DE102013205008B4 - Vorrichtung zur Erzielung vorteilhafter kinematischer Eigenschaften bei der Verschwenkung programmgesteuert bewegter, rotationssymmetrisch wirkender Werkzeuge - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Erzielung vorteilhafter kinematischer Eigenschaften an programmgesteuert bewegten und um zwei Achsen verschwenkbaren, rotationssymmetrisch wirkenden Werkzeugen, bevorzugt Schweiß- und Schneidbrennern, die in ihrer Grundstellung mit ihrer Wirkrichtung zur Schwerkraftrichtung parallel liegen und mit einem proximalen Glied (8) an der gestellabgewandten Seite eines Industrieroboters oder einer roboterähnlichen Führungsmaschine (6) angebracht ist und aus starren, mit jeweils zwei sich schneidenden Drehachsen (1), (2), (3) versehenen Orientierungsgliedern (9), (10), (11) besteht, diese Glieder seriell nacheinander und mit den benachbarten Drehachsen rotatorisch verbunden sind und an der Verbindungsstelle zweier Glieder jeweils ein Antrieb (14), (15), (16) angeordnet ist, der programmgesteuert die Winkellage der zwei miteinander verbundenen Orientierungsglieder festlegt und das gestellfernste Orientierungsglied mit einem Brennerhalter (12) ein Werkzeug (18) trägt, gekennzeichnet dadurch, dass die Anzahl der Orientierungsglieder zumindest drei beträgt und sich die Achsen aller Antriebe und des Werkzeuges (18) im TCP (17) schneiden, in diesem Punkt auch die Spitze des Werkzeuges (18) angeordnet ist, dass jeder Antrieb aus einem Rotationsmotor und einem Untersetzungsgetriebe besteht, die Drehachsen (1), (2), (3) mit der Achse des zugeordneten Rotationsmotors nicht koaxial angeordnet, als Hohlwellen ausgeführt sind und dass jedes Orientierungsglied (9), (10), (11) aus zwei Elementen, einem Proximalelement (21) und einem Distalelement (22) besteht, zu jedem der Elemente (21), (22) eine Drehachse (1), (2), (3) zugehörig ist und zusammengehörende Proximal- und Distalelemente zueinander um kleine Beträge beweglich sind, indem diese um eine Achse lotrecht auf die von den beiden Drehachsen gebildete Ebene rotatorisch und entlang derselben Achse translatorisch jeweils mit Stellelementen (23) in ihrer Lage zueinander verstell- und mit Konterelementen (24) in ihrer Lage zueinander fixierbar ausgelegt sind.

