AT508495B1 - Werkzeugmaschine - Google Patents

Abstract

Werkzeugmaschine (1, 1') mit einem Werkzeug (13) mit einer Werkzeugachse (12), die gegenüber einer beweglichen Plattform (11) der Werkzeugmaschine fest positioniert ist, wobei die bewegliche Plattform (11) mittels Stäben (5, 6, 7, 8, 9) konstanter Länge und längenveränderlichen Aktuatoren (10, 17, 19) mit zwei Teilschlitten (3, 4), die unabhängig voneinander entlang einer Schlittenachse (X) einer Führung (2) einer festen Plattform verfahrbar sind, verbunden ist. Zur Schaffung eines insbesondere modularen Aufbaus von 3-Achs, 4-Achs, 5-Achs und 6-Achs Parallelkinematiken weisen auf jedem der zwei Teilschlitten (3, 4) drei Stäbe/Aktuatoren (5, 6, 7, 17; 8, 9, 10, 19) ihre Fußpunkte auf, wobei drei der Stäbe/Aktuatoren (6, 8, 10) einen gemeinsamen Kopfpunkt, einen Trippelpunkt (681), zwei weitere Stäbe/Aktuatoren (7, 9) einen gemeinsamen Kopfpunkt, einen Doppelpunkt (79), und ein Stab/Aktuator (5) einen alleinigen Kopfpunkt (5") auf der beweglichen Plattform (11) ausbilden.

Description

österreichisches Patentamt AT508 495 B1 2013-04-15

Beschreibung

WERKZEUGMASCHINE

[0001] Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, beispielsweise eine Fräs-, Bohr-, Wasserstrahlschneid-, oder ähnliche Bearbeitungsvorrichtung, bei der das Werkzeug auf einer Plattform sitzt und mit ihr entlang der Oberfläche des Werkstückes geführt und in einer Richtung, die im Wesentlichen normal zur Oberfläche verläuft, bewegt werden kann, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 und der DE 195 25 482 A. Dabei kann vorgesehen sein, dass das eigentliche Werkzeug, beispielsweise ein Fräser, um eine plattformfeste Achse rotiert.

[0002] Die DE 195 25 482 A betrifft einen „ebenen" Roboter, der eine horizontale, ortsfeste gerade Schiene und zwei darin laufende Schlitten umfasst. In jedem Schlitten ist, um eine vertikale Achse schwenkbar, ein Arm gelagert, die freien Enden sind, um eine vertikale Achse umeinander schwenkbar, an einem Werkzeugträger gelagert. Je nach Positionierung der Schlitten kann die Achse des Werkzeugträgers in weiten Grenzen bezüglich einer Ebene verschoben werden, das Werkzeug kann in dieser Ebene liegende Oberflächen bearbeiten. Nachteilig ist die Beschränkung auf eine Ebene parallel zum Schlitten und die geringe mechanische Festigkeit der Lagerung.

[0003] Aus der EP 1 234 632 A ist eine verbesserte Variante mit zwei parallelen Schienen und vier Schlitten bekannt, die auch eine Drehung des Werkzeuges um eine (in der Projektion auf die durch die Schienen aufgespannte Ebene) zu den Schienen normale Achse erlaubt. Nachteilig ist, dass damit nur eine Linearbewegung ermöglicht wird, die Schienen selbst also bezüglich des Werkstückes eine Relativbewegung quer zur Richtung der Schienen vollführen müssen. Dreidimensionale Ausgestaltungen sind extrem komplex und mechanisch unbeherrschbar.

[0004] Aus der WO 99/38646 A ist eine ähnliche Kinematik mit kreisförmigen Schienen bekannt, die aber nur dazu taugt, eine innerhalb des Kreisumfangs befindliche Plattform auf unterschiedlichste Weise zu kippen und geringfügig heben bzw. verschieben zu können.

[0005] Aus der WO 02/058895 A und der WO 03/059581 A sind parallelkinematische Vorrichtungen bekannt, die auf Rotation und nicht auf Fußpunktverschiebung beruhen. Durch die Rotation von Aktuatoren kommt es zur Verschiebung von Fußpunkten von Verbindungselementen, somit liegt eine Kombination von parallelkinematischen und seriellkinematischen Elementen vor, doch treten Biegebeanspruchungen etc. auf, die eine praktische Verwendung konterkarieren.

[0006] Vorrichtungen der eingangs genannten Art, bei denen die zu bearbeitende Werkstückoberfläche zumeist im Wesentlichen vertikal oder horizontal verlaufend angeordnet ist, sind, auch nach dem Prinzip der seriellen Mechanik aufgebaut, verschiedentlich bekannt. Die Werkstückoberfläche kann eben oder gestuft, mit Nuten versehen etc. sein, doch lässt sich in der Praxis stets eine Arbeitsoberfläche definieren, die als Bezugsoberfläche für die Bearbeitungsvorrichtung dient.

