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Manipulator für das Arbeiten an einem Wärmetauscher
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Die Erfindung betrifft einen Manipulator für das Arbeiten an einem
Wärmetauscher.
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Es sind zahlreiche Manipulatoren bzw. Arbeitsvorrichtungen zur Durchführung
von Arbeiten oder Messungen und Untersuchungen unter gefährlichen Bedingungen oder
in einem engen Raum bekannt. Für die Durchführung von Untersuchungen und Arbeiten
unter Abtastung eines Wärmetauscher-Rohrbodens, an dem zahlreiche Wärmeübertragungsrohre
des Wärmetauschers angebracht sind, wird ebenfalls ein Manipulator eingesetzt.
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Die meisten bisherigen Manipulatoren werden å jedoch von einem vorbestimmten
Bezugspunkt aus angesteuert, und das Gerät wird daher wegen des komplexen Steuersystems
notwendigerweise kompliziert. Ein solches Gerät sollte aber nicht nur leicht und
kompakt gebaut sein, vielmehr soll es auch einwandfrei an (für Personen) gefährlichen
Stellen oder in engen Räumen arbeiten können. Darüber hinaus sind die bisherigen
Manipulatoren dieser Art mit dem Nachteil behaftet, daß sie ein Schritt- oder Balanzier-Leitsystem
verwenden, bei dem das zu führende Gewicht und damit auch die Arbeitsleistung begrenzt
ist.
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Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines verbesserten
Manipulators, dem die geschilderten Mängel des Stands der Technik nicht mehr anhaften,
der kompakt gebaut ist, niedriges Gewicht besitzt, eine einfache Steueranlage aufweist
und zudem einfach einzusetzen ist und eine Steuervorrichtung einfachen Aufbaus aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei einem Manipulator für das Arbeiten an einem
Wärmetauscher erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Tragrahmen in einen durch
eine Eessel-Stirnplatte und einen Rohrboden mit zahlreichen Wärmeübertragungsrohren
eines Vertikal-Wärmetauschers umrissenen Wasserraum einsetzbar ist, daß am Tragrahmen
ein Basisendabschnitt eines beliebig ausfahrbaren und verkürzbaren Hauptarms montiert
bzw.
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gelagert ist, der um den Basisendabschnitt drehbar und um einen an
diesem vorgesehenen Drehpunkt herum lotrecht schwenkbar ist, daß am Vorderendabschnitt
des Hauptarms ein Basisendabschnitt eines Nebenarms montiert bzw. gelagert ist,
der um seinen Basisendabschnitt herum drehbar und um einen an letzterem vorgesehenen
Drehpunkt herum lotrecht schwenkbar und außerdem parallel zum Rohrboden ausrichtbar
ist, daß koaxial zur Drehachse des Nebenarms eine lotrecht verschiebbare, in ein
Wärmeübertragungsrohr einführbare Spannwelle angeordnet ist und daß die Spannwelle
einen Lagendetektor für ihre Ausrichtung koaxial zum Wärmeübertragungsrohr trägt.
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Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische
Gesamtansicht eines erfindungs-.
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gemäßen, im Wasserraum eines Wärmetauschers angeordneten Manipulators
für das Arbeiten an einem Wärmetauscher,
Fig. 2 eine schematische
Darstellung der Beziehung zwischen den Polarkoordinaten und den Rechteckkoordinaten,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Unterschieds zwischen den Sollrichtungen
eines festen Trägers und eines festen Bolzens, Fig 4 eine schematische Darstellung
zur Erläuterung der Arbeitsgänge bei der Anordnung eines Tragrahmens in einem Wasserraum,
Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Hauptarm (R-Achse), Fig. 6 eine perspektivische
Darstellung eines Antriebsteils für den Hauptarm, in Richtung des Pfeils B in Fig.
1 gesehen, Fig. 7 einen zentralen Querschnitt durch ein Drehrohr (Q-Achse), Fig.
8 eine perspektivische Darstellung eines Antriebsteils für einen Vertikal-Schwenkzylinder
(f-Achse), in Richtung des Pfeils B in Fig. 1 gesehen, Fig. 9 eine in vergrößertem
Maßstab gehaltene Schnittansicht des Antriebsteils für den Vertikal-Schwenkzylinder,
Fig.1Oa und lOb eine schematische Aufsicht bzw. eine schematische Vorderansicht
zur Erläuterung der Arbeitsweise des Vertikal-Schwenkzylinders, Fig.11 eine perspektivische
Darstellung des Vorderendabschnitts eines Hauptarms, in Richtung des Pfeils A in
Fig. 1 gesehen, Fig.12 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilschnittansicht
eines Vertikal-Schwenkmechaninmus (-Achse) eines Nebenarms und seines Detektorteils,
Fig.
13 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Hauptarm
und einem lotrecht verschwenkten Nebenarm, Fig. 14 einen in vergrößertem Maßstab
gehaltenen Schnitt durch einen Drehantriebsteil für den Nebenarm, Fig. 15 eine schematische
Darstellung zur Erläuterung eines Bereichs der Abtastung durch den Nebenarm, Fig.
16 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Nachführ- oder Abtastpunkte
des Nebenarms, Fig. 17 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilschnittansicht
einer Spannwelle (C-Achse), Fig. 18 eine schematische Darstellung einer Skalenplatte,
Fig. 19 schematische Darstellungen der Arbeitsweise eines Stellungsdetektors, Fig.
20 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenbaus des Kippmechanismus
(K-Achse,» -Achse), Fig. 21 eine perspektivische Darstellung eines E-Achsen-Halterahmens
an einem Tragrahmen, Fig. 22 und 23 schematische Darstellungen zur Erläuterung der
Arbeitsweise der Eippmechanismen und Fig. 24 eine schematische Darstellung zur Erläuterung
der Paralleleinstellung mittels des Kippmechanismus.
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Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines erfindungsgemäßen Manipulators,
der für Arbeiten in einem Wasserraum eingesetzt werden kann, welcher durch eine
untere Kopfplatte bzw. einen Rohrboden (header plate) mit lotrecht verlaufenden
Wärmeübertragungsrohren eines Wärmetauschers und eine den Rohrboden abdeckende,
halbkugelige Kessel-Stirnplatte umrissen wird.
