DE102009057207A1

DE102009057207A1 - Einrichtung zum Erzeugen von Präzisionsbewegungen von Objekten mit hohen Beschleunigungen

Info

Publication number: DE102009057207A1
Application number: DE200910057207
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. habil. Großmann Knut; Dr.-Ing. Möbius Volker; Hubert Höfer; Dr.-Ing. Müller Jens; Kauschinger Bernd
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-12-15
Also published as: DE112010004644A5; WO2011066825A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen von Präzisionsbewegungen von Objekten mit hohen Beschleunigungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Objekt in 6 translatorischen Achsen beweglich angeordnet sind, wobei die Bewegung der Höhenachse an einem z-Schlitten durch 3 parallele Achsen z1, z2, z3 erfolgt und damit außer der z-Koordinate noch kleine Winkel in phi-x und phi-y über entsprechende kleine Wegdifferenzen zwischen den Achsen z1, z2, z3 gestellt werden können und der auf dem z-Schlitten bewegte und die x-Achse tragende y-Schlitten durch 2 parallele translatorische Achsen y1 und y2 beweglich ist und damit außer der Verschiebung in y-Richtung über Differenzvorgaben für y1 und y2 noch eine Winkelvorgabe in kleinen Beträgen für phi-z erfolgen kann und damit ein auf dem x-Schlitten angeordnetes Objekt definiert in 6 Freiheitsgraden beweglich ist, wobei die Steuerung eine Pose [x; y; z; phi-x; phi-y; phi-z] für das bewegte Objekt immer durch entsprechende Längenkoordinaten der 6 translatorischen Achsen (x; y1; y2; z1; z2; z3) vorgibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Präzisionsbewegungen von Objekten im Raum relativ zu einem in seinen Koordinaten bekannten Bezugspunkt in den Richtungen x; y; z mit hohen Beschleunigungswerten für präzise Geschwindigkeitsführung sowie auf eine dafür gestaltete Einrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Einrichtungen bekannt, die für eine Genauigkeitssteigerung von Positionierungssystemen die auftretenden Führungsfehler in mehreren Freiheitsgraden korrigieren können. Für Parallelkinematiken existieren bereits Einrichtungen, die Fehler in sechs Freiheitsgraden korrigieren können.
Bei Einrichtungen mit serieller Kinematik sind Vorrichtungen zur Korrektur nur einer Winkellage bekannt.
Aus US 5 829 932 ist ein Maschinenschlittenaufbau bekannt, der mit Hilfe von mehreren Stellgliedern zwischen Schiene und Schlitten um eine zur Verfahrrichtung senkrechte Achse verstellt werden kann. Dieser Aufbau dient zur Korrektur einer Winkellage und verursacht durch den Einsatz der hydraulisch betätigten Stellglieder zusätzlichen Aufwand.
Aus US 6325578 B1 ist ein Schlittenaufbau bekannt für dessen Bewegungsachse zwei Antriebe achsparallel eingesetzt werden. Durch asynchronen Achsbetrieb ist eine Winkelbewegung für eine Fehlerkorrektur senkrecht zur Bewegungsachse möglich. Dieser Aufbau dient zur Korrektur einer Winkellage. Eine Aussage zur Anwendbarkeit dieses Verfahrens in mehreren Freiheitsgraden enthält diese Schrift nicht.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, dass zur Reduzierung von Strukturschwingungen die Richtung der resultierenden Antriebskraft bei bewegten Objekten durch dessen Massenschwerpunkt orientiert wird. Es sind derzeit nur Einrichtungen bekannt, die diese Anordnung für eine Bewegungsachse realisieren.
Aus US 6698982 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, bei der ein Maschinenschlitten durch zwei achsparallele, symmetrisch zum Schlittenaufbau angeordnete Antriebe verfahren wird, wobei die Antriebsachsen, die Führungsflächen und der Massenschwerpunkt in einer horizontalen Ebene parallel zur Bewegungsrichtung liegt. Durch diese Anordnung führt die resultierende Kraftrichtung stets durch den Massenschwerpunkt des Schlittens.
Aus US 7420298 B2 ist ein Hochpräzision-Maschinenschlitten bekannt, bei dem die translatorische Schlittenbewegung durch zwei parallele, symmetrisch zum Schlitten angeordnete Linearmotoren realisiert wird, wobei der resultierende, vertikale Kraftangriffspunkt des Linearmotors mit dem vertikalen Massenschwerpunkt in einer horizontalen Ebene parallel zur Bewegungsrichtung liegt.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Korrektur von Führungsfehlern bei Positionierungssystemen durch volumetrische Kompensation bekannt.
Aus EP 1967 926 A1 ist eine Vorrichtung und Verfahren zur temperaturabhängigen Korrektur von geometrischen Fehlern eines Positionierungssystems, z. B. einer Werkzeugmaschine, bekannt, bei der speziell für das Positionierungssystem alle Fehlerkomponenten volumetrisch ermittelt, daraus Korrekturwerte berechnet werden, und mit diesen der Steuercode eines Programms für eine Positionierungsfunktion modifiziert wird. Dabei werden für das spezielle Positionierungssystem die berechneten Korrekturwerte für den gesamten Arbeitsraum in einer Korrekturmatrix zur Verfügung gestellt. Das temperaturabhängige Verhalten der Abweichungen wird entweder durch bekannte Materialeigenschaften der Systemgeometrie oder durch mehrere Referenzmessungen bei unterschiedlichen Temperaturen erfasst. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die großen Datenmengen die bei jeder Positionierungsfunktion verarbeitet werden müssen.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 012 105 A1 beschreibt ein Verfahren zur Kompensation von durch Deformation bedingten Positionierungsgenauigkeiten, bei dem zur Vermeidung von zusätzlichen Zeitaufwand die Kompensationswerte in Abhängigkeit von mindestens einem für den Ablauf des Bewegungsprogramms generierten und erfassten Antriebsparameter bestimmt werden. Vor dem Start des Bewegungsprogramms und damit nicht im zeitkritischen Bereich wird ein Deformationsparametersatz als Funktion des mindestens einen Antriebsparameters bestimmt. Die Kompensationswerte werden dann während der Durchführung des Bewegungsprogramms ermittelt.
