DE2732559A1

DE2732559A1 - Kurvensystem

Info

Publication number: DE2732559A1
Application number: DE19772732559
Authority: DE
Inventors: Peter Popper
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1976-07-22
Filing date: 1977-07-19
Publication date: 1978-01-26
Also published as: JPS5324954A; US4140024A

Description

Kurvensystem

Die Erfindung betrifft ein dreidimensionales Kurvensystem mit einem elastomeren FUhrungslager und einer Formstange.

Es ist häufig wichtig, Bewegung in einem dreidimensionalen Muster zu übertragen. Wenn eine solche Bewegung wiederholt übertragen werden soll, z.B. in einem automatisierten Prozeß ist es oft notwendig, einen Nocken oder ein Nockensystem einzusetzen, das eine einfache Bewegung beispielsweise eines gleitenden oder rotierenden Elementes in die gewünschte komplexere Bewegungsform umwandelt. Es können mehrere zusammenwirkende Nocken erforderlich sein, um diese Aufgabe zu erfüllen und sie müssen komplizierte Formen aufweisen. Die Umwandlung einer einfachen Bewegung in eine komplexere Bewegung bedeutet daher zur Zeit ein schwieriges Problem.

Bekannt ist es, ein federndes oder elastisches Lager bzw. eine entsprechende Führung für ein bewegliches Teil zu verwenden. Etwas derartiges ist in den US-Patenten 2 3^7 885 (Crickmer), 3 o46 062 (Wettstein) und 3 I85 531 (Modrey) beschrieben. Es findet sich Jedoch im Stande der Technik kein Vorschlag dahingehend, daß eine Kombination eines elastomeren Führungslagers und einer Formstange in einem Kurvensystem zur Umwandlung einer einfachen Bewegung in eine komplexe dreidimensionale Bewegung zweckmäßig wäre. Eine Fülle von möglichen Anwendungen der einfachen Vorrichtungen zur Durchführung dieser Aufgabe sind denkbar.

Gemäß der Erfindung besteht ein Kurvensystem aus einer Kombination wenigstens eines Teiles, das die gewünschte Bewegung programmiert und wenigstens eines anderen Teiles, das mit dem Steuerteil bei der Übertragung der gewünschten

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Bewegung zusammenwirkt. Bei einem üblichen Nockensystem würde eine solche Kombination einen Nocken und einen Nockenstößl aufweisen.

Ein Kurvensystem zur Umwandlung einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Bewegung in eine dreidimensionale Bewegung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch folgende Kombination:

a) ein elastisch verformbares Führungslager

b) eine Halterung, die das Führungslager aufnimmt und seine Ausrichtung verändern kann und

c) eine im wesentlichen starre Formstange, die von dem Führungslager abgestützt gehalten ist, wobei die Formstange und das Führungslager relativ zueinander bewegbar sind und die Formstange und/oder die Halterung mit einer Quelle der umzuwandelnden eindimensionalen oder zweidimensionalen Bewegung verbunden ist und die Formstange oder die Halterung so festgehalten ist, daß sie nur zwei Rotations-Freiheitsgrade hat und wobei die Berührungszone zwischen Formstange und Führungslager geschmiert ist bzw. einen verhältnismäßig geringen Reibungskoeffizienten aufweist.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine an einem Ende festgehaltene Formstange durch eine elastische Führung bewegt wird.

Fign. 2a bis 2d zeigen schematisch vier Arten erfindungsgemäßer Kurvensysteme.

Fign. 3a bis 3d sind schematische Ansichten der Bewegungsfolge einer Formstange, die einer linearen Eingangsbewegung unterworfen ist.

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Fign. 4a bis 4d veranschaulichen schematisch die Bewegungsfolge einer Formstange, die einer kreisförmigen Eingangsbewegung unterworfen ist.

Fign. 5a und 5b zeigen eine Einzelheit einer AusfUhrungsform der Erfindung in vergrößertem Maßstab.

Fig. 6 ist eine schematische Ansicht der Formstange in einem Koordinatensystem und

Fig. 7 zeigt schematisch die Formstange und das elastomere FUhrungslager in einem Koordinatensystem.

Ein kennzeichnendes Kurvensystem gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform wird einem Ende einer Formstange 1 von einem Kolben 2,der sich in einem pneumatischen Zylinder j5 bewegt, eine Verschiebebewegung aufgeprägt, wobei der Kolben 2 und die Formstange 1 mittels eines üblichen Universalgelenkes 4 miteinander verbunden sind. Der Kolben 2 kann sich überhaupt nicht drehen. Die Formstange 2 wird von einem FUhrungslager 5 gehalten, das von einer Halterung 6 getragen wird. Der Weg des Endpunktes der Formstange ist gestrichelt wiedergegeben.

