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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bewegung eines Objektes
mit mindestens einem ersten und einem zweiten Achselement sowie
eine Werkzeugmaschine mit einer derartigen Vorrichtung.
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Eine
derartige Vorrichtung kann beispielsweise zur Ausrichtung eines
Objektes oder zur Erzeugung einer bestimmten Kraft oder eines Drehmomentes
eingesetzt werden. Ein typisches Einsatzgebiet im industriellen
Umfeld ist eine Werkzeugmaschine, bei der ein Werkzeug zu Bearbeitungszwecken
in eine bestimmte Position relativ zum zu bearbeitenden Werkstück gefahren
werden soll. Die entsprechenden Positionsdaten werden von einer übergeordneten
Steuerung vorgegeben und können
mit Hilfe der Vorrichtung angefahren werden.
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Zur
Bewegung eines Objektes wie beispielsweise eines Werkzeugs gemäß den von
einer übergeordneten
Steuereinheit vorgegebenen Positionsdaten werden heute in der Regel
klassische Aktoren eingesetzt. Derartige Aktoren sind beispielsweise Elektromotoren
oder Hydraulik- bzw. Pneumatikantriebe, die häufig über ein Getriebe, eine Zahnstange, Kugelrollspindeln,
Hebel und ähnliches
auf das zu bewegende Objekt wirken. Bei diesen herkömmlichen
Aktorkonzepten werden rotatorische Bewegungen in Linearbewegungen
umgewandelt.
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Ein
neuartiges Antriebskonzept insbesondere für hochpräzise und hochdynamische Positionieraufgaben
stellt der so genannte Hexapod dar. Ein Hexapod umfasst sechs stabförmige Elemente,
die teleskopartig einzeln verkürzt
oder verlängert
werden können.
Diese sechs Teleskopbeine erzeugen eine parallelkinematische Struktur.
Durch koordinierte Längenänderungen
der Teleskopbeine kann ein Objekt bezüglich aller sechs Freiheitsgrade
bewegt werden.
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Aus
der
DE 199 44 569
C1 ist ein Hexapodbearbeitungszentrum bekannt mit einem
Maschinengestell, das einen Arbeitsraum bildet, sechs an das Maschinengestell
gelenkig angeschlossenen, in der Länge stellbeweglichen Streben,
die in den Arbeitsraum ragen und programmgesteuerte Stellbewegungen
ausführen,
einem von den Streben gehaltenen Spindelträger mit Motorspindel und einem
Tisch zur Positionierung eines zu bearbeitenden Werkstücks, wobei
die Anschlussgelenke von drei Streben am Spindelträger in einer
erste Angriffsebene angeordnet sind und die Anschlussgelenke der
anderen Streben am Spindelträger
eine zweite Angriffsebene bilden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Bewegung eines
Objektes im Raum zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bewegung eines Objektes
gelöst,
wobei die Vorrichtung ein erstes und ein zweites Achselement aufweist,
wobei das erste und das zweite Achselement derart angeordnet sind,
dass das Objekt durch im Wesentlichen axial gerichtete Längenänderungen der
Achselemente bezüglich
zumindest zweier Freiheitsgrade bewegbar ist, wobei die Achselemente aus
einem durch eine elektrische, thermische oder magnetische Anregung
formveränderbaren
Material sind und wobei die jeweilige im Wesentlichen axial gerichtete
Längenänderung
der Achselemente durch die Anregung bewirkbar ist.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bereits eine Kopplung
von nur zwei linear längenveränderlichen
Elementen zu einer Parallelkinematik genutzt werden kann, um das
Objekt bezüglich zweier
Freiheitsgrade im Raum bewegen zu können. Erfindungsgemäß wird eine
solche Bewegung durch eine Verlängerung
oder Verkürzung
der Achselemente bewirkt. Um dies zu ermöglichen, sind die Achselemente
aus Materialien ausgeführt,
deren Form durch den Einfluss der physikalischen Größen Spannung,
Magnetfeld oder Temperatur verändert
werden kann. Derartige Materialien werden hier sowie im gesamten
Do kument auch als intelligente Materialien bezeichnet. Beispiele
für intelligente
Materialien sind elektroaktive Polymere, Magnetic Shape Memory Actuator,
Metallschäume
und Piezomaterialien. Derartige Achselemente können durch Anregung mit der entsprechenden
physikalischen Größe hochdynamisch
in ihrer Länge
verändert
werden, wodurch eine sehr einfache, präzise und dynamische Bewegung des
Objektes bewirkt werden kann.
