DE102009039203A1

DE102009039203A1 - Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten, die durch Beschleunigung von redundanten Zusatzachsen bei Mess- und Werkzeugmaschinen entstehen mittels einer Mehrzahl von koordiniert linear bewegbarer Ausgleichsmassen

Info

Publication number: DE102009039203A1
Application number: DE102009039203A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ehlerding
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-03-17
Also published as: WO2011023185A2; WO2011023185A3; WO2011023185A4

Abstract

Das Auftreten von temporären Verformungen und Schwingungen der jeweils Zusatzachsen tragenden Strukturen einer Mess- oder Werkzeugmaschine, die aus beschleunigten Bewegungen besagter Zusatzachsen resultieren, wird vermindert indem ein aus der Beschleunigung von Zusatzachsen resultierendes Drehmoment durch effektive Drehmomente einer Mehrzahl linear bewegbarer, separat angetriebener und koordiniert steuerbarer Ausgleichsmassen auf oder gegenüber den besagten jeweils tragenden Strukturen kompensiert wird.

Description

Technisches Gebiet und Stand der Technik
Die Fortentwicklung neuer Materialbearbeitungs-, -verbindungs- oder -aufbauverfahren wie Laserschneiden und -schweißen, Hochgeschwindigkeitsfräsen, Rapid Prototyping oder von Nachbearbeitungsverfahren beispielsweise Härten, Beschichten oder Polieren haben zu einer wachsenden Anzahl von Werkzeugmaschinen mit hohen Bewegungsgeschwindigkeiten ihrer Werkzeug- oder Werkstück tragenden Elemente geführt. Auch bei Messmaschinen werden hohe Geschwindigkeiten angestrebt.
Werkzeuge und Messeinrichtungen werden im weiteren als Endeffektoren bezeichnet. Bewegungsvorrichtungen einer Mess- oder Werkzeugmaschine, die jeweils eine translatorische oder rotatorische Bewegung eines Endeffektors relativ zu einem Werkstück in einer Achse eines Referenzkoordinatensystems des Arbeitsraumes der Maschine erlauben, werden im weiteren als Achsen bezeichnet.
Als Maschinenachsen werden solche Teilbewegungsvorrichtungen bezeichnet, die eine translatorische oder rotatorische Bewegung eines Maschinenelementes gegenüber einem in der Hierachie der Gesamtstruktur der Maschine höher stehenden Maschinenelement erlauben, wobei die Hierachie beim Maschinengestell als höchste Stufe beginnt und bei den Maschinenachsen zur direkten Bewegung eines Endeffektors als niedrigste Stufe endet.
Achsen und Maschinenachsen können identisch sein, aber es können auch Achsbewegungen, in Bezug zum besagten Referenzkoordinatensystem, aus den Bewegungen mehrerer Maschinenachsen zusammengesetzt sein.
Damit die hohen angestrebten Geschwindigkeiten auch bei kompliziert gestalteten Werkstücken genutzt werden können, sind hohe Beschleunigungen der bewegten Elemente notwendig.
In vielen Anwendungen ist es notwendig einen Endeffektor kontinuierlich und mit möglichst hoher konstanter Relativgeschwindigkeit, an einem mindestens teilweise kompliziert geformten Werkstück entlang zu führen, dass relativ zum besagten Endeffektor eine wesentlich höhere Masse und/oder wesentlich größere Abmessungen hat.
Dies setzt eine relativ massive und/oder langwegige Führungsstruktur voraus.
Je massiver die bewegten Elemente sind, umso höher sind die Kräfte die einerseits notwendig sind um die erwünschten hohen Beschleunigungen zu erzielen und die anderseits entsprechende Rückwirkungen auf tragende oder führende Strukturen verursachen.
Dies führt zu unerwünschten, gewöhnlich elastischen, Verformungen dieser Strukturen, was wiederum häufig zu Schwingungen auf den Resonanzfrequenzen aller beteiligten Maschinenelemente führt.
All diese Verformungen und Schwingungen führen zur Abweichung zwischen Soll- und Ist-Weg bei der Bewegung des Endeffektors relativ zum Werkstück.
Es sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, um dieses Problem zu mindern. Grundsätzlich unterscheidbar sind zwei Hauptzweige, die jedoch in der konkreten Anwendung durchaus gemeinsam zum Einsatz kommen können.
Ein Zweig befasst sich mit der möglichst vorwegnehmenden oder schnell reagierenden Korrektur einer vorausberechenbaren oder festgestellten Bewegungsabweichung, also die Fehlerkompensation.
Ein anderer Zweig, mit dem sich die hier vorliegende Patentanmeldung befasst, versucht die Bewegungsabweichungen von vornherein klein zu halten, also Fehlervermeidung.
Die Fehlervermeidung kennt wiederum grundsätzlich drei Unterzweige von Lösungen. 1. Stabilität, 2. Reduktion der bewegten Massen und 3. Impulsausgleich.
Fehlervermeidung durch Rigidität der Strukturen und Dämpfung von Schwingungen führt zu massiven Maschinen, die hohe Antriebskräfte benötigen, was somit hohe Anschaffungs- und Aufstellungskosten, hohen Energieverbrauch und in vielen Fällen auch hohen Verschleiß bedeutet, also zu hohen Anschaffungs- und Betriebskosten führt.
Diese Kosten übersteigen bei den angestrebten Beschleunigungen häufig den erzielbaren Produktivitätsvorteil.
Zur Fehlervermeidung durch Reduktion der bewegten Massen sind ebenfalls eine ganze Reihe von Lösungsansätzen bekannt.
Neben der Verwendung neuartiger Werkstoffe, beispielsweise Kohlefaserverbundstoffe, kommt es auch zum Einsatz alternativer Achskonfigurationen, wie beispielsweise Parallelkinematiken, und dort als Beispiel den sogenannten Hexapoden.
Der Grundgedanke dabei ist, dass die verschiedenen benötigten Freiheitsgrade nicht durch eine Aneinanderreihung entsprechend beweglicher ”Achsen” erzielt werden, was in seiner Konsequenz bedeutet, dass mit der Anzahl der Achsen die benötigte Stabilität nur durch eine jeweils überproportional schnell ansteigende Maschinenmasse erzielbar ist, sondern indem meist Kinematiken, aus in der Länge veränderlichen Stäben, die überwiegend an Kardan- oder Kugelgelenken frei beweglich sind, einen Endeffektor oder ein Werkstück gemeinsam nebeneinander, also parallel, tragen und diese durch entsprechend koordinierte Längen- oder Positionsänderungen der Stäbe, mit relativ großer Freiheit im Arbeitsraum bewegbar sind.
Der Arbeitsraum einer Maschine, die Parallelkinematik verwendet, ist jedoch verhältnismäßig klein, wenn man ihn mit einer konventionellen Maschine ähnlicher Abmessungen vergleicht, insbesondere im Vergleich zu Maschinen mit bewegten Portalen. Außerdem setzt das sehr komplexe dynamische Verhalten der veränderlichen Stäbe und dies im Zusammenspiel mit den stark belasteten Gelenken einer hoch beschleunigten und zugleich sehr exakten Bewegung Grenzen.
Es auch schon zur Entwicklung von Hybridformen gekommen, die sowohl traditionelle Achsanordnungen als auch Parallelkinematiken kombinieren, z. B. in der Form, dass eine traditionelle Portalmaschine eine Parallelkinematik anstelle eines mehrachsigen Schwenkkopfes trägt. Ein Beispiel hierfür ist aus US 7 357 049 B2 bekannt.
Solche Kombinationen weisen zugleich in eine gegenüber der Parallelkinematik nahezu genau entgegengesetzte Entwicklungstendenz, also sogar in das Aneinanderreihen von noch mehr Achsen, die schon seit geraumer Zeit, beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldungen EP 594699 A1 , bekannt geworden ist.
EP 594699 A1 lehrt die parallel überlagerte (redundante) Bewegung von längeren Basisachsen und kürzeren Zusatzachsen, wobei die Zusatzachsen durch ihre kleineren Wege und Spannweiten sehr viel kleiner bauen und damit leichter sind, also mit weniger Kraft zu beschleunigen.
Dies führt je nach Abwägung eher zu höheren Beschleunigungen bei gleichen Kräften, oder geringeren Rückwirkungen bei gleichen Beschleunigungen, so dass sowohl Genauigkeit, als auch Geschwindigkeit hiervon profitieren können.
Ganz ähnliches gilt auch für EP 927596 , nur dass hier nicht einige Bewegungsachsen mit großen Massen, sozusagen in kleiner und leichterer Form, dupliziert werden, sondern dass eine redundant wirksame Überlagerung der Bewegung der langen Maschinenachsen durch Kombination aus einer zur Bearbeitungsfläche senkrecht rotierenden und einer hieran gekoppelten Linearachse erreichbar wird.
