DE19930287A1 - Gelenkarmbearbeitungsmaschine - Google Patents

Abstract

Herkömmliche kartesische Bearbeitungszentren, insbesondere auch für größere Werkstückabmaße, sind meist sehr groß, sehr schwer und mit vergleichsweise schlechten dynamischen Eigenschaften und sehr teuer. Hexapodenmaschinen weisen hingegen gute dynamische Eigenschaften, jedoch teuere Gelenke und eine sehr aufwendige Steuerung, auf. Die neue Vorrichtung ermöglicht es aus vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Bauteilen eine hochdynamische und steuerungstechnisch sehr einfach zu beherrschende Maschine zu realisieren. DOLLAR A Eine an zwei Gelenkarmen befestigte Arbeitsplattform wird gesteuert in einer Verfahrebene bewegt. Mindestens einer der Gelenkarme ist als Doppelparallelogrammarm ausgeführt, wodurch die Arbeitsplattform zwangsweise parallel zur Maschinenbasis geführt wird. Die Arbeitsplattform nimmt das eigentliche Arbeitsgerät auf. Der Antrieb erfolgt mittels zweier Aktoren, die beispielsweise je zwischen den Teilarmen der beiden Gelenkarme angebracht sind. Die Gelenkarme sind in Leichtbauweise ausgeführt, was gute Steifigkeit bei geringem Gewicht (gute Dynamik) gewährleistet. Sämtliche Gelenkstellen (einfache, ebene Drehgelenke) sind mittels herkömmlicher Wälzlager realisiert. Das Vorhandensein vieler Wiederholteile erlaubt die kostenoptimierte Umsetzung der Erfindung. Die 2,5-Achs-Steuerung der beiden Aktoren und der Zustell- oder Vorschubachse erfolgt mittels herkömmlicher NC-Software und Hardware. DOLLAR A Transportable Fräsmaschine in Modulbauweise, insbesondere für ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkarmbearbeitungsmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Gattung mit einem in einer Verfahrebene gesteuert bewegten Element, der sog. Arbeitsplattform.

Diese kann je nach Art der Anwendung oder Bearbeitung mit einem entspre­ chenden Arbeitsgerät bestückt werden.

Die als planare Parallelkinematik, aus zwei an einem Gestell und der Arbeits­ plattform befestigten Gelenkarmen bestehende, ausgeführte Konstruktion weist zwei Freiheiten und daher (mindestens) 2 Antriebe auf. Somit kann jede erlaubte Position des gesteuert bewegten Elements in der Verfahrebene erreicht werden. Je nach Anzahl, Art und Anbringung der Antriebe muß der theoretisch mögliche Verfahrbereich aufgrund auftretender Singularitäten begrenzt werden. Der so reduzierte Verfahrbereich heißt "erlaubter Verfahrbe­ reich".

Zudem wird durch Parallelführung gewisser Bauteile das Führen der Arbeits­ plattform in waagerechter Position über den gesamten Verfahrbereich erzwungen.

Um im 3-dimensionalen Raum arbeiten zu können, ist mindestens eine zusätz­ liche, angetriebene Achse erforderlich, die vorzugsweise als lineare oder rotatorische Zustellachse auf dem Maschinenfundament, verbunden mit dem Gestell des Basiselementes angebracht wird.

Die geschilderte Einrichtung kann insbesondere zum Fräsen größerer Modelle oder dem High-Speed-Cutting (HSC) verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bearbeitungszentrum der eingangs genannten Art zu schaffen und dieses bezüglich Verringerung der bewegten Massen, Einfachheit der Bauteile, Einfachheit der Achsensteuerung (besonders einfache numerische Aufbereitung der Bahndaten zur Erzeugung von Computer kontrollierten Bahnbewegungen in Echtzeit), günstigem Gesamtpreis und Mobilität der gesamten Anlage zu optimieren.

Zur anschaulichen Beschreibung der Funktionsweise der vorliegenden Erfin­ dung dient folgendes geometrisches Modell (Fig. 1).

Dabei werden die beiden Gelenkarme, das gesteuert verfahrene Element und das feste Gestell gedanklich in einfache geometrische Grundkörper zerlegt, die in einer Ebene liegen.

Der linke Gelenkarm bildet mit seinen beiden längenunveränderlichen Seiten 17 und 20 und einer gedachten längenveränderlichen Seite 36 das Dreieck 1. Der rechte Gelenkarm bildet mit seinen beiden längenunveränderlichen Seiten 25 und 29 und einer gedachten längenveränderlichen Seite 37 das Dreieck 2. Die beiden Dreiecke 1 und 2 sind über das gesteuert verfahrene Element 23 an ihren Eckpunkten 7 und 9 miteinander verbunden.

Zusammen mit dem längenunveränderlichen Basiselement 15 und den beiden längenveränderlichen Seiten 36 und 37 der beiden Dreiecke und dem gesteu­ ert verfahrenen Element 23 ensteht ein Trapez, dessen Grundseite das Basiselement und die dazu parallele Seite das gesteuert verfahrene Element selbst darstellt.

