DE102010048435A1

DE102010048435A1 - Machine tool, particularly milling machine, has kinematics assembled in row that form less than six degrees of freedom, which affect on tool holder or work piece

Info

Publication number: DE102010048435A1
Application number: DE201010048435
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2012-04-19

Abstract

The machine tool has a kinematics (2) assembled in a row. Kinematics form less than six degrees of freedom, which affect on a tool holder (30) or a work piece. The machine tool has another kinematics (3) assembled in a row, which form less than six degrees of freedom and has an affect on the tool holder or the work piece, such that work pieces are bounded together by six degrees of freedom of the tool holder or of the work piece.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Fräsmaschine, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a machine tool, in particular a milling machine, according to the preamble of claim 1.

Bei Werkzeugmaschinen wird üblicherweise das Werkzeug durch eine sogenannte serielle Kinematik entlang einer vorgegebenen Bahn am Werkstück entlang geführt und bearbeitet es. Die serielle Kinematik besteht aus einer Abfolge von Führungen und darauf verfahrbaren Schlitten, samt den entsprechenden Motoren, was es mit sich bringt, dass jeder Schlitten bzw. jeder Motor nicht nur das Werkzeug, sondern auch alle werkstückseitig von ihm gelegenen Schlitten und Motoren und Führungen bewegen, stützen und lagern muss. Dies bedingt extrem massive Bauteile, die wiederum das prinzipiell schon hohe Totgewicht noch weiter erhöhen. Dazu kommt noch, dass geometrische Toleranzen der Bauteile sich addieren können und dies auch meist in der Richtung tun, die für den Betrieb am unangenehmsten ist.In machine tools, the tool is usually guided by a so-called serial kinematics along a predetermined path along the workpiece and processed it. The serial kinematics consists of a succession of guides and carriages movable thereon, together with the corresponding motors, which means that each carriage or motor moves not only the tool but also all the carriages and motors and guides located on the workpiece side , support and store. This requires extremely massive components, which in turn increase the principle already high dead weight even further. In addition, geometric tolerances of the components can add up and usually do so in the direction that is most unpleasant for operation.

Man hat verschiedentlich versucht, diese Nachteile durch die Verwendung der sogenannten Parallelkinematiken zu vermeiden. Bei derartigen Kinematiken werden bis zu sechs auf einer festen Plattform gelenkig gelagerte Aktuatoren unabhängig voneinander verwendet, um die Lage des Werkzeugs im Raum zu definieren. Dabei kommen die Vorteile der Parallelkinematik, ihr geringes Gewicht, die intrinsische Unmöglichkeit, dass Toleranzen addiert werden, und ihre hohe Steifigkeit voll zum Tragen. Andererseits aber kommen ihre Nachteile: Die schlechte Berechenbarkeit, die zumeist nur näherungsweise und iterativ, kaum aber in geschlossener Form erfolgen kann, und eine „Umstellung” des Arbeitsplatzes durch die Mechanik, mit dadurch bedingter schlechter Zugänglichkeit zum Werkstück, zur Geltung. Unangenehm ist auch der im Vergleich zum Arbeitsbereich große Platzbedarf für derartige Vorrichtungen.Various attempts have been made to avoid these disadvantages by using the so-called parallel kinematics. In such kinematics, up to six actuators articulated on a fixed platform are used independently to define the position of the tool in space. The advantages of parallel kinematics, their low weight, the intrinsic impossibility of adding tolerances and their high rigidity are fully realized. On the other hand, however, their disadvantages come: the poor computability, which is usually only approximate and iterative, but can hardly be done in a closed form, and a "conversion" of the workplace by the mechanics, with consequent poor accessibility to the workpiece, to validity. Unpleasant is also compared to the work area large space requirement for such devices.

Zur alldem kommen noch zwei Forderungen, nämlich die Forderung nach möglichst großer mechanischer Steifigkeit des Werkzeugs bzw. der Werkzeughalterung, um hier mit hoher Genauigkeit und auch ohne ins Schwingen zu geraten, arbeiten zu können. Prinzipiell ist hier die Parallelkinematik vorteilhaft, doch wird oft nicht bedacht, dass es zum Erreichen einer hohen Steifigkeit notwendig ist, die auftretenden Arbeitskräfte nicht nur bis in die Fußpunkte der Werkzeugführung abzuführen, sondern von dort weiter über das Maschinenfundamten und letzten Endes über die Werkstücklagerung zurück bis zum Bearbeitungspunkt auf der Seite des Werkstückes. Dies macht beim Anwenden der Parallelkinematik die Verwendung von sehr teuren, vorgespannten, sphärischen Lager notwendig, bei denen darüber hinaus die zur Verfügung stehenden Schwenkwinkel stark eingeschränkt sind. Bei serieller Kinematik tritt zur prinzipiellen Schwäche noch die Notwendigkeit hochgenaue bzw. vorgespannte Gleitführungen und Antriebselemente zu verwenden.In addition, there are two requirements, namely the requirement for the greatest possible mechanical rigidity of the tool or the tool holder in order to be able to work here with high accuracy and without oscillating. In principle, the parallel kinematic is advantageous, but it is often not considered that it is necessary to achieve a high rigidity to dissipate the workers occurring not only down to the foot of the tool guide, but from there further on the Maschinenfundamten and ultimately on the workpiece storage back up to the machining point on the side of the workpiece. This necessitates the use of very expensive, preloaded, spherical bearings when using the parallel kinematics, in which moreover the available pivoting angles are severely limited. In the case of serial kinematics, the fundamental weakness still requires the use of highly precise or prestressed sliding guides and drive elements.