Auch hiermit können relativ hoch beschleunigte Bewegungen des Wergzeuges gegenüber dem Werkstück erzielt werden, ohne dass hierzu große Massen entsprechend beschleunigt werden müssen.
Eine der ältesten Fehlervermeidungsstrategien bei Maschinen aller Art, ist die Bewegung von Ausgleichsmassen, oben als Impulsausgleich bezeichnet. Auch für Werkzeugmaschinen ist dieses Verfahren grundsätzlich seit langem bekannt. Dieses Verfahren bietet, je nach spezieller Ausführung, teilweise eine sehr gute Unterdrückung von Schwingungen oder sonstigen störenden Bewegungen von Werkzeugmaschinen, wobei jedoch ein Problem dann besteht, dass praktisch alle bewegten Massen mindestens doppelt vorhanden sein müssen, wenn die Bewegungsbahnen der Ausgleichsmassen nicht übermäßig lang werden sollen. Die zusätzliche Masse wird zwar durch die schwächeren dynamischen Kraftwirkungen aus den jeweils getragen Achsen theoretisch überkompensiert, jedoch immer nur in der Summe der Kräfte in einer Achsrichtung.
Die Teilbelastungen innerhalb einer Achsrichtung, also innerhalb einer Achsstufe, sind bei hohen Beschleunigungen sehr hoch und der Maschinenaufbau ist insgesamt aufwendig.
Eine bekannte Unterform der Verwendung von Ausgleichsmassen besteht darin, dass statt separat platzierter und angetriebener Ausgleichsmassen die An- und Abtriebsseite einer Bewegungsvorrichtung gegenüber einem Maschinen(grund)rahmen in einer gemeinsamen Achse bewegbar bleiben und die Bewegung vorwiegend durch gemeinsame entgegengesetzt wirksame Kraftwirkung des Antriebes und der Massenverhältnisse von Antriebs- und Abtriebsseite bestimmt werden. In den Maschinenrahmen selbst werden daher keine oder zumindest sehr viel geringere Reaktionskräfte eingeleitet.
Diese Variante wird auch als Ruck- oder Impulsentkopplung bezeichnet und ist unter anderem aus DE 198 10 996 A1 bekannt.
EP 1 724 954 A1 offenbart den Einsatz von Zusatzachsen mit Impulsausgleich in einer besonderen orthogonalen parallelkinematischen Zusatzachsenkonfiguration, bei der jeder Zusatzachsenrichtung (dort U, V) eine den bewegten Massen entgegenwirkende Ausgleichsmasse zugeordnet ist, die mit einem eigenen Antrieb, exakt synchron und entgegen der Nutzmasse (dem Endeffektor) bewegt wird.
Dies bewirkt jedoch gerade in der dort beschriebenen besonderen Achskonfiguration keinen vollständigen Impulsausgleich in allen Betriebssituationen sondern nur dann, wenn die zu der jeweiligen zu kompensierende Achsrichtung querverlaufende Achsrichtung, also V bei U und U bei V, sich in ihrer jeweiligen Mittelstellung befinden, da sonst ein Drehmoment, aus der seitlichen Teilverschiebung der bewegten Nutzmasse, gegenüber der Richtung der Antriebskraftwirkung resultiert.
Je nach konkreter Ausführung einer derartigen Achskonfiguration und Auslenkung der beteiligten Achsen kann dieses Drehmoment bis zu etwa 20% der unerwünschten Wirkung entfalten, die von einer völlig unkompensierten bewegten Nutzmasse ausgehen würde. Diese maximale Wirkung tritt in der Praxis in bisherigen Anwendungen eher selten auf, da der Anmelder von EP 1 724 954 A1 , in anderen thematisch verwandten Dokumenten, empfiehlt die Zusatzachsen möglichst immer tendenziell in ihre Mittellage zu bewegen, wenn auch mit einer anders motivierten Begründung, so dass dies eher auf Zufall beruht.
Da eine solche Empfehlung jedoch die Effizienz der Zusatzachsen einschränken kann, wie aus anderen Dokumenten bekannt, beispielsweise WO 2008/148558 und WO 2009/000466 , ist diese Problematik noch weitaus störender als sie zunächst erscheint und kann hiervon unabhängig, je nach Genauigkeitsanforderung, in einem weiten Spektrum von Anwendungen für Zusatzachsen, die Genauigkeit einer Bearbeitung oder Messung relevant beeinträchtigen.
Das Dokument WO 2009/006031 soll eine weitere Möglichkeit zum Impulsausgleich innerhalb einer Zusatzachsenkonfiguration offenbaren.
Die zweidimensional wirksamen Zusatzachsen werden hierbei durch eine um einen gewissen Winkelbereich schwenkbare Linearachse realisiert, wobei der Antrieb in der Linearachse, der dort über eine Kugelgewindespindel erfolgt, zugleich auch eine Spindel auf der gleichen Achse und in Gegenrichtung antreibt, mit der eine Ausgleichsmasse angetrieben wird, die der angetriebenen Nutzmasse entspricht.
Durch eine um ihre Rotationsachse ausbalancierte rotierende Mechanik welche die Linearachse trägt, und zwei gegenüberliegende Antriebsmotoren für eine gemeinsamen Drehkranz, soll so eine nach außen kräftefreie Bewegung der Zusatzachsen möglicht sein. In der Beschreibung wird mehrmals darauf hingewiesen, dass sich die Trägheitswirkungen der Antriebsmotoren ausgleichen, z. B. erste Zeile S. 8 und Anspruch 4.
Aber erstens rotieren beide Motoren in die gleiche Richtung, so dass sich deren Drehmomente nicht ausgleichen sondern addieren und zweitens würde, selbst wenn man in Rechnung stellt, dass sich Momente teilweise ausgleichen, beispielsweise um das Getriebespiel zu minimieren, dennoch nicht das weitaus größere Drehmoment zur Beschleunigung einer rotatorischen Bewegung der Zusatzachsen ausgeglichen werden, sondern über die beiden Antriebsmotoren oder die zugehörigen Getriebe auf die jeweils tragenden Strukturen wirken.
Somit führen sehr wohl hohe Beschleunigungen zur Anregung von temporären Verformungen und Schwingungen und beeinträchtigen daher die Genauigkeit.
Aus DE 100 277 75 A1 ist bekannt, wenn auch ohne Verwendung von Zusatzachsen, die Kraftrückwirkungen einzelner oder mehrerer parallel und miteinander zeitlich koordiniert bewegter Maschinenelemente auf eine Maschinenbasis, zusammengefasst durch eine einzelne in exakter Gegenrichtung bewegbare und angetriebene Ausgleichsmasse zu kompensieren. Zusätzlich ist für den Fall, dass es nicht möglich ist die Ausgleichsmasse auf einer Achse mit dem effektiven Schwerpunkt der zu kompensierenden Masse zu bewegen, und hieraus ein Kippmoment entstehen würde, vorgesehen die Kompensation auf mehrere Ausgleichsmassen zu verteilen, die in passender Weise um die in ihrer Kraftwirkung zu kompensierende Achse herum angeordnet sind und gemeinsam koordiniert derart angetrieben werden, dass ihr effektiver Schwerpunk sich auf der gleichen Achse bewegt wie der effektive Schwerpunkt der bewegten Maschinenelemente. Des weiteren wird gelehrt, dass der Ausgleich des besagten Kippmomentes auch durch orthogonal zur Bewegungsrichtung der Maschinenelemente bewegbare Ausgleichsmassen kompensiert werden kann.
Jedoch eignet sich keine der dort beschriebenen Einrichtungen und Verfahren zur Kompensation von Kraftrückwirkungen, insbesondere von Drehmomenten, aus in ihrer Lage mehrdimensional verschiebbaren und nicht an feste Bahnen gebundenen Maschinenelementen, zumal die auf vorgegebene Bahnen bezogenen Kompensationsmethoden, schon nicht wie dort beschrieben funktionieren würden, da es unrichtig ist, dass bei mehrdimensionalen Bewegungsbahnen eine Ausgleichsmasse sich nur auf der gleichen Bahn, jedoch in Gegenrichtung bewegen müsse.
Siehe insbesondere beispielhaft Absatz [0005] und Ansprüche 3 bis 6, und 17, 18. dort. Dies offenbart ein Missverständnis über die Kraftverhältnisse bei Bewegungen in mehreren Dimensionen, da es für Maschinenelemente und Ausgleichsmassen die sich auf parallelen (oder selbst effektiv identischen) mehrdimensionalen Bahnen in entgegengesetzter Richtung bewegen, niemals zu einer kontinuierlichen Kompensation von Kräften kommen kann.