Description

• Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Erzielung vorteilhafter kinematischer Eigenschaften an einem rotationssymmetrisch wirkenden Werkzeug, welches um einen raumfesten, außerhalb des von demselben beanspruchten Volumens liegenden Punkt verschwenkt wird.
• Ausgehend von einer ebenen Fläche, auf der das Werkzeug mit seiner Symmetrieachse in Grundstellung orthogonal steht, sind zwei grundlegende Bauformen von Orientierungseinrichtungen bekannt, die sich in der Lage ihrer Drehachsen relativ zur Werkzeuglängsachse unterscheiden und jeweils zwei Antriebe besitzen (Rosheim, M. E.: Robot Wrist Actuator, Jon Wiley & Son, New York, 1989). An Orientierungseinrichtungen des Typs Pitch-Yaw, auch als „...kardanisch wirkend...” bezeichnet, sind die beiden Drehachsen in Grundstellung zur Werkzeuglängsachse rechtwinklig angeordnet, an denen des Typs Roll-Pitch, auch als „...polar wirkend...” bezeichnet, ist eine Drehachse mit der Werkzeuglängsachse identisch.
• Bei Ersteren treten keine kinematischen Sonderstellungen, sogenannte Singularitäten, auf, folglich werden zum Werkzeug führende Kabel oder Schläuche nicht verdrillt. Dieses Strukturprinzip ist wegen der zur Verfügung stehenden Kollisionsräume auf einen Schwenkwinkel von maximal etwa 40 Grad limitiert.
• Bei Letzteren existieren singuläre Stellungen; die Zuordnung von An- und Abtriebskoordinaten ist nicht eineindeutig. Der Bewegungsbereich des Werkzeugs ist aus kinematischer Sicht nicht eingeschränkt, jedoch werden zum Werkzeug führende Kabel und Schläuche verdrillt und schränken auf diese Weise die Orientierbarkeit desselben ein.
• Es ist sehr vorteilhaft, technische Lösungen zu verwenden, die die Orientierung des Werkzeugs um einen raumfesten Punkt, der außerhalb des vom Werkzeug selbst beanspruchten Volumens liegt, bewerkstelligen. Im raumfesten Punkt wird die Werkzeugspitze, üblich als TCP (Tool Center Point) bezeichnet, angeordnet (Kunad, G.; Müglitz, J.: Kinematisch vorteilhafte Roboterhandgelenke. Kurvengetriebe, Gelenkgetriebe und gesteuerte Antriebe-Systemelemente in Maschinen und Geräten. VDI-Tagung Bad Nauheim, 2./3.5. 1994, VDI-Berichte Nr. 1111, VDI-Verlag Düsseldorf, 1994). Lösungen solcher Art werden gemeinhin als „kinematisch entkoppelte Handgelenke” oder „TCP-feste Handgelenke” bezeichnet. Ihre Vorteile bestehen in der Möglichkeit, Position und Orientierung des Werkzeuges kinematisch getrennt zu behandeln und einer höheren Positioniergenauigkeit und uneingeschränkter Orientierbarkeit des Werkzeuges im gesamten Arbeitsraum genügen zu können.
• Kinematisch entkoppelte Handgelenke sind bekannt und in der industriellen Praxis eingesetzt. Anwendungen finden sich in der Medizin- und der Schweißtechnik sowie in der Robotik.
• Eine Lösung unter Nutzung von Kreisbogenführungen ist beschrieben in Holler, E., Weber, W.: System and control concepts for a telemanipulator system to be applied in Minimal Invasive Surgery. 1st IARP workshop on Micro robots and Systems, June, 15/16, 1993, Karlsruhe, Germany, Proceedings S. 111–120.
• Durch die rechtwinklige Zueinander-Anordnung zweier Kreisbogenführungen wird eine Orientierungseinrichtung des Typs Pitch-Yaw beschrieben. Das Verhältnis aus Bewegungs- und Kollisionsraum ist sehr ungünstig, der mögliche Schwenkwinkelbereich ist klein.
• Bekannt sind darüber hinaus Lösungen, die eine Bogenführung mit einer durch den Mittelpunkt der Bogenführung verlaufenden Drehachse kombinieren (Kunad, G.; Müglitz, J.: Kinematisch vorteilhafte Roboterhandgelenke. Kurvengetriebe, Gelenkgetriebe und gesteuerte Antriebe-Systemelemente in Maschinen und Geräten. VDI-Tagung Bad Nauheim, 2./3.5. 1994, VDI-Berichte Nr. 1111, VDI-Verlag Düsseldorf, 1994) und damit eine Orientierungseinrichtung des Typs Roll-Pitch bilden. Eine solche Lösung wird von der Fa. ESAB Cutting Systems GmbH als Basis der Produkte „VBA expert pro” und „Endlos drehbares Plasma-Fasenaggregat” (Prospektunterlagen ESAB Cutting Systems GmbH, R. Bosch-Str. 20, 61184 Karben, www.esab-cutting.de) verwendet. Bei Letzterem ermöglicht eine kostenintensive und wartungsanfällige Drehdurchführung die unlimitierte Drehbewegung. Die singuläre Achsstellung im Bewegungsbereich bleibt erhalten.
• Die Kombination einer Kreisbogenführung und eines Parallelkurbelgetriebes ist im Produkt „BevelMaster” der Fa. ESAB Cutting Systems GmbH verwirklicht (Prospektunterlagen Fa. ESAB, 2002). Das Produkt entspricht dem Wirkprinzip Pitch-Yaw und realisiert eine ungehinderte, drillungsfreie Brennerschlauchführung, ist jedoch auf einen Bewegungsbereich von +/–35 Grad in beiden Achsrichtungen limitiert.
• Kreisbogenführungen haben den Nachteil, dass sie kostenaufwendig in der Herstellung sind und eine große Masse besitzen. Die Bogenführung kann nur unvollständig umhaust werden und sie ist damit Verschmutzung und Verschleiß unterworfen. Eine schlanke konstruktive Gestaltung ist auf Grund dieses Nachteils nicht möglich.
• In US 4 551 058 A wird vorgeschlagen, ebene Koppelgetriebe zur Führung einer Werkzeugspitze um einen raumfesten Punkt zu verwenden. Durch Kombination mit einer Drehachse entsteht eine Orientierungseinrichtung des Typs Roll-Pitch.
• Ebene Koppelgetriebe lassen sich so gestalten, dass zu ihrem Aufbau nur Drehgelenke erforderlich sind. Drehgelenke lassen sich vollständig kapseln und abdichten sowie sehr spielarm herstellen.
• Die in US 4 551 058 A vorgeschlagene Struktur, in der Mechanismentechnik als Parallelkurbel bezeichnet (Volmer, J.: Getriebetechnik-Lehrbuch, VEB Verlag Technik Berlin, 1987), ist aus kinematischer Sicht einer Bogenführung identisch, kann sehr schlank und leicht ausgeführt werden, benötigt aber zumindest acht Drehgelenke. und es sind Sonderabmessungen einzuhalten, d. h., bestimmte Glieder müssen exakt die gleiche Länge besitzen. In der Folge ist erheblicher Fertigungsaufwand notwendig, um eine spielarme und genau arbeitende Lösung zu schaffen. Die Steifigkeit, besonders in Richtung senkrecht zur Bewegungsebene des Getriebes, ist immer vergleichsweise sehr gering.