Der zweite wesentliche Punkt scheint auf den ersten Blick ein organisatorisches Erfordernis zu sein und betrifft den raschen Werkzeugwechsel. Um hochgenau arbeiten zu können ist es notwendig, über die reale Geometrie des eigentlichen Werkzeuges genau Bescheid zu wissen. Das bedeutet, dass das Werkzeug noch lange bevor es im klassischen Sinne stumpf geworden ist, neu vermessen werden muss, um den tatsächlichen Arbeitspunkt mit dem gewünschten Arbeitspunkt bestmöglich in Übereinstimmung bringen zu können. Dies geschieht meist dadurch, dass das zu vermessende Werkzeug abgesetzt und durch ein bereitgestelltes, vermessenes und betriebsbereites ersetzt wird. Die dabei vom Werkzeughalter zu fahrenden Wege und die so als Totzeit zu sehen Zeiten sind beträchtlich und stellen ein kostspieliges Ärgernis dar. Bei Parallelkinematiken wäre das Zufahren zwar relativ rasch möglich, doch gibt es hier verschiedentlich Probleme mit dem zur Verfügung stehenden Arbeitsraum, da dieser, wie oben erläutert, im Vergleich zur Gesamtabmessung der Vorrichtung beengt ist. Bei seriellen Kinematiken tritt das Problem auf, lange Wege zurücklegen zu müssen und durch die relativ geringen zur Verfügung stehenden Geschwindigkeiten viel Zeit zu benötigen.The second essential point seems at first sight to be an organizational requirement and concerns the rapid tool change. In order to be able to work with high precision, it is necessary to know exactly the real geometry of the actual tool. This means that the tool must be re-measured long before it has become dull in the classical sense, in order to be able to match the actual operating point with the desired operating point in the best possible way. This is usually done by the tool to be measured is discontinued and replaced by a provided, measured and ready for operation. The distances to be traveled by the tool holder and the dead times thus seen are considerable and represent a costly nuisance. In parallel kinematics, although it would be possible to move in relatively quickly, there are various problems with the available working space since this as explained above, is cramped compared to the overall size of the device. With serial kinematics, the problem arises of having to travel long distances and taking a lot of time due to the relatively low speeds available.

Es besteht somit ein Bedarf an einer Werkzeughalterung, die die genannten Nachteile nicht aufweist und die insbesondere bei geringem Platzbedarf einen großen Arbeitsraum aufweist, die im Betrieb eine hohe Steifigkeit aufweist, und die es erlaubt, den Werkzeugwechsel rasch durchzuführen. Dazu soll die Vorrichtung durch ein geschlossenes mathematisches Modell in ihren Bewegungen und Positionen erfassbar sein, so dass die Berechnung der zu befahrenden Wege nicht nur einfach und rasch, sondern auch hochgenau erfolgen kann.There is thus a need for a tool holder which does not have the disadvantages mentioned and which has a large working space, in particular with a small space requirement, which has a high rigidity during operation and which makes it possible to carry out the tool change quickly. For this purpose, the device should be detectable by a closed mathematical model in their movements and positions, so that the calculation of the paths to be traveled can be done not only simple and fast, but also highly accurate.

Die Erfindung erreicht diese Ziele durch eine Vorrichtung entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen. In einer Ausgestaltung kann die Vorrichtung auch als Manipulator verwendet werden.The invention achieves these goals by a device according to the features stated in the characterizing part of claim 1. In one embodiment, the device can also be used as a manipulator.

Mit anderen Worten ausgedrückt, schlägt die Erfindung vor, dass der Werkzeugträger von zumindest zwei ebenen Kinematiken gehalten wird. Bevorzugt weisen diese jeweils eine Symmetrieebene auf und sind gegebenenfalls um Drehachsen, die parallel zur Schnittachse der Symmetrieebenen verlaufen, drehbar auf einer Plattform angeordnet. Es können die beiden ebenen Kinematiken, wenn sie verschwenkbar ausgebildet sind, auch um andere Achsen, insbesondere um Achsen, die zu einer Arbeitsebene parallel verlaufen, drehbar sein.In other words, the invention proposes that the tool carrier is held by at least two planar kinematics. These preferably each have a plane of symmetry and are optionally arranged rotatably on a platform about axes of rotation which run parallel to the section axis of the planes of symmetry. The two planar kinematics, if they are designed to be pivotable, can also be rotatable about other axes, in particular about axes which run parallel to a working plane.

Durch diese Maßnahmen wird es möglich, in den ebenen Kinematiken Drehgelenke, die hochpräzise, hochbelastbar und dabei kostengünstig sind, statt der sphärischen Gelenke zu verwenden, was die Kosten bedeutend verringert. Weiters ist es möglich, in der ebenen Kinematik die Aktuatoren so anzuordnen, dass eine erstaunliche Linearisierung möglich wird, d. h. dass die Längenänderung der Aktuatoren nahezu linear in die Winkeländerung der Kinematik übergeht. Dazu kommt, dass die ebenen Kinematiken mathematisch geschlossen erfassbar sind, sodass die Berechnung der Position bzw. eines Weges leicht und rasch erfolgt. By these measures, it is possible to use in the planar kinematics swivel joints, which are high-precision, heavy duty and thereby inexpensive, instead of the spherical joints, which significantly reduces the cost. Furthermore, it is possible to arrange the actuators in the planar kinematics in such a way that an astonishing linearization is possible, ie that the change in length of the actuators changes almost linearly into the angular change of the kinematics. In addition, the planar kinematics are mathematically closed, so that the calculation of the position or a path is easy and quick.

