DE29905240U1 - Tool guidance system - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft ein Werkzeugführungssystem, insbesondere für die Führung von Strahlwerkzeugen wie Hochdruckwasserstrahldüsen in engen Rohren oder Kanälen.The invention relates to a tool guidance system, in particular for guiding jet tools such as high-pressure water jet nozzles in narrow pipes or channels.
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.Pipe systems must be checked and repaired at regular intervals. In many cases, this requires removing obstacles from the pipe systems. This includes, for example, cutting out root growth, removing blockages from the entire pipe cross-section, cutting protruding obstacles, removing reinforcements, etc.
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. Jet tools, such as high-pressure water jet cutting tools or water abrasive cutting tools, are particularly suitable for removing materials. However, due to the rigid hose connections required when using these jet tools to transport the active or cutting medium, the high forces of the jet pressure and the possible rotational forces of the outlet nozzle, it is very difficult to position and guide such tools in confined spaces. An example of confined working spaces are pipe systems such as sewage pipes with diameters of typically 150 mm and less, which may vary greatly in diameter and have numerous bends.
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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.Another problem with using the above cutting tools in pipe systems is the risk of damaging the pipe wall. The highly abrasive effect of the working jet leads to destruction of the pipe system if it comes into contact with the pipe wall. High demands must therefore be placed on the jet guidance and control in order to prevent the jet from hitting the pipe wall. The currently known guidance systems are not suitable for jet guidance running parallel to the pipe, especially for use in pipe systems with pipe diameters of less than 150 mm.
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.Due to the problems mentioned above, a technical implementation for the controlled use of water-abrasive cutting tools and high-pressure cutting tools in the area of narrow pipe systems with pipe diameters of less than 150 mm is currently not known. Another problem is the required high rigidity of the supply lines and the guide mechanism, which must absorb the high forces of the pulsating working jet.
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.
30To remove obstacles in narrow pipe systems, standard milling tools are usually used today, in which a milling head with an appropriate guide system is inserted into the pipe system in order to remove the obstacles.
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Andererseits eignet sich jedoch Wasser durch sein neutrales Verhalten und die günstige Eigenschaft desOn the other hand, water is suitable due to its neutral behaviour and the favourable properties of
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selbsttätigen Abraumabtransports in besonderer Weise als Schneidmedium in diesen Rohrsystemen.automatic removal of debris in a special way as a cutting medium in these pipe systems.
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.The object of the present invention is to provide a tool guidance system which enables the use of jet tools such as high-pressure water jet cutting tools or water abrasive cutting tools in narrow pipe systems, in particular with pipe diameters in the range between 80 and 150 mm.
Die Erfindung wird mit dem Werkzeugführungssystem nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Werkzeugführungssystem sind Gegenstand der Unteransprüche.The invention is solved with the tool guidance system according to claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the tool guidance system are the subject of the subclaims.
Das erfindungsgemäße Werkzeugführungssystem zeichnet sich insbesondere durch seine besondere kinematische Struktur aus. Es handelt sich hierbei um eine Hybridstruktur, bestehend aus einer seriellen Kinematik und einer Parallelführung.The tool guidance system according to the invention is characterized in particular by its special kinematic structure. This is a hybrid structure consisting of serial kinematics and parallel guidance.
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-The tool guidance system consists of an arrangement of a translation axis, a rotation axis and a parallel guide gear. The links of this arrangement form an open kinematic chain, with one end link of the kinematic chain being part of the parallel guide gear. The other end link is formed by the rotation axis or the translation axis and is preferably fixed to a carrier element. The translation axis and the rotation axis run essentially parallel to one another in the system according to the invention. When attached to a carrier element, the rotation axis is
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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.axis is essentially parallel to a propulsion axis of the carrier element. The propulsion axis represents an axis of the carrier element along which the carrier element is moved to the desired working point. When used in a pipe system, the propulsion axis therefore runs parallel to the longitudinal pipe axis.
