DE10011512B4

DE10011512B4 - Machine tool for high-precision spatial arrangement of a tool or workpiece

Info

Publication number: DE10011512B4
Application number: DE2000111512
Authority: DE
Inventors: Eckhart Prof. Uhlmann; Uwe Dipl.-Ing. Mette; Jens-Peter Dipl.-Ing. Haertwig; Martin Dipl.-Ing. Seibt; Erdmann Dipl.-Ing. Schaeper
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: DE10011512A1

Abstract

Werkzeugmaschine für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Werkstücken, mit paralleler Kinematik zur hochpräzisen räumlichen Anordnung eines Werkzeugs oder Werkstücks in n Freiheitsgraden, bei der ein Werkzeug- oder Werkstückträger (2) über zumindest n + 1 in der Länge veränderbare Verbindungselemente (3) mit einem Gestell (1) verbunden ist und n + 1 Antriebseinheiten (4, 4a, 4b) zur Änderung der Länge der Verbindungselemente (3) vorgesehen sind,
wobei zumindest zwei der Antriebseinheiten (4, 4a, 4b) als Seilantriebseinheiten und zumindest zwei der Verbindungselemente (3) mittels Seilen oder anderen biegeweichen Verbindungselementen ausgeführt sind, die mit den zugehörigen Seilantriebseinheiten (4, 4a, 4b) gegeneinander verspannt werden können, und
wobei der Werkzeug- oder Werkstückträger (2) einen Drehantrieb zur Rotation des Werkzeugs bzw. Werkstücks beinhaltet und die Antriebseinheiten am Gestell (1) befestigt sind.Machine tool for the high-speed machining of workpieces, with parallel kinematics for high-precision spatial arrangement of a tool or workpiece in n degrees of freedom, in which a tool or workpiece carrier (2) over at least n + 1 in length variable connecting elements (3) with a frame (1 ) and n + 1 drive units (4, 4a, 4b) are provided for changing the length of the connecting elements (3),
wherein at least two of the drive units (4, 4a, 4b) are designed as cable drive units and at least two of the connecting elements (3) by means of cables or other flexible connecting elements, which can be braced against each other with the associated cable drive units (4, 4a, 4b), and
wherein the tool or workpiece carrier (2) includes a rotary drive for rotating the tool or workpiece and the drive units are attached to the frame (1).

Description

Technisches Anwendungsgebiettechnical field of use

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur hochpräzisen räumlichen Anordnung eines Werkzeugs oder Werkstücks mittels einer Parallelkinematik. Die Werkzeugmaschine findet in erster Linie Anwendung in den Bereichen der Produktions- und Messtechnik, bei denen ein Werkzeug oder Messinstrument mit hoher Präzision und hoher Geschwindigkeit im Raum positioniert und/oder orientiert werden muss. Mit einem Werkzeug eignen sie sich insbesondere für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Werkstücken.The The present invention relates to a machine tool for high-precision spatial Arrangement of a tool or workpiece by means of a parallel kinematics. The machine tool is primarily used in the fields of production and metrology involving a tool or measuring instrument with high precision and high speed positioned and / or oriented in space must become. With a tool, they are particularly suitable for high-speed machining of workpieces.

Die konventionellen Maschinenkonzepte basieren auf einer Struktur von kartesisch und sequenziell angeordneten Bewegungsachsen. Derartige Systeme besitzen dadurch eine serielle Steifigkeitskonfiguration, die ein ungünstiges Verhältnis von Baugrösse zu Arbeitsraum aufweist.The conventional machine concepts are based on a structure of Cartesian and sequentially arranged axes of motion. Such systems thereby have a serial stiffness configuration, the one unfavorable relationship of size has to work space.

Maschinen mit paralleler Steifigkeitsanordnung lassen sich mit einem günstigeren Verhältnis von Baugrösse zu Arbeitsraum realisieren. Die parallele Steifigkeitsanordnung ist durch mehrere parallel wirkende Vorschubachsen gekennzeichnet und ist als Parallelkinematik bekannt.machinery with parallel stiffness arrangement can be with a cheaper ratio of Constructed to realize work space. The parallel stiffness arrangement is characterized by several parallel feed axes and is known as parallel kinematic.

Zur Bewegung von Werkzeugen werden neben den üblichen seriellen Konfigurationen beispielsweise Maschinen bzw. Maschinenkomponenten eingesetzt, die auf dem Prinzip der Stewart-Plattform basieren. Hierbei wird das Werkzeug an einer Plattform befestigt, die über sechs längenveränderliche Stäbe, die nur auf Zug und Druck beansprucht werden, im Raum ausgerichtet werden kann. Eine derartige Parallelkinematik ist dem Fachmann unter dem Begriff Hexapod bekannt, mit der das Werkzeug bzw. die Plattform in sechs Freiheitsgraden im Raum beliebig angeordnet werden kann.to Movement of tools are in addition to the usual serial configurations For example, machines or machine components used, the based on the principle of the Stewart platform. Here is the Tool attached to a platform that has six variable-length rods, the to be stressed only by tension and pressure, to be aligned in space can. Such a parallel kinematics is known to those skilled in the art Hexapod known with the tool or the platform in six Degrees of freedom in the room can be arranged arbitrarily.