Allgemeiner gefasst besteht die Erfindung darin, eine in Reihe aufgebaute Kinematik zu schaffen, welche selbst weniger als sechs Freiheitsgrade entweder durch die Anordnung der Gelenke, der Antriebe oder der Elementweichheit (monolithisches Gelenk) bindet und auf einen Körper (z. B. Arbeitsspindel oder Werkstück) wirkt, auf den eine weitere, ebenfalls in Reihe aufgebauten Kinematik, welche selbst wiederum weniger als sechs Freiheitsgrade durch die Anordnung der Gelenke, der Antriebe oder der Elementweichheit (monolithisches Gelenk) bindet wirkt, um dadurch gemeinsam mindestens sechs Freiheitsgrade dieses Körpers zu binden. Überbestimmtheit kann zur Versteifung, zur Vermeidung von Kraftspitzen, etc. vorgesehen sein.More generally, the invention is to provide a series kinematics which itself binds less than six degrees of freedom either through the arrangement of the joints, the drives or the element softness (monolithic hinge) and onto a body (eg work spindle or workpiece) ), acts on the another, also in series built kinematics, which in turn binds less than six degrees of freedom through the arrangement of the joints, the drives or the element softness (monolithic joint), thereby binding together at least six degrees of freedom of this body. Overdetermination can be provided for stiffening, to avoid force peaks, etc.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigenFurther advantages and embodiments are explained in more detail below with reference to the drawing. It shows or show

die 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in perspektivischer Ansicht,the 1 a device according to the invention in perspective view,

die 2 die Vorrichtung der 1 in perspektivischer Ansicht aus einem anderen Blickwinkel,the 2 the device of 1 in a perspective view from another angle,

die 3 und 4 eine Variante der Vorrichtung der 1 in zwei perspektivischen Ansichten,the 3 and 4 a variant of the device of 1 in two perspective views,

die 5 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung in perspektivischer Ansicht,the 5 a further embodiment of the invention in perspective view,

die 6 bis 8 drei Draufsichten auf die Vorrichtung der 5 in unterschiedlichen Positionen der Vorrichtung,the 6 to 8th three plan views of the device of 5 in different positions of the device,

die 9 bis 11 Möglichkeiten der Linearisierung kinematischer Zusammenhänge,the 9 to 11 Possibilities of linearization of kinematic relationships,

die 12 eine Ausgestaltung der Vorrichtung der 1 in rein schematischer Ansicht undthe 12 an embodiment of the device of 1 in purely schematic view and

die 13 eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung der 1 in rein schematischer Ansicht.the 13 a further embodiment of the device of 1 in a purely schematic view.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Vorrichtung 1 ist soweit schematisiert, dass die Darstellung nicht überfrachtet ist, zeigt andererseits aber den erfindungswesentlichen kinematischen Aufbau in notwendiger Klarheit. Die Vorrichtung 1 besteht aus zwei ebenen Kinematiken 2 und 3, die im dargestellten Ausführungsbeispiel ähnlich zueinander aufgebaut sind und auf einer gemeinsamen Fundamentplatte 4 angeordnet sind. Auf der Fundamentplatte 4 ist auch eine Arbeitsfläche 5 in Form einer Spannplatte angedeutet.In 1 is a device according to the invention 1 shown in perspective view. The device 1 is schematized so far that the presentation is not overloaded, but on the other hand shows the essential to the invention kinematic structure in necessary clarity. The device 1 consists of two plane kinematics 2 and 3 , which are constructed similar to each other in the illustrated embodiment and on a common base plate 4 are arranged. On the foundation plate 4 is also a workspace 5 indicated in the form of a clamping plate.

Die ebene Kinematik 2 hat folgenden Aufbau: Eine Fußplatte 21 trägt ein Fuß-Gelenkviereck 22, bevorzugt ein Gelenkparallelogramm, dessen Koppel 23 Teil eines Verbindungsdreiecks 24 ist. Eine weitere Seite des Verbindungsdreiecks 24 bildet die Basisseite 25 eines Kopf-Gelenkvierecks 26. Die Koppel dieses Gelenkviereckes wird vom Werkzeughalter 30 gebildet. Man erkennt aus der Zeichnung, dass sämtliche Schwenkachsen (erkennbar, aber nicht speziell eingetragen) parallel zueinander und parallel zur Oberfläche der Arbeitsfläche 5, somit im Allgemeinen horizontal, verlaufen.The plane kinematics 2 has the following structure: A foot plate 21 carries a foot-joint quadrilateral 22 , Preferably a Gelenkparallelogramm whose coupling 23 Part of a connection triangle 24 is. Another side of the connecting triangle 24 forms the base page 25 a head-joint quadrilateral 26 , The coupling of this four-bar linkage is from the tool holder 30 educated. It can be seen from the drawing that all pivot axes (recognizable, but not specifically registered) parallel to each other and parallel to the surface of the work surface 5 , thus generally horizontal.

