WO2014086621A1 - Hochdynamische kleinmaschine - Google Patents

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WO2014086621A1
WO2014086621A1 PCT/EP2013/074740 EP2013074740W WO2014086621A1 WO 2014086621 A1 WO2014086621 A1 WO 2014086621A1 EP 2013074740 W EP2013074740 W EP 2013074740W WO 2014086621 A1 WO2014086621 A1 WO 2014086621A1
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WO
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tool
machine tool
machine
holder
workpiece
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PCT/EP2013/074740
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Inventor
Georg Zander
Original Assignee
Ops-Ingersoll Funkenerosion Gmbh
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Publication date
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/01—Frames, beds, pillars or like members; Arrangement of ways
    • B23Q1/015—Frames, beds, pillars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23Q1/44—Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms
    • B23Q1/56—Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism
    • B23Q1/60—Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism two sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism
    • B23Q1/62—Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism two sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism with perpendicular axes, e.g. cross-slides
    • B23Q1/621—Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism two sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism with perpendicular axes, e.g. cross-slides a single sliding pair followed perpendicularly by a single sliding pair
    • B23Q1/626—Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism two sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism with perpendicular axes, e.g. cross-slides a single sliding pair followed perpendicularly by a single sliding pair followed perpendicularly by a single sliding pair
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23Q5/00—Driving or feeding mechanisms; Control arrangements therefor
    • B23Q5/22—Feeding members carrying tools or work
    • B23Q5/28—Electric drives

Definitions

  • the invention relates to a machine tool with a machine frame for machining workpieces, wherein the machine tool has a tool holder, this tool holder is translationally movable in three axial directions within the machine frame and the workpiece is arranged at least about an axis pivotally in a workpiece holder.
  • Machine tools of this type are, in particular as milling machines, well known in the art.
  • the machines usually have three translatory processing axes, d. H. that after clamping the tool, for.
  • d. H. As a milling tool, in three generally mutually perpendicular spatial directions translationally moved and can be positioned relative to a workpiece at any location.
  • WO 2005/084881 A1 discloses such a machine tool with a convertible workpiece clamping table, in which a pivoting table for pivoting the workpiece into the machine frame can be installed in such a way that it can be overbuilt with a fixed workpiece clamping table which can be subsequently used as required.
  • This makes it possible that the machine tool can be used on a large workpieces with inserted workpiece clamping table as a three-axis machine, on the other hand, even with small workpieces without workpiece clamping table, which then by the pivoting possibilities of the workpieces also a five-axis production is possible.
  • the limits in the dimensionally accurate production of workpieces by such milling machines are usually determined by the occurring during machining of the workpiece typical waveforms and frequency responses, which occur due to the vibrations occurring during the milling process on machined surfaces, usually milled surfaces, typical vibration patterns, the quality of the machined workpiece adversely affect.
  • the drives for translational movement of the tool holders ng comprise ironless linear motors in three axial directions and the machining of the workpiece moving parts of the machine tool, in particular the horrend- tion of lightweight material such as light metal are made.
  • This not only ensures that the ratio of stiffness to mass of the machine tool is increased particularly advantageous, it will be through the use of ironless linear motors and the application areas of the machine tools according to the invention over conventional machine tools both in terms of processing time and in relation to the maximum achievable accelerations and speeds so far, as it was previously unattainable with conventional machine tools.
  • the mass to be accelerated is kept as small as possible while maintaining high static and dynamic stiffness to minimize the deflection of cantilevered masses such as bumps, spindles, tools, and the like , Therefore, if the machine is fully precalculated, it is preferred that it be designed with calculation according to the finite element method, and that prototypes be checked in advance by means of a model analysis. Only the evaluation of such a model analysis can then show whether all the parameters of the preliminary analysis were consistent.
  • the moving masses within the machine tool according to the invention can preferably be set to a total of less than 200 kg, the achievable maximum accelerations are increased depending on the jerk to up to 30 m / s 2 at speeds of up to 90 m / min.
  • maximum acceleration values of conventional machine tools are at most about 12 m / s 2 at maximum speeds of less than 40 m / min.
  • ironless linear motors used in accordance with the invention are well known to the person skilled in the art and are characterized by a particularly favorable ratio of the maximum force to the maximum mass ..
  • ironless linear motors achieve maximum current and force increase speeds and are therefore suitable for highly dynamic applications at highest Stiffness against disturbing forces. Due to the principle, an irony linear motor does not generate any attractive forces and thus achieves a particularly high degree of synchronization quality. This is in particular due to the suitability of the ironless linear motors to exhibit no cogging moments causes.
