DE60112937T2

DE60112937T2 - Werkzeugmaschine und manipulatoranordnung, die auf einer solchen maschine montiert ist

Info

Publication number: DE60112937T2
Application number: DE60112937T
Authority: DE
Inventors: Franco Sartorio
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-06-23
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2021-06-24
Also published as: EP1294544A1; ITTO20000657A0; EP1557244A3; JP2004501790A; ATE302669T1; ITTO20000657A1; DE60112937D1; EP1557244A2; IT1320478B1; ES2248367T3; EP1294544B1; US20040025761A1; US7886629B2; JP4902086B2; WO2002002281A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie eine Werkzeugmaschine mit einem Arbeitsorgan, das an einem festen Rahmen über eine Verschiebestruktur gelagert ist, welche dem Arbeitsorgan die Möglichkeit gibt, sich in wenigstens einer Bewegungsebene zu verschieben, wobei Antriebsmittel zur Steuerung der Bewegungen des Arbeitsorgans vorgesehen sind.
Eine Werkzeugmaschine dieser Bauart kann jede beliebige numerisch gesteuerte Maschine sein, beispielsweise ein Plotter, ein Lasergerät zum Schneiden von Metallblech oder eine Fräsmaschine zur Durchführung von dreidimensionalen Oberflächen-Fertigbearbeitungen.
Die WO 96/29634 beschreibt eine Werkzeugmaschine mit einem Arbeitsorgan, das an einem festen Rahmen über eine Verschiebestruktur gelagert ist, welche dem Arbeitsorgan die Möglichkeit gibt, sich zumindest in einer Bewegungsebene zu verschieben, um an einem Werkstück Bearbeitungen durchzuführen, wobei Antriebsorgane zur Steuerung der Bewegung des Arbeitsorgans sowie Steuermittel zur Bewegungssteuerung der Antriebsorgane vorgesehen sind. Die Verschiebestruktur hat eine erste Verschiebeeinheit, die Linearbewegungen relativ zum Rahmen durchführen kann und die erste lineare Antriebsorgane für die Positionierung des Arbeitsorgans wenigstens in der genannten Bewegungsebene oder in einer dazu parallelen Ebene hat, und zwar in einem verhältnismäßig weiten Bereich und mit Bewegungen bei verhältnismäßig geringen Beschleunigungen. Die Verschiebestruktur hat ferner eine zweite Verschiebeeinheit, die von der ersten Verschiebeeinheit getragen wird und die ihrerseits das Arbeitsorgan trägt und versehen ist mit zweiten Antriebsorganen für die Positionierung des Arbeitsorgans in wenigstens der genannten Bewegungsebene innerhalb eines verhältnismäßig engen Bereiches und mit Bewegungen bei verhältnismäßig hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen.
Die Steuermittel sind dabei so ausgebildet, daß sie die Antriebsorgane der ersten und der zweiten Verschiebeeinheit simultan steuern, um vorübergehend stationäre Positionen des Werkzeugs relativ zum Rahmen zu erzeugen, so daß an dem Werkstück eine Bearbeitung durchgeführt werden kann, wozu eine diskontinuierliche Verschiebung des Werkzeugs durchgeführt wird.
1 zeigt eine Vorderansicht und 2 eine Draufsicht auf eine bekannte Bauart einer Werkzeugsmaschine, die im kartesischen Koordinatensystem arbeitet und die eine Manipulatoreinrichtung gemäß der Erfindung hat, welche in der nachfolgend erläuterten Weise damit verbunden ist.
Die bekannte Maschine des hier betrachteten Typs hat eine Verschiebeeinheit 10, die nachstehend als „erste Verschiebeeinheit" oder als „schwere Verschiebeeinheit" bezeichnet wird und die einen Wagen 12 umfasst, der sich in einer linearen Richtung X entlang eines festen Rahmens bewegen kann, der durch Führungen 14 gebildet wird.
Der Wagen 12 seinerseits trägt einen Schlitten 16, der in einer rechtwinkligen Linearrichtung Y verschiebbar ist.
Bei den bekannten Maschinen trägt der Schlitten unmittelbar ein Arbeitsorgan 18, das in den oben genannte Beispielen ein Zeichenstift, eine Laserquelle oder ein Fräser sein kann.
Bei bestimmten Maschinen bekannter Bauart kann das Arbeitsorgan 18 auch so mit dem Schlitten 16 verbunden sein, daß es in einer Linearrichtung Z verschiebbar ist, welche orthogonal zu den beiden Richtungen X und Y verläuft.
Wie die 1 und 2 zeigen, ist ein Aufspanntisch 20 zwischen den Führungen 14 angeordnet und dient dazu, ein Werkstück aufzunehmen, beispielsweise eine Blechtafel, die mit Hilfe des Arbeitsorgans 18 bearbeitet werden soll.
Zu den bekannten Werkzeugmaschinen, für welche die Erfindung geeignet ist, gehören auch solche, die eine polare oder mehrfach gelenkige Struktur haben, wie das beispielsweise für einen Roboter der Fall ist.
In allen Fällen sind die beweglichen Bauteile wie der Wagen 12 und der Schlitten 16 des beweglichen Systems 10 der 1 und 2 mit nicht dargestellten, numerisch gesteuerten Antriebsorganen ausgerüstet.
Es versteht sich, dass die oben erläuterten Verschieberichtungen X und Y nicht notwenigerweise horizontal verlaufen und dass die ebenfalls erwähnte Richtung Z nicht unbedingt vertikal sein muss.
Zur Darstellung des Problems der Erfindung wird als nicht einschränkendes Beispiel der Fall einer Laser-Schneidmaschine betrachtet, die dazu dient, ein verhältnismäßig großes Blechteil zu schneiden, dessen Außenkontur relativ komplex ist, wie das Beispiel der 3 zeigt, wobei konkave Umfangsabschnitte durch konvexe Abschnitte unterbrochen sind und die Krümmungsradien sehr eng sein können.
Der Schneideweg sollte idealerweise mit einer konstanten Tangentialgeschwindigkeit durchlaufen werden, die gleich dem Maximalwert ist, der mit der Leistung des Lasers, mit der Art und der Dicke des Materials und anderen bekannten Faktoren dieser Schneidtechnik erreichbar ist. In der Praxis muss die Schneidgeschwindigkeit in den Abschnitten mit gekrümmtem Verlauf in Abhängigkeit vom Krümmungsradius verzögert werden. In diesen Krümmungsabschnitten ist es nämlich erforderlich, daß die Antriebsorgane für die Bewegungsachsen der Maschine, z. B. X und Y, dem Schneidkopf, d. h. dem Arbeitsorgan 18 rasche Schneidbeschleunigungen erteilen, die dem Wert A = v²/r entsprechen, wobei v die momentane Tangentialgeschwindigkeit und r der Krümmungsradius sind. In dem besonderen, in den 1 und 2 gezeigten Beispiel ist zu berücksichtigen, daß insbesondere der Wagen 12, aber auch der Schlitten 16 verhältnismäßig schwere Bauteile sind, denen nur begrenzte Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erteilt werden können. Das bedeutet, daß die Geschwindigkeit und die Genauigkeit, mit welcher die Schneidoperation durchgeführt werden kann, durch die große Trägheit des Wagens 12 und des Schlittens 16 begrenzt sind.
Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Werkzeugmaschine zur Verfügung zu stellen, die trotz schwerer Bauteile wie z. B. des Wagens 12 und des Schlittens 16 zur Erlangung großer Verschiebewege in der Lage ist, in der gesamten Fläche oder dem gesamten Volumen der Maschine rasch Präzisionsoperationen durchzuführen, beispielsweise Zeichnungen, Bohrungen oder Formgebungen an Werkstücken großer Abmessungen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit einer Werkzeugmaschine nach den Patentansprüchen gelöst.
Entsprechend der Erfindung trägt die erste Verschiebeeinheit 10 ihrerseits eine zweite Verschiebeeinheit, die in den 1 und 2 mit 22 bezeichnet ist und von der vier bevorzugte Ausführungsbeispiele nachstehend erläutert werden.
Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist die zweite Verschiebeeinheit 22 am Schlitten 16 der ersten Einheit 10 befestigt und bewegt sich mit diesem in der in herkömmlicher Weise mit Y bezeichneten Richtung sowie zusammen mit dem Wagen 12 in Richtung X.
Die zweite Einheit 22 wird nachstehend auch als „leichte Einheit" bezeichnet.
Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß nur eine leichte Einheit mit begrenzten Verschiebewegen sehr hohe dynamische Leistungen erbringen kann. Um die Vorteile dieser Leistungen auf Räume übertragen zu können, die wesentlich größer als diejenigen leichter Einheiten sind, ist es notwendig, diese Einheit kontinuierlich auf einem Schneideweg (oder einem anderem Bearbeitungsweg) mittels einer herkömmlichen Einheit mit zwei oder drei Achsen kontinuierlich zu verschieben, beispielsweise durch die in den 1 und 2 mit 10 angegebene Einheit.
Um dies zu erreichen, genügt es nicht, die leichte Einheit 22 von Punkt zu Punkt in dem in 2 mit S₁ bezeichneten Bereich, in welchen die schwere Einheit 10 operieren kann, dadurch zu verschieben, daß die Bearbeitungsbewegungen der leichten Einheit 22 in dem engen Bereich S₂ mit denen der herkömmlichen, schweren Einheit 12 alternieren. Es ist stattdessen erforderlich, mit einer geeigneten Software alle beteiligten Achsen zu koordinieren, um eine Bewegungskontinuität zu gewährleisten. Hierzu müssen die dynamischen Eigenschaften der beiden Einheiten 10 und 22 aufeinander abgestimmt werden.
Als Beispiel werden hier die Korrelationen erläutert, die im Fall von zwei Verschiebeeinheiten vorliegen müssen, nämlich der leichten Einheit 22 und der schweren Einheit 10, die größer ist und daher eine höhere Trägheit hat, wobei beide nur in einer Ebene wie der Ebene X, Y arbeiten.
In 2 sei angenommen, daß der Bewegungsbereich S₂ der leichten Einheit ein Quadrat mit den Halbseiten der Länge d ist. Im Ruhezustand befindet sich das Arbeitsorgan 18 im Punkt A im Zentrum des Quadrates S₂.
Nachstehend wird das Bewegungsgesetz der beiden Einheiten untersucht, nämlich der schweren Einheit 10 und der leichten Einheit 22, wobei Bezug auf die Diagramme der 4 und 5 genommen wird. Die Diagramme der 4 und 5 zeigen, wie sich die Geschwindigkeiten v relativ zu dem festem Rahmen mit der Zeit ändert bzw. wie sich die Verschiebungen s der beiden Einheiten in Abhängigkeit von der Zeit in ihren Bereichen S₁ und S₂ ändern. Da die Halbseite d gleich dem Mindestabstand zwischen dem Zentrum A und dem Umfang des kleineren Raumes S₂ ist, liegt der kritischste Fall in der Bewegung der leichten Einheit 22 von A nach B, wenn man bedenkt, daß das Arbeitsorgan 18 und damit die Verschiebeeinheit 22 ihre Bewegung in den Raum S₁ hinein fortsetzen muss, um einen geradlinigen Schnitt über den Punkt B hinaus in der Richtung A-B auszuführen.
Die Bewegungen der beiden Einheiten 10 und 22 starten gleichzeitig. Die leichte Einheit 22 startet mit der höchstmöglichen Beschleunigung (Werkzeuggeschwindigkeit v₂ in 4), um so schnell wie möglich die maximale Schnittgeschwindigkeit v_t zu erreichen, die zum Zeitpunkt t₁ erreicht ist, wonach das Werkzeug mit konstanter Geschwindigkeit weiterläuft.
Der Schlitten 16, der den kleineren Bereich S₂ verschiebt, beginnt seine Bewegung mit einer Beschleunigung, die im wesentlichen kleiner als die zuvor genannte Beschleunigung ist und die mit den Eigenschaften der ersten Verschiebeeinheit 10 kompatibel ist.
Es ist jedoch von fundamentaler Bedeutung, daß die maximale Geschwindigkeit, welche die erste Einheit 10 erreichen kann, im wesentlichen größer als die maximale Schnittgeschwindigkeit v_t ist. Auf diese Weise erreicht die Verschiebegeschwindigkeit v₁ der schweren Einheit 10 zum Zeitpunkt t₂ die Schnittgeschwindigkeit des Arbeitsorgans 18 und überschreitet diese, wobei sie die vorher erlittene Verzögerung aufholt, um die Position des Arbeitsorgans 10 in das Zentrum des kleineren Bereiches S₂ zurückzubringen.
Für eine kontinuierliche Bewegung ist es erforderlich, daß das Zentrum des kleineren Bereiches S₂ in der Lage ist, das Arbeitsorgan 18 zum Zeitpunkt t₃ zu erreichen und dieses zu überholen, bevor das Arbeitsorgan 18 den Abstand d erreicht, d. h. die Grenze des kleineren Bereiches S₂.
Wenn das nicht der Fall wäre, müsste die Bewegung des Arbeitsorgans 10 bezüglich des kleinen Bereiches S₂ angehalten werden, worauf das Arbeitsorgan seinen Weg mit der Verschiebegeschwindigkeit der ersten Einheit 10 fortsetzen müsste. Falls dabei wenigstens zwei Achsen X und Y gleichzeitig betroffen wären, würde dies eine unzulässige Diskontunuität der Bewegung des Arbeitsorgans hervorrufen.
Mit diesen Überlegungen ist es möglich, die Gleichungen aufzustellen, welche die einzelnen, hier betroffenen Größen miteinander in Verbindung bringen. Mit diesen Gleichungen werden vor allem die maximale Arbeitsgeschwindigkeit des Arbeitsorgans sowie die Geschwindigkeit und die maximale Beschleunigung der zweiten Verschiebeeinheit 22 ermittelt, während die Unbekannten aus den Dimensionen des kleineren Bereiches S₂ und der maximalen Beschleunigung der zweiten Einheit 22 bestehen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Manipuliereinrichtung für das Arbeitsorgan anzugeben, die besonders wirkungsvoll ist und unabhängig an verhältnismäßig kleinen Werkstücken eingesetzt werden kann und die außerdem als zweites Verschiebesystem in einer Werkzeugmaschine der beanspruchten Art installiert werden kann, um verhältnismäßig große Teile zu bearbeiten.
Manipulatoreinrichtungen, die entsprechend der Definition nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11 ausgebildet sind, sind in verschiedenen Formen bekannt, wobei ein Beispiel hierfür in US-A 5 309 847 angegeben ist. US-A 5 656 905 beschreibt eine weitere Bauart derartiger Einrichtungen, die als Einrichtungen mit „konkurrierenden Achsen", als Raumroboter oder als „PKM" (parallelkinematische Maschinen) bekannt sind.
Beim größten Teil dieser bekannten Einrichtungen haben die Steuermittel für die Bewegungen und die Aufnahme der Plattform numerisch gesteuerte Antriebsorgane, die mit der Plattform über Getriebe verbunden sind, welche so ausgebildet sind, daß sie den Abstand zwischen den Enden der Getriebe ändern.
Diese bekannten Einrichtungen haben ganz allgemein den wirtschaftlichen Vorteil, daß sie den Einsatz von Antriebsorganen und Getrieben für die Verbindung mit der Plattform erlauben, die alle miteinander identisch sind, sowie ferner, daß der Einbau sowohl der Antriebsorgane als auch der Positionssensoren an jeder beliebigen Stelle außerhalb der beweglichen Plattform möglich ist, insbesondere an einem festen Bauteil (Grundgestell) der Vorrichtung oder zumindest an Bauteilen, die einen festen Punkt haben, beispielsweise an Organen zur Verbindung des festen Teils mit der beweglichen Plattform, wodurch die elektrische Verkabelung erheblich vereinfacht und die bewegten Massen verringert werden.
Die bekannten PKM-Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß sie einen erheblichen Bauraum im Verhältnis zum Bewegungsraum der beweglichen Plattform aufweisen, was durch die Formen der Getriebe verursacht wird; ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sie einen komplexen Algorithmus für die Steuerung der Bewegungen der Plattform erfordern, der eine entsprechend komplexe Software notwendig macht. Bei den bekannten Vorrichtungen ist in der Tat der Raum, den die Plattform für ihre Bewegung benötigt, von sehr komplexer Form, so daß er sowohl aus praktischen (topologischen) Gründen als auch aufgrund der Tatsache, daß die wesentlichen Teile dieses Raumes nur über besondere Punkte des Getriebes erreicht werden können, die nicht überfahrbar sind, nicht zur Gänze nutzbar ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Manipulatoreinrichtung mit konkurrierenden Achsen zu schaffen, die einerseits im Verhältnis zu den bekannten Einrichtungen einen sehr kleinen Bauraum benötigt und die Möglichkeit bietet, den zur Verfügung stehenden Bewegungsraum vollständig zu nutzen, ohne singuläre Punkte zu haben, und die andererseits mit einer sehr einfachen Software für die Steuerung der Bewegungen der Plattform auskommt.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Manipulatoreinrichtung der beanspruchten Art gelöst.
