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Technisches Gebiet und Stand der Technik
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Die Fortentwicklung neuer Materialbearbeitungs-, -verbindungs- oder -aufbauverfahren wie Laserschneiden und -schweißen, Hochgeschwindigkeitsfräsen, Rapid Prototyping oder von Nachbearbeitungsverfahren beispielsweise Härten, Beschichten oder Polieren haben zu einerwachsenden Anzahl von Werkzeugmaschinen mit hohen Bewegungsgeschwindigkeiten ihrer Werkzeug- oder Werkstück tragenden Elemente geführt. Auch bei Messmaschinen werden hohe Geschwindigkeiten angestrebt.
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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.
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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.
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Achsen und Maschinenachsen können identisch sein, aber es können auch Achsbewegungen, in Bezug zum besagten Referenzkoordinatensystem, aus den Bewegungen mehrerer Maschinenachsen zusammengesetzt sein.
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Damit die hohen angestrebten Geschwindigkeiten auch bei kompliziert gestalteten Werkstücken genutzt werden können, sind hohe Beschleunigungen der bewegten Elemente notwendig.
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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.
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Dies setzt eine relativ massive und/oder langwegige Führungsstruktur voraus.
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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.
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Dies führt zu unerwünschten, meist elastischen, Verformungen dieser Strukturen, was wiederum häufig zu Schwingungen auf den Resonanzfrequenzen aller beteiligten Maschinenelemente führt.
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All diese Verformungen und Schwingungen führen zur Abweichung zwischen Soll- und Ist-Weg bei der Bewegung eines Endeffektors relativ zum Werkstück.
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Es sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, um dieses Problem zu mindern. Ein Ansatz, mit dem sich die hier vorliegende Patentanmeldung befasst, versucht die Bewegungsabweichungen von vornherein klein zu halten.
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Dies ist unter anderem möglich durch 1. Stabilität, 2. Reduktion der bewegten Massen und 3. Impulsausgleich.
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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.
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Diese Kosten übersteigen bei den angestrebten Beschleunigungen häufig den erzielbaren Produktivitätsvorteil.
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Zur Fehlervermeidung durch Reduktion der bewegten Massen sind ebenfalls eine ganze Reihe von Lösungsansätzen bekannt.
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Neben der Verwendung neuartiger Werkstoffe, beispielsweise Kohlefaserverbundstoffe, kommt es auch zum Einsatz alternativer Achskonfigurationen.
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Eine besonders leistungsfähige Gruppe von Achskonfigurationen, enthalten als wesentliches Merkmal in ihren Hauptbewegungsrichtungen sogenannte ”redundante Achsen”.
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Als ein frühes Beispiel hierfür lehrt
EP 594699 B1 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.
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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.
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Weitere wichtige Entwicklungsschritte in dieser Richtung sind durch
EP 1 294 544 B1 und
EP 1 724 054 B1 erzielt worden, indem zunächst eine besondere orthogonalparallelkinematische Zusatzachsenkonfiguration gelehrt wurde, die zu dem zusätzlichen Vorteil führt, dass in beiden Hauptbewegungsrichtungen einer derart realisierten Maschine insoweit vergleichbar günstige kinematische Verhältnisse herrschen, und mittels der in
EP 1 724 054 B1 veröffentlichten Lehre wird dargestellt wie eine derartige Zusatzachseneinheit mittel Impulsausgleich nochmals um eine Größenordnung an Präzision bei zugleich extrem hoher Beschleunigung gewinnen kann.
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Jener Stand der Technik wurde sowohl bezüglich der erzielbaren Beschleunigungen und Genauigkeiten als auch bezüglich seiner vielseitigeren Anwendbarkeit, durch die in den internationalen Patentanmeldung
WO 2011/023185 A1 veröffentlichte Lehre nochmals wesentlich verbessert und
WO 2011/023186 A1 fügte dem Stand der Technik bezüglich derartiger Achsenkonfigurationen noch die Option hinzu, Reaktionskräfte aus hohen Beschleunigungen mittels der Methode der Impulsentkopplung zu kompensieren.
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Das primäre Ziel auf diesem Weg war es die jeweils höchstmögliche Beschleunigung des Endeffektors gegenüber einem Werkstück zu erzielen, insbesondere unter Beibehaltung hoher Bewegungspräzision.
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Gegenüber ”klassischen” Achskonfigurationen ohne redundante Zusatzachsen ergibt sich jedoch ein nicht unerheblicher Zusatzaufwand, wegen der komplexen Struktur, sowie der zahlreichen zu verbauenden und zu koordinierenden Antriebe und die hieraus resultierende komplexe Führung von elektrischen Kabeln, sonstigen Versorgungsleitungen und in einigen Anwendungsfällen, beispielsweise dem CO2-Laserschneiden, auch der teilweise technisch aufwendigen Strahlführung.
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Bei genauer Betrachtung des Standes der Technik bezüglich redundanter Zusatzachsenkonfigurationen fällt auf, dass es fast immer um eine ergänzende Modifikation einer schon zuvor für eine bestimmte Anwendung geeigneten Achskonfiguration ging.