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Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird ein Tragrahmen 11 am einen Ende
von einer auf dem Boden des Wasserraums 5 aufliegenden Kugel 10 getragen, während
sein anderes Ende über einen in ein Mannloch 6 eingesetzten Haken 18 an einem festen
Bolzen 12 gehaltert ist. Der Tragrahmen 11 ist im Wasserraum 5 durch zwei seitlich
aufklappbare Tragarme 13a und 13b festgelegt, wobei verschiedene Mechanismen zur
Durchführung einer Abtastung bzw. Nachführung nach Polarkoordinaten (R, 0, (vgl.
Fig. 2) in bezug auf diesen Tragrahmen 11 vorgesehen sind. Diese Mechanismen sind
durch einen Drehtisch 151 (0-Achse), der auf dem Tragrahmen 11 in einer waagerechten
Ebene drehbar ist, einen auf dem Drehtisch 151 angeordneten, beliebig ausfahrbaren
und verkürzbaren Hauptarm (lt-Achse) und eine Achse (6-Achse) gebildet, um welche
der Hauptarm 101 lotrecht zu schwingen vermag. Am Vorderende des Hauptarms 101 ist
ein Nebenarm 401 vorgesehen, der ebenfalls mit einer Drehachse ( -Achse), einer
lotrechten Schwenkachse (ß-Achse) und einer Spannwelle 51 (C-Achse) versehen ist,
die gegenüber dem Nebenarm 401 lotrecht bewegbar ist. Zusätzlich sind Kippachsen
(K-Achse, 5)-Achse) vorgesehen, die senkrecht zueinander liegen und zur Einstellung
des Drehtisches 151 parallel zur Abtastfläche (Rohrboden 3) dienen. Im Betrieb wird
ein entsprechendes Werkzeug oder eine geeignete Priifvorrichtung am Vorderende des
Nebenarms 401 angebracht, so daß es bzw. sie in eine beliebige Position geführt
werden kann.
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Im folgenden sind ein Befestigungsmechanismus für den als Bezugsebene
dienenden Tragrahmen, die R-, 0- und t-Koordinatenachsen der Polarkoordinaten (R,
0,y ), die -, - und
C-Achsen sowie die K- undÄ-Achsen beschrieben.
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Zunächst sind die Befestigungsmechanismen für den Tragrahmen 11 und
einen festen Träger 14, die als Bezugselemente für die Abtastung dienen, erläutert.
Das eine Ende des Tragrahmens 11 wird relativ zum festen Träger 14 befestigt, der
in ein Mannloch 6 eingesetzt und in diesem an seinem Vorderende mittels eines Bolzens
15 festgelegt ist. Diese Festlegung geschieht dadurch, daß ein am einen Ende des
Tragrahmens 11 vorgesehener Haken 18 in einen festen Bolzen 15 am Vorderende des
festen Trägers 14 eingehängt und das andere Ende des Tragrahmens 11 auf die Kugel
10 gesetzt wird. Der feste Bolzen 12 wird sodann unter einem rechten Winkel zu der
Richtung angeordnet, die um einen Winkel gegenüber der zum Zentrum des Wasserraums
2 verlaufenden Richtung korrigiert ist, so daß bei dem auf noch zu beschreibende
Weise erfolgenden Einsetzen des Tragrahmens 11 in den Wasserraum 2 der Tragrahmen
11 durch eine Trennwand 5 nicht behindert wird. Zur Erleichterung des Einsetzens
des Tragrahmens 11 ist weiterhin ein entsprechender Hilfstisch bzw. -träger 16 drehbar
am Vorderendabschnitt des festen Trägers 14 mittels eines Bolzens 17 gelagert. In
den Seitenflächen des Hilfsträgers 16 sind Leitnuten 23 vorgesehen, so daß der Tragrahmen
11 eingeführt werden kann, während seine nicht dargestellten Leitschienen längs
der Leitnuten 23 laufen. Nach dem Einsetzen des Tragrahmens.11, so daß er am einen
Ende auf der Kugel 10 ruht und am anderen Ende über den Haken 18 mit dem festen
Bolzen 12 verspannt ist, sind zur weiteren Festlegung des Tragrahmens 11 seitlich
aufklappbare Stütz- bzw. Tragarme 13a und 13b mittels Drehbolzen 21a bzw. 21b an
linker bzw. rechter Seite des Tragrahmens 11 montiert. An den Außenenden der Tragarme
13a und 13b sind Stützrollen 25a bzw. 25b vorgesehen. Schwenkzylinder 19a und 19b
zum Ausklappen und Einklappen dieser Tragarme 13a bzw. 13b sind am einen Ende über
Schwenkbolzen 22a bzw. 22b am Tragrahmen 11 angelenkt und an ihren anderen Enden
über Bolzen bzw. Zapfen 20a bzw. 20b
schwenkbar mit den Vorderendep
der Tragarme 13a und 13b verbunden. Bei der Festlegung des Tragrahmens 11 wird somit
zunächst der Tragarm 13a durch Ausfahren des entsprechenden Zylinders 1'a gemäß
Fig. 4 ausgeklappt. Da hierbei die Ausfahrkraft f1 des Zylinders 19a eine Kraftkomponente
f2 erzeugt, ist der Tragarm 13a bestrebt, sich zusammen mit dem über den Bolzen
20a mit ihm verbundenen Schwenkzylinder 19a im Uhrzeigersinn zu verdrehen. Wenn
sich der Tragarm 13a beim weiteren Ausfahren des Schwenkzylinders 19a über einen
bestimmten Winkel gedreht hat, wird seine Drehung durch einen am Schwenkzylinder
19a vorgesehenen Anschlag 24a angehalten, so daß nur noch eine Ausfahrbewegung des
Tragarms 13a-auftritt und sich schließlich die Stützrolle 25a gegen die Außenwand
des Wasserraums 2 anlegt und an dieser zum Stillstand kommt. Gleichzeitig wird der
Tragrahmen 11 durch eine Gegenwirkkraft der Ausfahrkraftkomponente 3 des Schwenkzylinders
19a in Richtung auf die Trennwand 5 verlagert, so daß sich seine Seitenfläche an
die Trennwand 5 anlegt; mittels einer Reibungskraft längs der Anlagefläche kann
somit der Tragrahmen 11 auch in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene von
Fig. 4 festgelegt werden. Anschließend kann der Tragrahmen 11 auf ähnliche Weise,
wie vorstehend beschrieben, durch Ausfahren des anderen Schwenkzylinders 19b (weiter)
festgelegt werden, wobei jedoch der Tragarm 13b an der Trennwand 5 anstößt, bevor
der Anschlag 24b sich an den Tragarm 13b anlegt, so daß die Funktion des Anschlags
von der Trennwand 5 übernommen wird. Obgleich bei den vorstehend beschriebenen Betätigungsvorgängen
der Tragarme 13 und der Schwenkzylinder 19 eine Kraftkomponente f4 entsteht, die
den Tragrahmen 11 gemäß Fig. 4 nach links zu verschieben bestrebt ist, wird dieserKraftkomponente
f4 durch die über den festen Bolzen 12 auf den Tragrahmen 11 ausgeübte Haltekraft
entgegengewirkt, so daß sie vernachlässigt werden kann. Der Tragrahmen 11 kann somit
mit Hilfe des festen Bolzens 12, des Hakens 18, der Tragarme 13, der Stützrollen
25 und der Kugel 10 sicher
in dem halbkugelförmigen Wasserraum
2 festgelegt werden.