Man stelle sich hierzu beispielhaft die gegenläufige überlagerte Bewegung von zwei Massen auf einer beliebigen S-Kurve vor – egal ob symmetrisch oder nicht – und es ist unmittelbar einleuchtend, dass hierbei erhebliche Drehmomente, in etwa um das Zentrum der jeweiligen S-Kurve herum orientiert auftreten, die sich nur bei Annäherung der beiden Massen im Zentrum zunehmend abschwächen und bei der Bewegung auf einem gemeinsamen Geradenabschnitt aufheben, da hier temporär der gewöhnliche Kompensationsfall vorliegt.
Auch eine achsensymmetrische Bewegung wäre wenig sinnvoll, da hierdurch wiederum hohe zur Ausrichtung der Hauptbewegung orthogonale Kraftkomponenten auftreten würden. Der in DE 100 277 75 A1 beschriebene Einsatz orthogonal zur Hauptrichtung bewegbarer Ausgleichsmassen (siehe Anspruch 7) bezieht sich jedoch ausdrücklich nicht auf diese Problematik, da Einrichtungen entsprechend den Ansprüchen 5 und 6, einer derartigen Kompensation am dringendsten bedürften, aber Anspruch 7 sich nur auf Anspruch 4 bezieht. Die zweite Hälfte von Absatz [0006] lässt an dieser Interpretation auch keinen Zweifel, da offenbar eine orthogonal orientierte Kompensation dort ausdrücklich nur bei einseitig beabstandeten Parallelbahnen von Maschinenelementen und Ausgleichsmassen für notwendig gehalten wird und sich daher auch die vermeintlich fehlende Notwendigkeit im Verhältnis zu den Ansprüchen 5, 6 erklärt.
Somit enthält DE 100 277 75 A1 keine effektiv nutzbare Lehre zur Drehmomentkompensation von mehrdimensional bewegbaren Maschinenelementen.
Aus dem Dokument EP 1 055 163 B1 ist ein Konzept bezüglich Antrieben und Reaktionskraftkompensation bekannt, wobei auf einem tragenden Maschinentisch feststehende elektromagnetische Spulenantriebe vorgesehen sind, die es erlauben eine monolithische Trägerstruktur, auf der Permanentmagneten jeweils im Bereich der besagten Spuken angebracht sind, gesteuert zu bewegen.
Es ist eine dreiachsige Bewegungsmöglichkeit in einer Ebene vorgesehen, derart das zwei translatorisch wirksame Zusatzachsen (in X und Y Richtung) und zusätzlich eine rotatorische Bewegungsmöglichkeit (dort Z genannt) des Werkstückträgers, durch entsprechende Anordnung der aktiven und passiven Antriebsteile und gegenläufige Ansteuerung der für die translatorischen Bewegungen sonst gleichläufig angesteuerten Antriebe entsteht.
Die einzige mechanische Führung besteht aus einer auf Fluidlagern gleitenden Unterstützung in der X/Y-Ebene, wobei alle sonstigen zur Beschleunigung und Führung notwendigen Kräfte über die beschriebenen Antriebe erzeugt werden.
Durch die rein elektromagnetische Führung der Bewegung der besagten Trägerstruktur in der X/Y-Ebene, werden keine Kräfte in diesen Richtungen durch mechanische Führungen auf besagten Maschinentisch übertragen.
Alle zur Bewegung notwendigen Kräfte werden in den besagten Antrieben erzeugt und somit auch als entgegengesetzt wirksame Reaktionskräfte durch die feststehenden Antriebsspulen auf den besagten Maschinentisch übertragen, so dass gegenläufig angesteuerte, ebenfalls auf besagten Maschinentisch jeweils gegenüber besagten Antriebsspulen feststehende und passend ausgerichtete Antriebe mit beweglichen Massen zur Krafterzeugung, zu einer völligen Reaktionskraftkompensation gegenüber dem besagten Maschinentisch führen.
Die monolithische Trägerstruktur ist dort als Werkstückträger ausgelegt, da in den dort geschilderten Anwendungsfällen die Werkstückmassen und -abmessungen klein gegenüber den eingesetzten Werkzeugen sind.
Durch die Art der Antriebe ist der Bewegungsspielraum der als Zusatzachsen translatorisch nutzbaren Achsen im Verhältnis zu den Abmessungen und Massen entsprechender Zusatzachskonfigurationen eher gering.
Bei entsprechend kleinen Werkstückabmessungen ist dies nicht störend, wenn jedoch eine kontinuierliche Bewegung eines Endeffektors, mit möglichst hoher konstanter Relativgeschwindigkeit, an einem mindestens teilweise kompliziert geformten Werkstück entlang notwendig ist, wobei das Werkstück relativ zum besagten Endeffektor eine wesentlich höhere Masse und/oder wesentlich größere Abmessungen hat, so ist je nach typischen Werkstückabmessungen und angestrebten möglichst konstanten Relativgeschwindigkeiten zwischen Endeffektor und Werkstück ein gewisser Mindestbewegungsspielraum (Sz) für die Zusatzachsen notwendig.
Diese ergeben sich, wie schon aus dem Stand der Technik bekannt ( WO 2008/148558 A !) hauptsächlich aus der angestrebten konstanten Geschwindigkeit (Vmax) und der maximal nutzbaren Beschleunigung der langwegigen Basisachsen (Ab) nach der Gleichung Sz = 2 Vmax²/Ab.
So würden sich beispielsweise für eine Laserschneidanwendung mit Bearbeitungsgeschwindigkeiten von 60 m/min und bei typischen Achsbeschleunigungen für Standardformate (Beispielsweise für Stahltafeln von 3 × 2 m) von 20 m/s² m ein benötigter Bewegungsspielraum von 2 × (1 m/s)²/20 m/s², also 10 cm ergeben.
Da jedoch eine Beschleunigung von 20 m/s² für derartige Systeme eher ein praktischer Grenzwert ist, bei dem schon mit erhöhten Vibrationen und Verschleiß gerechnet werden muss, also eher Werte bei 10 m/s² oder darunter anzustreben sind und die Tendenz zu einer doppelt so hohen Schneidgeschwindigkeit im Dünnblechbereich geht,
wäre durchaus mit notwendigen theoretischen Bewegungsspielräumen von 1 m (!) zu rechnen. Glücklicherweise ist der Bedarf in der Praxis gewöhnlich weitaus geringer als diese für den ungünstigsten Fall theoretisch ermittelten Werte.
Es gibt verschiedene Methoden (beispielsweise bekannt aus WO 2008/151810 A1 oder WO 2009/027006 A1 ) um den Bedarf an Bewegungsspielraum bei möglichst hoher konstanter Bewegungsgeschwindigkeit zu minimieren, wodurch dieser in den meisten Fällen bis auf etwa 20–30% gesenkt werden kann, was aber immer noch einen Bedarf von etwa 20–30 cm entspricht und mit einer Konstruktion entsprechend dem Stand der Technik aus EP 1 055 163 B1 zu Zusatzachsenkonfigurationen mit unpraktikablen Abmessungen und entsprechend unwirtschaftlichem Betrieb führt.
Von diesen grundsätzlichen Erwägungen abgesehen, ist auch eine Fluidlagerung der Zusatzachsen, wie dort dargestellt, für Maschinen mit einem höhern Bedarf an Bewegungsspielraum der Zusatzachsen, insbesondere wenn diese durch Basisachsen bewegt werden, oder höhere Massen mit hoher Beschleunigung bewegen, weniger geeignet.
Weiterhin führt die rein elektromagnetische Führung in den Hauptbewegungsrichtungen bei Mess- oder Werkzeugmaschinen mit den geschilderten Anforderungen zu einem hohen Energieverbrauch und einem kritischen Systemverhalten bei Störungen.
Aus EP 2 008 763 A1 ist eine Zusatzachsenkonfiguration bekannt, basierend auf aktiven Anteilen von Linearantrieben für zwei Achsrichtungen, die an einer jeweils tragenden Struktur gegenüberstehend fest angebracht sind und passiven Anteilen derselben Linearantriebe, die an gegenüberliegenden Seiten einer plattenförmigen Struktur fest angebracht sind, wobei besagte plattenförmige Struktur insgesamt zweidimensional bewegbar, mittels einer kreuztischartigen Führungsvorrichtung, zwischen den besagten aktiven Antriebsseiten gelagert ist.
Dies ähnelt in der Grundstruktur, abgesehen von der kreuztischartigen Führung, einem Aufbau nach EP 1 055 163 B1 .
Dies ergibt ebenfalls nahezu ähnlich ungünstige Verhältnisse zwischen Baugröße und Bewegungsspielraum der Zusatzachsen.
Da kein Impulsausgleich vorgesehen ist, treten, aber insbesondere in der ausführlich beschriebenen ersten Variante, erhebliche Drehmomente sowohl durch das weit auskragend angeordnete bewegbare Werkzeug, als auch durch eine Querverlagerung des Masseschwerpunktes des bewegten Teiles gegenüber der Antriebswirkung auf, wie schon zu EP 1 724 954 A1 ausführlich dargelegt wurde. Letztere Problematik gilt auch für die zweite dort beschriebene Variante.
