Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur mehrachsigen Orientierung und/oder Positionierung eines Werkzeugs, aufweisend eine Lageranordnung für die Halterung einer Bearbeitungseinheit, die das Werkzeug, sowie mehrere be- wegbar angeordnete Glieder zur Lagerung und zur Positionierung des Werkzeugs im Raum umfasst, wobei die Glieder eine über ein Kreuzgelenk mit dem Werkzeug in einem ersten Punkt verbundene Stützstruktur und zwei in zwei anderen Punkten des Werkzeugs einwirkende Streben umfassen, und die Streben jeweils entlang einer Schiebeachse beweglich gelagert sind. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Werkzeug zur thermischen Bearbeitung zum Einsatz in der Vorrichtung mit einem Werkzeugkopf, der an einem Schaft fixiert ist.

Typische Anwendungsgebiete derartiger Orientierungs- und Positioniervorrichtungen sind das Schweißen, Schneiden, Fügen oder Markieren von Werkstücken. Als Werkzeuge sind beispielsweise Laser, Schweiß- oder Schneidbrenner zu nennen.

Stand der Technik

Zur Orientierung von rotationssymmetrisch auf das Bearbeitungsgut einwirkenden Werkzeugen, wie Fräsköpfen, Autogen- oder Plasma- und Laserschneidbrennern, Wasserstrahlschneidwerkzeugen und Kameras sind zwei rotatorische Bewegungsachsen ausreichend. Schwenkaggregat, Fasenaggregat, Schwenkkopf oder auch Handgelenk sind im deutschen Sprachraum typische Bezeichnungen für derlei Einrichtungen. - -

Nach Art der Anordnung dieser Bewegungsachsen relativ zur Werkzeugachse unterscheidet man zwei Grundprinzipien, die als polar und kardanisch bzw. im englischen Sprachraum als Roll-Pitch und Pitch-Yaw bezeichnet werden. An Schwenkaggregaten des Typs Pitch-Yaw bilden in Grund- oder Mittelstellung die beiden Bewegungsachsen mit der Brenner-Symmetrieachse einen rechten Winkel; an solchen des Prinzips Roll-Pitch ist in dieser Stellung eine Drehachse mit der Brenner-Symmetrieachse identisch.

Zum Werkzeug führende Kabel und Schläuche müssen durch das Schwenkaggregat so geleitet und geführt werden, dass deren Funktion nicht beeinträchtigt und eine hohe Lebensdauer gewährleistet ist. Das ist besonders dann der Fall, wenn wie beim Laserstrahlschneiden unter Zuhilfenahme eines Festkörperlasers die Medienübertragung von der Laserquelle zum Bearbeitungskopf durch ein Lichtleitkabel von statten geht. Dies ist teuer und wird bei knickender oder drillender Beanspruchung sofort zerstört. In DE 60 2005 006 178 T2 wird eine techni- sehe Lösung vorgeschlagen, die darauf beruht, in einem hohlen Roboterarm eine Lichtleitfaser anzuordnen. Der Roboterarm mit dem an seinem Ende angeordneten Schwenkkopf ist dem Typ Roll-Pitch zuzuordnen. Es wird vorgeschlagen, die damit auf die Lichtleitfaser wirkende, drillende Belastung durch ein Drehgelenk, das ein distales und ein proximales Teil eines Lichtleitkabels verbindet, zu kom- pensieren. Reib- und andere Restmomente wirken weiterhin auf das Lichtleitkabel und belasten dies. Ein Klemmen der Drehverbindung dürfte zumindest bei großen Schwenkwinkeln nicht ganz ausgeschlossen sein. Durch die Führung des Lichtleitkabels im hohlen Roboterarm ist dieselbe zwar gut vor mechanischer Beschädigung von außen geschützt, jedoch ist keine visuelle Kontrollmöglichkeit mehr gegeben.

Besser geeignet scheinen technische Lösungen, die das Lichtleitkabel oder ein anderes Schlauchpaket freiliegend führen und ein kardanisches Wirkprinzip besitzen. Dem Schutz und der schonenden Behandlung von Kabeln und Schläuchen beim thermischen Schneiden widmet sich die in EP 1 1 16 543 A2 angeführte Lö- sung. Dort wird ein räumliches Koppelgetriebe der Grundstruktur Pitch-Yaw als

Ineinander-Anordnung zweier ebener Parallelkurbelgetriebe beschrieben. Durch - -

Nutzung dieser speziellen Getriebestruktur kann der Brennerkopf um seine Brennerspitze, den sogenannten TCP (Tool Center Point) geschwenkt werden. Zur Orientierungsänderung des Brennerkopfes sind keine weiteren Maschinenbewegungen erforderlich. Vorgeschlagen wird weiterhin, Antrieb und Führungsgetriebe räumlich zu trennen mit dem Ziel, die bewegte Masse gering zu halten und die Dynamik der Brennerbewegung zu steigern. Der Brenner ist vor dem Mechanismus angeordnet und wird um seine Brennerspitze verschwenkt. Naturgemäß bildet der Kollisionsraum des Brenners einen Kegel und es muss der Mechanismus so angeordnet werden, dass er sich außerhalb dieses Kegels befindet. Der Be- wegungsbereich der Lösung ist, ausgehend von seiner Nullstellung, nicht in alle Richtungen gleich groß und besonders bei einer Bewegung des Brenners in Richtung des Mechanismus limitiert. Gleichzeitig muss, auf Grund seines Wirkprinzips, das Schwenkaggregat sehr nahe am Bauteil angeordnet werden, was die Kollisionsgefahr steigert. Eine extrem große Zahl an Gelenken (>20) ist zur Funk- tion der beschriebenen Lösung erforderlich, was gleichzeitig impliziert, dass eine große Zahl von kinematischen Abmessungen (Längen, Winkel) sehr genau eingehalten werden müssen, um die erforderliche Positioniergenauigkeit gewährleisten zu können.

Der Orientierung einer "Seele", eines torsionssteifen, biegeelastischen Elementes im Raum widmet sich DD 292 170 A5. Diese "Seele" wird zum Kern einer räumlichen koppelgetriebeähnlichen Struktur, der sich um diese herum entwickelt und aufbaut und dafür sorgt, dass die "Seele" nur gekrümmt, jedoch nicht gedrillt wird. Die Struktur ist kein Mechanismus im Sinne der Definition eines solchen, da die Bewegung der Struktur vom inneren und äußeren Kraftfeld abhängig ist. Demzu- folge ist zu erwarten, dass die Steifigkeit einerseits, die Positioniergenauigkeit andererseits dieser Lösung gering sind und die Lösung nicht zur präzisen Führung eines Werkzeugs geeignet ist.

Eine ähnliche Lösung, ohne die torsionssteife, biegeelastische "Seele" enthält DD 295 1 18 A5. Hier wird ein echter Mechanismus beschrieben, bestehend aus einer sehr großen Zahl von Gliedern und Gelenken. Mehrere Kreuzgelenke sind nacheinander angeordnet, der Mechanismus dient dazu, die Gesamtschwenkung auf Teilschwenkungen an den nacheinander angeordneten Kreuzgelenken zu übersetzen. Eine prinzipielle Limitierung des Schwenkwinkels besteht nicht, durch Anfügen weiterer "Teilgetriebe" ließe sich der erreichbare Schwenkwinkel theoretisch beliebig erhöhen, was jedoch auch die Anzahl der Glieder und Gelenke wei- ter steigert. Glieder und Gelenke sind immer spiel- und toleranzbehaftet. Dem beschriebenen Strukturprinzip eigen ist ein hohes Übersetzungsverhältnis, d.h. kleine Bewegungen am Antrieb führen zu vergleichsweise großen Bewegungen am Abtrieb. Spiel und Toleranz übersetzen sich nichtlinear in Positionierfehler und führen dazu, dass auch mit dieser Lösung keine hochgenaue Positionierung eines Werkzeugs zu realisieren ist.