[0007] Es besteht in den letzten Jahren wegen der verschiedenen Vorteile der parallelkinematischen Vorrichtungen gegenüber den seriellen Kinematiken, dazu wird auf die WO 2006/039730 A des Anmelders und die darin genannte Literatur verwiesen, ein Bedarf an parallelkinematischen Vorrichtungen auch auf dem Gebiete der Bearbeitungsmaschinen, wobei als Nachteile der parallelkinematischen Vorrichtungen die schwierige Erfassung der Zusammenhänge zwischen der Länge bzw. Lage der Aktuatoren und der zumeist in einem kartesischen Koordinatensystem vorgegebenen Lage und Orientierung der beweglichen Plattform samt dem damit verbunden großen Rechen- und Modellbildungsaufwand, als Erste und am Schwierigsten zu meisternde zu nennen sind.

[0008] Eine Besonderheit parallelkinematischer Vorrichtungen in der Praxis ist es, dass es auf relativ einfache und noch mit vertretbarem mathematischen Aufwand verbundene Weise gelingt, 3-Achs Vorrichtungen zu bauen, wie beispielsweise den Delta-Roboter von ABB, der eine 1 /13 österreichisches Patentamt AT508 495B1 2013-04-15

Gough-Plattform mit extrem langen Aktuatoren ist, die mittels Fußpunktverschiebung arbeiten. Dabei sind immer zwei praktisch parallel verlaufende Aktuatoren auf einem gemeinsamen Schwenkarm befestigt, sodass die bewegliche Plattform stets in Ebenen parallel zur festen Plattform liegt, eben eine echte 3-Achs Kinematik.

[0009] Die andere Möglichkeit der Parallelkinematiken sind die 6-Achs Kinematiken, beispielsweise ein Gough-Plattform, bei der die Fußpunktverschiebung jedes Aktuators einzeln für sich erfolgt, was zu den oben genannten mathematischen und modellbildungsmäßigen Problemen führt.

[0010] 4-Achs- und 5-Achs Ausführungen gibt es bei den Parallelkinematiken de facto nicht, weil zwar die Herstellung der Kinematiken möglich ist, die Achsen, die dabei zur Verfügung stehen, aber nicht orthogonalisiert sind und auch keine konstante Lage untereinander oder in einem Inertialsystem aufweisen.

[0011] Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu vermeiden und eine Kinematik anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweist, sondern insbesondere den modularen Aufbau von 3-Achs, 4-Achs, 5-Achs und 6-Achs Parallelkinematiken erlaubt.

[0012] Erfindungsgemäß geschieht dies durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale. Mit anderen Worten, in einer ersten Ausführungsform, einer 3-Achs Ausführung, dadurch, dass die Fußpunkte aller Aktuatoren parallel zu einer vorgegebenen Schlittenachse verfahrbar sind. Dabei sind drei Fußpunkte auf einem ersten Teilschlitten und drei Fußpunkte auf einem zweiten Teilschlitten vorgesehen und einer der sechs Aktuatoren ist darüber hinaus längenveränderlich, somit als echter Aktuator ausgebildet.

[0013] Durch diese einfache Ausbildung, bei der jeweils drei und drei Fußpunkte in fester Konfiguration untereinander bleiben, da sie ja jeweils mit festem Fußpunktmittelpunkt auf einem der beiden Teilschlitten vorgesehen sind, ist es möglich, durch gemeinsames Verschieben der beiden Teilschlitten die Lage der beweglichen Plattform und natürlich der fest auf ihr vorgesehenen Werkzeugachse, entlang der Schlittenachse zu verändern; durch Änderung des Abstandes der beiden Teilschlitten zueinander ist es möglich, den Abstand normal zur Sch litten ach se zu verändern; durch Änderung der Länge des längenveränderlichen Aktuators ist es möglich, die Lage der beweglichen Plattform normal zu der durch die beiden erstgenannten Achsen aufgespannten Ebene zu verändern.

[0014] Dass dabei jeweils die Änderung eines der die Fußpunkte betreffenden Parameters auch Änderungen der Lage bezüglich der anderen Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems mit sich bringt, liegt in der Natur der parallelkinematischen Vorrichtungen und kann durch passende Auswahl der Fußpunkte zu einem mathematisch geschlossen zu lösenden Modell geführt werden, sodass daraus keine Nachteile entstehen.

