DE29618149U1

DE29618149U1 - Sechsachsenverstelleinrichtung

Info

Publication number: DE29618149U1
Application number: DE29618149U
Authority: DE
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 1996-10-19
Filing date: 1996-10-19
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2006-10-20

Description

Beschreibuncf

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung mit sechs Freiheitsgraden, bei der ein Träc'erelement über sechs Koppe!elemente, die jeweils zwei lineare und drei rotatorische Freiheitsgrade haben und mit einem linearen Antrieb verbunden sind, an eine Ba.sis gekoppelt ist.

Derartige Verstelleinrichtungen werden auch als "Hexapod" bezeichnet. Bei den bisher bekannten Verstelleinrichtungen dieser Art sind die Koppelelemente teleskopartig verstellbare Stangen, die an ihren beiden Enden an dem Trägerelement einerseits bzw. an der Basis andererseits angelenkt sind. Durch die Längenverstellbarkeit jedes einzelner dieser Koppelelemente kann das Trägerelement in allen sechs Freiheitsgraden gegenüber der festliegenden Basis bewegt werden.

Zur exakten Verfahrbarkeit werden dabei entsprechende Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen benötigt, die insbesondere durch einen hohen Rechneraufwand gekennzeichnet sind. Dabei ist insbesondere die dynamische Komponente bei der Verstellung ein Problem, da die mit den KoppeIelementen verbundenen linearen Antriebe jeweils mit den Koppelelementen mitverschwenkt werden müssen. Das heißt die jeweils zu bewegenden Massen sind relativ hoch, was das dynamische Verhalten der gesamten Verstelleinrichtung negativ beeinflußt.

Außerdem müssen die Anschlüsse für die Linearantriebe flexibel ausgebildet werden, damit sie den genannten Schwenkbewegungen folgen können. Es sind also relativ aufwendige Kabelführungen notwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Verstelleinrichtung wie oben angegeben derart weiterzubilden, daß die zu verschwenkenden Massen reduziert werden und der für die Installation notwendige Aufwand vereinfacht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelößt, daß die Antriebe an der Basis angeordnet sind und über sie die basisseitigen Anlenkpunkte der Koppelelemente in ihrer Position veränderbar sind.

Der Gegenstand der Erfindung hat den Vorteil, daß die Antriebe selber an der Basis fixiert sind und somit bei der Bewegung der Koppelglieder nicht mitbewegt werden müssen. Dies verringert die zu bewegenden Massen und verbessert damit die Dynamik der Verstelleinrichtung. Die mechanische Belastung der basisseitigen Anlenkpunkte der Koppelelemente wird außerdem geringer, da dort die Gelenke die Antriebe nicht mehr mittragen müssen. Diese Gelenke können somit kleiner dimensioniert und somit preiswerter ausgeführt werden.

Die Anlenkpunkte sind basisseitig an den Enden von Stangen befestigt, die von den Antrieben ein- und ausgefahren werden können. Bei den Antrieben handelt es sich vorzugsweise um Linearantriebe.

Grundsätzlich kann die Ausrichtung und Anordnung der Antriebsachsen dieser Linearantriebe frei variiert werden, so lange gewisse dreieckige Grundstrukturen bei der Positionierung der Koppelelemente zueinander eingehalten werden, durch die sie als räumliches Koppelgetriebe eine geschlossene kinematische Kette bilden. Unterschiedliche Ausrichtungen der Antriebsachsen und unterschiedliche Positionen innerhalb des Raumes können durch entsprechende Vorgaben beim in den Steuerungen vorhandenen mathematischen Modell berücksichtigt werden. Es ist also grundsätzlich möglich, die Antriebe auch in verschiedenen Richtungen auszurichten.

Vorteilhafterweise sind die Antriebe dabei in einer Ebene angeordnet, was insbesondere auch unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten bei der Herstellung der Verstelleinrichtung eine erhebliche Vereinfachung bringt.

