-
Die hier zur Frage stehende Maschine
besteht aus einem Modul parallel synchronisierter Bewegungsabläufe, das
auf dem Wege der Kombinierung aller Bewegungen drei auf einem Werkzeug oder
Greifer koordinierte Achsen beaufschlagen. Der Einsatz dieser Erfindung
liegt vorzugsweise in Transfermaschinen, Bearbeitungsmaschinen allgemein, Bewegungsmoduln
und/oder Anwendungsbereichen bei der Handhabung von Komponenten.
-
Die hier beschriebene Erfindung ist
für die kommende
Generationen von Maschinen angedacht und bietet durch ihre Anwendung
auf unterschiedliche Vorrichtungen und Funktionen bestimmten Maschinenherstellern
die Möglichkeit,
ihre aktuellen Maschinen an den ständig anspruchsvolleren Bedarf
bestimmter industrieller Bereiche wie beispielsweise die Automobilindustrie
anzupassen bzw. die Wettbewerbsfähigkeit
derselben auf einem Markt zu erhalten, der in den zurückliegenden
Jahren auf direktem oder indirektem Wege über 50% der Gesamtproduktion
an Werkzeugmaschinen verschlungen hat.
-
Die derzeitigen Anforderungen auf
Märkten wie
dem oben genannten zwingen die Hersteller von Maschinen dazu zunehmend
kreative konstruktive Lösungen
zu finden und Maschinen zu entwickeln, die im Vergleich zu den konventionellen
und sich für die
Mehrzahl der grundlegenden Designparameter hart an den Optimierungsgrenzen
bewegenden Maschinen neue Lösungsansätze aufzeigen.
-
Vor diesem Hintergrund stellen die
Lösungen der
parallelen Kinematik oder anders ausgedrückt, der Maschinen mit simultan
ablaufenden anstelle von entkoppelten Antrieben für viele
der heute existierenden Problemstellungen einen großen Sprung
nach vorn da.
-
Eine der ersten maschinellen Anwendungen der
nicht-kartesianischen
Architektur gründet
sich auf die parallele Kinematik der Steward-Plattform für die Fabrikation
von Flugsimulatoren (zu Ende der 60er Jahre).
-
Im konkreten Fall dieser Maschine
ist das Kopfstück
auf einer von sechs teleskopischen Achsen getragenen Plattform angeordnet.
Die Achsen sind direkt mit dem feststehenden Tisch verbunden. Die
Länge der
teleskopischen Achsen bestimmt die Position des Kopfes, der mit
einer Freiheit von 6° (3 Translationsbewegungen
und 3 Rotationsbewegungen) verfahren werden kann, bei der der maximal mögliche Winkeln
auf 30° beschränkt ist.
-
Die Konsequenz dieser Anordnung ist
die, daß die
kartesianischen Wellen nicht als solche fungieren und im Steuersystem
nur eine virtuelle Form existiert.
-
Der grundlegende Unterschied zu den
kartesianischen Mechanismen liegt in dem Umstand, daß es für die Übertragung
aller auftretenden Kräfte
nur eine kinematische Kette gibt, wobei allerdings im Falle der
sechs vorhandenen Achsen diese sechs "parallele" kinematischen Ketten bilden, über welche
die Kräfte
verteilt werden.
-
Jede einzelnen dieser Achsen bestimmen
einen Freiheitsgrad und übertragen
ausschließlich
reine Zug- bzw. Druckkräfte
der Achsenposition.
-
Bei den parallelen Mechanismen wird
keine Achse von einer anderen mitgenommen. Aus diesem Grund ist
die zu verfahrene Masse wesentlich geringer als die bei den konventionellen
Maschinen. Die Kräfte
werden auf alle vorhandenen Achsen verteilt. Parallele Mechanismen,
bei denen ausschließlich sehr
kleine Massen zu verfahren sind, können daher extrem steif fabriziert
werden. Die Kombination aus kleinen zu verfahrenen und zugleich
hochsteifen Massen macht die parallelen Mechanismen vor Allem bei
Bearbeitungsvorgängen
unter hohen Geschwindigkeiten interessant.
-
Auf der anderen Seite steht die Schwierigkeit,
teleskopische Achsen mit einer ausreichenden Steifigkeit herzustellen.
