AT410292B - Werkzeugmaschine mit stabkinematischer positionierung von werkzeugen und bzw. oder werkstücken - Google Patents

Description

AT 41 0 292 B

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit stabkinematischer Positionierung von Werkzeugen und bzw. oder Werkstücken für den Bearbeitungsvorgang, mit drei Schlitten, die in einer gemeinsamen Achsenrichtung in parallel zueinander in einer Ebene, insbesondere in der Horizontalebene des Maschinenbettes angeordneten Führungen, verfahrbar sind und jeder Schlitten zwei Anlenkpunkte für zwei Stäbe trägt, deren schlittenferne Anlenkpunkte auf einer von allen Stäben getragenen Plattform oder einem Träger für die Werkzeuge bzw. Werkstücke liegen.

Lineare Relativbewegungen zwischen einem Werkstück und einem Werkzeug werden meist durch drei übereinander liegende Schlitten erreicht. Der Z-Schlitten trägt den X-Schlitten und auf diesem ist der Y-Schlitten angeordnet. Damit ist eine Positionierung in der Ebene und der Höhe nach möglich. Für Freiformflächen sind zwei weitere Achsen erforderlich. Es werden dann den drei linearen Achsen noch zwei rotatorische für Schwenkbewegungen überlagert. Dieser Aufbau entspricht einer seriellen Anordnung der Schlitten- bzw. Achsenkomponenten, wobei die Kräfte, z.B. die Schnittkräfte, von Schlitten zu Schlitten übernommen und bis ins Maschinenbett weitergeleitet werden. Fehler addieren sich und infolge der Anordnung der Schlitten aufeinander sind besonders steife und schwere Konstruktionen erforderlich.

Dem oben beschriebenen seriellen, kartesischen Schlittenaufbau steht die moderne Parallelstabkinematik gegenüber. Hier wird beispielsweise eine Trägerplatte für eine Bohrspindel durch drei Paare von Stäben im Raum fixiert. Die Stäbe sind jeweils paarweise auf der Trägerplatte sowie paarweise auf drei Schlitten angelenkt. Durch Verfahren der Schlitten in ihren linearen Führungen verschieben sich die Stabpositionen und damit ändert sich die Lage der Trägerplatte im Raum. Die Trägerplatte wird bei einem stabkinematischen System somit nicht durch aufeinander aufbauende Strukturen sondern durch parallel geschaltete Strukturen, nämlich durch die Stäbe, die alle an der Trägerplatte angreifen im Raum positioniert. Diese Parallelstabkinematik ist auch unter den Begriff "Hexapod-Prinzip" geläufig und den Grundzügen nach bereits seit 1965 bekannt. In der DE 196 11 130 A1 ist ein solches System, beispielsweise mit dreieckigem Grundriss, drei vertikal verfahrbaren Schlitten mit je zwei Stäben und einer dreieckigen Plattform beschrieben. Die US 5 378 282 A betrifft eine Manipulator in Form eines Dreibeins, dessen Fußpunkte als Gabeln ausgebildet und an Muttern angelenkt sind, welche auf drei parallelen Spindeln laufen. Die WO 98/51443 A1 offenbart eine Scherenkonstruktion zusammen mit einer Vertikalführung für den Bearbeitungshub eines Werkzeuges. Im Aufsatz von Zirn, Baldini, Treib "Parallele Kinematik für Werkzeugmaschinen" erschienen in "Werkstatt und Betrieb 130 (1997) 9, Seiten 733-736, Carl Hanser Verlag, München sind die Grundlagen der Parallelstabkinematik erläutert und es werden konventionelle dreiachsige Bearbeitungseinheiten mit Hexapoden hinsichtlich Genauigkeit, Bearbeitungsgeschwindigkeit, Regelgüte und Baugröße verglichen. In der prioritätsälteren WO 97/22436 ist eine Vorrichtung zur räumlich gesteuerten Bewegung eines Körpers in drei bis sechs Freiheitsgraden gekennzeichnet, wobei das Ausführungsbeispiel von sechs Schlitten ausgeht, die in drei Bettführungen in der Ebene in einer Achsenrichtung verfahrbar sind. Auf diesem Stand der Technik baut die Erfindung auf.

Abgesehen von vorstehenden weitgehend theoretischen Zusammenhängen sind bereits einige praktisch realisierte Werkzeugmaschinen bekannt, die nach dem Prinzip der Stabkinematik konstruiert wurden.

