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Die Erfindung betrifft eine Linearvorschubeinheit für Präzisionsmaschinen, insbesondere für CNC-Anwendungen, oder Handlingssysteme.
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Präzisionsmaschinen mit einer Linearschubeinheit oder mehreren Linearvorschubeinheiten zur Bereitstellung von Bewegungen in mehreren Achsen sind generell aus dem Stand der Technik bekannt. Bei solchen Mehrachsmaschinen werden Linearvorschubeinheiten direkt an einem Maschinengestell montiert oder es setzen die Linearvorschubeinheiten aufeinander auf, womit verbunden ist, dass Linearvorschubeinheiten nachfolgender Achsen in ihrer Gesamtheit von der oder den vorgelagerten Achsen bewegt werden.
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Die Linearvorschubeinheiten derartiger Präzisionsmaschinen können nach dem Stand der Technik auch aus Granit ausgeführt sein, wobei die Granitbasis zur Aufnahme insbesondere der Führungselemente für ein Läuferelement oder eine Mehrzahl von Läuferelementen dient. Die Vorteile von Granit als Werkstoff zur Bereitstellung der Basis liegen insbesondere in einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, günstigen vibrations- bzw. schwingungsdämpfenden Eigenschaften, der erreichbaren hohen Steifigkeit sowie der sehr exakten Bearbeitbarkeit. Nachteilig ist die relativ geringe Festigkeit sowie die Bruchanfälligkeit bei Punktlasten.
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Zur Bereitstellung einer höchstmöglichen Vibrations- und Schwingungsreduzierung ist es weiterhin bekannt, bei Präzisionsmaschinen mit Linearvorschubeinheiten, die Granitbasis möglichst groß und somit massereich auszuführen, da sich die große Masse zusätzlich positiv auf das Vibrations- und Schwingverhalten sowie auf die Standsicherheit einer derartigen Präzisionsmaschine, beziehungsweise deren Linearvorschubeinheiten, auswirkt.
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Insbesondere wenn die Linearvorschubeinheit an einer bewegten Achse angeordnet ist, ergeben sich durch die Ausbildung der Basis aus Granit jedoch Nachteile.
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Aufgrund der großen Masse der Basis sind in einem solchen Fall zum einen große Kräfte notwendig, um die bewegte Achse mit der Linearvorschubeinheit zu beschleunigen, beziehungsweise diese abzubremsen. Ferner müssen die Führungen den Massen und Beschleunigungskräften angepasst sein. Aufgrund der hohen Beschleunigungskräfte reduzieren sich die fahrbaren Bearbeitungsgeschwindigkeiten, beziehungsweise die bereitstellbare Dynamik derartiger Vorrichtungen. Es ergibt sich somit bei den bekannten Vorrichtungen ein Zielkonflikt zwischen einer möglichst hohen Präzision und einer möglichst hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit und/oder Dynamik.
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Durch die massereiche Ausführung der Granitbasis ergibt sich bei den bekannten Präzisionsmaschinen weiterhin der Nachteil, dass diese ein sehr hohes Eigengewicht aufweisen und dadurch zum einen nur sehr schwer zu transportieren und aufzustellen sind. Zum anderen kann eine derart schwere Präzisionsmaschine nur an speziell dafür vorbereiteten Standorten aufgestellt werden. Bei einer gewünschten Aufstellung in einem Obergeschoss eines Gebäudes kann sich hierbei zum Beispiel das Problem der nicht ausreichenden Traglast des Bodens ergeben, wodurch ein Aufstellen der Präzisionsmaschine oder deren Einbringung in die Räumlichkeiten unter Umständen verhindert wird.
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Darüber hinaus sind bekannte Präzisionsmaschinen mit Linearvorschubeinheiten und einer massiven Granitbasis in der Regel verhältnismäßig teuer.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik, eine Linearvorschubeinheit für eine Präzisionsmaschine bereitzustellen, welche bei einem niedrigen Eigengewicht hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hoher Präzision und größtmöglicher Schwingungsreduzierung bereitstellt und welche kostengünstig herstellbar ist.
