DE4324575A1

DE4324575A1 - Bearbeitungsanordnung mit Vielfachpositionierer

Info

Publication number: DE4324575A1
Application number: DE4324575A
Authority: DE
Inventors: Daniel M Mills; Richard Ogletree; Thomas J Lindem
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ingersoll Milling Machine Co Rockford Ill; Ford Werke GmbH
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1993-07-22
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2013-07-23
Also published as: GB9315441D0; US5321874A; JPH06179154A; CA2101405A1; GB2270484A; US5368539A; CA2101405C; GB2270484B; DE4324575C2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Bearbeitungsanordnungen mit Verwendung von elektrischen Linearmotoren und insbesondere auf Bearbeitungsanordnungen, die mit hohen Beschleunigungen/ Verzögerungen unabhängig voneinander positionierbare Viel fach-Werkzeuge verwenden.

Erörterung des Standes der Technik

Positionierer mit vielen Achsen für leichte oder schwere in dustrielle Bearbeitung verwenden mechanische Kugelrollspin delantriebe (siehe zum Beispiel US-PS 4 102 035 und 4 359 814). Solche Antriebe leiden naturgemäß an einem lang samen Rücklauf, der eine schnelle Positionierung und damit die Produktivität verhindert. Zu deren Erhöhung müssen eine große Zahl von Bearbeitungszellen, jede mit ihrer eigenen be grenzten Herstellungsgeschwindigkeit, verwandt werden. In der amerikanischen Kraftfahrzeugindustrie ist es beim Ausbil den eines komplexen Werkstücks, wie zum Beispiel eines Motor blocks oder -kopfes, üblich, dieses mit Festklemmen auf ei ner Halterung und Palette an einer Reihe von Bearbeitungssta tionen entlangzuführen, an denen eine spezielle Oberfläche geschnitten oder mit einem entlang einer unitären Achse zuge führten zugeordneten Werkzeug (oder einem Bündel von zugeord neten Werkzeugen) feinbearbeitet wird. Das Werkstück muß mit einem Zeit verbrauchenden Aufwand anderen Halterungen und/ oder Paletten zugeführt werden, um die verschiedenen Seiten der Vorschubachse der Werkzeuge freizugeben. Der Prozentsatz der mit einem solchen System erreichten Schneidzeit ist we gen der Häufigkeit der mit geringer Geschwindigkeit stattfin denden Werkstücktransfers und wegen der niedrigen Geschwin digkeiten der Werkstückpositionierungen niedrig. Jedes Werk stück führt während mehrerer Betriebsjahre eine nur einer Be arbeitungsfunktion zugeordnete Aufgabe mit nur geringen Ände rungen durch. Die Anfangskosten für die Herstellung und den Einbau einer solchen unflexiblen und nur einer Aufgabe zuge ordneten Ausrüstung mit verwickelten Kontrollen liegen nicht nur wegen ihrer Kompliziertheit, sondern auch wegen der gro ßen Zahl der nur für einen Zweck vorgesehenen Zellen, die zum vollständigen Ausbilden eines speziellen Motorblocks oder -kopfes benötigt werden, sehr hoch.

Zum Verteilen dieser hohen Anfangskosten für den Kauf der Einrichtungen auf einen größeren Zeitraum werden solchen Ar beitsstraßen Mindestanforderungen bezüglich des Herstellungs volumens auferlegt, und diese Anforderungen sind äußerst hoch, das heißt 400 000 bis 800 000 Werkstücke pro Jahr. Selbst wenn die Kapazität einer Arbeitsstraße, zum Beispiel für einen Zylinderblock, auf 300 000 Einheiten pro Jahr (oder bei zwei Schichten 1000 Einheiten pro Tag) herabge setzt würde und Vielspindel-Revolverköpfe mindestens in eini ge dieser Bearbeitungszellen eingebaut würden (wie es von ei nigen japanischen Kraftfahrzeugherstellern zum Erreichen ei ner Semiflexibilität, siehe Fig. 1, durchgeführt wird), müß te die Zahl der Bearbeitungszellen bei mindestens etwa vier zig liegen. Diese hohe Zahl von Bearbeitungszellen ist beim ursprünglichen Erwerb, beim Unterhalt und wegen des Risikos von Ausfallzeiten wegen Versagens einer einzigen Zelle teuer. Die nach dem Stand der Technik aufgebauten Fertigungs systeme lassen nicht zu, daß ein Hersteller von Kraftfahrzeu gen auf Änderungen in der Marktnachfrage entweder aufgrund von anderen Motorblock- oder -kopfkonstruktionen oder ande rer Volumina der bestehenden Block- oder Kopfkonstruktion schnell reagiert.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Bearbeitungssysteme auf neuartige Weise so zu konstruieren, daß die Zahl der zum Bearbeiten eines bestimmten Werkstückes notwendigen Bearbeitungszellen dramatisch herabgesetzt, eine kontinuierliche Verwendung der Bearbeitungsstraße zur flexi blen Herstellung verschiedener Produkte in Größen wie 50 000 bis 500 000 pro Jahr möglich, die Wiederholbarkeit und Genau igkeit der Bearbeitung verbessert, die Zahl der Bearbeitungs vorgänge und die Geschwindigkeit von deren Ausführung an je der Station erhöht und die Handlingzeit für die Werkstücke zwischen den Schneidstationen herabgesetzt wird.

Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung

Unter einem Blickwinkel ist die Erfindung eine Kombination von (i) mehreren in Abständen entlang einer Bahn angeordne ten Bearbeitungszellen, von denen jede ein Einpunktwerkzeug und eine Schnellpositionierungsanordnung zum Positionieren des Werkzeuges zum mehrfachen Einschieben in ein Werkstück wie auch zum schnellen Werkzeugwechsel mit Geschwindigkeiten aufweist, die annähernd ein G oder mehr als ein G betragen, (ii) Tischeinrichtungen zum Darbieten einer Tischoberfläche in einer ausgewählten Ebene für jede Zelle, (iii) Werkstück einrichtungen für jede Tischoberfläche mit Keilflächen zum verriegelnden Zusammenführen mit einem Bezugspunkt dieser Tischoberfläche, (iv) Transfereinrichtungen zum schnellen Auswechseln eines bearbeiteten Werkstücks gegen ein unbear beitetes Werkstück auf der Tischoberfläche, wobei das gerade bearbeitete Werkstück der nächsten Tischoberfläche zugeführt wird, während das eingewechselte Werkstück bearbeitet wird, und (v) elektrischen Steuereinrichtungen zum Aktivieren der Positionierungsanordnungen und Transfereinrichtungen. Die Positionierungsanordnung besteht vorzugsweise aus relativ verschiebbaren gestapelten Elementen, die eine volle dreidi mensionale Verschiebung der Spindel in einen vorgegebenen bemessenen Bearbeitungsraum und aus diesem heraus besorgen, wobei jede Positionierungseinrichtung mehrere Linearmotoren zum selektiven Verschieben der Spindel mit Spitzenbeschleuni gungen/-verzögerungen von mindestens etwa einem G und mit Lineargeschwindigkeiten von bis zu 76 000 mm/min. (3000 Zoll pro Minute) aufweist.

Unter einem anderen Blickwinkel dieser Erfindung ist ein Ver fahren zum Bearbeiten mehrerer unterschiedlicher Flächen an einem Werkstück vorgesehen, wobei das Verfahren die folgen den Stufen aufweist: (a) Verriegeln des Werkstücks auf einer Halterung mit dimensionalen Keilen und lösbares Befestigen dieser Halterung auf einem verstellbaren Arbeitstisch in ei ner durch die Keile erleichterten vorgegebenen ersten Stel lung, (b) an jedem Arbeitstisch schnelles Positionieren ei nes sich drehenden Einpunktwerkzeuges zur linearen Vorschub bewegung in eine erste Werkstückoberfläche bei Lage in der ersten Position, wobei diese Positionierung mit Beschleuni gungen/Verzögerungen von mindestens etwa 1 G durchgeführt wird, (c) Vorschieben des sich drehenden Werkzeuges in das Werkstück zum Ausführen einer Bearbeitung mit Geschwindigkei ten von 25 bis 33.000 mm (1 bis 1300 Zoll) pro Minute beim Bohren und Ausdrehen und mindestens etwa 1520 Oberflächenme ter pro Minute (5000 sfm) für das Fräsen, (d) nach dem Zu rückziehen des Werkzeuges aus dem Werkstück Repositionieren des Einpunktwerkzeuges auf einen anderen linearen Vorschub in andere Werkstückoberflächen, wobei das Repositionieren mit Beschleunigungen oder Verzögerungen von mindestens etwa 1 G durchgeführt wird, und (e) nach dem Herausziehen des Werkzeuges aus dem Werkstück Transfer des Werkstücks an ei nen anderen von mehreren Arbeitstischen, während ein einge wechseltes Werkstück am Arbeitstisch in der gehaltenen er sten Stellung bearbeitet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer für den Stand der Technik charakteristischen Bearbeitungsanordnung,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer Bearbeitungsanordnung mit Verwendung von mehreren nach den Regeln dieser Erfindung aufgebauten Schnell positionierungs-Bearbeitungsmodulen,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines Bearbeitungsmo duls dieser Erfindung,

Fig. 4 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung des Bearbeitungsmoduls von Fig. 3,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Bearbeitungsmoduls von Fig. 3,

Fig. 6 in vergrößertem Maßstab ein Schnitt durch die Anord nung nach Fig. 5 im wesentlichen entlang der Schnitt linie 6-6,

Fig. 7 ein schematisches Steuerdiagramm für die Linearmoto ren eines Positionierungsmoduls,

Fig. 8 in vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht der Ar beitstischeinrichtungen und zugehöriger Ausrüstungen dieser Erfindung,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsanord nung zum Herstellen von mindestens 50 000 typischen Motorköpfen pro Jahr bei Verwendung bestimmter Grund lagen dieser Erfindung,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsanord nung zum Herstellen von mindestens 20.000 Aluminium motorköpfen pro Jahr bei Verwendung der Grundlagen dieser Erfindung und

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsanord nung zum Herstellen von mindestens 250 000 Kraftfahr zeug-Motorblöcken aus Aluminium pro Jahr bei Verwen dung bestimmter Grundlagen dieser Erfindung.