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.An end effector, for example a high-pressure water jet nozzle, or a holder for the end effector is attached to the parallel guide gear in such a way that an effective axis of the end effector runs essentially parallel to the axis of rotation. The effective axis of a high-pressure water jet nozzle corresponds to the jet axis. The parallel guide gear is also arranged and designed in such a way that it enables the end effector to be guided from a position in which the effective axis of the end effector lies on the line or straight line created by extending the axis of rotation to a position in which the effective axis of the end effector lies at a distance from this line.
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.The essentially parallel course of individual axes of the system naturally allows a slight deviation from parallelism, as long as the effect conveyed by the teaching of the invention is still achieved. In particular, as will be explained in more detail in a special embodiment, the effective axis of the water jet nozzle can deviate from parallelism to the axis of rotation by up to approx. 3°, for example, in order to take account of the jet expansion. The purpose of this deviation is to prevent the jet from hitting the pipe wall by guiding the jet boundary - and not the central axis - of the slightly diverging jet parallel to the pipe wall.
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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.In the tool guidance system according to the invention, the translation axis, rotation axis and parallel guide gear are thus connected in series, with the parallel guide gear forming the last element in the chain and carrying the end effector. The order of the translation axis and rotation axis is arbitrary.
Weiterhin sind ein oder mehrere Antriebe für die Translationsachse, die Rotationsachse und das Parallelführungsgetriebe vorgesehen. Vorzugsweise erhält jedes dieser drei Elemente einen eigenen Antrieb.Furthermore, one or more drives are provided for the translation axis, the rotation axis and the parallel guide gear. Preferably, each of these three elements has its own drive.
Das Parallelführungsgetriebe wird durch einen Scherenmechanismus gebildet, der die parallele Bewegung des Endeffektors ermöglicht. Dies hat den Vorteil, daß beim Betrieb des Getriebes überhaupt kein Versatz des Endeffektors in einer Richtung parallel zur Rotationsachse erfolgt.The parallel guide gear is formed by a scissor mechanism that enables the parallel movement of the end effector. This has the advantage that when the gear is operating, there is no displacement of the end effector in a direction parallel to the axis of rotation.
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 5 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 vonIn this system, the effective axis of the end effector, i.e. the jet axis of a high-pressure water jet nozzle, is moved perpendicular to the rotation axis by means of the parallel guide gear and is kept essentially parallel to the rotation axis during this movement. The adjustment path perpendicular to the rotation axis is selected so that the effective axis can be adjusted from the straight line containing the rotation axis to a distance from this straight line which preferably corresponds at least to the radius of the pipe in which the system is to be used. In order to reach the entire cross-sectional area of the pipe, the parallel guide gear can be rotated by 360° by means of the rotation axis. The translation axis is used on the one hand for fine adjustment of the distance of the end effector from
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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.an obstacle that needs to be removed, and secondly to compensate for any offset of the end effector relative to the obstacle that may be caused by the operation of the parallel guide gear. It should be noted that, for example, a high-pressure water jet nozzle creates a focus of the jet that is, for example, 15 mm in front of the nozzle's outlet opening. When processing materials, this focus should be in the plane of the processing surface.
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.The tool guide system according to the invention enables the guidance of jet tools, such as high-pressure water jet nozzles, in tubular or confined work spaces, whereby the beam path is always kept parallel to the pipe wall due to the design of the guide, so that the pipe wall cannot be damaged by the jet. The forces and moments generated by the tool are transferred to the guide system in a minimal manner, which leads to low required drive power and low rigidity requirements for the guides.
