DE60106494T2

DE60106494T2 - "werkzeugmaschine, insbesondere in parallelbauart mit verformten gelenken"

Info

Publication number: DE60106494T2
Application number: DE60106494T
Authority: DE
Inventors: Claude Fioroni
Original assignee: Comau Systemes France SA
Current assignee: Comau Systemes France SA
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2021-12-08
Also published as: FR2817784B1; ATE279297T1; DE60106494D1; AU2002217201A1; PT1358040E; US20040067117A1; ES2231584T3; JP2004515374A; EP1358040A1; FR2817784A1; US6877938B2; EP1358040B1; WO2002045903A1

Description

ANWENDUNGSBEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der spanenden Höchstgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen mit paralleler Struktur, insbesondere betrifft sie Anpassungen, die die Führung der Elemente erlauben, die die parallele Struktur bilden.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Eine spanende Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschine, wie sie in der Patentanmeldung Nr. WO 99/61198 auf den Namen des Anmelders beschrieben und in 1 dargestellt ist, umfasst herkömmlicherweise Stangen, die die Bewegungsmittel und das bewegliche Organ, das es in Bewegung zu versetzen gilt, verbinden. Im Rahmen der dargestellten Werkzeugmaschine haben diese Stangen die Funktion, für die Umwandlung von Bewegungen entlang dreier paralleler Richtungen in Bewegungen in drei senkrecht zueinander stehende Richtungen zu sorgen.
Das Dokument FR-2779080-A beschreibt eine Werkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Um die Vielzahl der Bewegungen zu erlauben und zu führen, die eine derartige parallele Struktur zu bieten in der Lage ist, sind die Stangen herkömmlicherweise an ihren Enden mit Gelenken ausgestattet, die eine Drehung um mindestens zwei Achsen ermöglichen. Da die Bewegung jedoch auf isostatische Weise erfolgen muss, erfordert das Vorhandensein mehrerer solcher Verbindungen die Existenz von Gelenken vom Kardantyp, um eine zusätzliche Drehung in der Achse der Stangen zu ermöglichen.
Diese Verbindungen oder diese Gelenke werden heute durch Mittel gebildet, die Kugellager-Kugeln einsetzen. Nun weisen diese Mittel mehrere Nachteile auf, von denen die wichtigsten in der Folge beschrieben werden.
Diese Kugelverbindungen erfordern eine ständige Wartung und können auf Grund der Entstehung eines immer größer werdenden Betriebsspiels im Rahmen einer Anwendung im Bereich der Bearbeitung mit sehr hoher Geschwindigkeit nur eine beschränkte Lebensdauer bieten. Tatsächlich hat die Bearbeitung mit sehr hoher Geschwindigkeit den Nachteil, durch Oberflächenkorrosion (Abrieb) eine vorzeitige Abnutzung der herkömmlichen Führungsmittel hervorzurufen.
Dies ist teilweise auf die hohen dynamischen Beanspruchungen durch die Bearbeitung mit sehr hoher Geschwindigkeit zurückzuführen, die ein hochfrequentes Schwingungsphänomen an der parallelen Struktur und somit an den Elementen, die sie bilden, hervorrufen.
Diese vorzeitige Abnutzung ist schwer quantifizierbar und zwingt die Benutzer derartiger Werkzeugmaschine dazu, die Teile, die abgenutzt werden können, regelmäßig und vorzeitig auszuwechseln. Ein derartiges Auswechseln aller Gelenke einer spanenden Höchstgeschwindigkeits-Werkzeugmaschine mit paralleler Struktur führt zu einer Abschaltung der Letztgenannten, zum Stillstand der Produktionslinie, zu der sie gehört, zur Ausführung neuer Präzisionstests vor der Wiederinbetriebnahme usw.
