DE19911382B4

DE19911382B4 - Werkzeugführungssystem

Info

Publication number: DE19911382B4
Application number: DE1999111382
Authority: DE
Inventors: Frank S. Dipl.-Ing. Dallinger; Stelian Dipl.-Ing. Brad
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2019-03-16
Also published as: DE19911382A1; DE29905240U1

Abstract

Werkzeugführungssystem mit einer Anordnung aus einer Translationsachse (1), einer Rotationsachse (2) und einem Parallelführungsgetriebe (3), die eine offene kinematische Kette bilden, und mit einem oder mehreren Antrieben für die Anordnung, wobei
– das Parallelführungsgetriebe (3) ein Endglied der kinematischen Kette bildet,
– die Translationsachse (1) und die Rotationsachse (2) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, und
– das Parallelführungsgetriebe (3) aus zumindest vier über ebene Drehgelenke miteinander verbundenen Gliedern (3a-3d) besteht, die ein Parallelogramm bilden, und einen Endeffektor (6) oder eine Halterung für einen Endeffektor trägt,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein erstes (3a) der vier Glieder des Parallelführungsgetriebes (3), gegebenenfalls über ein Zwischenelement, derart mit der Rotations- oder der Translationsachse verbunden ist, daß es mit seiner Längsachse eine Translationsbewegung parallel zur Rotationsachse (2) ausführen kann,
das zu dem ersten Glied (3a) parallele Glied (3b) den. Endeffektor (6) oder dessen Halterung derart trägt,...

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeugführungssystem, insbesondere für die Führung von Strahlwerkzeugen wie Hochdruckwasserstrahldüsen in engen Rohren oder Kanälen.
Rohrleitungssysteme müssen in regelmäßigen Abständen überprüft und instandgesetzt werden. Hierzu ist es in vielen Fällen erforderlich, Hindernisse aus den Rohrsystemen zu entfernen. Dies umfaßt beispielsweise das Schneiden von Wurzeleinwüchsen, das Abtragen von Verstopfungen des gesamten Rohrquerschnittes, das Schneiden von einragenden Hindernissen, die Beseitigung von Armierungen etc.

Die DE 38 36 277 A1 zeigt hierfür einen Manipulatorarm, der mit einem Strahlkopf ausgerüstet ist, mit dem beispielsweise ein Strahl eines Luft-Strahlmittel-Gemisches auf einen zu bestrahlenden Bereich innerhalb eines Kanals gerichtet werden kann. Der Manipulatorarm weist einen Drehkopf mit daran angebrachter Parallelführung auf, auf der die Strahldüse sitzt. Die Druckschrift geht von einem Stand der Technik aus, bei dem Personen zur Durchführung der Strahlarbeiten in die entsprechenden Kanäle hineinkriechen müssen. Es handelt sich hierbei somit um Kanalsysteme mit enorm großen Durchmessern.

Strahlwerkzeuge, wie beispielsweise Hochdruckwasserstrahl-Schneidwerkzeuge oder Wasserabrassiv- Schneidwerkzeuge eignen sich in besonderer Weise zum Abtragen von Materialien. Aufgrund der beim Einsatz dieser Strahlwerkzeuge erforderlichen starren Schlauchverbindungen für den Transport des Wirk- bzw. Schneidmediums, der hohen Kräfte des Strahldrucks sowie der u.U. rotatorischen Kräfte der Austrittsdüse bereitet es allerdings große Probleme, derartige Werkzeuge in beengten Einsatzräumen zu positionieren und zu führen. Ein Beispiel für beengte Arbeitsräume sind Rohrleitungssysteme wie Abwasserkanäle mit Durchmessern von typischerweise 150 mm und darunter, die u.U. stark im Durchmesser variieren und zahlreiche Biegungen aufweisen.