Das Universalgelenk 4 ist von einem Kreis umschlossen in vergrößertem Maßstab dargestellt und zur besseren Veranschaulichung wurde der öffnungswinkel etwas vergrößert und es erfolgte eine leichte Drehung aus der Ebene der Gesamtdarstellung der Fig. 1.

Obwohl bei der Vorrichtung nach Fig. 1 ein stationäres Führungslager und eine bewegte Formstange verwendet werden, sind auch andere Alternativen möglich. Vier dieser Möglichkeiten sind schematisch in den vier Zeichnungen der Fig. 2a, 2b, 2c, 2d wiedergegeben. Die erste Ausführung nach Fig. 2a

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ist wie bei Fig. 1 mit einer stationären Halterung 6 für das Führungslager und mit einer bewegten Formstange 1 versehen. Die Formstange 1 ist über ein AnschlußstUck 4 mit einer nicht gezeichneten Quelle einfacher Eingangsbewegung verbunden. Da die Formstange 1 sich durch das FUhrungslager verschiebt, bewegt sich sein Ende W in einem dreidimensionalen Muster und diese Bewegung kann für nützliche Arbeit ausgenutzt werden. In dem Schema der Fig. 2b ist die Formstange 1 Über ein Anschlußstück: 4 an eine stationäre Stütze angeschlossen. Die Halterung 6 für das Führungslager wird der durch Pfeile angedeuteten Eingangsbewegung unterworfen. Das freie Ende der Formstange 1 bewegt sich in einem dreidimensionalen Muster. Die Anordnung nach Fig. 2c unterscheidet sich von den ersten beiden dadurch, daß hier die Formstange 1 an beiden Enden festgehalten ist. Die Halterung 6 ist über ein Anschlußstück 4 mit der Quelle der Eingangsbewegung verbunden, während der Punkt W an der Halterung 6 sich in einem dreidimensionalen Muster bewegt und während dieses Weges Arbeit verrichtet. Bei der letzten AusfUhrungsform nach Fig. 2d ist die Halterung 6 mit einem Ende über das AnschlußstUck 4 an eine stationäre Stütze angesetzt, während der Punkt W eine dreidimensionale Bewegung vollführt, wenn die Formstange 1 sich in Richtung der Pfeile durch das FUhrungslager 5 bewegt.

Fign. 3a bis 3b zeigen schematisch die Bewegungsfolge der einer linearen Bewegung X ausgesetzten Formstange 1. Die Stange bewegt sich durch ein stationäres Führungslager gemäß Fign. 1 und 2a. Es ist ersichtlich, daß der freie Endpunkt der Formstange einem komplexen Muster folgt.

Während eine eindimensionale Bewegung eine geradlinige Verschiebebewegung ist, kann eine zweidimensionale Bewegung Jede andere planare Bewegung sein, z.B. kreisförmig, elliptisch,

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dreieckig, rechteckig oder unregelmäßig. Die einfachste zweidimensionale Bewegung verläuft kreisförmig.

Fign. 4a bis 4d zeigen schematisch die Bewegungsfolge der Formstange 1, die an einem Ende einer Kreisbewegung ausgesetzt wird. Der freie Endpunkt der Stange folgt einem komplexen Muster.

Das Führungslager, das einen der wichtigen Bestandteile der erfindungsgemäßen Kombination darstellt, muß elastische Verformungen zulassen, damit eine geformte, gebogene oder ge- krümmte Stange sich frei hindurchbewegen kann. Diese elastische Verformbarkeit wird dadurch erreicht, daß das Führungslager 5 aus geeignetem Material, z.B. einem Elastomer oder verarbeitetem Federdraht hergestellt ist. Jedes Elastomer, das ausreichende mechanische Festigkeit, Haltbarkeit und Schmier mittelbeständigkeit aufweist, kann für diesen Zweck verwen det werden, z.B. verschiedene Fluor-Elastomere, die unter den Warennamen Viton und Fluorel gehandelt werden, Polychloropren (Neopren' ), Kohlenwasserstoffpolymerisate wie z.B. Äthylen-/Propylencopolymere und Terpolymere mit nicht konjugierten Dienen, Polyurethane, sulfoniertes Polyäthylen und Silicon-Kautschuk. FUhrungslager können aus Federdraht in beliebiger Weise z.B. gemäß US-PS 2 3^7 885 (Crickmer) hergestellt sein.