• Zwei miteinander kombinierte ebene Parallelkurbelgetriebe werden in US 6 003 400 A – Robotic wrist mechanism – beschrieben. Damit wird erreicht, dass der, durch die Totlagen limitierte Bewegungsbereich eines einfachen Parallelkurbelgetriebes den Bewegungsbereich des Handgelenkes nicht mehr einschränkt. Die Anordnung der beiden ebenen Koppelgetriebe in zwei parallelen Ebenen erhöht die Steifigkeit. Alle oben beschriebenen Nachteile ebener Koppelgetriebe bleiben bei dieser technischen Lösung bestehen und die Anzahl der erforderlichen Glieder sowie Gelenke steigt nochmals erheblich an.
• Der Ersatz der Parallelkurbel durch einen Kreuzschieber und ein Zugmittelgetriebe wird in DE 10 2005 041 462 B3 vorgeschlagen. Damit wird die Steifigkeit, besonders in Richtung senkrecht zur Bewegungsebene, signifikant gesteigert, jedoch um den Preis eines großen Kollisionsraumes.
• Dem Schutz und der schonenden Behandlung von Kabeln und Schläuchen widmet sich auch EP 1 116 543 B1 . Vorgeschlagen wird ein räumliches Koppelgetriebe der Grundstruktur Pitch-Yaw als Ineinander-Anordnung zweier ebener Parallelkurbelgetriebe. Vorgeschlagen wird weiterhin, Antrieb und Führungsgetriebe räumlich zu trennen mit dem Ziel, die bewegte Masse sehr gering zu halten und so die Dynamik der Brennerorientierung zu steigern. Der Bewegungsbereich ist in beiden Achsrichtungen, ausgehend von der Nullstellung, auf etwa +/–40 Grad begrenzt; das zum Werkzeug, einem Plasma- oder Autogen-Schneidbrenner, führende Schlauchpaket wird nicht verdrillt und es kann sich frei und ungehindert bewegen. Das Wirkprinzip erfordert, um allen Gliedern des Mechanismus eine kollisionsfreie Beweglichkeit im Rahmen des erforderlichen Bewegungsbereiches zu ermöglichen, eine grazile Gestaltung der Orientierungseinrichtung. Das vorgeschlagene Wirkprinzip setzt voraus, dass bestimmte Gliedlängen und -orientierungen sehr genau eingehalten werden. Auf Grund ihres Wirkprinzips muss die Einrichtung sehr nahe am Bauteil, d. h. dem zu schneidenden Blech, angeordnet sein, wodurch eine große Kollisionsgefahr besteht. Eine extrem große Zahl an Gelenken (> 20) ist erforderlich.
• Naheliegend ist die Nutzung von sphärischen Getrieben zur Schaffung einer Orientierungseinrichtung. Sphärische Getriebe bestehen ausschließlich aus Drehgelenken, die sich alle in einem Punkt schneiden. Überbestimmung, d. h. die Verwendung von mehr Gliedern als aus kinematischer Sicht erforderlich, ist vergleichsweise einfach zu realisieren und erhöht die Steifigkeit des Mechanismus. Ein solcher Mechanismus wird beschrieben (Wiitala, J. M.; Stanisic, M. M.: Design of an overconstrained and dextrous spherical wrist. Journal of Mechanical Design, Vol. 122/347 September 2000), ermöglicht jedoch keine Bewegung des Endeffektors um einen festen Punkt, den sogenannten TCP.
• Ein sphärisches Getriebe zur Orientierung eines Beobachtungskopfes um ein zu beobachtendes Objekt, z. B. in der Medizintechnik, wird in DE 29 35 526 C2 beschrieben und dient dazu, bei der Beobachtung des Objektes unter verschiedenen Winkeln den Beobachtungspunkt auf dem Objekt konstant zu halten. Es wird kein Werkzeug bewegt, sondern ausschließlich ein Beobachtungsstrahl auf einem Objekt orientiert. Die Frage einer Schlauchverdrillung ist damit obsolet. Darüber hinaus wird der Mechanismus manuell und nicht programmgesteuert bewegt.
• Eine teilweise sphärische Struktur wird auch in EP 0 115 728 B1 – Porte-organe adaptatif pour robot – beschrieben. Diese ist dazu gedacht, eine „...maximale Abkopplung zwischen...Positionseinstellung [...] Ausrichtung und [...] adaptiver Feinregulierung der Position...” zu schaffen, letztendlich Pendel- und Offsetbewegungen des Bearbeitungswerkzeugs ohne Betätigung der Positionsachsen zu ermöglichen.
• Drei Rotationsantriebe R1, R2 und R3 bewegen das Funktionsteil S3 um den Punkt O, wobei zwei Supporte S1 und S2 sphärisch miteinander und seriell nacheinander angeordnet sind und das Glied S3, d. h. die durch die Punkte T' und T geführte Achse, versetzt zur geometrischen Achse OB angeordnet ist. So kann der Punkt T durch kleine Rotationsbewegungen um OB in Richtung Txt und durch simultane Rotation um z0 und OA in Richtung Tyt um kleine Beträge bewegt werden.
• Der Stand der Technik zeigt, dass sich in allen beschriebenen Lösungen die spezifischen Vor- und Nachteile der beiden am Anfang beschriebenen grundlegenden Wirkprinzipien abbilden.
• In einem ersten Fall werden Kabel- und Schläuche nicht verdrillt, jedoch ist der Bewegungsbereich eines Brenners auf einen Kegel mit einem Öffnungswinkel von etwa 80 Grad eingeschränkt.
• In einem zweiten Fall ist der Schwenkwinkel theoretisch unlimitiert. Jedoch werden Kabel und Schläuche, die Medien und Informationen zum Werkzeug leiten, verdrillt. Innerhalb des Bewegungsbereiches gibt es zumindest eine singuläre Stellung. Aufgrund des Kollisionsraumes, d. h. des von der technischen Lösung und während seiner Bewegung in Anspruch genommenen Volumens, ist der Bewegungsbereich kaum größer als halbkugelförmig.
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, die Vorteile einer kardanisch wirkenden Orientierungseinrichtung, bestehend in einer singularitätsfreien Bewegung und einer verdrillungsfreien Kabel- und Schlauchführung zum Werkzeug, mit dem Vorteil hoher möglicher Schwenkwinkel bei einer Orientierungseinrichtung mit einem polaren Wirkprinzip zu verbinden.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.
• Die Raumlage des Werkzeugs wird durch zwei Objektkoordinaten A und C und den TCP bestimmt. Die Objektkoordinate A beschreibt eine Verschwenkung in einer lotrecht auf der Grundebene stehenden Ebene, die Objektkoordinate C eine Drehung um eine Achse lotrecht zur Grundebene. Die Nullstellung des Werkzeuges ist als die Senkrechte auf die Grundebene, fluchtend mit der Schwerkraftrichtung, definiert. Der Bewegungsbereich des Werkzeuges wird von einem Kegel um die Nullstellung beschrieben.
