DE602004005894T2

DE602004005894T2 - Verfahren zur herstellung eines gyroskops und konfiguration eines so hergestellten gyroskops

Info

Publication number: DE602004005894T2
Application number: DE602004005894T
Authority: DE
Inventors: Thomas Andersson
Original assignee: Parallel Kinematics Machines SL
Current assignee: Parallel Kinematics Machines SL
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: WO2005050037A1; EP1698788A1; SE527697C2; DE602004005894D1; EP1698788B1; ES2284070T3; SE0303089L; SE0303089D0; ATE359452T1; US20070079515A1; US7451551B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf parallelkinematische Maschinen, beispielsweise Tripode und Hexapode, und dann besonders auf die gyroskopische Aufhängung eines Arms, der den Positionierkopf einer derartigen Maschine stützt.
Hintergrund der Erfindung
Eine parallel-kinematische Maschine dieser Art, die in US-A-6 301 525 (entspricht SE-A-512 338 ) beschrieben ist, enthält eine Universalverbindung in Gestalt einer gyroskopischen Suspension (Kreiselaufhängung) mit einem zentralen durchlaufenden Loch, was dafür vorgesehen ist, einen axial verschieblichen Arm aufzunehmen, der an einem Ende mit einem Positionierkopf verbunden ist.
Mit der beabsichtigten Vergrößerung der Genauigkeit der Einstellungen des Positionierkopfes im Raum bezüglich des vorgenannten Maschinentyps ist die Universalverbindung mit zwei Winkelsensoren ausgestattet. Ein erster Winkelsensor ist mit dem ersten Schaft der Universalverbindung verbunden, und ein zweiter Winkelsensor ist mit dem zweiten Schaft dieser Verbindung verbunden. Diese Sensoren detektieren die Winkelstellung der Kreiselringe der Verbindung. Der Arm trägt einen Längensensor, der die axiale Position des Arms in der Universalverbindung detektiert.
Die Winkelstellungen der Kreiselringe in der Kreiselaufhängung relativ zu einem Fundament werden mittels Skalenmarkierungen, die auf einer geteilten Fläche angebracht sind, abgelesen, wobei die Fläche entweder die Gestalt einer gebogenen zylindrischen Fläche oder einer planaren Kreisfläche innerhalb jedes Winkelsensors hat, worin die Teilungen eine gebogene Skala definieren. Der Radius jedes Winkelsensors auf der gebogenen Skala ist normalerweise kleiner als 50 mm. Weil die Winkelauflösung umgekehrt proportional zum Skalenradius ist, ergibt der relativ kurze Radius dieser Skala eine geringe Auflösung bezüglich der Genauigkeit des Positionierkopfes. Es ist weder technisch noch ökonomisch realistisch die Auflösung der Sensoren durch einfaches Vergrößern des Skalenradius zu verbessern, weil die Fehler, die beim Montieren der Skala entstehen, und die Fehler, die von der Skalenherstellung herrühren, sich proportional zum Vergrößern des Radius erhöhen, so dass eine weitere Verbesserung der Genauigkeit auf diese Weise unerreichbar ist.
Wegen der erlebten Schwierigkeiten beim Befestigen der Zylinderfläche konzentrisch zum Schaft des Kreiselrings wird auch ein Winkelfehler zwischen der Zylinderfläche und der Schaftlagerung erhalten.
Bei diesen kleinen Radiuswerten und Toleranzen genügen Vibrationen aus den Lager und Führungsschienen, die in der Größenordnung von 0,5 μm liegen, zum Einführen von Fehlern in das System.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit und Stabilität bezüglich des Bestimmens der Winkelstellungen der Kreiselringe in einer Maschine der vorgenannten Art bereit zu stellen.
Eine andere Aufgabe ist das Beschaffen eines steiferen Kreiselrings mit verbesserten Toleranzwerten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Anordnung mit diesem Verfahren.
Eine fernere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Besorgen einer sogenannten Werkzeug-Auflösung der Maschine, die fünfmal besser ist als die mit herkömmlicher Technologie erhaltene Werkzeug-Auflösung.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Geeignete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind aus den abhängigen Patentansprüchen ersichtlich.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Fundaments (einer Unterlage) für eine Skala oder zum direkten Aufbringen einer Skala, die eine höhere Auflösung hat als dies früher in Verbindung mit einer parallel-kinematischen Maschine möglich gewesen ist. Das Verfahren basiert auf einem sicheren Befestigen, z.B. Klemmen, des Kreiselrings einer Kreiselaufhängung in einer Maschine zum Bearbeiten der Kreiselring-Lagerstifte und des Fundaments und/oder der Skala in ein und demselben Betriebszustand.
Ein Ätzen der Skala direkt auf die Unterlage liegt ebenfalls innerhalb des Gegenstands der Erfindung.
