DE102004054359A1

DE102004054359A1 - Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung und Verwendung derselben

Info

Publication number: DE102004054359A1
Application number: DE200410054359
Authority: DE
Inventors: Volker Wittstock
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2024-11-11
Also published as: DE102004054359B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung und eine Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung mit einem Grundkörper, bestehend aus zumindest einem ersten Basiselement und einem zweiten Basiselement, die einerseits durch zumindest ein Festkörpergelenkelement, bezogen auf eine Mittenachse des Grundkörpers, in axialer Richtung miteinander verbunden sind und die andererseits durch zumindest eine Stelleinrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung zwischen den Basiselementen verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung und die Verwendung derselben.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung, wie sie in mechatronischen Systemen, wie z.B. Werkzeugmaschinen, Handlingsystemen oder Robotern zum Einsatz kommt und in diesen zur Erzeugung oder Kompensation einer Torsionsbewegung verwendet wird. Weitere Anwendungsgebiete der Erfindung sind mechanische oder mechatronische System, bei denen Torsionsschwingungen auftreten, z.B. Kupplungen und Getriebewelle, in denen die Erfindung zur Kompensation von Torsionsschwingungen verwendet wird.
Ausgangspunkt für die Verwendung von mechatronischen Systemen im Maschinenbau, z.B. in parallelkinematischen Werkzeugmaschinen und Robotern ist die Forderung nach geringen bewegten Massen, hohen erreichbaren Beschleunigungen, eine hohe Positioniergenauigkeit und eine hohe Wiederholgenauigkeit. Allerdings stehen die beiden zuerst genannten Forderungen im Widerspruch zu einer hohen Positionier- und Wiederholgenauigkeit, da geringe Massen häufig die Steifigkeit eines Systems negativ beeinflussen und in Verbindung mit hohen auftretenden Beschleunigungen das System für Schwingungen anfälliger machen, was zu einer Verringerung der Positionier- und Wiederholgenauigkeit führt.

Eine Vorrichtung zur Kompensation von Schwingungen, wie sie beispielsweise in parallelkinematischen Werkzeugmaschinen auftreten, wird in der DE 101 56 836 B4 gezeigt. Die Druckschrift beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung mit zumindest einem Aktormodul. Das dort beschriebene Aktormodul besteht aus einem scheibenförmigen Grundkörper, der zumindest ein Hebelelement und zumindest ein Stellglied aufweist. Das Hebelelement liegt in derselben Ebene wie der Grundkörper und ist mit diesem durch ein Festkörpergelenk verbunden. Das Stellglied erzeugt eine Relativbewegung zwischen Grundkörper und Hebelelement, wobei das Festkörpergelenk eine Biegebewegung realisiert. Wird auf der einen Seite des scheibenförmigen Grundkörpers in axialer Richtung ein Bauteil befestigt und wird auf der anderen Seite des scheibenförmigen Grundkörpers ein weiteres Bauteil mit dem Hebelelement verbunden, so erfolgt durch die Relativbewegung zwischen Grundkörper und Hebelelement eine Verdrehung zwischen den beiden Bauteilen. Der dabei entstehende Verdrehwinkel ist direkt von den Hebelverhältnissen bzw. vom Abstand der Stellglieder vom Zentrum des scheibenförmigen Grundkörpers abhängig.

Durch die zuvor beschriebene Anordnung wird eine translatorische Bewegung eines Stellgliedes in eine rotatorische Bewegung der mit dem Aktormodul verbundenen Bauteile umgesetzt. Durch die Relativbewegung zwischen dem Grundkörper und dem Hebelelement erfährt das Festkörpergelenk eine Biegebewegung in der Ebene des Grundkörpers.

Der dabei durch ein einzelnes Aktormodul erzeugbare Verdrehwinkel ist relativ gering. Sind die geforderten Verdrehwinkel größer, werden mehrere Aktormodule in Form einer Reihenschaltung hintereinander montiert. Für die mechanische Verbindung der hintereinander angeordneten Aktormodule sind weitere Elemente notwendig, wie z.B. Gewinde, Distanzscheiben und Schrauben.

Die bekannten Vorrichtungen zur Erzeugung von Torsionsbewegungen zwischen Bauteilen weisen während der Herstellung und der Verwendung einige Nachteile auf. Bedingt durch ihren Aufbau erlauben bekannte Aktormodule keine großen Verdrehungen, so dass es zur Erzielung von größeren Verdrehungen notwendig ist, mehrere Aktormodule miteinander zu verbinden. Diese Verbindung erfolgt üblicherweise mittels Schrauben und/oder Stiften. Die mechanische Verbindung muss so erfolgen, dass die bei der Verwendung der Aktormodule auftretenden Kräfte und Torsionsmomente verlust- und spielfrei übertragen werden. Dieser Umstand stellt sehr hohe Forderungen an die Fertigungsgenauigkeit der an der Verbindung beteiligten Elemente, wie z.B. Bohrungen, Gewinde, Distanzscheiben und Schrauben, wodurch die entsprechenden Fertigungsverfahren und der anschließende Montageprozess sehr zeit- und kostenintensiv sind.