Der Aufbau der zweiten ebenen Kinematik 3 ist nun im Wesentlichen der Gleiche: Sie ruht auf einer Fußplatte 31, die die Basis für ein Fuß-Gelenkviereck 32 bildet. Dessen Koppel 33 ist ebenfalls Teil eines Verbindungsdreiecks 34, und auch hier ist eine der Seiten des Verbindungsdreiecks 34 die Basisseite 35 eines Kopf-Gelenkvierecks 36 (3), dessen Koppel ebenfalls durch den Werkzeughalter 30 gebildet wird.The construction of the second plane kinematics 3 is essentially the same thing: it rests on a foot plate 31 , which is the basis for a foot-four-bar linkage 32 forms. Its paddock 33 is also part of a connection triangle 34 , and here too is one of the sides of the connecting triangle 34 the base page 35 a head-joint quadrilateral 36 ( 3 ), whose coupling also by the tool holder 30 is formed.

Bevor nun auf verschiedene Unterschiede zwischen den beiden ebenen Kinematiken 2, 3 eingegangen wird, sollen noch die Aktuatoren besprochen werden, durch die die beiden Kinematiken, gegen die Kraft der Schwerkraft bzw. gegen alle vom Arbeitsvorgang her rührenden Kräfte und Momente in ihrer Position gehalten werden. Dabei handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel bei der ebenen Kinematik 2 um einen Fuß-Linearantrieb 27, dessen eines Ende in einem Lager auf der Fußplatte 21 schwenkbar gelagert ist und dessen anderes Ende mit einer der Schwenkachsen zwischen dem Fuß-Gelenkviereck 22 und dem Verbindungsdreieck 24 zusammenfällt.Before looking at different differences between the two plane kinematics 2 . 3 will be discussed, the actuators are still discussed, by which the two kinematics, against the force of gravity or against all of the working process touching forces and moments are held in position. These are in the illustrated embodiment in the plane kinematics 2 around a foot-linear drive 27 whose one end is in a bearing on the foot plate 21 is pivotally mounted and the other end with one of the pivot axes between the Fuß-four-bar linkage 22 and the connection triangle 24 coincides.

Ein derartiger Fuß-Linearantrieb 37 ist auch in der ebenen Kinematik 3 vorgesehen. Darüber hinaus weist die ebene Kinematik 3 auch im Kopf-Gelenkviereck einen Kopf-Linearantrieb 38 auf, der in einer der Diagonalen des Kopf-Gelenkviereckes liegend angeordnet ist. Im Kopf-Gelenkviereck 26 der ebenen Kinematik 2 ist kein derartiger Antrieb vorgesehen.Such a foot-linear drive 37 is also in plane kinematics 3 intended. In addition, the plane kinematics points 3 also in the head-four-bar linkage a head-linear drive 38 on, which is located lying in one of the diagonals of the head-four-bar linkage. In the head-joint quadrilateral 26 plane kinematics 2 no such drive is provided.

Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden ebenen Kinematiken 2, 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel die Ausbildung der Kopf-Gelenkvierecke 26, 36: Das Kopf-Gelenkviereck 26 der ebenen Kinematik 2 verläuft zum Werkzeughalter 30 hin zulaufend, während das Kopf-Gelenkviereck 36 der ebenen Kinematik 3 auch im Bereich des Werkzeughalters 30 noch merkliche Breite aufweist, was einerseits dazu dient, einen ausreichenden Raum für die Aufnahme des Kopf-Linearantriebs 38 in diesem Bereich zu schaffen, andererseits die Ableitung von Kräften und von Momenten, die vom Fräsmoment des im Werkzeughalter 30 montieren Fräsers herrühren, durch die Struktur der ebenen Kinematik 3 zu ermöglichen. Another difference between the two plane kinematics 2 . 3 is in the illustrated embodiment, the formation of the head and four-bar linkages 26 . 36 : The head-joint quadrilateral 26 plane kinematics 2 runs to the tool holder 30 tapering, while the head-four-bar linkage 36 plane kinematics 3 also in the area of the tool holder 30 has noticeable width, which on the one hand serves to provide sufficient space for receiving the head linear drive 38 in this area, on the other hand, the derivation of forces and moments, the milling of the moment in the tool holder 30 assemble cutter, through the structure of the plane kinematics 3 to enable.

Wie die 1 deutlich zeigt, ermöglicht die Anordnung der beiden ebenen Kinematiken 2, 3 im stumpfen Winkel (aber nicht zu stumpfen Winkel, siehe weiter unten) zueinander, gesehen in Draufsicht auf die Fundamentplatte 4, eine hervorragende Ableitung aller auftretenden Kräfte.As the 1 clearly shows allows the arrangement of the two planar kinematics 2 . 3 at an obtuse angle (but not too obtuse angle, see below) to each other, seen in plan view of the foundation plate 4 , an excellent derivative of all occurring forces.

Weiters ist aus der Darstellung gut ersichtlich, dass die Arbeitsfläche 5 und damit das darauf aufgespannte (nicht dargestellte) Werkstück gut zugänglich ist, ohne dass die Vorrichtung 1 den für Parallelkinematiken üblichen großen Platzbedarf aufweist.Furthermore, it is clear from the illustration that the work surface 5 and so that the clamped thereon (not shown) workpiece is easily accessible without the device 1 has the usual space for parallel kinematics large space requirement.