[0015] Besonders bevorzugt wird hierbei, die Fußpunkte von vier im Folgenden Stäben genannten Aktuatoren konstanter Länge auf den beiden Teilschlitten in Form der Ecken eines Rechteckes anzuordnen und ihre Kopfpunkte paarweise auf der beweglichen Plattform zu vereinen; ein weiterer Stab schließt mit einem der genannten Stäbe ein Parallelogramm ein, und der eigentliche Aktuator verläuft schräg (windschief) zu allen anderen Stäben, und dies in allen im Normalbereich anfahrbaren Positionen.

[0016] Bei der Ausbildung als 5-Achs Kinematik ist es ausreichend zwei der Stäbe die, mit Fußpunkten auf unterschiedlichen Teilschlitten, einen gemeinsamen Kopfpunkt ausbilden, ebenfalls als längenveränderliche Stäbe, somit als Aktuatoren im engeren Sinn, auszubilden. Man erhält dann je nach Betrieb und Aktivierung dieser beiden zusätzlichen Aktuatoren die Möglichkeit, die Achse der beweglichen Plattform in einer horizontalen oder vertikalen oder auch schräg liegenden Ebene zu verschwenken, was für die eingangs genannten Anwendungsgebiete in vielen Fällen wünschenswert ist. 2/13 österreichisches Patentamt AT508 495B1 2013-04-15 [0017] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen [0018] die Fig. 1a und 1b bis 3 eine 3-Achsausführung der Erfindung und [0019] die Fig. 4a und 4b bis 6 eine 5-Achsausführung, jeweils in verschiedenen Ansich ten.

[0020] Die Fig. 1 zeigt, in perspektivischer Darstellung, eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 entsprechend einer 3-Achsausführung. Die Vorrichtung 1 weist einen ersten Teilschlitten 3 und einen zweiten Teilschlitten 4, die unabhängig voneinander entlang einer Führung 2 in angenommener X-Richtung verfahrbar sind, auf. Die Annahme des parallelen Verlaufs der Schlittenachse zur X-Achse ist willkürlich und erfolgt aus Gründen der einfacheren Erläuterung, jede andere Annahme ist ebenso möglich und bei gekrümmter Schlittenführung durch ein passendes Koordinatensystem zu ersetzen.

[0021] Am ersten Teilschlitten 3 liegen, untereinander unverrückbar, die Fußpunkte 5', 6', 7' der Stäbe 5, 6, 7. Diese Stäbe weisen unveränderliche Länge auf, die Lagerung der Fußpunkte erfolgt durch sphärische Lager oder durch kardanische Lager, durch die Bewegung der Fußpunkte agieren die Stäbe als Aktuatoren, werden aber in der vorliegenden Anmeldung zur Unterscheidung von den längenveränderlichen Aktuatoren Stab bzw. Stäbe genannt.

[0022] Auf dem zweiten Teilschlitten 4 befinden sich die Fußpunkte 8' und 9' der Stäbe 8 und 9. Die Stäbe 8 und 9 sind Stäbe konstanter Länge. Weiters weist ein Aktuator 10, der längenveränderlich ausgebildet ist, seinen Fußpunkt 10' am zweiten Teilschlitten 4 auf.

[0023] Wenn man, besonders aus Fig. 2 geht dies gut hervor, die Anordnung der Fußpunkte auf den beiden Teilschlitten 3, 4 betrachtet, so erkennt man, dass die Fußpunkte 6', 7', 9', 8' an den Eckpunkten eines Rechteckes liegen, dh. die Fußpunkte 6', 8' einerseits und die Fußpunkte 7', 9' andererseits liegen jeweils auf einer Parallelen zur X-Achse und die Fußpunkte 6' und 7' einerseits und die Fußpunkte 8' und 9' andererseits liegen auf jeweils einer Parallelen zur Y-Achse. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann davon ausgegangen werden, dass alle vier Fußpunkte und, das sei hier schon vorweggenommen, auch der Fußpunkt des Aktuators 10, in einer gemeinsamen Normalebene zur Z-Achse liegen.

[0024] Der Fußpunkt 5' des Stabes 5 liegt nicht in dieser gemeinsamen Ebene, sondern oberhalb, und zwar in der Vertikalebene der Verbindung der Fußpunkte 6' und 8' und, in der Draufsicht der Fig. 2 gesehen, außerhalb dieser beiden Fußpunkte.

