Entwicklung eines modularen Werkzeugmaschinenkonzeptes mit höchster Genauigkeit für die Feinbearbeitung

Abstract

Steigende Anforderungen an Werkzeugmaschinen zur Serienfertigung resultierten in jüngster Vergangenheit in der Entwicklung hybrider Maschinenstrukturen, die einerseits die Flexibilität eines Bearbeitungszentrums und andererseits die Bearbeitungsgenauigkeit und Produktivität einer Sondermaschine aufweisen. Diese Entwicklung brachte die Transferzentren-Technologie hervor. Diese Maschinen, bei denen sowohl ein einzelnes Werkstück aber auch mehrere Werkstücke auf einer Spannvorrichtung zu fix im Arbeitsraum angeordneten Spindeleinheiten bewegt werden, stellen nach heutigem Stand der Technik ein optimales Konzept für verschiedenste Bearbeitungsaufgaben dar. Durch die gedrungene Bauweise mit vielen Antriebsspindeln und optimiertem Arbeitsraum kann das System als kompakte Einheit realisiert werden, was aber zwangsläufig auch zu einer eingeschränkten Begehbarkeit des Arbeitsraumes führt. Die hohe Flexibilität der Maschinen erfordert unter anderem auch eine kompakte Kinematikeinheit, welche sich möglichst frei im gesamten Arbeitsraum bewegen, kann. Diese Eigenschaft muss mit den Anforderungen nach hoher statischer, dynamischer und thermischer Steifigkeit in Einklang gebracht und ein Kompromiss gefunden werden.<br />Die Entwicklung solcher Maschinenkonzepte ist also immer eine Gratwanderung, da viele sich konkurrierende Eigenschaften unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit und der Herstellkosten in bestem Ausmaß realisiert werden sollen. Ein Beispiel dazu stellt der Werkzeugwechsel dar. Wird dieser automatisiert durchgeführt, kann die Produktivität zwar gesteigert werden, das System soll natürlich auch möglichst geringe Herstellkosten verursachen. Diesem Umstand kann bei derart flexiblen Maschinen nur schwer nachgegangen werden, da sich die Spindeln im gesamten Arbeitsraum und möglicherweise in unterschiedlicher Orientierung befinden.<br />Zur Findung eines neuen innovativen Maschinenkonzepts sollen grundsätzliche methodenbasierte Überlegungen zum Aufbau von Rahmen und Kinematik einer Werkzeugmaschine nach dem Konzept der Transferzentren vorgenommen und bekannte Strukturen durch die Entwicklung einer auf Kenngrößen basierten Bewertung analysiert werden. Hieraus werden Konzepte für eine neue Maschine verifiziert, um die gestellten Anforderungen in optimaler Weise erfüllen zu können.

Increased requirements on machine tools performance in high volume machining are a result of the development of hybrid machine tool structures, which has been done in the recent past. This type of machines offers on the one hand the flexibility of machining centers and on the other hand the performance in accuracy as well as in productivity of special machines. The research and development generates the transfer center technology. This type of machines, where both one single workpiece as well as several workpieces can be applied at the chuck and moved relatively towards some fixed spindle heads, offer an optimal solution for various processing tasks. Because of the compact design with many spindle heads and an optimized work space, the system can be realized as a compact unit, which leads inevitably to a restricted accessibility of the work space. The high flexibility of the machine requires, among other things, a compact kinematics unit, which has the ability to move in the whole workspace as freely as possible. So there has to be found a compromise between these properties and the requirements of high static, dynamic and thermal stiffness.<br />The development of such machine concepts always leads to a balancing act, because many competing properties are to be realized in terms of economy and manufacturing costs. The tool change represents an example.<br />An automation in form of a tool changer leads to higher productivity, on the other hand it may cause high costs. It is very difficult to realize an automated tool changing system in such flexible machines equipped with many work spindles in variable orientation.<br />In order to find a new and innovative machine tool concept based on a new methodology for the design of the machine tool beds and kinematics with respect to structure of transfer centers model based investigations should be performed based on characteristic parameters. Using a model based approach different new machine tool concepts can be evaluated with characteristic figures in order to develop an optimized structure.