DE60000169T2

DE60000169T2 - Hochgeschwindigheitsherstellungseinheit für Bearbeitungsvorgänge

Info

Publication number: DE60000169T2
Application number: DE60000169T
Authority: DE
Inventors: Claudio Repossini
Original assignee: Ministero dell Universita e della Ricerca Scientifica e Tecnologica (MURST)
Current assignee: Ministero dell Universita e della Ricerca Scientifica e Tecnologica (MURST)
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2020-08-22
Also published as: ATE217558T1; EP1182004A1; EP1182004B1; ES2173853T3; CA2316570C; DE60000169D1; US6439813B1; CA2316570A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hochgeschwindigkeits- Fertigungseinheiten für spanabhebende Bearbeitungen des Typs, die technische Mittel zum Haltern des gerade bearbeiteten Werkstücks in einer fixierten Position sowie eine Spindel mit einer horizontalen Achse umfasst, welche ein Bearbeitungswerkzeug trägt und in der Weise montiert ist, dass sie sich in einem Spindel- Kopfstück-Bauteil oder einer Pinole dreht, die entlang einer horizontalen Achse Z, parallel zu der Achse der Spindel, und entlang einer horizontalen Achse X senkrecht zu der Achse der Spindel, und entlang einer vertikalen Achse Y verschiebbar ist, wobei die genannte Fertigungseinheit umfasst:
eine feststehende Halterungskonstruktion,
einen ersten Schlitten, der so montiert ist, dass er auf der feststehenden Halterungskonstruktion entlang einer der genannten drei Achsen X, Y, Z gleitet;
einen zweiten Schlitten, der so montiert ist, dass er auf dem genannten ersten Schlitten entlang einer zweiten Achse der genannten drei Achsen X, Y, Z gleitet; und
einen dritten Schlitten, der so montiert ist, dass er auf dem genannten zweiten Schlitten entlang der dritten Achse der genannten drei Achsen X, Y, Z gleitet und mit dem genannten Spindel-Kopfstück-Bauteil oder Pinole verbunden ist.
Eine Fertigungseinheit des vorstehend spezifizierten und im Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 widerum zitierten Typs ist beispielsweise in dem europäischen Patent EP 0 648 574 beschrieben und veranschaulicht, das somit den der Erfindung am nächsten kommenden Stand der Technik darstellt. Eine weitere bekannte Maschine des oben spezifizierten Typs wird in der europäischen Patentanmeldung EP 0 742 072 veranschaulicht.
Diese bekannten Maschinen weisen Eigenschaften wie die auf, dass sie Verschiebungen der Spindel mit hohen Geschwindigkeiten und in Folge dessen hohen Beschleunigungen ermöglichen, so dass eine entsprechend hohe Produktionskapazität erzielt wird. Natürlich bringt in den letzten Jahre der Trend, Maschinen zu konstruieren, die zunehmend schneller und hohen Beschleunigungen ausgesetzt sind, den Zwang mit sich, dass die sich bewegenden Teile der Maschine keine Schieflagen oder Verformungen infolge der Beschleunigungen und Verzögerungen erfahren, denen die Maschine selber unterliegt. Die entsprechenden Belastungen und Beanspruchungen sind natürlich umso größer, je größer die Masse der sich bewegenden Körper ist.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Fertigungseinheit des oben spezifizierten Typs zu schaffen, die einerseits in der Lage ist, mit hohen Geschwindigkeiten und hohen Beschleunigungen zu arbeiten, und die andererseits die erforderlichen Eigenschaften der Steifigkeit und Stabilität garantiert, trotz eines relativ einfachen und leichten Aufbaus.
Im Hinblick auf die Erreichung des genannten Ziels ist der Gegenstand der Erfindung eine Fertigungseinheit, welche die zu Beginn der vorliegenden Beschreibung spezifizierten Charakteristika aufweist; wobei diese Fertigungseinheit weiter dadurch gekennzeichnet ist, dass, wie dies gemäß dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs 1 der Fall ist,
die feststehende Halterungskonstruktion ein Maschinenbett und ein feststehendes Portaltragwerk umfasst, das zwei Seitenständer und ein Oberteil umfasst, welches die Ständer miteinander verbindet;
der genannte erste Schlitten ein Querelement ist, das so montiert ist, dass es entlang der genannten vertikalen Achse Y zwischen den beiden Ständern des feststehenden Portaltragwerks gleitet;
der genannte zweite Schlitten ein Transportschlitten ist, der so montiert ist, dass er unterhalb des genannten Querelements entlang der genannten horizontalen Achse X gleitet; und
der genannte dritte Schlitten, der starr an das Spindel-Kopfstück-Bauteil bzw. an der Pinole angeschlossen ist, so montiert ist, dass er unterhalb des genannten zweiten Schlittens oder Transportelements entlang der genannten horizontalen Achse Z parallel zu der Achse der Spindel gleitet.
Die besondere Abfolge (Y-X-Z), in der die Achsen der Fertigungseinheit kaskadiert sind, beginnend mit der feststehenden Halterungskonstruktion bis herunter bis zum Spindel-Kopfstück-Bauteil, findet sich in keiner einzigen bekannten Baukonstruktion und ermöglicht es, dass eine Reihe von beträchtlichen Vorteilen erzielt werden kann, wie dies aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht.
