DE19609072A1 - Vorrichtung für die Positionierung einer Positionierplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Positionie­ rung einer Positionierplatte relativ zu einem Traggestell, insbesondere für die Positionierung des Arbeitskopfes einer Werkzeugmaschine, bei der die Positionierplatte über drei längenveränderliche aktive Stellglieder an dem Traggestell befestigt ist, wobei die Stellglieder einerseits mit dem Traggestell und andererseits mit der Positionierplatte raumgelenkig verbunden sind und die Positionierplatte an seiner Rückseite zusätzlich mit einer ersten Führungsein­ richtung versehen ist, die zwischen den Stellgliedern ange­ ordnet ist und aus zwei längsverschiebbar aneinander ge­ führten Teilen besteht, die in bezug auf die Führungsachse gegeneinander unverdrehbar sind und von denen das eine starr an der Rückseite der Positionierplatte befestigt ist, während das andere beweglich, aber in bezug auf die Füh­ rungsachse unverdrehbar mit dem Traggestell verbunden ist.

Eine derartige Positioniervorrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 202 306 B1 bekannt. Bei dieser vorbekannten Positioniervorrichtung ist die Führungseinrichtung mit dem Traggestell über ein Universalgelenk verbunden, welchem darüber hinaus noch ein Drehantrieb zugeordnet ist, der es ermöglichen soll, einen an der Positionierplatte gelagerten Werkzeughalter relativ zur Positionierplatte um die Längs­ achse der Führungseinrichtung zu verdrehen. Hierzu ist im Inneren einer als Teil der Führungseinrichtung dienenden hohlen Stange eine Welle angeordnet, welche die Drehbewe­ gung vom Motor zu dem an der Positionierplatte gelagerten Werkzeughalter überträgt.

Ein wesentlicher und prinzipieller Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht darin, daß für die genaue und reprodu­ zierbare Positionierung und Ausrichtung eines an der Posi­ tionierplatte gelagerten Werkzeugs in verschiedene Positio­ nen parallel zu sich selbst mindestens fünf Stellmotore betätigt werden müssen. Dadurch, daß die an der Rückseite der Positionierplatte befindliche Führungseinrichtung an dem Universalgelenk abgestützt ist, verläuft die Achse der Führungseinrichtung immer durch den Mittelpunkt dieses Universalgelenkes. Infolgedessen nimmt die Positionier­ platte immer eine Position ein, in der die von den drei Angriffspunkten der Stellglieder aufgespannte Ebene tangen­ tial zu Kugeloberflächen verlaufen, deren Mittelpunkt im Mittelpunkt des Universalgelenkes liegen. Infolgedessen muß ein an der Positionierplatte gelagerter Werkzeugträger mindestens in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Schwenkebenen nachgestellt werden, um bei verschiedenen Positionen der Positionierplatte eine zu sich selber paral­ lele Stellung einzunehmen. Hierzu benötigt man zwei Stell­ motore. Mindestens drei weitere Stellmotore werden zur Län­ genverstellung der aktiven Stellglieder benötigt.

Für sehr viele Einsatzfälle, insbesondere an Werkzeugma­ schinen, benötigt man eine Positioniervorrichtung, die es mit einfachen Mitteln möglich macht, einen Werkzeugkopf in verschiedenen örtlichen Positionen parallel zu sich selber auszurichten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Vorrichtung der eingangs genannten Art konstruktiv zu vereinfachen und insbesondere die Anzahl der für die Ausrichtung eines an der Positio­ nierplatte gelagerten Werkzeugkopfes benötigten Stellmotore zu verringern.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von der Vorrichtung der eingangs genannten Art vor, daß die Verbindung zwischen der ersten Führungseinrichtung und dem Traggestell über eine dem Traggestell zugeordnete zweite Führungseinrichtung erfolgt, die quer zur Führungsachse der ersten Führungseinrichtung verläuft, wobei beide Führungs­ einrichtungen passiv ausgebildet sind.