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Etwas vereinfacht ausgedrückt, wurden jeweils bestehende und an ihr jeweiliges Anwendungsgebiet schon zuvor recht gut angepasste Maschinekonzepte, lediglich mittels ”Zusatzachsen” im Sinne des Wortes, um redundante Bewegungsmöglichkeiten erweitert.
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Dies gilt besonders auch für Bearbeitungsmaschinen, die auf eher großflächige und flache Werkstücke ausgelegt sind, im Extremfall also plattenförmige Materialien bearbeiten, wie beispielsweise Flachbettlaserschneidanlagen.
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Zunächst erschien es daher naheliegend und folgerichtig, derartige, grundsätzlich schon bewährte Maschinenkonzepte, und entsprechend ohnehin schon relativ aufwendige Maschinen, um redundante Bewegungsmöglichkeiten zu erweitern.
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Jedoch ist die Großzahl der zu fertigenden Produkte über Jahre hinaus schon so geplant, dass genau die Schwächen der vorhandenen Systeme möglicht wenig in Erscheinung treten, so dass für Maschinenhersteller der Markt für wesentlich verbesserte Maschinen eher unbedeutend erscheint. Weil daher keine entsprechenden Maschinen in großer Serie gebaut werden, einer wichtigen Voraussetzung um sie zu günstigen Preisen anbieten zu können, bleiben die neuen Möglichkeiten weithin unbekannt oder gelten oft als unwirtschaftlich, was wiederum bewirkt, dass Produkte die auf den neuen Möglichkeiten basieren, weder geplant noch hergestellt werden.
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Der Zusatzaufwand, der nach der Stand der Technik für Zusatzachsen notwendig war, wurde, soweit für einen Mehraufwand die Mittel vorhanden waren, entsprechend eher in Verbesserungen von Materialfluss und Automatisierung investiert.
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Daher wird ein Maschinenkonzept benötigt, dass bei flexibelster Nutzbarkeit, inklusive der für hohe Beschleunigung unabdingbar notwendigen Zusatzachsen, mit ähnlichem oder möglichst geringerem Aufwand realisierbar ist, als aktuell gebräuchliche Basismaschinentypen mit ähnlichem Arbeitsraum.
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Möglichst sollten bei vergleichbarem Aufwand gegenüber gebräuchlichen Maschinen, nicht nur bezüglich der Arbeitgeschwindigkeit, sondern auch betreffend der Flexibilität bei Materialfluss und Automatisierung, deutliche Vorteile entstehen.
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Aus
DE 10 2010 119 211 A1 ist ein erstes Maschinenkonzept bekannt, dass diese Anforderungen, gerade bei besonders hohen Leistungsansprüchen, weitgehend erfüllt. Jenes Dokument enthält aber in bestimmten Realisierungsvarianten noch eine für die Funktion nicht zwingend notwendige Antriebsresource, die eingespart werden kann und es stellt sich die Frage, ob nicht generell ähnliche Achskonfigurationen, entsprechend mit Zusatzachskonfigurationen auf neuartige und effiziente Weise für eine leistungsfähige Bearbeitung von Flachmaterialien modifiziert werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Nutzung jeder ohnehin für eine höhere Ausbauflexibilität notwendigen Maschinenresource bezüglich Antriebsmöglichkeiten und Material, jeden nicht der Leistungsfähigkeit dienlichen Aufwand einer Achskonfiguration zu vermeiden, ohne die Leistungsfähigkeit wesentlich zu mindern.
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Beschreibung der Erfindung
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Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, ist als Teil einer Werkzeugmaschine eine Bewegungseinrichtung zur kombiniert translatorischen und rotorischen Bewegung mit einer redundant wirksamen Zusatzachseneinheit vorgesehen, wodurch ein Endeffektor oder Werkzeugträger, als Teil besagter Zusatzachseneinheit, über einen oder mehrere Arbeitsbereiche besagter Werkzeugmaschine hinweg, mittels mindestens teilweise redundant wirksamer Achsen besagter Einrichtung und besagter Zusatzachseneinheit, positionierbar ist.
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Erfindungsgemäß besteht besagte Bewegungseinrichtung aus einem in einer vertikalen Achse gelagerten und entsprechend über dem jeweils zu bearbeitenden Material verschwenkbaren Ausleger, der besagte redundant wirksame Zusatzachseneinheit trägt und entlang besagter Arbeitsbereiche mittels einer entsprechenden Bewegungsvorrichtung translatorisch verschiebbar ist, oder an dem entlang besagte Arbeitsbereiche mittels entsprechender Bewegungsvorrichtungen verschiebbar sind.