Ein weiteres Problem des Einsatzes der obigen Schneidwerkzeuge in Rohrleitungssystemen besteht in der Gefahr einer Beschädigung der Rohrwandung. Die stark abrassive Wirkung des Arbeitsstrahls führt bei Berührung mit der Rohrwandung zu einer Zerstörung des Rohrsystems. Es müssen daher hohe Anforderungen an die Strahlführung bzw. -steuerung gestellt werden, um ein Auftreffen des Strahls auf die Rohrwandung zu verhindern. Für eine parallel zum Rohr verlaufende Strahlführung, insbesondere für den Einsatz in Rohrsystemen mit Rohrdurchmessern unter 150 mm, sind die derzeit bekannten Führungssysteme nicht geeignet.

Eine technische Realisierung für den gesteuerten Einsatz von Wasserabrassiv-Schneidwerkzeugen und Hochdruck-Schneidwerkzeugen im Bereich enger Rohrsysteme mit Rohrdurchmessern unter 150 mm ist aufgrund der obigen Probleme derzeit nicht bekannt. Problematisch sind auch die erforderliche hohe Steifigkeit der Zuführungsleitungen und der Führungsmechanik, die die hohen Kräfte des pulsierenden Arbeitsstrahls aufnehmen müssen.

Zur Beseitigung von Hindernissen in engen Rohrsystemen werden daher heutzutage üblicherweise Standardfräser-Werkzeuge eingesetzt, bei denen ein Fräskopf mit einem entsprechenden Führungssystem in das Rohrsystem eingeführt wird, um die Hindernisse abzutragen.

Andererseits eignet sich jedoch Wasser durch sein neutrales Verhalten und die günstige Eigenschaft des selbsttätigen Abraumabtransports in besonderer Weise als Schneidmedium in diesen Rohrsystemen.

Die CH 687 010 A5 zeigt eine Vorrichtung zur Schadensbehebung in einem Rohr, die einen in Richtung der Längsachse verschiebbaren und um die Längsachse drehbaren Teil aufweist, an dessen freiem Ende eine Schwenkeinrichtung in Form eines Parallelkurbelgetriebes angebracht ist. Das Parallelkurbelgetriebe wiederum trägt ein Fräswerkzeug als Endeffektor, das mit Hilfe des Parallelkurbelgetriebes senkrecht zur Längsachse geschwenkt werden kann. Die Translationsachse dieses Sytems muss hierbei zum Ausgleich des Versatzes durch die Schwenkbewegung ausgelegt sein.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Werkzeugführungssystem bereitzustellen, das den Einsatz von Strahlwerkzeugen wie Hochdruckwasserstrahl-Schneidwerkzeugen oder Wasserabrassiv-Schneidwerkzeugen in engen Rohrsystemen, insbesondere bei Rohrdurchmessern im Bereich zwischen 80 und 150 mm, ermöglicht und in kompakter Bauweise realisiert werden kann.

Die Erfindung wird mit dem Werkzeugführungssystem nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Werkzeugführungssystems sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Werkzeugführungssystem zeichnet sich insbesondere durch seine besondere kinematische Struktur und die Ausgestaltung des eingesetzten Parallelführungsgetriebes aus. Es handelt sich hierbei um eine Hybridstruktur, bestehend aus einer seriellen Kinematik und einer Parallelführung.

Das Werkzeugführungssystem besteht aus einer Anordnung aus einer Translationsachse, einer Rotationsachse und einem Parallelführungsgetriebe. Die Glieder dieser Anordnung bilden eine offene kinematische Kette, wobei ein Endglied der kinematischen Kette Bestandteil des Parallelführungsgetriebes ist. Das andere Endglied wird durch die Rotationsachse oder die Translationsachse gebildet und ist vorzugsweise an einem Trägerelement fixiert. Die Translationsachse und die Rotationsachse verlaufen bei dem erfindungsgemäßen System im wesentlichen parallel zueinander. Bei der Befestigung an einem Trägerelement liegt die Rotations achse im wesentlichen parallel zu einer Vortriebsachse des Trägerelements. Die Vortriebsachse stellt eine Achse des Trägerelements dar, entlang der das Trägerelement zum angestrebten Arbeitspunkt bewegt wird. Beim Einsatz in einem Rohrsystem verläuft die Vortriebsachse daher parallel zur Rohrlängsachse.