Wie insbesondere aus der 2 hervorgeht, steht auch zwischen den beiden Fußplatten 21, 22 ausreichend Raum zur Verfügung der, wie die 3 und 4 zeigen, vorteilhaft zur Unterbringung eines Manipulators 6 zum Werkzeugwechsel verwendet werden kann. Prinzipiell soll noch ausgeführt werden, dass die Vorrichtung entsprechend den 1 bis 4 den Werkzeughalter parallel zur Oberfläche der Fundamentplatte 4 und normal dazu bewegen kann, somit über 3 Freiheitsgrade der Bewegung verfügt.As in particular from the 2 It also stands between the two foot plates 21 . 22 enough space available, like the 3 and 4 show, advantageous for accommodating a manipulator 6 can be used for tool change. In principle, it should be stated that the device corresponds to the 1 to 4 the tool holder parallel to the surface of the foundation plate 4 and move normally, thus having 3 degrees of freedom of movement.

Die beiden ebenen Kinematiken 2, 3 stellen somit eine Parallelkinematik dar, die aus zwei am Werkzeughalter 30 angreifenden ebenen Kinematiken besteht, wobei jede der ebenen Kinematiken seriell aufgebaut ist, in Summe somit eine Hybridkonstruktion. Um die auftretenden Kräfte ableiten zu können, sind diese zufolge des ebenen Aufbaus der beiden Kinematiken 2, 3 je nach Richtung auf die beiden Kinematiken geteilt abzuleiten. Dabei ist festzuhalten, dass bei einer Anordnung der beiden ebenen Kinematiken 2, 3 auf der Fundamentplatte 4 im rechten Winkel zueinander (die Bestimmung des Winkels immer durch die Symmetrieebene der realen ebenen Kinematiken) die beste Ableitung erzielt werden kann weil durch die Aufteilung auf die einzelnen. Komponenten keine dieser Komponenten größer werden kann als die wirkende Kraft selbst. Bei nicht orthogonaler Darstellung sind Fälle möglich, bei denen die abzuleitenden Komponenten sich wegen der Winkellage größer darstellen als die tatsächlich wirkende Kraft.The two plane kinematics 2 . 3 thus represent a parallel kinematic, consisting of two on the tool holder 30 attacking planar kinematics consists, with each of the planar kinematics being constructed serially, thus in total a hybrid construction. In order to derive the forces that occur, these are due to the planar structure of the two kinematics 2 . 3 depending on the direction divided on the two kinematics divide. It should be noted that in an arrangement of the two planar kinematics 2 . 3 on the foundation plate 4 at right angles to each other (the determination of the angle always by the plane of symmetry of the real plane kinematics) the best derivative can be achieved because by the division on the individual. Components none of these components can be greater than the acting force itself. In non-orthogonal representation, cases are possible in which the components to be derived represent greater because of the angular position than the actual force acting.

Es kann dennoch vorteilhaft sein, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen den beiden Ebenen einen stumpfen Winkel vorzusehen, diese hängt von der vorzunehmenden Bearbeitung ab und kann vom Fachmann in Kenntnis des Aufgabenbereiches der Vorrichtung und der Erfindung bestimmt werden. Eine weitere Einflussgröße auf die Anordnung der beiden Ebenen zueinander ist einerseits die Zugänglichkeit des Werkstückes auf der Arbeitsplatte 5, andererseits der im Bereich zwischen den Ebenen liegende Bereich zur Anordnung von Hilfsvorrichtungen und dgl. zu berücksichtigen.It may nevertheless be advantageous, as in the illustrated embodiment, to provide an obtuse angle between the two planes, this depends on the processing to be performed and can be determined by those skilled in the knowledge of the scope of the device and the invention. Another factor influencing the arrangement of the two planes relative to one another is, on the one hand, the accessibility of the workpiece to the work surface 5 on the other hand, the region lying in the area between the planes for the arrangement of auxiliary devices and the like. To take into account.

Zum Begriff „Symmetrieebene” ist noch auszuführen, dass die beiden Kinematiken 2, 3, im allgemeinen auch Elemente aufweisen, die nicht symmetrisch ausgebildet sind, so Kabelkanäle, Sensoren, u. U. Motoren, Halterungen, etc.. Im Wesentlichen ist aber die Kinematik an sich, so wie sie in den Figs. dargestellt ist, symmetrisch und definiert so auch eine Symmetrieebene.The term "plane of symmetry" is yet to be understood that the two kinematics 2 . 3 , In general, also have elements that are not symmetrical, so cable channels, sensors, u. U. motors, brackets, etc .. Essentially, however, the kinematics itself, as shown in Figs. is shown symmetrically and thus also defines a plane of symmetry.

Die 3 und 4 zeigen eine Vorrichtung entsprechend der der 1 und 2, wobei der zwischen den Ebenen zur Verfügung stehende Platz dazu verwendet ist einen Manipulator 6 anzuordnen, der einen raschen Arbeitswechsel ermöglicht. Derartige Manipulatoren sind bekannt und bedürfen hier keiner näheren Erläuterung, der dargestellte Manipulator 6 ist rein schematisch anzusehen. Speziell aus 4 ist gut ersichtlich, dass zwischen den ebenen Kinematiken 2, 3 genügend Raum für die Anordnung des Manipulators 6 verbleibt.The 3 and 4 show a device according to the 1 and 2 where the space available between the planes is a manipulator 6 to arrange, which allows a quick job change. Such manipulators are known and require no further explanation, the manipulator shown 6 is purely schematic. Specially made 4 it is obvious that between the plane kinematics 2 . 3 enough space for the arrangement of the manipulator 6 remains.