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Achskonfigurationen, die eine Bewegung eines Endeffektors oder Werkzeugträgers über einer Fläche mit Hilfe der Kombination von translatorischen und rotorischen Achsen bewirken, besitzen gegenüber Kombinationen aus rein translatorisch oder rotorisch bewegbaren Achsen einige interessante Vorzüge, wie schon aus dem Dokument
DE 10 2011 119 211 A1 bekannt ist. Besagte Vorzüge beziehen sich insbesonders auf einen vereinfachte Führung von Strahlungswegen und Versorgungsleitungen aller Art.
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Eine erfindungsgemäße Achskonfiguration hat beispielsweise gegenüber besagter
DE 10 2011 119 211 A1 den zusätzlich den Vorteil, dass bei einer nachträglichen Erweiterung des Bewegungsspielraums entlang mehrerer Arbeitsbereiche, oder wenn dies von vornherein in einer Maschineninstallation vorgesehen ist, keinen zusätzlichen hierfür notwendigen Antrieb vorzusehen, sondern lediglich den ohnehin vorhandenen translatorischen Antrieb für die Lagerung des schwenkbaren Auslegers entsprechend anzupassen oder von vornherein passend auszulegen, so dass für die Bewegung der besagten Zusatzachseneinheit über dem gesamten besagten Arbeitsbereich, keine Bewegung besagter Zusatzachseneinheit entlang des besagten Auslegers notwendig ist und eine entsprechende Maschinenachse daher komplett eingespart werden kann.
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Ein Nachteil der durch eine derartige erfindungsgemäße Achskonfiguration entsteht, besteht darin, dass die Bewegungsbahn für besagtes Lager des besagten Auslegers entlang der besagten Arbeitsbereiche etwa entsprechend der Breite jener Arbeitsbereiche, gegenüber diesen in der Länge versetzt angeordnet sein muss, wenn eine kontinuierliche Bearbeitung über die gesamte Länge der Arbeitsbereiche möglich sein soll.
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Dies bedeutet eine weniger kompakte Ausführungsform einer entsprechenden Werkzeugmaschine im Vergleich zu manchen Konfigurationen aus dem Stand der Technik.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, für Werkzeugmaschinen deren Arbeitsbereich oder hintereinander angeordnete Arbeitsbereiche, entlang besagter Bewegungsbahn für besagtes Lager, mindestens so lang ist/sind wie die doppelte Breite jener besagten Arbeitsbereiche, besonders bevorzugt länger als das vierfache jener Breite, ist es erfindungsgemäß, bei Einschränkung für eine kontinuierliche Bearbeitungsmöglichkeit über die gesamte Länge des/der besagten Arbeitsbereiche, vorgesehen, dass die Grundausrichtung des besagten Auslegers zum Verschwenken einer Zusatzachseneinheit über die Breite besagter Arbeitsbereiche, jeweils in Richtung des weiter entfernten Endpunktes des/der gesamten Arbeitsbereiche orientiert wird.
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Somit ist zwar die kontinuierliche Arbeitslänge, mindestens um besagte Breite der besagten Arbeitsbereiche, reduziert, aber die Bewegungsbahn für besagtes Lager des schwenkbaren Auslegers, kann entsprechend um mindestens eine Breite der besagten Arbeitsbereiche reduziert werden, wodurch eine entsprechend kompaktere Bauform einer derartigen Werkzeugmaschine möglich wird.
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Bei der Lagerung und Führung eines erfindungsgemäßen Auslegers, ist eine möglichst spielarme und biegesteife Gesamtkonfiguration anzustreben, wobei bezüglich der Steifigkeit jedoch die Anforderungen, wegen des Einsatzes besagter Zusatzachsen, nicht besonders hoch sind, und sogar niedrige Resonanzfrequenzen des Auslegers bevorzugt sein können, wenn ein Ausgleich der aus der Beschleunigung der Basisachsen entstehenden temporären Verformungen durch Bewegungen der Zusatzachsen kompensiert werden kann, neben ihrer eigentlichen Funktion der hochbeschleunigten Eigenbewegung.
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Die Schwenkbewegung des Auslegers wird gewöhnlich mittels eines konventionellen Antriebs zwischen Auslegerachse und Lager erfolgen, der aus dem Stand der Technik in einer Vielzahl von Varianten bekannt ist, beispielsweise einer Mehrzahl von Getriebemotoren die gegeneinander zur Vermeidung von Spiel vorgespannt auf einen Zahnkranz wirken, wobei ein translatorisch bewegbarer Fahrständer, als Lagerbasis für besagten Ausleger dient.
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Der Vorzug gegenüber vielen alternativen Konfigurationen, besteht in der Möglichkeit mit besagtem Ausleger, wie auch aus der
DE 10 2011 119 211 A1 bekannt, um die translatorische Bewegungsbahn eines Fahrständers herum angeordnete besagte Arbeitbereiche problemlos erreichen zu können.