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Die Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Linearvorschubeinheit weist eine Präzisionsstruktur, eine Stabilisierungsstruktur sowie eine Verbindungsschicht auf.
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Die Präzisionsstruktur erstreckt sich erfindungsgemäß in Längsrichtung, parallel zur Verfahrachse eines Läuferelements der Linearvorschubeinheit, und wird erfindungsgemäß durch ein nicht duktiles Material gebildet, welches zum einen schwingungs- und wärmedehnungsverminderte Eigenschaften aufweist und welches zum anderen, beispielsweise durch Planfräsen oder Planschleifen, sehr exakt bearbeitet werden kann. Erfindungsgemäß kommen hierfür insbesondere harte Materialien mit einem E-Modul größer 50·109 N/m2 zum Einsatz. Die Präzisionsstruktur weist damit eine hohe Steifigkeit auf.
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Die Stabilisierungsstruktur erstreckt sich erfindungsgemäß parallel zu der Präzisionsstruktur und dient in erster Linie dem Aufnehmen und Ableiten auftretender Kräfte, welche auf die Präzisionsstruktur und/oder auf die Stabilisierungsstruktur selbst einwirken, sowie zur Stabilisierung der Präzisionsstruktur. Als Materialien für die Stabilisierungsstruktur können erfindungsgemäß sowohl nicht duktile als auch duktile Werkstoffe zur Anwendung kommen.
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Erfindungsgemäß ist die Verbindungsschicht als dauerelastische Verbindungsschicht ausgebildet, durch welche die Präzisionsstruktur erfindungsgemäß, an mindestens einer ihrer Längsseiten, schwimmend mit der Stabilisierungsstruktur verbunden ist.
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Unter einer schwimmenden Verbindung wird hierbei verstanden, dass durch die Verbindungsschicht eine insbesondere großflächige, feste und dennoch elastische Verbindung zwischen der Präzisionsstruktur und der Stabilisierungsstruktur bereitgestellt wird, welche zum einen besonders vorteilhaft eine Übertragung von Punktlasten von der Stabilisierungs- auf die Präzisionsstruktur vermeidet und welche zum anderen eine schwingungstechnische Entkopplung der Präzisionsstruktur von der Stabilisierungsstruktur bewirkt. Gleichzeitig wird ein unterschiedliches Ausdehnen der beiden Strukturen bei Wärmeeinwirkung ermöglicht.
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Insbesondere durch das Ermöglichen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen wird es als besonderer Vorteil vermieden, dass es durch eine wärmebedingte Ausdehnung der Stabilisierungsstruktur zu übermäßigen Spannungen in der Präzisionsstruktur kommt, durch welche eine bimetallartige Verbiegung bewirkt oder die Präzisionsstruktur unter Umständen beschädigt werden könnte.
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Die schwimmende Verbindung kann erfindungsgemäß sowohl durch die Verbindungsschicht allein, als auch durch zusätzliche mechanische Verbindungselemente bereitgestellt werden. Hierbei sind die zusätzlichen mechanischen Verbindungselemente so ausgebildet, dass durch diese die schwingungstechnische Entkopplung der Präzisionsstruktur von der Stabilisierungsstruktur sowie deren unterschiedliche Längendehnung bei Wärmeeinwirkung nicht unterbunden werden. Des Weiteren sind die mechanischen Verbindungselemente so ausgebildet, dass sich auch zwischen diesen und der Präzisionsstruktur keine kritischen punktförmigen Lastübertragungen einstellen können. Als von der Erfindung mit umfasst wird es betrachtet, die schwimmende Verbindung mit einer zumindest abschnittweise gleitenden Verbindungsschicht bereit zu stellen.
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Es wurde gefunden, dass es durch die dauerelastische Verbindungsschicht als besonderer Vorteil ermöglicht wird, unter Aufrechterhaltung der durch die Präzisionsstruktur bereitgestellten besonders vorteilhaften Eigenschaften zugleich die Festigkeit der Stabilisierungsstruktur zu nutzen.