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Im folgenden sind ein R-, ein Q- sowie ein Y-Achsenelement erläutert,
die sich entsprechend den Polarkoordinaten (R, O, ) auf dem Tragrahmen 11 bewegen.-
Ein R-Achsenelement, d.h. ein Hauptarm 101, weist einen Mechanismus zur Umwandlung
einer Drehung einer Kugel Schraubspindel 102 in Normal- und Gegenrichtung in eine
Vorwärts- und Rückwärtsbewegung sowie eine frei ausfahrbare und verkürzbare Doppelteleskop-Anordnung
auf, die aus einem Außenteil 103 zum Festhalten (R1-Achse), einem Mittelteil 104
(R2-Achse) und einem Innenteil 105 (R3-Achse) besteht. Der Hauptarm 101 ist dabei
an einem O-Achsenelement, d.h. einem noch zu beschreibenden Drehtisch 151 vorgesehen
(vgl. Fig. 1 und 5). Gemäß Fig.5 sind diese genannten R1-, R2- und R3-Achsenelemente
103, 104, bzw. 105 über Leitschienen 106 und 107 an den Elementen 104 und 105 sowie
Lager 112 und 118 zueinander verschiebbar geführt. Die Leitschienen 106 sind am
R2-Achsenelement 104 mit Hilfe von Bolzen 108 und Mutter- bzw. ewindeplatten 109
befestigt, während die Lager 112 auf am R1-Achsenelement 103 befestigten Tragbolzen
110 sitzen. Ebenso sind die Leitschienen 107 am R3-Achsenelement 105 mit Hilfe von
Bolzen 113 und eines Halteteils 115 für die Kuaelspinc3el 102 befestigt, wobei sie
über Lager 117 und Rollen 118 verschiebbar vom am R2-Achsenelement 104 befestigten
Tragbolzen 116 getragen werden. Für den Antrieb dieses R-Achsenelements 101 steht
ein an einem entsprechenden Antriebsmotor 119 vorgesehenes Ritzel 102 gemäß Fig.
6 mit einem mit der Schraubsemdel 102 verbundenen Zahnrad 121 in Eingriff. Eine
an dem in Fig.6 nicht dargestellten R-Achsenelement 105 befestigte Kugel mutter
122 ist auf diese Schraubspindel 102 aufgesetzt, um eine Drehbewegung in eine geradlinige
Bewegung umzuwandeln. Als Detektor- bzw. Fühleinrichtung zur Feststellung der Größe
der Ausfahr- oder Einfahrbewegung des R-Achsenelements 101 ist weiterhin mit der
Spindel 102 ein
Detektorzahnrad 123 verbunden, das mit einem geeigneten
Übersetzungsverhältnis mit einem an einem Kodierer 124 angebrachten Zahnrad 125
kämmt, so daß die Größe der Ausfahr- und Einfahrbewegung des R-Achsenelements 101
auf der Grundlage der Größe der Drehung der Spindel 102 festgestellt werden kann.
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Da die Größe des Ausfahrhubs des R2-Achsenelements 104 und des R3-Achsenelements
105 durch nicht dargestellte, begrenzende Anschläge begrenzt ist, erfolgen die Ausfahr-
und Einfahrbewegungen der betreffenden Elemente im richtigen Verhältnis zueinander
bzw. über eine zweckmäßige Strecke.
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Gemäß Fig. 7 weist ein Q-Achsenelement, d.h. ein in einer waagerechten
Ebene drehbarer Drehtisch 151 in seinem Mittelbereich ein nach unten ragendes, zylirdrisches
Drehrohr 152 auf, wobei der Drehtisch 151 und das Drehrohr 152 durch Kugellager
154 und 155 sowie ein Schub- bzw. Drucklager 156 auf einem festen Zahnradtisch bzw.
-träger 153 drehbar gelagert sind, der über seine Lenker 457 und 458 (vgl. Fig.
