DE69700651T3

DE69700651T3 - Hochgeschwindigkeitswerkzeugmaschine mit spindelträger

Info

Publication number: DE69700651T3
Application number: DE69700651T
Authority: DE
Inventors: Andre Azema
Original assignee: Comau Systemes France SA
Current assignee: Comau Systemes France SA
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 1997-01-22
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2017-01-23
Also published as: ES2140958T5; US6012884A; EP0876240B1; AU1448997A; ES2140958T3; JP2000503909A; FR2743741B1; EP0876240B2; FR2743741A1; DE69700651T2; JP4163747B2; WO1997027026A1; DE69700651D1; EP0876240A1

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Bereich der Werkzeugmaschinen und betrifft insbesondere Konstruktionen, mit denen unter besten Bedingungen Verschiebungen eines des bewegliche Werkstück tragenden Schlittens mit großer Geschwindigkeit entlang dreier Achsen X, Y und Z ermöglicht werden.
Die Bearbeitung von Werkzeugstücken mit großer Geschwindigkeit in einer Werkzeugmaschine geht üblicherweise von rotierenden Werkzeugen aus, die auf einem Schlitten installiert sind, der selbst entlang dreier Achsen beweglich montiert ist, von denen zwei X, Y in einer Ebene P(x, y) parallel zu der Bearbeitungsebene der Werkstücke angeordnet sind und wobei die dritte Z in einer Ebene P(x, z) senkrecht zu der selben Bearbeitungsebene der Werkstücke liegt.
Für ein besseres Verständnis der nachfolgenden Beschreibung wird die Bearbeitungsebene der Werkstücke als vertikal angenommen, was in den meisten Fällen der Realisierung dieser Kategorie von Werkzeugmaschinen in dem Bereich der Bearbeitung mit großen Geschwindigkeiten der Fall ist, derart, dass die Ebene P(x, y) der beiden ersten Achsen X und Y vertikal und die Ebene P(x, z) der dritten Achse Z waagrecht angesehen wird.
Eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung mit großer Geschwindigkeit weist im allgemeinen drei Haupt-Bearbeitungsstände auf, nämlich:

– einen Bearbeitungsstand, der das in Drehbewegung angetriebene Werkzeug auf dem Schlitten trägt und dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandt ist,
– einen Antriebsstand, der nach dem Bearbeitungsstand gelegen ist und aus einer Anordnung von Organen besteht, die insbesondere die Verschiebungen X, Y und Z des Schlitten sicherstellen, wobei gleichzeitig die Drehbewegung des darauf getragenen Werkzeuges sichergestellt wird,
– und ein Steuerstand, der mit dem Antriebsstand als Funktion eines Programmes aus Befehlen zusammenarbeitet, die vorab aufgestellt wurden, um die unterschiedlichen Phasen der Bearbeitung des Werkstückes zu organisieren und zu übernehmen.

Bei derartigen Werkzeugmaschinen ist die logische Struktur im wesentlichen um den Antriebsstand aufgebaut, und zwar insbesondere als Funktion der Anordnung der Schienen, die die gradlinigen alternativen Verschiebungen des Schlittens längs der drei Achsen X, Y und Z führen. Die traditionelle Konzeption des Aufbaues einer solchen Maschine besteht darin, vorzusehen:

– zwei parallele Führungsschienen in der waagrechten Ebene P(x, z), um die waagrechten Querverschiebungen des Schlittens längs der Achse X zu ermöglichen,
– zwei parallele Führungsschienen in der vertikalen Ebene P(x, y) um die vertikalen Verschiebungen des Schlittens längs der Achse Y, die senkrecht zur Achse X ist, zu ermöglichen,
– und zwei parallele Führungsschienen in der waagrechten Ebene P(x, z) senkrecht zu den Schienen für die Querverschiebungen längs der Achse X, um die waagrechten Längsverschiebungen des Schlittens längs der Achse Z, senkrecht zu den Achsen X und Y zu ermöglichen.