Für die zweite Führungseinrichtung sind grundsätzlich zwei Varianten denkbar, von denen jede für sich Vorteile hat, je nach Einsatzort der Vorrichtung.

Die erste Variante sieht vor, daß die zweite Führungsein­ richtung als eindimensionale Linienführung ausgebildet ist, die zugleich eine Verschwenkung um ihre Führungsachse oder eine parallel dazu verlaufende Achse zuläßt.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung nimmt die von den drei Angriffspunkten der Stellglieder an der Positionier­ platte aufgespannte Ebene immer eine Stellung tangential zu Zylindermantelflächen ein, deren Zylinderachse mit der Führungsachse der zweiten Führungseinrichtung zusammen­ fällt. Infolgedessen braucht hier ein an der Positionier­ platte gelagerter Werkzeugkopf für die Ausrichtung parallel zu sich selbst nur um eine Schwenkachse zurückgeschwenkt zu werden, die parallel zur Führungsachse der zweiten Füh­ rungseinrichtung verläuft. Demgemäß ist bei dieser Ausge­ staltung der Erfindung die Positionierplatte zweckmäßig mit einem gesteuert aktiv verschwenkbaren Werkzeughalter versehen, welcher um eine parallel zur Führungsachse der zweiten Führungseinrichtung verlaufende Achse verschwenkbar ist. Bei dieser Ausführungsform benötigt man also zusätzlich zu den drei Stellmotoren für die Betätigung der aktiv längenveränderbaren Stellglieder nur noch einen ein­ zigen zusätzlichen Stellmotor für diese zuletzt genannte Verschwenkung, d. h. also insgesamt vier Stellmotore. Mit diesen vier Stellmotoren ist es möglich, einen an der Posi­ tionierplatte gelagerten Werkzeugkopf in jede beliebige Position zu verbringen und in allen möglichen Positionen parallel zu sich auszurichten.

Zweckmäßig ist die zweite Führungseinrichtung als an dem Traggestell befestigte zylindrische Stange ausgebildet, auf der eine Kugelbüchse längsverschiebbar und verdrehbar ge­ führt ist, die starr mit der ersten Führungseinrichtung verbunden ist. Diese Ausführungsform der zweiten Führungs­ einrichtung ist besonders robust und einfach. Die verwende­ ten Teile können billig als Serienteile bezogen werden und bedürfen keiner speziellen Bearbeitung.

Die oben angesprochene zweite Variante der zweiten Füh­ rungseinrichtung sieht vor, daß die zweite Führungseinrich­ tung als zweidimensionale Flächenführung mit zwei sich kreuzenden Linearführungen ausgebildet ist. Bei dieser Aus­ führungsform der Erfindung verbleibt die Führungsachse der ersten Führungseinrichtung automatisch immer in einer Posi­ tion senkrecht zu der von den drei Angriffspunkten der ak­ tiven Stellglieder an der Positionierplatte aufgespannten Ebene. Die Positionierplatte verbleibt also bei jedem Orts­ wechsel in einer Ausrichtung parallel zu sich selbst. Das gleiche gilt natürlich für einen auf der Positionierplatte starr montierten Werkzeugkopf. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kommt man in besonders vorteilhafter Weise mit nur drei Stellmotoren aus, d. h. den Stellmotoren für die aktiv längenveränderlichen Stellglieder.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird zweckmäßig an Werkzeugmaschinen eingesetzt, bei denen das Traggestell Bestandteil eines räumlichen Tragwerkes in Dreiecks-Stab­ konstruktion ist, dessen Stäbe an den Ecken über Knoten­ elemente verbunden sind, wobei die Stellglieder an den Knotenelementen des Traggestells abgestützt sind. Durch diese Bauweise ergibt sich insgesamt eine leichte, sehr steife und auf die Besonderheiten der Positioniervorrich­ tung abstimmbare Gesamtkonstruktion, die aus Standard-Bau­ teilen baukastenartig in beliebiger Konfiguration zusam­ mengestellt und beliebigen Einsatzzwecken angepaßt werden kann. Im Zusammenwirken mit entsprechend genau arbeitenden, rechnergesteuerten Stellgliedern, z. B. in Form von Teleskopen mit Kugelspindelantrieb, lassen sich mit dieser Tragwerkskonstruktion und darauf abgestimmter Konstruktion der Positioniervorrichtung extrem hohe Genauigkeiten errei­ chen. Diese Genauigkeiten sind sogar besser, als bei her­ kömmlichen Werkzeugmaschinen mit schwerem Maschinenbett und herkömmlichen Gleitführungen.