Bei einer ersten Ausführungsform ist das genannte vertikal bewegliche Querelement mit einer zentralen Säule oder Rippe versehen, die starr mit dem Querelement verbunden ist und sich, beginnend ab der letzteren, nach oben hin erstreckt, wobei die genannte zentrale Säule in einer Gleitbahn durch das genannte Oberteil des feststehenden Portaltragwerks hindurch geführt wird. Zusätzlich ist mindestens ein einzelner elektrischer Linearmotor zum Steuern des vertikal beweglichen Querelements vorgesehen, wobei der genannte Motor ein Statoraggregat umfasst, das auf dem genannten Oberteil des feststehenden Portaltragwerks montiert ist, und weiter ein bewegliches Bauteil, das an der genannten zentralen Säule montiert ist. Um die vertikale Verschiebung des Querelements zu steuern, wird letzteres einer Kraft ausgesetzt, die bei der genannten zentralen Säule in der Mitte des Querelements und in der Mitte des feststehenden Portaltragwerks angesetzt wird. Dies ermöglicht es, die Vibrationen beträchtlich zu verringern, denen das Querelement infolge seiner eigenen Beschleunigungen und Abbremsungen ausgesetzt sein kann.
Bei einer zweiten Ausführungsform fehlt die genannte vertikale Säule oder Rippe, und das Querelement weist zwei vordere laterale Führungen und zwei hintere laterale Führungen auf, die symmetrisch in Bezug auf eine vertikale Ebene angebracht sind, welche durch den Schwerpunkt des Querelements verläuft. In diesem Falle wird das Querelement vorzugsweise durch zwei Paare von elektrischen Linearmotoren gesteuert, von denen jeder einen Stator, der mit einem Ständer des feststehenden Portaltragwerks verbunden ist, und eine bewegliche Einheit aufweist, die mit einer Seite des Querelementes verbunden ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass die Resultierenden der durch die beiden Motorpaare am Querelement angreifenden Kräfte in einer Ebene orthogonal zur Achse Z verlaufen, durch welche die Schwerlinie des Querelements verläuft.
Dank der genannten Merkmale ist es bei den beiden oben beschriebenen Ausführungsformen möglich, mit wesentlich höheren Beschleunigungen und Verzögerungen zu arbeiten und dementsprechend auch mit einer sehr hohen Produktivität, wobei gleichzeitig die perfekte Stabilität der beweglichen Teile und das Fehlen von Biegeschwingungen oder Torsionsvibrationen der genannten Teile garantiert wird, ungeachtet der Tatsache, dass diese eine relativ einfache und leichte Struktur haben.
Ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen besonderen Struktur und Anordnungsweise beruht auf der Tatsache, dass die Fläche des Maschinenbettes, auf dem das zu bearbeitende Werkstück platziert wird, keine Führungen zum Gleiten der beweglichen Teile der Maschine aufweist. Infolge dessen ergibt sich eine vollständige Beseitigung eines Problems, das bei bestimmten bekannten Maschinen auftritt; dass nämlich Abfälle, wie Späne, Stäube und Flüssigkeiten auf die Führungen fallen können und somit Probleme hinsichtlich der Bewegung des beweglichen Teils hervorrufen, welches auf den genannten Führungen gleitet.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung wird das genannte, vertikal bewegliche Querelement lateral von zwei Hydraulikzylindern getragen, die im Wesentlichen dessen Gewicht in Balance halten, wobei es sich typischerweise um zwei Hydraulikzylinder handelt, von denen jeder von einem Akkumulator für ein unter Druck stehendes hydraulisches Fluid versorgt wird.
Wiederum weist die Maschine gemäß der Erfindung, dank der oben beschriebenen besonderen Anordnungsweise, sehr reduzierte Gesamtabmessungen an der Frontseite auf (in einer Ebene senkrecht zur Achse der Spindel). Dank der vollständigen Trennung des Bereichs, in welchem sich die Gleitführungen für die bewegenden Teile der Maschine befinden, und dem Bereich, der das Werkstück trägt, kann auch die Drainage und das Entleeren des Kühlmittels und des Bearbeitungsabfalls in einer einfacheren und wirksameren Weise durchgeführt werden.
Die Verwendung von Linearmotoren, deren Anwendung bei Maschinen dieses Typs übrigens bereits bekannt ist, ist in Anbetracht der Geschwindigkeits- und Präzisionseigenschaften dieses Motorentyps optimal. Aus diesem Grunde werden auch der Schlitten, der sich entlang der X-Achse bewegt, und der Schlitten, der sich entlang der Z-Achse bewegt, vorzugsweise durch elektrische Linearmotoren gesteuert. Es ist aber auch möglich, bei irgendeiner Achse der Maschine einen Antrieb mit elektrischen Rotationsmotoren und Kugelumlaufspindel- Transmissionssystemen vorzusehen.
Weitere Merkmale, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden, sind in den Ansprüchen spezifiziert. Die Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor, die lediglich dazu dienen, nichteinschränkende Beispiele zu zeigen, und bei denen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Hochgeschwindigkeits-Fertigungseinheit für spanabhebende Bearbeitungen mit Materialabtragung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht der Einheit der Fig. 12 ist;
Fig. 3 eine teilweise aufgeschnittene, rückseitige perspektivische Ansicht ist;
Fig. 4 eine Schnittansicht der Maschine gemäß der Erfindung in einer Ebene senkrecht zur X-Achse ist;
Fig. 5 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Teils der Maschine der Fig. 1 ist;
Fig. 6-9 perspektivische Ansichten bestimmter Komponenten der Maschine der Fig. 1 sind;
