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Die Erfindung betrifft einen Werkzeugträger entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 und der in der
DE 197 04 309 A geoffenbarten Vorrichtung.
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Derartige Vorrichtungen sind insbesondere geeignet, ein Werkzeug im Weitesten Sinne, beispielsweise einen Fräser, eine Lackierpistole, eine Poliervorrichtung, eine Schweißvorrichtung, eine Lötvorrichtung, einer Sandstrahlvorrichtung, einen Laser, eine Antenne, eine Kamera, einen Spiegel, oder ähnliches, um dessen Spitze, genauer dessen Arbeitspunkt am Werkzeug, bzw. den Arbeitspunkt bezüglich des Werkzeuges (wenn das Werkzeug Abstand vom Werkzeug aufweist, wie beispielsweise bei einem Spiegel, der einen Laserstrahl auf ein Werkzeug lenkt) zu verdrehen, ohne dass eine Bewegung in Längsrichtung des Werkzeuges bezüglich des Arbeitspunktes, im Folgenden meist Tool Center Point, abgekürzt TCP, genannt, erfolgt. Eine solche Bewegung ist in vielen Anwendungsfällen zur Erzielung einer vorgegebenen Qualität der Werkzeugoberfläche notwendig.
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Aus der eingangs genannten
DE 197 04 309 A ist ein solcher Werkzeugträger mit einer offenen kinematischen Kette bekannt: Auf einer festen Plattform (dass diese ihrerseits an einer Vorrichtung beweglich befestigt sein kann, spielt für die Kinematik keine Rolle) ist ein gebogener Arm um eine auf die Plattformoberfläche normal stehende Plattformachse drehbar angeordnet. An dessen freiem Ende ist, um ca. 60° zur Plattformachse geneigt, eine Armachse so angeordnet, dass sie die Plattformachse in einem Zentralpunkt, dem TCP, schneidet. Um die Armachse drehbar ist ein Bügel angeordnet, an dessen freiem Ende eine Werkzeugachse vorgesehen ist, die ebenfalls durch den Zentralpunkt geht und, in entsprechender Positionierung des Armes und des Bügels, mit der Plattformachse zusammenfällt. Durch den etwa 60° betragenden Winkel wird der TCP von der Plattformoberfläche weg gerückt, eine Bearbeitung eines Werkzeuges ist aber nur in einem kleinen Bereich rund um die Plattformachse und nur auf der der Plattformoberfläche zugewandten Seite des Werkzeuges möglich.
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Eine andere Lösung, die die
US 5,966,991 A offenbart, besteht darin, dass eine Aufhängung nach Art eines Kardangelenkes passend ausgebildet wird: Auf einer festen Plattform (dass diese ihrerseits an einer Vorrichtung beweglich befestigt sein kann, spielt für die Kinematik keine Rolle) sind eine vertikale und eine horizontale Plattformachse mit zentralem Schnittpunkt im Abstand von der Plattform angeordnet, um die sich sichelförmige Anne (oder bogenförmig, mit 90° Abschnitten) drehen können. An den freien Enden der Anne sind Armachsen angeordnet, die jeweils so im Rechten Winkel (90°) zur zugehörigen Plattformachse verlaufen, dass auch sie durch den zentralen Schnittpunkt verlaufen. Einer der beiden Anne trägt, um die Armachse schwenkbar, die bewegliche Plattform, der andere Arm trägt, um seine Armachse schwenkbar, einen Stützarm mit einer wiederum durch den zentralen Schnittpunkt verlaufender Endachse, die 90° mit der Armachse einschließt und um die die bewegliche Plattform ebenfalls schwenkbar gelagert ist, sodass, anders als bei den eingangs genannten Konstruktionen, eine geschlossene kinematische Kette entsteht.
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Diese Konstruktion ist trotz dieser geschlossenen Kette fragil, wegen der 90°-igen Anordnung der Achsen (Orthogonalisierung) auch für Vibrationen anfällig und vor allem zwingend räumlich rund um den TCP herum angeordnet. Dies kann für Werkzeuge wie Spiegel oder Antennen oder bei extrem kleinen Werkzeugen, z. B. Diamanten, passend sein; für Werkzeuge im engeren Sinn, die eine zu bearbeitende Oberfläche eines Werkzeuges üblicher Größe kontaktieren oder ihr zumindest nahe sein müssen, ist dies nicht brauchbar.