Grundsätzlich sind zwei Ausführungsformen zur Realisierung von Hexapoden zu unterscheiden. Bei Hexapoden nach dem Teleskop-Prinzip erfolgt die Orientierung und Positionierung der Plattform über längenveränderliche Stäbe. Bei Hexapoden auf Basis des Slide-Prinzips wird die Bewegung der Plattform durch Veränderung der Fußpunktlage längenkonstanter Stäbe auf einem Träger realisiert. Beide Ausgestaltungsformen sind entweder bereits am Markt erhältlich oder befinden sich noch in der Entwicklungsphase. Darüber hinaus sind auch Kombinationen beider Prinzipien möglich.Basically two embodiments for To distinguish realization of hexapods. For hexapods The telescope principle is the orientation and positioning the platform over variable-length Bars. In hexapods based on the Slide principle, the movement of the platform through change the base point position length constant Bars on a carrier realized. Both embodiments are either already on the market available or are still in the development phase. Furthermore Also combinations of both principles are possible.

Aus einem vollkommen anderen Anwendungsgebiet, der Bewegung und dem Transport von schweren Lasten, ist ein Prinzip auf Basis der invertierten Stewart-Plattform bekannt. Dieses Prinzip wird bei Lastkränen zum Handhaben und Ausbalancieren zu verladender Massen, beispielsweise von Containern beim Löschen eines Schiffes, eingesetzt. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung ist aus der US 4,883,184 bekannt, bei der die Plattform über drei Seilpaare an einem Kranausleger hängt, mit Hilfe derer sie ausbalanciert werden kann.From a completely different field of application, the movement and the transport of heavy loads, a principle based on the inverted Stewart platform is known. This principle is used in load cranes for handling and balancing masses to be loaded, for example containers when unloading a ship. An example of such an arrangement is known from US 4,883,184 The platform is suspended by three pairs of ropes on a crane jib, with the help of which it can be balanced.

Hierdurch kann ein Herrunterrutschen der zu transportierenden Last von der Plattform verhindert werden.hereby can be a slipping slip of the load to be transported by the Platform can be prevented.

Die WO 95/23053 A1 offenbart einen Roboter bestehend aus einer Plattform, die über an einem Gestell befestigte Seile in mehreren Freiheitsgraden positionierbar ist. Die Seile werden durch an der Plattform befestigte Antriebe in ihrer Länge verändert, um die Plattform in der gewünschten Art und Weise zu bewegen bzw. zu positionieren. Die gesamte Druckschrift befasst sich mit der Handhabungstechnik, bei der mit dem Roboter Bauteile oder Plattformen gehandhabt werden sollen.The WO 95/23053 A1 discloses a robot consisting of a platform, the above Ropes fastened to a frame can be positioned in several degrees of freedom is. The ropes are driven by drives attached to the platform in their length changed around the platform in the desired Way to move or position. The entire publication deals with the handling technique, when using the robot Components or platforms to be handled.

Auf dem vorliegenden technischen Gebiet der Produktions- und Messtechnik, auf dem es auf eine präzise räumliche Anordnung, d.h. Positionierung und/oder Orientierung, der eingesetzten Werkzeuge bzw. Messinstrumente ankommt, sind bisher neben den konventionellen Systemen mit serieller Kinematik lediglich die vorangehend genannten Systeme auf Basis eins Hexapoden bekannt. Diese Hexapoden mit ortsveränderlichen Fußpunkten oder längenveränderlichen Stäben müssen jedoch in der Regel relativ massiv ausgeführt werden, um die erforderlichen hohen Beschleunigungen, Geschwindigkeiten und Genauigkeiten bei der Positionierung und/oder Orientierung der Werkzeuge zu ermöglichen. Dies erfordert jedoch beträchtlichen Bauraum und führt zu einem erhöhten Gewicht der Vorrichtung. Weiterhin sind die Gelenkverbindungen der Stäbe relativ kompliziert, so dass die Gesamtkosten eines derartigen Systems ansteigen.On the present technical field of production and measuring technology, on it to a precise spatial Arrangement, i. Positioning and / or orientation, the used Tools or measuring instruments arrives, are so far in addition to the conventional Systems with serial kinematics only the aforementioned Systems based on a hexapod known. These hexapods with mobile base points or variable in length rods have to However, they are usually made relatively solid to the required high accelerations, speeds and accuracies to allow the positioning and / or orientation of the tools. However, this requires considerable Space and leads to an increased Weight of the device. Furthermore, the joints of the Rods relative complicated, so that the overall cost of such a system increase.

