Aus Industrieanzeiger AWK 99, S. 39, Juni 1999,"Die neuen Systeme müssen schnell und zuverlässig sein", M. Krell, ist eine Bearbeitungsma- schine bekannt, wobei die Antriebe als verfahrbare Schlitteneinheiten ausgebildet sind, die jeweils eine um ihre Querachse drehbar gelagerte Koppel tragen, die an ihrem anderen Ende über ein Gelenk mit drei Dreh- freiheitsgraden (Kugelgelenk) mit der Halterung für das Werkzeug oder Werkstück verbunden ist. Die genannte Bearbeitungsmaschine hebt zwar den Nachteil von konventionellen Maschinen, die einen seriellen Aufbau der einzelnen Antriebe aufweisen, auf, indem drei parallel angeordnete Linearaktoren Anwendung finden, also eine Paralielkinematik ausgebildet ist. Jedoch weist diese Ausführung verschiedene Nachteile auf.

Um ausreichende Verfahrwege und Orientierungswinkel zu erreichen, be- nötigen die Schlitteneinheiten Führungs-und Antriebssysteme, welche in der Z-Bewegungsrichtung angeordnet sind und fest mit z. B. einem Rah- men verbunden sind. Dies hat zur Folge, daß die Schlitteneinheiten mit dem erforderlichen Unterbau in den Arbeitsraum der Maschine hineinra- gen und den kollisionsfreien Arbeitsraum stark einschränken.

Die oben genannten Schlitteneinheiten mit Unterbau schränken die Bewe- gungs-und Orientierungsmöglichkeit der Vorrichtung stark ein, da im ein- gefahrenen Zustand (minimaler Z-Hub) bei der Orientierung der Plattform Kollisionen der Plattform/Hauptspindel mit den Schlitteneinheiten vermie- den werden müssen.

Auch bei geringem Z-Hub der Bearbeitungsmaschine ragen die Schlitten- einheiten in den Arbeitsraum, da der verbleibende Z-Hub der Linearakto- ren zur Orientierung der Bearbeitungsmaschine vorgehalten werden muß.

Um eine ausreichende Steifigkeit der auskragenden Schlitteneinheiten zu gewährleisten, muß der Unterbau der Schlitteneinheiten steif ausgeführt werden, so daß sich ein hohes Gesamtgewicht der Vorrichtung, welche in der Regel als Einheit in zwei weiteren linearen Achsen bewegt wird, mit entsprechend geringer Dynamik ergibt.

Die erzielbare Genauigkeit der Vorrichtung wird dadurch eingeschränkt, daß sich ein Koppelglied zwischen der Plattform und den Antrieben mit den Meßsystemen befindet. Thermische Verlagerungen durch Tempera- turveränderungen der Koppeln sowie Fertigungs-und Montageungenauig- keiten der beidseitig gelagerten Koppeln werden durch das an der Schlit- teneinheit befestigte Meßsystem nicht erfaßt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, den Aufbau der Bearbeitungsmaschine zu vereinfachen und zugleich die Genauigkeit der Bewegung des Werkzeuges oder Werkstückes zu ver- bessern.

Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einachsige Drehgelenke die Antriebe mit dem Gestell verbin- den und mit Hilfe der Linearaktoren der Abstand zwischen den Drehgelen- ken und den Gelenken mit drei Drehfreiheitsgraden veränderbar ist. Es

werden also sowohi der Antrieb der das Werkzeug oder das Werkstück tragenden Halterung als auch die Sperrung der verbleibenden drei Frei- heitsgrade von den drei Linearaktoren ohne Zwischenelemente, wie z. B.

Koppeln, realisiert. Dabei haben die Linearaktoren gegenüber den Antrie- ben einen linearen Freiheitsgrad und werden von den Antrieben entlang dieses linearen Freiheitsgrades bewegt. Daraus ergibt sich in vorteilhafter Weise, daß die Linearaktoren lediglich eine einfache Drehlagerung im Rahmen benötigen, ohne daß es eines weiteren Unterbaus bedarf.

Dies hat zur Folge, daß keine Gestellbauteile, die permanent in den Ar- beitsraum hineinragen, erforderlich sind und somit den Arbeitsraum nicht einschränken bzw. beim Verfahren der gesamten Bearbeitungsmaschine im Arbeitsraum keine Kollisionsgefahr darstellen. Da auf den oben ge- nannten Unterbau verzichtet werden kann, besitzt die Bearbeitungsma- schine eine vergrößerte Orientierungsmöglichkeit, die nicht durch Kollisio- nen der Linearaktoren mit dem oben genannten Unterbau eingeschränkt wird.

Weiterhin beschränkt sich die Störkontur der Bearbeitungsmaschine in jedem Arbeitspunkt auf das minimal Notwendige, da z. B. bei geringem Hub in z-Richtung keine Schlitteneinheiten in den Arbeitsraum ragen, die zur Orientierung der Bearbeitungsmaschine vorgehalten werden müssen.

