DE19904702B4

DE19904702B4 - Parallel-Kinematik-Maschine

Info

Publication number: DE19904702B4
Application number: DE1999104702
Authority: DE
Inventors: Erich Lunz
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2019-02-06
Also published as: WO2000045991A1; DE19904702A1

Abstract

Parallel-Kinematik-Maschine (1, 30) mit einer Grundplatte (2) und mehreren mit dieser verbundenen Tragarmen (3), die wenigstens in ihrem oberen Teil zu einer gedachten Mittelsenkrechten nach innen geneigt angeordnet sind und an ihren oberen Enden durch ein Verbindungsteil (4) miteinander verbunden sind, so daß eine aus Tragarmen (3) und Verbindungsteil (4) zusammengesetzte Tragekonstruktion gebildet ist, in der über erste Gelenke (8) obere Enden von Teleskopstreben (5) aufgenommen sind, deren untere Enden über zweite Gelenke (9) mit einer Werkzeugaufnahme (10) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Gelenke (8) an den Tragarmen (3) in Richtung der Grundplatte (2) und/oder in Richtung des Verbindungsteils (4) unabhängig voneinander verschiebbar angeordnet sind, wobei im Verbindungsteil (4) über ein drittes Gelenk (14) ein mit einer Abflachung (29) versehenes Zentralrohr (13) verschiebbar aufgenommen ist, das mit der Werkzeugaufnahme (10) verbunden ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Parallel-Kinematik-Maschine mit einer Grundplatte und mehreren mit dieser verbundenen Tragarmen, die wenigstens in ihrem oberen Teil zu einer gedachten Mittelsenkrechten nach innen geneigt angeordnet sind und die an ihren oberen Enden durch ein Verbindungsteil miteinander verbunden sind, sodass eine aus Tragarmen und Verbindungsteil zusammengesetzte Tragekonstruktion gebildet ist, in der über erste Gelenke obere Enden von Teleskopstreben aufgenommen sind, deren untere Enden über zweite Gelenke mit einer Werkzeugaufnahme miteinander verbunden sind.
Hintergrund der Erfindung
Derartige Maschinen gehören zu einer neuen Generation von Werkzeugmaschinen mit mehreren je aus ineinander angeordneten Rohren gebildeten Teleskopstreben, die einerseits an einer Tragekonstruktion und andererseits an einer Werkzeugaufnahme gelenkig befestigt sind. Eine solche gattungsgemäße Parallel-Kinematik-Maschine ist aus der DE 196 21 464 A1 bekannt. Sie besteht aus einer Grundplatte und mehreren mit dieser verbundenen Tragarmen, die in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet sind und unter einem spitzen Winkel geneigt nach innen verlaufen. An ihrem oberen Ende sind die Tragarme durch ein waagerecht verlaufendes Verbindungsteil miteinander verbunden, sodass eine aus Tragarmen und Verbindungsteil zusammengesetzte Tragekonstruktion gebildet ist. Im Verbindungsteil sind über raumfest angeordnete Gelenke Teleskopstreben an ihren oberen Enden gehalten, deren untere Enden ebenfalls über Gelenke mit einer Werkzeugaufnahme verbunden sind. Die Teleskopstreben sind dabei an ihren oberen und an ihren unteren Enden über Gelenke so miteinander verbunden, dass sie einem auf den Kopf gestellten Kamerastativ ähneln. Auf diese Weise ist aufgrund der Dreieckskonstruktion (Triangular-Konzept) ein sehr biegesteifer Aufbau realisiert, der sich durch eine gute Stabilität und eine hohe Genauigkeit in der Positionierung des Werkzeuges auszeichnet. Die höchste Stabilität einer solchen Parallel-Kinematik-Maschine und damit die höchste Genauigkeit in der Position des Werkzeuges wird immer dann vorliegen, wenn die Teleskopstreben so ausgerichtet sind, dass sie gemeinsam der Bearbeitungskraft optimal entgegenwirken. Eine solche optimale Ausrichtung der Teleskopstreben ist beispielsweise dann gegeben, wenn die Streben relativ steil gestellt sind, sodass eine gute Steifigkeit in senkrechter Richtung zu erwarten ist. Wird aber in diesem Fall das Werkzeug in waagerechter Richtung geführt, so ist die Steifigkeit der Konstruktion eingeschränkt.