Aufgrund dieser beanspruchten Lösungsidee mit konkurrierenden Achsen sind die der Plattform erteilten Bewegungen linear und nur in den kartesischen Achsen ausgerichtet. Diese Bewegungen können von Antriebsorganen erzeugt werden, die vorzugsweise aus elektrischen Motoren mit numerischer Steuerung bestehen, welche – wie in den bekannten PKM-Vorrichtungen – vorzugsweise an einer festen Struktur installiert werden können, die aus dem Gestell der Vorrichtung besteht.
Wenn darüber hinaus die Achsen horizontal verlaufen oder dieselbe Neigung haben, können alle Antriebsorgaen identisch ausgebildet sein.
Im Fall von zwei horizontalen Achsen und einer vertikalen Achse können die Antriebsorgane für die horizontalen Achsen untereinander gleich sein, während das dritte Antriebsorgan sich nur durch die erzeugte Leistung und/oder die Anbringung von Gegengewichten unterscheidet.
Dank der Tatsache, daß die Antriebsorgane lineare Bewegungen erzeugen, können sie über eine im Verhältnis zur bekannten Technik einfache Software gesteuert werden, da der verwendete Algorithmus sehr einfach ist, weil er lediglich kartesische Koordinaten bedienen muss.
Bei gleichem Volumen des für die Bewegungen der Plattform zur Verfügung stehenden Raumes, der wegen der nicht vorhandenen singulären Punkte vollständig nutzbar ist, benötigt die Manipulatoreinrichtung gemäß der Erfindung wegen der nur linearen Bewegungen einen wesentlich geringeren Bauraum als die Getriebe, wie sie die bekannte PKM-Technik erfordern.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann mit Vorteil als zweite Verschiebeeinheit mit hoher Dynamik an einem beweglichen Organ einer Werkzeugmaschine angebracht werden, die mit kartesischen Koordinaten, polaren Koordinaten oder verschiedenen Gelenkpunkten wie in einem Roboter arbeitet.
Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten erläutert, wobei Bezug auf die 6 bis 10 der Zeichnung genommen wird, in welcher:
die 1 bis 5 bereits beschrieben sind,
6 eine schematische Draufsicht einer Manipulatoreinrichtung mit zwei kartesischen Achsen zeigt, die unabhängig eingesetzt oder als zweite Verschiebeeinheit 22 an der beweglichen Struktur oder an der ersten Verschiebeeinheit 10 der 1 und 2 eingebaut werden kann,
7 eine Einheit in Richtung des Pfeiles VII der 6 darstellt;
8 eine schematische, teilweise aufgebrochene Ansicht einer Manipulatoreinrichtung mit drei kartesischen Achsen ist, die ebenfalls unabhängig oder als zweite Einheit 22 an einer beweglichen Struktur oder als erste Einheit 10 einer Werkzeugmaschine nach den 1 und 2 installierbar ist,
9 eine schematische, teilweise aufgebrochene Ansicht in Richtung des Pfeiles IX der 8 zeigt,
10 eine weitere schematische und teilweise aufgebrochene Ansicht in der Richtung des Pfeiles X der 8 darstellt,
11 eine schematische und teilweise aufgebrochene Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer Manipulatoreinrichtung mit zwei kartesischen Achsen beinhaltet, die unabhängig verwendet oder als zweite Einheit 22 anstelle der ersten Ausführungsform der 6 und 7 an der beweglichen Struktur oder als erste Einheit 10 der 1 und 2 installiert werden kann,
12 einen Hybrid-Querschnitt der zweiten Ausführungsform in der Ebene XII der 11 darstellt,
13 eine schematische Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel einer Manipulatoreinrichtung mit zwei kartesischen Achsen illustriert, die unabhängig eingesetzt oder installiert werden kann als zweite Verschiebeeinheit 22 anstelle des ersten Ausführungsbeispiels der 6 und 7 oder des zweiten Ausführungsbeispiels der 11 und 12 an der beweglichen Struktur oder der ersten Einheit 10 der 1 und 2 und 14 eine Ansicht des dritten Ausführungsbeispiels in Richtung des Pfeiles XIV der 13 zeigt.
In den 6 und 7 sind die beiden Richtungen entsprechend der kartesischen Achsen nochmals, wie üblich, mit X und Y angegeben, wobei klargestellt sein soll, daß diese nicht notwendigerweise in horizontaler Richtung verlaufen müssen. In 7 ist das Werkzeug oder Arbeitsorgan, das eine Laserquelle sein kann, ebenfalls mit 18 bezeichnet, wobei in 6 dessen Draufsicht 18 zu erkennen ist. Das Werkzeug 18 wird von einer Plattform getragen, die aus einem Block 24 mit in Draufsicht quadratischer Form besteht. Die Plattform 24 ihrerseits wird von einem insgesamt mit 26 bezeichneten Rahmen getragen.
Der Rahmen 26 besteht aus einem starren Element mit wenigstens zwei Armen 28, 30, die sich in den beiden orthogonalen Richtungen X, Y in einer Arbeitsebene erstrecken, die parallel zu diesen Richtungen verläuft. Jeder Arm 28, 30 hat eine zugehörige Verschiebeführung 32 bzw. 34. Aus nachstehend noch erläuterten Gründen sind die Verschiebeführungen 32, 34 in der Richtung Z, die normal zur Verschiebeebene verläuft, versetzt zueinander angeordnet.
Jeder Verschiebeführung 32, 34 ist eine Verschiebestruktur 36 bzw. 38 zugeordnet, die nach Art eines Schlittens verschiebbar ist. Die beiden Verschiebestrukturen 36, 38 bestehen vorzugsweise aus entsprechenden Balken, die wie die Verschiebeführungen 32, 34 zueinander versetzt sind, damit sie sich in ihren Bewegungen nicht gegenseitig behindern. Dies ist auch der Grund für die versetzte Anordnung der beiden Verschiebeführungen 32 und 34.
In der Ausführungsform der 6 erstrecken sich die beiden Balken 36 und 38 freitragend von den zugehörigen Armen 28, 30. Jede Verschiebe- oder Trägerstruktur 36, 38 ist mit Gleitschuhen 40 bzw. 42 ausgerüstet, die in Eingriff mit den zugehörigen Verschiebeführungen 32, 34 sind.
Jede Verschiebe- oder Trägerstruktur 36, 38 ist ihrerseits mit einer Verschiebeführung 44 bzw. 46 ausgerüstet, und zwar auf der zum jeweiligen Arm 30 bzw. 28 des Rahmens 26 gerichteten Seite, wodurch eine Verbindung zu der anderen Verschiebe- oder Trägerstruktur geschaffen wird.
Die Plattform 24 ist ihrerseits an den rechtwinklig zueinander verlaufenden Seiten mit Gleitschuhen 48, 50 ausgerüstet, die mit den entsprechenden Verschiebeführungen 44, 46 in Eingriff sind.
Die Konfiguration aller Verschiebeführungen 32, 34, 44, 46 einerseits und aller Gleitschuhe 40, 42, 48, 50 andererseits ist so gestaltet, daß zwischen den Führungen und den Gleitschuhen ein Formeingriff geschaffen wird, so daß die Plattform 24 durch den Rahmen 26 nicht nur geführt, sondern auch gehalten wird.
Die Bewegungen des Trägers 36 in der Richtung X und damit auch der Plattform 24 werden durch ein numerisch gesteuertes Antriebsorgan erzeugt, das im Ausführungsbeispiel aus einem Elektromotor 52 besteht. Der Motor 52 treibt eine Verschiebespindel 54 an, die in zwei festen Lagern 55 gelagert ist und in der Richtung X eine Spindelmutter 56 bewegt, an der ein Bügel 58 fest angebracht ist, welcher seinerseits fest mit der Verschiebe- oder Trägerstruktur 36 verbunden ist.
Die Bewegung in der Richtung Y der anderen Verschiebe- oder Trägerstruktur 38 und damit der Plattform 24 wird durch ein numerisch gesteuertes Antriebsorgan erzeugt, das im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Elektromotor 60 ist, der eine identische Ausbildung wie der Motor 52 hat und der über eine Verschiebespindel 62, die in zwei festen Lagern 63 gelagert ist, eine Spindelmutter 64 mit einem Bügel 66 bewegt, der seinerseits fest mit der Verschiebe- oder Trägerstruktur 38 verbunden ist.
In den 8 und 10 ist das Werkzeug, das hier als Schneidwerkzeug zur Formgebung eines dreidimensionalen Werkstücks dient, mit 118 angegeben, während die Plattform die Bezugsziffer 124 hat. Die zwei Bewegungsrichtungen der Plattform 124 in der Arbeitsebene sind auch hier wieder mit X und Y angegeben, während die dritte, dazu orthogonale Richtung die Z-Richtung ist.
