Beim Brennschneiden oder Laserschneiden von Blechen mit schrägen Kanten für Schweissfugen oder bei der spanenden Fräsbearbeitung von Formen-und Gesenkgravuren mit Ausformschrägen und bei vielfältigen anderen Bearbei- tungsverfahren, besteht regelmässig in der Praxis Bedarf, die wirkenden Werk- zeuge schräg zur Werkstück Oberfläche während der Bearbeitung kontinuierlich anzustellen. Beim Bearbeiten in beliebigen Bahnen wie dies heutzutage mit numerischen Steuerungen üblich ist, müssen dann die Verschwenkungen in en- gen Eckenradien mit besonders hoher Geschwindigkeit verändert werden, weil sie die grösseren Bahnwege auszuführen haben.

Sogenannte parallelkinematische Werkzeugmaschinen-Strukturen sind seit der Mitte der 1990-ziger Jahre in Mode gekommen. Den traditionellen seriellen Auf- bauten mit der hintereinander Schaltung von Baugruppen, sucht man durch die Parallelschaltung mehr Steife und mehr Dynamik zu geben. Mit parallelkinema- tischen Strukturen lassen sich direkt auch Schrägstellungen des Bearbeitungs- kopfes erzielen, wie dies beispielsweise aus der US-PS 6'099'217 hervorgeht.

Nachteil bildet allerdings eine Beschränkung des grösstmöglichen Schrägungs- winkels, weil die Gelenke und Stäbe aufgrund ihrer Raumausdehnung kon- struktiv Grenzen setzen. Ausserdem sind parallelkinematische Strukturen wegen ihres grossen Bauvolumens, das meist allseitig den Bearbeitungsraum umgibt auch thermisch sensibel.

Bekannt ist aber auch bei traditionellen Maschinenstrukturen die Montage eines schwenkbaren Bearbeitungskopfes für die Werkzeuge an einer Pinolennase. Ein Beispiel dafür zeigt EP 1 092 499. Diese sogenannten Gabelköfpe haben zwei polare Schwenkachsen und beinhalten Antriebe, meist mit Schneckengetrieben, die die Achsen in den Schwenkebenen bewegen. Solche Antriebe beschränken auch den Raum für die Bearbeitung in Hohlformen, sie sind vor allem aber langs- am und/oder unzureichend steif gegenüber Bearbeitungskräften.

Auf diesem Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe eine Schwenkein- richtung an einer Bearbeitungsmaschine sowie eine mit dieser Schwenkeinrich- tung ausgerüstete Bearbeitungsmaschine zu schaffen, bei der die genannten Nachteile vermieden werden und die hochdynamische Schwenkbewegungen des Bearbeitungskopfes und/oder der Werkstückaufnahme erlaubt.

Die erfindungsgemässe Schwenkeinrichtung entspricht den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die erfindungsgemässe Bearbeitungsma- schine geht aus Patentanspruch 18 hervor. Weitere vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungsgedankens sind aus den abhängigen Patentansprüchen ersicht- lich.

Dank den hochdynamisch ausführbaren Bewegungen, werden sowohl die Bear- beitungszeiten als auch die Bearbeitungsqualität wesentlich verbessert. Insbe- sondere kann die Bearbeitungsmaschine dadurch auch wirksam mit einem das Werkstück bearbeitenden Laserstrahl arbeiten, da es hierbei auf präzise und hochdynamische Schwenkbewegungen ankommt, die sonst nur mit einem Robo- terarm zu erreichen sind.