Einzelbeschreibung und beste Art der Anwendung

Gemäß der Erfindung hat sich gezeigt, daß sich die Bearbei tungszeit auf etwa ein Zehntel der Zeit bei vergleichbaren bekannten Anordnungen herabsetzen läßt, falls das rotierende Schneidwerkzeug bei den Bearbeitungszellen auf ein Einpunkt- Werkzeug beschränkt und das Werkzeug mit äußerst hohen Be schleunigungen und Verzögerungen, die sich einem G annähern oder ein G übersteigen, positioniert wird und falls die Werk zeuge entlang einer Bahn getrennt voneinander angeordnet sind, so daß bei Bearbeitung eines Werkstückes an einer Zel le das gerade bearbeitete Werkzeug der nächsten Zelle zuge führt wird und zum Austausch für das gerade bearbeitet wer dende Werkzeug bereitsteht.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 weist eine solche Bearbei tungsanordnung 10 zum Bearbeiten von Kraftfahrzeugmotorbau teilen, wie zum Beispiel Aluminiumgußblöcken, mehrere Bear beitungszellen A auf, die sämtlich eine durch Linearmotoren betätigte Schnellpositionierungsanordnung 11 zum Positionie ren und Vorschieben eines rotierenden Einpunkt-Drehwerkzeu ges 12 in einen Bearbeitungsraum 13 aufweisen. Die Anordnung enthält auch einen Arbeitstisch B zum Ausrichten der Werk stücke C im Bearbeitungsraum 13 und eine Transfereinrichtung D zum synkopischen Bewegen der Werkstücke entlang einer Bahn 14, auf der die Arbeitstische ausgerichtet sind. Die Trans fereinrichtung weist Tandem-Kranarme wie bei 15 und 16 auf, die sich im Verfolg der Bahn 14 gesteuert entlang einer Schiene 17 bewegen. Automatische Greifvorrichtungen 18 am un teren Ende der Arme ergreifen das Werkstück zum Anheben und Absenken.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3 ist die Positioniereinrich tung ein dreiachsiges Modul mit einer Supportanordnung E, ei ner Trage- und Schienenanordnung F, einer Liniearmotoranord nung G, einem Support- und Bearbeitungsraum 13 für das Werk stück und einem Werkzeugbestand H oder H-1. Es sei darauf hingewiesen, daß die hauptsächlichen beweglichen Elemente der Supportanordnung auf einer Plattform 20 gestapelt sind. Die Supportanordnung E weist einen ersten Abschnitt zur Defi nition einer X-Achse mit einem Schwingungen dämpfenden, schweren, verstärkten, mit Sand gefüllten rechteckförmigen Bett 21 auf, das den Leichtmetalltisch oder die Leichtmetall plattform 20 mit einer Lager- und Schienenanordnung F-1 wie auch mit einer Linearmotoranordnung G-1 trägt, die beide zwecks Bewegung in einer Ebene entlang der X-Achse zwischen dem Tisch und dem Bett angeordnet sind. Zweitens wird eine hochstehende, im wesentlichen hohle Säule 22 an ihrem Boden ende 22a auf dem Tisch 20 abgestützt. Die Säule weist minde stens eine Seite 23 (auch Seiten 24 und 25) auf, die mit ei ner Y-Achse, die senkrecht zu der X-Achse steht, ausgerich tet ist. Das heißt, daß die y-Achsen-Supportkonstruktion 22 nur an einem Ende mit der verschiebbaren X-Achsen-Konstruk tion 20 verbunden ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 4 besteht die Säule 22 aus ei nem Leichtmetallgerüst 26, um die eine integrale Leichtme tallhaut 27 gespannt ist. Ein Leichtmetallschlitten 28 ist grundsätzlich als gegossene ebene Platte 29 mit fakultativ an dieser befestigten oder integralen Leichtmetallflügeln 30, 31 ausgebildet. Der Schlitten fährt mit Hilfe der Schie nen- und Lageranordnung F-2 entlang der Y-Achsenseiten 23, 24, 25 der Säule auf und ab und wird mit der Linearmotoran ordnung G-2 betätigt. Ein Leichtmetallkäfig 39, der vorzugs weise eine ultraleichte zusammengesetzte Haut 32 trägt, wird zum Ausbilden eines Z-Achsenweges 33 fest auf dem Schlitten 28 getragen. Der Weg 33 steht senkrecht sowohl auf der Y- als auch auf der X-Achse. Alternativ kann der Käfig 39 zum Ausrichten der Z-Achse unter einem Winkel gegenüber der Y- oder der X-Achse winkelmäßig verstellbar sein. Ein hohler Leichtmetallstempel 34 ist im Weg 33 verschiebbar und wird in diesem mit einer Schienen- und Lageranordnung F-3 und ei ner Linearmotoranordnung G-3 abgestützt. Der Stempel 34 trägt an einem Ende eine fest mit ihr verbundene Spindel 37 mit dem in Drehrichtung angetriebenen Einpunkt-Schneidwerk zeug 12, das zum Ausführen von Bearbeitungsaufgaben wie Frä sen, Bohren und Ausdrehen freiliegt.

Der Tisch 20 ist eine allgemein tafelförmige Platte mit auf seiner Unterseite angeordneten langgestreckten Schultern oder Rippen 56, die Lagereinheiten als Teil der Anordnung F-1 und Spulenpakete 58 als Teil der Anordnung G-1 halten. In einem Abstand voneinander sind ultrasteife Schienen 61 am Bett befestigt und mit der X-Achse ausgerichtet. Reihen von Dauermagneten 99 (ein Teil der Anordnung G-1) werden auf der nach unten zeigenden Wand des Tisches gehalten und sind an Stahlplatten oder Kanälen befestigt, die einen Magnetflußweg durch die angrenzenden Magnete begünstigen.

Gemäß der Darstellung in Fig. 6 besteht der Schlitten 28 aus einer aus einem leichten unmagnetischen Metall, das heißt Aluminium, gegossenen Platte 29 mit hochstehenden Behältern 70, 71 an der Rückseite 72 zur festen Halterung von umlaufen den Lagereinheiten 73, 74, die mit den Schienen 68, 69 zur Wirkung kommen. Mehrere hochstehende Schwalbenschwanz-Schlit ze 75 sind vorgesehen, um Spulenpakete 76 der Linearmotoren auf der Rückseite an Ort und Stelle zu verklemmen. Horizon tal verlaufende Führungsbahnen 77, 78 auf der Vorderseite der Platte 29 nehmen umlaufende Lagereinheiten 78, 80 auf. Die Flügel 30, 31 sind beide als massive, dicke, gekröpfte Platten gegossen. Im Abstand voneinander sind Paare von Li nearmotorspulenpaketen 87, 88 Seite an Seite auf der Innen seite der Flügel befestigt, und im Abstand voneinander sind Seite an Seite Spulenpakete 76 auf der Platte befestigt und bewirken zusammen mit sechs Reihen von Dauermagneten 67 eine Verschiebung entlang der Y-Achse. Der gerippte Käfig 39 be steht aus mehreren parallelen, getrennten gekröpften Spanten 84, die an einer Seite mit einem Steg 85 verbunden sind. Je der Spant weist eine zentrale Öffnung 86 auf. Sämtliche Öff nungen sind koaxial miteinander ausgerichtet. Am Steg 85 sind vertikal auseinanderliegende, horizontal verlaufende Schienen befestigt. Umlaufende Lagereinheiten sind auf dem Schlitten 28 befestigt. Der gerippte Käfig 39 bildet zusam men mit einer zusammengesetzten Graphithaut 93, die an in Längsrichtung auseinanderliegenden Stellen mit Metallstreben verstärkt ist, einen sechseckig geformten Tunnel. An drei In nenseiten 89, 90 und 91 sind Spulenpakete 92 am Käfig 31 be festigt.

