加工装置、加工机和用于使加工头运动的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于加工工件的加工装置（11），包括：加工头（2）、基体（12）以及连接装置（18，19，20），加工头（2）安置在基体上，连接装置连接基体（12）与加工头（2），通过第一铰链连接可绕第一摆动轴（S1）摆动地与基体（12）、通过第二铰链连接可绕第二摆动轴（S2）摆动地与加工头（2）连接，其中，为使加工头（2）相对于平行于摆动轴（S1，S2）并包含加工位置（S）的旋转轴（B）以预先给定的旋转角度（α）定位，第二铰链连接在垂直于所述旋转轴（B）的平面（Xz，Zz）中可调整位置。本发明还涉及具有这样的加工装置（11）的加工机以及使这样的加工装置（11）的加工头（2）运动的方法。
【专利说明】加工装置、加工机和用于使加工头运动的方法【技术领域】
[0001]本发明涉及用于加工工件的加工装置，该加工装置具有用于在加工位置上加工工件的加工头，本发明还涉及具有这样的加工装置的加工机以及用于使得这样的加工装置的加工头运动的方法。
【背景技术】
[0002]在EP0927596B1中说明了一种用于激光机的操作头，它包括:一用于接收沿第一轴的激光射束的基础件、一被基础件保持以便绕与第一轴垂直的第二轴旋转运动的的旋转体以及一相对于旋转体可运动的端部体。该端部体也可以相对于旋转体沿着第二轴平行的直线方向运动并且该端部体承载一用于射出经聚焦的激光射束的射出喷嘴。
[0003]从W003/086717A1已知一种用于使工作头空间移动的装置，该装置具有一平台，该平台被可作二维运动地布置在第一平面中并且该平台承载可绕一旋转轴线旋转的旋转元件。在该旋转元件上布置有至少两个可相对于旋转元件移动的杆，所述杆承载用于工作头的装配装置或者工作头本身。在一实施例中，第一杆与旋转元件成一固定角度，而第二杆与旋转元件成一可变的角度。
[0004]在EP1870214A1以及EP1084802A2中说明了一种用于使运动的平台的至少一个部分在四个自由度内移动的平行机器人。该机器人具有一基座、四个固定在该基座上的促动器以及四个杆件，其中，每个杆件包括两个平行杆，每个平行杆在一端上与促动器的一可运动的部分通过一运动元件耦合。该运动的平台的四个角部与杆件的另一端通过运动元件连接。
[0005]在DE102010022852A1中说明了一种具有定义一基平面的基座的刀架，该刀架具有一基座臂，该基座 臂可绕一固定在基座上的、倾斜于基平面的法线延伸的基座轴线摆动，该刀架还具有一刀夹，该刀夹布置在刀架臂上，优选可沿着刀具轴线移动，其中，基座轴线、臂轴线和该刀具轴线在一中心点上彼此相交。
[0006]从DE19955520A1已知一用于加工自由形状面的加工头、一用于加工装置的支架、以及三个长度可调的支柱，该加工头具有一底板，该底板可连接在工具机的接口上，这些支柱借助于端侧铰链连接在支架上和底板上。所述支架通过球铰链或者万向节可运动地与该底板连接并且这些支柱具有NC控制的促动器，使得通过程序控制的致动器的调整运动，可实施所述支架绕该球铰链或者万向节的摆动运动。
[0007]在EP0674969B1中说明了一种坐标定位机，该坐标定位机包括可相对运动的一第一和第二组件，所述结构通过三个可移出和可缩回的支柱相互连接，其中，所述支柱中的每一个通过第一或者第二旋转固定装置与所述第一和第二组件连接，这些固装置使得所述支柱能够相对于所述组件以至少两个转动自由度旋转运动。一防转动装置去掉该第一组件相对于该第二组件的至少两个转动自由度。
【发明内容】
[0008]本发明的任务是，这样改进具有加工头的加工装置、具有该加工装置的加工机以及用于使该加工头运动的方法，使得尤其在加工在短的轨迹段上方向改变大的工件时，可提高轨迹速度。
[0009]根据本发明，该任务通过一种加工装置解决，该加工装置包括:一用于在加工位置加工工件的加工头；一基体，所述加工头支承在该基体上；以及三个用于连接基体与所述加工头的连接装置，所述连接装置分别通过第一铰链连接装置可绕彼此平行的第一摆动轴摆动地与所述基体连接并且所述连接装置分别通过第二铰链连接装置可绕平行于第一摆动轴的第二摆动轴摆动地与所述加工头连接，其中，为了相对于平行于所述第一和第二摆动轴并包含所述加工位置的旋转轴以一预先给定的旋转角度来定位所述加工头，所述第二铰链连接的位置在一垂直于所述旋转轴的平面内是可调整的，所述加工头支承在所述第二上铰链连接。
