DE102009039203A1

DE102009039203A1 - Device for compensating torques that arise by acceleration of redundant additional axes in measuring and machine tools by means of a plurality of coordinated linearly movable balancing weights

Info

Publication number: DE102009039203A1
Application number: DE102009039203A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ehlerding
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-03-17
Also published as: WO2011023185A4; WO2011023185A2; WO2011023185A3

Abstract

Das Auftreten von temporären Verformungen und Schwingungen der jeweils Zusatzachsen tragenden Strukturen einer Mess- oder Werkzeugmaschine, die aus beschleunigten Bewegungen besagter Zusatzachsen resultieren, wird vermindert indem ein aus der Beschleunigung von Zusatzachsen resultierendes Drehmoment durch effektive Drehmomente einer Mehrzahl linear bewegbarer, separat angetriebener und koordiniert steuerbarer Ausgleichsmassen auf oder gegenüber den besagten jeweils tragenden Strukturen kompensiert wird.The occurrence of temporary deformations and vibrations of the structures of a measuring or machine tool carrying additional axes, which result from accelerated movements of said additional axes, is reduced by a torque resulting from the acceleration of additional axes through effective torques of a plurality of linearly movable, separately driven and coordinated controllable Compensating masses on or opposite the said respective supporting structures is compensated.

Description

Technisches Gebiet und Stand der TechnikTechnical field and state of the art

Die Fortentwicklung neuer Materialbearbeitungs-, -verbindungs- oder -aufbauverfahren wie Laserschneiden und -schweißen, Hochgeschwindigkeitsfräsen, Rapid Prototyping oder von Nachbearbeitungsverfahren beispielsweise Härten, Beschichten oder Polieren haben zu einer wachsenden Anzahl von Werkzeugmaschinen mit hohen Bewegungsgeschwindigkeiten ihrer Werkzeug- oder Werkstück tragenden Elemente geführt. Auch bei Messmaschinen werden hohe Geschwindigkeiten angestrebt.The advancement of new material processing, bonding or assembly techniques such as laser cutting and welding, high speed milling, rapid prototyping or post-processing such as hardening, coating or polishing have resulted in a growing number of machine tools with high speeds of movement of their tool or workpiece carrying members. Also in measuring machines high speeds are desired.

Werkzeuge und Messeinrichtungen werden im weiteren als Endeffektoren bezeichnet. Bewegungsvorrichtungen einer Mess- oder Werkzeugmaschine, die jeweils eine translatorische oder rotatorische Bewegung eines Endeffektors relativ zu einem Werkstück in einer Achse eines Referenzkoordinatensystems des Arbeitsraumes der Maschine erlauben, werden im weiteren als Achsen bezeichnet.Tools and measuring devices are referred to hereinafter as end effectors. Moving devices of a measuring or machine tool, each of which allow a translational or rotational movement of an end effector relative to a workpiece in an axis of a reference coordinate system of the working space of the machine are referred to as axes.

Als Maschinenachsen werden solche Teilbewegungsvorrichtungen bezeichnet, die eine translatorische oder rotatorische Bewegung eines Maschinenelementes gegenüber einem in der Hierachie der Gesamtstruktur der Maschine höher stehenden Maschinenelement erlauben, wobei die Hierachie beim Maschinengestell als höchste Stufe beginnt und bei den Maschinenachsen zur direkten Bewegung eines Endeffektors als niedrigste Stufe endet.Machine axes are those partial movement devices which permit a translatory or rotational movement of a machine element relative to a machine element higher in the hierarchy of the machine, the hierarchy starting at the machine frame as the highest stage and at the machine axes for the direct movement of an end effector as the lowest stage ends.

Achsen und Maschinenachsen können identisch sein, aber es können auch Achsbewegungen, in Bezug zum besagten Referenzkoordinatensystem, aus den Bewegungen mehrerer Maschinenachsen zusammengesetzt sein.Axes and machine axes may be identical, but axis movements may also be composed of the movements of several machine axes with respect to said reference coordinate system.

Damit die hohen angestrebten Geschwindigkeiten auch bei kompliziert gestalteten Werkstücken genutzt werden können, sind hohe Beschleunigungen der bewegten Elemente notwendig.High acceleration of the moving elements is necessary in order to be able to use the high desired speeds even for workpieces with complex designs.

In vielen Anwendungen ist es notwendig einen Endeffektor kontinuierlich und mit möglichst hoher konstanter Relativgeschwindigkeit, an einem mindestens teilweise kompliziert geformten Werkstück entlang zu führen, dass relativ zum besagten Endeffektor eine wesentlich höhere Masse und/oder wesentlich größere Abmessungen hat.In many applications, it is necessary to guide an end effector continuously and with the highest possible constant relative speed along an at least partially complicated shaped workpiece, which has a substantially higher mass and / or substantially larger dimensions relative to said end effector.

Dies setzt eine relativ massive und/oder langwegige Führungsstruktur voraus.This requires a relatively massive and / or long-lasting leadership structure.

Je massiver die bewegten Elemente sind, umso höher sind die Kräfte die einerseits notwendig sind um die erwünschten hohen Beschleunigungen zu erzielen und die anderseits entsprechende Rückwirkungen auf tragende oder führende Strukturen verursachen.The more massive the moving elements are, the higher are the forces which are necessary on the one hand to achieve the desired high accelerations and on the other hand cause corresponding effects on supporting or guiding structures.

Dies führt zu unerwünschten, gewöhnlich elastischen, Verformungen dieser Strukturen, was wiederum häufig zu Schwingungen auf den Resonanzfrequenzen aller beteiligten Maschinenelemente führt.This leads to undesirable, usually elastic, deformations of these structures, which in turn often leads to oscillations on the resonance frequencies of all machine elements involved.

All diese Verformungen und Schwingungen führen zur Abweichung zwischen Soll- und Ist-Weg bei der Bewegung des Endeffektors relativ zum Werkstück.All these deformations and oscillations lead to a deviation between the desired and actual path during the movement of the end effector relative to the workpiece.

Es sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, um dieses Problem zu mindern. Grundsätzlich unterscheidbar sind zwei Hauptzweige, die jedoch in der konkreten Anwendung durchaus gemeinsam zum Einsatz kommen können.Various approaches are known to mitigate this problem. Basically distinguishable are two main branches, which, however, can certainly be used together in the concrete application.

Ein Zweig befasst sich mit der möglichst vorwegnehmenden oder schnell reagierenden Korrektur einer vorausberechenbaren oder festgestellten Bewegungsabweichung, also die Fehlerkompensation.A branch deals with the most anticipated or fast-reacting correction of a predictable or detected motion deviation, ie the error compensation.

Ein anderer Zweig, mit dem sich die hier vorliegende Patentanmeldung befasst, versucht die Bewegungsabweichungen von vornherein klein zu halten, also Fehlervermeidung.Another branch, which deals with the present patent application attempts to keep the motion deviations from the outset small, so error prevention.

Die Fehlervermeidung kennt wiederum grundsätzlich drei Unterzweige von Lösungen. 1. Stabilität, 2. Reduktion der bewegten Massen und 3. Impulsausgleich.In turn, error prevention knows three sub-branches of solutions. 1. stability, 2. reduction of the moving masses and 3. impulse compensation.

Fehlervermeidung durch Rigidität der Strukturen und Dämpfung von Schwingungen führt zu massiven Maschinen, die hohe Antriebskräfte benötigen, was somit hohe Anschaffungs- und Aufstellungskosten, hohen Energieverbrauch und in vielen Fällen auch hohen Verschleiß bedeutet, also zu hohen Anschaffungs- und Betriebskosten führt.Error avoidance by rigidity of the structures and damping of vibrations leads to massive machines that require high driving forces, which thus means high acquisition and installation costs, high energy consumption and in many cases also high wear, thus leading to high acquisition and operating costs.

Diese Kosten übersteigen bei den angestrebten Beschleunigungen häufig den erzielbaren Produktivitätsvorteil.These costs often exceed the achievable productivity advantage for the desired accelerations.

Zur Fehlervermeidung durch Reduktion der bewegten Massen sind ebenfalls eine ganze Reihe von Lösungsansätzen bekannt.To avoid errors by reducing the moving masses, a whole series of approaches are also known.

Neben der Verwendung neuartiger Werkstoffe, beispielsweise Kohlefaserverbundstoffe, kommt es auch zum Einsatz alternativer Achskonfigurationen, wie beispielsweise Parallelkinematiken, und dort als Beispiel den sogenannten Hexapoden.In addition to the use of novel materials, such as carbon fiber composites, it comes also to use alternative Achskonfigurationen, such as parallel kinematics, and there as an example the so-called hexapods.

Der Grundgedanke dabei ist, dass die verschiedenen benötigten Freiheitsgrade nicht durch eine Aneinanderreihung entsprechend beweglicher ”Achsen” erzielt werden, was in seiner Konsequenz bedeutet, dass mit der Anzahl der Achsen die benötigte Stabilität nur durch eine jeweils überproportional schnell ansteigende Maschinenmasse erzielbar ist, sondern indem meist Kinematiken, aus in der Länge veränderlichen Stäben, die überwiegend an Kardan- oder Kugelgelenken frei beweglich sind, einen Endeffektor oder ein Werkstück gemeinsam nebeneinander, also parallel, tragen und diese durch entsprechend koordinierte Längen- oder Positionsänderungen der Stäbe, mit relativ großer Freiheit im Arbeitsraum bewegbar sind.The basic idea is that the various degrees of freedom required are not correspondingly more agile by a juxtaposition "Axes" are achieved, which means in its consequence that with the number of axes, the required stability can only be achieved by a disproportionately fast increasing machine mass, but by mostly kinematics, from variable in length rods, mainly on cardan or Ball joints are freely movable, an end effector or a workpiece together side by side, so parallel, wear and these are moved by appropriately coordinated changes in length or position of the rods, with relatively large freedom in the working space.

Der Arbeitsraum einer Maschine, die Parallelkinematik verwendet, ist jedoch verhältnismäßig klein, wenn man ihn mit einer konventionellen Maschine ähnlicher Abmessungen vergleicht, insbesondere im Vergleich zu Maschinen mit bewegten Portalen. Außerdem setzt das sehr komplexe dynamische Verhalten der veränderlichen Stäbe und dies im Zusammenspiel mit den stark belasteten Gelenken einer hoch beschleunigten und zugleich sehr exakten Bewegung Grenzen.The working space of a machine using parallel kinematics, however, is relatively small when compared to a conventional machine of similar dimensions, especially when compared to machines with moving gantries. In addition, the very complex dynamic behavior of the variable rods and this in conjunction with the heavily loaded joints of a highly accelerated and at the same time very precise movement limits.

Es auch schon zur Entwicklung von Hybridformen gekommen, die sowohl traditionelle Achsanordnungen als auch Parallelkinematiken kombinieren, z. B. in der Form, dass eine traditionelle Portalmaschine eine Parallelkinematik anstelle eines mehrachsigen Schwenkkopfes trägt. Ein Beispiel hierfür ist aus US 7 357 049 B2 bekannt.There have also come to the development of hybrid forms that combine both traditional axle arrangements and parallel kinematics, z. B. in the form that a traditional gantry machine carries a parallel kinematic instead of a multi-axis swivel head. An example of this is off US Pat. No. 7,357,049 B2 known.

Solche Kombinationen weisen zugleich in eine gegenüber der Parallelkinematik nahezu genau entgegengesetzte Entwicklungstendenz, also sogar in das Aneinanderreihen von noch mehr Achsen, die schon seit geraumer Zeit, beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldungen EP 594699 A1 , bekannt geworden ist.At the same time, such combinations have a development tendency which is almost exactly opposite that of parallel kinematics, that is to say even the juxtaposition of even more axes, which have been known for some time, for example from European patent applications EP 594699 A1 , has become known.

EP 594699 A1 lehrt die parallel überlagerte (redundante) Bewegung von längeren Basisachsen und kürzeren Zusatzachsen, wobei die Zusatzachsen durch ihre kleineren Wege und Spannweiten sehr viel kleiner bauen und damit leichter sind, also mit weniger Kraft zu beschleunigen. EP 594699 A1 teaches the parallel superimposed (redundant) movement of longer base axles and shorter auxiliary axles, whereby the additional axles are much smaller due to their smaller ways and spans and thus are lighter, that is to accelerate with less force.

Dies führt je nach Abwägung eher zu höheren Beschleunigungen bei gleichen Kräften, oder geringeren Rückwirkungen bei gleichen Beschleunigungen, so dass sowohl Genauigkeit, als auch Geschwindigkeit hiervon profitieren können.Depending on the consideration, this leads rather to higher accelerations with the same forces, or fewer reactions with the same accelerations, so that both accuracy and speed can benefit from this.

Ganz ähnliches gilt auch für EP 927596 , nur dass hier nicht einige Bewegungsachsen mit großen Massen, sozusagen in kleiner und leichterer Form, dupliziert werden, sondern dass eine redundant wirksame Überlagerung der Bewegung der langen Maschinenachsen durch Kombination aus einer zur Bearbeitungsfläche senkrecht rotierenden und einer hieran gekoppelten Linearachse erreichbar wird.Quite similar applies to EP 927596 , except that not some motion axes with large masses, so to speak in smaller and lighter form, duplicated, but that a redundant effective superposition of the movement of the long machine axes by combination of a perpendicular to the machining surface and a coupled thereto linear axis is reached.