Fig. 10 eine Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform der Maschine gemäß der Erfindung ist;
Fig. 11 eine rückseitige Ansicht der Maschine der Fig. 10 ist; und
Fig. 12 und 13 Schnittansichten in einer vertikalen Ebene und in einer horizontalen Ebene der Maschine der Fig. 10 sind.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen kennzeichnet das Bezugszeichen 1, als Ganzes, eine Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschine für spanabhebende Bearbeitungen mit Beseitigung des Bearbeitungsabfalls, umfassend: einen ersten befestigten, tragenden Unterbau 2 mit einem Maschinenbett 3 und einem feststehenden Portaltragwerk 4, das zwei Seitenständer 5 umfasst, die durch ein Oberteil 6 miteinander verbunden sind. Das Bett bzw. Fundament 3 weist einen Abschnitt 7 auf, der sich vorne, relativ zum Portaltragwerk 4, um eine Bank 8 zum Aufsetzen und Festspannen des Werkstücks erweitert. Die Zeichnungen veranschaulichen die zu diesem Zweck benutzten Mittel nicht, weil sie irgendeines bekannten Typs sein können und selber nicht in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.
Die Maschine gemäß der Erfindung kann zur Durchführung von spanabhebenden Bearbeitungen mit Beseitigung des Abfallmaterials jedweden Typs benutzt werden, wie etwa zum Bearbeiten von Zylinderköpfen oder Motorblöcken für Verbrennungsmaschinen für Motorfahrzeuge, oder von Getriebekästen für Motorfahrzeuge, etc.
Die Bearbeitung wird mittels einer Spindel durchgeführt, die eine horizontale Achse 9 aufweist, welche im Inneren eines Spindel-Kopfstück-Bauteils oder einer Pinole 10 rotiert, welche verschiebbar ist, wie aus den nachstehenden Ausführungen deutlich hervorgeht, und zwar entlang einer vertikalen Achse Y, einer horizontalen Achse Z parallel zur Achse 9 der Spindel, und entlang einer horizontalen Achse X senkrecht zur Achse 9 der Spindel. Wie aus den nachfolgenden Ausführungen klar hervorgeht, ist das feststehende Portaltragwerk 6 so aufgestellt, dass die allgemeine Ebene, in der das Portaltragwerk liegt, orthogonal zur Achse 9 der Spindel verläuft. Die Möglichkeit zum Bewegen des Spindel-Kopfstück-Bauteils bzw. der Pinole 10 in den oben definierten drei Richtungen, X, Y, Z (siehe beispielsweise Fig. 1) wird durch Einsetzen von drei geführten Schlitten in den genannten drei Richtungen relativ zueinander erhalten. Ein erster Schlitten besteht aus einem Querelement 11, das so montiert ist, dass es zwischen den beiden Ständern 5 des feststehenden Portaltragwerks 4 entlang der vertikalen Richtung Y gleitet. Eine perspektivische Ansicht des Querelements 11 als solches ist aus Fig. 6 ersichtlich. Bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat das Querelement 11 eine gehäuseförmige Struktur, die vorzugsweise aus sphäroidalem Graphitgusseisen hergestellt ist. Versteifende Zwischenwände sind im Inneren des Querelements angebracht, um die Torsionssteifigkeit des letzteren zu steigern und Verformungen aufgrund von Trägheitsbelastungen in der zentralen Ebene zu begrenzen, in der ein Sitz 11a zur Befestigung einer zentralen Säule 12 definiert ist, die starr mit dem Querelement 11 verbunden ist und sich, beginnend bei letzterem, nach oben erstreckt (siehe auch Fig. 5, in der außerdem die inneren Zwischenwände des Querelements 11 zu sehen sind). Die zentrale Säule 12 ist gleitend montiert, wie nachfolgend im Einzelnen veranschaulicht wird, und zwar mit Hilfe des Oberteils 6 des feststehenden Portaltragwerks 4; und daher übernimmt sie die Funktion eines Elements, das auf das Querelement 11 die Schubkraft überträgt, welche durch die elektrischen Linearantriebsmotoren erzeugt wird, um eine Verschiebung entlang der Y-Achse zu erzielen.
Genauer gesagt weist die zentrale Säule 12 bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine verlängerte Struktur mit rechteckigem Querschnitt und mit Versteifungsrippen 12a (Fig. 5) auf, die ebenfalls aus sphäroidalem Graphitgusseisen hergestellt sind. Die Verschiebung des Querelements 11 entlang der Y- Achse wird mit Hilfe zweier elektrischer Linearmotoren 13 erzielt, die den beiden größeren Wänden 14 zugeordnet sind, welche in Bezug auf die zentrale Säule 12 einander gegenüberliegend platziert sind. Die Struktur jedes elektrischen Linearmotors 13 wird hier insofern nicht näher beschrieben, als sie eines an sich bekannten Typs ist. Dementsprechend umfasst jeder elektrische Linearmotor 13 gemäß einer heute üblichen Technik eine Statoreinheit 13a, die mit dem Oberteil 6 des feststehenden Portaltragwerks 4 verbunden ist, und eine bewegliche Einheit 13b, die mit der Wand 14 der Säule 12 verbunden ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform trägt der Stator 13a Motorwicklungen, während der bewegliche Teil 13b aus einem Element besteht, das fast so lang wie die Säule 12 ist und die Permanentmagneten trägt. Dank der wie beschrieben aufgebauten Anordnung halten sich die durch die beiden elektrischen Linearmotoren 13 erzeugten magnetischen Anziehungskräfte im Gleichgewicht, so dass keine mechanischen Spannungen in der Struktur der Säule 12 hervorgrufen werden. Das Querelement 11 ist überdies an seinen