Dazu kommt der Umstand, daß der
Arbeitsbereich des Hexapoden immer symmetrisch in Rotation ist und
nur arbiträr
konstruiert werden kann sowie außerdem, daß Hexapoden in relativ voluminösen Prototypen
auftreten.
-
Aktuell geht es darum Lösungen zu
entwickeln, deren Kinematik zwar die Vorteile der parallelen Bauweise
aufweist aber nicht mit den ebenfalls vorhandenen Nachteilen behaftet
ist. Achsen, die auf Schlitten, aufgebaut sind, die ihrerseits mit
parallelen Schienen verfahren werden und als Antrieb dienende lineare
Motore.
-
In dem Dokument
EP 0 674 969 A wird ein Modul
beschrieben, das über
eine feststehende und eine passive Struktur verfügt. Allerdings besteht die passive
Struktur ("constraining
device 340") allein aus
einem Paar kinematischer Scheren. Außerdem haben die Verbindungen
der Arme ("struts
316") immer eine
Freiheit von drei Grad.
-
Der Antragsteller hat ein paralleles
kinematisches Bewegungsmodul entwickelt, welches die im Folgenden
beschriebe nen Merkmale und verglichen mit bereits bekannten Konzepten
die ebenfalls dargestellten Vorteile aufweist:
Die hier vorgestellte
Erfindung besteht aus unterschiedlichen Strukturelementen, wie sie
im Rahmen der Merkmale des Anspruchs 1 beschrieben werden.
-
Die passive und antriebslose Struktur,
mit deren Hilfe die Bewegungen auf einer der Ebenen unterstützt werden,
gründet
sich auf eine bzw. mehrere kinematische Scherenpaare, die mindestens
auf einer Schnittlinie artikuliert sind. Diese bewegliche Struktur
hat die Aufgabe, die Kräfte
auf die drei kartesianischen Achsen und die drei Momente wirkenden
Kräfte
aufzufangen.
-
Auf dieser passiven Struktur werden
zum Einen eine starre Struktur für
die Aufnahme einer beliebigen Maschine und zum Anderen eine mit
Hilfe von entsprechenden Führungen
das Kopfstück
tragende bewegliche Struktur aufgebaut.
-
Andererseits gibt es 'Arme', die auf der einen Seite
mit der starren Struktur und auf der anderen mit der beweglichen
Struktur verbunden sind, die das mit Hilfe von Kardangelenken bzw.
Kugelgelenken angebundene Kopfstück
bzw. den Greifer trägt.
Diese aktiven Arme sind dabei die, welche an die Antriebseinheiten
angebunden werden.
-
Die Raumverteilung der Anbindungspunkte an
die starre Struktur, die bewegliche Struktur sowie an die Arme muss
in Abhängigkeit
von der Steife, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung berechnet werden,
mit denen die Maschinen ausgestattet sein soll.
-
Die in diesem Rahmen vorgestellte
Erfindung beinhaltet eine Reihe von bedeutenden Vorteilen, und zwar
sowohl aus der rein strukturellen als auch aus kinematischer oder
dynamischer Sicht.
- – Die weiter oben beschriebene
Auslegung beinhaltet minimale Steifheiten, die an allen Punkten des
Arbeitsvolumens dreimal höher
als bei beliebigen vergleichbaren konventionellen Maschinen liegen.
Dieses wird dank einer guten Position der beweglichen Strukturelemente
im Raum in Verbindung mit den passiven Elementen erreicht.
- – Die
Betriebsleistung der Maschine in mm3 ist zweimal
so groß wie
die einer Maschine mit einer vergleichbaren Leistungsauslegung.
- – Der
proportional zu der mit dem aufgespannten Werkzeug oder dem Greifer
erzielten Betriebsleistung von der Maschine belegte Raum ist analog der
der anspruchsvollsten seriellen Antriebsmaschinen und steht in keinem
Vergleich zu den vorhandenen Maschinen mit parallelem Antrieb.
- – Aus
dem Gesichtspunkt des Einsatzes in industriellen Bereichen, in denen
die Breite der Maschine ein entscheidender Faktor ist, da die Fabrikationslinien
eingestellt sind und folglich die minimale Distanz für den Transfer
zwischen Moduln kritisch ist, kann festgestellt werden, daß die hier
vorgestellte Erfindung das Breitenmaß mit Bezug auf den in dieser
Abmessung geforderten Hub in jeder Weise optimiert, da für maschinenseitig
vorgegebene Maße
1 Hübe
von 0,8 im Bereich des Möglichen
liegen.