Ferner weist auch der Grundkörper an sich im Bereich des Hebelementes und des Festkörpergelenkes Stellen auf, die mit konventionellen spannenden Fertigungsverfahren nicht herstellbar sind. Um die geforderten Fertigungstoleranzen einzuhalten, kommen an diesen Stellen zeit- und kostenintensive Fertigungsverfahren zum Einsatz, wie z.B. Drahterodieren.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung anzugeben, die einen Grundkörper aufweist, dessen Fertigung zum einen weniger kostenintensiv ist und mit konventionellen Fertigungsverfahren erfolgen kann, und der zum anderen größere Torsionsbewegungen zulässt als bisher bekannte Vorrichtungen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Verwendung der besagten Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung anzugeben.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung weist einen Grundkörper auf, bestehend aus zumindest einem ersten und einem zweiten Basiselement, die einerseits durch zumindest ein Festkörpergelenk, bezogen auf eine Mittenachse des Grundkörpers in axialer Richtung miteinander verbunden sind, und die andererseits durch zumindest eine Stelleinrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung zwischen den Basiselementen verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auf vorteilhafte Weise dazu geeignet, die Kosten zur Herstellung eines Grundkörpers der Vorrichtung, in den anschließend die Stelleinrichtung eingesetzt werden, durch den Einsatz konventioneller Fertigungsverfahren, wie z.B. spanende Fertigungsverfahren, gering zu halten. Ferner ermöglicht der so hergestellte Grundkörper größere Torsionsbewegungen, da Stelleinrichtungen in einer Reihenanordnung in mehreren Ebenen angeordnet werden können.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfällt ferner eine spielbehaftete Montage einzelner Aktormodule, wie bei bisher bekannten Vorrichtungen, da der Grundkörper einteilig ausgeführt ist. Ferner erlaubt die Verwendung eines Festkörpergelenkes, dass als Torsionselement in axialer Richtung des Grundkörpers ausgeführt ist, eine definiertere Verformung als bisher bekannte Stift- oder Schraubverbindungen, wie sie zur Verbindung von mehreren Aktormodulen in axialer Richtung verwendet werden.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung einen Grundkörper auf, der zumindest aus einem ersten und einem zweiten Basiselement besteht. Bezogen auf eine Mittenachse des Grundkörpers sind die beiden Basiselemente durch zumindest ein Festkörpergelenk in axialer Richtung miteinander verbunden. Parallel dazu sind die beiden Basiselemente ferner durch zumindest eine Stelleinrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung zwischen den Basiselementen verbunden.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist der Grundkörper zumindest ein scheibenförmiges Element auf, das zwischen zwei benachbarten Elementen, entweder zwei Basiselementen oder einem Basiselement und einem weiteren scheibenförmigen Element oder zwei weiteren scheibenförmigen Elementen, angeordnet ist. Das scheibenförmige Element ist mit jedem der zwei benachbarten Elemente zum einen durch zumindest ein Festkörpergelenk in axialer Richtung und zum andren durch zumindest eine Stelleinrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung verbunden.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist die Stelleinrichtung, bezogen auf die Mittenachse des Grundkörpers, in Umfangsrichtung angeordnet.

Es ist vorteilhaft, wenn Basiselemente und ggf. scheibenförmige Elemente in ihrem Umfang jeweils zumindest einen Aufnahmebereich aufweisen, in dem die Stelleinrichtung gelagert ist und der beispielsweise bezogen auf die Mittenachse des Grundkörpers in axialer Richtung ausgeführt ist.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Aufnahmebereich eine Bohrung zur Aufnahme der Stelleinrichtung aufweist und die Stelleinrichtung mit dem Aufnahmebereich durch eine Schraubverbindung verbunden ist. Zusätzliche Übergangsteile und Spannelemente ermöglichen einen definierten Einbau der Stelleinrichtung, ein einfaches Austauschen derselben im Versagensfall und sorgen im Betrieb für eine verlustfreie Übertragung der Kräfte und Momente zwischen der Verstelleinrichtung und den beiden verbundenen Aufnahmebereichen.