Die Präzisionskriterien bei den durchgeführten Bearbeitungen sind heute derart, dass eine fehlende Festigkeit der parallelen Struktur auf Grund einer Abnutzung der herkömmlichen Führungs- oder Verbindungsmittel schwer toleriert wird. Darüber hinaus belasten die bei diesem Verbindungstyp und dieser Anwendung auftretenden Stillstandszeiten und die Kosten für den Austausch das Betriebsbudget einer derartigen Werkzeugmaschine beträchtlich.
Das Fehlen oder die Verlangsamung der Abnutzung und die Festigkeit der Verbindungen sind Kriterien, die ideelle Drehzapfen erfüllen. Diese Gelenke, die oft auf einen einzigen Freiheitsgrad (eine Drehung) beschränkt sind, nutzen die kontrollierte Verformung eines Materials, um die geforderte Winkelfreiheit zu bieten. So definieren zum Beispiel die in den Patentanmeldungen EP 459 057 , FR 2 738 602, DE 195 39 581 , CH 375 959, US 2 950 079 , FR 2 666 603, US 4 297 904 , EP 1 013 949 beschriebenen Gelenke ideelle Drehzapfen auf der Basis der Verformung von Verbindungsbereichen zwischen einem fixen Teil und einem beweglichen Teil.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausgehend von dieser Sachlage und ausgehend von einem vorbestehenden Lastenheft hat der Anmelder Forschungsarbeiten durchgeführt, die zur Konzeption und Ausführung einer Werkzeugmaschine führten, die eine technologische Lösung bietet, die es ermöglicht, den mit der mangelnden Festigkeit der parallelen Strukturen zusammenhängenden Mängeln abzuhelfen, indem die Merkmale von ideellen Drehzapfen genutzt und angepasst werden.
Diese spanende Höchstgeschwindigkeits-Werkzeugmaschine ist in Anspruch 1 definiert.
Die Verwendung einer Kombination von ideellen Drehzapfen ist insofern besonders vorteilhaft, als diese Art von Verbindung durch Materialverformung funktioniert und so eine größere Festigkeit des Gelenks gewährleistet und gleichzeitig die Bewegung erlaubt. Darüber hinaus ermöglicht eine Kombination von ideellen Drehzapfen nicht nur diese Bewegungen mit einer größeren Festigkeit, sondern sie erlaubt auch die Verdrehung, wodurch die Verwendung von Verbindungen vom Kardantyp vermieden wird. Dieser Gelenktyp erfordert zudem keine besondere Wartung, da die Verbindung nicht durch Führung oder Reibung erfolgt. Im Gegensatz zu den herkömmlicherweise verwendeten Gelenken mit Kugeln ist keinerlei Abrieb zu befürchten. Diese Merkmale haben zur Folge, dass die erfindungsgemäße spanende Werkzeugmaschine eine höhere Präzision als die bereits bestehenden aufweist und dass ihre Wartung sowie ihr Betrieb weniger Zeit- und Materialaufwand erfordert.
Dieses Hauptmerkmal der Erfindung stellt keine einfache Kombination oder offensichtliche Kombination von Zwei bekannten Vorrichtungen dar. Tatsächlich sind es die in den Lastenheften geforderten neuen Kriterien hinsichtlich der Präzision der Bearbeitung mit sehr hoher Geschwindigkeit und der Senkung der Wartungskosten, die den Anmelder dazu veranlasst haben, diese Forschungsarbeiten durchzuführen. Daher ist das Bedürfnis, das das Hauptmerkmal der Erfindung erfüllt, grundlegend neu.
Die Verwendung von ideellen Drehzapfen zur Führung der Arme, die die parallele Struktur einer spanenden Höchstgeschwindigkeits-Werkzeugmaschine bilden, stellt darüber hinaus insofern eine große Neuheit dar, als die Entwickler im Bereich der Werkzeugmaschinen dazu neigen, auf der Grundlage von Gelenken zu konzipieren, die man kennt und beherrscht. Daher stellt die Bildung von Gelenken, die eine Vielzahl von ideellen Drehzapfen kombinieren, auch einen Bruch mit der normalen Vorgehensweise der Entwickler von Werkzeugmaschine dar.