Das Trapez wiederum kann zu einem Dreieck degenerieren, indem die Gelenkpunkte 7 und 9 zusammenfallen und das gesteuert verfahrene Element 23 sich auf die Verbindung mit dem Parallelarmgelenk 6 und/oder 8 reduziert.

Die mit dem Basiselement 15 in den Punkten 2 und 13 verbundenen längen­ unveränderlichen Seiten der Dreiecke 1 und 2 (17 und 29) spannen eben mit diesem die Winkel α1 und α2 auf, wobei α1 zu Dreieck 1 und Trapez gehört. Die Winkel zwischen den, gemeinsam zu je einem der beiden Dreiecke 1 und 2 gehörenden, längenunveränderlichen Seiten 17 und 20, und 25 und 29 sind entsprechend mit β1 und β2 benannt.

Die Angabe aller vier Winkel und der Längen der Seiten 36, 23, 37 und 15 beschreibt die vorliegende Position der Arbeitsplattform 23 eindeutig. Weiterhin wird die Lage des gesteuert verfahrenen Elements 23, unter der Voraussetzung, daß das gesteuert verfahrene Element 23 zu einem Punkt degeneriert oder aber zwangsweise parallel geführt wird (wie beispielsweise in Fig. 2), eindeutig über die Angabe der Längen der beiden längenveränderlich gedachten Seiten 36 und 37, sowie der Seiten 15 und 23 bestimmt.

Die Länge der veränderlichen Seiten 36 und 37 wiederum ist durch Angabe des zum jeweiligen Dreieck gehörenden Winkelpaars α1, β1 und α2, β2 und der Längen der Seiten 17, 20 und 25, 29 eindeutig bestimmt.

Durch die getroffene geometrische Zwangsbedingung (Parallelführung oder bei Punktberührung der Dreiecke 1 und 2) reduziert sich die eindeutige geometrische Bestimmtheit auf die Angabe zweier beliebiger Winkel in den Dreiecken 1 und 2, wobei mindestens einer der beide Winkel β1 oder β2 impli­ zit gegeben sein muß.

Gibt man lediglich die beiden Winkel α1 und α2 an, existieren 2 mögliche geometrische Konstellationen der Seiten 20, 23 und 25, und zwar spiegelsym­ metrisch zueinender, mit einer gedachten Gerade durch die beiden freien Dreiecksecken 4 und 11 als Spiegelachse.

Daher ist bei einer derartigen Winkelsteuerung der erlaubte Verfahrbereich entweder oberhalb oder unterhalb der Spiegelachse mittels einer vorzugs­ weise numerischen, Einrichtung zu begrenzen.

Bei der technischen Realisierung ist die eingangs getroffene geometrische Zwangsbedingung sowie die passende Wahl der gesteuerten Winkel baulich umgesetzt worden.

Da die Arbeitsplattform (das gesteuert verfahrene Element 23) in den meisten Anwendungen ein Arbeitsgerät aufnehmen soll, ist dieses mittels einer Einrich­ tung zwangsweise parallel zum Gestellbauteil 15 zu führen.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen je eine mögliche Ausführungsvariante der geschilder­ ten Erfindung:
An einem Basiselement oder Gestellbauteil 15 sind an den vier gestellfesten, mit parallelen Drehachsen versehenen Drehgelenken 1, 2 und 13, 14 die Stäbe 16, 17 und 29, 28 befestigt.

Die beiden Stabpaare 16, 17 und 28, 29 bilden zusammen mit den an den Gelenkbauteilen 18 und 27 befestigten oberen Gelenken 3, 4 und 27, 12 und den gestellfesten Bodengelenken 1, 2 und 13, 14 je ein Parallelogramm. Um die zwangsweise Parallelführung der Arbeitsplattform 23 zu dem Gestelle­ lement 15 zu erlangen, muß zusätzlich mindestens eines der oberen Stabpaare 19, 20 oder 24, 25 als Parallelogramm ausgeführt sein. In Fig. 2 bis 5 sind beide obere Stabpaare als Parallelarm ausgeführt, indem die korre­ spondierenden Gelenke wieder gleiche Abstände aufweisen.

Dies erlaubt die günstige, bei Bewegung wechselnde, Lastverteilung auf die beiden Seiten.

Die gezeigte Anordnung ermöglicht, durch den zu einer gedachten Mittenstel­ lung der Arbeitsplattform symmetrischen Aufbau rechts und links, zudem die Verwendung gleichartiger Stab- und Gelenkbauteile.

Bei allen dargestellten Gelenken handelt es sich um ebene Drehgelenke, deren Drehachsen parallel liegen.

Ein nichtsymmetrischer Aufbau mit beispielsweise nur einem als Doppelparal­ lelogramm ausgeführten Gelenkarm und einem dazu, in den Stablängen und Gelenkabständen unterschiedlichem zweiten Gelenkarm, wäre z. B. für bausatzartige Spezialmaschinen - Zusammenstellungen sinnvoll.

