DE3100141A1 - Werkzeugmaschine mit einem beweglichen tisch fuer ein werkstueck - Google Patents
Werkzeugmaschine mit einem beweglichen tisch fuer ein werkstueckInfo
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Description
PATENTANWÄLTE DR-IN°: DIPL-PHYS- H- STÜR.ES
DIPL-ING P. EICHLER 31001
Ateliers des Charmilles S.A., 109, rue de Lyon, Geneve (Schweiz)
"Werkzeugmaschine mit einem beweglichen Tisch für ein Werkstück"
Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine mit einem beweglichen Tisch für ein Werkstück, der parallel
zu einer durch einen feststehenden Tisch definierten Ebene verstellbar ist.
Der bewegliche Tisch muß sehr schwere Lasten tragen können, die in zwei zueinander senkrechten Richtungen der Ebene
dieses Tisches leicht verstellbar sein müssen. Zuweilen ist noch ein dritter Freiheitsgrad erforderlich, nämlich eine
Drehung um eine zur Ebene des Tisches senkrechte Achse. Kinematisch gesehen ist der Tisch gezwungen, sich parallel zu
einer Ebene zu verstellen.
Derartige Konstruktionen finden sich häufig in elektrischen Bearbeitungsmaschinen, wie z.B. in Funkenerosions-
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oder elektrochemisch abtragend wirkenden Maschinen^ Translationsbewegungen ist die übliche Lösung ein bekanntes
Gleitbahnsystem, das einen ersten Satz von mit dem Maschinengestell fest verbundenen Gleitbahnen hat, dann
einen dazwischenliegenden Bestandteil aufweist, welcher längs dieser Gleitbahnen gleiten kann und einen zweiten Satz zu
den erstereri senkrechter Gleitbahnen hat und letztlich einen
Tisch aufweist, der im Verhältnis zu dem dazwischenliegenden
Bestandteil in einer Richtung, aber im Verhältnis zum Maschinengestell in allen Richtungen translatorisch beweglich
ist. So kann das Werkzeug, welches bei elektrischen Bearbeitungsmaschinen gezwungen ist, sich nur senkrecht oder
hauptsächlich senkrecht mit seitlichen Abweichungen geringer Amplitude zu verstellen, irgendeinen Punkt der Ebene des
beweglichen Tisches erreichen.
Die universell verbreitete Gleitbahntechnik hat jedoch mehrere größere Nachteile. Zuerst ist die Konstruktion aus
leicht einzusehenden Gründen teuer. Es sind zahlreiche Bearbeitungsvorgänge und Wärmebehandlungen notwendig.
Bei motorisch angetriebenen Tischen ist vor allem ein sich aus der Reibung ergebender Nachteil nicht zu vernachlässigen.
Einerseits sind Motoren genügender Leistung erforderlich, um den Tisch zu bewegen und andererseits bedarf es
einer genügend steifen Konstruktion, um die Erscheinung des Klebens (stic-slip) zu vermeiden. Es ist allgemein bekannt,
daß der Haftreibungskoeffizient größer als der Bewegungsreibungskoeffizient
ist, so daß eine gewisse Kraft
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notwendig ist, um den Tisch aus seiner Ruhelage zu lösen. Bei einem schlecht konstruierten System bewirkt die Freisetzung
der durch die Deformationsarbeit angesammelten hohen Energie einen Undefinierten Vorschub, so daß sich z. B.
eine kontinuierlich vorgesehene Vorschubbewegung in einen ruckweisen Vorschub umsetzt, und zwar auf Kosten der Präzision.
Dieser Nachteil konnte mit Hilfe von Kugellagerbahnen vermieden werden, aber unter Inkaufnahme einer sehr viel
größeren Komplexität und beträchtlicher Toleranzen, was sich ungünstig auf die Kosten auswirkt. Es sind auch bereits
kugelgelagerte Schraubspindeln bekannt, aber mit denselben Nachteilen der größeren Komplexität und des höheren
Preises.
