BESCHREIBUNG

WERKZEUGMASCHINE

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkzeugmaschinen. Sie betrifft eine Werkzeugmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Die grundsätzliche Funktion einer Werkzeugmaschine ist die Erzeugung einer Relativbewegung (Vorschubbewegung) zwischen Werkzeug und Werkstück, bei der üblicherweise Werkzeug und Werkstück miteinander in Eingriff kommen und teilweise, wie z.B. bei der zerspanenden Bearbeitung, hohe Prozesskräfte auftreten und aufgenommen werden müssen.

Dabei müssen Hauptanforderungen erfüllt werden wie:

- Genauigkeit der Positionierung und der Vorschubbewegung unter statischer, dynamischer und thermischer Belastung

Festigkeit zur Aufnahme von Gewichts-, sowie Prozess- und

Trägheitskräften

Hinzu kommen Nebenanforderungen, welche hinsichtlich der Produktivität zunehmend Wichtigkeit erlangen wie:

Dynamik der Positionier- und Vorschubbewegung;

- hohe dynamische Genauigkeit, geringe überschwingerscheinungen bei starken Beschleunigungen,

- hohe statische und dynamische Steifigkeit für hohe Genauigkeit der Bearbeitungsergebnisse und Eignung zur Schwerzerspanung;

- geringe Herstellkosten;

- geringer Wartungsaufwand; - Zuverlässigkeit und Verschleissarmut;

- geringer Energieverbrauch.

Durch Optimieren der Massen-Steifigkeitsverhältnisse lassen sich bei einem konventionellen Maschinenaufbau diese Anforderungen nur schwer erfüllen. Einige Anforderungen verlangen Massnahmen, welche zueinander gegensätzlich sind. Dies führt zu Kompromissen, beispielsweise zwischen Steifigkeit und Dynamik.

Verstärkt wird dies dadurch, dass bei einem konventionellen Maschinenaufbau immer mindestens zwei Achsen aufeinander aufgebaut sind. Das heisst, dass immer mindestens eine Achse die Masse der anderen Achsen bewegen muss und daher auch einen stärkeren Antrieb aufweisen muss.

Ferner ist der Kraftfluss relativ indirekt, die Auskragung einer solchen Anordnung zwischen Krafteinleitung und Basis wird entsprechend gross. Diese Auskragung führt zu einer Beanspruchung der Struktur auf Biegung und führt daher zu hohen Nachgiebigkeiten.

Mit Parallelkinematiken wurde in den letzten Jahren versucht, mit einer grundlegend anderen Maschinenstruktur diese o.a. gegensätzlichen Eigenschaften leichter zu erfüllen. Bei Gelenkstab-Kinematiken ist der überwiegende Teil der bewegungserzeugenden Maschinenstruktur ausschliesslich Normalbeanspruchungen unterworfen. Aufgrund dieser Beanspruchungsgerechtheit resultiert ein prinzipiell sehr hohes Steifigkeits- Massen-Verhältnis und damit eine hohe Steifigkeit bei hoher Dynamik. Als nachteilig wirkt sich die Indirektheit der Führung, des Antriebs und des Messsystems aus. Die Führung und die Lagemessung erfolgen indirekt (weit entfernt vom Tool Center Point TCP) über die Maschinenstruktur, welche unmittelbar mit statischen und dynamischen Kräften des Antriebs beaufschlagt ist. Das heisst, dass nachgiebigkeitsbedingte Auslenkungen nicht erfasst werden können und sich damit unmittelbar auf die Positionsunsicherheit auswirken.

Diese drei Systeme Führung, Antrieb und Messsystem, welche insbesondere die Genauigkeit der Maschine bestimmen, müssen über den Umweg der Koordinatentransformation vom kartesischen in das maschinenspezifische Koordinatensystem umgerechnet werden und umgekehrt. Um eine lineare kartesische Bewegung zu erzeugen, müssen in der Regel alle Maschinenachsen bewegt werden. Hierdurch und weil jede Bewegung einer Achse fehlerbehaftet ist, wirken sich selbst für eine einachsige Bewegung alle Fehlermöglichkeiten der Maschine aus. In der Praxis äussert sich dies durch ein schwer zu beherrschendes Genauigkeitsverhalten der parallelkinematischen Maschinenstruktur.

Eine Führungs- und Lagerungskomponente soll genau definierte Freiheitsgrade freigeben. Die anderen Freiheitsgrade sind unterdrückt. Die Qualität, mit der diese Freiheitsgrade unterdrückt sind und damit nicht von Bewegungen in den freigegebenen Freiheitsgraden beeinflusst werden, charakterisiert die Genauigkeit der Komponente. Beispielsweise soll eine Linearführung genau in einer Richtung verschiebbar sein und damit genau einen linearen Freiheitsgrad freigeben. Alle

anderen Freiheitsgrade, nämlich zwei translatorische und drei rotatorische, müssen unterdrückt sein. Führt die Führung in der Richtung der unterdrückten Freiheitsgrade Bewegungen aus, sind diese Freiheitsgrade nicht exakt unterdrückt.

Jede im Kraftfluss liegende Führungs- und Lagerungskomponente ist also fehlerbehaftet, Die Auswirkungen sind Rollen, Gieren, Nicken und Parallelitätsabweichungen. Je höher die Summe der unterdrückten Freiheitsgrade einer Maschinenstruktur ist, desto höher ist also auch die Summe der geometrischen Fehler bzw. das Fehlerpotential.

