DE10008745A1

DE10008745A1 - Three dimensional drive system for baseplate carrying tool and measuring sensor, has six joined struts reacting on device for precise machining operations

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Publication number: DE10008745A1
Application number: DE2000108745
Authority: DE
Inventors: Nikolai Plischke; H Boehler; Peter Aul
Original assignee: ZENTRUM FERTIGUNGSTECHNIK STUT
Current assignee: ZENTRUM FERTIGUNGSTECHNIK STUT
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2001-09-13

Abstract

The three dimensional drive system has six joined struts reacting on device for precise machining operations. The system is designed so that the free ends (14) of the struts (13) are connected respectively jointed with an adjusting element (15). The struts are separately controlled from each other, and are adjustable on a linear track or on a curved track. The individual struts have a specified fixed length. The drive of the respective adjustment elements is arranged by using a threaded spindle (16) designed with a single or multiple threads. The adjustment element is held under a preloading on the threaded spindle. The drive of the respective adjusting element can result using a linear motor, or a toothed rack. A tool (8) is carried at the baseplate.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Antrieb einer ein Werkzeug, einen Messfühler oder ein ähnliches Gerät tragenden Grundplatte, an der sechs auf diese einwirkende Streben angelenkt sind.The invention relates to a device for three-dimensional drive a a base plate carrying a tool, a sensor or a similar device of which six struts are articulated on it.

Aus der DE 297 09 379 U1 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, deren Werkzeug auf einer Grundplatte und parallel zu dieser montiert ist. Die Grundplatte wird hierbei mittels einer Vorrichtung angetrieben und bewegt, die aus sechs teleskopartig ineinander schiebbaren und somit längenveränderbaren Streben besteht. Die freien Enden der jeweiligen Streben sind fest an einem Rahmen, beispielsweise dem Werkzeugmaschinengestell, angebracht. Die dreidimensionale Bewegung der Grundplatte und somit des aufgespannten Werkzeuges wird dadurch bewerkstelligt, dass die Streben unabhängig voneinander in ihrer Länge gesteuert verändert werden. Aufgrund der Längenveränderbarkeit der Streben kann die Grundplatte sowohl in translatorische als auch in rotatorische Bewegungen in einem üblichen kartesischen x-y-z-Koordinatensystem bewegt werden.From DE 297 09 379 U1 a machine tool is known, the tool mounted on a base plate and parallel to it. The base plate is here driven and moved by means of a device consisting of six telescopically slidable and thus variable length struts. The free The ends of the respective struts are fixed to a frame, for example the Machine tool frame attached. The three-dimensional movement of the Base plate and thus the clamped tool is accomplished that the struts are controlled independently in length become. The base plate can be changed due to the length of the struts in both translational and rotary movements in a usual Cartesian x-y-z coordinate system.

Diese sechsfache Bewegungsfreiheit der Grundplatte ermöglicht die Bearbeitung eines auf einem ortsfest oder beweglichen Arbeitstisch der Werkzeugmaschine angebrachten Werkstückes. Es sind demnach sämtliche fünf freien Oberflächen des Werkstückes für das Werkzeug erreichbar.This sixfold freedom of movement of the base plate enables processing one on a stationary or mobile work table of the machine tool attached workpiece. It is therefore all five free surfaces of the Workpiece accessible to the tool.

Als nachteilig hat es sich jedoch herausgestellt, dass die Stabilität der teleskopartig aufgebauten Streben, insbesondere bei hoher Druckbeanspruchung, gegen Knickung und Torsion niedrig ist, da zum einen, insbesondere bei ausgefahrenen Streben, deren Länge groß bemessen ist, so dass aufgrund der herrschenden mechanischen Krafteinwirkung die jeweilige Strebe geringere Stabilitätswerte aufweist als eine kurz bemessene, beispielsweise eingefahrene Strebe, und zum anderen, da die Querschnittsform der Streben an die teleskopartige Ineinanderverschiebung anzupassen ist, so dass mit zunehmender Anzahl der Teleskopstreben deren Steifigkeit abnimmt, denn die Wandung bzw. der gesamte Durchmesser der Streben ist zu verringern.A disadvantage, however, has been found that the stability of the telescopic built struts, especially with high pressure, against Buckling and torsion is low because, on the one hand, especially when extended Struts, whose length is large, so that due to the prevailing mechanical force the respective strut has lower stability values has as a short dimensioned, for example retracted strut, and to other, because the cross-sectional shape of the struts to the telescopic Interlocking is to be adjusted so that with increasing number of Telescopic struts whose stiffness decreases, because the wall or the whole The diameter of the struts must be reduced.

