加工裝置、加工機和用于使加工頭運動的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于加工工件的加工裝置（11），包括：加工頭（2）、基體（12）以及連接裝置（18，19，20），加工頭（2）安置在基體上，連接裝置連接基體（12）與加工頭（2），通過第一鉸鏈連接可繞第一擺動軸（S1）擺動地與基體（12）、通過第二鉸鏈連接可繞第二擺動軸（S2）擺動地與加工頭（2）連接，其中，為使加工頭（2）相對于平行于擺動軸（S1，S2）并包含加工位置（S）的旋轉(zhuǎn)軸（B）以預(yù)先給定的旋轉(zhuǎn)角度（α）定位，第二鉸鏈連接在垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸（B）的平面（Xz，Zz）中可調(diào)整位置。本發(fā)明還涉及具有這樣的加工裝置（11）的加工機以及使這樣的加工裝置（11）的加工頭（2）運動的方法。
【專利說明】加工裝置、加工機和用于使加工頭運動的方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于加工工件的加工裝置，該加工裝置具有用于在加工位置上加工工件的加工頭，本發(fā)明還涉及具有這樣的加工裝置的加工機以及用于使得這樣的加工裝置的加工頭運動的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在EP0927596B1中說明了一種用于激光機的操作頭，它包括:一用于接收沿第一軸的激光射束的基礎(chǔ)件、一被基礎(chǔ)件保持以便繞與第一軸垂直的第二軸旋轉(zhuǎn)運動的的旋轉(zhuǎn)體以及一相對于旋轉(zhuǎn)體可運動的端部體。該端部體也可以相對于旋轉(zhuǎn)體沿著第二軸平行的直線方向運動并且該端部體承載一用于射出經(jīng)聚焦的激光射束的射出噴嘴。
[0003]從W003/086717A1已知一種用于使工作頭空間移動的裝置，該裝置具有一平臺，該平臺被可作二維運動地布置在第一平面中并且該平臺承載可繞一旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)元件。在該旋轉(zhuǎn)元件上布置有至少兩個可相對于旋轉(zhuǎn)元件移動的桿，所述桿承載用于工作頭的裝配裝置或者工作頭本身。在一實施例中，第一桿與旋轉(zhuǎn)元件成一固定角度，而第二桿與旋轉(zhuǎn)元件成一可變的角度。
[0004]在EP1870214A1以及EP1084802A2中說明了一種用于使運動的平臺的至少一個部分在四個自由度內(nèi)移動的平行機器人。該機器人具有一基座、四個固定在該基座上的促動器以及四個桿件，其中，每個桿件包括兩個平行桿，每個平行桿在一端上與促動器的一可運動的部分通過一運動元件耦合。該運動的平臺的四個角部與桿件的另一端通過運動元件連接。
[0005]在DE102010022852A1中說明了一種具有定義一基平面的基座的刀架，該刀架具有一基座臂，該基座 臂可繞一固定在基座上的、傾斜于基平面的法線延伸的基座軸線擺動，該刀架還具有一刀夾，該刀夾布置在刀架臂上，優(yōu)選可沿著刀具軸線移動，其中，基座軸線、臂軸線和該刀具軸線在一中心點上彼此相交。
[0006]從DE19955520A1已知一用于加工自由形狀面的加工頭、一用于加工裝置的支架、以及三個長度可調(diào)的支柱，該加工頭具有一底板，該底板可連接在工具機的接口上，這些支柱借助于端側(cè)鉸鏈連接在支架上和底板上。所述支架通過球鉸鏈或者萬向節(jié)可運動地與該底板連接并且這些支柱具有NC控制的促動器，使得通過程序控制的致動器的調(diào)整運動，可實施所述支架繞該球鉸鏈或者萬向節(jié)的擺動運動。
[0007]在EP0674969B1中說明了一種坐標(biāo)定位機，該坐標(biāo)定位機包括可相對運動的一第一和第二組件，所述結(jié)構(gòu)通過三個可移出和可縮回的支柱相互連接，其中，所述支柱中的每一個通過第一或者第二旋轉(zhuǎn)固定裝置與所述第一和第二組件連接，這些固裝置使得所述支柱能夠相對于所述組件以至少兩個轉(zhuǎn)動自由度旋轉(zhuǎn)運動。一防轉(zhuǎn)動裝置去掉該第一組件相對于該第二組件的至少兩個轉(zhuǎn)動自由度。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的任務(wù)是，這樣改進具有加工頭的加工裝置、具有該加工裝置的加工機以及用于使該加工頭運動的方法，使得尤其在加工在短的軌跡段上方向改變大的工件時，可提高軌跡速度。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過一種加工裝置解決，該加工裝置包括:一用于在加工位置加工工件的加工頭；一基體，所述加工頭支承在該基體上；以及三個用于連接基體與所述加工頭的連接裝置，所述連接裝置分別通過第一鉸鏈連接裝置可繞彼此平行的第一擺動軸擺動地與所述基體連接并且所述連接裝置分別通過第二鉸鏈連接裝置可繞平行于第一擺動軸的第二擺動軸擺動地與所述加工頭連接，其中，為了相對于平行于所述第一和第二擺動軸并包含所述加工位置的旋轉(zhuǎn)軸以一預(yù)先給定的旋轉(zhuǎn)角度來定位所述加工頭，所述第二鉸鏈連接的位置在一垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)是可調(diào)整的，所述加工頭支承在所述第二上鉸鏈連接。
