CN113458806A - 移动式机床 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种移动式机床(10)，其具有：(a)主体(12)，机床(10)通过其立在地面(48)上；(b)相对于主体(12)为悬臂式的机床头(14)；以及(c)末端执行器(16)，通过定位系统(18)在机床头(14)上引导。本发明提出机床头(14)通过以机械方式过定的框架(24)附接至主体(12)。

Description

移动式机床
技术领域
本发明涉及一种移动式机床，其具有：(a)主体，机床通过其立在地面上；(b)相对于主体为悬臂式的机床头；以及(c)末端执行器，通过定位系统在机床头上引导。这种类型的机床从EP 0 109 201 A2中已知，并且可以用于例如处理船的外壳体。然而，这种机器不适合用于被驱动至诸如模具之类的大型工具并在现场快速且高精度地处理模具，因为其刚性不足。
本发明还涉及一种用于处理工件、特别是模具的方法。
背景技术
为了完成这样的任务，尽管不是必需的，但有利的是，机床头相对于主体具有尽可能大的工作范围。工作范围是末端执行器进行处理能够到达的所有点的集合。还希望末端执行器的振动的固有频率尽可能高，并且末端执行器相对于待处理工件的挠度方面的刚性也尽可能高。
但是，这些理想的特性是相互竞争的：即，刚度越大，固有频率越高，工作空间越小。另外，高刚性和高固有频率通常导致复杂且因此昂贵的机床。
US 2003/0 120 377 A1描述了一种移动式机床，其具有末端执行器，该末端执行器的位置借助于激光测量系统来确定。这样可以更精确地测量末端执行器的位置。这种系统的缺点是它表现出相对较低的刚性，因此不适用于例如处理模具。
EP 0 256 853 A1描述了一种刚性固定装置，其具有形成四面体结构的六个杆。一工具可以附接至固定装置上。工具是移动的，但固定装置是固定的，以增加其刚性。
DE 100 44 859 A1描述了一种具有四个关节的定位装置，所述四个关节成对地彼此相对地布置在一支撑件上。定位装置仅以机械方式过定(überbestimmt)，以产生电子预紧。这种系统的缺点是只能以三个自由度进行运动。
WO O2/34461 A2描述了一种具有六脚驱动的悬臂式机床。这种机床的缺点是它要么坚硬要么快速，但不能兼而有之。
发明内容
本发明旨在提出一种改进的移动式机床。
本发明通过具有权利要求1的特征的机床解决问题。本发明还通过具有权利要求14中描述的特征的方法解决问题。
这种机床的优点在于，机床头能够高刚性地安装至主体。
如果按照优选实施例将框架设计成使得可以通过延伸至少其中一个杆来改变机床头相对于主体的位置，则可以通过框架将机床头调整至预定位置。这增大了机床头的工作范围。
通过使用以机械方式过定的框架，基本上仅拉伸力和/或压缩力作用在其撑杆上，而没有或只有很小的弯曲力。这通常以较小质量产生高刚度。另外，模块化的并且因此更简单的结构通常能够实现。
在本说明书的范围内，主体应当理解为尤其是指机床的立在地面上的部分。
机床头应当理解为是指机床的组成部分，末端执行器借助于定位系统相对于其被引导。定位系统是床头的一部分。机床头通过框架安装在主体上。优选地，机床头与主体之间的距离为至少50cm，特别是至少100cm，优选地至少150cm。
机床头相对于主体为悬臂式的应当理解为特别是指机床头附接至主体，这样，主体可以被驱动至工件，例如模具的下部工具，在此位置，末端执行器可以处理模具块的表面。有利地但不是必须的，在机床头下方不布置机床的其他元件。
框架为以机械方式过定的应当理解为特别是指，其中一个撑杆的延伸产生在至少另一个撑杆上的约束力，特别是在至少两个另外的撑杆上。以机械方式过定的框架也可以描述为静态不确定的框架。特别地，不确定度n至少为n＝2。
末端执行器称为运动链中的最后环节。末端执行器优选地为用于焊接、印刷、铣削、抛光、攻丝或硬化或激光加工的单元。