Die US 4,932,210 beschreibt einen Metallaktuator zur Bewegung eines Objekts, beispielsweise eines Laserkopfes, in n Freiheitsgraden. Ein Objektträger ist hierbei über zumindest n + 1 in der Länge veränderbare Verbindungselemente mit einem Gestell verbunden, wobei n + 1 Antriebseinheiten zur Änderung der Länge der Verbindungselemente vorgesehen sind. Die in der Länge veränderbaren Verbindungselemente sind metallische Drähte bzw. Stäbe, die über den Memory-Effekt angetrieben werden. Die hierdurch erzielbaren Positionsveränderungen sind allerdings derart langsam und gering, dass sie zur Bewegung eines Werkzeugs bzw. Werkstücks mit hoher Beschleunigung oder Geschwindigkeit ungeeignet sind.The US 4,932,210 describes a metal actuator for moving an object, for example a laser head, in n degrees of freedom. A slide is in this case connected via at least n + 1 in length variable connecting elements with a frame, wherein n + 1 drive units are provided to change the length of the connecting elements. The variable in length fasteners are metallic wires or rods that are driven by the memory effect. However, the position changes that can be achieved thereby are so slow and small that they are unsuitable for moving a tool or workpiece with high acceleration or speed.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine zur räumlichen Anordnung eines Werkzeugs oder Werkstücks mittels einer parallelen Kinematik anzugeben, die eine Bewegung des Werkzeugs bzw. Werkstücks mit hoher Beschleunigung, Geschwindigkeit und Genauigkeit bei gleichzeitig kompakter Bauweise des Gesamtsystems ermöglicht.outgoing From this prior art, the invention is based on the object a machine tool for spatial Arrangement of a tool or workpiece by means of a parallel kinematics specify that a movement of the tool or workpiece with high acceleration, speed and accuracy while being more compact Construction of the entire system allows.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Die Aufgabe wird mit der Werkzeugmaschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Werkzeugmaschine sind Gegenstand der Unteransprüche.The Task is solved with the machine tool according to claim 1. advantageous Embodiments of the machine tool are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine mit paralleler Kinematik zur hochpräzisen räumlichen Anordnung eines Werkzeugs oder Werkstücks in n Freiheitsgraden umfasst zumindest n + 1 in der Länge veränderbare Verbindungselemente, über die ein Werkzeug- oder Werkstückträger mit einem Gestell verbunden ist, sowie zugehörige n + 1 Antriebseinheiten zur Änderung der Länge der Verbindungselemente. Zumindest zwei der Antriebseinheiten sind als Seilantriebseinheiten und zumindest zwei der Verbindungselemente mittels Seilen oder anderen biegeweichen Elementen ausgeführt und mit den zugehörigen Seilantriebseinheiten gegeneinander verspannbar. Der Werkzeug- oder Werkstückträger beinhaltet einen Drehantrieb zur Rotation des Werkzeugs bzw. Werkstücks. Die Antriebseinheiten sind am Gestell befestigt.The inventive machine tool with parallel kinematics for high-precision spatial arrangement a tool or workpiece in n degrees of freedom, at least n + 1 comprises variable in length Connecting elements, over which a tool or workpiece carrier with a frame is connected, and associated n + 1 drive units to change the length the connecting elements. At least two of the drive units are as Cable drive units and at least two of the connecting elements executed by means of ropes or other flexible elements and with the associated Cable drive units braced against each other. The tool or Includes workpiece carrier a rotary drive for rotation of the tool or workpiece. The Drive units are attached to the frame.

Der Begriff Werkzeugmaschine wird in der vorliegenden Anmeldung im Sinne einer produktions-, fertigungs- oder messtechnischen Vorrichtung verwendet, die ein Werkzeug oder Werkstück im Raum positioniert und/oder orientiert. Der Begriff Werkzeug ist allgemein zu verstehen, so dass er auch Messwerkzeuge, wie beispielsweise optische Instrumente oder Komponenten, umfasst.Of the Term machine tool is used in the present application as meaning a production, manufacturing or metrological device used, which is a tool or workpiece positioned and / or oriented in the room. The term tool is general, so he also measuring tools, such as optical instruments or components.

Bei den in der Länge veränderbaren Verbindungselementen handelt es sich neben den Seilen oder anderen biegeweichen Elementen, wie z.B. Ketten, Bändern, Kabeln, Fäden oder Riemen, um Verbindungsachsen, wie sie beispielsweise auf dem Gebiet der Industrieroboter in der VDI 2861 definiert sind.at in length changeable Fasteners are next to the ropes or other flexible elements, such as e.g. Chains, ribbons, cables, threads or Belts to connecting axes, such as those in the field the industrial robot in the VDI 2861 are defined.

Im Vergleich zu den bisher eingesetzten Hexapoden, bei denen eine Positionierung und Orientierung des Werkzeugs in sechs Freiheitsgraden über sechs längenveränderliche Verbindungselemente in Form von Teleskopstäben realisiert wurde, ist bei der vorliegenden Vorrichtung zumindest ein zusätzliches längenveränderliches Verbindungselement vorgesehen, wobei zumindest zwei der Verbindungselemente durch Seile, seilartige oder andere biegeweiche Elemente gebildet werden. Diese zumindest zwei biegeweichen Verbindungselemente sind derart angeordnet, dass sie über ihre zugehörigen Antriebseinheiten gegeneinander verspannt werden können.in the Compared to the previously used hexapods, where a positioning and orientation of the tool in six degrees of freedom over six variable-length Fasteners in the form of telescopic rods was realized is at the present device, at least one additional variable-length connecting element provided, wherein at least two of the connecting elements by ropes, rope-like or other flexible elements are formed. These at least two flexible connecting elements are arranged such that they over their associated Drive units can be braced against each other.

Durch den Ersatz einzelner starrer Verbindungselemente des Standes der Technik durch die vorliegenden biegeweichen Elemente lässt sich eine deutliche Einsparung an Gewicht erzielen. Hierbei können selbstverständlich sämtliche der längenveränderbaren Verbindungselemente mittels Seilen oder biegeweicher Verbindungelemente ausgeführt sein. Dies führt zu einer maximalen Reduzierung des Bauteilgewichts. Durch den Ersatz einzelner starrer Verbindungselemente durch die biegeweichen Verbindungselemente sind einfachere Konstruktionen möglich, da insbesondere keine hochwertigen Gelenkverbindungen mehr erforderlich sind. Die Seile bzw. biegeweichen Elemente können zur Veränderung der Verbindungslänge zwischen dem Werkzeug- bzw. Werkstückträger und dem Gestell vielmehr direkt oder über einfache Umlenkelemente, wie beispielsweise Ösen, mit den zugehörigen Seilantriebseinheiten verbunden sein.By the replacement of individual rigid fasteners of the prior Technology by the present flexible elements can be achieve a significant weight saving. Of course, all the variable length Connecting elements by means of cables or flexible connecting elements be executed. this leads to to a maximum reduction of the component weight. By the replacement single rigid connecting elements through the flexible connecting elements simpler constructions are possible, in particular, no more high-quality joints required are. The ropes or flexible elements can be used to change the connection length between the tool or workpiece carrier and the frame rather directly or via simple deflection elements, such as eyelets, with the associated cable drive units be connected.

