DE19860925A1 - Stabkinematik mit Hilfsschlitten - Google Patents

Abstract

Stabkinematiken mit Linearantrieben an den Fußpunkten der Verbindungsstäbe V ergeben eine sehr steife Kinematik mit 2...6 Freiheitsgraden. Nachteilig ist, daß die Position der Kopfeinheit KE - im Bild gezeigt am Beispiel einer halben Schere G2, V2, V3 - nur indirekt über die Position der Antriebe A1, A2 erfaßt werden kann. Erfindungsgemäß werden zwei Schlitten S eingeführt, die über einen Verbindungsstab V1 und einem aus einer Mitte geführten Gelenkstab G2 durch die Kopfplatte P angetrieben werden. Durch die Art der Konstruktion wird dabei der Schlitten S2 so geführt, daß er direkt die x-Position der Kopfplatte P erfaßt. Zur Erfassung der Lage der y-Position können mit Hilfe dieses Schlittens weitere Meßinformationen gewonnen werden, wie z. B. die Winkellage alpha zwischen Gelenkstab G und der x-Achse oder mittels eines Lasersystems L2 und eines Umlenkspiegels R1 die Lage der y-Position. Die Differenz der Schlittenposition S1, S2 ermöglicht ebenfalls eine Erfassung der Position y der Kopfplatte P.

Description

Stabkinematiken eignen sich für hochdynamische Roboter- und Werkzeug­ maschinenkonstruktionen wegen ihrer Leichtbauweise und der Verwirkli­ chung des vorteilhaften Konstruktionsprinzips: kein Antrieb trägt einen an­ deren.

Beispielhaft hat sich als besonders steife Anordnung dabei eine Scherenki­ nematik entsprechend Fig. 1 erwiesen, deren Fußpunkte durch die Antriebe A1 und A2 verschoben werden, wobei sich je nach Bewegungsrichtung die­ ser Antriebe eine Bewegung der Kopfeinheit KE an der Spitze der Schere in x- oder y-Richtung ergibt. Die Schere besteht aus den Verbindungsstäben V1, V2, die die Kopfplatte P in xy-Richtung bewegen, ein dritter Verbin­ dungsstab V3 sorgt für die Ausrichtung der Platte P parallel zur Führungs­ bahn FB. Die Position der Lage der Kopfeinheit KE wird aus der bekannten Lage der Antriebe A1 und A2 ermittelt, die von einem linearen Meßsystem parallel zur Führungsbahn FB abgegriffen werden kann. Mit dieser einfachen indirekten Lageermittlung ergeben sich Probleme bei der genauen Erfassung der Position der Kopfeinheit KE, da thermische wie auch statische und dynamische Eigenschaften die geometrischen Verhältnisse der Verbin­ dungsstäbe V und der beteiligten Lager verändern. Die Scherenkinematik steht hier als anschauliches Beispiel für ein Problem, das sich bei allen Stabkinematiken stellt, deren Lageerfassung der Kopfeinheit KE bzw. der Kopfplatte P nicht direkt möglich ist. Lösungen für die Schere sind ent­ sprechend auf andere Stabkinematiken übertragbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Erfassung der Position xy der Kopfeinheit KE z. B. über einen linearen Maßstab, ein Winkelmeßsystem oder ein Laserinter­ ferometer zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht in der Einführung eines aus Stäben V1, G1 und Schlitten S1, S2 bestehenden Meßsystems, wobei der Stab V1 an einem Meßpunkt Kopfplatte P angelenkt wird und ei­ nen Schlitten S1 antreibt. Der zweite Stab G1 ist mit der Mitte des Verbin­ dungsstabes V1 gelenkig verbunden und treibt einen Schlitten S2 an. Bei­ spielhaft ist eine solche Anordnung in Fig. 2 dargestellt mit dem Meßstabsy­ stem V1, G1, S1, S2, angelenkt an der Kopfplatte P und dem Antriebssy­ stem für 2 Freiheitsgrade xy mit den Antrieben A1, A2 und den Gelenkstä­ ben G2, V2, V3. Wegen der besonderen Gelenkkonstruktion in Form eines symmetrischen λ, ist die Lage x der Kopfplatte P bestimmt durch die Position des Schlittens S2 in x und die y-Position der Kopfplatte P über die Gleichung des Pythagoras durch die gegebene Länge V1 des Verbindungsstabes und der Differenz der Schlittenpositionen S1 und S2. Für die Erfassung einer räumlichen Position muß die Winkeldrehlage der Stabkinematik V1, G1 ge­ genüber der Führungsbahnebene FB erfaßt werden. Ein von Belastungs­ verformungen unabhängiges Meßergebnis wird erzielt, wenn die beiden Schlitten S1, S2 auf gesonderte Führungsbahnen unabhängig von den An­ triebsbahnen geführt werden.