Die Querverschiebungen X und die Längsverschiebungen Z des Schlittens werden im Kontext der Erfindung in Bezug auf die Längsachse der Werkzeugmaschine verstanden, längs der die drei Betriebsstände ausgerichtet sind.
Eine solche Anordnung ist aktuell kein Anlass für eine Weiterentwicklung in dem Bereich der Werkzeugmaschinen, d. h., dass die beweglichen Organe generell in ihren Translationsbewegungen durch elektrische Drehmotoren betätigt werden, die mit Treibriemen und Getrieben zusammenzuarbeiten, um die Drehbewegungen in Linearbewegungen umzuwandeln. Darüberhinaus ist das Problem des Raumbedarfes am Boden der Werkzeugmaschine nicht die Hauptbeschäftigung der Konstrukteure; diese Anordnung der logischen Struktur mit drei Achsen ist niemals in Frage gestellt worden, da sie ein sehr komfortables Fundament des Aufbaues auf dem Boden anbietet, insbesondere, da die einzelnen Organe der Werkzeugmaschine, sowie die Werkzeugkassetten, die Motoren, etc. sehr voluminös und schwer sind.
Ein weiteres Maschinenkonzept hat Maschinen zum Vorschlag, in denen die zwei waagrechten Schienen, die die Verschiebungen (Pfeil X) längs der Achse (X) ermöglichen, parallel eine über der anderen in der Ebene P(x, y) angeordnet sind. Die Werkzeugmaschinen, die in dem europäischen Patent Nr. 0 614 724 und in dem deutschen Patent Nr. 37 04 952 beschrieben sind, schlagen eine solche logische Struktur vor, gemäß der

– zwei quer verlaufende Führungsschienen parallel in der vertikalen Ebene P(x, y) angeordnet sind, die die waagrechten Querbewegungen (Pfeil X) des Schlittens längs der Achse X ermöglichen und
– zwei seitliche Führungsschienen parallel in der gleichen vertikalen Achse P(x, y) angeordnet sind, die die vertikalen Verschiebungen (Pfeil Y) des Schlittens längs der Achse Y, die senkrecht zur Achse X ist, ermöglichen.

Die beiden Strukturen unterscheiden sich darin, dass die in dem europäischen Patent beschriebene keine Schienen oder Gleitschienen aufweist, die es dem Werkzeug ermöglichen, sich senkrecht in der Ebene P(x, y) zu bewegen, d. h., längs der Achse Z. Auch trägt der Werkstückträger seine Kinematik, die es ihm erlaubt, senkrecht zur Bewegungsebene des Schlittens vor- und zurückzufahren.
Die in dem deutschen Patent Nr. 37 04 952 vorgeschlagene Struktur schlägt insoweit eine Bewegung des Werkzeuges längs der Achse Z vor, aber in einer Weise, die speziell nicht adäquat ist für die Bearbeitung mit großer Geschwindigkeit und das aus mehreren Gründen. Einerseits befindet sich das Werkzeug auf einem längs der Achse Z teleskopierbaren Arm, der als eingesetztes Mittel für einen Verlauf einer speziell ausgedehnten Bearbeitung zwar leicht für ein normales Werkzeug und einen normalen Antrieb in Betrieb gesetzt werden kann, jedoch wesentlich schwieriger anwendbar ist für die Bewegung eines Werkzeugträgers mit einer Elektrospindel, und zwar aufgrund seines Gewichtes (und in Konsequenz auch seiner Auskragung), der hydraulischen und elektrischen Verbindungen, die seinen Bewegungen folgen und aufgrund der wesentlich kürzeren Bearbeitungsverläufe, die hierfür notwendig sind. Auf der anderen Seite ermöglicht der teleskopierbare Arm nur die Bewegung in Z-Richtung und belegt nur den Raum der logischen Struktur über eine vollständige Halbebene oder Halbachse Z, was zur Konsequenz hat, dass das Volumen einer solchen Maschine mit einer solchen Struktur vergrößert wird.
Ein weitere Differenz, die zwischen den beiden logischen vorgenannten Strukturen existiert, liegt darin, dass diejenige nach dem europäischen Patent Nr. 0 614 724 als Antriebseinheit Linearmotoren in Anspruch nimmt, um die Verschiebungen längs der beiden Achsen X und Y für den Schlitten und längs der Achse Z für den Werkstückträger sicherzustellen. Die letzteren sind insbesondere ausgelegt, um schnelle und präzis ausgeführte Bewegungen für die heutige Bearbeitung zu liefern. Der Schlitten der logischen Struktur dieses Patentes ist jedoch fest in Bezug auf die Achse Z und das Werkstückträgermodul wird mit Hilfe von Linearmethoden verschoben oder entfernt sich von dem Schlitten und seinem Werkzeug. Das Nichtvorhandensein der Bewegung auf der Achse Z ist speziell für eine solche Maschine zu beschränken.
Ein Konzept einer Maschine ist in dem amerikanischen Patent Nr. 4,752,160 beschrieben, bei dem drei Paare von Schienen eingesetzt werden, die jeweils senkrecht zueinander angeordnet sind, um die Verschiebung des Werkzeuges längs der zwei Achsen X und Y von einem Arbeitsstand zu einem anderen zu ermöglichen, wobei die Schienen längs der Achse X zu beiden Seiten eines Steuerstandes ausgerichtet sind.
Die Verschiebung des Werkzeuges ist bei der dargestellten Ausführungsform auf zwei Arten möglich. Einerseits wird die logische Struktur, die das Werkzeug trägt und dessen Verschiebung längs der Achse Y ermöglicht, über einen zentralen Bereich der Schienen verschoben, der dem Steuerstand gegenüberliegt und der abnehmbar in Bezug auf die restlichen Längen montiert ist, um das Werkzeug gegen den Steuerstand längs der Achse Z und gleichzeitig über diesen abnehmbaren Längsbereich der Achse X zu verschieben. Auf der anderen Seite wird der Werkzeugträger längs der Achse Z mit Hilfe von Gleitschienen verschoben, auf denen er gleitet, und zwar angetrieben durch eine Einrichtung mit einer Kugelumlaufspindel, die durch einen Motor bewegt wird, der auf dem Schlitten gelegen ist. Obwohl hier eine kinematische Struktur vorgeschlagen wird, die eine Verschiebung des Werkzeugs über drei Achsen ermöglicht, hat diese letztere wiederum mehrere Nachteile, z. B.:

