-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des unabhägigen
Patentanspruchs 1, und eine Werkzeugmaschine mit einem bewegbaren Gestell
mit einer derartigen Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung
gemaß Patentanspruch
22. Eine derartige Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung ist
aus der
DE 29818 719
U1 bekannt.
-
Aus
der Druckschrift
DE
196 20 485 A1 ist eine Werkzeugeinheit für eine Fräsmaschine
bekannt. Diese Werkzeugeinheit weist ein Basisteil mit einem Zentrierkonus
und einem Zentrierzapfen auf, um mittels dieser an einer Werkzeugaufnahme
einer Fräsmaschine
angebracht zu werden. In dem Basisteil befindet sich ein Drehlager
und ein Stellantrieb, wobei ein flacher Antriebszapfen nach unten
heraustritt. An dem Antriebszapfen ist exzentrisch ein senkrecht
nach unten ragender Halter angebracht, an dem unter einem Winkel
von 30° ein
Antrieb für
ein Fräswerkzeug
angebracht ist. Das derart mit schräger Achse angeordnete Fräswerkzeug
ist entlang der Achse der Aufnahme der Fräsmaschine verschiebbar und
exzentrisch zu dieser schwenkbar, so daß der Fräskopf in entsprechender Weise
ausgerichtet werden kann und so eine Bearbeitung senkrechter Flächen bis
in große
Tiefen möglich
ist.
-
Aus
der Druckschrift
US
5,718,545 A ist ein Werkzeugaufsatz für eine Werkzeugmaschine bekannt.
Dieser Werkzeugaufsatz weist einen Antriebsblock auf, der drehbar
gelagert ist. Durch diesen Antriebsblock erstreckt sich eine Antriebswelle,
die koaxial mit einer Antriebswelle der Werkzeugmaschine verbunden
ist und sich in Richtung einer ersten Drehachse erstreckt. An dem
Antriebsblock ist ein Spindelblock schwenkbar um eine Spindelachse
gelagert, wobei die Spindelachse sich senkrecht zu der Antriebswelle
erstreckt. In dem Spindelblock ist eine angetriebene Welle koaxial
mit der ersten Drehachse vorgesehen, wobei die angetriebene Welle
ein Spannfutter für
ein Werkzeug aufweist. Der Spindelblock ist über eine Kegelradanordnung
schwenkbar in einer Ebene gelagert, wobei eine weitere Kegelradanordnung
vorgesehen ist, um die Antriebsbewegung der Antriebswelle auf die
angetriebene Welle in jeder Position des Spindelblocks zu übertragen. Durch
den drehbar gelagerten Antriebsblock ist der in einer Ebene schwenkbare
Spindelblock in einer Ebene senkrecht zu dieser schwenkbar.
-
Aus
der Druckschrift
US
5,238,340 A ist eine Schwenkvorrichtung für eine Werkzeugmaschine
bekannt. Diese Schwenkvorrichtung ist verschiebbar an einem Träger der
Werkzeugmaschine gelagert und in einer Ebene zu diesem schwenkbar.
In dieser Schwenkebene sind zwei Kolben-Zylinder-Einheiten vorgesehen,
um die Schwenkbewegung um eine Achse senkrecht zu dieser Schwenkebene
auszuführen.
-
Es
wurde bereits eine Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung vorgeschlagen,
die an einem Gestell einer Werkzeugmaschine anbringbar ist. An einem
Träger
dieser Vorrichtung sind drei Lagerungseinrichtungen bzw. drei Gelenke
in einer Ebene angeordnet, wobei jedes dieser Gelenke zumindest zwei
rotatorische Freiheitsgrade aufweist. Eines dieser Gelenke ist an
der Basis vorgesehen, und die zwei weiteren Gelenke sind jeweils
verschiebbar zu der Basis vorgesehen, um den Träger mit der Basis zu verbinden.
Durch die Verschiebung der beiden Gelenke kann der Träger um das
Gelenk, das direkt an der Basis befestigt ist, in zwei Ebenen verschwenkt
werden.
-
Weiterhin
wurde bereits eine Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung vorgeschlagen,
die an einem Schlittengestell einer Werkzeugmaschine anbringbar
ist. Diese Bewegungs- und/oder
Positioniervorrichtung dient zur mehrachsigen Bewegung eines Trägers. Dieser
Träger
weist ein Achselement auf, wobei ein erster Wellenabschnitt des
Achselementes schwenkbar um eine erste Schwenkachse an der Basis
gelagert ist. Ein zweiter Wellenabschnitt des Achselementes ist
vorgesehen, um den Träger schwenkbar
um eine zweite Schwenkachse an dem zweiten Wellenabschnitt des Achselementes
zu lagern. An dem zweiten Wellenabschnitt sind Linearverschiebungseinrichtungen über Gelenke
befestigt, um das Achselement zusammen mit dem Träger um die
erste Schwenkachse zu verschwenken. Eine weitere Linearverschiebungseinnchtung
ist über
ein Gelenk mit dem Träger
verbunden, um den Träger
um die zweite Schwenkachse zu verschwenken.