Im Ergebnis lässt sich zusammenfassen, dass die Dokumente des Standes der Technik, zum Betrieb von Achskonfigurationen, bestehend aus relativ langwegigen und trägen Basisachsen sowie relativ kurzwegigen und dynamischen Zusatzachsen, zur dynamischen Bewegung über einem mindestens zweidimensionalen Arbeitsfeld, das im wesentlichen durch den Bewegungsspielraum der langwegigen Basisachsen bestimmt wird, entweder zu wesentlichen Drehmomenten führen, die auf die tragenden Basisachsen und/oder das Maschinengestell wirken und/oder sehr raumgreifenden und massereichen Konstruktionen, die für viele Anwendungen zu unpraktikablen Größen- und/oder Massenverhältnissen zwischen Basisachsen und Zusatzachsenkonfiguration, sowie zu einem hohem Energieverbrauch führen.
Aufgabe der Erfindung ist es auf möglichst einfache und effiziente Weise bekannte Achskonfigurationen so zu modifizieren oder neuartige Achskonfigurationen zu konzipieren, derart, dass die Nachteile des Standes der Technik vermieden oder mindestens erheblich vermindert werden, insbesondere das Auftreten von temporären Verformungen und Schwingungen der jeweils Zusatzachsen tragenden Achsen, und/oder tragenden Teilen des Maschinengestelles durch Drehmomente, die aus beschleunigten Bewegungen besagter Zusatzachsen resultieren wobei gleichzeitig ein günstiges Verhältnis zwischen Abmessungen der gesamten Zusatzachsenkonfiguration und dem jeweiligen Bewegungsspielraum der Zusatzachsen erzielt werden soll.
Beschreibung der Erfindung
Hierzu ist, gemäß dem Hauptanspruch der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass für jede Maschinenachse innerhalb der Zusatzachsenkonfiguration eine separate mechanische Führung oder Lagerung zur Bewegung in der besagten Maschinenachse vorgesehen ist, wobei ein aus der Beschleunigung von Zusatzachsen resultierendes Drehmoment auf die jeweils tragenden Strukturen einer Mess- oder Werkzeugmaschine durch effektive Drehmomente einer Mehrzahl linear bewegbarer, separat angetriebener und koordiniert steuerbarer Ausgleichsmassen auf oder gegenüber den besagten jeweils tragenden Strukturen kompensiert wird.
Besagte jeweils tragende Strukturen können feststehende Teile eines Maschinengestelles, Basisachsen, besagte Zusatzachsen tragende Zusatzachsen sowie Führung und Lagerung besagter Zusatzachsen sein.
Besonders vorzuziehen sind hier Achskonfigurationen, in denen nicht ein monolithisches Teil die Abtriebselemente für mehrere Maschinenachsen enthält, sondern zumindest für einen Antriebsteil, gewöhnlich den Abtrieb, in jeder Maschinenachse eine separate Führung oder Lagerung vorgesehen ist, da dies den Raumbedarf bei größeren Bewegungsspielräumen wesentlich reduziert.
Vorzugsweise werden zur besagten Koordination eine beliebige Kombination aus den Bewegungsparametern, Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck von mindestens zwei Zusatzachsen herangezogen,
wobei dies sowohl translatorisch als auch rotatorisch bewegte Achsen einschließt und als erfindungsgemäße Bewegungsparameter auch von den genannten Parametern abhängige Parameter gelten,
wie es beispielsweise Schwerpunktpositionen oder Trägheitsmomente abhängig von Achspositionen und davon abhängigen Masseverteilungen sind oder ein Drehimpuls abhängig von einer Winkelbeschleunigung und einer gegebenen oder veränderlichen Masseverteilung ist.
Je nach Zusatzachsenkonfiguration kann vorgesehen sein mit den Elementen der Erfindungen zugleich auch translatorisch wirksame Reaktionskräfte zu kompensieren.
Erfindungsgemäß sind alle besagten Reaktionskräfte (rotatorische und translatorische) in der jeweils tragenden Struktur vorzugsweise möglichst nahe ihrem Entstehungsort zu kompensieren,
wobei aber, je nach konkreter Ausgestaltung der zu modifizierenden oder zu konzipierenden Gesamtkonfiguration, die Reaktionskräfte auch auf einer dem Entstehungsort entfernteren Strukturstufe oder über mehrer Strukturstufen aufgeteilt, kompensiert werden können. Im weiteren wird dies an mehreren Beispielen noch näher erläutert.
Am einfachsten ist die Anwendung der Erfindung am Beispiel einer entsprechenden Modifikation einer Zusatzachskonfiguration darstellbar, wie sie grundsätzlich schon aus der WO 2009/006031 bekannt ist, da in einem solchen Fall, also wenn während der Bewegung eines Endeffektors durch alle vorgesehenen Positionen, abgesehen vom auftretenden Drehmoment, schon alle Reaktionskräfte kompensiert sind und die vorhandenen Linearachsen ohnehin nicht erfindungsgemäß(mit)nutzbar sind, lediglich die erfindungsgemäße Kompensation des jeweiligen Drehmomentes verbleibt, abhängig von der momentan benötigten Beschleunigung der rotatorisch wirksamen Achse sowie der Position der Linearachse. Letzteres ist zu beachten, da sich je nach Position der Linearachse das Trägheitsmoment und somit die benötigte Kraft der rotatorisch wirksamen Antriebe für eine definierte Beschleunigung verändert.
Da sich in einer solchen Konfiguration der Abstand zwischen Krafteinleitungspunkt und Masseschwerpunkt (also der Hebelarm des Drehmomentes) nicht verändert, wäre die veränderliche Antriebskraft der Parameter, über den das Ausgleichsdrehmoment am unmittelbarsten gesteuert werden kann.
Dabei kann diese Kraft und das resultierende Drehmoment sowohl rein rechnerisch, beispielsweise aus der bekannten veränderlichen Massenverteilung und der jeweils benötigten Beschleunigung ermittelt werden als auch, insbesondere wo diese Schritte zur Ansteuerung der jeweiligen Achskonfiguration ohnehin benötigt werden, aus den Parametern zur Ansteuerung der rotatorisch wirksamen Zusatzachse ermittelt werden.
Es handelt sich um eine erfindungsgemäß koordinierte Steuerung von Ausgleichsmassen, da sowohl die Position der translatorisch wirksamen Achse, als auch die Beschleunigung der rotatorisch wirksamen Achse in die Steuerung der besagten Ausgleichsmassen eingeht.
Unabhängig von der Art der Zusatzachsenkonfiguration, aber besonders auch im hier vorliegenden Beispielfall von Zusatzachsenkonfiguration, gilt – wenn Antiebe für die besagte Zusatzachse verwendet werden, die eine hohe Proportionalität zwischen einem leitenden Steuerparameter und ihrer Antriebskraft aufweisen, oder dies durch entsprechende elektronische und/oder steuerungstechnische Maßnahmen zur Motoransteuerung sichergestellt ist – dass bevorzugt der besagte leitende Steuerparameter auch zur proportionalen Ansteuerung für die Antriebe der koordiniert bewegbaren Ausgleichsmassen herangezogen werden kann.
Im vorliegenden Beispiel der WO 2009/006031 wäre dieser Fall jedoch nicht ohne weiteres gegeben, da es schwierig ist, das komplizierte Zusammenspiel aus Getrieben und Motoren mit all seinen Komponenten die sich aus Getriebespiel, überlagerten Reibungsregimen, Elastizitäten und Drehmomenten der Einzelkomponenten ergeben, so zu berücksichtigen, dass ein vorgegebenes Steuersignal eine zuverlässige und annähernd momentan signalproportionale Antriebskraft bewirkt.
Besser geeignet sind hierzu Direktantriebe, die ohne jede Getriebekomponente auskommen und mit denen ein proportionaler Verlauf zwischen Steuerparameter und Antriebskraft einfacher, und vor allem bei weitaus geringerer effektiver Elastizität, erreichbar ist, so dass eine Zusatzachsenkonfiguration, wie sie in WO 2009/006031 gezeigt wird, generell, aber ganz besonders zum Einsatz der vorliegenden Erfindung, sehr davon profitiert, wenn der Antrieb der Drehachse durch einen Direktantrieb erfolgt, vorzugsweise indem der dort durch Zahnräder angetriebene Zahnkranz durch die permanentmagnetische, passive Seite eines Linearmotors ersetzt wird, der sich über die Länge mindestens eines der dort gezahnten Anteile erstreckt und die elektrisch angesteuerte aktive Seite des besagten Linearmotors in mindestens einem Bereich auf der tragenden Struktur derart angebracht und so geformt und/oder angeordnet ist, dass die passive Antriebsseite bei Rotation der jeweiligen Zusatzachse sich mit möglichst geringem Luftspalt an der aktiven Seite entlang bewegt.