Auch hiermit können relativ hoch beschleunigte Bewegungen des Wergzeuges gegenüber dem Werkstück erzielt werden, ohne dass hierzu große Massen entsprechend beschleunigt werden müssen.Hereby, relatively high-speed movements of the tool relative to the workpiece can be achieved without the need for large masses to be accelerated accordingly.

Eine der ältesten Fehlervermeidungsstrategien bei Maschinen aller Art, ist die Bewegung von Ausgleichsmassen, oben als Impulsausgleich bezeichnet. Auch für Werkzeugmaschinen ist dieses Verfahren grundsätzlich seit langem bekannt. Dieses Verfahren bietet, je nach spezieller Ausführung, teilweise eine sehr gute Unterdrückung von Schwingungen oder sonstigen störenden Bewegungen von Werkzeugmaschinen, wobei jedoch ein Problem dann besteht, dass praktisch alle bewegten Massen mindestens doppelt vorhanden sein müssen, wenn die Bewegungsbahnen der Ausgleichsmassen nicht übermäßig lang werden sollen. Die zusätzliche Masse wird zwar durch die schwächeren dynamischen Kraftwirkungen aus den jeweils getragen Achsen theoretisch überkompensiert, jedoch immer nur in der Summe der Kräfte in einer Achsrichtung.One of the oldest error avoidance strategies in machines of all kinds is the movement of balancing weights, referred to above as the momentum compensation. For machine tools, this process has been known in principle for a long time. This method provides, depending on the specific embodiment, in part, a very good suppression of vibrations or other disturbing movements of machine tools, but a problem then exists that virtually all moving masses must be present at least twice, if the trajectories of the balancing weights are not excessively long should. Although the additional mass is theoretically overcompensated by the weaker dynamic force effects from the respective axles borne, but always only in the sum of the forces in one axial direction.

Die Teilbelastungen innerhalb einer Achsrichtung, also innerhalb einer Achsstufe, sind bei hohen Beschleunigungen sehr hoch und der Maschinenaufbau ist insgesamt aufwendig.The partial loads within an axis direction, ie within an axis stage, are very high at high accelerations and the overall machine structure is complicated.

Eine bekannte Unterform der Verwendung von Ausgleichsmassen besteht darin, dass statt separat platzierter und angetriebener Ausgleichsmassen die An- und Abtriebsseite einer Bewegungsvorrichtung gegenüber einem Maschinen(grund)rahmen in einer gemeinsamen Achse bewegbar bleiben und die Bewegung vorwiegend durch gemeinsame entgegengesetzt wirksame Kraftwirkung des Antriebes und der Massenverhältnisse von Antriebs- und Abtriebsseite bestimmt werden. In den Maschinenrahmen selbst werden daher keine oder zumindest sehr viel geringere Reaktionskräfte eingeleitet.A known sub-form of the use of balancing masses is that instead of separately placed and driven balancing the input and output side of a moving device relative to a machine (basic) frame in a common axis remain movable and movement predominantly by common opposite effective force of the drive and the Mass ratios of drive and driven side are determined. Therefore, no or at least much lower reaction forces are introduced into the machine frame itself.

Diese Variante wird auch als Ruck- oder Impulsentkopplung bezeichnet und ist unter anderem aus DE 198 10 996 A1 bekannt.This variant is also referred to as jerk or impulse decoupling and is among other things DE 198 10 996 A1 known.

EP 1 724 954 A1 offenbart den Einsatz von Zusatzachsen mit Impulsausgleich in einer besonderen orthogonalen parallelkinematischen Zusatzachsenkonfiguration, bei der jeder Zusatzachsenrichtung (dort U, V) eine den bewegten Massen entgegenwirkende Ausgleichsmasse zugeordnet ist, die mit einem eigenen Antrieb, exakt synchron und entgegen der Nutzmasse (dem Endeffektor) bewegt wird. EP 1 724 954 A1 discloses the use of additional axes with pulse compensation in a special orthogonal parallel kinematic additional axis configuration in which each additional axis direction (there U, V) is associated with a masses counteracting the moving masses which moves with its own drive, exactly synchronous and counter to the payload (the end effector) becomes.

Dies bewirkt jedoch gerade in der dort beschriebenen besonderen Achskonfiguration keinen vollständigen Impulsausgleich in allen Betriebssituationen sondern nur dann, wenn die zu der jeweiligen zu kompensierende Achsrichtung querverlaufende Achsrichtung, also V bei U und U bei V, sich in ihrer jeweiligen Mittelstellung befinden, da sonst ein Drehmoment, aus der seitlichen Teilverschiebung der bewegten Nutzmasse, gegenüber der Richtung der Antriebskraftwirkung resultiert.However, this does not cause complete impulse compensation in all, especially in the special axis configuration described there Operating situations but only if the transverse to the respective axial direction to be compensated axial direction, ie V at U and U at V, are in their respective center position, otherwise a torque from the lateral partial displacement of the moving mass, compared to the direction of the driving force effect results.

Je nach konkreter Ausführung einer derartigen Achskonfiguration und Auslenkung der beteiligten Achsen kann dieses Drehmoment bis zu etwa 20% der unerwünschten Wirkung entfalten, die von einer völlig unkompensierten bewegten Nutzmasse ausgehen würde. Diese maximale Wirkung tritt in der Praxis in bisherigen Anwendungen eher selten auf, da der Anmelder von EP 1 724 954 A1 , in anderen thematisch verwandten Dokumenten, empfiehlt die Zusatzachsen möglichst immer tendenziell in ihre Mittellage zu bewegen, wenn auch mit einer anders motivierten Begründung, so dass dies eher auf Zufall beruht.Depending on the specific implementation of such axis configuration and deflection of the axes involved, this torque can develop up to about 20% of the undesired effect that would emanate from a completely uncompensated moving mass. This maximum effect rarely occurs in practice in previous applications, as the applicant of EP 1 724 954 A1 , in other thematically related documents, recommends the additional axes always tend to move into their middle position, albeit with a different motivated justification, so that it is more based on chance.

Da eine solche Empfehlung jedoch die Effizienz der Zusatzachsen einschränken kann, wie aus anderen Dokumenten bekannt, beispielsweise WO 2008/148558 und WO 2009/000466 , ist diese Problematik noch weitaus störender als sie zunächst erscheint und kann hiervon unabhängig, je nach Genauigkeitsanforderung, in einem weiten Spektrum von Anwendungen für Zusatzachsen, die Genauigkeit einer Bearbeitung oder Messung relevant beeinträchtigen.However, as such a recommendation may limit the efficiency of the auxiliary axes, as known from other documents, for example WO 2008/148558 and WO 2009/000466 , this problem is even more disturbing than it initially appears and can independently, depending on the accuracy requirement, in a wide range of applications for additional axes, affecting the accuracy of processing or measurement relevant.

Das Dokument WO 2009/006031 soll eine weitere Möglichkeit zum Impulsausgleich innerhalb einer Zusatzachsenkonfiguration offenbaren.The document WO 2009/006031 is intended to reveal another possibility for impulse compensation within an auxiliary axis configuration.

Die zweidimensional wirksamen Zusatzachsen werden hierbei durch eine um einen gewissen Winkelbereich schwenkbare Linearachse realisiert, wobei der Antrieb in der Linearachse, der dort über eine Kugelgewindespindel erfolgt, zugleich auch eine Spindel auf der gleichen Achse und in Gegenrichtung antreibt, mit der eine Ausgleichsmasse angetrieben wird, die der angetriebenen Nutzmasse entspricht.The two-dimensionally effective additional axes are in this case realized by a pivotable about a certain angle range linear axis, the drive in the linear axis, which takes place there via a ball screw, at the same time also drives a spindle on the same axis and in the opposite direction, with a balancing mass is driven, which corresponds to the driven payload.

Durch eine um ihre Rotationsachse ausbalancierte rotierende Mechanik welche die Linearachse trägt, und zwei gegenüberliegende Antriebsmotoren für eine gemeinsamen Drehkranz, soll so eine nach außen kräftefreie Bewegung der Zusatzachsen möglicht sein. In der Beschreibung wird mehrmals darauf hingewiesen, dass sich die Trägheitswirkungen der Antriebsmotoren ausgleichen, z. B. erste Zeile S. 8 und Anspruch 4.By a balanced about its axis of rotation rotating mechanism which carries the linear axis, and two opposite drive motors for a common turntable, so an outwardly force-free movement of the additional axes should be possible. In the description, it is pointed out several times that balance the inertia effects of the drive motors, z. B. first line p. 8 and claim 4.

Aber erstens rotieren beide Motoren in die gleiche Richtung, so dass sich deren Drehmomente nicht ausgleichen sondern addieren und zweitens würde, selbst wenn man in Rechnung stellt, dass sich Momente teilweise ausgleichen, beispielsweise um das Getriebespiel zu minimieren, dennoch nicht das weitaus größere Drehmoment zur Beschleunigung einer rotatorischen Bewegung der Zusatzachsen ausgeglichen werden, sondern über die beiden Antriebsmotoren oder die zugehörigen Getriebe auf die jeweils tragenden Strukturen wirken.But first, both motors rotate in the same direction, so that their torques do not compensate but add and second, even if one takes into account that partially compensate for moments, for example, to minimize the transmission clearance, yet not the much larger torque to Acceleration of a rotational movement of the additional axes are compensated, but on the two drive motors or the associated gear acting on the respective supporting structures.

Somit führen sehr wohl hohe Beschleunigungen zur Anregung von temporären Verformungen und Schwingungen und beeinträchtigen daher die Genauigkeit.Thus, very high accelerations lead to the excitation of temporary deformations and vibrations and therefore affect the accuracy.

Aus DE 100 277 75 A1 ist bekannt, wenn auch ohne Verwendung von Zusatzachsen, die Kraftrückwirkungen einzelner oder mehrerer parallel und miteinander zeitlich koordiniert bewegter Maschinenelemente auf eine Maschinenbasis, zusammengefasst durch eine einzelne in exakter Gegenrichtung bewegbare und angetriebene Ausgleichsmasse zu kompensieren. Zusätzlich ist für den Fall, dass es nicht möglich ist die Ausgleichsmasse auf einer Achse mit dem effektiven Schwerpunkt der zu kompensierenden Masse zu bewegen, und hieraus ein Kippmoment entstehen würde, vorgesehen die Kompensation auf mehrere Ausgleichsmassen zu verteilen, die in passender Weise um die in ihrer Kraftwirkung zu kompensierende Achse herum angeordnet sind und gemeinsam koordiniert derart angetrieben werden, dass ihr effektiver Schwerpunk sich auf der gleichen Achse bewegt wie der effektive Schwerpunkt der bewegten Maschinenelemente. Des weiteren wird gelehrt, dass der Ausgleich des besagten Kippmomentes auch durch orthogonal zur Bewegungsrichtung der Maschinenelemente bewegbare Ausgleichsmassen kompensiert werden kann.Out DE 100 277 75 A1 It is known, although without the use of additional axes, to compensate for the force repercussions of individual or a plurality of machine elements moving in parallel and with one another in a coordinated manner on a machine base, combined by a single compensating mass which can be moved and driven in the exact opposite direction. In addition, in the event that it is not possible to move the balancing mass on an axis with the effective center of gravity of the mass to be compensated, and from this a tilting moment would arise, provided to distribute the compensation to several balancing weights, which in an appropriate manner to the in their axis of force to be compensated are arranged around and co-ordinated driven so that their effective center of gravity moves on the same axis as the effective center of gravity of the moving machine elements. Furthermore, it is taught that the compensation of the said tilting moment can also be compensated by means of balancing masses movable orthogonally to the direction of movement of the machine elements.

Jedoch eignet sich keine der dort beschriebenen Einrichtungen und Verfahren zur Kompensation von Kraftrückwirkungen, insbesondere von Drehmomenten, aus in ihrer Lage mehrdimensional verschiebbaren und nicht an feste Bahnen gebundenen Maschinenelementen, zumal die auf vorgegebene Bahnen bezogenen Kompensationsmethoden, schon nicht wie dort beschrieben funktionieren würden, da es unrichtig ist, dass bei mehrdimensionalen Bewegungsbahnen eine Ausgleichsmasse sich nur auf der gleichen Bahn, jedoch in Gegenrichtung bewegen müsse.However, none of the devices and methods described therein for compensating for force repercussions, in particular torques, from machine elements that are multidimensionally displaceable and not bound to solid webs, especially since the compensatory methods related to given webs would not work as described there it is incorrect that in multidimensional trajectories a balancing mass must move only on the same track, but in the opposite direction.

Siehe insbesondere beispielhaft Absatz [0005] und Ansprüche 3 bis 6, und 17, 18. dort. Dies offenbart ein Missverständnis über die Kraftverhältnisse bei Bewegungen in mehreren Dimensionen, da es für Maschinenelemente und Ausgleichsmassen die sich auf parallelen (oder selbst effektiv identischen) mehrdimensionalen Bahnen in entgegengesetzter Richtung bewegen, niemals zu einer kontinuierlichen Kompensation von Kräften kommen kann.See in particular by way of example paragraph [0005] and claims 3 to 6, and 17, 18 there. This reveals a misunderstanding of the force relationships in multi-dimensional motions, since machine components and balance masses traveling in opposite directions on parallel (or even effectively identical) multi-dimensional paths can never experience continuous compensation of forces.

