MÖBIUS, Volker (Grunaer Str. 26, Dresden, 01069, DE)
HÖFER, Hubert (Mittelstr. 6, Wilthen, 02681, DE)
MÜLLER, Jens (Friedrich-Wieck-Str. 3, Dresden, 01326, DE)
KAUSCHINGER, Bernd (Freier Blick 31, Bannewitz, 01728, DE)
GROSSMANN, Knut (Voglerstr. 23, Dresden, 01277, DE)
MÖBIUS, Volker (Grunaer Str. 26, Dresden, 01069, DE)
HÖFER, Hubert (Mittelstr. 6, Wilthen, 02681, DE)
MÜLLER, Jens (Friedrich-Wieck-Str. 3, Dresden, 01326, DE)
KAUSCHINGER, Bernd (Freier Blick 31, Bannewitz, 01728, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum Erzeugen von Präzisionsbewegungen von Objekten mit hohen Beschleunigungen, wobei die Bewegung der Objekte (1) auf einer Einrichtung in 6 translatorischen Achsen mittels z-Schlitten, y-Schlitten und x-Schlitten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Höhenachse am z-Schlitten durch 3 parallele Achsen zl (8), z2 (9), z3 (10) erfolgt und außer der z-Koordinate noch kleine Winkel in φχ (20) und (j>y (22) über entsprechende kleine Wegdifferenzen zwischen den Achsen zl (8), z2 (9), z3 (10) gestellt werden, ein auf dem z-Schlitten (11) bewegter und den x-Schlitten (4) tragender y- Schlitten (5) durch 2 parallele translatorische Achsen yl (6) und y2 (7) bewegt wird und außer der Verschiebung in y-Richtung über Differenzvorgaben für yl (6) und y2 (7) noch eine Winkelvorgabe in kleinen Beträgen für φζ (18) erfolgt, so dass ein auf dem x- Schlitten (4) angeordnetes Objekt (1) definiert in 6 Freiheitsgraden auf einer Bewegungsbahn bewegt wird, wobei durch eine Steuerung eine Pose [x;y;z; φχ;φγ;φζ] für das zu bewegende Objekt (1) immer durch entsprechende Längenkoordinaten der 6 translatorischen Achsen x (3);yl(6);y2 (7);zl (8);z2 (9);z3 (10) vorgegeben wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsbahn für das bewegte Objekt (1) bestimmt wird, indem für eine zu der technologisch begründeten Zielbewegung repräsentative Vergleichsbewegung an einem Bezugspunkt des bewegten Objektes (1) dessen reale Bewegungsbahn als Folge von Posen [x;y;z; φχ;φγ;φζ] gemessen wird und daraus mit entsprechenden Transformationen aktuell die bestmögliche Annäherung der realen Objektbewegung an die mathematisch beschriebene gewünschte Sollbewegung des Objektes (1) als getaktete Positionsvorgaben an die 6 translatorischen Achsen x (3);yl(6);y2 (7);zl (8);z2 (9);z3 (10) erfolgt. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bezugspunkt ein zum Zeitpunkt der Messung und der technologischen Zielbewegung mit dem bewegten Objekt (1) starr verbundenen Teil der Maschine herangezogen wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Beschleunigung des x-Schlittens (4) durch eine Antriebseinrichtung x (3) die sich auf dem y-Schlitten (5) abstützende und wie eine äußere Kraft wirkende Reaktionskraft durch eine gleich große, auf gleicher Wirkungslinie in Gegenrichtung wirkende Kraft kompensiert und so eine Schwingungsanregung mindert wird, wobei das Erzeugen der Kompensationskraft durch einen in Verlängerung der Wirkungslinie der Antriebseinrichtung x (3) angreifenden Kompensationsantrieb erfolgt oder verteilt auf mehrere Kompensationsantriebe als deren Resultierende erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Beschleunigung des y-Schlittens (5) die sich auf dem z-Schlitten (11) abstützenden Reaktionskräfte von den Antriebseinrichtungen yl (6) und y2 (7) wirkungsgleich wie bei der x-Achse beschrieben dadurch kompensiert werden, dass jeder y-Teilachse ein Kompensationsantrieb Kyl (27) bzw. Ky2 (28) zugeordnet ist und dieser aktuell entsprechend der Beschleunigungskraft der jeweiligen Teilachse seine Kompensationskraft- Vorgabe erhält. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Bewegung in einer Höhenachse ein z- Schlitten vorgesehen ist, der in 3 parallelen Achsen zl (8), z2 (9), z3 (10) beweglich ist und außer der z-Koordinate noch in kleinen Winkeln φχ (20) und φγ (22) über entsprechende kleine Wegdifferenzen zwischen den Achsen zl (8), z2 (9), z3 (10) stellbar ist, ein auf dem z-Schlitten (11) beweglich angeordneter und einen x-Schlitten (4) tragender y-Schlitten (5) durch 2 parallele translatorische Achsen yl (6) und y2 (7) beweglich ist und außer der Verschiebung in y-Richtung über Differenzvorgaben für yl (6) und y2 (7) noch in einer Winkelvorgabe in kleinen Beträgen für φζ (18) stellbar ist, so dass ein auf dem x-Schlitten (4) angeordnetes Objekt (1) definiert in 6 Freiheitsgraden beweglich angeordnet ist, wobei mittels einer Steuerung eine Pose [x;y;z; φχ;φ ;φζ] an das beweglich angeordnete Objekt (1) durch entsprechende Längenkoordinaten der 6 translatorischen Achsen x (3);yl(6);y2 (7);zl (8);z2 (9);z3 (10) auf einer Bewegungsbahn vorgebbar ist. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftangriff des Antriebes der x- Achse (3) in der Nähe des Massenschwerpunktes des bewegten x- Schlittens (4) vorgesehen ist. 8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass für stark differierende Objektmassen mit zusätzlichen Hilfen (32) die Schwerpunktlage der in x- Richtung bewegten Gesamtmasse jeweils wieder in den Kraftangriffspunkt tarierbar ist. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftangriff der Antriebseinrichtungen yi (6) und y2 (7) des y-Schlittens (5) in gleicher Höhe der Schwerpunktlage x erfolgt und der y-Schlitten (5)so gestaltet ist, dass in dieser Höhe auch der Gesamt-Schwerpunkt der durch die y- Antriebe y\ (6) und y2 (7) in y- Richtung bewegten Gesamtmasse liegt. 