[0010]在傳統(tǒng)的具有兩個受馬達驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)軸或者說方位軸(B軸和C軸)的加工機中，加工位置(也稱作為“Tool center point”，TCP)典型地布置得與所述方位軸的交點隔開間距。這導(dǎo)致，在加工彎曲的三維工件表面時，由笛卡爾軸(X，Y和Z軸)的運動合成的軌跡通常比加工位置的真正軌跡更復(fù)雜和更強烈地彎曲。由于笛卡爾軸的較低動態(tài)性能，這導(dǎo)致，在短的軌跡段上具有大的方向改變的區(qū)域中，就是說，在待加工的工件的表面曲率半徑小的情況下，軌跡速度可能明顯降低。
[0011]根據(jù)本發(fā)明提出，為了產(chǎn)生加工頭的旋轉(zhuǎn)運動，取代一馬達驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)軸(B軸)，使用一平行運動機構(gòu)(Parallelkinematik),該平行運動機構(gòu)使得加工頭能夠在一平面內(nèi)運動。使用三個呈平行運動的軸的形式的連接裝置，這些連接裝置的作用于加工頭上的(第二)鉸鏈連接能夠借助合適的驅(qū)動裝置、例如借助線性(直接)驅(qū)動裝置或者滾珠絲杠傳動裝置布置在一垂直于所述擺動軸的平面內(nèi)的不同位置上，由此，可在適當(dāng)?shù)貐f(xié)調(diào)或者控制平行運動的軸的情況下使加工頭在該平面內(nèi)有針對性地這樣移動，使得旋轉(zhuǎn)角度或者取向改變，而加工頭始終保持以同樣的間距對準(zhǔn)包含加工位置的旋轉(zhuǎn)軸。因此，加工頭可繞一相對于基體位置固定的旋轉(zhuǎn)軸實施旋轉(zhuǎn)運動，而不需要為此目的沿著笛卡爾基軸運動。除了所述旋轉(zhuǎn)運動外，附加地還可以通過平行運動的軸在垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)以及沿著該旋轉(zhuǎn)軸實施加工位置的高動態(tài)冗余運動。該附加軸運動典型地從一基本位置出發(fā)，在該基本位置中，加工位置位于所述旋轉(zhuǎn)軸(B軸)與另一旋轉(zhuǎn)軸(C軸)的交點上，該另一旋轉(zhuǎn)軸通過加工機實現(xiàn)，該加工裝置可旋轉(zhuǎn)地安置在該加工機上。
[0012]此外，平行運動支承裝置還使得能夠?qū)崿F(xiàn)相對窄的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)僅很小程度地限制對工件的可接近性。由于在基本位置中加工位置位于方位軸的交點上的事實，簡化了笛卡爾基軸和附加軸之間的軌跡分配，其中，優(yōu)選在軌跡分配之后才進行用于平行運動機構(gòu)的運動學(xué)轉(zhuǎn)換。第二鉸鏈連接的位置改變例如能夠通過可伸縮式的連接裝置或者通過相應(yīng)連接裝置的可伸縮式結(jié)構(gòu)元件來實現(xiàn)。
[0013]在一優(yōu)選實施方式中，每個連接裝置具有至少一個棒式的連接元件,該連接元件通過至少一個第一鉸鏈連接與基體連接并且通過至少一個第二鉸鏈連接與加工頭連接。為了能夠在所述平面內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的運動，每個第一鉸鏈連接可具有兩個鉸鏈，這兩個鉸鏈安裝在基體的相對置的側(cè)上或者說基體的相對于中間平面而言不同的側(cè)上。相應(yīng)地，第二鉸鏈連接典型地也具有兩個鉸鏈，這兩個鉸鏈安裝在加工頭的相互對置的側(cè)上或者說加工頭的相對于中間平面而言不同的側(cè)上。
[0014]所述第一或者第二鉸鏈連接也可通過樞轉(zhuǎn)鉸鏈實現(xiàn)，使得一個唯一的棒式連接元件就足以實現(xiàn)所述連接裝置。在使用兩個鉸鏈來制成第一和第二鉸鏈連接的情況下，也可使用一個唯一的棒式連接元件；在這種情況下，這兩個鉸鏈安裝在該連接元件的叉形構(gòu)造的端部上。
[0015]一種實施方式是有利的，其中，每個連接裝置具有兩個棒式的連接元件，所述連接元件分別通過一第一球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)安裝在基體上并且分別通過一第二球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)安裝在加工頭上。由于加工頭通過球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)連接在基體上以及設(shè)置了兩個棒式連接元件，不僅能夠在垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)、而且還能夠沿著所述旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)加工頭的運動。在使用一個唯一的棒式連接元件或者一樞轉(zhuǎn)鉸鏈類型的鉸鏈連接的情況下，僅當(dāng)所述連接裝置的兩個鉸鏈中的各至少一個能夠沿著該樞轉(zhuǎn)鉸鏈的軸可動時，才可能實現(xiàn)沿著所述旋轉(zhuǎn)軸的運動。
[0016]為了實現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)軸方向上的運動，棒式連接元件能夠以可伸縮式的方式構(gòu)成，使得所述連接元件的長度能夠相互獨立地改變。如果所述連接元件具有不同的長度，則支承在球鉸節(jié)上的加工頭在旋轉(zhuǎn)軸的方向上平行移動。在此，加工位置的位置也在旋轉(zhuǎn)軸上發(fā)生改變，就是說，該位置不再與B軸和C軸之間的交點一致。