Das Werkzeugsystem eignet sich damit zum Schneiden und Abtragen von Hindernissen in Rohrsystemen, ohne die Gefahr einer Beschädigung der Rohrwandung.The tool system is therefore suitable for cutting and removing obstacles in pipe systems without the risk of damaging the pipe wall.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des in der Grundform eines Parallelogramms ausgestalteten Parallelführungsgetriebes ist ein Glied des Parallelogramms, gegebenenfalls über ein starres Zwischenelement, fest mit der benachbarten Achse , d.h. der Rotations- oder der Translationsachse, verbunden. Dieses Glied ist hierbei bevorzugt parallel zur Rotationsachse fixiert. Das zu diesem parallele Glied trägt den Endeffektor oder dessen Halterung. Von den diese beiden parallelen Glieder verbindenden Gliedern ist zumindest eines um den durch das Drehgelenk zwischen diesem und dem fixierten Glied festgelegten Drehpunkt angetrieben.In a preferred embodiment of the parallel guide gear designed in the basic form of a parallelogram, a member of the parallelogram is firmly connected to the adjacent axis, i.e. the rotation or translation axis, if necessary via a rigid intermediate element. This member is preferably fixed parallel to the rotation axis. The member parallel to this carries the end effector or its holder. Of the members connecting these two parallel members, at least one is driven about the pivot point defined by the rotary joint between this and the fixed member.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des 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.In a further advantageous embodiment of the parallel guide gear designed in the basic form of a parallelogram, a first of the links is connected to the rotation or translation axis, optionally via an intermediate element, in such a way that it can move parallel to the rotation axis with its longitudinal axis. The connection can be made, for example, via two guides attached to an extension of the translation or rotation axis, which only allow the first link to move parallel to the rotation axis. The link parallel to the first link in turn carries the end effector or its holder. One of the remaining links of the parallelogram is connected to the same axis, i.e. the rotation or translation axis or an extension of these axes, in such a way that in every position of the parallelogram any point of the link always has the same position relative to the rotation axis.
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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.This can be achieved, for example, by means of a rotary union that is firmly connected to the rotation or translation axis or an extension of these axes, but allows a translational and rotational movement of the member. In this embodiment, the member, which is guided parallel to the rotation axis, is driven along its displacement axis.
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.The purpose and particular advantage of this design is that when the end effector is moved by the parallel guide gear, i.e. when the distance between the end effector's effective axis and the line created by extending the axis of rotation changes, the longitudinal offset of the end effector in a direction parallel to the axis of rotation is reduced, since the pivot point in the parallelogram located between the first and one of the other links simultaneously moves parallel to the axis of rotation in the opposite direction of the offset. This makes it possible to significantly shorten the translation axis, which is primarily intended to compensate for this offset, and thus the overall length of the tool guide. This has considerable advantages in the application areas of narrow pipeline systems and the bends that occur there.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugführungssystems wird das Parallelführungsgetriebe durch einen Scherenmechanismus gebildet, der die parallele Bewegung des Endeffektors ermöglicht. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß beim Betrieb des Getriebes überhaupt kein Versatz desIn a particularly advantageous embodiment of the tool guidance system according to the invention, the parallel guide gear is formed by a scissor mechanism that enables the parallel movement of the end effector. This embodiment has the advantage that when the gear is in operation, no offset of the
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Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Werkzeugführungssysterns 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.In one embodiment of the inventive
Tool guidance system, a nozzle is used as an end effector, whose effective or jet axis has a slight
inclination towards the axis of rotation. This
Slope ensures that the boundary line
of the emerging jet towards the pipe wall parallel
to the pipe wall. The inclination is therefore adapted to the opening angle of the jet cone of the respective nozzle
This will usually be a
Inclination between approx. 0.5° and 3°.
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 zuThe carrier element of the tool guidance system is
preferably equipped with balloon-like cuffs,
which allow the carrier element to move in a pipe along the propulsion axis.
By inflating these sleeves in the pipe using compressed air, a reliable locking of the carrier element in the pipe is achieved without damaging the pipe wall.
0 beschädigen. Die Rotationsachse des Systems ist dabei0. The rotation axis of the system is
so am Trägerelement angeordnet, daß sie im arretierten Zustand des Trägerelementes auf der zentralen Rohrhauptachse
liegt.arranged on the support element so that when the support element is locked on the central pipe main axis
lies.
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 12 0 mm und einen maximalen Durchmesser von 80 mm aufweist. Dieser maximale Durchmesser muß aller-0 dings nur in dem Zustand des Systems vorliegen, in demFor the preferred use of the tool guidance system in pipes with a maximum diameter of 150 mm, a
A design is preferred in which the system has a maximum length of 12 0 mm and a maximum diameter of 80 mm. However, this maximum diameter must only be present in the state of the system in which
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die Wirkachse des Endeffektors auf der Rotationsachse liegt, im folgenden auch als Nullkonfiguration bezeichnet.the effective axis of the end effector lies on the rotation axis, hereinafter also referred to as zero configuration.