Man stelle sich hierzu beispielhaft die gegenläufige überlagerte Bewegung von zwei Massen auf einer beliebigen S-Kurve vor – egal ob symmetrisch oder nicht – und es ist unmittelbar einleuchtend, dass hierbei erhebliche Drehmomente, in etwa um das Zentrum der jeweiligen S-Kurve herum orientiert auftreten, die sich nur bei Annäherung der beiden Massen im Zentrum zunehmend abschwächen und bei der Bewegung auf einem gemeinsamen Geradenabschnitt aufheben, da hier temporär der gewöhnliche Kompensationsfall vorliegt. For example, consider the opposing superimposed motion of two masses on any S-curve - whether symmetric or not - and it is immediately obvious that significant torques occur around the center of the S-curve , which only gradually weaken when approaching the two masses in the center and cancel in the movement on a common line segment, since this is the temporary case of compensation.

Auch eine achsensymmetrische Bewegung wäre wenig sinnvoll, da hierdurch wiederum hohe zur Ausrichtung der Hauptbewegung orthogonale Kraftkomponenten auftreten würden. Der in DE 100 277 75 A1 beschriebene Einsatz orthogonal zur Hauptrichtung bewegbarer Ausgleichsmassen (siehe Anspruch 7) bezieht sich jedoch ausdrücklich nicht auf diese Problematik, da Einrichtungen entsprechend den Ansprüchen 5 und 6, einer derartigen Kompensation am dringendsten bedürften, aber Anspruch 7 sich nur auf Anspruch 4 bezieht. Die zweite Hälfte von Absatz [0006] lässt an dieser Interpretation auch keinen Zweifel, da offenbar eine orthogonal orientierte Kompensation dort ausdrücklich nur bei einseitig beabstandeten Parallelbahnen von Maschinenelementen und Ausgleichsmassen für notwendig gehalten wird und sich daher auch die vermeintlich fehlende Notwendigkeit im Verhältnis zu den Ansprüchen 5, 6 erklärt.An axisymmetric movement would also make little sense, as this in turn high force components orthogonal to the orientation of the main movement would occur. The in DE 100 277 75 A1 However, use described orthogonal to the main direction of movable balancing masses (see claim 7) expressly does not relate to this problem, since devices according to claims 5 and 6, such a compensation would most needed, but claim 7 refers only to claim 4. The second half of paragraph [0006] leaves no doubt on this interpretation, since evidently an orthogonally oriented compensation is expressly considered necessary only for unilaterally spaced parallel paths of machine elements and balancing masses, and therefore also the alleged lack of necessity in relation to the claims 5, 6 explained.

Somit enthält DE 100 277 75 A1 keine effektiv nutzbare Lehre zur Drehmomentkompensation von mehrdimensional bewegbaren Maschinenelementen.Thus contains DE 100 277 75 A1 no effectively usable gauge for torque compensation of multi-dimensionally movable machine elements.

Aus dem Dokument EP 1 055 163 B1 ist ein Konzept bezüglich Antrieben und Reaktionskraftkompensation bekannt, wobei auf einem tragenden Maschinentisch feststehende elektromagnetische Spulenantriebe vorgesehen sind, die es erlauben eine monolithische Trägerstruktur, auf der Permanentmagneten jeweils im Bereich der besagten Spuken angebracht sind, gesteuert zu bewegen.From the document EP 1 055 163 B1 A concept relating to drives and reaction force compensation is known, wherein stationary electromagnetic coil drives are provided on a supporting machine table, which allow a monolithic support structure, on which permanent magnets are respectively mounted in the region of the said haunches, to be controlled.

Es ist eine dreiachsige Bewegungsmöglichkeit in einer Ebene vorgesehen, derart das zwei translatorisch wirksame Zusatzachsen (in X und Y Richtung) und zusätzlich eine rotatorische Bewegungsmöglichkeit (dort Z genannt) des Werkstückträgers, durch entsprechende Anordnung der aktiven und passiven Antriebsteile und gegenläufige Ansteuerung der für die translatorischen Bewegungen sonst gleichläufig angesteuerten Antriebe entsteht.It is a three-axis movement possibility provided in a plane, such as the two translationally effective additional axes (in X and Y direction) and in addition a rotational movement possibility (there Z called) of the workpiece carrier, by appropriate arrangement of the active and passive drive parts and opposite control of the for translational movements otherwise identically controlled drives arises.

Die einzige mechanische Führung besteht aus einer auf Fluidlagern gleitenden Unterstützung in der X/Y-Ebene, wobei alle sonstigen zur Beschleunigung und Führung notwendigen Kräfte über die beschriebenen Antriebe erzeugt werden.The only mechanical guide consists of a sliding on fluid bearings support in the X / Y plane, with all other forces necessary for acceleration and guidance are generated by the described drives.

Durch die rein elektromagnetische Führung der Bewegung der besagten Trägerstruktur in der X/Y-Ebene, werden keine Kräfte in diesen Richtungen durch mechanische Führungen auf besagten Maschinentisch übertragen.Due to the purely electromagnetic guidance of the movement of the said support structure in the X / Y plane, no forces in these directions are transmitted by mechanical guides on said machine table.

Alle zur Bewegung notwendigen Kräfte werden in den besagten Antrieben erzeugt und somit auch als entgegengesetzt wirksame Reaktionskräfte durch die feststehenden Antriebsspulen auf den besagten Maschinentisch übertragen, so dass gegenläufig angesteuerte, ebenfalls auf besagten Maschinentisch jeweils gegenüber besagten Antriebsspulen feststehende und passend ausgerichtete Antriebe mit beweglichen Massen zur Krafterzeugung, zu einer völligen Reaktionskraftkompensation gegenüber dem besagten Maschinentisch führen.All forces necessary for movement are generated in the said drives and thus also transmitted as oppositely effective reaction forces through the stationary drive coils on the said machine table, so that counter-actuated, also on said machine table respectively opposite said drive coils fixed and properly aligned drives with movable masses Force generation, lead to a complete reaction force compensation against the said machine table.

Die monolithische Trägerstruktur ist dort als Werkstückträger ausgelegt, da in den dort geschilderten Anwendungsfällen die Werkstückmassen und -abmessungen klein gegenüber den eingesetzten Werkzeugen sind.The monolithic support structure is designed there as a workpiece carrier, since in the applications described there, the workpiece dimensions and dimensions are small compared to the tools used.

Durch die Art der Antriebe ist der Bewegungsspielraum der als Zusatzachsen translatorisch nutzbaren Achsen im Verhältnis zu den Abmessungen und Massen entsprechender Zusatzachskonfigurationen eher gering.Due to the nature of the drives, the range of motion of the axles which can be used translationally as additional axles is rather small in relation to the dimensions and masses of corresponding additional axle configurations.

Bei entsprechend kleinen Werkstückabmessungen ist dies nicht störend, wenn jedoch eine kontinuierliche Bewegung eines Endeffektors, mit möglichst hoher konstanter Relativgeschwindigkeit, an einem mindestens teilweise kompliziert geformten Werkstück entlang notwendig ist, wobei das Werkstück relativ zum besagten Endeffektor eine wesentlich höhere Masse und/oder wesentlich größere Abmessungen hat, so ist je nach typischen Werkstückabmessungen und angestrebten möglichst konstanten Relativgeschwindigkeiten zwischen Endeffektor und Werkstück ein gewisser Mindestbewegungsspielraum (Sz) für die Zusatzachsen notwendig.In accordance with small workpiece dimensions this is not disturbing, however, if a continuous movement of an end effector, with the highest possible constant relative speed along an at least partially complicated shaped workpiece along necessary, the workpiece relative to said end effector a much higher mass and / or much larger Has dimensions, so depending on the typical workpiece dimensions and desired as constant relative speeds between end effector and workpiece a certain minimum range of motion (Sz) for the additional axes necessary.

Diese ergeben sich, wie schon aus dem Stand der Technik bekannt ( WO 2008/148558 A !) hauptsächlich aus der angestrebten konstanten Geschwindigkeit (Vmax) und der maximal nutzbaren Beschleunigung der langwegigen Basisachsen (Ab) nach der Gleichung Sz = 2 Vmax²/Ab. These result, as already known from the prior art ( WO 2008/148558 A !) mainly from the desired constant speed (Vmax) and the maximum usable acceleration of the long-path base axes (Ab) according to the equation Sz = 2 Vmax ² / Ab.

So würden sich beispielsweise für eine Laserschneidanwendung mit Bearbeitungsgeschwindigkeiten von 60 m/min und bei typischen Achsbeschleunigungen für Standardformate (Beispielsweise für Stahltafeln von 3 × 2 m) von 20 m/s² m ein benötigter Bewegungsspielraum von 2 × (1 m/s)²/20 m/s², also 10 cm ergeben.For example, for a laser cutting application with processing speeds of 60 m / min and at typical Axis accelerations for standard formats (for example, steel sheets of 3 x 2 m) of 20 m / s ² m, a required freedom of movement of 2 x (1 m / s) ^2/20 m / s ^2, so resulting 10 cm.

Da jedoch eine Beschleunigung von 20 m/s² für derartige Systeme eher ein praktischer Grenzwert ist, bei dem schon mit erhöhten Vibrationen und Verschleiß gerechnet werden muss, also eher Werte bei 10 m/s² oder darunter anzustreben sind und die Tendenz zu einer doppelt so hohen Schneidgeschwindigkeit im Dünnblechbereich geht,
wäre durchaus mit notwendigen theoretischen Bewegungsspielräumen von 1 m (!) zu rechnen. Glücklicherweise ist der Bedarf in der Praxis gewöhnlich weitaus geringer als diese für den ungünstigsten Fall theoretisch ermittelten Werte.However, since an acceleration of 20 m / s ² for such systems is more of a practical limit, which must already be expected with increased vibration and wear, so values tend to strive at 10 m / s ² or less and the tendency to double so high cutting speed in the thin sheet area goes,
would be quite necessary with the necessary theoretical range of motion of 1 m (!). Fortunately, in practice, the need is usually far lower than these worst case theoretically determined values.

Es gibt verschiedene Methoden (beispielsweise bekannt aus WO 2008/151810 A1 oder WO 2009/027006 A1 ) um den Bedarf an Bewegungsspielraum bei möglichst hoher konstanter Bewegungsgeschwindigkeit zu minimieren, wodurch dieser in den meisten Fällen bis auf etwa 20–30% gesenkt werden kann, was aber immer noch einen Bedarf von etwa 20–30 cm entspricht und mit einer Konstruktion entsprechend dem Stand der Technik aus EP 1 055 163 B1 zu Zusatzachsenkonfigurationen mit unpraktikablen Abmessungen und entsprechend unwirtschaftlichem Betrieb führt.There are several methods known (for example WO 2008/151810 A1 or WO 2009/027006 A1 ) to minimize the need for range of motion at the highest possible constant speed of movement, which can be reduced in most cases to about 20-30%, but still a need of about 20-30 cm corresponds and with a construction according to the State of the art EP 1 055 163 B1 to additional axle configurations with impractical dimensions and correspondingly uneconomical operation leads.

Von diesen grundsätzlichen Erwägungen abgesehen, ist auch eine Fluidlagerung der Zusatzachsen, wie dort dargestellt, für Maschinen mit einem höhern Bedarf an Bewegungsspielraum der Zusatzachsen, insbesondere wenn diese durch Basisachsen bewegt werden, oder höhere Massen mit hoher Beschleunigung bewegen, weniger geeignet.Apart from these fundamental considerations, a fluid bearing of the additional axes, as shown there, for machines with a higher demand for movement of the additional axes, especially when they are moved by base axes, or move higher masses with high acceleration, less suitable.

Weiterhin führt die rein elektromagnetische Führung in den Hauptbewegungsrichtungen bei Mess- oder Werkzeugmaschinen mit den geschilderten Anforderungen zu einem hohen Energieverbrauch und einem kritischen Systemverhalten bei Störungen.Furthermore, the purely electromagnetic guidance in the main directions of movement in measuring or machine tools with the described requirements leads to a high energy consumption and a critical system behavior in case of disturbances.

Aus EP 2 008 763 A1 ist eine Zusatzachsenkonfiguration bekannt, basierend auf aktiven Anteilen von Linearantrieben für zwei Achsrichtungen, die an einer jeweils tragenden Struktur gegenüberstehend fest angebracht sind und passiven Anteilen derselben Linearantriebe, die an gegenüberliegenden Seiten einer plattenförmigen Struktur fest angebracht sind, wobei besagte plattenförmige Struktur insgesamt zweidimensional bewegbar, mittels einer kreuztischartigen Führungsvorrichtung, zwischen den besagten aktiven Antriebsseiten gelagert ist.Out EP 2 008 763 A1 an auxiliary axis configuration is known, based on active portions of linear drives for two axial directions, which are fixedly mounted opposite to a respective supporting structure and passive portions of the same linear drives, which are fixedly mounted on opposite sides of a plate-shaped structure, said plate-shaped structure in total two-dimensionally movable, by means of a cross-table-like guide device, is mounted between the said active drive sides.

