DE102010048435A1 - Machine tool, particularly milling machine, has kinematics assembled in row that form less than six degrees of freedom, which affect on tool holder or work piece - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Fräsmaschine, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a machine tool, in particular a milling machine, according to the preamble of
Bei Werkzeugmaschinen wird üblicherweise das Werkzeug durch eine sogenannte serielle Kinematik entlang einer vorgegebenen Bahn am Werkstück entlang geführt und bearbeitet es. Die serielle Kinematik besteht aus einer Abfolge von Führungen und darauf verfahrbaren Schlitten, samt den entsprechenden Motoren, was es mit sich bringt, dass jeder Schlitten bzw. jeder Motor nicht nur das Werkzeug, sondern auch alle werkstückseitig von ihm gelegenen Schlitten und Motoren und Führungen bewegen, stützen und lagern muss. Dies bedingt extrem massive Bauteile, die wiederum das prinzipiell schon hohe Totgewicht noch weiter erhöhen. Dazu kommt noch, dass geometrische Toleranzen der Bauteile sich addieren können und dies auch meist in der Richtung tun, die für den Betrieb am unangenehmsten ist.In machine tools, the tool is usually guided by a so-called serial kinematics along a predetermined path along the workpiece and processed it. The serial kinematics consists of a succession of guides and carriages movable thereon, together with the corresponding motors, which means that each carriage or motor moves not only the tool but also all the carriages and motors and guides located on the workpiece side , support and store. This requires extremely massive components, which in turn increase the principle already high dead weight even further. In addition, geometric tolerances of the components can add up and usually do so in the direction that is most unpleasant for operation.
Man hat verschiedentlich versucht, diese Nachteile durch die Verwendung der sogenannten Parallelkinematiken zu vermeiden. Bei derartigen Kinematiken werden bis zu sechs auf einer festen Plattform gelenkig gelagerte Aktuatoren unabhängig voneinander verwendet, um die Lage des Werkzeugs im Raum zu definieren. Dabei kommen die Vorteile der Parallelkinematik, ihr geringes Gewicht, die intrinsische Unmöglichkeit, dass Toleranzen addiert werden, und ihre hohe Steifigkeit voll zum Tragen. Andererseits aber kommen ihre Nachteile: Die schlechte Berechenbarkeit, die zumeist nur näherungsweise und iterativ, kaum aber in geschlossener Form erfolgen kann, und eine „Umstellung” des Arbeitsplatzes durch die Mechanik, mit dadurch bedingter schlechter Zugänglichkeit zum Werkstück, zur Geltung. Unangenehm ist auch der im Vergleich zum Arbeitsbereich große Platzbedarf für derartige Vorrichtungen.Various attempts have been made to avoid these disadvantages by using the so-called parallel kinematics. In such kinematics, up to six actuators articulated on a fixed platform are used independently to define the position of the tool in space. The advantages of parallel kinematics, their low weight, the intrinsic impossibility of adding tolerances and their high rigidity are fully realized. On the other hand, however, their disadvantages come: the poor computability, which is usually only approximate and iterative, but can hardly be done in a closed form, and a "conversion" of the workplace by the mechanics, with consequent poor accessibility to the workpiece, to validity. Unpleasant is also compared to the work area large space requirement for such devices.