Jeder zwischen den Stützelementen des Positionierers angeord nete Linearmotor besteht aus einem Stator (vorzugsweise Spu lenpaketen wie 50 auf dem Bett 21) und einem linearen Ver schiebeelement (vorzugsweise Reihen von Dauermagneten wie 99 auf dem auf Metallkanälen oder -bändern 66 abgestützten Tisch 20). Die Linearmotoren sind bürstenlose Gleichstromoto ren mit einer Schubkraftspitze von etwa 453 kp (1000 Pfund) (maximale Kraft). Die Dauermagnete und Spulenpakete können bei jeder Anwendungsart zwischen dem Stator und dem bewegli chen Element ausgewechselt werden. Bei der hier gezeigten Ausführungsform bilden die die elektrische Leistung liefern den Spulenpakete den Stator auf dem festen Bett und bilden den Stator auf dem Käfig 31, der in der Z-Achse befestigt ist, während Reihen von abgestützten Dauermagneten den Sta tor auf der Säule bilden, die ihre Lage entlang der Y-Achse fest beibehält. Die Spulenpakete können aus in einem Epoxyma terial geschichteten ferromagnetischen Platten hergestellt werden. Dadurch ergeben sich Schlitze, in die die Spulenwick lungen vor der Schichtung eingelegt werden. In dem Paket kön nen die Spulen in Reihe geschaltet und die Pakete parallel an eine Leistungssteuerung angeschlossen werden, wie es in Fig. 7 gezeigt wird. Diese Steuerung kann die Spulen der Li nearmotoren 135 mit zwei, drei oder mehr Phasen versorgen. Zum Ändern der Polarität der Spulen wird eine geeignete Kom mutation verwandt und damit zum Fördern der linearen Bewe gung eine konstante elektromagnetische Schubkraft in einer Richtung aufrechterhalten.

Sensoren werden zum Detektieren der Stellung der beweglichen Elemente verwandt und senden Signale aus, damit die Lei stungssteuerung nur die im Gebiet der Bewegung benötigten Spulen aktiviert oder steuert. Diese Sensoren können magne tisch oder optisch sein und arbeiten mit einem Schaltsystem für die Spulen. Gemäß der Darstellung in Fig. 7 wird ein mag netischer Sensor (Waage) betätigt. Die für jeden Linearmotor vorgesehene Leistungssteuerung enthält eine magnetische Wie gevorrichtung 129, eine numerische Steuervorrichtung (CNC) 133 und eine elektronische Schaltvorrichtung 134, die sämt lich mit den Linearmotoren 135 elektrisch in Reihe liegen. Drei Motorschaltungen oder Rückkopplungsschleifen 130, 131 und 132 enthalten mindestens zwei dieser Vorrichtungen. Die Rückkopplungsschleife 130 verbindet den Linearmotor mit der Waage 129, und deren Ausgangssignal wird über eine Nullein stellung zu einem Positionssignalkomparator 136 und dann auf einen den Motor 135 antreibenden Stromverstärker 137 weiter geleitet. Die Waage 129 weist auf einem Stator 129a Sinus- und Cosinuswicklungen (gedruckte Schaltungen) und auf einem Rotor 129b eine andere Wicklung auf. Das Ausgangssignal der Rotorwicklung 129b ist eine Funktion der Stellung dieser Wicklung gegenüber den beiden anderen Wicklungen des Stators 129a. Das Ausgangssignal kann über den Komparator 136 eine Anzeige bezüglich einer mechanischen Verschiebung ergeben, oder die Geschwindigkeit der Änderung des in der Rotorwick lung induzierten Stroms führt über den Geschwindigkeitskompa rator der Schleife 131 zu einem Geschwindigkeitssignal oder über den Beschleunigungskomparator der Schleife 132 zu einem Beschleunigungssignal.

Ein besonderes Merkmal dieser Erfindung liegt in der Fähig keit der Anpassung der Maschinenzelle an ein neu gestaltetes Werkstück einfach durch Reprogrammieren der Software in der numerischen Steuervorrichtung 133 und der Rückkopplungs schleife 130. Die gesamte Hardware der Zelle braucht mit Aus nahme neuer Plattenbefestigungen zum Halten der neuen Werk stücke nicht geändert zu werden. Bei der Planung der Anlage bedeutet dies eine beträchtliche Kostenersparnis.