Die Genauigkeit der Maschinenstruktur hängt also davon ab, wie hochwertig die Führungs- und Lagerungskomponenten ausgeführt sind, und wie stark bzw. unmittelbar sich die einzelnen Fehler, bedingt durch die geometrische Anordnung der Komponente in der Struktur, auf die Ungenauigkeit des TCP auswirken. Eine kartesische 3-achsige Maschine serieller Bauart (mit drei aufeinander aufbauenden orthogonalen Achsen) besitzt in der Summe 15 unterdrückte Freiheitsgrade, wobei sich jede Ungenauigkeit unmittelbar auf die Genauigkeit der gesamten Struktur auswirkt. Für die präzise Unterdrückung von Freiheitsgraden muss also ein hoher fertigungstechnischer Aufwand getrieben werden. Eine parallelkinematische Maschinenstruktur weist ein Vielfaches an unterdrückten Freiheitsgraden auf. So weist z.B. ein Tripod mit 6 Stäben und 3 Linearführungsschlitten eine Summe unterdrückter Freiheitsgrade von über 130 auf.

Bei allen im Stand der Technik vorkommenden Strukturen ist die Zahl der unterdrückten Freiheitsgrade weit grösser als notwendig. Die Qualität unterdrückter Freiheitsgrade charakterisiert die Genauigkeit einer Maschine und verursacht hohe Kosten in der Fertigung. Zur exakten Positionierung eines Körpers im Raum bedarf es theoretisch genau 6 unterdrückter Freiheitsgrade. Daher ist es sinnvoll, die Summe unterdrückter Freiheitsgrade einer Werkzeugmaschine dieser Zahl anzunähern.

Man erkennt an konventionellen Werkzeugmaschinen, für die der Kreuztisch aus zwei zueinander orthogonalen Schlitten das Grundelement ist, dass

- deren Konstruktion aufwändig, - ihr dynamischen Verhalten schlecht, und

- der Kraftfluss indirekt ist.

Ist dieses Hauptproblem befriedigend gelöst, lässt sich der dritte erforderliche Schlitten auf vielfältige Weise hinzukonstruieren. Ist der Kreuzschlitten aufwändig konstruiert, sind dessen Platzbedarf, die Grosse der Störgeometrie, der Materialaufwand etc. Merkmale, welche sich auf die gesamte Maschinenkonzeption negativ auswirken. Die Grosse und Dimensionierung wächst bei Vergrösserung der Achshübe und verfahrbaren Massen in erheblichem Masse, da die Grundachse des Kreuzschlittens das durch stärkere und grossere Dimensionierung vergrösserte Gewicht des Oberschlittens selbst zusätzlich zur Nutzlast tragen und antreiben muss.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von hochpräzisen Positioniereinrichtungen bekannt, die für die Bearbeitung von Halbleiterwafem oder -elementen vorgesehen sind und eine berührungslose Lagerung eines Schlittens in einer Ebene einsetzen (siehe z.B. die US-B1 -6,320,649, die US-A- 6,128,069, die US-A-5,669,600 oder die US-A1 -2003/0113043). Diese bekannten Lösungen sind als Werkzeugmaschinen für die zerspanende Bearbeitung von schweren und grossen Werkstücken nicht geeignet, weil dort Bearbeitungskräfte statischer und dynamischer Natur, wie sie bei der zerspanenden Bearbeitung auftreten, von der Maschinenstruktur nicht in ausreichendem Masse aufgenommen und gedämpft werden können.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeugmaschine mit einem Tisch zu schaffen, welche die Nachteile bekannter Werkzeugmaschinen vermeidet und sich insbesondere durch eine bei gleichzeitig einfachem, material- und platzsparenden Aufbau sehr hohe Präzision auszeichnet.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeugmaschine mit einem Tisch zu schaffen, welche angesichts der einleitend aufgeführten Problemstellungen in der Werkzeugmaschinenkonstruktion besonders vorteilhafte Eigenschaften aufweist. Dies sind insbesondere die Direktheit des Kraftflusses und die unmittelbare Lagemessung zwischen TCP und Werkstück, die Minimierung der Anzahl der unterdrückten Freiheitsgrade insbesondere der genauigkeitsbestimmenden Maschinenstruktur, die Vermeidung aufeinander aufbauender Achsen und damit verbunden die prinzipielle Optimierung des Steifigkeits-Massenverhältnisses.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, den Tisch auf einer Fläche eines Gestells flächig zu führen. Durch die flächige Führung werden weniger Freiheitsgrade in der Bewegung des Tisches unterdrückt, wodurch die mit der Unterdrückung der Freiheitsgrade verbundenen Fehler verringert werden. Zugleich vereinfacht sich der Aufbau der Maschine. Durch die erfind ungsgemässe Gestaltung des Tisches werden die Anforderungen wie Steifigkeit, Dynamik, thermische Stabilität insbesondere Genauigkeit der Bewegungen und der Positionierung bei geringen Herstellkosten und geringem Platzbedarf leichter erreicht.