[0010]在传统的具有两个受马达驱动的旋转轴或者说方位轴(B轴和C轴)的加工机中，加工位置(也称作为“Tool center point”，TCP)典型地布置得与所述方位轴的交点隔开间距。这导致，在加工弯曲的三维工件表面时，由笛卡尔轴(X，Y和Z轴)的运动合成的轨迹通常比加工位置的真正轨迹更复杂和更强烈地弯曲。由于笛卡尔轴的较低动态性能，这导致，在短的轨迹段上具有大的方向改变的区域中，就是说，在待加工的工件的表面曲率半径小的情况下，轨迹速度可能明显降低。
[0011]根据本发明提出，为了产生加工头的旋转运动，取代一马达驱动的旋转轴(B轴)，使用一平行运动机构(Parallelkinematik),该平行运动机构使得加工头能够在一平面内运动。使用三个呈平行运动的轴的形式的连接装置，这些连接装置的作用于加工头上的(第二)铰链连接能够借助合适的驱动装置、例如借助线性(直接)驱动装置或者滚珠丝杠传动装置布置在一垂直于所述摆动轴的平面内的不同位置上，由此，可在适当地协调或者控制平行运动的轴的情况下使加工头在该平面内有针对性地这样移动，使得旋转角度或者取向改变，而加工头始终保持以同样的间距对准包含加工位置的旋转轴。因此，加工头可绕一相对于基体位置固定的旋转轴实施旋转运动，而不需要为此目的沿着笛卡尔基轴运动。除了所述旋转运动外，附加地还可以通过平行运动的轴在垂直于旋转轴的平面内以及沿着该旋转轴实施加工位置的高动态冗余运动。该附加轴运动典型地从一基本位置出发，在该基本位置中，加工位置位于所述旋转轴(B轴)与另一旋转轴(C轴)的交点上，该另一旋转轴通过加工机实现，该加工装置可旋转地安置在该加工机上。
[0012]此外，平行运动支承装置还使得能够实现相对窄的结构，该结构仅很小程度地限制对工件的可接近性。由于在基本位置中加工位置位于方位轴的交点上的事实，简化了笛卡尔基轴和附加轴之间的轨迹分配，其中，优选在轨迹分配之后才进行用于平行运动机构的运动学转换。第二铰链连接的位置改变例如能够通过可伸缩式的连接装置或者通过相应连接装置的可伸缩式结构元件来实现。
[0013]在一优选实施方式中，每个连接装置具有至少一个棒式的连接元件,该连接元件通过至少一个第一铰链连接与基体连接并且通过至少一个第二铰链连接与加工头连接。为了能够在所述平面内实现稳定的运动，每个第一铰链连接可具有两个铰链，这两个铰链安装在基体的相对置的侧上或者说基体的相对于中间平面而言不同的侧上。相应地，第二铰链连接典型地也具有两个铰链，这两个铰链安装在加工头的相互对置的侧上或者说加工头的相对于中间平面而言不同的侧上。
[0014]所述第一或者第二铰链连接也可通过枢转铰链实现，使得一个唯一的棒式连接元件就足以实现所述连接装置。在使用两个铰链来制成第一和第二铰链连接的情况下，也可使用一个唯一的棒式连接元件；在这种情况下，这两个铰链安装在该连接元件的叉形构造的端部上。
[0015]一种实施方式是有利的，其中，每个连接装置具有两个棒式的连接元件，所述连接元件分别通过一第一球铰节或者万向铰节安装在基体上并且分别通过一第二球铰节或者万向铰节安装在加工头上。由于加工头通过球铰节或者万向铰节连接在基体上以及设置了两个棒式连接元件，不仅能够在垂直于所述旋转轴的平面内、而且还能够沿着所述旋转轴实现加工头的运动。在使用一个唯一的棒式连接元件或者一枢转铰链类型的铰链连接的情况下，仅当所述连接装置的两个铰链中的各至少一个能够沿着该枢转铰链的轴可动时，才可能实现沿着所述旋转轴的运动。
[0016]为了实现在旋转轴方向上的运动，棒式连接元件能够以可伸缩式的方式构成，使得所述连接元件的长度能够相互独立地改变。如果所述连接元件具有不同的长度，则支承在球铰节上的加工头在旋转轴的方向上平行移动。在此，加工位置的位置也在旋转轴上发生改变，就是说，该位置不再与B轴和C轴之间的交点一致。