Auch sollten die Arbeitsrichtungen der Antriebe parallel zueinander ausgerichtet sein, so daß eine mathematische Steuerung nicht zu aufwendig wird.

Da die Antriebe letztlich starr in der Basis befestigt sind, können ihre Anschlußleitungen einfacher verlegt werden, ohne daß für eine Beweglichkeit dieser Anschlußleitungen besondere Vorkehrungen getroffen werden müßten.

Da die Antriebe aus ihrer vorbekannten Position in den Koppelelementen entfernt wurden, kann eine Verstelleinrichtung gemäß der hier vorliegenden Erfindung sehr klein ausgeführt werden. Hierfür bieten sich dann bei

den Antrieben &zgr;. B. Piezo-Linearmotoren an oder aber Ultrasonic-Spindelantriebe, die jeweils sehr klein bauen und dabei auch eine hohe Präzision beim Verfahren erreichen.

Um ein Spiel, das gegebenenfalls in der Verstelleinrichtung vorhanden ist, zu vermeiden, wird vorgeschlagen, das Trägerelement gegen die Basis über Federn zu verspannen, wobei dann die Koppelelemente nur noch in Form von Zugleitungen ausgebildet werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt:

Figur 1 eine Verstelleinrichtung mit senkrecht zur Basis arbeitenden Antrieben;

Figur 2 eine mit parallel zur Basis arbeitenden Antrieben.

In Figur 1 erkennt man eine Verstelleinrichtung, bei der ein Trägerelement 1 über sechs Koppelelemente 2 an eine Basis 3 gekoppelt ist.

Auf dem Trägerelement in Form einer Plattform können verschiedenste Vorrichtungen montiert werden. Dies reicht von Flug- und Fahrsimulatoren über Arbeitsköpfe von Werkzeugmaschinen bis zu Montage- oder Bearbeitungsvorrichtungen bei der Kristallographie, oder Halbleitertechnik, Glasfaserpositionierung etc. Mit diesen Beispielen ist angedeutet, mit welchen Dimensionen die Erfindung angewandt werden kann.

Die Koppelelemente 2 sind so angeordnet, daß sie paarweise jeweils Dreieckstrukturen bilden, so daß das Trägerelement 1 entsprechend gesteuert werden kann, um Bewegungen in allen sechs Freiheitsgraden auszuführen.

An den trägerelementseitigen Enden 4 sind die Koppelelemente 2 hierzu über Kugelgelenke mit dem Trägerelement 1 verbunden, die jeweils Bewegungen in fünf Freiheitsgraden zulassen.

Auch an den basisseitigen Enden 5 sind die Koppelelemente 2 mit entsprechenden Kugelgelenken ausgerüstet. Mit diesen basisseitigen Kugelgelenken werden die Koppelelemente 2 an Antrieben 6 angelenkt, wobei die durch die Kugelgelenke gebildeten Anlenkpunkte der Koppelelemente 2 durch die Antriebe 6 in ihrer Position veränderbar sind.

In dem in der Figur 1 dargestellten Beispiel sind die Antriebe 6 als Ultrasonic-Rotationsantriebe ausgebildet, bei denen zentrisch angeordnete Spindeln 7 in senkrechter Richtung zu verfahren sind. Da diese Spindeln 7 an ihren Enden die basisseitigen Anlenkpunkte der Koppelelemente tragen, werden bei dem Verfahren der Spindeln 7 also die Anlenkpunkte in ihrer Position verändert, das heißt, im hier dargestellten Beispiel senkrecht nach oben oder unten verfahren. Je nachdem, welche Verstellbewegung von dem Trägerelement ausgeführt werden soll, werden die Spindeln 7 in spezifischer Weise verfahren, wobei die einzelnen Verfahrstrecken durch die Steuerung bestimmt werden.