Unabhängig von der Art der Zusatzachsenkonfiguration sollten bevorzugt die linear bewegbaren separat antreibbaren Ausgleichsmassen auf parallelen Bahnen geführt werden, so dass positionsunabhängig zu jedem Steuerwert auch ein entsprechendes konstantes Drehmoment ohne Nebeneffekte erzeugt werden kann.
Neben einer passenden Antriebskraft müssen Masse, Bewegungsspielraum und paralleler Abstand der Bewegungsbahnen ausreichend dimensioniert sein, um während der Bewegung der jeweilig im Drehmoment zu kompensierenden Zusatzachsen, sicherstellen zu können, dass ein ausreichendes Gegenmoment und eine passende Bewegbarkeit der Ausgleichsmassen in jeder Bewegungssituation gegeben ist.
Die hier einführend beispielhaft dargestellte erfindungsgemäße Modifikation einer bekannten Zusatzachskonfiguration könnte weitgehend wirkungsgleich auch mittels drehbarer Ausgleichsmassen ausgeführt werden.
Besonders vorteilhaft an der hier vorliegenden Erfindung ist jedoch ihre hohe Flexibilität und wenig aufwändige Integrationsmöglichkeit in bekannte Methoden translatorische Reaktionskräfte zu kompensieren.
Bei Zusatzachskonfigurationen die ähnlich wie die zuvor beschriebene Modifikation, eine zweidimensionale Bewegung eines Endeffektors dadurch erzielen, dass eine translatorisch wirksame Achse mittels einer rotatorisch wirksamen Achse über einen begrenzten Bereich geschwenkt wird, kann es beispielsweise vorteilhaft sein, auf einen Impulsausgleich unmittelbar in der translatorischen Achse zu verzichten und eine besonders kompakte und leicht gebaute translatorische Einheit auf einem robusten Drehgelenk mittels eines Direktantriebes (beispielsweise eines passenden Hohlwellenmotors) zu verschwenken und die auftretenden Reaktionsimpulse sowohl translatorischer als auch rotatorischer Natur, mittels erfindungsgemäßer Einrichtungen zu kompensieren, die um das besagte Drehgelenk herum angeordnet sind, so dass eine Wirkung dieser Kräfte auf die jeweils tragenden Strukturen durch kompensierende Beschleunigung der Ausgleichsmassen vermieden werden kann.
Analog gilt dies auch für eine erste translatorisch wirksame Achse die mittels einer zweiten translatorisch wirksamen Achse über eine Fläche bewegt wird.
Beides ermöglicht eine vergleichsweise kompakte Bauform.
Erfindungsgemäß ist eine Anordnung der Bewegungsbahnen der separat antreibbaren Ausgleichsmassen ähnlich der Seiten eines Quadrates oder eines Rechteckes wegen der doppelt parallelen Anordnung und der effizienten Aufteilung von Kraftkomponenten bevorzugt.
Es sind erfindungsgemäß auch andere Anordnungen denkbar, die je nach Anwendungsfall beispielsweise aus Platzgründen oder wegen der speziellen Ausrichtung von Achsen oder auftretenden Reaktionskräften auch bevorzugt sein können, nur gestaltet sich dann die Ansteuerung komplizierter, da beispielsweise nicht für jedes Parallelpaar von gegenläufig bewegten Massen ein festes Verhältnis von Kraft und Drehmoment gilt, sondern dies jeweils positionsabhängig bestimmt und berücksichtigt werden muss.
Dies ist für den Fachmann durchaus zu bewältigen, also insbesondere bei der Erstellung entsprechender Steuerungssoftware zu berücksichtigen, verkompliziert aber die Gesamtkoordination teilweise nicht unerheblich, beispielsweise in Bezug auf eine vorausschauende Einhaltung von Bewegungsgrenzen.
Da für die meisten Anwendungen der Erfindung eine orthogonale und parallel beabstandete Anordnung der Bewegungsbahnen der separat antreibbaren Ausgleichsmassen bevorzugt sein sollte, beschränkt sich diese Beschreibung im weiteren auf derartige Konfigurationen.
In Fortsetzung des letzten Beispiels wird nun die bevorzugte Koordinaton der Bewegung der erfindungsgemäßen Ausgleichsmassen und die Steuerung ihrer Antriebe beschrieben.
Eine Zusatzachsenkonfiguration wie die zuletzt beschriebene, kann während eines Bewegungsablaufes sehr verschieden orientierte Reaktionskräfte entwickeln, die sich in einen translatorischen und rotatorischen Teil zerlegen lassen.
Rotatorische Reaktionskräfte oder entsprechende Drehmomente entstehen aus der Drehbeschleunigung der rotatorisch bewegbaren Achse, wobei zu berücksichtigen ist, dass sich durch Bewegung in der translatorisch wirksamen Achse die Masseverteilung gegenüber dem Drehpunkt verändert und somit das Drehmoment für eine bestimmte Beschleunigung veränderlich ist.
Dies wurde auch schon im vorangegangen Beispiel erläutert.
Hinzu kommt jedoch die Problematik der unsymmetrischen Anordnung der Massen gegenüber dem Drehpunkt.
Hierdurch entstehen auch schon während einer reinen Drehbewegung bzw. Beschleunigung der Drehachse mit dem Schwerpunkt um die Drehachse rotierende translatorische Kraftkomponenten: In einer Line zwischen Drehpunkt und dem Schwerpunkt die aus der Verschiebung des Schwerpunktes resultierende einseitig überschiessende Fliehkraft und parallel zur Bewegung des Schwerpunktes eine Reaktionskraft bei Drehbeschleunigungen.
Hinzu kommen die Reaktionskräfte aus der translatorisch wirksamen Achse, je nach deren Schwerpunktposition, Beschleunigung und Masse.
Um die zu kompensierenden Kräfte bestimmen zu können, werden die verschiedenengenannten translatorisch wirksamen Kräfte in ihre Achskomponenten innerhalb der Bewegungsebene der Ausgleichsmassen zerlegt und sodann achsweise addiert.
Die Resultate werden proportional den Steuerung der Antrieben für die Ausgleichsmassen jeder Koordinate zugeteilt und dabei zwischen den parallel gegenüberliegenden Antrieben gleichgerichtet aufgeteilt.
Das Drehmoment wird in ebenfalls bekannter Weise in ein Kräftepaar zerlegt, dass dem halben Abstand der jeweils gegenüberliegenden Ausgleichsmassen entspricht und zwischen den Antrieben der Ausgleichsmassen zusätzlich entsprechend gegengerichtet aufgeteilt.
Vorteilhaft kann es dabei sein das Gesamtdrehmoment mit allen vorhandenen Ausgleichsmassen gemeinsam zu kompensieren und/oder die momentan oder voraussehbar vorhandenen Auslenkungen der Ausgleichsmassen auf andere Weise bei der Aufteilung der Kräfte zur Kompensation des Drehmomentes zu berücksichtigen,
um die Auslenkung der Ausgleichsmassen auf ihrer Bewegungsbahn und damit auch die benötigte Länge der Bewegungsbahnen zu minimieren.
Erfindungsgemäß können zur besagten Mehrzahl von Ausgleichsmassen auch solche zählen die schon in an sich bekannter Weise einen Impulsausgleich der Zusatzachsen herbeiführen können.
Wie zum Stand der Technik an EP 1 724 954 A1 beispielhaft erläutert, kann für manche Zusatzachskonfigurationen beim Einsatz einzelner Ausgleichsmassen oder entsprechend mehrerer koordinierte Ausgleichsmassen, die effektiv wie eine einzelne Ausgleichsmasse wirken, häufig nicht vermieden werden dass aus der Beschleunigung eines Endeffektors mittels Zusatzachsen ein unkompensiertes Drehmoment verbleibt.
Erfindungsgemäß können dann eine oder mehrere zusätzliche linear bewegbare und unabhängig antreibbare Ausgleichsmassen oder eine erfindungsgemäße Ansteuerung von vorhandenen unabhängig antreibbaren Ausgleichsmassen, ausreichen, um das nach dem Stand der Technik verbliebende störende Drehmoment zu kompensieren.
Dabei ist die Bewegungsrichtung der linear bewegbaren und separat antreibbaren Ausgleichsmassen nicht zwingend parallel zur Bewegung der in ihrer Kraftwirkung zu kompensierenden Massen oder vorhandener linear wirksamer Ausgleichsmassen, da ein Drehmoment grundsätzlich durch eine Mehrzahl von um eine angenommene Drehachse herum beabstandeten und mindestens in einer geometrischen Teilkomponente parallel bewegbaren antreibbaren Massen erzeugt und/oder kompensiert werden kann.
Jedoch wird eine Anordnung mit einer hohen hierzu dienenden Nutzkomponente vorzuziehen sein, da hierdurch die Effizienz gesteigert wird und unerwünschte Seiteneffekte vermindert oder ganz vermieden werden können.