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Im
Gegensatz zu den von Hexapodmaschinen bekannten Teleskopstäben ist
hierbei keine zusätzliche
Antriebsmechanik erforderlich. Die Anzahl der zur Bewegungserzeugung
notwendigen Komponenten wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung im
Vergleich zu herkömmlichen
Aktorkonzepten sowie den bekannten Hexapodenanordnungen mit Teleskopstäben deutlich
reduziert.
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Durch
die Verwendung intelligenter Materialien sind schnelle Reaktionszeiten
und längere
Betriebszeiten realisierbar. Bei einem herkömmlichen Ansatz wird typischerweise
eine rotatorische Bewegung z.B. eines Elektromotors über eine
Zahnstange oder ähnliches
in eine Linearbewegung umgewandelt, wobei die Zahnstange schließlich auf
die eigentliche Maschinenmechanik wirkt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden die Aufgaben dieser drei Elemente durch eine einzige Komponente
bestehend aus dem intelligenten Material zusammengefasst.
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Durch
die mit der Erfindung erzielbare Komponentenersparnis ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch zur Umsetzung in miniaturisierten Anwendungen, wie sie beispielsweise
in der Mikromechanik vorkommen, geeignet.
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Die
Vorrichtung ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung als
Tripod ausgeführt,
wobei die Vorrichtung ein drittes Achselement aus einem durch eine
elektrische, thermische oder magnetische Anregung formveränderbaren
Material aufweist, wobei eine im Wesentlichen axial gerichtete Längenänderung
des dritten Achselementes durch die Anregung bewirkbar ist und wobei
erstes, zweites und drittes Achsele ment derart angeordnet sind, dass
das Objekt durch deren Anregung bezüglich zumindest dreier Freiheitsgrade
bewegbar ist. Durch die Hinzunahme des dritten Achselementes wird
ein weiterer Freiheitsgrad zur Bewegung des Objektes gewonnen.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Achselemente
einen gemeinsamen Kontaktpunkt zum Objekt auf. Beispielsweise bei
einer derartigen Anordnung als Tripod aus drei Achselementen können z.
B. eine Verschiebung des Objektes bezüglich eines Freiheitsgrades
und eine Rotation des Objektes bezüglich zweier Freiheitsgrade durchgeführt werden.
Es ist jedoch auch eine andere Verteilung der 3 möglichen
Freiheitsgrade denkbar. Ausschlaggebend hierfür ist die Art der Ankopplung des
Objektes an den gemeinsamen Kontaktpunkt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst
die Vorrichtung ein durch die Achselemente positionierbares im Wesentlichen
axial längenveränderliches
Hilfselement, das einen weiteren Kontaktpunkt zum Objekt aufweist. Enthält das Objekt
selbst bewegliche Elemente, so kann mit Hilfe des Hilfselementes
und der Tripode eine Relativbewegung dieser beweglichen Elemente erzeugt
werden. Eine solche Relativbewegung kann beispielsweise zur Betätigung eines
mechanischen Werkzeugs dienen. Zweckmäßig ist insbesondere auch hierbei
eine Ausführung
des Hilfselementes aus einem durch eine elektrische, thermische
oder magnetische Anregung formveränderbaren Material.