Im Ausführungsbeispiel der 8 bis 10 ist die Plattform 124 ebenfalls dazu bestimmt, sich in Z-Richtung rechtwinklig zu der parallel zu den Richtungen X und Y verlaufenden Bewegungsebene zu verstellen, wobei der Motor 176, der das Antriebsorgan für die Bewegung in der Z-Richtung ist, an einem festen Teil gehalten wird, das – wie für die beiden Antriebsorgane für die X und Y Bewegungen – fest mit dem Rahmen 126 verbunden ist.
Um dies zu erreichen, sind die beiden Verschiebe- oder Trägerstrukturen 136 und 138, welche die Plattform 124 bewegen, verdoppelt, wozu jeder ein entsprechender Wagen 168, 170 zugeordnet ist, der Gleitschuhe 140, 142 hat, die in Eingriff mit einem entsprechenden Arm 128, 130 des Rahmens 126 sind.
Jeder Wagen 168, 170 trägt ein Paar von Führungssäulen 172, 174 oder gleichwirkenden Organen, die sich in der Normalrichtung Z erstrecken. Diese Lösung, die sich aus den 8 bis 10 ergibt, kann durch jede beliebige prismatische Baueinheit erzielt werden, die in der Z-Richtung verschiebbar ist.
Jedes Paar der Führungssäulen 172, 174 ist in Eingriff mit dem entsprechenden Träger 136, 138, der damit in Z-Richtung verschoben werden kann, wobei er parallel zu sich selbst bleibt. Wie in der Ausführungsform der 6 sind auch hier die beiden Träger 136, 138 in der Normalrichtung Z zueinander versetzt.
Der Plattform 124 sind Verschiebemittel zugeordnet, um eine gleichzeitige Verschiebung in Z-Richtung sowohl dieser Plattform als auch der beiden Träger 136, 138 zu erreichen, die in dieser Richtung mit der Plattform über Gleitschuhe 148, 150 und die entsprechenden Verschiebeführungen 144, 146 verbunden sind, unabhängig von der Stellung der Plattform 124 in der Bewegungsebene X, Y.
Mithin trägt im Gegensatz zu dem zweidimensionalen Fall in diesem dreidimensionalen Fall die Plattform 124, welche von den Verschiebemitteln gehalten wird, ihrerseits die Träger 136 und 138.
Wie dargestellt, umfassen die Mittel zur Verschiebung in Z-Richtung ein numerisch gesteuertes Antriebsorgan, vorzugsweise einen Elektromotor 176, dessen Gehäuse, wie zuvor bereits erwähnt, feststeht, da es über einen Pfosten 178 fest mit dem Rahmen 126 verbunden ist. Die Welle des Motors 176 bewegt über eine Verschiebespindel 180, die in zwei festen Lagern 181 drehbar ist, eine Mutter 182 in Z-Richtung. Die Mutter 182 ist fest mit einem angetriebenen Organ 184 in Form eines Schlittens verbunden, der in Z-Richtung entlang von Verschiebeführungen 186 beweglich ist.
Dem Schlitten oder dem angetriebenen Organ 184 ist über ein Radial-Axial-Lager 188 ein Kopf 190 zugeordnet, der in einer parallel zur Bewegungsebene X, Y liegenden Ebene drehbar und außerdem in der Z-Richtung durch den Motor 176 verschiebbar ist. Der Kopf 190 ist als Führungsbuchse ausgebildet, dessen Achse parallel zur Bewegungsebene X, Y verläuft. In dem als Führungsbuchse ausgebildeten Kopf 190 ist eine Stange 192 verschiebbar gelagert. Die Stange 192 hat an einem ihrer Enden, das an die Plattform angrenzt, einen ringförmigen Rahmen 194, der parallel zur Plattform 124 ausgerichtet ist. In dem ringförmigen Rahmen 194 befindet sich eine Nabe 196, die fest mit der Plattform 124 verbunden ist. Zwischen die Nabe 196 und den Rahmen 194 ist ein Axial-Radial-Lager 198 eingesetzt.
Aufgrund der beschriebenen Anordnung werden die durch den Motor oder das Antriebsorgan 176 in Z-Richtung erzeugten Bewegungen auf die Plattform 124 und über diese auf die beiden Träger 136, 138 übertragen, unabhängig von der Stellung, die die Plattform 124 in dem Rahmen 126 einnimmt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Stange 192 in dem Kopf 190 verschiebbar ist und daß der Kopf 190 und die Stange 192 um eine Achse drehbar sind, die parallel zur Z-Richtung verläuft.
Anhand der 10 und 11 wird eine zweite Ausführungsform für die Manipulatoreinrichtung erläutert, bei der sich die Plattform in den beiden kartesischen Achsen bewegt. In den 11 und 12 sind die mit den Bauteilen der 6 und 7 übereinstimmenden Bauteile durch dieselben Bezugsziffern, erhöht um 200, angegeben.
In 12 kann das Arbeitsorgan wieder eine Laserquelle sein und ist mit 218 angegeben, wobei es auch in 11 durch den Umriss 218 zu erkennen ist. Das Werkzeug 218 wird von einer Plattform getragen, die durch einen Block 224 gebildet wird, der in Draufsicht eine quadratische Form hat. Die Plattform 224 ist ihrerseits von dem insgesamt mit 226 bezeichneten Rahmen getragen.
Im Ausführungsbeispiel der 11 und 12 besteht der Rahmen 226 aus einem starren Bauteil in Form eines quadratischen oder rechteckigen Rahmens mit Armen 228a, 228b bzw. 230a, 230b, die paarweise einander gegenüberliegen. Die Arme 228a, 228b erstrecken sich in der X-Richtung, während sich die Arme 230a, 230b rechtwinklig dazu in der Y-Richtung erstrecken; die beiden Richtungen X, Y definieren auch hier die Arbeitsebene.
Jeder Arm 228a, 228b und 230a, 230b ist mit einer Verschiebeführung 232a, 232b bzw. 234a, 234b ausgerüstet. Die Verschiebeführungen 232a, 232b einerseits und die Verschiebeführungen 234a, 234b andererseits sind zueinander parallel.
Aus denselben Gründen wie in Verbindung mit den 6 und 7 angegeben sind die Verschiebeführungen 232a, 232b einerseits und die 234a, 234b andererseits in der Z-Richtung rechtwinklig zu der Gleitebene zueinander versetzt.
Jeder Verschiebeführung 232a, 232b und 234a, 234b ist eine Verschiebestruktur 236 bzw. 238 zugeordnet, die nach Art eines Schlittens beweglich ist. Die Verschiebestrukturen 236, 238 bestehen aus zueinander rechtwinklig ausgerichteten Trägern, die sich brückenartig zwischen zwei gegenüberliegenden Armen 228a, 228b bzw. 230a, 230b des Rahmens 226 erstrecken und entlang dieser Arme geführt sind. Die beiden Arme 236, 238 haben Fenster 237 bzw. 239, um ihr Gewicht und damit ihre Trägheitsmassen zu reduzieren.
Die beiden Verschiebestrukturen oder Träger 236, 238 sind wie die Verschiebeführungen 232a, 232b und 234a, 234b versetzt zueinander angeordnet, damit sie sich in ihrer Bewegung nicht gegenseitig behindern.
Jede Verschiebe- oder Trägerstruktur 236, 238 ist mit Gleitschuhen 240a, 240b bzw. 242a, 242b ausgerüstet, die in Eingriff mit den entsprechenden Verschiebeführungen 232a, 232b und 234b, 234b sind. Ferner ist jede Verschiebe- oder Trägerstruktur 236, 238 mit einer Verschiebeführung 244 bzw. 246 ausgerüstet.
Die Plattform 224 ist ihrerseits an zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Seiten mit Gleitschuhen 248, 250 ausgerüstet, die in Eingriff mit den entsprechenden Verschiebeführungen 244, 246 sind.
Die Konfiguration aller Verschiebeführungen 232, 234, 244, 246 einerseits und aller Gleitschuhe 240, 242, 248, 250 andererseits ist so ausgebildet, daß sich ein Formeingriff, insbesondere nach Art einer Schwalbenschwanzführung, zwischen den Verschiebeführungen und den Gleitschuhen ergibt, so daß die Plattform 224 durch den Rahmen 226 sowohl gelagert als auch geführt ist.
