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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen
Art.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Während
der Positionierung von Messrobotern bestehen sehr strenge Anforderungen
an eine geringe Reibung zwischen einem beweglichen Messschlitten
mit einer Messbrücke,
einer Welle und einer Messspitze, und einem festen Bauteil.
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Normalerweise wird ein Getriebe für den Schlitten
verwendet, das zu einer hohen Steifigkeit in der Positionierungsrichtung
führt und
zu Laufeigenschaften, die relativ gesehen so sanft und glatt wie möglich sind.
Dies wird beispielsweise durch einen einfachen Wellenantrieb erzielt,
wie er beispielsweise im CEJ-Cordimet verwendet wird, der von CE
Johansson vermarktet wird, oder durch einen Riemenantrieb (verstärkter Zahnriemen,
beispielsweise CEJ-Saphir) oder ein Zahnrad gegen eine feste Zahnstange,
oder durch Schraube und Mutter.
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Andere Varianten mit einem Stahlband
sind produziert worden, aber dies hat zu sehr strengen Anforderungen
an die Parallelität
zwischen der Antriebswelle und dem beweglichen Teil oder Schlitten geführt, mit
daraus folgenden hohen Herstellkosten.
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Bänder,
Riemen, einfache Wellen, Schrauben/Muttern und Zahnstangen führen auch
leicht zu Drehmomenten und Kräften,
die von der Bewegungsrichtung abweichen, die auf den Schlitten übertragen
wird, mit einer daraus folgenden Verfälschung des Messergebnisses.
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US-A-5 339 531 beschreibt eine Koordinaten-Messmaschine
mit drei Schlitten, die entlang der drei Kartesischen Achsen X,
Y und Z beweglich sind. Der Z-Schlitten ist mit einem Endbereich
und dem anderen Endbereich eines Drahts verbunden, der um einen
Antriebsbereich herumgeführt
ist. Ein Ausgleichsgewicht ist an dem Draht über Walzen angehängt, um
so die Schwerkraft des Z-Schlittens zu versetzen.
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ZIELE DER
ERFINDUNG
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Ein Ziel der Erfindung ist es, eine
Einrichtung zum linearen Bewegen eines Messschlitten o. ä. relativ
zu einer physikalischen Koordinatenachse zu schaffen, ohne dass
der Schlitten materiell durch Drehbewegungen oder Kräfte in Richtungen
beeinflusst wird, die von der Bewegungsrichtung abweichen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist
es, sogenannte beliebige Reibungen in einem ....
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DIE ERFINDUNG
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Das hauptsächliche Ziel der Erfindung
wird erreicht durch eine Einrichtung, die die Merkmale aufweist,
die im unabhängigen
Anspruch beschrieben sind. Weiterentwicklungen und andere Eigenschaften
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung zum
Erzeugen einer im Wesentlichen linearen Bewegung bei einem beweglichen
Teil in einer Messmaschine, wo die Umwandlung einer Art von Bewegung, wie
beispielsweise einer Drehung von einem Servomotor, in die lineare
Bewegung stattfindet, mit einem Wandlerelement mit einem hohen Elastizitätsmodul in
Längsrichtung,
das in Querrichtung flexibel ist, wobei das Wandlerelement mit einem
Ende an dem gleichen mechanischen Element befestigt ist wie sein anderes
Ende, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement mit einer
Vorspannung versehen ist, und zwar mittels eines zwischen einem
Ende des Wandlerelements und einem fixen Punkt platzierten Federvorspanners
oder mittels der Elastizität
des Wandlerelements selbst, welche Vorspannung größer ist
als die maximale Kraft beim Beschleunigen während der Verwendung mit der
Umwandlung. Die Vorspannung kann durch ein Kraft schaffendes Element
in Form einer Vorspannfeder erzeugt werden, die zwischen einem Ende
des Wandlerelements und einem Festpunkt platziert ist, oder durch
die Eigenelastizität
des Wandlerelements, dessen Kraft die Stärke größer ist als die Hälfte der
maximalen Beschleunigungskraft. Eine Alternative ist, dass eine steuerbare
Klemmanordnung während
des Gebrauchs angesteuert wird, um das Kraft schaffende Element
in der Nähe
eines seiner Enden unter Spannung zu setzen, wodurch die Vorspannung
dann durch die Eigenelastizität
des Wandlerelements erzeugt wird, und dass das gleiche Ende mittels
einer Federvorspannung zu einem festen Punkt befestigt wird, und
dass das Klemmmittel dazu angesteuert wird, das Kraft schaffende
Element nicht zu verklemmen, wenn die Einrichtung leer läuft.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nun genauer mittels
Ausführungsformen
mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei
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1 eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Einrichtung
zeigt,
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2 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Einrichtung
zeigt,
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3 eine
dritte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Einrichtung
zeigt,
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4 eine
vierte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Einrichtung
zeigt,
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5 eine
erste Ausführungsform
einer Anordnung zum Verhindern der Übertragung von Drehmoment von
einem Kabelende zu dem beweglichen Teil gemäß der Erfindung zeigt, und
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6 eine
zweite Ausführungsform
einer Anordnung zum Verhindern der Übertragung von Drehmoment von
einem Kabelende zu dem beweglichen Teil gemäß der Erfindung zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Einrichtung gemäß 1 löst die wichtigsten Probleme
der zuvor bekannten Anordnungen.