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.The tool guidance system according to the invention with inserted end effector or cutting tool enables the cutting of obstacles of different sizes and widths that partially or completely block the channel, such as root growths, stone and wall parts, wood parts, metal rods and beams, concrete, large remaining metal objects, earth and sand plugs.
Durch die besondere konstruktive Gestaltung des Werkzeugführungssystems läßt sich vorteilhaft eine Kamera zur Inspektion des Kanals an der Werkzeugführung anbringen.Due to the special design of the tool guide system, a camera for inspecting the channel can be advantageously attached to the tool guide.
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.Further advantages are the small installation space of the system in the zero configuration, where the axis of action is on the axis of rotation. In this configuration, the system can be guided through pipe systems with varying diameters as the carrier system moves. On the other hand, a large working space is available when the carrier system is fixed.
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.Parallel jet guidance is possible up to the pipe wall. The jet axis can be guided up to a distance of half the diameter of the jet nozzle from the pipe wall.
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. DasThe inventive design of the tool guidance system makes it possible to guide the jet from close to the pipe wall to the central pipe main axis, i.e. the central axis of the pipe cylinder, and beyond. The working jet always remains parallel to this axis.
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Werkzeug bewegt sich hierbei auf einer Ebene, welche die Rohrhauptachse beinhaltet.The tool moves on a plane which contains the main pipe axis.
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.Due to the force and moment distribution, it is possible to fix the support system in place without any problems. This is particularly important for the generally smooth inner walls of the pipes, in order to ensure that the device lock does not slip off the pipe wall. The forces on the pipe wall must not be too great in order to avoid destroying it. The moment curve is known for every point in space, or is deterministic and easy to calculate.
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.Due to the working space of the tool guidance system, it is possible to place a stereo camera on the tool head in the direction of the tool nozzle, thus achieving a high level of control and thus precision of the work or cutting process through the possibility of observation. The camera is preferably placed below the tool, as there is sufficient space available there.
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.The drives for the individual components of the system are easy to implement because the axis sequence allows motors to be placed in a structurally favorable manner. The drive for the movement axis of the parallel guide gear can, for example, be implemented as a cylinder that moves along with the rotation axis. The drives for the translation axis and rotation axis are clearly unproblematic.
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 mathematischThe simple kinematic structure and the small number of active axes make the system easy to calibrate. The assignment between the Cartesian coordinate system and axis positions is mathematically
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einfach beschreibbar. Hierdurch besteht die Möglichkeit einer einfachen Steuerungsimplementierung.easy to describe. This allows for simple control implementation.
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.The working space of the system is very suitable for use with piping systems. In the working space it is ensured that the working head can be moved to the target point. No singularities occur in the working space of the system.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals erläutert. Hierbei zeigen:The invention is explained again below using an embodiment in conjunction with the drawings.
Figur 1 zur Veranschaulichung eine Strukturdarstellung (nach VDI 2861) eines Werkzeugführungssystems, das nicht Gegenstand des vorliegenden Gebrauchsmusters ist;Figure 1 shows a structural representation (according to VDI 2861) of a tool guidance system which is not the subject of the present utility model;
Figur 2 ein Beispiel eines Werkzeugführungssystems mit der Struktur gemäß Figur 1 in Nullkonfiguration (nicht maßstabsgetreu);Figure 2 shows an example of a tool guidance system with the structure according to Figure 1 in zero configuration (not to scale);
Figur 3 ein Beispiel eines Werkzeugführungssystems mit der Struktur gemäß Figur 1 in einerFigure 3 shows an example of a tool guidance system with the structure according to Figure 1 in a
möglichen Arbeitsstellung (nicht maßstabsgetreu) ; undpossible working position (not to scale); and
Figur 4 eine Strukturdarstellung (nach VDI 2861) einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugführungssystems.Figure 4 shows a structural representation (according to VDI 2861) of an embodiment of the tool guidance system according to the invention.