10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mittelstellung des x- Weges eine zur Mitten-Längsachse der Maschine symmetrische Gestaltung der Maschine vorliegt und damit in Mittelstellung x eine gleichgroße Belastung der Antriebseinrichtungen yl (6) und y2 (7) bewirkt wird. 11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei beliebigen x-Positionen im Ergebnis der an geregelten Antrieben üblicherweise installierten Regelstrategien eine solche Aufteilung der der Gesamtkraft auf y\ (6) und y2 (7) erfolgt, dass die resultierende Gesamtkraft im jeweils aktuellen Schwerpunkt des y- Schlittens (5) wirkt, wobei die geometrische Gestaltung der Einrichtung sichert, dass in allen Fällen der resultierende Lastschwerpunkt zwischen den Antriebseinrichtungen yl (6) und y2 (7) verbleibt. 12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftangriff der Antriebsachsen zl(8), z2(9), z3(10) so erfolgt, dass der entsprechend den x- und y-Stellungen in der x/y-Ebene bewegliche Gesamtschwerpunkt der in z-Richtung mit dem z-Schlitten (11) bewegten Massen immer in dem durch zl(8), z2(9), z3(10) aufgespannten Dreieck verbleibt und damit an den Antrieben zl(8), z2(9), z3(10) bei üblichen installierten Regelstrategien je nach Schwerpunktlage zu unterschiedlich großen, aber in allen Fällen noch gleichgerichteten Lastreaktionen führt, deren Resultierende immer im Lastschweipunkt des z-Schlitten (11) angreift. 13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen zl (8), z2 (9), z3 (10) bei Beschleunigungsvorgängen des z-Schlittens (11) ihre Reaktionskraft jeweils direkt auf einem Fundament abstützen und so mit diesen Reaktionskräften keine Gestellschwingungen anregen können. 14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das den z- Schlitten (11) führende Gestell (12) aus drei Säulen (23), (24), (25) besteht, die für Fertigung und Montage jeweils durch einen Zuganker (40) zwischen Kopfplatte (47) und Fußplatte (48) verspannt sind, und an denen geradlinig ausgerichtete Führungsschienen befestigt sind, wobei nach dem Aufsetzen einer vormontierten Säule (23), (24), (25) auf die Grundplatte (44) die jeweilige Zugankerverspannung (40) über eine Spannschraube (49) zur Grundplatte (44) geführt wird, ohne dabei die Zugankerverspannung (40) zu lösen, wobei die Grundplatte (44) mit geeigneten Stelleinrichtungen (50) ermöglicht, die an den Säulen befestigten, gradlinig ausgerichteten Führungsschienen senkrecht zu stellen und in dieser Stellung mit der Fundamentplatte (28) zu verspannen, danach die Deckplatte (26) aufzusetzen und die Zugankerverspannung mit der oberen Spannschraube (49) ohne zwischenzeitliches Entspannen des Zugankers über die obere Druckplatte (43) zu führen. 15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf den drei auf den Säulen (23), (24), (25) angeordneten Druckplatten (43) des Gestells (12) eine Stützkonstruktion (14) aufgesetzt ist, woran eine werkzeugtragende Motorspindel (15) zur Bewegung eines Objektes (1) angeordnet ist, um ein Werkstückes auf einem Tisch (2) relativ zu einem feststehenden, rotierenden Werkzeug (16) führen zu können. 16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der z- Schlitten (11) mit den auf den beweglichen Führungswagen der z-Führung (55) so verbunden ist, dass er durch diese Gestaltung hinreichend steif in den Richtungen x und y geführt wird, wobei bei kleinen Neigungen des z-Schlittens (11) in φχ (20) und φγ (22) nur kleine Reaktionskräfte entstehen, indem eine in dem Kraftfluss der verbindenden Spannschraube (56) von z-Schlitten (11) und Führungswagen (55) liegende Kippscheibe (57) so gestaltet ist, dass an dieser Scheibe (57) je zwei schmale Nasen auf der Ober- und Unterseite mittig angebracht sind, welche von Ober- zu Unterseite um 90° versetzt sind und damit trotz hoher Axialsteife bei kleinen Neigungen ähnlich einer kardanischen Lagerung nur kleine Reaktionsmomente erzeugen. 17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der z- Antriebsmuttern (53) mit dem z-Schlitten (11) so ausgeführt ist, dass in dem die Spindelmutter der z-Spindel (53) mit dem oberen Flansch (58) durch die inneren Zuganker (61) verspannenden Kraftfluss zwei Kippscheiben (63) und (64) angeordnet sind und damit bewirken, dass der über äußere Zuganker (60) und unteren Flansch (59) mit dem z-Schlitten (11) verspannte obere Flansch (58) sich gegenüber der senkrecht stehenden z-Spindel der Antriebseinrichtung z (51) um φχ (20) und φγ (22) in kleinen Beträgen neigen kann und dabei nur geringe Lastmomente auf die z-Spindel der Antriebseinrichtung z (51) entstehen. 