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Um
sowohl alle drei translatorischen als auch alle drei rotatorischen
Freiheitsgrade bedienen zu können,
ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Vorrichtung
als Hexapod ausgeführt, wobei
die Vorrichtung mit einem vierten, fünften und sechsten Achselement
aus einem durch eine elektrische, thermische oder magnetische Anregung
formveränderbaren
Material ausgeführt
ist, wobei eine im Wesentlichen axial gerichtete Längenänderung
des vierten, fünften
und sechsten Achselementes durch die Anregung bewirkbar ist und
wobei ers tes, zweites, drittes, viertes, fünftes und sechstes Achselement
derart angeordnet sind, dass das Objekt durch deren Anregung bezüglich aller
sechs Freiheitsgrade bewegbar ist. Bei der Verwendung von sechs
Achselementen ist zum einen sichergestellt, dass alle sechs Freiheitsgrade
für die
Bewegung des Objektes zur Verfügung
stehen. Darüber
hinaus ist bei einer Verwendung von sechs Achselementen gewährleistet,
dass ein 6-Tupel
bestehend aus den sechs Längen
der Achselemente eineindeutig auf genau eine Position und Lage des
zu bewegenden Objektes abgebildet wird.
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Zur
Vermeidung von Biegespannungen innerhalb der Achselemente ist eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, bei der die Achselemente
der Vorrichtung gelenkig an das Objekt anschließbar sind.
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Die
Art des Gelenkes ist vorzugsweise in Abhängigkeit der Anzahl der verwendeten
Achselemente zu wählen.
Um eine stabile Positionierung und Ausrichtung des Objektes sicherzustellen,
kennzeichnet sich ein vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dadurch,
dass das die gelenkige Anschlussmöglichkeit der Achselemente
an das Objekt derart gestaltet ist, dass bei einer Zahl n an das
Objekt angeschlossener Achselemente maximal n Freiheitsgrade für die Bewegung
des Objektes zur Verfügung stehen.
Diese Bedingung ist notwendig, wenn sichergestellt werden soll,
dass ein beliebiges n-Tupel der n Achselementlängen eineindeutig auf genau
eine Position und Ausrichtung des zu bewegenden Objektes abgebildet
wird. Bei einer Hexapod-Anordnung ist zur Gewährleistung der sechs Freiheitsgrade
ein Kugelgelenk zweckmäßig, welches
alle drei rotatorischen Freiheitsgrade erlaubt. Bei einem Tripod
hingegen wird man vorzugsweise ein Gelenk mit einer gegenüber dem
Kugelgelenk reduzierten Anzahl rotatorischer Freiheitsgrade vorsehen,
sofern man eine eineindeutige Abbildung jedes 3-Tupels der drei Achslängen auf
jeweils genau eine Position und Lage des zu bewegenden Objektes
sicherstellen will.
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Insbesondere
zur Gewährleistung
hochdynamischer und hochpräziser
Positionieraufgaben im Bereich der industriellen Fertigung ist eine
Ausführungsform
der Erfindung vorteilhaft, bei der die Vorrichtung zur Spindelführung bei
einer Werkzeugmaschine vorgesehen ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich
dadurch, dass die Vorrichtung zur Ausrichtung eines Reflektors vorgesehen
ist. Ein derartiger Reflektor kann beispielsweise zur gezielten
Umlenkung von Laserstrahlen benutzt werden, die für hochpräzise Schneidevorgänge in der
Fertigungstechnik verwendet werden.
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Durch
eine geschickte Verwendung mehrerer Achselemente ist eine vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung denkbar, bei der die Vorrichtung zum Transport
des Objektes vorgesehen ist. Beispielsweise durch Anordnung vieler
Tripoden in einem Array und koordinierte Ansteuerung dieser Tripoden
bzw. deren Achselemente lassen sich auf dem Array lose Objekte ähnlich wie
auf einem Förderband
linear transportieren. Zusätzlich
können
diese Objekte auch noch gedreht oder in Kurvenbahnen transportiert
werden. Durch eine feste Anordnung solcher Tripoden Arrays an der
Unterseite des Objektes kann das Objekt sich sogar „selbständig" fortbewegen.
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Die
gewünschte
Formveränderbarkeit
der Achselemente lässt
sich durch verschiedene Materialien realisieren. Besonders vorteilhaft
ist eine Ausgestaltungsform der Erfindung, bei der das Material der
Achselemente ein elektroaktiver Polymer ist. Bei elektroaktiven
Polymeren kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine relativ
große
Formveränderung
erzielt werden. Somit kann die zur Bewegung des Objektes erforderliche
axiale Längenänderung
der Achselemente durch Anlegen der elektrischen Spannung in einem
relativ großen
Bereich eingestellt werden.