Ferner entsteht aufgrund der Längenverschiebungen der einzelnen Teleskopstreben erhebliche Reibung innerhalb der Streben, die zwangsläufig dazu führt, dass ein Temperaturanstieg während des Betriebes der Vorrichtung entsteht. Es ist bekannt, dass ein Temperaturanstieg zu einer Längenausdehnung von Bauteilen führt, die bei Hochpräzisionsmaschinen unerwünscht sind, da diese den Fertigungsprozess negativ beeinflussen. Die Längenänderungen in den Streben führen demzufolge zu einer geometrischen Änderung der gesamten Vorrichtung, so dass Fertigungs- bzw. Bewegungsschritte der Vorrichtung ungenau steuer- und berechenbar sind.Furthermore, due to the length shifts of the individual telescopic struts considerable friction within the struts, which inevitably leads to a Temperature rise occurs during the operation of the device. It is known, that an increase in temperature leads to a linear expansion of components that High precision machines are undesirable because they affect the manufacturing process influence negatively. The length changes in the struts therefore lead to a geometric change of the entire device, so that manufacturing or Movement steps of the device are inaccurately controllable and calculable.

Des weiteren liegt die Bewegungsfreiheit der Grundplatte innerhalb von vorgegebenen Grenzwerten, da einerseits in translatorische x-, y- oder z-Richtung die Ausfahrbarkeit der Strebe nicht beliebig verlängerbar ist und andererseits für die Rotation der Grundplatte, insbesondere um die x-Achse, die von der Grundplatte abstehenden Streben sich in ihrer jeweiligen Bewegungsfreiheit gegenseitig behindern. Aus diesem Grund ist die Grundplatte lediglich in einem Winkelbereich von ca. +/-30° um die x-Achse kippbar, so dass die Bearbeitung eines Werkstückes eingeschränkt ist. Um nunmehr zu gewährleisten, dass das Werkstück vollständig an seinen fünf freien Oberflächen erreichbar ist und somit bearbeitet werden kann, sind gesonderte Maßnahmen an die Lagerung des Arbeitstisches der Werkzeugmaschine zu stellen, beispielsweise ist dieser dreh- und kippbar auszubilden. Dies stellt jedoch sowohl an den konstruktiven Aufbau der Werkzeugmaschine als auch an die technische Anforderung des Steuerprogramms und dessen Ablauf erhöhte Anforderungen, die dazu führen, dass die Werkzeugmaschine in ihrer Herstellung und im Betrieb sehr teuer ist.Furthermore, the freedom of movement of the base plate is within predefined limit values, since on the one hand in translatory x, y or z direction the extendibility of the strut is not arbitrarily extendable and on the other hand for the Rotation of the base plate, especially around the x-axis, from the base plate protruding struts mutually in their respective freedom of movement hinder. For this reason, the base plate is only in an angular range +/- 30 ° tiltable around the x-axis, so that the machining of a workpiece is restricted. Now to ensure that the workpiece is fully on its five free surfaces are accessible and can therefore be edited separate measures for the storage of the work table of the machine tool to provide, for example, this can be rotated and tilted. However, this poses both on the constructive structure of the machine tool and on the technical requirements of the control program and its execution increased Requirements that lead to the machine tool being manufactured and is very expensive to operate.

Darüber hinaus sind dadurch hohe Bearbeitungstoleranzen gegeben, da die ausgefahrenen erhebliche Streben Stabilitätsschwankungen unterliegen, so dass eine maßgenaue Bearbeitung des eingespannten Werkstückes lediglich in einen vorbestimmten engbegrenzten Raumbereich möglich ist.In addition, there are high machining tolerances because the extended significant struts are subject to fluctuations in stability, so that precise machining of the clamped workpiece only in one predetermined narrowly limited space is possible.

Mittels der Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist nämlich die Verschwenkung der Grundplatte lediglich aufgrund von einzuhaltenden Abmessungen und Beabstandungen der freien Enden der Streben gewährleistet. Dies bedeutet jedoch, dass die Abmessung der Werkzeugmaschine, in die die Antriebs-Vorrichtung eingesetzt wird, möglichst groß bemessen sein muss, da anderenfalls die angegebenen Verstellwinkel nicht zu erzielen sind.The pivoting is namely by means of the device according to the prior art the base plate only on the basis of dimensions and Spacing of the free ends of the struts ensured. However, this means that the dimension of the machine tool into which the drive device is used, must be dimensioned as large as possible, otherwise the specified adjustment angle can not be achieved.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung, insbesondere für eine Werkzeugmaschine, derart weiterzubilden, dass sowohl eine hohe gleichbleibende Stabilität der einzelnen für die Bewegung der Grundplatte verantwortlichen Streben gewährleistet ist, als auch die Anordnung der zur Bewegung erforderlichen sechs Streben derart auszubilden, dass einerseits die herrschenden Kraftverhältnisse gleichmäßig abgestützt werden und andererseits der dreidimensionale Bewegungsspielraum der Grundplatte vergrößert ist. Ferner sollen die zu bewegenden Massen möglichst gering gehalten sein und die für die Bewegung der Grundplatte erforderliche Breite der Werkzeugmaschine, und zwar definitionsgemäß in x-Richtung, soll klein ausgelegt werden können.It is therefore an object of the invention to provide a device of the type mentioned Genus, in particular for a machine tool, such that both a high constant stability of the individual for the movement of the Base plate responsible struts is guaranteed, as well as the arrangement of the six struts required for movement in such a way that on the one hand the prevailing force relationships are evenly supported and on the other hand the three-dimensional range of motion of the base plate is increased. Furthermore, the masses to be moved should be kept as low as possible and those for the movement of the base plate required width of the machine tool, namely by definition in the x direction, should be designed to be small.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die freien Enden der Streben jeweils gelenkig mit einem Verstellglied verbunden sind, die getrennt voneinander gesteuert auf einer Linearachse oder auf einer Kurvenbahn verstellbar sind, und dass die einzelnen Streben eine vorgegebene konstante Länge aufweisen.This object is achieved according to the invention in a device of the type mentioned Art solved in that the free ends of the struts are each articulated with a Adjusting element are connected, which are controlled separately on one another Linear axis or on a cam track are adjustable, and that the individual Struts have a predetermined constant length.