Zur alldem kommen noch zwei Forderungen, nämlich die Forderung nach möglichst großer mechanischer Steifigkeit des Werkzeugs bzw. der Werkzeughalterung, um hier mit hoher Genauigkeit und auch ohne ins Schwingen zu geraten, arbeiten zu können. Prinzipiell ist hier die Parallelkinematik vorteilhaft, doch wird oft nicht bedacht, dass es zum Erreichen einer hohen Steifigkeit notwendig ist, die auftretenden Arbeitskräfte nicht nur bis in die Fußpunkte der Werkzeugführung abzuführen, sondern von dort weiter über das Maschinenfundamten und letzten Endes über die Werkstücklagerung zurück bis zum Bearbeitungspunkt auf der Seite des Werkstückes. Dies macht beim Anwenden der Parallelkinematik die Verwendung von sehr teuren, vorgespannten, sphärischen Lager notwendig, bei denen darüber hinaus die zur Verfügung stehenden Schwenkwinkel stark eingeschränkt sind. Bei serieller Kinematik tritt zur prinzipiellen Schwäche noch die Notwendigkeit hochgenaue bzw. vorgespannte Gleitführungen und Antriebselemente zu verwenden.In addition, there are two requirements, namely the requirement for the greatest possible mechanical rigidity of the tool or the tool holder in order to be able to work here with high accuracy and without oscillating. In principle, the parallel kinematic is advantageous, but it is often not considered that it is necessary to achieve a high rigidity to dissipate the workers occurring not only down to the foot of the tool guide, but from there further on the Maschinenfundamten and ultimately on the workpiece storage back up to the machining point on the side of the workpiece. This necessitates the use of very expensive, preloaded, spherical bearings when using the parallel kinematics, in which moreover the available pivoting angles are severely limited. In the case of serial kinematics, the fundamental weakness still requires the use of highly precise or prestressed sliding guides and drive elements.
Der zweite wesentliche Punkt scheint auf den ersten Blick ein organisatorisches Erfordernis zu sein und betrifft den raschen Werkzeugwechsel. Um hochgenau arbeiten zu können ist es notwendig, über die reale Geometrie des eigentlichen Werkzeuges genau Bescheid zu wissen. Das bedeutet, dass das Werkzeug noch lange bevor es im klassischen Sinne stumpf geworden ist, neu vermessen werden muss, um den tatsächlichen Arbeitspunkt mit dem gewünschten Arbeitspunkt bestmöglich in Übereinstimmung bringen zu können. Dies geschieht meist dadurch, dass das zu vermessende Werkzeug abgesetzt und durch ein bereitgestelltes, vermessenes und betriebsbereites ersetzt wird. Die dabei vom Werkzeughalter zu fahrenden Wege und die so als Totzeit zu sehen Zeiten sind beträchtlich und stellen ein kostspieliges Ärgernis dar. Bei Parallelkinematiken wäre das Zufahren zwar relativ rasch möglich, doch gibt es hier verschiedentlich Probleme mit dem zur Verfügung stehenden Arbeitsraum, da dieser, wie oben erläutert, im Vergleich zur Gesamtabmessung der Vorrichtung beengt ist. Bei seriellen Kinematiken tritt das Problem auf, lange Wege zurücklegen zu müssen und durch die relativ geringen zur Verfügung stehenden Geschwindigkeiten viel Zeit zu benötigen.The second essential point seems at first sight to be an organizational requirement and concerns the rapid tool change. In order to be able to work with high precision, it is necessary to know exactly the real geometry of the actual tool. This means that the tool must be re-measured long before it has become dull in the classical sense, in order to be able to match the actual operating point with the desired operating point in the best possible way. This is usually done by the tool to be measured is discontinued and replaced by a provided, measured and ready for operation. The distances to be traveled by the tool holder and the dead times thus seen are considerable and represent a costly nuisance. In parallel kinematics, although it would be possible to move in relatively quickly, there are various problems with the available working space since this as explained above, is cramped compared to the overall size of the device. With serial kinematics, the problem arises of having to travel long distances and taking a lot of time due to the relatively low speeds available.
Es besteht somit ein Bedarf an einer Werkzeughalterung, die die genannten Nachteile nicht aufweist und die insbesondere bei geringem Platzbedarf einen großen Arbeitsraum aufweist, die im Betrieb eine hohe Steifigkeit aufweist, und die es erlaubt, den Werkzeugwechsel rasch durchzuführen. Dazu soll die Vorrichtung durch ein geschlossenes mathematisches Modell in ihren Bewegungen und Positionen erfassbar sein, so dass die Berechnung der zu befahrenden Wege nicht nur einfach und rasch, sondern auch hochgenau erfolgen kann.There is thus a need for a tool holder which does not have the disadvantages mentioned and which has a large working space, in particular with a small space requirement, which has a high rigidity during operation and which makes it possible to carry out the tool change quickly. For this purpose, the device should be detectable by a closed mathematical model in their movements and positions, so that the calculation of the paths to be traveled can be done not only simple and fast, but also highly accurate.
