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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Koordinatenwerkzeugmaschine,
insbesondere eine Lasermaschine, mit einem Arbeitskopf, der in mindestens zwei
rechtwinkelig zueinander liegenden Richtungen beweglich ist, wobei der Kopf am Ende eines
Hauptträgers, der am Grundgestell als Ausleger angeordnet ist, untergebracht und relativ
zum Grundgestell in Richtung seiner eigenen Longitudinalachse beweglich ist.
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Bei Maschinen, bei denen der Arbeitskopf von einem Ausleger getragen wird, stellt die
Biegung des freien Endes des Auslegers einen kritischen Punkt dar was die Genauigkeit
der Maschine betrifft.
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Im Fall eines als Ausleger ausgebildeten Trägers, der lediglich der Wirkung seines eigenen
Gewichts ausgesetzt ist, ist die Auslenkung des freien Endes des Trägers proportional zur
vierten Potenz der Länge des freitragenden Teiles des Trägers und variiert damit, wenn der
Träger entlang seiner eigenen Longitudinalachse bewegt wird. Diese Variation der
Auslenkung kann nicht leicht kompensiert werden. Die maximal tolerierbare Auslenkung des
freien Endes des Trägers setzt für die Bewegung des Trägers in Richtung seiner eigenen
Longitudinalachse - und daher für die Abmessungen des Arbeitsbereiches der Maschine
- relativ enge Grenzen, weshalb eine Auslegung des Trägers und seiner Auflager auf hohe
Festigkeit hin notwendig wird, was in der Folge die Kosten der Maschine beeinflußt.
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Ein System wurde aus dem italienischen Patent 764V361 desselben Erfinders bekannt
(korrespondierend zum britischen Patent 1,186,031), das es erlaubt, die Deformation der
Führungen bei einer Werkzeugmaschine oder ähnlichem zu begrenzen, wobei diese mit
einem Element versehen sind, das entlang dieser Führungen beweglich ist. Bei diesem
bekannnten System wird das bewegliche Element von einem ersten Auflager entlang seines
Weges geführt und es ist mit einem zweiten beweglichen Element verbunden, das entlang
eines zweiten Auflagers geführt wird, welches in etwa den gleichen Weg hat wie das erste.
Ein Element, beispielsweise eine Feder, die einen wesentlichen Teil des Gewichts des
ersten beweglichen Elements auf das zweite bewegliche Element ohne starre Distanzhalter
zwischen den beiden Einheiten überträgt, ist zwischen dem ersten und dem zweiten
beweglichen Element angeordnet. Daher müssen die Abmessungen des Auflagers des
ersten beweglichen Elementes das Gewicht dieses Elementes nicht berücksichtigen. Das
italienische Patent 764,361 beschreibt außerdem die Anwendung des besagten Systems auf
eine Meßmaschine, die eine Form wie ein Portalkran aufweist. Diese Anmeldung ist
schematisch in Figur 7 gezeigt. In diesem Fall wird das erste bewegliche Element von der
Brücke 100 gebildet - auf der der Schlitten 102 beweglich gelagert ist -, unterstützt an beiden
Enden durch ein Paar von Trägern 104, die einen integralen Bestandteil des Grundgestells
der Maschine bilden. Das zweite bewegliche Element wird von der Hilfsstruktur 106 gebildet,
die einen wesentlichen Teil des Gewichtes der Brücke 100 mittels einer hochflexiblen
elastischen Aufhängeeinrichtung 108 trägt. Die Hilfsstruktur 106 ist entlang von Führungen
110 bewegbar und mittels eines Führungssystems 112 mit der Brücke 100 verbunden, wobei
das Führungssystem eine relative Bewegung der Hilfsstruktur 106 bezüglich der Brücke 100
in einer vertikalen Richtung Z erlaubt.
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Diese bekannte Lösung ermöglicht es, das Gewicht der Brücke 100 bei der Dimensionierung
der Träger 104, die diese unterstützen, zu vernachlässigen, da ein Großteil des Gewichtes
von den Führungen 110 der Hilfsstruktur getragen wird, welche beträchtlicher Deformation
ohne Einfluß auf die Genauigkeit der Maschine standhalten können. Sogar wenn der
Abstand zwischen der Hilffstruktur 106 und der Brücke 110 verändert wird, erlaubt der hohe
Grad an Flexibilität der federnden Aufhängeeinnchtung 108, daß die Hilfsstruktur 106 die
Brücke 110 mit fast unveränderter Kraft unterstützt.
