Berufsakademie Mosbach

Literatur- und Patentrecherche zu parallelkinematischen Werkzeugmaschinen

Erfassung und Darstellung des Stands der Technik

von 

Sönke Lesser

INHALTSVERZEICHNIS

1 EINLEITUNG 3

2 KONVENTIONELLE WERKZEUGMASCHINEN UND DEREN OPTIMIERUNG 4

3 DIE PARALLELKINEMATIKEN 5

4 DIE ENTWICKLUNG 7

5 TATSÄCHLICH ENTWICKELTE KONZEPTE 9

6 EINZELBETRACHTUNGEN 15
6.1 Der Tricept® 15
6.1.1 Die Entwicklung 15
6.1.2 Die Bauart 16
6.1.3 Die Programmierung 17
6.1.4 Die technischen Daten 18
6.1.5 Die Einsatzgebiete 18
6.1.6 Die Zukunft 18
6.2 Der Hexact® 19
6.2.1 Die Eigenschaften 19
6.2.2 Die technischen Daten 21
6.2.3 Die Zukunft 21
6.3 Der Quickstep® 22
6.3.1 Die Entwicklung 22
6.3.2 Der Aufbau 24
6.3.3 Die technischen Daten 24
6.3.4 Einsatzgebiete 25

7 RESÜMEE 25

8 LITERATURVERZEICHNIS 26

9 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 28

1 Einleitung

Bedingt durch neue Verfahren, wie der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, der Trockenbearbeitung oder gar hybrider Verfahren wird von den Werkzeugmaschinenherstellern für die Teilefertigung verlangt neue innovative Schritte zu gehen, um mit der allgemeinen Entwicklung moderner Produktion Schritt zu halten [1].

Ansätze gab es in den letzten Jahren viele, doch erst der Mut zu wirklich neuen Konzepten, den Parallelkinematiken im Allgemeinen, hat in den letzten zehn Jahren einen regelrechten Boom der Neuentwicklungen ausgelöst.

Ausgehend von den Optimierungsbemühungen herkömmlicher Werkzeugmaschinenkonzepte wird diese Studienarbeit sich mit Parallelstrukturen im Allgemeinen und mit einzelnen industrietauglichen Konzepten auseinander setzen, vor allem mit der Zielsetzung das teilweise noch ruhende Potential dieser neuartigen Maschinengattung aufzuzeigen.

2 Konventionelle Werkzeugmaschinen und deren Optimierung

Konventionelle Werkzeugmaschinen mit ihrem seriellen, orthogonalen Aufbau können den derzeitigen Forderungen nach schnellen Verfahrzeiten und hohen Beschleunigungen durch die großen bewegten Massen nur bedingt nachkommen, bzw. zeigt sich schnell, dass viel Energie allein zum Bewegen dieser Massen vergeudet wird, anstatt sie direkt in das zu fertigende Teil fließen zu lassen.

Weitere Probleme entstehen durch die geforderte Wandelbarkeit der Maschinen. Kurze Produktlebenszyklen und steigende Variantenvielfalt bei sinkenden Losgrößen erfordern zunehmend rekonfigurierbare, bzw. wandelbare Werkzeugmaschinen, d.h. Werkzeugmaschinen, die schnell und ohne hohe Kosten an neue Bedienungen anpassbar sind [2].

Des Weiteren erfordern immer komplexer werdende Einzelteile, bedingt durch Funktionsintegration resultierend aus geforderter Bauteilreduzierung, den Einsatz leistungsstarker CNC-Steuerungen aber auch von Werkzeugführungen mit mehr als nur drei Freiheitsgraden.

Diese Forderungen haben im letzten Jahrzehnt des letzten Jahrtausends einen enormen Entwicklungsschub sowohl von Seiten der Werkzeugmaschinenhersteller, wie auch von Seiten der Entwickler leistungsfähiger NC- Steuerungen ausgelöst [3].