Der Antrieb der freien Enden der Streben kann alternativ dadurch bewerkstelligt werden, dass das jeweilige Verstellglied mittels einer Kugelrollspindel, mittels eines Linearmotors oder über eine Zahnstange angetrieben wird.Alternatively, the free ends of the struts can be driven thereby be that the respective actuator by means of a ball screw, by means of a Linear motor or driven by a rack.

Dadurch, dass die freien Enden der Streben beweglich angeordnet sind, ist gewährleistet, dass die einzelnen Streben gleich oder unterschiedlich lang bemessen werden können. Mittels unterschiedlich lang ausgebildeter Streben ist die Bewegung der Grundplatte nämlich nach Art eines Getriebes steuerbar. The fact that the free ends of the struts are movably arranged ensures that the individual struts have the same or different lengths can be. The movement is by means of struts of different lengths the base plate can be controlled in the manner of a transmission.

Aufgrund der Anordnung und Lagerung der sechs Streben ist die Grundplatte um die x-Achse des Koordinatensystems in einem Winkelbereich von ca. +/-45° und/oder um die y-Achse des Koordinatensystems in einem Winkelbereich von ca. +/-30° neigbar.Due to the arrangement and storage of the six struts, the base plate is around the x-axis of the coordinate system in an angular range of approx. +/- 45 ° and / or around the y-axis of the coordinate system in an angular range of approx. +/- 30 ° tiltable.

Die sechs Bewegungsfreiheitsgrade der Grundplatte werden dadurch erreicht, dass die einzelnen Anlenkungen der Streben an dem Verstellglied und der Grundplatte jeweils mittels eines Kardangelenkes oder dgl. erfolgen und dass zwischen den beiden Anlenkungen der Streben jeweils ein Drehgelenk vorgesehen ist, das einen um die Längsachse der Strebe wirkenden Freiheitsgrad aufweist.The six degrees of freedom of movement of the base plate are achieved in that the individual articulations of the struts on the adjusting member and the base plate in each case by means of a universal joint or the like. and that between the a swivel joint is provided for both articulations of the struts, one has a degree of freedom acting around the longitudinal axis of the strut.

Eine erhöhte Stabilität der gesamten Anordnung der Vorrichtung ist gegeben, wenn die sechs Streben paarweise zusammengefasst sind und diese zusammen mit der Grundplatte im wesentlich dreieckförmig verlaufen, wobei die Streben und die Grundplatte vorzugsweise ein gleichseitiges Dreieck bilden. Die in den Verstellgliedern gelagerten freien Enden der Streben sind beliebig positionierbar, so dass auch ein tordiertes Dreieck entstehen kann.An increased stability of the entire arrangement of the device is given if the six struts are combined in pairs and these together with the Base plate run essentially triangular, the struts and the Base plate preferably form an equilateral triangle. The in the Free ends of the struts mounted on adjusters can be positioned as desired that a twisted triangle can also arise.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous developments of the invention result from the Dependent claims.

Dadurch, dass die Länge der einzelnen Streben konstant gehalten ist, kann jede Strebe vorbestimmbare Druck- bzw. Zugkräfte aufnehmen, die gegenüber längenveränderlichen Streben größer sind. Die Verfahrbarkeit der freien Enden der Streben gewährleistet darüber hinaus eine hohe Flexibilität in den Ausführungsvariationen einzelner Bewegungsabläufe, ohne dass innerhalb bzw. an den Streben dynamische Eigenschaften aufgrund deren Längenveränderung gegeben sind. Schließlich wird vorteilhafterweise die Massenverteilung an den Streben konstant gehalten, so dass aufgrund konstruktiver Maßnahmen sowie das Fehlen von für die Längenänderung erforderlichen Antrieben, beispielsweise von Kugelrollspindeln in jeder längenveränderlichen Strebe, die Masse der einzelnen konstanten Streben niedriger ist als dies bei längenveränderlichen Streben vorgegeben ist. Because the length of the individual struts is kept constant, each Strive to absorb predetermined compressive or tensile forces, the opposite struts variable in length are larger. The movability of the free ends of the Striving also guarantees a high degree of flexibility in the Variations in execution of individual motion sequences without being within or on the struts dynamic properties due to their change in length given are. Finally, the mass distribution to the Striving kept constant, so that due to constructive measures as well Absence of drives required for changing the length, for example of Ball screws in each adjustable strut, the mass of each constant struts is lower than that of variable-length struts is specified.