– Die logische Struktur erlaubt eine Führung über vier Gleitschienen für die Bewegungen längs der Achse Y und der Achse Z, wobei diese vier Gleitschienen dazu führen, dass die logische Struktur für diese beiden Bewegungen eine Parallelepiped-Geometrie annehmen, die das Gewicht der Struktur erhöht und das Volumen vergrößert. Die Wahl, als Antriebseinrichtung eine Einrichtung mit einer Kugelumlaufspindel zu verwenden, erfordert zudem das Vorsehen einer erheblichen Anzahl von Führungen, um Verklemmungen zu vermeiden und die Präzision zu steigern.
– Die Wahl des Antriebes hat nicht nur den Nachteil, das Gewicht der logischen Struktur zu erhöhen, sondern auch den, dass bei einer schnellen Bearbeitung nicht auf die hier mit inhärenten Notwendigkeiten geantwortet werden kann. Somit müssen die Bewegungen zwischen den unterschiedlichen Bearbeitungen (Bewegungen zum Wechsel der Werkzeuge oder zu deren Platzierung) sehr schnell sein, was diese logische Struktur aufgrund ihres Gewichtes nicht möglich macht. Desweiteren bringt ein Antrieb mit Kugelumlaufspindeln nicht immer die Präzision, die heute für die Bearbeitung gefordert wird.

Die Anmelderin hat Versuche durchgeführt, die das Studium eines neuen Realisierungskonzeptes der logischen Struktur des Aufbaues einer Werkzeugmaschine mit großer Geschwindigkeit zur Aufgabe hatten, wobei bei der Realisierung klassische Konzepte der Mechanik mit spezifischen Adaptionskriterien bei der Installation von leichten und schnellen Organen angewendet wurden. Aus diesem Grunde integriert die vorliegende Erfindung originäre Kriterien, die ein Konzeptionsprinzip für eine solche Maschine bilden, woraus neuartige Vorteile resultieren, u. a. die Anpassung der Maschine auf ihre spezielle Bestimmung zur Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit durch eine bevorzugte Anordnung der Führungsschienen für die Translationsbewegungen der beweglichen Organe längs der drei Verschiebungsachsen X, Y und Z.
Um diese Aufgaben, die für eine Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit untersucht wurden zu lösen, wird eine Werkzeugmaschine vorgeschlagen, die die Verschiebungen eines beweglichen Organes längs dreier Achsen X, Y und Z, wie in dem Patentanspruch 1 angegeben, ermöglicht.
Die neuartige Anordnung gemäß dem Anspruch bietet zahlreiche Vorteile, u. a. die folgenden:

– eine bemerkenswerte Erhöhung der Steifigkeit der logischen Struktur,
– eine Feineinstellung der beweglichen Massen in Bezug auf eine vertikale Ebene,
– einen im Bodenbereich extrem reduzierten Raumbedarf,
– die Möglichkeit der leichteren Bauweise der Struktur für die Stützelemente der Führungsschienen,
– etc....