Die 5 bis 8 zeigen eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die ebenen Kinematiken 2, 3 jeweils um eine Hochachse 12, 13 drehbar sind, wodurch gänzlich unerwartete Vorteile erreicht werden können: Der Aufbau der Vorrichtung 11 ist ähnlich dem der Vorrichtung gemäß den 3 und 4, mit dem oben genannten Unterschied. Die 5 zeigt die Anordnung, bei der die beiden ebenen Kinematiken 2, 3 so um ihre Hochachsen 12, 13 gedreht wurden, dass ihre Symmetrieebenen 7 (7) fluchten. Die Achse des Werkzeughalters 30 liegt in dieser gemeinsamen Ebene. Unterhalb des Werkzeughalters 30 befindet sich der Manipulator 6, auf jeder der beiden Seiten der in 5 fluchtenden Ebenen 7 der ebenen Kinematiken 2, 3 befindet sich eine Arbeitsfläche 5, 5'. In 7 ist diese Situation in Draufsicht dargestellt.The 5 to 8th show an embodiment of the invention, in which the planar kinematics 2 . 3 each about a vertical axis 12 . 13 are rotatable, whereby completely unexpected advantages can be achieved: The structure of the device 11 is similar to that of the device according to the 3 and 4 , with the difference mentioned above. The 5 shows the arrangement in which the two plane kinematics 2 . 3 so about their Hochachsen 12 . 13 were rotated, that their symmetry planes 7 ( 7 ) are aligned. The axis of the tool holder 30 lies in this common plane. Below the tool holder 30 is the manipulator 6 , on either side of the in 5 aligned levels 7 plane kinematics 2 . 3 there is a work surface 5 . 5 ' , In 7 this situation is shown in plan view.

Die 6 und 8 zeigen im Vergleich dazu zwei Arbeitspositionen der Vorrichtung 11, wiederum in Draufsicht. Es ist klar erkennbar, dass die Vorrichtung 11 auf der Arbeitsfläche 5 arbeiten kann, während auf der Arbeitsfläche 5' das Werkstück gewechselt wird und umgekehrt. Unabhängig von diesen Zuständen steht der Manipulator 6 zum Werkzeugwechsel für die Vorrichtung 11 jederzeit zur Verfügung.The 6 and 8th show by comparison two working positions of the device 11 , again in plan view. It is clear that the device 11 on the work surface 5 can work while on the desktop 5 ' the workpiece is changed and vice versa. Regardless of these states is the manipulator 6 for tool change for the device 11 available at any time.

Wie oben kurz erwähnt, ist es möglich, statt der Achsen 12, 13 oder auch zusätzlich die ebenen Kinematiken 2, 3 um beispielsweise horizontale Kippachsen schwenkbar zu lagern; beispielsweise, indem die auf den Fußplatten 21, 22 angeordneten Gelenke als Kardangelenke ausgebildet werden. Damit werden zusätzliche Freiheitsgrade und komplexe Bewegungsabläufe für das Werkzeug erreicht. In der überwiegenden Mehrzahl der Fälle ist dies aber nicht notwendig.As briefly mentioned above, it is possible instead of the axes 12 . 13 or in addition the plane kinematics 2 . 3 for example, to pivotally mount horizontal tilting axes; For example, placing on the foot plates 21 . 22 arranged joints are designed as universal joints. This achieves additional degrees of freedom and complex movement sequences for the tool. In the vast majority of cases this is not necessary.

Zu den weiter oben genannten Möglichkeiten einer Linearisierung, im Zusammenhang zwischen der Längenänderung eines Aktuators und der Winkeländerung des betrachteten Teiles der ebenen Kinematik, wird auf die 9 bis 11 verwiesen. Daraus ist ersichtlich, wie beispielsweise durch Wahl entsprechender Angriffspunkte oder Verwendung von indirekten Angriffspunkten eine solche Linearisierung zumindest in weiten Grenzen erfolgen kann. Wesentlich ist dies weniger für die Verfahrbarkeit selbst, da die Nichtlinearität mathematisch gut abbildbar ist, von Bedeutung ist aber die Auswirkung auf die Dynamik, da so Kraftspitzen im Antriebstrang weitgehend vermieden werden können, was es ermöglicht, kleinere und damit leichtere und weniger Energie benötigende Motoren und Antriebsstränge zu verwenden.To the above-mentioned possibilities of linearization, in connection between the change in length of an actuator and the change in angle of the considered part of the planar kinematics, is on the 9 to 11 directed. It can be seen how such a linearization can take place, at least within wide limits, for example by selecting appropriate points of attack or using indirect points of attack. Significantly, this is less for the movability itself, since the non-linearity is mathematically well mapped, but the impact on the dynamics is of importance, since so force peaks in the drive train can be largely avoided, which makes it possible to smaller and thus lighter and less energy-consuming engines and to use drive trains.