Eine einfachere, nur aus einem Kreuzgelenk bestehende Struktur ist in DE 20 2008 013 727 beschrieben. Zwei "...gekrümmte Vorstehabschnitte..." werden von zwei Antrieben in ihrer Lage bestimmt, stehen bevorzugt rechtwinklig aufeinander und bestimmen in ihrem Zusammenwirken die Richtung eines Abtriebsglieds. Die Antriebe, als "Leistungsquelle" bezeichnet, wirken mit "Übertragungsstangen" auf den Mechanismus und können weitgehend frei relativ zur Struktur angeordnet werden. Das Abtriebsglied bildet mit den "...gekrümmte(n) Vorstehabschnitte(n)..." jeweils eine sphärische Schleifengelenk mit dem Gelenkfreiheitsgrad f=2 und hat mit diesen eine Linienberührung. Dadurch ist zu erwarten, dass einerseits große Kräfte sich nicht werden übertragen lassen und dass andererseits eine annähernd spielfreie Beweglichkeit, wenn überhaupt, sich nur mit sehr hohem Fertigungsaufwand wird realisieren lassen. Die Struktur baut um das Kreuzgelenk herum, es scheint kaum möglich, einen Brennerkopf in die Struktur zu integrieren, sondern der Brennerkopf müsste außerhalb der Struktur angeordnet sein. Damit kann die Symmetrieachse des Brennerkopfes die Achsen des Kreuzgelenks unter nur geringem Abstand kreuzen, was aus kinematischen und Kollisionsgründen sehr unvorteilhaft ist.

Naheliegend erscheint auch, die Bewegung des Brennerkopfes mit einer parallelen Struktur, landläufig unter dem Namen Plattform bekannt, zu realisieren. Drei- achsige Lösungen, angetrieben über Schieber, Schwingen oder Schleifen, sind bekannt. Deren Schwenkwinkel ist limitiert, kann jedoch gesteigert werden, indem - - mehrere Plattformelemente hintereinander angeordnet sind, wie das in DE 196 38 765 A1 beschrieben ist. Es entsteht eine rüsselähnliches Bewegungsverhalten, was bei auf einen Punkt fixierten Schwenkbewegungen zu großen Ausgleichsbewegungen am proximalen Ende des Mechanismus führt. Diese sind unerwünscht, weil sie die mögliche Orientierungsgeschwindigkeit erniedrigen, den mit uneingeschränkter Orientierung überstreichbaren Arbeitsraum verringern und allgemein die Positioniergenauigkeit verringern.

Plattformen mit sechs (Hexapod) oder fünf (Pentapod) Beinen und damit einen Freiheitsgrad von F=6 oder F=5 ermöglichen Schwenkbewegungen um einen fes- ten Raumpunkt.

Hexapoden vom Typ STEWART oder GOUGH sind - gemessen in alle Richtungen - in ihrem erreichbaren Schwenkwinkel auf etwa +/-30 Grad limitiert. Ein typisches Beispiel für eine auf einem Hexapoden basierende Maschine ist der Roboter F200iB der Firma FANUC. Einfacher handhabbar und mit der Möglichkeit ausgestattet, einen größeren Schwenkwinkel zu erreichen, sind Pentapoden, also Maschinen mit paralleler Struktur, die zwischen Gestell und Plattform fünf Beine oder Streben besitzen, wobei vier dieser Beine identisch sind und über jeweils ein Kugel- und ein Kreuzgelenk verfügen und ein Bein beidseitig mit einem Kreuzgelenk mit dem Gestell und mit der Plattform verbunden ist. Die Verwendung eines Pentapoden zum Aufbau einer fünfachsigen Fräsmaschine beschreibt EP 1 439 934 B1 . Fünf Streben bewegen und orientieren einen Objektträger im Raum. Die Streben sind bevorzugt als Spindeln ausgeführt, d.h., die Länge der einzelnen Plattformbeine ist veränderlich. Jedoch ist auch eine Ausführung mit beweglichen Anlenkpunkten darge- legt. Die Gelenke der Streben sind sowohl als solche mit schneidenden als auch als solche mit sich kreuzenden Achsen beschrieben. Die Dimensionierung ist so vorgenommen, dass in eine Vorzugsrichtung ein sehr großer Schwenkwinkel erreichbar ist, zu Lasten der anderen Richtungen. Ein geschlossenes, rahmenför- miges, auf einem Ikosaeder beruhendes Gestell dürfte der Lösung eine sehr hohe Steifigkeit verleihen, die auch erforderlich ist, um die Lösung zum Zwecke der - -

Fräsbearbeitung zu qualifizieren. Der eingeschränkte Schwenkwinkel in allen anderen als der Vorzugsrichtung wird durch einen Drehtisch kompensiert, auf dem das zu bearbeitende Teil aufgespannt wird.

EP 1 863 734 B1 beschreibt einen Tripoden, also die Führung eines Punktes im Raum mit drei Antrieben. Das Abtriebsglied ist kreuzgelenkig durch eine Parallelführung fixiert und wird von drei Antriebsarmen, die als Schwingen ausgebildet sind, im Raum bewegt. Alle Antriebe sind gestellfest, weswegen nur geringe Massen bewegt werden müssen und eine sehr hohe Bewegungsdynamik erreicht werden kann. Der Werkzeug köpf wird durch diverse Lösungen, die sich letztend- lieh alle auf eine Parallelkurbel zurückführen lassen, in seiner Relativlage zum Gestell fixiert.

In US 2007/0248428 beschrieben ist ein Mechanismus mit dem Freiheitsgrad F=3. Drei parallele Schubachsen sind mit dem Gestell verbunden, indem sie auf der Innenseite eines zylindrischen Gehäuses bevorzugt symmetrisch angeordnet sind. Mit den drei Schubachsen über Schieber verbunden ist ein erstes, weitgehend rotationssymmetrisches, ringförmiges Halteglied, das demzufolge nur in Richtung der Schubachsen beweglich ist. Mit zwei ersten, am Halteglied gegenüber angeordneten Zapfen gelenkig an dieses angeschlossen ist ein zweites, wiederum ringförmiges Glied, was mit zwei weiteren Zapfen, deren Achsrichtung rechtwinklig zu der der ersten Zapfen ist, eine Verbindung zum Spindelkopf, dem

Arbeitsglied herstellt. Die Achsen der Zapfen schneiden sich rechtwinklig. Die Halteglieder bilden im Zusammenwirken mit den Schiebern eine bewegliche Struktur, die den Spindelkopf trägt. Die Nacheinander-Anordnung der Halteglieder beschreibt im Zusammenwirken mit den Zapfen ein entlang der Schubachsen be- wegliches Kreuzgelenk. Am Spindelkopf angelenkt sind drei, ausschließlich normal beanspruchte Glieder, die in irgendeiner Weise mit dem Gestell verbunden sind. Die Schrift beschreibt Koppelstangen, die mit drei Schiebern auf den

Schubachsen bewegt werden, auch kardanisch mit dem Gestell verbundene Schubzylinder oder Kurbeln. Der Vorteil dieser Lösung besteht in einem steifen, kompakten Aufbau, gut geeignet für vergleichsweise kleine Werkzeuge und kleine

Schwenkwinkel bei hohen, aus dem technologischen Prozess erwachsenden Re- aktionskräften. Der Nachteil der Lösung besteht im durch das zylindrische Gehäuse mit dem in ihm angeordneten Schubachsen begrenzten Kollisionsraum, weswegen lang auskragende Werkzeuge, wie Plasma- oder gar Laserschneidköpfe, die gleichzeitig um einem hohen, über 45 Grad betragenden Schwenkwin- kel verschwenkt werden müssen, mit dem Koppelstangen kollidieren würden.