Zwei zwischen je oberem Stabpaar (19, 20 und 24, 25) und unterem Stabpaar (16, 17 und 28, 29) angreifende Aktoren 21 und 26 in Fig. 2 bewirken eine gesteuerte Winkeländerung und somit das gesteuerte Verfahren der Arbeits­ plattform 23, die symbolisch mit einer Fräseinheit 22 bestückt dargestellt ist. Bei den Aktoren handelt es sich vorzugsweise um motorisch angetriebene Spindeltriebe.

Der Vorteil der in Fig. 2 gezeigten Aktorenanordnung besteht vor allem darin, daß auch Positionen der Arbeitsplattform in der Verfahrebene oberhalb des Durchknickbereichs einer gedachten Gerade durch die Gelenke 5, 6, 8 und 10 eindeutig ansteuerbar sind.

Weiterhin ergeben sich aus der Nähe der Aktoren zum Arbeitsgerät selbst ein günstiger Kraftfluß und gute Steifigkeitsbedingungen.

Aus maschinendynamischer Sicht kann sich das ständige Mitbewegen der (nicht masselosen) Aktoren im gesamten Verfahrbereich nachteilig auswirken. Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich lediglich in der Anordnung der Aktoren 34 und 35, die jetzt zwischen Basiselement 15 und den Armstäben 17 bzw. 29 angreifen.

Fig. 4 zeigt ein detaillierteres Ausführungsbeispiel zum Aufbau aus Fig. 3. An einem Basisgestell 15 (hier Maschinenfundament) sind die beiden Gelenk­ einheiten 46 und 47, je aus vier Einzelgelenken bestehend, angeflanscht. An jeder der beiden Gelenkeinheiten sind vier Stäbe gelenkig befestigt, die die äußeren Parallelarme 42 und 45 bilden.

An ihrem oberen Ende sind die beiden Parallelarme an gleichartigen Gelenk­ einheiten 18 und 27 gelagert. Diese wiederum weisen je vier zusätzliche, mit den übrigen vier Einzelgelenken an der Gelenkeinheit fest verbundene, Einzel­ gelenke zur Aufnahme der beiden inneren Parallelarme 43 und 44, ebenfalls aus vier Einzelstäben bestehend, auf.

Gemeinsames Verbindungselement der beiden inneren Parallelarme ist die Gelenkeinheit 23, die die Arbeitsplattform darstellt.

Auf der Arbeitsplattform wird das Arbeitsgerät installiert; im gezeigten Beispiel ist dies eine Fräsmotor-Spindel-Einheit 22 mit eingespanntem Fräser.

Die am Maschinenfundament befestigte Linearantriebseinheit 40 dient als Zustell- oder Vorschubachse für ein darauf zu befestigendes Werkstück (nicht dargestellt).

Die beiden Antriebseinheiten 34 und 35 sind an ihrem einen Ende gelenkig mit dem Maschinenfundament verbunden, das andere Ende greift je gelenkig an Stabpaaren der äußeren Parallelarme 42 und 45 an.

Nach Art der Darstellung handelt es sich bei den Antriebseinheiten 34 und 35 um hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch wirkende Kolben, die die gesteuerte Bewegung der Arbeitsplattform veranlassen. Die computerge­ stützte Steuerungseinheit der Antriebe und der Linearachse ist nicht dargestellt.

Sämtliche Gelenkstellen können mittels herkömmlicher Wälzlagerungen hergestellt werden, wobei je zwei auf einer gedachten Achse durch die Gelenkmittelpunkte liegende Gelenke als eine einzige Lagerstelle realisierbar sind (nicht dargestellt). Aus Steifigkeitsgründen sind die Lagerstellen vorzugs­ weise als vorgespannte Lagerungen auszuführen.

Vorteilhaft bei der Herstellung der Lagereinheiten (beispielsweise als Frästeile) erweist sich die Tatsache, daß sich alle Lagereinheiten in den Abmaßen entsprechen können; bei konsequenter Konstruktion bezüglich Einfachheit der Bauteile ist es möglich, aus den beiden Bodenlagerstellen 46 und 47 als Grundkörper durch Aneienandersetzen die restlichen Lagerstellen 18, 27 und 23 konstruktiv zu erzeugen.

Als Stabelemente eignen sich besonders Aluminiumprofile, die in verschiede­ nen Stärken und Längen erhältlich sind und trotz geringem Gewicht verhältnis­ mäßig große Trägheitsmomente aufweisen. Darüberhinaus existiert für die standardisierten Profile ein reichhaltiges Angebot an Befestigungs- und Verbindungselementen.

Ein Längenverhältnis von Abstand zwischen den Bodengelenken der beiden Parallelarme 2 und 13 zur Länge der äußeren Parallelarme 17, 29 zur Länge der inneren Parallelarme 20, 25 von etwa 17 zu 12 zu 8 gewährleistet einen besonders großen Arbeitsraum im gegebenen Bauraum.

