DE19902867A1

DE19902867A1 - Mehrachsige Parallelstabkinematik nach dem Scherenprinzip mit direkter Erfassung des TCP

Info

Publication number: DE19902867A1
Application number: DE1999102867
Authority: DE
Inventors: Guenter Pritschow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1999-01-25
Publication date: 2000-08-03

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 direkt 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

Ergänzende Beschreibung Mehrachsige Parallelstabkinematik nach dem Scherenprinzip mit direk ter Erfassung des TCP Aktenzeichen: 198 50 899.9

Insbesondere für die Anwendung im Werkzeugmaschinenbereich wird eine hohe Steifigkeit der Gesamtanordnung einer Parallelstabkinematik gefordert. Im Gegensatz zur Anordnung gemäß DE 197 10 171 A1 Aktenzeichen 197 10 171.2 wird daher im Anspruch 15 der vorliegenden Anmeldung präzi siert, daß die Schwenkachsen der Scheren nicht gestellfest, sondern den beweglichen Schlitten von Linearantrieben A1 . . . A6 zugeordnet werden, die ihrerseits auf gestellfesten steifen Führungsbahnen F1 . . . F3 entsprechend Fig. 9 und 10 geführt werden, wodurch sich ein massearmer, jedoch sehr steifer Aufbau erreichen läßt. In Erweiterung des erfinderischen Gedankens zur Steifigkeitserhöhung wird zudem vorgeschlagen, die λ-förmigen Scheren als symmetrisches Fachwerk mit gleichlangen Stababschnitten entsprechend Fig. 11 zu ergänzen. Die Anzahl der gewählten Stäbe richtet sich dabei nach der gewünschten Steifigkeit, denn die Stabelemente E1, E2 können mit einer Vielzahl von Knoten versehen werden. Knoten, die in die Führungsebenen der Antriebe A1, A2 fallen, werden mit einem Schlitten S auf der Führungsebene F beweglich um die Drehachse der Schere abgestützt. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß die Knoten die Verdrehbarkeit der Stäbe nicht behindern. Für die Relativbewegung der Antriebe A1, A2 zueinander können sich die Stäbe winkelmäßig über einen dafür vorgesehenen Drehfreiheitsgrad des Knotens K senkrecht zur Sche renebene E1, E2 verdrehen. In Variation dieser Anordnung können nun die Antriebe A1, A2 mit dem Stützschlitten S die Plätze tauschen oder auch Teile des Stabwerkes weggelassen werden, sofern dieses für die Auslegung der Schere zweckmäßig ist. Eine weitere Erhöhung der Steifigkeit läßt sich erreichen, wenn gemäß Fig. 12 die Scherenanordnung als räumliches Fachwerk ausgeprägt wird. Dazu werden zwei (SF1, SF2) oder mehr Sche ren in Fachwerkkonstruktion parallel angeordnet und fachwerkmäßig starr miteinander verbunden.

Wegen der Beschränkung auf 3 Stäbe E2, E4, E6, die gemäß Fig. 9 und 10 die Orientierung und Lage der Plattform T bestimmen, ist die Beweglichkeit der Plattform groß. Beim Einsatz eines länglichen Trägers z. B. einer Werk zeugmaschinenspindel anstelle einer ebenen Plattform wird die Einstellung der Orientierung in bestimmten Lagen jedoch stark behindert, sofern man die Anbindung der Stäbe E2, E4, E6 in einer Ebene beibehält, auch ist die Stei figkeit gegenüber Prozeßkräften relativ klein. Erfindungsgemäß wird hier vorgeschlagen, die Stabenden E2, E4, E6 gemäß Fig. 13 auf 2 unterschied lichen Ebenen TE1, TE2 senkrecht zur Trägerlängsachse zu verteilen und die Ebenen vorzugsweise an den beiden Enden des länglichen Trägers T anzuordnen. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, die Stäbe E2, E4, E6 über Kardangelenke so an dem zylinderförmigen Träger T gelenkig zu befestigen, daß die Gabel der Kardangelenke die Stabenden aufnimmt und die verblei bende Drehachse D radial zur Trägerlängsachse ausgerichtet ist.