Ein gattungsgemäßer Stand der Technik ist aus der EP 2 174 742 B1 bekannt, die eine "Schneidvorrichtung..." beschreibt. Es handelt sich um einen Mechanismus mit dem Freiheitsgrad 2, d.h. zwei Antriebe bewegen ein Abtriebsglied um oder entlang zweier Achsen. Ein Werkzeug ist dabei von einem "...ringförmigen Einsatz..." umgriffen und relativ zu diesem um eine erste Achse drehbar, wohingegen der ringförmige Einsatz um eine zweite, gekreuzt oder windschief zur ersten Achse um eine zweite Achse in einer "..Aufnahme..." beweglich ist. Aus kinematischer Sicht ist diese Anordnung ein simples Kreuzgelenk. Von zwei Linearantrieben, die fest mit der "...Aufnahme..." verbunden sind, wird das Werkzeug um die Achsen des Kreuzgelenkes geschwenkt. Eine derartige Struktur allerdings ist seit langem bekannt und für vielerlei Zwecke in der industriellen Praxis verwendet. So ist z.B. beschrieben, wie zwei Arbeitszylinder ein kreuzgelenkig gelagertes Glied um ein Gestell verschwenken. DE 199 82 943 beschreibt eine ähnliche Anordnung an speziellen Baufahrzeugen, sogenannten Motorgradern, vermittels der ein Planierschild relativ zu einem Fahrzeugrahmen um eine

"...Schildunteranordnung..." gedreht und die "...Schildunteranordnung..." um zwei Achsen, eine Quer- und eine Längsneigung, zum Fahrzeugrahmen vermittels zweier am Fahrzeugrahmen angelenkter Hydraulikzylinder orientiert werden kann.

In EP 2 174 742 müsste, anders als in der Beschreibung angegeben, zur Funktion des Mechanismus jeweils eines der beiden Gelenkpaare, die an den

"...Stangen..." angreifen, als ein Kugelgelenk ausgebildet sein.

Aus der DE 199 52 423 A1 ist eine Bearbeitungsmaschine zum mehrachsigen Bewegen eines Werkzeuges bekannt, bei der mit dem Werkzeug drei Linear- Aktoren über jeweils ein Gelenk mit drei Drehfreiheitsgraden verbunden sind. Die Linear-Aktoren werden jeweils von einem Antrieb ohne Zwischenglieder bewegt. - -

Die Bearbeitungsmaschine ist darüber hinaus derart an einem ortsfesten Gestell befestigt ist, dass sie über Schlitten in zwei Raumrichtungen verstellbar ist.

Die DE 102 16 571 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Verfahren eines Arbeitskopfes im Raum; sie umfasst eine in zwei Raumrichtungen bewegbare Plattform nach Art eines Portalroboters, sowie eine über ein Drehelement mit der Plattform verbundenes Multipod. An dem Multipod ist der Arbeitskopf befestigt. Eine Bewegung der Arbeitsplatte in zwei Raumrichtungen wird durch die Plattform gewährleistet. Der Mulitpod ermöglicht eine Bewegung des Arbeitskopfes in der zu beiden Bewegungsrichtungen der Plattform senkrechten Richtung. Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die einfach und kostengünstig zu fertigen ist und die gleichzeitig eine präzise Bewegung, Positionierung und/oder Orientierung eines Werkzeugs im Raum in hoher Bewegungsgüte ermöglicht, eine hohe Dynamik und einen möglichst großen Kollisi- onsabstand zum Werkstück aufweist und dabei geeignet ist, kleine kartesische Bewegungen auszuführen.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug bereitzustellen, das für einen optimalen Einsatz in der Vorrichtung zur mehrachsigen Orientierung und/oder Positionierung ausgelegt ist. Kurzbeschreibung der Erfindung

Hinsichtlich der Vorrichtung wird diese Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lageranordnung als portalartige, seriell entlang zweier orthogonal aufeinander stehender Linearachsen bewegliche Bewegungseinheit ausgestaltet ist, und die Stützstruktur als Linearführungssystem mit mindestens zweiachsig serieller Verschiebekinematik ausgeführt ist, die eine Verschiebung des Kreuzgelenks in mindestens zwei senkrecht aufeinander stehenden Verschieberichtungen erlaubt, wobei das Kreuzgelenk einen charakteristischen Punkt aufweist, der über das - -

Linearführungssystem positioniert wird und die Streben die Orientierung des Werkzeugs im Raum bestimmen, und die Schiebeachsen der Streben derart angeordnet sind, dass sie miteinander einen Winkel von 45° bis 60° einschließen, und die von den Schiebeachsen aufgespannte Ebene um einen Winkel von 30° bis 40° verkippt zu einer der Verschieberichtungen des Linearführungssystems verläuft.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Bearbeitungseinheit und eine Lageranordnung. Sie ist vorzugsweise zur mehrachsigen Orientierung und/oder Positionierung eines rotationssymmetrisch wirkenden Werkzeugs geeignet. Die Lageranordnung ist portalartig ausgeführt und dient zur Anbindung der Bearbeitungseinheit. Diese umfasst das Bearbeitungswerkzeug und mehrere bewegbar angeordnete Glieder zur Lagerung und zur Positionierung des Werkzeugs im Raum. Eine Lageranordnung in Form einer portalartigen Bewegungseinheit ermöglicht eine schnelle und einfache Positionierung der Bearbeitungseinheit und damit auch des Werkzeugs im Raum. Die portalartige Bewegungseinheit ist in zwei Raumrichtungen entlang zweier, orthogonal aufeinander stehender Linearachsen beweglich. Das Verschieben erfolgt mit serieller Kinematik. Die portalartige Bewegungseinheit ist insbesondere für praktisch unlimitierte translatorische Bewegungen der Bearbeitungseinheit geeignet. Die Glieder der Bearbeitungseinheit greifen an dem Werkzeug unmittelbar oder mittelbar über Zwischenelemente an, wie beispielsweise an einem Werkzeugträger, an dem oder in dem das Werkzeug gehalten wird. Ein Werkzeugträger erleichtert die Montage und ermöglicht eine einfache Austauschbarkeit des Werkzeugs. Dabei ist das Werkzeug beim bestimmungsgemäßen Einsatz der Vorrich- tung derart an dem Werkzeugträger befestigt, dass die Bewegung des Werkzeugträgers auf das Werkzeug übertragen wird und eine Bewegung des Werkzeugträgers somit konsekutiv eine Bewegung des Werkzeugs bewirkt. Sofern nicht ausdrücklich anderes gesagt wird, sollen sowohl die unmittelbare als auch die mittelbare Einwirkung der Glieder auf das Werkzeug bei den folgenden Erläuterungen umfasst sein, auch wenn ein Werkzeugträger nicht ausdrücklich genannt wird. - -

Zur Lagerung und insbesondere zur Positionierung des Werkzeugs im Raum ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die über ein Kreuzgelenk mit dem Werkzeug in einem ersten Punkt verbundene Stützstruktur als Linearführungssystem mit mindestens zweiachsig serieller Verschiebekinematik ausgeführt ist. Ein solches Linearführungssystem ermöglicht eine Bewegung des Kreuzgelenks und damit des Werkzeugs in mindestens zwei Raumrichtungen.