Das Fehlen der herausragenden Schlitteneinheiten mit dem erforderlichen Unterbau führt darüber hinaus zu einem geringeren Gesamtgewicht der Bearbeitungsmaschine, so daß eine höhere Dynamik beim Verfahren der gesamten Bearbeitungsmaschine mit nachgeschalteten seriellen Achsen erreicht wird.

In bevorzugter Weise ist die Halterung als Plattform ausgebildet, so daß in herkömmlicher Weise ein Werkstück daran befestigt werden kann. Ande- rerseits kann die Halterung in Form einer Platfform genügend Fläche bie- ten, um ein Werkzeug daran zu befestigen. Als Werkzeug kann bspw. eine

Hauptspindel mit Werkzeug oder jede andere Art von Werkzeug vorgese- hen sein.

Weiter bevorzugt ist es, die Linearaktoren in einer 120°-Teilung anzuord- nen, wobei ebenfalls die kardanischen Gelenke in einer derartigen Win- kelteilung an der Halterung befestigt sind. Diese Winkelaufteilung bietet den Vorteil, daß die Linearaktoren an Punkten an der Halterung angreifen, die jeweils einen gleichen Abstand zueinander aufweisen. Dadurch wird nicht zuletzt auch die Berechnung der Anordnung der Halterung im Raum und somit die Ansteuerung der Antriebe vereinfacht.

In weiter bevorzugter Weise sind die Gelenke mit drei Drehfreiheitsgraden als Kugelgelenke ausgebildet.

Vorzugsweise sind weiterhin die Antriebe als Lineardirekt-, Kugelgewinde-, Teleskop-oder als Zahnstangen-Ritzelantriebe ausgebildet.

Weiterhin können die Antriebe eine Linearmeßvorrichtung aufweisen, um die Position der Linearaktoren genau bestimmen zu können. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der direkten Messung der Stellwege der Linearaktoren zwischen den an der Halterung befestigten Gelenken mit drei Drehfrei- heitsgraden und den Antrieben ohne Zwischenglieder. Dadurch wird eine höhere Genauigkeit bei der Bewegung und Positionierung des Werkzeu- ges oder Werkstückes erreicht.

In besonders bevorzugter Weise sind Halterungen zum Tragen der Antrie- be vorgesehen, so daß die Antriebe nicht direkt über die Drehgelenke mit dem Gestell verbunden werden müssen. Die Halterungen sind dabei vor- zugsweise als Antriebskästen ausgebildet, die außenseitig über das Dreh- gelenk mit dem Gestell verbunden sind und die innenseitig den Antrieb für den zugeordneten Linearaktor tragen. Bei der Ausführung des Linear- aktors als Lineardirektantrieb trägt z. B. der Antriebskasten das Primärteil

mit zwei gegenüberliegenden Primärmotoren und dazwischen ist ein lan- ges Sekundärteil geführt, das aus einem Träger mit aufgeklebten Mag- neten besteht. Diese Ausführungsform ist insofern besonders geeignet als ohnehin eine gewisse Breite der Aktoren erforderlich ist, um Torsionskräfte um die Aktorlångsachse aufnehmen zu können und eine sehr hohe Dy- namik erreicht wird.

In weiter bevorzugter Weise sind die Halterungen, insbesondere die Dreh- achsen der Drehgelenke in einer Ebene angeordnet. Dadurch wird die Be- rechnung der Position der Halterung des Werkzeuges oder Werkstückes vereinfacht, wobei vorzugsweise die Achsen der Drehgelenke quer zur Richtung der linearen Verstellung der Linearaktoren ausgerichtet sind.

Weiterhin bevorzugt ist, daß das Gestell als Rahmen ausgebildet ist, so daß einerseits bei ausreichender Stabilität nur ein minimales Gewicht für den Rahmen erforderlich ist. Andererseits wird die Bewegungsfreiheit ins- besondere im Bereich der z-Achse durch eine entsprechende im Gestell- rahmen ausgebildete Öffnung weitgehend uneingeschränkt gewährleistet.

Die zuvor beschriebene Bearbeitungsmaschine ermöglicht ein mehrachsi- ges Bewegen eines Werkzeuges oder eines Werkstückes in einem trans- latorischen und zwei rotatorischen Freiheitsgraden. Um die für eine Bewe- gung im Raum erforderlichen zwei weiteren translatorischen Freiheitsgra- de zu realisieren, sind in bevorzugter Weise mindestens ein, vorzugsweise zwei Antriebe vorgesehen, die das Gestell linear, vorzugsweise senkrecht zur z-Achse verstellen. Somit kann mit Hilfe der Bearbeitungsmaschine das Werkstück oder Werkzeug im gesamten dreidimensionalen Raum in- nerhalb des vorgegebenen Arbeitsbereiches bewegt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieies nä- her eriäutert, wobei auf die beigefügte Zeichnung bezug genommen wird.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine in einer per- spektivischen Darstellung, wobei die ais Plattform ausgebil- dete Halterung 5 parallel zum Gestell 3 angeordnet ist, Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Bearbeitungsmaschine in einer per- spektivischen Darstellung, einen anderen Bewegungszu- stand darstellend, wobei die Halterung 5 um die beiden Drehachsen A, B anders orientiert ist, und Fig. 3 die in Fig. 1 und 2 dargestellte Bearbeitungsmaschine mit einer Vorrichtung zum Verfahren in x-und y-Richtung.