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Figur 1 zeigt ein Werkzeugführungssystem, bei dem eine Rotationsachse 2 (&Agr;-Achse) und eine Translationsachse 1 (X-Achse) seriell hintereinander geschaltet sind. Die Rotationsachse 2 und die Translationsachse 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.Figure 1 shows a tool guidance system in which a rotation axis 2 (α-axis) and a translation axis 1 (X-axis) are connected in series. In this example, the rotation axis 2 and the translation axis lie on a straight line. A parallel guide gear 3 is firmly connected to the rotation axis 2. In this example, the parallel guide gear consists of four links (3a, 3b, 3c, 3d), each of which is connected to one another via flat swivel joints and spans a parallelogram. The gear works according to a simplified pantograph principle. The effector-bearing component of the parallel guide axis 4 (Q-axis) of the gear runs parallel to the rotation axis. The rotation axis is guided parallel to the pipe axis due to the device carrier system 5.
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-0 Achse können selbstverständlich auch vertauscht werden.The parallel guide gear has an end effector 6 on its member 3b, for example in the form of a high-pressure water jet nozzle, parallel to the axis of rotation. The kinematic sequence of the X-axis and the A-0 axis can of course also be swapped.
Die Nullkonfiguration des Systems, wie sie anhand einer konkreten Ausgestaltung in Figur 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.The zero configuration of the system, as shown in Figure 2 using a specific design, is defined by a position of the Q axis in which the jet outlet opening lies exactly in the central main pipe axis. This position must be achievable during operation of the system.
Wird ein Winkel von 90 Grad zwischen den Gliedern 3a und 3c bzw. 3b und 3d usw. des Parallelführungs-0 getriebes der Parallelachse angefahren, so wird der maximal bearbeitbare Rohrdurchmesser erreicht. Diese Winkelstellung muß, je nach Rohrdurchmesser, nicht in jedem Falle erreichbar sein. Der maximale Rohrdurch-If an angle of 90 degrees is reached between the elements 3a and 3c or 3b and 3d etc. of the parallel guide gear of the parallel axis, the maximum pipe diameter that can be processed is reached. Depending on the pipe diameter, this angle position may not always be achievable. The maximum pipe diameter
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messer, 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 &Agr;-Achse läßt sich in einem vollen 3 60° Schwenkbereich bewegen, so daß sichergestellt ist, daß der gesamte Rohrquerschnitt bis auf einen schmalen Rand des Düsenhalbmessers sicher bearbeitet werden kann.The diameter of the cutting edge that can be machined with the tool guidance system is determined by the length of the links 3c and 3d in conjunction with the maximum adjustable angle position (< 90°).
The α-axis can be moved in a full 3 60° swivel range, ensuring that the entire pipe cross-section can be safely machined up to a narrow edge of the nozzle radius.
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.The X-axis compensates for the movements of the Q-axis in the direction of the pipe's main axis. The working path of the X-axis must be as large as the maximum offset of the Q-axis plus the desired working space.
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.For example, in this context, a direct coupling of the drive of the parallel guide gear with the drive of the translation axis is also conceivable in order to be able to always guide the outlet opening of the nozzle in the same plane perpendicular to the rotation axis when the parallel guide gear is operating.
Ein konkretisiertes Beispiel eines Werkzeugführungssystems mit der Struktur gemäß Figur 1 ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Für diese und die nachfolgenden Figuren werden die gleichen Bezugszeichen für die entsprechenden in Figur 1 dargestellten Komponenten verwendet.A concrete example of a tool guidance system with the structure according to Figure 1 is shown in Figures 2 and 3. For this and the following figures, the same reference numerals are used for the corresponding components shown in Figure 1.
Hierbei zeigt Figur 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 undFigure 2 shows the system in a pipe 7 in the zero configuration. In this configuration, the carrier 5 is advanced in the pipe 7. The nozzle 6, which in this example forms a link (3b) of the parallel guide gear, lies on the central pipe main axis 7a. In this example, the carrier has balloon-like sleeves 5a, so-called packers, which are inflated by compressed air and
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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.the movement as well as the locking in the pipe 7. The carrier system is only used for the rough positioning of the tool in the pipe system. The fine positioning is carried out via the X-axis. During the movement in the channel, the tool system is in its zero configuration. After the carrier system is locked, the working nozzle is moved by the tool guide.