Bei einer Erhöhung der Schubkraft eines Linearmotors neigt die Masse des Motors zu einer proportionalen Erhöhung, übt auf die Stützkonstruktion eine schwerere Last aus und senkt die Steifigkeit der Abstützung. Diese Gewichtszunahme ergibt sich aus dem nicht nur in den Dauermagneten des Ankers, son dern auch in den Statorwicklungen verwandten dichten ferro magnetischen Metall, um damit eine Flußdichte zu erzielen, die diese Schubkraft ermöglicht. Diese Erhöhung der Schub kraft und der Masse zum Erzielen höherer Beschleunigungen oder Verzögerungen schaltet progressiv die Fähigkeit aus, ei ne genaue Maschinenbearbeitung zu erzielen, da die Steifig keit der Stützkonstruktion abgesenkt und ein großer Teil der erhöhten Beschleunigungs/Verzögerungsfähigkeit verschwendet wird, da der Positionierungsabstand im allgemeinen zu gering ist, um maximale Beschleunigung/Verzögerung zu erreichen. Dieses Bearbeitungssystem verwendet zum Erreichen einer grö ßeren Bearbeitungsgenauigkeit (zum Beispiel ± 0,0127 mm (± 0,0005 Zoll)) in der Maschinenzelle eine erhöhte Steifigkeit durch: (a) Erhöhen der natürlichen Frequenz der Stützkon struktion auf einen Wert über, aber in der Nähe der Betriebs frequenz der Motorantriebsschaltung (das heißt der Bandbrei te der Steuergeschwindigkeitsschleife, wie es in Fig. 7 ge zeigt wird) und (b) Begrenzen der Motorschubkraft auf den Be trag, der Positionierungsbeschleunigungen/-verzögerungen für die Spindel im Bereich von etwa mindestens einem G oder mehr erreicht. Die bevorzugte Ausführungsform erzielt eine natür liche mechanische Frequenz von etwa 100 Hz, während eine Spindel mit einem Gewicht von etwa 180 kg (400 pound) abge stützt und bewegt wird. Der Arbeitsbereich für diese Er findung nutzbare natürliche mechanisch strukturelle Frequen zen liegt bei etwa 90 bis 200 Hz. Die spezifischen Techniken zum Regulieren und Erhöhen der natürlichen mechanischen Fre quenz der Stützkonstruktion werden in der gleichzeitig anhän gigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen No. (92-427), die auch auf den Erwerber dieser Erfindung umgeschrieben wur de, gezeigt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 8 enthält die einstellbare Ar beitstischeinrichtung B eine Arbeitstischfläche 150, die um eine Achse 151 schwenkbar und um eine Achse 152 bis zu 360° in Drehrichtung verstellbar ist. Die Drehverstellung 156, die auf einem Ständer 158 angeordnet ist, weist einen elek trischen Servomotor 155 auf, der die Oberfläche 150 mit ei ner Kupplung an ihrer Stelle verriegelt. Damit ergibt sich in Drehrichtung eine Genauigkeit von plus oder minus einer Bogensekunde. Die Kippverstellung 157 erfolgt mit einem elek trischen Servomotor 153, der zum Kippen eine Kurbelwelle 154 antreibt. Der Servomotor 153 läßt sich mit einer Genauigkeit von plus oder minus zehn Bogensekunden an einer Stelle ver riegeln. Die Arbeitstischoberfläche weist Keile oder Nuten 160 auf, die mit einer Haltevorrichtung, einer Aufnahme oder einer Palette 159 in Eingriff gebracht werden können. Das Element 159 ist hier eine Aufnahme, die eine Haltevorrich tung 161 annimmt. Die Haltevorrichtung 161 klemmt bei 162 ei ne Werkstückhaltevorrichtung automatisch in einer gewünsch ten Ausrichtung. Die Werkstückhaltevorrichtung 162 bezieht sich über die Aufnahme genau auf die Nuten 160 des Arbeitsti sches. Die Haltevorrichtung 162 weist Kontaktflächen 163, 164 zur internen Anordnung in dem jeweiligen Werkstück auf, wie zum Beispiel einem Motorblock oder einem -kopf in einer Ausrichtung, um damit die gewünschten Oberflächen unter 90° zu der Z-Achse und damit auf das Schneidwerkzeug auszurich ten. Ein schneller Wechsel der Halterungen ist zum erneuten Ausrichten eines komplizierten Werkstücks, wie zum Beispiel eines Motorblocks, in Dreh- oder Winkelrichtung möglich, um damit andere Bearbeitungsstellen auf die Z-Achse auszurich ten. Die Geschwindigkeit dieser erneuten Ausrichtung liegt unter drei Sekunden.

Die Arbeitstischeinrichtung dieser Erfindung benötigt für ei nen Aluminiummotorkopf im wesentlichen nur drei Haltevorrich tungen 162: eine Haltevorrichtung zum Ausrichten der Kipphe belabdeckseite gegenüber der Z-Achse, eine Haltevorrichtung zum Ausrichten sämtlicher Seiten des Kopfes (einschließlich Ein- und Auslaß) zur Z-Achse und eine Haltevorrichtung zum Ausrichten der Dichtfläche zur Z-Achse. Gemäß der Darstel lung in Fig. 9 hat eine Bearbeitungsanordnung für Aluminium köpfe, die eine Kapazität zum Herstellen von etwa 50 000 Köp fen pro Jahr hat, drei Maschinenzellen (Module 1, 2 und 3), die sämtlich gemäß der obigen Darstellung eine Haltevorrich tung zum Eingriff mit einer Arbeitstischoberfläche aufwei sen. Bei dieser besonderen Konstruktion werden qualifizierte Arbeiten (Bearbeiten von Bezugsoberflächen in oder am Werk stück) und das Bohren von Nockenwellen nach Wahl mit herkömm lichen Maschinenzellen durchgeführt. Beim Bohren von Nocken wellen bringt die Verwendung einer schnell positionierenden Anordnung keinen besonderen Vorteil, da das Schneidwerkzeug einen außergewöhnlich langen Hub aufweist, der an beiden En den auf einem besonderen Drehsupport abgestützt werden muß. Unabhängige Spülvorrichtungen werden verwandt, um das Werk stück, nachdem jeder Modul seinen Arbeitsgang abgeschlossen hat, von Spänen zu reinigen. Der Einbau der Ventilsitze er folgt automatisch an der angegebenen Station und verlangt das Eintauchen in flüssigen Stickstoff zum Erzielen einer Schrumpfpassung, und die Ventilführungen werden mit einem Preßsitz eingebaut. Nockenlagerkappen können an der angegebe nen Station mit der Hand eingebaut werden.

