Beschreibung
Maschine mit einem entlang einer Traverse bewegbaren Maschinenelement
Die Erfindung betrifft eine Maschine mit einem entlang einer Traverse bewegbaren Maschinenelement und einem Maßelement zur Messung einer Lage des Maschinenelementes.
Bei Maschinen, insbesondere bei Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder Robotern treten beim Verfahren eines bewegbaren Maschinenelements hohe Beschleunigungskräfte auf.
In FIG 1 ist eine handelsübliche Werkzeugmaschine mit einem entlang einer Traverse 1 bewegbaren Maschinenelement 5, das in FIG 1 beispielhaft in Form eines Linearmotors 5 vorliegt, dargestellt. Die Traverse 1 wird an ihrer A-seitigen Seite von einem ersten Trageelement 2 gehalten und auf ihrer B-sei- tigen Seite von einem zweiten Trageelement 3 gehalten. Das erste Trageelement 2 und das zweite Trageelement 3 sind dabei bei einer solchen handelsüblichen Werkzeugmaschine fest, d.h. z.B. mittels einer Schweißverbindung mit der Traverse 1 möglichst starr verbunden. Die Traverse 1 kann somit zum ersten Trageelement 2 oder zum zweiten Trageelement 3 keine Relativ¬ bewegung durchführen. Mit Hilfe des Linearmotors 5, der von der Traverse 1 getragen wird, kann ein rotatorischer Antrieb 6, der ein Werkzeug 7, z.B. einen Fräskopf antreibt, in X- Richtung entlang der Traverse bewegt werden.
Zur Ermittlung der Lage des Linearmotors 5 ist am Linearmotor 5 ein Messkopf 10 angebracht, der eine Maßverkörperung eines Maßelementes 4, das fest mit der Traverse 1 verbunden ist, einliest. Solchermaßen kann eine Lage d.h. die Position des Linearantriebs 5 und damit die Lage des Werkzeugs 7 entlang der Traverse bestimmen werden. Der auf der Traverse geführte Linearmotor 5 erzeugt bei dynamischen Verfahrbewegungen entlang der X-Achse Beschleunigungskräfte, die in kurzer Zeit auf- und wieder abgebaut werden. Die dadurch resultierenden
Gegenkräfte werden über die Traverse 1 auf die beiden Trage¬ elemente 2 und 3 übertragen, die sich dadurch verformen.
In FIG 2 ist die bei einer handelsüblichen Maschine auftre¬ tende Verformung der beiden Trageelemente 2 und 3 darge¬ stellt. Die Bezugszeichen von FIG 2 stimmen mit den Bezugzeichen der Elemente von FIG 1 überein. Die Verformung der Trageelemente führt zu einer Bewegung (seitlichen Versatz) der Traverse 1, die auch das Maßelement 4 des Lagemeßsystems mit ausführt, weil das Maßelement 4 fest, d.h. unbeweglich mit der Traverse verbunden ist. Dadurch entstehen während des Bearbeitungsvorgangs eines Werkstücks große Ungenauigkeiten, die z.B. zuvor bei einer Frequenzanalyse des Bewegungsvorgangs so nicht zu erwarten gewesen wären. Je weniger steif die Trageelemente ausgeführt sind, desto stärker macht sich dies in Folge der dadurch verursachten größeren Amplituden der Verformung der Tragelemente bei der Bearbeitung bemerkbar. Die angeführte Problematik führt z.B. bei handelsübli¬ chen Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder Roboter in der Praxis zu einer Beschränkung der Maschinendynamik.
Zur Vermeidung dieses Problems ist ein Lösungsvorschlag aus der Druckschrift „Werkstatt und Betrieb, Maschinebau, Kon¬ struktion und Fertigung", Artikel "Ruckfrei", Dietmar Stoiber und Markus Knorr, Carl Hanser Verlag, München, Jahrgang 133 (2000) 6, für ein festes Portal bekannt, wobei ein separates Trägergestell für das Maßelement des Meßsystems zum Einsatz kommt. Das separate Trägergestell erfährt bei der Bewegung des Maschinenelements keine Kräfte und bleibt daher ohne Ver¬ lagerung zum Fundament. Der Nachteil dieser Anordnung besteht in dem zusätzlichen Trägergestell für das Maßelement und hät¬ te im Falle einer verfahrbaren Traverse eine zusätzliche Ma¬ schinenachse zur Folge.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine zu schaffen, bei der der Einfluss der Verformung der Trageelemente auf die Messgenauigkeit der Lage des Maschinenelements reduziert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Maschine mit einem ent¬ lang einer Traverse bewegbaren Maschinenelement und einem Maßelement zur Messung einer Lage des Maschinenelements, wo¬ bei die Traverse von einem ersten Trageelement und einem zweiten Trageelement getragen wird, wobei die Traverse mit dem ersten Tragelement fest verbunden ist und mit dem zweiten Trageelement dermaßen beweglich verbunden ist, dass die Tra¬ verse und das zweite Trageelement relativ zueinander bewegbar sind, wobei das Maßelement mit dem zweiten Trageelement fest verbunden ist und mit dem ersten Trageelement dermaßen beweg¬ lich verbunden ist, dass das Maßelement und das erste Trage¬ element relativ zueinander bewegbar sind.