Am Parallelführungsgetriebe ist ein Endeffektor, beispielsweise eine Hochdruckwasserstrahldüse, oder eine Halterung für den Endeffektor derart befestigt, daß eine Wirkachse des Endeffektors im wesentlichen parallel zur Rotationsachse verläuft. Die Wirkachse einer Hochdruckwasserstrahldüse entspricht der Strahlachse. Das Parallelführungsgetriebe ist weiterhin so angeordnet und ausgestaltet, daß es die Führung des Endeffektors von einer Position, bei der die Wirkachse des Endeffektors auf der durch Verlängerung der Rotationsachse entstehenden Linie bzw. Gerade liegt, auf eine Position ermöglicht, bei der die Wirkachse des Endeffektors in einem Abstand zu dieser Linie liegt.

Der im wesentlichen zueinander parallele Verlauf einzelner Achsen des Systems erlaubt selbstverständlich eine leichte Abweichung von der Parallelität, solange die durch die erfindungsgemäße Lehre vermittelte Wirkung noch erzielt wird. Insbesondere kann, wie in einer besonderen Ausführungsform noch näher erläutert wird, die Wirkachse der Wasserstrahldüse z.B. bis ca. 3° von der Parallelität zur Rotationsachse abweichen, um die Strahlaufweitung zu berücksichtigen. Zweck dieser Abweichung ist es, das Auftreffen des Strahls auf die Rohrwandung zu vermeiden, indem die Strahlbegrenzung – und nicht die zentrale Achse – des leicht divergierenden Strahls parallel zur Rohrwandung geführt wird.

Translationsachse, Rotationsachse und Parallelführungsgetriebe sind beim erfindungsgemäßen Werkzeugführungssystem somit seriell hintereinander geschaltet, wobei das Parallelführungsgetriebe das letzte Element in der Kette bildet und den Endeffektor trägt. Die Reihenfolge von Translationsachse und Rotationsachse ist beliebig.

Weiterhin sind ein oder mehrere Antriebe für die Translationsachse, die Rotationsachse und das Parallelführungsgetriebe vorgesehen. Vorzugsweise erhält jedes dieser drei Elemente einen eigenen Antrieb.

Bei diesem System wird die Wirkachse des Endeffektors, d.h. die Strahlachse einer Hochdruckwasserstrahldüse, mittels des Parallelführungsgetriebes senkrecht zur Rotationsachse bewegt und bei dieser Bewegung im wesentlichen parallel zur Rotationsachse gehalten. Der Verstellweg senkrecht zur Rotationsachse ist dabei so gewählt, daß die Wirkachse von der die Rotationsachse beinhaltenden Gerade auf einen Abstand von dieser Gerade verstellbar ist, der vorzugsweise zumindest dem Radius des Rohres entspricht, in dem das System zum Einsatz kommen soll. Zur Erreichung der gesamten Querschnittsfläche des Rohres kann das Parallelführungsgetriebe mittels der Rotationsachse um 360° gedreht werden. Die Translationsachse dient einerseits der Feineinstellung des Abstandes des Endeffektors von einem zu beseitigenden Hindernis, zum anderen zum Ausgleich des durch den Betrieb des Parallelführungsgetriebes gegebenenfalls hervorgerufenen Versatzes des Endeffektors relativ zum Hindernis. Hierbei ist zu beachten, daß beispielsweise eine Hochdruckwasserstrahldüse einen Fokus des Strahls erzeugt, der beispielsweise 15 mm vor der Austrittsöffnung der Düse liegt. Bei der Materialbearbeitung sollte dieser Fokus in der Ebene der Bearbeitungsfläche liegen.

Das erfindungsgemäße Werkzeugführungssystem ermöglicht die Führung von Strahlwerkzeugen, wie z.B. Hochdruckwasserstrahldüsen, in röhrenförmigen oder beengten Arbeitsräumen, wobei der Strahlengang aufgrund der Konstruktion der Führung stets parallel zur Rohrwandung gehalten wird, so daß die Rohrwandung durch den Strahl nicht beschädigt werden kann. Die vom Werkzeug erzeugten Kräfte und Momente werden hierbei minimal auf das Führungssystem übertragen, was zu kleinen erforderlichen Antriebsleistungen und geringen Steifigkeitsanforderungen an die Führungen führt.