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Bei
einer hierzu alternativen Ausführungsform
der Erfindung weist das Material der Achselemente piezoelektrische
Eigenschaften auf. Auch hierbei kann durch den piezoelektrischen
Effekt eine Längenänderung
der Achselemente durch Anlegen einer Spannung erzielt werden. Jedoch
ist die erreichbare Längenänderung
bei Piezomaterialien im Vergleich zu elektroaktiven Polymeren vergleichsweise
gering.
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Die
axiale Längenänderung
der Achselemente kann alternativ durch ein Magnetfeld erzeugt werden.
Bei einer hierzu geeigneten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
das Material der Achselemente ein Magnetic Shape Memory Actuator.
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In
einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
das Material der Achselemente ein Metallschaum, wobei sich die Länge derartiger
Achselemente durch den Einfluss einer Temperatur ändert.
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Insbesondere
bei Werkzeugmaschinen ist eine zuverlässige, kostengünstige und
hochdynamische Führung
des Werkzeugs erwünscht.
Insbesondere eine derartige Werkzeugmaschine kann mit einer Vorrichtung
gemäß einer
der zuvor beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung realisiert werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
Dabei zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zur Bewegung eines Objektes bezüglich zweier Freiheitsgrade,
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2 eine
als Tripod ausgeführte
Vorrichtung zur Bewegung eines Objektes im nicht ausgelenkten Zustand,
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3 die
als Tripod ausgeführte
Vorrichtung zur Bewegung eines Objektes im ausgelenkten Zustand,
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4 eine
als Tripod ausgeführte
Vorrichtung zur Reflektion eines Laserstrahls in einem nicht ausgelenkten
Zustand,
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5 die
als Tripod ausgeführte
Vorrichtung zur Reflektion eines Laserstrahls in einem ausgelenkten
Zustand,
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6 eine
erste aus einem Array von Tripoden aufgebaute Vorrichtung zum Transport
eines Objektes,
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7 eine
zweite aus einem Array von Tripoden aufgebaute Vorrichtung zum Transport
eines Objektes,
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8 eine
als Hexapod ausgeführte
Vorrichtung zur Bewegung eines Objektes,
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9 ein
Tripod mit einem axial länderveränderlichen
Hilfselement in einer ersten Position und
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10 den
Tripod mit dem axial länderveränderlichen
Hilfselement in einer zweiten Position.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zur Bewegung eines Objektes 7 bezüglich zweier
Freiheitsgrade. Die Vorrichtung weist ein erstes Achselement 1 und ein
zweites Achselement 2 auf, wobei die beiden Achselemente 1, 2 aus
einem Material gefertigt sind, welches eine Formveränderung
durch Einwirkung einer physikalischen Größe zulässt. Prinzipiell kann eine
solche physikalische Größe elektrischer,
magnetischer oder thermischer Art sein. In dem hier dargestellten
Beispiel sei angenommen, dass für
das erste und zweite Achselement 1, 2 ein elektroaktiver Polymer
verwendet wurde, dessen Form sich durch Anlegen einer elektrischen
Spannung verändern lässt. Die
Achselemente 1, 2 sind stabförmig ausgeführt, wodurch eine angelegte
elektrische Spannung im Wesentlichen eine axial gerichtete Längenänderung
der Achselemente 1, 2 zur Folge hat.
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Das
erste Achselement ist starr mit einer Grundplatte 8 verbunden
und über
ein Gelenk 16 an das Objekt 7 angeschlossen. Das
zweite Achselement ist hingegen sowohl mit der Grundplatte 8 als auch
mit dem Objekt 7 jeweils über ein Gelenk 16 verbunden.
Die verwendeten Gelenke 16 sind als Drehgelenke ausgeführt und
erlauben daher nur jeweils eine Bewegung der angeschlossenen Achselemente 1, 2 bezüglich eines
rotatorischen Freiheitsgrades.
