-
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem stationären Teil und mit N Linearachsen und ein Verfahren zum Betreiben der Antriebsvorrichtung.
-
Es ist allgemein bekannt, dass mittels einer Parallelkinematik-Antriebsvorrichtung, wie beispielsweise Delta, Tripod, Quaddropo, eine Platte innerhalb eines Arbeitsbereiches in den drei Raumdimensionen positionierbar ist und in den zwei Raumwinkeln ausrichtbar ist.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung mit einem stationären Teil und mit N Linearachsen und ein Verfahren zum Betreiben der Antriebsvorrichtung weiterzubilden, wobei Belastung, insbesondere energetische Belastung und/oder mechanische Belastung, reduzierbar sein soll.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Antriebsvorrichtung mit einem stationären Teil und mit N Linearachsen, nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
-
Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Antriebsvorrichtung mit einem stationären Teil und mit N Linearachsen, wobei N eine natürliche Zahl größer als Eins ist, sind,
dass jede Linearachse jeweils ein Drehgelenk antreibt, welches mit einer jeweiligen Strebe verbunden ist, insbesondere jeweils mit dem Endabschnitt der jeweiligen Strebe verbunden ist,
wobei ein Werkzeugträgerteil, insbesondere Platte, mit der jeweiligen Strebe, insbesondere mit einem Endabschnitt der jeweiligen Strebe, jeweils mittels eines jeweiligen Drehgelenks verbunden ist,
wobei die Linearachsen, insbesondere selbst, bewegbar angeordnet sind, insbesondere am stationären Teil der Antriebsvorrichtung.
-
Von Vorteil ist dabei, dass eine jeweilige Position des Werkzeugträgerteils zwar schon durch die Positionswerte der Linearachse festlegbar ist, jedoch ist mittels Bewegung der Linearachsen selbst, also Veränderung ihrer räumlichen Position und/oder Ausrichtung, ein oder mehrere Freiheitsgrade verfügbar, so dass eine energetische und/oder mechanische Optimierung ausführbar ist und/oder der Arbeitsbereich vergrößerbar ist. Denn ohne diese Bewegung der Linearachsen, also bloßer Bewegung der Streben durch die Linearachsen, ist nur ein eingeschränkter Arbeitsbereich erreichbar. Das Werkzeugträgerteil ist also durch die zusätzliche Bewegbarkeit der Linearachsen in einem größeren Raumbereich hin- und herbewegbar.
-
Vorzugsweise ist am Werkzeugträgerteil ein Werkzeug befestigt, wie Greifwerkzeug oder Aufnahmevorrichtung. Es sind aber auch andere Werkzeuge einsetzbar, wie Bohrer, Schrauber, Fräser oder andere Werkzeuge zur Oberflächenbehandlung.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jede Linearachse einen Linearantrieb auf, insbesondere welcher in Linearachsrichtung wirkt,
insbesondere wobei der Linearantrieb einen elektromotorisch angetriebenen Spindeltrieb aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass jede Linearachse eine Maschinenachse ist, also motorisch angetrieben und mit einem Sensor zur Erfassung der Position des von der Linearachse angetriebenen Elements relativ zum Stator des Motors der Linearachse.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Strebe zwei gleich lange, parallel angeordnete Strebenteile auf,
insbesondere wobei die Befestigungspunkte der Strebenteile am von der Linearachse bewegbaren jeweiligen Drehgelenk denselben Abstand aufweist wie die Befestigungspunkte der Strebenteile am mit dem Werkzeugträgerteil verbundenen Drehgelenk. Von Vorteil ist dabei, dass eine Verdrehung des Werkzeugträgerteils verhinderbar ist und somit ein stabileres Transportieren ausführbar ist. Bei Einsatz von 4 Streben sind auch 3 translatorische und ein rotatorischer Freiheitsgrad realisierbar
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die jeweilige Linearachse, insbesondere alle Linearachsen, drehbar um eine Drehachse angeordnet, insbesondere am stationären Teil der Antriebsvorrichtung, insbesondere wobei die Drehachse motorisch angetrieben ist, insbesondere wobei die Drehachse als Getriebemotor oder elektromotorischer Direktantrieb ausgeführt ist,
-
Bei einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist die jeweilige Linearachse, insbesondere alle Linearachsen, linear bewegbar in einer jeweiligen Linearführung, welche drehbar angeordnet ist, insbesondere mittels eines am stationären Teil der Antriebsvorrichtung angeordneten Drehlagers drehbar angeordnet ist,
insbesondere wobei die Linearführung und die Drehachse jeweils frei ausgeführt ist, insbesondere also ohne motorischen Antrieb,
insbesondere wobei ein jeweiliger erster Endbereich der jeweiligen Linearachse von einem Antrieb, insbesondere von einer weiteren Linearachse, geführt ist, insbesondere wobei der Antrieb die jeweiligen Endbereiche linear führt in einer zum stationären Teil der Antriebsvorrichtung fest gelegten Richtung oder entgegengesetzt.