Ein weiterer Vorteil des Einsatzes der vorliegenden biegeweichen Verbindungselemente besteht in den deutlich längeren Stellwegen, die mit diesen Verbindungselementen erreicht werden können, ohne den erforderlichen Bauraum zu erhöhen. Die geringe Masse derartiger Verbindungselemente lässt hohe Beschleunigungen des zu bewegenden Werkzeugs bzw. Werkstücks zu. Es hat sich gezeigt, dass trotz der Eigenschaften biegeweicher Elemente durch die gegenseitige Verspannung eine sehr hohe Genauigkeit der Positionierung und Orientierung des Werkzeugs bzw. Werkstücks erreicht werden kann, die den mit den bekannten Hexapoden erreichbaren Werten nicht nachsteht.One Another advantage of the use of the present flexible connecting elements exists in the much longer Travel ranges that are achieved with these fasteners can, without to increase the required space. The low mass of such Connecting elements leaves high Accelerations of the moving tool or workpiece to. It has been shown that despite the properties of flexible elements through the mutual bracing a very high accuracy of positioning and orientation of the tool or workpiece can be achieved, the the achievable with the known hexapods values is not inferior.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Werkzeugmaschine ist der Werkzeug- oder Werkstückträger im Zentrum der durch das Gestell aufgespannten Ebene – im Falle eines im Wesentlichen zweidimensionalen rahmenartigen Gestells – oder des durch das Gestell aufgespannten Raums – im Falle eines im Wesentlichen dreidimensional aufgespannten Gestells – angeordnet. Dies wird durch annähernd gleiche Verbindungslängen der Verbindungselemente zwischen dem Werkstück- oder Werkzeugträger und den Befestigungs- oder Aufhängepunkten am Gestell erreicht. Die genaue Anordnung dieser Verbindungselemente sowie der Angriffspunkte am Werkstück- bzw. Werkzeugträger ergibt sich aus der beabsichtigten Zahl der Freiheitsgrade, in der das Werkzeug bzw. Werkstück positioniert und/oder orientiert werden soll. Dem Fachmann bereitet die jeweils geeignete Anordnung keinerlei Probleme.In a preferred embodiment of the present machine tool, the tool or workpiece carrier is arranged in the center of the plane spanned by the frame - in the case of a substantially two-dimensional frame-like frame - or of the space spanned by the frame - in the case of a substantially three-dimensionally mounted frame. This is achieved by approximately equal connection lengths of the connecting elements between the workpiece or tool carrier and the attachment or suspension points on the frame. The exact arrangement of these fasteners and the points of attack on the workpiece or tool carrier results from the intended number of degrees of freedom in which the tool or workpiece is to be positioned and / or oriented. The expert prepares the appropriate arrangement no problems.

Selbstverständlich ist jedoch auch eine andere Anordnung des Werkstück- bzw. Werkzeugträgers relativ zum Gestell möglich, falls dies für den gewünschten Einsatz des Werkzeugs erforderlich sein sollte. Die Form des Gestells wird hierbei anhand der jeweiligen Steifigkeitsanforderungen und der Kraftverteilung nach bekannten Konstruktionsprinzipien gewählt.Of course it is but also a different arrangement of the workpiece or tool carrier relative to the frame possible, if so for the wished Use of the tool should be required. The shape of the frame This is based on the respective stiffness requirements and the force distribution chosen according to known design principles.

Durch die Befestigung der Antriebseinheiten für die einzelnen Verbindungselemente am Gestell wird die zu bewegende Masse minimiert. Die biegeweichen Verbindungselemente können entweder über Umlenkelemente am Gestell oder auf direktem Wege mit den zugehörigen Seilantriebseinheiten verbunden sein.By the attachment of the drive units for the individual fasteners on the frame, the mass to be moved is minimized. The bendable Connecting elements can either over Deflection elements on the frame or directly with the associated cable drive units be connected.

In einer weiteren Ausführungsform sind einige (oder alle) Antriebseinheiten oder Umlenkelemente am Gestell jeweils entlang einer Achse oder in einer Führung verschiebbar angeordnet. Die Kombination von Seilantrieben mit diesen ortsveränderlichen Fußpunkten am Gestell lässt höhere Beschleunigungen des Werkstücks bzw. Werkzeugs zu als sie mit einer festen Anordnung der entsprechenden Fußpunkte erreicht werden können.In a further embodiment are some (or all) drive units or deflectors on Frame respectively displaceable along an axis or in a guide arranged. The combination of rope drives with these mobile feet leaves on the frame higher Accelerations of the workpiece or tool to as they with a fixed arrangement of the corresponding base points can be achieved.