Die Konstruktion des räumlichen Tragwerkes und die darauf abgestimmte Konstruktion der Positioniervorrichtung macht es möglich, nach der Lehre der Erfindung beliebige Werk­ zeugmaschinen herzustellen, und zwar je nach Lage der Positionierplatte relativ zum räumlichen Tragwerk, z. B. Bohrmaschinen, Fräsmaschinen, Drehbänke, Schneidvorrich­ tungen etc.

Für den Einsatz bei Schneidvorrichtungen kann es beispiels­ weise zweckmäßig sein, wenn die Positionierplatte unterhalb des oben in einem räumlichen Tragwerk angeordneten Tragge­ stells an den Stellgliedern hängend angeordnet ist, wobei die erste Führungseinrichtung und die Stellglieder im we­ sentlichen vertikal verlaufen. Diese Anordnung ist für alle nach unten arbeitenden Werkzeugmaschinen geeignet, bei­ spielsweise Schneidvorrichtungen, Schleifvorrichtungen etc.

Für horizontal arbeitende Werkzeugmaschinen, beispielsweise Bohrmaschinen oder dergleichen, schlägt die Erfindung vor, daß die Positionierplatte seitlich über ein das Traggestell aufnehmendes räumliches Tragwerk vorsteht, wobei die erste Führungseinrichtung und die Stellglieder im wesentlichen horizontal verlaufen. Die seitlich über das räumliche Trag­ werk vorstehende Positionierplatte, an der beispielsweise Bohrwerkzeuge befestigt werden können, läßt nach unten aus­ reichend Raum für die Spänebeseitigung und nach allen Sei­ ten hin Raum für die Anordnung der bei solchen Maschinen üblichen Werkzeugwechsler.

Unter Umständen kann es auch zweckmäßig sein, wenn das Traggestell relativ zu einem beliebig ausgestalteten räum­ lichen Tragwerk entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn beweglich ist. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, an sehr großen Werkstücken, z. B. Flugzeugrümpfen, Tragflächen oder ähnlich großen Bauteilen Bearbeitungen vorzunehmen, wobei das Traggestell mitsamt der daran befestigten Posi­ tionierplatte entlang dem Werkstück bewegbar ist, so daß das an der Positionierplatte befestigte Werkzeug von ver­ schiedenen Positionen aus bestimmte festgelegte Arbeiten verrichten kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an­ hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 perspektivisch eine Positio­ niervorrichtung gemäß der Er­ findung in ihrem prinzipiellen Aufbau in hängender Anordnung in einem Maschinengestell;

Fig. 1a eine Positioniervorrichtung ge­ mäß der Erfindung, welche als in beliebigen Positionen an be­ liebigen Einbauorten einbauba­ res Modul ausgebildet ist;

Fig. 2 eine Alternative zur Führungs­ einrichtung;

Fig. 3 eine Positioniervorrichtung ge­ mäß der Erfindung in horizonta­ ler Anordnung für den Einsatz an einer Bohrmaschine;

Fig. 4 eine Positioniervorrichtung ge­ mäß der Erfindung, bei der das Traggestell beweglich verlagert ist.