• An einer bevorzugt als Portalroboter ausgebildeten Führungsmaschine, die die Verschiebung eines Befestigungsflansches in den drei kartesischen Koordinatenrichtungen X, Y und Z ermöglicht, sind zumindest drei Orientierungsglieder befestigt. Jedes dieser Orientierungsglieder verfügt über zumindest eine Drehachse, die sich allesamt mit der Symmetrieachse des Werkzeuges in dessen Wirkpunkt, dem Werkzeugmittelpunkt oder TCP (Tool Center Point), schneiden.
• Dazu ist an dem Befestigungsflansch eine erste Drehachse starr angeordnet. Um die Erste Drehachse ist ein Erstes Orientierungsglied drehbar und trägt eine Zweite Drehachse, die sich mit der Ersten Drehachse unter einem Ersten Gliedwinkel schneidet. Im Schnittpunkt der Ersten und der Zweiten Drehachse angeordnet ist der TCP des zu orientierenden Werkzeugs, z. B. eines Fräskopfes oder Schneidbrenners.
• Zwischen dem Werkzeug und der Zweiten Drehachse befindet sich zumindest eine weitere, Dritte Drehachse, die in distaler Richtung über ein um sie drehbares Drittes Orientierungsglied mit dem Werkzeug und in proximaler Richtung über ein Zweites Orientierungsglied mit der Zweiten Drehachse verbunden ist und sich mit der Ersten und Zweiten Drehachse in dem von diesen beiden gebildeten Schnittpunkt schneidet.
• Der Zweite Gliedwinkel ist definiert als Winkel zwischen der Zweiten und Dritten Drehachse, der Dritte Gliedwinkel als Winkel zwischen Dritter Drehachse und Werkzeugachse. Der Gestellwinkel ist der Raumwinkel zwischen der Schwerkraftrichtung und der Ersten Drehachse.
• Jedes Orientierungsglied ist geteilt in ein Distal- und ein Proximalelement. Über Justage- und Konterelemente sind diese im Betrieb fest miteinander verbunden, können jedoch mithilfe dieser Elemente um kleine Beträge zueinander ausgerichtet werden, indem zumindest um eine Achse, die lotrecht auf den beiden zu jedem Orientierungsglied gehörenden Achsen steht, eine Drehung und entlang dieser Achse eine Verschiebung ermöglicht ist.
• Um die Achsen der Ersten, Zweiten und Dritten Drehachse wirken ein Erster, Zweiter und Dritter Antrieb, bestehend aus einem rotatorischen Motor und einem Untersetzungsgetriebe. Die rotatorischen Motoren sind nicht koaxial zu der jeweiligen Drehachse angeordnet. Jede Drehachse ist als Hohlwelle ausgebildet. Der Erste, Zweite und Dritte Antrieb definieren jeweils einen Ersten, Zweiten und Dritten Achswinkel, mit denen die Winkellage der in der Ersten, Zweiten oder Dritten Drehachse zusammentreffenden Orientierungsglieder zueinander bestimmt ist.
• In der Regel wird von einem Programm, z. B. im standardisierten NC-Code geschrieben, eine Bahn des Werkzeuges, repräsentiert durch in einem Zeitraster geordnete Objektkoordinaten A und C, vorgegeben. Der Steuerungscomputer errechnet aus diesen Daten den Ersten, Zweiten und Dritten Achswinkel.
• Durch das Vorhandensein von zumindest drei Antrieben für die Bewegung des Werkzeugs um zwei Achsen entsteht eine Redundanz, d. h. es sind mehr Antriebe als kinematisch erforderlich verfügbar. Der Grad der Redundanz ist mindestens 1. Die zusätzlich zur Verfügung stehende Bewegungsfreiheit kann auf unterschiedliche Weise genutzt werden, um das kinematische Verhalten der Orientierungseinrichtung günstig zu beeinflussen.
• Bei einer ersten Ausführung wird die Verdrillung des von der Führungsmaschine zum Werkzeug führenden Schlauchpaketes auf endliche Beträge begrenzt und ein Bewegungsbereich geschaffen, der einem Kegel mit einem Öffnungswinkel von mindestens 90 Grad entspricht. Innerhalb und entlang des Kegelmantels kann das Werkzeug ungehindert bewegt werden.
• Dazu ist eine Erste Drehachse so an der Führungsmaschine befestigt, dass sie nicht mit dem Lotvektor auf der Grundebene fluchtet. Der Gestellwinkel und alle drei Gliedwinkel sind zumindest annähernd gleich groß. Für diskrete Stellungen des Werkzeugs, repräsentiert durch die Objektkoordinaten A und C, ist wahlweise der Erste Achswinkel oder der Werkzeugwinkel vorgegeben, indem er in einem langwierigen Berechnungsgang offline ermittelt und z. B. in eine Datenbank eingetragen wird. Der Begriff offline bezeichnet, im Gegensatz zum Begriff online, einen theoretisch unlimitierten Zeitbedarf für einen Berechnungsschritt.
• Aus der Datenbank interpoliert der Steuerungscomputer online aus benachbarten Stützstellen einen Wert des Ersten Achswinkels. Die Interpolation muss so stattfinden, dass der Verlauf des Ersten Gliedwinkels entlang der Objektkoordinaten A und C stetig und differenzierbar ist.
• Um nun den im Steuerungscomputer erforderlichen Rechenaufwand zu verringern wird vorgeschlagen, vermittels einer einfachen, explizit lösbaren Fourier-Approximation entweder das Erste oder das Dritte Orientierungsglied als Funktion der Objektkoordinaten A und C in seiner Lage, repräsentiert durch seine Achskoordinate A₁ oder den Werkzeugwinkel A₄, online zu berechnen. Der Zweischlag aus den verbleibenden zwei Orientierungsgliedern kann dann ebenfalls explizit berechnet und es können damit die noch verbliebenen Achskoordinaten A₂, A₃ im ersten Fall oder A₁, A₂, A₃ im zweiten Fall ermittelt werden.
• Die für die Fourier-Approximation erforderlichen Koeffizienten werden, basierend auf einer diskreten Anzahl k vorgegebener Datentripel (A_i, C_i, A_(1,4)i), i = 1...k, offline errechnet und in die Datenbank eingetragen. Die Datentripel sind im Bewegungsbereich gleichmäßig verteilt und so parametrisiert, dass das Schlauchpaket bei jeder wie auch immer gearteten Bewegungsbahn nur um Beträge, die kleiner als 360 Grad sind, entlang seiner Längsachse verdrillt wird. Gleichzeitig werden alle Elemente der Orientierungseinrichtung auf einer Seite der Grundebene gehalten und haben zu dieser einen maximalen Abstand.