Es gibt Programmierungssoftware zu NC-Steuerungen für Bearbeitungsmaschi- nen, zum Beispiel von Mastermind in München, die die Schrägstellung der Werk- zeuge zum Werkstück für die Einhaltung eines notwendigen Anstellwinkels des Fräsers selbsttätig berechnen. Koordiniert zur programmierten Fräsbahn und unter Berücksichtigung der Auskraglänge der Werkzeuge, d. h. bezogen auf den TCP bzw. tool center point, werden mit der Eingabe des beabsichtigten Anstell- winkels alle Berechnungen online durchgeführt. Da die erfindungsgemässe Schwenkeinrichtung über einen zentralen Drehpunkt verfügt, dem MCP bzw. machine center point, kann dieselbe oben zitierte Programmier-Software benutzt werden wie bei den bisher bekannten Lösungen mit schwenkbaren Bearbei- tungsköpfen. Lediglich seitens der NC-Steuerung sind für die Ansteuerung der stabkinematischen Antriebe entsprechende Anpassungen erforderlich.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein erstes Beispiel der erfindungsgemässen Schwenkeinrichtung an einer Bearbeitungsmaschine ; Fig. 2 zeigt in einer schematischen Draufsicht die Schwenkung des Bearbei- tungskopfes der Bearbeitungsmaschine nach Fig. 1 mittels längenver- stellbare stabkinematischen Antrieben ; Fig. 3 zeigt in einer schematischen Draufsicht die Schwenkung des Bearbei- tungskopfes der Bearbeitungsmaschine nach Fig. 1 mittels stabkinemati- schen Antrieben mit verschiebbaren Fusspunkten ; Fig. 4 zeigt, als Alternative zum Beispiel nach Fig. 1, die Schwenkung der Werkstückaufnahme der Bearbeitungsmaschine ; Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schwenkeinrichtung am Maschinenausleger einer Bearbeitungsmaschine in Seitenansicht, mit einem stabkinematischen und einem Rotationsantrieb ; Fig. 6 zeigt die Schwenkeinrichtung nach Fig. 5 in der Draufsicht.

In den vorliegenden Beispielen wird die Anwendung der Schwenkeinrichtung in einer Konsol-Fräsmaschine beschrieben. Es handelt sich dabei um ein Maschi- nenkonzept mit serieller Grundstruktur und mindestens teilweise parallelkine- matisch auslenkbarem Bearbeitungskopf mit festem Drehpunkt, dem MCP bzw. machine center point.

In Fig. 1 ist mit 1 die Maschinengrundstruktur bezeichnet. Diese umfasst prinzi- piell alle zum Grundkonzept der Bearbeitungsmaschine gehörenden Baugrup- pen, also auch diejenigen, die mittelbar den Arbeitsbewegungen in verschiede- nen Achsen dienen, beispielsweise in einer X-, Y-und Z-Achse. Mit 2 das Gestell der Bearbeitungsmaschine bezeichnet. Auf dem Gestell 2 ist ein ebener Kreuzschlitten 3 montiert, für die Bewegungen des Maschinenauslegers 4 in einer X-Achse und in einer rechtwinklig dazu stehenden Y-Achse. Der Maschinenausleger 4 trägt den Bearbeitungskopf 7, in den das eigentliche Bearbeitungswerkzeug eingebaut ist, im vorliegenden Beispiel eine Frässpindel.

Als Werkstückaufnahme 5 dient hier eine Konsole mit Werkstückaufspannfläche.

Auch eine Ausbildung als Werkzeugtisch ist denkbar. Die Werkstückaufnahme 5 kann auf und ab entlang der senkrechten Achse Z bewegt werden.

Der Bearbeitungskopf 7 ist an einem Maschinenausleger 4 mittels eines zentra- len Gelenkes 6 befestigt, beispielsweise eine kardanische Gelenkgabel mit La- gern 62 und 63. Beabstandet zu dieser Befestigung durch das Gelenk 6, bzw. die Gelenkgabel, wird der Bearbeitungskopf 7 mit zwei hochdynamischen, stab- kinematischen Antrieben 12 und 13 an den Gelenkpunkten 8 und 9 angekoppelt.

Diese Gelenkpunkte 8 und 9 greifen seitlich am Bearbeitungskopf 7 an und haben durch dessen Struktur einen bestimmten, festen Abstand voneinander.

Die stabkinematischen Antriebe 12 und 13 sind an deren anderem Ende, d. h. an deren Fusspunkten 10 und 11, auf dem Maschinenausleger 4 über ortsfeste Konsolen gelenkig gelagert. Sie können mit je einem Motor 14 bzw. 15 angetrieben werden, beispielsweise mit einem Elektromotor.

Bei den stabkinematischen Antrieben 12 und 13 kann es sich beispielsweise um Linearverschiebungseinrichtungen in Form von Teleskopstreben handeln. Der funktionelle Aufbau einer derartigen Teleskopstrebe besteht aus einem Aussen- rohr und einem linear darin geführten Innenrohr. Der Vorschub des Innenrohres kann entweder über eine Kugelrollspindel oder über einen Rollengewindetrieb erfolgen. Bei diesen Teleskopstreben sind hohe Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 0.8 m/s möglich.

Wie aus der Draufsicht nach Fig. 2 ersichtlich, wird der Bearbeitungskopf 7 von dem seinerseits an einem Lagerzapfen 61 am Maschinenausleger 4 angekop- pelten Gelenk 6, bzw. der Gelenkgabel, an den Lagern 62 und 63 getragen. Die hochdynamischen, stabkinematischen Antriebe 12 und 13 sind als Stäbe in ver- schiedenen Stellungen dargestellt.

