DE69321674T2

DE69321674T2 - Gerät zum Positionieren für Mehrspindelbearbeitungen

Info

Publication number: DE69321674T2
Application number: DE69321674T
Authority: DE
Inventors: Thomas Jules Rockford Illinois 61107 Lindem; Daniel Melvin Riverview Michigan 48192 Mills; Richard Southfield Michigan 48076 Ogletree
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ingersoll Milling Machine Co Rockford Ill; Ford Werke GmbH
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1993-07-19
Publication date: 1999-03-18
Anticipated expiration: 2013-07-20
Also published as: EP0583085A2; CA2101406A1; EP0583085A3; EP0819499A3; DE69321674D1; EP0583085B1; MX9304376A; US5314397A; JPH06155203A; EP0819499A2; US5379509A

Description

Die Erfindung betrifft Positionierungsaufbauten, die elektrische Linearmotoren verwenden, und spezieller solche Aufbauten, die ein bewegliches Arbeitsteil mit einer Rate von etwa einem g oder mehr beschleunigen oder abbremsen.
Das Verbessern solcher Positionierungsaufbauten setzt voraus, daß die Produktivitätsgrenze bei der spanabhebenden Bearbeitung eines gegebenen Werkstückes ohne spezialisierte Werkzeugaggregate bei einer Vielfalt von Oberflächen und Konfigurationen durchbrochen wird, und dies mit mehr als einem Schneidwerkzeug, das unabhängig positioniert aber gleichzeitig gesteuert wird. Spanabhebende Bearbeitungsstrecken mit hohem Durchsatz nach dem bekannten Stand der Technik, die 500.000 oder mehr bearbeitete Einheiten nur eines Typs pro Jahr liefern, sind nicht wirtschaftlich, wenn die Marktnachfrage nach solchen Werkstücken fällt. Solche Strecken können Mehrspindel-Revolverköpfe verwenden, deren Auswechslung kostspielig ist, wenn die Strecke modifiziert wird, um andere Werkstücke spanabhebend zu bearbeiten, und sie beschränken sich auf das Bohren, Durchbohren oder Fräsen.
Solche Probleme können durch die Verwendung von Mehrspindelmaschinen mit Positionierungsbeschleunigungen, die viele Maie schneller sind als kommerzielle spanabhebende Bearbeitungszellen, überwunden werden. Ein hohes Maß an Flexibilität kann durch die Beseitigung produktspezifischer Arbeitstische und spezialisierter Schneidköpfe, die ausgetauscht werden müssen, wenn ein Wechsel der Arbeitsstücke vorgenommen wird, und die Ausnutzung zuvor nie erreichter Geschwindigkeiten erreicht werden, und zwar nicht nur zum Verrichten von spanabhebenden Bearbeitungsaufgaben, sondern auch beim Auswechseln von Werkzeugen oder Spannvorrichtungen von einem benachbarten Magazin. Die für den Wechsel zu einem neuen Produkt (Werkstück) benötigte Zeit kann substantiell reduziert werden, wobei nur Modifikationen in der Softwaresteuerung erforderlich werden.
Jedoch benötigen erhöhte Positionierungsbeschleunigungen oder -geschwindigkeitsabnahmen starke Schubkräfte, die die genaue Positionierung beeinträchtigen. Das Beibehalten der genauen Ausrichtung einer Vielzahl von Spindeln wird durch solche Kräfte schwieriger. Das Verringern der Gesamtmasse unter Beibehaltung von Steifigkeit in der relativ beweglichen Masse bleibt ein zugehöriges Problem, wenn die Werkzeugbestückung bei solchen bisher unerreichten Geschwindigkeiten genau und erfolgreich positioniert werden soll.
Der bekannte Stand der Technik hat die Verwendung von Linearmotoren auf die Positionierung leichter Werkzeuge auf Granitgrundflächen oder auf steif verbundene Doppelachsen beschränkt (Achsen, die bezüglich ihrer eigenen transversalen Ausdehnung versetzt sind) (siehe die U. S. Patente 4,102,035 und 4,359,814). Bei diesen Geräten erfährt die Stützkonstruktion eine geringe Verzerrung, was die Verwendung von Lagern erlaubt, die wenig zur Steifigkeit beitragen, etwa Luftlager und Luftspaltinduktion mechanischer Lager (siehe U. S. Patente 4,392,642; 4,571,799; 4,985,651; und 4,761,876). Luftlager sind unerwünscht, da sie spezielle Unterstützungs- und Führungsflächen benötigen, die im Umfeld der Hochleistungs- und Massenfertigung für Automobilbauteile nicht beibehalten werden können, weil sie nicht ausreichend formsteif sind, wenn sie eingesetzt werden, um große Werkzeugbestückung mit hohen Beschleunigungen oder Geschwindigkeitsabnahmen zu bewegen.