-
Aus
der Druckschrift
DE
298 18 719 U1 ist eine Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung
in Form eines Gelenkwerkzeugkopfes bekannt. Dieser Gelenkwerkzeugkopf
weist eine Trägerplatte
auf, die über
drei räumliche
Gelenke an freien Enden von drei Streben gelagert ist. In Bevorzugterweise
sind die drei Gelenke mit einem Winkel von ca. 120° zueinander
angeordnet. Jede der drei Streben ist über eine Linearverschiebungseinrichtung
an einem Gehäuseelement
gelagert.
-
Jede
dieser Linearverschiebungseinrichtungen erlaubt eine individuelle
Verschiebung der jeweiligen Strebe, so daß die Trägerplatte bei Verschiebung
einer Strebe um eine Schwenkachse verschwenkt wird, die sich durch
die räumlichen
Gelenke an den beiden anderen Streben erstreckt.
-
Somit
bildet der Gelenkwerkzeugkopf gemäß der
DE 298 187 19 U1 eine sogenannte
Tripodanordnung, wobei jeweils benachbarte räumliche Gelenke an der Trägerplatte
eine Schwenkachse definieren. Daraus ergeben sich für den Gelenkwerkzeugkopf
gemäß dem Stand
der Technik drei Schwenkachsen, die sich jeweils in den räumlichen Gelenken
unter ca. 120° schneiden.
In der Tripodanordnung gemäß dem Stand
der Technik sind die Freiheitsgrade eindeutig bestimmt.
-
Weiterhin
schlägt
die Druckschrift
DE
29818 719 U1 eine Anordnung mit sechs Linearschlitten in einer
Hexapodanordnung vor. Dabei ist es allgemein bekannt, daß im Vergleich
zu einer Tripodanordnung mit drei Streben eine Hexapodanordnung
mit sechs Streben eine verbesserte Abstützung von Querkräften erlaubt.
Im Vergleich zu einer Tripodanordnung ist bei einer Hexapodanordnung,
in der jede Strebe des Tripods durch zwei Streben des Hexapods ersetzt
werden, der Bauaufwand groß und
die Steuerung entsprechend kompliziert.
-
Es
ist daher die Aufgabe der vorligenden Erifndung, eine Bewegungs-
und/oder Positioniervorrichtung der eingangs genannten Art sowie
eine Werkzeugmaschine mit der Bewegungs und/oder Positioniervorrichtung
zu schaffen, die bei einem entsprechenden Bewegungsraum des Trägers einen einfachen
und steifen Aufbau aufweist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung mit den Merkmalen
des unabhängigen
Patentanspruchs 1 sowie eine Werkzeug maschine mit der Bewegungs
und Positioniervorrichtung gemäß Anspruch
22.
-
Die
vier Gelenke definieren zwei Träger-Schwenkachse,
so daß ein
2-achsiges Bewegungsmodul bzw. eine 2-achsige Bewegungs- und/oder
Positioniervorrichtung geschaffen wird, die es dem Träger erlaubt
sich im wesentlichen frei um diese Achsen zu bewegen. Durch die
Verschiebung der Gelenke relativ zu der Basis werden die Schwenkachsen
entsprechend positioniert, so daß der Träger eine Vielzahl unterschiedlicher
Lagen einnehmen kann. Die vier verschiebbar gelagerten Gelenke erlauben
einen relativ einfachen und steifen Aufbau der Bewegungs- und/oder
Positioniervorrichtung. Die Träger-Schwenkachsen
sind senkrecht zueinander vorgesehen. Dadurch kann der Träger mit einer
einfachen Steu erung in seinem Bewegungsraum positioniert werden.
Insbesondere können
die senkrecht aufeinender stehenden Träger-Schwenkachsen derart vorgesehen
werden, daß diese
senkrecht oder parallel zu den linearen Bewegungsachsen einer 3-achsigen
Werkzeugmaschine sind.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung weisen die Träger-Schwenkachsen
einen gemeinsamen Schnittpunkt auf. Dadurch kann der Träger eine
weitgehend frei Schwenkbewegung um diesen Schnittpunkt (virtueller
Schwenkpunkt) ausführen.
-
In
bevorzugter Weise sind die Gelenke jeweils gleich von dem Schnittpunkt
der Träger-Schwenkachsen beabstandet
sind. Dadurch läßt sich
eine gleichmäßigere Kraftabstützung an
der Basis erreichen und der Träger
mit einer einfachen Steuerung bewegen.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist jedes der Gelenke mit einem Koppelelement verbunden ist, wobei
die Koppelelemente jeweils paarweise gegenüberliegend zueinander angeordnet sind
und jedes Koppelelement verschiebbar an der Basis gelagert ist.
Jedes der Koppelelemente ist schwenkbar um eine Koppel-Schwenkachse
an der Basis gelagert. Durch die verschiebbaren und schwenkbaren
Koppelelemente wird ein besonders steifes Ausführungsbeispiel geschaffen,
das bei einfachen Aufbau wenig Bauraum einnimmt.
-
In
bevorzugter Weise sind die Koppel-Schwenkachsen der paarweise gegenüberliegenden
Koppelelemente jeweils parallel zueinander vorgesehen. Dadurch läßt sich
bei einfacher Steuerung ein kompakter Aufbau der Bewegungs- und/oder
Positioniervorrichtung erreichen.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Koppel-Schwenkachsen zweier benachbarter Koppelelemente
senkrecht zueinander vorgesehen. Durch diesen Aufbau läßt sich
eine besonders kompakte und einfach zusteuernde Bewegungs- und/oder
Positioniervorrichtung schaffen.