-
Von Vorteil ist dabei, dass mittels der Linearachsen ein Arbeitsbereich erreichbar ist und darüber hinaus der zusätzliche Freiheitsgrad, also die angetriebene Drehachse oder die Linearachse, einfach steuerbar ist und eine Vergrößerung des Arbeitsbereiches oder eine energetische und/oder mechanische Optimierung ermöglicht.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der stationäre Teil der Antriebsvorrichtung ein Maschinengehäuse oder eine Tragstruktur, insbesondere Gestänge und/oder Trägerteile, auf. Von Vorteil ist dabei, dass die Linearachsen stabil abstützbar sind am stationären Teil und somit das jeweils angetriebene Element entsprechend schwankungsfrei transportierbar ist.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung steuert eine übergeordnete Steuerung die motorischen Antriebe,
insbesondere wobei jede der Achse, insbesondere also die Linearachsen und die Drehachsen, Sensoren zur Erfassung der Position, insbesondere Linearposition beziehungsweise Drehwinkelposition, umfassen. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Ansteuerung ausführbar ist und die Abfolge der angesteuerten Achspositionen derart wählbar ist, dass ein Optimum an mechanischer Belastung oder energetischem Bedarf erreichbar ist. Hierzu ist in der Steuerung zu jedem möglichen Wertetupel der Achspositionswerte ein Wert einer Bewertungsfunktion hinterlegt oder eine entsprechende Bewertungsfunktion hinterlegt, deren Optimum von der Steuerung bestimmbar ist und der zugehörige Wertetupelverlauf steuerbar ist.
-
Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung sind, dass eine erste Position des Werkzeugträgerteils durch mehrere Wertetupel bewirkbar ist, wobei eine zweite Position des Werkzeugträgerteils durch mehrere Wertetupel bewirkbar ist,
wobei jedes Wertetupel aus den Positionswerten der Linearachsen und gegebenenfalls aus den Winkelpositionswerten der Drehachsen zusammengesetzt ist,
wobei das Werkzeugträgerteil von der ersten zu der zweiten Position bewegt wird,
wobei die zugehörigen Wertetupel derart gewählt sind, dass ein Minimum der Werte einer Bewertungsfunktion erreicht wird, wobei die Bewertungsfunktion von den Wertetupeln abhängt, insbesondere wobei die Bewertungsfunktion einen Energiebedarf für die Bewegung von der ersten zur zweiten Position berücksichtigt und/oder die mechanische Belastung an der ersten Position oder an der zweiten Position,
insbesondere wobei die mechanische Belastung eine auf eine der Linearachsen, Drehachsen und/oder Linearführungen wirkende Kraft umfasst,
insbesondere wobei erste und zweite Position voneinander beabstandet sind.