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Somit kann als besonderer Vorteil gegenüber solchen aus dem Stand der Technik bekannten Linearvorschubeinrichtungen, welche ausschließlich durch eine Präzisionsstruktur gebildet werden, die erfindungsgemäße Präzisionsstruktur mit wesentlich geringeren Materialstärken und damit mit wesentlich geringerem Gewicht, bei gleichzeitiger Erhaltung oder Verbesserung der Festigkeit und mit wesentlich verbesserter Stoßunempfindlichkeit, ausgebildet werden.
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Speziell wenn eine erfindungsgemäße Linearvorschubeinheit an einer bewegten Achse angeordnet ist, ermöglicht das geringere Gewicht darüber hinaus eine Verringerung der, für das Bewegen und Abbremsen der bewegten Achse mit der Linearvorschubeinheit notwendigen, Kräfte sowie höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei einer gleichzeitig sehr hohen Präzision.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht die Präzisionsstruktur der Linearvorschubeinheit aus Granit oder Polymerbeton.
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Sowohl Granit als auch Polymerbeton weisen zum einen ein sehr geringes Eigenschwing- und Wärmedehnungsverhalten auf, zum anderen zeichnen sie sich durch eine erreichbare hohe Steifigkeit der Präzisionsstruktur und eine sehr exakte Bearbeitbarkeit aus. Die exakte Bearbeitbarkeit der Werkstoffe ermöglicht in diesem Zusammenhang sowohl ein sehr präzises Vorbereiten und. Anpassen der Oberfläche der Präzisionsstruktur, beispielsweise an ein darauf anzuordnendes Läuferelemente der Linearvorschubeinheit, als auch die Vermeidung von späteren Ungenauigkeiten innerhalb eines Arbeitsvorgangs des Läuferelements durch dessen ungenaue Anordnung und Positionierung auf der Präzisionsstruktur.
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Des Weiteren wird durch die Verwendung von Granit oder Polymerbeton, insbesondere bei einer mechanischen Werkstückbearbeitung, ein Aufschwingen der Präzisionsstruktur und somit des Läuferelements verhindert. Eine erfindungsgemäße Linearvorschubeinheit ermöglicht dadurch, beispielsweise bei deren Verwendung mit einem Läuferelement und einer an diesem angeordneten zerspanenden Einrichtung, wie einem Fräs- oder Schneidkopf, ein überaus exaktes Bearbeiten eines Werkstücks unter Vermeidung negativer Einflüsse durch Vibrationen oder einer Wärmedehnung. Die hohe Steifigkeit von Granit oder Polymerbeton sichert eine nur sehr geringe Verformung der Linearvorschubeinheit, auch wenn hohe Gegenkräfte des Fräs- oder Schneidkopfes aufgenommen werden müssen.
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Zur Verwendung einer erfindungsgemäßen Linearvorschubeinheit mit einem Läuferelement, beispielsweise zur Werkstückbearbeitung, sind in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung an der Präzisionsschicht Führungseinrichtungen des Läuferelements angeordnet.
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Bei den Führungseinrichtungen handelt es sich in erster Linie um Führungsschienen, wobei diese insbesondere an der der Stabilisierungsstruktur gegenüberliegenden Seite der Präzisionsstruktur angeordnet sind. Die Erfindung beschränkt sich in diesem Zusammenhang jedoch nicht auf die Ausbildung der Führungseinrichtungen als Führungsschienen, vielmehr können hierbei auch andere Elemente, welche sich zur Führung eines entsprechenden Läuferelements eignen, eingesetzt werden.
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Es wurde gefunden, dass sich bei einer erfindungsgemäßen Anordnung der Führungseinrichtungen an der Präzisionsstruktur, deren positive Eigenschaften, speziell hinsichtlich des Schwingungsverhaltens, besonders vorteilhaft auf die Führungseinrichtungen übertragen und somit ein besonders exakter Sitz der Führungseinrichtungen innerhalb der Linearvorschubeinheit gewährleistet ist, weil die Präzisionsstruktur weitgehend das Auftreten von Schwingungen, von Verformungen bei Krafteinwirkungen, oder übermäßige Wärmedehnung verhindert.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Linearvorschubeinheit sieht vor, dass ein Messsystem zur Erfassung der Position des von der Linearvorschubeinheit geführten Läuferelements an der Präzisionsstruktur angeordnet ist. Ein derartiges Messsystem ermöglicht, beispielsweise während einer Werkstückbearbeitung oder einem Kalibrierungsvorgang, jederzeit eine exakte Positionsbestimmung des Läuferelements an der Linearvorschubeinheit. Des Weiteren ermöglicht das Messsystem eine exakte Positionierung des Läuferelements, zum Beispiel gegenüber einem zu bearbeitenden Werkstück.