Grundsätzlich kann die Führungsfläche eine gekrümmte Fläche wie z.B. eine Kugelfläche, eine Zylinderfläche oder dgl. sein. Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Führungsfläche des Gestells eine Ebene. Bevorzugt ist auch eine nicht unterbrochene, durchgehende Führungsfläche bzw. eine Fläche, die in durchgehenden Bahnen des Werkzeugs bearbeitet werden

kann, weil hier das Verhältnis von erreichbarem Hub des Tisches zur Flächengrösse der Führungsfläche maximal ist.

Für eine besonders hochwertige und präzise Führung des Tisches ist es von Vorteil, wenn die Führung des Tisches auf der Führungsfläche des Gestells berührungslos erfolgt. Dabei kann der Tisch auf der Führungsfläche des Gestells mittels Fluidlagern (z.B. Luftlagern) gelagert sein. Der Tisch kann auf der Führungsfläche des Gestells aber auch magnetisch gelagert sein.

Die Führung kann aber auch eine trockene oder mit Festschmierstoffen geschmierte Gleitführung sein.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zweite Mittel vorgesehen sind, welche dem Tisch auf der Führungsfläche des Gestells eine vorgebbare Vorspannung aufprägen. Hierdurch kann eine hohe Steifigkeit der Lagerung erreicht werden, die, insbesondere bei der berührungslosen Lagerung, den Spalt zwischen Lagerfläche und Tisch weitgehend unabhängig von den im Betrieb auftretenden Kräften macht.

Die zweiten Mittel können dabei als mechanisch wirkend ausgebildet sein.

Insbesondere können die mechanischen Mittel zur Erzeugung einer Vorspannung eine mit dem Gestell in Verbindung stehende Traverse umfassen, die ggf. in einer Richtung angetrieben sein kann.

Die zweiten Mittel können aber auch berührungslos als fluidisch, insbesondere aerostatisch, vorzugsweise mittels eines Unterdrucks, oder magnetisch wirkend ausgebildet sein.

Günstig ist es dabei, wenn die Steifigkeit der Lagerung wenigstens einige 100 N/μm, insbesondere mehr als 1000 N/μm, beträgt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die ersten Mittel einen parallelkinernatischen Antrieb umfassen. Innerhalb des parallelkinematischen Antriebs können dabei insbesondere an verschiedenen Punkten des Tisches Gelenkarme mit dem einen Ende schwenkbar angelenkt sein, und mit dem anderen Ende jeweils mit einem unabhängig arbeitenden Linearantrieb gelenkig verbunden sein.

Vorzugsweise sind zwei Gelenkarme an gegenüberliegenden Seiten des Tisches angelenkt, und die beiden zugehörigen Linearantriebe sind entsprechend an gegenüberliegenden Seiten des Gestells parallel zueinander angeordnet. Zusätzlich kann am Tisch eine Drehmomentstütze vorgesehen sein, wobei vorzugsweise als Drehmomentstütze ein weiterer Gelenkarm vorgesehen ist, welcher mit einem der antreibenden Gelenkarme ein Parallelogramm bildet.

Die ersten Mittel können alternativ aber auch einen seriellen Antrieb über wenigstens eine Traverse oder einen Flächenantrieb umfassen.

Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind an der Werkzeugmaschine Mittel zur Messung der Position des Tisches relativ zum Gestell vorgesehen, wobei die Positionsmessmittel in einer möglichen

Weiterbildung Positionsmessvorrichtungen umfassen, welche mit den ersten Mitteln zur Verschiebung des Tisches zusammenwirken. In diesem Fall wird die Position des Tisches indirekt bestimmt.

Die Positionsmessmittel können aber auch als Messkinematik ausgebildet sein, welche einen Messbalken umfasst, der gegenüber dem Gestell in einer ersten Achse verschiebbar und gegen den Tisch in einer zweiten, zur ersten orthogonalen Achse verschiebbar ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn die Positionsmessmittel ein auf der Unterseite des Tisches angeordnetes Kreuzgitter umfassen, welches zur Positionsbestimmung von in der Führungsfläche

angeordneten Sensoren abgetastet wird. Kreuzgitter und Sensoren können auch ihre Positionen vertauschen. Hierdurch ergibt sich in beiden Fällen eine sehr direkte Positionsmessung.

Bei der Werkzeugmaschine kann aber auch der Tisch rahmenförmig ausgebildet sein und einen innenliegenden zweiten Tisch zur Aufnahme eines Werkstücks oder Werkzeugs umfassen, der relativ zum ersten Tisch auf derselben Führungsfläche beweglich gelagert ist, und wobei der Tisch flächig geführt ist.

Insbesondere kann der zweite Tisch als Rundtisch ausgebildet sein, welcher um eine zur Führungsfläche des Gestells senkrecht stehende Drehachse drehbar ist.

Bei der Integration der Drehachse in den beweglichen Tisch ergibt sich eine den Erfindungsgedanken konsequent anwendende Möglichkeit, indem der Drehkörper in x und y - Richtung nur mitgenommen wird, während die Führung und damit die Einhaltung der Rechtwinkligkeit der Drehachse zur Führungsfläche durch die flächige Führung selbst bewerkstelligt wird. Im Folgenden wird dies als direktgeführter Drehtisch bezeichnet.

Der Rundtisch wird in seiner Drehung um die Drehachse vorzugsweise von einem im rahmenförmigen Tisch untergebrachten Drehantrieb angetrieben.

Der zweite Tisch kann aber auch als Hubtisch ausgebildet sein, welcher in einer zur Führungsfläche des Gestells senkrecht stehenden Hubachse verfahrbar ist.

