FÜHRUNGSVORRICHTUNG MIT MASSVERKORPERUNG ZUR FUHRUNG EINES BEWEGBAREN MASCHINENE LEMETNS EINER MASCHINE
Die Erfindung betrifft eine Führungsvorrichtung zur Führung eines bewegbaren Maschinenelements einer Maschine sowie eine Maschine mit einer solchen FührungsVorrichtung.
Bei Maschinen wie z.B. Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschi¬ nen und/oder Robotern muss häufig ein bewegbares Maschinen¬ element wie zum Beispiel ein Führungswagen entlang einer Füh¬ rungsvorrichtung, die z.B. in Form einer Führungsschiene vor¬ liegen kann, lagegeregelt verfahren werden. In FIG 1 ist schematisiert eine handelsübliche Werkzeugmaschine darge¬ stellt, wobei der Übersichtlichkeit halber nur die für die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Elemente darge¬ stellt sind. Ein bewegliches Maschinenelement 1, das in dem Ausführungsbeispiel bei der handelsüblichen Maschine in Form eines Führungswagens ausgebildet ist, wird von einer Füh¬ rungsvorrichtung 3, die in dem Ausführungsbeispiel in Form einer Führungsschiene gegeben ist, geführt. Das Maschinenele¬ ment 1 ist mit einem der Übersichtlichkeit halber nicht dar¬ gestellten Antrieb, zum Beispiel einem Linearantrieb ausges¬ tattet, mit Hilfe dessen das Maschinenelement 1 entlang der Führungsvorrichtung 3 lagegeregelt von einer Steuerung und/oder Regelung verfahren werden kann. Die Führungsvorrich¬ tung 3 ist mechanisch fest mit einem Maschinenbett 4 verbun¬ den, das auf einem Boden 5 steht.
Zur Ermittlung der Position des Maschinenelements 1 ist ent¬ lang der Führungsvorrichtung 3 eine Maßverkörperung 6, die zum Beispiel in Form eines mit einer regelmäßigen Teilung versehenen Bandes vorliegen kann, mechanisch fest mit der Führungsvorrichtung 3 verbunden. Die Maßverkörperung 6 ist zum Beispiel in Form von Strichen mit einer so genannten Tei¬ lung versehen, die von einem Lesekopf 2, der mit dem Maschi-
nenelement 1 verbunden ist, ausgelesen werden kann. Die Ma߬ verkörperung 6 erlaubt somit im Zusammenspiel mit dem Lese¬ kopf 2 eine genaue Positionsbestimmung des Maschinenelements 1.
Auf dem Maschinenelement 1, das in dem Ausführungsbeispiel in Form eines so genannten Führungswagens vorliegt, sind bei ei¬ ner handelsüblichen Maschine weitere Aufbauten, z.B. in Form einer Spindel mit Werkzeugen, die mit Hilfe des Maschinenele¬ ments 1 längs der Führungsrichtung 3 verfahren werden können, vorhanden. Das zu bearbeitende Werkstück ist bei einer sol¬ chen Maschine oftmals direkt am Boden verankert. Das Maschi¬ nenelement 1 und die an ihm befestigten Aufbauten bilden ei¬ nen so genannten Werkzeugschlitten. Gegebenenfalls kann ein Werkzeugschlitten nicht nur einen einzigen Führungswagen, sondern mehrere Führungswagen aufweisen. Bei Maschinen, wie z.B. Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder Roboter müssen die Maschinenschlitten mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit unter Einhaltung von vorgegebenen Verfahr¬ profilen positioniert werden. Die vorgegebenen Verfahrprofile enthalten Geschwindigkeitsänderungen, die hohe Beschleuni¬ gungskräfte erforderlich machen. Der schnelle Wechsel der Be¬ schleunigungskräfte regt die Mechanik der Maschine, ins¬ besondere das Maschinenbett 4 zu Schwingungen an. Oftmals wird das Maschinenbett 1 von den Reaktionskräften der Bewe¬ gungsführung besonders stark beansprucht. Durch den Einfluss der Beschleunigungskräfte des Werkzeugschlittens weicht das Maschinenbett in die Gegenrichtung aus. Häufig verformt es sich dabei und/oder es fängt an zu schwingen. Selbst wenn das Maschinenelement 1 relativ zum Maschinenbett 4 exakt positio¬ niert werden kann, so schwingt doch das Maschinenbett 4 selbst gegenüber dem Boden 5. Wenn die Maschine beispielswei¬ se eine Portalfräsmaschine ist, bei der das zu bearbeitende Werkstück fest am Boden verankert ist, dann sind die Schwin¬ gungen des Maschinenbetts 4 auf dem Werkstück zu sehen, auch wenn das Maschinenelement 1 die vorgeschriebene Position re¬ lativ zum Maschinenbett 4 exakt einhält.