Luftspaltinduktion zur Verbesserung der Führung eines Linearmotoraufbaus wurde in Verbindung mit Gleit- oder Rollenlagern verwendet (siehe U. S. Patente 4,505,464 und 4,985,651). Luftspaltinduktion von Lagern trägt wenig zur Steigerung der Steifigkeit bei, weil sie ungenau und schwach ist; Luftspaltinduktion ist hauptsächlich dazu geeignet, die genaue Verfolgung einer Führungsschiene zu unterstützen, und sie trägt daher wenig zur Förderung der Steifigkeit des Linearmotoraufbaus bei.
Die Patentschrift DE-A 16 52 751 offenbart ein Positionierungsgerät für die Mehrspindelbearbeitung, das folgendes umfaßt:
Zwei aufrecht stehende Säulen, die mit einer gemeinsamen Plattform steif verbunden und zueinander parallel und senkrecht zu dieser Plattform ausgerichtet sind;
Schienenvorrichtungen mit Lagervorrichtungen, um eine bewegliche Unterstützung auf diesen Säulen zu liefern, so daß diese Schienenvorrichtungen entlang der Säulen verschiebbar sind;
Bewegungsvorrichtungen, die auf und entlang diesen Schienenvorrichtungen senkrecht zur Bewegungsachse dieser Schienenvorrichtungen verschiebbar sind;
Motorvorrichtungen, um selektiv diese Schienenvorrichtungen und Bewegungsvorrichtungen entlang ihrer jeweiligen Bewegungsachsen zu bewegen; und
Spindelvorrichtungen, die von diesen Bewegungsvorrichtungen getragen werden und eine Spindel besitzen, die um eine jeweilige Achse in Drehung versetzt werden kann. Das offenbarte Gerät ist eine Zweisäulenfräsmaschine, in der die Schiene auf den Säulen getragen wird, um sich entlang einer vertikalen Achse zu bewegen, die verschiedenen Seiten mit Schrauben bewegt werden und die Spindeln im wesentlichen in derselben Ebene angeordnet sind.
Die vorliegende Erfindung liefert ein verbessertes Positionierungsgerät für spanabhebende Bearbeitung mit Mehrfachspindeln, wie in Anspruch 1 weiter dargelegt wird.
In diesem Gerät sollten mindestens drei, vorzugsweise vier aufrecht stehende Säulen parallel zueinander und senkrecht zur Plattform angeordnet werden, innerhalb einer Toleranz von ±0,00125 cm (±0,0005 Zoll), und die Linearmotoren sollten in der Lage sein, die Schienenvorrichtungen und Bewegungsvorrichtungen mit Spitzenbeschleunigungen und -geschwindigkeitsabnahmen von etwa 1-2 g zu bewegen, wodurch jede dieser vielen Spindeln schnell positioniert werden kann, um in den würfelförmigen Bearbeitungsraum durch eine andere freie Seite des Raums einzudringen.
Das Gerät kann dazu verwendet werden, um gleichzeitig eine Folge von Oberflächen auf jeder der zahlreichen Seiten eines Werkstücks durch die nachfolgenden Schritte spanabhebend zu bearbeiten:
(a) Tragen einer Vielzahl von rotierend angetriebenen Spindeln, die allesamt ein Schneidwerkzeug halten, wobei jede Spindel von einer Vielzahl von zueinander beweglichen Teilen getragen wird, die für Bewegung in und aus einem vorbestimmt dimensionierten, würfelförmigen Bearbeitungsraum bereitgestellt sind, wobei dieser Vorgang des Tragens eine Spindelbewegung bereitstellt, deren Vektoren entlang mindestens zueinander senkrechten Achsen verlaufen; (b) Ausrichten des Werkstücks im Bearbeitungsraum an einer vorherbestimmten Stellung; (c) Antreiben einer Relativbewegung der Teile durch die Verwendung der Linearmotoren, um jede Spindel für die gleichzeitige spanabhebende Bearbeitung erster Oberflächen auf verschiedenen Seiten des Werkstücks genau zu positionieren; und (d) Antreiben der Teile durch die Verwendung dieser Linearmotoren zum Wiederpositionieren der Vielzahl der Spindeln für die gleichzeitige spanabhebende Bearbeitung sämtlicher anderen Oberflächen auf jeder Seite des Werkstücks.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen weiter beschrieben, in denen:
Abb. 1 eine perspektivische Gesamtansicht des spanabhebenden Bearbeitungsgeräts dieser Erfindung ist, die den Überbau in versetzter Stellung zeigt;
Abb. 2 eine vereinfachte perspektivische Ansicht der Struktur in Abb. 1 ist;