Bevorzugterweise weist der Grundkörper zur Erzeugung einer Torsionsbewegung in axialer Richtung eine hohe Steifigkeit auf, so dass ein Durchbiegen des Grundkörpers im Betrieb verhindert wird. In Umfangsrichtung ist dagegen die Steifigkeit des Grundkörpers gering, um die Torsionsbewegung zu erleichtern, und um die Verwendung von wenigen Stelleinrichtungen bzw. Stelleinrichtungen mit geringen Stellkräften zu ermöglichen.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung sind die Festkörpergelenkelemente in einem möglichst großen Abstand zur Mittenachse des Grundkörpers angeordnet. Zum einen hat dies den Vorteil, dass innerhalb der Festkörpergelenkelemente weitere Elemente der Vorrichtung untergebracht werden können, wie beispielsweise Sensoren oder Steuer- und/oder Regeleinrichtungen. Zum anderen erhöht dieser Aufbau die Biegesteifigkeit des Grundkörpers in axialer Richtung.

Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass es vorteilhaft ist, die Festkörpergelenkelemente stegförmig auszubilden.

Bevorzugterweise weisen die Basiselemente Schnittstellen auf, um die Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung mit Nachbarteilen oder weiteren Baugruppen zu verbinden, z.B. Gewindebohrungen oder Flansche mit Lochkreisen.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper oder einzelne Elemente des Grundkörpers oder der Stelleinrichtung, bezogen auf die Mittenachse des Grundkörpers, achssymmetrisch und/oder rotationssymmetrisch ausgebildet, und/oder bezogen auf einen Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers punktsymmetrisch ausgebildet.

Insbesondere ist die Querschnittsfläche des Grundkörpers im wesentlichen kreisförmig und eine Mantelfläche des Grundkörpers im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet.

Auf vorteilhafte Weise ist der Grundkörper, bestehend aus Basiselementen, Festkörpergelenkelementen, Aufnahmebereichen und ggf. scheibenförmigen Elementen einteilig ausgeführt. Dadurch ist es möglich, den Grundkörper aus einem Halbzeug, beispielsweise einen Metallzylinder, ausschließlich durch spanende Fertigungsverfahren herzustellen.

Um die Biegesteifigkeit des Grundkörpers in axialer Richtung weiter zu erhöhen, ist die Mantelfläche des Grundkörpers gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel teilweise oder vollständig von einem Hülsenelement bedeckt. Das Hülsenelement steht zumindest mit den beiden Basiselementen im Eingriff.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Die vorstehend erläuterte Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung wird zum einen zur Kompensation einer auf die Vorrichtung einwirkenden statische oder dynamische Torsion verwandt. Zum anderen kann die Vorrichtung aber auch eine statische oder dynamische Torsion erzeugen.