Durch symmetrische Verlängerung oder Verkürzung der Streben der stabkine- matischen Antriebe 12 und 13 kann der Bearbeitungskopf 7 verschwenkt wer- den, und zwar zur Position 8', 9'oder zur Position 8", 9", mit der entsprechenden Schrägstellung des Werkzeuges. Das Schwenken erfolgt letztlich um die Achsen A und B. Die Verlagerung des Werkzeugangriffspunktes TCP bzw. tool center point wird, wie beim Stand der Technik üblich, durch die NC-Steuerung durch synchrone Bewegung der X-, Y-und Z-Achse ausgeglichen.

Durch gegensinnige Verkürzung und Verlängerung der Streben der stabkine- matischen Antriebe 12 und 13 ergeben sich die Positionen 8"'und 9"'nach rechts oder die Positionen 8""und 9""nach links. Durch eine zwischen diesen Vorzugspositionen gewählte Länge der Streben der stabkinematischen Antriebe 12 und 13 lassen sich alle räumlichen Zwischenlagen ansteuern.

In der Ausführung nach Fig. 3 weisen die stabkinematischen Antriebe 12 und 13 keine Teleskopstrebe, sondern eine feste Stablänge auf. Dafür sind die Fuss- punkte 10'und 11', d. h. die Konsolen, wie durch Pfeile angedeutet entlang von seitlichen Führungen am Maschinenausleger 4 linear verschiebbar gelagert. Das Verschieben erfolgt, wie dies schon beim Lagerzapfen 61 der Fall ist, in Richtung der Y-Achse. Auch hier ist ein hochdynamisches Verschieben und dadurch auch ein hochdynamisches Schwenken des Bearbeitungskopfes 7 möglich.

Durch symmetrisches Verschieben der Fusspunkte 10'und 11'der stabkinema- tischen Antriebe 12 und 13 in die Positionen 10"und 11"kann der Bearbeitungs- kopf 7 verschwenkt werden, und zwar von der Position 8'bzw. 9'zur Position 8" bzw. 9". Dadurch wird wiederum auch das am Bearbeitungskopf 7 angeordnete Werkzeug schräg gestellt. Die Verlagerung des Werkzeugangriffspunktes (TCP) erfolgt, wie schon beim vorgehend beschriebenen Ausführungsbeispiel, durch synchrone Bewegung der X-, Y-und Z-Achse über eine NC-Steuerung. Durch gegensinnige Verschiebungen der Fusspunkte 10"'und 11"'der stabkinemati- schen Antriebe 12 und 13 ergeben sich wiederum die Positionen 8'"und 9'" nach rechts oder die Positionen 8""und 9""nach links. Durch eine zwischen diesen Vorzugspositionen gewählte Position der Fusspunkte der stabkinemati- schen Antriebe 12 und 13 lassen sich alle räumlichen Zwischenlagen ansteuern.

Auf der Grundlage des Erfindungsgedankens ist es, wie in Fig. 4 dargestellt, alternativ auch möglich, anstelle des Bearbeitungskopfes 7 die Werkstück- aufnahme 5 durch die stabkinematischen Antriebe 11 und 12 entsprechend zu bewegen. Die Bewegungen der Werstückaufnahme 5 erfolgen nach demselben Muster wie zuvor schon anhand des Bearbeitungskopfes 7 beschrieben.

In jedem Fall ist die Steuerung, vorzugsweise eine NC-Steuerung, mit Messsys- temen gekoppelt, die entweder die Längenveränderungen der stabkinemati- schen Antriebe 12 und 13 erfassen, oder in der Ausführung mit festen Streben bzw. mit konstanten Längen, die Lage der Fusspunkte 10 und 11 in den linearen Führungen. Hierdurch kann die Steuerung stets die Schwenkposition des Bear- beitungskopfes 7 oder alternativ die Lage der Werkstückaufnahme 5 erkennen.

Eine weitere Möglichkeit die gegenseitige Lage des Bearbeitungskopfes 7 und der Werkstückaufnahme 5 zu erkennen besteht, wie insbesondere aus den Fig.

2 und 3 ersichtlich, in der Messung der Schwenkposition des zentralen Gelenkes 6 in der Achse B bzw. des in dessen Gelenkgabel gehaltenen Bearbeitungs- kopfes 7 in der Achse A. Diese Schwenkpositionen werden durch rotative Mess- geber 64 und 65 erfasst, welche die exakte Winkelstellung in der Achse A und der Achse B direkt messen. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass Störgrössen, wie beispielsweise eine kraft-oder temperaturbedingte Verformung der stab- kinematischen Antriebe 12 und 13, ohne negativen Einfluss bleiben.