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Es besteht somit ein Bedarf an einem Werkzeugträger der eingangs genannten Art, der es ermöglicht, auf einem Werkzeug größere Bereiche der Oberfläche zu bearbeiten, ohne dadurch mechanisch instabil oder zu schwer und massiv zu werden, und der sich der zu bearbeitenden Oberfläche auch bei größeren Werkzeugen annähern kann.
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Erfindungsgemäß werden diese Ziele durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale erricht.
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Mit anderen Worten, der Werkzeugträger weist eine, eine Ebene definierende Basis auf, die gegebenenfalls ihrerseits beweglich ausgebildet sein kann, darauf ist ein Basislager mit einer schräg zur Basisebene verlaufenden Basisachse vorgesehen, um die ein Basisarm im Bereich eines seiner Enden schwenkbar gelagert ist. Am anderen Ende des Basisarmes ist ein Armlager mit einer Armachse vorgesehen, die die Basisachse in einem Zentralpunkt schneidet, und um die ein Tragarm schwenkbar gelagert ist. Dieser trägt eine Aufnahme für das Werkzeug, die bevorzugt entlang einer durch den Zentralpunkt verlaufenden Werkzeugachse am Tragarm verschieblich und bevorzugt auch drehbar und fixierbar ist.
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Die Definition der Ebene hängt vom Anwendungsgebiet ab, bei der
DE 197 04 309 A und den beiden anderen deutschen Druckschriften ist dies jede Normalebene auf den Aufnahmebolzen, mit dem die Halterung in eine Aufnahme einer Werkzeugmaschine gesteckt wird, die entsprechenden Basisachsen, die mit der Achse des Aufnahmebolzens fluchten, verlaufen normal zu jeder dieser Ebenen.
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Bei der
US 5,966,991 wird die Ebene der festen Plattform durch die beiden Plattformachsen gebildet, diese liegen somit in der Ebene. Selbst wenn bei praktischen Ausgestaltungen die Basis eine komplexe Form annimmt (
2 der Druckschrift), bleibt diese Relation erhalten.
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In vielen Fällen, insbesondere bei großen Vorrichtungen, wie beispielsweise in der Fertigung von Kraftfahrzeugen, wird die Ebene durch den Fußboden bestimmt oder verläuft zumindest parallel dazu; bei Montage des Werkzeugträgers auf einer (gegebenenfalls fahrbaren) Brücke kann es eine horizontale Ebene weit über dem Boden sein, etc..
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Wenn diese Vorrichtung mechanisch noch weiter verstärkt ausgebildet sein soll, so ist es in einer Ausgestaltung leicht möglich, an der Basis eine zweite derartige Kinematik mit gleichem TCP angreifen zu lassen, deren anderes Ende an der Aufnahme für das Werkzeug angreift, wodurch aus der offenen kinematischen Kette eine geschlossene Kette wird. Deren Steifigkeit ist weit überproportional zur Verdoppelung angestiegen, weil in jeder der möglichen Positionen eine der Ketten eine zumeist wesentlich günstigere Konfiguration zur Ableitung der Kräfte aufweist als die andere. Das führt darüber hinaus in allen Lagen des Werkzeuges zu vergleichbaren Stabilitäten. Darüberhinaus stellt die geschlossene Kette eine Überbestimmung dar, bei der es möglich wird, Verspannungen gezielt zur Erhöhung des mechanischen Widerstandes einzusetzen.
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Wenn, was zumeist der Fall ist, eine Motorisierung gewünscht wird, so bieten die Lager ausreichend Platz und Möglichkeiten zum Einbau beispielsweise von Schrittmotoren und zur Weiterleitung von Kabeln zur Stromversorgung bzw. zum Datentransfer, wenn Lagesensoren etc. vorgesehen werden sollen; auch pneumatische bzw. hydraulische Stellmotoren sind denkbar. Erleichtert wird die Motorisierung dadurch, dass das Verhältnis zwischen der Masse der Vorrichtung und der Masse des Werkzeuges sehr klein ist, sodass die Gesamtmasse ebenfalls klein ist, was wiederum die Verwendung kleiner Motoren erlaubt, ohne die Beschleunigungen klein halten zu müssen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Grundausführung ist vorgesehen, dass die jeweils vom Zentralpunkt aus gemessenen Winkel zwischen der Grundachse und der zugehörigen Armachse nicht größer als 60° sind; dass der Winkel zwischen der Armachse und der Zweitachse nicht größer als 60° ist; und dass der Winkel zwischen den beiden Basisachsen nicht größer als 170° ist. Auf diese Weise entsteht ein Werkzeugträger, der einerseits vielfältigste Möglichkeiten zur Lageänderung des Werkzeuges aufweist und bei dem darüberhinaus der Zentralpunkt, um den herum ja die Bearbeitung des Werkzeuges stattfindet, im Wesentlichen von allen Seiten gut und frei zugänglich ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen:
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die 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeugträgers mit offener kinematischer Kette,
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die 2 bis 4 eine Ausführungsform mit geschlossener kinematischer Kette in verschiedenen Stellungen jeweils in frontaler Ansicht,
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die 5 bis 7 die Ausführungsform der 2 bis 4 in verschiedenen seitlichen Ansichten und
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die 8 eine Variante.