  • the design is closed, no external magnetic field is generated, no tightening of the dirt is achieved and, in principle, due to magnets arranged on both sides, a double force introduction for the translatory movement is achieved.
  • the use according to the invention of ironless linear motors thus achieves a maximum introduction of force while at the same time having the lowest possible mass, in contrast to the electric motors used hitherto for effecting the linear drive of tool guides.
  • the ratio of stiffness to the mass of the machine tool according to the invention is finally particularly advantageous in that the moving during the machining of the workpiece parts of the machine tool are made of lightweight material such as light metal and thereby the moving masses are reduced to the absolute minimum required.
  • This inventive concept is preferably supported by a symmetrical design of the machine tool in its horizontal plane in the X and Y directions advantageous.
  • This concept is particularly advantageous when the horizontal plane of the machine tool, preferably of the machine frame of the machine tool, is formed almost square.
  • Particularly preferred is a machine frame with a floor plan of about 1.000 x 1 .000 mm and a height of ⁇ 2,000 mm, whereby the symmetrical structure of the machine tool according to the invention is supported by particularly effective means. Deviations of ⁇ 5% for each measure are considered to be the realization of the feature "approximately square".
  • a machine tool with workpiece holders which can each hold the workpiece in one plane, and a tool holder which can be moved in the X, Y and Z directions, which, in a highly preferred embodiment of the invention, is located within a frame, preferably a lightweight component.
  • Frame is arranged.
  • all of the drives applied to the tool vibrations are absorbed by the frame, the workpiece holder, however, is connected to the machine frame.
  • the movement of the tool via the tool holder in the X, Y and Z direction allows fully automated machining of the workpiece by means of the tool. According to the invention, this is done with a minimum of vibrations, in particular low-frequency vibrations, with extreme stiffness of the frame-like construction of the machine tool and avoiding tilting moments.
  • the machine frame preferably forms a frame for supporting a tool holder arranged laterally or offset in height from the at least one workpiece holder.
  • the tool holder is arranged to be movable in a translatory manner in the horizontal plane within a preferably square frame and to be movable in the vertical plane in a second alternative of the machine tool according to the invention. assigns.
  • the focus is placed on the position of the frame for holding the tool holder with respect to the plane spanned by the workpiece holders.
  • a translational movement of the tool holder in the X, Y and Z directions relative to the workpiece clamped in the work piece workpiece is made possible, with particularly preferably a particularly large stroke of the tool holder in all three directions is made possible.
  • a large stroke of the tool holder in the Z direction of up to 250 mm also allows the use of tools with a longitudinal extension of up to 150 mm and thus a particularly high versatility of the machine tool according to the invention.
  • the frame for the tool holder made of lightweight material such as light metal is made, thereby reducing the mass of the machine tool according to the invention again.
  • this achieves thermal symmetry of the machine.
  • the ratio of mass to stiffness of the machine tool according to the invention is particularly advantageously increased
  • the machine tool according to the invention limits the moving masses, thus the sum in particular of the weight of the tool holder including the tool and the workpiece holders, to the absolutely necessary minimum.
  • the aim is thus to maximize the rigidity of the machine as high as possible while keeping the mass of the moving parts as low as possible.
  • the mass of the stationary parts of the machine should be high for better damping.
  • the machine frame unlike the frame is not made of lightweight material.
  • the moving masses in the sum have a weight of less than 200 kg, more preferably less than 150 kg. So far usual Machine tools for machining workpieces have moving masses of at least 700 kg. The occurrence in particular of low-frequency oscillations is thus minimized by the inventive increase in the ratio of stiffness to mass with particularly effective means.
  • the linear guides of the tool guide provide a forced centering of the mutually moving parts of the linear guides. This is achieved, for example, and particularly preferably by using a V-shaped linear guide and preferably by finely ground running surfaces within the linear guides. Particularly preferred is the use of precision linear guides with forced centering, as sold for example under the name "Formula-S" by the company Schneeberger.
  • iron-linear motors leads to a significantly increased speed compared to conventional machine tools, preferably more than 50 m / min., In particular from more than 50 m / min up to 90 m / min.
  • increased accelerations can be achieved by the use of iron-linear motors, particularly preferably accelerations of 18 to 21 m / s 2 , preferably about 20 m / s 2 .
  • such accelerations have hitherto led to the occurrence of vibrations with low natural frequencies due to insufficient rigidity and excessive mass to be moved. This has been overcome according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a machine tool according to the invention in a first embodiment, the so-called vertical embodiment
  • Figure 2 shows a schematic plan view of a second embodiment of the machine tool according to the invention, in a so-called horizontal design.
  • Figure 3 shows a schematic plan view of a third embodiment of the machine tool according to the invention as a further horizontal design
  • Figure 4 shows a schematic view from above of a machine tool according to the invention in vertical design.