Durch Skalieren der Stablängen besteht die Möglichkeit, das Bearbeitungszen­ trum für ein bestimmtes Anwendungsfeld - bei gleichbleibenden Lagereinhei­ ten - einfach umzubauen.

Durch die dargestellte Anordung der Antriebe in Fig. 3 und Fig. 4 am Maschi­ nengestell 15, muß nur ein kleiner Teil der Masse der Antriebe als bewegte Masse gerechnet werden, wodurch deutlich verbesserte dynamische Eigen­ schaften der Anlage resultieren. Nachteilig wirkt sich bei der Verwendung lediglich zweier Antriebe die notwendige Beschränkung des Verfahrbereichs der Arbeitsplattform 23 auf Positionen unterhalb oder oberhalb einer mögli­ chen Parallelstellung des Durchknickbereichs der beiden inneren Parallelarme 43 und 44 zueinander aus. Der aus dieser Beschränkung ableitbare erlaubte Verfahrbereich ist vorzugsweise über die Steuersoftware zu begrenzen.

Diese Tatsache ist bei entsprechend konstruktiver Auslegung z. B. als 2D-Bahnfräse mit mindestens einer Zustellachse 40 nicht sehr beschränkend, da bedingt durch die Fräserlänge nur begrenzte Eintauchtiefen des Arbeitsge­ räts sinnvoll nutzbar sind.

In Fig. 5 ist eine Bauvariante der aus Fig. 2 bekannten Aktorenanordnung zu sehen.

Besondere Steifigkeit in zur Verfahrebene senkrechter Richtung wird hier durch die sehr breite Gestaltung der äußeren Arme, die je aus den vier Einzel­ stäben 16, 17, 16a, 17a und 28, 29, 28a, 29a bestehen, erreicht. Die beiden inneren Arme, jeweils nur aus zwei Stäben (19, 20 und 24, 25) bestehend, sind dabei je zwischen den Stabpaaren 16, 17 und 16a, 17a und 28, 29 und 28a, 29a angeordnet, wobei die Anordnung der Lagerstellen der Stäbe 20, 17, 17a und 25, 29, 29a an den Lagereinheiten 18 bzw. 27 auf jeweils nur einer Achse erfolgen kann, was den Bauaufwand reduziert.

Günstig bezüglich des Kollisionsverhaltens der Antriebe mit einem gedachten Werkstück wirkt sich das Angreifen der Aktoren 21 und 26 an den dem Arbeitsraum abgewandten Stäben 16, 16a, 19 und 28, 28a, 24 aus. Die Anordung der gleich dimensionierten Aktoren an den jeweils innenliegenden Stäben würde den Arbeitsbereich sichtlich einschränken.

Als Zustellachse für beispielsweise Fräsanwendungen ist hier ein Drehtisch 41 dargestellt, welcher vom Basiselement 15, hier dem Maschinengestell, getra­ gen wird.

Stand der Technik

Bearbeitungszentren dienen dazu, Werkstücke mit Hilfe von Verfahren und Werkzeugen in geeigneter Weise zu bearbeiten.

Konventionelle Bearbeitungszentren besitzen meist einen "kartesischen" Aufbau beispielsweise in Portal- oder Gantrybauweise.

Ein großer Nachteil dieser Maschinenbauart besteht darin, daß durch aufein­ ander angeordnete Achsen auch bei kleinen Bewegungen zum Teil große Massen anderer Achsen mitbeschleunigt und abgebremst werden müssen, wodurch eine erhebliche Einschränkung der Dynamik resultiert. Um diesen Nachteil aufzufangen, ist man bestrebt, Gestellbauteile oder Antriebseinheiten möglichst leicht zu bauen, ohne dabei an Steifigkeit zu verlieren. Siehe hierzu die Patentanmeldung vom 21.03.97 der Firma ELEKTRONIK ENTWICKLUNG GmbH, in der die Masse der verfahrenden Gantry durch ein Leichtbau-Stre­ bengerüst und Kohlefaserrohre reduziert wurde; Die dargestellte Erfindung verfolgt dieses Ziel noch konsequenter: Durch den Verzicht auf kostspielig zu realisierende Linearbewegungen und die Minimierung bewegter Massen durch Leichtbauweise ist eine enorme Verbesserung der dynamischen Eigenschaf­ ten zu verzeichenen.

Die eben erwähnten konventionellen Maschinen weisen eine Serielle Kinema­ tik aut das heißt, eine gezielte Bewegung des Endeffektors im Arbeitsraum wird durch "hintereinandergeschaltete", voneinander unabhängige Bewegun­ gen der einzelnen Achsen realisiert, die je nach Ansteuerung der einzelnen Achsen auch simultan erfolgen können.

Zu den Maschinen mit serieller Kinematik gehören heutzutage die meisten industriell eingesetzten Handhabungsmaschinen und Robotertypen.