Das Werkzeugsystem eignet sich damit zum Schneiden und Abtragen von Hindernissen in Rohrsystemen, ohne die Gefahr einer Beschädigung der Rohrwandung.

Das Parallelführungsgetriebe des Werkzeugführungssystems besteht aus zumindest vier über ebene Drehgelenke miteinander verbundenen starren Gliedern, die ein Parallelogramm aufspannen. Dies entspricht im wesentlichen dem Prinzip eines Pantografen.

Diese Struktur ermöglicht in Verbindung mit den seriell verbundenen Translations- und Rotationsachsen eine Ausgestaltung des Systems mit einer hohen Steifigkeit und einem robusten Verhalten in den Gelenken und Armen, die die durch den Strahl hervorgerufenen Kräfte und Momente problemlos aufnehmen können.

Bei dem vorliegenden, in der Grundform eines Parallelogramms ausgestalteten Parallelführungsgetriebes ist ein erstes der Glieder, gegebenenfalls über ein Zwischenelement, derart mit der Rotations- oder der Translationsachse verbunden, daß es mit seiner Längsachse eine Bewegung parallel zur Rotationsachse ausführen kann. Die Verbindung kann beispielsweise über zwei an einer Verlängerung der Translations- oder der Rotationsachse befestigte Führungen erfolgen, die die Bewegung des ersten Gliedes nur parallel zur Rotationsachse ermöglichen. Das zum ersten Glied parallele Glied trägt wiederum den Endeffektor oder dessen Halterung. Eines der verbleibenden Glieder des Parallelogramms ist mit der gleichen Achse, d.h. der Rotations- oder der Translationsachse bzw. einer Verlängerung dieser Achsen derart verbunden, daß bei jeder Stellung des Parallelogramms jeweils ein beliebiger Punkt des Gliedes immer die gleiche Position relativ zur Rotationsachse hat.

Dies kann beispielsweise durch eine Drehdurchführung verwirklicht werden, die fest mit der Rotations- oder der Translationsachse bzw. einer Verlängerung dieser Achsen verbunden ist, aber eine translatorische und rotatorische Bewegung des Gliedes ermöglicht. Bei dieser Ausführungsform wird das parallel zur Rotationsachse geführte Glied entlang seiner Verschiebeachse angetrieben.

Der Zweck und besondere Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, daß bei einer Bewegung des Endeffektors durch das Parallelführungsgetriebe, d.h. bei einer Veränderung des Abstandes der Wirkachse des Endeffektors zur durch Verlängerung der Rotationsachse entstehenden Linie, der Längsversatz des Endeffektors in einer Richtung parallel zur Rotationsachse verkleinert wird, da sich der zwischen dem ersten und einem der weiteren Glieder liegende Drehpunkt im Parallelogramm gleichzeitig parallel zur Rotationsachse in Gegenrichtung des Versatzes bewegt. Dies ermöglicht es, die Translationsachse, die in erster Linie zum Ausgleich dieses Versatzes vorgesehen ist, und damit die Gesamtlänge der Werkzeugführung deutlich zu verkürzen. Dies hat bei den Anwendungsbereichen der engen Rohrleitungssysteme und den dort auftretenden Biegungen erhebliche Vorteile.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugführungssystems wird eine Düse als Endeffektor eingesetzt, deren Wirk- bzw. Strahlachse eine leichte Neigung zur Rotationsachse hin aufweist. Durch diese Neigung wird gewährleistet, daß die Begrenzungslinie des austretenden Strahls zur Rohrwandung hin parallel zur Rohrwandung verläuft. Die Neigung wird daher an den Öffnungswinkel des Strahlkegels der jeweiligen Düse angepaßt. In der Regel wird es sich hierbei um eine Neigung zwischen ca. 0,5° bis 3° handeln.

Das Trägerelement des Werkzeugführungssystems ist vorzugsweise mit ballonartigen Manschetten ausgestattet, die eine Bewegung des Trägerelementes in einem Rohr entlang der Vortriebsachse ermöglichen. Durch Aufblasen dieser Manschetten im Rohr mittels Druckluft wird eine zuverlässige Arretierung des Trägerelementes in dem Rohr erreicht, ohne die Rohrwandung zu beschädigen. Die Rotationsachse des Systems ist dabei so am Trägerelement angeordnet, daß sie im arretierten Zustand des Trägerelementes auf der zentralen Rohrhauptachse liegt.

