DE19850899A1 - Mehrachsige Parallelstabkinematik nach dem Scherenprinzip mit direkter Erfassung des TCP - Google Patents

Abstract

Es wird eine neuartige mehrachsige Parallelstabkinematik zur Bewegung eines Trägers T und seines Trägerbezugspunktes TCP beschrieben, die mittels symmetrisch aufgebauter lambda-förmiger Scheren die Bewegungen im Raum erzeugt. Eine symmetrisch aufgebaute lambda-förmige Schere mit 2-Linearantrieben für die beiden Fußpunkte hat die Eigenschaft, die Beziehung zwischen einem Antriebsbezugspunkt und dem Endpunkt der Schere so herzustellen, daß beide Punkte stets in einer Bezugsebene BE liegen, die senkrecht zur Antriebsrichtung steht. Legt man den Trägerbezugspunkt TCP in diese Ebene, so wird eine direkte meßtechnische Erfassung des TCP z. B. mittels Laserstrahlen möglich. Die Lasermeßstrahlen werden über Kippspiegel, die sich auf dem Antriebsbezugspunkt in der Bezugsebene BE befinden, zum Endpunkt der Schere umgelenkt.

Description

Parallelstabkinematiken erlauben die Konstruktion massearmer Bewegungs­ systeme für mehrere Freiheitsgrade, wie sie im Roboter- und Werkzeugma­ schinenbau benötigt werden, wobei sich die Scherenekinematik (Fig. 1a, b) für zwei- und dreiachsige Bewegungen als besonders steif erwiesen hat und in der Literatur mehrfach beschrieben ist (siehe G. Pritschow, K.-H. Wurst: Zur Gestaltung und Konstruktionssystematik von Maschinen und Stabkine­ matiken, wt-Produktion und Management 87 (1997), S. 46-51, Springer VDI-Verlag, 1997).

In einer entsprechenden dreiachsigen Anordnung (Fig. 1a, b) wird der Be­ zugspunkt TCP des Trägers T in der Position xyz durch die Linearantriebe A1 bis A4 eingestellt, wobei die Parallelstabanordnung E2/E5 eine Verdre­ hung des Trägers T um die y-Achse und die Parallelstabanordnung E4/E6 eine Verdrehung um die z-Achse verhindert.

Dem Vorteil der großen Steifigkeit solcher Scherenkinematiken steht der Nachteil gegenüber, daß der Bezugspunkt TCP in den 3 Achsen nicht direkt, sondern nur indirekt über die Position der Antriebe A1 bis A4 gemessen werden kann, wodurch Lagefehler durch thermische Längenänderung der Stäbe E1 bis E6 sowie statische und dynamische Verformungen derzeit nicht erfaßt werden können. Diesen Nachteil beseitigt die vorliegende Erfindung mittels veränderter Anordnung.

Gemäß dem erfinderischen Gedanken kann jede Schere als ein symmetrisch aufgebautes X (Fig. 2a) ausgebildet werden. Ein Ende dieser Schere wird am Träger T ortsfest und gelenkig befestigt und das zweite Ende der Schere gelenkig, aber verschiebbar gegenüber dem Träger über die Gleitschlitten G1, G2. Die ortsfeste Stabanbindung E2 bzw. E4 in Fig. 2a am Träger T bestimmt nun den Bezugspunkt des Trägers, da dieser stets in der Be­ zugsebene BE des Antriebs A1 (A3) liegt, die ihrerseits senkrecht zur z- Richtung steht. Der Antrieb A1 (A3) bestimmt damit den z-Koordinatenpunkt des Bezugssystems TCP. Mittels eines Meßstrahls z. B. eines Laserstrahls LS wird nun der Abstand zwischen dem Motor A1 (A3) und dem Träger T leicht erfaßbar über einen auf dem Motor A1 (A3) befindlichen 45°-Spiegel S1, der in die Ebene E1/E2 (E3/E4) geneigt wird. In gleicher Ebene wird der Laserstrahl LS über einen am Träger befestigten Spiegel S2 reflektiert, wo­ durch eine Wegdifferenzmessung möglich wird. Auf gleichem Weg kann auch ein Leistungslaserstrahl eingekoppelt werden. Fig. 2 macht deutlich, daß sich zur Erzeugung gleicher Arbeitsfläche x.y der Raumbedarf in z- Richtung für die Bewegung der Antriebe A2 und A4 gegenüber der konven­ tionellen Anordnung (Fig. 1) halbiert hat. Eine weitere Halbierung wäre über eine Doppelschere XX erreichbar.