Die Erfindung erreicht diese Ziele durch eine Vorrichtung entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen. In einer Ausgestaltung kann die Vorrichtung auch als Manipulator verwendet werden.The invention achieves these goals by a device according to the features stated in the characterizing part of
Mit anderen Worten ausgedrückt, schlägt die Erfindung vor, dass der Werkzeugträger von zumindest zwei ebenen Kinematiken gehalten wird. Bevorzugt weisen diese jeweils eine Symmetrieebene auf und sind gegebenenfalls um Drehachsen, die parallel zur Schnittachse der Symmetrieebenen verlaufen, drehbar auf einer Plattform angeordnet. Es können die beiden ebenen Kinematiken, wenn sie verschwenkbar ausgebildet sind, auch um andere Achsen, insbesondere um Achsen, die zu einer Arbeitsebene parallel verlaufen, drehbar sein.In other words, the invention proposes that the tool carrier is held by at least two planar kinematics. These preferably each have a plane of symmetry and are optionally arranged rotatably on a platform about axes of rotation which run parallel to the section axis of the planes of symmetry. The two planar kinematics, if they are designed to be pivotable, can also be rotatable about other axes, in particular about axes which run parallel to a working plane.
Durch diese Maßnahmen wird es möglich, in den ebenen Kinematiken Drehgelenke, die hochpräzise, hochbelastbar und dabei kostengünstig sind, statt der sphärischen Gelenke zu verwenden, was die Kosten bedeutend verringert. Weiters ist es möglich, in der ebenen Kinematik die Aktuatoren so anzuordnen, dass eine erstaunliche Linearisierung möglich wird, d. h. dass die Längenänderung der Aktuatoren nahezu linear in die Winkeländerung der Kinematik übergeht. Dazu kommt, dass die ebenen Kinematiken mathematisch geschlossen erfassbar sind, sodass die Berechnung der Position bzw. eines Weges leicht und rasch erfolgt. By these measures, it is possible to use in the planar kinematics swivel joints, which are high-precision, heavy duty and thereby inexpensive, instead of the spherical joints, which significantly reduces the cost. Furthermore, it is possible to arrange the actuators in the planar kinematics in such a way that an astonishing linearization is possible, ie that the change in length of the actuators changes almost linearly into the angular change of the kinematics. In addition, the planar kinematics are mathematically closed, so that the calculation of the position or a path is easy and quick.
Allgemeiner gefasst besteht die Erfindung darin, eine in Reihe aufgebaute Kinematik zu schaffen, welche selbst weniger als sechs Freiheitsgrade entweder durch die Anordnung der Gelenke, der Antriebe oder der Elementweichheit (monolithisches Gelenk) bindet und auf einen Körper (z. B. Arbeitsspindel oder Werkstück) wirkt, auf den eine weitere, ebenfalls in Reihe aufgebauten Kinematik, welche selbst wiederum weniger als sechs Freiheitsgrade durch die Anordnung der Gelenke, der Antriebe oder der Elementweichheit (monolithisches Gelenk) bindet wirkt, um dadurch gemeinsam mindestens sechs Freiheitsgrade dieses Körpers zu binden. Überbestimmtheit kann zur Versteifung, zur Vermeidung von Kraftspitzen, etc. vorgesehen sein.More generally, the invention is to provide a series kinematics which itself binds less than six degrees of freedom either through the arrangement of the joints, the drives or the element softness (monolithic hinge) and onto a body (eg work spindle or workpiece) ), acts on the another, also in series built kinematics, which in turn binds less than six degrees of freedom through the arrangement of the joints, the drives or the element softness (monolithic joint), thereby binding together at least six degrees of freedom of this body. Overdetermination can be provided for stiffening, to avoid force peaks, etc.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigenFurther advantages and embodiments are explained in more detail below with reference to the drawing. It shows or show
die
die
die
die
die
die
die
die
In
Die ebene Kinematik
Der Aufbau der zweiten ebenen Kinematik
Bevor nun auf verschiedene Unterschiede zwischen den beiden ebenen Kinematiken