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Es sind auch Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei denen die Schwenkbewegung des Auslegers durch einen oder mehrere Stäbe bewirkt werden kann, die an Gelenkpunkten entlang des besagten Auslegers ansetzen und deren anderes Ende entweder ebenfalls auf der translatorischen Bewegungsbahn der Lagerung des besagten Auslegers, oder parallel dazu, in jedem Fall aber auf einer Bewegungsvorrichtung mit eigenem Antrieb, gelagert ist. Dabei bestimmt der jeweilige Abstand zwischen beiden getrennt bewegbaren Bewegungsvorrichtungen für besagte Lagerungen, den jeweiligen Schwenkwinkel des Auslegers. Eine derartige Konfiguration ist auch als Scherenkinematik bekannt.
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Ein Vorteil derartiger Ausführungsformen der Erfindung liegen darin begründet, dass der gesamte Antrieb der Basisachsen, entlang der Bewegungsbahn angeordnet werden kann und dabei Einrichtungen von Mess- und Antriebseinrichtungen von beiden Antriebsteilen gemeinsam nutzbar sind , zum Beispiel der Präzisionsmaßstab eines Messsystems oder bei einem Lineardirektantrieb der jeweils unbewegte Antriebsteil entlang der gemeinsamen Bewegungsbahn der getrennt angesteuerten Läufer zur Lagerung des schwenkbaren Auslegers und der besagten Stäbe.
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Der Nachteil derartiger Ausführungsformen, gegenüber einem zentral angetriebenen Schwenkmechanismus, liegt offensichtlich in der eingeschränkten Bewegbarkeit. Wenn getrennte parallele Bahnen für besagte Lagerungen vorgesehen sind, ist es aber möglich, die Länge des besagten Stabes, dessen Lagerpunkt am schwenkbaren Ausleger und den Abstand der parallelen Bewegungsbahnen so auszulegen, dass eine Bewegung des translatorisch verfahrbaren Lagerpunktes vorbei an der Lagerung des schwenkbaren Auslegers möglich ist, so dass, zumindest zwischen jeweils kontinuierlich ablaufenden Arbeitsvorgängen, eine wechselnde Ausrichtung des schwenkbaren Auslegers möglich ist, die eine entsprechend kürzere translatorische Bewegungsbahn und damit kompaktere Bauform einer entsprechenden Werkzeugmaschine ermöglicht, wie in dieser Beschreibung schon, für eine Konfiguration mit Antrieb an der Schwenkachse, dargestellt wurde.
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Ein derartige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Basisachsen bedeutet jedoch wiederum einen zusätzlichen mechanischen Aufwand bei höherem Aufwand um mechanische Stabilität zu gewährleisten, so dass jeweils anwendungsspezifisch genau abzuwägen ist, wegen welcher Vor- und Nachteile welche Ausführungsform bevorzugt ist.
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Unabhängig von der Ausführungsform des besagten Auslegers, enthält besagte Zusatzachseneinheit mindestens zwei Achsen beliebiger Bauarten und Kombination, mit denen besagter Endeffektor oder Werkzeugträger in einem ausreichenden Bewegungsspielraum bewegbar ist, vorzugsweise so, dass passend zur Beschleunigungsmöglichkeit der gesamten besagten Zusatzachseneinheit mittels besagtem translatorisch bewegbaren und schwenkbaren Ausleger, mindestens anwendungsspezifisch und für kontinuierliche Bewegungen, durch synchrone Kombination der Bewegung des besagten Auslegers als Basisachse und besagten mindestens zwei Zusatzachsen, das Beschleunigungspotential der Zusatzachsen maßgeblich ist.
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Sinngemäß gilt dies selbstverständlich auch für die Veränderung der Beschleunigung über die Zeit, den sogenannten Ruck, beispielsweise bedingt durch Induktivitäten in elektrischen Antrieben oder mechanische Schwingungsneigung, soweit dies jeweils relevant sein sollte.
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Der Bewegungsspielraum der Zusatzachsen muss hierzu ausreichend lang gewählt sein, um zu vermeiden, dass eine Zusatzachse während einer Beschleunigungsphase in eine Endlage gerät, bevor die Basisachse, hier insbesondere besagter Ausleger, schon die angestrebte Bewegungsgeschwindigkeit erzielt hat.
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Hierfür zu beachtende Regeln und Möglichkeiten lassen sich beispielsweise aus der Lehre der internationalen Patentanmeldungen
WO 2008/148558 A1 ,
WO 2008/151810 A1 ,
WO 2009/000466 A2 und
WO 2009/027006 A1 ableiten, wobei zu beachten ist, dass die Beschleunigungsmöglichkeiten der Basisachsen hier variabel von der jeweiligen Position der Zusatzachseneinheit am besagten verschwenkbaren Ausleger abhängig ist und im Gegensatz zu den genannten Dokumenten, hier die Schwenkbewegung des besagten Auslegers als eine Basisachse genutzt und beispielsweise über einen bestimmten Bewegungsabschnitt hinweg als translatorische Bewegung einer Basisachse aufgefasst werden kann, was in den genannten Dokumenten nicht vorgesehen war und daher dort auch noch nicht berücksichtigt ist.