Die 9 zeigt als Beispiel eine übliche, rein diagonal verlaufende Anordnung eines Aktuators 38 im Kopf-Gelenkviereck 36, der bis zu 70% Abweichung von der Linearität aufweist. Der Fußlinearantrieb 37 (die Bezeichnung „Linearantrieb” bezieht sich auf das Wirken der Kraft, nicht auf einen linearen Zusammenhang Längenänderung – Winkeländerung) hingegen wirkt von einem der Eckpunkte des Fuß-Gelenkvierecks 32 auf den Scheitel eines Hilfsdreieckes, mit den gelenkig miteinander verbundenen Stäben 8, 9, wobei der Kopfpunkt des Stabs 9 in einem Eckpunkt des Fuß-Gelenkvierecks 32 angeordnet ist, der dem Fußpunkt des Fußlinearantriebs 37 diagonal gegenüber liegt. Mit dieser Anordnung kann der Anteil der Nichtlinearität auf unter 10% gedrückt werden.The 9 shows as an example a conventional, purely diagonal arrangement of an actuator 38 in the head articulated quadrilateral 36 which exhibits up to 70% deviation from linearity. The linear actuator 37 (The term "linear drive" refers to the action of the force, not to a linear relationship length change - angle change), however, acts from one of the vertices of the four-bar linkage 32 on the apex of an auxiliary triangle, with the hinged rods 8th . 9 , where the head of the staff 9 in a corner of the foot-joint quadrilateral 32 is arranged, the foot of the Fußlinearantriebs 37 lies diagonally opposite. With this arrangement, the proportion of non-linearity can be suppressed to less than 10%.

Die 10 zeigt einen anderen Fall, bei dem der Antrieb im Fuß-Gelenkviereck 34 nicht linearisiert ist, der Kopflinearantrieb 38 des Kopf-Gelenkvierecks 36 hingegen schon. Er wirkt auf den Scheitel eines aus Stäben gebildeten Dreiecks 14, 15, wobei der Fußpunkt des Stabes 14 gelenkig am Scheitel eines aus festen Stäben 10, 16 gebildeten Dreieckes gelenkig befestigt ist.The 10 shows another case where the drive in the four-bar linkage 34 is not linearized, the head linear drive 38 of the head-joint quadrilateral 36 however, already. He acts on the apex of a triangle formed by bars 14 . 15 , where the base of the rod 14 articulated at the apex of a solid rods 10 . 16 formed triangle is hinged.

In 11 schließlich sind beide Linearisierungen verwirklicht.In 11 finally, both linearizations are realized.

12 zeigt, rein schematisch, dass es möglich ist, auch das Fräsmoment über eine eigene Stabkonstruktion abzuleiten, so dass in den ebenen Kinematiken 2, 3 keine darauf zurückzuführenden Biegekräfte bzw. Biegemomente auftreten. Dazu sind in dieser Ausführungsform auf der ebenen Kinematik 3 die Stabwerke 17, 18 vorgesehen, durch die das Fräsmoment abgeleitet wird. Wie oben erwähnt, ist im Vergleich zu den anderen auftretenden Kräften das Fräsmoment so klein, dass seine Ableitung durch Biegebeanspruchung der ebenen Kinematiken in der Praxis immer zulässig ist, doch soll nicht versäumt werden hier für den Fall eines anderen Werkzeuges auch darauf hinzuweisen, dass es möglich ist, solche Kräfte und Momente abzuleiten ohne auf Biegebeanspruchungen der Kinematiken zurückgreifen zu müssen. Diese Figur zeigt auch, dass selbst bei derartigen Ausgestaltungen die Kinematik grundsätzlich eine Symmetrieebene definiert. 12 shows, purely schematically, that it is possible to derive also the milling torque on its own rod construction, so that in the plane kinematics 2 . 3 no attributable bending forces or bending moments occur. These are in this embodiment on the plane kinematics 3 the frameworks 17 . 18 provided, through which the milling torque is derived. As mentioned above, the milling moment is so small in comparison to the other forces that its derivation by bending stress of the planar kinematics in practice is always allowed, but should not be overlooked here in the case of another tool also to point out that is possible to derive such forces and moments without having to resort to bending stresses of kinematics. This figure also shows that even in such embodiments, the kinematics basically defines a plane of symmetry.

Die 13 zeigt eine Variante, bei der 4 Freiheitsgrade bedient werden können. Dazu ist eine dritte ebene Kinematik 19 parallel zur ebenen Kinematik 3 vorgesehen, die über einen Fußlinearantrieb 29 verfügt, der parallel zum Fußlinearantrieb 37 angeordnet ist. Der Fräser ist in diesem Ausführungsbeispiel auf einer im Wesentlichen vertikal verlaufenden Montageplatte 30' montiert (das wäre auch bei den anderen Beispielen möglich), die fest (gegebenenfalls einstückig) mit dem Lenkerdreieck 28 verbunden ist.The 13 shows a variant in which 4 degrees of freedom can be operated. This is a third level kinematics 19 parallel to the plane kinematics 3 provided, which via a Fußlinearantrieb 29 which is parallel to the foot drive 37 is arranged. The cutter is in this embodiment on a substantially vertically extending mounting plate 30 ' mounted (that would be possible with the other examples), the fixed (possibly in one piece) with the handlebar triangle 28 connected is.