So ist eine Werkzeugmaschine bekannt, die einen portalähnlichen oder tunnelförmigen Rahmen umfasst, welcher aus mehreren Teilen zusammengesetzt auf dem Maschinenbett ruht. Dieser Rahmen trägt auf den Seitenwänden jeweils längsverschiebbare Schlitten U und W, während ein Schlitten V am oberen Rahmenstück in Längsrichtung verfahrbar ist. Die genannten Schlitten sind über je ein Stäbepaar mit einer vertikalen Plattform für die Werkzeuge verbunden. Diese bekannte Ausführung ist sperrig, die im Inneren der Rahmen- oder Tunnelkonstruktion liegenden Maschinenbauteile sind schwer zugänglich und insbesondere ist äußerste Genauigkeit beim Aufbau des mehrteiligen Rahmens zusammen mit dem Maschinenbett erforderlich.

Die Erfindung zielt darauf ab, eine praxisgerechte Werkzeugmaschine der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die wesentlich einfacher und kostengünstiger im Aufbau als die letztgenannte konkret realisierte Maschine ist und die dadurch zu einer höheren Systemgenauigkeit bei günstigen Baumaßen führt. Dies wird dadurch erreicht, dass die beiden in der Ebene der drei Führungen jeweils seitlich angeordneten Schlitten jeweils eine Konsole bzw. einen Aufbau mit einer senkrecht zur Maschinenbettebene in Richtung der Führungen orientierten Fläche tragen, auf 2

AT 410 292 B welcher die Stäbe angelenkt sind. Durch die Anordnung von übereinander liegenden Stabanlenk-punkten auf den beiden seitlichen Schlitten und den nebeneinander liegenden Anlenkpunkten am mittleren Schlitten - jeweils in einer Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung der drei Schlitten gesehen - ist keine Tunnel- oder Rahmenkonstruktion auf dem Maschinenbett nötig. Das Maschinenbett kann einteilig sein. Dadurch kann die benötigte Systemgenauigkeit viel leichter erreicht werden. Sämtliche Anlenkpunkte am einteiligen Bett können über die Schlitten stabil befestigt werden. Die Werkzeugmaschine ist nach der Seite und vor allem nach oben offen, sodass die Zugriffsmöglichkeit z.B. auch für ein Werkzeugwechselsystem ohne weiteres besteht. Zudem ist die einteilige Bettkonstruktion ohne Tunnelüberbauten natürlich wesentlich kostengünstiger herstellbar als die bereits praktisch realisierte Ausführung, von der die Erfindung ausgeht.

Bei der Orientierung von Bettführungen und Bearbeitungsrichtung ist es zweckmäßig, wenn die Führungen für die Schlitten in der Hauptbearbeitungsrichtung, z.B. in Vorschubrichtung eines Bohrwerkzeuges, liegen. Wenn man davon ausgeht, dass die überwiegend benötigte Bearbeitung mittels eines Bohrwerkzeuges erfolgt, dann erstrecken sich die Schlittenführungen in Z-Richtung, die der Vorschubrichtung des Bohrwerkzeuges entspricht. Der Schlittenvorschub stimmt mit dem Werkzeugvorschub überein.

Um bei drei Schlitten, die in einer Ebene nebeneinander in parallelen Führungen individuell verfahrbar sind, eine im Raum unterschiedliche Anordnung der Anlenkpunkte für die jedem Schlitten paarweise zugeordneten Stäbe zu erreichen, sind die beiden seitlichen Schlitten mit einem Aufbau, insbesondere einer in Y-Richtung hochragenden Konsole ausgestattet. Auf dieser befinden sich seitlich jeweils die beiden Anlenkpunkte für die beiden zugeordneten Stäbe. Es ist zweckmäßig, wenn die Konsole bzw. der Aufbau an jeweils einer Seitenwand des Maschinenbettes in Längsrichtung desselben zusätzlich zur Maschinenbettführung abgestürzt ist und eine Stützführung aufweist. Im Hinblick auf die gute seitliche Zugänglichkeit sollte diese Seitenwand nur eine geringe Höhe aufweisen.

Ein Ausführungsbeispiel der stabkinematischen Komponenten einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Stirnansicht eines Teils einer Werkzeugmaschine mit stabkinematischer Positionierung einer Plattform für ein Werkzeug, Fig. 2 eine Seitenansicht und Fig. 3 einen Grundriss.

Auf einem Maschinenbett 1 sind drei Schlittenführungen 2, 3, 4 mit Schlitten 5, 6, 7 parallel zueinander in einer Ebene vorgesehen. Die Schlitten 5 und 7 sind im Querschnitt winkelförmig ausgebildet bzw. tragen einen hochragenden Aufbau in Form einer Konsole 8, 9, sodass sich auf dieser eine senkrecht auf die Maschinenbettebene und in Längsrichtung der Führungen 2, 3, 4 orientierte Montageebene für zwei Anlenkpunkte 10, 11 und 12,13 ergibt, in diesen Anlenkpunkten sind Gelenke für je einen Stab 14, 15 und 16, 17 vorgesehen, wobei die anderen, also schlittenfernen Stabenden wieder über Gelenke mit einer Plattform 18 bzw. einem Werkzeugträger verbunden sind. Alle Gelenke sind in der Funktion einem Kugelgelenk entsprechend und werden meist als Kreuzgelenke realisiert. Die Plattform 18 trägt das Werkzeug, z.B. in einer Bohrspindel 19.