Dies ähnelt in der Grundstruktur, abgesehen von der kreuztischartigen Führung, einem Aufbau nach EP 1 055 163 B1 .This resembles a structure in the basic structure, apart from the cross-table-like guidance EP 1 055 163 B1 ,

Dies ergibt ebenfalls nahezu ähnlich ungünstige Verhältnisse zwischen Baugröße und Bewegungsspielraum der Zusatzachsen.This also results in almost similar unfavorable relationships between size and range of motion of the additional axes.

Da kein Impulsausgleich vorgesehen ist, treten, aber insbesondere in der ausführlich beschriebenen ersten Variante, erhebliche Drehmomente sowohl durch das weit auskragend angeordnete bewegbare Werkzeug, als auch durch eine Querverlagerung des Masseschwerpunktes des bewegten Teiles gegenüber der Antriebswirkung auf, wie schon zu EP 1 724 954 A1 ausführlich dargelegt wurde. Letztere Problematik gilt auch für die zweite dort beschriebene Variante.Since no pulse compensation is provided, occur, but especially in the first variant described in detail, considerable torques both by the far projectingly arranged movable tool, as well as by a transverse displacement of the center of mass of the moving part against the drive effect, as already EP 1 724 954 A1 was explained in detail. The latter problem also applies to the second variant described there.

Im Ergebnis lässt sich zusammenfassen, dass die Dokumente des Standes der Technik, zum Betrieb von Achskonfigurationen, bestehend aus relativ langwegigen und trägen Basisachsen sowie relativ kurzwegigen und dynamischen Zusatzachsen, zur dynamischen Bewegung über einem mindestens zweidimensionalen Arbeitsfeld, das im wesentlichen durch den Bewegungsspielraum der langwegigen Basisachsen bestimmt wird, entweder zu wesentlichen Drehmomenten führen, die auf die tragenden Basisachsen und/oder das Maschinengestell wirken und/oder sehr raumgreifenden und massereichen Konstruktionen, die für viele Anwendungen zu unpraktikablen Größen- und/oder Massenverhältnissen zwischen Basisachsen und Zusatzachsenkonfiguration, sowie zu einem hohem Energieverbrauch führen.As a result, it can be summarized that the documents of the prior art, for the operation of axle configurations consisting of relatively long-path and sluggish base axes and relatively short-distance and dynamic additional axes, for dynamic movement over an at least two-dimensional working field, which essentially by the range of motion of langwegigen Basis axes is determined, either lead to significant torques acting on the supporting base axes and / or the machine frame and / or very expansive and massive constructions that for many applications impractical size and / or mass ratios between base axes and additional axis configuration, as well as a lead to high energy consumption.

Aufgabe der Erfindung ist es auf möglichst einfache und effiziente Weise bekannte Achskonfigurationen so zu modifizieren oder neuartige Achskonfigurationen zu konzipieren, derart, dass die Nachteile des Standes der Technik vermieden oder mindestens erheblich vermindert werden, insbesondere das Auftreten von temporären Verformungen und Schwingungen der jeweils Zusatzachsen tragenden Achsen, und/oder tragenden Teilen des Maschinengestelles durch Drehmomente, die aus beschleunigten Bewegungen besagter Zusatzachsen resultieren wobei gleichzeitig ein günstiges Verhältnis zwischen Abmessungen der gesamten Zusatzachsenkonfiguration und dem jeweiligen Bewegungsspielraum der Zusatzachsen erzielt werden soll.The object of the invention is to modify known axle configurations in the simplest and most efficient manner, or to design novel axle configurations such that the disadvantages of the prior art are avoided or at least significantly reduced, in particular the occurrence of temporary deformations and vibrations of the respective additional axles Axes, and / or structural parts of the machine frame by torques resulting from accelerated movements of said additional axes while a favorable ratio between dimensions of the entire additional axis configuration and the respective range of motion of the additional axes is to be achieved.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Hierzu ist, gemäß dem Hauptanspruch der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass für jede Maschinenachse innerhalb der Zusatzachsenkonfiguration eine separate mechanische Führung oder Lagerung zur Bewegung in der besagten Maschinenachse vorgesehen ist, wobei ein aus der Beschleunigung von Zusatzachsen resultierendes Drehmoment auf die jeweils tragenden Strukturen einer Mess- oder Werkzeugmaschine durch effektive Drehmomente einer Mehrzahl linear bewegbarer, separat angetriebener und koordiniert steuerbarer Ausgleichsmassen auf oder gegenüber den besagten jeweils tragenden Strukturen kompensiert wird.For this purpose, it is provided according to the main claim of the present invention, that for each machine axis within the additional axis configuration, a separate mechanical guide or bearing for movement in the said Machine axis is provided, wherein a resulting from the acceleration of additional axes torque is compensated for the respective supporting structures of a measuring or machine tool by effective torques of a plurality of linearly movable, separately driven and coordinated controllable balancing masses on or against said respective supporting structures.

Besagte jeweils tragende Strukturen können feststehende Teile eines Maschinengestelles, Basisachsen, besagte Zusatzachsen tragende Zusatzachsen sowie Führung und Lagerung besagter Zusatzachsen sein.Said respective supporting structures may be fixed parts of a machine frame, base axles, said auxiliary axles carrying additional axles as well as guidance and storage of said additional axles.

Besonders vorzuziehen sind hier Achskonfigurationen, in denen nicht ein monolithisches Teil die Abtriebselemente für mehrere Maschinenachsen enthält, sondern zumindest für einen Antriebsteil, gewöhnlich den Abtrieb, in jeder Maschinenachse eine separate Führung oder Lagerung vorgesehen ist, da dies den Raumbedarf bei größeren Bewegungsspielräumen wesentlich reduziert.Particularly preferred here are axle configurations in which not a monolithic part contains the output elements for several machine axes, but at least for a drive part, usually the output, a separate guide or storage is provided in each machine axis, as this significantly reduces the space required for greater range of motion.

Vorzugsweise werden zur besagten Koordination eine beliebige Kombination aus den Bewegungsparametern, Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck von mindestens zwei Zusatzachsen herangezogen,
wobei dies sowohl translatorisch als auch rotatorisch bewegte Achsen einschließt und als erfindungsgemäße Bewegungsparameter auch von den genannten Parametern abhängige Parameter gelten,
wie es beispielsweise Schwerpunktpositionen oder Trägheitsmomente abhängig von Achspositionen und davon abhängigen Masseverteilungen sind oder ein Drehimpuls abhängig von einer Winkelbeschleunigung und einer gegebenen oder veränderlichen Masseverteilung ist.Preferably, any combination of the motion parameters, position, speed, acceleration and jerk of at least two additional axes are used for said coordination,
this includes both translationally and rotationally moved axes and as movement parameters according to the invention also parameters dependent on the parameters mentioned above,
such as, for example, center of gravity positions or moments of inertia are dependent on axis positions and their dependent mass distributions or an angular momentum is dependent on an angular acceleration and a given or variable mass distribution.

Je nach Zusatzachsenkonfiguration kann vorgesehen sein mit den Elementen der Erfindungen zugleich auch translatorisch wirksame Reaktionskräfte zu kompensieren.Depending on the additional axis configuration can be provided with the elements of the invention at the same time to compensate for translationally effective reaction forces.

Erfindungsgemäß sind alle besagten Reaktionskräfte (rotatorische und translatorische) in der jeweils tragenden Struktur vorzugsweise möglichst nahe ihrem Entstehungsort zu kompensieren,
wobei aber, je nach konkreter Ausgestaltung der zu modifizierenden oder zu konzipierenden Gesamtkonfiguration, die Reaktionskräfte auch auf einer dem Entstehungsort entfernteren Strukturstufe oder über mehrer Strukturstufen aufgeteilt, kompensiert werden können. Im weiteren wird dies an mehreren Beispielen noch näher erläutert.According to the invention, all said reaction forces (rotational and translational) in the respective supporting structure are preferably to be compensated as close as possible to their place of origin,
however, depending on the specific design of the overall configuration to be modified or designed, the reaction forces can also be compensated for on a structural level more remote from the place of origin or over a plurality of structural levels. This will be explained in more detail by several examples.

Am einfachsten ist die Anwendung der Erfindung am Beispiel einer entsprechenden Modifikation einer Zusatzachskonfiguration darstellbar, wie sie grundsätzlich schon aus der WO 2009/006031 bekannt ist, da in einem solchen Fall, also wenn während der Bewegung eines Endeffektors durch alle vorgesehenen Positionen, abgesehen vom auftretenden Drehmoment, schon alle Reaktionskräfte kompensiert sind und die vorhandenen Linearachsen ohnehin nicht erfindungsgemäß(mit)nutzbar sind, lediglich die erfindungsgemäße Kompensation des jeweiligen Drehmomentes verbleibt, abhängig von der momentan benötigten Beschleunigung der rotatorisch wirksamen Achse sowie der Position der Linearachse. Letzteres ist zu beachten, da sich je nach Position der Linearachse das Trägheitsmoment und somit die benötigte Kraft der rotatorisch wirksamen Antriebe für eine definierte Beschleunigung verändert.The easiest way is the application of the invention using the example of a corresponding modification of a Zusatzachskonfiguration represented, as they basically already from the WO 2009/006031 It is known that in such a case, so if during the movement of an end effector by all the intended positions, apart from the torque occurring, all the reaction forces are already compensated and the existing linear axes are not according to the invention (with) usable, only the inventive compensation of the respective Torque remains, depending on the currently required acceleration of the rotationally effective axis and the position of the linear axis. The latter should be noted, since, depending on the position of the linear axis, the moment of inertia and thus the required force of the rotationally effective drives changes for a defined acceleration.

Da sich in einer solchen Konfiguration der Abstand zwischen Krafteinleitungspunkt und Masseschwerpunkt (also der Hebelarm des Drehmomentes) nicht verändert, wäre die veränderliche Antriebskraft der Parameter, über den das Ausgleichsdrehmoment am unmittelbarsten gesteuert werden kann.Since, in such a configuration, the distance between the force application point and the center of gravity (ie the lever arm of the torque) does not change, the variable driving force would be the parameter by which the compensation torque can be controlled most directly.

Dabei kann diese Kraft und das resultierende Drehmoment sowohl rein rechnerisch, beispielsweise aus der bekannten veränderlichen Massenverteilung und der jeweils benötigten Beschleunigung ermittelt werden als auch, insbesondere wo diese Schritte zur Ansteuerung der jeweiligen Achskonfiguration ohnehin benötigt werden, aus den Parametern zur Ansteuerung der rotatorisch wirksamen Zusatzachse ermittelt werden.In this case, this force and the resulting torque can be determined both purely mathematically, for example, from the known variable mass distribution and the acceleration required in each case and, in particular, where these steps for controlling the respective axis configuration are required anyway, from the parameters for controlling the rotationally effective additional axis be determined.

Es handelt sich um eine erfindungsgemäß koordinierte Steuerung von Ausgleichsmassen, da sowohl die Position der translatorisch wirksamen Achse, als auch die Beschleunigung der rotatorisch wirksamen Achse in die Steuerung der besagten Ausgleichsmassen eingeht.It is an inventively coordinated control of balancing weights, since both the position of the translationally effective axis, as well as the acceleration of the rotationally effective axis enters into the control of said balancing weights.

Unabhängig von der Art der Zusatzachsenkonfiguration, aber besonders auch im hier vorliegenden Beispielfall von Zusatzachsenkonfiguration, gilt – wenn Antiebe für die besagte Zusatzachse verwendet werden, die eine hohe Proportionalität zwischen einem leitenden Steuerparameter und ihrer Antriebskraft aufweisen, oder dies durch entsprechende elektronische und/oder steuerungstechnische Maßnahmen zur Motoransteuerung sichergestellt ist – dass bevorzugt der besagte leitende Steuerparameter auch zur proportionalen Ansteuerung für die Antriebe der koordiniert bewegbaren Ausgleichsmassen herangezogen werden kann.Regardless of the nature of the additional axis configuration, but especially in the example case of additional axle configuration present here, applies - if Antiebe be used for said additional axis, which have a high degree of proportionality between a conductive control parameter and its driving force, or by appropriate electronic and / or control technology Measures for motor control is ensured - that preferably said conductive control parameter can also be used for the proportional control for the drives of the coordinated movable balancing masses.

Im vorliegenden Beispiel der WO 2009/006031 wäre dieser Fall jedoch nicht ohne weiteres gegeben, da es schwierig ist, das komplizierte Zusammenspiel aus Getrieben und Motoren mit all seinen Komponenten die sich aus Getriebespiel, überlagerten Reibungsregimen, Elastizitäten und Drehmomenten der Einzelkomponenten ergeben, so zu berücksichtigen, dass ein vorgegebenes Steuersignal eine zuverlässige und annähernd momentan signalproportionale Antriebskraft bewirkt.In the present example the WO 2009/006031 However, this case would not be readily given, since it is difficult, the complicated interaction of gears and engines with all its components resulting from gear play, superimposed friction regimes, Elasticities and torques of the individual components result, so to take into account that a predetermined control signal causes a reliable and almost instantaneous signal proportional driving force.