Im übrigen ermöglicht die Anordnung der zwei längs verlaufenden parallelen Führungsschienen in der waagrechten Ebene P(x, z) die die waagrechten Längsverschiebungen des Schlittens längs der Achse Z ermöglichen und auf beiden Seiten der vertikalen Ebene P(x, y) der Achsen X und Y gelegen sind, dass der Schwerpunkt der beweglichen Masse auf der Achse so nah wie möglich der vertikalen Ebene P(x, y) gehalten werden kann.
Diese Werkzeugmaschine ist gebildet durch einen Aufbau, der ein in seinem Zentrum offenes Traggestell aufweist, welches in einer vertikalen Ebene P(x, y) mit einem Paar von querverlaufenden waagrechten und parallelen Schienen versehen ist, die die Verschiebung eines vertikalen, in seinem Zentrum offenen und einen Tragrahmen bildenden vertikalen Tisches zwischen sich in einer waagrechten Querbewegung längs der Achse X ermöglichen. Dieser Tisch ist seitlich von einem Paar vertikaler und paralleler Schienen begrenzt, die senkrecht zu dem ersten Paar der querverlaufenden Schienen angeordnet sind und auf denen ein Spindelkasten zwischen ihnen längs einer vertikalen Bewegung entlang der Achse Y gleitet. Dieser Spindelkasten ist seitlich durch ein drittes Paar von längsverlaufenden waagrechten Schienen begrenzt, die beidseits der senkrechten Ebene P(x, y) senkrecht zu dem ersten Paar der querverlaufenden waagrechten Schienen sowie zum zweiten Paar vertikaler seitlich verlaufender paralleler Schienen angeordnet sind, um zwischen sich eine waagrechte Bewegung (Pfeil Z) längs der Achse Z zu ermöglichen, wobei die Verschiebung (Pfeil Z) des Schlittens mit der Spindel beidseits der Ebene P(x, y) erfolgt. Die spezielle Architektur dieser Maschine bietet eine im wesentlichen symmetrische Konfiguration, die es insbesondere erlaubt:

– die Fläche für den Zugang und/oder den Freistich auf der linken oder der rechten Seite der Maschine anzuordnen,
– mehrere Maschinen seitlich aneinander anzuschließen,
– eine reduzierte Fundamentfläche in der Größenordnung von 1600 mm Breite zu erreichen, die eine Integration der Maschine in eine Weiterschalteinheit mit einer Schrittgröße von 800 mm ermöglicht,
– etc....