Von den wichtigsten Nachteilen ist noch der Verschleiß zu nennen, der immer die Ursache von Spiel ist. Dieses
Problem ist insbesondere bei gewissen Funkenerosionsmaschinen hervorstechend, bei denen im Verlauf der Bearbeitung kontinuierlich
horizontale Komponenten aufweisende Translationsbewegungen durch Verschiebungen des Tisches erzeugt werden.
Schließlich gibt es weitere Probleme, z.B. das Sicherstellen der Schmierung oder der genauen Montage der Gleitbahnen, die
vollständig parallel oder senkrecht zueinander sein müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art so zu verbessern,
daß allen vorgenannten Nachteilen abgeholfen wird, insbesondere durch eine weniger kostspielige Konstruktion, durch die geometrische
Einfachheit mit Präzision zu bearbeitender
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Flächen, durch die Reduktion von Reibung, durch das Fehlen von Ruck-Gleiten und durch die Einfachheit des Aufbaus der
Bauteile.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Werkzeugmaschine ein in der definierten Ebene alle Bewegungen des
beweglichen Tisches und dessen Abstützung auf dem feststehenden Tisch erlaubendes Stützsystem aufweist, das mindestens drei
den beweglichen Tisch in der definierten Ebene mitnehmende Stellvorrichtungen hat, die jeweils gelenkig mit dem beweglichen
Tisch einerseits und dem feststehenden Tisch andererseit verbunden sind und zur Erzielung einer zu jedem Zeitpunkt
einzigen vorbestimmten Lage des beweglichen Tisches eine ihre Länge steuernde Vorrichtung haben.
Die Erfindung hat den Vorteil, die Gleitbahnen wegfallen zu lassen und bei dieser Gelegenheit sämtliche dem
System innewohnenden Nachteile, wie kostspielige Konstruktion, Komplexität der geometrischen Gestaltung der zu bearbeitenden
Oberflächen, Reibung, Ruck-Gleiten und schwieriger Zusammenbau. Die Erfindung erlaubt es, die Vorteile bekannter Systeme
zur Erzielung von in einer Ebene parallelen Bewegungen zu erreichen, wie das Luftkissen-, das Ölfilm-, das Kugel- oder
Nadellagersystem. Diese Systeme gewährleisten die Stützfunktion mit mehreren Vorteilen, wie Schleifen aller
Oberflächen in derselben Ebene, Fehlen von Reibung und Ruck-Gleiten, sowie letztlich erleichterter Zusammenbau. Sämtliche
Vorteile kommen in einer weniger kostspieligen Konstruktion zum Ausdruck. Die Maschine hat grundsätzlich dieselben Führungs-
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funktionen, wie der klassische Kreuzschlittentisch. Sie erlaubt darüber hinaus das Justieren der Winkellage, was vor der
vorliegenden Erfindung die Verwendung einer Drehplatte erforderlich werden ließ. Die Justierung kann hler ohne jedes
zusätzliche mechanische Teil erreicht werden.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Äusführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 die Seitenansicht einer Funkenerosionsmaschine mit einem gleitbahnfreien Tisch, der von drei
Stellvorrichtungen mitgenommen wird und auf einem Luftkissen ruht,
Fig. 2 einen Schnitt II-II der Fig. 1,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der elektronischen Steuerung der vorgenannten Werkzeugmaschine,
Fig. 4 die Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles
einer Funkenerosionsmaschine, die insbesondere an kurzhubige hydraulische Stellvorrichtungen
mit Hilfe einer vereinfachten elektronischen Steuerung
angepaßt ist und
Fig. 5 einen Schnitt V-V gemäß Fig. 4.
Fig. 1 zeigt die gewöhnliche Anordnung einer Funkenerosionsmaschine:
Auf einem beweglichen Tisch 4 sind ein mit dielektrischer Flüssigkeit gefüllter Behälter 7 und
ein zu bearbeitendes Werkstück 9 angeordnet. Es ist ein Bearbeitungskopf 8 vorhanden, bestehend aus einer Einheit 81
mit einem elektrischen oder hydraulischen Motor sowie einer vertikal zu bewegenden Werkzeugelektrode 82. In einem Zwischen-
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raum 10 zwischen dem Werkstück 9 und der Elektrode 82 werden erosive Entladungen mit Hilfe eines nicht dargestellten
Generators hervorgerufen. Der bewegliche Tisch 4 ruht nicht
auf Gleitbahnen, sondern auf einem Luftkissensystem, welches durch eine Pumpe 6 angedeutet wird, die Druckluft in die
Kammern 41, 42 injiziert.