Seiten mit lateralen Führungsschuhen 15 ausgestattet, die an vertikalen Führungen 16 gleiten, welche von den Ständern 5 des feststehenden Portaltragwerks 4 getragen werden. Zwei pneumatische Zylinder 17 sind überdies an den Seiten des Querelements 11 angebracht und haben hauptsächlich die Funktion, das Gewicht des letzteren so auszubalancieren, dass die Motoren 13 keinen Schub erzeugen müssen, der größer ist als derjenige, der benötigt wird, um das Gewicht des Querelements 11 zu überwinden, wenn sie das Anheben des letzteren steuern. Jeder pneumatische Zylinder 17 hat einen zylindrischen Körper, der an seiner Basis mit einer Halterung 18 verbunden ist, die von dem Maschinenbett 3 getragen wird, und er weist einen Gleitschaft 19 auf, der mit einer Halterung 20 verbunden ist, die von dem Querelement 11 getragen wird.
Die Säule 12 ist gleitend an einer Führung 21 angebracht, die von dem Oberteil 6 des feststehenden Portaltragwerks 4 nur an einer von seinen Seitenwänden 22 (Fig. 1) getragen wird, die orthogonal zu den Hauptwänden 14 verläuft.
Unterhalb des Querelements 11 ist ein Schlitten 23 installiert, der entlang der X- Achse gleitet. Eine perspektivische Ansicht des Schlittens 23 an sich ist in Fig. 7 zu sehen. Auch dieser Schlitten besitzt vorzugsweise eine Struktur aus sphäroidalem Graphitgusseisen und wird durch eine dichte Folge von diagonalen Rippen versteift, die so gestaltet sind, dass sie eine Eindämmung der Verformungen garantieren, welche durch die Bearbeitungsspannungen und die magnetischen Anziehungskräfte erzeugt werden, die von den elektrischen Linearmotoren erzeugt werden, welche die bewegten Teile der Maschine antreiben.
Bezug nehmend auf Fig. 5 ist der Schlitten 33 so montiert, dass er auf den Führungen 24, 25 gleitet, welche an dem Querelement 11 befestigt sind; und er wird durch einen Linearmotor 26 gesteuert mit einer Statoreinheit 27, die unter dem Querelement 11 befestigt ist und Windungen umfasst; und mit einer beweglichen Einheit 28, die an dem Schlitten 23 befestigt ist und die Permanentmagneten umfasst.
Unterhalb des Schlittens 23 ist, damit er entlang der Z-Achse gleitet, ein weiterer Schlitten 29 montiert, der, für sich betrachtet, perspektivisch in Fig. 8 zu sehen ist. Der Schlitten 29 hat eine obere Oberfläche 30, die mit vier lateralen Schuhen 31 versehen ist, welche in einer Gleitbahn auf zwei Führungen 32 montiert sind (siehe Fig. 3, 4 und 5), die unter dem Schlitten 23 befestigt sind und sich parallel zu der Z-Achse erstrecken. Der Schlitten 29 weist einen Körper auf, der einen zylindrischen Hohlraum 33 definiert, welcher einen Endabschnitt 34 des Spindel- Kopfstück-Bauteils 10 aufnimmt und trägt. Letzteres, das als Ganzes in Fig. 9 zu sehen ist, besitzt einen zylindrischen Körper mit einem Hauptabschnitt 35, der nach Art eines Auslegers an der vorderen Seite vom Schlitten 29 in Richtung der Z-Achse vorsteht.
Die Verschiebung des Schlittens 29 entlang der Z-Achse wird durch einen elektrischen Linearmotor 36 gesteuert, der einen Stator 36a umfasst, welcher die Wicklungen trägt und an der unteren Oberfläche des Schlittens 23 befestigt ist; und der einen beweglichen Teil 36b umfasst, welcher an der oberen Wand des Schlittens 29 befestigt ist.
Das Spindel-Kopfstück-Bauteil bzw. die Pinole 10 trägt, zum Rotieren um die Achse 9, mit Hilfe von Wälzlagern eine Spindel 37 (Fig. 5); und sie enthält weiter im Inneren einen elektrischen Rotationsmotor 38 zum Steuern der Rotation der Spindel 37.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist der Schlitten 23 so montiert, dass er auf Führungen 24, 25 gleitet, die an dem Querelement 11 befestigt sind,; und er wird durch einen Linearmotor 26 gesteuert, der eine Statoreinheit 27 aufweist, die unter dem Querelement 11 befestigt ist und die Wicklungen umfasst, und die weiter eine bewegliche Einheit 28 aufweist, die an dem Schlitten 23 befestigt ist und die Permanentmagneten umfasst.
Unter dem Schlitten 23 ist ein weiterer Schlitten 29 angebracht, derart, dass er entlang der Z-Achse gleitet und, an sich, in perspektivischer Ansicht in Fig. 8 zu sehen ist. Der Schlitten 29 hat eine obere Oberfläche 30, die mit vier lateralen Schuhen 31 versehen ist, welche in einer Gleitbahn auf zwei Führungen 32 montiert sind (siehe die Fig. 3, 4 und 5), die unter dem Schlitten 23 befestigt sind und sich parallel zu der Z-Achse erstrecken. Der Schlitten 29 hat eine Körperform, die einen zylindrischen Hohlraum 33 definiert, welcher einen Endabschnitt 34 des Spindel-Kopfstück-Bauteils 10 aufnimmt und trägt. Das letztere, das man als Ganzes in Fig. 9 sehen kann, hat einen zylindrischen Körper mit einem Hauptabschnitt 35, der an der Stirnseite am Schlitten 29 nach Auslegerart in Richtung der Z-Achse vorsteht.
Die Verschiebung des Schlittens 29 entlang der Z-Achse wird durch elektrischen Linearmotor 36 gesteuert, der einen Stator 36a umfasst, welcher die Wicklungen trägt und an der unteren Oberfläche des Schlittens 23 befestigt ist, und er umfasst eine bewegliche Baueinheit 26b, die an der oberen Wand des Schlittens 29 befestigt ist.