Zum Antrieb des Hubtisches in der Hubachse ist insbesondere ein in der Führungsfläche des Gestells bewegliches Keilelement mit schrägen Keilflächen vorgesehen ist, auf welchen Keilflächen der Hubtisch flächig gelagert ist.

Das Keilelement kann dabei ein linear verschiebbarer Keil sein. Es kann aber auch ein um eine senkrecht auf der Führungsfläche des Gestells stehenden Drehachse drehbarer Drehkeil sein.

KURZE ERLäUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine vereinfacht dargestellte Werkzeugmaschine gemäss einem Ausführungsbeispiel der

Erfindung in der in Fig. 2 eingezeichneten Ebene l-l;

Fig. 2 die Draufsicht von oben auf die Werkzeugmaschine gemäss Fig.

1 ;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Werkzeugmaschine nach Fig. 2 in der

Ebene Ill-Ill der Fig. 4;

Fig. 4 eine Seitenansicht in Längsrichtung der Werkzeugmaschine aus Fig. 2;

Fig. 5 einen Schnitt durch die Werkzeugmaschine nach Fig. 2 in der

Ebene V-V der Fig. 4;

Fig. 6 den in Fig. 4 eingezeichneten Ausschnitt VI in der Vergrösserung;

Fig. 7 ein zu Fig. 2 vergleichbares Ausführungsbeispiel mit einer

Messkinematik zur Bestimmung der Position des Tisches;

Fig. 8 die Seitenansicht der Maschine aus Fig. 7, wobei als Alternative zur Positionsmessung ein Kreuzgitter-Messsystem eingezeichnet ist;

Fig. 9 die prinzipielle Darstellung einer Maschine mit Traverse, über die dem Tisch eine mechanische Vorspannung aufgeprägt wird, und die auch für den Antrieb des Tisches verwendet werden kann;

Fig. 10 die Prinzipdarstellung einer Maschine mit nach dem

Grundgedanken der Erfindung direktgeführtem Drehtisch;

Fig. 11 die Prinzipdarstellung einer Maschine gemäss der Erfindung mit integriertem Hubtisch, der mittels eines linear verschiebbaren

Keils angehoben und abgesenkt wird; und

Fig. 12 die Prinzipdarstellung einer Maschine gemäss der Erfindung mit integriertem Hubtisch, der mittels eines Drehkeils angehoben und abgesenkt wird.

WEGE ZUR AUSFüHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 2 ist in der Draufsicht von oben eine Werkzeugmaschine 10 gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Werkzeugmaschine 10 umfasst ein stabiles Gestell 11 , der beispielsweise aus einem Steinmaterial, insbesondere Granit, bestehen kann. Das Gestell 11 ist auf der Oberseite durch eine präzise bearbeitete (z.B. geschliffene und polierte) Ebene (24 in Fig. 1) begrenzt, auf der ein massiver Tisch 12 in der x-y-Ebene frei beweglich gelagert ist. Der Tisch 12 hat im gezeigten Beispiel auf seiner Oberseite die üblichen Einrichtungen zum Aufspannen eines Werkstücks, z.B. Spannnuten. Er kann aber auch zur Aufnahme eines Werkzeugs vorbereitet sein, um das Werkzeug relativ zu einem anderweitig gelagerten Werkstück zu verschieben.

Der Tisch 12 ist, wie sich an der Fig. 3 erkennen lässt, die einen Blick auf die Unterseite des Tisches 12 zeigt, mit fluidstatischen Lagervorrichtungen in Form

von Fluidlagern 25a-d ausgestattet, die an den vier Ecken des im Beispiel rechteckig ausgebildeten Tisches 12 angeordnet sind. Die Fluidlager 25a-d, die beispielsweise mit Druckluft oder Drucköl arbeiten können, sind am Tisch 12 so angebracht, dass der Tisch 12 berührungslos, aber nur in einem geringen Abstand von einigen μm, über der Ebene 24 des Gestells 11 gleitet. Bezüglich der Steifigkeit und der Führungsgenauigkeit ist es von Vorteil, wenn die Fluidlager 25a-d in den beispielsweise aus Grauguss hergestelltem Tisch 12 eingelassen sind und zusammen mit der Unterseite des Tisches 12 auf Ebenheit bearbeitet werden. Die Versorgung der Fluidlager 25a-d kann über (in den Figuren nicht eingezeichnete) Druckleitungen bzw. -schlauche von aussen erfolgen. Werden beispielsweise als Fluidlager vier kommerziell erhältliche Luftlagerplatten mit einem Durchmesser von 125 mm eingesetzt, die jeweils eine maximale Kraft F _max von 5500 N haben, lässt sich mit einer Vorspannung von Fi = 2000 N eine Steifigkeit pro Lager (36a, b in Fig. 9) von ki = 270 N/μm oder eine summierte Steifigkeit der gesamten Lagerung von ki _ges = 4-ki = 1080 N/μm erzielen. Durch eine möglichst vollflächige Verbindung der Lager mit dem Schlitten anstatt zwischengeschalteter Verbindungselemente weist die gesamte Einheit tatsächlich auch diese Steifigkeit auf.