Besser geeignet sind hierzu Direktantriebe, die ohne jede Getriebekomponente auskommen und mit denen ein proportionaler Verlauf zwischen Steuerparameter und Antriebskraft einfacher, und vor allem bei weitaus geringerer effektiver Elastizität, erreichbar ist, so dass eine Zusatzachsenkonfiguration, wie sie in WO 2009/006031 gezeigt wird, generell, aber ganz besonders zum Einsatz der vorliegenden Erfindung, sehr davon profitiert, wenn der Antrieb der Drehachse durch einen Direktantrieb erfolgt, vorzugsweise indem der dort durch Zahnräder angetriebene Zahnkranz durch die permanentmagnetische, passive Seite eines Linearmotors ersetzt wird, der sich über die Länge mindestens eines der dort gezahnten Anteile erstreckt und die elektrisch angesteuerte aktive Seite des besagten Linearmotors in mindestens einem Bereich auf der tragenden Struktur derart angebracht und so geformt und/oder angeordnet ist, dass die passive Antriebsseite bei Rotation der jeweiligen Zusatzachse sich mit möglichst geringem Luftspalt an der aktiven Seite entlang bewegt.Suitable for this purpose are direct drives, which manage without any gear component and with which a proportional course between control parameters and driving force easier, and especially at much lower effective elasticity, can be achieved, so that an additional axis configuration, as shown in WO 2009/006031 is shown, in general, but especially for use of the present invention, very much benefited when the drive of the axis of rotation takes place by a direct drive, preferably by the driven there by gears sprocket is replaced by the permanent magnetic, passive side of a linear motor, which is about extends the length of at least one of the toothed portions there and the electrically driven active side of said linear motor in at least one region on the supporting structure mounted and / or arranged so that the passive drive side with rotation of the respective additional axis with as low as possible Air gap moved along the active side along.

Unabhängig von der Art der Zusatzachsenkonfiguration sollten bevorzugt die linear bewegbaren separat antreibbaren Ausgleichsmassen auf parallelen Bahnen geführt werden, so dass positionsunabhängig zu jedem Steuerwert auch ein entsprechendes konstantes Drehmoment ohne Nebeneffekte erzeugt werden kann.Regardless of the type of additional axis configuration, the linearly movable, separately drivable balancing masses should preferably be guided on parallel paths, so that a corresponding constant torque without side effects can also be generated independently of the position for each control value.

Neben einer passenden Antriebskraft müssen Masse, Bewegungsspielraum und paralleler Abstand der Bewegungsbahnen ausreichend dimensioniert sein, um während der Bewegung der jeweilig im Drehmoment zu kompensierenden Zusatzachsen, sicherstellen zu können, dass ein ausreichendes Gegenmoment und eine passende Bewegbarkeit der Ausgleichsmassen in jeder Bewegungssituation gegeben ist.In addition to a suitable driving force mass, range of motion and parallel distance of the trajectories must be sufficiently dimensioned to ensure during the movement of the respective additional axes to be compensated in the torque, to ensure that a sufficient counter-torque and a suitable mobility of the balancing weights is given in each movement situation.

Die hier einführend beispielhaft dargestellte erfindungsgemäße Modifikation einer bekannten Zusatzachskonfiguration könnte weitgehend wirkungsgleich auch mittels drehbarer Ausgleichsmassen ausgeführt werden.The here introduced by way of example illustrated inventive modification of a known Zusatzachskonfiguration could be carried out largely the same effect by means of rotatable balancing weights.

Besonders vorteilhaft an der hier vorliegenden Erfindung ist jedoch ihre hohe Flexibilität und wenig aufwändige Integrationsmöglichkeit in bekannte Methoden translatorische Reaktionskräfte zu kompensieren.However, it is particularly advantageous for the present invention to compensate for their high flexibility and low-cost integration possibilities in known methods of translational reaction forces.

Bei Zusatzachskonfigurationen die ähnlich wie die zuvor beschriebene Modifikation, eine zweidimensionale Bewegung eines Endeffektors dadurch erzielen, dass eine translatorisch wirksame Achse mittels einer rotatorisch wirksamen Achse über einen begrenzten Bereich geschwenkt wird, kann es beispielsweise vorteilhaft sein, auf einen Impulsausgleich unmittelbar in der translatorischen Achse zu verzichten und eine besonders kompakte und leicht gebaute translatorische Einheit auf einem robusten Drehgelenk mittels eines Direktantriebes (beispielsweise eines passenden Hohlwellenmotors) zu verschwenken und die auftretenden Reaktionsimpulse sowohl translatorischer als auch rotatorischer Natur, mittels erfindungsgemäßer Einrichtungen zu kompensieren, die um das besagte Drehgelenk herum angeordnet sind, so dass eine Wirkung dieser Kräfte auf die jeweils tragenden Strukturen durch kompensierende Beschleunigung der Ausgleichsmassen vermieden werden kann.For additional axle configurations which, similar to the previously described modification, achieve a two-dimensional movement of an end effector by pivoting a translationally effective axis over a limited range by means of a rotationally effective axis, it may be advantageous, for example, to impulse balance directly in the translational axis dispense with pivoting a particularly compact and easily assembled translational unit on a robust rotary joint by means of a direct drive (for example, a suitable hollow shaft motor) and to compensate for the reaction pulses occurring both translational and rotational nature, by means of inventive devices which are arranged around the said pivot , so that an effect of these forces on the respective supporting structures by compensating acceleration of the balancing weights can be avoided.

Analog gilt dies auch für eine erste translatorisch wirksame Achse die mittels einer zweiten translatorisch wirksamen Achse über eine Fläche bewegt wird.Analogously, this also applies to a first translationally effective axis which is moved by means of a second translationally effective axis over a surface.

Beides ermöglicht eine vergleichsweise kompakte Bauform.Both allow a comparatively compact design.

Erfindungsgemäß ist eine Anordnung der Bewegungsbahnen der separat antreibbaren Ausgleichsmassen ähnlich der Seiten eines Quadrates oder eines Rechteckes wegen der doppelt parallelen Anordnung und der effizienten Aufteilung von Kraftkomponenten bevorzugt.According to the invention, an arrangement of the trajectories of the separately drivable balancing masses similar to the sides of a square or a rectangle is preferred because of the double parallel arrangement and the efficient division of force components.

Es sind erfindungsgemäß auch andere Anordnungen denkbar, die je nach Anwendungsfall beispielsweise aus Platzgründen oder wegen der speziellen Ausrichtung von Achsen oder auftretenden Reaktionskräften auch bevorzugt sein können, nur gestaltet sich dann die Ansteuerung komplizierter, da beispielsweise nicht für jedes Parallelpaar von gegenläufig bewegten Massen ein festes Verhältnis von Kraft und Drehmoment gilt, sondern dies jeweils positionsabhängig bestimmt und berücksichtigt werden muss.There are also other arrangements conceivable according to the invention, which may also be preferred depending on the application, for example, for reasons of space or because of the special alignment of axes or reaction forces, only then the control is complicated, since for example not for each parallel pair of oppositely moved masses a solid Ratio of force and torque applies, but this must be determined depending on position and taken into account.

Dies ist für den Fachmann durchaus zu bewältigen, also insbesondere bei der Erstellung entsprechender Steuerungssoftware zu berücksichtigen, verkompliziert aber die Gesamtkoordination teilweise nicht unerheblich, beispielsweise in Bezug auf eine vorausschauende Einhaltung von Bewegungsgrenzen.This is quite manageable for the person skilled in the art, that is to say in particular in the creation of corresponding control software, but partly complicates the overall coordination not insignificantly, for example with regard to a forward-looking adherence to movement limits.

Da für die meisten Anwendungen der Erfindung eine orthogonale und parallel beabstandete Anordnung der Bewegungsbahnen der separat antreibbaren Ausgleichsmassen bevorzugt sein sollte, beschränkt sich diese Beschreibung im weiteren auf derartige Konfigurationen.Since for most applications of the invention, an orthogonal and parallel spaced arrangement of the trajectories of the separately driven balancing weights should be preferred, this description is further limited to such configurations.

In Fortsetzung des letzten Beispiels wird nun die bevorzugte Koordinaton der Bewegung der erfindungsgemäßen Ausgleichsmassen und die Steuerung ihrer Antriebe beschrieben. In continuation of the last example, the preferred coordination of the movement of the balancing masses according to the invention and the control of their drives will now be described.

Eine Zusatzachsenkonfiguration wie die zuletzt beschriebene, kann während eines Bewegungsablaufes sehr verschieden orientierte Reaktionskräfte entwickeln, die sich in einen translatorischen und rotatorischen Teil zerlegen lassen.An additional axis configuration, such as the one described last, can develop very differently oriented reaction forces during a movement sequence, which can be decomposed into a translational and rotational part.

Rotatorische Reaktionskräfte oder entsprechende Drehmomente entstehen aus der Drehbeschleunigung der rotatorisch bewegbaren Achse, wobei zu berücksichtigen ist, dass sich durch Bewegung in der translatorisch wirksamen Achse die Masseverteilung gegenüber dem Drehpunkt verändert und somit das Drehmoment für eine bestimmte Beschleunigung veränderlich ist.Rotary reaction forces or corresponding torques arise from the rotational acceleration of the rotationally movable axis, wherein it must be taken into account that the mass distribution with respect to the pivot point changes due to movement in the translationally effective axis and thus the torque is variable for a specific acceleration.

Dies wurde auch schon im vorangegangen Beispiel erläutert.This has already been explained in the previous example.

Hinzu kommt jedoch die Problematik der unsymmetrischen Anordnung der Massen gegenüber dem Drehpunkt.However, there is the problem of the asymmetrical arrangement of the masses with respect to the fulcrum.

Hierdurch entstehen auch schon während einer reinen Drehbewegung bzw. Beschleunigung der Drehachse mit dem Schwerpunkt um die Drehachse rotierende translatorische Kraftkomponenten: In einer Line zwischen Drehpunkt und dem Schwerpunkt die aus der Verschiebung des Schwerpunktes resultierende einseitig überschiessende Fliehkraft und parallel zur Bewegung des Schwerpunktes eine Reaktionskraft bei Drehbeschleunigungen.As a result, even during a pure rotational movement or acceleration of the axis of rotation with the center of gravity about the axis of rotation rotating translational force components: In a line between the pivot point and the center of gravity resulting from the displacement of the center of gravity centrifugal force and parallel to the movement of the center of gravity a reaction force spins.

Hinzu kommen die Reaktionskräfte aus der translatorisch wirksamen Achse, je nach deren Schwerpunktposition, Beschleunigung und Masse.In addition, the reaction forces from the translationally effective axis, depending on their center of gravity position, acceleration and mass.

Um die zu kompensierenden Kräfte bestimmen zu können, werden die verschiedenengenannten translatorisch wirksamen Kräfte in ihre Achskomponenten innerhalb der Bewegungsebene der Ausgleichsmassen zerlegt und sodann achsweise addiert.In order to be able to determine the forces to be compensated, the various translationally effective forces are broken down into their axial components within the plane of movement of the balancing masses and then added on an axle-by-axle basis.

Die Resultate werden proportional den Steuerung der Antrieben für die Ausgleichsmassen jeder Koordinate zugeteilt und dabei zwischen den parallel gegenüberliegenden Antrieben gleichgerichtet aufgeteilt.The results are proportionally allocated to the control of the drives for the balancing weights of each coordinate, and split equally between the parallel opposite drives.

Das Drehmoment wird in ebenfalls bekannter Weise in ein Kräftepaar zerlegt, dass dem halben Abstand der jeweils gegenüberliegenden Ausgleichsmassen entspricht und zwischen den Antrieben der Ausgleichsmassen zusätzlich entsprechend gegengerichtet aufgeteilt.The torque is decomposed in a likewise known manner in a pair of forces that corresponds to half the distance of the respective opposing balancing weights and divided in addition counter-directed between the drives of the balancing weights.

Vorteilhaft kann es dabei sein das Gesamtdrehmoment mit allen vorhandenen Ausgleichsmassen gemeinsam zu kompensieren und/oder die momentan oder voraussehbar vorhandenen Auslenkungen der Ausgleichsmassen auf andere Weise bei der Aufteilung der Kräfte zur Kompensation des Drehmomentes zu berücksichtigen,
um die Auslenkung der Ausgleichsmassen auf ihrer Bewegungsbahn und damit auch die benötigte Länge der Bewegungsbahnen zu minimieren.It may be advantageous to compensate the total torque with all existing balancing masses together and / or to take into account the momentarily or foreseeably existing deflections of the balancing masses in another way in the distribution of the forces for compensation of the torque,
to minimize the deflection of the balancing masses on their trajectory and thus also the required length of the trajectories.

Erfindungsgemäß können zur besagten Mehrzahl von Ausgleichsmassen auch solche zählen die schon in an sich bekannter Weise einen Impulsausgleich der Zusatzachsen herbeiführen können.According to the invention, the said plurality of leveling compounds can also include those which can already bring about a pulse compensation of the additional axes in a manner known per se.