Darüber hinaus kombiniert dieses Merkmal nicht bloß einen ideellen Drehzapfen mit einer parallelen Struktur, sondern es ist eine Kombination von ideellen Drehzapfen erforderlich, um die durch die angestrebte Anwendung gestellten spezifischen Gelenkkriterien zu erfüllen, nämlich die Bewegung und isostatische Führung der Arme zu ermöglichen, die eine parallele Struktur bilden und mehr als einen Freiheitsgrad erfordern.
Die Erfindung betrifft auch das Verformungsgelenk, das für diese Werkzeugmaschine konzipiert wurde und das getrennt verwendet werden kann.
Die grundlegenden Konzepte der Erfindung wurden oben in ihrer elementarsten Form dargelegt, weitere Einzelheiten und Merkmale werden durch die Lektüre der folgenden Beschreibung und angesichts der beiliegenden Zeichnungen klarer, wobei als nicht erschöpfendes Beispiel eine Ausführungsform einer Werkzeugmaschine und eines Verformungsgelenks gemäß der Erfindung präsentiert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Werkzeugmaschine mit paralleler Struktur aus dem technologischen Hintergrund;
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Gelenks einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine;
3 ist eine schematische perspektivische Ansicht in auseinandergezogenen Einzelteilen eines Details des Gelenks von 2;
4 ist ein kinematisches Schema des Gelenks von 2.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
So wie sie in der Zeichnung von 1 dargestellt ist, ist die in ihrer Gesamtheit mit M bezeichnete spanende Höchstgeschwindigkeits-Werkzeugmaschine von dem Typ, der Verbindungsstangen 100 umfasst, deren erstes Ende 110 mit einem beweglichen Organ 200 in Verbindung ist, das für den Halt mindestens eines Werkzeugs (nicht dargestellt) sorgt und deren zweites Ende 120 mit mindestens einem Mittel 300 zum Bewegen in Bezug auf ein mit B bezeichnetes Gestell in Verbindung ist. Gemäß der dargestellten Ausführungsform beträgt die Zahl der Stangen 100 sechs, wobei jeweils zwei durch ihr zweites Ende 120 mit Bewegungsmitteln 200 verbunden sind, deren Zahl somit drei beträgt. Was die ersten Enden 110 betrifft, so sind jeweils zwei mit der gleichen Seite des beweglichen Organs 200 verbunden, das hier die Form einer dreieckigen Platte annimmt, wobei jede Seite das erste Ende 110 von zwei Verbindungsstangen 100 aufnimmt. Im Rahmen der nicht erschöpfenden Ausführungsform der dargestellten Werkzeugmaschine M wurde die parallele Architektur derart konzipiert, dass die getrennte oder gemeinsame Bewegung der drei Bewegungsmittel 300 entlang der Z-Achse die geradlinige Bewegung des beweglichen Organs 200 entlang der Achsen X, Y und Z ermöglicht.
Gemäß der Erfindung werden die Verbindungen 400 an den Enden der Stangen 100 durch eine Kombination von ideellen Drehzapfen gebildet, derart, dass ein Gelenk gebildet wird, dessen Freiheitsgrade die Bewegung der parallelen Struktur erlauben.
Obwohl dieses Merkmal ein ideales Merkmal ist, ist es möglich, dass die parallele Struktur gemischt ist, d.h. dass nur ein Teil der Verbindungen 400 mittels einer Kombination ideeller Drehzapfen gebildet wird. Um die geforderte Festigkeit und in der Folge die geforderte Präzision zu erreichen, ist es tatsächlich möglich, dass eine beschränkte Anzahl von Gelenken 400 mit ideellen Drehzapfen ausreicht.