Ein derartiger Fuß-Linearantrieb
Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden ebenen Kinematiken
Wie die
Weiters ist aus der Darstellung gut ersichtlich, dass die Arbeitsfläche
Wie insbesondere aus der
Die beiden ebenen Kinematiken
Es kann dennoch vorteilhaft sein, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen den beiden Ebenen einen stumpfen Winkel vorzusehen, diese hängt von der vorzunehmenden Bearbeitung ab und kann vom Fachmann in Kenntnis des Aufgabenbereiches der Vorrichtung und der Erfindung bestimmt werden. Eine weitere Einflussgröße auf die Anordnung der beiden Ebenen zueinander ist einerseits die Zugänglichkeit des Werkstückes auf der Arbeitsplatte
Zum Begriff „Symmetrieebene” ist noch auszuführen, dass die beiden Kinematiken
Die
Die
Die
Wie oben kurz erwähnt, ist es möglich, statt der Achsen
Zu den weiter oben genannten Möglichkeiten einer Linearisierung, im Zusammenhang zwischen der Längenänderung eines Aktuators und der Winkeländerung des betrachteten Teiles der ebenen Kinematik, wird auf die
Die
Die
In
Die
Wenn nun der Fußlinearantrieb
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. So kann die Anordnung der beiden ebenen Kinematiken anders als dargestellt sein, es kann aus den oben genannten Gründen eine Überbestimmung der Freiheitsgrade gewählt werden, beispielsweise, indem auch die Kinematik
Die zum Bau der Vorrichtung verwendeten Materialien und Bauteile sind die im Werkzeugmaschinenbau üblichen, auch die Antriebe sind für den Fachmann in Kenntnis der Erfindung und des Anwendungsgebietes leicht aus den im Handel erhältlichen zu wählen.The materials and components used for the construction of the device are common in machine tool engineering, and the drives are for the expert in the knowledge of the invention and the field of application easily from the commercially available to choose.
Insbesondere erwähnt soll noch werden, dass es selbstverständlich möglich ist, durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein Werkstück zu halten und zu bewegen und beispielsweise zu und von einer Arbeitsstation zu transportieren und dort passend zu präsentieren.It should be mentioned in particular that it is of course possible to hold and move a workpiece by means of a device according to the invention and to transport, for example, to and from a workstation and to present it appropriately.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 2, 32, 3
- (ebene) Kinematik(plane) kinematics
- 44
- Fundamentplattefoundation plate
- 5, 5'5, 5 '
- Arbeitsplattecountertop
- 66
- Manipulatormanipulator
- 77
- fluchtende Ebenenaligned levels
- 88th
- StabRod
- 99
- StabRod
- 1010
- StabRod
- 1111
- Vorrichtungcontraption
- 1212
- Hochachsevertical axis
- 1313
- Hochachsevertical axis
- 1414
- StabRod
- 1515
- StabRod
- 1616
- StabRod
- 1717
- Stabwerkeframeworks
- 1818
- Stabwerkeframeworks
- 1919
- (ebene) Kinematik(plane) kinematics
- 2020
- Koppel(achse)Coupling (axis)
- 2121
- Fußplattefootplate
- 2222
- Fuß-GelenkviereckFoot-bar linkage
- 2323
- Koppelpaddock
- 2424
- Verbindungsdreiecklinkage triangle
- 2525
- Basisseitebase side
- 2626
- Kopf-GelenkviereckHead-bar linkage
- 2727
- Fuß-LinearantriebFoot-linear drive
- 2828
- Lenkerdreieckarm triangle
- 2929
- Fuß-LinearantriebFoot-linear drive
- 3030
- Werkzeughaltertoolholder
- 30'30 '
- Montageplattemounting plate
- 3131
- Fußplattefootplate
- 3232
- Fuß-GelenkviereckFoot-bar linkage
- 3333
- Koppelpaddock
- 3434
- Verbindungsdreiecklinkage triangle
- 3535
- Basisseitebase side
- 3636
- Kopf-GelenkviereckHead-bar linkage
- 3737
- Fuß-LinearantriebFoot-linear drive
- 3838
- Kopf-LinearantriebHead linear drive
Claims (6)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE201010048435 DE102010048435A1 (en) | 2010-10-15 | 2010-10-15 | Machine tool, particularly milling machine, has kinematics assembled in row that form less than six degrees of freedom, which affect on tool holder or work piece |
Publications (1)
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Family
ID=45895745
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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