Die Bewegungen in der X-Richtung des Trägers 236 und damit der Plattform 224 wird durch ein Paar numerisch gesteuerter Antriebsorgane erzeugt, die parallel zueinander arbeiten und im Ausführungsbeispiel ebenfalls aus zwei Elektromotoren 252a, 252b bestehen. Die beiden Motoren 252a, 252b treiben synchron zueinander jeweils eine Verschiebespindel 254a, 254b an, die in zwei festen Lagern 255a, 255b drehbar gelagert ist. Die Verschiebespindeln 254a, 254b verschieben in X-Richtung entsprechende Muttern 256a, 256b, die in Bügeln fest angebracht sind, welche durch von der Verschiebestruktur oder dem Träger 236 seitlich abstehende Fortsätze 258a, 258b gebildet sind.
Die Bewegungen in der X-Richtung der anderen Verschiebestrukturen oder Träger 238 und damit der Plattform 224 wird ebenfalls durch ein Paar numerisch gesteuerter Antriebsorgane bewirkt, die im Ausführungsbeispiel ebenfalls Elektromotoren 260a, 260b sind, welche mit den Motoren 252a, 252b übereinstimmen.
Die Motoren 260a, 260b treiben synchron zueinander eine zugeordnete Verschiebespindel 262a, 262b an, die in zwei festen Lagern 263a, 263b drehbar gelagert ist. Die Verschiebespindeln 262a, 262b bewegen in Y-Richtung entsprechende Muttern 264a, 264b, die in Bügeln fest angebracht sind, welche durch von der Verschiebestruktur oder dem Träger 238 seitlich abstehende Fortsätze 266a, 266b gebildet werden.
Die Manipulatoreinrichtung der 11 und 12 hat gegenüber derjenigen der 6 und 7 den Vorteil, daß wesentlich genauere Bewegungen auf das Arbeitsorgan 218 ausgeübt werden können, was darauf beruht, daß jeder der beiden Träger 236, 238 an seinen beiden Enden durch parallele Verschiebeführungen geführt und zusätzlich an jedem Ende durch Antriebsorgane angetrieben wird, die parallel zueinander synchron arbeiten. Diese Merkmale gewährleisten, daß jeder der beiden Träger 236, 238 bei seiner Bewegung immer parallel zu sich selbst bleibt, ohne daß dabei die geringste Lageabweichung oder Schrägstellung zu befürchten ist.
In den 13 und 14 ist schließlich eine dritte Ausführungsform für die Manipulatoreinrichtung dargestellt, bei der sich die Plattform ebenfalls in den zwei kartesischen Achsen bewegt. Auch in diesen Figuren sind die Bauteile, die mit denen der 6 und 7 übereinstimmen, durch dieselben Bezugsziffern, erhöht um 300, angegeben.
In 14 ist das Arbeitsorgan, das auch hier eine Laserquelle sein kann, mit 318 angegeben und in 13 ebenfalls zu erkennen. Das Werkzeug 318 ist auch hier an einer Plattform angebracht, die aus einem Block 324 besteht, der in Draufsicht eine quadratische Form hat. Die Plattform 324 ist in einem Rahmen 326 gehalten.
Im Beispiel der 13 und 14 besteht der Rahmen 326 aus einem starren Bauteil mit zwei rechteckigen Tischen 328, 330, die über einen keilförmigen Zwickel oder eine Strebe 329 starr miteinander verbunden sind. Die Hauptachsen der Tische 328, 330 erstrecken sich in den beiden zueinander rechtwinkligen Richtungen X-Y in einer Arbeitsebene, die parallel zu diesen Richtungen verläuft.
Jeder Tisch 328, 330 ist an seiner Unterseite mit entsprechenden Paaren zueinander paralleler Verschiebeführungen 332, 334 ausgerüstet. Aus denselben Gründen wie oben erläutert, sind die Paare der Verschiebeführungen 332, 334 in der Z-Richtung, die normal zur Verschiebe ebene verläuft, zueinander versetzt. Jedem Paar der Verschiebeführungen 332, 334 ist eine entsprechende Verschiebestruktur 336, 338 zugeordnet, die nach Art eines Schlittens beweglich ist. Die beiden Verschiebestrukturen 336, 338 haben entsprechende Platten, die wie die Verschiebeführungen 332, 334 zueinander versetzt sind, um sich in ihren Bewegungen nicht gegenseitig zu behindern. Jede der beiden Verschiebeplatten 336 und 338 erstrecket sich unter dem entsprechenden Tisch 328, 330, zu dem sie parallel verläuft. Jede Verschiebeplatte 336, 338 ist an ihrer Oberseite mit Gleitschuhen 340, 342 ausgerüstet, die mit den entsprechenden Paaren der Verschiebeführungen 332, 334 in Eingriff sind. Jede Verschiebeplatte 336, 338 ist ihrerseits mit einer Verschiebeführung 344 bzw. 346 ausgerüstet, und zwar auf der Seite, die dem Tisch 330 bzw. 328 gegenüberliegt. Die Plattform 324 ist ihrerseits an den beiden rechtwinklig zueinander verlaufenden Seiten mit Gleitschuhen 348, 350 ausgerüstet, die in Eingriff mit den zugehörigen Verschiebeführungen 344, 346 sind.
Die Konfiguration aller Verschiebeführungen 332, 334, 344, 346 einerseits und aller Gleitschuhe 340, 342, 348, 350 andererseits ist so gewählt, daß sich zwischen den Verschiebeführungen und den Gleitschuhen ein Formeingriff, insbesondere nach Art einer Schwalbenschwanzführung, ergibt, so daß die Plattform 324 durch den Rahmen 326 nicht nur geführt, sondern auch gehalten wird.
Die Bewegungen in X-Richtung der Verschiebeplatte 336 und damit der Plattform 324 wird durch eine ganz allgemein mit 351 bezeichnete Antriebseinheit erzeugt, die auf der Oberseite des Tisches 328 befestigt ist. Diese Antriebseinheit 351 besteht aus einem numerisch gesteuerten Antriebsorgan, das im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Elektromotor 352 ist. Der Motor 352 treibt eine Verschiebespindel 354 an, die in zwei festen Lagern 355 drehbar gelagert ist, welche auf der Oberseite des Tisches 328 angebracht sind. Die Verschiebespindel 354 bewegt in X-Richtung eine Mutter 356, an der ein Bügel 358 befestigt ist, welcher seinerseits an der Verschiebeplatte 336 angebracht ist, die unter dem Tisch 328 liegt.
Die Bewegungen in Y-Richtung der anderen Verschiebestruktur oder Platte 338 und damit der Plattform 324 werden durch eine zweite Antriebseinheit 359 erzeugt, die auf der Oberseite des Tisches 330 angebracht ist. Diese Antriebseinheit hat ein numerisch gesteuertes Antriebsorgan, das auch in diesem Fall als Elektromotor 360 ausgebildet ist, der mit dem Motor 352 in der Bauart übereinstimmt.
Der Motor 360 dient zum Antrieb einer Verschiebespindel 362, die in zwei festen Lagern 363 drehbar gelagert ist, welche auf der Oberseite des Tisches 330 angebracht sind. Die Verschiebespindel 362 bewegt in Y-Richtung eine Mutter 364, an der ein Bügel 366 befestigt ist, welcher seinerseits fest mit der Verschiebeplatte 338 verbunden ist.
Ein Manipulator, wie er in den 13 und 14 gezeigt ist, gewährleistet eine wesentlich genauere Führung bei den Bewegungen des Arbeitsorgans 318, da die Verschiebestrukturen 336, 338 nicht, wie die Tragbalken 36, 38 der 6 und 7 und wie die an beiden Enden gelagerten Träger 236, 238 der 11 und 12, auf Biegung beanspruchte Balken sind. Wenn die Tische 328, 330 und die Verschiebeplatten 336, 338 entsprechend dimensioniert sind, ist eine Biegeverformung der Platten 336, 338 praktisch unmöglich, weil diese durch die Verschiebeführungen 332, 334, 344, 346, die an der Unterseite der Tische 328, 330 befestigt sind, sowie durch die entsprechenden Gleitschuhe 340, 342, 348, 350 vollständig geführt werden.
Aufgrund der Anordnung der gesamten Antriebseinheiten 351, 359 auf der Oberseite der Tische 328, 330 hat der Manipulator der 13 und 14 den weiteren Vorteil, daß der Raum unter dem Manipulator, in dem sich das Arbeitsorgan 318 bewegt, vollständig frei ist von Hindernissen, so daß dieser für die Bearbeitung, für Schneidoperationen oder dergleichen vollständig genutzt werden kann.