Das Spindel-Kopfstück-Bauteil bzw. die Pinole 10 trägt, drehbar um die Achse 9, eine Spindel 37 (Fig. 5) mit Hilfe von Wälzlagern; und sie enthält weiter im Inneren einen rotierenden Elektromotor 38 zum Steuern der Rotation der Spindel 37.
In dem das Werkstück lagernden Bereich weist das Bett 3 zwei longitudinale Kanäle 40 zum Sammeln von Bearbeitungsabfällen und Kühlmittel auf, in denen Schraubenfördervorrichtungen vorgesehen werden können, deren Schäfte 41 in Fig. 3 zu sehen sind, und die zum Befördern des genannten Abfallmaterials durch Tunnel dienen, welche im hinteren Teil des Bettes 3 zu deren Entladung vorgesehen sind. Wie weiter oben veranschaulicht wurde, ermöglicht es die besondere Gestaltungsweise der Maschine gemäß der Erfindung, die Fläche zum Sammeln der Bearbeitungsabfälle frei zu halten von Führungen zum gleitenden Verschieben der bewegenden Teile der Maschine, so dass die Abfälle keinerlei Probleme in Bezug auf den einwandfreien Betrieb der Maschine verursachen. Das Querelement 11, das sich vertikal bewegt, ist einer zentralen Schubkraft ausgesetzt, die an der Säule 12 angreift und von den beiden einander gegenüber platzierten elektrischen Linearmotoren 13 erzeugt wird, deren Anziehungskräfte sich aufheben. Wie oben gesagt, erlaubt dies einerseits, die Steuerung der Motoren erheblich zu vereinfachen, und andererseits eine relativ einfache und bewegliche Konstruktion zu erzielen, d. h. eine solche, die gleichzeitig keine Risiken in Bezug auf Vibrationen oder übermäßige Schiefstellungen bietet. Die Abfolge Y, X, Z der Achsen, entlang derer die Verschiebungen der beweglichen Schlitten der Maschine gesteuert werden, ermöglichen es, zahlreiche Vorteile zu erreichen. Die das Werkstück tragende Fläche ist ganz von der Verschiebungsfläche der bewegenden Teile der Maschine getrennt, so dass dort keinerlei Risiko in Bezug auf Bearbeitungsabfälle besteht, die sonst auf die Schlittenführungen herabfallen und Probleme schaffen. Die feste Konstruktion, die die Maschine haltert, ist extrem einfach und von stark verkleinerten stirnseitigen Gesamtabmessungen. Die Verwendung von elektrischen Linearmotoren ermöglicht es, sowohl hohe Betriebsgeschwindigkeiten als auch ein präzises Positionieren der beweglichen Teile der Maschine zu erzielen. Die Tatsache, dass die verschiedenen Strukturelemente aus sphäroidalem Graphitgusseisen hergestellt sind, ermöglicht es, die Maschine sogar noch leichter zu machen, ohne dass damit ein Vorurteil hinsichtlich der Steifigkeitscharakteristika getroffen werden soll. Bei einer Bohroperation wird nur ein einziger Schlitten der Maschine (der Schlitten 29) entlang der Z-Achse verschoben, so dass die sich bewegenden Massen auf ein Minimum reduziert werden. Alls dies führt zu einer relativ einfachen und nicht sehr teueren Maschine, die in der Lage ist, mit hohen Geschwindigkeiten und hohen Beschleunigungen zu arbeiten.
Natürlich können Einzelheiten der Konstruktion und der Ausbildungsformen hinsichtlich dessen, was vorstehend allein zum Zwecke der Wiedergabe eines Beispiels beschrieben und veranschaulicht wurde, stark variieren, ohne dadurch die Prinzipien der Erfindung zu präjudizieren, und ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu überschreiten, wie er durch den beigefügten unabhängigen Anspruch 1 definiert wird.
Beispielsweise kann das feststehende Gerüst der Maschine ein Werkzeugmagazin aufweisen, beispielsweise vom Typ des Horizontalachsen-Karussells, um es dem Spindel-Kopfstück-Bauteil zu ermöglichen, in der Nähe des Magazins seinen Platz zu finden, so dass ein Werkzeugwechsel automatisch durchgeführt werden kann.
Gemäß einer möglichen Variante werden die beiden balancierenden Zylinder 17 mit ihren Achsen weiter zurückgesetzt, wobei sie in der mittleren Ebene durch den Schwerpunkt des vertikal beweglichen Querelements 11 verlaufen. Darüber hinaus bildet das oben genannte sphäroidale Graphitgusseisen lediglich eine der Möglichkeiten, weil es gleichermaßen möglich ist, die Maschinenkomponenten aus Stahl herzustellen. Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass das Querelement 11 in der Weise montiert wird, dass es auf vier vertikalen Führungen 16 gleitet, nämlich zwei stirnseitigen und zwei rückseitigen Führungen, die von den Ständern 5 des Portaltragwerks 4 getragen werden. Natürlich können auch die in den Zeichnungen veranschaulichten konstruktionsspezifischen Einzelheiten weithin verändert werden. Beispielsweise kann das Spindel-Kopfstück-Bauteil bzw. die Pinole 10 aus einem einzelnen Stück mit dem Schlitten 29 hergestellt werden.
