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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verfahren eines Arbeitskopfes
im Raum nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gegenstand
der Erfindung
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Werkstücke werden
heutzutage häufig
vollautomatisch mittels CNCgesteuerten Maschinen bearbeitet. Hierzu
ist es in der Regel notwendig, einen Arbeitskopf in alle drei Raumrichtungen
verfahren zu können,
und es ist häufig
weiterhin notwendig den Arbeitskopf zusätzlich entlang zweier Achsen
drehbar oder schwenkbar anzuordnen. Um dies zu erreichen sind in
der Technik zwei grundlegend verschiedene Konzepte bekannt:
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Bei
einer Klasse solcher Vorrichtungen wird das Ende einer Säule mittels
dreier orthogonal zueinander stehenden Laufbahnen im Raum bewegt.
An ihrem Ende ist in der Regel ein Drehgelenk angeordnet, dessen
Achse parallel zur Säule
steht. An dieses Drehgelenk schließt sich ein Gabelkopfgelenk
an, dessen Drehachse senkrecht zu der Drehachse des Drehgelenks
steht. An diesem Gabelkopf ist schließlich der betreffende Arbeitskopf
angeordnet. Der Arbeitskopf kann also kartesisch im Raum verschoben werden
und weiterhin im Raum orientiert werden, wobei jedoch der Schwenkwinkel
des Gabelkopfgelenkes häufig
auf ca. 180° begrenzt
ist.
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Der
Arbeitskopf weist also 5 Freiheitsgrade auf, drei transitorische
und zwei rotatorische. Die Freiheitsgrade sind vollständig voneinander
entkoppelt, was die Steuerung der Vorrichtung relativ einfach macht.
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Neben
dieser relativ einfachen Steuerung haben Vorrichtungen dieser Art
noch den weiteren Vorteil, dass nahezu beliebige Volumina überspannt werden
können,
so dass auch sehr große
Werkstücke
bearbeitet werden können.
Dieses ist insbesondere dann möglich,
wenn die entsprechende Vorrichtung nach Art eines Portalroboters
aufgebaut ist.
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Neben
diesem Vorteil haben dererlei Vorrichtungen natürlich auch Nachteile, von denen
für das Folgende
insbesondere zwei von Bedeutung sind. Um die Säule, welche das Drehgelenk
trägt,
hinreichend stabil gegen auftretende Querkräfte zu machen, muss diese in
der Regel relativ stark dimensioniert werden, was natürlich zu
einer entsprechend hohen Masse führt.
Da diese Säule
natürlich
während
des Betriebs verfahren werden muss (sie dient idR als Z-Achse) müssen entsprechend
große
Massen beschleunigt werden, was die bekannten Nachteile hinsichtlich
der Dimensionierung der Motoren und der maximal erreichbaren Arbeitsgeschwindigkeit
hat.
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Weiterhin
versperrt die Z-Säule
den direkten Zugang zum Arbeitskopf. Dies kann in zahlreichen Anwendungsfällen sehr
hinderlich sein, z.B. dann, wenn dem Arbeitskopf ein Laserstrahl
zugeführt
werden soll, der dann über
ein Spiegelsystem auf das Werkstück
gelenkt wird, oder wenn an den Arbeitskopf eine Hochdruckleitung
beispielsweise zur Versorgung mit Farbe, Kunststoff oder Wasser
angeschlossen werden soll.
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Weiterhin
sind sogenannte Multipoden, insbesondere Hexapoden bekannt. Hier
sind 6 Stäbe
an einem Grundelement schwenkbar und verschieblich angeordnet. Die
Enden dieser Stäbe
sind wiederum beweglich mit einem gemeinsamen Befestigungselement
verbunden, welches wiederum den Arbeitskopf trägt. Ein solcher Hexapod ist
bspw. in der
DE 196
49 082 C1 beschrieben.
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Hexapoden
sind zwar steuerungstechnisch schwieriger zu beherrschen, haben
jedoch den Vorteil von sehr großer
mechanischer Stabilität
bei geringer Masse. Weiterhin ist der vom Hexapod bewegte Arbeitskopf
idR sehr gut auf direkter Mittellinie erreichbar. Ein für viele
Anwendungen erheblicher Nachteil von Multipoden ist, dass das mit
Ihnen erreichbare Volumen relativ klein ist, was dazu führt, dass
sie zur Bearbeitung großer
Werkstücke
nicht eingesetzt werden können.