[0017]在一優(yōu)選實施方式中，為了加工頭在旋轉(zhuǎn)軸的方向上平行移動，所述連接裝置之一的棒式連接元件的第一球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)的位置可相互獨立地調(diào)整。為了加工位置在旋轉(zhuǎn)軸方向上移動，兩個連接元件的球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)能夠例如沿著垂直于或者基本垂直于旋轉(zhuǎn)軸延伸的方向相互相反地運動，這和上面說明的增大或者減小可伸縮式連接元件的長度具有相同的效果。但是，第一球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)的位置也可以相互獨立地在兩個不垂直于旋轉(zhuǎn)軸地延伸的不同平面內(nèi)調(diào)整。對于由這兩個平面與旋轉(zhuǎn)軸所圍成的合適的角度的選擇，多個準(zhǔn)則起決定性作用，例如致動器或者馬達與加工位置之間的運動傳動比以及整個加工裝置的剛性和緊湊性(或者干擾輪廓)。
[0018]在一實施方式中，所述加工裝置包括至少一個在基體上可沿著一線性導(dǎo)向裝置移動地被導(dǎo)向的支承元件，用于連接一連接裝置的第一鉸鏈連接或者一連接元件的第一球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)與所述基體。這些線性導(dǎo)向裝置典型地在一(不一定共同的)垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)延伸并且使得第一鉸鏈連接或者第一球鉸節(jié)在該平面內(nèi)的位置能夠改變，由此，對應(yīng)的第二鉸鏈連接或者對應(yīng)的第二球鉸節(jié)在垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)的位置也相應(yīng)地改變。如果放棄加工頭沿著所述旋轉(zhuǎn)軸(B軸)的運動，則典型地設(shè)置具有三個支承元件的三個線性導(dǎo)向裝置，以使連接裝置的各個第一鉸鏈連接的兩個鉸鏈或者樞轉(zhuǎn)鉸鏈移動。
[0019]為了使加工頭在旋轉(zhuǎn)軸的方向上也能夠平行地移動，優(yōu)選所述連接裝置之一的棒式連接元件的第一球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)安裝在兩個支承元件上，這兩個支承元件可沿著兩個線性導(dǎo)向裝置方向相反地移動。在這種情況下，在這些線性導(dǎo)向裝置中的一個上安裝這三個連接裝置之一的第一連接元件的僅一個第一球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)。將該連接裝置的第二連接元件的相應(yīng)的第一球鉸節(jié)安裝在附加的第四線性導(dǎo)向裝置上，以便該第一球鉸節(jié)能夠獨立地移動。通過該第四平行運動的軸，為加工頭的運動在所述旋轉(zhuǎn)軸的方向上提供了附加的自由度，即實現(xiàn)了另一冗余的附加軸，使得加工頭能夠在三個軸向上實施冗余的高動態(tài)的軸運動。這兩個線性導(dǎo)向裝置例如能夠沿著一基本上垂直于旋轉(zhuǎn)軸延伸的方向平行地對準(zhǔn)。但也可行的是，這些線性導(dǎo)向裝置相互成一個角度地或者說在兩個不垂直于旋轉(zhuǎn)軸延伸的平面內(nèi)布置。
[0020]在一優(yōu)選實施方式中，所述用于使對應(yīng)的支承元件在垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)移動的線性導(dǎo)向裝置構(gòu)造得越過一足夠使加工頭繞所述旋轉(zhuǎn)軸(虛擬的B軸)轉(zhuǎn)動一 90°或者更大、優(yōu)選180°或者更大的旋轉(zhuǎn)角度的路段。加工頭的擺動范圍除了取決于支承元件沿著所述線性導(dǎo)向裝置所能夠走過的距離外，還取決于第二鉸鏈或者鉸節(jié)點在加工頭上的布置。對于工件加工來說有利的是，該旋轉(zhuǎn)角度在+/-90°的范圍內(nèi)、也就是總共在180°范圍上可調(diào)整。
[0021]所述基體通常如此構(gòu)造，使得該基體適當(dāng)?shù)刂С炙鰧?dǎo)向裝置，就是說所述線性導(dǎo)向裝置在該基體的表面上延伸。該基體可以例如構(gòu)造為對稱的梯形(也就是說具有平行的上側(cè)和下側(cè))。該基體應(yīng)具有盡可能小的重量以及盡可能小的關(guān)于C軸的慣性矩。優(yōu)選地，該基體構(gòu)造為(薄壁的)空心體，在該空心體的內(nèi)側(cè)例如能夠構(gòu)造穩(wěn)定筋。
[0022]該加工裝置典型地附加包括配置給對應(yīng)的支承元件的致動器，用于使該支承元件運動。所述致動器應(yīng)在自重盡可能小的情況下具有盡可能高的動態(tài)性能而且能夠例如實現(xiàn)為線性直接驅(qū)動裝置或者滾珠絲桿傳動裝置。所述驅(qū)動裝置的能量供給或者功率供給可借助于集成在基體中的導(dǎo)入導(dǎo)線實現(xiàn)，所述導(dǎo)入導(dǎo)線與加工機連接，所述加工裝置安裝在該加工機上。
[0023]本發(fā)明的另一個方面在一加工機中、尤其一激光加工機中實現(xiàn)，所述加工機包括一如上所述的加工裝置。一傳統(tǒng)的激光加工機可作為所述加工機用于工件的三維加工，其中，由所述加工裝置替代被驅(qū)動的B軸。不言而喻，構(gòu)造用于以不同于借助激光射束的方式、例如借助于機械加工、例如借助于磨削加工來加工工件的加工機也可以裝備有在此所述的加工裝置。該加工裝置也能夠以工業(yè)機器人或者機器人臂的形式裝在加工機上。