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Die erfindungsgemäße Anordnung des Messsystems an der Präzisionsstruktur ist insbesondere aufgrund deren geringen Wärmedehnungsverhaltens vorteilhaft. Die Beeinflussung des Messsystems durch eine unerwünschte Positionsänderung infolge einer Wärmedehnung wird minimiert.
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In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung besteht die Stabilisierungsstruktur der Linearvorschubeinheit aus einem Leichtbauwerkstoff.
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Als Leichtbauwerkstoffe kommen hierbei insbesondere Aluminium oder auch faserbewehrte Kunststoffe, wie beispielsweise GFK oder CFK zum Einsatz, wobei sich die Werkstoffe in jedem Fall durch ihr geringes Eigengewicht auszeichnen.
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Die Bereitstellung einer Verbundkonstruktion aus einer schwingungs- und wärmedehnungsminimierten Präzisionsstruktur und einer Leichtbaustabilisierungsstruktur bringt den technologischen Vorteil der Erfindung gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen, nämlich das Bereitstellen einer besonders leichten und dennoch vibrations- und schwingungsoptimierten Linearvorschubeinheit für eine Präzisionsmaschine, besonders wirkungsvoll zur Geltung.
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Insbesondere durch die Verwendung von Aluminium für die Stabilisierungsstruktur können darüber hinaus die Herstellungskosten für eine erfindungsgemäße Linearvorschubeinheit gesenkt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Stabilisierungsstruktur so ausgebildet, dass diese die Präzisionsstruktur an drei ihrer Längsseiten umfasst. Das sich so ausbildende U-Profil der Stabilisierungsstruktur wirkt sich zum einen stabilitätserhöhend auf die Stabilisierungsstruktur auf.
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Zum anderen wird es durch die aufgeführte. Ausbildung der Stabilisierungsstruktur besonders vorteilhaft ermöglicht, dass die Verbindungsschicht auch zwischen zwei weitere Längsseiten der Präzisionsstruktur und den korrespondierenden Flächen der Stabilisierungsstruktur eingebracht werden kann. Die Präzisionsstruktur kann auf diese Weise mit einfachen Mitteln rahmenartig gefasst werden. Somit können durch die bereitgestellte Verbundkonstruktion höhere Lasten und Kräfte aufgenommen werden, wobei der Gefahr eines zumindest lokalen Ablösens der Präzisionsstruktur von der Stabilisierungsstruktur begegnet wird.
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Die Stabilisierungsstruktur einer erfindungsgemäßen Linearvorschubeinheit ist in einer bevorzugten Weiterbildung mit mindestens einem Halteelement verbunden.
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Mittels eines solchen Halteelements ist die Linearvorschubeinheit über die Stabilisierungsstruktur beispielsweise an einem Maschinengestell einer Präzisionsmaschine oder an einer weiteren verfahrbaren Achse einer solchen Präzisionsmaschine angeordnet und überträgt dort Kräfte.
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Die Anordnung der Stabilisierungsstruktur an dem mindestens einen Halteelement in Kombination mit der dauerelastischen Verbindungsschicht zwischen der Stabilisierungs- und der Präzisionsstruktur, ermöglicht auf besonders vorteilhafte Weise die feste Anordnung der Linearvorschubeinheit an weiteren Elementen einer Präzisionsmaschine, ohne dabei ein unerwünschtes, punktförmiges Einleiten von Kräften oder Lasten direkt in die Präzisionsschicht zu generieren.
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Eine ebenso vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass die Präzisionsstruktur selbst mit mindestens einem Halteelement verbunden ist.