Zur Einkopplung eines Laserstrahls LS in den Spiegel S3 des Trägers T mittels eines Spiegels S1, wie es z. B. für CO₂-Leistungslaser notwendig ist, müssen gemäß Fig. 14 die beteiligten Spiegel S1, S3 unabhängig von der Position der Antriebe A1, A2 starr zueinander sowohl in der Drehwinkellage der Ebene E1, E2 als auch zur Bezugsebene BE ausgerichtet werden. Hierzu werden erfindungsgemäß zwei Anordnungen vorgeschlagen.

Nach Fig. 11 wird der Träger T zur Aufnahme des Einkopplungsspiegels S3 in der gewünschten konstanten Radiallage gehalten durch zwei zur λ-förmi gen Schere E1, E2 zusätzlich angelenkte Hilfsstäbe H1, H2, die parallel zum Stab E2 und im Abstand symmetrisch zur Scherenebene E1, E2 am Träger T angelenkt sind und deren anderes Ende am Antrieb A2 frei drehbar um die Drehachse DA der Schere E1, E2 befestigt sind. Der dem Gestell zuge wandte Einkopplungsspiegel S1 dreht sich mit der Scherenebene um die Drehachse DA.

Eine zweite erfindungsgemäße Anordnung zur Einkopplung eines Laser strahls LS auf den Spiegel S3 eines beweglichen Trägers T zeigt Fig. 15. Hierbei wird die Orientierung des Trägers T senkrecht zur Drehebene E1, E2 der Schere über eine räumliche Fachwerkkonstruktion von mindestens 2 parallel angeordneten Scheren SF1, SF2 erreicht, die fachwerkmäßig starr miteinander verbunden sind, wodurch an ihren dem Träger T zugewandten Enden der Träger T über die Gelenke G1, G1' senkrecht zur Laserstrahllage LS angelenkt werden kann. Die notwendige Ausrichtung des Trägers T parallel zur Antriebsrichtung der Führungsbahn F wird durch einen zusätzli chen Hilfsstab H1 entsprechend Fig. 14 gewährleistet.

Gelenke und Stäbe einer beteiligten Schere geben geometrisch unter Last nach, so daß über den geometrischen Ort der Antriebe A1 . . . A6 nicht mehr exakt auf den geometrischen Ort des beweglichen Trägers T zurückge schlossen werden kann. Um diesen Nachteil zu beseitigen, wird gemäß Fig. 16 vorgeschlagen, parallel zur belasteten Schere E1, E2 eine in gleicher Weise aufgebaute, aber unbelastete Meßschere MS1, MS2 mitzuführen, die über den Träger T angetrieben wird und deren Stabenden an den Antrieben A1, A2 sich frei in der z-Richtung und der Drehebene E1, E2 verschieben lassen. Die Verschiebung gegen den Antriebsschlitten A1, A2 wird meßtech nisch mit Meßsystemen M erfaßt und stellt ein Maß für die Nachgiebigkeit des belasteten Scherensystems E1, E2 dar. Mit der Kenntnis dieser geo metrischen Nachgiebigkeit läßt sich die geometrische Lage des Trägers über eine entsprechende Lageveränderung der Antriebe korrigieren.

