AT410292B - Machine tool with bar kinematic positioning of tools and/or components - Google Patents

Abstract

A machine tool with bar kinematic positioning of tools (19) and/or components contains three slides (5, 6, 7), which are positionable next to each other with a common axial direction in guides (2, 3, 4) on a substantially integral machine bed (1). Each slide (5, 6, 7) has two mounting points (10, 11, 12, 13, 20, 21) for bars (14, 15, 16, 17, 22, 23) whose other ends jointly engage on a platform (18) and/or support plate and/or a tool carrier. The joint points (20, 21) on the centre of the three slides (5, 6, 7) are located in a plane parallel to the bedplane, the mounting points (10, 11, 12, 13) of the two side slides (5, 7) are on the vertical planes, which are directed on these slides (5, 7) in longitudinal direction of the guides (2, 3, 4) and/or a structure or a console (8, 9) on this slide (5, 7). These consoles (8, 9) may be supported on the machine bed (1) by additionally receiving transverse forces. The main processing direction of the tool (19) coincides with the direction of the slide guides (2, 3, 4).<IMAGE>

Description

AT 41 0 292 BAT 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.The invention relates to a machine tool with rod-kinematic positioning of tools and / or workpieces for the machining process, with three carriages that can be moved in a common axis direction in parallel to one another in a plane, in particular in the horizontal plane of the machine bed, and each carriage two Articulation points for two rods, the articulation points remote from the sled lie on a platform carried by all the rods or a support for the tools or workpieces.

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.Linear relative movements between a workpiece and a tool are mostly achieved by three superimposed slides. The Z-carriage carries the X-carriage and the Y-carriage is arranged on it. This allows positioning in the plane and in height. Two additional axes are required for freeform surfaces. The three linear axes are then superimposed on two rotary axes for swivel movements. This structure corresponds to a serial arrangement of the slide or axis components, the forces, e.g. the cutting forces are transferred from slide to slide and passed on to the machine bed. Errors add up and due to the arrangement of the slides one on top of the other, particularly stiff and heavy structures are required.

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 &quot;Hexapod-Prinzip&quot; 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 &quot;Parallele Kinematik für Werkzeugmaschinen&quot; erschienen in &quot;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.The serial, Cartesian slide construction described above is contrasted by modern parallel rod kinematics. Here, for example, a carrier plate for a drilling spindle is fixed in the room by three pairs of rods. The rods are articulated in pairs on the carrier plate and in pairs on three slides. By moving the slides in their linear guides, the rod positions are shifted and thus the position of the carrier plate changes in space. In the case of a rod-kinematic system, the carrier plate is therefore not positioned in space by structures which build on one another but by structures connected in parallel, namely by the rods, which all attack the carrier plate. This parallel rod kinematics is also referred to as &quot; hexapod principle &quot; common and known since 1965. Such a system is described in DE 196 11 130 A1, for example with a triangular plan, three vertically movable slides, each with two bars and a triangular platform. US 5 378 282 A relates to a manipulator in the form of a tripod, the base of which is designed as a fork and is articulated on nuts which run on three parallel spindles. WO 98/51443 A1 discloses a scissor construction together with a vertical guide for the machining stroke of a tool. In the article by Zirn, Baldini, Treib &quot; Parallel Kinematics for Machine Tools &quot; published in &quot; Werkstatt und Betrieb 130 (1997) 9, pages 733-736, Carl Hanser Verlag, Munich, the basics of parallel rod kinematics are explained and conventional three-axis processing units with hexapods are compared in terms of accuracy, processing speed, control quality and size. In WO 97/22436, which has a higher priority, a device for the spatially controlled movement of a body in three to six degrees of freedom is characterized, the exemplary embodiment starting from six slides which can be moved in three bed guides in the plane in an axial direction. The invention is based on this prior art.

Abgesehen von vorstehenden weitgehend theoretischen Zusammenhängen sind bereits einige praktisch realisierte Werkzeugmaschinen bekannt, die nach dem Prinzip der Stabkinematik konstruiert wurden.Apart from the above largely theoretical relationships, some practically implemented machine tools are already known, which were constructed according to the principle of rod kinematics.

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.A machine tool is known, for example, which comprises a portal-like or tunnel-shaped frame, which is composed of several parts and rests on the machine bed. This frame carries on the side walls in each case longitudinally displaceable carriages U and W, while a carriage V on the upper frame piece can be moved in the longitudinal direction. The slides mentioned are each connected to a vertical platform for the tools via a pair of rods. This known embodiment is bulky, the machine components lying inside the frame or tunnel construction are difficult to access and in particular extreme precision is required when building the multi-part frame together with the machine bed.

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 2The invention aims to create a practical machine tool of the type described in the introduction, which is considerably simpler and less expensive to construct than the last-mentioned specifically implemented machine and which thereby leads to a higher system accuracy with favorable dimensions. This is achieved in that the two carriages arranged laterally in the plane of the three guides each carry a bracket or a structure with a surface oriented perpendicular to the machine bed plane in the direction of the guides, on FIG. 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.AT 410 292 B which the rods are articulated. Due to the arrangement of rod articulation points on top of each other on the two side carriages and the articulation points lying next to each other on the middle carriage - each seen in a plane perpendicular to the feed direction of the three carriages - no tunnel or frame construction is necessary on the machine bed. The machine bed can be in one piece. This makes it much easier to achieve the required system accuracy. All articulation points on the one-piece bed can be securely attached to the sled. The machine tool is open to the side and especially upwards, so that the accessibility e.g. also exists for a tool changing system without further ado. In addition, the one-piece bed construction without tunnel superstructures can of course be produced much more cost-effectively than the already practically implemented embodiment from which the invention is based.