  • Figure 1 shows a schematic plan view of a machine tool 1, comprising a machine frame 2 with a square base, in which three workpiece holders 5 for holding and pivotal bearings (not shown) workpieces are provided about the respective axis of rotation of the workpiece holders 5.
  • a square frame 6 is held by four posts of the machine frame 2.
  • linear guides are arranged, which allow movement of the tool holder 4 in the X and Y directions.
  • the movement of the tool holder 4 in the Z direction is effected by linear guides, which are arranged perpendicular to the horizontal plane on the tool holder 4.
  • Figure 2 shows a schematic plan view of a first horizontal embodiment of a machine tool 1 according to the invention, in which the machine frame 2 is substantially L-shaped, wherein in the horizontal leg of the L three workpiece holders 5 are arranged and a frame 6 for a tool holder 4 upright standing up to the standing leg of the L is adjusted.
  • the machine frame 2 thus fully supports all workpiece holders and the frame 6 for the tool holder 4, wherein in this embodiment of the invention, the plane spanned by the frame 6 is parallel to the plane defined by the tool holders 5 level.
  • the horizontally arranged, central tool holder 5 is provided substantially in the form of a rotatable holding plate. Due to the movable arrangement of the tool holder 4 in both the X and Y and Z directions, a completely circumferential machining of a workpiece (not shown) by the tool (not shown) within the tool holder 4 is possible.
  • FIG. 3 shows a further machine tool 1 according to the invention in a horizontal embodiment, in which the frame 6 is fully supported upright on the upright leg of an L-shaped machine frame 2, as in the embodiment according to FIG.
  • three workpiece holders 5 are arranged, the arrangement of which differs essentially from the embodiment shown in FIG. 2 in that the middle workpiece holder 5 stands upright against the tool holder 4.
  • the tool holder 4 is arranged in the frame 6, that its axis of rotation is aligned parallel to the lying leg L of the machine frame 2. Also by this embodiment is a complete circumferential processing of a (not shown) Workpiece by a tool holder 4 arranged within the (not shown) tool possible.
  • FIG. 4 shows a plan view of a machine tool 1 according to the invention in a vertical embodiment, in which the tool holder 4 is arranged in a frame 6. Both for the translational movement in the X direction and the translatory movement in the Y direction two ironless linear motors 7a, 7b and 7c, 7d are provided, by means of which the tool holder 4 can be moved freely in the plane defined by the frame 6 level. The movement of the tool (not shown) in the Z-direction is effected with two ironless linear motors 7e, 7f in order to achieve complete symmetry of the machine perpendicular to the plane of representation.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Machine Tool Units (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine (1) mit einem Maschinengestell (2) zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken, wobei die Werkzeugmaschine (1) eine Werkzeughalterung (4) aufweist, die Werkzeughalterung (4) translatorisch in drei Achsrichtungen (x,y,z) innerhalb des Maschinengestells (2) beweglich ist und das Werkstück (3) zumindest um eine Achse verschwenkbar in wenigstens einer Werkstückhalterung (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (6) zur translatorischen Bewegung der Werkzeughalterung (4) in die drei Achsrichtungen (x,y,z) eisenlose Linearmotoren umfassen und die bei der Bearbeitung des Werkstücks (3) bewegten Teile der Werkzeugmaschine (1), insbesondere die Werkzeughalterung (4), aus Leichtmetall gefertigt sind.

Description

I
Hochdynamische Kleinmaschine
1 . Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einem Maschinengestell zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken, wobei die Werkzeugmaschine eine Werkzeughalterung aufweist, diese Werkzeughalterung translatorisch in drei Achsrichtungen innerhalb des Maschinengestells beweglich ist und das Werkstück zumindest um eine Achse schwenkbar in einer Werkstückhalterung angeordnet ist.
Werkzeugmaschinen dieser Gattung sind, insbesondere als Fräsmaschinen ausgeführt, im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Die Maschinen haben zumeist drei translatorische Bearbeitungsachsen, d. h. dass nach dem Einspannen das Werkzeug, z. B. ein Fräswerkzeug, in drei in der Regel zueinander senkrecht stehenden Raumrichtungen translatorisch bewegt und so relativ zu einem Werkstück an jedem beliebigen Ort positioniert werden kann.