Daraus ergibt sich in der Zusammenschau dieser Aspekte eine exakte Berechnungsmöglichkeit der Bewegungsabläufe, so dass die Zustellvorgänge optimiert sind.Looking at these aspects, this gives an exact picture Possibility of calculating the movement sequences, so that the delivery processes are optimized.

Ferner werden die Verstellbewegungen der Grundplatte, und zwar insbesondere die Neigungen um die x-Achse, im wesentlichen aufgrund der Verstellmöglichkeit der Streben in z-Richtung bewerkstelligt, so dass der benötigte Raum in x-Richtung kleiner ausgelegt werden kann, um dadurch sogar eine größere Auslenkung der Grundplatte zu erzielen, als dies bei Vorrichtungen mit längenveränderlichen Streben vorgegeben ist.Furthermore, the adjustment movements of the base plate, in particular the Inclinations around the x-axis, essentially due to the possibility of adjusting the Striving accomplished in the z-direction, so that the required space in the x-direction can be designed smaller, thereby even a larger deflection of the To achieve base plate than this with devices with variable-length struts is specified.

Des weiteren ermöglichen die unterschiedlich gesteuerten Bewegungen der freien Enden der Streben ein Bewegen der Grundplatte im dreidimensionalen Raum. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, dass die Grundplatte aus der vertikalen Einstellung um ca. +/-45° geneigt werden kann und in dieser Stellung trotz der extremen sich einstellenden Ausbildungen der Streben zueinander eine zuverlässige und gleichmäßige Halterung der Grundplatte besteht, obwohl die Krafteinleitung und die Aufnahme in den sechs Streben in diesen Stellungen schwierig zu bewerkstelligen ist. Für eine exakte Bearbeitung eines aufgespannten Werkstückes ist es nämlich erforderlich, dass die Kraftübertragungen in Richtung der x-y-z-Achsen in jeder beliebigen Auslenkposition der Grundplatte in etwa gleich groß bemessen sind, so dass nahezu konstante Spannungszustände in den Streben herrschen, obwohl diese sich in verschiedenen, teilweise extremen Auslenk-Positionen befinden.Furthermore, the differently controlled movements of the free Ends of the struts moving the base plate in three-dimensional space. It has turned out to be advantageous that the base plate from the vertical Can be inclined by approx. +/- 45 ° and in this position despite the extreme resulting training of the struts to each other a reliable and uniform mounting of the base plate, although the force and the inclusion in the six struts in these positions is difficult to is accomplished. For exact machining of a clamped workpiece it is namely necessary that the power transmission in the direction of the x-y-z axes dimensioned approximately the same size in any deflection position of the base plate are so that there are almost constant stresses in the struts, although these are in different, sometimes extreme, deflection positions are located.

Aufgrund der vorteilhaften Überlagerung von sechs möglichen Bewegungsfreiheitsgraden ist die Grundplatte und somit das auf dieser aufgespannte Werkzeug im Bereich der fünf frei zugänglichen Oberflächen des Werkstückes bewegbar, so dass diese Oberflächen bearbeitet werden können, ohne dass der Arbeitstisch zu verdrehen und/oder zu verschwenken ist.Because of the advantageous overlay of six possible The base plate is the degree of freedom of movement and therefore the one that is clamped on it Tool in the area of the five freely accessible surfaces of the workpiece movable so that these surfaces can be processed without the Is to twist and / or pivot the work table.

Diese Einsparung einer Schwenkachse zur Bearbeitung des Werkstückes reduziert den Bewegungsberechnungsaufwand für die Werkzeugmaschine erheblich gegenüber herkömmlichen Werkzeugmaschinen, so dass die Ansteuerungen bzw. die Bewegungsabläufe mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung exakt und zeitlich schnell zu bewerkstelligen sind. This saving of a swivel axis for machining the workpiece is reduced the movement calculation effort for the machine tool considerably compared to conventional machine tools, so that the controls or the movements with the device according to the invention exactly and in time can be done quickly.

In einer Zeichnung ist ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ausführungsbeispiel, das nachfolgend näher erläutert ist, dargestellt. Im einzelnen zeigt:In a drawing is an embodiment designed according to the invention, the is explained in more detail below. In detail shows:

Fig. 1 eine in einer Werkzeugmaschine eingesetzter Vorrichtung in einer Grundstellung, in Vorderansicht, Fig. 1 is a inserted into a machine tool apparatus in a base position, in front view,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 2 is a side view of the device according to Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie III-III in Fig. 1, Fig. 3 is a section according to the line III-III in Fig. 1,

Fig. 4 die Vorrichtung gemäß Fig. 1, deren Grundplatte um die y-Achse geschwenkt ist, Fig. 4 shows the device according to FIG. 1, the base plate is pivoted about the y-axis,

Fig. 5 die Vorrichtung gemäß Fig. 2, deren Grundplatte um die x-Achse in einer ersten Auslenkposition geschwenkt ist, und Fig. 5 shows the device according to FIG. 2, the base plate is pivoted about the x-axis in a first deflection position, and

Fig. 6 die Vorrichtung gemäß Fig. 2, deren Grundplatte um die x-Achse in einer zweiten Auslenkposition geschwenkt ist. Fig. 6 shows the device of FIG. 2, the base plate is pivoted about the x-axis in a second deflection position.