Obgleich der Tisch 12 im dargestellten Ausführungsbeispiel als Gussteil ein erhebliches Gewicht hat und durch die damit verbundene Gewichtskraft die fluidstatische Lagerung (25a-d) vorspannt, reicht diese Vorspannung nicht aus, um bei der Aufnahme von schweren Werkstücken oder umfangreichen Werkzeugen und bei der Aufnahme von bei der Bearbeitung des Werkstücks entstehenden Kräften die erforderliche gleichbleibend hohe Steifigkeit der Lagerung entsprechend der für die Fluidlager charakteristischen Kennlinie zu erreichen, die für eine Präzisionsbearbeitung von Werkstücken mit der Werkzeugmaschine 10 unabdingbar ist. Es sind daher zusätzliche Mittel vorgesehen, welche dem Tisch 12 im Bezug auf die darunterliegende Ebene 24 eine mechanische Vorspannung so aufprägen, dass sich ein vom Gewicht des jeweiligen Werkstücks bzw. Werkzeugs weitgehend unabhängiger Lagerspalt der Lagerung ergibt.

Die mechanische Vorspannung kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Wenn der Antrieb des Tisches 12 im Rahmen einer seriellen Antriebstechnik (getrennte Antriebe in x- und y-Richtung) über eine Traverse erfolgt, kann der Tisch 12 über die Traverse gegen die Ebene 24 gepresst werden. Es ist aber auch denkbar, im Mittelbereich der Ebene 24 eine öffnung vorzusehen (wie dies beispielsweise in einem anderen Zusammenhang in der DE-U 1-200 08 723 für einen Messtisch gezeigt ist), durch die hindurch sich der Tisch von unten gegen das Gestell 11 abstützen und. mechanisch vorspannen lässt. Nachteilig ist dabei allerdings die durch die öffnung gegebene Begrenzung des Verfahrbereichs für den Tisch.

Es ist aber auch denkbar, dem Tisch 12 über am Tisch angreifende, schräg nach unten verlaufende Seile oder Stangen eine senkrecht nach unten gerichtete Kraft aufzuprägen, welche die notwendige Vorspannung in der Lagerung ergibt.

Für die Beweglichkeit des Tisches 12 und den Zugang zu ihm besonders günstig sind Mittel zur Erzeugung der Vorspannung, die im Tisch 12 selbst untergebracht sind. Hierunter fallen vor allem magnetische Einrichtungen wie Permanent- oder Elektromagnete, die im Tisch 12 oder in der Ebene 24 des Gestells 11 angeordnet sind und durch geeignete Ausgestaltung der Gegenseite eine magnetische Anziehungskraft zwischen Tisch 12 und Gestell 11 erzeugen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 6 wird eine am Tisch 12 angebrachte Vorspannungsvorrichtung 26 eingesetzt, die ausserhalb der Fluidlager 25a-d einen Unterdruck zwischen Tisch 12 und Ebene 24 erzeugt und damit den auf dem Schlitten lastenden Luftdruck für die Vorspannung nutzt. Eine solche Lösung ist in der DE-A1-40 06 853 bereits für ein Koordinatenmessgerät vorgeschlagen worden. Gemäss Fig. 3 erstreckt sich die Vorspannungsvorrichtung 26 über die gesamte, zwischen den Fluidlagem 25a-d verbleibende Fläche auf der Unterseite des Tisches 12. Die Vorspannungsvorrichtung 26 kann ebenfalls durch Schläuche mit einer ausserhalb angeordneten Abpumpvorrichtung verbunden werden.

Alternativ dazu kann die Vorspannung dem Tisch auch mechanisch aufgeprägt werden, wie dies in Fig. 9 in einer Prinzipdarstellung gezeigt ist. Die Werkzeugmaschine 33 der Fig. 9 umfasst ein Gestell 34, auf dessen ebener Führungsfläche ein Tisch 35 mittels hydrostatischen Lagern 36a, b flächig geführt ist. Mit dem Gestell 34 über Lager 38a, b verbunden ist eine Traverse 37, durch die über Lager 39a, b die gewünschte Vorspannung des Tisches 35 aufgebracht wird. Die Steifigkeiten der Lager 36a, b sind mit ki bezeichnet.

Der Antrieb des Tisches 12 für die Verschiebung in der x-y-Ebene erfolgt im

Ausführungsbeispiel der Fig. 1-6 durch eine Parallelkinematik. Dazu sind am Tisch 12 auf gegenüberliegenden Seiten zwei Gelenkarme 17, 18 an ihren einen Enden mittels entsprechender Gelenke 23a, b in einer zur Ebene 24 parallelen Ebene verschwenkbar angelenkt (Fig. 2). Mit den anderen Enden sind die Gelenkarme 17, 18 jeweils an den Schlitten von zwei Linearantrieben 15, 16 mittels zugehöriger Gelenke 22a, b schwenkbar angelenkt. Die Linearantriebe 15, 16 haben zueinander parallele Verfahrrichtungen und sind an Seitenteilen 13, 14 befestigt, die an gegenüberliegenden Seiten des Gestells 11 angeordnet sind.