• Es entsteht ein „elektronischer Zwangslauf”, d. h., für jede Stellung der Werkzeuglängsachse, repräsentiert durch die Objektkoordinaten A und C, ist die Stellung des Ersten, Zweiten und Dritten Orientierungsgliedes explizit festgeschrieben.
• Eine zweite Ausführung zielt auf die Realisierung einer unlimitierten Schwenkmöglichkeit, als Gesamtbewegungsbereich eine Kugel umfassend, in Kombination mit einer kardanischen, singularitätsfreien Bewegung in einem Teilbewegungsbereich innerhalb eines Kegels mit einem Öffnungswinkel von mindestens 90 Grad, wobei die Kegelachse und die Schwerkraftachse fluchten.
• Für praktische Anwendungen bedeutsam ist die Möglichkeit der Bearbeitung profilartiger Bauteile, d. h. von Bauteilen, deren Ausdehnung in eine kartesische Achsrichtung, die Profilachse, groß ist gegenüber derjenigen in den verbleibenden beiden Richtungen, von der Unterseite. Es soll möglich sein, in einer Aufspannung, also ohne eine Bewegung des trägerförmigen Bauteiles, dasselbe sowohl von oben, also in Schwerkraftrichtung, als auch von unten, also entgegen der Schwerkraftrichtung, zu bearbeiten. Dabei muss die Vorrichtung ringartig das trägerförmige Bauteil kollisionsfrei umgreifen.
• Für die Bewegung um die Längsachse eines profilartigen Bauteils herum ist die Erste Drehachse parallel zur Schwerkraftrichtung angeordnet, der Befestigungsflansch steht lotrecht auf der Schwerkraftrichtung. Die Lagerung ist bevorzugt als Hohlwelle mit nicht konzentrisch angeordnetem Antrieb ausgeführt.
• An dieser Ersten Drehachse sind seriell nacheinander ein Erstes Orientierungsglied, ein Zweites Orientierungsglied, mit dem Ersten Orientierungsglied entlang der Zweiten Drehachse drehgelenkig verbunden, ein Drittes Orientierungsglied, mit dem Zweiten Orientierungsglied entlang der Dritten Drehachse drehgelenkig verbunden, ein Viertes Orientierungsglied, mit dem Dritten Orientierungsglied entlang der Vierten Drehachse drehgelenkig verbunden, und das Werkzeug angeordnet. Werkzeugachse und Erste bis Vierte Drehachse schneiden sich in einem Punkt, der Werkzeugspitze bzw. dem TCP.
• Der Zweite Achswinkel ist doppelt so groß genommen wie der Erste und der Dritte Achswinkel. Erster und Dritter Achswinkel sind demzufolge betragsgleich, jedoch von entgegengesetztem Drehsinn.
• Der Vierte Gliedwinkel beschreibt die Lage der Vierten Drehachse und der Werkzeugachse zueinander. Dieser Winkel muss größer sein als der halbe Öffnungswinkel des den kardanischen Bewegungsbereich beschreibenden Kegels. Die Grundebene, lotrecht auf der Ersten Drehachse liegend und durch die Werkzeugspitze verlaufend, wird von den Elementen des Orientierungsmechanismus an einzelnen Positionen durchstoßen, weswegen die Ausführung besonders für konvex geformte Bauteile, wie Hohlprofile und Rohre, geeignet ist.
• Der Erste Antrieb ist gestellfest, also am Befestigungsflansch, angeordnet und definiert den Ersten Achswinkel. Der Zweite Antrieb ist am Zweiten Orientierungsglied befestigt und bestimmt sowohl den Zweiten als auch den Dritten Achswinkel. Der Dritte Antrieb bestimmt den Vierten Achswinkel und ist am Dritten Orientierungsglied befestigt. Es sei darauf verwiesen, dass der Erste Antrieb auch mit dem Ersten Orientierungsglied und der Dritte Antrieb auch mit dem Vierten Orientierungsglied verbunden sein kann.
• Eine lotrechte Stellung der Werkzeugachse zur Profilachse definiert eine Radialebene in der für typische Bearbeitungsaufgaben eine Schwenkung um, von der Werkzeugstellung in der Radialebene aus gemessen, +/–45 Grad erforderlich ist. Lotrecht zu dieser und lotrecht auf der Profilachse steht die Bewegungsebene, in der beim Umgreifen des Profils immer die Vierte Drehachse und die Symmetrieachse des Zweiten Orientierungsgliedes, identisch mit der Winkelhalbierenden der Zweiten und Dritten Drehachse, liegen. Damit kann die Rückwärtstransformation, d. h. die Ermittlung des Ersten bis Vierten Achswinkels, explizit erfolgen, indem bei gegebenem Brennervektor, repräsentiert durch die Objektkoordinaten A und C, zunächst ein Schnittvektor zwischen der Bewegungsebene und einem Kegel um den Brennervektor, dessen halber Öffnungswinkel dem vierten Gliedwinkel entspricht, ermittelt wird, der die Raumlage der Vierten Drehachse beschreibt. Die Winkelhalbierende zwischen der Ersten Drehachse und der Vierten Drehachse ist identisch mit der Symmetrieachse des Zweiten Orientierungsgliedes bzw. der Winkelhalbierenden zwischen der Zweiten und Dritten Drehachse. Zwei Zweischläge, aus dem Ersten und Zweiten und aus dem Zweiten und Dritten Orientierungsglied bestehend, sind in ihrer Lage durch eine einfache, explizite Berechnung in ihrer Raumlage zu bestimmen, was dann, wiederum explizit, die Ermittlung des Ersten, Zweiten, Dritten und Vierten Achswinkels gestattet.
• Die Erfindung soll in Ausführungen näher erläutert werden. Dazu wird auf die nachfolgenden 1 bis 6 verwiesen.
• Es zeigen:
• 1 eine Gesamtansicht der Vorrichtung,
• 2 eine prinzipielle Detaildarstellung eines Orientierungsgliedes,
• 3 eine weitere Detaildarstellung eines Orientierungsgliedes,
• 4 eine Variante der Vorrichtung,
• 5 die Darstellung kinematischer Details beim Umfahren eines profilartigen Bauteiles, und
• 6 die beispielhafte Bewegung der Werkzeugachse.