Zum Erhalten der erstrebten Auflösung soll der Radius der von der Unterlage getragenen gebogenen Skala im Bereich von 100-300 mm liegen, und wird vorzugsweise 200 mm betragen.
Was die Montage der Kreiselaufhängung betrifft, werden die Schaftlager der Kreiselringe und die Skalenunterlage, möglicherweise auch die Skala, in ein und demselben festgelegten Zustand herausgearbeitet.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Anordnung, die gemäß dem vorstehendem Verfahren hergestellt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun anhand eines beispielhaften Ausführungsbeispiels mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert, worin
1 eine Perspektivansicht einer Kreiselanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
2 eine schematische Ansicht eines alternativen ersten Ausführungsbeispiels eines Fundaments (einer Unterlage) oder eines Substrats, das mit einer Skala versehen ist, gemäß der Erfindung ist.
3 eine Querschnittansicht der Schaftlager gemäß 1 ist, und auch Teile der Unterlage zeigt; und
4 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Unterlage, die mit einer Skala versehen ist, gemäß der Erfindung ist.
Beschreibung der Erfindung
Die 1 illustriert eine Kreiselaufhängung 1 mit einem inneren Kreiselring 3, montiert in inneren Lagerstiften 5, die in einem äußeren Kreiselring gelagert sind. Der äußere Kreiselring 7 besitzt äußere Lagerstifte 9, die in einem Fundament gelagert sind, das die ganze Kreiselaufhängung unterstützt. Wie auch der Figur entnehmbar ist, weist der innere Kreiselring ein durchgehendes Loch 11 auf, in dem ein axial verschiebbarer Arm gleiten kann. Der Arm wird im Loch 11 mittels Führungsschienen 13 geführt. Konzentrisch mit einem äußeren Lagerstift 9 ist ein Fundament (eine Unterlage) 15, die auf dem äußeren Kreiselring 7 sitzt, und die mit einer Oberfläche in Gestalt eines Sektors eines Zylinders zum Formen einer Skala versehen ist. Diese Fläche wird durch Bearbeiten des äußeren Kreiselrings 7 auf einer Drehbank auf einen Radius R erhalten, wobei R = 200 mm ist. Die 2 zeigt die Unterlage 15, getragen vom Kreiselring 7, und auf der die genannte Fläche 21 angebracht ist. Skalenmarkierungen 23 sind direkt auf die Fläche 21 gebracht, werden vorzugsweise darauf geätzt, um eine Skala 24 in Form eines Zylindersektors zu gestalten. Die Skalenmarken sind so gestaltet, dass sie von einer Leseeinrichtung erfassbar sind, die im Falle dieses Ausführungsbeispiels eine Leserichtung hat, die im allgemeinen rechtwinklig zur Drehachse der Schaftlager 9 relativ zur Skala verläuft.
Die Konstruktion der 2 betrifft auch den inneren Kreiselring 3 bezüglich der Unterlage, der Zylindersektorfläche, der Skalenmarken, der Skala und der Leseeinrichtung. Die 3 ist eine Querschnittsansicht, die in einer Ebene durch die äußeren Lagerstifte auf dem äußeren Kreiselring 7 und durch die inneren Lagerstifte 5 auf dem inneren Kreiselring 3 gewonnen ist. Wie in der Figur deutlich zu sehen ist, schneiden die Drehachsen 31 der inneren Lagerstifte die Drehachsen 33 der äußeren Lagerstifte in einem rechten Winkel. Wie zuvor erwähnt wurde, weist der innere Kreiselring 3 eine Unterlage 35 in einer Weise auf, die dem äußeren Kreiselring 7 entspricht, worin die Unterlage 35 eine entsprechende Zylindersektorfläche aufweist, die auch mit Skalenmarken ausgestattet ist, um eine als Zylindersektor geformte Skala zu bilden, beispielsweise eine Skala, die auf die gleiche Weise hergestellt wird, wie oben im Hinblick auf die äußere Unterlage erwähnt wurde. Die Fläche dieses inneren Zylindersektors hat einen Radius r von 150 mm. Gegenüber der Zylindersektorfläche der inneren Unterlage 35 ist im äußeren Kreiselring 7 eine innere Leseeinrichtung 37 montiert, die eine feste Verbindung mit einer ersten Referenzfläche 34 hat. Ein äußerer Leser 38 ist in der Unterlage 39 gegenüber der Zylindersektorfläche 21 der äußeren Unterlage 15 montiert, wobei der Leser eine feste Verbindung mit einer zweiten Referenzfläche 36 in der Unterlage hat. Die zwei Leseeinrichtungen 37, 38 sind so eingestellt, dass sie die Skalenmarken auf den jeweiligen Unterlagen 15, 35 ablesen, und beide Leser sind so montiert, dass sie einen Spalt bezüglich der Unterlagen/Skalenmarken definieren. Aus der Figur ist auch ersichtlich, dass die beiden die Skala tragenden Unterlagen direkt in das Material der jeweiligen Kreiselringe eingearbeitet sind, und dass die Einarbeitung in ein und demselben festen Zustand der Ringe vorgenommen wird. Das radiale Spiel zwischen den Schaftlagern auf den Zylindersektorflächen wird deswegen minimal sein.