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der vertikale Tisch und der Spindelkasten, die die Abstützung der beiden Führungsschienenpaare längs der beiden Achsen Y und Z sichern, aus Aluminium gestaltet, was, ganz im Sinne einer sehr ausgeglichenen Beziehung zwischen der Gewichtsreduzierung der beweglichen Massen und der Steifigkeit der Anordnung der beweglichen Struktur, es erlaubt, erhöhte Beschleunigungen der beweglichen Massen zu erreichen.
Die spezielle Architektur der drei Schienenpaare, die die Beweglichkeit der Organe längs der drei Achsen X, Y und Z der logischen Struktur dieser Werkzeugmaschine bestimmen, ist darüberhinaus besonders geeignet für die Anwendung von Linearmotoren anstelle von Drehmotoren, um die wechselnden gradlinigen Verschiebungen der beweglichen Organe längs den drei Achsen X, Y und Z auszuführen, was insgesamt eine sehr enge Anordnung der Führungsschienen und der nämlichen Linearmotoren ermöglicht.
Um die Anforderungen der Bearbeitung mit großer Geschwindigkeit weiterhin zu berücksichtigen, ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Ausdehnungen und Kontraktionen der Materialen aufgrund von Temperaturänderungen maximal zu begrenzen.
Obwohl die prinzipiellen, als neu betrachteten Aspekte der Erfindung im Vorhergehenden in einer sehr elementaren Form ausgedrückt wurden, so werden weitere Details in Verbindung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Werkzeugmaschine mit einem Spindelantrieb, die die fundamentalen Konzepte der Erfindung berücksichtigt, näher erläutert in Bezug auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit der ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung. In dieser stellen dar:
1 eine perspektivische Ansicht einer Werkzeugmaschine mit einem in einer vertikalen Ebene angeordneten zu bearbeitenden Werkstück;
2 eine perspektivische Ansicht, teilweise in Explosionsdarstellung des Antriebsstandes einer solchen Maschine, um deren Umkleidung fortgelassen ist;
3 eine Seitenansicht desselben Antriebsstandes;
4 eine perspektivische Ansicht einer solchen Maschine mit Einrichtungen, um Änderungen der Temperatur in der logischen Struktur zu begrenzen.
Wie man aus der Darstellung der 1 entnehmen kann, ist der Antriebsstand P1 einer Werkzeugmaschine mit hoher Geschwindigkeit, die mit dem Bezugszeichen M verbunden ist, in der Anordnung zwischen einem nicht dargestellten Bearbeitungsstand P2 mit dem in Drehbewegung angetriebenen Werkzeug zur Bearbeitung des Werkstückes und einem Steuerstand P3 gelegen, der mit dem Antriebsstand P2 als Funktion eines Programmes von Befehlen zusammenarbeitet, die vorab aufgestellt wurden, um die unterschiedlichen Phasen der Bearbeitung des Werkstückes zu organisieren und abzuwickeln.
Der Antriebsstand P1 ist in der Darstellung gemäß 2 von seiner Umkleidung befreit, um die logische Struktur der unterschiedlichen, für seine Funktion notwendigen Organe darzustellen und insbesondere derjenigen, die die wechselnden gradlinigen Verschiebungen (Doppelpfeile X, Y und Z) des Schlittens 100 sicherstellen, welcher seinerseits die Drehbewegung des von ihm getragenen Werkzeuges sichert.
Gemäß der Erfindung wird die logische Struktur dieses Antriebsstandes P1 durch ein Traggestell 200 gebildet (nur teilweise in der Darstellung der 3 gezeigt), das den Aufbau des Standes P1 bildet. Das Traggestell 200 ist mit zwei querverlaufenden Längsträgern 210a und 220a ausgerüstet, die dazu dienen, zwei querverlaufende parallele waagrechte Schienen 210 und 220 abzustützen und zwischen ihnen eine Durchgangsöffnung 230 quer zu dem Aufbau zu begrenzen. Die beiden querverlaufenden Schienen 210 und 220 sind entsprechend dem Grundkonzept der Erfindung in einer vertikalen Ebene P(x, y) angeordnet, um längs einer waagrechten Querbewegung längs der Achse X ein Verschieben (symbolisiert durch den Doppelpfeil X) eines vertikalen Tisches 300 zu ermöglichen. Der Tisch bildet einen Tragrahmen und ist seitlich von zwei seitlichen Trägern 310a, 320a begrenzt, die ein Paar von seitlichen parallelen Schienen 310 und 320 abstützen, wobei zwischen diesen eine Durchgangsöffnung 330 quer zu dem Tragrahmen 300 freigelassen ist, die ihrerseits mit der Öffnung 230 des Aufbaus 200 kommuniziert. Dieses seitliche Schienenpaar 310 und 320 des Tisches 300 ist senkrecht zu dem ersten Paar der querverlaufenden Schienen 210 und 220 des Aufbaues angeordnet, um längs einer vertikalen Bewegung entlang der Achse Y die Verschiebung (symbolisiert durch den Doppelpfeil Y) eines beweglichen Spindelkastens 400 zu ermöglichen. Dieser Spindelkasten kann ebenfalls in der vertikalen Ebene P(x, y) in zwei Richtungen bewegt werden, wobei eine Richtung (Pfeil X) durch die Bewegungsrichtung des vertikalen Tisches 300 entlang der querverlaufenden und mit dem Tragrahmen 200 fest verbundenen Schienen 210 und 220 bestimmt ist und die andere Bewegung (Pfeil Y) durch die Bewegungsrichtung des Spindelkastens 400 entlang der mit dem Tisch 300 verbundenen seitlichen Schienen 310 und 320 bestimmt ist.
Der Spindelkasten 400 ist darüberhinaus durchdrungen von dem Spindelschlitten 100, der in diesen längs einer waagrechten Längsbewegung entlang der Achse Z längs der zwei longitudinalen waagrechten Schienen 410 und 420 gleitet (Doppelpfeil Z), die im Inneren des Schlittenkastens 400 gelegen sind und an denen der Schlitten 100 aufgehängt ist.
Eine besondere Anordnung der Erfindung liegt darin, den Spindelkasten 400 in den zentralen Öffnungen 230 und 330 des Traggestells 200 bzw. des vertikalen Tisches 300 anzuordnen, wie es aus der Darstellung der 3 offensichtlich ist, derart, dass der Schlitten 100 entlang der Achse Z von einer bis zur anderen Seite der vertikalen Ebene P(x, y) gleiten kann. Auf diese Weise wird die Bewegung des Schlittens 100 längs den drei Bewegungsrichtungen, die durch die Pfeile X, Y und Z dargestellt sind, mit einer maximalen Feineinstellung der beweglichen Massen (Schlitten 100, Spindelkasten 400, vertikaler Tisch 300) in Bezug auf die vertikale Ebene P(x, y) bewirkt, die die beiden Schienenpaare 210, 220 und 310, 320 begrenzen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den vertikalen Tisch 300 und den Spindelkasten 400 in Aluminium auszubilden, was die Gewichtsreduzierung dieser beiden beweglichen Massen erhöht und gleichzeitig eine ausreichende Steifheit der Anordnung der beweglichen Struktur berücksichtigt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Bewegung der unterschiedlichen wechselnden gradlinigen Verschiebungen (Pfeile X, Y und Z) der beweglichen Organe (Tisch 300, Spindelkasten 400 und Schlitten 100) mit Hilfe von Linearmotoren 500 sicherzustellen, die üblicherweise (einer oder zwei pro Verschiebung) angeordnet sind, um die Kinematik dieser Organe unter besten Bedingungen zu ermöglichen.