Daher ist es grundsätzlich vorzuziehen, die Führungsbahnen der erfindungsgemäß linear bewegbaren Ausgleichsmassen parallel zueinander auszurichten, auf gegenüber liegenden Seiten und vorzugsweise in mindestens beidseitig ausreichendem Abstand vom Bereich des effektiv zu erwartenden Schwerpunktes der insgesamt zu kompensierenden Kräfte. Der besagte ausreichende Abstand ergibt sich gewöhnlich aus dem zu kompensierenden Drehmoment und der Antriebskraft des jeweiligen Antriebes über den benötigten Geschwindigkeitsbereich hinweg.
Grundsätzlich ist bei der Kompensation der durch die Bewegung in Linearachsen auftretenden Drehmomente eine Möglichkeit vorzusehen, die das Drehmoment verursachende angetriebene Massenkomponente (MD) in ihrer wechselnden Schwerpunktposition (PD) orthogonal zur Achsrichtung und zur effektiven Wirkposition der Antriebskraft (WP) zu bestimmen, um mittels entsprechender Verrechnung mit der Schwerpunktposition (PG oder PR) der Restmasse (MR) oder Gesamtmasse (MG = MD + MR) den effektiven Hebelarm (LH) zur Wirkposition der Antriebskraft (WP) bestimmen zu können und durch Multiplikation mit der Antriebskraft (FG) das zu kompensierende Drehmoment (KM).
Beispielrechnung: Ein orthogonal in Richtung V zur linearen Hauptbewegungsrichtung einer beispielhaften Achse U verschiebbarer Werkzeugträger besitzt eine Masse (MD) von 5 Kg. Die beweglichen Teile des Antriebes, sowie zum Halten und Führen des Werkzeugträgers besitzen eine Masse (MR) von insgesamt 10 Kg.
Die Antriebskraft (FG) sei zentral auf die Masse von 10 kg wirksam und die Masse des Werkzeugträgers von 5 kg sei um maximal 10 cm gegenüber der zentralen Antriebswirkung der Linearachse verschoben.
Die zentral wirksame Antriebskraft sei 1500 N für eine Beschleunigung von ca. 10 G.
Nach der Formel LH = (PD × MD + PR × MR)/(MD + MR)
wobei hier wegen PR = 0 vereinfacht gilt LH = PD × MD/(MD + MR)
also insgesamt KM = FG × PD × MD/(MD + MR)
ist somit konkret KM = 1500 N × 0.1 m × 5 kg/(10 kg + 5 kg) = 50 Nm(!)
An diesem Beispiel wird zugleich nochmals deutlich, dass nicht unerhebliche Anteile der Antriebskraft, auch bei Kompensation der linearen Komponente nach dem Stand der Technik, in die jeweils die Zusatzachsen tragenden und führenden Strukturen eingeleitet werden können – im beschriebenen Fall Kräfte bis zu einigen hundert N in die Führung des Werkzeugträgers orthogonal in Richtung V zur linearen Hauptantriebsrichtung U und seitlich in die Führung der tragenden Linearachse in Richtung U – bei potentiell relativ hochfrequenten Lastwechseln aus bis zu ca. 50 Richtungswechseln pro Sekunde.
Bei einem Abstand der Masseschwerpunkte (LA) der erfindungsgemäßen Ausgleichsmassen von 25 cm würde sich somit eine notwendige Antriebskraft (FA) für jede Ausgleichsmasse von FA = KM/(LA/2)/2 = KM/LA ergeben, also 200 N.
Wenn diese Ausgleichsmassen neben dem Hauptantrieb und der translatorisch wirksamen Ausgleichsmasse der jeweiligen Zusatzache ohne besondere Veränderung der Abmessungen der Zusatzachsenkonfiguration untergebracht werden sollen, also der Bewegungsspielraum der Ausgleichsmassen ähnlich, oder vorzugsweise kürzer, dimensioniert ist, wie der von den zu kompensierenden Zusatzachsen, sollte das Gewicht der Ausgleichsmassen (inklusiver der mitbewegten Motoranteile) in diesem Beispiel etwa je 3 kg betragen.
(Bei gleicher Auslenkung wie der Hauptantrieb wären es 15 kg × 200 N/1500 N also 2 kg) Damit ergibt sich bei einer Masse für die Gesamtkonfiguration aus diesem Beispiel, die pro Achse etwa 10 kg für die bewegten Teile von Führung und Antrieb, 2.5 kg halber Anteil des Werkzeuges, 15 kg – translatorisch wirksame Kompensationsmasse + 12.5 kg halber Anteil der Basis mit aktiven Antriebsteilen, also etwa 40 kg beträgt, bei einer Erhöhung um etwa 4 Kg, ebenfalls pro Achse, eine Zunahme der Masse um etwa 10%.
Dann würde aber eine derartige Zusatzachsenkonfiguration erst tatsächlich das bieten, was schon in EP 1 724 954 A1 zugesichert wurde:
Zumindest theoretisch eine völlige Kräftefreiheit des Gesamtsystems nach außen.
Eine Vereinfachung der Gesamtkonfiguration ist möglich, indem zur Erzeugung eines passenden Kräftepaares der Antrieb einer translatorisch wirksamen Kompensationseinrichtung der jeweiligen Zusatzachse mit genutzt wird.
Dies ist ohne weiteres möglich, da allein die resultierenden Kraftverhältnisse über die Zeit ausschlaggebend sind, so dass der Kraftverlauf einer der wie beschrieben angetriebenen Ausgleichsmassen dem besagten Antrieb der Hauptausgleichsmasse zusätzlich beaufschlagt werden kann, so dass bei identischem Abstand der anderen wie beschrieben angetriebenen Ausgleichsmasse vom Schwerpunkt des Hauptausgleichsmasse, ansonsten identische Verhältnisse herrschen.
Der Herstellungsaufwand und die Gesamtmasse einer erfindungsgemäßen Einrichtung können hierdurch etwas gesenkt werden, da sich der benötigte Bewegungsspielraum der Hauptausgleichsmasse, schon bei einer in diesem Beispiel passenden Massenerhöhung von 2 Kg, nicht verändert und eine kaum merkliche Leistungserhöhung des Antriebs um 10% ausreicht. Vor allem werden Führung und Antrieb einer Ausgleichsmasse eingespart.
Gerade Konfigurationen, ähnlich der in EP 1 724 945 A1 , sind für die Anwendung einer solchen Erfindungsvariante prädestiniert, da die Hauptausgleichsmassen sich gegenüber der gesamten Zusatzachsenkonfiguration in einer weit außermittigen Position befinden, so dass eine erfindungsgemäße Ausgleichsmasse besonders vorteilhaft auf der gegenüberliegenden Seite und parallel zur jeweiligen Hauptausgleichsmasse der jeweiligen Achse geführt werden kann, möglichst am Rand der Gesamtzusatzachsenvorrichtung, wo leicht der dafür benötigte Platz zur Verfügung steht, so dass sich die Abmessungen der Zusatzachsenvorrichtung nicht oder zumindest nicht wesentlich erhöhen.
In Zusatzachsenkonfigurationen, die schon von vornherein eine Aufteilung der synchron angetriebenen Ausgleichsmassen auf mehrere getrennt bewegbare Teilmassen vorsehen, reicht es zur Realisierung der Erfindung, die vorhandenen Antriebe erfindungsgemäß anzusteuern, so dass beispielsweise bei zwei zumindest in etwa gleichgroßen angetriebenen Teilmassen, das zu kompensierende Drehmoment schon durch eine den Antrieben zu gleichen Teilen im Kraftverlauf gegenläufig aufaddierte Differenz kompensiert werden kann.
So wären im vorigen Ausgangsbeispiel auch zwei in ihrem Schwerpunkt 25 cm beabstandete getrennt geführte und angetriebene Ausgleichsmassen mit jeweils 7.5 kg Masse vorstellbar, auf die jeweils auch die halbe Antriebskraft entfallen würde, so dass ihre Bewegungen nach dem älteren Stand der Technik völlig synchron und parallel wären.
Erfindungsgemäß wird nun das Beispieldrehmoment von maximal 50 Nm dadurch kompensiert, dass den zugehörigen Antrieben bei ihrer maximalen Antriebskraft von 750 N und bei einer Stellung der das Drehmoment erzeugenden Masse in einer Extremposition, jeweils die schon oben errechnete Zusatzkraft von 200 N auf einer Seite aufaddiert und der Gegenseite abgezogen wird, so dass ein entsprechendes Gegendrehmoment entsteht. Je nach Position und Beschleunigung ergeben sich hierfür entsprechend geringere Kräfte. Dies erfordert ansonsten lediglich eine Berücksichtigung bei dem erforderlichen Bewegungsspielraum der Ausgleichsmassen, der sich bei Extremstellungen und -Geschwindigkeiten der bewegten Teile entsprechend um einige Prozent erhöhen kann, bzw. die Grenzwerte müssten entsprechend ein wenig reduziert werden, wenn ein sicherer Betrieb, so wie zuvor, ohne sonstige mechanische Modifikationen geplant ist. Dies wäre gewöhnlich schon dadurch gegeben, wenn die maximale Antriebskraft der verwendeten Motoren berücksichtigt wird, also im vorangegangenen Beispiel eine Reserve von 200 N einkalkuliert wird, so dass sich die Maximalbeschleunigung entsprechend um knapp 30% reduzieren würde.