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Besagte Zusatzachsen sollten einen, gegenüber der sie jeweils tragenden Struktur, von den Bewegungen des besagten Endeffektors oder Werkzeugträgers weitgehend unabhängigen Schwerpunkt und weitgehende Freiheit von entsprechenden Reaktionskräften gegenüber den jeweils tragenden Strukturen aufweisen, beispielsweise indem in besagter Zusatzachse ein Impulsausgleich vorgesehen ist.
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Eine besonders bevorzuge Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgleichsbewegung zur Impulsentkopplung eine Bewegung des besagten Auslegers oder von Teilen besagter Zusatzachseneinheit vorgesehen ist.
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Dabei ist, insbesondere je nach Masseverhältnis zwischen Ausleger oder als Ausgleichsmasse verwendetem Teil besagter Zusatzachseneinheit und bewegter Zusatzachse und den sich daraus ergebenden Bewegungsspielräumen der jeweiligen Ausgleichsmassen, bei eher kleinem Bewegungsspielraum eine Kombination aus Federmittel und Dämpfung oder, bei eher längerem Bewegungsspielraum ein entsprechender Antrieb zwischen tragender Struktur und Ausgleichsmasse vorgesehen, der die Aufgabe des Federmittels und der Dämpfung übernimmt, den Bewegungsspielraum des Auslegers und den Aufbau von unerwünschter Bewegungsenergie im System zu begrenzen.
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Besagte Arbeitsbereiche können aus einer oder einer Mehrzahl von Auflageflächen für vorzugsweise plattenförmigem Material bestehen, über denen besagter Ausleger bewegbar ist, wobei Auflageflächen sowohl zur Bearbeitung und/oder zur (Zwischen)Lagerung von Roh- und Fertigteilen nutzbar sein können.
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Dies ist insbesondere bei einer Ausführung der Erfindung von Bedeutung, die eine variable Funktion des besagten Auslegers, sowohl als Träger des Bearbeitungswerkzeuges, wie auch als Träger von Vorrichtungen zur Bewegung von Roh- und Fertigteilen zwischen besagten Auflageflächen vorsieht.
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Derart ist sehr kostensparend eine Bearbeitung auf mehreren Auflageflächen im Wechsel möglich, so dass ein manuelles Be- und Entladen besagter Auflageflächen problemlos hauptzeitparallel stattfinden kann.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mindestens eine, vorzugsweise mehrere unterschiedliche, entsprechende Be- und Endladevorrichtungen auf hierfür vorgesehenen Parkpositionen während der Materialbearbeitung abgestellt sind und bei Bedarf am Ausleger, vorzugsweise durch entsprechende Kommandos einer zur besagten Bearbeitung genutzten numerischen Steuerung, mit dem Ausleger gekoppelt und, entsprechend ihrer jeweiligen Funktion, bewegt und genutzt werden können.
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Soweit notwendig, werden bei der Kopplung auch benötigte, beispielsweise elektrische und pneumatische, Verbindungen zu besagten Be- und Endladevorrichtungen vorgesehen.
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Zur Realisierung der mechanischen Kopplung und für mechanische Funktionen können erfindungsgemäß auch entsprechend angepasste oder erweitert bewegbare Elemente eines besagten Auslegers oder besagter Zusatzachsen genutzt werden.
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Derart kann, bedingt durch die erfindungsgemäße Achskonfiguration, sehr kostengünstig eine Automatisierung der Be- und Entladung von- und zu verschiedenen besagten Auflageflächen realisiert werden, beispielsweise für einen mannlosen Nachtbetrieb.
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Bei der Auslegung einer erfindungsgemäßen Achskonfiguration ist jedoch zu beachten, dass die Belastung durch derartige Zusatzfunktionen nicht zu Beschädigungen oder einem übermäßig erhöhten Verschleiß, insbesondere von Lager- und Führungselementen führt. Eine Automatisierung durch Bewegungselemente einer erfindungsgemäßen Einrichtung eignet sich daher vorzugsweise eher für relativ leichte und/oder kleine Rohmaterialteile.
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Besonders Auflageflächen die zur Bearbeitung genutzt werden, sollten möglichst mit entsprechenden Vorrichtungen zur Entfernung von Rest- und Schadstoffen des jeweiligen Fertigungsprozesses ausgestattet sein und mit Sicherheitseinrichtungen zur Vermeidung von Unfällen.
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Anstelle besagter Auflageflächen können auch durch besagte numerische Steuerung in ihrer Bewegung steuerbare Spanneinrichtungen für drehbare Profile, wie beispielsweise rohrförmige Werkstücke, vorgesehen sein, vorzugsweise derart, dass die Längsachse besagter rohrformiger Werkstücke während ihrer Bearbeitung parallel zur translatorischen Bewegungsachse für die Lagerung des besagten schwenkbaren Auslegers ausgerichtet ist. Dies ermöglicht unter anderem den Betrieb mit einer relativ einfachen Steuerung.