20 und 21) mit einem K-Achsen-Tragrahmen 459 gekoppelt ist, der einen der noch zu
beschreibenden Paralleleinstellmechanismen für den Drehtisch 151 bildet. Weiterhin
ist ein an der Oberseite des Drehtisches 151 vorgesehener Verbindungsrahmen 163
über Bolzen 164 so mit dem Drehtisch 151 verbunden, daß er durch Lösen dieser (Schraub-)Bolzen
164 vom Drehtisch getrennt werden kann-. Als Antriebsteil für diesen Drehtisch 151
sind gemäß Fig. 8 ein Ritzel 158 und ein Antriebsritzel 161 an einem 43-Achsen-Antriebsmotor
157 auf dem Drehtisch 151 befestigt. Das Antriebsritzel 161 kämmt mit einem festen
Zahnrad 162, das am festen Zahnradträger 153 befestigt ist. Eine i'eststellung der
Größe der Drehung erfolgt durch ein Ritzel 158, das mit einem Zahnrad 160 eines
am Drehtisch 151 vorgesehenen Kodierers 159 in Eingriff steht. Bei Betätigung des
O-Achsenelements dreht sich der entsprechende Antriebsmotor 157 unter Drehmomentübertragung
über das Antriebsritzel 161 auf das feste Zahnrad 162 des Zahnradträgers 153,
so
daß sich der Q-Achsen-Antriebsmotor 157 aufgrund des erzeugten Gegendrehmoments
gemeinsam mit dem Drehtisch 151 dreht.
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Durch Abnehmen des Verbindungsrahmens 163 können weiterhin das beschriebene
R-Achsenelement sowie das O-Achsenelement und die YR, a,- uns ß-Achsenelemente (noch
zu beschreiben) getrennt bzw. ausgebaut werden. Die Größe der Drehbewegung wird
durch den Kodierer 159 angegeben.
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Im folgenden ist das 9' -Achsenelement, d.h. die lotrechte Schwenkachse
beschrieben. Dieses t;-Achsenelement bewirkt die lotrechte Verschwenkung des beschriebenen
Hauptarms 101 (R-Achse). Gemäß Fig. 8 ist ein am Basisende des R1-Achsenelements
103 vorgesehener Schwenkbolzen 202 drehbar in Lagern 204 an einem Lager-Tragrahmen
203 gelagert, der am Drehtisch 151 befestigt ist. Auf beiden Seiten des R-Achsenelements
101 befindet sich je ein Vertikal-Schwenkzylinder 201, die jeweils am einen Ende
über Bolzen 208a bzw. 208b am oberen Abschnitt des R1-Achsenelements schwenkbar
gelagert sind, während sich am anderen Ende jedes Vertikal-Schwenkzylinders 201
eine Kugel Spindel 212 befindet, die mit einer an einem Innenzylinder 215 des Vertikal-Schwenkzylinders
201 befestigten Kugelmutter in Eingriff steht und an deren Vorderende ein Kegelrad
217 befestigt ist (vgl. Fig. 9 und 10). Der andere Vertill-Schwenkz;ylinder 201
besitzt einen ähnlichen Aufbau.
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Darüber hinaus sind Kegelräder 207 und 218 an den beiden Enden einer
drehbaren Welle oder Achse 206 vorgesehen, die von einem Lagerträger 205 getragen
wird, der am einen Endabschnitt des Verbindungsrahmens 163 vorgesehen ist. Das Kegelrad
207 kämmt dabei mit dem genannten-Eegelrad 217. In einem Antriebsteil für diesen
Vertikal-Schwenkzylinder 201 (vgl. Fig. 8 und von denen Fig. 9 einen Teil der Konstruktion
gemäß Fig. 8 in vergrößertem Maßstab zeigt) sitzt auf der Spindel 212 ein drehbares
Zahnrad 213. An einem Außenzylinder 216 des Vertikal-Schwenkzylinders 201 ist ein
5;2-Achsen-Antriebsmotor 209 vorgesehen, der an seinem Vorderende ein Antriebszahnrad
210 trägt,
r1as iiber ein Zwischenzahnrad 211 mit dem Zahnrad 213
auf der Spindel 212 in Eingriff steht. Das Kegelrad 218 des anderen Vertikal-Schwenkzylinders
201 wird auf ähnliche Weise angetrieben, so daß eine gleichmäßige bzw. ruckfreie
lotrechte ',chwenkbewegung ermöglicht wird. Eine Bestimmung der Größe der lotrechten
Schwenkbewegung wird durch ein auf einem Drehbolzen 202 am einen Ende des R-Achsenelements
101 sitzendes Detektorzahnrad 220 ermöglicht, das mit einem Detektorzahnrad 222
eines Kodierer 221 kämmt. Bei Betätigung dieses -Achsenelements (vgl. Fig. 8 und
10Q(a)) wird das Drehmoment des Antriebsmotors 209 über das Zwischen zahnrad 211
und das drehbare Zahnrad 213 auf die Kugel- Spindel (Schraubspindel) 212 übertragen.
Gleichzeitig wird das Drehmoment auf eine symmetrisch zur Schnecke 212 angeordnete
Kugel-Schraubspindel 219 übertragen, wobei die Kraftübertragung vom Kegelrad 218
auf das Kegelrad 207, auf das Kegelrad 218 der Drehachse 206 und das Kegelrad 223
erfolgt. Die Kugel-Schraubspindel 219 wird daher um den gleichen Betrag gedreht
wie die Kugel-Schraubspindel 212. Am Bolzenanschlußteil des R-Achsenelements 101
wird dabei gemäß Fig. 10b eine Antriebskraft f5 erzeugt, und da das R1-Achsenelement
103 durch die Lager 204 in der Position des Schwenkbolzens 202 gehalten wird, wirkt
eine Eraftkomponente f6 der Antriebskraft f5 als Drehmoment, um das R-Achsenelement
101 sich um den Schwenkbolzen 202 herum über einen entsprechenden Betrag lotrecht
schwenken zu lassen.
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Wie erwähnt, sind das R-, das Q- und das Y -Achsenelement am Basisendabschnitt
des Hauptarms angeordnet, wobei sie gemeinsam das Vorderende des Hauptarms 101 bei
ihrer Ausfahr/Einfahrbewegung, Drehung und lotrechten Schwenkbewegung über beliebige
Abtastpunkte zu führen vermögen. Am Vorderendabschnitt des Hauptarms 101 ist ein
Nebenarm 401 zur Halterung eines Werkzeugs oder dergleichen vorgesehen; mit Hilfe
des an diesem Vorderendabschnitt angebrachten Werkzeugs oder dergleichen können
verschiedene Bearbeitungsvorgänge durchgeführt werden.