Abb. 3 eine vergrößerte Draufsicht einer der horizontal ausgerichteten Spindeln und ihrer Schienen- und Schlittenaufbauten ist;
Abb. 4 ein Querschnitt im wesentlichen entlang der Linie 4-4 von Abb. 3 ist;
Abb. 5 eine Seitenansicht der Struktur von Abb. 4 ist;
Abb. 6 ein Aufriß des Arbeitstischaufbaus und des Mechanismus zum Werkzeugwechsel ist;
Abb. 7 eine Draufsicht der Struktur aus Abb. 6 ist; und
Abb. 8 ist eine alternative Ausführungsform dieser Erfindung ist, die ein spanabhebendes Dreispindel-Bearbeitungsgerät zeigt, das für bestimmte Spindeln doppelte X-Achsenbewegungsaufbauten verwendet.
Die Grundelemente und Bauart einer der Ausführungsformen des Mehrfachspindel- Positionierungsgeräts 10 dieser Erfindung zum Durchführen spanabhebender Bearbeitung sind in den Abb. 1-4 gezeigt. Solch ein Gerät beinhaltet eine Vielzahl von Säulen B; Schienenaufbauten C (hier vier an der Zahl: C-1 bis C-4), die zwischen den Säulen angeordnet und entlang einer Y-Achse beweglich sind; einen Schlittenaufbau D auf jedem Schienenaufbau, bewegbar entlang einer X-Achse; den Schlittenaufbau E auf jeder dieser Schlittenaufbauten D (der eine um eine S-Achse drehbare Spindel F trägt, um in jede aufrechte Seite des würfelförmigen Bearbeitungsraums I einzudringen); einen Überbau G, der über den Säulen liegt und einen flexiblen Aufbau H trägt, der entlang der X- und Z-Achsen beweglich ist und um eine A-Achse, um eine Spindel J zu tragen und sie durch die Oberseite des Bearbeitungsraums I einzuführen; Linearmotorvorrichtungen M, um selektiv die Aufbauten C, D, E und H zu bewegen und die Spindeln F und J zu positionieren und vorzuschieben; einen verstellbaren und beweglichen Werkstückträger K und das Werkzeugmagazin L für die vertikale Spindel J und ein Werkzeugmagazin N für die horizontalen Spindeln F.
Es ist wichtig anzumerken, daß das Gerät in Abb. 1 fünf Spindeln besitzt: Vier horizontal orientierte Spindeln (1-4), die so angeordnet sind, daß sie unabhängig durch eine aufrechte Seite des würfelförmigen Bearbeitungsraums I eindringen, und eine vertikal ausgerichtete Spindel 5, die so angeordnet ist, daß sie unabhängig in die Oberseite des würfelförmigen Bearbeitungsraums I eindringt. Das Gerät ist in der Lage, gleichzeitig rasch und genau jede dieser Spindeln innerhalb dieses Raums mit Beschleunigungen/Geschwindigkeitsabnahmen von ca. 1-2 g zu positionieren. Das Gerät ist auch in der Lage, gleichzeitig oder selektiv die Spindeln mit langsameren Vorschubraten zu bewegen, um die spanabhebende Bearbeitung der Seiten 11 des Werkstücks 12 durchzuführen, die auf jede der verschiedenen Seiten 13, 14, 15, 16 und 17 des Bearbeitungsraums ausgerichtet sind oder ihnen gegenüberliegen. Die Spindeln F und J können individuell und gleichzeitig erneut ausgerichtet werden, um entlang der jeweiligen Werkstückseiten 11, die der Spindel zugeordnet sind, die spanabhebende Bearbeitung von nachfolgenden Arbeitsgängen durchzuführen. Überdies können die Spindeln extrem rasch aus dem würfelförmigen Bearbeitungsraum I herausgezogen werden, um einen schnellen Werkzeugaustausch mit Gerät L oder N innerhalb einer Zeitspanne von etwas weniger als ungefähr vier Sekunden durchzuführen.
Solch eine Vielzahl von Spindeln kann weniger als fünf betragen, wie in der alternativen Ausführungsform in Abb. 8 gezeigt ist, oder mehr als fünf Spindeln. Die letztere Variation erhöht die Schwierigkeit, untereinander unabhängig bewegliche Trägervorrichtungen für jede solcher Spindeln innerhalb einer gegebenen Hülle um den Bearbeitungsraum zu plazieren.
Die vier Säulen B für die Maschine sind stählerne Schweißkonstruktionen für hohe Anforderungen, jedoch kann jede steife und schwingungsabsorbierende Konstruktion verwendet werden; sie sollten mit Abweichungen innerhalb von ±0.00125 cm (± 0.0005 Zoll) ausgerichtet werden. Diese Säulen werden von Vorrichtungen 19 zur präzisen Höhenverstellung getragen, die auf dem Maschinenunterbau sitzen. Diese Säulen tragen alle beweglichen Aufbauten C, D, E und H; aufgrund der massiven Natur solcher Säulen wird die Durchbiegung vermindert. Die Vorrichtungen zur Höhenverstellung unter den Säulen ermöglichen es, die Säulen aufeinander auszurichten, und die Y-Achsen-Gleitführungen können erneut auf die Säulen ausgerichtet werden.