Wie zum Stand der Technik an EP 1 724 954 A1 beispielhaft erläutert, kann für manche Zusatzachskonfigurationen beim Einsatz einzelner Ausgleichsmassen oder entsprechend mehrerer koordinierte Ausgleichsmassen, die effektiv wie eine einzelne Ausgleichsmasse wirken, häufig nicht vermieden werden dass aus der Beschleunigung eines Endeffektors mittels Zusatzachsen ein unkompensiertes Drehmoment verbleibt.As in the prior art EP 1 724 954 A1 explained by way of example, for some Zusatzachskonfigurationen when using individual balancing weights or according to several coordinated balancing masses that act effectively as a single balancing mass, often can not be avoided that from the acceleration of an end effector by means of additional axes uncompensated torque remains.

Erfindungsgemäß können dann eine oder mehrere zusätzliche linear bewegbare und unabhängig antreibbare Ausgleichsmassen oder eine erfindungsgemäße Ansteuerung von vorhandenen unabhängig antreibbaren Ausgleichsmassen, ausreichen, um das nach dem Stand der Technik verbliebende störende Drehmoment zu kompensieren.According to the invention, one or more additional linearly movable and independently drivable balancing weights or a control according to the invention of existing independently drivable balancing weights can then be sufficient to compensate for the disturbing torque remaining in the prior art.

Dabei ist die Bewegungsrichtung der linear bewegbaren und separat antreibbaren Ausgleichsmassen nicht zwingend parallel zur Bewegung der in ihrer Kraftwirkung zu kompensierenden Massen oder vorhandener linear wirksamer Ausgleichsmassen, da ein Drehmoment grundsätzlich durch eine Mehrzahl von um eine angenommene Drehachse herum beabstandeten und mindestens in einer geometrischen Teilkomponente parallel bewegbaren antreibbaren Massen erzeugt und/oder kompensiert werden kann.In this case, the direction of movement of the linearly movable and separately drivable balancing masses is not necessarily parallel to the movement of masses to be compensated in their force effect or existing linearly effective balancing masses, since a torque in principle by a plurality of spaced about an assumed axis of rotation and at least in a geometric subcomponent parallel can be generated and / or compensated for movable drivable masses.

Jedoch wird eine Anordnung mit einer hohen hierzu dienenden Nutzkomponente vorzuziehen sein, da hierdurch die Effizienz gesteigert wird und unerwünschte Seiteneffekte vermindert oder ganz vermieden werden können.However, an arrangement with a high useful component serving for this purpose will be preferable since it increases the efficiency and can reduce or eliminate unwanted side effects.

Daher ist es grundsätzlich vorzuziehen, die Führungsbahnen der erfindungsgemäß linear bewegbaren Ausgleichsmassen parallel zueinander auszurichten, auf gegenüber liegenden Seiten und vorzugsweise in mindestens beidseitig ausreichendem Abstand vom Bereich des effektiv zu erwartenden Schwerpunktes der insgesamt zu kompensierenden Kräfte. Der besagte ausreichende Abstand ergibt sich gewöhnlich aus dem zu kompensierenden Drehmoment und der Antriebskraft des jeweiligen Antriebes über den benötigten Geschwindigkeitsbereich hinweg.Therefore, it is generally preferable to align the guideways of the invention according to the invention linearly movable balancing masses on opposite sides and preferably in at least two sides sufficient distance from the range of the effectively expected center of gravity of the total forces to be compensated. Said sufficient distance usually results from the one to be compensated Torque and the driving force of the respective drive over the required speed range.

Grundsätzlich ist bei der Kompensation der durch die Bewegung in Linearachsen auftretenden Drehmomente eine Möglichkeit vorzusehen, die das Drehmoment verursachende angetriebene Massenkomponente (MD) in ihrer wechselnden Schwerpunktposition (PD) orthogonal zur Achsrichtung und zur effektiven Wirkposition der Antriebskraft (WP) zu bestimmen, um mittels entsprechender Verrechnung mit der Schwerpunktposition (PG oder PR) der Restmasse (MR) oder Gesamtmasse (MG = MD + MR) den effektiven Hebelarm (LH) zur Wirkposition der Antriebskraft (WP) bestimmen zu können und durch Multiplikation mit der Antriebskraft (FG) das zu kompensierende Drehmoment (KM).Basically, when compensating for the torques occurring due to the movement in linear axes, it is possible to determine the driven mass component (MD) causing the torque in its changing center of gravity (PD) position orthogonal to the axial direction and to the effective effective position of the driving force (WP) corresponding calculation with the center of gravity position (PG or PR) of the residual mass (MR) or total mass (MG = MD + MR) to determine the effective lever arm (LH) to the effective position of the driving force (WP) and multiplication by the driving force (FG) torque to be compensated (KM).

Beispielrechnung: Ein orthogonal in Richtung V zur linearen Hauptbewegungsrichtung einer beispielhaften Achse U verschiebbarer Werkzeugträger besitzt eine Masse (MD) von 5 Kg. Die beweglichen Teile des Antriebes, sowie zum Halten und Führen des Werkzeugträgers besitzen eine Masse (MR) von insgesamt 10 Kg.Example calculation: An orthogonal in the direction V to the main linear movement direction of an exemplary axis U displaceable tool carrier has a mass (MD) of 5 kg. The moving parts of the drive, as well as for holding and guiding the tool carrier have a mass (MR) of a total of 10 kg.

Die Antriebskraft (FG) sei zentral auf die Masse von 10 kg wirksam und die Masse des Werkzeugträgers von 5 kg sei um maximal 10 cm gegenüber der zentralen Antriebswirkung der Linearachse verschoben.The driving force (FG) is centrally effective on the mass of 10 kg and the mass of the tool carrier of 5 kg is shifted by a maximum of 10 cm from the central drive effect of the linear axis.

Die zentral wirksame Antriebskraft sei 1500 N für eine Beschleunigung von ca. 10 G.
Nach der Formel LH = (PD × MD + PR × MR)/(MD + MR)
wobei hier wegen PR = 0 vereinfacht gilt LH = PD × MD/(MD + MR)
also insgesamt KM = FG × PD × MD/(MD + MR)
ist somit konkret KM = 1500 N × 0.1 m × 5 kg/(10 kg + 5 kg) = 50 Nm(!)The centrally effective drive force is 1500 N for an acceleration of approx. 10 G.
According to the formula LH = (PD × MD + PR × MR) / (MD + MR)
where simplified here because of PR = 0, LH = PD × MD / (MD + MR)
ie total KM = FG × PD × MD / (MD + MR)
is thus concrete KM = 1500 N × 0.1 m × 5 kg / (10 kg + 5 kg) = 50 Nm (!)

An diesem Beispiel wird zugleich nochmals deutlich, dass nicht unerhebliche Anteile der Antriebskraft, auch bei Kompensation der linearen Komponente nach dem Stand der Technik, in die jeweils die Zusatzachsen tragenden und führenden Strukturen eingeleitet werden können – im beschriebenen Fall Kräfte bis zu einigen hundert N in die Führung des Werkzeugträgers orthogonal in Richtung V zur linearen Hauptantriebsrichtung U und seitlich in die Führung der tragenden Linearachse in Richtung U – bei potentiell relativ hochfrequenten Lastwechseln aus bis zu ca. 50 Richtungswechseln pro Sekunde.At the same time, it is once again clear from this example that not inconsiderable proportions of the driving force, even when the linear component according to the prior art is compensated, can be introduced into the structures carrying and carrying the additional axes-in the case described, forces of up to a few hundred N in the guide of the tool carrier orthogonal in the direction V to the linear main drive direction U and laterally in the leadership of the supporting linear axis in the direction U - at potentially relatively high-frequency load changes from up to about 50 changes of direction per second.

Bei einem Abstand der Masseschwerpunkte (LA) der erfindungsgemäßen Ausgleichsmassen von 25 cm würde sich somit eine notwendige Antriebskraft (FA) für jede Ausgleichsmasse von FA = KM/(LA/2)/2 = KM/LA ergeben, also 200 N.At a distance of the center of gravity (LA) of the inventive balancing masses of 25 cm, a necessary driving force (FA) for each balancing mass of FA = KM / (LA / 2) / 2 = KM / LA would result, ie 200 N.

Wenn diese Ausgleichsmassen neben dem Hauptantrieb und der translatorisch wirksamen Ausgleichsmasse der jeweiligen Zusatzache ohne besondere Veränderung der Abmessungen der Zusatzachsenkonfiguration untergebracht werden sollen, also der Bewegungsspielraum der Ausgleichsmassen ähnlich, oder vorzugsweise kürzer, dimensioniert ist, wie der von den zu kompensierenden Zusatzachsen, sollte das Gewicht der Ausgleichsmassen (inklusiver der mitbewegten Motoranteile) in diesem Beispiel etwa je 3 kg betragen.If these balancing weights are to be accommodated next to the main drive and the translationally effective balancing mass of the respective additional thing without any special change in the dimensions of the additional axle configuration, ie the range of motion of the balancing weights is similar, or preferably shorter, as the dimensions of the additional axles to be compensated should be the weight the balancing weights (including the moving motor parts) in this example about each 3 kg.

(Bei gleicher Auslenkung wie der Hauptantrieb wären es 15 kg × 200 N/1500 N also 2 kg) Damit ergibt sich bei einer Masse für die Gesamtkonfiguration aus diesem Beispiel, die pro Achse etwa 10 kg für die bewegten Teile von Führung und Antrieb, 2.5 kg halber Anteil des Werkzeuges, 15 kg – translatorisch wirksame Kompensationsmasse + 12.5 kg halber Anteil der Basis mit aktiven Antriebsteilen, also etwa 40 kg beträgt, bei einer Erhöhung um etwa 4 Kg, ebenfalls pro Achse, eine Zunahme der Masse um etwa 10%.(With the same deflection as the main drive it would be 15 kg × 200 N / 1500 N ie 2 kg). This results in a mass for the overall configuration of this example, which per axle about 10 kg for the moving parts of the guide and drive, 2.5 kg half of the tool, 15 kg - translational effective compensation mass + 12.5 kg half share of the base with active drive parts, ie about 40 kg, with an increase of about 4 kg, also per axis, an increase in mass by about 10%.

Dann würde aber eine derartige Zusatzachsenkonfiguration erst tatsächlich das bieten, was schon in EP 1 724 954 A1 zugesichert wurde:
Zumindest theoretisch eine völlige Kräftefreiheit des Gesamtsystems nach außen.But then would such an additional axis configuration only actually offer what was already in EP 1 724 954 A1 was assured:
At least theoretically a complete freedom of the entire system to the outside.

Eine Vereinfachung der Gesamtkonfiguration ist möglich, indem zur Erzeugung eines passenden Kräftepaares der Antrieb einer translatorisch wirksamen Kompensationseinrichtung der jeweiligen Zusatzachse mit genutzt wird.A simplification of the overall configuration is possible by using the drive of a translationally effective compensation device of the respective additional axis to generate a suitable force pair.

Dies ist ohne weiteres möglich, da allein die resultierenden Kraftverhältnisse über die Zeit ausschlaggebend sind, so dass der Kraftverlauf einer der wie beschrieben angetriebenen Ausgleichsmassen dem besagten Antrieb der Hauptausgleichsmasse zusätzlich beaufschlagt werden kann, so dass bei identischem Abstand der anderen wie beschrieben angetriebenen Ausgleichsmasse vom Schwerpunkt des Hauptausgleichsmasse, ansonsten identische Verhältnisse herrschen.This is readily possible, since only the resulting force relationships over time are crucial, so that the force curve of one of the as described driven balancing masses the said drive the main balancing mass can be additionally acted upon, so that at identical distance of the other driven as described balancing mass from the center of gravity of the main balancing mass, otherwise identical conditions prevail.

Der Herstellungsaufwand und die Gesamtmasse einer erfindungsgemäßen Einrichtung können hierdurch etwas gesenkt werden, da sich der benötigte Bewegungsspielraum der Hauptausgleichsmasse, schon bei einer in diesem Beispiel passenden Massenerhöhung von 2 Kg, nicht verändert und eine kaum merkliche Leistungserhöhung des Antriebs um 10% ausreicht. Vor allem werden Führung und Antrieb einer Ausgleichsmasse eingespart.The production cost and the total mass of a device according to the invention can thereby be slightly reduced, since the required range of motion of the main balancing mass, even at a suitable in this example mass increase of 2 kg, not changed and a barely noticeable increase in power of the drive by 10% sufficient. Above all, the guidance and drive of a balancing mass are saved.

Gerade Konfigurationen, ähnlich der in EP 1 724 945 A1 , sind für die Anwendung einer solchen Erfindungsvariante prädestiniert, da die Hauptausgleichsmassen sich gegenüber der gesamten Zusatzachsenkonfiguration in einer weit außermittigen Position befinden, so dass eine erfindungsgemäße Ausgleichsmasse besonders vorteilhaft auf der gegenüberliegenden Seite und parallel zur jeweiligen Hauptausgleichsmasse der jeweiligen Achse geführt werden kann, möglichst am Rand der Gesamtzusatzachsenvorrichtung, wo leicht der dafür benötigte Platz zur Verfügung steht, so dass sich die Abmessungen der Zusatzachsenvorrichtung nicht oder zumindest nicht wesentlich erhöhen. Straight configurations, similar to those in EP 1 724 945 A1 are predestined for the application of such a variant of the invention, since the Hauptausgleichsmassen are compared to the entire additional axis configuration in a far off-center position, so that a balancing mass according to the invention can be performed particularly advantageous on the opposite side and parallel to the respective main balancing mass of the respective axis, possibly Edge of the Gesamtzusatzachsenvorrichtung where easily the space required for it is available, so that the dimensions of the additional axis device is not or at least not significantly increase.