Eine besonders große Gewichtsersparnis sowie ein besonders einfacher Aufbau lässt sich mit einer Anordnung erzielen, bei der zur räumlichen Anordnung des Werkzeugs bzw. Werkstücks in sechs Freiheitsgraden mindestens sieben Seile oder andere biegeweiche Verbindungselemente zur Bildung von mindestens sieben unabhängig voneinander in der Länge veränderbaren Verbindungselementen vorgesehen sind. Hierbei sind keine starren längenveränderlichen Verbindungselemente mehr erforderlich, da die Bewegung des Werkzeugs bzw. Werkstücks in allen sechs Freiheitsgraden mit den gegeneinander verspannten sieben Seilen bzw. biegeweichen Verbindungselementen erreicht werden kann.A especially big Weight savings and a particularly simple structure can be achieve with an arrangement in which the spatial arrangement of the tool or workpiece in six degrees of freedom, at least seven cables or other flexible connecting elements to form at least seven independently variable in length Connecting elements are provided. These are not rigid variable length Connecting elements more necessary because of the movement of the tool or workpiece in all six degrees of freedom with the mutually tense seven cables or flexible connecting elements can be achieved can.

Vorzugsweise umfasst die Werkzeugmaschine weiterhin eine Messeinrichtung zur Erfassung der jeweils aktuellen räumlichen Anordnung des Werkzeugs bzw. Werkstücks oder des Werkzeug- bzw. Werkstückträgers sowie eine Regelung zur Ansteuerung der einzelnen Antriebseinheiten in Abhängigkeit von der jeweils erfassten räumlichen Anordnung. Die Regelung erhält die aktuellen Werte der Position und/oder Orientierung von der Messeinrichtung und steuert die Antriebseinheiten zur möglichst genauen Einhaltung der jeweiligen Sollorientierung bzw. Sollposition entsprechend an.Preferably the machine tool further comprises a measuring device for Recording the current spatial arrangement of the tool or workpiece or the tool or workpiece carrier as well a control for controlling the individual drive units in Dependence on each of the recorded spatial Arrangement. The regulation receives the current values of the position and / or orientation of the measuring device and controls the drive units for the most accurate compliance possible the respective target orientation or target position accordingly.

Unter der hochpräzisen räumlichen Anordnung, d.h. der räumlichen Orientierung und/oder Positionierung, ist eine Positioniergenauigkeit von ≤ 10 μm, vorzugsweise im Bereich von 1 μm, zu verstehen, mit der eine Fertigungsgenauigkeit im Bereich von 1/100 mm erreicht werden kann. Besonders hohe Genauigkeiten lassen sich mit Seilen oder biegeweichen Verbindungselementen aus Kunststoff mit einem hohen Elastizitätsmodul von über 110000 N/mm² erreichen. Die Seile bzw. biegeweichen Verbindungselemente sollten hierbei einen geringen Biegeradius aufweisen, der vorzugsweise unter dem fünffachen Seildurchmesser bzw. Durchmesser der Verbindungselemente liegt.Under the high-precision spatial arrangement, ie the spatial orientation and / or positioning, a positioning accuracy of ≤ 10 microns, preferably in the range of 1 micron, to understand, with a manufacturing accuracy in the range of 1/100 mm can be achieved. Particularly high accuracies can be achieved with ropes or flexible plastic connecting elements with a high modulus of elasticity of more than 110000 N / mm ² . The ropes or flexible connecting elements should in this case have a small bending radius, which is preferably less than five times the rope diameter or diameter of the connecting elements.

Mit der vorliegenden Anordnung lassen sich Werkzeugmaschinen realisieren, die beispielsweise der spanenden Bearbeitung von Freiformflächen dienen können. In diesem Fall kann als Werkzeug beispielsweise ein Fräswerkzeug eingesetzt werden. Der Drehantrieb für das Fräswerkzeug ist hierbei direkt an dem Werkzeugträger befestigt. Weiterhin können Maschinen realisiert werden, die zum Führen von Messeinrichtungen dienen. Als Werkzeuge werden hierbei die Messinstrumente am Werkzeugträger angebracht.With the present arrangement can realize machine tools, for example, the machining of freeform surfaces can. In this case, as a tool, for example, a milling tool be used. The rotary drive for the milling tool is direct here on the tool carrier attached. Furthermore you can Machines are realized which are used to guide measuring equipment serve. As tools in this case the measuring instruments are mounted on the tool carrier.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The The invention will be described below with reference to exemplary embodiments with the drawings without limitation of the general concept of the invention briefly explained again. Hereby show:

1 schematisch ein erstes Beispiel für eine Realisierung der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine; 1 schematically a first example of a realization of the machine tool according to the invention;

2 ein zweites Beispiel für eine Realisierung der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine; und 2 a second example of a realization of the machine tool according to the invention; and

3 skizzenhaft zwei weitere Möglichkeiten einer Realisierung der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine. 3 sketchy two other ways of realizing the machine tool according to the invention.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention

1 zeigt schematisch ein Beispiel für den Aufbau einer Werkzeugmaschine mit paralleler Kinematik gemäß der vorliegenden Erfindung. In der Figur ist der Werkzeug- bzw. Werkstückträger 2 in Form eines zylindrischen Elementes dargestellt. Am bzw. in diesem zylindrischen Element wird das Werkzeug bzw. Werkstück befestigt. Selbstverständlich sind hierbei entsprechende Befestigungsmittel vorgesehen. Der Werkzeug- bzw. Werkstückträger 2 ist über in der Länge veränderbare Verbindungselemente 3 mit dem starren Gestell 1 verbunden. Die Verbindungselemente 3 setzen sich in diesem Beispiel aus sieben Seilen zusammen, die während des Betriebs der Maschine über die zugehörigen Antriebseinheiten 4 gegeneinander verspannt werden. Die Seile 3 sind mit einem Ende an entsprechenden Aufhängepunkten 5 am Werkzeug- bzw. Werkstückträger 2 befestigt. Das andere Ende der Seile führt direkt zu den Antriebseinheiten 4, die wiederum am Gestell 1 befestigt sind. 1 schematically shows an example of the structure of a parallel kinematics machine tool according to the present invention. In the figure, the tool or workpiece carrier 2 represented in the form of a cylindrical element. On or in this cylindrical element, the tool or workpiece is attached. Of course, in this case corresponding fastening means are provided. The tool or workpiece carrier 2 is about length-adjustable fasteners 3 with the rigid frame 1 connected. The connecting elements 3 In this example, they are composed of seven ropes that are in operation the machine via the associated drive units 4 be braced against each other. The ropes 3 are at one end at corresponding suspension points 5 on the tool or workpiece carrier 2 attached. The other end of the ropes leads directly to the drive units 4 , in turn, on the frame 1 are attached.