In Fig. 1 ist eine Werkzeugmaschine 1 dargestellt, in der eine Vorrichtung 11 zum dreidimensionalen Antrieb einer Grundplatte 12 angeordnet ist. Auf der Oberfläche der Grundplatte 12 ist ein Werkzeug 8 arretiert, mittels dem ein auf einem Arbeitstisch 3 aufgespanntes Werkstück 4, wie nachfolgend erläutert, bearbeitet werden kann. Die Werkzeugmaschine 1 weist zur Aufnahme und Abstützung der Vorrichtung 11 ein im Querschnitt nahezu rechteckförmiges Rahmengestell 2 auf, das lediglich zur Abstützung der auftretenden Momente und Kräfte dient und somit jede beliebige Querschnittsform angepasst an den vorgegebenen Einsatz- bzw. Verwendungszweck der Werkzeugmaschine 1 aufweisen kann. Zur Bewegung und Halterung der Grundplatte 12 sind sechs an der Grundplatte 12 angelenkte Streben 13 vorgesehen, deren freie Enden 14 gelenkig mit einem als Verstellglied ausgebildeten Schlitten 15 verbunden sind. Die Streben 13 sind zueinander gleich lang ausgebildet und somit in ihrer Länge konstant gehalten. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Länge der jeweiligen Strebe 13 unterschiedlich ist, so daß dadurch die Bewegung der Grundplatte 12 beeinflußbar ist.In Fig. 1, a machine tool 1 is shown, is arranged in the apparatus 11 to the three-dimensional drive of a base plate 12. A tool 8 is locked on the surface of the base plate 12 , by means of which a workpiece 4 clamped on a work table 3 can be machined, as explained below. The machine tool 1 has a frame 2 , which is almost rectangular in cross section, for receiving and supporting the device 11 , which is only used to support the moments and forces that occur and can therefore have any cross-sectional shape adapted to the specified application or use of the machine tool 1 . In order to move and mount the base plate 12 are provided six hinged to the base plate 12 struts 13, the free ends 14 are hingedly connected to an adjusting member constructed as a carriage 15 °. The struts 13 are of equal length to one another and are thus kept constant in length. However, it is also conceivable that the length of the respective strut 13 is different, so that the movement of the base plate 12 can be influenced thereby.

Der Antrieb der Grundplatte 12 wird dadurch erzielt, dass die freien Enden 14 der Streben 13 jeweils auf einer Linearachse in Form einer Kugelrollspindel, die als Gewindespindel 16 mit einem durchgehenden Gewindegang 18 ausgebildet ist, unabhängig voneinander verfahren werden. Jede Strebe 13 weist fünf Bewegungsfreiheitsgrade auf, die dadurch geschaffen werden, dass die Streben 13 sowohl an der Grundplatte 12 als auch an den jeweiligen Schlitten 15 mittels eines Kardangelenkes 17 verbunden sind. Des weiteren ist in jeder Strebe 13 ein nicht dargestelltes Rotationsgelenk vorgesehen, das zwischen der Grundplatte 12 und dem der Grundplatte 12 zugeordneten Kardangelenk 17 oder aber auch zwischen den beiden jeweiligen Kardangelenken 17 der einen Strebe 13 angeordnet ist. Das Rotationsgelenk erlaubt die Torsion der Strebe 13.The drive of the base plate 12 is achieved in that the free ends 14 of the struts 13 are each moved independently of one another on a linear axis in the form of a ball screw, which is designed as a threaded spindle 16 with a continuous thread 18 . Each strut 13 has five degrees of freedom of movement, which are created in that the struts 13 are connected to the base plate 12 as well as to the respective slide 15 by means of a cardan joint 17 . Furthermore, a rotary joint (not shown) is provided in each strut 13 , which is arranged between the base plate 12 and the universal joint 17 assigned to the base plate 12 or between the two respective universal joints 17 of the one strut 13 . The rotary joint allows the strut 13 to twist.

Dadurch, dass die sechs Streben 13 jeweils fünf Bewegungsfreiheitsgrade aufweisen, ist die Grundplatte 12 im dreidimensionalen Raum sowohl translatorisch entlang den x-, y- und z-Achsen 5, 6 und 7 eines üblichen kartesischen Koordinatensystems als auch rotatorisch um jeweils eine der drei Achsen 5, 6 und 7 beweglich.Because the six struts 13 each have five degrees of freedom of movement, the base plate 12 is in three-dimensional space both translationally along the x, y and z axes 5 , 6 and 7 of a customary Cartesian coordinate system and rotationally about one of the three axes in each case 5 , 6 and 7 movable.