In den Fig. 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine zum mehrachsigen Bewegen eines Werkzeuges 6 dargestellt, die eine das Werkzeug 6 tragende Halterung 5 aufweist. Weiterhin sind drei Linearakto- ren 1 a, 1 b und 1c vorgesehen, die über drei Gelenke mit drei Drehfrei- heitsgraden 4a, 4b und 4c mit der Halterung 5 verbunden sind. Die Linear- aktoren 1 a, 1 b und 1 c werden durch Antriebe 7a, 7b und 7c linear entlang ihres Freiheitsgrades verstellt. Darüber hinaus ist ein Gestell 3 vorgese- hen, das die Antriebe 7a, 7b und 7c bzw. bei den Lineardirektantrieben die Antriebskästen trägt. Erfindungsgemäß sind einachsige Drehgelenke 2a, 2b und 2c vorgesehen, die die Antriebe 7a, 7b und 7c mit dem Gestell 3 verbinden. Somit können die Linearaktoren 1 a, 1 b und 1 c linear von den Antrieben 7a, 7b und 7c verstellt werden, während gleichzeitig, abhängig von der Position der Halterung 5 die Linearaktoren 1 a, 1 b und 1 c über die Antriebe 7a, 7b und 7c um die einachsigen Drehgelenke 2a, 2b und 2c verschwenkt werden können.

Wie die Fig. 1 bis 3 zeigen, ist die Halterung 5 als Plattform ausgebildet, die von Linearaktoren 1 a, 1 b und 1 c im Raum verstellt werden kann. Die drei Aktoren stellen die z-Position sowie die Orientierung um x und y ein.

Die Linearaktoren 1 a, 1 b und 1c sowie die Gelenke 4a, 4b und 4c sind in einer 120°-Teilung angeordnet. Weiterhin sind die Gelenke 4a, 4b und 4c als Kugelgelenke ausgebildet.

Die Antriebe 7a, 7b und 7c sind in bevorzugter Weise als Lineardirektan- triebe ausgebildet. Für ein genaues Führen der Linearaktoren 1a, 1b und 1c sind Linearführungen 8a, 8b und 8c vorgesehen, die mit den Antrieben 7a, 7b und 7c zusammenwirken.

In den Fig. sind die Antriebe 7a, 7b und 7c schematisch als Antriebskästen dargestellt. Der Aufbau der Antriebskästen ist dabei derart ausgebildet, daß zum einen als Kästen ausgebildete Halterungen vorgesehen sind, die außenseitig mit den Drehgelenken 2a, 2b und 2c verbunden sind und die innenseitig die Primärteile der Antriebe 7a, 7b und 7c tragen. Die Primär- teile wirken dann mit den Sekundärteilen, bspw. den Linearführungen 8a, 8b und 8c für ein Verstellen der Linearaktoren 1 a, 1 b und 1 c zusammen.

Wie die Fig. 1 und 2 weiterhin zeigen, sind die Antriebe, bzw. die Halte- rungen einschließlich der Antriebe 7a, 7b und 7c in einer Ebene im Gestell 3 angeordnet. Dazu ist das Gestell 3 als Rahmen ausgebildet, das zum einen als Wiederlager für die Drehgelenke 2a, 2b und 2c dient und ande- rerseits im Bereich der z-Achse eine ausreichende Öffnung aufweist, um die Bewegung der Halterung 5 einschließlich des damit verbunden Werk- zeuges 6 minimal zu beeinträchtigen.

Schließlich ist aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, daß die Achsen der Dreh- gelenke 2a, 2b und 2c quer zur Richtung der linearen Verstellrichtung der Linearaktoren 1 a, 1 b und 1 c ausgerichtet sind.

In Fig. 3 ist die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Bearbeitungsmaschine durch Mittel zum Verstellen entlang der x-und der y-Achse ergänzt wor- den. Das Gestell 3 dient dabei als y-Schlitten, der entlang eines x-

Schlittens auf den Führungsschienen 12 in y-Richtung verstellbar ange- ordnet ist. Der x-Schlitten 10 ist dagegen entlang den Führungsschienen 13 verstellbar, die an einem ortsfesten Gestell 11 befestigt sind. Somit kann das Gestell 3 in x-und y-Richtung bewegt werden. Insgesamt wer- den fünf Freiheitsgrade in den Richtungen x, y, z, A und B kontrolliert.