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Obwohl, wie aus vorstehenden erkennbar ist, dank erfindungsgemäßer Achskonfiguration eine zugleich leistungsfähige und flexible Werkzeugmaschine mit sehr geringem Aufwand realisierbar ist, ist auch bezüglich der Bearbeitungsqualität ein hoher Standard erzielbar.
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Neben der schon erwähnten Möglichkeit während der Bewegungsabläufe entstehende dynamische Abweichungen vom Sollweg des Auslegers, durch entsprechende Bewegungen der Zusatzachsen auszugleichen, kann zum Beispiel eine elastische Durchbiegung von Strukturen durch eine allmähliche Bewegung von größeren Massen recht gut tabellarisch über eine Steuerung kompensiert werden, die beispielsweise die Referenzdaten mit Hilfe eines maschinenunabhängigen Messsystems und entsprechenden Messfahrten erzeugt.
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Ein wesentlicher Nutzen des Einsatzes von Zusatzachsen in der vorliegenden Erfindung ist es, die Regelbarkeit einer hoch beschleunigt angetriebenen komplexen mechanischen Konfiguration in der für hohe Präzision notwendigen Weise zu ermöglichen, da der Unterschied zwischen Soll- und Istwert, resultierend aus der durch Vorsteuerung erzeugten Bewegung, hierdurch wesentlich reduziert werden kann.
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Da zugleich auch die Anregungen aus der Mechanik geringer sind, insbesondere beim erfindungsgemäßen Einsatz der Impulsentkopplung, ergibt sich ein wesentlich besser vorhersehbareres Systemverhalten, was wiederum langsam wirkende Regelkreise, beispielsweise zur allmählichen Optimierung von Ansteuerungsparametern der Vorsteuerung, besser wirksam werden lässt.
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Angetrieben werden die Basisachsen gewöhnlich durch Direktantriebe in Form von Linear- und Torquemotoren, oder mittels Kugelgewindespindeln und Getriebemotoren.
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Je nach anwendungspezifischen Anforderungen, benötigtem Bewegungsspielraum der Gesamtmaschine und zu bewegenden Massen können auch andere elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch wirksame Antriebe erfindungsgemäß genutzt werden.
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Für Zusatzachsen, bzw. Antriebe die Teil einer impulsentkoppelten Achskonfiguration sind, sollten vorzugsweise lineare Direktantriebe zur Anwendung kommen.
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Eine Mess- oder Werkzeugmaschine kann erfindungsgemäß beispielsweise für den Schiff- oder Flugzeugbau zur Bearbeitung größter Bauteile in höchster Detailkomplexität vorteilhaft konzipiert werden, oder für häufiger auftretende Dimensionen, beispielsweise in der Größe von Autokarosserien, Waschmaschinen oder kleineren Gebrauchsgegenständen, bis hinunter in die Dimensionen von wenigen Zentimetern.
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Die Grundproblematik – die Größe eines möglichst ununterteilten Arbeitsraumes im Verhältnis zu den zu berücksichtigenden Details einerseits und immer höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei zugleich hoher Genauigkeit nimmt tendenziell immer mehr zu und damit zugleich der Bedarf für höchstmögliche Beschleunigungen, ohne dass dabei Maschinenelemente unerwünschte bewegt oder verformt werden.
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Dies ermöglicht die Erfindung mit weitaus geringerem Aufwand, als es nach dem bisherigen Stand der Technik bekannt ist.
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Bearbeitungsmethoden für die sich eine erfindungsgemäße Maschine eignet, sind unter anderem das Schneiden mit Laser oder Wasserstrahl, das Schweißen, Fräsen, Gravieren, Markieren, Aufbringen von komplexen Konturen und Strukturen auf Materialien, wie Blech, Kunststoff, Glas, Keramik, Holz und Textilien.
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Ebenso ist das Rapid Prototyping eine geeignete Anwendung, insbesondere Verfahren in denen Schichten zugeschnitten, Material kleinräumig aufgetragen wird oder aus sonstigen Gründen mit einem möglichst senkrecht zum Material ausgerichteten Energiestrahl gearbeitet werden muss.
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Ferner sind das präzises 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.
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Abschließend soll die Erfindung nochmals an einem illustrierten Beispiel erläutert werden.
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1 zeigt die Totalansicht einer erfindungsgemäß gestalteten Laserschneidmaschine, bestehend aus vier separaten Arbeitsbereichen (1, 2, 3, 4), einer Steuerung (5), und einem entlang der Arbeitsbereiche fahrbaren Maschinenständer (11), der mit einem am besagten Maschinenständer (11) in der Höhe bewegbaren und über den Arbeitsbereichen schwenkbaren Ausleger (12), sowie einer zur Bewegung des Auslegers redundant wirksamen Zusatzachseneinheit (20) am Ende des besagtem Auslegers (12), eine erfindungsgemäße Bearbeitungseinrichtung bildet.
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Das vorliegende Beispiel sieht als Endeffektor (30) einen Laserschneidkopf mit einer hochdynamisch um einige Zentimeter in der Höhenlage verstellbaren Schneiddüse vor.