Zum Beispiel wird der Tisch 300 vorzugsweise (Pfeil X) entlang der querverlaufenden Schienen 210 und 220 über den querverlaufenden unteren Längsträger 210a mit Hilfe eines einzigen Linearmotores 500 verschoben, der auf dem Niveau der unteren Schiene 210 installiert ist. Die Schienen 210 und 220 sind fest mit dem Aufbau 200 verbunden, wobei ein Motor ausreicht, um die Verschiebungen entlang der Achse X auszuführen. Vorzugsweise ist die obere Schiene 220, die als Führung dient, ohne festen Halt auf dem Ansatz auf dem oberen querverlaufenden Längsträger 220a des Aufbaus 20 montiert, um Ausdehnungsunterschiede zwischen dem Stahl der Schiene 220 und dem Aluminium des Tisches 300 zu ermöglichen.
Der Spindelkasten 400 wird seinerseits entlang der Schienen 310 und 320 des Tisches 300 mit Hilfe von zwei Linearmotoren 500 bewegt (Pfeil Y) die gegenüberliegend auf den beiden seitlichen Säulen 320a und 320b des Tisches 300 auf beiden Seiten der zentralen Öffnung 330 montiert sind. Um die aufsteigenden Bewegungen längs der Achse Y des Spindelkastens 400 zu erleichtern, ist ein Ausgleichszylinder 340 (siehe 3) genau in einem Flansch 350 (siehe 2) eingesteckt, welcher der oberen Traverse des Tisches 300 zugeordnet ist, um die Schwerkraft der beweglichen Masse des Spindelkastens einschließlich des Schlittens und der Spindel zu kompensieren.
Schließlich wird der Schlitten 100 entlang der längs verlaufenden Schienen 410 und 420 des Spindelkastens 400 mit Hilfe von zwei Linearmotoren 500 bewegt (Pfeil Z), die einander gegenüberliegen und unterhalb der Führungsschienen gelegen sind und so die magnetischen Anziehungskräfte und die thermischen Deformationen über die Achse Z in der Mitte des Schlittens ausgleichen, wo der Schwerpunkt, die Resultierende der Antriebskraft des Motors und die Resultierende der Druckkraft des drehenden Werkzeuges auf dem Schlitten 100 zusammenfallen. Nach einer speziellen Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die längsverlaufenden Führungsschienen 410 und 420 sowie die Sekundärblöcke 510 der Linearmotoren 500, die dem Spindelkasten 400 zugeordnet sind, über die gesamte Länge des letzteren, während Gleitstücke 110 und 120 und die Primärblöcke 520 der den Schlitten 100 zugeordneten Linearmotoren sich nur über einen hinteren Abschnitt 100a des letzteren erstrecken. Diese Anordnung ist insbesondere vorteilhaft, da sie eine Struktur mit einer konstanten Auskragung erlaubt, d. h., dass aufgrund der Anordnung der Schienen und der Linearmotoren die Belastung stets die gleiche auf dem Niveau der Schienen ist im Gegensatz zu Anordnungen anderer Gleiteinrichtungen auf den Schienen, die eine wachsende Auskragung aufweisen, die proportional dem Lauf des Schlittens ist, was schwierig zu berechnen ist und sich auf die Qualität der Präzision der Bearbeitung auswirkt.
Wie in der Darstellung der 4 gezeigt, ist der hintere Abschnitt 100b des Schlittens 100 frei von Antriebsorganen und durchstößt eine vertikale teleskopierbare Stirnwand 600, die den Bewegungen des Schlittens 100 folgt und den Antriebsstand P1 von dem Bearbeitungsstand P2 trennt. Die Tatsache, dass der Bereich 100b des Schlittens, der sich in dem Bearbeitungsstand P2 verschiebt, frei von Führungsorganen ist, erlaubt es, den Raumbedarf des beweglichen Organes 100 in diesem Stand zu verringern, wodurch sichergestellt wird, dass mehr Platz für andere Elemente, die auf diesem gelegen sind, vorhanden ist, so z. B. für das zu bearbeitende Werkzeug, den Werkstücktisch oder das Werkzeugmagazin. Das Nichtvorhandensein von Antriebsorganen erlaubt es zu vermeiden, dass die Späne und die Kühlflüssigkeiten oder Absaugflüssigkeiten für die Splitter nicht in Kontakt mit den Organen kommen, die, wie die Linearmotoren, sehr empfindlich sind. Gemäß einer besonders vorteilhaften Wahl der Anmelderin weist der vordere Abschnitt 100b des Schlittens 100 eine zylindrische Form auf und durchsetzt eine kreisförmige in der teleskopischen Stirnwand 600 vorgesehene Öffnung 610. Diese Anordnung vereinfacht wesentlich die notwendigen Abdichtungen für die Verbindung des Schlittens 100 mit der vertikalen teleskopischen Stirnwand. Auf diese Weise ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Abdichtung der Gleitverbindung zwischen dem Schlitten 100 und der teleskopischen Stirnwand 600 durch eine kreisförmige Dichtung (nicht dargestellt) gewährleistet.
Die Symmetrie und die senkrechte Ausrichtung der logischen Struktur, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegen, haben den Vorteil, die Steifigkeit der Anordnung zu verbessern, immer, um eine optimale Steifigkeit der Struktur zu erreichen, die eine Anzahl von dazwischenliegenden Platten 700 aufweist, die um die logische Struktur angeordnet sind, derart, um eine enge thermische Umkleidung zu binden. Tatsächlich haben Temperaturänderungen negative Konsequenzen auf die Präzision der Bearbeitung. Da die Vorschriften für Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit eine Präzision im Bereich eines Mikron fordern, ist es speziell vorteilhaft, ein adiabatisches System zu schaffen, um jede Ausdehnung oder jedes Zusammenziehen der die logische Struktur bildenden Materialen zu vermeiden, so klein sie auch sein mögen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Platten 700, die die thermische Umkleidung bilden, auf ihrer äußeren Oberfläche mit einer weißen Farbe bedeckt, die das Licht maximal reflektiert, um die Absorption von Wärme über diese Platten zu verringern und ebenfalls die Temperaturänderungen zu begrenzen.
Um die auf interne Elemente der Struktur wirkenden Temperaturänderungen oder Temperaturbedingungen, die die Kapazitäten der Isolation der Umkleidung übersteigen, zu mildern, trägt diese (nicht dargestellte) Einrichtungen, um Wärmemengen aufzunehmen und abzuführen, derart, dass eine konstante Temperatur im Inneren der Umkleidung eingehalten wird.
Selbstverständlich hat die Maschine, die oben beschrieben und dargestellt wurde, eine gute Aussicht für eine Verbreitung mehr als für eine Beschränkung. Selbstverständlich könnten verschiedene Anordnungen, Modifikationen und Verbesserungen auf das obige Beispiel im Rahmen der Erfindung angewandt werden, wie diese in den Ansprüchen definiert ist.
Ebenso kann, wie oben in der Anmeldung erwähnt, die Bearbeitungsebene für die Werkstücke waagrecht angeordnet werden, derart, dass die Ebene P(x, y) der beiden ersten Achsen X und Y waagrecht betrachtet wird und die Ebene P(x, z) der dritten Achse Z vertikal. In diesem Fall der Ausbildung würde der Ausgleichszylinder auf dem beweglichen Schlitten vertikal eingesetzt.
Zum besseren Verständnis der Zeichnung ist eine Liste der Bezugszeichen mit deren Legende im Folgenden aufgeführt.