Ein maximal erreichbarer Torsionswinkel der Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung ist durch die Anzahl der scheibenförmigen Elemente und/oder die Anzahl und Ausführung der Festkörpergelenkelemente einstellbar.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung kommt die Vorrichtung in Werkzeugmaschinen zum Einsatz, insbesondere in Strebenstrukturen von parallelkinematischen Werkzeugmaschinen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Gesamtbaugruppe einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung,
2 eine Seitenansicht der Gesamtbaugruppe mit einer Darstellung eines Kraftflusses,
3 eine Querschnittsansicht der Gesamtbaugruppe entlang einer Schnittlinie A–A aus 2,
4 eine perspektivische Darstellung eines Grundkörpers der Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung,
5 eine Seitenansicht des Grundkörpers,
6 eine perspektivische Darstellung einer Schnittansicht durch den Grundkörper,
7 eine Seitenansicht einer Schnittdarstellung durch den Grundkörper,
8 eine Querschnittsansicht einer Schnittdarstellung durch den Grundkörper entlang einer Schnittlinie S1–S1 aus 7,
9 eine perspektivische Darstellung der Gesamtbaugruppe der Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung mit einem Hülsenelement,
10 eine perspektivische Darstellung der Gesamtbaugruppe der Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung, bei der der Grundkörper nur zwei Basiselemente aufweist,
11 eine Seitenansicht der Gesamtbaugruppe, bei der der Grundkörper nur zwei Basiselemente aufweist,
12 eine perspektivische Darstellung der Gesamtbaugruppe entlang einer Schnittlinie B–B aus 11, und
13 eine Querschnittsansicht der Gesamtbaugruppe entlang der Schnittlinie B–B aus 11.
Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer Gesamtbaugruppe einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung weist einen Grundkörper 1 auf, der sich entlang einer Mittenachse 6 erstreckt. Der Grundkörper 1 weist an einem Ende in axialer Richtung ein erstes Basiselement 2a und an einem zweiten Ende ein zweites Basiselement 2b auf.
Die Basiselemente 2a, 2b verfügen jeweils über Schnittstellen zu benachbarten Teilen oder Baugruppen, mit denen der Grundkörper verbunden werden kann.
Ferner sind in 1 zwei scheibenförmige Elemente 7, die sich zwischen den zwei Basiselementen 2a, 2b befinden, dargestellt. Ein scheibenförmiges Element 7 ist mit zwei benachbarten Elementen, entweder zwei Basiselementen 2a, 2b oder einem Basiselement 2a oder 2b und einem weiteren scheibenförmigen Element 7 oder zwei weiteren scheibenförmigen Elementen 7, zum einen durch jeweils zumindest ein Festkörpergelenkelement 3 und zum anderen jeweils durch zumindest eine Stelleinrichtung 5 verbunden.
Bezogen auf die Mittenachse 6 des Grundkörpers 1 ist die Stelleinrichtung 5 in Umfangsrichtung angeordnet. Beide Enden der Stelleinrichtung 5 sind in Aufnahmebereichen 4 gelagert und mit diesen beispielsweise durch eine Schraubverbindung verbunden.
Um eine Torsionsbewegung des Grundkörpers 1 zu ermöglichen, ist ein erstes Ende der Stelleinrichtung 5 mit einem Aufnahmebereich 4 des ersten Basiselementes 2a oder eines ersten scheibenförmigen Elementes verbunden. Ein zweites Ende der Stelleinrichtung 5 ist mit einem Aufnahmebereich 4 des zweiten Basiselementes 2b oder eines zweiten scheibenförmigen Elementes verbunden.
Bei dem ersten Basiselement 2a und dem zweiten Basiselement 2b sind die Aufnahmebereiche 4 auf der jeweils der Schnittstelle gegenüberliegenden Seite angebracht und erstrecken sich in axialer Richtung. Bei den scheibenförmigen Elementen 7 sind die Aufnahmebereiche 4 jeweils auf beiden Seiten des scheibenförmigen Elementes angebracht und erstrecken sich in axialer Richtung. Zur Verbindung mit den Stelleinrichtungen 5 weisen die Aufnahmebereiche 4 Bohrungen 13 auf, durch die Spannelemente 9, beispielsweise Schrauben, zur kraftschlüssigen Montage der Stelleinrichtungen 5 gesteckt werden. Bei den Stelleinrichtungen 5 kann es sich insbesondere sowohl um Piezoaktoren als auch um Formgedächtnismetalle als auch um elektrische Antriebe oder hydraulische oder pneumatische Arbeitszylinder handeln.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stelleinrichtungen 5 paarweise montiert, so dass immer eine gerade Anzahl von Stelleinrichtungen 5 mit einem ersten Basiselement 2a oder einem zweiten Basiselement 2b oder einem scheibenförmigen Element 7 verbunden sind. Ein Paar von benachbarten Stelleinrichtungen 5 ist in dem entsprechenden Aufnahmebereich 4 so montiert, dass sich, wenn das Paar von benachbarten Stelleinrichtungen 5 aktiviert wird, eine erste Stelleinrichtung in ihrer Längsrichtung verlängert, während sich eine zu der ersten Stelleinrichtung benachbarte zweite Stelleinrichtung in ihrer Längsrichtung verkürzt.