Häufig wirken sich die Schwingungen des Maschinenbetts 4 so ungünstig aus, dass die Regelungseigenschaften der Bewegungs¬ führung des Maschinenelements 1 stark beeinträchtigt wird und nicht einmal eine ausreichend präzise Bewegungsführung des Maschinenelements 1 relativ zum Maschinenbett 4 erreicht wer¬ den kann. In diesem Fall wirken sich die bei der Bewegungs¬ führung auftretenden Schwingungen des Maschinenbetts 4 dop¬ pelt nachteilig auf.
Nach dem Stand der Technik ist man bestrebt unerwünschte Schwingungen des Maschinenbetts durch einen entsprechend steifen und schweren Aufbau des Maschinenbetts zu unter¬ drücken. Das Maschinenbett wird dadurch aber schwer, auf¬ wendig und teuer.
Wenn ein Lineardirektantrieb als Antriebssystem für das Ma¬ schinenelement verwendet wird, dann ist es möglich, die Reak¬ tionsfläche des Motors vom Maschinenbett zu trennen. Dieser Sachverhalt ist in der Offenlegungsschrift DE 198 10 996 Al offenbart. In der Druckschrift wird eine Entkopplung der Mo¬ torreaktionsfläche vom Maschinenbett vorgeschlagen, wobei der Bezugspunkt der Achsregelung auf dem Maschinenbett verbleibt. In der Druckschrift wird vorgeschlagen, die Motorreaktions¬ fläche gegenüber dem Maschinenbett beweglich zu verankern. Dadurch wird die Reaktionskraft, die sich als direkte Folge der Beschleunigungsvorgänge ergibt, in der beweglich gestal¬ teten Motorreaktionsfläche aufgefangen und solchermaßen vom Maschinenbett ferngehalten. Das Maschinenbett bleibt dadurch auch bei heftigen Geschwindigkeitsänderungen des Werkzeug¬ schlittens in Ruhe, wodurch die Genauigkeit der Bewegungsfüh¬ rung des Werkzeugschlittens erheblich verbessert wird. Der Bezugspunkt zu Positionsbestimmung verbleibt dabei z.B. für die Regelung unverändert am Maschinenbett. Vorschubantriebe, die nach dieser technischen Lehre aufgebaut sind, werden z.B. bei Werkzeugmaschinen, bei denen der Werkzeugschlitten hohen Beschleunigungen ausgesetzt ist, eingesetzt. Es hat sich aber gezeigt, dass die erforderliche bewegliche Verankerung der
Motorreaktionsfläche des linearen Direktantriebs erhebliche Kosten und Aufwand verursacht. Insbesondere als Vorrichtung zur Vermeidung von Schwingungen bei kostengünstig und leicht aufgebauten Maschinenbetten finden sie daher keine Verwen¬ dung.
In der Offenlegungsschrift DE 198 10 996 Al wird vorgeschla¬ gen um die Bewegungsführung bei einer Maschine mit einem schwingfähigen Maschinenbett zu verbessern, die Motorreakti¬ onsfläche vom Maschinenbett abzukoppeln.
Aus der Offenlegungsschrift WO 91/16594 ist bekannt, ein La¬ gemesssystem in eine Wälzkörperführung zu integrieren. Die Maßverkörperung des Lagemesssystems ist hierbei fest an der Führungsleiste der Wälzkörperführung verankert.