[0025] Die bewegliche Plattform 11 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel vom Gehäuse des Werkzeuges 13, das eine Werkzeugachse 12 aufweist, gebildet. An der beweglichen Plattform 11 sind die Kopfpunkte der Stäbe bzw. Aktuatoren folgendermaßen angeordnet: Die Stäbe 6 und 8 haben mit dem Aktuator 10 einen gemeinsamen Kopfpunkt 681, die Stäbe 7 und 9 haben einen gemeinsamen Kopfpunkt 79 und der Stab 5 einen Kopfpunkt 5".

[0026] Der Kopfpunkt 5" des Stabes 5 ist relativ zum Kopfpunkt 681 so an der beweglichen Plattform 11 angeordnet, dass der Stab 5, der die gleiche Länge wie der Stab 6 aufweist, der Stab 6 und die Verbindungslinie ihrer Fußpunkte einerseits und ihrer Kopfpunkte andererseits ein Parallelogramm bilden. Ähnlich bilden auch die Stäbe 8 und 9 und die Verbindungslinien ihrer Fuß- bzw. Kopfpunkte und die Stäbe 6 und 7 und die Verbindungslinien ihrer Fuß- bzw. Kopfpunkte Parallelogramme aus; der Fußpunkt 10' hingegen ist so gewählt, dass im gesamten Bewegungsbereich der Vorrichtung 1 und damit im gesamten Lagespektrum der einzelnen Stäbe, der Aktuator 10 stets windschief zu jedem einzelnen der Stäbe verläuft.

[0027] Die so geschaffene 3-2-1-Kinematik ermöglicht nun die aus Fig. 3 ersichtliche Bewegung parallel zur Y-Achse zusätzlich zur Bewegung entlang der X-Achse, die durch das gemeinsame Verfahren der beiden Teilschlitten 3 und 4 erreicht wird und zum Verfahren entlang der Z-Achse, das durch das voneinander Entfernen bzw. aneinander Annähern der beiden Teilschlitten 3, 4 erreicht wird, bei symmetrischem Bewegen genau parallel zur Z-Achse.

[0028] Durch die Nutzung der erhaltenen Symmetrien beim geschilderten Aufbau und bei un- 3/13 österreichisches Patentamt AT508 495B1 2013-04-15 tereinander gleicher Länge der Stäbe 5-9 ist die Modellbildung für die Bewegung des Werkzeuges 13 leicht in geschlossener Form möglich und ermöglicht so ein einfaches Programmieren auch stark unterschiedlicher Bearbeitungsvorgänge.

[0029] Die eingangs genannte Flexibilität der 3-2-1-Kinematiken bei der richtigen Auswahl der Anordnung der Fußpunkte und Kopfpunkte und der Nutzbarmachung von Symmetrien, durch die es möglich wird, auch praktisch verwendbare Vorrichtungen mit anderer Zahl von zu bedienenden Achsen als drei oder sechs zu erhalten, geht aus den Fig. 4 bis 6 hervor: Die in diesen Figuren dargestellte Vorrichtung 1' unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 dadurch, dass statt der beiden Stäbe 7, 9 längenveränderliche Aktuatoren 17, 19 vorgesehen sind; die drei Stäbe 5, 6 und 8 bleiben weiterhin Stäbe konstanter Länge, ebenso bleibt der Aktuator 10 als Aktuator ausgebildet.

[0030] Wie insbesondere aus Fig. 5 unmittelbar ersichtlich ist, kann aus jeder symmetrischen Position, wie sie beispielsweise die Fig. 2 zeigt, durch simultanes Ändern der Länge der Aktuatoren 17, 19 eine Verdrehung der beweglichen Plattform 11 um eine zur X-Achse parallele Achse bewirkt werden. Die Parallelogramme verziehen sich dadurch, da ihre Eckpunkte - die Fußpunkte und Kopfpunkte - nicht mehr in einer gemeinsamen Ebene liegen. Diese Änderungen der Grundgeometrie können von der Regelung durch mathematische Berechnung in geschlossener Form erfasst und berücksichtigt werden; es ist nicht notwendig, auf die unbeliebten, da langsamen und nicht genauen Rekursivberechnungen zurück zu kommen.

[0031] Gleicherweise kann durch unterschiedliche Betätigung der Aktuatoren 17, 19 ein Schwenken der beweglichen Plattform 11 um die Z-Achse erreicht werden.

[0032] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt und ausgestaltet werden. So ist es insbesondere möglich, dass der Schlitten nicht geradlinig sondern kreisförmig parallel zur eingangs erwähnten Arbeitsoberfläche verläuft (Schlittenoberfläche bildet einen Innenzylindermantel), wodurch eine passende Bearbeitung kegelförmiger Bearbeitungsoberflächen besonders erleichtert wird. Ob der Schlitten einen vollständigen Kreis ausbildet oder nur einen Kreisabschnitt hängt dabei nur vom Verwendungszweck ab.