Die Verbesserung der Steuerungen und der Programmiersysteme für die genannten Werkzeugmaschinen haben dazu geführt, dass häufig neben den drei translatorischen (linearen) Achsen weitere Schwenkachsen in der Werkzeugmaschine vorgesehen werden. Mit den Schwenkachsen ist es dann möglich, das Werkstück relativ zum Werkzeug zu verschwenken, um so in einer Aufspannung bis zu 5 Seiten des Werkstücks bearbeiten zu können. Hiermit ist es auch möglich, komplexe Geometrien erheblich wirtschaftlicher zu bearbeiten, als dies mit Maschinen mit nur drei translatorischen Achsen möglich ist. Ί
Aus der WO 2005/084881 A1 ist eine derartige Werkzeugmaschine mit einem umrüstbaren Werkstückspanntisch zu entnehmen, bei der ein Schwenktisch zum Verschwenken des Werkstücks in das Maschinengestell so eingebaut werden kann, dass dieser mit einem nachträglich bei Bedarf einzusetzenden festen Werkstückspanntisch überbaut werden kann. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Werkzeugmaschine einerseits bei großen Werkstücken mit eingesetztem Werkstückspanntisch als dreiachsige Maschine genutzt werden kann, andererseits aber auch bei kleinen Werkstücken ohne Werkstückspanntisch, wobei dann durch die Schwenkmöglichkeiten der Werkstücke auch eine fünfachsige Fertigung ermöglicht wird.
Die Grenzen bei der maßgenauen Fertigung von Werkstücken durch derartige Fräsmaschinen werden üblicherweise durch die bei der Bearbeitung des Werkstücks auftretenden typischen Schwingungsformen und Frequenzgänge bestimmt, wobei durch die während des Fräsvorgangs auftretenden Schwingyngen auf bearbeiteten Oberflächen, üblicherweise gefrästen Oberflächen, typische Schwingungsbilder auftreten, die die Qualität des bearbeiteten Werkstücks nachteilig beeinflussen.
Hierbei sind insbesondere niederfrequente Schwingungen am deutlichsten und gegebenenfalls auch mit bloßem Auge auf der Werkstückoberfläche zu erkennen, da niederfrequente Schwingungen den größten Schwingungsweg aufweisen. Als Hauptursache für derartige Schwingungen werden Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge bei der Bearbeitung des Werkstücks mittels eines rotierenden Werkzeugs sowie periodische Anregungen aus den Antrieb angesehen.
Es besteht ein Bedarf, die Bearbeitungszeiten des Werkstücks innerhalb einer gattungsgemäßen Werkzeugmaschine weiter zu verkürzen und dabei gleichzeitig bessere Oberflächen erreichen zu können, insbesondere solche Oberflächen, die geringere oder keine durch Schwingungen erzeugte Oberflächenfehler aufweisen. 2. Aufgabe der Erfindung
Es war daher eine Aufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile durch Anwendung eines neuen Werkzeugmaschinen-Konzepts auf das unvermeidliche Minimum zu beschränken oder weitestgehend zu eliminieren. Ziel dieses neuen Werkzeugmaschinen-Konzepts ist insbesondere, das Verhältnis von Steifigkeit zu Masse der Werkzeugmaschinen zu erhöhen, um hierdurch insbesondere das Auftreten niederfrequenter Schwingungen deutlich zu reduzieren oder gänzlich zu eliminieren.
Diese Aufgabe wird im erfindungsgemäßen Sinne mit einer Werkzeugmaschine, umfassend die Merkmale des Anspruchs 1 , gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
3. Zusammenfassung der Erfindung
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Antriebe zur translatorischen Bewegung der Werkzeughaltern ng in drei Achsrichtungen eisenlose Linearmotoren umfassen und die bei der Bearbeitung des Werkstücks bewegten Teile der Werkzeugmaschine, insbesondere die Werkzeughalte- rung aus Leichtbauwerkstoff wie beispielsweise Leichtmetall gefertigt sind. Hierdurch wird nicht nur erreicht, dass das Verhältnis von Steifigkeit zu Masse der Werkzeugmaschine besonders vorteilhaft erhöht wird, es werden durch den Einsatz der eisenlosen Linearmotoren auch die Einsatzbereiche der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschinen gegenüber herkömmlichen Werkzeugmaschinen sowohl im Bezug auf die Bearbeitungszeit als auch im Bezug auf die maximal erreichbaren Beschleunigungen und Geschwindigkeiten so erweitert, wie es mit herkömmlichen Werkzeugmaschinen bisher nicht erreichbar war. Bevorzugt wird wenn je zwei Linearmotoren für jede translatorische Bewegung, zumindest für die Bewegung in X- und Y-Richtung zur Verfügung stehen. Diese Bauweise minimiert ein Verkanten von Ständern, Schlitten und dergleichen, da sich hierdurch zwischen dem Massenschwerpunkt der zu beschleunigenden Masse und den beiden Antrieben kein Moment bildet. Hierdurch wird somit mit besonders einfachen Mitteln eine besonders hohe dynamische Genauigkeit des Antriebs geschaffen.