Während im linken Teil der Figur, die die Anordnung in dreidimensionaler Ansicht zeigt, die Antriebseinheiten 4 fest mit dem Gestell 1 verbunden sind, sind diese in der Darstellung der rechten Seite ortsveränderlich am Gestell 1 ausgebildet, so dass sie entlang der Pfeilrichtung bewegt bzw. verschoben werden können.While in the left part of the figure, which shows the arrangement in three-dimensional view, the drive units 4 stuck with the frame 1 are connected, these are in the representation of the right side of the frame on the frame 1 formed so that they can be moved along the direction of the arrow or moved.

Die Anordnung der Aufhängepunkte 5 am Werkstück- bzw. Werkzeugträger 2 muss selbstverständlich geeignet gewählt werden, um die gewünschte parallele Kinematik – hier die Bewegung bzw. Orientierung in sechs Freiheitsgraden – zu ermöglichen. Für den Fachmann stellt die jeweils geeignete Wahl dieser Aufhängepunkte kein Problem dar.The arrangement of the suspension points 5 on the workpiece or tool carrier 2 must, of course, be suitably selected to allow the desired parallel kinematics - here the movement or orientation in six degrees of freedom. For those skilled in the appropriate choice of these suspension points is no problem.

Selbstverständlich handelt es sich bei dem hier gezeigten ringförmigen Gestell 1 und dem zylindrischen Werkstück- bzw. Werkzeugträger 2 lediglich um Beispiele. Die Form dieser Elemente kann beliebig gewählt werden, solange deren Funktion zur Erzeugung einer parallelen Kinematik bzw. der Halterung des Werkstücks bzw. Werkzeugs gewährleistet ist.Of course, it is the case shown here annular frame 1 and the cylindrical workpiece or tool carrier 2 just for examples. The shape of these elements can be chosen arbitrarily, as long as their function for generating a parallel kinematics or the holder of the workpiece or tool is guaranteed.

Die Position und Orientierung des Werkstück- bzw. Werkzeugträgers 2 sowie des darin zu befestigenden Werkzeugs bzw. Werkstücks wird durch voneinander unabhängige Ansteuerung der Antriebe 4 erreicht, mit denen die Seillänge zwischen den Aufhängepunkten 5 und dem Gestell 1 verkürzt bzw. verlängert werden kann. Zu jedem Zeitpunkt der Bewegung wird eine Verspannung der einzelnen Seile 3 gegeneinander gewährleistet, die für eine genaue Positionierung und Orientierung des Werkzeugs bzw. Werkstücks erforderlich ist. Die gesamte Bewegung bzw. entsprechende Ansteuerung der Antriebe 4 wird durch eine nicht dargestellte Regelung erreicht, die die Antriebseinheiten 4 aufeinander abgestimmt ansteuert. Hierbei kann zusätzlich eine Messeinrichtung zur Bestimmung der jeweiligen Position und Orientierung des zu bewegenden Werkstück- bzw. Werkzeugträgers oder des darin gehalterten Werkstücks bzw. Werkzeugs vorgesehen sein. Die Messeinrichtung liefert dann die Werte an die Regelung. Die Regelung gewährleistet auch die ständige Verspannung der einzelnen Seile 3 gegeneinander.The position and orientation of the workpiece or tool carrier 2 as well as the tool or workpiece to be fastened therein by independent control of the drives 4 achieved with which the rope length between the suspension points 5 and the frame 1 can be shortened or extended. At any moment of the movement is a tension of the individual ropes 3 guaranteed against each other, which is required for accurate positioning and orientation of the tool or workpiece. The entire movement or corresponding control of the drives 4 is achieved by a control, not shown, the drive units 4 is coordinated with each other. In this case, a measuring device can additionally be provided for determining the respective position and orientation of the workpiece or tool carrier to be moved or of the workpiece or tool held therein. The measuring device then delivers the values to the control. The regulation also ensures the constant tension of the individual ropes 3 up to today.