Es ist klar, daß die Relativbewegung einer Formstange und eines Führungslagers, von denen ein Teil nur zwei Freiheitsgrade zur Rotation hat, das FUhrungslager zur Veränderung seiner Ausrichtung zwingt. Deshalb ist es erforderlich, das FUhrungslager in einer Halterung anzuordnen, die dem FUhrungslager die Einnahme der erforderlichen Ausrichtung ermöglicht. Dies läßt sich auf jede geeignete Weise erzielen. Z.B. kann

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die Halterung selber aus einem Elastomer oder Federdraht hergestellt und einstückig mit dem FUhrungslager ausgebildet sein. Alternativ kann die Halterung aus starrem Material, z.B. Metall wie Stahl oder Aluminium gefertigt sein. In diesem Fall ist es zweckmäßig, die Halterung in einer Schwenk- oder Kugellagereinrichtung anzuordnen.

Fig. 5 zeigt eine Einzelheit eines elastomeren Führungslagers 5, das mittels einer Kugelverbindung 7 in einer Halterung gelagert ist. Fig. 5b zeigt, daß das Führungslager durch die Hindurchbewegung einer gebogenen Formstange 1 sowohl verformt als auch umgelenkt wird.

Im allgemeinen ist entweder die Formstange oder die Halterung für das Führungslager an einem Ende festgelegt und am anderen Ende frei. Das festgelegte Ende wird über ein Anschlußstück mit einem Antriebsmechanismus verbunden, der die Eingangsbewegung erzeugt. Hierfür kann z.B. ein hydraulischer oder pneumatischer Zylinder, ein Zahnradsystem, eine Kurbel oder eine ähnliche Vorrichtung verwendet werden. Als Anschlußstück kann jede Art von Universalgelenken einschließlich solcher, die auf ungerichtete Weise arbeiten oder eine flexible Kupplung dienen.

Aufgabe des Anschlußstückes ist es, die Relativbewegung von Formstange und elastischem Führungslager zu steuern. Das Anschlußstück ist mit einem Ende mit der Formstange oder der Halterung für das Führungslager verbunden und mit dem anderen Ende entweder an die Quelle der Eingangsbewegung oder an eine feste Stütze angeschlossen. In jedem Falle ermöglicht es der Formstange bzw. der Halterung für das FUhrungslager geeignete Stellungen einzunehmen, verhindert Jedoch Drehung der Teile. Während ein Universalgelenk als AnschlußstUck

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geeignet ist, kann ein Kugelgelenk nicht verwendet werden.

Jede mit Jedem Punkt auf dem beweglichen Teil (Formstange oder Halterung für das Führungslager) verbundene Vorrichtung kann zur Durchführung nützlicher Arbeit, z.B. der Beförderung eines Gegenstandes aus einer Stellung in eine andere ausgenutzt werden. Z.B. kann das freie Ende einer bewegten Formstange eine Farbspritzdüse halten, die zum Farbspritzen eines dreidimensionalen Gegenstandes dient.

Die Formstange selbst ist vorteilhaft im wesentlichen starr, so daß sie dem aufgezwungenen Bewegungsmuster in reproduzierbarer Weise folgt. Wenn sich Jedoch die Reproduzierbarkeit der Bewegung mit einer etwas flexiblen Formstange erreichen läßt, ist eine vollständige Starrheit nicht erforderlich. Am zweckmäßigsten ist es, die Formstange aus einem Metall herzustellen, z.B. aus Eisen, Stahl, Kupfer, Messing, Bronze, Nickel und vielen anderen. Auch Kunststoffmaterialien sind geeignet. Diese umfassen alle diejenigen sowohl wärmehärtbaren als thermoplastischen Kunststoffe, die sich leicht formen lassen, gegen Verformung und Verschleiß mechanisch widerstandsfähig sind und einen ausreichend hohen Schmelzpunkt haben, so daß sie durch Reibung während des Betriebes des Kurvensystems nicht nachteilig beeinflußt werden. Derartige Kunststoffe enthalten Polystyrol, Phenol-Formaldehyd und Melamin - Formaldehydharze, Nylon, Polykarbonate und Polytetrafluorethylen. Ein Fachmann kann geeignete Materialien zur Herstellung sowohl der Formstange als auch des Führungslagers für Jeden besonderen Anwendungszweck auswählen. Dabei sind z.B. die Arbeitsgeschwindigkeit, die Verstellänge, die Temperatur entlang der Berührungsfläche zwischen Führungslager und Formstange sowie die Art der Eingangsbewegung zu berücksichtigen.