-
In
bevorzugter Weise ist jedes der Koppelelemente schwenkbar auf einem
Schlittenelement gelagert, wobei jedes der Schlittenelemente verschiebbar
an der Basis gelagert ist.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist jedes der Koppelelemente im wesentlichen senkrecht zu seiner
Koppel-Schwenkachse verschiebbar gelagert. Insbesondere ist dies
in Verbindung mit senkrecht zueinander angeordneten Träger-Schwenkachsen
und den senkrecht zueinander angeordneten Koppel-Schwenkachsen vorteilhaft,
da hierdurch eine besonders einfache Steuerung bezüglich der
Achsen Werkzeugmaschine erreicht und die Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung
schlank und entsprechend steif ausgebildet werden kann.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Basis einen Tragkörper
(Halterungsträger)
auf, der im wesentlichen rohrförmig
ausgebildet ist, wobei die Koppelelemente an einer Innenseite des
rohrförmigen
Tragkörpers
verschiebbar gelagert sind. Der rohrförmige Tragkörper weist an seiner Innenseite
einen viereckigen Querschnitt auf, und jedes der Koppelelemente
ist an einer der vier Innenseiten gelagert. Dadurch werden die Elemente
der Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung zumindest teilweise
durch den rohrförmigen
Tragkörper
geschützt,
und es wird ein relativ großer
Bewegungsfreiraum für
den Träger
geschaffen.
-
Gemäß einem
anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Basis einen Tragkörper
(Halterungsträger)
auf, wobei die Koppelelemente an einer Außenseite des rohrförmigen Tragkörpers verschiebbar
gelagert sind. Der Tragkörper
weist an seiner Außenseite
einen viereckigen Querschnitt auf, und jedes der Koppelelemente
ist an einer der vier Außenseiten
gelagert. Dadurch kann die Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung
vereinfacht hergestellt werden, und die Zugänglichkeit der Lagerung der
Koppelelemente ist verbessert.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist eine Halteeinrichtung, insbesondere zum Halten eines Werkzeugs,
wie z.B. eines Fräsers
oder dgl., an dem Träger
vorgesehen. Eine Hauptachse der Halteeinrichtung ist senkrecht zu
den Träger-Schwenkachsen
vorgesehen und schneidet beide Träger-Schwenkachsen in einem
gemeinsamen Punkt. Dadurch führt
die Hauptachse der Halteeinrichtung stets eine reine Schwenkbewegung
um diesen Punkt (virtueller Schwenkpunkt) aus. Damit läßt sich
die Lage eines Punktes auf der Hauptachse, beispielsweise der Referenzpunkt
eines Fräsers,
in einfacher Weise über
die Lage der Träger-Schwenkachsen
ermitteln.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Koppelelemente im wesentlichen dreieckförmig ausgebildet, wobei die
Gelenke jeweils an einem Spitzenabschnitt des dreieckförmigen Koppelelementes
vorgesehen sind und die Koppel-Schwenkachse des dreieckförmigen Koppelelementes
sich entlang eines gegenüberliegenden
Kantenabschnitts des dreieckförmigen
Koppelelementes erstreckt. Durch die dreieckförmige Gestalt der Koppelelemente
sind diese besonders steif aufgebaut und erlauben dennoch eine große Freigängigkeit
des Trägers.
Die Koppel-Schwenkachse entlang eines Kantenabschnitts des dreieckförmigen Koppelelementes
ermöglicht
eine gute Abstützung
der Kräfte, die
auf das Koppelelement wirken. Insbesondere können die Momente, die nicht
um die Koppel-Schwenkachse
wirken, sicher und mit geringen Verformungen der Elemente abgestützt werden.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist der Träger
eine im wesentlichen quadratische Trägerplatte auf, wobei die Gelenke
jeweils an Eckabschnitten der quadratischen Trägerplatte vorgesehen sind.
Durch diese einfache und symmetrische Ausgestaltung wird wenig Bauraum
beansprucht, wird die Steuerung vereinfacht und eine steife Bewegungs-
und/oder Positioniervorrichtung geschaffen.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt wird eine Werkzeugmaschine mit einem bewegbaren
Gestell, insbesondere eine 3-achsige Werkzeugmaschine, mit seriell
angeordneten Bewegungsachsen, geschaffen, wobei eine Bewegungs-
und/oder Positioniervorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis
21 an dem Gestell vorgesehen ist.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind eine Bewegung des Gestells und die Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung
in Abhängigkeit
voneinander steuerbar.
-
Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit
den beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben und erläutert.
In den Figuren zeigt:
-
1 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispieles der Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung
mit außen
liegendem Halterungsträger;
-
2 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispieles einer Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung
mit innen liegendem Halterungsträger;
-
3 eine
Prinzipdarstellung der Achsanordnung gemäß der Ausführungsbeispiele der Bewegungs-
und/oder Positioniervorrichtung; und
-
4 ein
Einsatzbeispiel des Ausführungsbeispieles
der Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung auf einer parallel
strukturierten Basismaschine, insbesondere einer Einfach-Scherenvorrichtung.