Eine weitere Parallel-Kinematik-Maschine ähnlichen Aufbaus ist aus der DE 196 14 641 A1 bekannt. Auch hier treffen die vorstehend aufgeführten Nachteile zu.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Parallel-Kinematik-Maschine unter Vermeidung der bisherigen Nachteile so weiterzuentwickeln, dass auch bei unterschiedlichen Arbeitsstellungen des Werkzeuges eine hohe Stabilität und damit eine hohe Positioniergenauigkeit erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die ersten Gelenke an den Tragarmen in Richtung der Grundplatte und/oder in Richtung des Verbindungsteils unabhängig voneinander verschiebbar angeordnet sind, wobei im Verbindungsteil über ein drittes Gelenk ein mit einer Abflachung versehenes Zentralrohr verschiebbar aufgenommen ist, das mit der Werkzeugaufnahme verbunden ist.
Zum einen wird durch die unterschiedliche Stellung dieser Gelenke erreicht, dass die Teleskopstreben im Zusammenspiel miteinander in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Werkzeuges so zueinander ausgerichtet werden, dass sie der aufgebrachten Bearbeitungskraft optimal entgegenwirken. Dabei ist die Resultierende eines aus mehreren Kraftkomponenten bestehenden zentralen Kräftesystems gegenüber der aufgebrachten Bearbeitungskraft des Werkzeuges so ausgerichtet, dass die algebraische Summe aller Komponenten und Momente gegen Null tendiert. Sind die Teleskopstreben relativ steil gestellt, dann wird eine hohe Steifigkeit in senkrechter Richtung erzielt. Werden nun die Gelenke nach unten, d. h. in Richtung Grundplatte verschoben, so wird die Steifigkeit in waagerechter Richtung verbessert, während sie in senkrechter Richtung abnimmt. Da die einzelnen Gelenke aber unabhängig voneinander in Richtung der Grundplatte bzw. in Richtung des Verbindungsteils platziert werden können, kann der jeweiligen Arbeitsstellung des Werkzeuges entsprechend eine optimale Ausrichtung der Teleskopstreben zueinander realisiert werden, sodass immer ein Maximum an Stabilität und damit ein Maximum an Positioniergenauigkeit des Werkzeuges möglich ist. Zum zweiten liegt ein weiterer entscheidender Vorteil darin, dass der Arbeitsraum des Werkzeuges, der sich zwischen Grundplatte und Verbindungsteil befindet und durch die Tragarme begrenzt ist, wesentlich vergrößert wird. Dadurch, dass im Verbindungsteil über ein drittes Gelenk ein mit einer Abflachung versehenes Zentralrohr aufgenommen ist, das mit der Werkzeugaufnahme verbunden ist, ist Si chergestellt, dass ein Verdrehen der Werkzeugaufnahme in Umfangsrichtung, die sich ungenau auf die Positioniergenauigkeit des Werkzeuges auswirkt, verhindert ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
So ist nach Anspruch 2 vorgesehen, dass die Tragarme in ihrem oberen Teil geradlinig oder bogenförmig nach innen geneigt angeordnet sind. Beide Ausführungsvarianten stehen gleichberechtigt nebeneinander.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, dass das obere Ende der Teleskopstrebe von einer durchgehenden Bohrung eines Mittelteils aufgenommen ist, dieses Mittelteil mit zwei gegenüberliegenden Zapfen die einer Wandung eines Hohlkörpers schwenkbar aufgenommen ist, der Hohlkörper zwei um 90° versetzt zu den ersten Zapfen verlaufende Zapfen aufweist, die schwenkbar von je einer Seitenführung aufgenommen sind, wobei diese Seitenführungen auf zwei voneinander beabstandeten Schenkeln der Tragarme in Richtung der Grundplatte und/oder in Richtung des Verbindungsteils unabhängig voneinander verschiebbar angeordnet sind. Diese kreuzgelenkartige Lagerung der Teleskopstreben ist im vorliegenden Fall als Gleitlagerung ausgebildet, wobei auch eine wälzgelagerte Verschiebung der Teleskopstreben in den Bereich der Erfindung fällt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 soll das zweite Gelenk als ein Kugelgelenk ausgebildet sein, wobei die Gelenkkugel mit dem unteren Ende der Teleskopstrebe und die zugehörige Kugelkalotte mit der Werkzeugaufnahme verbunden ist. Ebenso wie die ersten Gelenke an den oberen Enden der Teleskopstrebe sorgen auch die zweiten Gelenke dafür, dass die Werkzeugaufnahme im Arbeitsraum in jede Richtung bewegbar ist.