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Wichtig ist das Erfordernis der Verringerung der Reibung zwischen dem FUhrungslager und der Formstange. Dieses Ziel läßt sich durch gründliche Schmierung der Berührungszone entweder mit einem öl oder einem anderen Schmierfett erreichen. Das Schmiermittel kann auch in die Fläche des Führungslagers oder der Formstange eingeschlossen sein. Auch kann ein festes Schmiermittel,zum Beispiel Graphit oder pulverförmiges Polytetrafluoräthylen benutzt werden. Ein anderer Weg zur Reibungsverringerung besteht in der Auswahl von Materialien mit niedrigen Reibungskoeffizienten oder in der Verwendung von entsprechenden Beschichtungen für das FUhrungslager oder die Formstange. Wenn das erfindungsgemäße Kurvensystem in einer Flüssigkeitsumgebung benutzt werden soll, z.B. unter Wasser, kann die Flüssigkeit selbst als Schmiermittel dienen.

Obwohl nur eine mögliche Gestaltung in der Zeichnung (Fig. 1) dargestellt ist, sind viele äquivalente Ausführungsformen möglich, die insgesamt im Rahmen der Erfindung liegen. Paare oder größere Anzahlen von Führungslager-Formstange-Kurvensystemen lassen sich vorteilhaft für Arbeitsgänge einsetzen, die eine sich wiederholende Handhabung oder Manipulation von Gegenstäden oder Materialien erfordern. Beispielsweise kann ein von dem gleichen Antrieb betätigtes Kurvensystempaar verwendet werden, um einen Wasserbehälter aufzunehmen, ihn zu seinem Bestimmungsort zu bringen und ihn zur Entleerung des Wassers an einer bestimmten Stelle umzudrehen. Die breite Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten für das Kurvensystem umfaßt u.a. folgendes:

Automatische Vorrichtung für einfache sich wiederholende Vorgänge ohne Rückführung (z.B. Aufnehmen und Absetzen, Farbspritzen usw.). Die Bewegung wird durch Auswechseln der Formstange leicht verändert.

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Automatische Schaufeln - Eine Vorrichtung die gräbt, aushebt, bewegt und die Schaufel umdreht.

Komplexheftung - Nähen oder tuften mittels einer Maschine, die mit einer oder mehreren von den Formstangen betriebenen Nadeln arbeitet. Komplexheftung dient zur Formung oder Verbindung von Textilstrukturen.

Künstliche Gliedmaßen - Eine Vorrichtung, die eine bestimmte fließende und nicht roboterartig ruckende Bewegung ausführen kann. Z.B. kann ein künstlicher Arm hergestellt werden, der von dem Träger durch Steuerung der Strömung in einem Druckzylinder betätigt wird, der einen Kolben bewegt und das System antreibt.

Unterwasservorrichtungen - Eine mechanische Vorrichtung, bei der die Formstangen in Wasser oder ungünstige Umgebung hineinragen. Diese Art einer Vorrichtung kann die Abdichtung ausnutzen, die sich durch das elastomere Führungslager ergibt, um die Bewegung ohne Leckage zu übertragen.

Farbspritzen - Die Spritzdüse kann mit der Formstange verbunden sein, die sich so programmieren läßt, daß sie sich über ein Werkstück einschließlich seiner Rückseite bewegt. Alternativ kann die Sprühdüse von dem System einfach zielend ausgerichtet, Jedoch nicht bewegt werden.

Mechanischer Schnellprogrammierer - Eine Vorrichtung, bei der die Formstangen von Hand unter Zuhilfenahme von Wärme und einem geeigneten Kunststoff geformt und eingestellt werden und in ein Kurvensystem mit elastomerem Führungslager eingesetzt sind. Dies befähigt eine Bedienungsperson zur raschen Programmierung eines komplexen, sich wiederholenden Vorganges.