Systeme dieser Art sind bereits bekannt und werden in der Industrie benutzt, so daß sie nicht näher beschrieben zu
werden brauchen. Sie sind in der Lage, den beweglichen Tisch 4 in einem bestimmten gleichbleibenden Abstand von einem
feststehenden Tisch 5 zu halten und erlauben alle in einer
Ebene parallelen Verstellungen beinahe reibungslos. Diese setzen sich immer zusammen aus zwei in den Achsen der Ebene
des feststehenden Tisches erfolgenden Translationen und einer um eine zu dieser Tischebene senkrechte Achse erfolgende
Rotation, was drei Freiheitsgrade ergibt.
Das beispielsweise genannte Luftkissensystem ist nicht
das einzige bekannte Stützsystem. Man kann auch einen Ölfilm, einen Satz Kugeln oder einen Satz Nadeln benutzen.
Alle diese Stützsysteme gehorchen derselben Kinematik und sind durch sehr geringe Reibungskräfte und alle daraus folgenden
Vorteile charakteresiert.
Man kann ein System von Federn vorsehen, die den beweglichen Tisch gegen den feststehenden Tisch drücken, um
die Wirkung der Schwerkraft zu ergänzen.
Die unerläßliche Führungswirkung wird durch drei Stellvorrichtungen
1, 2 und 3 erreicht, die in Fig. 2 dargestellt
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sind- An jedem Ende der Stellvorrichtung 1 befindet sich ein Gelenk mit vertikaler Achse oder ein Kugelgelenk, welche im
Punkt Cl eine Verbindung mit dem feststehenden Tisch 5 einerseits und im Punkt Pl mit dem beweglichen Tisch 4
andererseits herstellen. Die Stellvorrichtungen 2 und 3 bilden entsprechende Verbindungsteile zwischen C2P2 und C3P3.
Es gibt mehrere Ausführungsmöglichkeiten für diese Stellvorrichtungen.
Die Fig. 1, 2 zeigen, daß das Stellglied 1 einen Elektromotor 11 eine Schraubenspindel 12 und eine an
einem Zylinderkörper 13 fest angebrachte Spindelmutter hat. Dor Motor 11 kann ein Schrittmotor oder ein Gleichstrommotor
sein, der mit einem nur in Fig. 3 mit 14 bezeichneten Winkel-Meßwertgeber zusammenwirkt. Eine weitere Lösung ist
eine hydraulische Stellvorrichtung, deren Verstellweg elektrisch, durch einen magnetisch wirkenden Lage-Meßwertgeber
oder optisch digital gemessen wird. Der Meßwertgeber 14 der Fig. 3 ist linear. Die Stellvorrichtungen 2, 3 sind der
Stellvorrichtung 1 ähnlich und haben Motoren 21, 31 mit Meßwertgebern 24, 34, die in der Fig. 3 nicht dargestellt
sind. Es ist auch möglich, die Werkzeugmaschine mit vier oder mehr Stellvorrichtungen auszubilden, wobei die Gesamtheit
der Stellvorrichtungen stets drei unabhängig voneinander zu steuernde Gruppen bilden.
Gemeinsam ist den verschiedenen Ausführungsformen die Möglichkeit,
die Längen ClPl, C2P2 und C3P3 elektronisch zu steuern, die im folgenden u, ν und w genannt werden. Für den
vertikal wirkenden Bearbeitungskopf 8 wird zweckmäßigerweise
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ein den horizontalen Stellvorichtungen ähnliches System gewählt, mit dem die vertikale Maßzahl ζ eingestellt wird.