In Erweiterung des erfinderischen Gedankens erfolgt die Drehblockade um die y-Achse nicht über die Anlenkung der Stäbe E1 und E3 mittels der Gleit­ schlitten G1, G2, sondern an deren Stelle tritt ein Parallelogramm E2/E5 bzw. E4/E7 gemäß Fig. 3a, wodurch sich der Träger T kürzer halten läßt. Die Scheren E1/E2 und E3/E4 in Fig. 3a werden damit um einen Endarm redu­ ziert und nehmen die Form eines symmetrischen λ an, wobei alle Elemente gleich lang sind. Um singuläre Stellen beim Durchgang des Trägers T durch die Fluchtlinie der Antriebsführungsbahnen F1, F2 zu vermeiden, können die Antriebe auf unterschiedliche parallele Führungsbahnen F verteilt werden wie z. B. Antrieb A2 auf F1, Antrieb A1 auf F1', Antrieb 3 auf F2, Antrieb 4 auf F2' gemäß Fig. 3b.

Eine weitere Ausprägung des erfinderischen Gedankens ist gegeben durch die Zuweisung der Kraftaufnahme in z-Richtung auf nur eine Schere gemäß Fig. 4. Die zweite Schere muß dann nur noch ausgelegt werden zur Verstel­ lung des Bezugspunktes TCP des Trägers T in der xy-Ebene. Da die Bela­ stung in z-Richtung entfällt, kann diese in z-Richtung unbelastete Schere als Meßschere in z-Richtung für die belastete wirken, wodurch sich die Genau­ igkeit in z-Richtung positiv beeinflussen läßt.

In einem weiteren erfinderischen Gedanken wird die Drehung um die y- Achse nicht durch eine Parallelstabanordnung verhindert, sondern durch einen drehsteifen M-förmigen Faltenbalg, der aus der Literatur für standfeste Anordnungen mit Teleskopantriebsverschiebung für die xy-Achse bekannt ist (Weck, M; u. a.: Neue Maschinenkinematiken für die HSC-Bearbeitung, Schweizer Maschinenmarkt 45 (1997), S. 28-35. Weck, M.; Schumacher, A.: Derzeitiger Stand der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung - ein Überblick, wt Werkstattstechnik 87 (1997), S. 407-414)).

Der Faltenbalg (M1 bis M4) wird über den Antrieb A1 (A3) (Fig. 5a, b) mittels der Bindung B1 (B2) in z-Richtung verschoben. Die Ausrichtung des Trägers T gegen Drehung um die z-Achse muß nicht über ein Parallelogramm (E6/E4) zur λ-Schere erfolgen, sondern kann über eine Parallelogrammfüh­ rung P über das Ellbogengelenk EG des M-Faltenbalges gemäß Fig. 5c er­ zwungen werden. Natürlich kann der Faltenbalg auch ortsfest angeordnet sein. In diesem Fall muß der Träger T in z-Richtung im Faltenbalg ver­ schiebbar sein.

Eine weitere Möglichkeit der Positionierung des Bezugspunktes TCP in der xy-Ebene besteht darin, anstelle von längenunveränderlichen oder längen­ veränderlichen Stäben entsprechend Fig. 6a, 6b eine motorische Drehung V1 (V2) der Fußpunkte des M-förmigen Faltenbalgs vorzunehmen. Die Ver­ schiebung in z-Richtung erfolgt wie vorher über die Antriebe A1 (A3).

Aus einer 3achsigen Anordnung wie sie z. B. nach Fig. 4 oder Fig. 5 gegeben ist, kann eine 4achsige Anordnung abgeleitet werden, wenn die beiden λ- förmigen Scheren mittels Drehgelenken über eine Trägerplatte T gemäß Fig. 7a, 7b verbunden werden, so daß die Endpunkte beider Scheren um Δz ver­ schoben werden können. Damit wird eine Drehung der Trägerplatte T um die y-Achse erzeugt. Die Ausrichtung der Drehgelenke muß mittels eines Parallelogrammes (z. B. E3/E4 gegen E3'/E4') senkrecht zur Vorschubebene der Antriebe konstant gehalten werden.

Fügt man in diese 4achsige Anordnung gemäß Fig. 8a, 8b eine weitere Drehachse DS zwischen Trägerplatte T und Drehachse D, wobei die beiden Achsen DS und D senkrecht aufeinander stehen, und treibt die Trägerplatte über eine weitere λ-förmige Schere E8 mit dem entsprechenden Antrieb A5/A6 an, so erhält man eine 5achsige Anordnung. Beispielhaft wurden die Führungsbahnen F1, F2, F3 in diesen Konfigurationen einseitig gezeichnet. Selbstverständlich ist eine andere räumliche Anordnung ebenfalls möglich.