Diese Längenänderung führt zu einer Relativbewegung zwischen zwei benachbarten Basiselementen 2a, 2b und/oder scheibenförmigen Elementen 7, so dass sich die beiden benachbarten Elemente zueinander verdrehen und eine Torsionsbewegung ausführen. Je mehr scheibenförmige Elemente 7 zwischen den zwei Basiselementen 2a, 2b des Grundkörpers 1 angeordnet sind, desto größer sind die möglichen Torsionsbewegungen und -winkel, um die der Grundkörper 1 verdreht werden kann.
Um wieder in die nicht-tordierte Ausgangslage des Grundkörpers zurückzukehren, wird das Paar von benachbarten Stelleinrichtungen 5 so aktiviert, dass beide Stelleinrichtungen 5 wieder ihre Ausgangslänge erreichen, d.h. im konkreten Fall, verkürzt sich die erste Stelleinrichtung in ihrer Längsrichtung, während sich die zur ersten Stelleinrichtung benachbarte zweite Stelleinrichtung in ihrer Längsrichtung verlängert. Dadurch entsteht ein rückstellendes Moment, das den Grundkörper 1 wieder in seine nicht-tordierte Ausgangslage zwingt.
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Stelleinrichtungen 5, bezogen auf einen Aufnahmebereich 4, nicht paarweise sondern einzeln angeordnet. Sowohl das Moment, das den Grundkörper 1 tordiert als auch das rückstellende Moment, das den Grundkörper 1 nach einer Torsion wieder in seine nicht-tordierte Ausgangsstelle zurückzwingt, wird dabei von ein und derselben Stelleinrichtung 5 aufgebracht. In diesem Fall handelt es sich bei der Stelleinrichtung 5 nicht um einen Piezoaktor, sondern beispielsweise um einen elektrischen Antrieb, insbesondere um einen Spindelantrieb, oder um einen hydraulischen Arbeitszylinder. Kennzeichnend für diese Antriebe ist, dass sie sowohl für eine Verlängerung als auch für eine Verkürzung in ihrer Längsrichtung die gleichen Stellkräfte und daraus resultierenden Stellmomente aufbringen, so dass der Grundkörper 1 sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn gleichmäßig tordiert werden kann. Ebenso erscheinen Kombinationen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele der verschiedenen Stelleinrichtungen vorteilhaft.
In 2 ist die Gesamtbaugruppe einer Seitenansicht dargestellt, wobei die bei einer Torsionsbewegung im Grundkörper 1 wirkenden Kräfte als Kraftfluss 10 in die Figur eingetragen sind. Der Kraftfluss 10 weist im wesentlichen einen rechteckförmigen Verlauf auf und verläuft in axialer Richtung entlang des Grundkörpers 1 und in Umfangsrichtung entlang der Stelleinrichtungen 5.
In 3 ist eine Querschnittsansicht der Gesamtbaugruppe entlang einer Schnittlinie A–A aus 2 dargestellt. Die Ansicht zeigt eine kreisförmige Querschnittsfläche des Grundkörpers 1. Vier Aufnahmebereiche 4 und vier Festkörpergelenkelemente 3 sind bezüglich eines Zentrums der kreisförmigen Querschnittsfläche punktsymmetrisch angeordnet. Die vier Festkörpergelenkelemente 3 weisen zueinander, genauso wie die vier Aufnahmebereich 4, jeweils einen Winkel von 90° auf. Aber auch andere Winkel in Abhängigkeit von der Anzahl der Festkörpergelenkelemente 3 und der Aufnahmebereiche 4, bzw. der Anzahl der Stelleinrichtungen 5, die sich zwischen zwei benachbarten Basiselementen 2a, 2b und/oder scheibenförmigen Elementen 7 befinden, erscheinen für bestimmte Aufgaben vorteilhaft.
Für die Lagerung der Stelleinrichtung 5 weist der Aufnahmebereich 4 ein Befestigungselement auf, das beispielsweise als Bohrung 13 ausgeführt ist. In der Bohrung 13 ist ein Spannelement 9, beispielsweise eine Schraube, montiert und mit Übergangsteilen 8 verbunden. Mit den Übergangsteilen 8 ist die Stelleinrichtung 5 kraftschlüssig verbunden.
Ein erster Abstand 11 definiert einen Abstand der Stelleinrichtung 5 zur Mittenachse 6 des Grundkörpers 1. Je größer dieser erste Abstand 11 im Verhältnis zu einem Radius der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1 ist, desto geringer ist ein zwischen zwei benachbarten Basiselementen 2a, 2b und/oder scheibenförmigen Elementen 7 möglicher Torsionswinkel, und desto größer ist ein durch die Stelleinrichtung 5 erreichbares Torsionsmoment.
Ein zweiter Abstand 12 definiert einen Abstand von dem Festkörpergelenkelement 3 zu der Mittenachse 6 des Grundkörpers 1. Es ist besonders vorteilhaft, dass dieser zweite Abstand 12 möglichst groß gewählt wird, um einerseits die Unterbringung von weiteren Bauelementen innerhalb eines von den Festkörpergelenkelementen 3 umrandeten Bereiches zu ermöglichen. Bei den weiteren Bauteilen kann es sich beispielsweise um Sensoren und/oder Steuer- und/oder Regeleinrichtungen handeln. Zum anderen erhöht ein groß gewählter zweiter Abstand 12 eine Biegesteifigkeit des Grundkörpers 1. Die Biegesteifigkeit des Grundkörpers 1 wird zudem maßgeblich durch die Anzahl und Ausführung der Festkörpergelenkelemente 3 beeinflusst.