Zum Erhöhen der Leistungsfähigkeit der in Fig. 9 gezeigten Anordnung auf 200 000 Köpfe pro Jahr wird die Zahl der Zel len proportional im wesentlichen um vier erhöht. Im allgemei nen würde dies zu einem Bedarf von zwölf Zellen (Modulen) führen. Beim Aufbau der Konstruktion von Fig. 10 mit einem kleinen Bearbeitungsanteil mit niedriger Leistung, wie die Schlußbearbeitung von Ventilführungen und -sitzen, was mit kleinen herkömmlichen Maschinen durchgeführt wird, werden je doch nur zehn Zellen benötigt. Die Nockenlagerkappen werden automatisch eingebaut. Der wichtige Punkt liegt darin, daß eine solche Proportionierung für eine 300 000/Jahr-Bearbei tungsstraße nur achtzehn Zellen (Module) erfordern würde. Dies ist beträchtlich weniger als der Bedarf bei nach dem Stand der Technik aufgebauten Straßen, wie zum Beispiel min destens 40 bei der in Fig. 1 gezeigten Blockstraße. Nach dem Stand der Technik aufgebaute Bearbeitungszellen 1 bis 6 wer den zum Bohren, Schneiden und Aufbohren von Bohrungen in der Stirnseite der Ölwanne und in einer tiefgelegenen Stirnseite verwandt; eine beträchtliche Transferzeit ergibt sich zwi schen den Zellen, wie zum Beispiel durch langsame Leistungs walzen; die für ein erneutes Festklemmen erforderliche Zeit verzögert auch den Transfer. Die für eine Verlagerung erfor derliche Zeit verzögert den Transfer, und das Weiterschalten von Revolverköpfen erfolgt langsam. Die Zellen 7 bis 14 wer den zum Bohren, Schneiden und Aufbohren von Bohrungen und Zy linderbohrungen in den Dichtscheibenstirnseiten verwandt. Die Zellen 15 bis 31 werden zum Bearbeiten der Stirnseiten und zum Feinbohren in dazugehörigen Stirnseiten verwandt. Die Zellen 32 bis 37 führen das Feinhonen aus. Die Zellen 38 und 39 führen die Bearbeitung der Dichtungsscheibenstirnsei ten aus, und die Zellen 40 und 41 führen das Linienbohren aus. Unabhängige Spülvorrichtungen werden nicht verwandt. Die Arbeitstischeinrichtung dieser Erfindung erfordert im wesentlichen nur drei Halterungen für einen Motorblock: eine Halterung zum Ausrichten eines Kopfdecks oder von zwei Kopf decks (Dichtungsscheibenseiten) gegenüber der Z-Achse, eine zum Freilegen der beiden Enden gegenüber der Z-Achse und ei ne zum Ausrichten der Wannenschienenseite (und Hauptlagerkap pen) gegenüber der Z-Achse. Gemäß der Darstellung in Fig. 11 würde eine Bearbeitungsanordnung für Aluminiummotorblöcke, die eine Herstellungskapazität von etwa 50 000 Blöcken/Jahr aufweist, drei Bearbeitungszellen (Module 1, 2 und 3) aufwei sen, von denen jede eine Halterung, wie diese oben beschrie ben wurde, zur Anpassung an eine Arbeitstischoberfläche ver wendet. Bei dieser besonderen Anordnung werden eine Qualifi zierung, das Fräsen der Stirnwände der Motorräume und das Halbfertig- und Fertigbearbeiten der Bohrungen wahlweise mit herkömmlichen Bearbeitungszellen durchgeführt. Beim Fräsen der Stirnwände der Motorräume bringt die Verwendung einer Schnellpositionieranordnung keinen besonderen Vorteil, da das Schneidwerkzeug einen solch langen Hub aufweist, daß es an beiden Enden abgestützt werden muß. Unabhängige Spülvor richtungen werden nach jedem Abschluß eines Arbeitsganges je des Moduls verwandt. Aluminiumspäne bleiben trotz der hohen Strömungsgeschwindigkeit der während der Bearbeitung verwand ten Bearbeitungsflüssigkeiten am Werkstück haften.

Das Verfahren dieser Erfindung erhöht den prozentualen Zeit anteil, an dem sich das Einpunktwerkzeug im Schneidmodus be findet, und verringert die Zeit, während derer das Werkstück nicht bearbeitet und zwischen den Bearbeitungsstellen ver schoben wird. Dies erhöht die Wirksamkeit des Bearbeitungszy klus dramatisch. Das Verfahren beinhaltet insbesondere: (a) Verriegeln mindestens eines der zahlreichen Werkstücke an ei ner Halterung mit dimensionalen Keilen und lösbares Befesti gen der Halterung an einem verstellbaren Werktisch in einer durch die Keile erleichterten vorbestimmten ersten Stellung, (b) an jedem Werktisch schnelles Positionieren eines Ein punktwerkzeuges zur linearen Vorbewegung in eine erste der Werkstückoberflächen, während sich dieses in der ersten Stel lung befindet, wobei die Positionierung mit Beschleunigun gen/Verzögerungen von mindestens etwa 1 G ausgeführt wird, (c) Vorbewegen des rotierenden Werkzeuges in das Werkstück zum Ausführen der Bearbeitung und mit Geschwindigkeiten von 25 bis 33 000 mm pro Minute (1 bis 1300 Zoll pro Minute) für das Bohren und Ausdrehen und mindestens 1520 Oberflä chenmeter pro Minute (5000 sfm) für das Fräsen, (d) nach Herausnehmen des Werkzeuges aus dem Werkstück Repositionie ren des Einpunktwerkzeuges für eine andere lineare Vorbewe gung in andere Werkstückoberflächen, wobei das Positionieren wieder mit Beschleunigungen/Verzögerungen von mindestens et wa 1 G durchgeführt wird, und (e) nach Herausnehmen des Werk zeuges aus dem Werkstück Transfer des befestigten Werkstüc kes an einen anderen der zahlreichen Arbeitstische, während ein an die Stelle gesetztes anderes Werkstück am Arbeits tisch einer Bearbeitung unterzogen wird.