如果框架形成六脚架结构，则是有益的。特别地，框架包括形成平行运动系统的至少6个杆，这意味着其中一个杆的至少一个假想的延伸产生机床头在至少一个自由度上的运动。应当注意，框架的撑杆的至少一部分的长度是可延伸的，这是有益的，但不是必须的。
根据优选的实施例，这些撑杆其固有频率相差至少3％，尤其是至少5％，特别优选的是至少10％。对于整个框架，在施加到末端执行器的所有激励频率下，这使得具有足够高的阻尼。
优选地，至少三个撑杆，特别是至少四个撑杆，其成对的固有频率相差至少5％，特别是至少7％，特别优选的是至少10％。该特征应当理解为意指对于每个固有频率，以下所述都适用：另一个撑杆的每个其他固有频率与该固有频率相差至少规定的百分比，例如5％。该百分比是通过将较大的固有频率除以较小的固有频率来计算的。
如果所有撑杆成对的固有频率相差至少3％，特别是至少5％，特别优选地至少7％，则是特别方便的。
优选地，所述框架至少双重过定，特别是至多四倍。至少双重过定导致特别高的刚性。超过四倍的机械过定导致框架相对复杂。
固有频率应当理解为特别是指具有最小频率的固有频率。该固有频率也可以称为基准固有频率。
根据优选的实施例，撑杆被设计和布置成使得末端执行器相对于在竖直方向上的运动的刚度为末端执行器相对于垂直于前述方向延伸的横向方向上的运动的刚度的至少1.3倍，特别是至少1.5倍，特别优选的是至少2倍。
特别有利的是，末端执行器相对于在垂直于竖直方向和垂直于第一横向方向延伸的第二横向方向上的运动的刚度为末端执行器相对于第一横向方向的运动的刚度的至少1.3倍，特别是至少1.5倍，特别优选的是至少2倍。
如果末端执行器在所有方向上的刚度为至少每微米0.5牛顿，特别是至少每微米1.5牛顿，则是方便的。优选地，在至少一个方向上，刚度为至少每微米3牛顿。通常，在至少两个空间方向上，特别是在所有空间方向上，刚度为至多每微米100牛顿，特别是至多每微米50牛顿。
有利的是，至少其中一个撑杆包括预加载装置，通过该预加载装置可以将撑杆支撑在其他撑杆上。如果框架具有N个撑杆，则至少(N-6)个撑杆具有预加载装置是有益的。特别地，可行并且优选的是，所有撑杆都包括预加载装置，或者除了一个撑杆外所有撑杆都包括预加载装置。
预加载装置应当理解为是指一种装置，通过该装置可以改变各个撑杆的长度。该撑杆因此可以支撑在其他撑杆上。预加载装置可以具有例如螺旋驱动器。例如，通过旋转具有例如内螺纹的预加载装置的部件，该部件可以相对于另一部件移动，该另一部件在示例中选择为具有外螺纹。特别地，这种预加载装置的结构简单。但是，例如，预加载装置也可以具有缸，特别是液压缸。
优选地，所有撑杆都具有基点和头点，通过基点将其附接至主体，通过头点将其附接至机床头。
有利的是，至少其中四个撑杆铰接在主体上。优选地，各个撑杆铰接在主体上所用的接头具有至少两个自由度。这意味着，撑杆可以相对于主体以两个自由度，优选地为旋转自由度运动。如果接头是球形接头，则是特别有利的。球形接头允许三个自由度的运动，即相对于旋转运动的两个自由度和绕球形接头的旋转轴线的一个自由度。
如果定位系统具有至少三个轴，则是方便的。特别是，末端执行器可以通过定位系统相对于机床头以至少三个自由度运动。自由度优选地为三个平移自由度。在这种情况下，末端执行器可以相对于机床头以三个自由度移动。
定位系统和框架优选地彼此冗余。特别地，末端执行器优选地既可以借助于定位系统移动，也可以通过沿着预定轨迹延伸框架的撑杆的长度来移动。如果框架形成六脚架驱动器，这是特别有益的；但是，这不是必需的。
移动式机床优选地包括旋转装置，通过该旋转装置安装机床头，使得其可以相对于主体旋转，特别是旋转至少170°，优选地至少180°。当处理模具时，有利的是，上部工具和下部工具都可以用相同的移动式机床进行处理。为此，有利的是，机床头可以借助于旋转装置来旋转，使得它可以通过操纵旋转装置在处理下部工具之后处理上部工具，而机床的位置保持不变。