Für den bevorzugten Einsatz des Werkzeugführungssystems in Rohren von maximal 150 mm Durchmesser wird eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der das System eine Länge von maximal 120 mm und einen maximalen Durchmesser von 80 mm aufweist. Dieser maximale Durchmesser muß allerdings nur in dem Zustand des Systems vorliegen, in dem die Wirkachse des Endeffektors auf der Rotationsachse liegt, im folgenden auch als Nullkonfiguration bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Werkzeugführungssystem mit eingesetztem Endeffektor bzw. Schneidwerkzeug ermöglicht das Schneiden von Hindernissen verschiedener Größen und Breiten, die den Kanal teilweise oder vollständig verstopfen, wie z.B. Wurzeleinwüchse, Stein- und Mauerteile, Holzteile, Metallstangen und – balken, Beton, große zurückgebliebene metallische Gegenstände, Erd- und Sandpfropfen.

Durch die besondere konstruktive Gestaltung des Werkzeugführungssystems läßt sich vorteilhaft eine Kamera zur Inspektion des Kanals an der Werkzeugführung anbringen.

Weitere Vorteile liegen in dem kleinen Bauraum des Systems in der Nullkonfiguration, bei der die Wirkachse auf der Rotationsachse liegt. In dieser Konfiguration kann das System bei Fortbewegung des Trägersystems durch Rohrsysteme geführt werden, deren Durchmesser in hohem Maße variieren. Andererseits steht bei fixiertem Trägersystem ein großer Arbeitsraum zur Verfügung.

Die parallele Strahlführung wird bis nahe an die Rohrwandung ermöglicht. Die Strahlachse kann bis zu einem Abstand von einem halben Durchmesser der Strahldüse an die Rohrwandung heran geführt werden.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Werkzeugführungssystems besteht die Möglichkeit, den Strahl von nahe der Rohrwandung bis auf die zentrale Rohrhauptachse, d.h. die Mittelpunktsachse des Rohrzylinders, und darüber hinaus zu führen. Der Arbeitsstrahl bleibt dabei stets parallel zu dieser Achse. Das Werkzeug bewegt sich hierbei auf einer Ebene, welche die Rohrhauptachse beinhaltet.

Aufgrund der Kraft- und Momentenverteilung ist es möglich, das Trägersystem problemlos geeignet zu fixieren. Dies ist gerade bei den in der Regel glatten Innenwänden der Rohre sehr wichtig, um die Sicherheit vor dem Abrutschen der Gerätearretierung an der Rohrwandung zu haben. Hierbei dürfen die Kräfte auf die Rohrwandung nicht zu groß sein, um diese nicht zu zerstören. Der Momentenverlauf ist für jeden Raumpunkt bekannt, bzw. deterministisch und leicht berechenbar.

Aufgrund des Arbeitsraums des Werkzeugführungssystems besteht die Möglichkeit, eine Stereokamera in Blickrichtung der Werkzeugdüse am Werkzeugkopf zu plazieren und somit durch die Möglichkeit der Beobachtung eine hohe Kontrolle und damit Genauigkeit des Arbeits- bzw. Schneidvorgangs zu erreichen. Die Kamera wird hierbei vorzugsweise unterhalb des Werkzeuges plaziert, da dort ausreichend Platz zur Verfügung steht.

Die Antriebe für die einzelnen Komponenten des Systems sind leicht zu realisieren, da aufgrund der Achsfolge Motoren konstruktiv günstig plaziert werden können. Der Antrieb der Bewegungsachse des Parallelführungsgetriebes kann z.B. als mit der Rotationsachse mitbewegter Zylinder realisiert werden. Die Antriebe für die Translationsachse und Rotationsachse sind anschaulich unproblematisch.