18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der den x- Schlitten (4) tragende y-Schlitten (5) mit 6 Führungswagen auf den beiden y-Schienen geführt wird, wovon zwei, beispielsweise die hinteren Führungswagen y (66), über ein nur geringe Drehung um φζ zulassendes Festkörpergelenk (67) mit dem y-Schlitten (5) verbunden sind, während die vorderen Führungswagen y (68) durch die Anbindung über geeignet gestaltete Festkörpergelenke (69) mit hoher Steife z-Richtung, aber niedriger Steife in x-Richtung mit dem y-Schlitten (5) verbunden sind, so dass bei kleinen Wegdifferenzen der Antriebseinrichtungen yl (6) und y2 (7) eine kleine Drehung des y- Schlittens um φζ ermöglicht wird, wobei der Drehpunkt dieser Bewegung durch die symmetrische Gestaltung zwischen den beiden hinteren Führungswagen y (66) mittig zu den Festkörpergelenken (67) liegt und ein Überlastungsschutz der vorderen Festkörpergelenke (69) durch eine wegbegrenzende Spaltdimensionierung (70) erfolgen kann, in z-Richtung wird die Versparmung zwischen den hinteren Führungswagen y (66) und dem y-Schlitten (5) so ausgeführt, dass die auf den hinteren Führungswagen (66) in z-Richtung verspannten Stützrippen (72) durch Schlitze eine Verdrehung der Rippen gegenüber den in y-Richtung starren Führungswagen (66) mit relativ kleinen Rückstellkräften ausführen können und die Kraftleitung in z-Richtung über den vorderen Führungswagen y (68) über neigungsfähige Kippplatten (73) und Pendelverspannung (74) geführt wird, wodurch auch hier die für die Stellbewegung um φζ (18) erforderlichen Verschiebungen mit relativ kleinen Stellkräften bei hoher Steife in z-Richtung erreicht werden. 19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei den bewegten Strukturteilen ein günstiges Masse-Steife Verhältnis dadurch erreicht wird, dass parallele Platten als Deckplatte eines Strukturelementes (76) und als Grundplatte eines Strukturelementes (77) vorzugsweise aus Leichtmetall über ebenfalls vorzugsweise aus Leichtmetall bestehende Stützrippen des Strukturelementes (78) mit Stahl-Zugankern (80) kräftig verspannt werden, wobei die Spannkräfte entweder eine einreihige Zugankeranordnung (81) symmetrisch zwischen zwei relativ engstehenden parallelen Rippen eingeleitet werden (Fig 15) oder als zweireihige Zugankeranordnung (82) zwei Zuganker ihre Kräfte symmetrisch zu einer Rippe führen, so dass Biegemomente in der Struktur weitestgehend vermieden werden, bei sich kreuzenden Rippen ein ineinander Stecken der Rippen an der Kreuzungsstelle durch entsprechende Aussparungen in den Rippen ermöglicht wird (83) und über entsprechendes Freimachen der Rippen im Kreuzungsbereich und dadurch entstehende lokale Deformationen der Platte im Kreuzungsbereich auch bei toleranzbehafteten Höhenmaßen der Rippen ein sicheres Verspannen beider Rippen auch im Kreuzungsbereich gewährleistet wird. 20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die vorwiegend auf Druck belasteten Strukturplatten bei Wahrung einer hinreichend hohen Gestaltsteife durch entsprechende Aussparungen (84) erhebliche Massesenkungen möglich machen und durch in die Plattenelemente eingearbeitete Fügezapfen 85 und Fügenuten 86 die Struktur-Topologie in die Plattenelemente einprägt ist und damit ohne mechanische Nacharbeit an der Struktur mit üblicher Montage der korrekturfähige Genauigkeitsbereich erreicht wird. |
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Präzisionsbewegungen von Objekten im Raum relativ zu einem in seinen Koordinaten bekannten Bezugspunkt in den Richtungen x; y; z mit hohen Beschleunigungswerten für präzise Geschwindigkeitsführung sowie auf eine dafür gestaltete Einrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Einrichtungen bekannt, die für eine Genauigkeitssteigerung von Positionierungssystemen die auftretenden Führungsfehler in mehreren Freiheitsgraden
korrigieren können. Für Parallelkinematiken existieren bereits Einrichtungen, die Fehler in sechs Freiheitsgraden korrigieren können.
Bei Einrichtungen mit serieller Kinematik sind Vorrichtungen zur Korrektur nur einer
Winkellage bekannt.
Aus US 5 829 932 ist ein Maschinenschlittenaufbau bekannt, der mit Hilfe von mehreren
Stellgliedern zwischen Schiene und Schlitten um eine zur Verfahrrichtung senkrechte Achse verstellt werden kann. Dieser Aufbau dient zur Korrektur einer Winkellage und verursacht durch den Einsatz der hydraulisch betätigten Stellglieder zusätzlichen Aufwand.
Aus US 6325578 Bl ist ein Schlittenaufbau bekannt für dessen Bewegungsachse zwei Antriebe achsparallel eingesetzt werden. Durch asynchronen Achsbetrieb ist eine Winkelbewegung für eine Fehlerkorrektur senkrecht zur Bewegungsachse möglich. Dieser Aufbau dient zur Korrektur einer Winkellage. Eine Aussage zur Anwendbarkeit dieses Verfahrens in mehreren
Freiheitsgraden enthält diese Schrift nicht.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, dass zur Reduzierung von
Strukturschwingungen die Richtung der resultierenden Antriebskraft bei bewegten Objekten durch dessen Massenschwerpunkt orientiert wird. Es sind derzeit nur Einrichtungen bekannt, die diese Anordnung für eine Bewegungsachse realisieren.
Aus US 6698982 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, bei der ein Maschinenschlitten durch zwei achsparallele, symmetrisch zum Schlittenaufbau angeordnete Antriebe verfahren wird, wobei die Antriebsachsen, die Führungsflächen und der Massenschwerpunkt in einer horizontalen Ebene parallel zur Bewegungsrichtung liegt. Durch diese Anordnung führt die resultierende
Kraftrichtung stets durch den Massenschwerpunkt des Schlittens.
Aus US 7420298 B2 ist ein Hochpräzisions-Maschinenschlitten bekannt, bei dem die
translatorische Schlittenbewegung durch zwei parallele, symmetrisch zum Schlitten angeordnete Linearmotoren realisiert wird, wobei der resultierende, vertikale Kraftangriffspunkt des
Linearmotors mit dem vertikalen Massenschwerpunkt in einer horizontalen Ebene parallel zur Bewegungsrichtung liegt.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Korrektur von Führungsfehlern bei
Positionierungssystemen durch volumetrische Kompensation bekannt.