Was die Fig. 10-13 anbetrifft, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen, sind diejenigen Teile, die den bereits beschriebenen entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Der wichtigste Unterschied der zweiten Ausführungsform der Maschine gemäß der Erfindung, bezogen auf die erste zuvor beschriebene Ausführungsform, besteht darin, dass bei der zweiten Ausführungsform die zentrale Säule 12 fehlt. In diesem Falle ist das Querelement 11 so montiert, dass es entlang der vertikalen Achse Y an zwei Ständern 5 des feststehenden Portaltragwerks mit Hilfe eines Paares von vorderen lateralen Führungen 16a und eines Paares von hinteren lateralen Führungen 16b gleitet, welche symmetrisch in Bezug auf die vertikale Mittelebene des Querelements platziert sind (siehe Fig. 13). Die Verschiebungen des Querträgers 11 entlang der Y-Achse werden durch zwei Paare von Linearmotoren 13 gesteuert, von denen jeder einen Stator 13a aufweist (der in dem veranschaulichten Beispiel die Permanentmagneten trägt), welcher mit dem feststehenden Tragwerk verbunden ist; und von denen jeder ein bewegliches Teil aufweist (welches bei dem veranschaulichten Beispiel die Wicklungen trägt), das mit dem Querträger 11 verbunden ist. Wiederum auf Fig. 13 Bezug nehmend, ist die Anordnung der vier Führungen 16a, 16b und der zwei Paare von Linearmotoren 13 so getroffen, dass die Resultierenden der durch die Motoren auf den Querträger ausgeübten Kräfte in einer Ebene senkrecht zur Z-Achse gehalten werden und durch den Schwerpunkt des Querträgers verlaufen. Dies ermöglicht es, sowohl das Gewicht der Masse des Querträgers 11 zu minimieren - und in Folge dessen auch die installierte Leistung der Motoren- als auch ein torsionsspezifisches und biegungsspezifisches strukturelles Versagen während der Übergangsbeschleunigung und -verlangsamung zu reduzieren. Die oben beschriebene Anordnung ermöglicht auch eine Minimierung von torsionsspezifischen Versagern um die Z-Achse der von dem Querträger 11 auf dem Schlitten 23 und der Pinole 10 gebildeten Baugruppe.
Ein weiterer Unterschied in Bezug auf die erste Ausführungsform der Erfindung, die zuvor beschrieben worden ist, besteht in der Tatsache, dass in diesem Falle die beiden Hydraulikzylinder, bei denen es sich um Hydraulikzylinder handelt, die von einem Akkumulator mit Hydraulikfluid unter Druck gespeist werden (nicht sichtbar in den Zeichnungen zu sehen) mit ihren Enden 19 an den Querträger 11 angeschlossen sind, während ihre Enden 18 an das Oberteil 6 des feststehenden Portaltragwerks 4 angeschlossen sind.
Bezug nehmend auf Fig. 11 ist die Pinole 10 so montiert, dass sie auf zwei Führungen 32 gleitet, die symmetrisch in Bezug auf den antreibenden Linearmotor 36, der ein Bauteil 36a enthält, das die Permanentmagneten trägt und starr mit dem Schlitten 23 verbunden ist, welcher entlang der X-Achse gleitet; und in Bezug auf ein Bauteil 36b platziert sind, das starr mit dem Körper der Pinole verbunden ist, und in Bezug auf die die beiden Führungen 32 symmetrisch platziert sind.
Der zweite Schlitten oder Transportschlitten 23 hat eine gehäuseartige Struktur mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt und ist gleitend unter dem Querträger platziert, und zwar in diesem Falle mit Hilfe von drei parallelen Führungen 24, nämlich einer vorderen, einer hinteren und einer dazwischen befindlichen Führung. Verschiebungen entlang der X-Achse werden durch zwei elektrische Linearmotoren 26 (Fig. 12) gesteuert, von denen jeder ein Bauteil 26a aufweist, das die Permanentmagneten trägt und starr mit dem Querträger 11 verbunden ist; und von denen jeder ein Bauteil 26b aufweist, das die Wicklungen trägt und starr mit dem Körper des Transportschlittens 23 verbunden ist. Die Zwischenführung 24 ist zwischen den beiden elektrischen Linearmotoren 26 angebracht.
Wenngleich sich die obige Beschreibung und die dazu beigefügten Zeichnungen auf die Verwendung von elektrischen Linearmotoren beziehen, können beide Ausführungsformen der Maschine gemäß der Erfindung in Betracht gezogen werden, und zwar für mindestens einige der sich bewegenden Teile, rotierende Elektromotoren eines herkömmlichen Typs, welche die sich bewegenden Bauteile mit Hilfe eines Kugelumlauf-Spindelsystems steuern.
Erneut auf Fig. 11 Bezug nehmend werden die Führungen 32 zum Verschieben der Pinole entlang der Z-Achse von dem Transportschlitten 23 getragen, während die Schuhe 31 von der Pinole getragen werden; und dies ermöglicht es, die Führungen und Schuhe durch teleskopbetätigte Schutzeinrichtungen zu isolieren und zu schützen, nämlich die Führungen und Schuhe, gegen das Schmier- und Kühlmittel sowie gegen die im Abscherbereich erzeugten Abfälle.
Die drei Führungen 24 entlang der X-Achse und der Ort der elektrischen Linearmotoren 26 an den beiden Seiten der Mittenführung 24 ermöglichen die Minimierung eines strukturellen Versagens des Transportschlittens selber sowie von Biegeverzerrungen der Führungen der Z-Achse, welche durch magnetischen Anziehungskräfte der Linearmotoren verursacht wurden. Im Wesentlichen ermöglichen es die Zwänge bei den drei Führungen der X-Achse, dass ein leichter Transportschlitten erhalten wird, und sie garantieren einen sehr hohen Grad an Geradlinigkeit der Führungen der Z-Achse.
Wie bereits erwähnt, ermöglichen es die vier Führungen 16a, 16b der vertikalen Achse Y, einen extrem leichten Querträger zu erhalten, der über eine sehr hohe Torsionssteifigkeit um die X-Achse und eine sehr hohe Biegesteifigkeit in der X- Y-Ebene verfügt.
Auch im Falle der zweiten Ausführungsform können die konstruktionsspezifischen Einzelheiten natürlich weit gegenüber demjenigen variieren, was hier nur beispielshalber veranschaulicht wurde, ohne aber den Bereich des Erfindungsgegenstandes zu verlassen, wie er in dem beigefügten unabhängigen Anspruch 1 definiert ist.