In Zusatzachsenkonfigurationen, die schon von vornherein eine Aufteilung der synchron angetriebenen Ausgleichsmassen auf mehrere getrennt bewegbare Teilmassen vorsehen, reicht es zur Realisierung der Erfindung, die vorhandenen Antriebe erfindungsgemäß anzusteuern, so dass beispielsweise bei zwei zumindest in etwa gleichgroßen angetriebenen Teilmassen, das zu kompensierende Drehmoment schon durch eine den Antrieben zu gleichen Teilen im Kraftverlauf gegenläufig aufaddierte Differenz kompensiert werden kann.In additional axle configurations, which already provide a division of the synchronously driven balancing masses on several separately movable sub-masses, it is sufficient to implement the invention to control the existing drives according to the invention, so that, for example, in two at least approximately the same size driven sub-masses, the torque to be compensated already can be compensated by a drive equal parts in the force course counter-added difference.

So wären im vorigen Ausgangsbeispiel auch zwei in ihrem Schwerpunkt 25 cm beabstandete getrennt geführte und angetriebene Ausgleichsmassen mit jeweils 7.5 kg Masse vorstellbar, auf die jeweils auch die halbe Antriebskraft entfallen würde, so dass ihre Bewegungen nach dem älteren Stand der Technik völlig synchron und parallel wären.Thus, in the previous starting example, two separately guided and driven balancing masses with a spacing of 7.5 kg mass, spaced 25 cm apart, could be envisaged, each of which would account for half the driving force, so that their movements would be completely synchronous and parallel in the older state of the art ,

Erfindungsgemäß wird nun das Beispieldrehmoment von maximal 50 Nm dadurch kompensiert, dass den zugehörigen Antrieben bei ihrer maximalen Antriebskraft von 750 N und bei einer Stellung der das Drehmoment erzeugenden Masse in einer Extremposition, jeweils die schon oben errechnete Zusatzkraft von 200 N auf einer Seite aufaddiert und der Gegenseite abgezogen wird, so dass ein entsprechendes Gegendrehmoment entsteht. Je nach Position und Beschleunigung ergeben sich hierfür entsprechend geringere Kräfte. Dies erfordert ansonsten lediglich eine Berücksichtigung bei dem erforderlichen Bewegungsspielraum der Ausgleichsmassen, der sich bei Extremstellungen und -Geschwindigkeiten der bewegten Teile entsprechend um einige Prozent erhöhen kann, bzw. die Grenzwerte müssten entsprechend ein wenig reduziert werden, wenn ein sicherer Betrieb, so wie zuvor, ohne sonstige mechanische Modifikationen geplant ist. Dies wäre gewöhnlich schon dadurch gegeben, wenn die maximale Antriebskraft der verwendeten Motoren berücksichtigt wird, also im vorangegangenen Beispiel eine Reserve von 200 N einkalkuliert wird, so dass sich die Maximalbeschleunigung entsprechend um knapp 30% reduzieren würde.According to the invention example torque of a maximum of 50 Nm is compensated by the fact that the associated drives at their maximum driving force of 750 N and at a position of the torque-generating mass in an extreme position, in each case the already calculated above additional force of 200 N added on one side and the opposite side is subtracted, so that a corresponding counter torque arises. Depending on the position and acceleration, correspondingly lower forces result. Otherwise, this only requires consideration of the required freedom of movement of the balancing masses, which can accordingly increase by a few percent in the case of extreme positions and speeds of the moving parts, or the limit values would have to be correspondingly reduced a little if reliable operation, as before, is achieved. is planned without any other mechanical modifications. This would usually already be the case if the maximum drive power of the motors used is taken into account, ie a reserve of 200 N is calculated in the previous example, so that the maximum acceleration would correspondingly be reduced by almost 30%.

Vorzugsweise wird in der Software einer Steuerung und/oder einer Bahndaten erzeugenden Software, die besagte Bahndaten für die Verwendung einer solchen Steuerung bereitstellt, berücksichtigt, dass die besagte Beschleunigungsreserve nur für Bewegungen im Grenzbereich des Bewegungsspielraumes der jeweils orthogonal orientierten Achse in voller Höhe zu berücksichtigen ist, so dass bei geringeren Auslenkungen auch eine entsprechend geringere Abschwächung der Maximalbeschleunigung notwendig ist.Preferably, in the software of control and / or orbit data generating software providing said orbit data for the use of such a control, it is considered that said acceleration reserve is to be considered only for movements in the limit of the range of motion of the respective orthogonally oriented axis in full height , so that at lower deflections, a correspondingly lower attenuation of the maximum acceleration is necessary.

Hierdurch wird der Nachteil einer etwas geringeren Maximalbeschleunigung, bei sonst unverändertem Aufbau einer Zusatzachsenkonfiguration praktisch vernachlässigbar.As a result, the disadvantage of a slightly lower maximum acceleration, with otherwise unchanged construction of an additional axle configuration is practically negligible.

Eine besonders bevorzugte Möglichkeit die Reaktionsdrehmomente ohne Verformung der inneren Struktur einer Zusatzachsenkonfiguration auf die jeweils tragende Struktur zu übertragen, ist möglich indem bei einer ersten translatorisch bewegbaren Zusatzachse in der durch Beteiligung einer weiteren Zusatzachse Masseverlagerungen quer zur Achsrichtung und somit Drehmomente bei der Beschleunigung auftreten, dieses Drehmoment nicht erst über die Achsführungen auf die nächsthöhere Strukturebene zu übertragen, sondern mittels einer Aufteilung des Antriebes besagter ersten Zusatzachse in mindestens zwei quer zur Bewegungsrichtung beabstandete Antriebe, die separat ansteuerbar sind, die Antriebskraft entsprechend den erfindungsgemäßen Antrieben der Ausgleichsmassen aufzuteilen, so dass ein entstehendes Drehmoment entlang der Antriebselemente auf die nächshöhere Strukturebene geleitet wird.A particularly preferred possibility of transmitting the reaction torques to the respective supporting structure without deformation of the inner structure of an additional-axis configuration is possible in the case of a first translationally movable additional axis in which mass displacements transversely to the axial direction and thus torques during acceleration occur through the participation of a further additional axis Torque not first to transmit over the axle guides to the next higher structural level, but by dividing the drive of said first additional axis in at least two spaced transversely to the direction of drives, which are separately controlled to divide the driving force according to the drives of the balancing weights according to the invention, so that a resulting Torque is passed along the drive elements to the next higher structural level.

Dies entlastet die Führungselemente und führt durch Verstetigung und gleichzeitige Minimierung der Reibwertkomponenten zu einem weitaus verbesserten Regelverhalten, vornehmlich im unteren Geschwindigkeitsbereich, also gerade um die bei hohen Beschleunigungen sehr kritischen Umkehrpunkte herum.This relieves the guide elements and leads by steadying and simultaneously minimizing the Reibwertkomponenten to a much improved control behavior, especially in the lower speed range, ie just around the very high reversal points at high accelerations.

Bei Zusatzachskonfigurationen, die es konstruktiv erlauben, dass erfindungsgemäße separat antreibbare Ausgleichsmassen auch an den jeweiligen Zusatzachsen selbst angebracht werden können, kann dies eine bevorzugte Variante sein, die Führung und Lagerung der besagten Zusatzachsen während einer Beschleunigung von Drehmomenten zu entlasten, die den Nachteil des komplizierteren Aufbaus und der zusätzlichen überwiegend statischen Belastung, mehr als aufwiegen kann.In additional axle configurations that allow constructively that separately driven masses according to the invention can also be attached to the respective auxiliary axles themselves, this may be a preferred variant to relieve the guidance and storage of the said additional axles during an acceleration of torques, which has the disadvantage of the more complicated Structure and the additional predominantly static load, more than can outweigh.

Bei völligen Neukonstruktionen, in denen die Erfindung zum Einsatz kommen soll, sind vorzugsweise schon gleiche Massen und Abmessungen der Bewegungsbahnen für alle angetriebenen Ausgleichsmassen vorzusehen, insbesondere auch da dies durch zahlreiche Gleichteile zu einer besonders ökonomischen Realisierung führt.In complete new constructions in which the invention is to be used, the same masses and dimensions of the movement paths are preferably already driven for all Provide balancing weights, especially because this leads by many identical parts to a particularly economical realization.

Dies kann, entsprechend der besonderen Erfindungsausführung mittels mehrerer separat ansteuerbarer Antriebe für eine translatorisch wirksame Zusatzachse weiter optimiert werden, indem Führung und Antriebe in der Ausführung denen der erfindungsgemäßen Ausgleichsmassen entsprechen.This can, according to the particular embodiment of the invention by means of several separately controllable drives for a translationally effective additional axis be further optimized by leadership and drives in the execution of those of the balancing weights according to the invention correspond.

Wenn man sich die Anforderungen an eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung noch einmal insgesamt vor Augen führt, also viele Gleichteile und möglichst parallel ausgerichtete und beabstandete Antriebe sowohl auf der Seite der Zusatzachsen selbst, als auch der angetriebenen Ausgleichsmassen, und das alles im möglichst kompakten Rahmen einer Zusatzachseneinheit, die mindestens eine Bewegung eines Endeffektors in zwei Dimensionen erlaubt, so erscheint es besonders vorteilhaft alle Antriebselemente, Ausgleichsmassen usw. gleichmäßig in einer relativ schmalen Zone um den eigentlichen Arbeitsraum der Zusatzachsen herum anzuordnen und identische Antriebseinheiten sowohl für Zusatzachsen als auch Ausgleichsmassen vorzusehen.If one considers the requirements of a particularly preferred embodiment of the invention once more, so many common parts and as parallel aligned and spaced drives both on the side of the additional axes themselves, as well as the driven balancing weights, and all in the most compact possible an auxiliary axis unit that allows at least one movement of an end effector in two dimensions, it seems particularly advantageous to arrange all drive elements, balancing weights, etc. evenly in a relatively narrow zone around the actual working space of the additional axes and provide identical drive units for both additional axes and balancing weights.

Nachteilhaft gegenüber den zuvor ausgeführten Beispielen und Modifikationen könnte aber die relativ ungünstigere Zugänglichkeit des Endeffektors (beispielsweise für Servicezwecke) sein, so dass in der Praxis auch die noch näher am Stand der Technik orientierten Beispiele für die Erfindung, je nach Anwendungsfall, durchaus gewichtige Vorzüge haben können.However, the relatively unfavorable accessibility of the end effector (for service purposes, for example) could be disadvantageous compared with the previously described examples and modifications, so that, in practice, examples of the invention which are even closer to the state of the art, depending on the application, certainly have considerable advantages can.

Es sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung denkbar, in denen relativ kleine Ausgleichsmassen bevorzugt sein können oder relativ kurze Bewegungsspielräume für die Ausgleichsmassen verfügbar sind, so dass ein vollständiger Ausgleich der auftretenden Drehmomente in allen Betriebssituationen nicht möglich ist.Embodiments of the present invention are conceivable in which relatively small compensating masses may be preferred or relatively short freedom of movement for the compensating masses are available, so that a complete compensation of the occurring torques in all operating situations is not possible.

Für diesen Fall ist vorzusehen, dass der Bereich der Höchstbeschleunigung der Zusatzachsen durch eine entsprechend hoch beschleunigte Bewegung der Ausgleichsmassen zumindest teilweise ausgeglichen wird, und die hierdurch entstehende Geschwindigkeit der Ausgleichsmassen mit einer wesentlich geringeren Beschleunigung wieder gegen Null gebracht wird, während sich die Zusatzachsen weiter mit der Sollgeschwindigkeit bewegen.For this case, it should be provided that the range of the maximum acceleration of the additional axes is at least partially compensated by a correspondingly high-speed movement of the compensating masses, and the resulting speed of the compensating masses is brought back to zero at a much lower acceleration while the additional axes continue to move to move the set speed.

Beim entsprechenden Abbremsen der Zusatzachse wird dann in gleicher Weise eine entsprechende Gegenreaktion der Ausgleichsmassen ausgelöst, so dass sich nach Stillstand der Zusatzachse die Ausgleichsmasse wieder in ihrer vorzugsweise mittigen Ausgangsposition befindet und weitere Beschleunigungsphasen kompensieren können.During the corresponding braking of the additional axle, a corresponding counterreaction of the compensating masses is then triggered in the same way, so that after standstill of the additional axle, the balancing mass is again in its preferably central starting position and can compensate for further acceleration phases.

Selbstverständlich übt das Abbremsen der Ausgleichsmassen nunmehr selbst eine entsprechende Reaktionskraft auf die tragenden Maschinenteile aus, jedoch kann diese, je nach dem zum Abbremsen verfügbaren Bewegungsspielraum der Ausgleichsmassen wesentlich geringer sein, als die kompensierten Kräfte aus der Beschleunigung der jeweiligen Zusatzachsen.Of course, the deceleration of the balancing weights now exerts itself a corresponding reaction force on the supporting machine parts, but this, depending on the available for braking movement range of the balancing masses may be much lower than the compensated forces from the acceleration of the respective additional axes.