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Die 1 zeigt, in perspektivischer Ansicht und rein schematisch, eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Ein Werkzeugträger 1 weist eine Basis 2 auf, die ein Drehlager 12 mit einer Basisachse 3 besitzt. Um die Basisachse 3 drehbar ist ein Basisarm 4 vorgesehen, der an seinem anderen Ende wiederum ein Schwenklager, das Armlager, mit einer Armachse 5 trägt. Um diese Armachse 5 schwenkbar ist ein Tragarm 6 vorgesehen, an dessen der Armachse 5 abgewandten Ende eine Halterung 7 zum Befestigen des Werkzeughalters angeordnet ist. Die Halterung 7 ist bezüglich des Tragarmes 6 entlang einer Werkzeugachse 8, wie durch den Doppelpfeil 9 angedeutet, verschieblich und bevorzugt auch verdrehbar und fixierbar gelagert. Auf der Halterung 7 ist passend ein Werkzeug 19, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Fräser, dessen Motor in der Halterung 7 vorgesehen ist, befestigt.
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Die Basisachse 3, die Armachse 5 und die Werkzeugachse 8 schneiden einander im genannten Zentralpunkt 10, der im dargestellten Ausführungsbeispiel oberhalb etwa des Zentrums der Basis 2, somit abseits des Basislagers 22, liegt. Die Darstellung zeigt eine Position des Werkzeugträgers 1, in der die Werkzeugachse 8 normal auf die Basisebene 11, die nur schematisch „angerissen” dargestellt ist, verläuft, und somit mit deren Normalachse 22 zusammenfällt.
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Es ist leicht ersichtlich, dass beim Verschwenken der Arme die Beweglichkeit der Werkzeughalterung 7 und insbesondere das Ausmaß des Arbeitswinkels, der mit dem Werkzeug 19 rund um den Zentralpunkt 10 erreicht wird, außerordentlich groß ist. Dies ist eine Folge der großen Winkel zwischen der Normalachse 22 und der Basisachse 3 in Verbindung mit der Größe der (miteinander übereinstimmenden) Winkel zwischen der Basisachse 3 und der Armachse 5 einerseits und der Armachse 5 und der Werkzeugachse 8 andererseits.
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Eine Änderung der Stellung der Arme ist meist während einer Unterbrechung der Bearbeitung eines Werkstückes vorzunehmen. Wenn die am Werkzeug vorzunehmende Bearbeitung merkliche Bearbeitungskräfte ausübt (beispielsweise beim Schleifen, Polieren, Schruppen, etc.) so ist es vorteilhaft und bei der erfindungsgemäßen Konstruktion auch leicht möglich, die Lage der Arme zueinander bzw. zur Basis nach Erreichen der gewünschten Position noch vor Beginn der nächsten Arbeitsphase zu fixieren. Dafür können alle bekannten, meist reibschlüssigen Maschinenelemente verwendet werden. Auf diese Weise kommt man mit kleinen Stellmotoren aus.
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Selbst wenn, beispielsweise beim Bearbeiten gekrümmter Oberflächen, eine kontinuierliche Positionsänderung während der Bearbeitung notwendig ist, können die Motoren relativ schwach und damit klein und massearm ausgebildet sein, da die Reaktionskräfte und -momente wegen des im Idealfall verschwindenden, jedenfalls aber extrem kleinen Weges bzw. Hebelarms praktisch Null und auch leistungslos sind und daher leicht aufzunehmen sind. Daher ist es in diesen Fällen meist nicht notwendig, zusätzliche Fixiervorrichtungen vorzusehen. Dazu soll noch speziell darauf hingewiesen werden, dass bei „idealer” Ausführung keine noch so große Kraft, die am Werkzeug 19 im Zentralpunkt 10 angreift, unabhängig von ihrer Richtung, eine Bewegung der Arme bewirkt. Dies ist auf den fehlenden Hebelsarm zurückzuführen.