Aus der Zeitschrift "Werkstatt und Betrieb", Seite 160 bis 164, Jahrgang 133 (2000)6, Carl Hansa Verlag, München, ist eine auf einem ersten Portal befindliche Führungsvorrichtung zur Führung eines bewegbaren Maschinenelements bekannt, wobei eine Maßverkörperung an einem zweiten räumlich vom ersten Portal getrennten zweiten Portal angebracht ist. Die Maßver¬ körperung und die Führungsvorrichtung sind dabei bedingt durch den Abstand der beiden Portale voneinander räumlich ge¬ trennt. Der räumlich weite und relativ unregelmäßige Abstand zwischen beiden Portalen hat zu Folge, dass der Abstand zwi¬ schen Maßverkörperung und dem Lesekopf des Maschinenelementes Schwankungen unterworfen ist. Das Messsystem reagiert aber sehr empfindlich auf Änderung des Abstands zwischen Maßver¬ körperung und Führungsvorrichtung, weil z.B. die auf der Ma߬ verkörperung angebrachte Teilung (eine Teilung kann z.B. in Form von an der Maßverkörperung angebrachten Strichen vorlie¬ gen) nicht mehr exakt von dem Lesekopf abgelesen werden kön¬ nen. Dies hat eine stark negative Auswirkung auf die Positio¬ niergenauigkeit des Maschinenelements zur Folge.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Führungsvor¬ richtung zur Führung eines bewegbaren Maschinenelements einer Maschine anzugeben, die auch bei Schwingungen des Maschinen¬ betts eine exakte Positionierung des bewegbaren Maschinen¬ elements ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Führungsvorrichtung zur Führung eines bewegbaren Maschinenelements einer Maschine, wobei die Führungsvorrichtung mechanisch fest mit einem Ma¬ schinenbett verbunden ist, wobei eine Maßverkörperung zur Er¬ mittlung einer Position des Maschinenelements entlang zu¬ mindest eines Teils der Führungsvorrichtung angeordnet ist, wobei die Führungsvorrichtung und die Maßverkörperung relativ zueinander bewegbar sind, wobei zumindest ein Teil der Ma߬ verkörperung direkt oder über ein Lager mit der Führungs¬ vorrichtung in Kontakt steht.
Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Lager als Gleitlager ausgebildet ist. Gleitlager sind gegenüber anderen Lagerarten besonders kostengünstig zu realisieren.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Lager als Wälzkörperlager ausgebildet ist, da hierdurch eine besonders exakte Führung der Maßverkörperung entlang der Führungsvor¬ richtung sichergestellt ist.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Maßver¬ körperung mit einer außerhalb des Maschinenbetts angeordneten Verankerung verbunden ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Maßverkörperung gegenüber dem schwingenden Maschinenbett ruhend verankert ist.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn als Veranke¬ rung ein zu bearbeitendes Werkstück vorgesehen ist, da dann direkt die Position des Maschinenelements im Bezug auf das Werkstück gemessen wird.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein Niederhalter einen Druck in Richtung der Führungsvorrichtung auf die Ma߬ verkörperung ausübt, da dann die Maßverkörperung stets einen gleichmäßigen Kontakt mit dem Lager hält.
Es erweist sich dabei als vorteilhaft, eine Maschine mit der erfindungsgemäßen FührungsVorrichtung auszustatten.
Insbesondere ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Führungs¬ vorrichtung bei Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder Roboter von Vorteil, da auf diesen technischen Ge¬ bieten oftmals eine hohe Positioniergenauigkeit des Maschi¬ nenelements verlangt wird. Selbstverständlich ist die erfin¬ dungsgemäße Führungsvorrichtung jedoch auch bei Maschinen, die auf anderen technischen Gebieten liegen, einsetzbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zei¬ gen:
FIG 1 eine schematisiert dargestellte Maschine nach dem Stand der Technik,
FIG 2 eine schematisiert dargestellte Maschine mit der er¬ findungsgemäßen FührungsVorrichtung,
FIG 3 eine Querschnittszeichnung der erfindungsgemäßen Füh¬ rungsvorrichtung und
FIG 4 eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Führungsvorrich¬ tung.