Claims

Werkzeugmaschine mit einem Arbeitsorgan (18; 118; 218; 318), das an einem festen Rahmen (14) über eine Verschiebestruktur (10, 22) gelagert ist, welche dem Arbeitsorgan (18; 118; 218; 318) die Möglichkeit gibt, sich mit einer maximalen Geschwindigkeit in wenigstens einer Bewegungsebene zu verschieben, um an einem Werkstück Bearbeitungen durchzuführen, wobei Antriebsorgane zur Steuerung der Bewegungen des Arbeitsorgans sowie Steuermittel zur Bewegungssteuerung des Arbeitsorgans (18; 118; 218; 318) vorgesehen sind und die Verschiebestruktur eine erste Verschiebeeinheit (10) und eine zweite Verschiebeeinheit (22) aufweist, die zwischen der ersten Verschiebeeinheit (10) und dem Arbeitsorgan (18; 118; 218; 318) angeordnet ist, wobei beide Verschiebeeinheiten Linearbewegungen ausführen können und von denen – die erste Verschiebeeinheit (10) von dem festem Rahmen (14) getragen wird, ihrerseits die zweite Verschiebeeinheit (22) trägt und versehen ist mit ersten linearen Antriebsorganen für die Positionierung der zweiten Verschiebeeinheit (22) wenigstens in der genannten Bewegungsebene oder in einer dazu parallelen Ebene innerhalb eines verhältnismäßig weiten Raumes (S₁) und mit Bewegungen verhältnismäßig geringer Beschleunigung, wobei die maximale Geschwindigkeit, welche die erste Verschiebeeinheit (10) erreichen kann, im wesentlichen größer als die maximale Geschwindigkeit des Arbeitsorganes ist, – die zweite Verschiebeeinheit (22) von der ersten Verschiebeeinheit (10) getragen wird, ihrerseits das Arbeitsorgan (18; 118; 218; 318) trägt und versehen ist mit zweiten linearen Antriebsorganen (52, 60; 152, 160; 176, 252, 260; 362, 360) für die Positionierung des Arbeitsorgans (18; 118; 218; 318) in wenigstens der genannten Bewegungsebene innerhalb eines verhältnismäßig engen Bereiches (S₂) und mit Bewegungen bei verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit und Beschleunigung, – wobei die Steuermittel so ausgebildet sind, dass sie die linearen Antriebsorgane der ersten und der zweiten Verschiebeeinheit (10, 22) simultan steuern, um eine Gesamtverschiebung des Arbeitsorgans (18; 118; 218; 318) relativ zu dem Werkstück zu erzeugen, was kontinuierlich in dem gesamten Bewegungsbereich (S₁) der ersten Verschiebeeinheit (10) bei relativ hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen stattfindet, wobei die Steuermittel die Bewegungen der beiden Verschiebeeinheiten (10, 22) so steuern, dass das Zentrum des engen Bereiches (S₂), das sich zusammen mit der ersten Verschiebeeinheit (10) bewegt, ständig in der Lage ist, die Position des Arbeitsorganes (18, 118, 218, 318) zu erreichen, bevor dieses die Grenze des engen Bereiches (S₂) erreicht.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verschiebeeinheit (22) aufweist: – eine Plattform (24; 124; 224; 324) für die Aufnahme des Arbeitsorgans (18; 118; 218; 318), die sich in der genannten Bewegungsebene entsprechend wenigstens zwei kartesischen Achsen (X, Y) bewegt; – einen Rahmen (26; 126; 236; 336), der mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Verschiebeführung (32, 34; 132, 134; 232a, 232b, 234a, 234b; 332, 334) ausgerüstet ist, die in den jeweiligen Achsen (X, Y) verlaufen; – eine erste Struktur (36; 136; 236; 336), die entlang der ersten Verschiebeführung (32; 132; 232a, 232b; 332) verschiebbar ist; – eine zweite Struktur (38; 138, 238; 338), die entlang der zweiten Verschiebeführung (34; 134; 234a, 234b; 334) verschiebbar ist; und dass: – jede Verschiebestruktur (36, 38; 136, 138; 236, 238; 336, 338) ihrerseits mit einer entsprechenden Verschiebeführung (44, 46; 144, 146; 244a, 244b, 246a, 246b; 344, 346) ausgerüstet ist, die rechtwinklig zur Verschieberichtung dieser Struktur verläuft; – die Plattform (24; 124; 224; 324) verschiebbar mit den Verschiebeführungen (44, 46; 144, 146; 244a, 244b, 246a, 246b; 344, 346) jeder Verschiebestruktur (36, 38; 136, 138; 236, 238; 336, 338) gekoppelt und auf nur zwei zueinander rechtwinkligen Seiten durch die orthogonalen Verschiebeführungen (44, 46; 144, 146; 244a, 244b, 246a, 246b; 344, 346) gelagert ist; und – die Antriebsorgane (52, 60; 152, 160; 252a, 252b, 260a, 260b; 362, 360) der zweiten Verschiebeeinheit (22) einen Körper aufweisen, der an dem Rahmen (26; 126; 226; 326) der zweiten Verschiebeeinheit befestigt ist, sowie ein Antriebsorgan, das mechanisch mit der zugehörigen Verschiebestruktur verbunden ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Rahmen der zweiten Verschiebeeinheit (22) aus einem starren Gestell (26) mit zwei Armen (28, 30) besteht, die sich in zwei zueinander orthogonalen Richtungen (X, Y) in der genannten Bewegungsebene erstrecken und von denen jeder eine entsprechende Verschiebeführung (32, 34) aufweist, wobei die beiden Verschiebeführungen in einer rechtwinklig zur Bewegungsebene verlaufenden Richtungen (Z) zueinander versetzt sind; – die beiden Verschiebestrukturen durch entsprechende Träger (36, 38) gebildet sind, die in der genannten orthogonalen Richtung (Z) versetzt sind und sich parallel zu der genannten Bewegungsebene in zueinander orthogonalen Verschieberichtungen (X, Y) erstrecken, und zwar ausgehend von den dazugehörigen Armen (28, 30) des Rahmens (26), wobei sie Gleitschuhe (40, 42) aufweisen, die den Verschiebeführungen (32,34) der Arme zugeordnet sind, – jeder Träger (36, 38) auf der Seite, die einem Arm (28, 30) des Gestells (26) zugewandt ist, dem der andere Träger zugeordnet ist, eine Verschiebeführung (44, 46) aufweist, und – die Plattform (24) auf ihren zueinander rechtwinkligen Seiten Gleitschuhe (48, 50) aufweist, die mit den Verschiebeführungen (44, 46) der Träger (36, 38) gekoppelt sind, welche die Plattformen tragen.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Rahmen der zweiten Verschiebeeinheit (22) aus einem starren Gestell (226) in der Form eines quadratischen oder rechteckigen Rahmens mit Armen (228a, 228b, 230a, 230b) besteht, die paarweise einander gegenüberliegen und sich in zwei orthogonalen Richtungen (X, Y) in der genannten Bewegungsebene erstrecken, wobei jeder von diesen ein entsprechendes Paar gegenüberliegender Verschiebeführungen (232a, 232b; 234a, 234b) aufweist, wobei ein Paar dieser Verschiebeführungen (232a, 232b) zu dem anderen Paar (234a, 234b) in einer rechtwinklig zur Verschiebeebene verlaufenden Richtung (Z) versetzt ist; – die beiden Verschiebestrukturen aus entsprechenden, orthogonalen Trägern (236, 238) bestehen, die sich in der genannten orthogonalen Richtung (Z) nach Art von Brücken parallel zu der Bewegungsebene und in zueinander orthogonalen Richtungen (X, Y) zwischen entsprechenden Paaren orthogonaler Arme (228a, 228b, 230a, 230b) des Rahmens (226) erstrecken und die Gleitschuhe (240a, 240b, 242a, 242b) aufweisen, die den Verschiebeführungen (232a, 232b, 234a, 234b) der Arme zuge ordnet sind; – jeder Träger (236, 238) mit einem Paar von Verschiebeführungen (244a, 244b, 246a, 246b) an seinen Enden ausgerüstet ist, die einem Arm (228a, 22b, 230a, 230b) des Rahmens (226) entsprechen, dem der andere Träger zugeordnet ist; – die Plattform (224) auf ihren zueinander orthogonalen Seiten mit Gleitschuhen (248, 250) versehen ist, die mit den Verschiebeführungen (244, 246) der Träger (236, 238) gekoppelt sind, welche die Plattform tragen.