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Mit dem erfindungsgemäßen Kurvensystem können verschiedene Arten von Antriebsmechanismen verwendet werden. Diese umfassen z.B. zusätzlich zu einem pneumatischen oder hydraulischen Zylinder,der eine hin- und hergehende Bewegung vermittelt, auch eine Kurbel zur Erzeugung einer Kreisbewegung und einen Nocken oder ein Gestänge für eine komplexe Bewegung. Die Form der zu dem erfindungsgemäßen Kurvensystem gehörenden Formstange kann durch Versuche ausgewählt werden, z.B. indem manuell die verschiedenen Stufen der gewünschten Bewegung durchgeführt und die Stange in jedem Schritt in erforderlichem Ausmaß gebogen wird, um die richtige Position in dreidimensionalem Raum zu erzielen. Es ist auch möglich, ein erfindungsgemäßes Kurvensystem mathematisch zu analysieren, d.h. die Bewegung eines mechanischen Teiles (follower) aus der Kurvenform vorherzubestimmen. Zur Synthese einer Kurvenform zur Erzeugung einer geforderten Bewegung wäre es notwendig, das umgekehrte Problem durch einen iterativen Vorgang zu lösen. Die folgenden mathematischen Beziehungen sollen dies veranschaulichen. Die Fign. 6 und 7 zeigen Jewells schematisch eine Formstange gemäß der Erfindung. In Fig. 6 nimmt sie ihre Grundstellung ein, während sie in Fig. 7 im Verlauf eines Arbeitszyklus dargestellt ist, wobei ein elastomeres Führungslager mit einem Abstand"s" zum Nullpunkt des Koordinatensystems angebracht ist. Q_Q in Fig. 6

ist ein Punkt, der starr mit der Formstange verbunden ist, deren Bewegung gefolgt wird. Q^ in Fig. 7 bezeichnet den gleichen Punkt in seiner neuen Stellung im Raum.

Die maßgeblichen Veränderlichen sind folgende: s = Koordinate längs der Formstange,

die die Anordnung des elastomeren

Führungslagers angibt (ausgedrückt als Fraktion der Gesamtlänge)

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x(s), y(s), z(s) = Koordinaten des Punktes "s" des

Steuerorgans und seines Grundzustandes.

g₀ = Vektor vom Nullpunkt zum Punkt

Q₀.

Q (s) = Vektor vom Nullpunkt zum Punkt Q(s)

B (s) = Die Bewegung jedes mit der Form

stange starr verbundenen Punktes beschreibende Matrix. Diese ist abhängig von der Stangenform und Grenzbedingungen.

Hilfsveränderliche

r	« /χ² ₊ y² ₊ z²
^rl	- /y² + z²
U	= x/r
V	= y/r
W	= z/r
m	= 1 + w
η	_ _r/_r

Die Bewegung des Punktes Q wird durch die Gleichung S(s) = B(s) S₀

beschrieben.

Es kann gezeigt werden, daß die folgenden Matrix-Ausdrucke erhalten werden für (A) eine ungerichtete Verbindungsanordnung und (B) eine Standard-Universalgelenkanordnung (gerichtet):

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(A)

B =

/w + mv

-uvra

-uvm

-u\

w+u m -v

(B)

B =

— -uvn -uwn

ο wn -vn

u ν

Diese Gleichungen können z.B. durch Computer unter Anwendung eines einfachen Programms gelöst werden.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

Kurvensystem zur Umwandlung einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Bewegung in eine dreidimensionale Bewegung, gekennzeichnet durch folgende Kombination:

a) ein elastisch verformbares Führungslager (5)

b) eine Halterung (6), die das Führungslager (5) aufnimmt und seine Ausrichtung verändern kann und

c) eine im wesentlichen starre Formstange (1), die von dem FUhrungslager (5) abgestützt gehalten ist, wobei die Formstange (1) und das Führungslager (5) relativ zueinander bewegbar sind und die Formstange (1) und/oder die Halterung (6) mit einer Quelle der umzuwandelnden eindimensionalen oder zweidimensionalen Bewegung verbunden ist und die Formstange (1) oder die Halterung (6) so festgehalten ist, daß sie nur zwei Rotations-Freiheitsgrade hat und wobei die Berührungszone zwischen Formstange (1) und Führungslager (5)

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INSPECTED

geschmiert ist bzw. einen verhältnismäßig geringen Reibungskoeffizienten aufweist.
2. Kurvensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Formstange (1) oder die Halterung (6) des FUhrungslagers (5) mit der Quelle der Eingangsbewegung über ein AnschlußstUck (4) verbunden ist, das aus Universalgelenken und flexiblen Kupplungen ausgewählt ist.
3· Kurvensystem nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet , daß die Halterung (6) für das Führungslager (5) stationär ist und die Formstange (1) mit der Quelle der Eingangsbewegung verbunden ist.
4. Kurvensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Formstange (1) stationär ist und die Halterung (6) für das Führungslager (5) mit der Quelle der Eingangsbewegung verbunden ist.
5. Kurvensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Führungslager (5) aus einem Elastomer hergestellt ist.
6. Kurvensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Führungslager (5) aus Federdraht hergestellt ist.

7· Kurvensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von beweglichen Teilen zur Durchführung einer sich wiederholenden Aufgabe miteinander zusammenwirkend gleichzeitig betätigbar sind.

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