Durch die einfache kinematische Struktur und die geringe Anzahl aktiver Achsen ist das System leicht zu kalibrieren. Die Zuordnung zwischen kartesischem Koordinatensystem und Achsstellungen ist mathematisch einfach beschreibbar. Hierdurch besteht die Möglichkeit einer einfachen Steuerungsimplementierung.

Der Arbeitsraum des Systems ist für den Einsatzfall von Rohrleitungssystemen sehr günstig. Im Arbeitsraum ist sichergestellt, daß der Arbeitskopf bis zum Zielpunkt bewegt werden kann. Es treten keine Singularitäten im Arbeitsraum des Systems auf.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Strukturdarstellung (nach VDI 2861) eines Werkzeugführungssystems, das ein übliches Parallelführungsgetriebe aufweist;
2 ein Beispiel eines Werkzeugführungssystems mit der Struktur gemäß 1 in Nullkonfiguration (nicht maßstabsgetreu);
3 ein Beispiel eines Werkzeugführungssystems mit der Struktur gemäß 1 in einer möglichen Arbeitsstellung (nicht maßstabsgetreu); und
4 eine Strukturdarstellung (nach VDI 2861) einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugführungssystems.
Das erfindungsgemäße Werkzeugführungssystem weist eine kinematische Struktur auf, wie sie schematisch anhand eines nicht von der Erfindung beanspruchten Beispiels in 1 dargestellt ist.
Eine Rotationsachse 2 (A-Achse) und eine Translationsachse 1 (X-Achse) sind seriell hintereinander geschaltet. Die Rotationsachse 2 und die Translationsachse 1 liegen in diesem Beispiel auf einer Geraden. Mit der Rotationsachse 2 ist ein Parallelführungsgetriebe 3 fest verbunden. Das Parallelführungsgetriebe besteht in diesem Beispiel aus vier Gliedern (3a, 3b, 3c, 3d) die jeweils über ebene Drehgelenke miteinander verbunden sind und ein Parallelogramm aufspannen. Das Getriebe arbeitet nach einem vereinfachten Pantografen- Prinzip. Die effektortragende Komponente der Parallelführungs-Achse 4 (Q-Achse) des Getriebes verläuft parallel zur Rotationsachse. Die Rotationsachse wird aufgrund des Geräteträgersystems 5 parallel zur Rohrachse geführt.
Das Parallelführungsgetriebe trägt an seinem Glied 3b einen Endeffektor 6, beispielsweise in Form einer Hochdruckwasserstrahldüse, parallel zur Rotationsachse.
Die kinematische Abfolge der X-Achse und der A-Achse können selbstverständlich auch vertauscht werden.
Die Nullkonfiguration des Systems, wie sie anhand einer konkreten Ausgestaltung in 2 dargestellt ist, wird durch eine Stellung der Q-Achse definiert, bei der die Strahlaustrittsöffnung genau in der zentralen Rohrhauptachse liegt. Diese Stellung muß beim Betrieb des Systems erreichbar sein.
Wird ein Winkel von 90 Grad zwischen den Gliedern 3a und 3c bzw. 3b und 3d usw. des Parallelführungsgetriebes der Parallelachse angefahren, so wird der maximal bearbeitbare Rohrdurchmesser erreicht. Diese Winkelstellung muß, je nach Rohrdurchmesser, nicht in jedem Falle erreichbar sein. Der maximale Rohrdurchmesser, der mit dem Werkzeugführungssystem bearbeitet werden kann, wird durch die Länge der Glieder 3c und 3d in Verbindung mit der maximal einstellbaren Winkelstellung ( ≤ 90°) vorgegeben.
Die A-Achse läßt sich in einem vollen 360° Schwenkbereich bewegen, so daß sichergestellt ist, daß der gesamte Rohrquerschnitt bis auf einen schmalen Rand des Düsenhalbmessers sicher bearbeitet werden kann.
Die X-Achse gleicht die Bewegungen der Q-Achse in Rohrhauptachsenrichtung aus. Der Arbeitsweg der X-Achse muß so groß sein, wie der maximale Versatz der Q-Achse zuzüglich dem gewünschten Arbeitsraum.
Beispielsweise ist in diesem Zusammenhang auch eine direkte Kopplung des Antriebs des Parallelführungsgetriebes mit dem Antrieb der Translationsachse denkbar, um die Austrittsöffnung der Düse beim Betrieb des Parallelführungsgetriebes immer in der gleichen zur Rotationsachse senkrechten Ebene führen zu können.