Jeder Schienenaufbau besitzt einen Träger oder eine Schiene 18, die sich zwischen den Säulen entlang der Fußspur des Säulenumfangs erstreckt, und er wird von zwei Y-Achsen-Schiebern 20, 21 (siehe Abb. 3) getragen. Jeder Träger 18 ist aus hochfestem Graphit-Verbundwerkstoff mit einer dreieckigen Querschnittskonfiguration (siehe Abb. 4) hergestellt; Trennwände 22 sind aus Wabenzellen zusammengestellt, die mit Verbundwerkstoffgewebe 23 ausgekleidet sind, und der Schlitten 24 besitzt äußere Platten aus massivem Graphit-Verbundwerkstoff. Die Graphitfasern sollten im Graphitverbundwerkstoff vorzugsweise in einer einheitlichen Ausrichtung angeordnet sein. Der Träger 25, zum Tragen der oberen Spindel J verwendet, ist - außer daß er kürzer ist - gleich wie die Träger konstruiert, die für die horizontalen Spindeln verwendet werden.
Jeder Träger kann mit einer drehbaren Verbindungsstelle ausgestattet werden, was dem Schlittenaufbau E das Kippen bezüglich des Bearbeitungsraumes erlaubt. Ein Träger kann durch doppelte A-Achsen Antriebsmotoren gedreht werden, die an jedem Ende des Trägers angeordnet sind; die Antriebsmotoren lassen in diesem Fall eine Schnecke drehen, die in ein Schneckengetriebe eingreift, das im Y-Achsen-Schieber angebracht ist. Das Schneckengetriebe kann von einem Paar Präzisionskugellagern für den Winkelkontakt getragen werden, und Drehmeßwertaufnehmer können auf jedem Ende des Trägers angebracht werden, wobei sich die Antriebsmotoren während der abschließenden Positionierung des Trägers gegenläufig drehen, um das gesamte Spiel zu beseitigen. Der Träger könnte dann durch eine Präzisions- Stirnkupplung an seiner Stellung festgeklemmt werden; dieses Festklemmen kann auf der A-Achse bewerkstelligt werden, da sie keine profilgebende Achse ist.
Die Y-Achsen-Schieber 20, 21 sitzen an jedem Ende des Trägers. Jeder der Y- Achsen-Schieber 20, 21 ist als hochfestes Aluminiumgußteil ausgeführt, und jeder Schieber wird auf Rollenlagern 29 getragen. Diese Lager gleiten auf einer schwalbenschwanzförmigen Lauffläche 30, die auf der Säule einstellbar ist, um die Wiederausrichtung der Lauffläche zu ermöglichen, falls dies einmal benötigt werden sollte. Die Schieber werden durch Linearmotoren M-1 angetrieben, deren Spulen 26 auf dem Y-Achsen-Schieber montiert sind. Die Magneten 27 für den Motor sitzen auf der Säule. Eine lineare Inductosyn-Skala 28 für den Y-Achsen-Schieber befindet sich zwischen dem Motor und der Führungsbahn. Jeder Träger ist durch zwei Luftzylinder 31 ausgeglichen, und jeder Schieber ist weiterhin mit einer Bremse ausgerüstet, die den Schieber am Fallen hindert, wenn der Schieber vom Strom getrennt wird. Die Schieber werden unabhängig von Linearmotoren angetrieben und sorgen für die benötigten hohen Kenngrößen der Beschleunigung/Geschwindigkeitsabnahme und der Geschwindigkeit. Die Software des Reglers für die Linearmotoren ist dahingehend entwickelt, um das Schiefaufsitzen sämtlicher Träger zu verhindern.
Jeder Schlittenaufsatz D hat einen X-Achsen-Schlitten 24, der einfach um den Trägerquerschnitt gewunden ist. Der Schlitten ist aus hochfestem Graphit- Verbundplattenmaterial ausgeführt; die Platten sind für einfache Wartung und verbesserte Steifigkeit an ihren Schnittstellen mechanisch verbunden. Der Schlittenaufbau besitzt weiterhin einen Tunnelaufbau 32, der fest auf dem Schlitten sitzt und ebenso aus Graphit-Verbundwerkstoff besteht. Die Linearmotoren 33 und 34, die jeweils den Schlitten 35 und den Schlitten 24 antreiben, werden vom Schlittenaufbau D getragen. Die Motoren 34 sitzen symmetrisch auf zwei Seiten 36 und 37 des dreieckigen Trägers 18 und auf zwei Seiten 38, 39 des dreieckigen Tunnelaufbaus 32, der den Schlitten auf dem Träger trägt. Ein linearer Meßwertaufnehmer 40 (Inductosyn) für den Schlitten sitzt zentral auf der dritten Seite 41 des Trägers 18, und ein Meßwertaufnehmer 42 sitzt in gleicher Weise im Innern des Tunnelaufbaus 32. Der Schlitten 24 trägt hydrostatische Lager 43, die den Schlitten auf dem Träger 18 unterstützen und eine steife Bewegungsfreiheit zwischen dem Träger und dem Schlitten fördern, und weiterhin hydrostatische Lager 44 auf dem Tunnelaufbau, um den Schlitten 35 darin zu tragen.