Jedes Kreuzgelenk weist einen sogenannten„charakteristischen Punkt" auf, der dessen Position im Raum definiert und der beispielsweise durch den Schnittpunkt der beiden Drehachsen des Kreuzgelenks festgelegt ist. Die über das Kreuzge- lenk mit dem Werkzeug verbundene Verschiebekinematik ermöglicht eine Positionierung des charakteristischen Punktes des Kreuzgelenks und damit eine Positionierung des Werkzeugs in mindestens einer Raumebene. Die an mindestens zwei anderen Punkten des Werkzeugs einwirkenden, beweglichen Streben bestimmen die Lage des Werkzeug körpers im Raum und sind damit im Wesentli- chen zu einer Einstellung der Orientierung des Werkzeugs im Raum vorgesehen. Vorteil hafteweise bestimmen nur die Streben die Orientierung des Werkzeugs im Raum.

Dadurch, dass die Verbindung des Werkzeugs mit dem Linearführungssystem über ein Kreuzgelenk erfolgt, ist das Werkzeug zunächst um die beiden Achsen des Kreuzgelenks beweglich angeordnet. Diese Beweglichkeit wird durch die in zwei anderen Punkten des Werkzeugs einwirkenden Streben einerseits gehindert, andererseits wird dadurch die Orientierung des Werkzeugs im Raum festgelegt.

Die Streben sind parallelkinematisch mit der Bearbeitungseinheit verbunden.

Dadurch muss durch die Streben nur eine vergleichsweise geringe Masse bewegt werden, so dass die Orientierung mit hoher Dynamik und Genauigkeit eingestellt werden kann.

Erfindungsgemäß ist darüber hinaus vorgesehen, dass die Schiebeachsen der Streben derart angeordnet sind, dass sie miteinander einen Winkel von 45° bis 60° einschließen. Eine solche Anordnung der Schiebeachsen ermöglicht eine - -

Bewegungsübertragung hoher Güte im gesamten Auslenkungs- und Bewegungsbereich des Werkzeuges.

Auch dadurch, dass die von den Schiebeachsen aufgespannte Ebene um einen Winkel von 30° bis 40° verkippt zu einer der Verschieberichtungen des Linearfüh- rungssystems verläuft, wird die Bewegungsgüte verbessert. Bei einem Neigungswinkel der Ebene gegenüber der Verschieberichtung des Linearführungssystems von weniger als 30° verliert sich der Effekt auf die Verbesserung der Bewegungsgüte. Bei einem Neigungswinkel von mehr als 40° führen kleine Bewegungen entlang der Schiebeachsen nur zu einer vergleichsweise geringfügigen Lageände- rung des Werkzeuges, wodurch eine schnelle Positionierung des Werkzeuges beeinträchtigt wird. Infolge des Aufbaus der Glieder, insbesondere des Linearführungssystems, ändert sich die Schwerpunktlage der gesamten Vorrichtung während der Positionierung und Orientierung des Werkzeugs nur geringfügig.

Dadurch bleibt die elastische Verformung der Vorrichtung annähernd konstant und es wird eine präzise Führung des Werkzeugs auch bei geschwenktem Werkzeug unterstützt. Dadurch ergibt sich bei einfacher konstruktiver Gestaltung und hoher Dynamik der Bearbeitungseinrichtung eine präzise Bewegung, Positionierung und/oder Orientierung des Werkzeugs.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Linearführungssystem zur Verschiebung in einer der Verschieberichtungen eine Hubachse, und dass das Kreuzgelenk eine proximale und eine distale Gelenkdrehachse aufweist, wobei eine um die distale Gelenkdrehachse drehbare und am Werkzeug angreifende U-förmige Gelenkgabel vorgesehen ist, an der das Werkzeug um die proximale Gelenkdrehachse drehbar gela- gert ist, und wobei ein Verbindungssteg der Gelenkgabel zwischen einer Werkzeugsymmetrieachse und der Hubachse angeordnet ist.

Das Werkzeug umfasst einen Werkzeugkopf und einen Werkzeugschaft. Als „Werkzeugsymmetrieachse" wird die durch eine Werkzeugspitze des Werkzeugkopfs und den Werkzeugschaft verlaufende Längsachse bezeichnet. - -

Die Hubachse bezeichnet eine Achse entlang der die Bearbeitungseinheit mit Hilfe des Linearführungssystems angehoben oder abgesenkt werden kann und die eine Höhenverstellung für das Werkzeug ermöglicht. Sie entspricht einer Verschieberichtung des Linearführungssystems. Eine Gelenkgabel umfasst mindestens zwei über einen Verbindungssteg miteinander verbundene, freie Schenkel. Das Kreuzgelenk weist eine proximale und eine distale Gelenkdrehachse auf. Erfindungsgemäß ist am Linearführungssystem eine U-förmige Gelenkgabel vorgesehen, die drehbar um die distale Gelenkdrehachse gelagert ist. Die Gelenkgabel weist eine darüber hinaus eine proximale Ge- lenkdrehachse auf, an der das Werkzeug drehbar gelagert ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Verbindungssteg der Gelenkgabel zwischen der Werkzeugsymmetrieachse und der Hubachse angeordnet ist. Durch eine solche Anordnung des Verbindungsstegs werden, neben einer einfachen Montage des Werkzeugs, auch ein schneller Werkzeug-Wechsel und kurze Rüst- zeiten ermöglicht.

In einer weiteren ebenso bevorzugten Modifikation der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die distale Gelenkdrehachse zwischen der Werkzeugsymmetrieachse und der Hubachse verläuft, wobei die distale Gelenkachse die Werkzeugsymmetrieachse nicht schneidet. Erfindungsgemäß verläuft die distale Gelenkdrehachse des Kreuzgelenks zwischen der Werkzeugsymmetrieachse und der Hubachse. Dadurch, dass die distale Gelenkachse die Werkzeugsymmetrieachse nicht schneidet, wird die Bewegungsgüte gesteigert.

Es hat sich bewährt, wenn die Streben an dem Linearführungssystem befestigt sind.

Dadurch, dass die Streben an dem Linearführungssystem befestigt sind, werden diese bei einer Bewegung des Linearführungssystems mitbewegt. Sie sind daher entsprechend kleiner dimensioniert und weisen eine geringere Masse auf, so dass eine kompaktere Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht - - wird. Da bei einer Einstellung der Orientierung geringere Massen bewegt werden müssen, wird außerdem eine höhere Führungsgenauigkeit und eine höhere Dynamik der Vorrichtung gewährleistet.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Werkzeug einen Werkzeugkopf aufweist, und der Werkzeugkopf gegenüber einer Vertikalstellung um mindestens 40°, vorzugsweise um mindestens 45°, besonders bevorzugt um mindestens 50°, in alle Richtungen schwenkbar ist, mit der Maßgabe, dass die Streben jeweils über ein Kugelgelenk mit dem Werkzeug und jeweils mit einem sie antreibenden Schieber verbunden sind, wobei der Bewegungsbereich der Kugelgelenke ge- genüber der Nullstellung höchstens ± 30° beträgt.