Daneben hat in letzter Zeit verstärkt die Weiterentwicklung oder Neuentwick­ lung von Parallelkinematikkonzepten stattgefunden, deren Anwendungsband­ breite von roboterähnlichen Montageautomaten bis zu ultraschnellen und hochgenauen Meß-, Positionier- oder Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie beispielsweise Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit Fräser oder Laser­ schneidkopf reicht.

Herausragende Vertreter dieser Machinengattung sind die Hexapoden (siehe hierzu US-A-5,401,128; US-A-5,354,158; DE 196 36 099 Al).

Eine nach STEWART benannten Plattform wird von sechs längenveränderli­ chen Stelzen getragen und durch die Längenveränderung der Stelzen in gewünschter Weise bewegt. Derartige Maschinenkonzepte werden derzeit schon von einigen Firmen angeboten, wie beispielsweise der VARIAX-HEXA- CENTER von GIDDINGS oder der Hexapod MIKROMAT, der in Zusammenarbeit der Firma MIKROMAT WERKZEUGMASCHINEN GMBH mit dem FRAUNHOFER-INSTITUT entstand (Quelle: mav, Ausgabe 1997/011, S. 58).

Vorteile gegenüber herkömmlichen Maschinenkonzepten liegen hier vor allem in der sehr eigensteifen Konstruktion, der Einfachheit der Gestellbauteile, im Vorhandensein vieler Wiederholteile, den geringen bewegten Massen und in der Senkung oder gänzlichen Vermeidung von Biegebeanspruchungen.

Nachteilig wirkt sich der steuerungstechnisch Mehraufwand aus, da aufgrund der Parallelkinematik zur Bewegung des Endeffektors immer mehrere oder gar alle Achsen gleichzeitig gesteuert werden müssen und daher konventionelle Steuerungssoftware nicht einsetzbar ist. Weiterhin ist das Verhältnis von Arbeitsraum zu Bauraum bei einer Hexapodmaschine im Vergleich zu einer seriellen Maschinenstruktur wesentlich geringer und die volle 5-Achs-Fähigkeit muß durch zusätzliches Anbringen einer Dreh- und/oder Schwenkachse "erkauft" werden.

Eine Vereinfachung des Hexapodenprinzips stellen die sog. Tripoden dar, die lediglich drei Freiheitsgrade zulassen und daher, was die Steuerung und Fehlerkompensation angeht, einfacher zu beherrschen sind. Namenhafte Hersteller solcher Systeme sind beispielsweise NEOS-ROBOTICS und COMAU-ROBOTICS (Quelle: mav, Ausgabe 1997/011, S. 58).

Die vorliegende Erfindung geht noch einen Schritt weiter. Durch das gezielte Einschränken der Bewegung des Endeffektors auf eine Ebene sind im Gegen­ satz zu den aufwendigen und kostspieligen räumlichen Drehgelenken der Hexapoden oder Tripoden hier lediglich Gelenkstellen mit einem Gelenkfrei­ heitsgrad (ebenes Drehgelenk) erforderlich, was sehr einfach mittels Standardwälzlagerungen realisiert werden kann. Auch wird so die Steuerung der ebenen Bewegung des Endeffektors mit einem Minimum an Komplexität der Steuerungssoftware erreicht. Aufgrund der durch die Einschränkung der Bewegungsfreihet deutlich weniger Rechenoperationen als bei Hexa- oder tripodischen Einrichtungen ist selbst eine Bearbeitung in Echtzeit mit einem derzeit käuflichen Personalcomputer möglich. Zudem wird durch die Ausfüh­ rung der Gelenkarme als Parallelogramm das Verbleiben der Arbeitsplattform, und damit des Werzeugs, in waagerechter Lage erzwungen und muß bei der Steuerung nicht mitberücksichtigt werden.

Ein weiteres neues Maschinenkonzept erreicht die Steifigkeit der in x-y-Ebene verfahrenden Pinole in z-Richtung mittels Ankopplung eines w-förmigen Getriebes. Der Antrieb der Pinole erfolgt dabei mit zwei Linearmotoren, die an der einen Seite an der Pinole angekoppelt sind und an der anderen Seite an einer schwenkbar am Gestell befestigten Kulisse gelagert werden (Quelle: Weck, M. Werkzeugmaschinen1, 5. Auflage S. 208; Springer Verlag).

Ein vergleichbarer Aufbau ist aus DE 197 01 830 A1 bekannt. Nachteilig bei diesem Konzept ist das sehr große Verhältnis von Aktorenlänge zu Verfahr­ länge des Endeffektors. So sind beispielsweise für Verfahrwege in x-y-Rich­ tung von 500 mm Aktoren einer Länge von 1450 mm erforderlich (Quelle: Weck, M. Werkzeugmaschinen1, 5. Auflage S. 208; Springer Verlag).