Vorzugsweise wird in der Software einer Steuerung und/oder einer Bahndaten erzeugenden Software, die besagte Bahndaten für die Verwendung einer solchen Steuerung bereitstellt, berücksichtigt, dass die besagte Beschleunigungsreserve nur für Bewegungen im Grenzbereich des Bewegungsspielraumes der jeweils orthogonal orientierten Achse in voller Höhe zu berücksichtigen ist, so dass bei geringeren Auslenkungen auch eine entsprechend geringere Abschwächung der Maximalbeschleunigung notwendig ist.
Hierdurch wird der Nachteil einer etwas geringeren Maximalbeschleunigung, bei sonst unverändertem Aufbau einer Zusatzachsenkonfiguration praktisch vernachlässigbar.
Eine besonders bevorzugte Möglichkeit die Reaktionsdrehmomente ohne Verformung der inneren Struktur einer Zusatzachsenkonfiguration auf die jeweils tragende Struktur zu übertragen, ist möglich indem bei einer ersten translatorisch bewegbaren Zusatzachse in der durch Beteiligung einer weiteren Zusatzachse Masseverlagerungen quer zur Achsrichtung und somit Drehmomente bei der Beschleunigung auftreten, dieses Drehmoment nicht erst über die Achsführungen auf die nächsthöhere Strukturebene zu übertragen, sondern mittels einer Aufteilung des Antriebes besagter ersten Zusatzachse in mindestens zwei quer zur Bewegungsrichtung beabstandete Antriebe, die separat ansteuerbar sind, die Antriebskraft entsprechend den erfindungsgemäßen Antrieben der Ausgleichsmassen aufzuteilen, so dass ein entstehendes Drehmoment entlang der Antriebselemente auf die nächshöhere Strukturebene geleitet wird.
Dies entlastet die Führungselemente und führt durch Verstetigung und gleichzeitige Minimierung der Reibwertkomponenten zu einem weitaus verbesserten Regelverhalten, vornehmlich im unteren Geschwindigkeitsbereich, also gerade um die bei hohen Beschleunigungen sehr kritischen Umkehrpunkte herum.
Bei Zusatzachskonfigurationen, die es konstruktiv erlauben, dass erfindungsgemäße separat antreibbare Ausgleichsmassen auch an den jeweiligen Zusatzachsen selbst angebracht werden können, kann dies eine bevorzugte Variante sein, die Führung und Lagerung der besagten Zusatzachsen während einer Beschleunigung von Drehmomenten zu entlasten, die den Nachteil des komplizierteren Aufbaus und der zusätzlichen überwiegend statischen Belastung, mehr als aufwiegen kann.
Bei völligen Neukonstruktionen, in denen die Erfindung zum Einsatz kommen soll, sind vorzugsweise schon gleiche Massen und Abmessungen der Bewegungsbahnen für alle angetriebenen Ausgleichsmassen vorzusehen, insbesondere auch da dies durch zahlreiche Gleichteile zu einer besonders ökonomischen Realisierung führt.
Dies kann, entsprechend der besonderen Erfindungsausführung mittels mehrerer separat ansteuerbarer Antriebe für eine translatorisch wirksame Zusatzachse weiter optimiert werden, indem Führung und Antriebe in der Ausführung denen der erfindungsgemäßen Ausgleichsmassen entsprechen.
Wenn man sich die Anforderungen an eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung noch einmal insgesamt vor Augen führt, also viele Gleichteile und möglichst parallel ausgerichtete und beabstandete Antriebe sowohl auf der Seite der Zusatzachsen selbst, als auch der angetriebenen Ausgleichsmassen, und das alles im möglichst kompakten Rahmen einer Zusatzachseneinheit, die mindestens eine Bewegung eines Endeffektors in zwei Dimensionen erlaubt, so erscheint es besonders vorteilhaft alle Antriebselemente, Ausgleichsmassen usw. gleichmäßig in einer relativ schmalen Zone um den eigentlichen Arbeitsraum der Zusatzachsen herum anzuordnen und identische Antriebseinheiten sowohl für Zusatzachsen als auch Ausgleichsmassen vorzusehen.
Nachteilhaft gegenüber den zuvor ausgeführten Beispielen und Modifikationen könnte aber die relativ ungünstigere Zugänglichkeit des Endeffektors (beispielsweise für Servicezwecke) sein, so dass in der Praxis auch die noch näher am Stand der Technik orientierten Beispiele für die Erfindung, je nach Anwendungsfall, durchaus gewichtige Vorzüge haben können.
Es sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung denkbar, in denen relativ kleine Ausgleichsmassen bevorzugt sein können oder relativ kurze Bewegungsspielräume für die Ausgleichsmassen verfügbar sind, so dass ein vollständiger Ausgleich der auftretenden Drehmomente in allen Betriebssituationen nicht möglich ist.
Für diesen Fall ist vorzusehen, dass der Bereich der Höchstbeschleunigung der Zusatzachsen durch eine entsprechend hoch beschleunigte Bewegung der Ausgleichsmassen zumindest teilweise ausgeglichen wird, und die hierdurch entstehende Geschwindigkeit der Ausgleichsmassen mit einer wesentlich geringeren Beschleunigung wieder gegen Null gebracht wird, während sich die Zusatzachsen weiter mit der Sollgeschwindigkeit bewegen.
Beim entsprechenden Abbremsen der Zusatzachse wird dann in gleicher Weise eine entsprechende Gegenreaktion der Ausgleichsmassen ausgelöst, so dass sich nach Stillstand der Zusatzachse die Ausgleichsmasse wieder in ihrer vorzugsweise mittigen Ausgangsposition befindet und weitere Beschleunigungsphasen kompensieren können.
Selbstverständlich übt das Abbremsen der Ausgleichsmassen nunmehr selbst eine entsprechende Reaktionskraft auf die tragenden Maschinenteile aus, jedoch kann diese, je nach dem zum Abbremsen verfügbaren Bewegungsspielraum der Ausgleichsmassen wesentlich geringer sein, als die kompensierten Kräfte aus der Beschleunigung der jeweiligen Zusatzachsen.
Bei durch Basisachsen bewegbaren Zusatzachsen ist vorzugsweise vorzusehen, dass die durch das Abbremsen der Ausgleichsmassen entstehenden Reaktionskräfte nicht wesentlich höher sind, als die, die während Bewegungen der Zusatzachsen durch die Basisachsen entstehen, da die aus den Beschleunigungen der Basisachsen innerhalb der Zusatzachsenkonfiguration entstehenden Kräfte ohnehin konstruktiv zu berücksichtigen sind, so dass keine wesentlichen zusätzlichen Anforderungen an die Stabilität der Gesamtkonfiguration durch die Bewegung der Ausgleichsmassen entstehen.
Dabei ist zu beachten, dass die Zusatzachsen selbst in vielen vorkommenden oder denkbaren Bewegungskoordinationsmodi zwischen Zusatz- und Basisachsen nur selten beschleunigungslos sind und der den Zusatzachsen eigene begrenzte Bewegungsspielraum zu ähnlichen Bewegungsabläufen führt wie vorstehend für die Ausgleichsmassen beschrieben, so dass tendenziell eine gleiche Beschleunigung für Basisachsen und Ausgleichsmassen zu notwendigen Bewegungsspielräumen der Ausgleichsmassen führt, die denen der Zusatzachsen weitgehend entsprechen.
Der Bedarf für den Bewegungsspielraum der Ausgleichsmassen sinkt entsprechend ungefähr umgekehrt proportional zur für die besagte Abbremsung vorgesehenen Beschleunigung.
Weiterhin ist es vorzuziehen, dass die Schwerpunkte der sich in ihrer linearen Bewegung oder in ihrem Drehmoment ausgleichenden Massen, in den Achsen in denen keine Bewegungen der Zusatzachsen erfolgen, auf einer Ebene liegen, und die erfindungsgemäßen Ausgleichsmassen in einer Gesamtbalance der Massen jeder Bewegungsstufe, wo immer möglich, berücksichtigt sind, so dass durch Bewegung der jeweiligen die Zusatzachsen tragenden Achsen (Basisachsen oder tragende Zusatzachsen) möglichst nicht wiederum Drehmomente (Kippmomente) auf die Zusatzachsen einwirken.
Die Art der Basisachsen von Maschinen die entsprechend der Erfindung realisierbar sind, können sehr vielfältig sein.