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Für einige
Spezialanwendungen sind Vorrichtungen bekannt geworden, die das
Multipoden-Prinzip mit dem Prinzip einer kartesisch/rotatorisch
arbeitenden Maschine verbinden. In der
DE 43 06 332 A1 ist bspw.
eine Vorrichtung beschrieben, die zum Wechseln von Meß- und/oder
Probesonden dient. Diese Vorrichtung weist einen Drehteller auf,
in dem eine Antriebseinheit über
zwei Teleskopbeine schwenkbar angeordnet ist. Der Drehteller ist
in einer Längsrichtung
verschiebbar.
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Aus
der
DE 196 40 769
A1 ist ein kugelartig aufgebauter Hexapod bekannt. In dieser
Druckschrift wird u. a. vorgeschlagen diesen Multipoden mit einem
weiteren linearen oder rotatorischen Freiheitsgrad zu versehen.
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Gegenstand
der Erfindung
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe die Erfindung eine Vorrichtung
zum Verfahren eines Arbeitskopfes im Raum zu schaffen, die die Vorteile
einer oben dargestellten kartesisch/rotatorischen Maschine insbesondere
hinsichtlich des großen überspannbaren
Volumens erhält,
jedoch einen leichten direkten Zugang zum Arbeitskopf ermöglicht.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es die zu beschleunigende Masse
zu verringern, ohne mechanische Stabilität einzubüßen.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine Plattform auf, die in einer ersten Ebene 2-dimensional
bewegbar angeordnet ist. Diese ist in der Regel die horizontale
X–Y Ebene.
Dies kann nach Art eines Portalroboters geschehen, so dass die überstreichbare
Fläche
praktisch beliebig groß gewählt werden
kann. Diese Plattform trägt
ein um eine Drehachse drehbares Drehelement, an welchem wiederum
ein Multipod befestigt ist, welcher wiederum einen Arbeitskopf oder
eine Montagevorrichtung für
einen Arbeitskopf trägt.
Dieser Multipod ist dafür
zuständig, den
Meßkopf
in der dritten Raumrichtung, idR die Z-Richtung, zu verschieben
und wenigstens entlang einer Achse zu verschwenken.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung wird
der besondere Vorteil einer klassischen kartesisch/rotatorischen
Vorrichtung erhalten, es bleibt nämlich die Möglichkeit erhalten, nahezu
beliebig große
Werkstücke
zu bearbeiten. Dadurch, dass die direkte Anbindung an den Arbeitskopf
bzw. dessen Montagevorrichtung über
einen Multipoden erfolgt, kann zum einem der direkte Zugang zum
Arbeitskopf freigehalten werden, was, wie bereits oben dargestellt,
in einigen Anwendungsfällen
erhebliche Vorteile bietet. Weiterhin können wenigstens bezüglich zweier
Freiheitsgrade die Vorteile ausgenützt werden, die ein Multipod
bezüglich
des Verhältnisses zwischen
Masse und mechanischer Stabilität
aufweist.
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Nach
Anspruch 2 kann die Bewegung der Plattform mit Hilfe eines Portalroboters
ausgeführt werden,
wobei die Bewegungsebene der Plattform vorzugsweise eine horizontale
Ebene ist.
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Die
Ansprüche
3 – 5
geben eine besonders bevorzugte Ausführungsform an, bei der der
Multipod kinematisch ein Dipod ist, aus Gründen der Statik jedoch als
Tripod aufgebaut ist. Hierbei steht eine erste Stange in einem fixen
Winkel zum Drehelement, vorzugsweise in einem rechtem Winkel. Im
Verhältnis zum
Drehelement kann diese erste Stange also nur eine reine Axialbewegung
durchführen.
Die beiden anderen Stangen sind symmetrisch angeordnet und sorgen
für die
Verkippung des Arbeitskopfes bzw. dessen Montagevorrichtung entlang
einer Achse, die vorzugsweise senkrecht zur Drehachse des Drehelementes
steht. Weiterhin stehen vorzugsweise die Richtung der ersten Linearbewegung
(Y-Richtung), die Richtung der zweiten Linearbewegung (x-Richtung) und die
Drehachse des Drehelementes jeweils orthogonal zueinander.
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Nach
Anspruch 6 überragt
die erste Laufbahn die zweite Laufbahn seitlich, wodurch es möglich wird,
den gesamten Arbeitsbereich, der zwischen den zweiten Laufbahnen
aufgespannt ist, zugänglich zu
machen.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf
die beigefügten
Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 die
Teilansicht T aus 1,
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3 eine
Prinzipdarstellung der Lagerung der ersten Stange im Drehelement
im Querschnitt,
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4 eine
Prinzipdarstellung der Lagerung einer zweiten Stange im Drehelement
im Querschnitt,
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5 eine
vergrößerte Teilansicht
aus 1.
