DE10019162A1 - Bewegungssystem mit Parallelstruktur ("Cylindric-Glide") - Google Patents

Bewegungssystem mit Parallelstruktur ("Cylindric-Glide")

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bewegungssystem mit Parallelstruktur ("Cylindric-Glide") zur Positionierung einer Arbeitsplattform in sechs (drei translatorischen und drei rotatorischen) Freiheitsgraden im Raum bei Verwendung von sechs angetriebenen Führungselementen. Um eine Parallelstruktur mit einem großen Arbeitsbereich entlang der Vorzugsrichtung (X-Richtung) und einem großen Schwenkbereich um die X- und Y-Achse zu erreichen, werden drei Linearantriebe fest bezüglich einer Gestellplattform (GP) parallel zueinander (in X-Richtung) angeordnet. DOLLAR A Auf jedem dieser Linearantriebe wird ein Scharniergelenk (S¶1¶, S¶2¶, S¶3¶) geführt, dessen Drehachse keinen rechten Winkel mit der X-Richtung bildet, wobei um jedes dieser Scharniergelenke herum jeweils ein mitgeführter Linearantrieb (Z¶1¶, Z¶2¶, Z¶3¶) drehbar ist. DOLLAR A Die Arbeitsplattform (AP) ist jeweils mit drei Kugelgelenken (K¶1¶, K¶2¶, K¶3¶) an den Enden der frei mitgeführten Linearantriebe (Z¶1¶, Z¶2¶, Z¶3¶) befestigt, wobei die Positionen der Kugelgelenke (K¶1¶, K¶2¶, K¶3¶) ein echtes Dreieck bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bewegungssystem mit Parallelstruktur ("Cylindric-Glide") zur Positionierung einer Arbeitsplattform in sechs (drei translatorischen und drei rotatorischen) Freiheitsgraden im Raum bei Verwendung von sechs angetriebenen Führungs­ elementen.
Bewegungsvorrichtungen mit Parallelstruktur, bei denen mehrere angetriebene Führungsarme eine Arbeitsplattform gemeinsam (parallel) gegenüber einer Gestellplattform führen, besitzen im allgemeinen eine höhere Steifigkeit als seriell aufgebaute Bewegungssysteme. Deshalb lassen sich mit Mechanismen dieses Typs Bewegungen mit großer Traglast, hoher Genauigkeit und großer Geschwindigkeit erzielen, bei gleichzeitig vergleichsweise geringem Eigengewicht des Mechanismus. Moderne Roboter werden deshalb zunehmend mit Hilfe von Parallelstrukturen aufgebaut [1, 2].
Zu den bekanntesten parallelen Mechanismen gehören die Steward-Plattform [3], der DELTA-Roboter [4] und das Hexaglide [5]. Auch sind in jüngerer Zeit neue parallele Bewegungssysteme in Deutschland patentiert worden (z. B. Patente DE 197 10 171 A1 und DE 198 40 886 A1).
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  • 2. [2] Tsai, L. W., "Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators" John Wiley & Sons, New York, 1999
  • 3. [3] Stewart, D, "A platform with Six Degrees of Freedom", Proc. Inst. Mech. Eng. London, Vol 180, S. 371-386, 1965
  • 4. [4] Clavel, R., "Delta, a fast Robot with parallel geometry", Proc. Int. Symp. on Industrial Robots, S. 91-100, 1988
  • 5. [5] Wiegand. A, Hebsacker M., Honegger. M, "Parallele Kinematik und Linearmotoren: Hexaglide - ein neues hochdynamisches Werkzeugmaschinenkonzept", Technische Rundschau Transfer Nr. 25, S. 22-25, 1996
Bisher ist allerdings kein paralleles Bewegungssystem bekannt, bei dem ein großer Arbeitsraum entlang einer Vorzugsrichtung (X-Achse) zusammen mit einem großen Schwenkbereich um die X- und Y-Achsen realisiert ist. Dies ist zum Beispiel beim Einsatz in Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung langer Werkstücke interessant.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bewegungssystem mit Parallelstruktur zu entwickeln, bei dem sich ein möglichst großer Arbeitsraum entlang einer Vorzugsrichtung (X-Achse) zusammen mit einem möglichst großem Schwenkbereich um die X- und Y- Achsen ergibt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das eingangs beschriebene Bewegungssystem mit den folgenden Merkmalen gelöst:
Drei Linearantriebe (bestehend aus Läufer und gestellfester Linearführung) werden fest bezüglich einer Gestellplattform mit paralleler Antriebsrichtung (entlang der X-Achse) angeordnet. Auf jedem dieser Linearantriebe wird eine Scharniergelenk geführt um welches herum eine jeweils mitbewegte angetriebenen Linearachse dreht. Dabei dürfen die Drehachsen der Scharniergelenke mit der X-Richtung (Richtung der gestellfesten Linearführungen) keinen rechten Winkel bilden, da sonst die Beweglichkeit der Arbeitsplattform nicht mehr in sechs Freiheitsgraden möglich ist. Die Arbeitsplattform ist mit drei Kugelgelenken an den jeweils anderen Enden der mitbewegten Linearantriebe angebracht, wobei die Positionen der Mittelpunkte der Kugelgelenke ein echtes Dreieck bilden.
Der Bewegungsraum in X-Richtung läßt sich bei dieser Parallelstruktur durch Verlängerung der gestellfesten Linearantriebe theoretisch beliebig verlängern. Gleichzeitig sind große Schwenkwinkel der Arbeitsplattform um die X-Achse und um die Y-Achse erreichbar.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des "Cylindric- Glide" ist in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Die parallel zur X-Achse angeordneten Linearantriebe sind durch zwei Linearführungen (F1, F2) auf denen sich angetriebene Läufer (L1, L2, L3) bewegen realisiert. Die Linearführungen (F1, F2) sind fest auf der Gestellplattform (GP) angebracht, und auf jedem der Läufer ist ein Scharniergelenk (S1, S2, S3) montiert. Die Richtungsvektoren (d1, d2, d3) der Drehachsen dieser Scharniergelenke sind im gezeichneten Ausführungs­ beispiel gegeben durch:
Um die Scharniergelenke (S1, S2, S3) drehen sich die mitbewegten angetriebenen Linearachsen, die durch Schubzylinder (Z1, Z2, Z3) realisiert sind. Die Arbeitsplattform (AP) ist mit drei Kugelgelenken (K1, K2, K3) an den Enden der Kolben der Schubzylinder (Z1, Z2, Z3) befestigt.
Die Position des Kugelgelenks Ki (i = 1, 2, 3) ist durch die Länge Ii (aktuelle X-Position des Läufers Li) den Winkel γi (Winkel zwischen der Richtung des Schubzylinders Zi und der XY-Ebene) und die Länge ri (Gesamtlänge des Schubzylinders Zi inklusive Kolben) gegeben, was einer Positionsangabe in schiefen Zylinderkoordinaten entspricht (daher rührt der gewählte Name "Cylindric- Glide" für das Bewegungssystem).
Falls an der Arbeitsplattform (AP) große Momente angreifen, ist es günstig zur Verstärkung der Schubzylinder (Z1, Z2, Z3) parallel zum jeweiligen Schubzylinder ein passives Schubgelenk einzubauen, das jeweils diese Momente aufnimmt.