Als Drehmomentstütze zur Aufnahme von Drehmomenten um eine vertikale (z-) Achse ist ein weiterer Gelenkarm 19 vorgesehen, der analog zum Gelenkarm 18 mittels Gelenken 22c und 23 c am Linearantrieb 16 bzw. am Tisch 12 angelenkt ist, und zusammen mit dem Gelenkarm 18 ein Parallelogramm bildet. Durch eine geeignete Ansteuerung der beiden Linearantriebe 15, 16 kann der Tisch 12 mit hoher Präzision auf der Ebene 24 in beliebiger Richtung bewegt werden. Es versteht sich von selbst, dass die Gelenkarme 17, 18 und 19 auch anders als im Ausführungsbeispiel gezeigt angeordnet werden können. Desgleichen können anstelle der Gelenkarme 17, 18 und 19 unter Zug stehenden Seile eingesetzt werden, wie dies aus dem Bereich der Parallelkinematiken bereits bekannt ist.

Die Positionsbestimmung des Tisches in der x-y-Ebene kann grundsätzlich direkt erfolgen, z.B. durch optische Lagevermessung über am Schlitten angebrachte

Spiegel oder im Zusammenhang mit einem auf dem Gestell 11 oder am Tisch 12 angebrachten angebrachten Messgitter (Kreuzgitter). Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 6 sind den Linearantrieben 15, 16 auf den Seitenteilen 13, 14 angebrachte Positionsmessvorrichtungen 20, 21 zugeordnet, welche die Positionen der in den Linearantrieben 15, 16 verfahrbaren Schlitten bestimmen und daraus indirekt die aktuelle Position des Tisches 12 ermitteln.

In Fig. 7 und 8 ist anstelle der indirekten Positionsmessung über die Linearantriebe eine Messkinematik zur Positionsbestimmung des Tisches 12 vorgesehen, die einen Messbalken 27 umfasst. Der Messbalken 27 ist ein einfaches balkenförmiges Maschinenelement, welches vom Tisch 12 mitgeschleppt wird. Er ist gegen den Tisch in y-Richtung verschiebbar. Hierzu ist er mit Linearführungen 29a, b in y-Richtung am Tisch 12 (an dessen Stirnseite) geführt. Der Messbalken 27 wird in y-Richtung gegenüber dem Gestell 11 geführt. Hierbei läuft eine von zwei auf dem Messbalken befestigten Laufrollen 31a,b oder vergleichbaren Führungselementen an einem Geradheitsnormal auf dem Gestell 11 ab. Der Messbalken 27 wird durch die andere Laufrolle, welche ebenfalls in x- Richtung geführt ist, so vorgespannt, dass die erste Laufrolle mit dem Geradheitsnormal in Kontakt bleibt. So ist sichergestellt, dass der Messbaiken 27 unabhängig von der x-Position der Anordnung in y-Richtung gegenüber dem Gestell 11 konstant positioniert ist. Mittels eines Massstabes 28 in der y-Achse kann so die genaue Position des Tisches 12 in y-Richtung gemessen werden (Anbindung 30). Die Position des Tisches 12 in x-Achsenrichtung wird gemessen über mindestens ein Massstab auf dem Gestell 11 , wobei der Aufnehmer vom Messbalken 27 mitgenommen wird (Anbindung 32a, b). Durch eine reibkraftarme Bewegung der Massstäbe und durch ein grosses Widerstandsmoment gegen Biegung des Messbalkens 27 kann die Durchbiegung des Messbalkens 27 hinreichend klein gehalten werden.

Passend zur flächigen Führung des Tisches kann aber auch ein flächiges

Messsystem zur Positionsbestimmung eingesetzt werden, wie dies in Fig. 8 als Alternative angedeutet ist. Hier wird auf der Unterseite des Tisches 12 parallel zur

Führungsfläche ein Kreuzgitter 62 angeordnet, das durch einen oder mehrere in der Führungsfläche verteilt angeordnete Sensoren 63 abgetastet wird.

Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Werkzeugmaschine ist im Prinzip in Fig. 10 wiedergegeben. Bei dieser Werkzeugmaschine 40 ist in den auf einem Gestell 41 flächig geführten Tisch 43 ein Rundtisch 42 integriert, der um eine senkrecht auf der Führungsfläche stehende Drehachse 46 drehbar gelagert ist. Der Tisch 43 ist dazu rahmenförmig ausgebildet und umgibt den Rundtisch 42. Der Rundtisch 42 ist mittels hydrostatischer Lager 44a,b direkt auf der Führungsfläche des Gestells 41 geführt. Die Vorspannung für den Rundtisch 42 wird vorzugsweise vom rahmenförmigen Tisch 43 über ein Axiallager in den Rundtisch eingeleitet. Für den rotatorischen Antrieb des Rundtisches 42 ist im Tisch 43 ein Drehantrieb 45 vorgesehen, der als Direktantrieb ausgebildet ist. Der translatorische Antrieb des Rundtisches 42 erfolgt über den Tisch 43, in dem der Rundtisch 42 radial gelagert ist. Die Positionsmessung sollte wiederum möglichst direkt zwischen Rundtisch 42 und Gestell 41 oder Tisch 43 und Gestell 41 erfolgen.

In einen rahmenförmigen Tisch kann aber auch ein in der z-Richtung bzw. senkrecht zur Führungsfläche des Gestells verfahrbarer Hubtisch integriert sein. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 11 umfasst die Werkzeugmaschine 47 ein Gestell

48 mit ebener Führungsfläche, auf der ein rahmenförmiger Tisch 50 flächig geführt ist. In den Tisch 50 ist ein Hubtisch 49 vertikal verfahrbar integriert. Der Hubtisch

49 seinerseits ist mittels hydrostatischen Lagern 53a, b flächig auf den schrägen Keilflächen 52 eines Keiles 51 gelagert, der parallel zur Führungsfläche des

Gestells 48 und relativ zum Tisch 50 linear verschoben werden kann.