Um die unerläßlichen Berechnungen zur genauen Lagesteuerung zu vereinfachen, ist es vorteilhaft, eine "Mittellage"
wie folgt zu bestimmen: Wenn die Stellvorrichtungen parallel zu den Seiten des feststehenden Tisches 5 ausgerichtet
sind, müssen die Seiten des beweglichen Tisches ebenfalls parallel sein, uo, vo uno wO sind die Längen der Stellvorrichtungen,
die dieser besonderen Lage entsprechen. Um symmetrische Hübe zu haben, ist es vorteilhaft, das System so
einzurichten, daß die Stellvorrichtungen 2 und 3 für diese Mittellage die gleiche Länge vo und die Mitte des beweglichen
Tisches mit der Mitte O des feststehenden Tisches zusammenfällt.
Es kann sein, daß es unzweckmäßig oder kostspielig ist, eine parallele Ausrichtung der Seiten des feststehenden und
des beweglichen Tisches mittels elektronischer Steuerung zu verwirklichen. Daher ist es vorteilhaft, eine mechanische
Justierung der Länge jeder Stellvorrichtung vorzusehen. Z. B. kann jede hydraulische Stellvorrichtung mit einem
Schrauben/Gewindemutter-System versehen werden, das nur der von Hand erfolgenden Einstellung der vorbeschriebenen Parallelität
dient.
Fig. 3 zeigt eine Äusführungsform einer elektronischen
Steuervorrichtung für die Bewegungen des beweglichen Tisches der Fig. 1, 2. Eine Schaltung 40 erlaubt die Eingabe allgemeiner
Größen, welche die gewünschte Bahn des Tisches spezifizieren, z. B. eine bestimmte Verstellung gemäß dor
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Achse Ox. Die Eingabemittel der Größen können manuelle Befehle oder eine Programmeingabe mit einem Lochstreifen,
einer magnetischen Kassette oder jedem anderen bekannten Informationssystem sein. Diese Eingangsgrößen werden über
eine durch eine einzelne Leitung symbolisierte Leitungsgruppe einer Steuerschaltung 41 übertragen, die üblicherweise
eine numerische Steuerung ist. Diese Steuerschaltung hat die Erzeugung von Signalen x(t), y(t), ζ (t) und
eventuell 9(t) zur Aufgabe. Diese digitalen oder analogen Signale steuern die horizontalen Bewegungen des Tisches 4,
die vertikale Bewegung der Elektrode 82 und die etwaige Rotation θ des Tisches. In dem besonderen Fall einer Funkenerosion
ist es unerläßlich, daß die Steuerschaltung 41 mit Hilfe einer Rückleitung die Spannung der Elektrode 82 erhält,
um die Relativbewegungen des Werkstücks von den Bearbeitungsbedingungen abhängig zu machen. Bei dem Beispiel der
Verstellung Ox muß vorgesehen werden, daß die Vorschubbefehle x(t) im Falle eines Kurschlusses Rückzugbefehle werden.
Die Signale x(t), y(t) und 0(t) werden von der Steuerschaltung 41 einem Rechner 42 übermittelt, während das
Signal z(t) von der Steuerschaltung 41 direkt einer Leistungssteuerung 44 übermittelt wird. Diese enthält einen Leistungsverstärker
und beaufschlagt den vertikalen Antriebsmotor Falls dieser ein Schrittmotor ist, geht eine durch nur eine
Verbindung symbolisierte Leitungsgruppe von der Leistungssteuerung 44 zum Antriebsmotor 81. Es kann aber auch ein
Gleichstrommotor benutzt werden, der mit einem Winkel-Meßwertgeber 84 zusammenwirkt, welcher seiner den
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Winkellagen entsprechenden Meßwerte über eine durch eine
einzige Verbindung symbolisierte Leitungsgruppe zwischen dem Meßwertgeber 84 und der Leistungssteuerung 44 auf diese
überträgt.
Es kann auch eine hydraulische Stellvorrichtung benutzt werden, deren Steuerung nach demselben Prinzip erfolgt,
außer daß der Meßwertgeber 84 ein linearer Lagengeber sein muß.
Der Rechner 42 hat zur Aufgabe, die Signale x(t),
y(t) und e(t) in Signale u(t), v(t) und w(t) umzurechnen, welche die Längen der Stellvorrichtungen repräsentieren,
und die im kartesischen Bezugssystem Oxy angelegten Verstellungen sind. Diese Signale werden einer Leistungssteuerung
43 übermittelt, welche die Motoren 11, 21, 23 beaufschlagt, die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt sind
und den Stellvorrichtungen 1, 2 und 3 jeweils mechanisch eine bestimmte Länge aufzwingen.