Die Bewegung des Arms und damit die Stellung des Positionierkopfes im Raum wird durch die Werte dieser drei Fühlanordnungen (Messvorrichtungen) bestimmt, als Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen den beiden Lesern und einem Längensensor (nicht gezeigt). Die 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Unterlage 15 auf dem äußeren Kreiselring der 2, womit die Unterlage 15 als eine Planare scheibenförmige Kreissektorfläche 41 angeordnet ist. Die Skalenmarken 43 sind direkt auf der Fläche 41 befestigt, beispielsweise darauf geätzt, um eine als Kreissektor geformte Skala 44 zu bilden. Die Skalenmarkierungen sind in entsprechender Weise gestaltet, so dass sie von einer Leseeinrichtung ablesbar sind, die im Falle dieses Ausführungsbeispiels eine Leserichtung hat, die im allgemeinen parallel zur Drehachse der Schaftlagerungen 9 bezüglich der Skala verläuft. Die Ausführung der Unterlage für die als Kreissektor geformte Skala der 4 und auch die alternative Ausführung der oben beschriebenen Unterlage treffen auch für den inneren Kreiselring 3 zu.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Fundaments (einer Unterlage) (15, 35) für eine Skala (24, 44) auf einem Kreiselring (3, 7) in einer Kreiselaufhängung eines Arms in einer parallelkinematischen Maschine, worin der Kreiselring (3, 7) mit Lagerstiften (5, 9) ausgestattet ist, die in einem festgehaltenen Zustand bearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das die Skala tragende Fundament (15, 35) und/oder die Skala in ein und demselben festgehaltenen Zustand ohne Ändern dieses festen Zustands zwischen Bearbeiten der Lagerstifte (5, 9) und Bearbeiten des Fundaments (15, 35) und/oder der Skala (24, 44) bearbeitet wird.
Verfahren gemäß Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch Bearbeiten des Fundaments (15, 35) und der Lagerstifte (5, 9) in Form einer Drehbank-Operation und/oder einer Schleifoperation.
Verfahren gemäß irgendeinem der Patentansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung des Fundaments (15, 35) und die Bearbeitung der Lagerstifte (5, 9) gleichzeitig ausgeführt wird.
Verfahren gemäß irgendeinem der Patentansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Skalenmarkierungen (23, 43) für die Skala (24, 44) in das Fundament (15, 35) in ein und demselben festgelegten Zustand ohne Ändern dieses Zustands eingebracht werden.
Skalenanordnung, die durch ein Verfahren gemäß irgendeinem der Patentansprüche 1-4 hergestellt ist, worin die Anordnung Skalenmarkierungen (23, 43) enthält, die eine Skala (24, 44) auf einem Kreiselring (3, 7) für die Kreiselaufhängung eines Arms in einer parallel-kinematischen Maschine bilden, wobei der Kreiselring (3, 7) mit zylindrischen Lagerstiften (5, 9) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fundament (15, 35) für die Skalenmarkierungen (23, 43) auf dem Kreiselring (3, 7) entweder als eine Zylindersektorfläche (21) oder als eine planare Kreissektorfläche (41) gestaltet ist, auf der die Skalenmarkierungen (23, 43) eingebracht sind.
Skalenanordnung gemäß Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Skalenmarkierungen (23, 43) auf dem Fundament (15, 35) entweder eine als Zylindersektor geformte Skala (24) oder eine als Kreissektor geformte Skala (44) gestalten, wobei die Skala (24, 44) konzentrisch mit den Lagerstiften (9) platziert ist.
Skalenanordnung gemäß Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Skala (24) außen auf der Zylinderfläche (21) angelegt ist.
Skalenanordnung gemäß Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Skala (44) auf der planaren Kreissektorfläche (41) angelegt ist.
Skalenanordnung gemäß irgendeinem der Patentansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fundament von einem Teil des Kreiselrings (3, 7) eingenommen wird.
Skalenanordnung gemäß irgendeinem der Patentansprüche 5-9, gekennzeichnet durch eine Leseeinrichtung (37, 38), die unter Bildung einer Spalte zur Skala (24, 44) derart angebracht ist, dass diese Leseeinrichtung (37, 38) die Winkelstellung des Kreiselrings (3, 7) in Bezug auf eine Referenzfläche (34, 36) registriert.
Skalenanordnung gemäß Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (34, 36) in einem Fundament (39) und/oder auf dem äußeren Kreiselring (7) sitzt.