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem ihrer Träger (236, 238) ein Paar numerisch gesteuerter Antriebe zugeordnet ist, beispielsweise elektrische Motoren (252a, 252b; 262a, 262b), welche die Bewegungen in den orthogonalen Richtungen (X, Y) der Träger (236, 238) und damit auch der Plattform (224) steuern, wobei die Antriebe (252a, 252b; 260a, 260b) jeweils parallel und gleichzeitig eine zugeordnete Führungsspindel (254, 362) antreiben, die drehbar von zwei festen Lagern (255, 263) aufgenommen ist und in der entsprechenden Richtung (X, Y) eine zugehörige Mutter (256, 262) in Bewegung versetzt, an der ein Bügel (258, 266) befestigt ist, welcher seinerseits mit der zugehörigen Verschiebestruktur (236, 238) bzw. dem zugehörigen Träger verbunden ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Rahmen der zweiten Verschiebeeinheit aus einem starren Gestell (326) besteht, das zwei Tische (328, 330) umfasst, die starr miteinander verbunden sind und sich in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen (X, Y) in der genannten Bewegungsebene erstrecken, wobei jeder der Tische (328, 330) an seiner Unterseite entsprechende Paare von Verschiebeführungen (332, 334) hat, die in der rechtwinklig zur Bewegungsrichtung verlaufenden Richtung (Z) zueinander versetzt sind; – die beiden Verschiebestrukturen aus entsprechenden Platten (336, 338) bestehen, die in der genannten orthogonalen Richtung (Z) zueinander versetzt sind; – jede der Verschiebeplatten (336, 338) sich unter dem entsprechenden Tisch (328, 330) und parallel zu diesem erstreckt; – jede der Verschiebeplatten (336, 338) auf ihrer Oberseite mit Gleitschuhen (340, 342) versehen ist, die mit zugeordneten Verschiebeführungen (332, 334) gekoppelt sind; – jede der Verschiebeplatten (336, 338) mit einer Verschiebeführung (344, 346) auf der Seite versehen ist, die dem Tisch (330, 328) des Rahmens (326) gegenüberliegt, dem die Verschiebeplatte zugeordnet ist; – die Plattform (324) auf den beiden rechtwinklig zueinander ausgerichteten Seiten mit Gleitschuhen (348, 350) versehen ist, die mit den entsprechenden Verschiebeführungen (344, 346) gekoppelt sind.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (124) auch in einer rechtwinklig zu der Bewegungsebene verlaufenden Richtung (Z) verschiebbar ist und dass: – der Rahmen der zweiten Verschiebeeinheit (22) aus einem starren Gestell (126) mit wenigstens zwei Armen (128, 130) besteht, die in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen (X, Y) in der Bewegungsebene verlaufen und von denen jeder mit einer entsprechenden Verschiebeführung (132, 134) versehen ist; – die beiden Verschiebestrukturen jeweils umfassen: – einen entsprechenden Wagen (168, 120) mit Gleitschuhen (140, 142), die einem zugehörigen Arm (128, 130) des Rahmens zugeordnet sind und von denen jeder eine oder mehrere Führungssäulen (172, 174) oder gleichwirkende Mittel trägt, die sich in der genannten orthogonalen Richtung (Z) erstrecken, und – einen zugehörigen Träger (136, 138) der verschiebbar auf der Führungssäule oder den Führungssäulen (172, 174) gelagert ist, relativ zu dem anderen Träger in der genannten orthogonalen Richtung (Z) versetzt ist und sich in der genannten Bewegungsebene von den entsprechenden Säulen (172, 174) oder gleichwirkenden Mitteln in einer orthogonal zu dem anderen Träger verlaufenden Richtung erstreckt; und – jeder Träger (136, 138) mit einer Verschiebeführung (144, 146) auf der Seite versehen ist, die dem Arm des Rahmens (126) gegenüberliegt, dem der andere Träger zugeordnet ist; – die Plattform (124) auf zwei Seiten, die rechtwinklig zueinander verlaufen, mit Gleitschuhen (148, 150) versehen ist, die mit den Verschiebeführungen (144, 146) der Träger gekoppelt sind, welche die Plattform tragen; – und dass der Plattform (124) Verschiebemittel zugeordnet sind, um in der genannten orthogonalen Richtung (Z) sowohl die Plattform (124) als auch die Träger (136, 138) gleichzeitig zu verschieben, unabhängig von der Position der Plattform in der Bewegungsebene.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebemittel zum Verschieben in der orthogonalen Richtung (Z) umfassen: – ein Antriebsorgan (176) mit einem festen Körper, der an dem Rahmen (126) der zweiten Verschiebeeinheit (22) befestigt ist und ein Organ (184) antreibt, das in der genannten orthogonalen Richtung (Z) beweglich ist; – einen mit dem Antriebsorgan (184) gekoppelten Kopf (190) derart, dass der Kopf in einer parallel zu der Bewegungsebene liegenden Richtung drehbar ist, wobei der Kopf als Führungs buchse mit einer zur Bewegungsebene parallelen Achse ausgebildet ist; – eine in der Führungsbuchse verschiebbare Stange (192), die an einem Ende, das an die Plattform (124) angrenzt, einen ringförmigen Rahmen (194) trägt, der parallel zu der Plattform verläuft; – eine Nabe (196), die fest mit einer Fläche der Plattform (124) verbunden ist und innerhalb des ringförmigen Rahmens (194) liegt; und – ein Axial-Radial-Lager (198) zwischen der Nabe (196) und dem Rahmen (194).
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsebene der Plattform (24; 124; 224; 324) horizontal verläuft.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen der ersten Verschiebestruktur (36; 136; 236; 336) und der zweiten Verschiebestruktur (38; 138; 238; 338) im wesentlichen symmetrisch zueinander liegen.
Zweite Verschiebeinheit für eine Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, die unabhängig verwendbar ist oder in einer Verschiebestruktur einer Werkzeugmaschine eingebaut werden kann, umfassend eine Plattform (24; 124; 224; 324), die so ausgebildet ist, dass sie in einer Bewegungsebene mit wenigstens zwei kartesischen Achsen (X, Y) verschiebbar ist, einen Rahmen (26; 126; 226; 326), Antriebsorgane (52, 60; 152, 160; 252a, 252b, 260a, 260b; 362, 360) zur Steuerung der Bewegungen der Plattform sowie Mittel für die Aufnahme der Plattform, wobei: – der Rahmen (26; 126; 226; 326) mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Verschiebeführung (32, 34; 132, 134; 232a, 232b, 234a, 234b) ausgerüstet ist, die sich jeweils in Richtung der Achsen (X, Y) erstrecken, wobei die Vorrichtung umfasst: – eine erste Verschiebestruktur (36; 136; 236; 336), die so ausgebildet ist, dass sie nach Art eines Läufers entlang einer ersten Verschiebeführung (32, 132, 232a, 232b; 332) des Rahmens (26; 126; 226; 326) verschiebbar ist, und – eine zweite Verschiebestruktur (38; 138; 238; 338), die so ausgebildet ist, dass sie nach Art eines Läufers entlang einer zweiten Verschiebeführung (34; 134; 234a, 234b; 334) des Rahmens (26; 126; 226; 326) verschiebbar ist, wobei – jede Verschiebestruktur (36, 38; 136, 138; 236, 238; 336 338) ihrerseits mit einer zugeordneten Verschiebeführung (44, 46; 144, 146; 244a, 244b, 246a, 246b; 344, 346) ausgerüstet ist, die orthogonal zur Verschieberichtung der Struktur verläuft, wobei die erste Verschiebestruktur (36; 136; 236; 336) und die zweite Verschiebestruktur (38; 138; 238; 338) Strukturen aufweisen, die im wesentlichen symmetrisch zueinander sind, – die Plattform (24; 124; 224; 324) zwischen der ersten Verschiebestruktur (36; 136; 236; 336) und der zweiten Verschiebestruktur ( 38; 138; 238; 338) angeordnet und verschiebbar mit den orthogonalen Verschiebeführungen (44, 46; 144, 146; 244a, 244b, 246a, 246b; 344, 346) jeder Verschiebestruktur ( 36, 38; 136, 138; 236, 238; 336, 338) gekoppelt ist und von den orthogonalen Verschiebeführungen (44, 46; 144, 146; 244a, 244b, 246a, 246b; 344, 346) getragen wird, – die Antriebsorgane (52, 60; 152, 160; 252a, 252b, 260a, 260b; 352, 360) zur Steuerung der Bewegungen der Plattform jeweils einen Körper haben, der an dem Rahmen (26; 126; 236, 336) befestigt ist, sowie ein Antriebselement, das mechanisch mit der entsprechenden Verschiebestruktur verbunden ist, – die Plattform dazu dient, ein Arbeitsorgan (18; 118; 218; 318) aufzunehmen, das in einer Bewegungsebene entsprechend wenigstens zwei kartesischen Achsen (X, Y) verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet ist, dass die Plattform auf nur zwei zueinander orthogonalen Seiten von den orthogonalen Verschiebeführungen (44, 46; 144, 146; 244a, 244b, 246a, 246b; 344, 346) getragen wird.