Es ist leicht einzusehen, warum es ein System mit drei Stellvorrichtungen erlaubt, eine vorbestimmte Lage des
beweglichen Tisches zu erzielen. Wird z. B. vorausgesetzt, daß die Stellvorrichtung 1 nicht vorhanden ist, dann hindert
nichts die Rotation der Stellvorrichtungen 2, 3 derart, daß die Punkte C2P2C3P3 ein Parallelogramm bilden, welches sich
frei verformen kann, obwohl die Seiten eine konstante Länge haben. Mit dem Einbau einer dritten Stellvorrichtung ist
das Parallelogramm nicht mehr frei, sich zu verformen und die Lage des beweglichen Tisches ist vollkommen bestimmt. Es
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versteht sich, daß die Gelenke Pl, P2, und P3 alle voneinander getrennt sein müssen. Man kann sich auf die Kinematik auch
beziehen durch Erinnerung daran, daß der Tisch mit seinem Stützsystem ein System mit drei Freiheitsgraden ist, und
daß die drei Stellvorrichtungen es erlauben, drei Verknüpfungsgleichungen
anzugeben, so daß die Lage des Tisches vollständig durch die jeweiligen Längen der Stellvorrichtungen
bestimmt ist. Unter Bezugnahme auf die bei der Beschreibung der Fig. 2 definierte Mittellage, mit
χ und y als Abweichungen von dieser Lage und unter Beschränkung auf den einfachen Fall von Translationen können
die die Längen der Stellvorrichtungen mit den gewünschten Verstellungen χ und y verbindenden Gleichungen wie folgt
angegeben werden:
u = \f (χ + u )2 + y2
£5
= W =V χ +
ν = w =V χ + (v - y)2
Diese Gleichungen bestimmen im Falle einer Translation vollständig die Funktion des in Fig. 3 dargestellten Rechners,
d.h. den Ablauf der gewünschten Verstellungen x, y in für die Stellvorrichtungen geeigneten Steuersignalen.
Es kann erforderlich sein, daß der Tisch eine gesteuerte Rotationsbewegung θ im Verhältnis zu seiner Mittellage
hat. Dann sind voneinander unabhängige Steuerbefehle für die Stellvorrichtungen 2 und 3 notwendig. Mit Hilfe
der Trigonometrie ist es immer möglich, kompliziertere Gleichungen anzugeben, die den Übergang von x, y, θ auf
u, v, w erlauben.
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Alles, was über die elektromechanisch^ Verwirklichung
der vertikalen Mitnahme ausgeführt wurde, gilt auch hier und braucht daher bekannt im Einzelnen wiederholt zu werden.
Außer im Fall von Schrittmotoren sind Lagemeßwertgeber 14, 24 und 34 mit ihren Rückleitungen zur Leistungssteuerung
43 unerläßlich. Bei einer einfacheren, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der elektronischen Steuerung wird
darauf verzichtet, Tischrotationen auf elektronischem Wege zu erzeugen, um sich allein auf Translationen zu begrenzen.
Daher kann die Leitung θ(t) weggelassen werden, wie auch die Verbindung w(t) zwischen den Schaltungen 42, 43.