Der Schlittenaufbau E umfaßt einen Schlitten 35, der aus hochfestem Graphit- Verbundwerkstoff mit äußeren Platten aus massivem Verbundwerkstoff und Zwischentrennwänden aus Wabenzellenmaterial, mit Verbundwerkstoffgewebe ausgekleidet, hergestellt ist. Die Magnete 45 für die Linearmotoren 33 sind symmetrisch auf zwei Flächen der dreieckigen Schlittenstruktur angebracht. Der Z- Achsen-Schlitten 35 trägt die Bearbeitungsspindel. Der lineare Meßwertaufnehmer 42 für den Schlitten ist an der dritten Seite des Schlittens angebracht. Dies liefert ein zentral angeordnetes Rückkopplungsgerät, das auf einer Linie mit der Spindel und den Motoren liegt.
Der Überbau G wird durch Stahlverarbeitung für hohe Anforderungen ausgeführt und steif von den vier Säulen getragen. X-Achsen-Schieber 45 für die flexiblen Aufbauten H bewegen sich in einer horizontalen Richtung und verbinden entgegengesetzte Enden der Schiene 25 mit steifen Führungsbahnen 47, 48. Die Schieber besitzen Rollenlager, um die Schiene auf den Führungsbahnen zu tragen. Der Schlitten 49 und Tunnelaufbau 50 ähneln denen, die auf den anderen Aufbauten verwendet werden, außer daß der Schlitten die A-Achsenbewegung und der Tunnelaufbau die Z- Achsenbewegung bereitstellt. Alle vorhergenannten Merkmale treffen auf den oberen flexiblen Aufbau zu.
Das Werkzeugmagazin oder der Wechsler L für die vertikal ausgerichtete Spindel J, wie in Abb. 1 gezeigt, besteht aus einem drehbaren Werkzeugmagazin 80, das drehbar auf einer Säule 81 und Bohrung 82 getragen wird; ein Wechselarm 83 wird für umkehrbare 180º Drehbewegungen bei 84 von einer Kopfstruktur 85 getragen. Greifer 86 und 87 an entgegengesetzten Enden des Arms 83 sind steuerbar, um ein Werkzeug vom Magazin 80 an der Station 88 zu erfassen. Der Arm 83 wird um 180º gedreht und präsentiert das Werkzeug zum Transfer der Spindel J, die herabgelassen wird, um sich mit dem Werkzeug auszurichten und mechanisch durch Einführung in den Werkzeughalter zu verbinden.
Das Werkzeugmagazin oder der Wechsler N für die horizontal angeordneten Spindeln F ist als freistehende Tablettstruktur bereitgestellt und nicht physisch mit der Maschine verbunden (siehe Abb. 6 und 7). Er ist entworfen, um leichten Bedienerzugriff zum 24-teiligen Werkzeugmagazin 52 ab Bodenhöhe zu ermöglichen. Das Werkzeugmagazin ist auf einer Höhe aufgestellt, die passend zur benötigten Höhe für den Werkzeugwechsel und den Zugriff auf den Kopf einer Spindel F ist. Es ist kein Werkzeugwechselarm nötig, um das Werkzeugmagazin 52 zu erreichen; die Spindeln F sind positioniert, um in den Halter eines Werkzeugs 55 eingeführt zu werden, wenn es im Magazinfach 54 sitzt. Die Werkzeugsuche und das Ersetzen des Werkzeugs im Magazin ist Teil des Ablaufs des Bearbeitungsvorgangs. Das Ergebnis ist, daß nur der Teil des Werkzeugwechselzyklus, der einen Teil des Bearbeitungsvorgangs darstellt, das Entfernen eines Werkzeugs 55 von der Spindel ist, indem die Spindel in den Werkzeughalter eingeführt und aus dem Magazin entfernt wird. Die geschätzte Zeit für den Werkzeugwechsel zwischen Abspanvorgängen beträgt ca. 10.3 Sekunden.
Ein Zellenarbeitstisch 56 sitzt zentral innerhalb der Bearbeitungszelle 10. Er ist auf dem W-Achsen-Schieber 57 angebracht und kann eine Strecke von ca. 12 Zoll in beide senkrechte Richtungen von der Zellenmitte zurücklegen. Dies erfordert nicht, daß der Arbeitstisch den Schieber verläßt, und es erfordert nur einen Tisch pro Zelle. Der Arbeitstisch hat eine Kupplung, die es ermöglicht, daß er in Drehschritten von einem halben Grad eingestellt wird.