[0024]在一優(yōu)選實施方式中，所述激光加工機包括一用于向加工頭導(dǎo)入激光射束的光纜以及一用于使激光射束聚焦在一形成所述加工位置的焦點上的聚焦裝置。在激光加工裝置中，加工位置典型地與激光射束的焦點一致。通過光纜(光纖)導(dǎo)入激光射束是有利的，因為，由于所使用的平行運動機構(gòu)，從加工機到加工頭的自由射束傳播典型地將會是花費大的。不言而喻，該激光加工機包括用于產(chǎn)生激光射束的激光源。該激光加工頭典型地也具有一噴嘴，用于在所述加工位置的區(qū)域中施加激光氣體。
[0025]在一有利實施方式中，加工裝置具有一保持元件，該保持元件固定在加工機的一保持裝置上，其中，所述保持裝置構(gòu)造得使所述加工裝置繞垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸的另一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。該保持元件例如可以是一基本上圓形的、例如圓盤形或者環(huán)圈形的構(gòu)件，保持裝置可作用該構(gòu)件上，以使加工裝置繞C軸轉(zhuǎn)動，該C軸例如可穿過所述圓形連接元件的中心。當(dāng)然，保持元件也能夠以其它方式構(gòu)成。保持裝置也可以通過機器人上的刀具接收裝置構(gòu)成。
[0026]優(yōu)選地，所述加工機具有一運動裝置，用于使保持裝置沿著至少兩個、優(yōu)選沿著三個線性軸運動。這兩個或者三個線性軸典型地相互組合，也就是說，第一線性導(dǎo)向裝置用于使第一構(gòu)件沿著第一線性軸運動，安裝在該構(gòu)件上的第二線性導(dǎo)向裝置用于使另一構(gòu)件沿著第二線性軸運動，等等。保持裝置沿著笛卡爾線性軸的運動、尤其其加速度，與所述加工裝置的平行運動的附加軸的運動或者加速度相比是低速的。[0027]所述線性導(dǎo)向裝置相對于所述另一旋轉(zhuǎn)軸成一角度地延伸，該角度取決于所爭取的運動間隙和所述加工頭的大小。該角度必須如此選擇，使得在預(yù)計的運動空間內(nèi)不發(fā)生所述平行運動機構(gòu)的不同的(連接)元件之間的碰撞。
[0028]在另一實施方式中，所述線性導(dǎo)向裝置中至少一個平行于所述另一旋轉(zhuǎn)軸(C軸)延伸并且所述線性導(dǎo)向裝置中的至少另一個與所述另一旋轉(zhuǎn)軸成一角度地定向。根據(jù)大小情況和所希望的運動空間，證明有利的是，至少一個線性導(dǎo)向裝置使得一相應(yīng)的鉸鏈連接或者一相應(yīng)的球鉸節(jié)或萬向鉸節(jié)能夠在所述另一旋轉(zhuǎn)軸的方向上運動。在此，連接裝置尤其可涉以是所述三個連接裝置的中間那個連接裝置。兩個外部的連接裝置能夠與所述另一旋轉(zhuǎn)軸圍成一在量值上同樣大的角度。優(yōu)選地，這些線性導(dǎo)向裝置在一垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸(B軸)的平面內(nèi)的投影中的定向如此選擇，使得兩個外部的線性導(dǎo)向裝置相互圍成一例如90°的角度。但是，不言而喻，兩個外部的線性導(dǎo)向裝置之間也可以設(shè)置銳角或者鈍角。中間的那個線性導(dǎo)向裝置或者在有第四軸的情況下中間的兩個線性導(dǎo)向裝置，可以布置在兩個外部的線性導(dǎo)向裝置之間的角平分線上。
[0029]本發(fā)明還涉及一種方法，該方法借助于一如上所述的加工裝置使加工頭運動，該方法包括:通過在垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)改變第二鉸鏈連接的位置使加工頭相對于所述旋轉(zhuǎn)軸成一預(yù)先給定的角度地定位。除了在該平面中改變加工頭的方位外，附加地還能夠?qū)⑺銎叫羞\動機構(gòu)的附加的軸作為附加軸使用，以實現(xiàn)加工位置在垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)的(二維)運動。因為加工位置在基本位置中、也就是說沒有附加的軸運動的情況下，處于方位軸(B軸和C軸)的交點上，因而取消否則對于笛卡爾基軸來說需要的運動學(xué)轉(zhuǎn)換，由此在軌跡設(shè)計時簡化了對于笛卡爾基軸和所述附加軸的軌跡分配。僅需要用于所述平行運動機構(gòu)的運動學(xué)轉(zhuǎn)換的計算，該計算在時間流程上有利地在對基軸和附加軸進行軌跡分配之后才進行。
[0030]在一有利變型中，所述方法附加地包括:通過所述連接裝置之一的棒式連接元件的第一球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)的相互反向的運動，使加工頭在旋轉(zhuǎn)軸的方向上平行移動。所述相互反向的運動可以在垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸延伸的方向上進行。但也可能的是，在兩個相互不平行地延伸的平面內(nèi)相互獨立地調(diào)整所述球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)的位置，使得所述運動只有一個分量垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸延伸。通過上面更遠處說明的以一第四軸擴展所述平行運動機構(gòu)，在所述旋轉(zhuǎn)軸的方向上提供一附加的運動自由度，使得所述平行運動機構(gòu)能夠?qū)θ咳齻€笛卡爾基軸(X，Y，Z)實施冗余的運動。在此起有利作用的是，所述平行運動的軸能夠小質(zhì)量并從而高動態(tài)性能地實施(例如以線性直接驅(qū)動裝置的形式)。方位軸(C軸以及必要時另外的軸)上的冗余通常是不需要的，因為這些軸本來已經(jīng)具有比較高的動態(tài)性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]從說明書和附圖得知本發(fā)明的其它優(yōu)點。前面提到的和后面列舉的特征也可以單個地或者多個任意組合地使用。所示出的和所說明的實施方式不應(yīng)理解為窮舉，而且對于解釋本發(fā)明具有示例性特點。