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1 zeigt
eine vereinfachte Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Ein Drehelement in Form eines Drehtellers 40 ist
an einer ersten Laufbahn 10 horizontal verschieblich gelagert (Y-Richtung).
Mittels zweier Vertikalstreben 11, 12 ist die
erste Laufbahn 10 in einer zweiten Richtung (X-Richtung)
verschieblich auf den beiden zweiten Laufbahnen 20 gelagert,
wobei die beiden Laufrichtungen vertikal zueinander stehen. Dieser
Aufbau entspricht dem eines in der Technik bekannten Portalroboters
und es wird dadurch erreicht, das die Plattform 30 in der
horizontal liegenden X–Y
Ebene verfahren werden kann. Die entsprechenden Elektromotoren,
die zur Durchführung
der Bewegungen notwendig sind, sind in 1 nicht
dargestellt.
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In
der Plattform 30 ist ein mittels eines Elektromotors (nicht
dargestellt) drehbarer Drehteller 40 gelagert, dessen Drehachse
senkrecht zu den beiden oben dargestellten Bewegungsrichtungen ist.
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Am
Drehteller 40 sind drei Stangen jeweils verschieblich angeordnet.
Es handelt sich hierbei um die Vertikalstange 52 und die
beiden Schrägstangen 54,55.
Die Stangen erstrecken sich jeweils im Wesentlichen nach unten und
die Enden der Stangen 52, 54 und 55 sind
gelenkig mit der Montagevorrichtung 60 verbunden, siehe 2.
Auf die Montageeinrichtung 60 und deren Verbindung mit
den Stangen 52, 54, 55 wird später genauer
eingegangen, zunächst
wird die Lagerung der Stangen 52, 54, 55 im Drehteller 40 mit
Bezug auf die 3 und 4 näher erläutert:
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In 3 ist
die Lagerung der Vertikalstange 52 im Drehteller 40 schematisch
in einem Querschnitt dargestellt. Im Drehteller 40 ist
eine erste Lagerhülse 42 starr
eingebaut. Die Achse dieser Lagerhülse erstreckt sich parallel
zur Drehachse des Drehtellers 40. In dieser ersten Lagerhülse 42 ist
die Vertikalstange 52 verschiebbar angeordnet, so dass
diese eine Bewegung in Z-Richtung
durchführen
kann. Die Ansteuerung der Vertikalstange 52 kann bspw.
mittels eines Elektromotors M geschehen, der über ein Zahnrad Z in eine Zahnung 52a der
Vertikalstange 52 eingreift.
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Die 4 zeigt
die Lagerung der Schrägstangen 54,
55 im Drehteller 40. Diese Lagerungen sind jeweils
gleich aufgebaut, da auch die beiden Schrägstangen 54, 55 symmetrisch
bzgl. der Vertikalstange 52 angeordnet sind und auch synchron
betrieben werden. Die beiden Schrägstangen 54, 55 sind
auch jeweils mittels einer Hülse
(zweite Hülse 44)
gelagert, wobei die jeweilige Schrägstange bzgl. dieser zweiten
Lagerhülse 44 eine
Axialbewegung durchführen
kann. Im Gegensatz zur Lagerung der Vertikalstange 52 ist
die zweite Lagerhülse 44 jedoch nicht
starr mit dem Drehteller 40 verbunden, sondern über eine
Schwenkplatte 45 kardanisch mit dem Drehteller 40 verbunden.
Das Kardangelenk selbst ist in 4 nicht
dargestellt. Durch diese kardanische Aufhängung können die Schrägstangen 54, 55 jeweils
in beliebiger Richtung bezüglich
des Drehtellers 40 verschwenkt werden. Der Antrieb der
Schrägstangen
erfolgt auch hier jeweils über
einen Elektromotor M, der so angeordnet ist, dass er die Kippbewegungen
der Schrägstangen
mitmacht. Die Notwendigkeit der kardanischen Lagerung der Schrägstangen 54, 55 erkennt
man, wenn man 2 betrachtet:
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Die
Vertikalstange 52 ist über
ein erstes Gelenk 66 mit dem L-förmigen Verbindungsbügel 64 der Montagevorrichtung 60 verbunden.