In diesem
Nebenarm 401 sind weiterhin ein ß-, ein X - und ein C-Achsenelement zur Erweiterung
des Abtastbereichs, zur Lageneinstellung bei der Abtastung, zur Aufnahme bzw. Abstützung
einer Last usw. angeordnet. Im folgenden ist zunächst das ß-Achsenelement erläutert.
Gemäß Fig. 11 ist am Vorderendabschnitt des R-Achsenelements 101 ein B-Achsenelement,
d.h. eine zusätzliche bzw. Hilfs-Vertikalschwenkachse zum Korrigieren der Lage des
Nebenarms 401 angeordnet. Für die Halterung dieses ß-Achsenelements ist ein ß-Achsen-Rahmen
305 mit Hilfe von Schraubbolzen 304 am R3-Achsenelement 105 befestigt. An diesem
Rahmen 305 ist ein von ihm abstehender Rahmen 301 angeordnet, der Lager zur drehbaren
Halterung eines Drehbolzens 303 aufweist, an welchem der Nebenarm 401 befestigt
ist. Ein Mechanismus für den Antrieb des Nebenarms um die ß-Achse besteht aus einem
ß-Achsen-Antriebsmotor 306, der am Rahmen 305 montiert ist und zur Seite des R3-Achsenelements
105 absteht, einem Ritzel 307, Kupplungs-Zahnrädern 309 und 310, einem Schneckenrad
311, einer Schneckenwelle 312, einem Schneckenrad 313, einem Untersetzungszahnrad
und einem Antriebszahnrad 302, die sämtlich innerhalb des Rahmens 305 angeordnet
sind. Wenn der ß-Achsen-Antriebsmotor 306 in Betrieb gesetzt wird, dreht sein Ritzel
307 die Schneckenwelle -312 über die Kupplungs-Zahnräder 309 und 310, und da das
Schneckenzahnrad 311 auf der Schneckenwelle 312 mit dem Schneckenrad 313 und dem
auf derselben Welle angeordneten Untersetzungszahnrad 314 kämmt, während das Schneckenrad
313 mit dem Antriebszahnrad 302 auf dem Drehbolzen 303 kämmt, wird das Drehmoment
des Motors 306 auf diesen Drehbolzen 303 übertragen. Gemäß Fig. 12 erfolgt die Feststellung
der Größe der lotrechten Schwenkbewegung über ein Ritzel 315b, das an einem Kodierer
316 befestigt ist und mit einem Eodierer-Zahnrad 315a auf der Schneckenwelle 312
kämmt, wodurch der Kodierer 316 gedreht wird. Die Aufgabe des ß-Achsenelements besteht
in der Verhinderung einer Änderung der Lage oder Haltung des Nebenarms 401 relativ
zum Rohrboden 3, welche durch die vorstehend
beschriebene Betätigung
des {? -Achsen elements hervorgerufen wird. Wenn sich gemäß Fig. 13 der Nebenarm
401 nicht lotrecht um die ß-Achse verschwenken kann, während er in der waagerechten
Lage des R-Achsenelements 101 parallel zum Rohrboden 3 liegt, ist der Nebenarm 401
auch senkrecht zum Rohrboden 3 bringbar, da sich bei einer Änderung des Winkels
9 im Uhrzeigersinn aufgrund der lotrechten Schwenkbewegung die Lage des Nebenarms
401 ändert und schließlich auch das R-Achsenelement 101 in die lotrechte Lage gelangt.
Wenn sich somit der Nebenarm 401 lotrecht um die B-Achse herum verschwenken kann,
um Abweichungen des Winkels 9 auszugleichen, kann er stets parallel zum Rohrboden
3 gehalten werden.
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Für die Drehung um das ;C-Achsenelement, d.h. eine Spannwelle 351
zum Drehen des Nebenarms 401 (vgl. Fig. 11), ist an letzterem ein Zahnrad 402 vorgesehen,
wobei der Nebenarm 401 über nicht dargestellte Lager von der Spannwelle 351 getragen
wird.
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Ein Antriebsteil für dieses x-Achsenelement bestet aus einem T -Achsen-Antriebsmotor
403, einem Ritzel 410, einem Zwischenzahnrad 404, einem Untersetzungszahnrad 405,
einem Tintersetzungsgetriebe 406 und einem Antriebszahnrad 407 (vgl. ig. -14). Die
3bestimmung der Drehgröße wird durch Verdrehen eines Kodierers 409 über ein Detektorzahnrad
408 durchgeführt, das seinerseits mit dem Untersetzungszahnrad 405 kämmt. Das Verdrehen
des Nebenarms 401 erfolgt in der Weise, daß das Drehmoment des t-Achsen-Antriebsmotors
403 über das Ritzel 410, das Zwischenzahnrad 404, das Untersetzungszahnrad 405,
das Untersetzungsgetriebe 406 und das Antriebszahnrad 407 auf das Zahnrad 402 übertragen
wird.
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Auf diese Weise kann durch Verdrehen des Nebenarms 401 eine Abtastung
über den gesamten Bereich bzw. über die gesamte Fläche bis in die Ecken des Wasserraums
2 oder in die Nähe der Trennwand 5 durchgeführt werden, wobei diese Abtastung weder
durch die Wand des Wasserraums 2 noch durch die Trennwand 5 behindert wird. Diese
Abtastfähigkeit ist in Fig. 15 veranschaulicht. In Fig. 15 steht ein kleiner Kreis
411 für den Gesamtaufbau des t-Achsen-Antriebsteils, während die
Ziffer
412 einen Abtastpunkt bezeichnetR (weitere) kleine Kreise in strichpunktierten Linien
die Ausrichtung des t-Achsen-Antriebsteils für den Fall angeben, daß der Nebenarm
401 nicht vorgesehen ist, und die schraffierten Flächen Behinderungszustände veranschaulichen,
Es ist darauf hinzuweisen, daß dann, wenn die Länge des Nebenarms 401 entsprechend
dem 5-fachen oder einem Mehrfachen davon bzw.