In Fig. 2 ist die Vorrichtung 11 gezeigt und das Rahmengestell 2 der Werkzeugmaschine lediglich andeutungsweise dargestellt. Jeder Gewindespindel 16 ist hierbei ein Antriebsmotor 21 zugeordnet, die gemeinsam mittels eines computergestützten Steuerprogramms definiert angesteuert und in Betrieb gesetzt werden. Die Gewindespindeln 16 sind im Bereich des Arbeitstisches 3 der Werkzeugmaschine 1 sowie im Bereich des Antriebsmotors 21 jeweils in einem Lager 22 drehbar gehalten, die ortsfest an dem Rahmengestell 2 der Werkzeugmaschine 1 angebracht sind. Die Distanz zwischen den beiden jeweiligen Lagern 22 entspricht dabei dem Verfahrbereich der freien Enden 14 der Streben 13.In Fig. 2 the device 11 is shown and the frame 2 of the machine tool is only hinted at. A drive motor 21 is assigned to each threaded spindle 16 , which are controlled and started together in a defined manner by means of a computer-aided control program. The threaded spindles 16 are each rotatably held in a bearing 22 in the area of the work table 3 of the machine tool 1 and in the area of the drive motor 21 , which are fixedly attached to the frame 2 of the machine tool 1 . The distance between the two respective bearings 22 corresponds to the travel range of the free ends 14 of the struts 13 .

Für die Auslegung der Werkzeugmaschine, und zwar im Hinblick auf den benötigten Arbeitsraum und den notwendigen Verfahrbereich ist die Funktion von Größe des Arbeitsraumes, Schwenkwinkel und Länge der Streben maßgeblich. Diese Größen können variiert werden und sind demnach kalierbar. Jedoch sind als Bezugsgrößen die Stabilitäts- und Spannungswerte der Streben entscheidend, da diese einen vorgegebenen Grenzwert nicht unterschreiten dürfen.For the design of the machine tool, with regard to the required Working space and the necessary travel range is the function of the size of the Working space, swivel angle and length of the struts are decisive. These sizes can be varied and can therefore be scaled. However, as a reference the stability and tension values of the struts are crucial, as they are one must not fall below the specified limit.

Die Rotierbarkeit der einzelnen Streben 13 wird mittels eines schematisch dargestellten Drehgelenkes 19 erreicht, das andeutungsweise gezeigt ist. Dieses Drehgelenk 19 ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen den beiden Kardangelenke 17 der einen Strebe 13 angeordnet. Eine solche Positionierung des Drehgelenkes 19 ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da lediglich sicherzustellen ist, dass die Strebe 13 einen Freiheitsgrad um die Längsachse aufweist.The rotatability of the individual struts 13 is achieved by means of a schematically illustrated swivel joint 19 , which is shown in a hint. In this exemplary embodiment, this swivel joint 19 is arranged between the two universal joints 17 of the one strut 13 . However, such a positioning of the swivel joint 19 is not absolutely necessary, since it is only necessary to ensure that the strut 13 has a degree of freedom around the longitudinal axis.

Aus Fig. 3 ist die Wirkverbindung zwischen der Gewindespindel 16 und dem Schlitten 15 ersichtlich. In die Spindel 16 ist in Richtung der Längsachse in deren Mantelfläche eine schraubenlinienförmige Nut 27 eingearbeitet, die eine konstante Steigung aufweist. Der Schlitten 15 umgreift die Gewindespindel 16. Im Inneren des Schlittens 16 ist ein in Längsrichtung des Schlittens 15 umlaufender Kanal 26 vorgesehen, in dem eine Vielzahl von Kugeln 23 angeordnet sind. Die Kugeln 23 sind ebenfalls in der Nut 27 der Gewindespindel 16 vorhanden, so dass bei Rotation der Gewindespindel 16 die Kugeln 23 durch die Nut 27 und den Kanal 26 gedrückt werden und demnach der Schlitten 15 entlang der rotierenden Gewindespindel 16 verfahren wird. Die Rotationsrichtung und -geschwindigkeit der Gewindespindel 16 dienen als Maß für die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Schlittens 15, und demzufolge auch für die jeweilige Strebe 13.The operative connection between the threaded spindle 16 and the slide 15 can be seen from FIG. 3. A helical groove 27 , which has a constant pitch, is machined into the lateral surface of the spindle 16 in the direction of the longitudinal axis. The carriage 15 engages around the threaded spindle 16 . Provided in the interior of the slide 16 is a channel 26 which runs in the longitudinal direction of the slide 15 and in which a plurality of balls 23 are arranged. The balls 23 are also present in the groove 27 of the threaded spindle 16 , so that when the threaded spindle 16 rotates, the balls 23 are pressed through the groove 27 and the channel 26 and accordingly the slide 15 is moved along the rotating threaded spindle 16 . The direction and speed of rotation of the threaded spindle 16 serve as a measure of the direction of movement and speed of the slide 15 , and consequently also of the respective strut 13 .

Es ist möglich, auch zweigängige Gewindespindeln zu verwenden, so dass der Schlitten 16 auf der Gewindespindel vorgespannt gehalten ist. Dadurch ist gewährleistet, dass schnelle Richtungsänderungen vorgenommen werden können, ohne dass das Spiel zwischen den Kugeln 23 und der Nut 27 zu Ungenauigkeiten in den Bewegungsabläufen der Streben 13 führt.It is also possible to use two-start threaded spindles, so that the slide 16 is kept biased on the threaded spindle. This ensures that quick changes in direction can be made without the play between the balls 23 and the groove 27 leading to inaccuracies in the movement sequences of the struts 13 .