Die Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Funkenerosionsmaschine
. Sie unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 durch die Verwendung von Stellvorrichtungen für geringe
Hübe, verbunden mit einer den Rechner 42 der Fig. 3 erübrigenden vereinfachten Steuerung. Fig.4 zeigt den beweglichen
Tisch 4, den feststehenden Tisch 5, den Behälter 7, das zu bearbeitende Werkstück 9, den Arbeitsspalt 10, die
Werkzeugelektrode 82 und die Einheit 81 zur Mitnahme der Elektrode 82 für Vertikalbewegungen. Wegen der Verwendung
kurzhubiger Verstellvorrichtungen für schnelle Verstellungen des beweglichen Tischs enthält der Arbeitskopf 8 außer der
in Fig. 1 bereits beschriebenen Einheit 81 eine Vorschubeinheit 83 für Langhub X und gleichermaßen eine Vorschubeinheit
84 für Langhub Y. Diese beiden letztgenannten Mitnahmeinheiten dienen nur zum unabhängigen Vorschub und
benötigen daher keine leistungsstarken und teuren Motoren. Die in Fig. 5 dargestellten Stellvorrichtungen 1, 2 und 3
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werden auf dieselbe Weise betätigt, wie in Fig. 2 dargestellt. Da es sich um kurzhubige Stellvorrichtungen handelt,
kommen grundsätzlich hydraulische Stellvorrichtungen infrage.
Gemäß Fig. 5 sind Meßwertgeber 15, 25 und 35 in der Nähe der Stellvorrichtungen 1, 2 und 3 fest am feststehenden
Tisch 5 angeordnet. Ihre Fühler stützen sich auf besonderen am beweglichen Tisch 4 angebrachten ebenen Flächen ab und
messen dabei direkt die Verstellungen χ und y, vorausgesetzt, daß keine Rotation vorhanden ist. Die elektronische
Steuerung jeder Stellvorrichtung wird entsprechend dem bekannten Schema eines Ringssystems verwirklicht. Beispielsweise
wird der Sollwert χ der Stellvorrichtung 1 verglichen mit dem durch den Meßwertgeber 15 gemessenen Wert, um eine
Regelgröße zu bilden, die nach ihrer Verstärkung ein Servoventil beaufschlagt, dessen hydraulischer Ausgangskreis
mit dem Zylinder der Stellvorrichtung in Verbindung steht. Damit stellt sich der Kolben nicht auf eine Länge der Stellvorrichtung
ein, sondern auf eine Verstellung χ des Tisches.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil einer direkten
Steuerung der Verstellungen x, y, so daß ein Rechner 42 nicht mehr notwendig ist, vorausgesetzt, daß die Rotation des
Tisches verhindert und den Stellvorrichtungen 2, 3 gleiche Längen augezwungen werden.
Die beiden beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf herkömmliche Maschinen zur Funkenerosionsbearbeitung.
Es ist jedoch selbstverständliche, daß sich die beschriebene Vorrichtung gleicher Maßen auch für mit einem Draht arbeitende
Erosionsschneidemaschinen eignen, wie auch allgemein für alle herkömmlichen Werkzeugmaschinen.
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ι · Λ6·..
Leerseite
Claims (4)
- PATENTANWÄLTE 0^0' °'PL-PHYS- Η· STURIESBRAHMSSTRASSE 29, 5600 WUPPERTAL 2Ansprüche/l.J Werkzeugmaschine mit einem beweglichen Tisch (4) für ein Werkstück (9), der parallel zu einer durch einen feststehenden Tisch (5) definierten Ebene verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein in der definierten Ebene alle Bewegungen des beweglichen Tisches (4) und dessen Abstützung auf dem feststehenden Tisch (5) erlaubendes Stützssystem aufweist, das mindestens drei, den beweglichen Tisch (4) in der definierten Ebene mitnehmende Stellvorrichtungen (1, 2, 3) hat, die jeweils gelenkig mit dem beweglichen Tisch (4) einerseits und dem feststehenden Tisch (5) andererseits verbunden sind und zur Erzielung einer zu jedem Zeitpunkt einzigen vorbestimmten Lage des beweglichen Tisches (4) eine ihre Länge steuernde Vorrichtung haben.
- 2. Maschine nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem beweglichen Tisch (4) und dem feststehenden Tisch (5) ein Druckmittel wirkt.130047/0423
- 3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i c h η e t, daß sie einen Rechner (42) zum Umrechnen der in einem Bezugssystem entworfenen Verstellungen des beweglichen Tisches (4) in geeignete Steuersignale für jede Verstellvorrichtung (1, 2, 3) hat.
- 4. Maschine nach Anspruch !.,dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtungen (1, 2, 3) mechanische Stelleinrichtungen zum Justieren der Winkellage des beweglichen Tisches (4) haben.130047/0423
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