In FIG 1 ist in Form einer schematisierten Darstellung eine Maschine mit der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung dar¬ gestellt. Die in FIG 2 dargestellte Ausführungsform ent¬ spricht bezüglich des Grundaufbaus im Wesentlichen der vor¬ stehend in FIG 1 beschriebenen Ausführungsform. Gleiche Ele¬ mente sind daher in FIG 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in FIG 1. Der wesentliche Unterschied gegenüber der Aus¬ führungsform gemäß FIG 1 besteht darin, dass die Maßverkörpe-
rung 6 nicht mechanisch fest mit der Führungsvorrichtung 3 verbunden ist sondern die Führungsvorrichtung 3 und die Ma߬ verkörperung 6 relativ zueinander bewegbar sind, wobei zumin¬ dest ein Teil der Maßverkörperung 6 direkt oder über ein La¬ ger mit der Führungsvorrichtung 3 in Kontakt steht. Durch das Lager ist einerseits die Führungsvorrichtung 3 und die Ma߬ verkörperung 6 relativ zueinander bewegbar und andererseits ist der Abstand zwischen Lesekopf 2 und der Maßverkörperung 6 exakt entlang der gesamten Maßverkörperung 3 bestimmt und un¬ terliegt keinen Schwankungen. Weiterhin wird in der Ausfüh¬ rungsform gemäß FIG 2 gegenüber der Ausführungsform gemäß FIG 1 die Maßverkörperung 6 mit einer außerhalb des Maschinen¬ betts 4 angeordneten Verankerung, die in dem Ausführungsbei¬ spiel in Form der beiden Stützen 7a und 7b vorliegt, verbun¬ den. Da die Verankerung räumlich von dem Maschinenbett 4 ge¬ trennt ist, schwingt diese nicht mit dem Maschinenbett mit und sorgt somit für eine ruhende Verankerung der Maßverkörpe¬ rung 6. Die Maßverkörperung 6 braucht aber nicht wie im Aus¬ führungsbeispiel immer entlang der gesamten Führungsvorrich¬ tung 3 angeordnet sein, sondern kann auch nur entlang eines Teils der Führungsvorrichtung 3 angeordnet sein. Die Füh¬ rungsvorrichtung 3 ist mechanisch fest mit dem Maschinenbett 4 verbunden.
In FIG 3 ist in Form einer Querschnittszeichnung die er¬ findungsgemäße Führungsvorrichtung 3 dargestellt. Die Füh¬ rungsvorrichtung 3 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 3 in Form einer Führungsschiene ausgebildet. Das bewegbare Ma¬ schinenelement 1, das in dem Ausführungsbeispiel in Form ei¬ nes Führungswagens vorliegt, ist über vier Kugelreihen IIa, IIb, llc und Hd mit der Führungsvorrichtung 3 bewegbar ver¬ bunden. Das Maschinenelement 1 wird in seiner Bewegung ent¬ lang der Führungsvorrichtung 3 durch diese geführt. Das An¬ triebssystem des Maschinenelements 1 zum Verfahren des Ma¬ schinenelements 1, längs der Führungsvorrichtung 3, wird der Übersichtlichkeit halber, da es für das Verständnis der Er¬ findung unwesentlich ist, nicht dargestellt. Die auf dem Ma-
schinenelement 1 sich normalerweise befindlichen Aufbauten, wie zum Beispiel eine Spindel und/oder Werkzeuge sind Über¬ sichtlichkeit halber und da sie für das Verständnis der vor¬ liegenden Erfindung nicht notwendig sind, nicht dargestellt. Der Lesekopf 2 ist mittels zweier Schrauben 12a und 12b an das Maschinenelement 1 angeschraubt. Der Lesekopf 2 tastet mit Hilfe eines Lichtstrahls 8 die Maßverkörperung 6, die in dem Ausführungsbeispiel in Form eines Bandes vorliegt, ab. Die Maßverkörperung 6 ist über ein Lager 9 auf der Führungs¬ vorrichtung 3 gelagert und solchermaßen mit der Führungs¬ schiene 3 beweglich verbunden.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 3 ist das Lager 9 als Wälzkörperlager ausgebildet. Es sind somit eine Vielzahl von Wälzkörpern vorhanden, über die die Maßverkörperung 6 mit der Führungsvorrichtung 3 in Kontakt steht. Dadurch, dass die Maßverkörperung 6 mittels des Lagers 9 an der Führungsvor¬ richtung 3 gelagert ist, ist der Abstand zwischen Lesekopf 2 und Maßverkörperung 6 längs der gesamten Maßverkörperung 6 identisch und unterliegt keinen Schwankungen. Die Maßverkör¬ perung 6 kann somit vom Lesekopf 2 an jeder beliebigen Posi¬ tion exakt abgelesen werden. Zwei Niederhalter 10a und 10b, die in dem Ausführungsbeispiel mit dem Lesekopf 2 verbunden sind und einen leichten Druck in Richtung der Führungsvor¬ richtung auf die Maßverkörperung 6 ausüben, sorgen dafür, dass die Maßverkörperung 6 stets einen gleichmäßigen Kontakt mit dem Lager 9 hält. Selbstverständlich könnten anstatt der beiden Niederhalter 10a und 10b auch nur ein einziger Nieder¬ halter vorgesehen sein oder es können zusätzliche Niederhal¬ ter verwendet werden.