-
Von Vorteil ist dabei, dass eine Auswahl zwischen verschiedenen Wertetupeln ermöglicht ist. Es ist also dieselbe Position des Werkzeugträgerteils mit verschiedenen Wertetupeln erreichbar. Weiter vorteilhaft ist, dass jeweils dasjenige Wertetupel auswählbar ist, das ein Optimum bezüglich einer Bewertungsfunktion aufweist. Dabei beschreibt die Bewertungsfunktion den Energiebedarf oder die mechanische Belastung, wie Reibkraft und/oder sonstige Kraft.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Werkzeugträgerteil in einem ersten Zeitabschnitt zwischen der ersten und der zweiten Position hin- und herbewegt und in einem späteren Zeitabschnitt wird das Werkzeugträgerteil zwischen einer dritten und vierten Position hin- und herbewegt,
wobei die Wertetupel zur Erreichung der dritten und vierten Position derart gewählt werden, dass ein Minimum der Werte der Bewertungsfunktion erreicht wird, wobei die Bewertungsfunktion von den Wertetupeln abhängt. Von Vorteil ist dabei, dass ein erster Bewegungsablauf in einem ersten Arbeitsbereich und ein zweiter Bewegungsablauf in einem anderen Arbeitsbereich ausführbar ist, wobei für jede angesteuerte Position jeweils dasjenige Wertetupel auswählbar ist, das bezüglich der Bewertungsfunktion ein Optimum aufweist.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
-
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
-
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für eine Platte 4, insbesondere Werkzeugträger, bekannt, wobei die Platte 4 in eine Position gebracht ist.
-
In der 2 ist die Platte 4 in eine zweite Position gebracht ist.
-
In der 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für eine Platte 34, insbesondere Werkzeugträger, bekannt, wobei die Platte 34 in eine Position gebracht.
-
In der 4 ist die Platte 34 in eine zweite Position gebracht.
-
Wie in 3 und 4 gezeigt, sind zwei Linearachsen 32 mittels eines Drehgelenks 31 mit einer nicht dargestellten Maschine oder Anlage verbunden. Die Drehgelenke 31 sind somit stationär angeordnet.
-
Die Linearachsen 32 weisen jeweils eine Führungsschiene auf, welche in Linearachsrichtung sich erstreckt, und treiben ein Führungsteil an, welches mittels eines jeweiligen Drehgelenks mit einem jeweiligen ersten Endabschnitt einer Strebe 33, insbesondere einer Parallelogrammstrebe, verbunden ist. Somit ist das jeweilige Drehgelenk von der jeweiligen Linearachse 32 linear verschiebbar, also längs der Linearachse 32 positionierbar.
-
Somit wird die Raumposition des jeweiligen Endabschnitts einer jeweiligen Strebe 33 bestimmt durch die Drehwinkelposition des jeweiligen Drehgelenks 31 und die Linearposition der jeweiligen Linearachse. Der jeweilige andere Endabschnitt der jeweiligen Strebe 33 ist über ein Drehgelenk an der Platte 34 befestigt, die beispielhaft als Werkzeugträger ausführbar ist.
-
Vorzugsweise ist jede der Streben 33 als Parallelogrammstrebe ausgeführt, also als Strebenpaar, dessen einzelne Streben jeweils dieselbe Länge aufweisen und wobei die Befestigungspunkte an der platte 34 denselben Abstand aufweisen wie die Befestigungspunkte am jeweiligen Drehgelenk. Somit ist ein Verkippen der Platte 34 sicher verhindert.
-
In einem ersten Teilbereich des Arbeitsbereichs ist die jeweils selbe Position der Platte 34 durch mehr als ein einziges Wertetupel erreichbar. Dabei ist ein Wertetupel definiert durch die Werte der Linearpositionen der Linearachsen 32, also die Linearpositionen der Endabschnitte der Streben 33, und die Drehwinkelwerte der Drehgelenke 31.