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Auf der Basis dieses bekannten Standes der Technik ist es Ziel der vorliegenden Erfindung,
eine Werkzeugmaschine mit einer Ausleger-Struktur jener Art, wie sie eingangs in der
Beschreibung definiert ist, zu schaffen, bei der die maximale Durchbiegung des
Hauptträgers extrem gering ist, ohne dazu auf eine übermäßige Dimensionierung des
Hauptträgers und seiner Auflager zurückgreifen zu müssen.
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Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel durch eine Maschine erreicht, die die im Anspruch 1
definierten Merkmale aufweist. Bei der Maschine gemäß der Erfindung wird das Gewicht des
Hauptträgers hauptsächlich von einem Hilfsträger aufgenommen, der gemeinsam mit dem
Hauptträger bewegbar und als Ausleger am Grundgestell angeordnet ist. Dies ermöglicht es,
den Hauptträger so zu dimensionieren, als ob er ein an seinen Enden gelagerter Träger
wäre, mit anderen Worten, gelagert an den Punkten, wo er durch den Hilfsträger getragen
wird. Selbst wenn der Hilfsträger als Ausleger ausgebildet ist, muß er nicht auf besondere
Festigkeit hin dimensioniert werden, da seine Deformierung so gut wie keinen Effekt auf die
Genauigkeit der Maschine hat, da der Hauptträger mit dem Hilfsträger mittels Abstützmittel
verbunden ist, die das Gewicht des Hauptträgers auf den Hilfsträger ohne starre
Distanzhalter zwischen dem Hauptträger und dem Hilfsträger übertragen.
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Wenn daher der Hauptträger entlang seiner eigenen Longitudinalachse bewegt wird und
daher die Länge des freitragenden Teiles variiert, bleibt die Beanspruchung für den
Hauptträger, der immer noch so ist, als ob er auf den Verbindungspunkten mit dem
Hilfsträger aufläge, unverändert. Die Auslenkung des Hauptträgers ist daher konstant und
kann aus diesem Grund leicht kompensiert werden.
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Die vorliegende Erfindung ist besonders bei solchen Anwendungen vorteilhaft, bei denen der
Arbeitskopf nicht einer Arbeitslast unterworfen ist, wie beispielsweise im Fall einer
Lasermaschine und Meßmaschine, bei der die einzige Last, der der Hauptträger unterworfen
ist, sein eigenes Gewicht und das von integralen Bestandteilen ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung ersichtlich, die auf die Zeichnungen im Anhang Bezug nimmt:
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Figur 1a ist eine schematische Seitenansicht einer Maschine gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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Figur 1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer Lasermaschine mit
Ausleger-Struktur;
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Figur 2 ist eine vergrößerte, perspektivische Ansicht jenes Teiles, der in Figur 1 mit
dem Pfeil II bezeichnet ist;
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Figur 3 ist ein longitudinaler Querschnitt entlang der Linie III-III in Figur 2;
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Figur 4 ist ein schräg verlaufender Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Figur 3;
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Figur 5 ist eine schematische Ansicht entlang Pfeil V in Figur 3;
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Figur 6 ist ein vergrößertes Detail entlang Pfeil VI in Figur 5 und
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Figur 7, bereits früher beschrieben, ist eine schematische Ansicht einer bekannten
Maschine.
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Bezugnehmend auf Figur 1a wird das Grundgestell einer Werkzeugmaschine, die mit einem
Kopf 2, getragen von einem Hauptträger 3, ausgestattet ist, mit 1 bezeichnet. Der
Hauptträger 3 ist mittels Auflager 4, die eine Bewegung des Hauptträgers 3 in Richtung Y
erlauben, als Ausleger an der Struktur 1 angeordnet. Ein Hilfsträger, bezeichnet mit 5, ist
mittels Auflager 6 an der Struktur 1 angeordnet und parallel zum Hauptträger 3 bewegbar.