Aus EP 1 967 926 AI ist eine Vorrichtung und Verfahren zur temperaturabhängigen Korrektur von geometrischen Fehlern eines Positionierungssystems, z.B. einer Werkzeugmaschine, bekannt, bei der speziell für das Positionierungssystem alle Fehlerkomponenten volumetrisch ermittelt, daraus Korrekturwerte berechnet werden, und mit diesen der Steuercode eines
Programms für eine Positionierungsfunktion modifiziert wird. Dabei werden für das spezielle Positionierungssystem die berechneten Korrekturwerte für den gesamten Arbeitsraum in einer Korrekturmatrix zur Verfügung gestellt. Das temperaturabhängige Verhalten der Abweichungen wird entweder durch bekannte Materialeigenschaften der Systemgeometrie oder durch mehrere Referenzmessungen bei unterschiedlichen Temperaturen erfasst. Nachteilig bei diesem
Verfahren sind die großen Datenmengen die bei jeder Positionierungsfunktion verarbeitet werden müssen.
Die DE 10 2005 012 105 AI beschreibt ein Verfahren zur Kompensation von durch Deformation bedingten Positionierungsgenauigkeiten, bei dem zur Vermeidung von zusätzlichen Zeitaufwand die Kompensationswerte in Abhängigkeit von mindestens einem für den Ablauf des
Bewegungsprogramms generierten und erfassten Antriebsparameter bestimmt werden. Vor dem Start des Bewegungsprogramms und damit nicht im zeitkritischen Bereich wird ein
Deformationsparametersatz als Funktion des mindestens einen Antriebsparameters bestimmt. Die Kompensationswerte werden dann während der Durchführung des Bewegungsprogramms ermittelt.
Allen Präzisionsbewegungen gemeinsam ist die Notwendigkeit der in angemessenen
Toleranzgrenzen beherrschten Bewegung in den 6 Freiheitsgraden φ ζ ). Bei üblicherweise seriell aufgebauten Maschinen mit den Achsen x; y; z, ist nachteilig, dass die immer auch in φ χ ;φ γ ; φ ζ vorhandenen Bewegungen nicht aktiv in die Bewegungsvorgabe einbezogen werden können sondern nur als Fehler betrachtet werden und mit aufwändiger Fertigung und Montage die φ χ ;φ γ ; φζ-Bewegungen so klein bleiben müssen, dass die
resultierende Gesamtbewegung des Objektes hinreichend in den angestrebten Toleranzen verbleibt. Nachteilig ist dabei gleichermaßen, dass mit steigenden Genauigkeitsforderungen der Aufwand eher exponentiell steigt und zusätzlich die Bauteile hohe Steife verlangen, was zu vergleichsweise größeren Massen führt.
Ebenso sind Einrichtungen bekannt, die über 5 oder 6 gesteuerte Achsen das zu bewegende Objekt translatorisch und entsprechend rotatorisch aktiv steuern und bewegen können, die für solche Einrichtungen erforderlichen Funktionalitäten führen aber zu relativ großen Massen und Trägheiten, die wiederum das Beschleunigungsvermögen begrenzen.
Bei Parallelkinematiken können 6 Achsen gesteuert werden und die dabei bewegten Massen sind relativ gering, die erreichbare Genauigkeit wird aber hier durch die Gelenkeigenschaften und die komplexe Bewegungskinematik begrenzt.
Als entscheidende Defizite im Stand der Technik ist festzustellen, dass jeweils nur einzelne ausgewählte Eigenschaften der technischen Systeme betroffen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen von Präzisionsbewegungen von Objekten in x-,y- und z-Richtung mit hohen Beschleunigungen und relativ geringen Massen und Trägheiten des Systems anzugeben, womit Führungsfehler auf der Bewegungsbahn eines Objektes in allen sechs Freiheitsgraden mit den translatorischen Achsen x, yl, y2, zl, z2, z3 korrigiert werden können, obwohl die geringen Massen des Systems dem entgegenstehen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen. Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Einrichtung mit den im Anspruch 6 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, mit den Vorteile eines einfachen seriellen
Maschinenaufbaus (mit geradlinig translatorischen Stellachsen für die Bewegungen in x; y; z bei) der erfindungsgemäßen räumlichen Anordnung der Bewegungsachsen (in achsparallelen Richtungen) über kleine Wegdifferenzen der geradlinig translatorischen Stellachsen zusätzlich Winkelbewegungen in erzeugen zu können, wobei die Struktur konsequent so gestaltet ist, dass der Kraftangriff immer im Schwerpunkt der bewegten Einrichtung erfolgt und die beim Beschleunigen in x und y entstehenden Reaktionskräfte durch in gleicher Wirkungslinie und gleicher Größe entgegengesetzt wirkende Kompensationskräfte ausgeglichen werden, was ermöglicht, ein größeres Fehlerband nach Fertigung und Montage zu akzeptieren, da die aktuell mit geeigneten Verfahren ermittelten Bewegungsfehler mit einer den Parallelkinematiken vergleichbaren Steuerung in 6 Achsen korrigiert werden können. Das wiederum ermöglicht einen ausgeprägten Leichtbau der Einrichtung und damit hohe Beschleunigungswerte in den Stellachsen für das Erzeugen räumlicher Bewegungsbahnen hoher Präzision. Der strukturelle Aufbau unterstützt diese Zielstellung mit der Anordnung und Aufteilung der 6 Stellantriebe: der x-Schlitten wird durch einen Antrieb beschleunigt, dem auch die x- Achse tragenden y-Schlitten sind 2 Antriebe zugeordnet und der auch die x- und y-Schlitten tragende z-Schlitten wird durch 3 auf einem Fundament abgestützte Antriebe in senkrechter Richtung beschleunigt.