[0017]在一优选实施方式中，为了加工头在旋转轴的方向上平行移动，所述连接装置之一的棒式连接元件的第一球铰节或者万向铰节的位置可相互独立地调整。为了加工位置在旋转轴方向上移动，两个连接元件的球铰节或者万向铰节能够例如沿着垂直于或者基本垂直于旋转轴延伸的方向相互相反地运动，这和上面说明的增大或者减小可伸缩式连接元件的长度具有相同的效果。但是，第一球铰节或者万向铰节的位置也可以相互独立地在两个不垂直于旋转轴地延伸的不同平面内调整。对于由这两个平面与旋转轴所围成的合适的角度的选择，多个准则起决定性作用，例如致动器或者马达与加工位置之间的运动传动比以及整个加工装置的刚性和紧凑性(或者干扰轮廓)。
[0018]在一实施方式中，所述加工装置包括至少一个在基体上可沿着一线性导向装置移动地被导向的支承元件，用于连接一连接装置的第一铰链连接或者一连接元件的第一球铰节或者万向铰节与所述基体。这些线性导向装置典型地在一(不一定共同的)垂直于旋转轴的平面内延伸并且使得第一铰链连接或者第一球铰节在该平面内的位置能够改变，由此，对应的第二铰链连接或者对应的第二球铰节在垂直于旋转轴的平面内的位置也相应地改变。如果放弃加工头沿着所述旋转轴(B轴)的运动，则典型地设置具有三个支承元件的三个线性导向装置，以使连接装置的各个第一铰链连接的两个铰链或者枢转铰链移动。
[0019]为了使加工头在旋转轴的方向上也能够平行地移动，优选所述连接装置之一的棒式连接元件的第一球铰节或者万向铰节安装在两个支承元件上，这两个支承元件可沿着两个线性导向装置方向相反地移动。在这种情况下，在这些线性导向装置中的一个上安装这三个连接装置之一的第一连接元件的仅一个第一球铰节或者万向铰节。将该连接装置的第二连接元件的相应的第一球铰节安装在附加的第四线性导向装置上，以便该第一球铰节能够独立地移动。通过该第四平行运动的轴，为加工头的运动在所述旋转轴的方向上提供了附加的自由度，即实现了另一冗余的附加轴，使得加工头能够在三个轴向上实施冗余的高动态的轴运动。这两个线性导向装置例如能够沿着一基本上垂直于旋转轴延伸的方向平行地对准。但也可行的是，这些线性导向装置相互成一个角度地或者说在两个不垂直于旋转轴延伸的平面内布置。
[0020]在一优选实施方式中，所述用于使对应的支承元件在垂直于旋转轴的平面内移动的线性导向装置构造得越过一足够使加工头绕所述旋转轴(虚拟的B轴)转动一 90°或者更大、优选180°或者更大的旋转角度的路段。加工头的摆动范围除了取决于支承元件沿着所述线性导向装置所能够走过的距离外，还取决于第二铰链或者铰节点在加工头上的布置。对于工件加工来说有利的是，该旋转角度在+/-90°的范围内、也就是总共在180°范围上可调整。
[0021]所述基体通常如此构造，使得该基体适当地支持所述导向装置，就是说所述线性导向装置在该基体的表面上延伸。该基体可以例如构造为对称的梯形(也就是说具有平行的上侧和下侧)。该基体应具有尽可能小的重量以及尽可能小的关于C轴的惯性矩。优选地，该基体构造为(薄壁的)空心体，在该空心体的内侧例如能够构造稳定筋。
[0022]该加工装置典型地附加包括配置给对应的支承元件的致动器，用于使该支承元件运动。所述致动器应在自重尽可能小的情况下具有尽可能高的动态性能而且能够例如实现为线性直接驱动装置或者滚珠丝杆传动装置。所述驱动装置的能量供给或者功率供给可借助于集成在基体中的导入导线实现，所述导入导线与加工机连接，所述加工装置安装在该加工机上。
[0023]本发明的另一个方面在一加工机中、尤其一激光加工机中实现，所述加工机包括一如上所述的加工装置。一传统的激光加工机可作为所述加工机用于工件的三维加工，其中，由所述加工装置替代被驱动的B轴。不言而喻，构造用于以不同于借助激光射束的方式、例如借助于机械加工、例如借助于磨削加工来加工工件的加工机也可以装备有在此所述的加工装置。该加工装置也能够以工业机器人或者机器人臂的形式装在加工机上。
[0024]在一优选实施方式中，所述激光加工机包括一用于向加工头导入激光射束的光缆以及一用于使激光射束聚焦在一形成所述加工位置的焦点上的聚焦装置。在激光加工装置中，加工位置典型地与激光射束的焦点一致。通过光缆(光纤)导入激光射束是有利的，因为，由于所使用的平行运动机构，从加工机到加工头的自由射束传播典型地将会是花费大的。不言而喻，该激光加工机包括用于产生激光射束的激光源。该激光加工头典型地也具有一喷嘴，用于在所述加工位置的区域中施加激光气体。