Zusammenfassend kann es sich bei den Linearverschiebungseinrichtungen, bzw. bei den stabkinematischen Antrieben 12 und 13 entweder um längenver- änderliche. Streben handeln, vorzugsweise um Teleskopstreben, oder um Stre- ben fester Länge, die durch Verschieben und/oder Verschwenken wirken. Es liegt hierbei auf der Hand, dass diese Streben ansonsten beliebig aufgebaut sein können. Wesentlich ist für das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1-4 nur, dass sie einerseits mittelbar oder unmittelbar am Bearbeitungskopf 7 oder an der Werkstückaufnahme 5 und andererseits mittelbar oder unmittelbar an der Ma- schinengrundstruktur 1 befestigt sind. Dies bedeutet, dass die stabkinemati- schen Antriebe 12 und 13 anstatt am Maschinenausleger 4 auch an einem beliebigen anderen, zum Grundkonzept der jeweiligen Bearbeitungsmaschine gehörenden Bauteil angekoppelt sein können, wie beispielsweise an einem Portal. In diesem Sinn bezieht sich die eingangs angesprochene Maschinen- grundstruktur 1 auf sämtliche Baugruppen, die zum jeweiligen Grundkonzept gehören.

Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 und 6 wird zur Bewegung in der Achse A mindestens ein linear wirkender, stabkinematischen Antrieb eingesetzt. Die Ach- se B kann durch einen Rotationsantrieb angetrieben werden.

Der Bearbeitungskopf 7 ist an einem Maschinenausleger 4 mittels eines zentra- len Gelenkes 66 befestigt, beispielsweise eine Gelenkgabel mit Lagern 62 und 63. Diese Lager 62 und 63 bilden eine Achse A, um die der Bearbeitungskopf 7 schwenkbar ist.

Das Gelenk 66 selbst ist, beispielsweise mittels eines Lagerzapfens 61, bzw. einer Lagerwelle, um eine rechtwinklig zur Achse A liegenden Achse B schwenk- bzw. rotierbar. Diese Schwenk-bzw. Rotationsbewegung wird in diesem Aus- führungsbeispiel durch einen herkömmlichen Rotationsantrieb angetrieben, beispielsweise durch einen über ein Schneckengetriebe und eine Drehspindel wirkenden Elektromotor.

Beabstandet zum Drehpunkt MCP des Gelenkes 66 wird der Bearbeitungskopf 7 mit einem hochdynamischen, stabkinematischen Antrieb 20 und 21 an den Gelenkpunkten 16 und 17 über eine Gabel 18 angekoppelt. Der stabkinemati- sche Antrieb 20 und 21 ist an dessen anderem Ende, d. h. an dessen Fusspunkt, am Gelenk 66 über ein ortsfestes Lager 19 gelagert. Der stabkinematische Antrieb 20,21 ist damit einerseits am Bearbeitungskopf 7 und andererseits am Gelenk 66 angekoppelt. Theoretisch könnte das letztgenannte Ende des stabskinematischen Antriebes 20,21, anstatt am Gelenk 66, an einem anderen beweglichen Bauteil angekoppelt sein. Wichtig ist nur, dass der stabkinemati- sche Antrieb 20,21 derart mit dem Gelenk 66 zusammenwirkend angeordnet ist, dass er dessen Rotation in der Achse B mitmacht.

Der stabskinematische Antrieb 20,21 kann, wie schon der Rotationsantrieb, mit einem Motor angetrieben werden, beispielsweise mit einem Elektromotor. Denk- bar ist es auch hier, dass der stabskinematische Antrieb eine während des Be- triebes der Schwenkeinrichtung nicht veränderbare Länge aufweist. Dies indem ein Fusspunkt entlang einer Führung verschiebbar gelagert ist, beispielsweise durch eine ruhende Kugelrollspindel und eine angetriebene Mutter.

Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist es alternativ möglich, anstelle des Bear- beitungskopfes 7, die Werkstückaufnahme zu bewegen, wie es schon im ersten Ausführungsbeispiel erläutert wurde. In diesem Fall wird die Werkstückaufnahme durch einen Rotationsantrieb in der Achse B und durch einen linearen, bzw. stabkinematischen Antrieb 20 und 21 in der Achse A bewegt. Der Unterschied liegt nur darin, dass die Werkstückaufnahme anstelle des Werkzeugs das Werk- stück trägt. Die Merkmale der beiden vorgehend beschriebenen Ausführungsbeispiele las- sen sich auch kombinieren. Dies indem auch zum Antrieb der rotierenden ersten Achse B-wie dies schon im ersten Ausführungsbeispiel u. a. in Fig. 2 vorge- sehen ist-mindestens ein stabkinematischer Antrieb 12,13 verwendet wird. Der Antrieb in der zweiten Achse A erfolgt entsprechend dem zweiten Ausführungs- beispiel gemäss Fig. 5. Wesentlich ist, dass dabei der stabkinematische Antrieb 20,21 für die zweite Achse A-wie dies im zweiten Ausführungsbeispiel vorge- sehen ist-derart mit dem Gelenk 66 zusammenwirkend angeordnet ist, dass er dessen Rotation in der ersten Achse B mitmacht. Es sei hier angemerkt, dass für die zweite Achse A auch mehrere stabkinematische Antriebe eingesetzt werden könnten.

Der grosse Vorteil der beiden letztgenannten Ausführungen liegt darin, dass diese Schwenkeinrichtung auch bei grossen Schrägungswinkeln von +90° bis- 90° sehr genau arbeitet. Die Toleranzen werden bei grösser werdendem Schrägungswinkel nicht verschlechtert. Dies ist beim ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1-4 der Fall, weil die stabkinematischen Antriebe bei grossen Schrägungswinkeln eine ungünstige Winkelstellung einnehmen. Letztere Be- arbeitungsmaschine ist somit hauptsächlich dort geeignet, wo ein Arbeiten mit kleineren Schrägungswinkeln gewünscht wird. Auch bei der Schwenkeinrichgung nach den Fig. 5 und 6 sind die Bewegungen hochdynamisch. Der Mehrpreis für die zusätzliche fünfte Maschinenachse steht in einem sehr guten Preis- Leistungsverhältnis. Daher wird der Einsatzbereich dieser 5-Achs-Maschinen weit über den Formenbau hinaus auf ein grossen Kundeninteresse stossen.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Schwenkeinrichtung im einzelnen auch anders auszubilden oder in anderen Bearbeitungsmaschinen einzusetzen, als vorgehend beschrieben. Als jeweilige Länge der stabkinematischen Antriebe ist immer deren wirksame Länge gemeint. Diese kann auch dadurch verändert wer- den, dass ein in der Länge an sich gleich bleibender Stab mit einem Ende über ein Gelenk-oder Fusspunkt hinausgeschoben wird. Wo technisch machbar, ist auch eine Umkehrung der Anordnung der einzelnen Bauteile möglich.

Diese Schwenkeinrichtung ist für spanabhebende, spanlos und umformende Verfahren gedacht, wo zunehmend ein schnelles hochdynamisches Reagieren der Schwenkeinrichtung gewünscht wird. Insbesondere ist die erfindungs- gemässe Schwenkeinrichtung hervorragend für Laserstrahlen emittierende Bear- beitungsköpfe 7 geeignet.

Die erfindungsgemässe Schwenkeinrichtung eignet sich sowohl für vertikale wie horizontale, kartesisch angeordnete Maschinenkonzepte in ein-und mehrspind- liger Ausführung. Dabei ist sie in leistungsfähige numerische Steuerungen mit wenigstens fünf Achsen, einer offenen Systemarchitektur und mit freier Konfigu- rierung der Benutzeroberfläche sowie des NC-Kernes usw., über einstellbare Übertragungsfaktoren gut integrierbar. Demgegenüber sind die Anforderungen an die NC-Steuerung für gemäss dem Stand der Technik rein parallelkine- matisch aufgebaute Hexapod-Maschinen extrem hoch. Dort ist eine grosse Re- chenleistung vor allem erforderlich, um spezielle Regelalgorithmen einschliess- lich der Transformationen in beiden Richtungen im Regeltakt realisieren zu kön- nen. Dazu müssen gleichzeitig alle Messwerte zur Verfügung stehen. Die NC- Steuerung für die Integration der erfindungsgemässen Schwenkeinrichtung muss auch schnell und leistungsfähig sein, kommt aber grundsätzlich mit der üblichen Standardsoftware für 5-Achs-Standardmaschinen aus. Lediglich für die Ansteue- rung der stabkinematischen Antriebe für die Schwenkbewegung sind einstellbare Übertragungsfaktoren erforderlich.