Eine Modifikation der Konstruktion der Bearbeitungszelle 10 beruht auf der Idee, alle Werkzeuge 55, die für einen bestimmten Arbeitsvorgang benötigt werden, auf einer Palette zu tragen, die auf den Arbeitstisch mit der Montagevorrichtung 59 übertragen wird. Die Palette paßt auf den Arbeitstisch in eine Schubladenkonstruktion, die auch den Mechanismus zum Festklemmen der Palette auf dem Arbeitstisch darstellt. Die Palette ist mit Federn festgeklemmt und wird unter Strom gelöst, um das Festklemmen der Palette sicherzustellen, falls ein Stromausfall stattfindet. Die Palette ist durch mindestens drei Stifte auf der Oberseite des Arbeitstischs ausgerichtet. Zwei der Stifte richten die Palette aus und der dritte Stift dient dazu, die Palette auf denselben Platz auf den Stiften zur Positionierung der Palette zu drängen, bevor diese festgeklemmt wird. Dies erlaubt es, jedes Werkzeugtablett speziell für Werkzeuge zu konstruieren, die für eine Seite des Werkstücks benötigt werden. Die Werkzeuge rotieren auf dem Arbeitstisch mit dem Werkstück. Da die Werkzeuge auf der Palette getragen werden, wird ein Werkzeugwechsler für die horizontalen Spindeln nicht benötigt. Die Werkzeuge werden gewechselt, indem die Spindel vor das benötigte Werkzeug positioniert, das Werkzeug auf der Spindel festgeklemmt und die Spindel in vertikaler Richtung bewegt wird, um das Werkzeug aus dem Werkzeughalter zu heben. Das Werkzeug wird in gleicher Weise in den Werkzeughalter zurückgeführt. Das Ergebnis ist ein schneller Werkzeugwechsel ohne Werkzeugwechsler. Die geschätzte Zeit für einen Werkzeugwechsel zwischen Abspanvorgängen beträgt 5.7 Sekunden.
Wie in Abb. 1 gezeigt, besteht das Prinzip der Übertragung für solche Ausführungsformen darin, die Palette in eine Seite der Maschine hinein und dort aus der anderen Seite wieder herauszubewegen. Dies erlaubt es, die Palette von einer nicht festgeklemmten Station (auf einer preiswerten Zellenautomation) zur Entladezone der Montagevorrichtung zu befördern. Die Palette könnte auf einen Transportwagen außerhalb der Bearbeitungszelle gestellt werden und auf Schienen in die Zelle befördert werden. Der Transport könnte auch durch eine Kugelumlaufspindel oder durch elektrische Linearmotoren angetrieben werden. Der Wechselmechanismus befindet sich auf der Oberseite des Transportwagens, und wenn der Wagen in Position ist, wird die Palette auf die Höhe des Arbeitstisches angehoben, auf den Arbeitstisch versetzt und dann, wie vorher beschrieben, auf dem Tisch festgeklemmt.
Die Paletten werden durch die Umkehrung der oben beschriebenen Schritte vom Arbeitstisch entfernt. Die Übertragung der Paletten kann ungefähr 20 Sekunden dauern.
Ein Merkmal dieser Erfindung ist die Verwendung von koordinierten Tandemschiebern zum Heben oder Bewegen einer Schiene. Eine alternative Ausführungsform, in Abb. 8 gezeigt, benutzt Tandemschieber 60, 61, wird aber mit Tandemschienen 62, 63 betrieben, die sich zwischen Betonsäulen B erstrecken; die Ausführungsform in Abb. 8 beschränkt auch die Anzahl der Spindeln auf drei. Die Lager- und Linearmotor-Schnittstellenkonstruktion zwischen den Schiebern 60, 61 und den Schienen 62, 63 kann die gleiche sein, wie für die bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde. Die Konstruktion aus Schlitten 64, Tunnelaufbau 65 und Schlitten 66 ist auch gleich jener der bevorzugten Ausführungsform, außer daß (i) der Schlitten 64 auf einem aufrecht stehenden Träger 67 sitzt, der sich zwischen den Schiebern 60, 61 erstreckt und von ihnen getragen wird; und (ii) die Motoren und Meßwertaufnehmer entlang einer Fläche oder Seite der Schienen 62, 63 oder des Schlittens 66 angeordnet sind. Der Schlitten 66 trägt horizontal ausgerichtete Spindeln 73, 74. Mit jedem der oberen Schieber 61 ist eine Verlängerungsschiene 68 verbunden, auf der ein Paar Schieber 69 montiert sind, um eine horizontale Schiene 70 zu tragen, die wiederum verwendet wird, um einen beweglichen Aufbau 71 mit einer vertikal ausgerichteten Spindel 72 zu tragen. Ein geeignetes Lager- und Linearmotorantriebsgerät ist zwischen dem Schieber 69 und der Schiene 68 eingesetzt.