[0025]在一有利实施方式中，加工装置具有一保持元件，该保持元件固定在加工机的一保持装置上，其中，所述保持装置构造得使所述加工装置绕垂直于所述旋转轴的另一旋转轴转动。该保持元件例如可以是一基本上圆形的、例如圆盘形或者环圈形的构件，保持装置可作用该构件上，以使加工装置绕C轴转动，该C轴例如可穿过所述圆形连接元件的中心。当然，保持元件也能够以其它方式构成。保持装置也可以通过机器人上的刀具接收装置构成。
[0026]优选地，所述加工机具有一运动装置，用于使保持装置沿着至少两个、优选沿着三个线性轴运动。这两个或者三个线性轴典型地相互组合，也就是说，第一线性导向装置用于使第一构件沿着第一线性轴运动，安装在该构件上的第二线性导向装置用于使另一构件沿着第二线性轴运动，等等。保持装置沿着笛卡尔线性轴的运动、尤其其加速度，与所述加工装置的平行运动的附加轴的运动或者加速度相比是低速的。[0027]所述线性导向装置相对于所述另一旋转轴成一角度地延伸，该角度取决于所争取的运动间隙和所述加工头的大小。该角度必须如此选择，使得在预计的运动空间内不发生所述平行运动机构的不同的(连接)元件之间的碰撞。
[0028]在另一实施方式中，所述线性导向装置中至少一个平行于所述另一旋转轴(C轴)延伸并且所述线性导向装置中的至少另一个与所述另一旋转轴成一角度地定向。根据大小情况和所希望的运动空间，证明有利的是，至少一个线性导向装置使得一相应的铰链连接或者一相应的球铰节或万向铰节能够在所述另一旋转轴的方向上运动。在此，连接装置尤其可涉以是所述三个连接装置的中间那个连接装置。两个外部的连接装置能够与所述另一旋转轴围成一在量值上同样大的角度。优选地，这些线性导向装置在一垂直于所述旋转轴(B轴)的平面内的投影中的定向如此选择，使得两个外部的线性导向装置相互围成一例如90°的角度。但是，不言而喻，两个外部的线性导向装置之间也可以设置锐角或者钝角。中间的那个线性导向装置或者在有第四轴的情况下中间的两个线性导向装置，可以布置在两个外部的线性导向装置之间的角平分线上。
[0029]本发明还涉及一种方法，该方法借助于一如上所述的加工装置使加工头运动，该方法包括:通过在垂直于所述旋转轴的平面内改变第二铰链连接的位置使加工头相对于所述旋转轴成一预先给定的角度地定位。除了在该平面中改变加工头的方位外，附加地还能够将所述平行运动机构的附加的轴作为附加轴使用，以实现加工位置在垂直于所述旋转轴的平面内的(二维)运动。因为加工位置在基本位置中、也就是说没有附加的轴运动的情况下，处于方位轴(B轴和C轴)的交点上，因而取消否则对于笛卡尔基轴来说需要的运动学转换，由此在轨迹设计时简化了对于笛卡尔基轴和所述附加轴的轨迹分配。仅需要用于所述平行运动机构的运动学转换的计算，该计算在时间流程上有利地在对基轴和附加轴进行轨迹分配之后才进行。
[0030]在一有利变型中，所述方法附加地包括:通过所述连接装置之一的棒式连接元件的第一球铰节或者万向铰节的相互反向的运动，使加工头在旋转轴的方向上平行移动。所述相互反向的运动可以在垂直于所述旋转轴延伸的方向上进行。但也可能的是，在两个相互不平行地延伸的平面内相互独立地调整所述球铰节或者万向铰节的位置，使得所述运动只有一个分量垂直于所述旋转轴延伸。通过上面更远处说明的以一第四轴扩展所述平行运动机构，在所述旋转轴的方向上提供一附加的运动自由度，使得所述平行运动机构能够对全部三个笛卡尔基轴(X，Y，Z)实施冗余的运动。在此起有利作用的是，所述平行运动的轴能够小质量并从而高动态性能地实施(例如以线性直接驱动装置的形式)。方位轴(C轴以及必要时另外的轴)上的冗余通常是不需要的，因为这些轴本来已经具有比较高的动态性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]从说明书和附图得知本发明的其它优点。前面提到的和后面列举的特征也可以单个地或者多个任意组合地使用。所示出的和所说明的实施方式不应理解为穷举，而且对于解释本发明具有示例性特点。
[0032]附图示出:
[0033]图1具有用于激光加工头的空间移动或者取向的三个笛卡尔基轴和两个方位轴(C或者B轴)的激光加工机的细节的示意性图示，[0034]图2 —加工装置的示意性图示，该加工装置替代图1的激光加工机的激光加工头，