Schließlich ist in Anspruch 5 die kreuzgelenkartige Ausbildung dieses dritten Gelenkes beschrieben, wobei in einer ersten durchgehenden Ausnehmung des Verbindungsteils mit einer durchgehenden zweiten Ausnehmung versehener Hohlkörper über zwei Zapfen schwenkbar aufgenommen ist, in der Ausnehmung des Hohlkörpers ein mit einer dritten durchgehenden Ausnehmung versehenen Mittelteil mit zwei um 90° versetzt zu dem ersten Zapfen verlaufenden zweiten Zapfen schwenkbar aufgenommen ist und das Zentralrohr schließlich verschiebbar von der dritten Ausnehmung aufgenommen ist.
Die Erfindung wird an nachstehend aufgeführten Ausführungsbeispielen näher erläutert
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 und 4 eine perspektivische Gesamtansicht einer erfindungsge mäßen Parallel-Kinematik-Maschine,
2 und 5 eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines ersten Gelenkes und
3 eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines dritten Gelenkes
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in 1 dargestellte und mit 1 bezeichnete Parallel-Kinematik-Maschine besteht aus einer kreisförmigen Grundplatte 2, auf der drei gleichmäßig voneinander beabstandete Tragearme 3 angeordnet sind, die in ihrem oberen Teil gegenüber einer im Zentrum der Grundplatte 2 gedachten Mittelsenkrechten geneigt nach innen verlaufen. Dies oberen Enden der Tragarme 3 sind durch ein kreisförmiges Verbindungsteil 4 miteinander verbunden, so daß eine aus Tragarmen 3 und Verbindungsteil 4 bestehende Tragekonstruktion gebildet ist. Das Verbindungsteil 4 verläuft parallel zur Grundplatte 2. Die Tragarme 3 setzen sich in ihrem geneigten Teil aus zwei voneinander beabstandeten Schenkeln 15 und 16 zusammen, so daß zwischen diesen ein Freiraum 17 gebildet ist. Die Teleskopstrebe 5, d. h. ihr äußeres Rohr 7 ist am oberen Ende von einem ersten Gelenk 8 aufgenommen, während das untere Ende der Teleskopstrebe 5, d. h. ihr inneres Rohr 6 über ein zweites Gelenk 9 mit einer Werkzeugaufnahme 10 verbunden ist, mit der wiederum ein Werkzeug 11 in Wirkverbindung steht. Durch ein voneinander unabhängiges Verschieben der einzelnen Gelenke 8 zueinander entweder nach innen in Richtung des Verbindungsteils 4 oder nach außen in Richtung Peripherie der Grundplatte 2 und durch eine unterschiedliche Stellung der beiden Rohre 6 und 7 der Teleskopstreben 5 zueinander, läßt sich ein auf dem Tisch 12 aufgespanntes Werkstück mit Hilfe des Werkzeuges 11 von verschiedenen Seiten bearbeiten. Wie die 1 weiter zeigt, bilden die drei Teleskopstreben 5 eine biegesteife Dreieckskonstruktion, die einem auf den Kopf gestellten Stativ einer Kamera ähnelt.