特别有利的是，旋转装置布置在机床头与框架之间的运动链中。
移动式机床优选地具有预加载装置，该预加载装置的一端附接至机床头，而另一端附接至主体，借助所述预加载装置可以支撑所述框架和所述旋转装置。
例如，旋转装置可以包括滚动轴承或滑动轴承，通过滚动轴承或滑动轴承，机头侧部分连接至主体侧部分，其中，支撑装置穿过轴承。张紧支撑装置不会在机床头和主体之间产生拉力，这意味着旋转装置的机头侧部分和旋转装置的主体侧部分可以相互支撑。
本发明还通过一种移动式机床解决了问题，该移动式机床具有：(a)主体，机床利用其立在地上；(b)相对于主体为悬臂式的机床头；以及(c)末端执行器，该末端执行器通过定位系统在机床头上引导，其中，移动式机床包括滚动底架，通过该底架可以使机床移动。在该情况下，将机床头通过以机械方式过定的框架附接至主体上，这是有利的，但不是必须的。以上指定的所有优选实施例也适用于该发明。以下描述的所有实施例也适用于上述发明。
该机床的优点在于，末端执行器可以处理工件的操作范围相当大。此外，机床可以通过滚动底架相对于地面移动。
机床通常固定在适当的位置，以确保它们具有可能的最高的固有频率和/或尽可能高的刚性。然而，已经证明，滚动底架是有利的，特别是如果在处理工件的过程中没有产生过大的静态力和动态力和/或关于末端执行器的定位精度的要求足够低和/或末端执行器相对于工件的运动需要的加速度很小的话。
在本说明书的范围内，滚动底架应当理解为是指一种通过其可使机床运动的中止。
换句话说，末端执行器在空间中的运动，即相对于固定坐标系的运动，包括由滚动底架引起的机床头的运动和通过驱动定位系统引起的末端执行器相对于机床头的运动。在此，曲线和轨迹的概念在内容上是相同的，曲线的概念用于描述在机床头坐标系中的运动，所述运动涉及相对于机床头固定的坐标系。滚动底架可以使机床移动较大距离意味着末端执行器相对于空间具有较大的操作范围。
该方法优选地包括步骤(v)：处理工件，特别是通过堆焊，而末端执行器沿着末端执行器曲线移动。
优选地，机床具有控制单元，其配置为自动执行一种方法，该方法具有以下步骤：
(i)检测末端执行器在空间中的目标轨迹；(ii)驱动滚动底架，使得机床沿着空间中的滚动底架轨迹运动，以及驱动定位系统，使得末端执行器相对于机床头沿着末端执行器曲线运动，从而末端执行器在空间中沿着目标轨迹运动。
如果末端执行器为堆焊头，则是特别有利的。堆焊是一种将材料焊接到工件上的加工过程。在堆焊中，对末端执行器的定位精度的要求通常仅是中等的。因此，由机床借助于滚动底架的运动引起的任何定位不确定性都是可以容忍的。
根据优选的实施例，滚动底架具有至少一个麦克纳姆轮和/或一个全向轮。这允许机床沿任何期望的方向移动并绕着通常是竖直的旋转轴旋转。
特别有利的是，可以将滚动底架置于下放位置，在该位置，机床的至少80％的重力不通过滚动底架传递到地面，而是通过下放表面传递到地面，下放后主体通过下放表面立于地面上。滚动底架也可以置于驱动位置，在该驱动位置，机床可以借助滚动底架移动。
如果机床具有设计用于确定末端执行器位置的跟踪干涉仪，则是特别有利的。该末端执行器位置优选地为空间中的位置，即相对于静止坐标系的位置。末端执行器位置也可以在相对于工件固定的坐标系中确定。由于工件是固定的，因此末端执行器位置相对于相对于工件固定的坐标系也是笃定的。
跟踪干涉仪的优点在于，可以更精确地确定末端执行器在空间中且因此相对于工件的位置。末端执行器的实际位置与目标轨迹指定的末端执行器目标位置之间的偏差随后可以通过定位系统进行补偿。
有利的是，控制单元配置为自动执行一种方法，该方法具有以下步骤：(i)通过跟踪干涉仪连续检测末端执行器在空间中的末端执行器位置，以及(ii)通过定位系统控制末端执行器至根据目标轨迹的末端执行器目标位置。