-
1 und 2 zeigen
ein Ausführungsbeispiel
der Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung, die an einer Basis
B, wie beispielsweise einem Gestell einer Werkzeugmaschine anbringbar
ist. Wie in 1 gezeigt, weist bei dieser
Variante des Ausführungsbeispieles
die Basis B einen im wesentlichen rohrförmigen Tragkörper (Vierkantrohr)
auf, wobei die Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung innerhalb
dieses rohrförmigen
Tragkörpers
(Halterungsträger)
angebracht ist. Wie in 2 gezeigt, weist bei dieser
Variante des Ausführungsbeispieles die
Basis B einen innenliegenden Tragkörper (Halterungsträger) auf,
wobei die Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung an der Außenseite
des Tragkörpers
angebracht ist. Bei der Ausführungsvariante gemäß 2 ist
der Tragkörper
ebenfalls rohrförmig (Vierkantrohr)
ausgebildet.
-
Die
Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung, die nachfolgend als „Vier-Pod" bezeichnet wird, weist
einen Träger 1 auf.
Dieser Träger 1 besteht
im wesentlichen aus einer ebenen Trägerplatte, auf der eine Halteeinrichtung 2 befestigt
ist. Die Trägerplatte ist
im wesentlichen quadratisch ausgebildet, wobei jeweils ein räumliches
Gelenk G1 bis G4 (in 1 nur G1 bis G3 gezeigt) an
den Eckabschnitten der quadratischen Trägerplatte vorgesehen sind.
Zur Gewichtsersparnis können
zwischen den Gelenken G1 bis G4 an der Trägerplatte kreis- bzw. bogenförmige Ausnehmungen
vorgesehen sein, wie dies deutlich in 1 zu sehen
ist. Die gezeigten Gelenke G1 bis G4 sind räumlich sphärische Gelenke, die den Träger 1 jeweils
mit einem dreieckförmigen
Koppelelement KE1 bis KE4 (in 1 nur KE1
bis KE3 gezeigt) verbinden. Alternativ zu den gezeigten räumlich sphärischen
Gelenken können
auch sogenannte Kardangelenke verwendet werden.
-
Jeweils
zwei gegenüberliegende
Gelenke definieren eine (virtuelle) Schwenkachse des Trägers 1.
Wie aus 3 ersichtlich, definieren die
Gelenke G1 und G3 eine erste (virtuelle) Trägerschwenkachse TS1 und die
Gelenke G2 und G4 eine zweite (virtuelle) Trägerschwenkachse TS2. Der Träger 1 kann um
diese beiden Trägerschwenkachsen
TS1, TS2 verschwenkt werden, wie dies später noch erläutert wird.
-
Die
Gelenke G1 bis G4 sind im wesentlichen in einer Ebene vorgesehen,
so daß die
Trägerschwenkachsen
einen gemeinsamen Schnittpunkt SP aufweisen. Dieser Schnittpunkt
SP stellt einen virtuellen Drehpunkt bzw. Schwenkpunkt des Trägers 1 dar.
-
Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
sind die Gelenke G1 bis G4 jeweils gleich weit von dem Schnittpunkt
SP der Trägerschwenkachsen TS1,
TS2 beabstandet. Weiterhin sind die Trägerschwenkachsen TS1 und TS2
senkrecht zueinander vorgesehen. Somit sind die vier Gelenke G1
bis G4 als Eckpunkte eines Quadrats angeordnet, das im wesentlichen
der quadratischen Trägerplatte
entspricht. Der Mittelpunkt dieses Quadrats entspricht dem virtuellen
Schwenkpunkt des Trägers 1.
-
Wie
bereits erläutert,
ist jedes der Gelenke G1 bis G4 mit einem Koppelelement KE1 bis
KE4 verbunden. Wie aus 1 ersichtlich, sind diese Koppelelemente
KE1 bis KE4 jeweils paarweise gegenüberliegend zueinander angeordnet
(insbesondere gezeigt bei KE1 und KE3). Jedes dieser Koppelelemente
KE1 bis KE4 ist verschiebbar an dem Tragkörper der Basis B (s. 1 und 2)
gelagert.
-
Zur
Verschiebung jedes der Koppelelemente KE1 bis KE4 ist jeweils ein
Schlittenelement SE1 bis SE4 vorgesehen (in 2 nur SE1
und SE2 gezeigt).
-
Jedes
der Koppelelemente KE1 bis KE4 weist eine Koppelschwenkachse KS1
bis KS4 auf und ist um diese schwenkbar gelagert (in 2 nur KS1
und KS2 gezeigt). Diese Schwenkachse ist an dem jeweiligen Schlittenelement
vorgesehen, so daß jedes
der Koppelelemente KE1 bis KE4 schwenkbar und verschiebbar an der
Basis B gelagert ist. Die Koppelelemente selbst sind als starre
Körper
ausgebildet.
-
Wie
aus den 1 und 2 offensichtlich ist,
sind jeweils die paarweise gegenüberliegend
angeordneten Koppelschwenkachsen KS1, KS3; KS2, KS4 jeweils parallel
zueinander vor gesehen. Gemäß dem gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind jeweils benachbarte Koppelschwenkachsen (s. KS1 und KS2 in 2)
senkrecht zueinander vorgesehen. Jedes der Koppelelemente KE1 bis
KE4 ist im wesentlichen senkrecht zu seiner Koppelschwenkachse verschiebbar
gelagert. Die Verschiebungsrichtungen aller vier Koppelelemente
KE1 bis KE4 sind parallel zueinander vorgesehen. Der Abstand jedes
der Gelenke G1 bis G4 von seiner zugehörigen Koppelschwenkachse ist
gleich.