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Die Einrichtung betrifft die Positionierung (oder
Verifizierung) einer im wesentlichen linearen Bewegung eines beweglichen
Teils R, beispielsweise eines Messschlittens in einer Messmaschine,
wo die Umwandlung stattfindet von einer Bewegungsart, beispielsweise
von einem Servodrehmotor, in eine lineare Bewegung. Ein Umwandlungsseil 3,
das einen hohen Elastizitätsmodul
in Längsrichtung
hat und das flexibel in Querrichtung ist, ist an einem Ende ME1
an dem gleichen mechanischen Element angebracht, dem Balken F in
der Ausführungsform
in 1, wie sein anderes
Ende ME2. Mittels eines Kraft schaffenden Elements 7 (Feder)
wird dem Element 3 eine Vorspannung verliehen, die größer ist
als die maximale Kraft während
der Beschleunigung während
des Gebrauchs. Das Seil 3 hat selbst ebenfalls einen gewissen
Elastizitätsmodul,
weshalb die Feder 7 in bestimmten Anwendungen äquivalent
zu der Eigenelastizität
des Seils 3 sein kann.
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Der Antrieb findet vorzugsweise mittels
einer V-Nut in einem Antriebsrad 2 statt. Die V-Nut verklemmt
das Seil 3 fest, das in der Nut verläuft, so dass die Reibung zwischen
dem Rad und dem Seil so groß ist,
dass ein Schlupf dort verhindert wird. Die Räder 4 und 6 oder 2 und 5 sind
vorzugsweise gewinkelt, so dass das Seil direkt gespannt werden
kann, ohne dass es behindert wird, wenn es durch den Radblock 4, 6 an
den beweglichen Teil R hindurchtritt. Das Seil 3 sollte
im wesentlichen parallel zum Bewegungsvektor für den beweglichen Teil R verlaufen,
jedoch frei von den Rädern
und anderen Einheiten sowohl an dem Balken F als auch an dem beweglichen
Teil R sein. Die Reibung zwischen dem Seil 3 und den jeweiligen
Laufrädern 4, 5, 6 sollte
gering sein, und die Räder
sollten frei laufen können,
beispielsweise indem sie in Kugellagern oder ähnlichem angebracht sind.
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Der Positioniermotor 1 (der
Servomotor) überträgt ein Drehmoment
auf ein Getriebe, beispielsweise direkt oder gemäß 1. In einem Wandlerschritt 1A zu
dem Antriebsrad 2, welches in dieser Ausführungsform
eine Riemenscheibe mit V-Nut
ist, verläuft
ein elastischer Stahldraht (Klavierdraht) oder ein Seil 3 mit
einem relativ hohen Elastizitätsmodul,
beispielsweise aus Aramid, Polyethylen, oder ein Glas/Kohlenstofffaser-verstärktes Seil.
Das Seil 3 läuft
weiter zu einer Riemenscheibe 4 mit einer vorzugsweise
glatten runden Basis an dem beweglichen Teil R hinüber zu einer
Riemenscheibe 5, die drehbar an der anderen festen Seite
des beweglichen Teils R an dem Balken F angebracht ist, und dann über eine
Riemenscheibe 6, die drehbar an dem beweglichen Teil R
angebracht ist, um an einem Ende ME2, befestigt an dem Balken F,
angebracht zu werden, entweder durch eine Art von Spannungsanordnung,
beispielsweise die Feder 7, einen Spannzylinder oder durch
Lötzinn,
oder direkt. Das andere Ende des Seils ist bei ME1 an dem Balken
F angebracht.
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Mit dieser Einrichtung werden die
gewünschte
Umwandlung von dem Antriebsmotor ohne Spiel und die Steifigkeit
in axialer Richtung (Bewegungsrichtung) sowie eine sehr geringe
Reaktion in Querrichtung erzielt.