Die Schwenkachse dieses ersten Drehgelenkes 66 liegt in
der Horizontalebene. Durch die Axialverschiebungen der Vertikalstange 52 wird
die Z-Position der Montagevorrichtung 60 verändert. Die
beiden Schrägstangen 54, 55 müssen diese
Bewegung mitmachen, wodurch sich natürlich deren Winkel bzgl. des
Drehtellers 40 verändert.
Um dies auszugleichen ist die oben erwähnte kardanische Aufhängung notwendig.
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Die
beiden Schrägstangen 54, 55 sind über zweite
Gelenke 67 mit dem Verbindungsbügel 64 verbunden.
Diese zweiten Gelenke 67 dürfen keine starren Achsen aufweisen
und können
bspw. in Form von Kugelgelenken ausgeführt sein. Durch ein synchrones
Verschieben der beiden Schrägstangen 54, 55 wird
die Montagevorrichtung 60 in einer Vertikalebene verschwenkt.
Insgesamt werden also die geforderten 5 Freiheitsgrade erzielt.
Bei geeigneter Di mensionierung der Bauteile kann ein Schwenkbereich
von deutlich mehr als 180° erzielt
werden.
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Die
3-beinige Ankopplung der Montagevorrichtung 60, an deren
Montageabschnitt 62 ein beliebiger Arbeitskopf, bspw. ein
Fräskopf,
ein Sprühkopf, ein
Laserbearbeitungskopf, ein Wasserschneidekopf u.s.w. angekoppelt
werden kann, hat insbesondere folgende Vorteile:
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Zunächst wird
die Mittelachse die sich vom Drehteller 40 zum Arbeitskopf
erstreckt, freigehalten. Dies ist dann sehr hilfreich, wenn dem
Arbeitskopf bspw. ein Laserstrahl oder Flüssigkeit unter hohem Druck
mittels eines Druckrohres zugeführt
werden muss. Hier wäre
es bspw. auch denkbar in einer speziell geformten Montagevorrichtung
eine zentrale Durchbrechung vorzusehen, durch die das gewünschte Medium
unmittelbar dem Arbeitskopf zugeführt werden kann und eine Umlenkung
nur noch in der einen Schwenkebene zu erfolgen braucht.
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Weiterhin
ist die hier vorgeschlagene Anordnung bei geringen Gewicht sehr
stabil gegen Querkräfte,
so dass ohne Präzisionsverlust
nur relativ geringe Massen beschleunigt werden müssen, wodurch zum einen die
entsprechenden Stellmotoren klein dimensioniert werden können und
weiterhin eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit ermöglicht wird. Um eine weitere
Gewichtsreduzierung zu erzielen, ist es denkbar, die Stangen aus
Kohlefaser oder einem faserverstärktem
Kunststoff zu fertigen.
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Die
Anordnung einer der Stangen in einem festen Winkel, vorzugsweise
dem rechten Winkel, bezüglich
des Drehtellers 40 hat insbesondere zwei Vorteile. Zum
einen kann somit eine Kollision einer der Stangen mit dem zu bearbeitenden
Werkstück zuverlässig verhindert
werden. Wenn alle drei Stangen kardanisch aufgehängt wären, was auch möglich ist,
und in bestimmten Anwendungsfällen
auch Vorteile bringen kann, nämlich
dann, wenn ein sechster Freiheitsgrad benötigt wird, müsste beim
Verfahren des Arbeitskopfes stets beachtet werden, dass keine der
Stangen mit dem Werkstück
kollidiert. Dies wäre regelungstechnisch
sehr schwierig. Im hier dargestellten Beispiel muss lediglich darauf
geachtet werden, dass immer die Vertikalstange in Richtung des Werkstückes zeigt.
Dies ist einfach.
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Weiterhin
wird die Regelung auch insgesamt einfacher, da eine Verschiebung
der Vertikalstange genau der z-Bewegung des Arbeitskopfes entspricht.
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- 10
- erste
Laufbahn
- 11,12
- Vertikalsstreben
- 20
- zweite
Laufbahn
- 30
- Plattform
- 40
- Drehteller
- 42
- erste
Lagerhülse
- 44
- zweite
Lagerhülse
- 45
- Schwenkplatte
- 52
- Vertikalstange
- 54
- erste
Schrägstange
- 55
- zweite
Schrägstange
- 60
- Montagevorrichtung
- 62
- Montageabschnitt
- 64
- Verbindungsbügel
- 66
- erstes
Gelenk
- 67
- zweites
Gelenk