Allen Präzisionsbewegungen gemeinsam ist die Notwendigkeit der in angemessenen Toleranzgrenzen beherrschten Bewegung in den 6 Freiheitsgraden (x; y; z; ϕ_x; ϕ_y; ϕ_z).
Bei üblicherweise seriell aufgebauten Maschinen mit den Achsen x; y; z, ist nachteilig, dass die immer auch in ϕ_x; ϕ_y; ϕ_z vorhandenen Bewegungen nicht aktiv in die Bewegungsvorgabe einbezogen werden können sondern nur als Fehler betrachtet werden und mit aufwändiger Fertigung und Montage die ϕ_x; ϕ_y; ϕ_z-Bewegungen so klein bleiben müssen, dass die resultierende Gesamtbewegung des Objektes hinreichend in den angestrebten Toleranzen verbleibt. Nachteilig ist dabei gleichermaßen, dass mit steigenden Genauigkeitsforderungen der Aufwand eher exponentiell steigt und zusätzlich die Bauteile hohe Steife verlangen, was zu vergleichsweise größeren Massen führt.
Ebenso sind Einrichtungen bekannt, die über 5 oder 6 gesteuerte Achsen das zu bewegende Objekt translatorisch und entsprechend rotatorisch aktiv steuern und bewegen können, die für solche Einrichtungen erforderlichen Funktionalitäten führen aber zu relativ großen Massen und Trägheiten, die wiederum das Beschleunigungsvermögen begrenzen.
Bei Parallelkinematiken können 6 Achsen gesteuert werden und die dabei bewegten Massen sind relativ gering, die erreichbare Genauigkeit wird aber hier durch die Gelenkeigenschaften und die komplexe Bewegungskinematik begrenzt.
Als entscheidende Defizite im Stand der Technik ist festzustellen, dass jeweils nur einzelne ausgewählte Eigenschaften der technischen Systeme betroffen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen von Präzisionsbewegungen von Objekten in x-, y- und z-Richtung mit hohen Beschleunigungen und relativ geringen Massen und Trägheiten des Systems anzugeben, womit Führungsfehler auf der Bewegungsbahn eines Objektes in allen sechs Freiheitsgraden mit den translatorischen Achsen x, y1, y2, z1, z2, z3 korrigiert werden können, obwohl die geringen Massen des Systems dem entgegenstehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin die vorgenannten Probleme des Standes der Technik zu vermeiden, indem an einer Bewegungseinrichtung für Präzisionsbewegungen nach dem beschriebenen Verfahren aus der aktuell ermittelten und in 6 Freiheitsgraden hoch aufgelösten fehlerbehafteten realen Bewegungsbahn mathematisch die für die technologische Aufgabe bestmögliche Bewegungsbahn bestimmt wird und an der dafür gestalteten Einrichtung bei relativ geringen bewegten Massen hohe Präzision durch hohe Beschleunigungen mit 6 gesteuerten linearen Bewegungsachsen erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 bis 3 genannten Merkmalen an einer dazu beschriebenen Einrichtung gelöst, wobei die Ansprüche 4; 5; 6 die Merkmale zur Gestaltung hinsichtlich Kraftangriff und Schwerpunktlage ergänzen. Anspruch 7 und 8 ergänzen die Merkmale hinsichtlich der Kompensation der auftretenden Reaktionskräfte.
Die Ansprüche 10 bis 16 beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, mit den Vorteile eines einfachen seriellen Maschinenaufbaus (mit geradlinig translatorischen Stellachsen für die Bewegungen in x; y; z bei) der erfindungsgemäßen räumlichen Anordnung der Bewegungsachsen (in achsparallelen Richtungen) über kleine Wegdifferenzen der geradlinig translatorischen Stellachsen zusätzlich Winkelbewegungen in ϕ_x; ϕ_y; ϕ_z erzeugen zu können, wobei die Struktur konsequent so gestaltet ist, dass der Kraftangriff immer im Schwerpunkt der bewegten Einrichtung erfolgt und die beim Beschleunigen in x und y entstehenden Reaktionskräfte durch in gleicher Wirkungslinie und gleicher Größe entgegengesetzt wirkende Kompensationskräfte ausgeglichen werden, was ermöglicht, ein größeres Fehlerband nach Fertigung und Montage zu akzeptieren, da die aktuell mit geeigneten Verfahren ermittelten Bewegungsfehler mit einer den Parallelkinematiken vergleichbaren Steuerung in 6 Achsen korrigiert werden können. Das wiederum ermöglicht einen ausgeprägten Leichtbau der Einrichtung und damit hohe Beschleunigungswerte in den Stellachsen für das Erzeugen räumlicher Bewegungsbahnen hoher Präzision. Der strukturelle Aufbau unterstützt diese Zielstellung mit der Anordnung und Aufteilung der 6 Stellantriebe: der x-Schlitten wird durch einen Antrieb beschleunigt, dem auch die x-Achse tragenden y-Schlitten sind 2 Antriebe zugeordnet und der auch die x- und y-Schlitten tragende z-Schlitten wird durch 3 auf dem Fundament abgestützte Antriebe in senkrechter Richtung beschleunigt.