[0032]附圖示出:
[0033]圖1具有用于激光加工頭的空間移動或者取向的三個笛卡爾基軸和兩個方位軸(C或者B軸)的激光加工機的細節(jié)的示意性圖示，[0034]圖2 —加工裝置的示意性圖示，該加工裝置替代圖1的激光加工機的激光加工頭，
[0035]圖3a，b圖2的加工裝置的側(cè)視圖和俯視圖，
[0036]圖4a_c圖2和圖3a，b中的加工裝置在所述加工頭相對于一旋轉(zhuǎn)軸(B軸)處于三個不同的角度中，以及
[0037]圖5a，b所述加工裝置的兩個側(cè)視圖，其中，加工位置與旋轉(zhuǎn)軸的交點一致(圖5a)或者加工位置在旋轉(zhuǎn)軸上相對于所述交點錯開(圖5b)。
【具體實施方式】
[0038]圖1示出一激光加工機I形式的加工機的細節(jié)，在該加工機上在空間上形成用于激光加工頭2的移動的三個笛卡爾基軸X，Y，Z以及用于該激光加工頭2的取向的兩個旋轉(zhuǎn)軸B，C。為了使激光加工頭2沿著X軸運動，在一支架3上設(shè)置了在X方向上延伸的導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌用于導(dǎo)向一借助于(未不出的)驅(qū)動裝置在X方向上可移動的第一滑座4。在該第一滑座4上形成在Y方向上延伸的導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌用于借助于另一(未示出的)驅(qū)動裝置在Y方向?qū)虻诙?。在第二滑座5上安置了在Z方向上延伸的導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌用于借助于另一驅(qū)動裝置導(dǎo)向在Z方向上可移動的第三滑座6。因此，該激光加工機I的三個笛卡爾軸X，Y，Z相互組合。
[0039]第三滑座6用作激光加工頭2的保持裝置并具有一(未示出的)轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置，以使加工頭2繞一在Z方向上延伸的旋轉(zhuǎn)軸C (以下:C軸)轉(zhuǎn)動。在所示出的例子中在Y方向上延伸的旋轉(zhuǎn)軸B (以下:B軸)在第一偏轉(zhuǎn)鏡7的區(qū)域中與C軸相交，該偏轉(zhuǎn)鏡構(gòu)造在激光加工頭2的第一組合單元8a上。第二組合單元Sb可繞B軸轉(zhuǎn)動地支承在該第一組合單元8a上。(未示出的)激光射束在第二組合單元8b的第二偏轉(zhuǎn)鏡9上偏轉(zhuǎn)并且射在在所示例子中呈管狀的工件10的表面上的加工位置S上。在當(dāng)前的情況下，借助于激光射束的加工涉及一種切割加工，在該加工中，工件10借助于合適的、在此未進一步說明的支承裝置被保持并且必要時附加地繞其縱軸線轉(zhuǎn)動。
[0040]如在圖1中可清楚地看到，工件10上的加工位置S距離B軸和C軸的交點相對較遠。這導(dǎo)致，為了在加工位置S保持相同位置的情況下改變該加工頭2的取向，不僅需要所述方位軸、也就是B軸和C軸的運動，而且附加地也需要笛卡爾軸X，Y，Z的補償運動。該補償運動由于相對大的運動質(zhì)量而相對較慢，使得尤其在加工工件10或者具有小的曲率半徑的工件部分時，可達到的軌跡速度大大地受限。
[0041]能夠以較高軌跡速度進行加工的加工裝置11在圖2中以立體圖示出以及在圖3a，b中以側(cè)視圖或者以俯視圖示出。該加工裝置11具有典型地實施為空心體或者以輕型結(jié)構(gòu)方式實施的基體12，加工頭2、更準(zhǔn)確地說是它的殼體支承在該基體上。在基體12上安置有圓盤形的保持元件13，該保持元件用于使加工裝置11安放在激光加工機I的第三滑座6上，以更換在圖1中所示出的加工頭2。如上面較遠處所述，第三滑座6具有一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，以使加工裝置11繞所述C軸轉(zhuǎn)動。
[0042]圖2中所示出的激光加工頭2具有一插接連接形式的接口 14，用于安裝光纜15，通過該光纜將激光射束16從未示出的光源導(dǎo)入給加工頭2。激光射束16在加工頭2中在聚焦裝置17 (在所示出的例子中呈虛線示意的聚焦透鏡的形式)上聚焦到一焦點上，該焦點形成加工位置S。
[0043]在所示出的例子中，激光加工頭2這樣支承在基體12上，使得該激光加工頭2可繞包含加工位置S的B軸實施轉(zhuǎn)動運動，而不需為此借助笛卡爾軸X，Y，Z移動加工裝置11。附加地，通過下面詳細說明的、加工頭2在基體12上的平行運動支承，也實現(xiàn)加工位置S沿著三個附加軸方向Xz，Yz，Zz的移動，就是說，實現(xiàn)加工頭2或者說加工位置S的相對于三個笛卡爾軸X，Y，Z冗余的高動態(tài)運動，使得也能夠以高的軌跡速度加工工件10上的具有小曲率半徑的區(qū)域。