Wie detaillierter in der Zeichnung von 3 dargestellt ist, wird jedes Gelenk 400 durch drei ideelle Drehzapfen 410, 420, 430 gebildet, deren Achsen zueinander senkrecht sind.
Gemäß einem besonders vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist das Profil der Verbindungsstangen 100 derart vorgeformt, dass es, ohne seine Elastizitätsgrenze zu überschreiten, eine Verdrehverformung akzeptiert, so dass einer der ideellen Drehzapfen, die das Gelenk bilden, durch die Verdrehungselastizität der Stange 100 oder des Endes der Stange 120 oder 100 selbst gebildet wird. Diese Ausführungsform eines ideellen Drehzapfens ist besonders nützlich im Rahmen des Freiheitsgrads der Drehung um die Längsachse der Verbindungsstangen 100, der bisher durch Verbindungen vom Typ „Kardan" ermöglicht wurde. Gemäß der dargestellten, nicht erschöpfenden Ausführungsform wird der ideelle Drehzapfen 430 somit durch die Stange 100 oder das Ende 110 oder 120 der Stange gebildet, die bzw. das ein Profil aufweist, das die Verdrehung gemäß einer beschränkten Anzahl von Graden erlaubt. Diese Verbindungsstange 100 weist mindestens an ihrem Ende 110 oder 120 das dargestellte kreuzförmige Profil auf, das besonders geeignet ist, Verdrehungsspannungen aufzunehmen. Gemäß der vom Anmelder angestrebten technologischen Option sind die Stange 100 oder ihr Ende so profiliert, dass sie eine Drehung von plus/minus einem Grad akzeptieren.
Wenn die Zahl der für die Drehung notwendigen Grade höher ist, werden gemäß einer dargestellten, aber nicht erschöpfenden Ausführungsform die ideellen Drehzapfen 410, 420 durch mindestens eine verformbare Untereinheit gebildet, die ein Kreuz umfasst, wobei die Enden seiner beiden ersten Arme durch eine erste Platte und die Enden der beiden anderen Arme durch eine zweite Platte verbunden sind. Genauer wird der ideelle Drehzapfen 410 durch ein Kreuz gebildet, bei dem die Enden von zwei Armen 411 und 412 durch eine erste Platte 413 und die Enden der beiden anderen Arme 414 und 415 durch eine zweite Platte 416 verbunden sind.
Wie in den Zeichnungen von 2 und 3 dargestellt, sorgen die ideellen Drehzapfen paarweise für die Drehverbindung mit dem Schnittpunkt des Kreuzes, das sie bildet, als theoretische Drehachse.
Wie in dem kinematischen Schema dargestellt wird, das durch die Zeichnung von 4 gebildet wird, sind die Achsen dieser ideellen Drehzapfen zueinander senkrecht. Gemäß den nicht erschöpfenden Ausführungsformen der dargestellten ideellen Drehzapfen sorgen die Letztgenannten für eine Drehverbindung um plus/minus 20 Grad.
Wie in 2 dargestellt ist, sind, wenn die Werkzeugmaschine von dem in 1 dargestellten Typ ist, bei dem die Bewegung des beweglichen Organs 200 mit Hilfe von drei Paaren von Armen 100 erfolgt, wobei die Paare an einem ihrer Enden 120 jeweils mit einem einzigen Bewegungsmittel 300 verbunden sind, die Verbindungsstangen 100, die ein Paar bilden, mit einer gleichen ersten beweglichen Traverse 500 verbunden, die durch mindestens einen ideellen Drehzapfen 420 und/oder 410 mit einer zweiten Traverse 600 verbunden ist, die an dem genannten Bewegungsmittel 300 (in 2 nicht dargestellt) befestigt ist.