Wenn nun der Fußlinearantrieb 29 verlängert wird, so bleibt die ebene Kinematik 3 davon unberührt und die ebene Kinematik 2 wird um ihre (nicht dargestellte) Hochachse im Gegenuhrzeigersinn (bei Draufsicht) verdreht, die Montageplatte 30' im Uhrzeigersinn um die Koppel 20 des Kopf-Gelenkvierecks der Kinematik 3. Schon nach geringer (infinitesimaler) Bewegung kommt es zu der bei Parallelkinematiken üblichen Verknüpfung der Bewegungen der einzelnen Elemente, doch dies ist mathematisch leicht beherrschbar.If now the Fußlinearantrieb 29 is extended, so the plane kinematics remains 3 of it untouched and the plane kinematics 2 is rotated about its (not shown) vertical axis in a counterclockwise direction (in plan view), the mounting plate 30 ' clockwise around the paddock 20 of the head-joint quadrilateral of kinematics 3 , After only a small (infinitesimal) movement, the usual parallel kinematics link the movements of the individual elements, but this is mathematically easy to control.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. So kann die Anordnung der beiden ebenen Kinematiken anders als dargestellt sein, es kann aus den oben genannten Gründen eine Überbestimmung der Freiheitsgrade gewählt werden, beispielsweise, indem auch die Kinematik 2 mit einem Kopflinearantrieb versehen wird, wodurch die Ansteuerung der Antriebe aufeinander abgestimmt sein muss. Es kann, wie in 13 angedeutet, das Werkzeug auf unterschiedlichste Weise am Werkzeughalter befestigt sein, und vieles mehr.The invention is not limited to the illustrated and described embodiments. Thus, the arrangement of the two planar kinematics can be different than shown, it can be chosen for the reasons mentioned above an over-determination of the degrees of freedom, for example, by also the kinematics 2 is provided with a head-mounted linear drive, whereby the control of the drives must be coordinated. It can, as in 13 indicated, the tool be attached to the tool holder in a variety of ways, and much more.

Die zum Bau der Vorrichtung verwendeten Materialien und Bauteile sind die im Werkzeugmaschinenbau üblichen, auch die Antriebe sind für den Fachmann in Kenntnis der Erfindung und des Anwendungsgebietes leicht aus den im Handel erhältlichen zu wählen.The materials and components used for the construction of the device are common in machine tool engineering, and the drives are for the expert in the knowledge of the invention and the field of application easily from the commercially available to choose.

Insbesondere erwähnt soll noch werden, dass es selbstverständlich möglich ist, durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein Werkstück zu halten und zu bewegen und beispielsweise zu und von einer Arbeitsstation zu transportieren und dort passend zu präsentieren.It should be mentioned in particular that it is of course possible to hold and move a workpiece by means of a device according to the invention and to transport, for example, to and from a workstation and to present it appropriately.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vorrichtungcontraption
2, 32, 3: (ebene) Kinematik(plane) kinematics
44: Fundamentplattefoundation plate
5, 5'5, 5 ': Arbeitsplattecountertop
66: Manipulatormanipulator
77: fluchtende Ebenenaligned levels
88th: StabRod
99: StabRod
1010: StabRod
1111: Vorrichtungcontraption
1212: Hochachsevertical axis
1313: Hochachsevertical axis
1414: StabRod
1515: StabRod
1616: StabRod
1717: Stabwerkeframeworks
1818: Stabwerkeframeworks
1919: (ebene) Kinematik(plane) kinematics
2020: Koppel(achse)Coupling (axis)
2121: Fußplattefootplate
2222: Fuß-GelenkviereckFoot-bar linkage
2323: Koppelpaddock
2424: Verbindungsdreiecklinkage triangle
2525: Basisseitebase side
2626: Kopf-GelenkviereckHead-bar linkage
2727: Fuß-LinearantriebFoot-linear drive
2828: Lenkerdreieckarm triangle
2929: Fuß-LinearantriebFoot-linear drive
3030: Werkzeughaltertoolholder
30'30 ': Montageplattemounting plate
3131: Fußplattefootplate
3232: Fuß-GelenkviereckFoot-bar linkage
3333: Koppelpaddock
3434: Verbindungsdreiecklinkage triangle
3535: Basisseitebase side
3636: Kopf-GelenkviereckHead-bar linkage
3737: Fuß-LinearantriebFoot-linear drive
3838: Kopf-LinearantriebHead linear drive

Claims

Machine tool characterized in that it comprises a first kinematics constructed in series ( 2 ), which binds less than six degrees of freedom, which points to a tool holder ( 30 ) or a workpiece has the effect that it has a further second kinematics (also constructed in series) ( 3 ), which binds less than six degrees of freedom, which also points to the tool holder ( 30 ) or the workpiece acts, so that together at least six degrees of freedom of the tool holder ( 30 ) or the workpiece are bound.

Machine tool according to claim 1, characterized in that the degrees of freedom of at least one of the kinematics ( 2 . 3 ) are bound by the arrangement of the joints, the drives or the element softness (monolithic joint).

Machine tool according to claim 1 or 2, characterized in that at least one of the kinematics ( 2 . 3 ) a plane kinematics with a foot-four-bar linkage ( 22 . 32 ), a connection triangle ( 24 . 34 ) and a head-four-bar linkage ( 26 . 36 ).

Machine tool according to claim 3 with two planar kinematics, characterized in that they each have one, mutually parallel axes ( 12 . 13 ), which are preferably perpendicular to a work surface ( 5 . 5 ' ), are rotatable.

Machine tool according to claim 4, characterized in that two work surfaces ( 5 . 5 ' ), preferably symmetrical to that through the two axes ( 12 . 13 ) defined level, are provided.

Machine tool according to claim 3 with two planar kinematics, characterized in that a kinematics ( 2 ) a foot-linear drive ( 27 ) and the other kinematics ( 3 ) a foot-linear drive ( 27 ) and a head linear drive ( 38 ) having.