Ein Kugelgelenk umfasst zwei Gelenkelemente, einen Kugelkopf und eine Kugelpfanne; es lässt eine Drehbewegung um alle drei Achsen zu, ist aber translatorisch feststehend. Eine Strebe, die mit einem Kugelgelenk verbunden ist, ist somit translatorisch gebunden und zur Festlegung der Orientierung des Werkzeugs ge- eignet. Gleichzeitig ermöglicht das Kugelgelenk aber auch eine Drehbewegung der Strebe um die drei Rotationsachsen des Kugelgelenks, wobei eine Koppelstange entlang ihrer Längsachse eine isolierte Freiheit besitzt. Bei Kugelgelenken ist der Arbeitswinkel (Auslenkwinkel) durch die Kugelschale beschränkt. Die erfindungsgemäße Anordnung der Glieder ermöglicht ein Schwenken des Werk- zeugkopfes um mindestens 40°, vorzugsweise um mindestens 45°, besonders bevorzugt um mindestens 50°, wobei die Kugelgelenk höchstens ± 30° gegenüber der Nullstellung ausgelenkt werden.

Es hat sich bewährt, wenn das Werkzeug einen Tool-Center-Point hat, dessen Lage im Raum veränderlich ist, mit der Maßgabe, dass bei einer Änderung der Orientierung des Werkzeugs im Raum der Tool-Center-Point unter Mitwirkung des Linearführungssystems raumfest ist.

Der Tool-Center-Point des Werkzeugs ist ein rechnerischer, frei wählbarer Referenzpunkt, beispielweise der Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück, wie etwa der Fokus bei einem Laser-Werkzeug. Die Lage des Tool-Center-Points ist im Raum veränderlich, so dass er beispielsweise bei der Positionierung des Werkzeugs, - - das heißt beispielsweise bei einer Verschiebung mittels des Linearführungssys- tems oder der portalartigen Bewegungseinheit mitbewegt wird. Gemäß der Erfindung ist der Tool-Center-Point dadurch gekennzeichnet, dass er bei einer Änderung der Orientierung des Werkzeugs unter Mitwirkung des Linearführungssys- tems raumfest bleibt. Dies ermöglicht eine einfachere Steuerung des Werkzeugs, da die Position und die Orientierung des Werkzeugs bei der Steuerung getrennt betrachtet werden können. Darüber hinaus ist eine getrennte Betrachtung der Position und der Orientierung des Werkzeugs auch kinematisch vorteilhaft, da bei Orientierungsänderungen nur vergleichsweise geringe Massen bewegt werden müssen. Hierdurch sind schnelle Orientierungsänderungen des Werkzeugs möglich. Vorzugsweise ist der Tool-Center-Point vom charakteristische Punkt des Kreuzgelenks beabstandet.

Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das an der Lageranordnung gehalterte Linearführungssystem eine zweiachsig-serielle Verschiebekinematik hat, die eine Verschiebung des Kreuzgelenks in einer ersten Verschieberichtung und in einer senkrecht zur ersten Verschieberichtung verlaufenden, zweiten Verschieberichtung ermöglicht, wobei die erste Verschieberichtung des Linearführungssystems senkrecht zu den beiden Linearachsen der Bewegungseinheit verläuft und die zweite Verschiebe- richtung des Linearführungssystems redundant zu einer Linearachse der Bewegungseinheit ist.

Die Verschieberichtungen der zweiachsig-seriellen Verschiebekinematik verlaufen senkrecht zueinander; sie spannen eine Bewegungsebene auf. Um bei Einsatz eines zweiachsigen Linearführungssystems eine Bewegung des Werkzeugs in alle drei Raumrichtungen zu ermöglichen, ist das Linearführungssystem derart mit der portalartigen Bewegungseinheit verbunden, dass die erste Verschieberichtung des Linearführungssystems senkrecht zu den beiden Linearachsen der Bewegungseinheit verläuft. Dadurch kann bei dem Linearführungssystem die dritte Verschiebeachse und der damit einhergehende Konstruktions- und Steue- rungsaufwand vermieden werden. - -

Vorteilhafterweise ist darüber hinaus vorgesehen, dass die zweite Verschieberichtung des Linearführungssystems redundant zu einer gestellnächsten Linearachse der Bewegungseinheit ist. Durch die Redundanz dieser beiden Achsen, können Bewegungen entlang der redundanten Achse sowohl über die portalartige Bewe- gungseinheit als auch über das Linearführungssystem erfolgen. Bei nur kleinen Bewegungen in Richtung der redundanten Achse bietet es sich an, diese Bewegung mittels des Linearführungssystems auszuführen. Denn bei einer Bewegung des Linearführungssystems müssen im Vergleich zu einer Bewegung der portalartigen Bewegungseinheit geringere Massen bewegen werden. Eine Bewegung in Richtung der redundanten Achse durch das Linearführungssystem führt daher im Vergleich zu einer Bewegung über die portalartige Bewegungseinheit zu einer höheren Dynamik der Vorrichtung und hat zur Folge, dass bei kleinen Bewegungen eine hohe Führungsgenauigkeit des Werkzeugs erzielt werden kann.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn für eine Bewegung entlang einer der Ach- sen der Verschiebekinematik des Linearführungssystems eine zylinderförmige Teleskopeinheit mit einem Innenzylinder und Außenzylinder vorgesehen ist.

Bei einer zylinderförmigen Teleskopeinheit mit einem nichtrunden Zylinderquerschnitt wird eine Rotation des Innenzylinders um seine Längsachse verhindert. Eine zylinderförmige Teleskopeinheit mit einem nichtrunden Zylinderquerschnitt ermöglicht die Einstellung eines möglichst geringen Abstands zwischen Werkzeug und Lageranordnung. Die Teleskopeinheit führt darüber hinaus zu einer Vergrößerung des Bewegungsbereichs des Werkzeugs.

Vorzugsweise ist das Kreuzgelenk an dem dem Werkzeug zugewandten, distalen Ende des Innenzylinders angebracht. Sowohl der Außenzylinder als auch der In- nenzylinder der Teleskopeinheit weisen ein dem Werkzeug zugewandtes, distales und ein dem Werkzeug abgewandtes proximales Ende auf. Durch ein am distalen Ende des Innenzylinders angebrachtes Kreuzgelenk wird eine kompakte Bauform des Linearführungssystems ermöglicht. Der Innenzylinder weist verglichen mit dem Außenzylinder in der Regel aufgrund seines geringeren Raumbedarfs auch ein geringeres Gewicht auf. Dadurch, dass das Kreuzgelenk am Innenzylinder - - angebracht ist, muss beim Ausfahren der Teleskopeinheit eine vergleichsweise geringe Masse bewegt werden, so dass eine Vorrichtung mit einer höheren Dynamik erhalten wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass zur Einstellung der Relativlage von Innenzylinder und Außenzylinder ein translatorischer oder ein rotatorischer Antrieb vorgesehen ist, der mit dem Innenzylinder und/oder dem Außenzylinder über ein Gehemme verbunden ist, und dass ein Sensor vorgesehen ist, der die Bewegung des Gehemmes detektiert. Um bei Kollisionen des Werkzeugs mit seiner Umgebung, beispielsweise einem zu bearbeitenden Werkstück Maschinenschäden zu vermeiden, ist der Innenzylinder und/oder der Außenzylinder mit dem Antrieb über ein Gehemme verbunden, an dem ein Sensor zur Detektion einer Bewegung des Gehemmes vorgesehen ist. Die mittels Sensor ermittelte Messgröße kann beispielsweise einer Kolli- sionsberechnung zugrunde gelegt werden.