[0035]图3a，b图2的加工装置的侧视图和俯视图，
[0036]图4a_c图2和图3a，b中的加工装置在所述加工头相对于一旋转轴(B轴)处于三个不同的角度中，以及
[0037]图5a，b所述加工装置的两个侧视图，其中，加工位置与旋转轴的交点一致(图5a)或者加工位置在旋转轴上相对于所述交点错开(图5b)。
【具体实施方式】
[0038]图1示出一激光加工机I形式的加工机的细节，在该加工机上在空间上形成用于激光加工头2的移动的三个笛卡尔基轴X，Y，Z以及用于该激光加工头2的取向的两个旋转轴B，C。为了使激光加工头2沿着X轴运动，在一支架3上设置了在X方向上延伸的导轨，所述导轨用于导向一借助于(未不出的)驱动装置在X方向上可移动的第一滑座4。在该第一滑座4上形成在Y方向上延伸的导轨，所述导轨用于借助于另一(未示出的)驱动装置在Y方向导向第二滑座5。在第二滑座5上安置了在Z方向上延伸的导轨，所述导轨用于借助于另一驱动装置导向在Z方向上可移动的第三滑座6。因此，该激光加工机I的三个笛卡尔轴X，Y，Z相互组合。
[0039]第三滑座6用作激光加工头2的保持装置并具有一(未示出的)转动驱动装置，以使加工头2绕一在Z方向上延伸的旋转轴C (以下:C轴)转动。在所示出的例子中在Y方向上延伸的旋转轴B (以下:B轴)在第一偏转镜7的区域中与C轴相交，该偏转镜构造在激光加工头2的第一组合单元8a上。第二组合单元Sb可绕B轴转动地支承在该第一组合单元8a上。(未示出的)激光射束在第二组合单元8b的第二偏转镜9上偏转并且射在在所示例子中呈管状的工件10的表面上的加工位置S上。在当前的情况下，借助于激光射束的加工涉及一种切割加工，在该加工中，工件10借助于合适的、在此未进一步说明的支承装置被保持并且必要时附加地绕其纵轴线转动。
[0040]如在图1中可清楚地看到，工件10上的加工位置S距离B轴和C轴的交点相对较远。这导致，为了在加工位置S保持相同位置的情况下改变该加工头2的取向，不仅需要所述方位轴、也就是B轴和C轴的运动，而且附加地也需要笛卡尔轴X，Y，Z的补偿运动。该补偿运动由于相对大的运动质量而相对较慢，使得尤其在加工工件10或者具有小的曲率半径的工件部分时，可达到的轨迹速度大大地受限。
[0041]能够以较高轨迹速度进行加工的加工装置11在图2中以立体图示出以及在图3a，b中以侧视图或者以俯视图示出。该加工装置11具有典型地实施为空心体或者以轻型结构方式实施的基体12，加工头2、更准确地说是它的壳体支承在该基体上。在基体12上安置有圆盘形的保持元件13，该保持元件用于使加工装置11安放在激光加工机I的第三滑座6上，以更换在图1中所示出的加工头2。如上面较远处所述，第三滑座6具有一旋转驱动装置，以使加工装置11绕所述C轴转动。
[0042]图2中所示出的激光加工头2具有一插接连接形式的接口 14，用于安装光缆15，通过该光缆将激光射束16从未示出的光源导入给加工头2。激光射束16在加工头2中在聚焦装置17 (在所示出的例子中呈虚线示意的聚焦透镜的形式)上聚焦到一焦点上，该焦点形成加工位置S。
[0043]在所示出的例子中，激光加工头2这样支承在基体12上，使得该激光加工头2可绕包含加工位置S的B轴实施转动运动，而不需为此借助笛卡尔轴X，Y，Z移动加工装置11。附加地，通过下面详细说明的、加工头2在基体12上的平行运动支承，也实现加工位置S沿着三个附加轴方向Xz，Yz，Zz的移动，就是说，实现加工头2或者说加工位置S的相对于三个笛卡尔轴X，Y，Z冗余的高动态运动，使得也能够以高的轨迹速度加工工件10上的具有小曲率半径的区域。
[0044]如从图2中可看到，加工头2通过具有三个连接装置18至20的平行运动机构支承在基体12上。连接装置18至20中的每一个具有一有两个球铰节21a，b、22a，b、23a，b的第一铰链连接，它们用于在基体12上的连接。每个连接装置18至20具有两个棒形的连接元件(连接杆)18a，b、19a，b、20a，b，在这些连接元件的朝向基体12的端部上分别形成所述两个球铰节21a，b、22a，b、23a，b中的一个。每个连接装置18至20的第一铰链连接的两个球铰节21a，b、22a，b、23a，b定义相互平行的第一摆动轴SI，棒形的连接元件18a，b、19a，b、20a，b或者说连接装置18至20能够绕所述摆动轴在一对应的、垂直于摆动轴SI的平面内摆动。
