen Vorschub in andere Werkstück oberflächen, wobei das Positionieren mit Beschleuni gungen oder Verzögerungen von mindestens etwa 1 G durchgeführt wird, und
- (e) nach dem Herausziehen des Werkzeuges aus dem Werk stück Transfer des gehaltenen Werkstücks an einen an deren von mehreren Arbeitstischen, während ein einge wechseltes Werkstück am Arbeitstisch bearbeitet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die an der Bahn angeordneten Arbeitstische entlang einer
Geraden auf Abstand zueinander liegen.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stufe (e) Transfer und Auswechseln unter Verwendung
von einem oder mehreren auf einer Schiene laufenden Robo
terarmen vor sich geht.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bearbeitungsstufe (b) auf dem Einwärts- ebenso wie
auf dem Auswärtshub durchgeführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
das Einpunktwerkzeug in Drehrichtung mit Geschwindigkei
ten von 30 000 bis 40 000 rpm angetrieben wird.
20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die schnelle Positionierung unter Verwendung von Linear
motoren durchgeführt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
die schnelle Positionierung unter Verwendung einer auf
drei Achsen gestapelten Positioniervorrichtung durchge
führt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens zwei der Bearbeitungszellen zur gleichzeiti
gen und zusammenlaufenden Bearbeitung entgegengesetzter
Seiten des Werkstücks Vorderseite an Vorderseite angeord
net sind.
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