-
An
dem Träger 1 ist
eine Halteeinrichtung 2 vorgesehen, die beispielsweise
eine Werkzeugspindel zur Lagerung eines Fräsers oder dgl. ausgebildet ist.
Eine Hauptachse 3 dieser Halteeinrichtung 2 ist senkrecht
zu der Trägerplattform
angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist somit die
Hauptachse 3 der Halteeinrichtung 2 senkrecht
zu den Trägerschwenkachsen
TS1, TS2 vorgesehen. Diese Hauptachse 3 der Halteeinrichtung
schneidet die beiden Trägerschwenkachsen
TS1, TS2 in einem gemeinsamen Punkt, der dem virtuellen Schwenkpunkt SP
des Trägers 1 entspricht.
-
Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist die Halteeinrichtung 2 im wesentlichen integral mit
dem Träger 1 ausgebildet.
Wie in den 1 und 2 nicht
näher gezeigt,
ist eine Antriebseinrichtung für
das Werkzeug an der Halteeinrichtung 2 vorgesehen, wobei
die Halteeinrichtung 2 und/oder der Träger 1 Anschlüsse zur
Energieversorgung und/oder Steuerung der Antriebseinrichtung des Werkzeugs
aufweist.
-
Die
Koppelelemente KE1 bis KE4 sind im wesentlichen dreieckförmige starre
Körper.
In dem gezeigten Anführungsbeispiel
bilden die Koppelelemente im wesentlichen gleichschenklige Dreiecke, wobei
die Koppelschwenkachsen jeweils an der Basiskante des Dreiecks vorgesehen
sind. An dem gegenüberliegenden
Spitzenabschnitt des Dreiecks ist das jeweilige Gelenk G1 bis G4
vorgesehen. Somit ist jedes dreieckförmige Koppelelement symmetrisch zur
Mittelsenkrechten auf die Basiskante ausgebildet, wobei der Gelenkpunkt
der jeweiligen Gelenke G1 bis G4 auf dieser Mittelsenkrechten liegt.
Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Gelenken G1, G3
und G2, G4 gleich dem senkrechten Abstand zweier gegenüberliegender
Koppelschwenkachsen KS1, KS3 und KS2, KS4. Dadurch läßt sich
ein kompakter und schlanker Aufbau der Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung
erreichen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
wird jede Koppelschwenkachse KS1 bis KS4 durch zwei beabstandete Schwenkgelenke
gebildet. Alternativ dazu kann jede Koppelschwenkachse auch durch
ein durchgehendes Achselement gebildet werden.
-
Jedes
der Schlittenelemente SE1 bis SE4 weist einen verschiebbaren Führungsschlitten
mit Führungselementen
und einen Antrieb auf. Diese Linearführung ist an dem Trägerkörper der
Basis B vorgesehen. Weiterhin ist ein Meßsystem zum Erfassen der linearen
Verschiebungen jedes Schlittenelementes vorgesehen.
-
Gemäß der Ausführungsvariante
nach 1 ist der Tragkörper der Basis B ein im wesentlichen quadratisches
Rohrelement. Die Schlittenelemente SE1 bis SE4 sind jeweils an einer
Innenseite des quadratischen Rohrelementes vorgesehen, um die Koppelelemente
KE1 bis KE4 verschiebbar zu lagern. Bei der Bewegung des Trägers durch
das gesteuerte Verschieben der Koppelelemente KE1 bis KE4 verschwenken
diese Koppelelemente KE1 bis KE4 stets nach innen, d.h. die Koppelelemente
KE1 bis KE4 stoßen
nicht an die äußere Rohrwandung des
Tragkörpers
an. Durch den außen
liegenden Tragkörper,
der die Koppelelemente und die dazu gehörigen Schlittenelemente in
sich aufnimmt, läßt sich ein
sogenannter „Vier-Pod" mit großem Bewegungsfreiraum
und kompaktem und steifem Aufbau zur Verfügung stellen.
-
Bei
der Ausführungsvariante
gemäß 2 ist
der Tragkörper
der Basis B im wesentlichen als quadratisches Prisma oder Rohrelement
ausgebildet, wobei die Schlittenelemente SE1 bis SE4 und die daran
schwenkbar gelagerten Koppelelemente KE1 bis KE4 an der Außenseite
des quadratischen Tragkörpers
gelagert sind. Bei diesem Aufbau ist es erforderlich, einen Freiraum
zur Schwenkbewegung der Koppelelemente KE1 bis KE4 vorzusehen. Durch die
außen
liegende Anordnung der Schlittenelemente SE1 bis SE4 und der Koppelelemente
KE1 bis KE4 sind diese leicht zugänglich. Dadurch lassen sich
auf einfache Weise Energieversorgungsanschlüsse und Steuerungsanschlüsse (nicht
gezeigt) an den Schlittenelementen SE1 bis SE 4 vorsehen. Weiterhin
können
Wartungsarbeiten einfach und schnell durchgeführt werden.