Bei der hier beschriebenen Erfindung wären bei gleichartigem Aktorentyp für den gleichen Verfahrweg Aktorenlängenänderungen im Bereich von nur 200 mm erforderlich, da diese nicht den gesamten Verfahrweg des Endeffektors mitbeschreiben müssen. Außerdem ist der Verfahrraum nicht durch die Antriebseinheiten "verbaut", so daß eine mögliche Werkstückbearbeitung gerade auch in dieser Ebene stattfinden kann (und nicht zwangsweise nur in einer zur Verfahrebene parallelen).

Nachteilig ist weiterhin an der Konstruktion nach DE 197 01 830 A1, daß eigent­ lich nur in 2D gefräst werden kann, eine mögliche Zustellachse im Raum Z, müsste das Werkstück heben, oder aber noch unvorteilhafter: das ganze W-Getriebe. Durch die völlige Beanspruchung der X-Y Ebene ist die mögliche Werkzeughöhe auch definitiv auf die Fräserauskragung aus dem W-Getriebe beschränkt. An Frässtrategien kann lediglich ein als Schruppfräsen bekanntes Ebenenfräsen realisiert werden, weil sonst die langsamen Bewegungen in Richtung der Z-Zustellachse benötigt werden. Das ermöglicht keine, der Werkzeugkontur folgenden, einfachen Frässtrategien ohne Inselbearbeitung, wo die Rillen günstigerweise in Richtung der Auszugsbewegung eines, in dem gefrästen Werkzeug reproduzierten Modells, liegen.

Die hohe Steifigkeit der erfindungsgemässen Konstruktion in dieser, mehr in Richtung der Auszugsbewegung angeordneten, Ebene wird durch den symme­ trischen und parallelkinematischen Aufbau erreicht.

Die symmetrische Bauweise mit zwei gegenüberligenden Gelenkarmen wirkt sich sehr günstig auf die Belastung der Gelenkarmstruktur durch Gewichts­ und Bearbeitungskräfte, die an der Arbeitsplattform angreifen, aus.

Wenn die Arbeitsplattform zwischen den Gelenkarmen verfährt, werden die Kräfte mit günstigem Hebel jeweils mehr auf den nahegelegenen Gelenkarm abgetragen als auf den entfernten, so daß die für die Genauigkeit und Belast­ barkeit ungünstige ganz ausgelenkte Stellung einer einfachen Roboter- Gelenkarm-Konstruktion bei dieser doppelten Gelenkarmausführung so jeweils durch den oppositionellen Gelenkarm ausgeglichen wird.

Man erreicht durch preiswerte Verdoppelung der Struktur und die symmetri­ sche Belastrung durch die Aktoren eine entscheidende Verbesserung der Genauigkeit und Belastbarkeit der Anlage.

Erfindungsgemäß wurde also ein Konzept für eine vielseitig einsetzbare Maschine realisiert, mit dem bewußtem Verzicht auf Mehrachsigkeit, um die Nachteile schon bekannter Machinenkonzepte gezielt umgehen zu können.

So werden sich der einfache und konsequente Aufbau der Maschine aus standartisierten Elementen, die denkbar einfache schnelle Steuerung in 2D der beiden identischen Antriebseinheiten und die Wartungsfreundlichkeit deutlich im Preis-Leistungverhältnis niederschlagen. Wegen der guten Skalierbarkeit der Armlängenverhältnisse bei gleichbleibenden Gelenkeinheiten und der günstigen dynamischen Eigenschaften ist diese Maschine in besonderer Weise für das Rapid Prototyping großer Designmodelle, für HSC-Anwendun­ gen, oder aber auch wegen der möglichen ausschliesslichen Konstruktion mit Drehgelenken oder Biegegelenken/Foliengelenken, für die Mikrobearbeitung geeignet.

Eine bevorzugte, automatisch zu erstellende Frässtrategie, ist:

• 1. Konventionelles Schruppfräsen in Gelenkarmbewegungsebene: hier der Y-Z Ebene und Weiterschalten der X-Achse,
• 2. sehr schnelles konturverfolgendes Abfräsen des Aufmassmaterials in Gelenkarmbewegungsebene in mindestens einem Arbeitsgang.

Die Bahnbewegung kann günstigerweise mit einer sanften Eintauchbewegung des Werkzeugs zum Beginn der einzelnen Bahn und einem Überschießen über das Werzeug hinaus zum Ende der Bahn erfolgen. Dann kann die Bearbeitunbgsebene in Z-Richtung weitergeschaltet werden.

Gesamtzeitverkürzend wirkt sich besonders aus, daß die einfache Frässtrate­ gie des 2,5D-Fräsens, an die die erfindungsgemässe Maschine besonders angepasst ist, fast ohne menschliche Intervention, mit konventioneller Software automatisch und sehr sicher erstellt werden kann.

Dadurch können, wie bei HSC-Fräsen typisch, gute Oberflächenqualität, hohe Werkzeugstandzeiten, problematische Werkstoffe und sehr eng beieinander­ liegende Fräsbahnen in erträglicher Zeitspanne bearbeitet werden.