Bearbeitungszellen mit einem Antrieb mit einer Kugelrollspin del nach dem Stand der Technik erreichen beim Bearbeiten von Aluminium in typischen Fällen nur Vorschubgeschwindigkeiten von 300 mm pro Minute (12 Zoll pro Minute) für das Bohren, 810 mm pro Minute (32 Zoll pro Minute) für das Ausdrehen und 120 Oberflächenmeter pro Minute (400 sfm) für das Fräsen beim Bearbeiten von Aluminium.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 liegen die Arbeitstische ent lang des Systemweges in einem Abstand voneinander, so daß die modularen Schnellpositionierungsanordnungen hinsichtlich Schwingungen und sich störender Bewegungen, die die Genauig keit der Bearbeitung nachteilig beeinflussen würden, vonein ander isoliert sind. Die Bearbeitung findet mit ultrahohen Drehgeschwindigkeiten statt, wenn die Spindel mit 30 000 bis 40 000 Umdrehungen pro Minute betrieben wird und die linea ren Positioniergeschwindigkeiten 1 G erreichen und über schreiten.

Der Einspindel- oder Einpunktwerkzeug-Positionierer dieser Erfindung arbeitet in einzigartiger Weise mit dem würfelför migen Werkzeuglagerraum beim schnellen Wechsel der Bearbei tungswerkzeuge und mit einem verstellbaren Arbeitstisch zum erneuten Ausrichten des Werkstücks während der Bearbeitung zum Ausführen von äußerst schnellen Positionierungs- und Be arbeitungsaufgaben zusammen. Das Bearbeitungssystem hat eine ungewöhnliche Produktionsflexibilität, indem es für das Her stellen eines einzigen Werkstücks in großen Mengen oder vie len verschiedenen Werkstücken in kleinen Mengen eingesetzt werden kann, ohne daß dies besondere Bearbeitungsköpfe ver langt.

Claims

1. Anordnung zum Bearbeiten von Werkstücken, gekennzeichnet durch:

(a) mehrere unabhängig voneinander in Abständen angeord nete Einpunktwerkzeug-Bearbeitungszellen, von denen jede eine Schnellpositionierungsanordnung zum Posi tionieren des Werkzeuges zum Bearbeiten durch mehrfa ches Einführen in eines der Werkstücke und zum Posi tionieren des Werkzeuges zum Auswechseln aufweist, wobei beides mit Geschwindigkeiten von annähernd ei nem G oder mehr als einem G erfolgt,
(b) Tischeinrichtungen mit mehreren Arbeitstischen, die jeder Zelle eine Tischoberfläche in einer ausgewähl ten Ebene darbieten, wobei die Arbeitstische entlang einer singulären oder einer gespaltenen Bahn angeord net sind und jeder Arbeitstisch identische Bezugsflä chen aufweist,
(c) Werkstücke für jeden Arbeitstisch mit mit den Bezugs flächen zusammenpassenden Keilflächen und zum Verrie geln in einer Position relativ zu den Positionieran ordnungen,
(d) Transfereinrichtungen zum schnellen Auswechseln ei nes bearbeiteten Werkstückes gegen ein unbearbeite tes Werkstück auf der Tischoberfläche, wobei diese Einrichtungen den Transfer des bearbeiteten Werkstük kes zu einer anderen Tischoberfläche besorgen, wäh rend das eingewechselte Werkstück bearbeitet wird, und
(e) computerisierte elektrische Steuereinrichtungen zum selektiven Aktivieren einer schnellen Bewegung der Positionieranordnungen und der Transfereinrichtun gen, wobei diese Steuereinrichtungen zum Anpassen der Positionieranordnungen an einen anderen Bearbei tungsvorgang oder ein anderes Werkstück reprogram mierbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Positionieranordnung aus mehreren Supportelementen, die übereinandergestapelt sämtlich schnell positionier bar sind, und aus mehreren elektrischen Linearmotoren zum Verschieben dieser Elemente besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionieranordnung eine natürliche mechanische Fre quenz aufweist, die zum Bewirken einer Steifigkeit, die Positionierungsgenauigkeiten von ± 0,0050 mm (0,0002 Zoll) erreicht, über der elektrischen Betriebsfrequenz der Steuereinrichtungen liegt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transfereinrichtung (i) Tandemgreifer, die zum Grei fen eines Werkstücks von entgegengesetzten Seiten selek tiv betätigbar sind, und (ii) Tandemkranarme, die sämt lich entlang X-Y-Achsen verschiebbar sind und die Grei fer abstützen, aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tischeinrichtung kipp- und drehbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Keilflächen Innenflächen des Werk stücks sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Zellen nicht größer als die Anzahl der Werkstückseiten ist, die durch Drehung um eine einzige Achse nicht freigelegt werden können.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionieranordnung eine selektiv angetriebene Spin del zum Drehen des Werkzeuges mit hohen Geschwindigkei ten trägt.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionieranordnung ein mehrfaches Einführen des Werkzeuges in einen das Werkstück enthaltenden würfelför migen Bearbeitungsraum bewirken kann, wobei dieses mehr fache Einführen den Vorschub des Werkzeuges in das Werk stück zur erneuten Definition der gleichen Oberflächen oder zum Bearbeiten verschiedener Oberflächen der glei chen Seite umfaßt.