Es ist aber gemäss Fig. 12 auch eine Werkzeugmaschine 54 mit Gestell 55, flächig geführtem Tisch 57 und integrierten Hubtisch 56 denkbar, bei welcher der Hubtisch 56 mittels hydrostatischen Lagern 61a,b auf den schrägen Keilflächen 59 eines Drehkeiles 58 gelagert ist, der durch Drehung um eine vertikale Drehachse 62 den Hubtisch in z-Richtung bewegt.

Insgesamt ist grundlegend für die Erfindung die flächige Führungsanordnung, bei der ein Tisch mittels vorzugsweise fluidstatischen Lagern auf dem Gestell (einer Grundplatte) verschiebbar gelagert ist. In einem Ausführungsbeispiel kann dies ein quaderförmiger Schlitten sein, auf dessen Unterseite 4 aerostatische (Luft-)Lager angebracht sind, mit denen der Schlitten auf der Oberfläche einer hochpräzis bearbeiteten Granitplatte in der x-y-Ebene verschiebbar gelagert ist.

Die Summe der gesperrten Freiheitsgrade ist hiermit 3, der Schlitten ist in den 2 Translationen der Ebene und in der Rotation um die Normale dieser Ebene noch frei verschiebbar. Die miteinander verketteten Ungenauigkeiten werden sehr stark reduziert, indem dieser Schlitten unmittelbar flächig auf der Basis gelagert ist. ähnliche Anordnungen sind bekannt bei Messmitteln, welche auf einer Messplatte manuell verschiebbar sind (siehe z.B. die Druckschrift EP-B1-0 445 605)

Anordnungen mit 4 Luftlagern sind beispielsweise veröffentlicht in der US-A- 3,563,186, und eine solche Vorrichtung mit elektrischem Antrieb in der DE-A1-101 40 174. Mit diesen Anordnungen kann, ausgehend von einer sehr präzise bearbeiteten Granitoberfläche, eine sehr hohe Genauigkeit der Führung erreicht werden. Wird dieses Lager nicht überlastet, tritt kein Festkörperkontakt auf und die Eigenschaften und Genauigkeit bleiben verschleissfrei erhalten.

Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist jedoch, dass Auflagerkräfte nicht stark variieren dürfen, das Schlittengewicht bei der DE-A1-101 40 174 sogar genau austariert werden muss, da die Dicke des Luftspalts der aerostatischen Lagerung aufgrund einer geringen Steifigkeit hiervon stark beeinflusst wird.

Die Dicke des Luftspaltes ist von der Belastung und vom aerostatischen Druck abhängig. Wird von dem Schlitten eine veränderliche Last aufgenommen, oder muss eine hohe Steifigkeit erzeugt werden, muss zusätzlich zum Gewicht dieses horizontal liegenden Schlittens eine Vorspannkraft zwischen Grundplatte und aerostatischen Lagern aufgebracht werden. Dadurch wird der Luftspalt sehr klein

und weist eine hohe Steifigkeit auf. Hierdurch ist es möglich, dass dieser Schlitten stark variierende Werkstückgewichte aufnehmen kann und auch sehr hohe Fremdkräfte in die Grundplatte (bzw. den Gestell) absetzen kann, wie dies bei einer schweren Zerspanung der Fall ist, ohne stark einzufeden..

Eine aerostatische Lagerung ist im Werkzeugmaschinenbau in Form von Linearführungen auch bei Schwerbearbeitungsmaschinen Stand der Technik. Ist eine hohe Genauigkeit bei variabler Last erforderlich, müssen die Lager also gegen die Grundplatte vorgespannt werden. Dies erfolgt bei einem liegenden Tisch einerseits durch Eigengewicht, es ist andererseits aber in der Regel eine zusätzliche Vorrichtung hierfür erforderlich. Die Vorspannung kann auf verschiedenen Prinzipien beruhen wie magnetische Anziehungskraft, Vakuum, Umgriff, gespanntes Zugseil oder mittels einer Traverse mit Federvorspannung.

Mit dieser vorgespannten aerostatischen Lageranordnung lässt sich im Vergleich zu konventionellen Kreuzschlittenkonstruktionen eine ausserordentlich hohe Steifigkeit erreichen. Auf den Tisch einwirkende Kräfte und Momente werden direkt in die Grundplatte eingeleitet, welche dem Maschinenbett entspricht und damit der Basis der Anordnung. Die Lager liegen an den äussersten Positionen des Schlittens und bieten damit eine maximale Abstützung gegenüber aussermittigen Kräften und Momentenbelastungen.

Mit 4 Luftlagern des Durchmessers 125 mm wird beispielsweise eine Steifigkeit von etwa 1000 N/μm erreicht, welche über dem gesamten Arbeitsraum konstant bleibt, was dem Vielfachen der Steifigkeit einer herkömmlichen

Kreuzschlittenanordnung entspricht. Ferner ist eine hohe Genauigkeit dieser Führungsanordnung prinzipiell ausserordentlich einfach herzustellen. Durch konventionelle Verfahren der Granitbearbeitung (Granitbett) oder auch Metallbearbeitung (Metallbett) kann eine sehr gute Ebenheit kostengünstig hergestellt werden, und zwar sowohl auf der Gestelloberfläche sowie auf der Tischunterseite. Der grosse fertigungstechnische Aufwand, viele unterdrückte Freiheitsgrade in hoher Präzision herzustellen (wie oben erwähnt, beispielsweise

die Seitenführungen der beiden bei der konventionellen Konstruktion notwendigen Linearführungen), entfallen. Gegenüber dem konventionellen Kreuzschlitten summieren sich die Ungenauigkeiten auch nicht auf.