Es erweist sich als vorteilhaft, dass das Maschinenelement als Antrieb ausgebildet ist. Eine Ausbildung des Maschinen¬ elements als Antrieb stellt eine übliche Ausbildungsform dar.
In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, dass der Antrieb als Linearantrieb ausgebildet ist. Eine Ausbil¬ dung des Antriebs als Linearantrieb stellt eine übliche Aus¬ führungsform bei Maschinen, die eine Traverse aufweisen, dar.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass das Maßele¬ ment über ein erstes Lager mit dem ersten Trageelement beweg¬ lich verbunden ist. Mit Hilfe eines Lagers kann auf einfache Art und Weise eine bewegliche Verbindung realisiert werden.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass die Traverse über ein zweites Lager mit dem zweiten Trageelement beweglich verbunden ist. Mit Hilfe eines Lagers kann auf einfache Art und Weise eine bewegliche Verbindung realisiert werden.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass das erste La¬ ger und/oder das zweite Lager als Gleitlager, magnetisches Lager, Walzkörperlager oder als Verformungslager ausgebildet ist. Eine Ausführung des ersten und/oder des zweiten Lagers als Gleitlager, magnetisches Lager oder Walzkörperlager stellen übliche Formen von Lagern dar. Besonders vorteilhaft ist
es das Lager als Formungslager auszubilden. Bei einer Ausbildung des Lagers als Verformungslager ist sichergestellt, dass zum einen die beteiligten Elemente gegeneinander in X-Rich- tung bewegbar sind und zum anderen eine hohe Quersteifigkeit (Steifigkeit in Y-Richtung) gegeben ist. Falls die Maschine eine weitere Maschinenachse aufweist, die ein Verfahren von Maschinenelementen in Y-Richtung erlaubt, d.h. in Richtung der horizontalen Ebene senkrecht zur X-Achse, dann wird mit Hilfe eines Verformungslagers die erforderliche Steifigkeit der Anordnung in Y-Richtung sichergestellt.
In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, dass das Verformungslager in Form eines Bleches ausgebildet ist. Mit Hilfe der Ausbildung des Verformungslagers als Blech, insbesondere in Form eines weichen Blechs, kann auf besonders einfache Weise ein Verformungslager, welches in X-Richtung eine Bewegbarkeit der Element zueinander zulässt aber gleich¬ zeitig durch seine hohe Steifigkeit in Y-Richtung eine Bewe¬ gung der beteiligten Elemente verhindert, realisiert werden.
Eine Ausbildung der Maschine als Werkzeugmaschine, Produkti¬ onsmaschine und/oder als Roboter stellt eine übliche Ausbil¬ dungsform der Erfindung dar. Selbstverständlich ist die Erfindung aber auch für andere Arten von Maschinen einsetzbar.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen :
FIG 1 eine Werkzeugmaschine gemäß dem Stand der Technik,
FIG 2 eine Werkzeugmaschine gemäß dem Stand der Technik, bei der eine Verformung der Trageelemente auftritt,
FIG 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä¬ ßen Maschine und
FIG 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä¬ ßen Maschine.
In FIG 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsge¬ mäßen Maschine in Form einer Werkzeugmaschine. Die in FIG 3 dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsform entspricht im Grundaufbau im Wesentlichen der vorstehend in FIG 1 und FIG 2 beschriebenen Ausführungsform. Gleiche Elemente sind daher in FIG 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in FIG 1 oder FIG 2. Die wesentlichen Unterschiede der erfindungsgemä¬ ßen Ausführungsform gemäß FIG 3 gegenüber der handelsüblichen Ausführungsform gemäß FIG 1 und FIG 2 bestehen darin, dass die Traverse 1 mit dem ersten Trageelement 2 fest verbunden ist und mit dem zweiten Trageelement 3 dermaßen beweglich verbunden ist, dass die Traverse 1 und das zweite Trageele¬ ment 3 relativ zueinander bewegbar sind, wobei das Maßelement 4 mit dem zweiten Trageelement 3 fest verbunden ist und mit dem ersten Trageelement 2 dermaßen beweglich verbunden ist, dass das Maßelement 4 und das erste Trageelement 2 relativ zueinander bewegbar sind. Gegenüber der handelsüblichen Ausführungsform gemäß FIG 1 und FIG 2 ist also die Traverse 1 nicht mehr möglichst starr mit den beiden Trageelemente 2 und 3 miteinander verbunden, sondern die Traverse 1 kann sich relativ zum zweiten Trageelement 3 in einem gewissen Rahmen bewegen. Die Bewegung zwischen Traverse 1 und dem zweiten Trageelement 3 findet dabei üblicherweise im Mikrometerbereich und/oder je nach Ausführungsform der Maschine im Millimeterbereich statt. Die Traverse 1 ist somit nur noch mit dem ers¬ ten Trageelement 2 möglichst fest d.h. starr verbunden.
Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Maschine, im Gegensatz zu der handelsüblichen Ausführungsform gemäß FIG 1 und 2, das Maßelement 4 auch nicht mehr fest mit der Traverse 1 verbunden, sondern das Maßelement 4 ist gegenüber der Traverse 1 beweglich angeordnet, in dem es mit dem zweiten Trage¬ element 3 fest verbunden ist und mit dem ersten Trageelement 2 beweglich verbunden ist, so dass das Maßelement 4 und das erste Trageelement 2 relativ zueinander bewegbar sind.
Das Maßelement 4 wird dabei vorzugsweise über ein erstes La¬ ger 8 mit dem ersten Trageelement 2 beweglich verbunden und
die Traverse 1 wird vorzugsweise über ein zweites Lager 9 mit dem zweiten Trageelement 3 beweglich verbunden. Die Lager können dabei als Gleitlager, magnetische Lager oder als Wälzkörperlager ausgebildet sein.
Die Erfindung löst das beschriebene Problem durch eine Ent¬ kopplung der Eigenbewegungen der Trageelemente. Dadurch dass die Traverse 1 nur noch mit dem ersten Trageelement 2 fest verbunden ist, wird bei einer Bewegung in X-Richtung des Linearmotors 5, wie in FIG 3 beispielhaft dargestellt, bei ei¬ ner Beschleunigung des Linearmotors 5 die Kraft in X-Richtung nur noch auf das erste Trageelement 2 übertragen, das sich wie in FIG 3 dargestellt, durch die Krafteinwirkung verformt. Da die Traverse 1 gegenüber dem zweiten Trageelement beweg¬ lich angeordnet ist, bleibt das zweite Trageelement 3 in Ruhe und wird nicht verformt. Da der Maßstab nur mit dem zweiten (unverformten) Trageelement 3 fest verbunden ist und mit dem zweiten Trageelement 2 bewegbar verbunden ist, wird die Verformung des ersten Trageelements 2 ebenfalls nicht auf das Maßelement 4 und damit auf das Lagemesssystem übertragen. Da in der Rückführung des Lagemesssignals für die Regelung zur Bewegungsführung des Linearmotors 5, die Eigenbewegung der Traverse 4 somit nicht mehr als Störgröße vorhanden ist, kön¬ nen bei der Bearbeitung wesentlich höhere Genauigkeiten und eine höhere Maschinendynamik realisiert werden.
In FIG 4 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemä¬ ßen Maschine dargestellt. Die in FIG 5 dargestellte Ausfüh¬ rungsform entspricht im Grundaufbau im Wesentlichen der vorstehend in FIG 4 beschriebenen Ausführungsform. Gleiche Elemente sind daher in FIG 4 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in FIG 3. Der einzige wesentliche Unterschied be¬ steht darin, dass bei der Ausführungsform gemäß FIG 4 das erste Lager 8 und das zweite Lager 9 nicht als Gleitlager, magnetische Lager oder als Wälzkörperlager ausgebildet sind, sondern diese sind als Verformungslager, die in dem Ausführungsbeispiel in Form eines Bleches ausgebildet sind, reali¬ siert. Die Traverse 1 ist dabei in dem Ausführungsbeispiel
über vertikal angeordnete Bleche 9 mit dem zweiten Trageele¬ ment 3 verbunden. Ebenso ist das Maßelement 4, über vertikal angeordnete Bleche 8 mit dem ersten Trageelement 2 verbunden. Durch die Anordnung der Bleche 9 ist gewährleistet, dass eine Bewegung der Traverse 1 gegenüber dem zweiten Trageelement 3 stattfinden kann, ohne dass sich das zweite Trageelement 3 verformt, da nur sehr geringe Kräfte in X-Richtung nötig sind um die Bleche zu verbiegen. In analoger Weise kann auch eine Bewegung zwischen dem Messelement 4 und dem ersten Trageelement 2 durch die Bleche 8 stattfinden. Dadurch dass die Ble¬ che aber in horizontaler Y-Richtung (siehe FIG 4) eine hohe Steifigkeit besitzen, wird mit einer Ausbildung der Lager als Verformungslager, insbesondere in Form der vorgeschlagenen Bleche, auch gleichzeitig eine hohe Steifigkeit der Anord¬ nung, insbesondere der Traverse 1 in Y-Richtung, d.h. in horizontaler Richtung in die Zeichnung hineingesehen, realisiert. Mit Hilfe von Blechen lassen sich Verformungslager besonders leicht realisieren.
Selbstverständlich müssen zur Ausbildung eines Verformungslagers nicht unbedingt mehrere Bleche vorgesehen sein, sondern das Verformungslager kann auch nur mit einem einzigen Blech ausgebildet sein.
Weiterhin kann natürlich auch eines der beiden Lager als Verformungslager ausgebildet sein, während das andere Lager z.B. als Gleitlager, magnetisches Lager oder als Walzkörperlager ausgebildet ist.