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Wird
nun beispielsweise an beide Achselemente 1, 2 eine
elektrische Spannung angelegt, die eine Ausdehnung beider Achselemente 1, 2 zur
Folge hat, so kann das Objekt 7 in Richtung des ersten Achselementes 1 verschoben
werden. Hierdurch ergibt sich ein translatorischer Freiheitsgrad,
dessen Orientierung durch die starre Ankopplung des ersten Achselementes
an die Grundplatte 8 vorgegeben ist. Wird hingegen nur
eines der Achselemente 1, 2 gedehnt, während das
andere Achselement 1, 2 entweder in seiner Länge konstant
gehalten wird oder verkürzt
wird, so ergibt sich eine Kippbewegung des Objektes 7.
Mit Hilfe der zwei Achselemente 1, 2 ist hierbei
eine Kippung um genau einen Drehwinkel realisierbar, der durch die
verwendeten Drehgelenke 16 definiert ist. Daher ergibt
sich zusätzlich
zu dem einen translatorischen Freiheitsgrad ein rotatorischer Freiheitsgrad.
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Die
Gelenke 16, über
die die Achselemente 1, 2 mit dem Objekt 7 verbunden
sind, müssen
derart ausgeführt
sein, dass sie eine Bewegung bezüglich der
zwei beschriebenen Freiheitsgrade zulassen. Um die notwendige Stabilität der Vorrichtung
zu gewährleisten,
dürfen
die von den Gelenken 16 angebotenen Freiheitsgrade jedoch
nicht darüber
hinausgehen. Unter Stabilität
soll in diesem Zusammenhang die Bedingung verstanden werden, dass
zu einem definierten 2-Tupel der Längen des ersten und zweiten
Achselementes 1, 2 jeweils genau eine Position und
Ausrichtung des Objektes 7 zugeordnet ist. Nur dann kann
allein durch die Länge
der Achselemente 1, 2 eindeutig auf die Position
bzw. Lage des Objektes 7 rückgeschlossen werden.
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Selbstverständlich sind
noch andere mechanische Kontaktierungen des Objektes 7 mit
den Achselementen 1, 2 denkbar, die sowohl eine
Bewegung des Objektes 7 bezüglich zweier Freiheitsgrade
als auch die oben beschriebene Stabilität gewährleisten. Beispielsweise ist
die starre Verbindung des ersten Achselementes mit einem der dargestellten
Gelenke 16 austauschbar, wodurch sich eine neue Orientierung
für den
translatorischen Freiheitsgrad ergibt.
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2 zeigt
eine als Tripod 15 ausgeführte Vorrichtung zur Bewegung
eines Objektes im nicht ausgelenkten Zustand. Der Tripod 15 umfasst
ein erstes Achselement 1, ein zweites Achselement 2, und
ein drittes Achselement 3. Die drei Achselemente 1, 2, 3 münden in
einen gemeinsamen Kontaktpunkt 10, der mit dem zu bewegenden
Objekt verbindbar ist. Auch hier sei angenommen, dass zur Gewährleistung
der axial gerichteten Längenveränderbarkeit
der Achselemente 1, 2, 3 ein elektroaktives Polymer
verwendet wird.
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Durch
die Verwendung von drei Achselementen 1, 2, 3 kann
ein mit dem gemeinsamen Kontaktpunkt 10 verbundenes Objekt
bezüglich
dreier Freiheitsgrade kontrolliert ausgerichtet bzw. positioniert
werden. Der dargestellte Tripod 15 erlaubt z. B. eine Bewegung
des gemeinsamen Kontaktpunktes 10 bezüglich zwei rotatorischer Freiheitsgrade
und eines translatorischen Freiheitsgrades. Durch eine synchrone
Verkürzung
oder Verlängerung
der drei Achselemente 1, 2, 3 ist eine
vertikale Translation des gemeinsamen Kontaktpunktes 10 in
vertikaler Richtung möglich.
Auf der anderen Seite kann der gemeinsame Kontaktpunkt 10 bezüglich zweier
Winkel gekippt werden, in dem eine entsprechende Ungleichheit der
drei Achselemente 1, 2, 3 eingestellt wird.