Die Achsanordnung wird dabei so gewählt, dass die Richtung der resultierenden Kraft stets durch den Massenschwerpunkt der bewegten Objekte verläuft.
Die Korrekturwerte für eine Kompensation sollen hierbei nur für die anstehende technologische Bewegungsbahn und nicht für den gesamten Arbeitsraum gemessen werden. Dadurch wird die zu verarbeitende Datenmenge begrenzt
Zur Ermittlung der Korrekturwerte wird die für die programmierte Arbeitsaufgabe formulierte Bewegungsbahn zeitnah vor der eigentlichen Bearbeitung abgefahren, so dass sich die Randbedingungen bei Messung und Bearbeitung nur geringfügig unterscheiden. Bei der Messung fehlende Bearbeitungskräfte werden bei diesem Ansatz im Finish-Bereich als vernachlässigbar klein angenommen oder können mit zusätzlichen Korrekturen berücksichtigt werden.
Beim Abfahren der Bewegungsbahn im Messarbeitsgang werden alle systematischen Fehlerkomponenten in 6 Freiheitsgraden (geometrische Fehler, Fehler durch Gravitation und Trägheit, thermisch bedingte Deformationen) erfasst. Eine Zuordnung der Fehleranteile zu ihren Ursachen ist dabei nicht erforderlich.
Die strukturelle Gestaltung der Einrichtung ist auf geringe bewegte Massen, Wiederholbarkeit von Bewegungsbahnen und geringe Schwingungsanregungen der Struktur durch die Antriebskräfte gerichtet, aus Fertigung und Montage resultierende Bahnabweichungen werden jedoch unverändert akzeptiert, sofern sie nicht die konstruktiv als zulässig definierten Winkelbeträge von etwa 1 mm/m für ϕ_x (20); ϕ_y (22); ϕ_z (18) am bewegten Objekt (1) überschreiten.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Darstellung der Einrichtung
2 eine Darstellung der Zuordnung der Stellachsen zu den Bewegungsachsen
3 eine Darstellung der Struktur der Einrichtung
4 eine Darstellung des x-Schlittens mit Antrieben und Ausgleichsmasse
5 eine Darstellung des y-Schlitten mit Antrieben
6 eine Darstellung des Mess- und Korrekturverfahrens
7 eine Darstellung der Gestellsäulen
8 eine Darstellung der Lagerung einer z-Spindel
9 eine Darstellung der Justage des z-Schlittens zum Gestell
10 eine Darstellung der Verbindung des z-Schlittens mit der z-Führung
11 eine Darstellung der Verbindung des z-Schlittens mit dem z-Antrieb
12 eine Darstellung der Festkörpergelenke am y-Schlitten
13 eine Darstellung der Verspannung des y-Schlittens mit den drehpunktnahen y-Führungswagen
14 eine Darstellung der Verspannung des y-Schlittens mit den drehpunktfernen y-Führungswagen
15 eine Darstellung von Gestaltungsbeispielen für die Verspannung der Plattenstruktur an den bewegten Schlitten
1 zeigt die Darstellung der Einrichtung am Ausführungsbeispiel. Das zu bewegende Objekt 1 – beispielsweise ein Werkstück – wird auf dem durch die Antriebseinrichtung x 3 bewegten Tisch 2 des x-Schlittens 4 befestigt, der seinerseits auf dem durch zwei Antriebsachsen y₁ 6 und y₂ 7 bewegten y-Schlitten 5 angeordnet ist, der sich auf dem durch drei Antriebseinrichtungen z₁ 8 z₂ 9 z₃ 10 bewegten z-Schlitten 11 befindet. Der z-Schlitten 11 wird an einem mit dem Fundament verbundenen Gestell 12 geführt, welches mit dem Fundament 13 verbunden ist Auf dem Gestell 12 ist eine Stützkonstruktion 14 angeordnet, die beispielsweise ein in einer Motorspindel 15 angeordnetes Werkzeug 16 an fester Stelle senkrecht zum Tisch 2 und mittig zu den Tischbewegungen in x- und y-Richtung stellt.
2 ergänzt zu 1 die Zuordnung der 6 translatorischen Stellachsen zu den 6 zu steuernden Freiheitsgraden: der x-Schlitten 4 wird durch eine Antriebseinrichtung x 3 angetrieben, der y-Schlitten 5 wird durch die parallel angeordneten zwei Antriebseinrichtungen y₁ 6 und y₂ 7 positioniert, die gleichzeitig eine Stellgröße als Positionsdifferenz Δy 17 für eine Winkelkorrektur ϕ_z 18 durch Positionsdifferenzen zwischen y₁ 6 und y₂ 7 erzeugen können. Die drei parallelen Antriebseinrichtungen z₁ 8 z₂ 9 z₃ 10 der z-Achse realisieren das Positionieren des z-Schlittens 11 auf den z-Positionswert und über einzustellende Positionsdifferenzen Δz₁/z_2/3 19 die Einstellung eines Korrekturwinkels ϕ_x 20 bzw. über Δz₂/z₃ 21 die Einstellung eines Korrekturwinkels ϕ_y 22. In x- und y-Richtung wird der z-Schlitten 11 an den die z-Führungssysteme tragenden drei Säulen 23; 24; 25 des auf dem Fundament 13 befestigten Gestells 12 abgestützt.