M: Werkzeugmaschine mit Spindelantrieb
P1: Antriebsstand
P2: Bearbeitungsstand
P3: Steuerstand
100: Schlitten mit Spindelantrieb
100a: hinterer Abschnitt des Schlitten mit Spindelantrieb
100b: vorderer Abschnitt des Schlitten mit Spindelantrieb
110, 120: Gleitschienen für den Schlitten mit Spindelantrieb
200: Traggestell
210a, 220a: quer verlaufende Längsträger des Aufbaus
210, 220: quer verlaufende Führungsschienen des Aufbaus
230: Durchgangsöffnung in dem Traggestell 200
300: vertikaler, den Tragrahmen bildender Tisch
310a, 320a: seitliche Träger des Tisches 300
310, 320: seitliche Führungsschienen des Tisches 300
330: Durchgangsöffnung in den Tisch 300
340: Ausgleichszylinder
350: Halteflansch für den Ausgleichszylinder V
400: Spindelkasten
410, 420: längs verlaufende Führungsschienen für den Spindelkasten 400
500: Linearmotoren
510: Sekundärblöcke der Linearmotoren
520: Primärblöcke der Linearmotoren
600: teleskopische Stirnwand
610: kreisförmige Öffnung für den Durchgang des Schlittens
700: Platten, die eine thermische Schutzumkleidung bilden
Pfeil X: Bewegung längs der Achse X
Pfeil Y: Bewegung längs der Achse Y
Pfeil Z: Bewegung längs der Achse Z