2 zeigt ein weiteres Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Werkzeugmaschine. Bei dieser Ausführungsform gelten grundsätzlich die gleichen Ausführungen, wie sie bereits im Zusammenhang mit 1 dargelegt wurden. Die Figur zeigt das Maschinenbett 6 einer Werkzeugmaschine mit dem darauf befindlichen Spanntisch 7 für das Werkstück. Am Maschinenbett 6 ist das Gestell 1 befestigt, das als Leichtbau-Strukturrahmen ausgeführt ist. Das Gestell 1 wird zusätzlich über ein Abspannseil 8 stabilisiert. Im Zentrum des Gestells 1 ist der Werkzeugträger 2 dargestellt, an dem eine Spindel 9 als Drehantrieb für das aufzunehmende Werkzeug befestigt ist. Der Werkzeugträger 2 ist auch in diesem Beispiel über sieben Antriebsseile 3 am Gestell 1 aufgehängt. Die Antriebsseile 3 führen direkt zu entsprechenden Antrieben 4a, 4b, die am Gestell 1 befestigt sind. Bezugszeichen 4a bezeichnet hierbei einen Einzelantrieb, während Bezugszeichen 4b einen Doppelantrieb darstellt. 2 shows another example of an embodiment of the present machine tool. In this embodiment, in principle, the same statements apply, as already related to 1 were set out. The figure shows the machine bed 6 a machine tool with the clamping table thereon 7 for the workpiece. At the machine bed 6 is the frame 1 fixed, which is designed as a lightweight structural frame. The frame 1 is additionally via a guy rope 8th stabilized. In the center of the frame 1 is the tool carrier 2 represented, on which a spindle 9 is attached as a rotary drive for the male tool. The tool carrier 2 is also in this example about seven drive cables 3 on the frame 1 suspended. The drive cables 3 lead directly to corresponding drives 4a . 4b on the rack 1 are attached. reference numeral 4a denotes a single drive, while reference numerals 4b represents a double drive.

Eine derartige Anordnung eignet sich insbesondere für ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung einer Werkstückoberfläche, beispielsweise zur Handhabung eines Fräswerkzeuges. Mit dieser Vorrichtung wird eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung des Werkstücks ermöglicht. Durch die stets verspannte Antriebskonstruktion lässt sich das Gestell 1 mit dem Werkzeugträger 2 sowohl vertikal, wie in der Figur dargestellt, als auch horizontal anordnen. Der Arbeitsraum der Vorrichtung beträgt etwa 1 m³.Such an arrangement is particularly suitable for a tool for machining a workpiece surface, for example for handling a milling tool. With this device, a high-speed machining of the workpiece is made possible. Due to the always tight drive construction, the frame can be 1 with the tool carrier 2 both vertically, as shown in the figure, as well as arrange horizontally. The working space of the device is about 1 m ³ .

3 zeigt schließlich zwei weitere Möglichkeiten der Verbindung eines Werkzeug- bzw. Werkstückträgers 2 mit dem Gestell 1, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisiert werden können. Während bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen sämtliche Verbindungselemente durch Seile bzw. biege weiche Verbindungselemente ausgeführt waren, lassen sich auch Anordnungen realisieren, bei denen ein oder mehrere der längenveränderbaren Verbindungselemente durch übliche Teleskopstangen ausgebildet sind. 3 finally shows two more ways of connecting a tool or workpiece carrier 2 with the frame 1 , as they can be realized in the context of the present invention. While in the preceding embodiments, all the connecting elements were executed by cables or bending soft connecting elements, arrangements can be realized in which one or more of the variable length connecting elements are formed by conventional telescopic rods.

So zeigt der obere Teil der Abbildung der 3 in stark vereinfachter Darstellung eine Anordnung, bei der drei Verbindungselemente als Seile 3 und ein weiteres Verbindungselement als Teleskopstange 10 ausgebildet sind. Die Teleskopstange 10 ist über ein Kugelgelenk 11 am Gestell 1, in diesem Fall als plattenförmiger Träger dargestellt, befestigt. Über eine Veränderung der Verbindungslänge der Seile 3 sowie der Länge des Teleskopzylinders 10 lässt sich eine Orientierung einer an der Spitze des Teleskopzylinders 10 angeordneten Werkstück- bzw. Werkzeughalterung erreichen. Die Antriebe für die seilförmigen Elemente 3 und den Teleskopzylinder 10 sind in dieser Figur der Einfachheit halber nicht dargestellt. Dem Fachmann bereitet es jedoch keine Probleme, eine derartige Anordnung in die Praxis umzusetzen.So the upper part of the picture shows the 3 in a highly simplified representation of an arrangement in which three fasteners as ropes 3 and another connecting element as a telescopic rod 10 are formed. The telescopic pole 10 is about a ball joint 11 on the frame 1 , shown in this case as a plate-shaped carrier attached. About a change in the connection length of the ropes 3 as well as the length of the telescopic cylinder 10 can be an orientation of a at the top of the telescopic cylinder 10 reach arranged workpiece or tool holder. The drives for the rope-shaped elements 3 and the telescopic cylinder 10 are not shown in this figure for the sake of simplicity. However, it is not a problem for a person skilled in the art to put such an arrangement into practice.

Im unteren Teil der Figur ist schließlich eine Anordnung skizziert, bei der ein als Plattform ausgestalteter Werkzeug- bzw. Werkstückträger 2 über drei Seile 3 orientiert werden kann. Im Zentrum der Plattform 2 wird diese durch eine feste Stange 12 mit einem Kugelgelenk 11 unterstützt. Die Seile 3 sind über Umlenkelemente 13 mit dem nicht dargestellten Gestell und den zugehörigen Antrieben verbunden.In the lower part of the figure, finally, an arrangement is sketched in which a designed as a platform tool or workpiece carrier 2 over three ropes 3 can be oriented. In the center of the platform 2 this is done by a solid rod 12 with a ball joint 11 supported. The ropes 3 are over deflecting elements 13 connected to the frame, not shown, and the associated drives.