Das an eine Werkzeugmaschine vom dargestellten Typ angepasste Verformungsgelenk kann in anderen Maschinen oder Vorrichtungen angewendet werden. Dieses Gelenk ist dadurch gekennzeichnet, dass es durch eine Vielzahl von ideellen Drehzapfen gebildet wird, deren kombinierte Freiheitsgrade es ermöglichen, nahezu die Funktion eines Kugelgelenks zu übernehmen. In der Tat ist das vom Anmelder ausgedachte Gelenk durch seine Festigkeit und die fehlende Notwendigkeit einer durch den Abrieb erforderlichen Wartung gekennzeichnet, da die ideellen Drehzapfen, die es bilden, die Verbindungen ohne Reibung gewährleisten.
Es ist verständlich, dass der Zweck der obigen Beschreibung und der Darstellung der Werkzeugmaschine und des Gelenks eine Offenbarung und nicht eine Beschränkung ist. Selbstverständlich können verschiedene Anpassungen, Änderungen und Verbesserungen an dem obigen Beispiel, wie es in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, vorgenommen werden.

Claims

Spanende Höchstgeschwindigkeits-Werkzeugmaschine (M) des Typs, der aus einer parallelen Struktur gebildet ist, die Verbindungsstangen (100) umfasst, deren erstes Ende (110) mit einem beweglichen Organ (200) in Verbindung ist, das für den Halt mindestens eines Werkzeugs sorgt und deren zweites Ende (120) mit mindestens einem Mittel (300) zum Bewegen in Bezug auf ein Gestell (B) in Verbindung ist, wobei die Stangen an ihren Enden mit Verbindungen (400) ausgestattet sind, die eine Drehung um mindestens zwei Achsen erlauben, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen (400) an den Enden (110 und 120) der Stangen (100) durch eine Kombination von ideellen Drehzapfen (410, 420, 430) gebildet sind, derart, dass ein Gelenk gebildet wird, dessen Freiheitsgrade die Bewegung der parallelen Struktur erlauben, und dass das Profil der Verbindungsstangen (100) derart vorgeformt ist, dass es, ohne seine Elastizitätsgrenze zu überschreiten, eine Verdrehverformung akzeptiert, so dass einer der ideellen Drehzapfen (430), die das Gelenk (400) bilden, durch die Elastizität der Stange (100) selbst gebildet wird.
Werkzeugmaschine (M) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der ideellen Drehzapfen (410, 420, 430) zueinander senkrecht sind.
Werkzeugmaschine (M) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der Verbindungen (400) mittels einer Kombination von ideellen Drehzapfen gebildet wird.
Werkzeugmaschine (M) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gelenk (400) durch drei ideelle Drehzapfen (410, 420, 430) gebildet wird, deren Achsen zueinander senkrecht sind.
Werkzeugmaschine (M) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ideellen Drehzapfen (410, 420, 430) durch mindestens eine verformbare Untereinheit gebildet wird, die ein Kreuz umfasst, bei dem die Enden von zwei Armen (411 und 412) durch eine erste Platte (413) und die Enden der beiden anderen Arme (414 und 415) durch eine zweite Platte (416) verbunden sind.
Werkzeugmaschine (M) nach Anspruch 1, von dem Typ, bei dem die Bewegung des beweglichen Organs (200) mit Hilfe von drei Paaren von Armen (100) erfolgt, wobei die Paare an einem ihrer Enden (120) jeweils mit einem einzigen Bewegungsmittel (300) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstangen (100), die ein Paar bilden, mit einer gleichen ersten beweglichen Traverse (500) verbunden sind, die durch mindestens einen ideellen Drehzapfen (410 und 420) mit einer zweiten Traverse (600) verbunden ist, die an dem genannten Bewegungsmittel (300) befestigt ist.
Werkzeugmaschine (M) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstange (100) oder ihr Ende (110 oder 120) ein Profil aufweist, das die Verdrehung erlaubt.
Werkzeugmaschine (M) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstange (100) mindestens an ihrem Ende (110 oder 120) ein kreuzförmiges Profil aufweist, das besonders geeignet ist, Verdrehungsspannungen aufzunehmen.