Sowohl Systeme mit bewegten Portalen, fahrbaren oder schwenkbaren Ständern, mit feststehendem oder bewegbarem Material, als auch verschiedene auf Drehgelemken basierende Kinematiken, wie beispielsweise sechsachsige Industrieroboter oder beliebige parallelkinematische Konfigurationen können die Basisachsen bilden.
Erfindungsgemäße Zusatzachsen zur Bewegung des Endeffektors können vorteilhaft sowohl von einem feststehenden Gestell gegenüber einem bewegten Werkstück oder von jeder sonstigen zur relativ langwegigen Bewegung gegenüber dem Werkstück geeigneten Basis getragen werden.
Als Endeffektor kann erfindungsgemäß auch gelten, wenn ein kleines Werkstück gegenüber einem größeren Werkzeug bewegt wird.
Angetrieben werden die Basisachsen gewöhnlich durch Direktantriebe in Form von Linearantrieben, Hohlwellenmotoren, Zahnstangentriebe oder mittels Kugelgewindespindeln. Je nach anwendungspezifischen Anforderungen, benötigtem Bewegungsspielraum der Gesamtmaschine und zu bewegenden Massen könne auch andere elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch wirksame Antriebe erfindungsgemäß genutzt werden.
Eine Mess- oder Werkzeugmaschine kann erfindungsgemäß beispielsweise für den Schiff- oder Flugzeugbau zum Vermessen und Bearbeiten größter Bauteile in höchster Detailkomplexität vorteilhaft konzipiert werden, oder für eher alltägliche Dimensionen, beispielsweise in der Größe von Autokarosserien, Waschmaschinen oder Platinen für elektronischen Schaltungen, bis hinunter in die Dimensionen von Zentimetern oder Bruchteilen von Millimetern, für die Abmessungen eines zu vermessenden oder zu bearbeitenden Werkstückes in der Mikrosystemtechnik, Mikroelektronik oder der Nanotechnologie, soweit auch hier die Bedingung gilt, dass die gesamte Zusatzachsenkonfiguration besonders klein und leicht ausgeführt sein muss.
Die Grundproblematik – die Größe eines möglichst ununterteilten Arbeitsraumes im Verhältnis zu den zu berücksichtigenden Details einerseits und immer höhere Mess- oder Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei zugleich hoher Genauigkeit nimmt tendenziell immer mehr zu und damit zugleich der Bedarf für höchstmögliche Beschleunigungen, ohne dass dabei Maschinenelemente unerwünscht bewegt oder verformt werden.
Dies ermöglicht die Erfindung in höherem Maße als es nach dem bisherigen Stand der Technik für Mess- und Werkzeugmaschinen mit Zusatzachsen möglich war.
Bearbeitungsmethoden für die sich eine erfindungsgemäße Maschine besonders eignet, sind das Schweißen, Schneiden, Fräsen, Gravieren, Markieren, Aufbringen von komplexen Konturen und Strukturen auf Materialien, wie Blech, Kunststoff, Glas, Keramik, Holz und Textilien.
Ebenso ist das Rapid Prototyping eine geeignete Anwendung, insbesondere Verfahren in denen Schichten zugeschnitten, Material kleinräumig aufgetragen wird oder aus sonstigen Gründen mit einer im wesentlichen senkrecht zum Material ausgerichteten Energie oder Materialeinbringung gearbeitet werden muß.
Ferner sind das präzise Bearbeiten kleinster Strukturen oder das präzise Auf- und Abtragen feinster Details mit hoher Geschwindigkeit genauso mögliche Anwendungen der vorliegenden Erfindung, wie auch das Messen und Kontrollieren in den genannten Bereichen, wobei diese nur als Beispiele zu verstehen sind und keine in irgend einer Weise abschließende Aufzählung von Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung darstellen sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7357049 B2 [0021]
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WO 2009/006031 [0035, 0072, 0077, 0078]
DE 10027775 A1 [0040, 0044, 0045]
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WO 2008/148558 A [0054]
WO 2008/151810 A1 [0057]
WO 2009/027006 A1 [0057]
EP 2008763 A1 [0060]
EP 1724945 A1 [0119]

Claims

Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten, die durch Beschleunigung in redundanten Zusatzachsen bei Mess- und Werkzeugmaschinen entstehen mittels einer Mehrzahl von koordiniert linear bewegbarer Ausgleichsmassen wobei Zusatzachsen tragende Strukturen, feststehende Teile eines Maschinengestelles, Basisachsen, besagte Zusatzachsen tragende Zusatzachsen, sowie Führung und Lagerung besagter Zusatzachsen sein können gekennzeichnet dadurch, dass für jede Maschinenachse innerhalb der Zusatzachsenkonfiguration eine separate mechanische Führung oder Lagerung zur Bewegung in der besagten Maschinenachse vorgesehen ist und ein aus der Beschleunigung von Zusatzachsen resultierendes Drehmoment auf die jeweils tragenden Strukturen einer Mess- oder Werkzeugmaschine durch effektive Drehmomente einer Mehrzahl linear bewegbarer, separat angetriebener und koordiniert steuerbarer Ausgleichsmassen auf oder gegenüber den besagten jeweils tragenden Strukturen kompensiert wird.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Maschinenachse innerhalb der Zusatzachsenkonfiguration eine separate mechanische Führung oder Lagerung zur Bewegung mindestens eines Antriebsteiles der besagten Maschinenachse vorgesehen ist
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur besagten Koordination eine beliebige Kombination aus den Bewegungsparametern, Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck von mindestens zwei Zusatzachsen herangezogen werden, wobei dies sowohl translatorisch als auch rotatorisch bewegte Achsen einschließt und als Bewegungsparameter auch weitere von den genannten Parameter abhängige oder abgeleitete Parameter verwendbar sind.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Elementen der Erfindungen zugleich auch translatorisch wirksame Reaktionskräfte kompensiert werden.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Reaktionskräfte (rotatorische und/oder translatorische) nicht auf der gleichen oder einer unmittelbar übergeordneten Strukturstufe der gesamten Achskonfiguration, sondern auf einer weiter übergeordneten Strukturstufe oder über mehrere Strukturstufen aufgeteilt, kompensiert werden.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zu kompensierende Drehmoment direkt aus den Parameter zur Ansteuerung einer rotatorisch wirksamen Achse ermittelt wird.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Antriebe der Zusatzachsen, als auch die Antriebe der Ausgleichsmassen Direktantriebe sind.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweidimensionale Bewegung eines Endeffektors dadurch erzielt wird, dass eine translatorisch wirksame Achse mittels einer rotatorisch wirksamen Achse an einem Drehgelenk über einen begrenzten Winkelbereich geschwenkt wird wobei auf einen Impulsausgleich unmittelbar in der translatorischen Achse verzichtet wird und die bewegbaren Ausgleichsmassen auf oder über der Strukturebene mit besagtem Drehgelenk angeordnet sind.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweidimensionale Bewegung eines Endeffektors dadurch erzielt wird, dass eine erste translatorisch wirksame Achse mittels einer zweiten translatorisch wirksamen Achse über einen Fläche bewegt wird wobei auf einen Impulsausgleich unmittelbar in der besagten ersten translatorischen Achse verzichtet wird und die bewegbaren Ausgleichsmassen auf oder über der Strukturebene mit der besagten zweiten translatorischen Achse angeordnet sind.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Führungen der separat antreibbaren Ausgleichsmassen ausgerichtet an den Seiten eines Quadrates oder Rechteckes erfolgt.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtdrehmoment mit allen vorhandenen Ausgleichsmassen gemeinsam kompensiert und/oder die momentan oder voraussehbar vorhandene Auslenkung und zur Verfügung stehender Bewegungsspielraum der Ausgleichsmassen bei der Aufteilung der Kräfte zur Kompensation des Drehmomentes berücksichtigt wird.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur besagten Mehrzahl von Ausgleichsmassen auch solche zählen die schon ohne die Anwendung der Erfindung einen Impulsausgleich der Zusatzachsen in einer translatorischen Achse herbeiführen können.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Mehrzahl von Ausgleichsmassen nur aus solchen besteht die schon ohne die Anwendung der Erfindung einen Impulsausgleich der Zusatzachsen in translatorischen Achsen herbeiführen können.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ersten translatorisch bewegbaren Zusatzachse, in der durch Beteiligung einer weiteren Zusatzachse Masseverlagerungen quer zur Achsrichtung auftreten eine Aufteilung des Antriebes besagter ersten Zusatzachse in mindestens zwei quer zur Bewegungsrichtung beabstandete Antriebe stattfindet, die separat ansteuerbar sind.
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass separat antreibbare Ausgleichsmassen, mindestens teilweise, auch an Zusatzachsen selbst angebracht werden
Einrichtung zur Kompensation von Drehmomenten gemäß Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein teilweiser Ausgleich der zu kompensierenden Drehmomente vorgesehen ist.