Es hat sich bewährt, wenn die Teleskopeinheit in der Art eines Schubkastens ausgeführt ist, indem ein dem Werkzeug abgewandtes, proximales, einen geschlossenen Rahmen bildendes Gestell einen distalen, dem Werkzeug zugewandten, kastenförmigen Schieber umschließt. Eine Teleskopeinheit in Form eines Schubkastens mit einem Gestell und einem kastenförmigen Schieber ist einfach zu fertigen und ermöglicht durch die ebenen Außenflächen eine einfache Montage der Teleskopeinheit.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn das proximale, rahmenförmige Gestell und der distale kastenförmige Schieber in ihrer Relativlage von einem translatorischen oder rotatorischen Antrieb bestimmt werden, wobei der gestellnahe und der gestellferne Teil des Antriebs keine direkte, sondern eine über ein Gehemme geführte Verbindung entweder zum proximalen, rahmenförmigen Gestell oder zum distalen, kastenförmigen Schieber besitzen und Relativbewegungen des Gehemmes durch einen Sensor detektiert werden. - -

Das Gehemme dient zur Vermeidung von Kollisionen des Werkzeugs mit der Umgebung und steht mit einem Sensor in Wirkverbindung. Der Sensor ist zur Bestimmung einer Weg-Messgröße geeignet.

Eine weiter vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeich- net sich dadurch aus, dass die Bearbeitungseinheit einen Massenschwerpunkt aufweist, der bei einer Änderung der Orientierung des Werkzeugs im Raum annähernd raumfest ist.

Dadurch, dass sich bei einer Änderung der Orientierung des Werkzeugs der Massenschwerpunkt annähernd raumfest ist, ändert sich die Schwerpunktlage der Vorrichtung nur geringfügig. Durch die annähernd gleichbleibende Schwerpunktlage wird eine präzise Führung des Werkzeugs auch bei geschwenktem Werkzeug ermöglicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Werkzeug einen Laserkopf mit einer Laserkopfsymmetrieach- se, eine Strahlzuführung mit einer Strahlzuführungsachse und eine Strahlumlen- kungseinheit für die Zuführung des Laserstrahls zum Laserkopf umfasst, wobei die Laserkopfsymmetrieachse und die Strahlzuführungsachse derart versetzt zueinander verlaufen, dass die Strahlzuführungsachse in distaler Richtung des Li- nearführungssystems gesehen hinter der Laserkopfsymmetrieachse angeordnet ist.

Das Linearführungssystem weist eine distale Richtung auf, die von der Lageranordnung ausgehend entlangeiner der Verschiebeachsen des Linearführungssys- tems in Richtung des Werkzeugs verläuft. Die Gegenrichtung zur distalen Richtung wird als proximale Richtung bezeichnet. Die Strahlzuführungsachse und die Laserkopfsymmetrieachse verlaufen versetzt und vorzugsweise in parallelen Ebenen. Die versetzte Anordnung führt zu einer geringeren Bauhöhe des Laserkopfes in Richtung der Laserkopfsymmetrieachse. Durch den geringeren Raumbedarf des Laserkopfes kann der Laserkopf bei der Verkippung in proximaler Richtung, in einem größeren Winkel verkippt werden, ohne dass der Laserkopf - - mit dem Linearführungssystem beziehungsweise der Lageranordnung kollidiert, so dass ein großer Arbeitsbereich erhalten wird.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Werkzeug ein einem Werkzeugkopf zugewandtes vorderes und ein hinteres Ende umfasst, wobei das Kreuzgelenk mit dem vorderen Ende des Werkzeugs verbunden ist. Durch die Anordnung des Kreuzgelenks am vorderen Ende des Werkzeugs ergibt sich ein geringer Abstand zwischen der Werkzeugspitze und den Bewegungsachsen des Kreuzgelenks, wodurch eine hohe Führungsgenauigkeit des Werkzeugs und eine präzise Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht werden. Als vorderes Ende des Werkzeugs wird dabei der Längenabschnitt zwischen stirnseitigem Ende und der Mitte zwischen den beiden Enden verstanden.

Vorzugsweise weist das Werkzeug in einer Nullstellung eine der Lageranordnung zugewandte und eine der Lageranordnung abgewandte Längsseite auf, wobei sämtliche Glieder mit der der Lageranordnung zugewandten Längsseite des Werkzeugs verbunden sind.

Die Nullstellung ist die Ausgangseinstellung, die die Bearbeitungseinheit üblicherweise beim Abschalten der Vorrichtung einnimmt und die eine in der Regel gleichgroße Auslenkung des Werkzeugs in beide Richtungen ermöglicht.

Die Glieder stehen einerseits mit der Lageranordnung und andererseits mit dem Werkzeug in Wirkverbindung. Da das Werkzeug ein dreidimensionaler Körper ist, weist es in Nullstellung eine der Lageranordnung zugewandte und eine der Lageranordnung abgewandte Längsseite auf. Sämtliche Glieder der Bearbeitungseinheit greifen an einer gemeinsamen Längsseite des Werkzeugs an, nämlich an der der Lageranordnung der zugewandten Längsseite des Werkzeugs. Die ge- genüberliegende Längsseite ist somit frei von Gliedern, was die Gefahr von Kollisionen zwischen der Bearbeitungsvorrichtung mit einem zu bearbeitenden Werkstück vermindert. Zudem umgibt die Lageranordnung das Werkzeug nicht und kann einfach und kompakt ausgeführt sein. - -

Die bewegliche Lagerung der Streben entlang einer Schiebeachse trägt zu Einstellung der Orientierung des Werkzeugs bei. Die Richtung und Länge der Schiebeachse legt dabei die Bewegbarkeit der Streben fest. Zur Bewegung der Streben ist ein mit einem Antrieb versehener Schieber vorgesehen, der an der Linearver- schiebeeinheit befestigt ist. Im Gegensatz zu einer Fixierung des Antriebs an der Lageranordnung hat dessen Befestigung am Linearführungssystem den Vorteil, dass der Antrieb der Streben mit dem Linearführungssystem mitbewegt wird, wodurch eine kompaktere Bauform der Bearbeitungseinheit ermöglicht wird. Bei einer besonders bevorzugten Modifikation der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die logische Anordnung der Glieder und Gelenke untereinander in modellhafter Darstellung mehrere in sich geschlossene Maschen ergibt und der Werkzeugkopf Bestandteil von genau zwei Maschen ist.