Bei der Konstruktion sehr dynamischer Maschinen wie der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine wird die zu beschleunigende Masse so klein wie möglich gehalten und gleichzeitig eine hohe statische und dynamische Steifigkeit erreicht, um die Auslenkung auskragender Massen wie etwa Stöße, Spindeln, Werkzeuge und dergleichen so klein wie möglich zu halten. Bevorzugt wird daher, wenn die Maschine vollständig vorausberechnet, vorzugsweise mit Berechnung nach der Methode der finiten Elemente ausgelegt werden und Prototypen anhand einer Modelanalyse vorab überprüft werden. Erst die Auswertung einer solchen Modellanalyse kann dann zeigen, ob sämtliche Parameter der Vorabanalyse stimmig waren.
Die bewegten Massen innerhalb der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine können vorzugsweise in der Summe auf weniger als 200 kg, eingestellt werden, die erreichbaren Maximalbeschleunigungen abhängig vom Ruck auf bis zu 30 m/s2 bei Geschwindigkeiten von bis 90 m/min gesteigert werden. Demgegenüber stehen maximale Beschleunigungswerte herkömmlicher Werkzeugmaschinen von maximal etwa 12 m/s2 bei Maximalgeschwindigkeiten von unterhalb 40 m/min.
Die erfindungsgemäß eingesetzten sogenannten .eisenlosen Linearmotoren" sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und zeichnen sich durch ein besonders günstiges Verhältnis der maximalen Kraft zur maximalen Masse aus. Prinzipiell erreichen eisenlose Linearmotoren maximale Strom- und Kraftanstiegsgeschwindigkeiten und eignen sich daher für hochdynamische Anwendungen bei höchster Steifigkeit gegenüber Störkräften. Prinzipbedingt erzeugt ein eisenioser Linearmotor dabei keinerlei Anziehungskräfte und erreicht somit eine besonders hohe Gleichlaufgüte. Dies wird insbesondere durch die Eignung der eisenlosen Linearmotoren, keine Rastmomente aufzuweisen, bewirkt. Bei geschlossener Bauform wird kein äußeres Magnetfeld erzeugt, kein Anziehen des Schmutzes erreicht und prinzipiell aufgrund beidseitig angeordneter Magnete eine doppelte Krafteinleitung für die translatorische Bewegung erreicht.
Der erfindungsgemäße Einsatz von eisenlosen Linearmotoren erreicht somit in Abkehr von den bisher verwendeten Elektromotoren zur Bewirkung des Linearantriebs von Werkzeugführungen eine maximale Krafteinleitung bei gleichzeitig geringstmöglicher Masse. Das Verhältnis von Steifigkeit zur Masse der erfindungs- gemäßen Werkzeugmaschine wird schließlich dadurch besonders vorteilhaft unterstützt, dass die während der Bearbeitung des Werkstücks bewegten Teile der Werkzeugmaschine aus Leichtbauwerkstoff wie beispielsweise Leichtmetall gefertigt sind und hierdurch die bewegten Massen auf das absolut erforderliche Minimum reduziert werden.
Im Ergebnis wird eine Werkzeugmaschine erhalten, deren Performance über die bisher bekannten Grenzen traditioneller Fräsmaschinen hinausgeht und insbesondere niederfrequente Schwingungen auch aufgrund der höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten, insbesondere jedoch aufgrund der Vergleichmäßigung des Antriebs der Linearführungen auf ein Minimum beschränkt.
Dieses erfindungsgemäße Konzept wird vorzugsweise durch einen symmetrischen Aufbau der Werkzeugmaschine in ihrer Horizontalebene in X- und Y-Richtung vorteilhaft unterstützt. Dieses Konzept wird insbesondere dann vorteilhaft umgesetzt, wenn die Horizontalebene der Werkzeugmaschine, vorzugsweise von dem Maschinengestell der Werkzeugmaschine, nahezu quadratisch ausgebildet ist. Besonders bevorzugt wird dabei ein Maschinengestell mit einem Grundriss von etwa 1.000 x 1 .000 mm und einer Höhe von < 2.000 mm, wodurch des symmetrische Aufbau der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine mit besonders wirksamen Mitteln unterstützt wird. Abweichungen von ± 5 % für jedes Maß werden als Verwirklichung des Merkmals„etwa quadratisch" angesehen.