例如，方便的是在控制单元中有两个控制回路。第一控制回路检测在机床头的坐标中的末端执行器相对位置，并控制定位单元的驱动轴的轴驱动，以使末端执行器沿在机头坐标系中指定的末端执行器轨迹移动。该控制回路也可以被描述为基本控制回路。
如果控制单元根据跟踪干涉仪的测量值检测末端执行器的实际位置的偏差，则控制单元改变基本控制回路，以使实际位置与目标轨迹所描述的目标位置之间的偏差减小。例如，对末端执行器轨迹进行调整或将偏移值添加至末端执行器轨迹。
控制单元优选地配置为自动执行一种方法，该方法具有以下步骤：(i)驱动滚动底架，使得机床相对于地面移动，(ii)驱动滚动底架，从而将主体放置在地面上，(iii)确定末端执行器相对于工件的末端执行器位置，尤其是通过跟踪干涉仪，以及(iv)借助于末端执行器对工件进行处理，尤其是机加工。
优选地，工件首先通过堆焊进行处理，同时滚动底架移动机床并且运动系统也优选地移动末端执行器；如上所述，然后将滚动底架置于下放位置，并对工件进行机加工，例如铣削和/或抛光，特别是在堆焊焊接的区域。
为了能够增大移动式机床的固有频率并同时保持机床的重量足够低，以便能够轻松地将其运输到更长的距离上，例如，超过一公里，如果机床具有配重元件，该配重元件附接至主体从而可以拆卸，则是有利的；配重元件优选地具有至少300千克的重量，特别是至少500克。优选地，配重元件至少主要由密度超过1克/立方厘米，特别是7.5克/立方厘米，并且优选地超过10克/立方厘米的材料制成。
本发明还包括一种通过根据本发明的机床来处理工件的方法。该方法的优选设计为上述方法的步骤。
附图说明
在下文中，将通过附图更详细地解释本发明。图中示出
图1为根据本发明的机床，以及
图2为撑杆的详细视图，以及
图3为根据本发明根据图1在处理工件期间的机床。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的机床10，其包括主体12、机床头14和末端执行器16。末端执行器16可以借助于定位系统18来定位。在当前情况下，定位系统由线性轴20.1和第二线性轴20.2形成，以便可以将末端执行器16定位在两个平移自由度上。定位系统18还可以具有旋转单元22，借助该旋转单元可以使末端执行器在旋转自由度上运动。
主体12具有框架24，通过该框架，机床头14连接至主体12。框架24包括多个撑杆26.i(i＝1、2、...、N)。撑杆26.i形成以机械方式过定的六脚架结构。根据优选实施例，与其他特性无关，机床10可以具有第三线性轴20.3，通过该第三线性轴20.3可以调节框架24的高度。
每个撑杆26.i具有基点28.i，撑杆通过基点28.i连接至主体。在当前情况下，机床12具有滑动件30，撑杆26.i通过其各自的基点28.i附接至滑动件30。滑动件30附接至主体12，使得其可在竖直方向上移动。为了移动滑动件30，机床10具有驱动器，驱动器在图1中未示出。
机床10包括滚动底架32。在当前情况下，滚动底架4具有麦克纳姆轮(Mecanum-
Figure BDA0002986407760000061
)34.j(j＝1、2、3、4)。每个麦克纳姆轮34.j借助于电动机36.j单独地被驱动，使得机床10能够在两个平移自由度以及一个旋转自由度上运动。
机床10具有控制单元38，通过控制单元，对电动机36.i和定位系统进行驱动。
旋转装置40布置在机床头和主体12之间的运动链中。撑杆26.1、26.2、26.3附接在机床头上旋转装置40侧。撑杆26.4...、26.8附接至主体侧部分42。机床头14可以借助于旋转装置40围绕旋转轴线旋转，该旋转轴线与水平方向形成最大20°的角度。
滚动底架32具有升降装置44，该升降装置包括第一升降滑架46.1和第二升降滑架46.2。这些升降滑架46.1、46.2可用于将主体放在地面48上。一旦上主体12被提升，机床10就能够利用滚动底架32来移动。