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Der
dargestellte Tripod 15 kann beispielsweise in einer Werkzeugmaschine
zur Spindelführung eingesetzt
werden. Hierzu weist die Vorrichtung zum einen eine Motion Control
Steuerung 11 auf, die die Sollwerte für eine bestimmte Position der
Spindel im Raum vorgibt. Um den gemeinsamen Kontaktpunkt 10 an
die entsprechenden Koordinaten im Raum zu positionieren, wird von
einer Achssteuerung 12 berechnet, welche Längen die
drei Achselemente 1, 2, 3 annehmen müssen, um
den gemeinsamen Kontaktpunkt 10 in die entsprechenden Koordinaten
zu führen.
Um schließlich
die entsprechenden Längen der
Achselemente 1, 2, 3 einzustellen, werden
elektrische Spannungen erzeugt und an die Achselemente 1, 2, 3 angelegt.
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3 zeigt
die als Tripod 15 ausgeführte Vorrichtung zur Bewegung
eines Objektes in einem ausgelenkten Zustand. Es handelt sich um
denselben Tripod 15 der bereits in 2 dargestellt
war. Daher wurden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im
Verhältnis
zu seiner in 2 dargestellten Ausgangslage
wurde der gemeinsame Kontaktpunkt 10 entsprechend einer
Kippbewegung geführt.
Um dies zu erreichen, wurden das zweite und das dritte Achselement 2, 3 im
Verhältnis
zu ihrer jeweiligen Ausgangslänge
verlängert,
während
das erste Achselement 1 im Vergleich zu seiner Ausgangslänge verkürzt wurde.
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Der
dargestellte Tripod 15 erlaubt eine sehr einfache und hochdynamische
Ansteuerung verschiedener Punkte im dreidimensionalen Raum. Grundlage
hierzu ist die Verwendung intelligenter Materialien wie beispielsweise
der elektroaktiven Polymere oder alternativ piezoelektrischer Materialien. Diese
Materialien reagieren auf eine elektrische Spannung nahezu verzugsfrei
mit einer Formänderung,
die bei den dargestellten Achselementen 1, 2, 3 im
Wesentlichen in Form einer axialen Längenänderung erfolgt. Im Gegensatz
zu herkömmlichen
Antriebskonzepten wird neben einer sehr viel schnelleren Reaktionszeit
des Positioniersystems eine höhere
Zuverlässigkeit
erreicht, da nur ein Minimum von Komponenten notwendig ist, um die
gewünschte Ausrichtungs-
bzw. Positionieraufgabe zu bewältigen.
Bei herkömmlichen
Antriebssystemen, bei denen eine rotatorische Bewegung zunächst in
eine translatorische Bewegung umgewandelt wird, ist aufgrund der
hohen Anzahl der hierfür
notwendigen Komponenten eine höhere
Ausfallwahrscheinlichkeit gegeben. Da weiterhin mechanische Komponenten in
der Regel ein Spiel aufweisen, wird mit der dargestellten Tripode 15 auch
eine weitaus höhere
Präzision
erreicht.
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4 zeigt
eine als Tripod ausgeführte
Vorrichtung zur Reflektion eines Laserstrahls 13 in einem
nicht ausgelenkten Zustand. Auch hierbei werden wiederum drei längenveränderli che
Achselemente 1, 2, 3 verwendet, die aus
einem intelligenten Material gefertigt sind. Die drei Achselemente 1, 2, 3 sind
jeweils über
einen eigenen Kontaktpunkt mit einem Reflektor 14 verbunden.
Durch gezielte Längenänderungen
der drei Achselemente 1, 2, 3, die auch hier
durch eine Motion Control Steuerung 11 und eine nachgeschaltete
Achssteuerung 12 vorgegeben werden, kann der Reflektor 14 hinsichtlich
dreier Freiheitsgrade kontrolliert ausgerichtet werden. Auf den Reflektor 14 ist
ein Laserstrahl 13 gerichtet, der im Sinne gleicher Ein- und Ausfallswinkel
von dem Reflektor 14 reflektiert wird. Somit kann durch
Ausrichtung des Reflektors 14 eine gezielte Umlenkung des Laserstrahls 13 bewirkt
werden.
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5 zeigt
die als Tripod ausgeführte
Vorrichtung zur Reflektion eines Laserstrahls 13 in einem
ausgelenkten Zustand. Hierbei wurde der Reflektor 14 derart
gekippt, dass der Laserstrahl 13 in nahezu waagerechte
Richtung umgelenkt wurde. Um diese Verkippung des Reflektors 14 zu
erreichen, wurden das erste und zweite Achselement 1, 2 verkürzt, während das
dritte Achselement 3 verlängert wurde.