3 zeigt die die am Ausführungsbeispiel realisierte Struktur des Gestells 12. Der z-Schlitten 11 wird mit Führungssystemen an drei Säulen 23; 24; 25 geführt und dort in x- und y-Richtung abgestützt. Die Säulen sind über die Deckplatte 26 und die Bodenplatte 27 verbunden und stellen das auf dem Fundament 13 befestigte Gestell 12 dar. Die Antriebseinrichtungen z₁ 8 z₂ 9 z₃ 10 sind ebenfalls direkt auf dem Fundament abgestützt.
4 zeigt eine Darstellung des auf dem y-Schlitten 5 angeordneten x-Schlittens 4 mit der Antriebseinrichtung x 3 und den Kompensationsantrieben K1x Kompensationsantrieb 1 29 und K2x Kompensationsantrieb 2 30. Um den Schwerpunkt der mit dem x-Schlitten 4 bewegten Massen in den Angriffspunkt der Kraft 31 der Antriebseinrichtung x 3 tarieren zu können, sind die mit dem x-Schlitten verbundenen Ausgleichsmassen 32 vorgesehen. Diese können mit konstanten Anteilen den Schwerpunkt des x-Schlittens 4 in die gewünschte Lage bringen und bei Bedarf mit zusätzlichen variablen Anteilen der Ausgleichsmassen 32 den x-Schlitten 4 mit einem auf dem Tisch 2 aufgespanntes Werkstück 29 aktuell hinsichtlich der Übereinstimmung von Schwerpunktlage und Kraftangriff zu tarieren.
5 zeigt den z-Schlitten 11 und den darauf angeordneten y-Schlitten 5 mit den Antriebseinrichtungen y1 6 und y2 7 sowie die Kompensationsantriebe Ky₁ 33 zu y1 und Ky₂ 34 zu y2.
6 erläutert symbolisch das der Einrichtung zugeordnete Mess- und Korrekturverfahren. Eine technologisch begründete Bewegungsaufgabe ist über geeignete Geometriebeschreibungen am Werkstück mathematisch formuliert und beinhaltet damit auch die für die Herstellung von Formelementen am Werkstück erforderliche Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Beispielsweise soll eine Bohrung in einem Werkstück 35 gefertigt werden, indem es relativ zu dem an fester Position stehenden rotierenden Bohrer 36 an die Stelle P₁ 37 bewegt wird und für den Bohrvorgang mit der technologisch begründeten Geschwindigkeit in Richtung der Bohrerachse bis zur Position P₂ 38 bewegt wird. Üblicherweise wird dabei angenommen, dass für diese Bewegung nur die z-Positionen verändert werden müssen. Ein Protokoll über die Veränderung der Posen 39 eines Punktes des als Starrkörper betrachteten Werkstückes während dieser z-Bewegung zeigt aber bei entsprechender Auflösung immer bei jedem Bewegungsschritt Veränderungen in allen 6 Freiheitsgraden, wie im Protokoll 39 über den Verlauf von x; y; z; ϕ_x; ϕ_y; ϕ_z in den Zeitschritten Δt aufgeführt. Wenn ein solches Protokoll vorliegt und die Bewegung in 6 Freiheitsgraden steuerungsfähig ist, kann die bestmögliche Vorgabe für die angestrebte Bewegung in allen 6 Freiheitsgraden mathematisch bestimmt werden.
Da der heutige Stand der Technik insbesondere über optische Messverfahren das Erfassen solcher Bewegungsprotokolle ermöglicht, arbeitet die erfindungsgemäße Einrichtung mit einer neuen Genauigkeitsstrategie. Vor einer Präzisionsbearbeitung wird die dafür vorgesehene nominelle Bewegungsbahn ohne Werkzeugeingriff abgefahren, dabei das Poseprotokoll erfasst und daraus die aktuelle Bewegungsvorgabe der technologischen Bewegungsbahn für die 6 Freiheitsgrade erzeugt.
Eine solche Genauigkeitsstrategie verlangt von der Einrichtung nur gute Wiederholbarkeit der Bewegungen. Damit wird an der erfindungsgemäßen Einrichtung bei Fertigung und Montage bewusst ein größeres Toleranzband zugelassen, was neben Aufwandssenkung insbesondere geringere Massen der bewegten Baugruppen ermöglicht, da auch größere statische und thermische Verformungen tolerierbar sind, wenn diese jeweils aktuell erfasst und standardmäßig korrigiert werden.
7 zeigt die Gestaltung der Führungssäulen am Beispiel der Säule 1 23. Mit zwei kräftigen Zugankern 40, die über zwei Lastverteilungsplatten 41 im Flächenschwerpunkt des Säulenprofils 42 angreifen, werden alle zwischen Druckplatte 43 und Grundplatte 44 liegenden Fugen mit hoher Pressung verspannt. Die Verspannung ist dabei so ausgeführt, dass die Zugankerspannung bereits vor der Fertigung der die Führungsschienen aufnehmenden Flächen 45 durch die Hilfsverspannschrauben 46 zwischen der Kopfplatte 47 und der Fußplatte 48 aufgebracht wird. Bei der Montage der Säule 23 auf der Grundplatte 44 erfolgt durch das Anziehen der unteren zentrischen Spannschraube 49 bis zur Entlastung der unteren Hilfsverspannschrauben 46 die Verspannung zwischen Kopfplatte 47 und Grundplatte 44, ohne die Vorspannung der Fugen zwischen Führungssäule 23 und Fußplatte 48 zu lösen oder zu verringern. Nach der Montage der Führungssäule 23 auf der Fundamentplatte 28 kann mit den Justage-Stelleinrichtungen 50 zwischen der Grundplatte 44 und der Fundamentplatte 28 die an der Säule 23 angeschraubte z1-Führungsschiene senkrecht gestellt werden. Wenn alle drei Säulen senkrecht ausgerichtet sind, werden die Deckplatte 26 und die Druckplatten 43 aufgelegt und die obere Zentralschraube 49 bis zur Entlastung der oberen Hilfsverspannschrauben 46 angezogen. Damit ist der Aufbau des Gestells 12 abgeschlossen.