In 4 ist eine perspektivische Darstellung des Grundkörpers 1 gezeigt. Die Festkörpergelenkelemente 3 verbinden jeweils zwei benachbarte Basiselemente 2a, 2b und/oder scheibenförmige Elemente 7. Der Aufnahmebereich 4 ist mit einer Bohrung 13, versehen, um bei einer anschließenden Montage der Stelleinrichtung 5 eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Aufnahmebereich 4 und der Stelleinrichtung 5 zu ermöglichen.
In 5 ist der Grundkörper 1 in einer Seitenansicht dargestellt. Der Grundkörper 1, bestehend aus den Basiselementen 2a, 2b, den Festkörpergelenkelementen 3, den Aufnahmebereichen 4 und den scheibenförmigen Elementen 7, ist im wesentlichen achs- und/oder rotationssymmetrisch bezüglich der Mittenachse 6 des Grundkörpers 1 ausgeführt.
In 6 ist eine perspektivische Darstellung einer Schnittansicht durch den Grundkörper 1 gezeigt. Die Festkörpergelenkelemente 3 sind stegförmig ausgelegt, wo bei eine schmale Seite der Festkörpergelenkelemente 3, bezogen auf die Mittenachse 6 des Grundkörpers 1, in einer radialen Richtung ausgerichtet ist, und eine breite Seite der Festkörpergelenkelemente 3 in Umfangsrichtung ausgerichtet ist. Durch diese Ausrichtung der Festkörpergelenkelemente 3 wird zum einen die Biegesteifigkeit des Grundkörpers 1 erhöht, und zum anderen eine Torsionssteifigkeit des Grundkörpers 1 verringert. Bei einer Torsionsbewegung des Grundkörpers 1 werden die Festkörpergelenkelemente 3 in axialer Richtung verdreht.
Der Grundkörper 1 ist aus einem hochfesten und begrenzt elastischen Material, in diesem Ausführungsbeispiel Stahl, gefertigt. Aufgrund seines Aufbaus ist es möglich, den Grundkörper 1 aus einem zylinderförmigen Halbzeug ausschließlich durch spanende Fertigungsverfahren herzustellen. Ferner bedingt die zylinderförmige und kompakte Form des Grundkörpers 1, dass die gesamte Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung auf einfache Weise in ein vorhandenes mechatronisches System, beispielsweise eine parallelkinematische Werkzeugmaschine, integriert werden kann.
Aufgrund der großen Anzahl von scheibenförmigen Elementen 7, die zwischen den beiden Basiselementen 2a, 2b angeordnet werden können, werden über eine gesamte Länge des Grundkörpers 1 sehr große Torsionswinkel ermöglicht. Deswegen ist es denkbar, dass die beschriebene Vorrichtung in mechatronischen Systemen nicht nur zur Kompensation von auf das mechatronische System einwirkenden Torsionen oder Schwingungen zum Einsatz kommt, sondern auch Torsionsbewegungen, beispielsweise als Sekundärantrieb einer Werkzeugmaschine, zur Erfüllung einer Fertigungsaufgabe erzeugt.
Ein in 6 von den Festkörpergelenkelementen 3 umrandeter Bereich ermöglicht zum einen die Aufnahme einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung, und zum anderen die Aufnahme einer Messeinrichtung zur Erfassung einer Torsion und/oder einer Schwingung des Grundkörpers 1 (nicht gezeigt). Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ist mit zumindest einer Stelleinrichtung 5 verbunden und bestimmt einen Stellwert und/oder steuert die Stelleinrichtung 5 mit einem Stellwert an. Die Messeinrichtung erfasst eine Torsion und/oder eine Schwingung des Grundkörpers 1 und ist mit der Steuer und/oder Regeleinrichtung zur Übermittlung von Messwerten verbunden.
In 7 ist eine Seitenansicht einer Schnittdarstellung des Grundkörpers 1 gezeigt. Die beiden Bohrungen 13, die zur Aufnahme einer Stelleinrichtung 5 benötigt werden, liegen in einer senkrecht zur Mittenachse 6 ausgerichteten Ebene. Es sind aber auch Ausführungsbeispiele vorteilhaft, bei denen diese Ebene zur Mittenachse 6 geneigt ist, so dass auch die Stelleinrichtungen 5 gemäß dieser Ebene geneigt sind.
In 8 ist eine Querschnittsansicht einer Schnittdarstellung durch den Grundkörper 1 entlang einer Schnittlinie S1–S1 aus 7 gezeigt. Ein bevorzugter eingeschlossener Winkel von 90° zwischen zwei Aufnahmebereichen 4, die bei einer anschließenden Montage der Stelleinrichtung 5 verbunden werden, ist hervorgehoben.
In 9 ist eine perspektivische Darstellung der Gesamtbaugruppe der Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung gezeigt. Der Grundkörper 1 der Vorrichtung ist durch ein Hülsenelement 14 in axialer Richtung verstärkt. Das Hülsenelement 14 bedeckt eine Mantelfläche des Grundkörpers 1 teilweise oder vollständig und steht zumindest mit den zwei Basiselementen 2a, 2b in Eingriff. Durch das Hülsenelement 14 wird die Biegesteifigkeit des Grundkörpers 1 zusätzlich erhöht, wobei das Hülsenelement 14 so ausgelegt ist, dass sich die Torsionssteifigkeit des Grundkörpers 1 nur unwesentlich erhöht.