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dem 13-fachen oder einem Mehrfachen davon bezogen auf den Mittenabstand
der Rohranordnungr gewählt wird (falls die Rohre eine quadratische Anordnung längs
der abzutastenden Fläche bilden-), die Zahl der bei der Drehung des Nebenarms 401
abtastbaren Wärmeübertragungsrohr-Positionen vergrößert wird. Dieser Zustand ist
in Fig. 16 veranschaulicht, in welcher die jeweiligen Kreuzungspunkte die Positionen
der Wärmeübertragungsrohre angeben. In der Darstellung von Fig.
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16 ist die Länge des Nebenarms 401 entsprechend dem 5-fachen des Mittenabstands
zwischen den einzelnen Rohren gewählt, so daß bei einer Drehung des Nebenarms 401
12 Kreuzungspunkte längs eines Kreises abgegriffen werden können.
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Im folgenden ist das C-Achsenelement, d.h. die Spannwelle 351 beschrieben,
die am Vorderende des Hauptarms 101 angeordnet ist und beidseitig das hintere bzw.
Basisende des Nebenarms 401 bildet. Die in einem engen Rohrloch 7 des Rohrbodens
3 verspannbare Spannwelle 351 ist unter Ermöglichung einer lotrechten Bewegung in
lotrechter Lage schwenkbar am Nebenarm 401 gehaltert. Ein an ihrem Außenende vorgesehener
Spannmechanismus ist so ausgebildet, daß das Außenende der Spannwelle 351 sich nach
außen hin verjüngt und unter diesem sich verjüngen den Abschnitt vier getrennte
Spannbacken 352 angeordnet sind, die gemäß Fig. 17 an ihrem Außenumfang durch einen
O-Ring 353 zusammengehalten werden. Am anderen Ende der Spannwelle 351 ist ein Spann-Kolben
354 angelenkt Die Spannwelle 351 ist in eine Hubachse 359 eingesetzt, und der Spann-Kolben
354 befindet sich innerhalb eines im Inneren der Hubachse 359 ausgebildeten Spannzylinders
358. Der Außenumfang des Spannzylinders
358 bildet einen Hubkolben
361, der in einem Hubzylinder 360 geführt ist. Die Druckluftzufuhr zum Spannzylinder
358 erfolgt über eine entsprechende Speiseöffnung 364 in einem Luftspeiseblock 355
am unteren Endabschnitt der Spannwelle 351, über eine in dieser ausgebildete zentrale
Bohrung sowie eine den Spann-Kolben 354 durchsetzende Bohrung 356; die Aufhebung
des Spannzustands wird durch eine Luftspeiseleitung 357 bewirkt, die sich von einer
Entlüftungsbohrung 365 im Luftspeiseblock 355 durch das Innere des Hubzylinders
360 erstreckt und mit dem Spannzylinder 358 in Verbindung steht. Zum Hochfahren
und Ablassen der Hub achse 359 sind weiterhin eine Hochfahr-IJuftbohrung 362 im
unteren Abschnitt und eine Ablaß-Luftbohrung 363 im oberen Abschnitt des Hubzylinders
360 vorgesehen. Als Stellungsfühler ist weiterhin ein Faseranschluß 367 am äußeren
bzw. oberen Lande der Spannwelle 351 angeordnet und über ein Faserbündel 366 mit
einer mit Skalenplatte (vgl. Fig. 18) versehenen Fernsehkamera 368 verbunden, die
ihrerseits mit einem Fernsehmonitor 369 (vgl.
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Fig. 1) verbunden ist. Auf diese Weise ist ohne weiteres eine Beobachtung
des engen Rohrlochs 7 sowie eine Ausrichtung der Spannwelle 351 möglich.
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Zum Verspannen wird die Spannwelle 351 durch entsprechende Führung
gegenüber der R-, 6- und 'f -Achse in eine Position unmittelbar unter dem vorgesehenen
Rohrloch 7 gebracht. ie17 veranschaulicht den hergestellten Verspannzustand. Zunächst
wird Druckluft von einem nicht dargestellten Druckluftvorrat her über die Ausfahr-Suftbohrung
362 in den Hubzylinder 360 eingeleitet, so daß der Hubkolben 361 hochfährt und dabei
die Hubachse 359 und die Spannwelle 351 in Aufwärtsrichtung mitnimmt, um letztere
in das enge Rohrloch 7 einzuführen.
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Anschließend erfolgt die Druckluftzufuhr zum Spannzylinder 358 über
die betreffende Bohrung 364 und die Luftbohrung 356, so daß die einstückig mit dem
Spannkolben 354 ausgebildete Spannwelle 351 herab gedrückt wird und die Spannbacken
352 durch den sich verjüngenden, d.h. nach außen hin erweiternden
Abschnitt
der Spannwelle 351 in Umfangsrichtung ausgespreizt und gegen die Rohrwand angedrückt
werden. Die Spannwelle 351 ist daraufhin mit Kraftschluß im Rohrloch 7 festgelegt.
Zum Lösen der Spannwelle 351 werden die beschriebenen Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge
durchgeführt; die mit dem Spannkolben 354 verbundene Spannwelle 351 wird durch Druckluftzufuhr
iiber die Löse-Luftspeisebohrung 365 hochgefahren, so daß die Spannbacken 352 durch
den 0-Ring 353 gegeneinander gezogen und dabei von der Rohrwand getrennt werden,
worauf der Hubkolben 361 durch Zufuhr von Druckluft über die Ablaß-Luftbohrung 363
herab gefahren und damit die Spannwelle 351 aus dem Rohrloch 7 herausgezogen wird.
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Da die Fernsehkamera 368 mit dem Faserbündel 366 über die Skalenplatte
370 verbunden ist, lassen sich eine Querverschiebung sowie der lotrechte Abstand
der Spannwelle 351 gegenüber dem Rohrloch 7 durch Beobachtung der Lage und der Größe
des Bilds des Rohrlochs 7 auf dem Fernsehmonitor 369 feststellen. Insbesondere ist
in dem Zustand gemäß Fig. 19a, in welchem die Spannwelle 351 noch vom Rohrboden
3 entfernt ist, ein Bild.des Rohrlochs 7 kleiner als ein vorher gemessenes Bezugsbild
373 des Rohrlochs 7, während sich das Bild 374 bei Annäherung der Spannwelle 351
an den Rohrboden 3 gemäß Fig. 19b vergrößert. Durch Ablesen der Größe des Bilds
374 auf der Skalenplatte 370 kann der Abstand zwischen dem Rohrboden 3 und der Spannwelle
351 bestimmt werden.