Ein konkretisiertes Beispiel eines Werkzeugführungssystems mit der Struktur gemäß 1 ist in den 2 und 3 dargestellt. Für diese und die nachfolgenden Figuren werden die gleichen Bezugszeichen für die entsprechenden in 1 dargestellten Komponenten verwendet.
Hierbei zeigt 2 das System in einem Rohr 7 in der Nullkonfiguration. In dieser Konfiguration erfolgt der Vortrieb des Trägers 5 im Rohr 7. Hierbei liegt die Düse 6, die bei diesem Beispiel ein Glied (3b) des Parallelführungsgetriebes bildet, auf der zentralen Rohrhauptachse 7a. Der Träger weist in diesem Beispiel ballonartige Manschetten 5a, sogenannte Packer, auf, die durch Druckluft aufgeblasen werden und der Fortbewegung wie auch der Arretierung im Rohr 7 dienen. Das Trägersystem dient nur zur groben Positionierung des Werkzeuges im Rohrsystem. Die Feinpositionierung wird über die X-Achse vorgenommen.
Während der Fortbewegung im Kanal befindet sich das Werkzeugsystem in seiner Nullkonfiguration. Nach dem Arretieren des Trägersystems wird die Arbeitsdüse durch die Werkzeugführung bewegt.
Am Träger, dessen Gestell in den Figuren nicht dargestellt ist, sind die über einen Gewindespindel antrieb 1a verstellbare Translationsachse 1, die über einen Schwenkmotor 2a angetriebene Rotationsachse 2 und das Gestänge des Parallelführungsgetriebes 3 zu erkennen. Der Antrieb des Parallelführungsgetriebes kann beispielsweise durch einen mit der Rotationsachse mitbewegten Zylinder oder Gewindespindelantrieb realisiert werden.
Grundsätzlich lassen sich unabhängig von diesem Beispiel auch andere Antriebe für die einzelnen Komponenten des Werkzeugführungssystems einsetzen, da es sich jeweils nur um einfache rotatorische oder translatorische Bewegungen handelt, die erzeugt werden müssen.
3 zeigt die gleiche Anordnung in arretierter Stellung an einer Erweiterung des Rohres 7. Hierbei wird sehr gut die ausgefahrene Stellung des Parallelführungsgetriebes verdeutlicht, bei der der Strahl sehr nahe an der Rohrwandung geführt werden kann.
Eine in den 2 und 3 dargestellte leichte Neigung der Düse (nach unten) gleicht die Strahlstreuung nach dem Austritt aus der Düse aus. Prinzipiell folgt der Schneidstrahl parallel der Rohrwandung.
Das erfindungsgemäße Werkzeugführungssytem, das mit Ausnahme des Parallelführungsgetriebes wie in den 2 und 3 realisiert werden kann, weist ein Parallelführungsgetriebe auf, wie es in 4 dargestellt ist.
Hierbei wird der bodenseitige Drehpunkt (zwischen den Gliedern 3a und 3c bzw. 3a und 3d) mittels zweier Führungen 8a und 8b translatorisch bewegbar gelagert.
Der Antrieb des Parallelführungsgetriebes erzeugt eine translatorische Bewegung in Richtung der Rohrhauptachse an dieser Stelle. Eines der bewegten Glieder bzw. Parallelogrammachsen (3c, 3d) wird durch eine drehbare Führung 9 unterstützt, die fest mit der Rotationsachse verbunden ist.
Der Vorteil dieser Anordnung beruht darin, daß hierdurch der Werkzeugkopf bzw. Endeffektor während der Verstellung durch das Parallelführungsgetriebe einen kleineren Hub in Rohrhauptachsenrichtung aufweist, der eine verkürzte Bauweise der Translationsachse ermöglicht.
Die Kinematik des erfindungsgemäßen Werkzeugführungssystems ermöglicht eine parallel zum Rohr verlaufende Führung eines Strahlwerkzeuges in röhrenförmigen, u.U. stark im Durchmesser variierenden, Arbeitsräumen im Durchmesser von typischerweise 150 mm und darunter. Selbstverständlich kann das System auch für größere Durchmesser ausgelegt werden.
Als Strahlwerkzeuge kommen Hochdruckwasser und Wasserabrassivstrahl zum Einsatz.