[0044]如從圖2中可看到，加工頭2通過具有三個連接裝置18至20的平行運動機構(gòu)支承在基體12上。連接裝置18至20中的每一個具有一有兩個球鉸節(jié)21a，b、22a，b、23a，b的第一鉸鏈連接，它們用于在基體12上的連接。每個連接裝置18至20具有兩個棒形的連接元件(連接桿)18a，b、19a，b、20a，b，在這些連接元件的朝向基體12的端部上分別形成所述兩個球鉸節(jié)21a，b、22a，b、23a，b中的一個。每個連接裝置18至20的第一鉸鏈連接的兩個球鉸節(jié)21a，b、22a，b、23a，b定義相互平行的第一擺動軸SI，棒形的連接元件18a，b、19a，b、20a，b或者說連接裝置18至20能夠繞所述擺動軸在一對應(yīng)的、垂直于擺動軸SI的平面內(nèi)擺動。
[0045]連接裝置18至20，更準(zhǔn)確地說棒形的連接元件18a，b、19a，b、20a，b，在它們的對置的端部上通過相應(yīng)的第二鉸鏈連接在不同的位置或者鉸接點上與激光加工頭2連接，第二鉸鏈連接各自具有兩個第二球鉸節(jié)24a，b、25a，b、26a，b，其中，每個連接裝置18至20的各兩個鉸鏈24a, b、25a, b、26a, b的連接位置位于一公共的線上，該線定義第二擺動軸S2。三個連接裝置18至20的第二擺動軸S2平行地延伸并且它們的方向與第一擺動軸SI的方向一致。當(dāng)然，也可以取代球鉸節(jié)21a，b、22a，b、23a，b或者24a，b、25a，b、26a，b而同樣地使用萬向鉸節(jié)，以實現(xiàn)第一或者第二鉸鏈連接。
[0046]由于激光加工頭2通過三個可擺動的連接裝置18至20支承在基體12上，在一平面xz，Yz內(nèi)不但可調(diào)整加工頭2的取向、而且可調(diào)整加工頭2的位置，該平面垂直于擺動軸S1，S2延伸并且包含C軸。平面\，22沿著基體12的一中間平面M (參看圖3b)延伸，該中間平面形成加工裝置11的對稱平面，加工裝置11相對于該中間平面基本上(除了激光射束16的導(dǎo)入以外)鏡像對稱地構(gòu)成。激光射束16在加工頭2中沿著一中心激光射束軸Ia延伸，該激光射束軸位于該中間平面M內(nèi)。因此，加工位置S也位于該中間平面內(nèi)，其中,加工位置S到加工頭2的距離由聚焦透鏡17的焦距確定。包含加工位置S的旋轉(zhuǎn)軸B平行于第一和第二擺動軸SI，S2延伸。
[0047]為了改變第二鉸鏈連接24a，b、25a，b、26a，b在垂直于旋轉(zhuǎn)軸B的平面Xz，Zz內(nèi)的位置并由此改變加工頭2的地位和定向，兩個外部的連接裝置18，20的第一鉸鏈連接21a，b、23a，b分別安裝在一支承元件28、30上，所述支承元件可沿著一線性導(dǎo)向裝置31a，31b移動，參看圖3a，b。在此，這兩個外部的線性導(dǎo)向裝置31a，31b固定在基體12的兩個合適的側(cè)面上，該基體以對稱的梯形的方式構(gòu)成。兩個外部的線性導(dǎo)向裝置31a，b沿著所述中間平面M延伸并且分別與C軸圍成一 45°的角。
[0048]中間的連接裝置19的第一鉸鏈連接的兩個球鉸節(jié)22a，22b安裝在兩個支承元件29a，29b上，這兩個支承元件在線性導(dǎo)向裝置32a，32b上可移動地被導(dǎo)向，這些線性導(dǎo)向裝置安置在基體2的相對置的側(cè)面上。這兩個線性導(dǎo)向裝置32a，32b在一包含C軸并垂直于中間平面M的平面內(nèi)在C軸的方向上延伸。
[0049]各個支承元件28，29a，29b，30可沿著線性導(dǎo)向裝置31a，32a，32b，31b相互獨立地移動，其中，在所示出的例子中分別以一(未示出的)線性直接驅(qū)動裝置或者一(未示出的)滾珠絲杠傳動裝置用作驅(qū)動裝置。為了線性直接驅(qū)動裝置或者滾珠絲杠傳動裝置的能量供給，在加工裝置11中，更準(zhǔn)確地說在基體12上或者在保持元件13上，構(gòu)成用于導(dǎo)入電能或者電功率的接口。
[0050]用于使支承元件28，29a，29b，30協(xié)調(diào)地移動的線性直接驅(qū)動裝置控制借助于激光加工機I的(未示出的)控制裝置來進行，該控制裝置典型地也承擔(dān)在加工工件10時的軌跡規(guī)劃。由于支承元件28，29a，29b，30沿著線性導(dǎo)向裝置31a，32a，32b，31b協(xié)調(diào)地移動，由激光加工頭2、更準(zhǔn)確地說是激光加工頭2的激光射束軸16a與C軸所圍成的旋轉(zhuǎn)角度α可在一最大的角度范圍上改變，在所示的例子中該角度范圍在180°，如根據(jù)圖4a_c可看出，該圖示出在以旋轉(zhuǎn)角度α為+90°、為O。、為-90。布置時的加工頭2。
[0051]當(dāng)激光加工頭2在圖4a_c中所示繞B軸旋轉(zhuǎn)運動時，盡管激光加工頭2相對于B軸的取向改變，但距離不改變，就是說，加工位置S保持不變。不言而喻，除了在圖4a_c中所示出的旋轉(zhuǎn)外，附加地還可進行激光加工頭2在Xz方向上和/或在Zz方向上的移動，以使加工位置S在Xz/Zz平面內(nèi)定位在一個位置上，該位置與B軸和C軸的交點不一致，也就是說，所述平行運動機構(gòu)除了使得激光加工頭2能夠借助于笛卡爾基軸X，Y，Z相對惰性地運動外，附加地使得加工位置S能夠在Xz/Zz平面內(nèi)高動態(tài)地運動。