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Eine Besonderheit der dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung, besteht darin, dass das Außenteil der Zusatzachseneinheit (20) als Ausgleichsmasse zur Impulsentkopplung der längst des Auslegers (12) orientierten Zusatzachse dient, und zu diesem Zweck an besagtem Ausleger (12) um ±10 cm in Längsrichtung des Auslegers (12) verschiebbar ist. Zur Begrenzung des Bewegungsspielraums ist in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine mechanisch wirksame Federvorrichtung vorgesehen.
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Für die mit besagter Längsachse verschiebbare Querachse der Zusatzachseneinheit ist ein Impulsausgleich vorgesehen, und zwar derart, dass an besagter Querachse selbst geführte und angetriebene Ausgleichsmassen, die Reaktionskräfte, insbesondere herrührend aus den Beschleunigungsspitzen des von dieser Querachse getragenen Endeffektors, ausgleichen. Ein hochpräziser Maßstab ist so am Ausleger angeordnet, dass Messwerte sowohl von je einem Sensor an besagter Querachse als auch an besagtem Außenteil der Zusatzachseneinheit (20) abgenommen werden können.
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Insgesamt wird hierdurch eine gegenüber dem Auslegerelement (12) und dem Maschinenständer (11) weitgehend rückwirkungsfreie Beschleunigung und hochpräzise Bewegung innerhalb der Zusatzachseneinheit (20) möglich.
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Der Bewegungsspielraum Innerhalb der Zusatzachseneinheit (20) ist in diesem Ausführungsbeispiel, mit durchschnittlich 35 cm, so ausgelegt dass eine effektive Beschleunigung von etwa 3 m/s2 durch Verschiebung oder Rotation des Auslegers ausreicht, um bei Schneidgeschwindigkeiten von bis zu 60 m/min in nahezu jeder Betriebssituation die Beschleunigung der Zusatzachse von etwa 60 bis 100 m/s2 kontinuierlich in beliebig komplexen abzufahrenden Konturen nutzen zu können.
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Da die Zusatzachseneinheit (20) entlang des Auslegers (12) nur etwa 10 cm Spielraum zur Impulsentkopplung benötigen, können sowohl ein Laserstrahl mittels Spiegeln und alle notwendigen Zuleitungen, robust, präzise und zugleich materialschonend zum Endeffektor (30) geführt werden.
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Besagte Zuleitungen werden mit ausreichend Spiel verlegt und vorzugsweise passenden Federelement vorgespannt und mit Gleitelementen innerhalb ihres Bewegungsraumes so umgeben, dass definierte Bewegungsabläufe und Kraftwirkungen eingehalten werden.
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Da das Gehäuse des Auslegers (12) erfindungsgemäß auch bei höchsten Bearbeitungsgeschwindigkeiten weitgehend frei von scharfen Beschleunigungs- und Ruckspitzen bewegt werden kann, ist es auch ohne weiteres möglich und sinnvoll empfindliche Teile einer Bearbeitungsvorrichtung in besagtem Gehäuse zu integrieren.
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In dem hier dargestellten Beispiel einer Laserschneidmaschine könnte dies ein Lasergenerator mitsamt notwendigen Kühlelementen sein, der vorzugsweise im hinteren Teil des besagten Gehäuses installiert sein sollte, wobei, bezüglich der Lagerung des Auslegers (12) am Maschinenständer (11), zugleich ein gewisser statischer Gewichtsausgleich zu dem zur Bearbeitungsseite hin auskragenden Ausleger entsteht.
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Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die optischen Wege vom Auskoppelelement der Laserquelle bis hin zur Bearbeitungsstelle einfach und optisch stabil gehalten werden können, was der Genauigkeit und Langzeitstabilität zugute kommt.
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Darüber hinaus ist es somit möglich, sämtliche in ihrer Lage zueinander besonders empfindlichen Komponenten einer Laserschneidmaschine in einem kompakten und leicht transportablen Gehäuse unterbringen zu können, was sowohl die Vormontage als auch den Aufbau von entsprechenden Maschinen am Einsatzort sehr vereinfacht und verbilligt.
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Während eine erfindungsgemäß ausgeführte Laserschneidmaschine durchaus den obersten Leistungsbereich der Maschinen nach dem Stand der Technik erreichen kann, und zwar bei einem deutlich reduzierten Aufwand, sowohl was Komponenten, Aufbau und Service betrifft, ist ein ganz wesentlicher Vorzug die hohe Flexibilität, die ohne besondere Schwierigkeiten einen modularen Auf- und Umbau einer Laserschneidmaschine, entsprechend jeweils wechselnden Erfordernissen, ermöglicht.
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So ist schon aus der hier zu betrachtenden 1 leicht zu erkennen, dass mittels einer im Realisierungsaufwand eher mit typischen ”Kleinformatmaschinen” vergleichbaren erfindungsgemäßen Laserschneidmaschine, vielseitige Kombinationen mit verschieden ausgestatteten Arbeitsbereichen (1, 3) denkbar sind, die aufeinander aufbauen können.