In der Ausführungsform gemäß FIG 3 ist das Lager 9 als Walz¬ körperlager ausgebildet, wobei als Walzkörper zum Beispiel Kugeln oder Walzen dienen können. Alternativ kann das Lager 9 aber auch als Gleitlager ausgebildet sein, wobei als Gleit¬ mittel zwischen Führungsvorrichtung 3 und Maßverkörperung 6 z.B. eine ölhaltige Substanz dienen kann. Alternativ kann die
Führungsvorrichtung 3 und/oder Maßverkörperung 6 auch mit ei¬ ner Gleitbeschichtung wie z.B. Teflon beschichtet werden und solchermaßen auch ohne Geleitmittel ein Gleitlager realisiert werden.
Alternativ kann aber auch z.B. die Maßverkörperung 6 und/oder die Führungsvorrichtung 3 selbst auch ohne Beschichtung z.B. durch eine entsprechende Schleifbearbeitung eine glatte Ober¬ fläche aufweisen, so dass die notwendigen Gleiteigenschaften zwischen Führungsvorrichtung 3 und Maßverkörperung 6 auch oh¬ ne die Verwendung eines Lagers gegeben sind. Die Maßverkörpe¬ rung 6 steht in diesem Fall direkt in Kontakt mit der Füh¬ rungsvorrichtung 3.
In FIG 4 ist die erfindungsgemäße Führungsvorrichtung 3 in Form einer Draufsicht dargestellt. Das Maschinenelement 1 kann längs der Führungsvorrichtung 3 bewegt werden. An das Maschinenelement 1 ist mit Hilfe zweier Schrauben 12a und 12b der Lesekopf 2 angeschraubt. Die Maßverkörperung 6 ist mit Hilfe zweier Schrauben 13a und 13b an die jeweilig zugehörige Stütze 7a und 7b, die sich gemäß FIG 2 außerhalb des Maschi¬ nenbetts befinden, angeschraubt, so dass die Maßverkörperung 6 ruhend auf den Stützen 7a und 7b, die eine Verankerung bil¬ den, verankert ist.
Natürlich ist es auch denkbar, als Verankerung für die Ma߬ verkörperung ein zu bearbeitende Werkstück vorzusehen. Die Position des Maschinenelements 1 wird dann direkt auf das Werkstück bezogen gemessen.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ist es nicht mehr not¬ wendig, um eine exakte Positionierung des Maschinenelements relativ zu einem ruhenden Bezugssystem sicher zu stellen, das Maschinenbett selbst entsprechend schwingungsresistent auf¬ zubauen. Die Schwingfähigkeit des Maschinenbetts kann zu Gunsten eines leichten und kostengünstigen Aufbaus des Ma¬ schinenbetts toleriert werden ohne dass die Qualität eines zu
bearbeitenden Werkstücks darunter leidet. Da die Maschinen- bettschwingung durch die erfindungsgemäße Führungsvorrichtung sich nicht mehr negativ auf die Messung der Position des be¬ wegbaren Maschinenelements der Maschine auswirken, kann z.B. auch die Regelverstärkung des für die Positionierung des Ma¬ schinenelements verantwortlichen Lagereglers erhöht werden, so dass eine dynamischere Bewegungsführung des Maschinenele¬ ments realisiert werden kann, was schnellere Bearbeitungszei¬ ten ermöglicht.
Alternativ zu der beschriebenen erfindungsgemäßen Führungs¬ vorrichtung ist es auch denkbar, zur Lösung der erfindungsge¬ mäßen Aufgabe, die Führungsvorrichtung gemäß FIG 1 zu verwen¬ den, bei der die Maßverkörperung 6 mechanisch fest mit der Führungsvorrichtung 3 verbunden ist. Der Lesekopf 2 gemäß FIG 1 erzeugt dabei ein erstes Lagesignal. An eine, wie zum Bei¬ spiel wie in FIG 2 gezeichnete, außerhalb des Maschinenbetts angeordneten Stütze, wird ein Messgeber angebracht, der die Lage zwischen der ruhenden Stütze und dem schwingenden Ma¬ schinenbett misst und solchermaßen ein zweites Lagesignal er¬ zeugt. Im Weiteren werden nun die beiden Lagesignale in einer elektronischen Schaltung addiert und solchermaßen die Positi¬ on des Maschinenelements im Bezug auf ein ruhendes Bezugssys¬ tem, das heißt in diesem Fall im Bezug auf die Stütze, be¬ stimmt. Die Signalverarbeitungszeit der elektronischen Schal¬ tung sollte kurz sein, um nachgeschaltete Regelungsprozesse nicht nachteilig zu beeinflussen.