[0045]连接装置18至20，更准确地说棒形的连接元件18a，b、19a，b、20a，b，在它们的对置的端部上通过相应的第二铰链连接在不同的位置或者铰接点上与激光加工头2连接，第二铰链连接各自具有两个第二球铰节24a，b、25a，b、26a，b，其中，每个连接装置18至20的各两个铰链24a, b、25a, b、26a, b的连接位置位于一公共的线上，该线定义第二摆动轴S2。三个连接装置18至20的第二摆动轴S2平行地延伸并且它们的方向与第一摆动轴SI的方向一致。当然，也可以取代球铰节21a，b、22a，b、23a，b或者24a，b、25a，b、26a，b而同样地使用万向铰节，以实现第一或者第二铰链连接。
[0046]由于激光加工头2通过三个可摆动的连接装置18至20支承在基体12上，在一平面xz，Yz内不但可调整加工头2的取向、而且可调整加工头2的位置，该平面垂直于摆动轴S1，S2延伸并且包含C轴。平面\，22沿着基体12的一中间平面M (参看图3b)延伸，该中间平面形成加工装置11的对称平面，加工装置11相对于该中间平面基本上(除了激光射束16的导入以外)镜像对称地构成。激光射束16在加工头2中沿着一中心激光射束轴Ia延伸，该激光射束轴位于该中间平面M内。因此，加工位置S也位于该中间平面内，其中,加工位置S到加工头2的距离由聚焦透镜17的焦距确定。包含加工位置S的旋转轴B平行于第一和第二摆动轴SI，S2延伸。
[0047]为了改变第二铰链连接24a，b、25a，b、26a，b在垂直于旋转轴B的平面Xz，Zz内的位置并由此改变加工头2的地位和定向，两个外部的连接装置18，20的第一铰链连接21a，b、23a，b分别安装在一支承元件28、30上，所述支承元件可沿着一线性导向装置31a，31b移动，参看图3a，b。在此，这两个外部的线性导向装置31a，31b固定在基体12的两个合适的侧面上，该基体以对称的梯形的方式构成。两个外部的线性导向装置31a，b沿着所述中间平面M延伸并且分别与C轴围成一 45°的角。
[0048]中间的连接装置19的第一铰链连接的两个球铰节22a，22b安装在两个支承元件29a，29b上，这两个支承元件在线性导向装置32a，32b上可移动地被导向，这些线性导向装置安置在基体2的相对置的侧面上。这两个线性导向装置32a，32b在一包含C轴并垂直于中间平面M的平面内在C轴的方向上延伸。
[0049]各个支承元件28，29a，29b，30可沿着线性导向装置31a，32a，32b，31b相互独立地移动，其中，在所示出的例子中分别以一(未示出的)线性直接驱动装置或者一(未示出的)滚珠丝杠传动装置用作驱动装置。为了线性直接驱动装置或者滚珠丝杠传动装置的能量供给，在加工装置11中，更准确地说在基体12上或者在保持元件13上，构成用于导入电能或者电功率的接口。
[0050]用于使支承元件28，29a，29b，30协调地移动的线性直接驱动装置控制借助于激光加工机I的(未示出的)控制装置来进行，该控制装置典型地也承担在加工工件10时的轨迹规划。由于支承元件28，29a，29b，30沿着线性导向装置31a，32a，32b，31b协调地移动，由激光加工头2、更准确地说是激光加工头2的激光射束轴16a与C轴所围成的旋转角度α可在一最大的角度范围上改变，在所示的例子中该角度范围在180°，如根据图4a_c可看出，该图示出在以旋转角度α为+90°、为O。、为-90。布置时的加工头2。
[0051]当激光加工头2在图4a_c中所示绕B轴旋转运动时，尽管激光加工头2相对于B轴的取向改变，但距离不改变，就是说，加工位置S保持不变。不言而喻，除了在图4a_c中所示出的旋转外，附加地还可进行激光加工头2在Xz方向上和/或在Zz方向上的移动，以使加工位置S在Xz/Zz平面内定位在一个位置上，该位置与B轴和C轴的交点不一致，也就是说，所述平行运动机构除了使得激光加工头2能够借助于笛卡尔基轴X，Y，Z相对惰性地运动外，附加地使得加工位置S能够在Xz/Zz平面内高动态地运动。