10. Anordnung zum Bearbeiten von Werkstücken, gekennzeichnet durch

(a) mehrere entlang einer Bahn auseinanderliegende Bear beitungszellen, von denen jede ein von einer Schnell positionieranordnung getragenes Einpunktwerkzeug zu dessen Positionieren zum mehrfachen Einführen in ein Werkstück wie auch für schnellen Werkzeugwechsel mit Geschwindigkeiten von annähernd einem G oder mehr als einem G aufweist,
(b) Tischeinrichtungen, die jeder Zelle eine Tischober fläche in einer ausgewählten Ebene darbieten,
(c) Werkstücke für jede Tischoberfläche mit Keilflächen zum verriegelnden Zusammenpassen mit einem Bezugs punkt dieser Tischoberfläche,
(d) Transfereinrichtungen zum raschen Auswechseln eines bearbeiteten Werkstückes gegen ein unbearbeitetes Werkstück auf einer Tischoberfläche, wobei die Ein richtungen den Transfer des Werkstücks zur nächsten Tischoberfläche bewirken, während das eingewechselte Werkstück bearbeitet wird, und
(e) elektrische Steuereinrichtungen zum Aktivieren der Positionierungsanordnungen und der Transfereinrich tungen.

11. Bearbeitungsanordnung mit einem Vielfachpositionierer für ein oder mehrere Werkstücke, gekennzeichnet durch

(a) mehrere modulare Einpunktwerkzeug-Bearbeitungszel len, von denen jede eine Schnellpositionierungsanord nung zum Positionieren des Werkzeuges mit Geschwin digkeiten von annähernd einem G oder mehr als einem G für einen oder mehrere Bearbeitungshübe an einem einzigen Werkstück in einer einzigen festgeklemmten Halterungsposition aufweist, wobei die Zellen ausrei chend voneinander getrennt sind, um zwischen sich die Weiterleitung von Trägheits- oder Schwingungs kräften, die die Zellensteifigkeit herabsetzen, zu verhindern,
(b) Arbeitstischeinrichtungen für jede Bearbeitungszelle zur flexiblen Ausrichtung eines Werkstücks zur Bear beitung durch eine Zelle,
(c) eine an einem Werkstück Verriegelbare und an jedem Arbeitstisch festklemmbare Halterung, um vorbestimm te Seiten des Werkstücks der Bearbeitungszelle zur Bearbeitung darzubieten, und
(d) eine Transfereinrichtung zum schnellen Verschieben eines gehaltenen Werkstücks von Zelle zu Zelle zum Erleichtern des Festklemmens auf einem Arbeitstisch.

12. Bearbeitungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß sämtliche Bearbeitungszellen in Konstruk tion und Funktion identisch und gegeneinander austausch bar sind.

13. Bearbeitungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß jede Bearbeitungszelle ein Einschubmodul ist, das zur Reparatur ohne Beeinflussung der anderen Be arbeitungszellen in dem System herausgenommen werden kann.

14. Bearbeitungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Transfereinrichtung aus einem entlang einer Schiene zwecks Transferbewegung des Werkstücks ver schiebbaren Roboterarm besteht.

15. Verfahren zum Bearbeiten von mehreren unterschiedlichen Flächen an einem Werkstück, insbesondere mit einer Anord nung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, ge kennzeichnet durch

(a) Verriegeln des Werkstücks auf einer Halterung mit di mensionalen Keilen und lösbares Befestigen dieser Halterung auf einem verstellbaren Arbeitstisch in ei ner durch die Keile erleichterten vorgegebenen er sten Stellung,
(b) an jedem Arbeitstisch schnelles Positionieren eines sich drehenden Einpunktwerkzeuges zur linearen Vor schubbewegung in eine erste Werkstückoberfläche bei Lage in der ersten Position, wobei diese Positionie rung mit Beschleunigungen/Verzögerungen von minde stens etwa 1 G durchgeführt wird,
(c) Vorschieben des sich drehenden Werkzeuges in das Werkstück zum Ausführen einer Bearbeitung mit Ge schwindigkeiten von 2280 bis 7370 mm (90 bis 290 Zoll) pro Minute beim Bohren, mindestens etwa 7620 mm (300 Zoll) pro Minute für das Ausdrehen und mindestens etwa 1.520 Oberflächenmeter pro Minute (5000 sfm) für das Fräsen,
(d) nach dem Zurückziehen des Werkzeuges aus dem Werk stück Repositionieren des Einpunktwerkzeuges auf ei nen anderen linearen Vorschub in andere Werkstück oberflächen, wobei das Positionieren mit Beschleuni gungen oder Verzögerungen von mindestens etwa 1 G durchgeführt wird, und
(e) nach dem Herausziehen des Werkzeuges aus dem Werk stück Transfer des gehaltenen Werkstücks an einen an deren von mehreren Arbeitstischen, während ein einge wechseltes Werkstück am Arbeitstisch bearbeitet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Bahn angeordneten Arbeitstische entlang einer Geraden auf Abstand zueinander liegen.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (e) Transfer und Auswechseln unter Verwendung von einem oder mehreren auf einer Schiene laufenden Robo terarmen vor sich geht.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsstufe (b) auf dem Einwärts- ebenso wie auf dem Auswärtshub durchgeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Einpunktwerkzeug in Drehrichtung mit Geschwindigkei ten von 30 000 bis 40 000 rpm angetrieben wird.

20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die schnelle Positionierung unter Verwendung von Linear motoren durchgeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die schnelle Positionierung unter Verwendung einer auf drei Achsen gestapelten Positioniervorrichtung durchge führt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Bearbeitungszellen zur gleichzeiti gen und zusammenlaufenden Bearbeitung entgegengesetzter Seiten des Werkstücks Vorderseite an Vorderseite angeord net sind.