Am Träger, dessen Gestell in den Figuren nicht dargestellt ist, sind die über einen Gewindespindelantrieb la 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.On the carrier, the frame of which is not shown in the figures, the translation axis 1, which is adjustable via a threaded spindle drive 1a, the rotation axis 2, which is driven by a swivel motor 2a, and the rods of the parallel guide gear 3 can be seen. The drive of the parallel guide gear can be implemented, for example, by a cylinder or threaded spindle drive that moves with the rotation axis.
Grundsätzlich lassen sich unabhängig von diesem Beispiel auch andere Antriebe für die einzelnenIn principle, independent of this example, other drives can also be used for the individual
Komponenten des Werkzeugführungssystems einsetzen, da es sich jeweils nur um einfache rotatorische oder translatorische Bewegungen handelt, die erzeugt werden müssen.
25Components of the tool guidance system, since only simple rotary or translatory movements need to be generated.
25
Figur 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.Figure 3 shows the same arrangement in a locked position on an extension of the pipe 7. This clearly shows the extended position of the parallel guide gear, in which the jet can be guided very close to the pipe wall.
Eine in den Figuren 2 und 3 dargestellte leichte Neigung der Düse (nach unten) gleicht die Strahlstreu-A slight inclination of the nozzle (downwards) as shown in Figures 2 and 3 compensates for the jet scattering.
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ung nach dem Austritt aus der Düse aus. Prinzipiell folgt der Schneidstrahl parallel der Rohrwandung.after exiting the nozzle. In principle, the cutting jet follows parallel to the pipe wall.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugführungssystems ist in Figur 4 dargestellt. Bei diesem System bilden zwei Glieder (3e und 3f) des Parallelführungsgetriebes 3 einen Scherenmechanismus, der eine parallele Führung des Werkzeugs bzw. Endeffektors 6 gewährleistet.An embodiment of the tool guidance system according to the invention is shown in Figure 4. In this system, two members (3e and 3f) of the parallel guidance gear 3 form a scissor mechanism which ensures parallel guidance of the tool or end effector 6.
Wie in Figur 4 zu erkennen, ist hierbei eine der beiden schräg verlaufenden Führungsachsen 3e bzw. 3f der Q-Achse vertikal gespiegelt und so über ein Dreh-As can be seen in Figure 4, one of the two inclined guide axes 3e and 3f of the Q axis is vertically mirrored and thus rotated
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lager 9a mit der anderen verbunden, daß die beiden Führungsachsen 3e und 3f eine scherenförmige Anordnung bilden. Das werkzeugseitige Ende der ersten Führungsachse 3f ist mit dem oberen, den Endeffektor tragenden Element 3g über ein Drehlager 9b verbunden. Das werkzeugseitige Ende der zweiten Führungsachse 3e ist ebenfalls über ein Drehlager 9c an dem in diesem Fall mit der Rotationsachse 2 fest verbundenen Element 3h fixiert. Die jeweils gegenüberliegenden Verbindungen (10a, 10b) der beiden Führungsachsen (3e, 3f) sind an den jeweiligen Elementen (3g, 3h) translatorisch verschiebbar und drehbar gelagert.bearing 9a with the other so that the two guide axes 3e and 3f form a scissor-like arrangement. The tool-side end of the first guide axis 3f is connected to the upper element 3g carrying the end effector via a pivot bearing 9b. The tool-side end of the second guide axis 3e is also fixed via a pivot bearing 9c to the element 3h, which in this case is firmly connected to the rotation axis 2. The opposite connections (10a, 10b) of the two guide axes (3e, 3f) are mounted on the respective elements (3g, 3h) so that they can be moved in translation and can rotate.