Claims

1. Ein Positionierungsgerät für die Mehrfachspindelbearbeitung, das folgendes umfaßt:

(a) Mindestens drei, starr mit einer gemeinsamen Plattform (19) verbundene, aufrecht stehende Säulen (B), die einen würfelförmigen Bearbeitungsraum festlegen und parallel zueinander und senkrecht zu dieser Plattform innerhalb einer Toleranz von ± 0,00125 cm (±0,0005 Zoll) ausgerichtet sind;

(b) Schienenvorrichtungen, die zwischen benachbarten Säulen angeordnet sind und Lagervorrichtungen an jedem Ende besitzen, um eine bewegliche Unterstützung bereitzustellen, so daß entweder

(i) diese Schienenvorrichtungen (C1-C4) sich zwischen jedem Paar benachbarter Säulen erstrecken, wobei der Umfang durch die Fußspuren dieser Säulen festgelegt ist, und sie entlang und zwischen diesen entsprechenden Säulen verschiebbar sind, oder

(ii) diese Schienenvorrichtungen (67) entlang und zwischen Paaren paralleler Stützträger (62, 63), die die Säulen gegenüberliegender Paare an ihren oberen und unteren Enden verbinden, verschiebbar sind;

(c) Bewegungsvorrichtungen (D, E; 64), die auf und entlang jeder dieser Schienenvorrichtungen (C1-C4; 67) senkrecht zu der Bewegungsachse dieser Schienenvorrichtungen verschiebbar sind;

(d) Linearmotorvorrichtungen (M) zum selektiven Bewegen dieser Schienenvorrichtungen (C1-C4; 67) und dieser Bewegungsvorrichtungen (D, E; 64) entlang ihren entsprechenden Bewegungsachsen mit Spitzenbeschleunigungen oder -geschwindigkeitsabnahmen von ungefähr 1-2 g, und

(e) Spindelvorrichtungen (F), die auf jeder dieser Bewegungsvorrichtungen (D, E; 64) getragen werden, und wovon jede eine Spindel (1-4) besitzt, die um eine entsprechende, zum Bearbeitungsraum gerichtete Achse mit einer Drehbewegung angetrieben wird.

2. Ein Gerät nach Anspruch 1, in dem diese Bewegungsvorrichtungen (i) Sattelvorrichtungen (D) mit einem Sattel, der auf und entlang jeder Schienenvorrichtung verschiebbar ist, und (ii) Schlittenvorrichtungen (E) auf diesen Sattelvorrichtungen umfaßt, um einen Schlitten entlang einer zum Bearbeitungsraum gerichteten Achse zu verschieben.