Ein weiterer erfindungsgemässer Vorteil ist die hervorragende Eignung dieser Führungsanordnung zur Ergänzung zu einem insbesondere elektromechanisch angetriebenen Schlitten, mit Lageregelung und Schutzabdeckung. Ausser der Führung und Vorspannung erfordert dies zusätzliche Systeme wie ein Antriebssystem, ein Messsystem, ein Abdeckungssystem und ein Energieführungssystem. Charakteristisch für diese Erfindung ist, dass diese Systeme weitgehend unabhängig zueinander sind, und dass auch einzelne Systeme jeweils unterschiedlichster Bauart miteinander kombinierbar sind. Hierin liegt eine völlig neue Konstruktionsphilosophie im Werkzeugmaschinenbau begründet.

Es sind für die Werkzeugmaschine nach der Erfindung ausserordentliche erfindungsgemässe Vorteile gegenüber herkömmlichen Kreuzschlittenkonstruktionen zu nennen:

Unmittelbare Führung des Tisches, reduzierte Anzahl unterdrückter Freiheitsgrade → hohe Genauigkeit;

- unmittelbare Absetzung der Lasten in die Basis → hohe Steifigkeit; Unabhängigkeit des Führungssystems von Antriebskräften → hohe dynamische Steifigkeit;

- Unabhängigkeit des Messsystems von kraftbeaufschlagter Struktur → hohe dynamische Steifigkeit, sehr stabiles Positionierverhalten, sehr hohe

Genauigkeit unter Belastung (Vorschubkräfte, Prozesskräfte, Beschleunigungskräfte), Unabhängigkeit von Genauigkeit der umliegenden Struktur (Traversenführung u.a.);

- geringer Materialaufwand, wenig Teile → geringe Herstellkosten, hohe Dynamik, Wartungsfreundlichkeit, geringer Energieverbrauch;

- enormes Potential sowohl für schwere Bearbeitung als auch für Ultrapräzision.

Wie oben erwähnt, können basierend auf dem Tisch-Führungssystem zusätzliche zur Verwendung in Werkzeugmaschinen notwendige Systeme von jeweils unterschiedlichster Ausführung ergänzt werden. Je nach Ausführung und Kombination kann jeweils eine besondere Eignung für eine bestimmte Aufgabe erzielt werden. Somit eröffnet diese Erfindung ein ausserordentlich grosses Potential zur Entwicklung vieler neuer vorteilhafter Konstruktionen bei denen eine mindestens zweiachsige Bewegung realisiert werden muss.

In den bisherigen Erläuterungen wurde der Einfachheit halber lediglich der in zwei Achsen bewegbare Tisch für die Aufnahme des Werkzeugs oder des Werkstücks beschrieben. Bei der kompletten Werkzeugmaschine wird durch mindestens eine mit dem Gestell verbundene weitere Bewegungsachse das Werkzeug oder Werkstück so geführt, dass mit den Freiheitsgraden des Tisches eine mehrachsige Bewegung zur Positionierung und Bearbeitung eines Werkstücks erzeugt werden kann. Hierzu kann das Gestell C-Gestellartig ausgebildet sein oder über eine Portalkonstruktion eine lineare Vertikalachse tragen auf weicher die Bearbeitunsspindel über dem Tisch geführt wird.

Erklärung zu den verschiedenen Ausführungen und Kombinationen an Untersystemen: Es können für die Anforderungen aus verschiedensten Einsatzgebieten von Werkzeugmaschinen wie Ultrapräzisionsbearbeitung oder für Schwerstzerspanung jeweils eine besonders geeignete Kombination an Untersystemen gefunden werden.... Begründung für die hohe Anzahl an verschiedenen Systemen...

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Werkzeugmaschine

11 Gestell

12 Tisch

13,14 Seitenteil

15,16 Linearantrieb

17,18,19 Gelenkarm

20,21 Positionsmessvorrichtung

22a-c Gelenk

23a-c Gelenk

24 Ebene (Gestell)

25a-d Fluidlager (z.B. Luftlager)

26 Vorspannungsvorrichtung (z.B. Unterdruck)

27 Messbalken

28 Massstab (y-Achse)

29a,b Linearführung

30 Anbindung (Massstab y-Achse)

31a,b Laufrolle

32a,b Anbindung (Massstab x-Achse an Messbalken)

33,40,47,54 Werkzeugmaschine

34,41 ,48,55 Gestell

35 Tisch

36a,b Lager

37 Traverse

38a,b,39a,b Lager

42 Rundtisch

43,50,57 Tisch (rahmenförmig)

44a,b Lager (Rundtisch)

45 Drehantrieb

46,62 Drehachse

49,56 Hubtisch

51 Keil

52 Keilfläche

53a,b Lager

58 Drehkeil

59 Keilfläche

60 Drehantrieb

a,b Lager

Kreuzgitter

Sensor