Über mehrere Meßpunkte d. h. mit mehreren Anordnungen V1, G1 über un­ terschiedliche Befestigungsorte an der Kopfplatte P kann auch die Orientie­ rung einer Kopfplatte P erfaßt werden.

In Fig. 3 wird dargestellt, wie mittels eines Laserinterferometers mit seinen Strahlen L1 und L2 die genaue Lage x, y der Kopfplatte P kartesisch erfaßt werden kann. Der Zusatzschlitten S erhält eine Reflektoreinheit R1, die ei­ nerseits den Strahl L1 zur Erfassung der x-Position reflektiert und anderer­ seits den Strahl L2 zur Kopfplatte P so umlenkt, daß er dort durch den Re­ flektor R2 gespiegelt wird, wodurch die y-Koordinate direkt erfaßt werden kann. Sofern der Zusatzschlitten S exakt in der Mitte zwischen den Antrieben verbleibt, wird sich der Auftreffpunkt des Laserstrahls L2 auf der Kopfplatte P nicht verändern. Bewegungsabweichungen davon können über einen Koor­ dinatenmeßkopf im Reflektor R2 erfaßt und damit korrigiert werden. Anstelle der Laserstrahlensysteme lassen sich natürlich auch andere Linearmaßstäbe einsetzen.

Anstelle der Laserstrahlmeßeinrichtung läßt sich die Position der Kopfplatte P auch erfassen durch die Lage der Schlittenposition S, wobei Störungen in der Geometriebezeichnung des Stabwerkes sich durch zusätzliche Winkel­ lageerfassung zwischen den Stäben oder zwischen den Stäben und der Schlittenachse erfassen lassen. Besonders einfache Beziehungen zur Er­ mittlung der temperaturbedingten Längung der Verbindungsstäbe V ergeben sich, wenn die Stäbe des Meßsystems oder nur der Gelenkstab G1 aus temperaturstabilem Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten von Null gefertigt werden.

Mit Fig. 3 wird zudem gezeigt, daß durch die Anbindung der Gelenkstäbe G1, G2 an einen Schlitten S das Verbindungselement V3 gemäß Fig. 1 und Fig. 2 auch weggelassen werden kann, da die Kopfplatte P sich durch die Stabkonstruktion weiterhin parallel zur Führungsbahn FB ausrichtet. Ein weiterer Vorteil besteht in der Aussteifung der Verbindungselemente V1, V2 mittels der Systemanordnung G1, S, G2, wodurch sich die Konstruktion wün­ schenswerterweise steifer verhält. Wird der Stab G2 dagegen weggelassen, so ist der Stab G1 nur belastet mit den Massekräften des Schlittens S, wogegen in dieser Anordnung der Verbindungsstab V unter der Last durch den Antrieb A1 steht.

Über einen zusätzlichen Reflektor auf der Schlitteneinheit S kann entspre­ chend der Strahlführung des Meßstrahls L2 auch ein Laserstrahl hoher Lei­ stung zur Kopfplatte P gelenkt werden, wodurch sich auf sehr einfache Weise eine Laserbearbeitungsmaschine für CO₂-Laser realisieren läßt.

Claims (6)

1. Parallelstabkinematik mit beweglichen Fußpunkten der Verbin­ dungsstäbe V, in deren Mitte jeweils ein Gelenkstab G gelenkig ab­ zweigt und die mit ihren Endpunkten an einer beweglich geführten Kopfplatte P angelenkt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gelenkstab G oder mit dem Verbindungsstab V und dem Gelenkstab G je ein Schlitten S geführt wird, um zur Erfassung der Lage der beweglich geführten Kopfplatte P entsprechende Teile eines Meßerfassungssystems aufnehmen zu können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten S auf den Führungs­ bahnen der Antriebe für die Bewegung der Kopfplatte P geführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten S auf gesonderten Füh­ rungsbahnen getrennt von den Antrieben für die Bewegung der Kopfplatte P geführt wird.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten S Elemente zur Ausrich­ tung oder Aussendung von Meßstrahlen oder Leistungslaserstrahlen trägt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlitten S Elemente eines Linear­ maßstabes trägt.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlitten S Winkelmeßsysteme zur Erfassung der Winkellage der angelenkten Stäbe gegenüber der Führungsbahn trägt.