Bevorzugt wird jedoch eine Werkzeugmaschine mit Werkstückhalterungen, die das Werkstück jeweils in einer Ebene halten können, und einer hierzu in X-, Y- und Z-Richtung verfahrbahren Werkzeughalterung, die in einer überaus bevorzugten Ausführungsform der Erfindung innerhalb eines Rahmens, vorzugsweise eines Leichtbau-Rahmens, angeordnet ist. Insbesondere durch den rahmenartigen Aufbau der Halterung für die Antriebseinheit kann eine größtmöglich mechanische Entkopplung von Werkstück und Werkzeug erreicht werden, wobei sämtliche von den Antrieben auf das Werkzeug aufgebrachten Schwingungen von dem Rahmen aufgenommen werden, die Werkstückhalterung dagegen mit dem Maschinengestell verbunden ist.
Wenn das Werkstück zumindest um eine Achse verschwenkbar innerhalb einer der Werkstückhalterungen angeordnet ist, erlaubt die Bewegung des Werkzeugs über die Werkzeughalterung in X-, Y- und Z-Richtung eine vollständig automatisierte Bearbeitung des Werkstücks mittels des Werkzeugs. Erfindungsgemäß erfolgt dies mit einem Minimum von Schwingungen, insbesondere niederfrequenten Schwingungen, bei extremer Steifigkeit des rahmenartigen Aufbaus der Werkzeugmaschine und bei Vermeidung von Kippmomenten.
Bevorzugt bildet das Maschinengestell einen Rahmen zum Tragen einer seitlich oder höhenversetzt zu der wenigstens einen Werkstückhalterung angeordneten Werkzeughalterung aus. In einer ersten Alternative ist die Werkzeughalterung innerhalb eines vorzugsweise quadratischen Rahmens translatorisch in der Horizontalebene beweglich angeordnet und in einer zweiten Alternative der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine translatorisch in der Vertikalebene beweglich ange- ordnet. Abgestellt wird hierbei auf die Lage des Rahmens zum Halten der Werk- zeughalterung in Bezug auf die von den Werkstückhalterungen aufgespannte Ebene. In beiden Fällen wird eine translatorische Bewegung der Werkzeughalte- rung in X-, Y- und Z-Richtung gegenüber dem in der Werkstückhatterung eingespannten Werkstück ermöglicht, wobei besonders bevorzugt ein besonders großer Hub der Werkzeughalterung in allen drei Richtungen ermöglicht wird. Insbesondere ein großer Hub der Werkzeughalterung in Z-Richtung von bis zu 250 mm erlaubt auch den Einsatz von Werkzeugen mit einer Längserstreckung von bis zu 150 mm und somit eine besonders hohe Einsatzvielfalt der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine.
Es wird besonders bevorzugt, wenn auch der Rahmen für die Werkzeughalterung aus Leichtbauwerkstoff wie beispielsweise Leichtmetall gefertigt ist, um hierdurch die Masse der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine nochmals zu reduzieren. Zusätzlich wird hierdurch eine thermische Symmetrie der Maschine erreicht. Insbesondere dann, wenn der Rahmen vollständig am Maschinengestell abgestützt ist, wird das Verhältnis von Masse zu Steifigkeit der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine besonders vorteilhaft erhöht
Wie eingangs bereits erwähnt, ist es ein Ziel der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine, die bewegten Massen, somit die Summe insbesondere aus Gewicht der Werkzeughalterung inklusive des Werkzeugs und der Werkstückhalterungen, auf das absolut notwendige Minimum zu beschränken. Für vorteilhafte dynamische Eigenschaften wird somit angestrebt, die Steifigkeit der Maschine insgesamt möglichst hoch, die Masse der bewegten Teile dagegen möglichst niedrig einzustellen. Dagegen sollte die Masse der ruhenden Teile der Maschine zum Zwecke einer besseren Dämpfung hoch sein. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass das Maschinengestell anders als der Rahmen nicht aus Leichtbauwerkstoff besteht. Bevorzugt wird, wenn die bewegten Massen in der Summe ein Gewicht von kleiner 200 kg, besonders bevorzugt kleiner 150 kg, aufweisen. Bisher übliche Werkzeugmaschinen zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken weisen bewegte Massen von wenigstens 700 kg auf. Das Auftreten insbesondere von niederfrequenten Schwingungen wird somit durch die erfindungsgemäße Erhöhung des Verhältnisses von Steifigkeit zu Masse mit besonders wirkungsvollen Mitteln minimiert.
Es wird überdies bevorzugt, wenn die Linearführungen der Werkzeugführung eine Zwangszentrierung der zueinander bewegten Teile der Linearführungen bereitstellen. Dies wird beispielsweise und besonders bevorzugt unter Einsatz einer V- förmigen Linearführung und vorzugsweise durch feingeschiiffene Laufflächen innerhalb der Linearführungen erreicht. Besonders bevorzugt wird der Einsatz von Präzisions-Linearführungen mit Zwangszentrierung, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung "Formula-S" von der Firma Schneeberger vertrieben werden.