-
Die Antriebe für die Drehbewegung um das jeweilige Drehgelenk 31, und die Linearantriebe werden von einer übergeordneten Steuerung gesteuert. Hierbei wird zur Erreichung einer jeweiligen Position der Platte 34 nun jeweils dasjenige Wertepaar ausgewählt, das bezüglich einer Bewertungsfunktion optimal ist. Die Bewertungsfunktion bewertet hierbei die mechanische Belastung und/oder den Energieverbrauch in Abhängigkeit vom Wertetupel.
-
In 4 ist im Gegensatz zur 3 die Antriebsvorrichtung für ein anderes Wertetupel dargestellt.
-
In den 3 und 4 sind nur zwei Linearachsen 32 dargestellt, die in einer Ebene angeordnet sind. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind eine oder zwei weitere Linearachsen 32 vorhanden. Vorzugsweise sind die Drehgelenke auf einem Kreis angeordnet, wobei sie in Kreisumfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet sind und die jeweilige Drehachse zu der jeweils nächst benachbarten Drehachse einen Winkel von 360°/N insbesondere in der Kreisebene aufweist, wobei N die Anzahl der Linearachsen 32 ist.
-
In der 1 ist im Unterschied zur 3 eine Antriebsvorrichtung gezeigt, bei welcher die Linearachsen 2 jeweils in einer jeweiligen Linearführung geführt und bewegbar ist, welche jeweils drehbar gelagert ist über ein jeweiliges Drehlager 5 am stationären Teil der Maschine oder Anlage.
-
Das Drehlager 5 ist nicht motorisch angetrieben. Der Drehwinkel wird dadurch bewirkt, dass eine weitere Linearachse 1, welche in 1 vertikal ausgerichtet ist, den jeweils vom Drehlager 5 abgewandt angeordneten Endabschnitt der jeweiligen Linearachse auf eine vertikale Position oder Höhe zwingt. Diese weitere Linearachse 1 ist von einer Linearführung geführt, welche zum stationären Teil der Maschine oder Anlage fest ausgerichtet ist.
-
Beim vertikalen Verschieben des Endbereichs der Linearachse 2 mittels der weiteren Linearachse 1 wird wegen der festen Ausrichtung der Linearachse 2 die vertikale Position des Endbereichs der Linearachse 2 vorgegeben. Somit muss die Linearachse 2 sich abhängig von der vertikalen Position in Richtung der Linearachse 2 verschieben, wobei sich mit zunehmender vertikaler Höhe auch der Drehwinkel des Drehlagers entsprechend verändert.
-
Somit sind in Linearachsenrichtung der Linearachse 2 einerseits eine passive translatorische Bewegung und eine aktive translatorische Bewegung ermöglicht. Wie oben erwähnt, ist das Drehlager 5 ebenfalls passiv ausgeführt.
-
In 2 ist ein anderer Zustand der Antriebsvorrichtung gezeigt, bei dem die an den Endabschnitten der Streben 3 angeordnete Platte 4 auf einer höheren Position angeordnet ist.
-
Der jeweilige Zustand der Antriebsvorrichtung ist durch ein Wertetupel festgelegt, das aus den Werten der Linearpositionen der Linearachsen 2, also die Linearpositionen der Endabschnitte der Streben 3, und aus der Linearposition der weiteren Linearachse 1. Somit ist wiederum ein erster Teilbereich des Arbeitsbereichs, also der erreichbaren Positionen der Platte, vorhanden, die jeweils mit verschiedenen Wertetupeln realisierbar sind.
-
In diesem ersten Teilbereich des Arbeitsbereichs ist also die jeweils selbe Position der Platte 4 durch mehr als ein einziges Wertetupel erreichbar. Dabei ist ein Wertetupel definiert durch die Werte der Linearpositionen der Linearachsen 3, also die Linearpositionen der Endabschnitte der Streben 3, und durch die Linearposition der weiteren Linearachse 1.