Lag beispielsweise 1991 der Spitzenwert der Vorschubsgeschwindigkeit einer NC- gesteuerten Werkzeugmaschine im EMO-Vergleich bei 24 m/min, so lag der Spitzenwert bereits 1997 bei 50 m/min.
Dieselbe Steigerungsrate ist bei der theoretischen Zuverlässigkeit der CNC- Steuerungen zu verzeichnen. Lag sie 1991 noch bei 48 so hatte man 1997 bereits die 100 erreicht [4].

Die Kapazitätssteigerung der CNC-Speicher verdeutlicht das Potential der softwareseitigen Optimierungsmöglichkeiten der Steuerung und somit der gesamten Maschine - die Speicher konnten in bezug auf Zugriffszeit und Speicherplatz um mehr als das Zehnfache gesteigert werden.

Diese Investitionen im Entwicklungsbereich beschränkten sich allerdings nicht nur auf konventionelle Werkzeugmaschinen, es wurde vielmehr, gerade in bezug auf die Leistungsfähigkeit rechnergestützter CNC-Steuerungen, der Grundstein für neue innovative Konzepte, den Parallelkinematiken, gelegt.

3 Die Parallelkinematiken

Parallelkinematiken sind ein innovativer Schritt in neue Dimensionen der Werkzeugmaschinen. Konventionelle Maschinenkonzepte für Roboter und Bearbeitungsmaschinen besitzen strukturell meist einen seriellen Aufbau, d.h. die einzelnen Glieder und Gelenke (Führungen) sind in einer offenen kinematischen Kette hintereinander angeordnet.

Dagegen bauen Parallelstrukturen auf einer Struktur mit geschlossenen kinematischen Teilketten auf, bei der Gestell- und Arbeitsplattform durch mehrere Führungsketten miteinander verbunden sind. Für den Fall einer voll parallelen Struktur ist die Anzahl der Führungsketten identisch mit der Anzahl der Freiheitsgrade der Arbeitsplattform, so dass jeder Kette genau ein Antrieb zugeordnet ist.

Dieser Aufbau besitzt gegenüber seriellen Maschinenkonzepten den Vorteil einer wesentlich größeren Struktursteifigkeit, so dass die Führungsketten in Leichtbauweise als relativ einfache Bauteile gefertigt werden können. Zudem ist durch die parallele Anordnung der Führungsketten die Möglichkeit gegeben, alle Antriebe gestellfest anzuordnen und somit die zu bewegende Maschinenmasse weitgehend zu minimieren. Maschinenkonzepte auf der Basis voll paralleler Strukturen kommen daher vor allem dann zum Einsatz, wenn hohe Anforderungen an das dynamische Verhalten und die Steifigkeit gestellt werden.

Die nächste Stufe dieser Entwicklung ist die Kombination serieller und paralleler Strukturen, die als Hybridkinematiken bezeichnet werden, d.h. eine Parallelstruktur trägt eine Serielle, bzw. eine Parallelkinematik wird von einer seriellen Struktur getragen [5,6].

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1. Schulz H.: Die Fertigungstechnik an der Jahrtausendwende, Werkstatt und Betrieb, 132 (1999) H.12

2. Heisel, U.: Rekonfigurierbare Werkzeugmaschinen, ZWF´93 (1999) 10

3. Kreidler, V.: Anwendungen und Leistungsfähigkeit der Steuerung 840D in Parallelstrukturen.
Tagungsband des Chemnitzer Parallelstruktur Symposium. Chemnitz, 28.-29. April 1998

4. Schenke, L.: Spitzenwerte technischer Parameter von NC- Werkzeugmaschinen im EMO- Vergleich 1991/97. Werkzeugmaschinenskript WS 97/98

5. Tönshoff, H.K.: Vergleichende Betrachtungen paralleler und hybrider Strukturen. VDI-Berichte 1427, VDI-Verlag Düsseldorf 1998

6. Harzbecker, D.: Redundante Hybridkinematik für den Großwerkzeug- und Formenbau Werkstatttechnik 9/2001, Springer-Verlag Berlin