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Dokumentenidentifikation DE10203011A1 07.08.2003
Titel Werkzeugmaschine mit einer Werkzeug-Parallelkinematik
Anmelder FIP Forschungsinstitut für Produktionstechnik GmbH Braunschweig, 38106 Braunschweig, DE
Erfinder Hesselbach, Jürgen, Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c., 38300 Wolfenbüttel, DE;
Helm, Manfred B., Dipl.-Ing., 38114 Braunschweig, DE;
Soetebier, Sven, Dipl.-Ing., 38124 Braunschweig, DE;
Blecken, Jörn, Dipl.-Ing., 38154 Königslutter, DE;
Schnettker, Thorsten, Dipl.-Ing., 38154 Königslutter, DE
Vertreter GRAMM, LINS & PARTNER, 38122 Braunschweig
DE-Anmeldedatum 26.01.2002
DE-Aktenzeichen 10203011
Offenlegungstag 07.08.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.2003
IPC-Hauptklasse B23Q 1/44
IPC-Nebenklasse B27C 9/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, insbesondere Holzbearbeitungsmaschine, mit einer Parallelkinematik zur Bearbeitung oder Handhabung eines auf einem eine x-y-Ebene definierenden Maschinentisch (1) positionierten Werkstückes (2) mit zumindest einem in der z-Achse geführten und um diese Achse drehbar gelagerten Werkzeug (10, 11). Die Handhabung dieser Werkzeugmaschine soll erfindungsgemäß verbessert werden durch ein für Bewegungen in der x- und y-Achse eingesetztes Scherenantriebe mit zwei konstante Längen (I1, I2) aufweisenden Führungsarmen (3, 4), die mit ihrem einen Ende über ein Gelenk (5, 6) an jeweils einem in parallelen x-Achsen geführten Linearantrieb (7, 8) angelenkt und mit ihrem anderen Ende über ein drittes Gelenk (9) verschwenkbar miteinander verbunden sind, wobei der eine Führungsarm (3) an seinem dem zugeordneten ersten Gelenk (5) gegenüberliegenden Endbereich mit einem ersten Werkzeug, z. B. einem Handhabungswerkzeug (10), und der andere Führungsarm (4) an seinem entsprechenden Endbereich mit einem zweiten Werkzeug, z. B. einem Bearbeitungswerkzeug (11), bestückt sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, insbesondere Holzbearbeitungsmaschine, mit einer Parallelkinematik zur Bearbeitung eines auf einem eine x-y- Ebene definierenden Maschinentisch positionierten Werkstückes mit zumindest einem in der z-Achse geführten Bearbeitungswerkzeug.

Bei stationären Holzbearbeitungsmaschinen werden die Bewegungen im Arbeitsraum derzeit nahezu ausschließlich mit seriellen kinematischen Ketten realisiert, wobei die Antriebsachsen für die x-, y- und z-Bewegung hinter- bzw. aufeinander angeordnet sind. Eingesetzt werden hauptsächlich Maschinen in Bett- und Portalbauweise. Die erreichbaren Eilganggeschwindigkeiten liegen bei stationären Holzbearbeitungsmaschinen bei maximal 120 m/min, die Arbeitsgeschwindigkeiten bei maximal 60 m/min. Handhabungssysteme sind üblicherweise in Form von Förderbändern und -rollen realisiert.