-
Die Antriebe für die weitere Linearachse 1 und die Linearantriebe werden von einer übergeordneten Steuerung gesteuert. Hierbei wird zur Erreichung einer jeweiligen Position der Platte 4 nun jeweils dasjenige Wertepaar ausgewählt, das bezüglich einer Bewertungsfunktion optimal ist. Die Bewertungsfunktion bewertet hierbei die mechanische Belastung und/oder den Energieverbrauch in Abhängigkeit vom Wertetupel.
-
In 2 ist im Gegensatz zur 1 die Antriebsvorrichtung für ein anderes Wertetupel dargestellt.
-
In den 1 und 2 sind nur zwei Linearachsen 2 dargestellt, die in einer Ebene angeordnet sind. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind eine oder zwei weitere Linearachse 2 vorhanden. Vorzugsweise sind die Drehgelenke auf einem Kreis angeordnet, wobei sie in Kreisumfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet sind und die jeweilige Drehachse zu der jeweils nächst benachbarten Drehachse einen Winkel von 360°/N insbesondere in der Kreisebene aufweist, wobei N die Anzahl der Linearachsen 2 ist.
-
Vorzugsweise werden die gezeigten Linearachsen als Spindelmotoren realisiert. Dabei treibt ein Motor eine Spindel, insbesondere Kugelrollspindel, an, indem die Spindel drehfest mit dem Rotor des Motors verbunden ist. Der Rotor ist drehbar gelagert gegenüber dem Stator des Motors. Bei Drehbewegung der Spindel ist eine Spindelmutter entlang der Spindel bewegbar, da das Außengewinde der Spindel mit einem Innengewinde der Spindelmutter im Eingriff ist und die Spindelmutter linear geführt ist relativ zum Stator des Motors. An der Spindelmutter ist ein Hubkolben befestigt, der somit linear hin- und herbewegbar ist. Am Hubkolben ist die jeweilige Strebe (3, 33) über ein Drehgelenk verbunden.
-
Die motorisch angetriebenen Drehgelenke 31 werden vorzugsweise mittels Getriebemotoren realisiert, deren abtreibende Welle die Linearachse schwenkt.
-
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen also alle eine Überbestimmung in einem Teilbereich des Arbeitsbereichs auf. Mittels der energetischen und/oder mechanischen Optimierung sind aber Verbesserungen erreichbar im Vergleich zu einer nicht überbestimmten Antriebsvorrichtung.
-
Eine beispielhafte bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist ein Verfahren zum Betreiben, bei welchem die Antriebsvorrichtung in einem ersten Teilbereich des Arbeitsbereichs ein Pick and Place ausführt, also beispielsweise Objekte von einem ersten Förderband aufnimmt und auf ein anderes Förderband absetzt und danach in einem zweiten Teilbereich des Arbeitsbereichs wiederum ein Pick and Place ausführt, also wiederum Objekte nacheinander von einem Förderband aufnimmt und auf ein anderes Förderband absetzt. Hierbei ist an der Platte (4, 34) eine steuerbare Aufnahmevorrichtung angeordnet, welche zum Aufnehmen der Objekte geeignet ausgeführt ist, beispielsweise eine pneumatische Saugvorrichtung aufweist oder eine Greifwerkzeug aufweist. Im ersten und zweiten Teilbereich werden jeweilige Wertetupel bestimmt, welche voneinander unterschiedlich sind und energetisch und/oder mechanisch im Optimum sich befinden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Linearachse
- 2
- Linearachse
- 3
- Strebe, insbesondere Parallelogrammstrebe
- 4
- Platte, insbesondere Werkzeugträger
- 31
- Drehgelenk für Linearachse 32
- 32
- Linearachse
- 33
- Strebe, insbesondere Parallelogrammstrebe
- 34
- Platte, insbesondere Werkzeugträger