-
Der
Trägerkörper oder
Halterungsträger
wird auf einer Werkzeugmaschine gelagert bzw. befestigt.
-
Eine
derartige Werkzeugmaschine weist beispielsweise eine lineare Verschiebungsachse
auf, wobei der Tragkörper
derart befestigt ist, daß diese Verschiebungsachse
parallel zu den Verschiebungsrichtungen der Koppelelemente KE1 bis
KE4 vorgesehen ist. Dadurch läßt sich
ein Grundvorschub für den
Vier-Pod zur Verfügung
stellen. Alternativ dazu kann diese eine lineare Verschiebungsachse
der Werkzeugmaschine im wesentlichen senkrecht zu den Verschiebungsrichtungen
der Koppelelemente KE1 bis KE4 vorgesehen sein. Dadurch wird eine Querpositionierungsvorrichtung
für den
Vier-Pod geschaffen. Weiterhin kann der Tragkörper des Vier-Pod auch an einer
einzigen Schwenkachse einer Werkzeugmaschine befestigt sein. Dabei
kann eine der virtuellen Trägerschwenkachsen
TS1, TS2 in einer Schwenkebene bzw. parallel zu einer derartigen
Ebene der Werkzeugmaschine angeordnet sein. Dadurch läßt sich
der Vier-Pod entsprechend vorpositionieren.
-
Der
Vier-Pod kann auch auf einer mehrachsigen Werkzeugmaschine gelagert
bzw. befestigt werden. Bei einer 3-achsigen Werkzeugmaschine mit senkrecht
zueinander und seriell aufeinander angeordneten Linearschlitten
wird eine 5-achsige Hybridwerkzeugmaschine (serielle und parallele
Struktur) geschaffen.
-
Wie
beispielsweise in 4 gezeigt, ist das Ausführungsbeispiel
des Vier-Pod gemäß 1 auf einer
einfach Scherenvorrichtung gelagert.
-
Nachfolgend
wird die Funktion der als Vier-Pod bezeichneten Bewegungs- und/oder
Positioniervorrichtung näher
erläutert.
-
In
einer Ausgangslage oder Mittellage (nicht gezeigt) der Bewegungs-
und/oder Positioniervorrichtung sind die Koppelschwenkachsen KS1
bis KS4 in einer Ebene angeordnet. Die gegenüberliegenden Koppelelemente
KE1, KE3; KE2, KE4 sind ebenfalls jeweils parallel zueinander angeordnet.
Da der Abstand der einzelnen Gelenke G1 bis G4 zu der jeweiligen
Koppelschwenkachse KS1 bis KS4 gleich groß ist, sind die virtuellen
Trägerschwenkachsen TS,
TS2 in der Mittellage in einer Ebene parallel zu der Ebene der Koppelschwenkachsen
KS1 bis KS4 positioniert. In dieser Mittellage ist somit die Trägerschwenkachse
TS1, die durch die Gelenke G1 und G3 bestimmt wird, senkrecht und
beabstandet zu den Koppelschwenkachsen KS1 und KS3 positioniert. Demgemäß ist die
virtuelle Trägerschwenkachse TS2,
die durch die Gelenke G2 und G4 bestimmt ist, senkrecht und beabstandet
zu den Koppelschwenkachsen KS2 und KS4 positioniert.
-
In
dieser Mittellage ist die Trägerplattform des
Trägers 1 parallel
zu der Ebene der Koppelschwenkachsen KS1 bis KS4 positioniert. Die
Hauptachse 3 der Halteeinrichtung 2, die gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
senkrecht zu den virtuellen Trägerschwenkachsen
TS1 und TS2 angeordnet ist, und diese in einem gemeinsamen Schnittpunkt
SP schneidet, ist in der Mittellage ebenfalls senkrecht zu der Ebene
der Koppelschwenkachsen KS1 bis KS4 angeordnet. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
erstreckt sich diese Hauptachse 3 in der Mittellage des
Vier-Pod entlang der Mittel- bzw. Symmetrielinie des rohrförmigen Tragkörpers.
-
Ausgehend
von dieser Mittellage kann durch gleiche Verschiebung aller vier
Koppelelemente KE1 bis KE4 ein Vorschub in Richtung der Hauptachse 3 der
Halteeinrichtung 2 erreicht werden.
-
Um
eine Schwenkbewegung des Trägers 1 um
eine der Trägerschwenkachsen
TS1, TS2 zu erreichen, werden jeweils ein Paar der gegenüberliegenden
Koppelelemente gemäß der Ansteuerung
einer Steuereinrichtung linear verschoben. Dabei bewegen sich die
jeweiligen Gelenke G1 bis G4 auf einer Kreisbahn um den virtuellen
Schwenkpunkt des Trägers 1,
wobei die Verlagerung der jeweiligen Gelenke G1 bis G4 durch die
Schwenkbewegung der zugehörigen
Koppelelemente KE1 bis KE4 ausgeglichen wird. Dabei wird nur die
lineare Verschiebung der jeweiligen Koppelelemente durch einen Antrieb (nicht
gezeigt) für
jedes der Koppelelemente gesteuert. Die Schwenkbewegung der Koppelelemente
KE1 bis KE4 um die jeweilige Koppelschwenkachse KS1 bis KS4 ist
frei und ergibt sich ohne eigenen externen Antrieb bzw. Steuerung
aus der jeweiligen Position der Koppelschwenkachse und des zugehörigen Gelenks.