In 10 ist eine perspektivische Darstellung der Gesamtbaugruppe der Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung gezeigt, bei der der Grundkörper 1 keine scheibenförmigen Elemente 7 aufweist, sondern nur aus einem ersten Basiselement 2a und einem zweiten Basiselement 2b sowie den dazwischen angeordneten Festkörpergelenkelementen 3 besteht. Sowohl das erste Basiselement 2a als auch das zweite Basiselement 2b weisen jeweils drei Aufnahmebereiche 4 auf. Zwischen den benachbarten Aufnahmebereichen 4 sind die Stelleinrichtungen 5 paarweise angeordnet, so dass jeweils eine erste Stelleinrichtung eine Stellkraft und ein daraus resultierendes Torsionsmoment aufbringt, das den Grundkörper 1 im Uhrzeigersinn tordiert, während jeweils eine zweite Stelleinrichtung eine Kraft und ein daraus resultierendes Torsionsmoment aufbringt, das den Grundkörper 1 gegen den Uhrzeigersinn tordiert.
In 11 ist eine Seitenansicht der in 10 beschriebenen Gesamtbaugruppe gezeigt, wobei eine Schnittlinie B–B im Bereich der Aufnahmebereiche 4 des ersten Basiselementes 2a eingezeichnet ist. In den folgenden zwei Figuren wird auf diese Schnittlinie B–B Bezug genommen.
In 12 ist eine perspektivische Darstellung der Gesamtbaugruppe entlang einer Schnittlinie B–B aus 11 gezeigt. In seinem Zentrum weist der Grundkörper 1 eine durchgängige Bohrung auf, um die vier Festkörpergelenkelemente 3 angeordnet sind. Die Festkörpergelenkelemente 3 sind in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Jedes Festkörpergelenkelement 3 weist eine Querschnittsfläche auf, die der Fläche eines rechtwinkligen Dreiecks entspricht, wobei die Hypotenuse des rechtwinkligen Dreiecks nicht gerade ist, sondern als Kreisabschnitt ausgeführt ist.
In 13 ist eine Querschnittsansicht der Gesamtbaugruppe entlang der Schnittlinie B–B aus 11 gezeigt. Zwei benachbarte Aufnahmebereiche 4, von denen ein erster Aufnahmebereich zum ersten Basiselement 2a gehört, und ein zweiter Aufnahmebereich zum zweiten Basiselement 2b gehört, sind durch eine Stelleinrichtung 5 miteinander verbunden. Der zwischen dem ersten Aufnahmebereich und dem zweiten Aufnahmebereich eingeschlossene Winkel beträgt 60°. Im Vergleich zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Abstand 11, der den Abstand der Stelleinrichtung 5 zur Mittenachse 6 des Grundkörpers 1 definiert, bei gleichem Durchmesser des Grundkörpers 1 größer. Somit ermöglicht das in 13 gezeigte Ausführungsbeispiel geringere Torsionswinkel, dafür aber ein größeres erreichbares Torsionsmoment. Die Anzahl der Festkörpergelenkelemente 3, die zwischen zwei benachbarten Basiselementen 2a, 2b und/oder scheibenförmigen Elementen 7 angeordnet ist, ist unabhängig von der Anzahl der in diesem Bereich vorhandenen Aufnahmebereiche 4 bzw. Stelleinrichtungen 5.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschreiben sowohl eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung mit einem Grundkörper, beste hend aus zumindest einem ersten Basiselement und einem zweiten Basiselement, die einerseits durch zumindest ein Festkörpergelenkelement, bezogen auf eine Mittelachse des Grundkörpers in axialer Richtung miteinander verbunden sind, und die andererseits durch zumindest eine Stelleinrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung zwischen den Basiselementen verbunden sind, als auch eine Verwendung der Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung mit einem Grundkörper (1) bestehend aus zumindest einem ersten Basiselement (2a) und einem zweiten Basiselement (2b), die einerseits durch zumindest ein Festkörpergelenkelement (3) bezogen auf eine Mittenachse (6) des Grundkörpers (1) in axialer Richtung miteinander verbunden sind, und die andererseits durch zumindest eine Stelleinrichtung (5) zur Erzeugung einer Torsionsbewegung zwischen den Basiselementen (2a, 2b) verbunden sind.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) zumindest ein scheibenförmiges Element (7) aufweist, das zwischen zwei benachbarten Elementen, Basiselemente (2a, 2b) und/oder weitere scheibenförmige Elemente (7), angeordnet ist, und mit jedem der zwei benachbarten Elementen jeweils durch zumindest ein Festkörpergelenkelement (3) in axialer Richtung und jeweils durch zumindest eine Stelleinrichtung (5) zur Erzeugung einer Torsionsbewegung verbunden ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (5) bezogen auf die Mittenachse (6) des Grundkörpers in Umfangsrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiselemente (2a, 2b) und gegebenenfalls die scheibenförmigen Elemente (7) in ihrem Umfang jeweils zumindest einen Aufnahmebereich (4) aufweisen, in dem die Stelleinrichtung (5) gelagert ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmebereiche (4) in axialer Richtung ausgeführt sind.