Werden nun beispielsweise die drei Teleskopstreben 5 relativ steil gestellt, d. h. die ersten Gelenke 8 sind in unmittelbarer Nähe des Verbindungteiles 4 positioniert, so wird eine hervorragende Steifigkeit in senkrechter Richtung realisiert. Werden hingegen die ersten Gelenke 8 radial nach außen, d. h. in Richtung Peripherie der Grundplatte 2 bewegt, so wird die Steifigkeit in waagerechter Richtung verbessert. Durch eine unterschiedliche Stellung der einzelnen Gelenke 8 zueinander lassen sich die Steifigkeitsverhältnisse der Konstruktion optimal entsprechend der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung des Werkzeuges 11 in eleganter Weise einstellen. Um ein Verdrehen der Werkzeugaufnahme 10 und damit auch des Werkzeuges 11 in Umfangsrichtung zu verhindern, ist die Werkzeugaufnahme 10 starr mit einem Zentralrohr 13 verbunden, das an seinem oberen Ende im Verbindungsteil 4 über ein drittes Gelenk 14 gehalten ist.
Das in den 2 und 5 in vergrößerter Darstellung gezeigte erste Gelenk 8 besteht aus einem Mittelteil 18, das eine nicht näher bezeichnete durchgehende Bohrung zur Aufnahme der Teleskopstreben 5 aufweist und über zwei einander gegenüberliegende Zapfen 19 von einer Wandung eines prismatischen Hohlkörpers 20 schwenkbar aufgenommen ist. Der Hohlkörper 20 ist ebenfalls mit einer durchgehenden Ausnehmung 21 zur Aufnahme des Mittelteils 18 ausgestattet. Der Hohlkörper 20 weist ebenfalls zwei einander gegenüberliegende Zapfen 22 auf, die jedoch zum ersten Zapfenpaar 19 um 90° versetzt angeordnet sind. Mit diesen Zapfen 22 ist der Hohlkörper 20 in nicht bezeichneten Aufnahmebohrungen von zwei gegenüberliegenden Seitenführungen 23 schwenkbar aufgenommen, so daß die Teleskopstrebe 5 in zwei Richtungen beidseitig verschwenkbar ist. Die Seitenführungen 23 gleiten auf den durch den Freiraum 17 voneinander beabstandeten Schenkeln 15 und 16 in Pfeilrichtung nach oben oder nach unten.
In 3 ist das dritte Gelenk 14 gezeigt, das in einer Ausnehmung 24 des Verbindungsteils 4 untergebracht ist. Es besteht aus einem mit einer Ausnehmung 25 versehenen rotationssymmetrischen Hohlkörper 26, der über zwei nicht sichtbare gegenüberliegende Zapfen in der Ausnehmung 24 schwenkbar aufgenommen ist. In der Ausnehmung 25 des Hohlkörpers 26 ist wiederum ein Mittelteil 27 aufgenommen, das zwei gegenüberliegende Zapfen 28 aufweist, die zum ersten nicht sichtbaren Zapfenpaar um 90° versetzt angeordnet sind. Mit diesen Zapfen 28 ist das Mittelteil 27 im Hohlkörper 26 schwenkbar aufgenommen. Das Mittelteil 27 weist ebenfalls eine nicht bezeichnete durchgehende Ausnehmung auf, die das Zentralrohr 13 mit seiner Abflachung 29 aufnimmt. Das Zentralrohr 13 ist im Mittelteil 27 verschiebbar untergebracht, so daß es der Werkzeugaufnahme 10 an verschiedenen Stellen im Arbeitsraum folgen kann.
Die in 4 gezeigte und mit 30 bezeichnete Parallel-Kinematik-Maschine unterscheidet sich von der in 1 gezeigten lediglich dadurch, daß die Tragarme 3 in ihrem oberen Teil bogenförmig nach innen geneigt angeordnet sind.