- – In
der absolut einfachsten Darstellung der Erfindung ist die Zahl der
verwendeten Antriebe dieselbe wie die beim Bewegungsablauf gesteuerten Achsen.
Rein aus diesem Gesichtspunkt bietet die Erfindung einen zweifellos
besseren Ansatz als die traditionellen Lösungen paralleler Kinematiken
mit sechs Armen und fünf
Achsen.
- – Die
Kombination der aktiven Strukturelemente vom Typ "Stange" mit den angelenkten
passiven Strukturen ermöglicht
das Abfangen von Biegemomenten, die weit über dem liegen, was bei den übrigen Lösungsansätzen mit
nur drei Strukturen vom Typ "Stange" möglich ist.
- – Die
von den Antrieben zu verfahrenden Gewichte liegen weit unter denen
konventioneller Maschinen, bei denen Bewegungsabläufe mit ähnlichen Hüben auszuführen sind.
- – Die
Zahl der zu der hier beschriebenen Maschine gehörenden Bauteile liegt weit
unter der der konventionellen Maschinen, so daß sowohl die Baukosten als
auch der Endpreis beträchtlich niedriger
liegen.
- – Aufgrund
des Umstands, daß keine
Strukturelemente wie Schlitten und Zwischenelemente gefordert sind,
sind weniger Komponenten zu bearbeiten, was wiederum einen beachtlichen
Kostenvorteil beim Bau der Maschine darstellt.
- – Die
mögliche
Verteilung des Arbeitsvolumens für
die Maschine erlaubt eine orthogonale Eingrenzung desselben und
läßt "Extra-Hübe" frei, die dazu benutzt
werden können,
kollaterale Arbeiten auszuführen,
wie etwa der Austausch von Werkzeugen, die Prüfung von aufgespannten Werkzeugen
usw., ohne daß für diese
Arbeiten der Arbeitsbereich der Maschine beeinträchtigt werden muß.
- – Die
komplexeste der Varianten der Maschine, die mit einem zusätzlichen
Antrieb ausgerüstet
ist, ermöglicht
die Steuerung der relativen Rotationsbewegung der Struktur, welche
den Halter des Kopfstücks
um die Z-Achse hält.
Ruf diese Weise lassen sich Positionen erreichen, die sich durch eine
größere Steifheit
auszeichnen.
- – Das
räumliche
Layout der Maschine mit Bezug auf deren feststehende Struktur kann
unterschiedlich sein, was allerdings in keinem Fall das Verhalten
der Erfindung beeinträchtigt.
Andererseits wird dem Kunden damit die Möglichkeit gegeben, ohne zusätzliche
Kosten für
den Hersteller nach eigenem Ermessen auf einer der Achsen größere Hübe vorzusehen.
-
Zum besseren Verständnis des
Gegenstands der hier vorgestellten Erfindung wird anhand von Zeichnungen
eine vorzugsweise praktische Realisierung dargestellt, an welcher
unbeschadet der Grundlagen der Erfindung noch Änderungen vorgenommen werden
können.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung und eine perspektivische Ansicht einer
praktischen Realisierung mit drei aktiven Armen an dem Modul, das
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung und eine perspektivische Ansicht einer
praktischen Realisierung mit drei aktiven Armen an dem Modul, das
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, sowie einem zusätzlichen
Antrieb.
-
Nachstehend wird im Sinne eines Beispiels eine
praktischen Realisierung gezeigt, die in keiner Weise einschränkend für die Möglichkeiten
der hier beschriebenen Erfindung sein soll.
-
Es lassen sich drei aktive Arme erkennen (drei
in der 1) (1, 2, 3),
die bei dem hier dargestellten Beispiel als Spindeln ausgeführt sind
und die mit Hilfe eines konventio nellen Systems wie beispielsweise
einem Motor, einem Untersetzungsgetriebe, Riemenscheiben bzw. einer
beliebigen sonstigen Transmission in Bewegung gesetzt werden.