Claims

15. Zusatzansprüche zur Patentanmeldung.
Mehrachsige Parallelstabkinematik nach dem Scherenprinzip mit direkter Erfassung des TCP.
Aktenzeichen: 198 50 899.9
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe A1 . . . A6 gemäß Fig. 9 und 10 Linearantriebe sind, deren Läufer (Primärteil) sich auf ge stellfesten linearen Führungsbahnen bewegen, die entweder direkt über ein in die gestellfesten Führungsbahnen integriertes Sekun därteil entsprechend des Prinzips von Linearmotoren angetrieben werden oder alternativ indirekt über ein Spindelmuttersystem mit ge stellfestem rotatorischen Antrieb bzw. einem Zahnstangen-/Ritzel system.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beteiligten Scheren als Fachwerk mit gleichlangen Stababschnitten gemäß Fig. 11 ausgeprägt sind, wobei jeder Stabknotenpunkt mit einem Gelenkfreiheitsgrad senk recht zur Fachwerksebene ausgestattet wird, sofern die Stäbe im Knoten sich durch die Bewegung der Antriebe gegenseitig winkel mäßig verändern müssen und jeder Knotenpunkt K über einen Stützschlitten S auf der Führungsbahn F der Antriebe abgestützt wird, sofern ein solcher Knoten in die Führungsbahnebene fällt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe A1, A2 auf jeden beliebi gen Knotenpunkt der Führungsbahnebene verteilt werden können, wobei Antriebs- und Stützschlitten ihre Plätze tauschen.

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Fachwerk einer Schere durch Weglassen von Stäben auch reduziert werden kann.

19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 16, 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß jede beteiligte Schere auch als räumli ches Fachwerk aufgebaut sein kann durch fachwerkmäßige Ver knüpfung mehrerer parallel angeordneter gleichartiger Scheren SF1 . . . n gemäß Fig. 12.

20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsatz eines stabförmigen be weglichen Trägers T die Endpunkte der Stäbe E2, E4, E6 der betei ligten λ-förmigen Scheren gemäß Fig. 13 in unterschiedlichen Ebe nen TE1, TE2 radial zur Trägerlängsachse angeordnet sind mit be vorzugter Lage an den jeweiligen Enden des stabförmigen Trägers T.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die gelenkige Anbindung der λ-förmi gen Scheren an den beweglichen Träger T über Kardangelenke G1, G2 erfolgt, deren Gabel den drehbeweglichen Endpunkt der Stäbe E2, E4, E6 der λ-förmigen Schere aufnimmt und deren Drehachse D radial zur Trägerlängsachse ausgerichtet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung des beweglichen Trägers T mit einer Kante gemäß Fig. 14 stets parallel zur Dreh achse DA einer λ-förmigen Scherenkinematik und mit einer anderen Kante parallel zu ihrer Bezugslinie BE gehalten wird, so daß ein La serstrahl LS in der Drehebene E1, E2 und parallel zur Bezugsebene BE über einen auf diesem beweglichen Träger T fest montierten Spiegel S3 unabhängig von der Drehlage umgelenkt werden kann.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung des Trägers T senk recht zur Drehachse E1, E2 und senkrecht zur Bezugsebene BE gemäß Fig. 14 über 2 Hilfsstäbe H1, H2 erreicht wird, die radialsym metrisch rechts und links von der Ebene E1, E2 und parallel ver schoben zum Hauptträger E2 mit ihrem einen Ende am Träger T und ihrem anderen Ende am Antrieb A2 gelenkig verbunden sind.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung des Trägers T senk recht zur Drehebene E1, E2 und senkrecht zur Bezugsebene BE über eine Fachwerkkonstruktion gemäß Anspruch 19 erreicht wird, wobei mindestens 2 Scheren mit Fachwerkversteifung parallel ge schaltet werden, deren senkrecht zur Scherenebene liegenden Drehachsen zur Anlenkung an die Plattform T gemäß Fig. 15 vor zugsweise im Abstand symmetrisch zur radialen Drehachse der Scherenfachwerkskinematik gelegt werden.

25. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß Fig. 16 neben einer durch Kräfte belasteten λ-förmigen Schere E1, E2 eine unbelastete Meß schere MS1, MS2 parallel geschaltet wird, die mit ihrer einen Seite des Meßstabes MS2 am beweglichen Träger T über ein Gelenk MG3 angelenkt ist und deren beide antriebsseitigen Enden führungsmäßig ohne Kraftschluß mit den beiden Antrieben A1, A2 verbunden sind, so daß eine Relativbewegung in z-Richtung zwischen den Meßstä ben und den Antriebsschlitten sowie die Verdrehrichtung gegen über der Antriebsschlittenebene über auf dem Antriebsschlitten mit geführte Meßsysteme M möglich werden.