• Entsprechend 1 bewegt eine Führungsmaschine 6 einen Befestigungsflansch 5 in einem dreidimensionalen, kartesischen Koordinatensystem 20. Die Führungsmaschine 5 ist in vorteilhafter Weise ein Portalroboter mit drei, rechtwinklig aufeinander stehenden Linearachsen, er kann aber auch als ein Gelenkarmroboter ausgebildet sein. Nicht mit der Schwerkraftrichtung 8 fluchtend, sondern unter einem Gestellwinkel 33, dessen Betrag kleiner als 45 Grad ist, ist, um eine Erste Drehachse 1 beweglich, ein Erstes Orientierungsglied 9 angeordnet, das von einem Ersten Antrieb 14 in seiner Raumlage bestimmt ist. Die Lagerung der Drehbewegung des Ersten Orientierungsgliedes 9 um die Erste Drehachse 1 ist als Hohlwelle 26 mit einem Durchlass von mindestens 20 mm ausgeführt, die Achse des Ersten Antriebes 14 ist nicht mit der Ersten Drehachse 1 identisch. Das Erste Orientierungsglied 9 trägt ein Zweites Orientierungsglied 10 und ist mit diesem über eine Zweite Drehachse 2 drehgelenkig verbunden. Der Zweite Antrieb 15 bestimmt die Relativlage des Ersten Orientierungsgliedes 9 und des Zweiten Orientierungsgliedes 10. Wieder ist die Lagerung als Hohlwelle mit einem Durchlass von mindestens 20 mm ausgeführt und es ist die Achse des Zweiten Antriebes 15 nicht identisch mit der Zweiten Drehachse 2. Das Zweite Orientierungsglied 10 trägt das Dritte Orientierungsglied 11, indem es mit ihm über die Drehachse 3 gelenkig verbunden ist und indem der Dritte Antrieb 16 die Lage der beiden Glieder zueinander bestimmt. Auch die Lagerung des Zweiten Orientierungsgliedes 10 und des Dritten Orientierungsgliedes 11 zueinander ist wieder als Hohlwelle mit einem Durchlass von mindestens 20 mm gestaltet und der Dritte Antrieb 16 liegt mit seiner Achse nicht in der Flucht der Dritten Drehachse 3. Das Dritte Orientierungsglied 11 trägt ein rotationssymmetrisch wirkendes Werkzeug 18. Rotationssymmetrisch wirkend bedeutet, dass sich bei Drehung des Werkzeugs 18 um seine Längsachse dessen Bearbeitungsergebnis sich nicht verändert.
• Die Erste Drehachse 1, die Zweite Drehachse 2, die Dritte Drehachse 3 und die Werkzeugachse 4 schneiden sich in einem Punkt, dem Wirkmittelpunkt des Werkzeugs, dem TCP 17. Die von den einzelnen Achsen aufgespannten Winkel, der Erste Achswinkel A₁ 27, am Ersten Orientierungsglied 9 wirkend, der Zweite Achswinkel A₂ 28, am Zweiten Orientierungsglied 10 wirkend, der Dritte Achswinkel A₃ 29, am Dritten Orientierungsglied 11 wirkend, und der Gestellwinkel 33, zwischen der Schwerkraftrichtung 8 und der Ersten Drehachse 1 wirkend, sind zumindest annähernd gleich groß.
• Es sei darauf verwiesen, dass der Erste Antrieb 14, der Zweite Antrieb 15 und der Dritte Antrieb 16 vorteilhaft als rotatorische, elektrische Antriebe ausgebildet sind, jedoch für diese auch translatorische Antriebe, wie Spindeln, Zylinder und dgl. genutzt werden können.
• Die Bewegungsgenauigkeit der Vorrichtung ist in entscheidendem Maße davon abhängig, mit welcher Genauigkeit sich die Erste Drehachse 1, die Zweite Drehachse 2, die Dritte Drehachse 3 und die Werkzeugachse 4 schneiden, d. h. wie genau sich diese im TCP 17 treffen. Zur Kompensation von Fertigungs- und Montagetoleranzen wird vorgeschlagen, das Erste, das Zweite und das Dritte Orientierungsglied 10, 11 und 12 jeweils zweizuteilen in ein Distalglied 22 und in ein Proximalglied 21, deren Lage zueinander mit Stellelementen 23 einstellbar ist und deren Fixierung zueinander mit Konterelementen 24 erfolgt.
• In einer ersten Variante entsprechend 2 ist dazu vorteilhaft lotrecht zu den an jedem Orientierungsglied anschließenden Drehachsen zwischen Proximalelement 21 und Distalelement 22 eine Justageachse 48 angeordnet, um die das Proximalelement 21 und das Distalelement 22 zueinander um kleine Beträge verschwenkt und entlang der Justageachse verschoben werden können.
• In einer zweiten Variante entsprechend 3 sind an dem Distalelement 22 und an dem Proximalelement 21 an geeigneter Stelle je sechs Kugelgelenke angeordnet und es ist jeweils ein Kugelgelenk am Distalelement 22 mit einem Kugelgelenk am Proximalelement über eine Koppelstange 50 miteinander verbunden. Die Justage der Relativlage von Proximalelement 22 und Distalelement 21 geschieht über eine Längenveränderung der Koppelstangen, indem diese z. B. als Gewindestangen mit Links- und Rechtsgewinde an ihren Enden gestaltet sind. Jede Koppelstange 50 ist um ihre Längsachse drehbar, besitzt einen sogenannten „isolierten Freiheitsgrad”, der jedoch in der hier beschriebenen Anordnung bedeutungslos ist.
• Die Stellung des Werkzeugs 18 im Objektkoordinatensystem 20 ist durch die Objektkoordinaten A und C vorgegeben und eindeutig definiert.
• Zur Lagebestimmung der drei sich zwischen dem Werkzeug 18 und dem Befestigungsflansch 5 befindlichen Glieder, des Ersten, Zweiten und Dritten Orientierungsgliedes 1, 2, 3 wird vorgeschlagen, eines der am Rand der Gliederkette liegenden Glieder, also entweder das Erste Orientierungsglied 1 oder das Dritte Orientierungsglied 3 in seiner Orientierung fest vorzugeben. Dann kann die Lage der beiden verbleibenden Glieder wieder mit einer Zweischlagberechnung einfach und explizit bestimmt werden. Die Vorgabe der Stellung eines Randgliedes für jede Brennerstellung der Form A_i = f(A, C) (1) muss so erfolgen, dass alle Orientierungsglieder relativ zu ihren Nachbargliedern nicht umlaufen und folglich auch das Schlauchpaket 25 nur einer endlichen Torsionsbelastung bzw. Verdrillung unterworfen ist. Sie muss aber auch so erfolgen, dass der funktionale Zusammenhang stetig ist und alle erforderlichen Stellungen des Werkzeugs 18 erreicht werden können.
• Dazu kann eine Liste der Achswinkel A_i in der Datenbank 36 abgelegt werden. Die Elemente der Liste können offline, also mit theoretisch unbegrenztem Zeitaufwand, auf der Basis getriebetechnischer und kinematischer Methoden errechnet werden.
• Vom Steuerungscomputer 34 wird die Datenbank 36 ausgelesen, danach der verbleibende Zweischlag in seiner Stellung berechnet und die ermittelten Achswinkel, der Erste Achswinkel A₁, der Zweite Achswinkel A₂, der Dritte Achswinkel A₃ an die Antriebe, den Ersten Antrieb 14, den Zweiten Antrieb 15 und den Dritten Antrieb 16, übertragen. Die Anzahl der Listeneinträge ist endlich, muss jedoch, um Stetigkeitsforderungen zu genügen, groß sein. Zwischen den Stützpunkten ist eine Interpolation erforderlich.
• Deshalb wird vorgeschlagen, den funktionalen Zusammenhang (1) durch eine Fourier-Approximation abzubilden.