Der US-PS 6,025,689 lässt sich ein Bearbeitungssystem zur Bearbeitung von z. B. gedruckten Schaltungen entnehmen. An einem quer zum Maschinentisch verschiebbar auf Schienen geführten Werkzeugträger sind zwei Führungsarme mit ihrem jeweils einen Ende angelenkt, deren anderes Ende an jeweils einem Linearantrieb angelenkt ist, der in Längsrichtung des Werkzeugtisches verschiebbar ist. Die Steuerung der Linearantriebe erfolgt über jeweils eine von einem Motor angetriebene Gewindespindel. Das zu bearbeitende Werkstück liegt in einer durch den Maschinentisch definierten x-y-Ebene, während das Werkzeug über einen ihm zugeordneten Antrieb in der z-Achse verschiebbar ist. Die beiden Führungsarme sollen leicht und steif ausgebildet sein und können z. B. aus einem Aluminium-Doppel-T-Profil besehen. Als Vorteil wird für dieses System angegeben, dass die Breite des Bauraumes nur wenig größer ist als die des Arbeitsraumes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Einsatzgebiet der Werkzeugmaschine zu vergrößern und die Produktivität zu verbessern.

Ausgehend von der eingangs definierten Werkzeugmaschine wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein für Bewegungen in der x- und y-Achse eingesetztes fünfgliedriges Getriebe, dessen beide Führungsarme mit ihrem einem Ende über ein drittes Gelenk verschwenkbar miteinander verbunden sind, wobei zumindest der eine Führungsarm an seinem dem zugeordneten ersten Gelenk gegenüberliegenden Endbereich mit einem Werk bestückt ist.

Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion ist es möglich, bei stationären Holzbearbeitungsmaschinen sowohl die Werkstückbearbeitung als auch die Werkstückhandhabung unter Verwendung derselben x- und y-Achse durchzuführen. Dabei ist es möglich, den Arbeitsbereich über die Fläche des Maschinentisches hinaus zu vergrößern. Durch Verwendung z. B. eines Greifersystems wird die Möglichkeit geschaffen, Werkstücke außerhalb des Maschinentisches zu greifen, sie dem Maschinentisch zuzuführen und anschließend dort abzulegen. Die Scherenkinematik kann dabei sowohl translatorisch als auch rotatorisch zur exakten Positionierung des Werkstückes genutzt werden. Ebenfalls wird der Arbeitsraum im Gegensatz zu dem Stand der Technik bei Antriebs- und Führungsarmlängen vergrößert und die Zugänglichkeit zu dem Arbeitsraum wird verbessert. Aufgrund der geringeren bewegten Massen erhöht sich die Dynamik der Werkzeugmaschine bei gleichen Antrieben, wodurch sich insgesamt die Produktivität erhöht.

Bei einer Ausstattung des zweiten Führungsarmes mit einem Werkzeug, z. B. mit einem Handhabungs- oder entsprechend einem Bearbeitungswerkzeug, ist Positionierung des Werkstückes eine z. B. spanende Bearbeitung mit üblichen Werkzeugen möglich; Handhabung und Bearbeitung sind somit mit demselben Aufbau möglich; zusätzliche Handhabungseinrichtungen lassen sich dadurch einsparen.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn die beiden Führungsarme gleich lang ausgebildet sind, und die beiden Werkzeuge auf einer gemeinsamen y-Achse liegen, wenn das erste und zweite Gelenk auf einer hierzu parallelen gemeinsamen y-Achse positioniert sind. Durch diese Scherenkinematik ergibt sich eine achssymmetrische Fläche des Arbeitsbereiches. Durch Ausnutzung dieser Symmetrie lassen sich gleichzeitig z. B. zwei Werkzeuge an zwei Punkten mit kinematisch gleichen Eigenschaften verwenden. Um dabei den Arbeitsraum auch über die Breite des Maschinentisches hinaus zu vergrößern, ist es zweckmäßig, wenn die Länge jedes Führungsarmes größer ist als der in y-Richtung gemessene Abstand von der Führungsschiene zum gegenüberliegenden Rand des Maschinentisches.