8 zeigt die Gestaltung der Lagerung einer z-Spindel 51 am Beispiel der Antriebseinrichtung z1 8. Die Lagerung wird dabei direkt auf der mit der Fundamentplatte 28 verspannten Grundplatte 44 aufgesetzt. Vor dem Verschrauben der Lagerungseinheit 52 mit der Grundplatte 44 wird die an der Seite der Spindelmutter 53 noch freistehende Spindel senkrecht gestellt. Eine im axialen Kraftfluss angeordnete Kippscheibe 54 ermöglicht die Verspannung so aufzubringen, dass die Spindel 51 in der ausgerichteten senkrechten Lage fixiert wird. Kippscheiben 54 sind so gestaltet ist, dass an diesen Scheiben je zwei schmale Nasen auf der Ober- und Unterseite mittig angebracht sind, welche von Ober- zu Unterseite um 90° versetzt sind und damit trotz hoher Axialsteife ähnlich einer kardanischen Lagerung reagieren bei den vorgesehenen Neigungen im Arbeitsbereich nur kleine Reaktionsmomente erzeugen und im erweiterten Betriebsbereich diese Reaktionsmomente begrenzen.
9 zeigt den für die Montage im Gestell 12 vorbereiteten z-Schlitten 11. Dazu wird der z-Schlitten 11 von oben eingesetzt und mit geeigneten Hilfsmitteln – beispielsweise höhenveränderlichen Stellböcken – abgestützt und so justiert, dass seine Lage in x- und y-Richtung sowie in ϕ_z innerhalb der großzügig bemessenen Toleranzen etwa gemittelt wird und in dieser Stellung die am z-Schlitten 11 durch die x-Achse und die y-Achse auf dem Tisch 2 gebildete Ebene waagerecht liegt. In dieser Position werden die Führungswagen 55 und die Muttern der z-Spindeln 53 mit dem z-Schlitten 11 verbunden. Diese Verbindung erfolgt ausschließlich über axiale Verspannungen, wobei die Kräfte so aufgebracht werden, dass sich die räumliche Lage des Schlittens nicht verändert.
10 zeigt die Ausführung der Verbindungsstellen zwischen dem Führungswagen einer z-Führung 55 und dem z-Schlitten 11. Über eine kräftige Spannschraube 56 werden der z-Schlitten 11 und der Führungswagen 55 über eine zwischengelegte Kippscheibe 57 so verbunden, dass eine hinreichende Steife zur Mitnahme des Führungswagens 55 bei z-Bewegung des Schlittens 11 und eine hohe Steife in x-Richtung und y-Richtung vorliegen, bei kleinen Winkeln ϕ_x 20 und ϕ_y 22 aber nur kleine Reaktionsmomente entstehen und diese durch die Kippscheiben 57 begrenzt werden.
11 zeigt am Beispiel der Antriebseinrichtung z1 8 die Verbindung der Spindelmutter 53 mit dem z-Schlitten 11. Der obere Flansch 58 wird zentrisch zur ausgerichteten Spindel 51 auf den z-Schlitten 11 aufgelegt und über den unteren Flansch 59 mit dem z-Schlitten 11 durch die äußeren Zuganker 60 verspannt, wobei kontrolliert wird, dass sich bei dem Aufbringen der Spannkräfte die Lage der z-Spindel 51 nicht verändert. Danach wird die Spindelmutter 53 mit den inneren Zugankern 61 über die Spannscheibe 62 an den oberen Flansch 58 gespannt, wobei hier zwischen dem oberen Flansch 58 und der Spindelmutter 53 die erste Kippscheibe 63 und zwischen der Spindelmutter 53 und der Spannscheibe 62 eine zweite Kippscheibe 64 angeordnet sind, und damit das bei kleinen Neigungen des Schlitten 11 entstehende Biegemoment auf die z-Spindel 51 begrenzt wird. (Die Wirkungsweise dieser Kippscheiben ist dabei wie zu der Kippscheibe in 8 beschrieben.) Auch hier wird beim Aufbringen der Spannkräfte kontrolliert, dass die z-Spindel 51 in der vorjustierten senkrechten Lage bleibt.
12 zeigt die Ausführung der Verbindung des y-Schlittens 5 mit dem z-Schlitten 11 für das Ausführen kleiner Winkelbewegungen in ϕ_z 13. In die untere Platte des y-Schlittens 5 werden an den Bereichen der Anschraubstellen der y-Führungswagen 66 und 68 Festkörpergelenke eingearbeitet, wobei die Festkörpergelenke in Nähe der der y-Antriebe 6 und 7 befindlichen hinteren Führungswagen 66, wie in 67 gezeigt, nur eine Winkelbeweglichkeit ermöglichen und steif in x- und y-Richtung reagieren. Für die anderen Führungswagen 68 sind die Festkörpergelenke wie in 69 ausgeführt und ermöglichen relativ große Verschiebungen in x-Richtung. Die in x-Richtung arbeitenden Gelenke 69 sind dabei so gestaltet, dass ein dem Dimensionierungsweg entsprechender Spalt 70 in die Gelenkgeometrie eingearbeitet ist und den möglichen Verschiebeweg auf das Spaltmaß begrenzt und so das Gelenk vor Überlastungen schützt.