-
Soll
zum Beispiel der Träger 1 um
die virtuelle Trägerschwenkachse
TS1 (definiert durch die Gelenke G1 und G3) verschwenkt werden,
so werden die Koppelelemente KE2 und KE4 entsprechend gegenläufig linear
verschoben. Dabei ist es offensichtlich, daß eine kinematische Überbestimmung
vorliegt, d.h., die kinematisch eindeutige Bestimmung für eine Schwenkbewegung
um die Trägerschwenkachse
TS1 liegt bereits durch die Verschiebung des Koppelelementes KE2
oder des Koppelelementes KE4 vor. Zur Definition der Schwenklage
des Trägers 1 ist
die Festlegung der Position von drei der Gelenke (Linearposition
von 3 Verschiebungsachsen) erforderlich. Die vierte Linearposition
(Position des vier ten Gelenkes) fixiert den Schwenkpunkt SP und
bewirkt eine Vorspannung. Durch diese kinematische Überbestimmung
läßt sich
bei entsprechender Ansteuerung der Verschiebung der Koppelelemente
KE2 und KE4 die sogenannte Vorspannung der Schwenkbewegung um die
Trägerschwenkachse
TS1 erreichen. Mit dieser Vorspannung können Spiel in der Bewegungs-
und/oder Positioniervorrichtung ausgeglichen werden. Eine Schwenkbewegung
um die weitere Trägerschwenkachse
TS2 (definiert durch die Gelenke G2 und G4) wird in entsprechender
Weise durchgeführt.
-
Da
die jeweiligen Koppelschwenkachsen KS1 bis KS4 jeweils nur einen
Freiheitsgrad aufweisen, werden Querkräfte bzw. Drehmomente, die nicht zur
Drehung um eine der Trägerschwenkachsen
führen,
durch die Lagerung der Koppelschwenkachsen KS1 bis KS4 abgestützt. Die übrigen Kräfte und
Momente, die eine Drehung um die Trägerschwenkachsen TS1, TS2 bewirken
würden,
werden über
die Linearverschiebungseinrichtungen (Schlittenelemente SE1 bis
SE4) der Koppelelemente KE1 bis KE4 abgestützt.
-
Durch
die in den Figuren gezeigte symmetrische Ausbildung der Bewegungs-
und/oder Positioniervorrichtung kann eine 2-achsige Schwenkbewegung
des Trägers
um einen virtuellen Schwenkpunkt erreicht werden, der stets auf
der Symmetrieachse der Vorrichtung angeordnet ist. Dadurch läßt sich eine
gute und einfache Kraftabstützung
verwirklichen. Weiterhin ist durch diese spezielle Anordnung des
Schwenkpunktes die Koordinatentransformation zur Steuerung der Bewegungs-
und/oder Positioniervorrichtung stark vereinfacht.
-
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
wird eine Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung in Form eines
4-achsigen parallelstrukturierten Bewegungsmodul mit virtuellem
Schwenkpunkt geschaffen. Durch die vier parallelen Verschiebungsachsen
in Verbindung mit den vier Gelenken weist dieses Bewegungsmodul
zwei virtuelle Schwenkachsen auf, um den Träger zum Halten eines Werkzeuges
ausgehend von einer Mittellage in zwei Ebenen E1, E2 um jeweils ± 45° zu verschwenken.
-
Bei
dieser Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung läßt sich
in Verbindung mit einer steifen seriellen 3-achsigen Werkzeugmaschine
eine 5-achsige Bewegungseinrichtung schaffen, um mit der seriell
aufgebauten Werkzeugmaschine eine Ausgangsposition an großvolumigen
Werkstücken
auszuführen.
-
Die
Raumbeweglichkeit eines Werkzeugs, das an dem Träger der Bewegungs- und/oder
Positioniervorrichtung befestigt ist, insbesondere der erzielbare
Schwenkwinkel, wird gegenüber
alternativen Parallelstrukturlösungen
verbessert.
-
Durch
die vier parallel wirkenden Linearantriebe (Schlittenelemente) wird
eine hohe Dynamik der Schwenkbewegung des Trägers erreicht. Durch die starren
Koppelelemente erfolgt eine einfache Bewegungsübertragung auf den Träger, wobei
die dreieckförmigen
Koppelemente eine hohe Steifigkeit aufweisen. Die Gefahr, eine singuläre Stellung
zu erreichen, tritt im Vergleich mit bekannten Parallelstrukturen
erst bei relativ großen
Schwenkwinkeln auf. Der virtuelle Drehpunkt des Trägers befindet
sich immer auf der Mittelachse und kann sich nur auf dieser verschieben.
Dadurch wird die Koordinatentransformation der jeweiligen Achsen
stark vereinfacht. Die kinematische Überbestimmung der Bewegungs- und/oder
Positioniervorrichtung kann zu einer elektronischen Vorspannung
genutzt werden.