Da die Länge der Führungsarme konstant ist, besteht nunmehr die Möglichkeit, z. B. Leitungen für den Staub- und Spänetransport und/oder Leitungen für elektrische und pneumatische Versorgung der Werkzeuge ortsfest innerhalb der Führungsarme zu installieren. Dies hat insbesondere für den Spänetransport den Vorteil, dass Leitungen eingesetzt werden können, die mit einem geringen Druckverlust behaftet sind; auf die Verwendung Energie verzehrender Flex-Schläuche kann verzichtet werden. Bezüglich der Versorgungsleitungen ergibt sich der Vorteil, dass außer an den Linearführungen auf Kabelschlepps verzichtet werden kann.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Führungsarme in Leichtbauweise als Fachwerkstruktur ausgebildet sind. Hierdurch wird die Integration einer aktiven Schwingungsdämpfung begünstigt. Die Anwendung von Leichtbaustrukturen ermöglicht das Vordringen in höhere Leistungsbereiche. Möglich werden somit höhere Vorschubgeschwindigkeiten bei gleichzeitig erhöhter Schnittgeschwindigkeit; möglich ist somit eine Verkürzung von Haupt- und Nebenzeiten bei gleichbleibender Bearbeitungsqualität.

Durch den Einsatz der erfindungsgemäß vorgesehenen Scherenkinematik kann auf die Mitführung einer seriellen y-Achse verzichtet werden; damit entfallen die hierfür sonst erforderlichen Antriebselemente und Linearführungen.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion können unterschiedliche Antriebskonzepte wie z. B. Zahnstangen-, Lineardirekt- und/oder Kugelgewindeantrieb eingesetzt werden.

Um eine Vielzahl unterschiedlicher Werkzeuge einsetzen zu können, ist eine drehbare Lagerung der Werkzeuge um die z-Achse vorgesehen, so dass die Orientierung des Werkzeuges, beispielsweise einer Säge oder eines Horizontalfräsers, innerhalb des Arbeitsraumes eingestellt und angepasst werden kann. Zur aktiven Anpassbarkeit der Werkzeuge an eine geänderte Orientierung im Verlauf einer Bearbeitung aufgrund einer Verschiebung der Führungsarme sind Antriebe zur Drehung der Werkzeuge vorgesehen, die entweder als Elektromotoren oder als eine kinematische Kopplung mit den Führungsarmen ausgebildet sein können. Während mit Elektromotoren eine beliebige Drehung der Werkzeuge realisiert werden kann, bleibt über eine kinematische Kopplung, beispielsweise über ein Zahnriemen oder Zahnräder die einmal eingestellt Orientierung erhalten, jedoch werden geringere Massen bewegt, was die Werkzeugmaschine insgesamt schneller macht.

Die Werkzeuge können als Bearbeitungs- und/oder als Handhabungswerkzeuge ausgebildet sein.

Der Materialfluss in der Werkzeugmaschine kann sowohl in eine Richtung (mit Umschlagen des 5-Gelenk-Getriebes) als auch reversibel (ohne Umschlagen des 5-Gelenk-Getriebes) erfolgen. Überdies ist die Maschine durch den Einsatz von Linearmotoren in x-Richtung skalierbar, kann also beliebig lang gebaut und mit mehreren 5-Gelenk-Getrieben ausgestattet werden. Hierdurch sind verschiedene Anwendungsfelder abdeckbar.

In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 in Draufsicht ein als 5-Gelenk-Getriebe ausgebildetes Positionier- und Bearbeitungssystem mit nach rechts weisenden Führungsarmen;

Fig. 2 in isometrischer Ansicht das System gemäß Fig. 1 jedoch mit nach links weisenden Führungsarmen;

Fig. 3 die rechte Stirnansicht der Darstellung gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine Schemadarstellung der Werkzeugmaschine in Draufsicht und

Fig. 5 eine perspektivische Schemadarstellung der Werkzeugmaschine.