Claims (4)

1. Bewegungssystem mit Parallelstruktur zur Positionierung einer Arbeitsplattform in sechs (drei translatorischen und drei rotatorischen) Freiheitsgraden im Raum mit sechs angetriebenen Führungselementen, dadurch gekennzeichnet, daß drei Linearantriebe (bestehend aus Läufer und gestellfester Linearführung) fest bezüglich einer Gestellplattform (GP) parallel zueinander (in X- Richtung) angeordnet werden, daß auf jedem der Läufer (L1, L2, L3) ein Scharniergelenk (S1, S2, S3) geführt wird dessen Drehachse keinen rechten Winkel mit der X-Richtung bildet, daß um jedes der Scharniergelenke (S1, S2, S3) herum jeweils ein mitgeführter Linearantrieb (Z1, Z2, Z3) drehbar ist, und daß die Arbeitsplattform (AP) jeweils mit drei Kugelgelenken (K1, K2, K3) an den Enden der drei mitgeführten Linearantriebe (Z1, Z2, Z3) befestigt ist, wobei die Positionen der Kugelgelenke (K1, K2, K3) ein echtes Dreieck bilden.
2. Bewegungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearantriebe zwei Linearführungen (F1, F2) mit drei angetriebenen Läufern (L1, L2, L3) sind.
3. Bewegungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mitgeführten Linearantriebe (Z1, Z2, Z3) angetriebene Schub­ zylinder sind.
4. Bewegungsanspruch nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mitgeführten Linearantriebe (Z1, Z2, Z3) durch parallel eingebaute passive Schubgelenke verstärkt werden, die die an der Arbeitsplattform (AP) wirkenden Momente aufnehmen können.
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