13 zeigt die Verspannung der Struktur des y-Schlittens 5 mit den hinteren Führungswagen y 66 im Bereich der Festkörpergelenke 67 in z-Richtung, die so gestaltet ist, dass das Verdrehen um den Winkel ϕ_z über den richtungsfesten Führungswagen 66 über Kippen oder Biegen der im Kontaktbereich geschlitzten Stützrippen 63 mit relativ kleinen Reaktionskräften möglich ist.
14 zeigt das Verspannen der Struktur des y-Schlittens 5 auf den vorderen Führungswagen 68. Hier wird durch eine Pendelverspannung 74 die Druckkraft von der Schlittenstruktur über den führungswagenfesten Bereich des Festkörpergelenks 69 mit Kipplatten 73 auf den Führungswagen 68 geleitet. Eine Verschiebung der Schlittenstruktur in x-Richtung durch ϕ_z führt im Bereich dieser z-Verspannung zu einer geringen Neigung α 75 der Kippplatten 73 sowie der Pendelverspannung 74 in der x-z-Ebene und kann deshalb trotz hoher Verspannung mit kleinen Kräften realisiert werden.
15 zeigt Beispiele für die Gestaltung sowie für die Verspannung der Struktur. Die Elemente der Tragstrukturen werden aus Leichtmetallplatten ausgearbeitet und im Wesentlichen zu kastenförmigen Strukturen zusammengefügt. Entsprechend der benötigten Kraftleitung werden zwischen der Deckplatte 76 und der Grundplatte 77 eines Strukturelements Stützrippen 78 angeordnet, die beispielsweise bei einer Dicke von 6 mm und einer dem Abstand von Deckplatte und Grundplatte entsprechenden Rippenhöhe von 200 mm bereits die gewünschte Steife beispielsweise für die Bettung einer Führungsschiene 79 liefern können. Die entsprechende Verspannung durch eine Vielzahl schlanker Zuganker 80 – beispielsweise Gewindestäbe M6 mit mehr als 200 mm Länge – sichert dynamisch stabile und zeitlich konstante Verspannkräfte bei fast ausschließlicher Druckbelastung der Kontaktstellen und wenig ungewollter Biegung. Dazu erfolgt die Verspannung jeweils symmetrisch entweder über einreihige Zuganker zwischen zwei dichtstehenden Stützrippen 81 oder über zweireihige Zuganker neben einer Stützrippe 82. An für die Kraftleitung bedingten Kreuzungsstellen von Stützrippen 83 können diese je einen Schlitz beispielsweise bis zur halben Rippenhöhe und einer Schlitzbreite entsprechend der Rippendicke der anderen kreuzenden Rippe erhalten. Nach dem Zusammenstecken und Verspannen der Rippen sind die Steifeverluste durch die Schlitze vernachlässigbar, da die mit den Rippen verspannten Deckplatten und Grundplatten im Strukturverbund über der Schlitzbreite als unverletzte äußere Faser wirken. Durch die gestaltete Kraftleitung gering beanspruchte Bereiche an den Platten können für Masseeinsparung und weitere Funktionsanforderungen großzügig mit Aussparungen 84 versehen werden. Über in die Plattenelemente eingearbeitete Fügezapfen 85 und Fügenuten 86 lässt sich mit produktiver Fertigung – beispielsweise Wasserstrahlschneiden – die vollständige Struktur-Topologie unkompliziert in die Plattenelemente einprägen. Damit lässt sich ohne mechanische Nacharbeit an der Struktur mit üblicher Montage der korrekturfähige Genauigkeitsbereich erreichen.
Bezugszeichenliste

1: zu bewegendes Objekt, beispielsweise ein Werkstück
2: Tisch
3: Antriebseinrichtung x
4: x-Schlitten
5: y-Schlitten
6: Antriebseinrichtung y1
7: Antriebseinrichtung y2
8: Antriebseinrichtung z1
9: Antriebseinrichtung z2
10: Antriebseinrichtung z3
11: z-Schlitten
12: Gestell
13: Fundament
14: Stützkonstruktion Werkzeugseite
15: Motorspindel
16: Werkzeug
17: Positionsdifferenz Δy
18: Korrekturwinkel
19: Positionsdifferenz z₁/z_2/3
20: Korrekturwinkel ϕ_x
21: Positionsdifferenz Δz₂/z₃
22: Korrekturwinkel ϕ_y
23: Säule 1
24: Säule 2
25: Säule 3
26: Deckplatte
27: Bodenplatte
28: Fundamentplatte
29: K1x Kompensationsantrieb 1
30: K2x Kompensationsantrieb 2
31: Kraftangriff Antriebseinrichtung x
32: Ausgleichsmasse zum Tarieren der Schwerpunktlage x
33: Ky1 Kompensationsantrieb zu y1
34: Ky2 Kompensationsantrieb zu y2
35: Werkstückbeispiel
36: Werkzeugbeispiel
37: P1 Startposition Bohrvorgang
38: P2 Endposition Bohrvorgang
39: Protokoll von Posen
40: Zuganker Gestellsäule
41: Lastverteilerplatten
42: Flächenschwerpunkt Säulenprofil
43: Druckplatte
44: Grundplatte
45: Flächen für Führungsschienen
46: Hilfsverspannschrauben
47: Kopfplatte
48: Fußplatte
49: Spannschraube
50: Justage-Stelleinrichtung
51: z-Spindel der Antriebseinrichtung z1
52: Lagerungseinheit z-Spindel
53: Spindelmutter z-Spindel
54: Kippscheibe
55: Führungswagen z-Führung
56: Spannschraube
57: Kippscheibe
58: oberer Flansch
59: unterer Flansch
60: äußere Zuganker
61: inneren Zuganker
62: Spannscheibe
63: Kippscheibe 1
64: Kippscheibe 2
65: untere Platte des y-Schlittens
66: hintere Führungswagen y
67: Festkörpergelenk als Drehpunkt
68: vordere Führungswagen y
69: Festkörpergelenk für vordere Führungswagen
70: Spalt als Überlastschutz
71: Neigung Stützrippe in x-z-Ebene