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Da
eine solche Ausrichtung des Reflektors 14 unter Verwendung
intelligenter Materialien wie elektroaktiver Polymere für die drei
Achselemente 1, 2, 3 äußerst präzise erfolgen kann, ist mit
der dargestellten Tripode eine Auslenkung des Laserstrahls 13 für feinste
Bearbeitungsvorgänge,
wie sie beispielsweise in der Halbleiterindustrie vorkommen, möglich. Eine
derart feingranulare Ausrichtung des Reflektors 14 wäre unter
Verwendung klassischer Antriebskonzepte aufgrund des in den verschiedenen
Komponenten vorhandenen Spiels nur schwer zu realisieren.
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6 zeigt
eine erste aus einem Array von Tripoden 15 aufgebaute Vorrichtung
zum Transport eines Objektes 7. Auf der Unterseite des
Objektes 7 sind sechs Tripoden 15 positioniert,
wobei außerhalb der
Unterseite des Objektes 7 noch weitere nicht dargestellte
Tripoden vorhanden sind. Wie bereits in den zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispielen
weisen auch hier die verschiedenen Tripoden 15 jeweils
drei Achselemente auf. Durch eine parallelkinematische Ansteuerung
der verschiedenen Tripoden auf der Unterseite des Objektes 7 bzw.
deren Achselemente ist hier sogar ein Transport des Objektes 7 möglich. Das Objekt 7 kann
sowohl bezüglich
zweier Freiheitsgrade transportiert werden als auch bezüglich zweier Freiheitsgrade
gedreht werden. Darüber
hinaus kann das Objekt mit Hilfe der Tripoden 15 in vertikaler Richtung
angehoben und abgesenkt werden, wodurch sich der dritte translatorische
Freiheitsgrad ergibt. Neben der in der 6 angedeuteten
Drehung des Objektes 7 kann das Objekt 7 auch
bezüglich zweier
weiterer Winkel gekippt werden. Somit wird durch die verschiedenen
Tripoden 15 eine Bewegung des Objektes 7 bezüglich aller
sechs Freiheitsgrade – drei
translatorischer und drei rotatorischer – ermöglicht.
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7 zeigt
eine zweite aus einem Array von Tripoden 15 aufgebaute
Vorrichtung zum Transport eines Objektes 7. Im Vergleich
zu der in 6 dargestellten Anordnung sind
die Tripoden mit der Unterseite des Objektes 7 verbunden,
so dass der gemeinsame Kontaktpunkt 10 der Tripoden nun
nicht mehr mit dem Objekt 7 verbunden ist, sondern auf
einem Boden aufliegt. Durch eine derartige Konstruktion ist es möglich, das
Objekt 7 sogar zum „Laufen" zu bewegen. Durch
gezielte Ansteuerung der Achselemente der verschiednen Tripoden 15 im
Sinne einer Parallelkinematik kann eine unbegrenzte Fortbewegung
des Objektes 7 bezüglich
zweier translatorischer Freiheitsgrade erreicht werden. Auch in
diesem Fall kann sich das Objekt 7 bezüglich eines rotatorischen Freiheitsgrades
unbegrenzt bewegen. Der entsprechende Drehwinkel ist durch die Pfeile
in 7 angedeutet. Auch bei der hier dargestellten Ausführungsform
der Erfindung ist es möglich,
das Objekt 7 durch parallele Ansteuerungen der Tripoden 15 in
vertikaler Richtung anzuheben oder abzusenken. Weiterhin kann das
Objekt 7 bezüglich
der zwei verbliebenen Freiheitsgrade gekippt werden. Somit ergibt
sich auch bei der in 7 dargestellten Ausführung des
Arrays aus Tripoden die Möglichkeit,
das Objekt 7 bezüglich
sämtlicher
Freiheitsgrade zu bewegen.
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Durch
die hier dargestellte Vorrichtung zur Bewegung des Objektes 7 wird
eine vollkommen neue Dimension maschinell angetriebener Systeme realisiert.