图2示出了撑杆26的视图，以撑杆26.1为例。可以看出，底板28.1附接至滑动件30。撑杆26.1的头点50.1附接至机床头14。
图2示出了撑杆26.1经由球形接头52附接至主体12，即借助于滑动件30。撑杆26.1还经由第二球形接头54.1附接至机床头14。
撑杆26.1具有预加载装置56.1，预加载装置在当前情况下为螺旋驱动器68。第一杆元件62的外螺纹60与配置在第二杆元件66上的内螺纹64啮合。在当前情况下，内螺纹64配置在套筒68上。如果套筒68相对于第一杆元件62旋转，则长度L26.1改变。这使框架24的撑杆26.i撑起(参见图1)。
图3示出了根据本发明的机床10的示意图，用于解释根据本发明的方法。首先驱动滚动底架32，这样使得机床10沿着底架轨迹TF相对于地面运动。此外，驱动定位系统18，使得末端执行器16沿着末端执行器曲线TE移动。末端执行器曲线TE是根据相对于机床头14固定的坐标系测量的。另一方面，底架轨迹TF是相对于坐标带有标记R的固定坐标系测量的。这产生了目标轨迹TZ，目标轨迹TZ存储在控制单元38的数字存储器中。
移动式机床包括位置测量装置70，在当前情况下为跟踪干涉仪70的形式，其可以具有一个、两个或三个激光单元72.1、72.2或72.3。每个激光单元分别向后向反射器75上发射激光束74.1、74.2和74.3。以这种方式，测量了末端执行器位置Pist。控制单元38检测末端执行器位置Pist并将其与由目标轨迹TZ得到的末端执行器目标位置PSoll进行比较。如果该末端执行器目标位置从末端执行位置Pist偏离，控制单元38改变末端执行器曲线TE，使得末端执行器位置Psit接近末端执行器目标位置PSoll。应当注意，跟踪干涉仪70仅在涉及末端执行器16加工工件76的精度的要求特别高的情况下才是实用的。对于较低的精度要求，例如对于堆焊，不需要跟踪干涉仪70。工件76为例如成形工具，例如模具。
为了高精度地处理工件76，驱动滚动底架32，这样使得其下降并移动到下放位置。该下放位置将主体放置在地面48上的下放表面78上。然后，末端执行器16相对于工件76的末端执行器位置Pist确定，特别是借助于跟踪干涉仪70。随后借助于末端执行器16处理工件76。如果跟踪干涉仪跟随末端执行器的运动并且将其末端执行器位置Pist恒定地控制到其各自的末端执行器设定位置PSoll，则是方便的，但不是必须的。
附图标记列表
10机床 64内螺纹
12主体 66第二杆元件
14机床头 68套筒
16末端执行器
18定位系统 70跟踪干涉仪
72激光单元
20线性轴 74激光束
22旋转单元 75后向反射器
24框架 76工件
26撑杆 78下放表面
28基点
30滑动件 i、j运行标记
32滚动底架 L26撑杆长度
34麦克纳姆轮 N撑杆数量
36电动机 PSoll末端执行器目标位置
38控制单元 Pist末端执行器位置
TF滚动底架轨迹
40旋转装置 TE末端执行器曲线
42部分 TZ目标轨迹
44升降装置
46升降滑架
48地面
50头点
52球形接头
54第二球形接头
54预加载装置
58螺旋驱动器
60外螺纹
62杆元件

Claims (15)

1.一种移动式机床(10)，具有：
(a)主体(12)，机床(10)利用其立在地面(48)上，
(b)机床头(14)，其相对于主体(12)是悬臂式的，以及
(c)末端执行器(16)，其借助于定位系统(18)在机床头(14)上引导，
其特征在于，
(d)机床头(14)通过以机械方式过定的框架(24)附接至主体(12)。
2.根据权利要求1所述的移动式机床(10)，其特征在于，至少两个撑杆(26)的固有频率相差至少7％。
3.根据前述权利要求中任一项所述的移动式机床(10)，其特征在于，所述框架(24)至少以机械方式双重过定。