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Entsprechend stabile Ausführung der Lagerung des Maschinenständers (11) vorausgesetzt, kann der Ausleger (12) auch genutzt werden, um vorzugsweise den Transfer von Rohmaterial zwischen verschiedenen Arbeitsbereichen auszuführen.
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So ist in 1, auf dem Arbeitsbereich (3) ein Hebezeug (40) dargestellt, dessen Verbindungsdorne (41) und (42) pneumatische und elektrische Kopplungselemente enthalten, deren passendes Gegenstück sich jeweils im mittleren Teil der Unterseite des Auslegers (12) befinden.
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Vor dem Verbinden wird im dargestellten Beispiel der Ausleger (12) genau quer zum Arbeitsbereich (3) ausgerichtet sowie auf Maximalhöhe angehoben und dann mittels Fahrständer (11) genau passend über das Hebezeug positioniert.
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Dann wird der Ausleger (12) soweit abgesenkt, bis eine sichere Verbindung der Verbindungsdorne (41, 42) und besagter Kopplungselemente in den dafür vorgesehenen Öffnungen auf der Unterseite des Auslegers (12) erreicht ist.
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Wenn dies sicher gestellt ist, wird die Verbindung, vorzugsweise elektrisch oder pneumatisch angetrieben, mechanisch verriegelt.
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Sodann können die Funktionen des Hubzeugs (40) entsprechend genutzt werden.
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Die Position der Verbindungselemente wäre im dargestellten Beispiel vorzugsweise in jedem Arbeitsbereich (1, 2, 3, 4) identisch und ergibt sich gewöhnlich ganz zwanglos, indem die Maschine das Hebezeug immer wieder dort aufnimmt, wo es zuletzt abgestellt wurde.
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Selbstverständlich sind zahlreiche Methoden bekannt und denkbar einen solchen Vorgang möglichst flexibel und automatisierungssicher und auch völlig anders, als hier beispielhaft dargestellt, zu gestalten, was aber nicht Gegenstand dieser Beschreibung sein soll.
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In der hier dargestellten Weise kann eine einzelne Person schon ohne jede weitere Automatisierungskomponente ein erhebliches Bearbeitungsvolumen bewältigen, wenn man davon ausgeht, dass auf den in diesem Beispiel zum Schneiden eingerichteten Arbeitsbereichen (1) und (2) die jeweils ausgeschnittenen Teile und Reste ohne große Anstrengung manuell zu entnehmen sind.
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Wiederum können die Möglichkeiten zur Automatisierung durch bekannte Einrichtungen und Verfahren erweitert werden, was aber ebenso nicht Gegenstand dieser Beschreibung ist.
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Auch nicht Gegenstand dieser Beschreibung ist es, darzustellen welche Steuerungen und Sicherheitsmaßnahmen zum praktischen Betrieb einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung vorzusehen wären und wie diese auszuführen sind, beispielsweise um den maximalen Arbeitsbereich einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung auf die erfindungsgemäß dargestellten Arbeitsbereiche (1, 2, 3, 4), je nach ablaufender Bearbeitung, sicher zu begrenzen.
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Hierzu kann auf einen umfangreichen Stand der Technik zum Thema des Einsatzes von Handhabungsautomaten, Industrierobotern und ähnlichem zurückgegriffen werden.
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Es ist dem Fachmann auch leicht ersichtlich, dass eine Vielzahl weiterer Konfigurationen aus beliebig zu gestaltenden und nutzbaren Arbeitsbereichen und erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtungen denkbar sind, wie beispielsweise mit einem längeren Fahrbereich für besagten Maschinenständer (11) entlang einer Vielzahl von Arbeitsbereichen, oder mit mehreren unabhängig voneinander bewegbaren erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtungen oder auch durch eine Führung von besagten Bewegungseinrichtungen in anderen Höhen, also beispielsweise oberhalb der besagten Arbeitsbereiche mit hängend montierten Auslegern, oder indem doppelseitige symmetrische erfindungsgemäße Ausleger zugleich über zwei Arbeitsbereichen bewegt werden usw., die in keiner Beschreibung abschließend darstellbar wären.
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Die vorliegende Erfindung schafft somit, durch und neben den geschilderten Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik, auch noch viele weitere Möglichkeiten, Bearbeitungsprozesse, insbesondere an relativ großformatigen Flachmaterialien, und dafür geschaffene Gebäude, Anlagen und Maschinen neuartig zu gestalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 594699 B1 [0018]
- EP 1294544 B1 [0020]
- EP 1724054 B1 [0020, 0020]
- WO 2011/023185 A1 [0021]
- WO 2011/023186 A1 [0021]
- DE 102010119211 A1 [0032]
- DE 102011119211 A1 [0036, 0037, 0044]
- WO 2008/148558 A1 [0052]
- WO 2008/151810 A1 [0052]
- WO 2009/000466 A2 [0052]
- WO 2009/027006 A1 [0052]