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich (4) zumindest ein Befestigungselement (13) aufweist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Befestigungselemente (13), an denen die Stelleinrichtung (5) befestigt ist, in einer Ebene liegen, die senkrecht auf der Mittenachse (6) des Grundkörpers (1) steht oder zur in einem anderen Winkel zu der Mittenachse (6) geneigt ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (5) mit dem Befestigungselement (13) des Aufnahmebereiches (4) durch Übergangsteile (8) und zumindest ein Spannelement (9) verbunden ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (5) mit dem Aufnahmebereich (4) durch eine Schraubverbindung verbunden ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) in axialer Richtung eine hohe und in Umfangsrichtung eine geringere Steifigkeit aufweist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörpergelenkelemente (3) einen möglichst großen Abstand zur Mittenachse (6) des Grundkörpers (1) aufweisen, so dass innerhalb der Festköpergelenkelemente (3) weitere Elemente der Vorrichtung untergebracht werden können.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörpergelenkelemente (3) stegförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiselemente (2a, 2b) Schnittstellen zu Nachbarteilen aufweisen.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stelleinrichtungen (5) mit einem Aufnahmebereich (4) des ersten Basiselementes (2a) oder des zweiten Basiselementes (2b) oder eines scheibenförmigen Elementes (7) verbunden ist, und die Stelleinrichtung (5) den Grundkörper sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn tordiert.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stelleinrichtungen (5) mit einem Aufnahmebereich (4) des ersten Basiselementes (2a) oder des zweiten Basiselementes (2b) oder eines scheibenförmigen Elementes (7) verbunden sind, und eine erste Stelleinrichtung den Grundkörper (1) im Uhrzeigersinn tordiert, und eine zweite Stelleinrichtung den Grundkörper (1) gegen den Uhrzeigersinn tordiert.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Festkörpergelenkelemente (3) und/oder Aufnahmebereiche (4) und/oder Stelleinrichtungen (5) punktsymmetrisch zu einem Mittelpunkt einer Querschnittsfläche des Grundkörpers (1) und/oder achs- und/oder rotationssymmetrisch zur Mittenachse (6) des Grundkörpers (1) ausgebildet sind.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) achs- und/oder rotationssymmetrische in Bezug auf die Mittenachse (6) ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mantelfläche des Grundkörpers (1) im wesentlichen zylinderförmig und die Querschnittsfläche des Grundkörpers (1) im wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) bestehend aus Basiselementen (2a, 2b), Festkörpergelenkelementen (3), Aufnahmebereichen (4) und gegebenenfalls scheibenförmigen Elementen (7) einteilig ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) aus einem Halbzeug insbesondere durch spanende Fertigungsverfahren herstellbar ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche des Grundkörpers (1) zwischen den beiden Basiselementen (2a, 2b) teilweise oder vollständig von einem Hülsenelement (10) bedeckt ist, das zumindest mit beiden Basiselementen (2a, 2b) im Eingriff steht.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest mit einer Stelleinrichtung (5) eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung verbunden ist, die einen Stellwert bestimmt und/oder die Stelleinrichtung (5) mit einem Stellwert ansteuert.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Torsion und/oder Schwingung des Grundkörpers (1) mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung verbunden ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (5) längenveränderlich ist, und insbesondere als Piezoaktor, als Formgedächtniselement, als elektrischer Antrieb, oder als hydraulischer oder pneumatischer Arbeitszylinder ausgebildet ist.
Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 24 als Torsionselement zur Kompensation einer auf die Vorrichtung einwirkenden Torsion oder Schwingung oder zur Erzeugung derselben.
Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximal erreichbarer Torsionswinkel durch die Anzahl der scheibenförmigen Elemente (7) und/oder die Anzahl und Ausführung der Festkörpergelenkelemente (3) einstellbar ist.
Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Torsionsbewegung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommt, insbesondere in Strebenstrukturen von paralellkinematischen Werkzeugmaschinen.