Bei durch Basisachsen bewegbaren Zusatzachsen ist vorzugsweise vorzusehen, dass die durch das Abbremsen der Ausgleichsmassen entstehenden Reaktionskräfte nicht wesentlich höher sind, als die, die während Bewegungen der Zusatzachsen durch die Basisachsen entstehen, da die aus den Beschleunigungen der Basisachsen innerhalb der Zusatzachsenkonfiguration entstehenden Kräfte ohnehin konstruktiv zu berücksichtigen sind, so dass keine wesentlichen zusätzlichen Anforderungen an die Stabilität der Gesamtkonfiguration durch die Bewegung der Ausgleichsmassen entstehen.For auxiliary axles movable by base axles, it is preferable to provide that the reaction forces resulting from the braking of the balancing weights are not significantly higher than those which arise during movements of the additional axles by the base axles, since the forces arising from the accelerations of the base axles within the additional axle configuration are constructive anyway must be taken into account so that no significant additional requirements for the stability of the overall configuration caused by the movement of the balancing weights.

Dabei ist zu beachten, dass die Zusatzachsen selbst in vielen vorkommenden oder denkbaren Bewegungskoordinationsmodi zwischen Zusatz- und Basisachsen nur selten beschleunigungslos sind und der den Zusatzachsen eigene begrenzte Bewegungsspielraum zu ähnlichen Bewegungsabläufen führt wie vorstehend für die Ausgleichsmassen beschrieben, so dass tendenziell eine gleiche Beschleunigung für Basisachsen und Ausgleichsmassen zu notwendigen Bewegungsspielräumen der Ausgleichsmassen führt, die denen der Zusatzachsen weitgehend entsprechen.It should be noted that the additional axes are rarely acceleration-free even in many occurring or conceivable motion coordination modes between additional and basic axes and the additional axes own limited range of motion leads to similar sequences of motion as described above for the balancing weights, so that tends to equal acceleration for base axes and leveling compounds to necessary range of motion of the balancing masses that largely correspond to those of the additional axes.

Der Bedarf für den Bewegungsspielraum der Ausgleichsmassen sinkt entsprechend ungefähr umgekehrt proportional zur für die besagte Abbremsung vorgesehenen Beschleunigung.The need for the range of motion of the balancing mass accordingly decreases approximately inversely proportional to the acceleration provided for said deceleration.

Weiterhin ist es vorzuziehen, dass die Schwerpunkte der sich in ihrer linearen Bewegung oder in ihrem Drehmoment ausgleichenden Massen, in den Achsen in denen keine Bewegungen der Zusatzachsen erfolgen, auf einer Ebene liegen, und die erfindungsgemäßen Ausgleichsmassen in einer Gesamtbalance der Massen jeder Bewegungsstufe, wo immer möglich, berücksichtigt sind, so dass durch Bewegung der jeweiligen die Zusatzachsen tragenden Achsen (Basisachsen oder tragende Zusatzachsen) möglichst nicht wiederum Drehmomente (Kippmomente) auf die Zusatzachsen einwirken.Furthermore, it is preferable that the centers of gravity of the balancing in their linear movement or in their torque masses, in the axes in which no movements of the additional axes take place on a plane, and the balancing masses according to the invention in an overall balance of the masses of each movement stage, where always possible, are taken into account, so that by moving the respective axles carrying the additional axes (base axles or supporting additional axles) torques (tilting moments) do not act on the additional axles as far as possible.

Die Art der Basisachsen von Maschinen die entsprechend der Erfindung realisierbar sind, können sehr vielfältig sein.The type of base axes of machines that can be realized according to the invention can be very diverse.

Sowohl Systeme mit bewegten Portalen, fahrbaren oder schwenkbaren Ständern, mit feststehendem oder bewegbarem Material, als auch verschiedene auf Drehgelemken basierende Kinematiken, wie beispielsweise sechsachsige Industrieroboter oder beliebige parallelkinematische Konfigurationen können die Basisachsen bilden. Both systems with moving gantries, mobile or swingable uprights, with fixed or movable material, as well as various pivot-based kinematics, such as six-axis industrial robots or any parallel kinematic configurations, can form the base axes.

Erfindungsgemäße Zusatzachsen zur Bewegung des Endeffektors können vorteilhaft sowohl von einem feststehenden Gestell gegenüber einem bewegten Werkstück oder von jeder sonstigen zur relativ langwegigen Bewegung gegenüber dem Werkstück geeigneten Basis getragen werden.Additional axes according to the invention for moving the end effector can advantageously be carried by a fixed frame in relation to a moving workpiece or by any other base suitable for relatively long-distance movement relative to the workpiece.

Als Endeffektor kann erfindungsgemäß auch gelten, wenn ein kleines Werkstück gegenüber einem größeren Werkzeug bewegt wird.According to the invention, the end effector can also be considered when a small workpiece is moved relative to a larger tool.

Angetrieben werden die Basisachsen gewöhnlich durch Direktantriebe in Form von Linearantrieben, Hohlwellenmotoren, Zahnstangentriebe oder mittels Kugelgewindespindeln. Je nach anwendungspezifischen Anforderungen, benötigtem Bewegungsspielraum der Gesamtmaschine und zu bewegenden Massen könne auch andere elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch wirksame Antriebe erfindungsgemäß genutzt werden.The basic axes are usually driven by direct drives in the form of linear drives, hollow shaft motors, rack and pinion drives or ball screw spindles. Depending on application-specific requirements, required range of motion of the entire machine and moving masses, other electrically, hydraulically or pneumatically active drives can be used according to the invention.

Eine Mess- oder Werkzeugmaschine kann erfindungsgemäß beispielsweise für den Schiff- oder Flugzeugbau zum Vermessen und Bearbeiten größter Bauteile in höchster Detailkomplexität vorteilhaft konzipiert werden, oder für eher alltägliche Dimensionen, beispielsweise in der Größe von Autokarosserien, Waschmaschinen oder Platinen für elektronischen Schaltungen, bis hinunter in die Dimensionen von Zentimetern oder Bruchteilen von Millimetern, für die Abmessungen eines zu vermessenden oder zu bearbeitenden Werkstückes in der Mikrosystemtechnik, Mikroelektronik oder der Nanotechnologie, soweit auch hier die Bedingung gilt, dass die gesamte Zusatzachsenkonfiguration besonders klein und leicht ausgeführt sein muss.A measuring or machine tool according to the invention can advantageously be designed, for example, for shipbuilding or aircraft construction for measuring and processing of the largest components in the highest detail complexity, or for more common dimensions, for example in the size of car bodies, washing machines or circuit boards for electronic circuits, down to the dimensions of centimeters or fractions of millimeters, for the dimensions of a workpiece to be measured or machined in microsystems technology, microelectronics or nanotechnology, as far as the condition applies here that the entire additional axis configuration must be particularly small and lightweight.

Die Grundproblematik – die Größe eines möglichst ununterteilten Arbeitsraumes im Verhältnis zu den zu berücksichtigenden Details einerseits und immer höhere Mess- oder Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei zugleich hoher Genauigkeit nimmt tendenziell immer mehr zu und damit zugleich der Bedarf für höchstmögliche Beschleunigungen, ohne dass dabei Maschinenelemente unerwünscht bewegt oder verformt werden.The basic problem - the size of a possible undivided work space in relation to the details to be considered on the one hand and higher and higher measuring or processing speeds with high accuracy tends to increase more and more, and thus at the same time the need for highest possible accelerations, without causing machine elements undesirable moves or deformed become.

Dies ermöglicht die Erfindung in höherem Maße als es nach dem bisherigen Stand der Technik für Mess- und Werkzeugmaschinen mit Zusatzachsen möglich war.This allows the invention to a greater extent than was possible according to the prior art for measuring and machine tools with additional axes.

Bearbeitungsmethoden für die sich eine erfindungsgemäße Maschine besonders eignet, sind das Schweißen, Schneiden, Fräsen, Gravieren, Markieren, Aufbringen von komplexen Konturen und Strukturen auf Materialien, wie Blech, Kunststoff, Glas, Keramik, Holz und Textilien.Machining methods for which a machine according to the invention is particularly suitable are the welding, cutting, milling, engraving, marking, application of complex contours and structures to materials such as sheet metal, plastic, glass, ceramics, wood and textiles.

Ebenso ist das Rapid Prototyping eine geeignete Anwendung, insbesondere Verfahren in denen Schichten zugeschnitten, Material kleinräumig aufgetragen wird oder aus sonstigen Gründen mit einer im wesentlichen senkrecht zum Material ausgerichteten Energie oder Materialeinbringung gearbeitet werden muß.Likewise, rapid prototyping is a suitable application, in particular processes in which layers are cut, material applied on a small scale or, for other reasons, must be worked with an energy or material introduction oriented substantially perpendicular to the material.

Ferner sind das präzise Bearbeiten kleinster Strukturen oder das präzise Auf- und Abtragen feinster Details mit hoher Geschwindigkeit genauso mögliche Anwendungen der vorliegenden Erfindung, wie auch das Messen und Kontrollieren in den genannten Bereichen, wobei diese nur als Beispiele zu verstehen sind und keine in irgend einer Weise abschließende Aufzählung von Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung darstellen sollen.Furthermore, the precise machining of the smallest structures or the precise application and removal of fine details at high speed are just as possible applications of the present invention, as well as the measuring and checking in the said areas, these being to be understood only as examples and not in any To illustrate a final list of possible applications of the invention.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims

Device for compensation of torques, which arise by acceleration in redundant additional axes in measuring and machine tools by means of a plurality of coordinated linearly movable balancing weights wherein additional axes bearing structures, fixed parts of a machine frame, base axes, said additional axes bearing additional axes, as well as guidance and storage of said additional axes can be characterized in that for each machine axis within the additional axis configuration, a separate mechanical guide or bearing is provided for movement in said machine axis and a resulting from the acceleration of additional axes torque is compensated for the respective supporting structures of a measuring or machine tool by effective torques of a plurality of linearly movable, separately driven and coordinated controllable balancing weights on or against said respective supporting structures.

Torque compensation device according to claim 1, characterized in that a separate mechanical guide or bearing for moving at least one drive part of said machine axis is provided for each machine axis within the additional axis configuration

Torque compensation device according to claims 1 and 2, characterized in that for said coordination, any combination of the motion parameters, position, velocity, acceleration and jerk be used by at least two additional axes, wherein this includes both translationally and rotationally moved axes and as movement parameters also other parameters dependent on the mentioned parameters or derived can be used.

Device for the compensation of torques according to claim 1 to 3, characterized in that at the same time translationally effective reaction forces are compensated with the elements of the invention.

Device for compensating torques according to claims 1 to 4, characterized in that said reaction forces (rotational and / or translational) not on the same or a directly superordinate structural level of the entire axis configuration, but on a higher parent structural level or divided over several structural levels compensated become.

Device for compensating torques according to claims 1 to 5, characterized in that the torque to be compensated is determined directly from the parameters for controlling a rotationally effective axis.

Device for the compensation of torques according to claims 1 to 6, characterized in that both the drives of the additional axes, and the drives of the balancing masses are direct drives.

Torque compensation device according to claims 5 to 7, characterized in that a two-dimensional movement of an end effector is achieved in that a translationally effective axis is pivoted by means of a rotationally effective axis at a pivot joint over a limited angular range wherein a momentum compensation is omitted directly in the translational axis and the movable balancing weights are arranged on or above the structural plane with said pivot joint.

Torque compensation device according to claims 5 to 7, characterized in that a two-dimensional movement of an end effector is achieved in that a first translationally effective axis is moved by means of a second translationally effective axis over a surface wherein a momentum compensation is omitted directly in said first translational axis and the movable balancing masses are arranged on or above the structural plane with said second translational axis.

Device for compensating torques according to claims 1 to 9, characterized in that the arrangement of the guides of the separately driven balancing masses aligned on the sides of a square or rectangle takes place.

Device for compensating torques according to claims 1 to 10, characterized in that the total torque compensated with all existing balancing weights together and / or the momentarily or predictably existing deflection and available range of motion of the balancing weights in the distribution of forces to compensate for the torque is taken into account ,

Device for compensating torques according to claims 1 to 11, characterized in that said plurality of balancing weights also include those that can already bring about without the application of the invention, a pulse compensation of the additional axes in a translational axis.

Device for compensating torques according to claims 1 to 11, characterized in that said plurality of balancing weights consists only of those which can bring about without the application of the invention, a pulse compensation of the additional axes in translational axes.

Means for compensating torques according to claims 1 to 13, characterized in that in a first translationally movable additional axis in which occurs by involvement of another additional axis mass displacements transverse to the axial direction, a division of the drive of said first additional axis takes place in at least two transversely spaced to the direction of drives , which are separately controllable.

Device for compensating torques according to claims 1 to 14, characterized in that separately drivable balancing weights, at least partially, are also attached to additional axles themselves

Device for compensating torques according to claims 1 to 15, characterized in that only a partial compensation of the torques to be compensated is provided.