Zweite Verschiebeeinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Rahmen der zweiten Einheit (22) aus einem starren Gestell (26) mit zwei Armen (28, 30) besteht, die sich in zwei zueinander orthogonalen Richtungen (X, Y) in der genannten Bewegungsebene erstrecken, von denen jeder mit einer zugehörigen Verschiebeführung (32, 34) versehen ist, wobei beide Verschiebeführungen in einer rechtwinklig zur Bewegungsebene verlaufenden Richtung (Z) versetzt angeordnet sind; – die beiden Verschiebestrukturen durch entsprechende Träger (36, 38) gebildet werden, die in der genannten orthogonalen Richtung (Z) zueinander versetzt sind und sich parallel zu der Bewegungsebene und in zueinander rechtwinkligen Richtungen (X, Y) von den zugehörigen Armen (28, 30) des Rahmens (26) ausgehend erstrecken und Gleitschuhe (40, 42) haben, welche den Verschiebeführungen (32, 34) der Arme zugeordnet sind; – jeder Träger (36, 38) auf der Seite, die einem Arm (28, 30) des Rahmens (26) zugewandt ist, dem der andere Träger zugeordnet ist, eine Verschiebeführung (44, 46) hat, und – die Plattform (24) auf zwei ihrer zueinander rechtwinkligen Seiten mit Gleitschuhen (48, 50) versehen ist, die mit den Verschiebeführungen (44, 46) der Träger (36, 38) gekoppelt sind, welche die Plattform tragen.
Zweite Verschiebeeinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Rahmen der zweiten Einheit (22) aus einem starren Gestell (226) in der Form eines quadratischen oder rechtwinkligen Rahmens mit Armen (228a, 228b, 230a, 230b) besteht, die paarweise einander gegenüberliegen und sich in zwei orthogonalen Richtungen (X, Y) in der Bewegungsebene erstrecken, wobei jeder von diesen mit einem Paar gegenüberliegender Verschiebe führungen (232a, 232b und 234a, 234b) versehen ist, von denen das eine Paar der Verschiebeführungen (232a, 232b) zu dem anderen Paar (234a, 234b) in einer rechtwinklig zur Bewegungsebene verlaufend Richtung (Z) versetzt ist; – die beiden Verschiebestrukturen aus zueinander orthogonalen Trägern (236, 238) bestehen, die in der genannten orthogonalen Richtung (Z) zueinander versetzt sind und sich in Form von Brücken parallel zu der Verschiebeebene und in zueinander orthogonalen Richtungen zwischen den entsprechenden Paaren der orthogonalen Arme (228a, 228b, 230a, 230b) des Rahmens (226) erstrecken und Gleitschuhe (240a, 240b, 242a, 242b) haben, die den Verschiebeführungen (232a, 232b, 234a, 234b) der Arme zugeordnet sind; – jeder Träger (236, 238) mit einem Paar von Verschiebeführungen (244a, 244b, 246a, 226b) an seinen Enden versehen ist, die einem Arm (228a, 228b, 230a, 230b) des Rahmens (226) entsprechen, dem der andere Träger zugeordnet ist, – die Plattform (224) an zwei ihrer zueinander orthogonalen Seiten mit Gleitschuhen (248, 250) ausgerüstet ist, die mit den Verschiebeführungen (244, 246) der Träger (236, 238) gekoppelt sind, welche die Plattform tragen.
Zweite Verschiebeeinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese für jeden der Träger (236, 238) ein Paar numerisch gesteuerter Antriebsorgane aufweist, beispielsweise Elektromotoren (252a, 252b, 260a, 260b), welche die Bewegungen in den orthogonalen Richtungen (X, Y) der Träger (236, 238) und damit der Plattform (224) steuern, wobei die Antriebsorgane (252a, 252b, 260a, 260b) parallel und gleichzeitig eine zugehörige Leitspindel (254, 362) antreiben, die drehbar in festen Lagern (255, 263) gelagert ist und in der entsprechenden Richtung (X, Y) eine zugehörige Mutter (256, 262) verschiebt, an der ein Bügel (258, 266) befestigt ist, der seinerseits mit der zugehörigen Verschiebestruktur bzw. dem zugehörigen Träger (236, 238) fest verbunden ist.
Zweite Verschiebeeinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Rahmen der zweiten Verschiebeeinheit (22) aus einem starren Gestell (326) mit zwei Tischen (328, 330) besteht, die entsprechend zwei orthogonalen Richtungen (X, Y) in der Bewegungsebene fest miteinander verbunden sind, wobei jeder der Tische (328, 330) an seiner Unterseite mit entsprechenden Paaren von Verschiebeführungen (332, 334) versehen ist, die in einer rechtwinklig zur Bewegungsebene verlaufenden Richtung (Z) zueinander versetzt sind; – die beiden Verschiebestrukturen aus entsprechenden Platten (336, 338) bestehen, die in der genannten orthogonalen Richtung (Z) zueinander versetzt sind; – jede der Verschiebeplatten (336, 338) unterhalb eines zugeordneten Tisches (328, 330) und parallel zu diesem verläuft; – jede der Verschiebeplatten (336, 338) auf ihrer Oberseite Gleitschuhe (340, 342) hat, die mit entsprechenden Verschiebeführungen (332, 334) gekoppelt sind; – jede der Verschiebeplatten (336, 338) mit einer Verschiebeführung (344, 346) auf einer Seite versehen ist, die dem Tisch (330, 328) des Rahmens (326) gegenüberliegt, welchem die Verschiebeplatte zugeordnet ist; – die Plattform (324) auf zwei zueinander orthogonalen Seiten mit Gleitschuhen (348, 350) versehen ist, die mit den entsprechenden Verschiebeführungen (344, 346) gekoppelt sind.
Zweite Verschiebeeinheit nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (124) auch in einer Richtung (Z) verschiebbar ist, die rechtwinklig zu der Bewegungsebene verläuft, und dass: – der Rahmen aus einem starren Gestell (126) mit wenigstens zwei Armen (128, 130) besteht, die sich in zwei zueinander orthogonalen Richtungen (X, Y) in der Bewegungsebene erstrecken, wobei jeder eine entsprechende Verschiebeführung (132, 134) hat; – die beiden Verschiebestrukturen jeweils aufweisen: – einen entsprechenden Wagen (168, 120) mit Gleitschuhen (140, 142), die einem entsprechenden Arm (128, 130) zugeordnet sind und eine oder mehrere Führungssäulen (172, 174) oder gleichwirkende Elemente tragen, welche sich in der genannten orthogonalen Richtung (Z) erstrecken, und – einen entsprechenden Träger (136, 138), der verschiebbar auf der Führungssäule oder den Führungssäulen (172, 174) gelagert und relativ zu dem anderen Träger in der genannten orthogonalen Richtung (Z) versetzt ist und sich in der Bewegungsebene von den zugeordneten Führungssäulen (172, 174) oder gleichwirkenden Organen in einer orthogonal zu dem anderen Träger verlaufenden Richtung erstreckt, und dass: – jeder Träger (136, 138) auf einer Seite, die dem Arm des Rahmens (126) gegenüberliegt, dem der andere Träger zugeordnet ist, mit einer Verschiebeführung (144, 146) versehen ist; – die Plattform (124) auf zwei zueinander rechtwinkligen Seiten mit Gleitschuhen (148, 150) versehen ist, die mit den Verschiebeführungen (144, 146) der Träger gekoppelt sind, welche die Plattform tragen, und – der Plattform (124) Verschiebemittel zugeordnet sind, um in der genannten orthogonalen Richtung (Z) gleichzeitig sowohl die Plattform (124) als auch die Träger (136, 138) unabhängig von der Position der Plattform in der Bewegungsebene zu verschieben.
Zweite Verschiebeeinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebemittel zum Verschieben in der orthogonalen Richtung (Z) umfassen: – ein Antriebsorgan (176) mit einem festen Körper, der an dem Rahmen (126) der zweiten Verschiebeeinheit (22) befestigt ist, sowie ein Antriebselement (184) zur Verschiebung in der genannten orthogonalen Richtung (Z); – einen mit dem Antriebselement (184) in der Weise gekoppelten Kopf (190), dass dieser in einer parallel zu der Bewegungsebene verlaufenden Ebene rotiert, wobei der Kopf die Form einer Führungsbuchse mit einer Achse hat, die parallel zur Bewegungsebene verläuft; – eine in der Führungsbuchse verschiebbare Stange (192), die an ihrem der Plattform (124) benachbarten Ende einen ringförmigen Rahmen (194) trägt, der parallel zu der Plattform verläuft; – eine Nabe (196), die auf einer Seite der Plattform (124) befestigt ist und innerhalb des ringförmigen Rahmens (194) liegt, – ein Axial-Radial-Lager (198) zwischen der Nabe (196) und dem Rahmen (194).