4.根据前述权利要求中任一项所述的移动式机床(10)，其特征在于，所述撑杆(26)中的至少一个包括预加载装置(56)，至少一个撑杆(26)通过所述预加载装置(56)支撑在其他撑杆(26)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的移动式机床(10)，其特征在于，至少四个撑杆(26)铰接在所述主体(12)上，特别是借助于球形接头(52)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的移动式机床(10)，其特征在于，所述定位系统(18)包括至少三个轴。
7.根据前述权利要求中任一项所述的移动式机床(10)，其特征在于，
旋转装置(40)，通过该旋转装置安装机床头(14)，使得其能够相对于主体(12)旋转，特别是旋转至少170°。
8.根据前述权利要求中任一项所述的移动式机床(10)，其特征在于，
(a)滚动底架(32)，通过其能够使机床(10)移动，以及在于，
(b)滚动底架(32)优选地具有至少一个麦克纳姆轮(34)和/或一个全向轮。
9.根据权利要求8所述的移动式机床(10)，其特征在于，控制单元(38)，其设计为自动执行具有以下步骤的方法：
(i)检测末端执行器(16)在空间中的目标轨迹(TZ)，
(ii)驱动滚动底架(32)，使机床(10)沿空间中的底架轨迹(TF)移动，以及
(iii)驱动定位系统(18)，使末端执行器(16)相对于机床头(14)沿末端执行器曲线(TE)移动，使得末端执行器(16)在空间中沿目标轨迹(TZ)移动。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的移动式机床(10)，其特征在于，位置测量装置(70)，特别是跟踪干涉仪(70)，其被设计用于确定相对于工件(76)在空间中的末端执行器位置(Pist)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的机床(10)，其特征在于，控制单元(38)配置为自动执行具有以下步骤的方法：
(i)借助于跟踪干涉仪(70)连续检测末端执行器(16)在空间中的末端执行器位置(Pist)，以及
(ii)借助于定位系统(18)将末端执行器位置(Pist)控制到根据目标轨迹(TZ)的末端执行器目标位置(PSoll)。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的机床(10)，其特征在于，控制单元(38)配置为自动执行具有以下步骤的方法：
(i)驱动滚动底架(32)，使机床(10)相对于地面(48)移动，
(ii)驱动滚动底架(32)，使主体(12)放置在地面(48)上，
(iii)确定末端执行器(16)相对于工件(76)的末端执行器位置(Pist)，以及
(iv)借助于末端执行器(16)对工件(76)进行处理，特别是机加工。
13.根据前述权利要求中任一项所述的移动式机床(10)，其特征在于，
(a)至少一个配重元件，其附接至主体(12)，使得其能够被拆卸，
(b)其中所述至少一个配重元件具有至少1.5g/cm3、特别是至少7.5g/cm3的密度，和/或至少300kg、特别是至少500kg的质量。
14.一种用于处理工件(76)、特别是成形工具的方法，包括以下步骤：
(i)将根据前述权利要求中任一项所述的移动式机床朝向所述工件(76)移动，以及
(ii)末端执行器(16)借助于定位系统(18)移动，并且因此借助于末端执行器(16)对工件(76)进行处理，特别是铣削。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于以下步骤：
(i)改变至少一个撑杆(26)的长度，使得定位系统(18)的位置改变，和/或
(ii)支撑框架。
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