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Die 2 bis 8 zeigen zwei Ausführungen mit geschlossener kinematischer Kette, bei denen gleiche, bzw. gleich wirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen wurden. Zu Zwecken der Unterscheidung ist, wo es darauf ankommt, bei den Bezugszeichen eines der beiden Armsysteme ein: „'” hinzugefügt.
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Die 2 bis 7 zeigen eine Variante, bei der die beiden Basisachsen eine auf die Basis 2 lotrechte Ebene definieren. Aus der Zusammenschau der 2 bis 7 ist die hohe Beweglichkeit des Werkzeuges 19, dargestellt ist symbolisch ein Fräser, gut zu entnehmen. In 3 ist das Werkzeug 19 um seine Werkzeugachse 9 vom Zentralpunkt 10 weg geschoben dargestellt.
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Speziell die seitlichen Darstellungen entsprechend den 5 bis 7 ist gut zu entnehmen, welch großen Raumwinkelbereich der erfindungsgemäße Werkzeugträger abdecken kann, es ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine vollständige Halbkugel. Dabei entspricht, von der Position der Vorrichtung her, die 5 der 2; die 6 der 3 und die 7 der 4.
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Betreffend die Freistellung des Werkzeuges 19 ist wegen der diametralen Gegenüberstellung der beiden die Basisachsen 3, 3' tragenden Vorsprünge 13, 13' die Situation auf den ersten Blick nicht so günstig wie die in 1 dargestellte, doch kann dies praktisch vollständig dadurch erreicht werden, dass diese beiden Fortsätze bzw. Vorsprünge 13, 13' bezüglich der Mitte der Basis 2 so angeordnet werden, dass die normal zur Basis 2 stehenden und durch die Basisachsen 3, 3' laufenden Ebenen einen Winkel von unter 120°, bevorzugt von unter 90°, besonders bevorzugt von 30° bis 70° und insbesondere von 50° bis 60° an Stelle des dargestellten Winkels von 180° einschließen, dies ist in 8 dargestellt.
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Es ist dann zwar nicht mehr möglich, beide Grenzlagen, nämlich die der 3 (bzw. die der 6) und die dazu symmetrische zu erreichen, es kann nur mehr eine der beiden angefahren werden, doch stellt dies keinen Nachteil dar, wenn die Basis 2 um die Basisachse 22 verdreht werden kann, da dann durch die so gewonnene Symmetrie auch die jeweils an sich unzugängliche Konfiguration erreichbar ist.
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Es soll nur explizit noch darauf hingewiesen werden, dass bei dieser Ausbildung der Vorrichtung beide Basisachsen, beide Armachsen und die Werkzeugachse durch den Zentralpunkt verlaufen. Es ist klar, dass dies nicht im mathematischen Sinn aufzufassen ist, schon wegen der unumgänglichen elastischen Deformationen im Lastfall, und selbst schon bei Änderung der Konfiguration, aber die Genauigkeit ist im technischen Sinn einzuhalten, da es sonst zu unzulässigen Verspannungen und zu Lagefehlern kommt, die die Vorteile der Vorrichtung zumindest teilweise zunichte machen. Diese Verspannungen dürfen nicht mit den unter Umständen bei den Vorrichtungen mit geschlossenen kinematischen Ketten bewusst eingesetzten Spannungen verwechselt werden.
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Durch die Verwendung einer geschlossenen kinematischen Kette erreicht man eine deutlich höhere Steifigkeit des Werkzeugträgers im Vergleich zu der auf den ersten Blick zu erwartenden Verdoppelung, und dies aus folgendem Grund: Unabhängig von der momentanen Stellung des Werkzeughalters 7 ist immer eine der beiden Teilketten in einer zumeist sogar deutlich günstigeren Stellung als die andere, sodass die mechanische Steifigkeit gegenüber dieser Teilkette (deutlich) mehr als verdoppelt wird. Zu all dem kommt noch, dass durch entsprechenden Betrieb der Vorrichtung bewusst Spannungen (Vorspannungen) eingesetzt werden können, durch die die Steifigkeit weiter erhöht wird.