Auf einem Maschinentisch 1 einer nicht näher dargestellten Werkzeugmaschine ist in einer durch den Maschinentisch 1 definierten x-y-Ebene ein zu bearbeitendes Werkstück 2 positioniert. Zur Positionierung und Bearbeitung dieses Werkstückes 2 ist ein als 5-Gelenk-Getriebe ausgebildetes Scherengetriebe vorgesehen, das zwei jeweils konstante Länge l aufweisende Führungsarme 3, 4umfasst. Jeder der beiden Führungsarme 3, 4 ist mit seinem einen Ende über ein erstes bzw. zweites Gelenk 5, 6 an jeweils einem in parallelen x-Achsen geführten Linearantrieb 7, 8 angelenkt und an Führungsschienen 17, 18 geführt. An ihrem anderen Ende sind die beiden gleich lang ausgebildeten Führungsarme 3, 4 über ein drittes Gelenk 9 verschwenkbar miteinander verbunden.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Führungsarm 3 an seinem dem zugeordneten ersten Gelenk 5 gegenüberliegenden Endbereich mit einem Werkstück-Positionierwerkzeug 10 in Form eines Greifers bestückt, während der andere Führungsarm 4 an seinem entsprechenden Endbereich ein Bearbeitungswerkzeug 11 trägt, das z. B. eine mit einem Bohrer bestückbare Werkzeugspindel sein kann. Die beiden Werkzeuge 10, 11 liegen mit ihren Achsen auf parallelen z- Achsen und sind mit jeweils eigenen Antrieben 12, 13 bestückt. Fig. 1 lässt erkennen, dass die beiden Werkzeuge 10, 11 auf einer gemeinsamen y-Achse liegen, wenn das erste und zweite Gelenk 5, 6 auf einer hierzu parallelen gemeinsamen y-Achse positioniert sind.

Die Länge l jedes Führungsarmes 3, 4 ist vorzugsweise etwas größer als der in y- Richtung gemessene Abstand von einer Führungsschiene zum gegenüberliegenden Rand des Maschinentisches 1 und überschreitet somit dessen Breite b. Ferner zeigen die Figuren, dass die Führungsarme 3, 4 in Leichtbauweise als Fachwerkstruktur ausgebildet sind.

Die Fig. 4 zeigt in einer Schemadarstellung in Draufsicht eine Bearbeitungsstation mit einer Werkstückzuführung 20, die das Werkstück auf den Maschinentisch 1 transportiert. Auf dem Maschinentisch 1 wird das Werkstück, nachdem es sich im Arbeitsbereich der Werkzeugmaschine befindet, durch ein an einem der Führungsarme 3, 4 angeordnetes Handhabungswerkzeug 10, das in der Fig. 5 zu erkennen ist, entsprechend positioniert und über ein Bearbeitungswerkzeug 11 bearbeitet. Um an verschiedenen Stellen des Werkstückes die Bearbeitung durchzuführen, kann über Linearantriebe 7, 8 die Position des dritten Gelenkes 9eingestellt werden, indem die Linearantriebe 7, 8 unabhängig voneinander entlang der Führungsschienen 17, 18 verfahren werden.

Zum Werkzeugwechsel insbesondere des Bearbeitungswerkzeuges 11 kann ein Werkzeugmagazin 21 angefahren werden, an dem ein entsprechender Werkzeugtausch stattfindet. Nach Abschluss der Bearbeitung wird das Werkstück über eine Werkstückabtransportvorrichtung 22 aus dem Arbeitsbereich der Werkzeuge 10, 11 entfernt und einer Weiterverarbeitung zugeführt.