-
Das
Ausführungsbeispiel
zeigt eine Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung, die an einer Basis,
insbesondere einem Schlittengestell einer Werkzeugmaschine anbringbar
ist zur mehrachsigen Bewegung eines Trägers. Der Träger weist
vier Gelenke auf, mit jeweils zumindest zwei rotatorische Freiheitsgraden
und die paarweise gegenüberliegend
zueinander an dem Träger
angeordnet sind. Jedes Paar der gegenüberliegenden Gelenke definiert eine
Träger-Schwenkachse
des Trägers.
Die Gelenke sind jeweils verschiebbar zu der Basis angeordnet und
verbinden den Träger
mit der Basis. Die vier Gelenke definieren zwei Träger-Schwenkachse,
so daß ein
2-achsiges Bewegungsmodul bzw. eine 2-achsige Bewegungs- und/oder
Positioniervorrichtung geschaffen wird, die es dem Träger erlaubt,
sich im wesentlichen frei um diese Schwenkachsen zu bewegen. Dabei
ist der Träger
in zwei Ebenen schwenkbar, die gemäß dem Ausführungsbeispiel senkrecht aufeinander
stehen. Durch die Verschiebung der Gelenke relativ zu der Basis
werden die Schwenkachsen entsprechend positioniert, so daß der Träger eine
Vielzahl unterschiedlicher Lagen einnehmen kann. Die vier verschiebbar
gelagerten Gelenke erlauben einen relativ einfachen und steifen
Aufbau der Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung.
-
Die
Träger-Schwenkachsen
weisen einen gemeinsamen Schnittpunkt auf und sind jeweils gleich
von dem Schnittpunkt der Träger-Schwenkachsen
beabstandet und senkrecht zueinander vorgesehen. Dadurch kann der
Träger
eine weitgehend freie Schwenkbewegung um diesen Schnittpunkt (virtueller
Schwenkpunkt) ausführen
und mit einer einfachen Steuerung in seinem Bewegungsraum positioniert
werden. Insbesondere können
die senkrecht aufeinender stehenden Träger-Schwenkachsen derart vorgesehen
werden, daß diese
senkrecht oder parallel zu den linearen Bewegungsachsen einer 3-achsigen
Werkzeugmaschine sind.
-
Jedes
der Gelenke ist mit einem Koppelelement verbunden ist, wobei die
Koppelelemente jeweils paarweise gegenüberliegend zueinander angeordnet
sind und jedes Koppelelement verschiebbar an der Basis gelagert
ist. Jedes der Koppelelemente ist schwenkbar um eine Koppel-Schwenkachse
an der Basis gelagert. Durch die verschiebbaren und schwenkbaren
Koppelelemente wird ein besonders steifer Aufbau geschaffen, der
bei einfachem Aufbau wenig Bauraum einnimmt. Die Koppel-Schwenkachsen
der paarweise gegenüberliegenden
Koppelelemente sind jeweils parallel zueinander vorgesehen und die
Koppel-Schwenkachsen
zweier benachbarter Koppelelemente sind senkrecht zueinander vorgesehen.
Jedes der Koppelelemente ist schwenkbar auf einem Schlittenelement
gelagert, wobei jedes der Schlittenelemente verschiebbar an der
Basis gelagert ist. Jedes der Koppelelemente ist im wesentlichen
senkrecht zu seiner Koppel-Schwenkachse verschiebbar gelagert.
-
Die
Koppelelemente sind im wesentlichen dreieckförmig ausgebildet, wobei die
Gelenke jeweils an einem Spitzenabschnitt des dreieckförmigen Koppelelementes
vorgesehen sind und die Koppel-Schwenkachse des dreieckförmigen Koppelelementes
sich entlang eines gegenüberliegenden
Kantenabschnittes des dreieckförmigen
Koppelelementes erstreckt. Durch die dreieckförmige Gestallt der Koppelelemente
sind diese besonders steif aufgebaut und erlauben dennoch eine große Freigängigkeit
des Trägers.
Die Koppel-Schwenkachse entlang eines Kantenabschnitts des dreieckförmigen Koppelelementes
ermöglicht
eine gute Abstützung
der Kräfte,
die auf das Koppelelement wirken. Insbesondere können die Momente, die nicht
um die Koppel-Schwenkachse wirken, sicher und mit geringen Verformungen
der Elemente abgestützt
werden.
-
Eine
Halteeinrichtung, insbesondere zum Halten eines Werkzeugs, wie z.B.
eines Fräsers
oder dgl., ist an dem Träger
vorgesehen. Eine Hauptachse der Halteeinrichtung ist senkrecht zu
den Träger-Schwenkachsen
vorgesehen und schneidet beide Träger-Schwenkachsen in einem gemeinsamen Punkt.
Dadurch führt
die Hauptachse der Halteeinrichtung stets eine reine Schwenkbewegung
um diesen Punkt (virtueller Schwenkpunkt) aus. Damit läßt sich
die Lage eines Punktes auf der Hauptachse in einfacher Weise über die
Lage der Träger-Schwenkachsen
ermitteln.
-
Der
Träger
weist eine im wesentlichen quadratische Trägerplatte auf, wobei die Gelenke
jeweils an Eckabschnitten der quadratischen Trägerplatte vorgesehen sind.
Durch diese einfache und symmetrische Ausgestaltung wird wenig Bauraum
beansprucht, die Steuerung vereinfacht und eine steife Bewegungs-
und/oder Positioniervorrichtung geschaffen.