Claims

1. Hochgeschwindigkeits-Fertigungseinheit für spanabhebende Bearbeitungen des Typs, die technische Mittel (8) zum Haltern des gerade bearbeiteten Werkstücks in einer fixierten Position sowie eine Spindel (37) mit einer horizontalen Achse (9) umfasst, welche ein Bearbeitungswerkzeug trägt und in der Weise montiert ist, dass sie sich in einem Spindel- Kopfstück-Bauteil oder einer Pinole (10) dreht, die entlang einer horizontalen Achse Z, parallel zu der Achse (9) der Spindel, und entlang einer horizontalen Achse X senkrecht zu der Achse (9) der Spindel, und entlang einer vertikalen Achse Y verschiebbar ist,

wobei die genannte Fertigungseinheit umfasst:

eine feststehende Halterungskonstruktion (2),

einen ersten Schlitten (11), der so montiert ist, dass er sich auf der befestigten Halterungskonstruktion (2) entlang einer der genannten drei Achsen (X, Y, Z) gleitet;

einen zweiten Schlitten (23), das so montiert ist, dass er auf dem genannten ersten Schlitten (11) entlang einer zweiten Achse der genannten drei Achsen (X, Y, Z) gleitet; und

einen dritten Schlitten (29), der so montiert ist, dass er auf dem genannten zweiten Schlitten (23) entlang der dritten Achse der genannten drei Achsen (X, Y, Z) gleitet und mit dem genannten Spindel-Kopfstück-Bauteil bzw. mit der Pinole (10) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die feststehende Halterungskonstruktion (2) ein Maschinenbett (3) und ein Portaltragwerk (4) umfasst, das an das Maschinenbett (3) angeschlossen ist und zwei Seitenständer (5) sowie ein Oberteil (6) umfasst, welches die Ständer (5) miteinander verbindet;

der genannte erste Schlitten (11) ein Querelement ist, das so montiert ist, dass er entlang der genannten vertikalen Achse Y zwischen den beiden Ständern (S) des feststehenden Portaltragwerks (4) gleitet;

der genannte zweite Schlitten (23) ein Transportschlitten ist, der so montiert ist, dass er unterhalb des Querelements (11) entlang der genannten horizontalen Achse X orthogonal zu der Achse der Spindel gleitet; und

der genannte dritte Schlitten (29), der starr an das Spindel-Kopfstück- Bauteil bzw. an die Pinole (10) angeschlossen ist, so montiert ist, dass er unterhalb des genannten zweiten Schlittens (23) entlang der genannten horizontalen Achse Z parallel zu der Achse (9) der Spindel gleitet.

2. Fertigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte vertikal bewegliche Querelement mit einer zentralen Säule (12) versehen ist, die starr mit dem Querelement (11) verbunden ist und sich, beginnend ab dem letzteren, nach oben hin erstreckt, wobei die genannte zentrale Säule (12) in einer durch das genannte Oberteil (6) des feststehenden Portaltragwerks (4) verlaufende Gleitbahn montiert ist.

3. Fertigungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein einzelner elektrischer Linearmotor (13) zum Steuern des vertikal beweglichen Querelements (11) vorgesehen ist, wobei der genannte Motor ein Statoraggregat (13a) umfasst, das auf dem genannten Oberteil (6) des feststehenden Portaltragwerks (4) montiert ist, und weiter ein bewegliches Bauteil (13b), das an der genannten zentralen Säule (12) montiert ist.

4. Fertigungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusammen zwei elektrische Linearmotoren (13) zum Steuern des Querelements (11) vorgesehen sind, von denen einer der einen Stirnseite der zentralen Säule (12) zugeordnet ist und von denen der andere der entgegengesetzten Stirnseite der zentralen Säule (12) zugeordnet ist.

5. Fertigungseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Statoreinheit (13a) die Wicklungen des elektrischen Linearmotors trägt, und dass die genannte bewegliche Einheit die Permanentmagneten trägt.

6. Fertigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Querelement (11) lateral von zwei Hydraulikzylindern (17) getragen wird, die im Wesentlichen das Gewicht desselben in der Balance halten.

7. Fertigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Querelement (11) an mindestens zwei lateralen Führungen (16) angreift, die von den Ständern (5) des feststehenden Portaltragwerks (4) getragen werden.

8. Fertigungseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte zentrale Säule (12) gleitend an einer einzelnen zentralen Führung (21) montiert ist, die von dem Oberteil (6) des feststehenden Portaltragwerks (4) entlang einer einzelnen Seitenwand (22) orthogonal zu den beiden genannten einander gegenüber liegenden Wänden (14) der Säule (12) getragen wird, denen die beiden elektrischen Linearantriebsmotoren (13) zugeordnet sind.

9. Fertigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spindel-Kopfstück-Bauteil oder die Pinole (10) einen rohrförmigen Körper umfasst, der sich auslegerartig in der Richtung der Z-Achse von einer vorderen Oberfläche des genannten dritten Schlittens (29) aus erstreckt.

10. Fertigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Maschinenbett (3) einen Abschnitt (7) aufweist, der vor dem feststehenden Portaltragwerk (4) aufgestellt ist und eine Bank (8) zum Aufsetzen des Werkstückes trägt, und der Kanäle (40) zum Sammeln von Bearbeitungsabfällen und Kühlmittel aufweist, wobei dieser Abschnitt (7) des Maschinenbettes (3) an Stellen, an denen das Werkstück aufgesetzt wird, keine Führungen zum Gleiten der sich bewegenden Teile der Maschine aufweist.

11. Fertigungseinheit nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der drei Schlitten (11, 23, 29) eine Körperstruktur bestehend aus sphäroidalem Graphitgusseisen besitzt.

12. Fertigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch der zweite Schlitten (23) und der dritte Schlitten (29) von elektrischen Linearmotoren (26, 36) gesteuert werden.

13. Fertigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Querelement (11) eine obere Wand, eine untere Wand, zwei Seitenwände, eine vordere Wand, eine hintere Wand und eine Anzahl von inneren versteifenden Scheidewänden aufweist, wobei die obere Wand einen abgesenkten Sitz (11a) aufweist, auf dessen Boden die Basis der genannten zentralen Säule (12) befestigt ist.

14. Fertigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte zweite Schlitten eine im Ganzen plattenartige Struktur aufweist, die mit einer Anzahl von diagonalen, versteifenden Rippenstrukturen versehen ist.

15. Fertigungseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte dritte Schlitten (29) eine obere Wand (30) aufweist, die mit lateralen Schuhen (31) versehen ist, welche gleitend auf Führungen (32) gelagert sind, die an der Unterseite durch den zweiten Schlitten (23) getragen werden.

16. Fertigungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Querelement (11) zwei vordere laterale Führungen (16a) und zwei hintere laterale Führungen (16b) aufweist, die symmetrisch in Bezug auf eine vertikale Ebene platziert sind, welche durch den Schwerpunkt des Querelements verläuft.

17. Fertigungseinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Querelement (11) durch zwei Paare von elektrischen Linearmotoren (13) gesteuert wird, von denen jeder einen Stator (13a) enthält, der von einem lateralen Ständer (5) des feststehenden Portaltragwerks getragen wird, und eine bewegliche Einheit (13b), die an einer Seite des Querelements (11) montiert ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass die Resultierenden der durch die beiden Motorpaare auf das Querelement aufgebrachten Kräfte in einer Ebene orthogonal zu der Achse Z enthalten sind, die durch den Schwerpunkt des Querelements verläuft.

18. Fertigungseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Hydraulikzylinder (17) Hydraulikzylinder sind, die von einem Akkumulator eines unter Druck stehenden hydraulischen Fluids gespeist werden.

19. Fertigungseinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hydraulikzylinder (17) an einem Ende mit dem Querelement (11) verbunden ist und an dem entgegengesetzten Ende mit der oberen Struktur des feststehenden Portaltragwerks oder mit dem Maschinenbett verbunden ist.

20. Fertigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte zweite Schlitten oder der Transportschlitten (23) eine gehäuseförmige Struktur aufweist, die so angebaut ist, dass sie mit Hilfe von drei Führungen unter das Querelement (11) gleitet, von denen die mittlere zwischen den beiden elektrischen Linearmotoren zum Steuern der Verschiebung des Transportschlittens (23) entlang der X-Achse platziert ist.

21. Fertigungseinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelner Linearmotor zum Steuern der Verschiebung der Z-Achse vorgesehen ist, in Bezug auf die die Gleitführungen zum Gleiten entlang der Z- Achse symmetrisch platziert sind.

22. Fertigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der genannten drei Schlitten (11, 23, 29) durch Motorantriebe über ein Kugelrollspindelsystem gesteuert wird bzw. werden.