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.When orienting bed guides and machining direction, it is useful if the guides for the slides in the main machining direction, e.g. in the feed direction of a drilling tool. If it is assumed that the predominantly required machining is carried out using a drilling tool, then the slide guides extend in the Z direction, which corresponds to the feed direction of the drilling tool. The slide feed coincides with the tool feed.

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.In order to achieve a different arrangement of the articulation points for the rods assigned in pairs to each slide in the case of three slides, which can be moved individually in parallel guides in parallel guides, the two side slides have a structure, in particular one that protrudes in the Y direction Console. The two articulation points for the two assigned rods are located on each side of this. It is expedient if the console or the structure on each side wall of the machine bed has fallen in the longitudinal direction thereof in addition to the machine bed guide and has a support guide. In view of the good lateral accessibility, this side wall should only have a small height.

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.An embodiment of the rod kinematic components of a machine tool according to the invention is shown schematically in the drawings. 1 shows an end view of part of a machine tool with rod kinematic positioning of a platform for a tool, FIG. 2 shows a side view and FIG. 3 shows a plan view.

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.On a machine bed 1, three slide guides 2, 3, 4 with slides 5, 6, 7 are provided parallel to one another in one plane. The carriages 5 and 7 are angular in cross-section or have a high structure in the form of a bracket 8, 9, so that there is a mounting plane for two articulation points 10, oriented perpendicular to the machine bed plane and in the longitudinal direction of the guides 2, 3, 4, 11 and 12, 13 results, in these articulation points joints are provided for one rod 14, 15 and 16, 17, the other rod ends, that is to say remote from the slide, being connected to a platform 18 or a tool carrier via joints. All joints have the same function as a ball joint and are mostly realized as universal joints. Platform 18 carries the tool, e.g. in a drilling spindle 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.In the centrally arranged guide 3, two articulation points 20, 21 for rods 22, 23 are provided on the slide 6 in a plane parallel to the bed plane, the other ends of which are articulated on the platform 18. The length of the rods 14, 15, 16, 17 and 22, 23 cannot be changed. The articulation points of all the aforementioned rods on the platform 18 lie in a common plane, while the articulation points on the slide side on the brackets 8, 9 vertically one above the other or on the middle slide 6 in a plane parallel to the bed plane in the section line with a normal plane to the bed plane (cross-sectional plane) side by side lie.

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- 3This arrangement of the three carriages that can be moved parallel to one another in the machine bed level, each with two articulation points for a pair of parallel rods, the other ends of which engage the tool carrier or the platform 18 in an articulated manner, is space-saving, easily accessible and can be operated in a dimensionally accurate manner without high adjustment effort. In order to support the brackets 8 and 9 transversely to the guide direction of the carriages 5 and 7, the side flanks of the machine bed 1 can be raised somewhat so that an additional support guide for absorbing the transverse forces is possible. The slide can be positioned individually by electronically controlled motors using ball screws or linear drives, so that the tool 19 can assume any position in space. As can be seen from the exemplary embodiment, the main working direction of a drilling tool 19 corresponds directly to the running direction of the carriages 5, 6, 7 (longitudinal direction of the guides 3

Claims (3)

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.AT 410 292 B gen 2, 3, 4). The slide feed immediately results in the tool feed. This results in symmetrical force distributions for this main machining exactly in the direction of the slide drives in which the greatest forces can be absorbed. Another machine bed, which serves to position a workpiece, can be connected to the machine bed 1 (e.g. FIG. 2). Such workpiece positioning is also possible on the basis of the rod kinematics according to the invention. The tool changing process and the loading process with workpieces can be carried out in a continuous process via magazines (chain magazines) without restriction, because the machine tool is completely free upwards and to the side. PATENT CLAIMS: 1. Machine tool with rod-kinematic positioning of tools and / or workpieces for the machining process, with three carriages that can be moved in a common axis direction in parallel to one another in one plane, in particular in the horizontal plane of the machine bed, and each carriage two Articulation points for two rods, the articulation points remote from the sled lie on a platform carried by all the rods or a support for the tools or workpieces, characterized in that the two slides arranged laterally in the plane of the three guides (2, 3, 4) (5, 7) each carry a bracket (8, 9) or a structure with a surface oriented perpendicular to the machine bed plane in the direction of the guides (2, 3, 4) on which the rods (14, 15; 16, 17) are articulated. 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.2. Machine tool according to claim 1, characterized in that the guides (2, 3, 4) for the slide (5, 6, 7) in the main machining direction, e.g. in the feed direction of a drilling tool (19). 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 43. Machine tool according to claim 1, characterized in that the console (8, 9) or the structure on one side wall of the machine bed (1) in the longitudinal direction of the same in addition to the machine bed guide (2, 4) is supported and has a support guide. THEREFORE 1 SHEET OF DRAWINGS 4