-
Die Arme (1), (2),
(3) sind an einem ihrer Enden über die Gelenke (11),
(12), (13) mit zwei Grad Freiheit, wie beispielsweise
Universal- oder Kardan-Gelenke, mit der feststehenden Struktur oder dem
Unterbau (16) verbunden und an dem anderen Ende sind sie
gleichermaßen über Gelenke
(15) an eine räumlich
bewegliche Struktur mit drei Grad Freiheit wie etwa Kugel- oder
Kniegelenke verbunden.
-
Die Erfindung sieht dabei vor, daß die Gelenke
mit drei Grad Freiheit die sein sollen, welche an den am Unterbau
(16) angebundenen Armen sitzen und die Gelenke mit zwei
Grad Freiheit die an der räumlich
beweglichen Struktur (4) angebundenen sein sollen.
-
Die räumlich beweglichen Struktur
(4) trägt das
Kopfstück
bzw. den Greifer (5), der sich in Abhängigkeit der orthogonalen Bewegungen
bewegt, die auf die drei im Raum koordinierten Achsen wirken, und
von den Bewegungsabläufen
der Arme (1), (2) und (3) mitgenommen
wird.
-
Der Zusammenbau der räumlich beweglichen
Struktur (4) und der flachen beweglichen Struktur (6)
erfolgt mit Hilfe von linearen Führungen
(14), die eine Bewegung mit Bezug auf die Z-Achse zulassen.
Die flache bewegliche Struktur (6) wird ihrerseits mit
Hilfe einer aus einem bzw. mehreren Paaren kinematischer Scheren
(7-8, 9-10) und dem entsprechenden Gelenk (20)
bestehenden passiven Struktur ohne Antriebe an die feste Struktur
oder auch Unterbau angebunden. Die erwähnten Scheren weisen an einem
ihrer Enden einen an den Unterbau (18) angebundenes Kuppelstück (18)
und am ge genüberliegenden
Ende einen an die flache bewegliche Struktur (6) angebundenes
Kuppelstück
(17) auf.
-
Diese Kuppelstücke (17), (18)
müssen
mit Ausnahmen der Scheren, bei denen eins derselben feststehenden
ausgeführt
sein muß,
grundsätzlich angelenkt
sein. Auf der 1 ist
zu sehen, wie eins der Enden (17) der Scheren (7,8)
in die flache bewegliche Struktur (6) eingreift.
-
In 2 wird
eine Variante gezeigt, die mit einem zusätzlichen Antrieb ausgerüstet ist
(21), welcher den Ursprung der Verfahrbewegung der räumlich beweglichen
Struktur (4) mit Bezug auf die flache bewegliche Struktur
(6) auf der Z-Achse darstellt. In diesem Fall sind alle
oben gemachten Aussagen mit Bezug auf ein dreiarmiges Modul gültig, ausgenommen
insoweit wie die Scheren betroffen sind, die an beiden Enden mit
beweglichen Kuppelstücken
ausgerüstet
sein müssen,
womit dann die Rotation um die Z-Achse des Kopfstücks (5)
gesteuert wird.
-
Insoweit es die Antriebe betrifft,
beinhaltet die hier vorgestellte Erfindung keinerlei Einschränkungen
und sieht sowohl den Einbau direkter Antriebssysteme über einen
Motor als auch den Einsatz von Unter- und Übersetzungsgetrieben vor. In
beiden Fällen
werden die aktiven Armen gleichermaßen angetrieben.
-
Wie bereits weiter oben erwähnt worden
ist, liegt eine der grundlegenden, den neuen Lösungsansatz hervorhebenden
Verbesserungen in den Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, mit
denen das jeweils aufgespannte Werkzeug gefahren werden kann. An
allen Punkten des Arbeitsraums und in allen Richtungen können Geschwindigkeiten
und Beschleunigungen erzielt werden, die mindestens gleich und in
der Mehrzahl der Fälle über den
von den einzelnen angetriebenen Armen erreichten liegen.
-
Ebenfalls von Vorteil ist die Verhaltensweise der
Erfindung aus der dynamischen Sicht der natürlichen Modalitäten und
Frequenzen, da die Steifheit im Vergleich zu den konventionellen
Maschinen in dem Maße
zunimmt, in dem die Masse reduziert wird.