72: Geschlitzte Stützrippe
73: Kippplatte
74: Pendelverspannung
75: Neigung α Kippplatten und Pendelverspannung
76: Deckplatte eines Strukturelements
77: Grundplatte eines Strukturelements
78: Stützrippen in einem Strukturelement
79: Führungsschiene
80: Zuganker in der Strukturverspannung
81: einreihige Zugankeranordnung
82: zweireihige Zugankeranordnung
83: Kreuzungsstelle von Stützrippen
84: Aussparungen in Platten der Struktur
85: Fügezapfen
86: Fügenut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5829932 [0004]
US 6325578 B1 [0005]
US 6698982 [0007]
US 7420298 B2 [0008]
EP 1967926 A1 [0010]
DE 102005012105 A1 [0011]

Claims

Einrichtung zum Erzeugen von Präzisionsbewegungen von Objekten mit hohen Beschleunigungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Objekt in 6 translatorischen Achsen beweglich angeordnet sind, wobei die Bewegung der Höhenachse an einem z-Schlitten durch 3 parallele Achsen z1, z2, z3 erfolgt und damit außer der z-Koordinate noch kleine Winkel in phi-x und phi-y über entsprechende kleine Wegdifferenzen zwischen den Achsen z1, z2, z3 gestellt werden können und der auf dem z-Schlitten bewegte und die x-Achse tragende y-Schlitten durch 2 parallele translatorische Achsen y1 und y2 beweglich ist und damit außer der Verschiebung in y-Richtung über Differenzvorgaben für y1 und y2 noch eine Winkelvorgabe in kleinen Beträgen für phi-z erfolgen kann und damit ein auf dem x-Schlitten angeordnetes Objekt definiert in 6 Freiheitsgraden beweglich ist, wobei die Steuerung eine Pose [x; y; z; phi-x; phi-y; phi-z] für das bewegte Objekt immer durch entsprechende Längenkoordinaten der 6 translatorischen Achsen (x; y1; y2; z1; z2; z3) vorgibt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung so strukturell gestaltet ist, dass lediglich geringe bewegliche Massen vorgesehen sind und die wiederholte Ansteuerung der Bewegungsbahn ermöglicht wird, wobei aus Fertigung und Montage resultierende Bahnabweichungen akzeptiert werden, sofern sie nicht die konstruktiv als zulässig definierten Winkelbeträge am bewegten Objekt überschreiten.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsbahn für das bewegte Objekt bestimmt wird, indem mit geeigneten Mitteln relativ zeitnah für eine der technologisch begründeten Zielbewegung repräsentative Vergleichsbewegung an einem Bezugspunkt des bewegten Objektes dessen reale Bewegungsbahn als Folge von Posen [x; y; z; phi-x; phi-y; phi-z] gemessen wird und daraus mit entsprechenden Transformationen aktuell die bestmögliche Annäherung der realen Objektbewegung an die mathematisch beschriebene gewünschte Sollbewegung des Objektes auf der Einrichtung als getaktete Positionsvorgaben der 6 translatorischen Achsen erfolgt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung so ausgebildet ist, dass der Kraftangriff der x-Achse in der Nähe des Massenschwerpunktes der bewegten Einheit der x-Achse erfolgt und für stark differierende Objektmassen mit geeigneten Hilfen die Schwerpunktlage der in x-Richtung bewegten Gesamtmasse jeweils wieder in den Kraftangriffspunkt tarierbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftangriff der Antriebe der y-Achse in gleicher Höhe der Schwerpunktlage x erfolgt und der y-Schlitten so gestaltet ist, dass in dieser Höhe auch der Gesamt-Schwerpunkt der durch die y-Antriebe in y-Richtung bewegten Gesamtmasse liegt, wobei in der Mittelstellung des x-Weges eine zur Mitten-Längsachse der Maschine symmetrische Gestaltung der Maschine vorliegt und damit in Mittelstellung x eine gleichgroße Belastung von y1 und y2 bewirkt, und bei beliebigen x-Positionen dagegen im Ergebnis der an geregelten Antrieben installierten Regelstrategien eine unterschiedliche Belastung von y1 und y2 entsprechend der jeweils resultierenden Schwerpunktlage erfolgt, wobei die Einrichtung insgesamt so ausgestaltet ist, dass in allen Fällen der resultierende Lastschwerpunkt zwischen y1 und y2 verbleibt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftangriff der Antriebsachsen z1, z2, z3 so erfolgt, dass der entsprechend den x- und y-Stellungen in der x/y-Ebene bewegliche Gesamtschwerpunkt der in z-Richtung bewegten Massen immer in dem durch z1, z2 und z3 aufgespannten Dreieck verbleibt und damit an den z-Antrieben je nach Schwerpunktlage zu unterschiedlich großen, aber in allen Fällen noch gleichgerichteten Lastreaktionen führt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass bei Beschleunigung der x-Achse die sich auf dem y-Schlitten abstützende und wie eine äußere Kraft wirkende Reaktionskraft durch einen zusätzlichen Antrieb kompensierbar ist, indem dieser Kompensationsantrieb in entgegengesetzter Richtung zeitgleich eine gleich große Beschleunigungskraft an eine Zusatzmasse anlegt und sich damit die Reaktionskräfte des x-Antriebes und des x-Kompensationsantriebes in ihrer Wirkung aufheben und damit die Anregung von Schwingungen vermieden wird.