Die Rotationsbewegungen der einzelnen Spindeln 16 sind für die dreidimensionale Bewegung der Grundplatte 12 aufeinander abzustimmen.The rotational movements of the individual spindles 16 are to be coordinated with one another for the three-dimensional movement of the base plate 12 .

Die Bewegung des Schlittens 15 kann gleichwertig zu dem Antrieb mittels der Gewindespindel 16 auch mittels eines Linearmotors oder einer Zahnstange, auf der der Schlitten 15 geführt gehalten ist, bewerkstelligt werden. The movement of the carriage 15 can be accomplished equivalent to the drive by means of the threaded spindle 16 and also by means of a linear motor or a rack on which the carriage 15 is held.

Aus der Fig. 4 ist die Verschwenkung der Grundplatte 12 um die y-Achse 6 ersichtlich. Der maximale Auslenkwinkel β beträgt +/-30°. Die Kardangelenke 17 in den sechs Streben 13 sind nämlich aufgrund der Ausnehmungen in den Schlitten 15 sowie den Anlenkungen an der Grundplatte 12 nicht beliebig verschwenkbar, sondern werden vielmehr durch die Bauweise und der Anlenkung des Schlittens 15 an der Grundplatte 12 sowie an den Schlitten 15 beschränkt.The pivoting of the base plate 12 about the y-axis 6 can be seen from FIG . The maximum deflection angle β is +/- 30 °. The cardan joints 17 in the six struts 13 are namely not pivotable due to the recesses in the carriage 15 and the articulations on the base plate 12 , but rather are limited by the construction and articulation of the carriage 15 on the base plate 12 and on the carriage 15 .

In den Fig. 5 und 6 sind die Auslenkungen der Grundplatte 12 um die x-Achse 5 gezeigt, wobei der Auslenkungswinkel α +/-45° beträgt. Insbesondere bei einer Überlagerung der Auslenkungen um die x-Achse 5 und die y-Achse 6 sowie einer Verdrehung der Grundplatte 12 um die z-Achse 7 ist der Bewegungsspielraum der Streben 13 zueinander begrenzt, denn einerseits führen extreme Stellungen der Streben 13 zu ungünstigen Spannungszuständen innerhalb der Streben 13 und andererseits behindern sich die Streben 13 bei derartigen extremen Bewegungen gegenseitig.In FIGS. 5 and 6, the deflections of the base plate are shown about the x-axis 5. 12, wherein the deflection angle α +/- 45 °. Particularly when the deflections about the x-axis 5 and the y-axis 6 are superimposed and the base plate 12 is rotated about the z-axis 7 , the range of motion of the struts 13 relative to one another is limited, because on the one hand extreme positions of the struts 13 lead to unfavorable stress conditions within the struts 13 and on the other hand, the struts 13 interfere with each other in such extreme movements.

Aus den einzelnen Figuren ist ersichtlich, dass die Streben 13 paarweise angeordnet sind. Zusammen mit der Grundplatte 12 bilden zwei nebeneinander angeordnete Streben 13 ein gleichseitiges Dreieck, das sich aufgrund der Bewegungen der Schlitten 15 und somit der freien Enden 14 der Streben 13 aus einer Ebene verdrehen kann.It can be seen from the individual figures that the struts 13 are arranged in pairs. Together with the base plate 12 , two struts 13 arranged side by side form an equilateral triangle which can rotate from one plane due to the movements of the slides 15 and thus the free ends 14 of the struts 13 .

In Abhängigkeit von den gewünschten Bewegungen der Grundplatte 12 können die Schlitten 15 auch auf jeder beliebigen Bahn verlaufen, beispielsweise auf einer Kurvenbahn oder auf einer linearen Bahn. Es ist daher nicht notwendig, daß die linearen Bahnen parallel zueinander angeordnet sind. Jede beliebige Anordnung der linearen Bahnen zueinander ist denkbar. Beispielsweise können die linearen Bahnen als Mantellinien eines Kegelstumpfes angeordnet sein.Depending on the desired movements of the base plate 12 , the slides 15 can also run on any path, for example on a curved path or on a linear path. It is therefore not necessary for the linear tracks to be arranged parallel to one another. Any arrangement of the linear paths to one another is conceivable. For example, the linear paths can be arranged as surface lines of a truncated cone.

Des weiteren kann die Grundplatte 12 mehrere Ebenen aufweisen, an denen die Streben 13 in unterschiedlichen Positionen, bezogen auf die z-Achse 7, angelenkt sind, so dass auch mit dieser konstruktiven Maßnahme unterschiedliche Bewegungsabläufe der Grundplatte 12 zu bewerkstelligen sind. Furthermore, the base plate 12 can have a plurality of levels, on which the struts 13 are articulated in different positions with respect to the z-axis 7 , so that different structural movements of the base plate 12 can also be achieved with this design measure.