[0033] Es kann auch eine kreisförmige Bahn um eine zylindrische Bearbeitungsoberfläche vorgesehen sein (Schlittenoberfläche bildet eine ebene Ringfläche), dabei ist beim verändern der Relativposition der beiden Teilschlitten das „Aufspreizen" nach Außen zu berücksichtigen. Bei allen kreisförmigen Schlittenachsen bietet sich natürlich ein Polarkoordinatensystem bzw. ein Zylinderkoordinatensystem für die Steuerung an.

[0034] Die erfindungsgemäß verwendete 3-2-1-Kinematik und insbesondere die Ausbildung ihres Tripelpunktes kann alle Formen annehmen, die aus der eingangs genannten Literatur bekannt sind, insbesondere können sogenannte Pseudo-Tripelpunkte und Pseudo-Doppelpunkte verwendet werden.

[0035] Als Materialien für die Vorrichtung können alle auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen üblichen Materialien und Antriebe verwendet werden, die Aktuatoren sind mittlerweile im Stand der Technik ebenfalls in unterschiedlichster Ausführung erhältlich, sei es als Spindeltrieb, als Linearmotor oder auch, wenn auch nur in seltenen Fällen bei Werkzeugmaschinen, als hydraulische und selbst pneumatische Zylinder-Kolben-Einheit. Die Lager, die die Fuß- bzw. Kopfpunkte ausbilden, sind aus der Parallelkinematik bekannt und können in Kenntnis des Anwendungsfalles leicht dimensioniert und näher bestimmt werden.

[0036] Die Beziehung zwischen Werkzeugachse und beweglicher Plattform kann natürlich dahingehend ausgeweitet werden, dass das Werkzeug über eine Zwischenplattform auf der beweglichen Plattform sitzt, sozusagen eine Kombination parallele-serielle-Kinematik ausbildet. Dann ist selbstverständlich das Verhältnis bewegliche Plattform - Zwischenplattform das der Erfindung zugrunde liegende Verhältnis. 4/13

Claims (8)

1. österreichisches Patentamt AT508 495B1 2013-04-15 Patentansprüche 1. Werkzeugmaschine (1, 1') mit einem Werkzeug (13) mit einer Werkzeugachse (12), die gegenüber einer beweglichen Plattform (11) der Werkzeugmaschine fest positioniert ist, wobei die bewegliche Plattform (11) mittels Stäben (5, 6, 7, 8, 9) konstanter Länge und längenveränderlichen Aktuatoren (10, 17, 19) mit zwei Teilschlitten (3, 4), die unabhängig voneinander entlang einer Schlittenachse (X) einer Führung (2) einer festen Plattform verfahrbar sind, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem der zwei Teilschlitten (3, 4) drei Stäbe/Aktuatoren (5, 6, 7, 17; 8, 9, 10, 19) ihre Fußpunkte aufweisen, und dass drei der Stäbe/Aktuatoren (6, 8, 10) einen gemeinsamen Kopfpunkt, einen Trippelpunkt (681), zwei weitere Stäbe/Aktuatoren (7, 9) einen gemeinsamen Kopfpunkt, einen Doppelpunkt (79), und ein Stab/Aktuator (5) einen alleinigen Kopfpunkt (5") auf der beweglichen Plattform (11) ausbilden.
2. 2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stäbe (6, 7; 8, 9) jedes Teilschlittens (3, 4) mit ihren Fuß- und Kopfpunkten ein Parallelogramm bilden.
3. 3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem der Schlitten (3) ein dritter Stab (5) angelenkt ist, dessen Fußpunkt (5') über der Ebene liegt, die von den Fußpunkten (6', 7', 8', 9') der anderen Stäbe (6, 7, 8, 9) definiert wird.
4. 4. Werkzeugmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (10) am Tripelpunkt (681) angreift und in jeder Arbeitsposition der Werkzeugmaschine (1, T) windschief zu jedem der anderen Stäbe verläuft.
5. 5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem Teilschlitten (3, 4) ein Stab (6, 8) und ein Aktuator (17, 19) mit ihren Fuß- und Kopfpunkten ein Parallelogramm bilden, wenn die Aktuatoren die Länge der Stäbe aufweisen.
6. 6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfpunkte der beiden Parallelogramme zusammenfallen und gegebenenfalls die beiden Aktuatoren (17, 19) einen gemeinsamen Kopfpunkt (79) aufweisen.
7. 7. Werkzeugmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlittenachse (X) geradlinig verläuft.
8. 8. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlittenachse (X) kreisbogenförmig verläuft. Hierzu 8 Blatt Zeichnungen 5/13