Eine 6achsige Anordnung mit λ-förmigen Scheren ist unter Beteiligung von mindestens 3 Scheren möglich, wobei die Ausführungsformen hinsichtlich der Lage der Führungsbahnen - wie aus der Literatur entnehmbar - sehr unterschiedlich sein können. 2 mögliche Anordnungen zeigen Fig. 9 und Fig. 10. Die Trägerplatte T kann sowohl stabförmig als auch plattenförmig ge­ staltet sein, für die Auswahl der Anlenkpunkte bietet die Literatur ebenfalls eine Vielzahl von Möglichkeiten.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur drei- oder mehrachsigen Führung eines im Raum beweglichen Trägers T für die Aufnahme von Werkzeugen oder Werkstücken auf der Basis mehrerer im Raum verbundener Sche­ renkinematiken mit linear angetriebenen Fußpunkten, die an ihren Endpunkten gelenkig mit dem Träger T verbunden sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei den beteiligten Scheren jeweils ein Endpunkt und ein Fußpunkt mit seinem Antrieb innerhalb einer Bezugsebene BE liegen, die die Richtung der Führungsachse dieses Antriebs rechtwinklig schneidet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegdifferenz zwischen Endpunkt und Antrieb der Schere in der Bezugsebene BE mittels eines Meß­ systems erfaßt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem ein Lasermeßsystem darstellt, dessen Spiegel auf dem Antrieb bzw. dem Endpunkt der Bezugsebene BE der Schere befestigt sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle einer der beteiligten Scheren auch eine Stabverbindung zwischen Träger T und Führungsachsen mit nur einem Antrieb treten kann.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beteiligten Scheren in Form eines symmetrisch aufgebauten λ ausgeprägt sind, wobei der bewegliche Träger T entweder stabförmig (Fig. 3a) oder in Form einer Platte P (Fig. 9, Fig. 10) aufgebaut sein kann und der jeweilige Trägerbe­ zugspunkt TCP sich an der Bezugsebene BE orientiert.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beteiligten Scheren in Form eines symmetrisch aufgebauten X (Fig. 2a) ausgeprägt sind, wobei der dem Trägerbezugspunkt TCP nahe Stab der Schere am Träger T über ein Gelenk ortsfest verbunden wird, wogegen der dem Be­ zugspunkt TCP ferne Stab der Schere über ein Gelenk und einen zusätzlichen Gleitschlitten G1, G2 verschiebbar am Träger befestigt ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausrichtung des Trägers T in z- Richtung über eine Parallelstabführung (E2/E5, E4/E7, Fig. 3a) parallel zum langen Arm der λ-förmigen Schere erfolgt.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe einer Schere nicht auf derselben Führungsbahn F laufen, sondern auf unterschiedlichen Führungsebenen F und F', die parallel zueinander angeordnet sind (Fig. 3b).

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Scheren in z-Richtung (Fig. 4) gegeneinander verschiebbar sind, so daß nur eine Schere die Kräfte in z-Richtung aufnimmt, wogegen die andere Schere nur die Kräfte zur Einstellung des Trägers T in Position xy aufnimmt.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausrichtung des Trägers T in z- Richtung anstelle einer Parallelstabführung (E2/E5, E4/E7, Fig. 3, 4) ein Faltenbalg in Form eines M (Fig. 5a, 5b) eingesetzt wird, wobei sich der Träger T im Zentrum der Zusammenführung der beiden symmetrischen Hälften (M1/M2 und M3/M4) des M befindet, die Fußpunkte des Faltenbalgs über Gleitschlitten (G3, G4) in z-Rich­ tung der Antriebe (A1 bis A4) verschiebbar und um die z-Achse frei drehbar sind und der M-förmige Faltenbalg (M1, M2, M3, M4) durch mindestens einen der Antriebe (A1, A3), die sich in der Ebene E des Bezugspunktes TCP befinden, in z-Richtung angetrieben wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der M-förmige Faltenbalg mit seinen Fußpunkten fest mit dem Gestell der Antriebsführung (F1, F2) ver­ bunden ist und die Verschiebbarkeit des Träges T in z-Richtung da­ durch erfolgt, daß der Träger T mit dem M-förmigen Faltenbalg in z- Richtung verschiebbar verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des Trägers T in xy- Richtung nicht über die Scherenantriebe (A1 bis A4), sondern über eine motorische Verdrehung (V1, V2) der Fußpunkte des M-förmigen Faltenbalgs (Fig. 6) um die z-Achse erfolgt.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Endpunkte zweier λ-förmiger Scheren gemäß Fig. 7b über eine Trägerplatte T gelenkig verbunden sind, wobei mindestens eines dieser Drehgelenke D mittels einer Parallelkinematik (E1'/E2', E3'/E4' in Fig. 7a und 7b) in einer Rich­ tung senkrecht zur Vorschubachsenrichtung ausgerichtet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte T über ein Gelenk DS senkrecht zum Verbindungsgelenk D einen weiteren Freiheitsgrad erhält (Fig. 8a, 8b), dessen Lage über einen zusätzlichen angelenk­ ten Stab (E8), der über einen Linearantrieb (A5) in seiner Fußpunkt­ lage verstellbar ist, motorisch eingestellt werden kann.