Die Übertragung der erfindungsgemäßen Anordnung der Glieder und Gelenke in eine zweidimensionale Darstellung zeigt ein Netzwerk aus Kanten (Glieder) und Knoten (Gelenke). Die Kanten und Knoten bilden die Maschen des Netzwerkes. Eine Masche ist der kürzestmögliche geschlossene Zug aus Kanten und Knoten; sie geht von einem Knoten aus und führt zum selben Knoten zurück. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Werkzeugkopf Bestandteil von genau zwei Maschen ist. Vorzugsweise weist das Werkzeug zwei voneinander beabstandete Gelenkelemente auf, die mit dem Werkzeug unlösbar verbunden sind und die jeweils Bestandteil unterschiedlicher Maschen sind.

Ein Gelenk weist mehrere Gelenkelemente auf. Gelenkelemente sind im Fall eines Kugelgelenkes beispielsweise die Kugelpfanne oder der Kugelkopf oder im Fall eines Kreuzgelenks beispielsweise ein Bügel des Kreuzgelenks. Mindestens zwei Gelenkelemente sind an unterschiedlichen Stellen mit dem Werkzeug unlösbar verbunden, so dass sie Bestandteil unterschiedlicher Maschen sind.

Es hat sich bewährt, wenn die bewegliche Lagerung der Streben jeweils einen entlang der jeweiligen Schiebeachse bewegbaren Linearantrieb umfasst, mit dem die Streben gelenkig verbunden sind. - -

Die gelenkige Verbindung der Streben mit dem Linearantrieb ermöglicht grundsätzlich eine Bewegung des Werkzeuges in drei Raumrichtungen. Die Streben werden als Zwischenglied zwischen dem Linearantrieb und dem Werkzeug eingesetzt. Hierdurch wird eine unmittelbare Krafteinwirkung auf den Linearantrieb, beispielsweise bei einer Kollision des Werkzeugs, verhindert. Die Streben tragen zu einer hohen Lebensdauer der Vorrichtung bei.

Hinsichtlich des Werkzeugs wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einem Werkzeug der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in den Schaft ein Anschlusselement für ein Kreuzgelenk integriert ist. Das Werkzeug ist beispielsweise ein Laser oder ein Brenner zur thermischen Bearbeitung von Werkstücken, wie Schneid- oder Schweißbrenner, insbesondere Autogen- oder Plasmabrenner. Das Werkzeug weist einen Werkzeugkopf und einen Werkzeug-Schaft auf. Gemäß der Erfindung ist in den Schaft ein Anschlusselement für ein Kreuzgelenk integriert. Das Anschlusselement ist beispielsweise in Form eines Anschlussstutzens, eines Flansches oder eines Gelenkelements, das Bestandteil des Kreuzgelenks ist, ausgebildet. Das Gelenkelement ist beispielsweise eine Gelenkgabel des Kreuzgelenks. Dadurch, dass ein Anschlusselement des Kreuzgelenks in den Werkzeug-Schaft integriert ist, wird eine vorgegebene, definierte geometrische Zuordnung zwischen Werkzeug und der oben erläuterten Bearbeitungseinheit gewährleistet, die auch bei einem Wechsel und Austausch des Werkzeugs ohne weitere Maßnahmen reproduzierbar ist. Dadurch wird überdies der Werkzeug-Wechsel schneller.

Vorzugsweise ist in den Werkzeug-Schaft mindestens ein Gelenkelement integriert, das zur Anbindung des Werkzeugs an eine Strebe vorgesehen ist. Die Anbindung der beweglichen Streben an das Werkzeug erfolgt beispielsweise über ein Kugelgelenk oder über ein Kreuzgelenk. Die Gelenke weisen mehrere Gelenkelemente auf. Im Fall eines Kugelgelenks ist ein Gelenkelement beispielsweise die Kugelpfanne oder der Kugelkopf. Die in den Werkzeug-Schaft integrierten Gelenkelemente tragen zur Reproduzierbarkeit der gegenseitigen Anordnung - - von Werkzeug und Bearbeitungseinheit sowie zur Möglichkeit eines schnellen und reproduzierbaren Werkzeug-Wechsels bei. Darüber hinaus erhöhen die zusätzlich am Werkzeug-Schaft vorgesehenen Gelenkelemente die Stabilität der Anbindung des Werkzeugs. Vorzugsweise sind in dem Werkzeugschaft genau zwei weitere Gelenkelemente integriert, die zur Anbindung des Werkzeugs an eine Strebe vorgesehen sind.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt in schematischer Darstellung: Figur 1 eine abstrahierte, zweidimensionaler Darstellung der Glieder und Gelenke der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Orientierung und/oder Positionierung eines Werkzeugs,

Figur 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die

Lageranordnung für die Halterung einer Bearbeitungseinheit als portal- artige, seriell bewegliche Bewegungseinheit ausgestaltet ist,

Figur 3 eine Bearbeitungseinheit gemäß Figur 1 in vergrößerter Darstellung, und

Figur 4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners zum Einsatz als Werkzeug in die Vorrichtung. Figur 1 zeigt in Diagramm A eine zweidimensionale, abstrahierte Darstellung einer Anordnung der Glieder und Gelenke einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben, der insgesamt die Bezugsziffer 300 zugeordnet ist. Die Vorrichtung weist eine Lageranordnung 310 auf. Sie umfasst zwei auf das Werkzeug einwirkende Streben 301 , 302, die jeweils einerseits über ein Kugelgelenk 303, 304 mit dem Werkzeug und andererseits über jeweils ein Kreuzgelenk 305, 306 mit der Lageranordnung 310 verbunden sind. An der Lageranordnung 310 ist darüber hinaus ein Linearführungssystem 307 mit einer dreiachsig-seriellen Verschiebeki- - - nematik angeordnet, das über ein Kreuzgelenk 308 mit dem Werkzeug verbunden ist.

In Diagramm B ist eine zweidimensionale, abstrahierte Darstellung einer alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben, der insgesamt die Bezugs- Ziffer 400 zugeordnet ist. Die Vorrichtung weist ein mit einer Lageranordnung 410 verbundenes Linearführungssystem 402 mit dreiachsig serieller Verschiebekinematik auf, das über ein Kreuzgelenk 403 mit dem Werkzeug verbunden ist. An dem Linearführungssystem greifen zwei Streben 404, 405 an, die jeweils einerseits über ein Kugelgelenk 406, 407 mit dem Linearführungssystem und anderer- seits ebenfalls über jeweils ein Kugelgelenk 408, 409 mit dem Werkzeug verbunden sind. Die distale Richtung verläuft in Richtung des Pfeils 401 .

Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der insgesamt die Bezugsziffer 500 zugeordnet ist. Die Vorrichtung 500 umfasst eine portalartige serielle Bewegungseinheit 501 und eine Bearbeitungseinheit 502 mit einem Laserschneidbrenner 510, die an der Bewegungseinheit 501 gehaltert ist.

Die Bewegungseinheit 501 ist entlang der beiden orthogonal aufeinander stehenden Linearachsen 503, 504 bewegbar. Der Laserschneidbrenner 510 ist durch das Linearführungssystem mit einer Verschiebekinematik entlang den Verschie- beachsen 505, 506 (durch Pfeile dargestellt) in zwei Raumrichtungen beweglich. Entlang der Verschiebeachse 505 kann die Bearbeitungseinheit angehoben oder abgesenkt werden. Sie dient zur Höhenverstellung des Werkzeuges und wird auch als Hubachse bezeichnet. Die Verschiebeachse 506 verläuft parallel zur Linearachse 503 der Bewegungseinheit 501 und ist somit zu dieser redundant. Beide Verschiebeachsen 505, 506 verlaufen senkrecht zu der Linearachse 504.