Die Achsanordnung wird dabei so gewählt, dass die Richtung der resultierenden Kraft stets durch den Massensch werpunkt der bewegten Objekte verläuft.
Die Korrekturwerte für eine Kompensation sollen hierbei nur für die anstehende technologische Bewegungsbahn und nicht für den gesamten Arbeitsraum gemessen werden. Dadurch wird die zu verarbeitende Datenmenge begrenzt.
Zur Ermittlung der Korrekturwerte wird die für die programmierte Arbeitsaufgabe formulierte Bewegungsbahn zeitnah vor der eigentlichen Bearbeitung abgefahren, so dass sich die
Randbedingungen bei Messung und Bearbeitung nur geringfügig unterscheiden. Bei der Messung fehlende Bearbeitungskräfte werden bei diesem Ansatz im Finish-Bereich als vernachlässigbar klein angenommen oder können mit zusätzlichen Korrekturen berücksichtigt werden.
Beim Abfahren der Bewegungsbahn im Messarbeitsgang werden alle systematischen
Fehlerkomponenten in 6 Freiheitsgraden (geometrische Fehler, Fehler durch Gravitation und Trägheit, thermisch bedingte Deformationen) erfasst. Eine Zuordnung der Fehleranteile zu ihren Ursachen ist dabei nicht erforderlich.
Die strukturelle Gestaltung der Einrichtung ist auf geringe bewegte Massen, Wiederholbarkeit von Bewegungsbahnen und geringe Schwingungsanregungen der Struktur durch die Antriebskräfte gerichtet, aus Fertigung und Montage resultierende Bahnabweichungen werden jedoch unverändert akzeptiert, sofern sie nicht die konstruktiv als zulässig definierten
Winkelbeträge von etwa lmm/m für φ χ (20); § y (22); φ ζ (18) am bewegten Objekt (1) überschreiten.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit einer Bewegungseinrichtung für
Präzisionsbewegungen nach dem beschriebenen Verfahren aus der aktuell ermittelten und in 6 Freiheitsgraden hoch aufgelösten fehlerbehafteten realen Bewegungsbahn mathematisch die für die technologische Aufgabe bestmögliche Bewegungsbahn bestimmt wird und an der dafür gestalteten Einrichtung bei relativ geringen bewegten Massen hohe Präzision durch hohe Beschleunigungen mit 6 gesteuerten linearen Bewegungsachsen erreicht wird.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung der Einrichtung
Fig. 2 eine Darstellung der Zuordnung der Stellachsen zu den Bewegungsachsen Fig. 3 eine Darstellung der Struktur der Einrichtung
Fig. 4 eine Darstellung des x-Schlittens mit Antrieben und Ausgleichsmasse
Fig. 5 eine Darstellung des y-Schlitten mit Antrieben
Fig. 6 eine Darstellung des Mess- und Korrekturverfahrens
Fig. 7 eine Darstellung der Gestellsäulen
Fig. 8 eine Darstellung der Lagerung einer z-Spindel
Fig. 9 eine Darstellung der Justage des z-Schlittens zum Gestell
Fig. 10 eine Darstellung der Verbindung des z-Schlittens mit der z-Führung
Fig. Heine Darstellung der Verbindung des z-Schlittens mit dem z- Antrieb
Fig. 12 eine Darstellung der Festkörpergelenke am y-Schlitten Fig. 13 eine Darstellung der Verspannung des y-Schlittens mit den drehpunktnahen y- Führungswagen
Fig. Heine Darstellung der Verspannung des y-Schlittens mit den drehpunktfernen y- Führungswagen
Fig. 15 eine Darstellung von Gestaltungsbeispielen für die Verspannung der Plattenstruktur an den bewegten Schlitten
Fig. 1 zeigt die Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung an einem
Ausfiührungsbeispiel. Das zu bewegende Objekt 1 - beispielsweise ein Werkstück - wird auf dem durch die Antriebseinrichtung x 3 bewegten Tisch 2 des x-Schlittens 4 befestigt, der seinerseits auf dem durch zwei Antriebsachsen y ! 6 und y 2 7 bewegten y-Schlitten 5 angeordnet ist, der sich auf dem durch drei Antriebseinrichtungen z 8 z 2 9 z 3 10 bewegten z-Schlitten 11 befindet. Der z-Schlitten 11 wird an einem mit dem Fundament verbundenen Gestell 12 geführt, welches mit dem Fundament 13 verbunden ist. Auf dem Gestell 12 ist eine Stützkonstruktion 14 angeordnet, die beispielsweise ein in einer Motorspindel 15 angeordnetes Werkzeug 16 an fester Stelle senkrecht zum Tisch 2 und mittig zu den Tischbewegungen in x- und y-Richtung stellt.
Fig. 2 ergänzt zu Fig. 1 die Zuordnung der 6 translatorischen Stellachsen zu den 6 zu steuernden Freiheitsgraden: der x-Schlitten 4 wird durch eine Antriebseinrichtung x 3 angetrieben, der y- Schlitten 5 wird durch die parallel angeordneten zwei Antriebseinrichtungen yi 6 und y 2 7 positioniert, die gleichzeitig eine Stellgröße als Positionsdifferenz Ay 17 für eine
Winkelkorrektur φ ζ 18 durch Positionsdifferenzen zwischen y \ 6 und y 2 7 erzeugen können. Die drei parallelen Antriebseinrichtungen z \ 8 z 2 9 z 3 10 der z-Achse realisieren das Positionieren des z-Schlittens 11 auf den z-Positionswert und über einzustellende Positionsdifferenzen Δζ ! /ζ 2/3 19 die Einstellung eines Korrekturwinkels φ χ 20 bzw. über Δζ 2 /ζ 3 21 die Einstellung eines
Korrekturwinkels <j> y 22 . In x- und y-Richtung wird der z-Schlitten 11 an den die z- Führungssysteme tragenden drei Säulen 23; 24; 25 des auf dem Fundament 13 befestigten Gestells 12 abgestützt.