Der Hilfsträger 5 trägt einen beträchtlichen Teil des Gewichtes des Hauptträgers 3 mittels
einer oder einer Vielzahl von Spiralfedern 7. Das freie Ende des Hilfsträgers 5 wird um einen
Betrag E deformiert, dessen Ausmaß übertrieben wurde, um das Verständnis der
Zeichnungen zu erleichtern. Die Federkraft der Feder 7 muß sehr hoch sein, sodaß die
Verminderung des Abstandes zwischen dem Hauptträger 3 und dem Hilfsträger 5 infolge der
Biegung des letzteren und seiner Auflager, die von der Feder 7 übertragene Kraft nur um
einen vernachlässigbaren Betrag verändert.
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Die Figuren 1 bis 7 zeigen ein praktisches Ausführungsbeispiels eines Systems gemäß der
Erfindung. In Figur 1 wird eine Lasermaschine mit 10 bezeichnet, die ein Grundgestell 12
umfaßt, das einen Arm 14, bewegbar in der horizontalen Richtung Y trägt. Der Arm 14 ist als
Ausleger an der Struktur 12 angeordnet und trägt an seinem freien Ende einen Laser-
Fokussierkopf 16, dessen Weg in vertikaler Richtung Z bezogen auf den Arm 14 verläuft.
Der Arm 14 wird von einem Schlitten 18 getragen, der bezüglich der Struktur 12 entlang von
Führungen 20 gleitet, die sich in Richtung X erstrecken. Wie dem vergrößerten Detail in
Figur 2 und 3 entnommen werden kann, gleitet der Schlitten 18 auf den Führungen 20
mittels Laufschuhen 24 mit umlaufenden Kugeln. Ein rohrförmiges Element 22 gleitet auf
den Führungen 20 mittels Laufschuhen 25 und ist mit dem Schlitten 18 mittels eines
Führungssystems (nicht gezeigt) verbunden, das das Element 22 und den Schlitten 18 für
Bewegungen in Richtung X miteinander verbindet.
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Ebenfalls bezugnehmend auf die Figuren 2 und 3, umfaßt der Arm 14 einen Hauptträger 26,
der den Kopf 16 trägt und einen Hilfsträger 28, der einen wesentlichen Teil des Gewichts
des Hauptträgers 26 trägt.
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Der Hilfszräger 28 erstreckt sich innerhalb des rohrförmigen Elements 22 und ist als Ausleger
an letzterem ausgebildet. Der Hilfsträger 28 ist gleitverschieblich in Richtung Y bezüglich
dem rohrförmigen Element mittels einer Serie von Rädern 30 befestigt (Figur 3 und 4). Wie
aus Figur 4 ersichtlich, läuft jedes Rad 30 an einem an der rohrförmigen Struktur 22
befestigten Zapfen 32 und steht in rollendem Kontakt mit einer oberen Führung 34 und einer
unteren Führung 36.
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Speziell bezugnehmend auf Figur 2, ist der Hauptträger 26 über Führungen 38 und
Laufschuhe 40 mit umlaufenden Kugeln am Schlitten 18 befestigt, wobei die Funktion der
Laufschuhe im wesentlichen die Führung des Hauptträgers in Richtung Y ist. Wie bereits
früher beschrieben, wird die lastaufnehmende Funktion des Hauptträgers 26 hauptsächlich
vom Hilfsträger 28 erfüllt. Die Dimensionierungen der Laufschuhe 40 und des Schlittens 18
sind derart, daß der Schlitten nur einen kleinen Teil des Gewichts des Hauptträgers und
damit verbundener Teile aufnimmt.
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Der Hauptträger 26 ist mittels Führungen 20 am Schlitten 18 befestigt, der wie bereits
ausgeführt, entlang der Führungen 20 mittels der Laufschuhe 24 entlang gleitet.
Andererseits ist der Hilfsträger 28 über das rohrförmige Element 22 mit den Führungen 20
verbunden, wobei das rohrförmige Element 22 so angeordnet ist, daß es an den Führungen
20 mittels seiner eigenen Laufschuhe 25, die unabhängig vom Schlitten 18 sind, gleitet. Auf
diese Weise ist der Hauptträger 26 in jeder Weise von Deformationen unbeeinflußt, die von
Lasten herrühren, welche am Hilfsträger 28 angreifen, da der Schlitten 18 und die
Laufschuhe 24 nur zur Führung des Hauptträgers 26 dienen, wogegen das Gewicht des
letzteren von den Laufschuhen 25 und dem rohrförmigen Element 22 mittels des
Hilfssträgers 28 aufgenommen wird.