Im vorliegenden Beispiel wird die in der Figur unten liegende translatorische Verbindung 10 a in Pfeilrichtung horizontal angetrieben. Hierdurch wird eine Hubbewegung des Werkzeugs bzw. Endeffektors 6 senkrecht zur Rotationsachse 2 bzw. Rohrhauptachse bewirkt, ohne daß das Werkzeug 6 eine Bewegung in Richtung der Rohrhauptachse vollführt. Ein Ausgleich einer derartigen unerwünschten Bewegung beim Betrieb des Parallelführungsgetriebes ist daher in diesem Fall nicht erforderlich.In the present example, the translational connection 10 a located at the bottom of the figure is driven horizontally in the direction of the arrow. This causes a lifting movement of the tool or end effector 6 perpendicular to the rotation axis 2 or the main pipe axis, without the tool 6 making a movement in the direction of the main pipe axis. Compensation for such an undesirable movement during operation of the parallel guide gear is therefore not necessary in this case.
Selbstverständlich kann der Antrieb auch an einem anderen Glied des Parallelführungsgetriebes erfolgen.Of course, the drive can also be carried out on another link of the parallel guide gear.
Weiterhin muß die Verbindung 9a zwischen den beiden Führungsachsen 3e und 3f nicht zwangsläufig zentralsymmetrisch, wie im vorliegenden Beispiel, vorgesehen sein, um die dargestellten Vorteile zu erzielen.Furthermore, the connection 9a between the two guide axes 3e and 3f does not necessarily have to be centrally symmetrical, as in the present example, in order to achieve the advantages shown.
Die Anordnung der Drehverbindungen und Führungen kann ebenfalls verändert werden. Hierbei ist allerdings zu beachten, daß durch eine andere Anordnung der Verbindungen, beispielsweise durch Vorsehen der beidenThe arrangement of the rotary joints and guides can also be changed. However, it should be noted that a different arrangement of the connections, for example by providing the two
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Führungen 10a und 10b auf der Seite des Werkzeugs 6, gegebenenfalls der besondere Vorteil der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform, die Vermeidung einer Bewegung des Endeffektors in einer Richtung parallel zur Rohrhauptachse, wegfällt.Guides 10a and 10b on the side of the tool 6, the particular advantage of the embodiment shown in Figure 5, namely avoiding a movement of the end effector in a direction parallel to the main pipe axis, is eliminated.
Die neue 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.The new kinematics of the tool guidance system according to the invention enables a blasting tool to be guided parallel to the pipe in tubular work spaces with diameters typically varying from 150 mm to less, which may vary greatly in diameter. Of course, the system can also be designed for larger diameters.
Als Strahlwerkzeuge kommen Hochdruckwasser und Wasserabrassivstrahl zum Einsatz.High-pressure water and water abrasive jets are used as blasting tools.
Claims (15)
daß das Parallelführungsgetriebe (3) weiterhin ein drittes und ein viertes Glied (3g, 3h) aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind,
wobei das dritte Glied (3g) über ein ebenes Drehgelenk (9b) mit dem ersten Glied (3f) und über eine Führung (10b) mit dem zweiten Glied (3e) verbunden ist,
das vierte Glied (3h) über ein ebenes Drehgelenk (9c) mit dem zweiten Glied (3e) und über eine Führung (10a) mit dem ersten Glied (3f) verbunden ist,
das dritte Glied (3g) den Endeffektor (6) oder dessen Halterung trägt, und
das vierte Glied (3h), gegebenenfalls über ein Zwischenelement, fest mit der Rotations- oder der Translationsachse verbunden ist. 2. Tool guidance system according to claim 1, characterized in
that the parallel guide gear ( 3 ) further comprises a third and a fourth member ( 3 g, 3 h) which are arranged parallel to each other,
wherein the third link ( 3 g) is connected to the first link ( 3 f) via a flat pivot joint ( 9 b) and to the second link ( 3 e) via a guide ( 10 b),
the fourth link ( 3 h) is connected to the second link ( 3 e) via a flat pivot joint ( 9 c) and to the first link ( 3 f) via a guide ( 10 a),
the third member ( 3 g) carries the end effector ( 6 ) or its holder, and
the fourth member ( 3h ) is firmly connected to the rotation or translation axis, optionally via an intermediate element.
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