Fig. 3 zeigt die am Ausführungsbeispiel realisierte Struktur des Gestells 12. Der z-Schlitten 11 wird mit Führungssystemen an drei Säulen 23; 24; 25 geführt und dort in x- und y-Richtung abgestützt. Die Säulen sind über die Deckplatte 26 und die Bodenplatte 27 verbunden und stellen das auf dem Fundament 13 befestigte Gestell 12 dar. Die Antriebseinrichtungen z \ 8 z 2 9 z 3 10 sind ebenfalls direkt auf dem Fundament abgestützt.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung des auf dem y-Schlitten 5 angeordneten x-Schlittens 4 mit der Antriebseinrichtung x 3 und den Kompensationsantrieben Klx Kompensationsantrieb 1 29 und K2x Kompensationsantrieb 2 30. Um den Schwerpunkt der mit dem x-Schlitten 4 bewegten Massen in den Angriffspunkt der Kraft 31 der Antriebseinrichtung x 3 tarieren zu können, sind die mit dem x-Schlitten verbundenen Ausgleichsmassen 32 vorgesehen. Diese können mit konstanten Anteilen den Schwerpunkt des x-Schlittens 4 in die gewünschte Lage bringen und bei Bedarf mit zusätzlichen variablen Anteilen der Ausgleichsmassen 32 den x-Schlitten 4 mit einem auf dem Tisch 2 aufgespanntes Werkstück 29 aktuell hinsichtlich der Übereinstimmung von Schwerpunktlage und Kraftangriff zu tarieren.
Fig. 5 zeigt den z-Schlitten 11 und den darauf angeordneten y-Schlitten 5 mit den
Antriebseinrichtungen yl 6 und y2 7 sowie die Kompensationsantriebe Ky \ 33 zu yl und Ky 2 34 zu y2.
Fig. 6 erläutert schematisch das der Einrichtung zugeordnete Mess- und Korrekturverfahren. Eine technologisch begründete Bewegungsaufgabe ist über geeignete Geometriebeschreibungen am Werkstück mathematisch formuliert und beinhaltet damit auch die für die Herstellung von Formelementen am Werkstück erforderliche Relativbewegung zwischen Werkzeug und
Werkstück. Beispielsweise soll eine Bohrung in einem Werkstück 35 gefertigt werden, indem es relativ zu dem an fester Position stehenden rotierenden Bohrer 36 an die Stelle Pi 37 bewegt wird und für den Bohrvorgang mit der technologisch begründeten Geschwindigkeit in Richtung der Bohrerachse bis zur Position P 2 38 bewegt wird. Üblicherweise wird dabei angenommen, dass für diese Bewegung nur die z-Positionen verändert werden müssen. Ein Protokoll über die Veränderung der Posen 39 eines Punktes des als Starrkörper betrachteten Werkstückes während dieser z-Bewegung zeigt aber bei entsprechender Auflösung immer bei jedem Bewegungsschritt Veränderungen in allen 6 Freiheitsgraden, wie im Protokoll 39 über den Verlauf von
x;y;z;<t> x ;<|)y;<t> z in den Zeitschritten At aufgeführt. Wenn ein solches Protokoll vorliegt und die Bewegung in 6 Freiheitsgraden steuerungsfähig ist, kann die bestmögliche Vorgabe für die angestrebte Bewegung in allen 6 Freiheitsgraden mathematisch bestimmt werden.
Da der heutige Stand der Technik insbesondere über optische Messverfahren das Erfassen solcher Bewegungsprotokolle ermöglicht, arbeitet die erfindungsgemäße Einrichtung mit einer neuen Genauigkeitsstrategie. Vor einer Präzisionsbearbeitung wird die dafür vorgesehene nominelle Bewegungsbahn ohne Werkzeugeingriff abgefahren, dabei das Poseprotokoll erfasst und daraus die aktuelle Bewegungsvorgabe der technologischen Bewegungsbahn für die 6 Freiheitsgrade erzeugt wird.
Eine solche Genauigkeitsstrategie verlangt von der Einrichtung nur gute Wiederholbarkeit der Bewegungen. Damit wird an der erfindungsgemäßen Einrichtung bei Fertigung und Montage bewusst ein größeres Toleranzband zugelassen, was neben Aufwandssenkung insbesondere geringere Massen der bewegten Baugruppen ermöglicht, da auch größere statische und thermische Verformungen tolerierbar sind, wenn diese jeweils aktuell erfasst und standardmäßig korrigiert werden.
Fig. 7 zeigt die Gestaltung der Führungssäulen am Beispiel der Säule 1 23. Mit zwei kräftigen Zugankern 40, die über zwei Lastverteilungsplatten 41 im Flächenschwerpunkt des Säulenprofils 42 angreifen, werden alle zwischen Druckplatte 43 und Grundplatte 44 liegenden Fugen mit hoher Pressung verspannt. Die Verspannung ist dabei so ausgeführt, dass die Zugankerspannung bereits vor der Fertigung der die Führungsschienen aufnehmenden Flächen 45 durch die
Hilfsverspannschrauben 46 zwischen der Kopfplatte 47 und der Fußplatte 48 aufgebracht wird. Bei der Montage der Säule 23 auf der Grundplatte 44 erfolgt durch das Anziehen der unteren zentrischen Spannschraube 49 bis zur Entlastung der unteren Hilfsverspannschrauben 46 die Verspannung zwischen Kopfplatte 47 und Grundplatte 44, ohne die Vorspannung der Fugen zwischen Führungssäule 23 und Fußplatte 48 zu lösen oder zu verringern. Nach der Montage der Führungssäule 23 auf der Fundamentplatte 28 kann mit den Justage-Stelleinrichtungen 50 zwischen der Grundplatte 44 und der Fundamentplatte 28 die an der Säule 23 angeschraubte zl- Führungsschiene senkrecht gestellt werden. Wenn alle drei Säulen senkrecht ausgerichtet sind, werden die Deckplatte 26 und die Druckplatten 43 aufgelegt und die obere Zentralschraube 49 bis zur Entlastung der oberen Hilfsverspannschrauben 46 angezogen. Damit ist der Aufbau des Gestells 12 abgeschlossen.