Das Werkzeug 8 kann auf unterschiedliche Arten mit der Grundplatte 12 verbunden sein. In den vorliegenden Figuren verläuft die Längsachse des Werkzeuges 8 parallel zu der Oberfläche der Grundplatte 12. Es ist jedoch auch vorstellbar, die Längsachse des Werkzeuges 8 geneigt verlaufend zu der Oberfläche der Grundplatte 12 anzuordnen; das Werkzeug 8 kann auch die Grundplatte 12 durchdringen. Allerdings hindert der Teil des Werkzeuges 8, der aus der Grundplatte 12 in Richtung der Streben 13 ragt, die Bewegungsfreiheit der Streben 13, so dass diese Anordnung des Werkzeuges 8 auf der Grundplatte 12 lediglich in Ausnahmefällen Verwendung findet.The tool 8 can be connected to the base plate 12 in different ways. In the present figures, the longitudinal axis of the tool 8 runs parallel to the surface of the base plate 12 . However, it is also conceivable to arrange the longitudinal axis of the tool 8 inclined to the surface of the base plate 12 ; the tool 8 can also penetrate the base plate 12 . However, the part prevents the tool 8, which protrudes from the base plate 12 in the direction of the struts 13, the freedom of movement of the struts 13, so that this arrangement of the tool 8 on the base plate 12 only in exceptional cases is used.

Aufgrund des großen Verfahrbereiches entlang einer linear oder Kurvenbahn der jeweiligen Streben 13 in Richtung der z-Achse 7 kann der Abstand der Gewindespindel 16 in Richtung der x-Achse 5 kompakt vorgesehen werden, da die Verschwenkungen der Grundplatte 12 im wesentlich mittels der Verstellung der freien Enden 14 der Streben 13 bewerkstelligt sind. Demnach wird die sowieso vorhandene Länge der Werkzeugmaschine 1 ausgenutzt und die nicht unbedingt notwendige Breite der Werkzeugmaschine 1 optimiert.Due to the large traversing range along a linear or curved path of the respective struts 13 in the direction of the z-axis 7 , the distance between the threaded spindle 16 in the direction of the x-axis 5 can be provided in a compact manner, since the pivoting of the base plate 12 is essentially by means of the adjustment of the free Ends 14 of the struts 13 are accomplished. Accordingly, the length of the machine tool 1 that is present anyway is used and the width of the machine tool 1 that is not absolutely necessary is optimized.

Claims

1. Device ( 11 ) for three-dimensionally driving a base plate ( 12 ) carrying a tool ( 8 ), a measuring sensor or a similar device, on which six struts ( 13 ) acting on it are articulated, characterized in that the free ends ( 14 ) the struts ( 13 ) are each articulated to an adjusting member ( 15 ), which can be adjusted separately from one another on a linear axis or on a cam track, and that the individual struts ( 13 ) have a predetermined constant length.

2. Device according to claim 1, characterized in that the respective adjusting member ( 15 ) is driven by means of a threaded spindle ( 16 ).

3. Device according to claim 2, characterized in that the threaded spindle ( 16 ) is of single or multiple threads and that the adjusting member ( 15 ) on the threaded spindle ( 16 ) is held under prestress.

4. The device according to claim 1, characterized in that the drive of the respective adjusting member ( 15 ) takes place by means of a linear motor.

5. The device according to claim 1, characterized in that the adjusting member ( 15 ) is driven via a rack.

6. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the individual struts ( 13 ) of the device ( 11 ) are of equal length.

7. The device according to one or more of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the individual struts ( 13 ) are of different lengths.

8. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the base plate ( 12 ) about the x-axis ( 5 ) of the coordinate system can be inclined in an angular range α of approximately +/- 45 °.

9. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the base plate can be inclined about the y-axis ( 6 ) of the coordinate system in an angular range β of approximately +/- 30 °.

10. Device according to claims 8 and 9, characterized in that the adjusting movements of the base plate ( 12 ) about the x and y axes ( 5 , 6 ) can be carried out simultaneously and / or independently of one another.

11. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the struts ( 13 ) on the base plate ( 12 ) are articulated in a common plane.

12. The device according to one or more of the preceding claims 1 to 10, characterized in that the struts ( 13 ) on the base plate ( 12 ) are articulated on at least two different levels.

13. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the individual articulations of the struts ( 13 ) on the adjusting member ( 15 ) and the base plate ( 12 ) each by means of a universal joint ( 17 ) or the like. And that between the A swivel joint ( 19 ) is provided for each articulation of the struts ( 13 ) and has a degree of freedom acting around the longitudinal axis of the strut ( 13 ).

14. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the tool ( 8 ) on the base plate ( 12 ) is parallel, inclined, preferably at an angle of 45 °, or perpendicular to this.

15. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the six struts ( 13 ) are combined in pairs, and that they each form a, preferably equilateral, triangle together with the base plate ( 12 ).

16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the articulations of two pairs of struts ( 13 ) in the basic position of the device ( 11 ) on the base plate ( 12 ) and / or on two adjuster elements ( 15 ) arranged next to each other with a small distance from each other he follows.

17. The device according to one or more of the preceding claims, characterized, that the linear axes are arranged parallel or inclined to each other.

18. The apparatus according to claim 17, characterized, that the linear axes in their longitudinal direction as surface lines of a truncated cone are arranged.