Besäumbewegungen des Werkzeugs im Raum können durch langsames, simultanes Verfahren der Gelenkachsen und der zur Zustellung benutzten Achsen erzeugt werden.

Der Nachteil der Zweiachsigkeit (plus mindestens einer Zustell- und/oder Drehachse für das Werkstück) im Vergleich zu konventionellen 5-Achs-Syste­ men kann durch den Geschwindigkeitsgewinn aufgrund der guten Dynamik (große Schnelligkeit der Bewegung in Bearbeitungs-Bahnrichtung, verkürzte Hauptzeit) und die Einfachheit der Frässtrategie und somit auch der schnellen und einfachen Programmierung mittels herkömmlicher NC-Software wettge­ macht werden - wohlgemerkt bei weitaus geringeren Anlagenkosten!

Claims (20)

1. Numerisch gesteuerte Gelenkarmbearbeitungsmaschine für schnelle Bearbeitungen im Raum mit besonderer Bearbeitungsstrategie. Die besonders ökonomisch herstellbare Maschine weist auf:

• - Die Anpassung an die bevorzugte Bearbeitungsstrategie:
• - der schnellen Bewegung einer Arbeitsplattform entlang einer Bahn in einer bevorzugten Arbeitsebene des Raumes und
• - die langsame räumliche Verschiebung dieser Arbeitsebene durch das zu bearbeitende Objekt.
• - Schnelle Bewegungen einer Arbeitsplattform (23) in einer, zu der Bewegungsebene der Gelenkarme (17, 20 und 25, 29) parallelen Arbeitsebene.
• - Langsame Relativbewegungen der Gelenkarmvorrichtung mit Arbeitsplattform und Basiselement (mindestens Pos. 15, 16, 17, 18, 19, 20, 23, 25, 29) relativ zu dem Bearbeitungsobjekt (47) in einer nicht zur Arbeitsebene parallelen Richtung durch mindestens eine zusätzliche lineare oder rotatorische Achse.
• - Eine Arbeitsplattform (23), die mittels zweier 2gliedriger Gelenkarme (17, 20 und 25, 29), zwangsweise zu einem Basiselement (15) parallel geführt wird.
• - Das wird dadurch erreicht, daß mindestens ein Gelenkarm zwei geeignet verbundene Parallelogrammstrukturen (Fig. 2 und Fig. 3: 16, 17, 18, 19, 20) aufweist.
• - Die Gelenkachsen (1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7) liegen räumlich parallel zueinander und senkrecht zur Verfahrebene der Arbeitsplattform (23).
• - Die Arbeitsplattform (23) kann mit einem Arbeitsgerät (22), insbesondere mit einer Frässpindel, bestückt werden.
• - So kann das Arbeitsgerät (22) in definierten Winkeln zu Verfahrebene und Basiselement (15) gehalten werden.
• - Die Gelenkarme (16, 17, 18, 19, 20 und 24, 25, 27, 28, 29) greifen jeweils an gegenüberliegenden Seiten von Arbeitsplattform und Basiselement an und umschließen den Arbeitsbereich der Vorrichtung zumindest teilweise.
  Wenn man, die Verfahrmechanik der Arme senkrecht zur Verfahrebene auf die Verfahrebene projiziert, und auf gerade Verbindungslinien zwischen den Gelen­ ken reduziert, bilden die, eine innere Fläche begrenzenden Linien von Arbeits­ plattform (23), den Gelenkarmen (17, 20, 25, 29) und dem Basiselement (15), wie in Fig. 1 rein geometrisch beschrieben, die Seiten eines Sechsecks.
• - Die zwangsweise Steuerung zweier beliebiger Winkel in diesem, die Mechanik repräsentierenden, Sechseck läßt die Arbeitsplattform (23) in der Arbeitsebene definiert verfahren.

2. Eine andere, erfindungsgemäss nach dem gleichen Grundprinzip gestaltete, numerisch gesteuerte Gelenkarmbearbeitungsmaschine weist auf:

• - jeweils auf der linken und der rechten Seite der Arbeitsplattform (23) ist je ein Aktor angeordnet (21 und 26 oder 34 und 35), der jeweils einen Winkel, in dem unter Nr. 1 vorher beschriebenen Sechseck, numerisch gesteuert verändert, um die Arbeitsplattform eine Bahnbewegung machen zu lassen.
• - jeweils die beiden sich symmetrisch zur Arbeitsplattform gegenüberliegenden Winkel zwangsweise gesteuert werden, um die Arbeitsplattform zu bewegen. In Fig. 1: alpha 1 und alpha 2 oder beta 1 und beta 2.
• - die Winkel alpha1 zwischen den linken unteren Gelenkarmen (16 oder 17) und dem Basiselement (15) und alpha2 zwischen dem rechten unteren Gelenkar­ men (28 oder 29) und dem Basiselement (15), mittels der daran angreifenden Aktoren (34 und 35) numerisch gesteuert verändert werden. Weil die schweren Aktoren nicht mehr mitgeführt werden, sind die bewegten Massen sehr klein.
• - Für die Steuerung der Winkel alpha1 und alpha2 eine geeignete Begrenzung des Bewegungsraumes der Arbeitsplattform auf einen Bereich unterhalb oder oberhalb eines Durchklappbereichs vorhanden ist. Der Durchklappbereich wird beim Verfahren erreicht, wenn die linken und rechten oberen Gelenkarmele­ mente (20 und 25) in einem Winkel von kleiner/gleich 10 Grad zueinander stehen.
• - Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach der gattungsmässigen Bezeichnung des Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß
• - jeweils auf der linken und der rechten Seite der Arbeitsplattform (23) je ein Aktor angeordnet ist (21 und 26 oder 34 und 35), der jeweils einen Winkel in dem vorher beschriebenen Sechseck numerisch gesteuert verändert, um die Arbeitsplattform eine Bahnbewegung machen zu lassen.
• - jeweils die beiden sich symmetrisch zur Arbeitsplattform gegenüberliegenden Winkel zwangsweise gesteuert werden, um die Arbeitsplattform zu bewegen.
  In Fig. 1: alpha 1 und alpha 2 oder beta 1 und beta 2.
• - die Winkel beta1 zwischen dem linken oberen Gelenkarm (19 oder 20) und der Arbeitsplattform (23) und beta2 zwischen dem rechten oberen Gelenkarm (24 oder 25) und der Arbeitsplattform (23), mittels der daran angreifenden Aktoren (21 und 26) numerisch gesteuert verändert werden. Diese Anordnung der Aktoren ergibt einen erweiterten Arbeitsbereich.

3. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Parallelogrammelemente (16, 17, 19, 20, 24, 25, 28, 29) der Gelenkarme ökonomischerweise aus gleichen Elementen zusammengesetzt sein können.

4. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Längenverhältnis der unteren Parallelogrammarme (16, 17, 25, 28, 29) zu den oberen Parallelogrammarmen (19, 20, 24, 25) vorzugsweise zwischen 1,2 : 1 und 1,6 : 1 betragen kann. Dadurch erfolgt ein weniger starkes Ausklappen der Arme nach außen.

5. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein Gelenkarm (25, 29) besonders breit in Gelenkachsenrichtung ausgebildet sein kann, um besondere Steifigkeit quer zur Verfahrebene zu erzie­ len, während der andere Gelenkarm (16, 17, 18, 19, 20) zwei gelenkig verbun­ dene Parallelogramme aufweist, deren Abstände zwischen den Gelenken (1, 2 und 3, 4 und 4, 5 und 6, 7) in der Verfahrebene besonders groß sein können um eine sichere Parallelführung der Arbeitsplattform zu erzielen.

6. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet 5 dadurch, daß die Gelenkstellen (3, 5, 10, 12) der Zwischenstücke (18, 27) jeweils zusammenfallen können

7. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Gelenkstellen (4, 11) der Zwischenstücke (18, 27) als zu den jeweiligen Parallelogrammelementen gehörige Gelenke auch in räumlich getrennten Achsen aufgeteilt werden können.

8. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Aktoren (21, 26 oder 34, 35) motorgetriebene Spindeleinheiten sein können.

9. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Drehachse einer auf die Arbeitsplattform (23) montierte Frässpindel vorzugsweise in einer Ebene steht, die parallel zur Verfahrebene der Arbeitsplattform liegt.

10. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die beiden Aktoren (21, 26 oder 34, 35) hydraulisch oder pneumatisch betätigte Elemente sein können.

11. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Zustellachse eine Drehachse mit einem Drehtisch (41) sein kann.

12. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Zustellachse eine Linearachse mit einem Aufspanntisch (40) sein kann.

13. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Basiselement mit den Gelenkarmen relativ zum Werkstück in mehrere Positionen einrastbar zu verschwenken ist, um in mehreren Durchgän­ gen eine Mehrseitenbearbeitung vonehmen zukönnen.

14. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß sehr kleine Ausführungen mit Aktoren (21, 26 oder 34, 35) ausge­ stattet sein können, die gesteuert längenveränderliche piezokeramische Elemente aufweisen.

15. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß sehr kleine Ausführungen mit Aktoren (21, 26 oder 34, 35) ausge­ stattet sein können, die durch gesteuerte Temperaturführung längenveränderll­ che metallische Elemente aufweisen.

16. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Arbeitsgerät eine Laser-Materialbearbeitungseinrichtung sein kann.

17. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Arbeitsgerät eine Materialauftragevorrichtung für Oberflächen­ beschichtungsverfahren sein kann.

18. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Arbeitsgerät eine Materialauftragevorrichtung für generative, schichtweise Modellerzeugungsverfahren sein kann.

19. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Arbeitsgerät ein Sensor für Inspektionsverfahren sein kann.

20. Gelenkarmbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Arbeitsgerät eine Handhabungseinrichtung sein kann.