Fig. 8 zeigt die Gestaltung der Lagerung einer z-Spindel 51 am Beispiel der Antriebseinrichtung zl 8. Die Lagerung wird dabei direkt auf der mit der Fundamentplatte 28 verspannten
Grundplatte 44 aufgesetzt. Vor dem Verschrauben der Lagerungseinheit 52 mit der Grundplatte 44 wird die an der Seite der Spindelmutter 53 noch freistehende Spindel senkrecht gestellt. Eine im axialen Kraftfluss angeordnete Kippscheibe 54 ermöglicht die Verspannung so aufzubringen, dass die Spindel 51 in der ausgerichteten senkrechten Lage fixiert wird. Kippscheiben 54 sind so gestaltet ist, dass an diesen Scheiben je zwei schmale Nasen auf der Ober- und Unterseite mittig angebracht sind, welche von Ober- zu Unterseite um 90° versetzt sind und damit trotz hoher Axialsteife ähnlich einer kardanischen Lagerung reagieren bei den vorgesehenen Neigungen im Arbeitsbereich nur kleine Reaktionsmomente erzeugen und im erweiterten Betriebsbereich diese Reaktionsmomente begrenzen.
Fig. 9 zeigt den für die Montage im Gestell 12 vorbereiteten z-Schlitten 11. Dazu wird der z- Schlitten 11 von oben eingesetzt und mit geeigneten Hilfsmitteln - beispielsweise
höhenveränderlichen Stellböcken - abgestützt und so justiert, dass seine Lage in x- und y- Richtung sowie in φ ζ innerhalb der großzügig bemessenen Toleranzen etwa gemittelt wird und in dieser Stellung die am z-Schlitten 11 durch die x- Achse und die y- Achse auf dem Tisch 2 gebildete Ebene waagerecht liegt. In dieser Position werden die Führungswagen 55 und die Muttern der z-Spindeln 53 mit dem z-Schlitten 11 verbunden. Diese Verbindung erfolgt ausschließlich über axiale Verspannungen, wobei die Kräfte so aufgebracht werden, dass sich die räumliche Lage des Schlittens nicht verändert.
Fig. 10 zeigt die Ausführung der Verbindungsstellen zwischen dem Führungswagen einer z- Führung 55 und dem z-Schlitten 11. Über eine kräftige Spannschraube 56 werden der z-Schlitten 11 und der Führungswagen 55 über eine zwischengelegte Kippscheibe 57 so verbunden, dass eine hinreichende Steife zur Mitnahme des Führungswagens 55 bei z-Bewegung des Schlittens 11 und eine hohe Steife in x-Richtung und y-Richtung vorliegen, bei kleinen Winkeln φ χ 20 und φ 22 aber nur kleine Reaktionsmomente entstehen und diese durch die Kippscheiben 57 begrenzt werden.
Fig. 11 zeigt am Beispiel der Antriebseinrichtung zl 8 die Verbindung der Spindelmutter 53 mit dem z-Schlitten 11. Der obere Flansch 58 wird zentrisch zur ausgerichteten Spindel 51 auf den z- Schlitten 11 aufgelegt und über den unteren Flansch 59 mit dem z-Schlitten 11 durch die äußeren Zuganker 60 verspannt, wobei kontrolliert wird, dass sich bei dem Aufbringen der Spannkräfte die Lage der z-Spindel 51 nicht verändert. Danach wird die Spindelmutter 53 mit den inneren Zugankern 61 über die Spannscheibe 62 an den oberen Flansch 58 gespannt, wobei hier zwischen dem oberen Flansch 58 und der Spindelmutter 53 die erste Kippscheibe 63 und zwischen der Spindelmutter 53 und der Spannscheibe 62 eine zweite Kippscheibe 64 angeordnet sind, und damit das bei kleinen Neigungen des Schlitten 11 entstehende Biegemoment auf die z- Spindel 51 begrenzt wird. (Die Wirkungsweise dieser Kippscheiben ist dabei wie zu der
Kippscheibe in Fig. 8 beschrieben.) Auch hier wird beim Aufbringen der Spannkräfte kontrolliert, dass die z-Spindel 51 in der vorjustierten senkrechten Lage bleibt. Fig. 12 zeigt die Ausführung der Verbindung des y-Schlittens 5 mit dem z-Schlitten 11 für das Ausführen kleiner Winkelbewegungen in φ ζ 13. In die untere Platte des y-Schlittens 5 werden an den Bereichen der Anschraubstellen der y-Führungswagen 66 und 68 Festkörpergelenke eingearbeitet, wobei die Festkörpergelenke in Nähe der der y- Antriebe 6 und 7 befindlichen hinteren Führungswagen 66 , wie in 67 gezeigt, nur eine Winkelbeweglichkeit ermöglichen und steif in x-und y-Richtung reagieren. Für die anderen Führungs wagen 68 sind die
Festkörpergelenke wie in 69 ausgeführt und ermöglichen relativ große Verschiebungen in x- Richtung. Die in x-Richtung arbeitenden Gelenke 69 sind dabei so gestaltet, dass ein dem Dimensionierungsweg entsprechender Spalt 70 in die Gelenkgeometrie eingearbeitet ist und den möglichen Verschiebeweg auf das Spaltmaß begrenzt und so das Gelenk vor Überlastungen schützt.
Fig. 13 zeigt die Verspannung der Struktur des y-Schlittens 5 mit den hinteren Führungswagen y 66 im Bereich der Festkörpergelenke 67 in z-Richtung, die so gestaltet ist, dass das Verdrehen um den Winkel φ ζ über den richtungsfesten Führungswagen 66 über Kippen oder Biegen der im Kontaktbereich geschlitzten Stützrippen 63 mit relativ kleinen Reaktionskräften möglich ist.