Durch die Verwendung gezielt formveränderbarer intelligenter Materialien
kann eine Form der Bewegung maschinell erzeugt werden, wie sie bisher nur
aus der Natur bekannt war. Es wird eine Flexibilität erreicht,
die aus der Natur beispielsweise von Insekten bekannt ist, die sich
mit Hilfe von sechs Füßen vorwärts bewegen
können.
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8 zeigt
eine als Hexapod ausgeführte Vorrichtung
zur Bewegung eines Objektes. Der dargestellte Hexapod umfasst sechs
längenveränderliche
Achselemente 1, 2, 3, 4, 5, 6 die
jeweils über
ein als Kugelgelenk ausgeführtes
Gelenk 16 mit einer Grundplatte 8 und einer Trägerplatte 9 verbunden sind.
Derartige Kugelgelenke 16 erlauben ein Schwenken der Achselemente 1 bis 6 bezüglich aller drei
rotatorischer Freiheitsgrade. Mit Hilfe der sechs Achselemente 1,
... 6, die beispielsweise aus einem elektroaktiven Polymer,
einem Magnetic Shape Memory Actuator, einem Piezomaterial oder einem
Metallschaum gefertigt sind, kann die Trägerplatte 9 bezüglich aller
sechs möglicher
Freiheitsgrade ausgerichtet werden. Dies wird zum einen dadurch
ermöglicht,
dass Kugelgelenke zur Verbindung der Achselemente mit der Grundplatte 8 und
der Trägerplatte 9 verwendet
werden, die alle drei rotatorische Bewegungen zulassen. Zum anderen
wird ein kontrolliertes Anfahren der gewünschten Positionen erst dadurch
ermöglicht,
dass mindestens sechs Achselemente 1, ... 6 für diese
Positionieraufgabe verwendet werden.
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Mit
Hilfe des dargestellten Hexapod kann insbesondere im Umfeld der
Werkzeugmaschinen eine hochpräzise
und hochdynamische Positionierung des Werkzeugs in Relation zum
zu bearbeitenden Werkstück
erzielt werden. Dies geschieht auch hier im Vergleich zu herkömmlichen
Antriebssystemen mit einem Minimum notwendiger Komponenten. Durch
die Verwendung von Achselementen 1, ... 6 aus
sogenannten intelligenten Materialien wird im Vergleich zu aus dem
Stand der Technik bekannten Teleskopstäben eine sehr viel einfachere
Längenveränderung
möglich
und eine bedeutend schnellere Durchführung der Positionieraufgabe
erzielt.
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9 zeigt
einen Tripod 15 mit einem axial länderveränderlichen Hilfselement 17 in
einer ersten Position. Die Achselemente des Tripod 15 bilden
einen gemeinsamen Kontaktpunkt 10, der mit einem hier beispielhaft
als Schere dargestellten Objekt 7 verbunden ist.
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Der
Tripod 15 stützt
das Hilfselement 17 und kann durch Veränderung der Längen seiner
Achselemente, die zu diesem Zwecke beispielsweise aus einem elektroaktiven
Polymer hergestellt sind, auch die Lage des Hilfselementes 17 verändern.
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Das
Hilfselement 17 besitzt einen weiteren Kontaktpunkt 18, über den
es mit der Schere 7 in Verbindung steht. Die dargestellte
Anordnung erlaubt somit eine Ausrichtung der Schere 7 mittels
der Achselemente der Tripode und eine Öffnen und Schließen der
Schere 7 mit Hilfe des Hilfselementes 17.
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10 zeigt
den Tripod mit dem axial länderveränderlichen
Hilfselement 17 in einer zweiten Position. Hier wurde das
beispielsweise ebenfalls aus einem elektroaktiven Polymer gefertigte
Hilfselement 17 durch Anlegen einer elektrischen Spannung
verlängert,
wodurch die Schere 7 geöffnet
wird.
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Die
beispielhafte Ausführung
des Objektes 7 in Form einer Schere soll in erster Linie
zeigen, das Ausführungen
der Erfindung denkbar sind, die auch bewegliche Elemente eines Objektes
relativ zu einander verschieben oder verdrehen können.