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Auch in diesem Fall dient ein solches Halteelement zur Anordnung der Linearvorschubeinheit, insbesondere an einem Maschinengestell oder einer verfahrbaren Achse einer Präzisionsmaschine.
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Bei einer solchen direkten Anordnung der Präzisionsstruktur an dem mindestens einen Halteelement übernimmt die Stabilisierungsstruktur lediglich eine unterstützende Funktion für die Präzisionsstruktur, insbesondere bei auftretenden Zug- oder Biegelasten.
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Die Anordnung der Präzisionsstruktur an dem Halteelement bietet sich je nach Anwendungsfall insbesondere dann an, wenn die Präzisionsstruktur sehr exakt gegenüber den Halteelementen positioniert werden soll und die Stabilisierungsstruktur vergleichsweise sehr steif ausgebildet werden kann.
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Hierdurch kann insbesondere das Gewicht einer erfindungsgemäßen Linearvorschubeinheit weiter gesenkt werden.
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Die Verbindung zwischen der Präzisionsstruktur und dem mindestens einen Halteelement wird in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung durch eine weitere dauerelastische Verbindungsschicht realisiert.
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Die weitere dauerelastische Verbindungsschicht weist vorzugsweise die gleichen Eigenschaften auf wie die Verbindungsschicht zwischen der Präzisions- und der Stabilisierungsstruktur und wird ebenfalls großflächig zwischen der Präzisionsstruktur und dem mindestens einen Halteelement aufgebracht.
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Es ergibt sich somit auf besonders vorteilhafte Weise eine schwingungsoptimierte Anbindung der Präzisionsstruktur an das Halteelement, welche eine unterschiedliche Wärmedehnung der Präzisionsstruktur gegenüber dem Halteelement, bei gleichzeitiger Vermeidung von Punktlasten, ermöglicht.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
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1 Schrägansicht Linearvorschubeinheit mit Läuferelement
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2 vereinfachte Schnittansicht näher erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Linearvorschubeinheit in einer Schrägansicht.
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Dabei weist die Linearvorschubeinheit eine Präzisionsstruktur 1 und eine Stabilisierungsstruktur 2 auf, welche über eine Verbindungsschicht 3 schwimmend miteinander verbunden sind. Weiterhin sind an der, sich in Bewegungsrichtung eines Läuferelements 5 erstreckenden, Präzisionsstruktur 1 Führungseinrichtungen 4 zum linearen Führen des Läuferelements 5 angeordnet. Das Läuferelement 5 dient insbesondere zur Aufnahme von Werkzeugen (nicht dargestellt) für die Werkstückbearbeitung, wie beispielsweise Schneid- oder Fräsköpfe oder zur Aufnahme weiterer Linearvorschubeinheiten (nicht dargestellt). Vorzugsweise weist eine solche weitere Linearvorschubeinheit ebenfalls den erfindungsgemäßen Aufbau auf, wodurch die erfindungsgemäßen Vorteile, insbesondere die hohe Präzision bei vergleichsweise geringer Masse erreicht werden. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen die Präzisionsstruktur 1 aus Granit und die Stabilisierungsstruktur 2 aus Aluminium.
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Granit eignet sich als Material für die Präzisionsstruktur 1 insbesondere aus dem Grund, da Granit zum einen schwingungs- und wärmedehnungsminimierte Eigenschaften aufweist und eine Präzisionsstruktur hoher Steifigkeit ermöglicht zum anderen besonders exakt, beispielsweise durch Planfräsen oder Planschleifen, bearbeitet werden kann. Die Präzisionsstruktur 1 ermöglicht somit auf besonders vorteilhafte Weise eine sehr exakte Anordnung der Führungseinrichtungen 4, wobei die exakte Positionierung der Führungseinrichtungen auf der Präzisionsstruktur 1, durch deren minimierte Wärmedehnung, auch unter Wärmeeinfluss gewährleistet bleibt.