[0052]当激光加工头2进行在图4a_c中所示的转动运动时，中间的连接装置19的两个支承元件29a，29b沿着各自的线性导向装置32a，32b在Zz方向上同步地移动，也就是说在该移动运动中支承元件29a，29b在Zz方向上的位置一致。为了使激光加工头2在Yz方向上(即在B轴方向上)移动，使支承元件29a，29b在Zz方向上方向相反地运动，如在图5a，b中所示。支承元件29a，29b沿着Zz方向的不同定位导致激光加工头2在B轴方向上偏移，更准确地说导致平行移动，其中，两个支承元件29a，29b或者从属的球铰节22a，22b沿着Zz方向的间距越大，该偏移就越大。当然，由于激光加工头2的平行移动，加工位置S也在Yz方向上、即在B轴方向上移动，如尤其从图5中可看到的。
[0053]通过使用四个可彼此独立地控制的驱动装置或者支承元件28，29a，29b，30，除了绕B轴的转动外，还可进行激光加工头2沿着三个附加轴Xz，Yz, Zz的冗余运动。
[0054]由于在基本位置中，就是说没利用附加轴时，加工位置S位于B轴和C轴之间的交点上，明显简化了加工位置S向基轴X，Y，Z和附加轴Xz，Yz, Zz上的轨迹分配，因为不需要对于所述笛卡尔基轴X，Y，Z进行运动学转换而仅须对于平行运动机构计算运动学转换，其中，后者有利地在轨迹分配之后才进行。
[0055]不言而喻，加工装置11也能够以与以上所述不同的方式构成。例如可放弃设置第四个独立的附加轴，也就是说中间的连接装置19或者其铰链装置29a，29b能够通过一个唯一的支承元件与基体12连接，如在两个外部的连接装置18，20上也是这种情况。如果放弃在B轴方向上的附加运动可能性，则对于铰链连接来说典型地不需要球铰节，而是可以使用枢转铰链。在这种情况下也可以取代两个棒形的连接元件18a，b，19a，b，20a，b而对每个连接装置18至20使用一个唯一的棒形连接元件，其中，第一或者第二铰链连接可以分别通过一个唯一的枢转铰链实现。必要时也可以与以上所述实施例不同地取代用于连接到基体上的可移动支承元件而设置可伸缩式连接元件或者可伸缩式连接装置，用于引起加工头2的取向或者位置的改变。
[0056]此外，线性导向装置31a，31b，32a，32b与C轴所围成的角度可以不同于在图3a和图3b中所示出的例子。尤其不需要的是，线性导向装置31a，31b，32a，32b中的一个或者多个平行于C轴延伸。基体12的几何形状也可以不同于示例性示出的梯形形状。线性导向装置31a，31b，32a，32b的角度或者基体12的几何形状应例如根据加工头2的大小比例如此选择，使得在预计的运动空间内不发生平行运动机构的元件之间的碰撞。所述角度或者基体12的几何形状在以上所示出的例子中已被针对存在的大小比例进行优化。
[0057]该加工装置11不仅能够如图1中所示安装在激光加工机I上，而且也能够例如安装在工业机器人的机器人臂上，用于在加工中提高轨迹速度。不言而喻，所述加工装置11不必强制地构造用于工件的激光加工，而是所述加工头2也能够构造得用于在加工位置S上以其它方式加工工件，例如用于机械加工，例如以进行磨削或者抛光加工的方式。
[0058]总之，以上述方式，不仅能够实施激光加工头2绕B轴的快速旋转，而且能够实施在Xz，zz方向上的以及必要时在Yz方向上的高动态附加运动。以此方式能够明显提高尤其在待加工的三维工件的曲率半径小的情况下的加工速度，其中，同时能够降低加工机的振动激励。
【权利要求】
1.用于加工工件的加工装置(11)，该加工装置包括:一用于在加工位置(S)上加工工件(10)的加工头(2)、一基体(12)以及三个连接装置(18，19，20)，所述加工头(2)安置在该基体上，所述连接装置用于连接所述基体(12)与所述加工头(2)，所述三个连接装置分别通过第一铰链连接(21a，b，22a，b，23a，b)可绕彼此平行的第一摆动轴(SI)摆动地与所述基体(12)连接并且所述三个连接装置分别通过第二铰链连接(24a，b，25a，b，26a，b)可绕平行于第一摆动轴(SI)的第二摆动轴(S2)摆动地与所述加工头(2)连接，其中，为了使所述加工头(2)相对于一平行于所述第一和第二摆动轴(SI，S2)并包含所述加工位置(S)的旋转轴(B)以一预先给定的旋转角度(α )定位，所述第二铰链连接(24a，b，25a，b，26a，b)的位置在一垂直于所述旋转轴(B)的平面(Xz，Zz)中是可调整的。