Claims

Werkzeugführungssystem mit einer Anordnung aus einer Translationsachse (1), einer Rotationsachse (2) und einem Parallelführungsgetriebe (3), die eine offene kinematische Kette bilden, und mit einem oder mehreren Antrieben für die Anordnung, wobei – das Parallelführungsgetriebe (3) ein Endglied der kinematischen Kette bildet, – die Translationsachse (1) und die Rotationsachse (2) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, und – das Parallelführungsgetriebe (3) aus zumindest vier über ebene Drehgelenke miteinander verbundenen Gliedern (3a-3d) besteht, die ein Parallelogramm bilden, und einen Endeffektor (6) oder eine Halterung für einen Endeffektor trägt, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes (3a) der vier Glieder des Parallelführungsgetriebes (3), gegebenenfalls über ein Zwischenelement, derart mit der Rotations- oder der Translationsachse verbunden ist, daß es mit seiner Längsachse eine Translationsbewegung parallel zur Rotationsachse (2) ausführen kann, das zu dem ersten Glied (3a) parallele Glied (3b) den. Endeffektor (6) oder dessen Halterung derart trägt, daß eine Wirkachse des Endeffektors (6) im wesentlichen parallel zur Rotationsachse (2) verläuft, und ein weiteres (3c, 3d) der vier Glieder in einer drehbaren Führung (9) geführt wird, die fest mit der Rotations- oder der Translationsachse verbunden ist, wobei das erste Glied (3a) für die Translationsbewegung entlang seiner Längsachse angetrieben wird.
Werkzeugführungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Translationsachse (1) auf einer durch Verlängerung der Rotationsachse (2) entstehenden Linie liegt.
Werkzeugführungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Endeffektor (6) eine Düse für einen Hochdruckwasserstrahl oder einen Abrassivstrahl ist.
Werkzeugführungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkachse der Düse (6) eine leichte Neigung zur Rotationsachse (2) hin aufweist, so daß eine Begrenzungslinie des austretenden Strahls parallel zur Rotationsachse (2) verläuft.
Werkzeugführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellweg der Translationsachse (1) zumindest dem maximalen Versatz des Endeffektors (6) in Richtung der Translationsachse (1) entspricht, den dieser beim Betrieb des Parallelführungsgetriebes (3) erfährt.
Werkzeugführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Translationsachse (1) über eine Gewindespindel (1a) realisiert ist.
Werkzeugführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Rotationsachse (2) über einen Schwenkmotor (2a) realisiert ist.
Werkzeugführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Parallelführungsgetriebes (3) durch einen mit der Rotationsachse (2) mitbewegten Zylinder realisiert ist.
Werkzeugführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Parallelführungsgetriebes (3) durch einen mit der Rotationsachse (2) mitbewegten Gewindespindelantrieb realisiert ist.
Werkzeugführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung an einem Trägerelement (5) befestigt ist, wobei die Rotationsachse (2) im wesentlichen parallel zu einer Vortriebsachse des Trägerelements (5) verläuft.
Werkzeugführungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (5) mit ballonartigen Manschetten (5a) ausgestattet ist, die eine Bewegung des Träger elementes (5) in einem Rohr (7) entlang der Vortriebsachse und eine Arretierung des Trägerelementes (5) in dem Rohr (7) ermöglichen.
Werkzeugführungssystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse (2) so im Trägerelement (5) angeordnet ist, daß sie bei Arretierung der Trägerelementes in einem Rohr auf der zentralen Rohrhauptachse (7a) liegt.
Werkzeugführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (5) oder die Anordnung eine Kamera trägt.
Werkzeugführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, das eine Länge von maximal 120 mm und einen maximalen Durchmesser von 80 mm aufweist.