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Wenn außerdem die Spannwelle 351 in waagerechter Richtung versetzt
ist, ist ein solcher Versatz gemäß den Fig. 19b und 19e auf dem Fernsehmonitor 369
sichtbar, so daß auch die waagerechte Verschiebung der Spannwelle 351 festgestellt
werden kann.
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Durch Betätigung der genannten Elemente für R-, @-, Q-, -,
ß-, t - und C-Achse lassen sich somit beliebige Positionen abgreifen bzw. abtasten.
Da jedoch ein bestimmter Ausrichtfehler des als Bezugsfläche dienenden Tragrahmens
11 die Abtastfläche bzw. -ebene des Drehtisches 151 beeinflussen würde, ist eine
Einrichtung zum Korrigieren der Lagenausrichtung
des Drehtisches
151 auf dem Tragrahmen 11 zur Erzielung einer Einstellung parallel zur Fläche des
Rohrbodens 3 vorgesehen, so daß ein etwaiger Richtungsfehler des Tragrahmens 11
ausgeglichen werden kann. Für diesen Zweck sind Kippmechanismen, d.h. ein K-Achsenelement
und ein -Achsenelement in senkrechten Positionen über dem Tragrahmen 11 und unter
dem Drehtisch 151 vorgesehen. Gemäß den Fig. 20 und 21 ist für das E- und das -Achsenelement
am Tragrahmen 11 ein K-Achsenhalteblock 459 vorgesehen, über welchem der Drehtisch
151 angeordnet ist. Das K-Achsenelement wird durch diesen Block 459 unter Ermöglichung
einer Neigung des Drehtisches 151 getragen, während das senkrecht zum K-Achsenelement
angeordnete -Achsenelement vom Tragrahmen 11 so getragen wird, da es den Drehtisch
151 durch Neigung des K-Achsenhalteblocks 459 zu neigen vermag.
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Für das K-Achsenelement sind an der Unterseite des Drehtisches 151
von diesem abstehende Halterahmen 462 und 463 über Zapfen bzw. Bolzen 460 und 461
drehbar am Halteblock 459 gelagert.
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Außerdem sind in einer Richtung senkrecht zu den Bolzen 460 und 461
an der Unterseite des Drehtisches 151 Fortsätze vorgesehen, an denen Lenker 457a,
457b sowie 458a, 458b mittels Bolzen 451 bzw. 452 drehbar gelagert sind. Zwischen
den Lenkern 457a, 457b und 458a, 458b sind Muttern bzw. InnengewindestSicke 455
bzw. 456 unter Bildung U-förmiger Lenker befestigt.
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In diese Muttern bzw. Gewindestücke 455 und 456 sind K-Achsen-Kugelschrauben
453 und 454 eingeschraubt. Letztere weisen Gewinde mit entgegengesetzter Steigung
auf, so daß sich beim Drehen dieser Kugel schrauben 453 und 454 die Muttern 455
und 456 unter Neigung des Drehtisches 151 entgegengesetzt zueinander bewegen. Für
den Antrieb der Kugelschrauben 453 und 454 steht ein Antriebsritzel 468 eines K-Achsen-Antriebsmotors
am Halteblock 459 über ein Zwischenzahnrad 467 mit Fugelschrauben-Antriebszahnrädern
465 und 466 an den Endabschnitten dieser Kugel schrauben 453 bzw. 454 in Eingriff.
Ein Kippmechanismus mit ähnlichem Aufbau ist auch fiir das -Achsenelement vorgesehen,
das zum Verkippen bzw. Neigen des Drehtisches 151 senkrecht
zur
Kipprichtung des E-Achsenelements dient. Das -Achsenelement umfaßt am Halteblock
459 vorgesehene Schwenkbolzen 511 und 512, die in am Tragrahmen 11 montierten Lagern
513 bzw. 514 drehbar gelagert sind. Zusätzlich sind am E-Achsen-Ealteblock 459 i
t-Achsen-Eugelschrauben 511 und 512 in einer Richtung -senkrecht zu der die E-Achsen-Eugelschrauben
453 und 454 verbindenden Linie angeordnet und in Muttern bzw. Innengewindestücke
503 bzw. 504 am Lenker 505 bzw. 506 eingeschraubt. Letztere sind am Halteblock 459
über Halte- bzw. Tragbolzen 507 bzw.
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508 drehbar gehaltert. Für den Antrieb der #-Achsen-Kugelschrauben
501 und 502 stehen an ihren Endabschnitten vorgesehene Antriebszahnräder 518 und
519 über ein Zwischenzahnrad 517 mit einem Antriebsritzel 516 eines t-Achsen-Antriebsmotors
516 in Eingriff.
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Die Paralleleinstellung des Drehtisches 151 gegenüber der Fläche des
Rohrbodens 3 erfolgt mit Hilfe der K- und Achsenelemente wie folgt: Gemäß den Fig.
22 und 23 wird das Drehmoment des K-Achsen-Antriebsmotors 464 vom Antriebsritzel
468 auf das Zwischenzahnrad 467 und weiterhin auf das Kugel schrauben-Antriebszahnrad
465 und 466 übertragen, um die Kugelschrauben 453 bzw. 454 in Drehung zu versetzen.
Da die Kugelschrauben 453 und 454 Gewinde mit entgegengesetzter Steigung besitzen,
werden dabei die Muttern bzw. Innengewindestücke 455 und 456 über die gleiche Strecke
in entgegengesetzter Richtung verschoben. Infolgedessen dreht sich der Gestängemechanismus
aus den Lenkern 457 und 458, den Haltebolzen 451 und 452 sowie den Schwenkbolzen
460 und 461 um letztere herum, so daß sich er Drehtisch 151 neigt. Zur Neigung des
Drehtisches 151 um eine Achse senkrecht zur genannten K-Achele wird außerdem der
K-Achsen-Halteblock 459 als Ganzes mittels eines ähnlichen Mechanismus geneigt bzw.
verkippt.