Claims

Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschine mit Spindelträger, bei der die Antriebsstation (P1) eine Struktur des Aufbaus aufweist, welche die Verschiebungen eines Spindelträger-Schlittens (100) entlang der drei Achsen X, Y und Z ermöglicht und die aus einem feststehenden Aufbau besteht, der ein Traggestell (200) aufweist, welches in einer senkrechten Ebene P(x, y) ausgerichtet ist sowie aus einem Paar waagrechter parallel zueinander in Querrichtung angeordneter Schienen (210 und 200), welche zwischen sich eine waagrechte Querbewegung entlang der X-Achse ermöglichen sowie das Verschieben eines senkrechten Tisches (300), der einen Tragrahmen bildet, wobei der senkrechte Tisch (300) seitlich durch ein zweites Paar senkrechter seitlicher parallel zueinander angeordneter Schienen (310 und 320) begrenzt wird, die senkrecht zum ersten waagrechten quer verlaufenden Schienenpaar (210 und 220) angeordnet sind, um zwischen sich eine senkrechte Verschiebung entlang der Y-Achse eines Spindelkastens (400) zu ermöglichen, wobei die Struktur im Inneren eines thermischen Schutzraumes beweglich ist, welche eine Anordnung aufweist, um Wärmemengen zuzuführen und abzuführen, sodass eine konstante Temperatur in seinem Inneren herrscht, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelkasten seitlich durch ein drittes Paar waagrechter längs verlaufender Schienen (410 und 420) begrenzt ist, die beidseits der senkrechten Ebene P(x, y) und senkrecht zum ersten waagrechten quer verlaufenden Schienenpaar (210 und 220) angeordnet sind sowie zum zweiten Paar senkrechter seitlich verlaufender parallel zueinander angeordneter Schienen (310 und 320), um zwischen sich das waagrechte Verschieben entlang der Achse Z des Spindelträger-Schlittens (100) zu ermöglichen beidseits der Ebene P(x, y) und dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (100) entlang der beiden waagrechten längs verlaufenden Schienen (410 und 420) des Spindelkastens (400) betätigt wird mittels zweier Linearmotoren (500), die einander gegenüberliegen und unterhalb der längs verlaufenden Führungsschienen (410 und 420) angeordnet sind, von denen der Schlitten getragen wird.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Traggestell (200) zwei Querbalken (210a und 220a) aufweist zur Abstützung der beiden waagrechten quer verlaufenden Führungsschienen (210 und 220) für den Tisch (300) entlang der Achse X, wobei sie zwischen sich eine Durchlaßöffnung (230) für den Spindelkasten (400) begrenzen quer zum Traggestell (200) und dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Tisch (300) zwei seitliche Stützen (310a und 320a) aufweist, die zur Abstützung der beiden senkrechten längs verlaufenden Führungsschienen (310 und 320) für den Spindelkasten (400) entlang der Y-Achse dienen, wobei sie zwischen sich eine Durchlaßöffnung (330) für den Spindelkasten (400) durch den Tisch (300 begrenzen.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgleichszylinder (340) in einen Flansch (350) genau eingesteckt ist, welcher der oberen Traverse des Tisches (300) zugeordnet ist, um die Schwerkraft der beweglichen Masse des Spindelkastens (400) einschließlich des Schlittens (100) und der Spindel zu kompensieren.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beweglichkeit der verschiedenen geradlinigen hin- und hergehenden Verschiebungen des Tisches (300) des Spindelkastens (400) und des Schlittens (100) gewährleistet wird durch Linearmotoren (500) für jede der Verschiebungen.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Tisch (300) entlang der beiden waagrechten quer verlaufenden Schienen (210 und 220) bewegt wird mittels eines einzigen Linearmotors (500), der auf Höhe des unteren Balkens (210a) für die untere Schiene (210) angeordnet ist, wobei die obere Schiene (220) als Führung dient, die ohne positive Abstützung auf dem Steg des oberen Querbalkens (220a) angeordnet ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Abschnitt (100b) des Schlittens (100) frei von Antriebsteilen ist und eine teleskopische Stirnwand (600) durchsetzt entsprechend den Bewegungen des Schlittens, wobei sie die Antriebsstation von der Bearbeitungsstation trennt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Spindelkasten (400) entlang der beiden senkrechten quer verlaufenden Schienen (310 und 320) des Tisches (300) betätigt wird mittels zweier Linearmotoren (500), die einander gegenüberliegend auf den beiden seitlichen Stützen (320a und 320b) des Tisches (300) beidseits der mittigen Öffnung (330) angeordnet sind und dadurch gekennzeichnet, dass die genannten längs verlaufenden Führungsschienen (410 und 420) sowie die Sekundärblöcke (510) der beiden Linearmotoren (500) des Spindelkastens (400) sich über die gesamte Länge des Spindelkastens (400) erstrecken, während Gleitstücke (110 und 120), die entlang der Schienen und der Primärblöcke (520) der gleichen Linearmotoren verschiebbar sind, dem Schlitten (100) entlang eines hinteren Abschnitts (100a) zugeordnet sind.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Abschnitt (100b) des Schlittens (100) eine zylindrische Form aufweist und eine kreisförmige in der teleskopischen Stirnwand (600) vorgesehene Öffnung durchsetzt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung der Gleitverbindung zwischen dem Schlitten (100) und der teleskopischen Stirnwand (600) durch eine kreisförmige Dichtung gewährleistet ist.