Die Bauweise mit den senkrecht angeordneten Spindeln

hat den Vorteil, daß die Montage der Antriebe in entsprechende Bohrungen an der Basis 3 erfolgen kann, wobei diese Bohrung bei der Fertigung der Vorrichtung jeweils achsparallel einfach in die Basis 3 eingebracht werden können.

Die bei der Montage der Antriebe 6 dann zu berücksichtigenden Passungen sind in der Fertigungstechnik kein Problem.

Wie aus der Darstellung in der Figur 1 zu erkennen ist, ist die Positionierung der einzelnen Antriebe 6 zueinander nicht fest vorgegeben sondern kann nach den vorliegenden Bedürfnissen des Einzelfalles entsprechend gewählt werden.

Leichte Montagefehler lassen sich dabei derart ausgleichen, daß eine entsprechende Nullposition der Spindeln über die Steuerung je nach Bedarf festgelegt werden kann.

In der Figur 2 ist eine alternative Ausführungsform der Verstelleinrichtung dargestellt. Die Antriebe 8 sind in diesem Ausführungsbeispiel mit ihren Antriebsstangen 9 parallel zur durch die Basis 3 definierten Ebene ausgerichtet. An den Endpunkten der Antriebsstangen 9 sind jeweils wieder die basisseitigen Enden 5 der Koppelelemente 2 in nicht näher dargestellten Kugelgelenken befestigt, so daß durch ein Verfahren der Antriebsstangen 9 die basisseitigen Anlenkpunkte der Koppelelemente in ihrer Position verändert werden, was zu der gewünschten Verstellung des Trägerelementes 1 führt. Die Antriebe 8 sind dabei wiederum starr an der Basis 3 befestigt.

Die für eine gewünschte Verstellung des: Trägerelementes 1 erforderlichen Verfahrwege der Antriebsstangen 9 oder der Spindeln 7 werden jeweils in der zur Anlage gehörenden Steuerung individuell ermittelt.

Bei einem hier nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Trägereielement 1 durch eine Federanordnung so belastet, daß die jeweils in den Antrieben bzw. Anlenkpunkten vorhandenen Spiele a.us der Einrichtung herausgedrückt werden. Dies erhöht, die Präzision der gesamten Einrichtung.

Bei einer derartigen Ausführungsform können dann die Koppelelemente 2 gegebenenfalls auch nur als reine Zugelemente in Form von Drähten ausgebildet werden.

Zusammenfassend stellt diese Erfindung die Möglichkeit dar, die Antriebe für einen "Hexapod" stationär anzuordnen, was das dynamische Eigenverhalten der Verstelleinrichtung positiv beeinflußt und auch ihre Herstellbarkeit vereinfacht.

Claims

Schut zansprüche

1. Verstelleinrichtung mit sechs Freiheitsgraden, bei der ein Trägerelement (1) über sechs Kc>ppelelemente (2), die jeweils zwei lineare und drei rotatorische Freiheitsgrade haben und mit einem linearen Antrieb (6,8) verbunden sind, an eine Basis (3) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,

daß die Antriebe (6,8) an der Basis angeordnet sind und über sie die basisseitigen Anlenkpunkte (5) der Koppelelemente (2) in ihrer Position veränderbar sind.

2. Verstelleinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Antriebe (6,8) in einer Ebene angeordnet sind.

3. Verstelleinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Arbeitsrichtungen der Antriebe (6,8) parallel zueinander ausgerichtet sind.

4. Verstelleinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Arbeitsrichtung der Antriebe (6) senkrecht zur Basis (3) ausgerichtet sind.

5. Verstelleinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsrichtungen der Antriebe (8) parallel zur Basis (3) ausgerichtet sind.

6. Verstelleinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe (6,8) starr an der Basis (3) befestigt sind.

7. Verstelleinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe (6) Ultrasonic-Spindelantriebe sind.

8. Verstelleinrichtung gemäß Anspruch 3,, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe (8) Piezo-Linearmotoren sind.

9. Verstelleinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (1) gegen die Basis (3) über Federn verspannt ist und die Koppelelemente (2) Zugleitungen sind.