In der mittig angeordneten Führung 3 sind auf dem Schlitten 6 in einer Parallelebene zur Bettebene zwei Anlenkpunkte 20, 21 für Stäbe 22, 23 vorgesehen, deren anderes Ende an der Plattform 18 angelenkt sind. Die Stäbe 14, 15, 16, 17 und 22, 23 sind in ihrer Länge nicht veränderbar. Die Anlenkpunkte aller vorgenannten Stäbe auf der Plattform 18 liegen in einer gemeinsamen Ebene, während die Anlenkpunkte schlittenseitig auf den Konsolen 8, 9 vertikal übereinander bzw. am mittleren Schlitten 6 in einer Parallelebene zur Bettebene in der Schnittlinie mit einer Normalebene zur Bettebene (Querschnittsebene) nebeneinander liegen.

Diese Anordnung der auf drei parallel zueinander in der Maschinenbettebene verfahrbaren Schlitten mit je zwei Anlenkpunkte für je ein Paar von Parallelstäben, deren andere Enden gelenkig am Werkzeugträger bzw. der Plattform 18 angreifen, ist Platz sparend, gut zugänglich und ohne hohen Justieraufwand maßgenau betriebsfähig. Um die Konsolen 8 und 9 quer zur Führungsrichtung der Schlitten 5 und 7 abzustützen, können die Seitenflanken des Maschinenbettes 1 etwas hochgezogen sein, damit eine zusätzliche Stützführung zur Aufnahme der Querkräfte möglich ist. Die Schlittenpositionierung kann durch elektronisch gesteuerte Motoren mittels Kugelrollspindeln oder linearen Trieben individuell erfolgen, sodass das Werkzeug 19 jede Lage im Raum einnehmen kann. Wie aus dem Ausführungsbeispiel ersichtlich, entspricht die Hauptarbeitsrichtung eines Bohrwerkzeuges 19 unmittelbar der Laufrichtung der Schlitten 5, 6, 7 (Längsrichtung der Führun- 3

Claims (3)

1. AT 410 292 B gen 2, 3, 4). Der Schlittenvorschub ergibt unmittelbar den Werkzeugvorschub. Damit ergeben sich für diese Hauptbearbeitung symmetrische Kräfteverteilungen genau in der Richtung der Schlittenantriebe, in welcher die größten Kräfte aufgenommen werden können. An das Maschinenbett 1 (z.B. Fig. 2) kann ein weiteres Maschinenbett anschließen, welches der Positionierung eines Werkstückes dient. Eine solche Werkstückpositionierung ist ebenfalls auf der Basis der Stabkinematik gemäß der Erfindung möglich. Der Werkzeugwechselvorgang sowie der Beladevorgang mit Werkstücken kann im Durchlaufverfahren über Magazine (Kettenmagazine) ohne Einschränkung erfolgen, weil die Werkzeugmaschine nach oben und nach der Seite völlig frei ist. PATENTANSPRÜCHE: 1. Werkzeugmaschine mit stabkinematischer Positionierung von Werkzeugen und bzw. oder Werkstücken für den Bearbeitungsvorgang, mit drei Schlitten, die in einer gemeinsamen Achsenrichtung in parallel zueinander in einer Ebene, insbesondere in der Horizontalebene des Maschinenbettes angeordneten Führungen, verfahrbar sind und jeder Schlitten zwei Anlenkpunkte für zwei Stäbe trägt, deren schlittenferne Anlenkpunkte auf einer von allen Stäben getragenen Plattform oder einem Träger für die Werkzeuge bzw. Werkstücke liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden in der Ebene der drei Führungen (2, 3, 4) jeweils seitlich angeordneten Schlitten (5, 7) jeweils eine Konsole (8, 9) bzw. einen Aufbau mit einer senkrecht zur Maschinenbettebene in Richtung der Führungen (2, 3, 4) orientierten Fläche tragen, auf welcher die Stäbe (14, 15; 16, 17) angelenkt sind.
2. 2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungen (2, 3, 4) für die Schlitten (5, 6, 7) in der Hauptbearbeitungsrichtung, z.B. in Vorschubrichtung eines Bohrwerkzeuges (19), liegen.
3. 3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsole (8, 9) bzw. der Aufbau an jeweils einer Seitenwand des Maschinenbettes (1) in Längsrichtung desselben zusätzlich zur Maschinenbettführung (2, 4) abgestützt ist und eine Stützführung aufweist. HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN 4