Es versteht sich von selbst, dass die vorangehend erläuterten Ausführungsbeispiele nur ein kleines Spektrum aus den Kombinationsmöglichkeiten darstellen, die sich für die Ausbildung und Anordnung der längenveränderbaren Verbindungselemente sowie für deren Anzahl ergeben. So sind die vorliegende Vorrichtung sowie das Verfahren nicht auf die Bewegung des Werkstücks bzw. Werkzeugs in sechs Freiheitsgraden beschränkt. Vielmehr kann auch eine Bewegung bzw. Orientierung in weniger als sechs Freiheitsgraden realisiert werden, wobei dann weniger Verbindungselemente erforderlich sind. Auch eine Überbestimmung, das heißt eine deutlich größere Zahl an Verbindungselementen als dies zur Bewegung der Werkzeuge bzw. Werkstücke in der gewünschten Anzahl an Freiheitsgraden erforderlich wäre, ist möglich, falls dies zur Erhöhung der Stabilität der Anordnung erforderlich sein sollte. Ebenso lassen sich Anordnungen realisieren, bei denen lediglich zwei Seile bzw. seilartige oder biegeweiche Verbindungselemente neben weiteren starren Bewegungsachsen eingesetzt werden, wie auch Anordnungen, bei denen ausschließlich biegeweiche Verbindungselemente zum Einsatz kommen. Zwischen diesen beiden Grenzfällen sind alle weiteren Kombinationen realisierbar.It It goes without saying that the previously explained embodiments represent only a small spectrum of the possible combinations that for the design and arrangement of the variable length connecting elements also for their number result. So are the present device as well the process does not affect the movement of the workpiece or tool in six degrees of freedom limited. Rather, a movement or orientation in less than six Degrees of freedom be realized, in which case fewer fasteners required are. Also an over-determination, this means a significantly larger number at connecting elements than this to move the tools or workpieces in the desired Number of degrees of freedom would be necessary, if this is to increase the stability the arrangement should be required. Likewise, arrangements can be realize, where only two ropes or rope-like or flexible connecting elements in addition to other rigid axes of motion be used, as well as arrangements in which exclusively flexible Connecting elements are used. Between these two borderline cases are all other combinations can be realized.

11: Gestellframe
22: Werkzeug- oder WerkstückträgerTool- or workpiece carrier
33: längenveränderbare Verbindungselementeadjustable length fasteners
44: Antriebseinheitendrive units
4a4a: Einzelantriebindividual drive
4b4b: Doppelantriebdouble drive
55: Aufhängepunktsuspension
66: Maschinenbettmachine bed
77: Spanntischclamping table
88th: Abspannseilguy rope
99: Spindelspindle
1010: Teleskopstangetelescopic rod
1111: Kugelgelenkball joint
1212: Stangepole
1313: Umlenkelementedeflecting

Claims

Machine tool for the high-speed machining of workpieces, with parallel kinematics for the high-precision spatial arrangement of a tool or workpiece in n degrees of freedom, in which a tool or workpiece carrier ( 2 ) over at least n + 1 in length variable connecting elements ( 3 ) with a frame ( 1 ) and n + 1 drive units ( 4 . 4a . 4b ) for changing the length of the connecting elements ( 3 ) are provided, wherein at least two of the drive units ( 4 . 4a . 4b ) as cable drive units and at least two of the connecting elements ( 3 ) are carried out by means of cables or other flexible connecting elements, which are connected to the associated cable drive units ( 4 . 4a . 4b ) can be braced against each other, and wherein the tool or workpiece carrier ( 2 ) includes a rotary drive for rotating the tool or workpiece and the drive units on the frame ( 1 ) are attached.

Machine tool according to claim 1, characterized in that the tool or workpiece carrier ( 2 ) at least approximately in the center of the frame (s) ( 1 ) spanned plane or space is arranged.

Machine tool according to claim 1 or 2, characterized gekennzeicnet that at least one of the cables or other flexible connecting elements ( 3 ) via a deflecting element on the frame ( 1 ) with the associated cable drive unit ( 4 . 4a . 4b ) connected is.

Machine tool according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one of the cables or other flexible connecting elements ( 3 ) directly with the associated cable drive unit ( 4 . 4a . 4b ) connected is.

Machine tool according to one of claims 3 or 4, characterized in that at least one of the drive units ( 4 . 4a . 4b ) or one of the deflecting elements along an axis or guide displaceable on the frame ( 1 ) is arranged.

Machine tool according to one of claims 1 to 5, characterized in that for the spatial arrangement of the tool or workpiece in 6 degrees of freedom at least 7 cables or other flexible connecting elements to form at least 7 independently variable in length connecting elements ( 3 ) are provided.

Machine tool according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one of the connecting elements ( 3 ) as a telescopic rod ( 10 ) is trained.

Machine tool according to one of claims 1 to 7, characterized in that a measuring device for detecting the spatial Anord tion of the tool or workpiece or the tool or workpiece carrier ( 2 ) and a control for controlling the drive units ( 4 . 4a . 4b ) is provided depending on the detected spatial arrangement.

Machine tool according to one of claims 1 to 8, characterized in that the flexible connecting elements ( 3 ) Are cables, threads, tapes, chains or belts.

Machine tool according to one of claims 1 to 9, characterized in that the cables or other flexible connecting elements ( 3 ) consist of plastic.

Machine tool according to one of claims 1 to 10, characterized in that the cables or other flexible connecting elements ( 3 ) have a low bending radius, which is less than 5 times the rope diameter or diameter of the connecting elements.

Machine tool according to one of claims 1 to 11, characterized in that the cables or other flexible connecting elements ( 3 ) have a high elastic modulus of over 110,000 N / mm ² .