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Die Erfindung kann verschiedentlich abgewandelt und ausgestaltet werden. So ist es möglich, einen erfindungsgemäßen Werkzeugträger mit einer um die Basisachse 22 drehbarer Basis und/oder auch fahrbarer Basis auszubilden. Die die zumindest zwei Motoren eines Werkzeugträgers mit geschlossener kinematischer Kette, wie ihn die 2 bis 5 zeigen, können passend an bzw. in den Lagern angeordnet sein, wobei es zur Vermeidung von Bewegungsproblemen in Verzweigungslagen bzw. in kinematisch ungünstigen Winkelstellungen vorteilhaft ist, zumindest einen weiteren Motor vorzusehen, der entweder nur beim Erreichen bzw. Durchfahren der genannten Problembereiche aktiviert wird oder aber die Bewegung laufend unterstützt. Im Falle einer Automatisierung der Vorrichtung sind passend Sensoren zur Erfassung der Ist-Position vorzusehen, in Kenntnis der Erfindung ist es für Fachleute auf dem Gebiete der Mechatronik ein Leichtes, diese auszuwählen und anzuordnen; bei, wohl nur in seltenen Fällen angewandter händischer Steuerung der Stellmotoren kann darauf zumeist verzichtet werden.
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Die Basis kann auch auf andere Art beweglich ausgebildet sein, sei es um eine schräg zur Basisebene 11 verlaufende Achse drehbar, sei es verfahrbar längs einer Bahn, oder auch heb- und senkbar.
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Es kann auch statt der stets genannten Halterung ein Greifer oder ein anderer Werkzeugträger vorgesehen sein.
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Eine weitere Ausgestaltung, durch die die Anwendungsmöglichkeiten einer damit versehenen Vorrichtung erweitert werden, liegt darin, die Orientierung der Basisachse(n) bezüglich der Basis veränderlich auszugestalten; im Falle der geschlossenen Kette hat die Änderung der Lage für beide Basisachsen auf abgestimmte Weise zu erfolgen. Gleicherweise ist auch ein einstellbarer Winkel zwischen Basisachse und Armachse einzusetzen. Da alle Einzelteile des Werkzeugträgers sowohl vom Material her als auch von den einzelnen Bauteilen her den üblichen Materialien und Bauteilen entsprechen, ist es nicht notwendig, hier näher darauf einzugehen.
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In den Ansprüchen ist der erfindungsgemäße Werkzeugträger von seiner Basis 2 und der Basisebene 11 ausgehend definiert worden, was bei vielen Verwendungen eine normal zur Achse des Spannfutters, in das die erfindungsgemäße Werkzeughalterung eingesetzt wird, verlaufende Ebene bedeutet. In anderen Fällen, speziell bei „Werkzeugen” wie Antennen, Photoapparaten, Spiegeln, etc., bei denen die Basis durchaus die Form eines Gehäuses oder eines Käfigs annehmen kann, ist deren Ebene 11 jeweils passend zu bestimmen, was in Kenntnis der Erfindung und des jeweiligen Anwendungsgebietes für den Fachmann auf dem Gebiet der kinematischen Ketten und der Werkzeughalterungen kein Problem darstellt.
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Es soll speziell darauf hingewiesen werden, dass auch Montagen an vertikalen und auch schrägen Wänden denkbar sind, insbesondere wenn die Basis entlang einer Bahn verfahrbar ist, z. B. weil der Werkzeugträger zum Bearbeiten mehrerer Werkstücke in verschiedenen Bearbeitungsstationen verwendet wird. Es kann somit, leicht verallgemeinert, festgehalten werden, dass ein erfindungsgemäßer Werkzeugträger zumindest drei einander in einem Punkt schneidende Achsen aufweist, zwischen denen nach Art einer offenen kinematischen Kette zumindest zwei Arme vorgesehen sind, wobei an einem Ende der Kette der Werkzeughalter (im allgemeinsten Sinn) befestigt ist, und das andere Ende der Kette an einer Basis (im allgemeinsten Sinn) verschwenkbar gelagert ist. Bei geschlossenen Ketten tritt dazu eine zweite offene Kette mit Schluss am Werkzeughalter, wobei durch die Lage der beiden Basisachsen zueinander auf die unterschiedlichsten Randbedingungen Rücksicht genommen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19704309 A [0001, 0003, 0010]
- DE 3827656 C [0004]
- DE 19650284 B [0004]
- US 5966991 A [0005]
- US 5966991 [0011]