[0052]當(dāng)激光加工頭2進行在圖4a_c中所示的轉(zhuǎn)動運動時，中間的連接裝置19的兩個支承元件29a，29b沿著各自的線性導(dǎo)向裝置32a，32b在Zz方向上同步地移動，也就是說在該移動運動中支承元件29a，29b在Zz方向上的位置一致。為了使激光加工頭2在Yz方向上(即在B軸方向上)移動，使支承元件29a，29b在Zz方向上方向相反地運動，如在圖5a，b中所示。支承元件29a，29b沿著Zz方向的不同定位導(dǎo)致激光加工頭2在B軸方向上偏移，更準(zhǔn)確地說導(dǎo)致平行移動，其中，兩個支承元件29a，29b或者從屬的球鉸節(jié)22a，22b沿著Zz方向的間距越大，該偏移就越大。當(dāng)然，由于激光加工頭2的平行移動，加工位置S也在Yz方向上、即在B軸方向上移動，如尤其從圖5中可看到的。
[0053]通過使用四個可彼此獨立地控制的驅(qū)動裝置或者支承元件28，29a，29b，30，除了繞B軸的轉(zhuǎn)動外，還可進行激光加工頭2沿著三個附加軸Xz，Yz, Zz的冗余運動。
[0054]由于在基本位置中，就是說沒利用附加軸時，加工位置S位于B軸和C軸之間的交點上，明顯簡化了加工位置S向基軸X，Y，Z和附加軸Xz，Yz, Zz上的軌跡分配，因為不需要對于所述笛卡爾基軸X，Y，Z進行運動學(xué)轉(zhuǎn)換而僅須對于平行運動機構(gòu)計算運動學(xué)轉(zhuǎn)換，其中，后者有利地在軌跡分配之后才進行。
[0055]不言而喻，加工裝置11也能夠以與以上所述不同的方式構(gòu)成。例如可放棄設(shè)置第四個獨立的附加軸，也就是說中間的連接裝置19或者其鉸鏈裝置29a，29b能夠通過一個唯一的支承元件與基體12連接，如在兩個外部的連接裝置18，20上也是這種情況。如果放棄在B軸方向上的附加運動可能性，則對于鉸鏈連接來說典型地不需要球鉸節(jié)，而是可以使用樞轉(zhuǎn)鉸鏈。在這種情況下也可以取代兩個棒形的連接元件18a，b，19a，b，20a，b而對每個連接裝置18至20使用一個唯一的棒形連接元件，其中，第一或者第二鉸鏈連接可以分別通過一個唯一的樞轉(zhuǎn)鉸鏈實現(xiàn)。必要時也可以與以上所述實施例不同地取代用于連接到基體上的可移動支承元件而設(shè)置可伸縮式連接元件或者可伸縮式連接裝置，用于引起加工頭2的取向或者位置的改變。
[0056]此外，線性導(dǎo)向裝置31a，31b，32a，32b與C軸所圍成的角度可以不同于在圖3a和圖3b中所示出的例子。尤其不需要的是，線性導(dǎo)向裝置31a，31b，32a，32b中的一個或者多個平行于C軸延伸?；w12的幾何形狀也可以不同于示例性示出的梯形形狀。線性導(dǎo)向裝置31a，31b，32a，32b的角度或者基體12的幾何形狀應(yīng)例如根據(jù)加工頭2的大小比例如此選擇，使得在預(yù)計的運動空間內(nèi)不發(fā)生平行運動機構(gòu)的元件之間的碰撞。所述角度或者基體12的幾何形狀在以上所示出的例子中已被針對存在的大小比例進行優(yōu)化。
[0057]該加工裝置11不僅能夠如圖1中所示安裝在激光加工機I上，而且也能夠例如安裝在工業(yè)機器人的機器人臂上，用于在加工中提高軌跡速度。不言而喻，所述加工裝置11不必強制地構(gòu)造用于工件的激光加工，而是所述加工頭2也能夠構(gòu)造得用于在加工位置S上以其它方式加工工件，例如用于機械加工，例如以進行磨削或者拋光加工的方式。
[0058]總之，以上述方式，不僅能夠?qū)嵤┘す饧庸ゎ^2繞B軸的快速旋轉(zhuǎn)，而且能夠?qū)嵤┰赬z，zz方向上的以及必要時在Yz方向上的高動態(tài)附加運動。以此方式能夠明顯提高尤其在待加工的三維工件的曲率半徑小的情況下的加工速度，其中，同時能夠降低加工機的振動激勵。
【權(quán)利要求】
1.用于加工工件的加工裝置(11)，該加工裝置包括:一用于在加工位置(S)上加工工件(10)的加工頭(2)、一基體(12)以及三個連接裝置(18，19，20)，所述加工頭(2)安置在該基體上，所述連接裝置用于連接所述基體(12)與所述加工頭(2)，所述三個連接裝置分別通過第一鉸鏈連接(21a，b，22a，b，23a，b)可繞彼此平行的第一擺動軸(SI)擺動地與所述基體(12)連接并且所述三個連接裝置分別通過第二鉸鏈連接(24a，b，25a，b，26a，b)可繞平行于第一擺動軸(SI)的第二擺動軸(S2)擺動地與所述加工頭(2)連接，其中，為了使所述加工頭(2)相對于一平行于所述第一和第二擺動軸(SI，S2)并包含所述加工位置(S)的旋轉(zhuǎn)軸(B)以一預(yù)先給定的旋轉(zhuǎn)角度(α )定位，所述第二鉸鏈連接(24a，b，25a，b，26a，b)的位置在一垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸(B)的平面(Xz，Zz)中是可調(diào)整的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的加工裝置，其中，每個連接裝置(18，19，20)具有至少一個棒式的連接元件(18a，b，19a，b，20a，b)，所述連接元件通過一第一鉸鏈連接(21a，b，22a，b，23a，b )與所述基體(12 )連接并且通過一第二鉸鏈連接(24a，b，25a，b，26a，b )與所述加工頭(2 )連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的加工裝置，其中，每個連接裝置(18，19，20)具有兩個棒式的連接元件(18a, b, 19a, b, 20a, b),所述連接元件分別通過一第一球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)(21a, b,22a，b，23a，b)安裝在所述基體(12)上并且分別通過一第二球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)(24a，b，25a，b，26a，b)安裝在所述加工頭(2)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的加工裝置，其中，為了所述加工頭(2)在所述旋轉(zhuǎn)軸(B)的方向上平行移動，所述連接裝置(19)之一的所述棒式的連接元件(19a，19b)的第一球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)(22a，22b)的位置是可彼此獨立地調(diào)整的。