2.根据权利要求1的加工装置，其中，每个连接装置(18，19，20)具有至少一个棒式的连接元件(18a，b，19a，b，20a，b)，所述连接元件通过一第一铰链连接(21a，b，22a，b，23a，b )与所述基体(12 )连接并且通过一第二铰链连接(24a，b，25a，b，26a，b )与所述加工头(2 )连接。
3.根据权利要求2的加工装置，其中，每个连接装置(18，19，20)具有两个棒式的连接元件(18a, b, 19a, b, 20a, b),所述连接元件分别通过一第一球铰节或者万向铰节(21a, b,22a，b，23a，b)安装在所述基体(12)上并且分别通过一第二球铰节或者万向铰节(24a，b，25a，b，26a，b)安装在所述加工头(2)上。
4.根据权利要求3的加工装置，其中，为了所述加工头(2)在所述旋转轴(B)的方向上平行移动，所述连接装置(19)之一的所述棒式的连接元件(19a，19b)的第一球铰节或者万向铰节(22a，22b)的位置是可彼此独立地调整的。
5.根据以上权利要求之一的加工装置，还包括:至少一个能够在所述基体(12)上沿着一线性导向装置(31a，32a, b，31b)移动地被导向的支承元件(28，29a，b，30)，用于将一对应的连接装置(18，20)的至少·一个第一铰链连接(21a，b、23a，b)或者一对应的连接元件(19a，19b)的第一球铰节或者万向铰节(22a，22b)与所述基体(12)连接。
6.根据权利要求4和5的加工装置，其中，所述连接装置(18)之一的棒式的连接元件(19a，19b )的第一球铰节或者万向铰节(22a，22b )安装在两个支承元件(29a，29b )上，这两个支承元件能够沿着两个线性导向装置(32a，32b)方向相反地移动，以使所述加工头(2)在所述旋转轴(B)的方向上平行移动。
7.根据权利要求5或6的加工装置，其中，用于使对应的支承元件(28，29&，13，30)在垂直于所述旋转轴(B)的平面(Xz，Zz)内移动的所述线性导向装置(31a，32a，b，31b)构造得越过一路段，该路段足够用于所述加工头(2)绕所述旋转轴(B)转过一个90°或者更大、优选180°或者更大的旋转角度(α )。
8.根据以上权利要求之一的加工装置，其中，所述基体(12)构造为空心体。
9.加工机，尤其是激光加工机(I)，包括根据以上权利要求之一的一加工装置(11)。
10.根据权利要求10的加工机，还包括:用于向所述加工头(2)导入激光射束(16)的光缆(15)，以及用于使所述激光射束(16)在一形成所述加工位置(S)的焦点上聚焦的聚焦装置(17)。
11.根据权利要求9或10的加工机，其中，所述加工装置(11)具有一保持元件(13)，该保持元件固定在所述加工机的一保持装置(6)上，其中，所述保持装置(6)构造得使所述加工装置(11)绕垂直于所述旋转轴(B )的另一旋转轴(C )转动。
12.根据权利要求11的加工机，所述加工机具有一运动装置(3，4，5)，用于使所述保持装置(6)沿着至少两个、优选沿着三个线性轴(X，Y，Z)运动。
13.根据权利要求11或12的加工机，其中，所述线性导向装置(32a，32b)中的至少一个平行于所述另一旋转轴(C)延伸并且所述线性导向装置(31a，31b)中的至少另一个相对于所述另一旋转轴(C)成一角度地定向。
14.用于使根据权利要求1至8之一的加工装置(11)的加工头(2)运动的方法，包括:通过在垂直于所述旋转轴(B)的平面内(Xz，Zz)改变所述第二铰链连接(24a，b，25a，b，26a，b)的位置，使所述加工头(2)相对于所述旋转轴(B)成一预先给定的旋转角度(a )地定位。
15.根据权利要求14的方法，还包括:通过所述连接装置中的一个连接装置(19)的棒式的连接元件(19a，19b)的第一球铰节或者万向铰节(22a，22b)的方向相反的运动，使所述加工头(2)在所述旋转轴(B·)的方向上移动。
【文档编号】B23K26/08GK103846546SQ201310652459
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2012年12月5日
【发明者】B·伦茨 申请人:通快机床两合公司