Fig. 14 zeigt das Verspannen der Struktur des y-Schlittens 5 auf den vorderen Führungs wagen 68. Hier wird durch eine Pendelverspannung 74 die Druckkraft von der Schlittenstruktur über den führungswagenfesten Bereich des Festkörpergelenks 69 mit Kipplatten 73 auf den
Führungswagen 68 geleitet. Eine Verschiebung der Schlittenstruktur in x-Richtung durch φ ζ führt im Bereich dieser z-Verspannung zu einer geringen Neigung α 75 der Kippplatten 73 sowie der Pendelverspannung 74 in der x-z-Ebene und kann deshalb trotz hoher Verspannung mit kleinen Kräften realisiert werden.
Fig. 15 zeigt Beispiele für die Gestaltung sowie für die Verspannung der Struktur. Die Elemente der Tragstrukturen werden aus Leichtmetallplatten ausgearbeitet und im Wesentlichen zu kastenförmigen Strukturen zusammengefügt. Entsprechend der benötigten Kraftleitung werden zwischen der Deckplatte 76 und der Grundplatte 77 eines Strukturelements Stützrippen 78 angeordnet, die beispielsweise bei einer Dicke von 6 mm und einer dem Abstand von Deckplatte und Grundplatte entsprechenden Rippenhöhe von 200 mm bereits die gewünschte Steife beispielsweise für die Bettung einer Führungsschiene 79 liefern können. Die entsprechende Verspannung durch eine Vielzahl schlanker Zuganker 80 - beispielsweise .Gewindestäbe M6 mit mehr als 200 mm Länge - sichert dynamisch stabile und zeitlich konstante Verspannkräfte bei fast ausschließlicher Druckbelastung der Kontaktstellen und wenig ungewollter Biegung. Dazu erfolgt die Verspannung jeweils symmetrisch entweder über einreihige Zuganker zwischen zwei dichtstehenden Stützrippen 81 oder über zweireihige Zuganker neben einer Stützrippe 82. An für die Kraftleitung bedingten Kreuzungsstellen von Stützrippen 83 können diese je einen Schlitz beispielsweise bis zur halben Rippenhöhe und einer Schlitzbreite entsprechend der Rippendicke der anderen kreuzenden Rippe erhalten. Nach dem Zusammenstecken und Verspannen der Rippen sind die Steifeverluste durch die Schlitze vernachlässigbar, da die mit den Rippen verspannten Deckplatten und Grundplatten im Strukturverbund über der Schlitzbreite als unverletzte äußere Faser wirken. Durch die gestaltete Kraftleitung gering beanspruchte Bereiche an den Platten können für Masseeinsparung und weitere Funktionsanforderungen großzügig mit Aussparungen 84 versehen werden. Über in die Plattenelemente eingearbeitete Fügezapfen 85 und Fügenuten 86 lässt sich mit produktiver Fertigung - beispielsweise Wasserstrahlschneiden - die vollständige Struktur-Topologie unkompliziert in die Plattenelemente einprägen. Damit lässt sich ohne mechanische Nacharbeit an der Struktur mit üblicher Montage der korrekturfähige Genauigkeitsbereich erreichen.
Bezugszeichenliste
1 zu bewegendes Objekt, beispielsweise ein Werkstück
2 Tisch
3 Antriebseinrichtung x
4 x-Schlitten
5 y-Schlitten
6 Antriebseinrichtung yl
7 Antriebseinrichtung y2
8 Antriebseinrichtung zl
9 Antriebseinrichtung z2
10 Antriebseinrichtung z3
11 z-Schlitten
12 Gestell
13 Fundament
14 Stützkonstruktion Werkzeugseite
15 Motorspindel
16 Werkzeug
17 Positionsdifferenz Ay
18 Korrekturwinkel φ ζ
19 Positionsdifferenz Zi/z 2/3
20 Korrekturwinkel φ χ
21 Positionsdifferenz Δζ 2 /ζ 3
22 Korrekturwinkel φ γ
23 Säule 1
24 Säule 2
25 Säule 3
26 Deckplatte
27 Bodenplatte
28 Fundamentplatte
29 Klx Kompensationsantrieb 1
30 K2x Kompensationsantrieb 2
31 Kraftangriff Antriebseinrichtung x Ausgleichsmasse zum Tarieren der Schwerpunktlage Kyl Kompensationsantrieb zu yl
Ky2 Kompensationsantrieb zu y2
Werkstückbeispiel
Werkzeugbeispiel
PI Startposition Bohrvorgang
P2 Endposition Bohrvorgang
Protokoll von Posen
Zuganker Gestellsäule
Lastverteilerplatten
Flächenschwerpunkt Säulenprofil
Druckplatte
Grundplatte
Flächen für Führungsschienen
Hilfsverspannschrauben
Kopfplatte
Fußplatte
Spannschraube
Justage-Stelleinrichtung
z-Spindel der Antriebseinrichtung zl
Lagerungseinheit z-Spindel
Spindelmutter z-Spindel
Kippscheibe
Führungswagen z-Führung
Spannschraube
Kippscheibe
oberer Flansch
unterer Flansch
äußere Zuganker
inneren Zuganker
Spannscheibe
Kippscheibe 1
Kippscheibe 2
untere Platte des y-Schlittens hintere Führungswagen y
Festkörpergelenk als Drehpunkt
vordere Führungswagen y
Festkörpergelenk für vordere Führungswagen
Spalt als Überlastschutz
Neigung Stützrippe in x-z-Ebene
Geschlitzte Stützrippe
Kippplatte
Pendelverspannung
Neigung α Kippplatten und Pendelverspannung
Deckplatte eines Strukturelements
Grundplatte eines Strukturelements
Stützrippen in einem Strukturelement
Führungsschiene
Zuganker in der Strukturverspannung einreihige Zugankeranordnung
zweireihige Zugankeranordnung
Kreuzungsstelle von Stützrippen
Aussparungen in Platten der Struktur
Fügezapfen
Fügenut