In Fig. 1 ist die Positionierplatte mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Positionierplatte 1 wird von drei längen­ veränderlichen Stellgliedern 2, 3 und 4 getragen, die ihrerseits von einem Traggestell getragen werden, welches insgesamt mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet ist. Die Stellglieder 2, 3 und 4 sind als verstellbare Teleskope mit Kugelgewindeantrieb ausgebildet und können rechnergesteuert ein- oder ausgefahren werden. Die längenveränderlichen Stellglieder 2, 3 und 4 sind sowohl an der Positio­ nierplatte 1 als auch an dem Traggestell 5 jeweils raumge­ lenkig befestigt.

An der Rückseite der Positionierplatte 1 ist eine erste Führungseinrichtung befestigt, welche in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet ist. Sie besteht aus einem Aufnahmeteil 6a und einer an dem Aufnahmeteil aus­ ziehbaren Führungsstange 6b. Das Aufnahmeteil 6a und die Führungsstange 6b sind spielfrei torsionssteif miteinander verbunden, was hier dadurch bewerkstelligt ist, daß beide Teile als Vierkant ausgebildet sind. Das Aufnahmeteil 6a ist starr mit der Rückseite der Positionierplatte 1 verbun­ den. In gleicher Weise ist das distale Ende der Führungs­ stange 6b starr mit einer Kugelbüchse 7 verbunden, die linear verschiebbar auf einer feststehenden, zylindrischen Führungsstange 8 verschiebbar ist. Die feststehende zylindrische Führungsstange 8 ist starr mit dem Traggestell verbunden und verläuft senkrecht zur Führungsachse der ersten Führungseinrichtung 6. Sie bildet zusammen mit der auf ihr verschiebbaren Kugelbüchse 7 eine zweite Führungs­ einrichtung 7, 8, deren Führungsachse senkrecht zur Führungsachse der ersten Führungseinrichtung 6 verläuft. Dabei bleibt die Kugelbüchse 7 um die zylindrische Stange 8 verdrehbar, so daß die Positionierplatte 1 (d. h. die von den Angriffspunkten der Stellglieder 2, 3 und 4 an der Positionierplatte aufgespannten Ebene) immer tangential zu Zylindermantelflächen verläuft, deren Zylinderachse mit der Führungsachse der zweiten Führungseinrichtung 7, 8 zusammenfällt, d. h. mit der Achse der zylindrischen Führungsstange 8.

Falls die zweite Führungseinrichtung konstruktiv anders ausgestaltet ist, kann die Schwenkachse, um die die erste Führungseinrichtung 6 verschwenkbar ist, auch parallel zur Führungsachse der zweiten Führungseinrichtung 7, 8 verlau­ fen. In diesem Fall muß allerdings sichergestellt sein, daß diese Schwenkachse in bezug auf das Traggestell räumlich unveränderbar bleibt.

Das Traggestell 5 weist eine Dreiecks-Stabkonstruktion auf, dessen Stäbe an den Enden über Knotenelemente 9, 10 und 11 verbunden sind. Die Stellglieder 2, 3 und 4 stützen sich an diesen Knotenelemente 9, 10 und 11 der Stabkonstruktion ab. Dabei kann das Traggestell Bestandteil eines größeren räum­ lichen Tragwerkes sein und in diesem Tragwerk an beliebiger Stelle angeordnet werden. Ein solches Tragwerk kann beispielsweise der in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnete Maschinenrahmen sein.

Auf der der ersten Führungseinrichtung 6 abgewandten Seite ist die Positionierplatte 1 mit einem gesteuert aktiv ver­ schwenkbaren Werkzeughalter 12 versehen, welcher um eine parallel zur Führungsachse der zweiten Führungseinrichtung 7, 8 verlaufende Achse 13 verschwenkbar ist.