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Der Hilfsträger 28 trägt den Hauptträger 26 mittels Abstützmittel, die den Großteil des
Gewichtes des Hauptträgers 26 auf den Hilfsträger 28 ohne starre Distanzhalter zwischen
dem Hauptträger 26 und dem Hilfsträger 28 übertragen können.
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In dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese Abstützmittel in
Form einer langgestreckten Spiralfeder 42 (Figur 3) ausgebildet, die sich innerhalb des
Hilfsträgers 28 in der Richtung der Achse Y erstreckt. Jedes Ende der Feder 42 ist mit einem
Ende des Hauptträgers 26 durch ein Paar einander gegenüber liegenden Ketten 44 (siehe
auch Figur 4) befestigt. Die Feder 42 ist mit dem Hilfsträger 28 über eine Buchse 43 (Figur
3) fest verbunden, die den Mittelteil der Feder 42 umklammert und die über Stifte 45 mit dem
Hilfsträger 28 verbunden ist. Die Feder 42 ist so in zwei Abschnitte geteilt, wo von jeder als
unabhängige Feder wirkt. Die Ketten 44 wirken jeweils mit Rückführrädern 46 zusammen,
die in frei drehbarer Weise an einem Ende des Hilfsträgers 28 angeordnet sind. Jedes Ende
der Feder 42 ist mit einem Verbindungselement 48 verbunden, das eine Gewindebohrung
aufweist, in die eine Gewindestange 50, die mit einem Paar von Ketten 44 verbunden ist,
eingreift. Die Schraubverbindungen zwischen den Stangen 50 und den
Verbindungselementen 48 ermöglichen eine Vorspannung der beiden Abschnitte der Feder
42 und somit eine Regulierung der horizontalen Einrichtung des Hauptträgers 26.
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Der Hauptträger 26 wird an beiden Enden von der Kraft, die die Feder 42 dehnt, getragen
und verhält sich unter allen Umständen so, als wäre er ein abgestützter Träger und nicht ein
Ausleger. Der Hilfsträger 28 wird unter dem Gewicht des Hauptträgers 26 merklich
verbogen. Die Verbiegung des Hilfsträgers 28 beeinflußt jedoch die Fähigkeit der Feder 42
kaum, die Last aufzunehmen, die vom Gewicht des Hauptträgers 26 herrührt. Je größer die
Flexibilität der Feder 42 desto geringer ist die Wirkung der Biegung des Hilfsträgers 28 auf
die Tragkraft der Feder 42. Daraus resultiert die Notwendigkeit einer sehr langen (und daher
sehr flexiblen) Feder 42, die sich fast über die gesamte Länge des Hilfsträgers 28 erstreckt.
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Der hohe Grad an Flexibilität der Feder 42 stellt sicher, daß das System über einen langen
Zeitraum stabil ist. Jede geringfügige Bewegung oder Deformation des Hilfsträgers 28 oder
des Abstützsystems (Ketten 44, Spannstange 50, Feder 42, Buchse 43 etc.) hat einen
vernachlässigbaren Effekt auf die Tragkraft, die auf den Hauptträger 26 ausgeübt wird.
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Der Hauptträger 26 und der Hilfsträger 28 sind auch mittels eines Führungssystems
miteinander verbunden, das völlige Freiheit relativer Bewegungen in Richtung Z erlaubt und
das eine Zwangsführung für Bewegungen in den Richtungen X und Y bildet. Die Figuren 5
und 6 zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Führungssystems. Die
Führung in Richtung Y wird durch eine Führungsschiene 52 in der Ebene X-Z erreicht, die
vom Hilfsträger 28 getragen wird. Zwei gegenüber liegende Räder 54, getragen vom
Hauptträger 26, wirken gegen die Führungsschiene 52. In ähnlicher Weise wird die Führung
in Richtung X durch Führungen 56 in der Ebene Y-Z erzielt, wobei diese Führungen mit
gegenüber liegenden Rädem 58 zusammenwirken.