Kleine Bewegungen des Laserschneidbrenners 510 in Richtung der redundanten Achsen 503, 506 erfolgen durch das Linearführungssystem über eine Verschiebung entlang der Verschiebeachse 506, große Bewegungen des Laserschneidbrenners 510 werden von der portalartigen, seriellen Bewegungseinheit 501 übernommen. - -

In Figur 3 ist das Linearführungssystem 550 der Bearbeitungseinheit 502 vergrößert dargestellt. Das Linearführungssystem 550 weist eine zweiachsig-serielle Verschiebekinematik auf, die eine Verschiebung entlang der Verschiebeachsen 505 und 506 ermöglicht. Für eine Bewegung entlang der Verschiebeachse 506 ist 5 eine Teleskopeinheit 522 vorgesehen, die in der Art eines Schubkastens ausgeführt ist. Der Schubkasten umfasst ein dem Laserschneidbrenner 510 abgewandtes Gestell 523 und einen dem Laserschneidbrenner 510 zugewandten kastenförmigen Schieber 524. Zur Einstellung der Relativlage von Gestell 523 und kastenförmigem Schieber 524 ist ein translatorischer Antrieb 580 vorgesehen. Der 10 kastenförmige Schieber 524 ist über ein Gehemme mit einem Sensor (nicht dargestellt) mit dem translatorischen Antrieb 580 verbunden. An seinem distalen Ende ist der kastenförmige Schieber 524 gabelförmig ausgeformt. Die Gelenkgabel

596 bildet mit dem kastenförmigen Schieber 524 um die distale Gelenkdrehachse

597 ein Drehgelenk Die Gelenkgabel 596 umfasst zwei freie Schenkel 596b,

15 596c, die über einen Verbindungssteg 596a miteinander verbunden sind. An dem Verbindungssteg 596a ist das Werkzeug um eine proximale Gelenkdrehachse 594 drehbar gelagert. Der Verbindungssteg 596a ist derart angeordnet, dass er zwischen der Verschiebeachse 505 (Hubachse) und der Werkzeugsymmetrieachse 590 des Laserschneidkopfes 514 verläuft. Auch die distale Gelenkdrehachse

20 597 verläuft zwischen der Hubachse und der Werkzeugsymmetrieachse 590.

Werkzeugsymmetrieachse 590 und distale Gelenkdrehachse 597 schneiden sich somit nicht.

Der Laserschneidbrenner 510 umfasst einen Laserkopf 514 mit einer Werkzeugsymmetrieachse 590, eine Strahlumlenkungseinheit 571 und eine Strahlzuführung

25 570 mit einer Strahlzuführungsachse 570a. Das Kreuzgelenk ist mit dem vorderen

Ende des Laserkopfs 514 verbunden. Darüber hinaus sind mit dem Laserkopf 514 zwei längenunveränderliche Streben 512, 513 verbunden. Zur beweglichen An- bindung der Streben 512, 513 an den Laserkopf 514 sind Kugelgelenke 516 vorgesehen. Die Streben 512, 513 sind entlang der Schiebeachsen 519, 519a be-

30 weglich gelagert. Zur Bewegung der Streben 512, 513 entlang der Schiebeachsen

519, 519a sind Schieber 520 vorgesehen, die einerseits mit den Streben 512, 513 - - über ein Kugelgelenk 521 und andererseits mit einem Antrieb 580 verbunden sind. Die Schiebeachsen 519, 519a sind derart angeordnet, dass sie einen Winkel von 53° einschließen. Sie spannen eine Ebene auf, die um einen Winkel von 36° verkippt zur Verschieberichtung 506 verläuft. Durch die verkippte Anordnung der Ebene wird zwischen dem Laserkopf 514 und den Schiebeachsen 519, 519a eine Ausbuchtung 560 erhalten.

Um bei einer Verkippung des Laserschneidkopfes 514 in Richtung der Lageranordnung 501 eine Kollision mit dem Linearführungssystem und insbesondere mit den Schiebeachsen 519, 519a zu vermeiden, weist der Laserschneidbrenner 510 einen Strahlumlenkungseinheit 571 auf, die den Laserstrahl zum Laserkopf 514 führt. Durch die Strahlumlenkungseinheit 571 verlaufen die Strahlzuführungsachse 571 a und die Werkzeugsymmetrieachse 590 (Laserkopfsymmetrieachse) versetzt zueinander. Diese versetzte Anordnung führt zu einer geringeren Erstre- ckung des Laserkopfes 514 in Richtung der Laserkopfsymmetrieachse. Durch den geringeren Raumbedarf des Laserkopfes 514 kann der Laserkopf bei der Verkippung entgegen der distalen Richtung 565 in die Ausbuchtung 560 und damit in einem größeren Winkel verkippt werden, ohne dass der Laserkopf 514 mit den Schiebeachsen 519, 519a kollidiert. Hierdurch wird ein großer Arbeitsbereich des Laserkopfs 514 erhalten. In Nullstellung weist der Laserschneidbrenner 510 eine der Lageranordnung zugewandte Seite 517 und eine der Lageranordnung abgewandte Seite 518 auf. Sowohl die Streben 512, 513 als auch das Linearführungssystem sind mit der der Lageranordnung zugewandten Seite 517 des Laserschneidbrenners 510 verbunden. Durch die Anordnung der Streben 512, 513 und des Kreuzgelenks 51 1 ist der Werkzeugkopf gegenüber der Vertikalstellung um 50° in aller Richtungen schwenkbar, wobei die Kugelgelenke 516, 521 um maximal 30° ausgelenkt werden. Die Orientierung des Laserschneidbrenners 510 wird durch die Streben 512, 513 festgelegt. Bei einer Änderung der Orientierung des Laserschneidbrenners 510 ist der Massenschwerpunkt der Bearbeitungseinheit annähernd raumfest. - -

Der Tool-Center-Point ist der Fokus des Lasers, der gewöhnlich auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks liegt. Bei einer Änderung der Orientierung des Laserschneidbrenners 510 kann unter Mitwirkung des Linearführungssystems der Tool-Center-Point raumfest gehalten werden. In Figur 4 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Werkzeugs in Form eines Laserschneidbrenners 100 zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Der Laserschneidbrenner 100 weist einen Schaft 101 und einen Laserschneidkopf 102 auf. In den Schaft 101 ist ein Anschlusselement für ein Kreuzgelenk in Form eines Stutzens 105 integriert, das über einen Flansch mit dem Kreuzgelenk (in der Figur nicht dargestellt) verbunden werden kann. Der Stutzen 105 ist fest mit dem Schaft 101 verbunden. Eine Verbindung des Stutzens 105 mit der Bearbeitungseinheit erfolgt entlang der zweiten Drehachse 107 des Kreuzgelenks. Darüber hinaus sind in den Schaft 101 zwei Gelenkelemente 108, 109 integriert, die zur Anbindung des Laserschneidbrenners 100 an die oben er- läuterten beweglichen Streben einer erfindungsgemäßen Bearbeitungseinheit vorgesehen sind. Die Gelenkelemente 108, 109 sind Kugelköpfe eines Kugelgelenks. Sie sind über die Gelenkelementhalterungen 103, 104 mit dem Schaft 101 verbunden.