Zur Verstellung der Positionierplatte 1 ist es lediglich erforderlich, die Stellglieder 2, 3 und 4 aktiv zu ver­ stellen, was rechnergesteuert erfolgt. Jeder Längenkonfi­ guration der drei Stellglieder 2, 3 und 4 ist automatisch eine bestimmte räumliche Stellung der Positionierplatte 1 zugeordnet. Die Stellglieder 2, 3 und 4 werden dabei aus­ schließlich auf Zug und Druck beansprucht. Die erste Führungseinrichtung 6 und die zweite Führungseinrichtung 7, 8 arbeiten passiv, haben also lediglich eine Führungs­ funktion, aber keine Verstellfunktion. Dabei kann die erste Führungseinrichtung 6 lediglich eingezogen und ausgeschoben werden, um ihre Längsachse aber nicht verdreht werden. Außerdem kann sich die Kugelbüchse 7 in Längsrichtung der zylindrischen Stange 8 verschieben und sich um diese Stange 8 verschwenken, wie durch entsprechende Doppelpfeile in Fig. 1 angedeutet ist. Etwaige Schwenkbewegungen um die Achse der zylindrischen Stange 8 können durch entsprechende gegenläufige Schwenkbewegungen des Werkzeughalters 12 um die Schwenkachse 13 wieder ausgeglichen werden, so daß das in dem Werkzeughalter 12 befestigte Werkzeug ohne weiteres immer wieder in eine zu sich selbst parallele Ausrichtung verschwenkt werden kann.

Fig. 1a zeigt eine als Einbaumodul ausgebildete Positio­ niervorrichtung gemäß der Erfindung ohne den Maschinen­ rahmen 21.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, so daß für die einan­ der gleichen Teile die gleichen Bezugsziffern verwendet werden konnten.

Hier tritt an die Stelle der zylindrischen Führungsstange 8 mit daran geführter Kugelbüchse 7 eine zweidimensionale Flächenführung mit sich kreuzenden Führungsstangen 14, 15 und 16, die fest mit dem Traggestell 5 verbunden sind und an denen ein Führungsstück 17 in Art eines Kreuzschlittens in einer Fläche geführt ist, die senkrecht zur ersten Füh­ rungseinrichtung verläuft. Mit diesem Führungsstück 17 ist das distale Ende der Führungsstange 6b der ersten Führungs­ einrichtung 6 starr verbunden.

Wie ohne weiteres ersichtlich ist, kann sich bei dieser Ausbildung der zweiten Führungseinrichtung 14 bis 17 das Tragelement 1 nur in Ebenen bewegen, die zu sich selbst parallel bleiben. Auch die zweite Führungseinrichtung 14 bis 17 arbeitet ausschließlich passiv. Für die Bewegung des Tragelementes in die verschiedenen, zu sich selbst pa­ rallelen Positionen bedarf es lediglich einer rechnerge­ steuerten Betätigung der drei Stellglieder 2, 3 und 4.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, kann die Posi­ tionierplatte 1 unterhalb des oben in einem nicht darge­ stellten räumlichen Tragwerk angeordneten Traggestells 5 an den Stellgliedern 2, 3 und 4 hängend angeordnet sein, wobei die erste Führungseinrichtung 6 und die Stellglieder 2, 3 und 4 im wesentlichen vertikal verlaufen. Diese Anordnung und Ausbildung ist insbesondere für von oben nach unten ar­ beitende Maschinen geeignet, z. B. Schneidvorrichtungen etc.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann die Positionierplatte 1 aber auch seitlich über ein das Traggestell 5 aufnehmen­ des, räumliches Tragwerk 18 vorstehen, wobei die erste Führungseinrichtung 6 und die Stellglieder 2, 3 und 4 im wesentlichen horizontal verlaufen. Diese Ausbildung und Anordnung eignet sich besonders für horizontal arbeitende Maschinen, z. B. Bohrmaschinen.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, kann das Traggestell 5 ent­ lang einer vorgegebenen Bewegungsbahn 19 beweglich an einem beliebig gestalteten räumlichen Tragwerk 20 gelagert sein. Hierdurch ist es möglich, die Positionierplatte 1 entlang von großen Werkstücken, z. B. Flugzeugrümpfen oder Flugzeugtragflächen oder ähnlich großen Bauteilen zu bewe­ gen.