3. Ein Gerät nach Anspruch 2, in dem diese Schlittenvorrichtung (E) einen mehrseitigen Schlitten besitzt, der in ergänzende Seiten dieses Sattels eingepaßt ist und Lager zwischen mindestens zwei Seiten dieses Schlittens und dieses Sattels aufweist.

4. Ein Gerät nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, in dem diese Schienenvorrichtung, diese Sattelvorrichtung und diese Schlittenvorrichtung aus Leichtmetall oder Graphit- Verbundwerkstoff gefertigt sind.

5. Ein Gerät nach Anspruch 4, in dem die Fasern dieses Graphit-Verbundwerkstoffes in allen Richtungen als homogenes Material orientiert sind.

6. Ein Gerät nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5, in dem jede Schienenvorrichtung einen Träger mit einer drei- oder vierseitigen Querschnittskonfiguration umfaßt und dieser Sattel mindestens drei der Seiten dieses Trägers überlappt oder umschließt.

7. Ein Gerät nach Anspruch 6, in dem dieser Träger einen dreieckigen Querschnitt besitzt und diese Linearmotorvorrichtung zwischen diesen Satteln und mindestens zwei Seiten dieses Trägers angeordnet ist.

8. Ein Gerät nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in dem diese Bewegungsvorrichtung weiterhin eine Vorrichtung umfaßt, um selektiv eine oder mehrere Schienenvorrichtungen um eine Drehachse drehen zu lassen und diese Schienenvorrichtung in dieser gedrehten Stellung zu befestigen.

9. Ein Gerät nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in dem diese Säulen eine drei- oder vierseitige Querschnittskonfiguration besitzen und die Lagervorrichtung an mindestens einer Seite dieser Säule angreift.

10. Ein Gerät nach Anspruch 9, in dem diese Säulen einander ergänzende Paare von gegenüberliegenden Rillen besitzen, und diese Lagervorrichtung dieser Schienenvorrichtung so angeordnet ist, daß sie in die Seiten dieser Rillen eingreift.

11. Ein Gerät nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in dem diese Lagervorrichtungen für diese Schienenvorrichtungen hydrostatisch sind.

12. Ein Gerät nach Anspruch 11, in dem diese Sattelvorrichtung hydrostatische Lager besitzt, um eine steife Bewegungsfreiheit zwischen dieser Schiene und diesem Sattel zu fördern.

13. Ein Gerät nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin einen steifen Überbau (G) umfaßt, der zwischen den Säulen (B) liegt, sowie eine zusätzliche Bewegungsvorrichtung, um eine weitere Spindel (J) zu positionieren.

14. Ein Gerät nach Anspruch 13, in dem diese Säulen (B) durch einen Überbau an ihrer oberen Seite steif miteinander verbunden sind und ein rasch beweglicher Aufbau (H) für diese zusätzliche Spindel auf diesem Überbau getragen wird.

15. Ein Gerät nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, in dem dieses Gerät fünf Achsen für die spanabhebende Bearbeitung besitzt, um ein Werkstück gleichzeitig auf fünf Seiten davon spanabhebend zu bearbeiten.

16. Ein Gerät nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in dem mindestens eine dieser Spindeln eine Kühlvorrichtung besitzt, um ein Werkzeug, das von dieser Spindel angetrieben wird, zu benetzen, und diese Lagervorrichtung hydrostatisch ist und eine Quelle von Druckflüssigkeit besitzt, die sowohl diesem hydrostatischen Lager als auch dieser Kühlvorrichtung zugeführt wird.

17. Ein Gerät nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin Vorrichtungen zum automatischen Wechseln von Werkzeugen auf mindestens einer dieser Spindeln umfaßt, wobei diese Werkzeugwechselvorrichtungen diesen Bearbeitungsraum umgeben.

18. Ein Gerät nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche mit vier aufrecht stehenden Säulen, worin vier Spindeln zwischen entsprechenden Paaren benachbarter Säulen angebracht und auf Schienenaufbauten (C1-C4) montiert sind und an ihren Enden auf den entsprechenden Säulen verschiebbar getragen werden, um in axialer Richtung auf den Säulen zu gleiten, und eine fünfte Spindel (J) auf einem Schienenaufbau (H) montiert und transversal zu den Säulen bewegbar ist und an ihren Enden von steifen Führungsbahnen (47, 48) eines Überbaus (6), der zwischen den Säulen liegt, verschiebbar getragen wird.