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13ei einem mittels der genannten Achsenelemente gemeinsam durchzuführenden
Abtast- bzw. NachführvorganF; werden zunächst der feste Träger 14 und der Tragrahmen
11 im Wasserraum 2 festgelegt, worauf zur Ausrichtung des Drehtisches 151 am Tragrahmen
parallel zum Rohrboden 3 eine Paralleleinstellung mittels des Kippmechanismus durchgeführt
wird. Dabei werden das K-und das -Achsenelement auf vorstehend beschriebene Weise
betätigt, und die parallele Lage wird mit Hilfe eines FaseroptiX-Lagendetektors
mit einem Faserbündel 366 festgestellt, das am Außenendabschnitt des C-Achsenelements,
d.h. der Spannwelle 351 endet; die Paralleleinstellung wird dabei nach dem in Fig.
24 veranschaulichten Prinzip erreicht. Bezüglich der die beiden -Achsen-Kugelschrauben
einschließenden Ebene sei insbesondere angenommen, daß sich der Neigungswinkel gt
durch i°= g71 bestimmt, der Abstand zwischen dem Rohrboden 3 (Rohrloch 7) und Faseränschluß
367 (Fig.17) in diesem Augenblick Z1 beträgt und derselbe Abstand bei Drehung der
Abtast-bzw. Nachführvorrichtung um 1800 gleich Z2 ist; in diesem Fall läßt sich
der Lagenfehler - zwischen dem Tragrahmen 11 und dem Rohrboden 3, falls vorhanden,
nach folgenden Gleichungen berechnen: Z = Z2 - Z1 tan -1 Z2 2 Z1 (wenn Z1 k Z2)
2R sind#1 Wenn somit der W-Achsen-Halteblock 459 zur Realisierung von Z1=Z2, d.h.
- Z=0, um die / -Achse geneigt wird, kommt er parallel zum Rohrboden 3 zu liegen.
Auf ähnliche Weise kann durch Kippen bzw. Neigen des Drehtisches 151 um die K-Achse
der Drehtisch 151 vollständig parallel zum Rohrboden 3 ausgerichtet werden. Mittels
dieser Vorgänge läßt sich die Bezugsebene festlegen. Anschließend kann unter Heranziehung
der betreffenden Koordinaten (R, 8, ) unter Benutzung der betreffenden Achsenelemente
auf der Bezugsfläche bzw. auf dem Drehtisch 151 die betreffende Koordinatenstellung
abgetastet
bzw. abgegriffen werden, während die Verschiebungsgrößen
der betreffenden Achsenelemente gemessen werden. Da bei dieser Abtastung oder Nachführung
eine Sichtüberwachungsvorrichtung benutzt wird, kann das Rohrloch 7 vor dem Festspannen
(des Manipulators) stets im Sichtfeld der Sichtüberwachungsvorrichtung beobachtet
werden, so daß eine gewisse Lagenabweichung mittels des sich verjüngenden äußeren
bzw.
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oberen Endes der Spannwelle 351 korrigiert werden kann. Nach der auf
beschriebene Weise erfolgenden Abtastung bzw. Nachführung kann die Spannwelle 351
des Nebenarms 401 in der Rohrbohrung 7 verspannt werden. Anschließend werden die
vorgesehenen Arbeiten mit Hilfe eines am Nebenarm 401 montierten Werkzeugs oder
Prüfgeräts durchgeführt. Wie erwähnt, kann dabei dann, wenn die Länge des Nebenarms
401 zweckmäßig gewählt ist, eine große Zahl von Rohrlöchern bzw. -bohrungen 7 abgegriffen
werden. Für das Auswechseln eines Werkzeugs, wenn auf eine andere Arbeitsart übergegangen
werden soll, kann außerdem der Nebenarm 401 durch Zusammenklappen bzw. Verkürzen
der erfindungsgemäßen Nachführvorrichtung an ein Mannloch herangebracht werden,
so daß sich der Werkzeugwechsel leicht und schnell vornehmen läßt.
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Der vorstehend in bevorzugter Ausführungsform beschriebene erfindungsgemäße
Manipulator zur Durchführung von Arbeiten in einem Wärmetauscher kann somit leicht
in seiner Arbeitslage festgelegt werden, ohne daß ein Arbeiter in den engen Wasserraum
des Wärmetauschers einzusteigen braucht, wobei außerdem etwaige Ausrichtfehler beim
Einsetzen des Manipulators korrigiert werden können, so daß sich eine Bezugsfläche
für die Abtastung bzw. Nachführung mit hoher Genauigkeit bestimmen läßt. Da zudem
für die Ausrichtung eines Abtast- bzw. Nachführpunkts Variable entsprechend den
Polarkoordinaten benutzt werden, ist das Steuerverfahren einfach durchfiihrbar,
so daß die gesamte Vorrichtung kompakt und mit niedrigem Gewicht ausgelegt werden
kann. Aufgrund des Vorhandenseins
des Nebenarms läßt sich außerdem
die gesamte Fläche eines Rohrbodens bestreichen. Während des Ausrichtvorgangs können
weiterhin der Abstand vom Rohrboden sowie ein Querversatz mittels eines in der spannwelle
vorgesehenen Lagendetektors bestimmt werden. Der Iianipulator kann dabei im engen
Rohrloch des Rohrbodens mittels der Spannwelle verspannt werden, wodurch seine Belastbarkeit
vergrößert wird. Der Manipulator unterliegt demzufolge nur geringen Einschränkungen
bezüglich der Art der durchzuführenden Arbeit, wobei seine Ausrichtung und eine
Korrektur einer etwaigen Abweichung ebenfalls mit hoher Genauigkeit durchführbar
sind. Die Erfindung bietet noch zusätzliche Wirkungen und Vorteile, beispielsweise
bezüglich des Auswechselns eines am Nebenarm montierten Werkzeugs, weil der Nebenarm
bei zusammengeklappter Vorrichtung an ein Mannloch herangeführt und dort das Werkzeug
leicht ausgewechselt werden kann.
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