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的加工裝置，還包括:至少一個能夠在所述基體(12)上沿著一線性導(dǎo)向裝置(31a，32a, b，31b)移動地被導(dǎo)向的支承元件(28，29a，b，30)，用于將一對應(yīng)的連接裝置(18，20)的至少·一個第一鉸鏈連接(21a，b、23a，b)或者一對應(yīng)的連接元件(19a，19b)的第一球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)(22a，22b)與所述基體(12)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4和5的加工裝置，其中，所述連接裝置(18)之一的棒式的連接元件(19a，19b )的第一球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)(22a，22b )安裝在兩個支承元件(29a，29b )上，這兩個支承元件能夠沿著兩個線性導(dǎo)向裝置(32a，32b)方向相反地移動，以使所述加工頭(2)在所述旋轉(zhuǎn)軸(B)的方向上平行移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的加工裝置，其中，用于使對應(yīng)的支承元件(28，29&，13，30)在垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸(B)的平面(Xz，Zz)內(nèi)移動的所述線性導(dǎo)向裝置(31a，32a，b，31b)構(gòu)造得越過一路段，該路段足夠用于所述加工頭(2)繞所述旋轉(zhuǎn)軸(B)轉(zhuǎn)過一個90°或者更大、優(yōu)選180°或者更大的旋轉(zhuǎn)角度(α )。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的加工裝置，其中，所述基體(12)構(gòu)造為空心體。
9.加工機，尤其是激光加工機(I)，包括根據(jù)以上權(quán)利要求之一的一加工裝置(11)。
10.根據(jù)權(quán)利要求10的加工機，還包括:用于向所述加工頭(2)導(dǎo)入激光射束(16)的光纜(15)，以及用于使所述激光射束(16)在一形成所述加工位置(S)的焦點上聚焦的聚焦裝置(17)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的加工機，其中，所述加工裝置(11)具有一保持元件(13)，該保持元件固定在所述加工機的一保持裝置(6)上，其中，所述保持裝置(6)構(gòu)造得使所述加工裝置(11)繞垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸(B )的另一旋轉(zhuǎn)軸(C )轉(zhuǎn)動。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的加工機，所述加工機具有一運動裝置(3，4，5)，用于使所述保持裝置(6)沿著至少兩個、優(yōu)選沿著三個線性軸(X，Y，Z)運動。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的加工機，其中，所述線性導(dǎo)向裝置(32a，32b)中的至少一個平行于所述另一旋轉(zhuǎn)軸(C)延伸并且所述線性導(dǎo)向裝置(31a，31b)中的至少另一個相對于所述另一旋轉(zhuǎn)軸(C)成一角度地定向。
14.用于使根據(jù)權(quán)利要求1至8之一的加工裝置(11)的加工頭(2)運動的方法，包括:通過在垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸(B)的平面內(nèi)(Xz，Zz)改變所述第二鉸鏈連接(24a，b，25a，b，26a，b)的位置，使所述加工頭(2)相對于所述旋轉(zhuǎn)軸(B)成一預(yù)先給定的旋轉(zhuǎn)角度(a )地定位。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括:通過所述連接裝置中的一個連接裝置(19)的棒式的連接元件(19a，19b)的第一球鉸節(jié)或者萬向鉸節(jié)(22a，22b)的方向相反的運動，使所述加工頭(2)在所述旋轉(zhuǎn)軸(B·)的方向上移動。
【文檔編號】B23K26/08GK103846546SQ201310652459
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月5日
【發(fā)明者】B·倫茨 申請人:通快機床兩合公司