• Eine weitere Ausführungsvariante der Vorrichtung zeigt 4. Diese Variante ermöglicht das Erreichen einer unbegrenzten Orientierungsmöglichkeit des Werkzeugs 18 einerseits, einer kardanischen, verdrillungsfreien Bewegung des Werkzeugs 18 in einem kleineren, kegelförmigen, kardanischen Teilbewegungsbereich 47 andererseits. Die Symmetrieachse des kardanischen Teilbewegungsbereiches 47 liegt parallel zur Schwerkraftachse, dessen Öffnungswinkel zumindest 90 Grad ist.
• Eine Erste Drehachse 1, vorteilhaft als Hohlwelle 26 ausgebildet, ist am Befestigungsflansch 5 und zur Schwerkraftrichtung 8 fluchtend drehbar gelagert und trägt ein Erstes Orientierungsglied 9. Auf dessen distaler, d. h. gestellabgewandter Seite, ist mit der Zweiten Drehachse 2 das Zweite Orientierungsglied 10 angeschlossen, das wiederum auf seiner distalen Seite mit der Dritten Drehachse 3 mit dem Dritten Orientierungsglied 11 gelenkig verbunden ist. Auf der distalen Seite des Dritten Orientierungsgliedes 11, schlussendlich angebracht mit der Vierten Drehachse 41, ist das Vierte Orientierungsglied 42, welches das Werkzeug 18 trägt. Ein Erster Antrieb 14 ist vorteilhaft gestellfest, also fest mit dem Befestigungsflansch 5, verbunden und bestimmt das Erste Orientierungsglied 9 in seiner Raumlage.
• Ein Zweiter Antrieb 15 ist auf den Zweiten Orientierungsglied 10 angebracht und bestimmt um die Zweite Drehachse 2 herum die Relativlage des Zweiten Orientierungsgliedes 10 zum Ersten Orientierungsglied 9 und um die Dritte Drehachse 3 die Relativlage des Dritten Orientierungsgliedes 11 zum Zweiten Orientierungsglied 11 in der Weise, dass der um die Zweite Drehachse 2 wirkende Zweite Achswinkel A₂ und der um die Dritte Drehachse 3 wirkende Dritte Achswinkel A₃ von der Decklage der benachbarten Glieder als Ausgangsstellung ausgehend, betragsgleich, in ihrem Drehsinn jedoch unterschiedlich sind. Es gilt also: A₂ = –A₃ (2)
• Es sei darauf verwiesen, dass die Forderung der Gleichung (2) auch mit zwei getrennt auf die Zweite Drehachse 2 und die Dritte Drehachse 3 wirkenden Antrieben realisiert werden kann. Ein Dritter Antrieb 16 ist vorteilhaft am Dritten Orientierungsglied 11 angebracht, kann aber auch vom Vierten Orientierungsglied 42 getragen werden und wirkt auf die Vierte Drehachse 41, um die Relativlage des Dritten Orientierungsgliedes 11 und des Vierten Orientierungsgliedes 42 zu bestimmen. Es sei ferner darauf verwiesen, dass das gewünschte Bewegungsverhalten auch durch drei gestellfeste Antriebe, die z. B. durch Räder- und Zugmittelgetriebe auf die Zweite Drehachse 2, die Dritte Drehachse 3 und die Vierte Drehachse 41 wirken, herstellbar ist. Alle Drehachsen, also die Erste Drehachse 1, die Zweite Drehachse 2, die Dritte Drehachse 3, die Vierte Drehachse 41 und die Werkzeugachse 4 schneiden sich in einem Punkt, in dem auch die Werkzeugspitze bzw. der TCP 17 angeordnet ist.
• Der Vierte Gliedwinkel 44, der den Winkel zwischen der Vierten Drehachse 41 und der Werkzeugachse 4 beschreibt, ist größer als der halbe Öffnungswinkel des kegelförmigen kardanischen Teilbewegungsbereiches 47. Der Dritte Gliedwinkel A₃ 32 ist vorteilhaft identisch zum Ersten Gliedwinkel A₁ 30 und halb so groß wie der Zweite Gliedwinkel A₂ 31.
• Das Verfahren zur Bewegungssteuerung wirkt dabei in der Weise, dass bei gegebenen Objektkoordinaten A und C und einem Raumwinkel zwischen der Werkzeugachse 4 und der Bewegungsebene 45, der kleiner ist als der Vierte Achswinkel A₅ 43, die Vierte Drehachse 41 in die Bewegungsebene 45 gelegt ist. Von den zwei möglichen Lagen der Vierten Drehachse 41 in der Bewegungsebene 45 wird jene ausgewählt, die zur Ersten Drehachse 1 den kleineren Raumwinkel bildet. Im umgekehrten Fall, also wenn der Raumwinkel zwischen der Werkzeugachse 4 und der Bewegungsebene 45 größer ist als der Vierte Achswinkel A₅ 43, wird die Vierte Drehachse 41 in die Ebene lotrecht auf die Bewegungsebene 45 und durch die Werkzeugachse 4 gelegt.
• Die Winkelhalbierende zwischen der Ersten Drehachse 1 und der Vierten Drehachse 41 ist der geometrische Ort der Winkelhalbierenden zwischen der Zweiten Drehachse 2 und der Dritten Drehachse 3. Mit zwei einfachen Zweischlagberechnungen lassen sich die Lagen der Zweiten Drehachse 2 und der Dritten Drehachse 3 bestimmen und es ist mit ausschließlich expliziter Berechnung die Rückwärtstransformation, d. h. die Ermittlung des Ersten Achswinkels A₁ 27, des Zweiten Achswinkels A₂ 28, des Dritten Achswinkels A₃ 29 und des Werkzeugwinkels A₄ 35 aus den gegebenen Objektkoordinaten A und C, lösbar.
• Eine weitere Ausführungsvariante besteht darin, zwar die Raumwinkel zwischen den Drehachsen 1, 2 am Ersten Orientierungsglied 9 und zwischen den Drehachsen 2 und 3 am Zweiten Orientierungsglied 10 zumindest annähernd identisch auszuführen, jedoch den Winkel zwischen der Werkzeugachse 4 und der Dritten Drehachse 3 deutlich kleiner zu nehmen.
• Des Weiteren ist der Zweite Antrieb 15 geteilt, derart, dass dessen Rotationsmotor gestellfest angeordnet ist und über ein geeignetes Übertragungsgetriebe, z. B. ein Zugmittelgetriebe, das Untersetzungsgetriebe, welches um die Zweite Drehachse 2 wirkt, antreibt. Alle Kabel und Schläuche, die zu dem Ersten Antrieb 14 und zu dem Zweiten Antrieb 15 führen, sind gestellfest angeordnet. Das Erste Orientierungsglied 9 und das Zweite Orientierungsglied 10 sind somit umlauffähig und können endlose Drehbewegungen um eine in ihrer Ausdehnungsebene, gebildet von den beiden zum Orientierungsglied gehörenden Drehachsen, liegende Achse ausführen.
• Die in 6 gezeigte, beispielhafte Bewegung der Werkzeugachse 4 auf einem Kegelmantel kann mit besonders günstigem Kollisionsraum, d. h. vorteilhaft großem Winkel der Dritten Drehachse 3 zur Grundebene 7, von der Vorrichtung ausgeführt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Erste Drehachse