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Beschleunigung der y-Achse die sich auf dem z-Schlitten abstützenden Reaktionskräfte von y1 und y2 wirkungsgleich wie bei der x-Achse dadurch kompensiert werden, dass jeder y-Teilachse ein Kompensationsantrieb y1 bzw. y2 zugeordnet ist und dieser aktuell entsprechend der Beschleunigungskraft der jeweiligen Teilachse seine Kompensationskraft-Vorgabe erhält.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen z1, z2, z3 bei Beschleunigungsvorgängen des z-Schlittens ihre Reaktionskraft jeweils direkt auf einem Fundament abstützen und so keine Gestellschwingungen anregen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das den z-Schlitten führende Gestell aus drei Säulen besteht, die für Fertigung und Montage jeweils durch einen Zuganker zwischen Fuß- und Kopfplatte verspannt werden, und an denen geradlinig ausgerichtete Führungsschienen befestigt sind, wobei nach dem Aufsetzen der vormontierten Säule die Zugankerverspannung über eine Schraube zur Grundplatte geführt wird, ohne dabei die Zugankerverspannung zu lösen, wobei die Grundplatte mit geeigneten Stelleinrichtungen ermöglicht, die an den Säulen befestigten, gradlinig ausgerichteten Führungsschienen senkrecht zu stellen und in dieser Stellung mit dem Fundament zu verspannen, um danach die Deckplatte aufzusetzen und die Zugankerverspannung mit der Schraube ohne zwischenzeitliches Entspannen des Zugankers über die obere Druckplatte zu führen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf den drei Druckplatten des Gestells eine Stützkonstruktion aufsetzbar ist, um daran beispielsweise eine werkzeugtragende Motorspindel anzuordnen und so die Objektbewegung relativ zu einem feststehenden, rotierenden Werkzeug führen zu können.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der z-Schlitten mit den auf den z-Führungsschienen beweglichen Führungsschuhen so verbindbar ist, dass er durch diese Gestaltung hinreichend steif in den Richtungen x und y führbar ist, aber bei kleinen Neigungen des z-Schlittens in phi-x und phi-y nur kleine Reaktionskräfte entstehen, indem eine in dem Kraftfluss liegende Scheibe so gestaltet ist, dass an ihrer Ober- und Unterseite je zwei schmale und zwischen Ober- und Unterseite um 90° versetzte Nasen angeordnet sind und damit eine hinreichend hohe Axialsteife erreicht wird, aber bei kleinen Neigungen ähnlich einer kardanischen Lagerung nur kleine Reaktionsmomente erzeugt werden.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der z-Antriebsmuttern mit dem z-Schlitten so ausgeführt ist, dass in dem die Mutter des Kugelgewindetriebes mit dem Flansch verspannenden Kraftfluss zwei kardanische Scheiben angeordnet sind und damit bewirken, dass der mit dem z-Schlitten verspannte Flansch sich gegenüber dem senkrecht stehenden Kugelgewindetrieb um phi-x und phi-y in kleinen Beträgen neigen kann und dabei nur geringe Lastmomente auf den Kugelgewindetrieb entstehen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der den x-Schlitten tragende y-Schlitten mit 6 Führungsschuhen auf den beiden y-Schienen geführt wird, wovon zwei, beispielsweise die hinteren, fest mit dem Schlitten verbunden sind, während die anderen durch die Anbindung über geeignete Festkörpergelenke mit hoher Steife in y- und z-Richtung, aber niedriger Steife in x-Richtung mit dem y-Schlitten verbunden sind, so dass bei kleinen Wegdifferenzen von y1 und y2 eine kleine Drehung des y-Schlittens in phi-z entsteht, wobei der Drehpunkt dieser Bewegung zwischen den beiden fest mit dem y-Schlitten verbundenen Schuhen liegt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei den bewegten Strukturteilen ein günstiges Masse-Steife Verhältnis dadurch erreicht wird, dass parallele Platten vorzugsweise aus Leichtmetall über ebenfalls vorzugsweise aus Leichtmetall bestehende Rippen mit Stahl-Zug-Ankern verspannt sind, wobei entweder die Zuganker ihre Spannkraft symmetrisch zwischen zwei relativ engstehenden parallelen Rippen einleiten (Fig...) oder zwei Zuganker ihre Kräfte symmetrisch zu einer Rippe führen, so dass Biegemomente in der Struktur weitestgehend vermieden werden, bei sich kreuzenden Rippen ein ineinander Stecken der Rippen an der Kreuzungsstelle durch entsprechende Aussparungen in den Rippen erreicht wird und über entsprechendes Freimachen der Rippen im Kreuzungsbereich und dadurch entstehende lokale Deformationen der Platte im Kreuzungsbereich auch bei toleranzbehafteten Höhenmaßen der Rippen ein sicheres Verspannen beider Rippen auch im Kreuzungsbereich gewährleistet wird.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vorwiegend auf Druck belasteten Rippen bei Wahrung einer hinreichend hohen Gestaltsteife durch entsprechende Aussparungen in den Rippen erhebliche Massesenkungen möglich machen.