Claims (9)

1. Vorrichtung für die Positionierung einer Posi­ tionierplatte (1) relativ zu einem feststehenden Tragge­ stell (5), insbesondere für die Positionierung des Arbeits­ kopfes einer Werkzeugmaschine, bei der die Positionier­ platte (1) über drei längenveränderliche aktive Stell­ glieder (2, 3, 4) an dem Traggestell (5) befestigt ist, wobei die Stellglieder (2, 3, 4) einerseits mit dem Tragge­ stell (5) und andererseits mit der Positionierplatte (1) raumgelenkig verbunden sind und die Positionierplatte (1) an ihrer Rückseite zusätzlich mit einer ersten Führungsein­ richtung (6) versehen ist, die zwischen den Stellgliedern (2, 3, 4) angeordnet ist und aus zwei längenverschiebbar aneinander geführten Teilen (6a, 6b) besteht, die in bezug auf die Führungsachse gegeneinander unverdrehbar sind und von denen das eine (6a) starr an der Rückseite der Posi­ tionierplatte (1) befestigt ist, während das andere (6b) beweglich, aber in bezug auf die Führungsachse unverdrehbar mit dem Traggestell (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der ersten Führungseinrichtung (6) und dem Traggestell (5) über eine dem Traggestell-zuge­ ordneten zweite Führungseinrichtung (7, 8 bzw. 14 bis 17) erfolgt, die quer zur Führungsachse der ersten Führungsein­ richtung angeordnet ist, wobei die beiden Führungseinrich­ tungen passiv ausgebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Führungseinrichtung (7, 8) als eindi­ mensionale Linearführung ausgebildet ist, die zugleich eine Verschwenkung um ihre Führungsachse oder eine parallel dazu verlaufende Achse zuläßt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Führungseinrichtung (7, 8) als an dem Traggestell (5) befestigte zylindrische Stange (8) ausgebildet ist, auf der eine Kugelbüchse (7) längsver­ schiebbar und verdrehbar geführt ist, die starr mit der er­ sten Führungseinrichtung (6) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierplatte (1) mit einem gesteuert aktiv verschwenkbaren Werkzeughalter (12) ver­ sehen ist, welcher um eine parallel zur Führungsachse der zweiten Führungseinrichtung (7, 8) verlaufende Achse (13) verschwenkbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Führungseinrichtung (14 bis 17) als zweidimensionale Flächenführung mit zwei sich kreuz enden Linearführungen ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Traggestell (5) Bestandteil eines räumlichen Tragwerkes in Dreiecks-Stabkonstruktion ausgebildet ist, dessen Stäbe an den Ecken über Knotenele­ mente (6, 10, 11) verbunden sind, wobei die Stellglieder (2, 3, 4) an den Knotenelementen (9, 10, 11) des Tragge­ stells (5) abgestützt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Positionierplatte (1) unter­ halb des oben in einem räumlichen Tragwerk angeordneten Traggestells (5) an den Stellgliedern (2, 3, 4) hängend an­ geordnet ist, wobei die erste Führungseinrichtung (6) und die Stellglieder (2, 3, 4) im wesentlichen vertikal verlau­ fen.

8. Positioniervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierplatte (1) seitlich über ein das Traggestell (5) aufnehmendes räumliches Tragwerk (18) vorsteht, wobei die erste Führungseinrichtung (6) und die Stellglieder (2, 3, 4) im wesentlichen horizontal verlaufen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Traggestell (5) relativ zu einem beliebig gestalteten räumlichen Tragwerk (20) entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn (19) beweglich ist.