2

Zweite Drehachse

3

Dritte Drehachse

4

Werkzeugachse

5

Befestigungsflansch

6

Führungsmaschine

7

Grundebene

8

Schwerkraftrichtung

9

Erstes Orientierungsglied

10

Zweites Orientierungsglied

11

Drittes Orientierungsglied

12

Brennerhalter

14

Erster Antrieb

15

Zweiter Antrieb

16

Dritter Antrieb

17

TCP (Tool Center Point)

18

Werkzeug

19

Gestell

20

Objektkoordinatensystem

21

Proximalelement

22

Distalelement

23

Stellelement

24

Konterelement

25

Schlauchpaket

26

Hohlwelle

27

Erster Achswinkel A₁

28

Zweiter Achswinkel A₂

29

Dritter Achswinkel A₃

30

Erster Gliedwinkel

31

Zweiter Gliedwinkel

32

Dritter Gliedwinkel

33

Gestellwinkel

34

Steuerungscomputer

35

Werkzeugwinkel A₄

36

Datenbank

37

NC-Programmcode

38

Profilförmiges Bauteil

39

Profilachse

40

Radialebene

41

Vierte Drehachse

42

Viertes Orientierungsglied

43

Vierter Achswinkel A₅

44

Vierter Gliedwinkel

45

Bewegungsebene

46

Profilumschwenkwinkel

47

Kardanischer Teilbewegungsbereich

48

Justageachse

49

Kugelgelenk

50

Koppelstange

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Erzielung vorteilhafter kinematischer Eigenschaften an programmgesteuert bewegten und um zwei Achsen verschwenkbaren, rotationssymmetrisch wirkenden Werkzeugen, bevorzugt Schweiß- und Schneidbrennern, die in ihrer Grundstellung mit ihrer Wirkrichtung zur Schwerkraftrichtung (8) parallel liegen und mit einem proximalen Glied (8) an der gestellabgewandten Seite eines Industrieroboters oder einer roboterähnlichen Führungsmaschine (6) angebracht ist und aus starren, mit jeweils zwei sich schneidenden Drehachsen (1), (2), (3) versehenen Orientierungsgliedern (9), (10), (11) besteht, diese Glieder seriell nacheinander und mit den benachbarten Drehachsen rotatorisch verbunden sind und an der Verbindungsstelle zweier Glieder jeweils ein Antrieb (14), (15), (16) angeordnet ist, der programmgesteuert die Winkellage der zwei miteinander verbundenen Orientierungsglieder festlegt und das gestellfernste Orientierungsglied mit einem Brennerhalter (12) ein Werkzeug (18) trägt, gekennzeichnet dadurch, dass die Anzahl der Orientierungsglieder zumindest drei beträgt und sich alle deren Drehachsen (1, 2, 3) und eine Werkzeugachse (4) des Werkzeuges (18) im TCP (17) schneiden, in diesem Punkt auch die Spitze des Werkzeuges (18) angeordnet ist, dass jeder Antrieb aus einem Rotationsmotor und einem Untersetzungsgetriebe besteht, die Drehachsen (1), (2), (3) mit der Achse des zugeordneten Rotationsmotors nicht koaxial angeordnet, als Hohlwellen ausgeführt sind, und dass jedes Orientierungsglied (9), (10), (11) aus zwei Elementen, einem Proximalelement (21) und einem Distalelement (22) besteht, zu jedem der Elemente (21), (22) eine Drehachse (1), (2), (3) zugehörig ist und zusammengehörende Proximal- und Distalelemente zueinander um kleine Beträge beweglich sind, indem diese um eine Achse lotrecht auf die von den beiden Drehachsen gebildete Ebene rotatorisch und entlang derselben Achse translatorisch jeweils mit Stellelementen (23) in ihrer Lage zueinander verstell- und mit Konterelementen (24) in ihrer Lage zueinander fixierbar ausgelegt sind, wobei die Anzahl der Orientierungsglieder genau vier beträgt, die Erste Drehachse (1) mit der Schwerkraftrichtung (8) fluchtend angeordnet ist und die Raumwinkel zwischen der Ersten Drehachse (1) und der Zweiten Drehachse (2) und der Vierten Drehachse (41) und der Dritten Drehachse (3) identisch und halb so groß wie derjenige zwischen der Zweiten (2) und der Dritten Drehachse (3) sind und der Winkel zwischen der Werkzeugachse (4) und der Vierten Drehachse (41) einerseits größer ist als der halbe Öffnungswinkel des für eine kardanische Beweglichkeit des Werkzeugs (18) erforderlichen kardanischen Teilbewegungskegels (47) und andererseits größer ist, als der des in der Radialebene (40) von der lotrecht auf die Profilachse (39) definierten Werkzeuggrundstellung gemessenen erforderlichen Schwenkbereiches.
2. Vorrichtung zur Erzielung vorteilhafter kinematischer Eigenschaften nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Proximalelement (21) und das Distalelement (22) miteinander über sechs Stangen, an ihrem Ende mit je einem Kugelgelenk versehen, miteinander verbunden sind und eine Justage der Raumlage von Proximalelement (21) und Distalelement (22) durch geringfügige Längenveränderung der einzelnen Stangen gegeben ist.

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