Wie eingangs bereits erwähnt, führt der erfindungsgemäße Einsatz eisenioser Linearmotoren zu einer gegenüber herkömmlichen Werkzeugmaschinen deutlich erhöhten Geschwindigkeit von vorzugsweise mehr als 50 m/min., insbesondere von mehr als 50 m/min bis zu 90 m/min. Ebenso können durch den Einsatz eisenioser Linearmotoren erhöhte Beschleunigungen erreicht werden, besonders bevorzugt Beschleunigungen von 18 bis 21 m/s2, vorzugsweise etwa 20 m/s2. In Werkzeugmaschinen gemäß dem Stand der Technik führten derartige Beschleunigungen bisher aufgrund einer zu geringen Steifigkeit und einer zu hohen zu bewegenden Masse zum Auftreten von Schwingungen mit niedrigen Eigenfrequenzen. Dies ist erfindungsgemäße überwunden worden.
4. Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf vier Figuren näher erläutert, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Figur 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine in einer Erstausführungsform, der sogenannten Vertikalausführung,
Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine, in einer sogenannten Horizontalausführung.
Figur 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine als weitere Horizontalausführung, und
Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht von oben auf eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine in Vertikalausführung.
5. Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Werkzeugmaschine 1 , umfassend ein Maschinengestell 2 mit quadratischer Grundfläche, in dem drei Werkstückhalterungen 5 zum Halten und schwenkbaren Lagern (nicht gezeigter) Werkstücke um die jeweilige Drehachse der Werkstückhalterungen 5 vorgesehen sind. Oberhalb der durch die Werkzeughalterungen 5 aufgespannten Horizontalebene in X- und Y-Richtung ist ein quadratischer Rahmen 6 durch vier Pfosten des Maschinengestells 2 gehalten. Innerhalb des Rahmens 6 sind Linearführungen angeordnet, die eine Bewegung der Werkzeughalterung 4 in X- und Y-Richtung erlauben. Die Bewegung der Werkzeughalterung 4 in Z-Richtung erfolgt durch Linearführungen, die senkrecht zur Horizontaiebene an der Werkzeughalterung 4 angeordnet sind. Sämtliche in Figur 1 schattiert dargestellten Teile der Werkzeugmaschine 1 , insbesondere sämtliche Werkstückhalterungen 5, der Rahmen 6 und die Werkzeughalterung 4, sind aus Leichtmetall gefertigt, um die bewegten Massen der Werkzeugmaschine 1 auf ein Minimum zu begrenzen und gleichzeitig die Steifigkeit der Werkzeugmaschine 1 im Wesentlichen unverändert beizubehalten.
Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erste Horizontal- Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine 1 , bei der das Maschinengestell 2 im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist, wobei im liegenden Schenkel des L drei Werkstückhalterungen 5 angeordnet sind und ein Rahmen 6 für eine Werkzeughalterung 4 aufrecht stehend an den stehenden Schenkel des L angepasst ist. Das Maschinengestell 2 stützt somit sämtliche Werkstückhalterungen und den Rahmen 6 für die Werkzeughalterung 4 vollständig ab, wobei in dieser Ausführungsform der Erfindung die vom Rahmen 6 aufgespannte Ebene parallel zu der von den Werkzeughalterungen 5 aufgespannten Ebene steht. Die liegend angeordnete, mittlere Werkzeughalterung 5 ist im Wesentlichen in der Form eines drehbaren Haltetellers vorgesehen. Durch die bewegliche Anordnung der Werkzeughalterung 4 sowohl in X- als auch Y- und Z-Richtung ist ein vollständig umfängliches Bearbeiten eines (nicht dargestellten) Werkstücks durch das (nicht dargestellte) Werkzeug innerhalb der Werkzeughalterung 4 möglich.