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Die Stabilisierungsstruktur 2 dient erfindungsgemäß zum einen zur Stabilisierung und Unterstützung der Präzisionsstruktur 1 und zum anderen zur Aufnahme und Ableitung auftretender Kräfte, welche durch ein Bewegen des Läuferelements 5 oder eine Positionierung der gesamten Linearvorschubeinheit entstehen.
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Die Verbindungsschicht 3 ist vorliegend durch flächige Verklebung ausgebildet und besteht aus einem dauerelastisch aushärtenden 2-Komponenten-Kleber.
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Die dauerelastische Ausbildung der Verbindungsschicht 3 bewirkt als besonderen Vorteil zum einen eine schwingungstechnische Entkopplung der Präzisionsstruktur 1 von der Stabilisierungsstruktur 2. Zum anderen wird es durch die dauerelastische Verbindungsschicht 3 den beiden Strukturen ermöglicht, eine, ihrem jeweiligen Wärmedehnungskoeffizienten entsprechende, Ausdehnung unter Wärmeeinfluss zu vollziehen. Zu einem derartigen Wärmeeinfluss kann es insbesondere während einer Verwendung der Linearvorschubeinheit im Rahmen einer Werkstückbearbeitung oder durch ungleichmäßige Temperaturen eines Anwendungsumfeldes der Linearvorschubeinheit kommen.
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Durch die Verwendung von Aluminium kann auf besonders vorteilhafte Weise eine sehr leichte und, insbesondere durch die vorliegende Ausbildung als U-Profil, dennoch verwindungssteife Stabilisierungsstruktur 2 bereitgestellt werden, welche erfindungsgemäß mit Halteelementen (nicht dargestellt), zur Montage der Linearvorschubeinheit an einem Maschinengestell (nicht dargestellt) oder einer verfahrbaren Maschinenachse (nicht dargestellt) oder einer weiteren Linearvorschubeinheit (nicht dargestellt), verbunden werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verbinden der Stabilisierungsstruktur 2 mit den Halteelementen ermöglicht eine Einleitung von Kräften, welche beispielsweise bei der Bewegung der gesamten Linearvorschubeinheit entstehen, aus den Halteelementen in die Stabilisierungsstruktur 2 und eine Ableitung von Kräften, welche über die Präzisionsstruktur 1 auf die Stabilisierungsstruktur 2 übertragen werden, aus der Stabilisierungsstruktur 2 in die Halteelemente.
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Durch ein erfindungsgemäß großflächiges Vorsehen der Verbindungsschicht 3 zwischen der Präzisionsstruktur 1 und der Stabilisierungsstruktur 2 werden punktförmige Lasten, welche unter Umständen auf die Präzisionsstruktur 1 einwirken und zu Schäden an dieser führen könnten, wirksam vermieden.
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Durch die Erfindung kann somit eine Linearvorschubeinheit bereitgestellt werden, welche zum einen eine schwingungs- und wärmedehnungsminimierte Präzisionsstruktur 1 aufweist, die über eine zusätzlich schwingungsminimierende, dauerelastische Verbindungsschicht 3 mit einer stabilisierenden und kraftableitenden Stabilisierungsstruktur 2 verbunden ist.
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Gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen kann durch diese Verbundkonstruktion eine besonders leichte und mit geringeren Herstellungskosten behaftete Linearvorschubeinheit für eine Verwendung in einer Präzisionsmaschine bereitgestellt werden, welche stets eine exakte Positionierung des Läuferelements 5 gewährleistet.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Linearvorschubeinheit in einer vereinfachten Schnittdarstellung.
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Hierbei zeigt das Bezugszeichen 1 die Präzisionsstruktur, das Bezugszeichen 2 die Stabilisierungsstruktur und das Bezugszeichen 3 die Verbindungsschicht.
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Die Verbindungsschicht 3 liegt im hier gezeigten Ausführungsbeispiel nur zwischen einer Längsseite der Präzisionsstruktur 1 und einer, mit dieser korrespondierenden, Längsseite der Stabilisierungsstruktur 2 vor.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Präzisionsstruktur
- 2
- Stabilisierungsstruktur
- 3
- Verbindungsschicht
- 4
- Führungseinrichtungen
- 5
- Läuferelement