In der Fig. 5 ist der grundsätzliche kinematische Aufbau der Werkzeugmaschine deutlich zu erkennen, wobei die Linearantriebe 7, 8 entlang der Führungsschienen 17, 18 unabhängig voneinander verfahren werden können. Die Führungsarme 3, 4 sind über Gelenke 5, 6 den Linearantrieben 7, 8 zugeordnet und über ein gemeinsames drittes Gelenk 9 miteinander verbunden. Durch eine entsprechende Positionierung der Linearantriebe 7, 8 ist es möglich, die an den Führungsarmen 3, 4 befestigten Werkzeuge 10, 11 an jeden Punkt des Arbeitsbereiches des Maschinentisches 1 zu bewegen. Vorteilhafterweise befinden sich die Werkzeuge 10, 11, die als Handhabungs- oder als Bearbeitungswerkzeuge ausgebildet sind, in der Nähe des dritten Gelenkes 9 an den Führungsarmen 3, 4, um einen möglichst großen Arbeitsbereich abdecken zu können. Jedes der Werkzeuge 10, 11 ist mit einem eigenen Antrieb 12, 13 ausgestattet, um eine Drehung um die z- Achse sowie eine Verschiebung entlang der z-Achse zu ermöglichen. Neben der Verwendung von Elektromotoren kann eine kinematische Kupplung der Orientierung der Werkzeuge 10, 11 dergestalt stattfinden, dass bei Verschwenken eines Führungsarmes 3, 4 die einmal eingestellte Orientierung beibehalten wird, so dass zum Beispiel beim Sägen unabhängig von der Position des Bearbeitungswerkzeugs innerhalb des Arbeitsbereiches ein Schnitt senkrecht zu den Führungsschienen 17, 18 durchgeführt wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Werkzeugmaschine, insbesondere Holzbearbeitungsmaschine, mit einer Parallelkinematik zur Bearbeitung eines auf einem eine x-y-Ebene definierenden Maschinentisch (1) positionierten Werkstückes (2), mit zumindest einem in einer z-Achse angetriebenen oder geführten Werkzeug (10, 11), das innerhalb der x-y-Ebene durch ein für Bewegungen in der x- und y-Achse eingesetztes mehrgliedriges Getriebe positionierbar ist, das zwei konstante Längen (l) aufweisende Führungsarme (3, 4) aufweist, die mit ihrem einen Ende über ein Gelenk (5, 6) an jeweils einer in parallelen x- Achsen auf Führungsschienen (17, 18) geführten, in einer angetriebenen Linearbewegung angelenkt sind, gekennzeichnet durch den Einsatz eines fünfgliedrigen Getriebes, dessen beide Führungsarme (3, 4) mit ihrem anderen Ende über ein drittes Gelenk (9) verschwenkbar miteinander verbunden sind, wobei zumindest der eine Führungsarm (3; 4) an seinem dem zugeordneten ersten Gelenk (5; 6) gegenüberliegenden Endbereich mit dem Werkzeug (10; 11) bestückt ist.
  2. 2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Führungsarm (4; 3) an seinem dem zugeordneten ersten Gelenk (6; 5) gegenüberliegenden Endbereich ebenfalls mit einem Werkzeug (11; 10) bestückt ist.
  3. 3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Führungsarme (3, 4) gleich lang ausgebildet sind, und die beiden Werkzeuge (10, 11) auf einer gemeinsamen y-Achse liegen, wenn das erste und zweite Gelenk (5, 6) auf einer hierzu parallelen gemeinsamen y- Achse positioniert sind.
  4. 4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (l) jedes Führungsarmes (3, 4) zumindest so groß ist wie der in y-Richtung gemessene Abstand von der Führungsschiene (17, 18) zum gegenüberliegenden Rand des Maschinentisches (1).
  5. 5. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Führungsarme (3, 4) Absaugleitungen für Staub und Späne und/oder Versorgungsleitungen durchgeleitet sind.
  6. 6. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsarme (3, 4) in Leichtbauweise als Fachwerkstruktur ausgebildet sind.
  7. 7. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Werkzeuge (10, 11) um die z-Achse drehbar gelagert sind.
  8. 8. Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Antriebe (12, 13) zur Drehung der Werkzeuge (10, 11) um die z-Achse.
  9. 9. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge als Bearbeitungswerkzeug (10) und/oder Werkstück-Positionierwerkzeug (11) ausgebildet sind.






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