Figur 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 1 in einer Hori- zontal-Ausführungsform, bei der der Rahmen 6 wie in der Ausführungsform gemäß Figur 2 aufrecht stehend an dem aufrechten Schenkel eines L-förmigen Maschinengestells 2 vollumfänglich abgestützt ist. An dem liegenden Schenkel des L- förmigen Maschinengestells 2 sind drei Werkstückhalterungen 5 angeordnet, deren Anordnung sich im Wesentlichen dadurch von der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform unterscheidet, dass die mittlere Werkstückhalterung 5 aufrecht stehend der Werkzeughalterung 4 gegenübersteht. Auch ist die Werkzeughalterung 4 so im Rahmen 6 angeordnet, dass ihre Drehachse parallel zu dem liegenden Schenkel L des Maschinengestells 2 ausgerichtet ist. Auch durch diese Ausführungsform ist eine vollständige umfängliche Bearbeitung eines (nicht dargestellten) Werkstücks durch einen innerhalb der Werkzeughalterung 4 angeordnetes (nicht dargestelltes) Werkzeug möglich.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 1 in einer Vertikalausführung, bei der die Werkzeughalterung 4 in einem Rahmen 6 angeordnet ist. Sowohl für die translatorische Bewegung in X-Richtung als auch die translatorische Bewegung in Y-Richtung sind jeweils zwei eisenlose Linearmotoren 7a, 7b bzw. 7c, 7d vorgesehen, mittels derer die Werkzeughalterung 4 in der vom Rahmen 6 aufgespannten Ebene frei bewegt werden kann. Die Bewegung des (nicht dargestellten) Werkzeugs in Z-Richtung wird mit zwei eisenlosen Linearmotoren 7e, 7f bewirkt, um eine vollständige Symmetrie der Maschine senkrecht zur Darstellungsebene zu erreichen.
Bezugszeichenliste:
1 Werkzeugmaschine
2 Maschinengestell
3 Werkstück
4 Werkzeughalterung
5 Werkstückhaiterung
6 Antrieb
7 Linearmotor
X Achsrichtung Y Achsrichtung Z Achsrichtung

Claims

Patentansprüche
Werkzeugmaschine (1 ) mit einem Maschinengestell (2) zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken, wobei die Werkzeugmaschine (1 ) eine Werkzeughalterung (4) aufweist, die Werkzeughalterung (4) translatorisch in drei Achsrichtungen (x.y.z) innerhalb des Maschinengestells
(2) beweglich ist und das Werkstück (3) zumindest um eine Achse verschwenkbar in wenigstens einer Werkstückhalterung (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (8) zur translatorischen Bewegung der Werkzeughalterung (4) in die drei Achsrichtungen (x,y,z) eisenlose Linearmotoren (7) umfassen und die bei der Bearbeitung des Werkstücks
(3) bewegten Teile der Werkzeugmaschine (1 ), insbesondere die Werkzeughalterung (4) aus Leichtbauwerkstoff wie etwa Leichtmetall gefertigt sind. Werkzeugmaschine (1 ) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine (1 ) in der Horizontalebene (x- und y-Richtung) symmetrisch aufgebaut ist.
Werkzeugmaschine (1 ) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundriss der Werkzeugmaschine (1 ) in der Horizontalebene quadratisch ist.
4. Werkzeugmaschine (1 ) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengestell (2) einen Grundriss von etwa 1000 x 1000 mm und eine Höhe von kleiner 2000 mm aufweist.
5. Werkzeugmaschine (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei Linearmotoren (7) für die translatorische Bewegung zumindest in X- und Y-Richtung zur Verfügung stehen.
6. Werkzeugmaschine (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengestell (2) einen Rahmen zum Tragen einer seitlich oder höhenversetzt zu der wenigstens einen Werkstückhalterung (5) angeordneten Werkzeughalterung (4) ausbildet o- der trägt.
7. Werkzeugmaschine (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughalterung (4) innerhalb eines vorzugsweise quadratischen Rahmens (6) translatorisch in der Horizontalebene beweglich angeordnet ist.
8. Werkzeugmaschine (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughalterung (4) innerhalb eines vorzugsweise quadratischen Rahmens (6) translatorisch in der Vertikalebene beweglich angeordnet ist.
9. Werkzeugmaschine (1 ) gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (6) für die Werkzeughalteru ng (4) aus Leichtbauwerkstoff, vorzugsweise Leichtmetall oder Kohlefaser gefertigt ist.
10. Werkzeugmaschine (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughalterung (4) einen Hub in x- Richtung von bis zu 300 mm, in y-Richtung von bis zu 300 mm und in z-
Richtung von bis zu 250 mm aufweist.
1 1 . Werkzeugmaschine (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der innerhalb der Werkzeugmaschine (1 ) bewegten Massen, insbesondere die Summe aus Gewicht der Werkzeughalterung (4) inklusive Werkzeug und Werkstückhalterung (5), kleiner als 200kg betragen.
12. Werkzeugmaschine (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführung der Werkzeughalterung (4) eine Zwangszentrierung der zueinander bewegten Teile der Linearführungen aufweisen.
13. Werkzeugmaschine (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der translatorischen Bewegung bis zu 90 m/min beträgt.
14. Werkzeugmaschine (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung 18-21 m/s2, vorzugsweise etwa 20 m/s2, beträgt.
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