1: Parallel-Kinematik-Maschine
2: Grundplatte
3: Tragarm
4: Verbindungsteil
5: Teleskopstrebe
6: Rohr
7: Rohr
8: erstes Gelenk
9: zweites Gelenk
10: Werkzeugaufnahme
11: Werkzeug
12: Tisch
13: Zentralrohr
14: drittes Gelenk
15: Schenkel
16: Schenkel
17: Freiraum
18: Mittelteil
19: Zapfen
20: Hohlkörper
21: Ausnehmung
22: Zapfen
23: Seitenführung
24: Ausnehmung
25: Ausnehmung
26: Hohlkörper
27: Mittelteil
28: Zapfen
29: Abflachung
30: Parallel-Kinematik-Maschine

Claims

Parallel-Kinematik-Maschine (1, 30) mit einer Grundplatte (2) und mehreren mit dieser verbundenen Tragarmen (3), die wenigstens in ihrem oberen Teil zu einer gedachten Mittelsenkrechten nach innen geneigt angeordnet sind und an ihren oberen Enden durch ein Verbindungsteil (4) miteinander verbunden sind, so daß eine aus Tragarmen (3) und Verbindungsteil (4) zusammengesetzte Tragekonstruktion gebildet ist, in der über erste Gelenke (8) obere Enden von Teleskopstreben (5) aufgenommen sind, deren untere Enden über zweite Gelenke (9) mit einer Werkzeugaufnahme (10) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Gelenke (8) an den Tragarmen (3) in Richtung der Grundplatte (2) und/oder in Richtung des Verbindungsteils (4) unabhängig voneinander verschiebbar angeordnet sind, wobei im Verbindungsteil (4) über ein drittes Gelenk (14) ein mit einer Abflachung (29) versehenes Zentralrohr (13) verschiebbar aufgenommen ist, das mit der Werkzeugaufnahme (10) verbunden ist.
Parallel-Kinematik-Maschine (1, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragarme (3) in ihrem oberen Teil geradlinig oder bogenförmig nach innen geneigt angeordnet sind.
Parallel-Kinematik-Maschine (1, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Ende der Teleskopstrebe (5) von einer durchgehenden Bohrung eines Mittelteils (18) aufgenommen ist, dieses Mittelteil (18) mit zwei gegenüberliegenden Zapfen (19) in einer Wandung eines Hohlkörpers (20) schwenkbar aufgenommen ist, der Hohlkörper (20) zwei um 90° versetzt zu den ersten Zapfen (19) verlaufende Zapfen (22) aufweist, die schwenkbar von je einer Seitenführung (23) aufgenommen sind, wobei diese Seitenführungen (23) auf zwei voneinander beabstandeten Schenkeln (15, 16) der Tragarme (3) in Richtung der Grundplatte (2) und/oder in Richtung des Verbindungsteils (4) unabhängig voneinander verschiebbar angeordnet sind.
Parallel-Kinematik-Maschine (1, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gelenk (9) als ein Kugelgelenk ausgebildet ist, wobei die Gelenkkugel mit dem unteren Ende der Teleskopstrebe (5) und die zugehörige Kugelkalotte mit der Werkzeugaufnahme (10) verbunden ist.
Parallel-Kinematik-Maschine (1, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten durchgehenden Ausnehmung (24) des Verbindungsteils (4) ein mit einer durchgehenden zweiten Ausnehmung (25) versehener Hohlkörper (26) über zwei Zapfen schwenkbar aufgenommen ist, in der Ausnehmung (25) des Hohlkörpers (26) ein mit einer dritten durchgehenden Ausnehmung versehenes Mittelteil (27) mit zwei um 90° versetzt zu den ersten Zapfen verlaufenden zweiten Zapfen (28) schwenkbar aufgenommen ist und das Zentralrohr (13) verschiebbar von der dritten Ausnehmung aufgenommen ist.