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Die Einrichtung kann auch mit einem
dünnen Stahlband
ausgestattet sein, das sich seitlich um nur einen geringen Betrag,
beispielsweise 4 mm, erstreckt, oder ein Band aus Glasfasern oder
einem Plastikmaterial. Die Vorteile eines Bands verglichen mit einem
runden Material sind, dass ein kleinerer Biegeradius zugelassen
werden kann, der höhere Getriebeübersetzungsmöglichkeiten
schafft, während
er eine relativ geringe seitliche Steifigkeit nachvollzieht.
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In einer alternativen Ausführungsform
der 1 ist das Seil 3 während des
Betriebs durch eine Klemmeinrichtung arretiert, schematisch mit
dem gestrichelten Block 71 dargestellt. Während Leerlaufperioden
in dem Arbeitszyklus des Messroboters wird diese Klemmeinrichtung 71 freigegeben,
wodurch das Spannelement (die Feder 7) seine Kraft auf
das Teil 3 ausüben
kann und es strecken kann. Auf diese Art und Weise kann der Vorteil
erzielt werden, dass beide Enden der Linie während des Betriebs starr befestigt
sind, während
gleichzeitig die Spannung an dem Seil automatisch konstant gehalten
wird während
seiner gesamten Lebensdauer, selbst wenn eine bestimmte permanente
Streckung des Seils 3 auftreten würde.
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Es kann vorteilhaft sein, Ausführungsformen mit
doppelten, dreifachen etc. blockartigen Anordnungen zu haben, so
dass man hohe Übertragungsverhältnisse
sowie eine hohe Positionierungssteifigkeit mit einer sehr geringen
Getriebereibung in den Umwandlungsschritten erzielen kann und eine
hohe Grundresonanz in der Servoverbindung. Dies führt wiederum
zu einer sehr konstanten Geschwindigkeit während der Messung, was gut
ist für
eine korrekte Reproduzierbarkeit der Messungen. Es ist möglich, beispielsweise
die gleiche Art von Blockanordnung auf jeder Seite eines Balkens
zu haben, wodurch die Blöcke
dann aneinander an der oberen Seite befestigt werden können.
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Eine Anordnung mit einer Verdopplung
der Anordnung der 1 mit
einem Block R' ist
in 2 dargestellt. Räder 4', 4'' sind hier bevorzugt etwas winklig
angeordnet und versetzt, aber an der gleichen Welle A, vorzugsweise
auf jeder Seite des Blocks R', obwohl
es auch möglich
ist, beide auf der gleichen Seite anzubringen. Auf diese Art und
Weise ist eine Verschiebung zwischen dem Seil auf einer Seite verglichen
mit der anderen Seite erzielt, so dass das nächste Paar von Rädern 4'' und 6'',
die außerhalb von 4' und 6' liegen, eine
parallele Seilverbindung mit den festen Rädern 2' und 2'' bzw. 5' und 5'' an dem Balken F' haben. Natürlich können als
Alternative oder zusätzlich
die festen Räder
auch winklig sein.
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Demzufolge kann man mit der oben
beschriebenen Anordnung folgendes erzielen:
- (1)
Eine hohe Servosteifigkeit in der verifizierten Richtung.
- (2) Geringe Steifigkeit in der Richtung, die quer zur Bewegungsrichtung
liegt.
- (3) Geringe Auswirkungen von Winkelfehlern durch die Abweichung
des Schwerpunkts vom Kraftpunkt (durch geringe Geschwindigkeitsvariation).
- (4) Geringe Reibung (konsistente Geschwindigkeit während der
Messung).
- (5) Geringe Herstellkosten.
- (6) Ruhiger Betrieb (schwingungsfrei).
- (7) Keine Übertragung
eines Torsionsmoments in der Ebene, die rechtwinklig zur Bewegungsrichtung
verläuft
(im Gegensatz zu Antrieben mit Schraube und Mutter und mit einfachen
Wellen).
- (8) Selbstbegrenzung von Kräften
beim Antrieb gegen ein Hindernis. Die maximal übertragbare Kraft wird bestimmt durch
die Kraft in dem Federelement 7 und den V-Nutwinkel an dem
Rad 2 etc..
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Eine dritte Ausführungsform ist in 3 dargestellt, wo die Festpunkte
des Spannseils 13 an dem beweglichen Block R1 statt an
dem festen Block oder Balken F1 platziert sind. Der Servomotor 11 ist an
dem V-förmigen
Spannrad 12 platziert. Das Spannrad 12 am Balken F1 ist
zwischen dem Laufrad 14 an dem beweglichen Teil R1 und
einem Laufrad 15 an dem Balken auf der anderen Seite des
beweglichen Teils R1 von dem Spannrad 12 platziert. Das Seil 13 verläuft von
dem Laufrad 15 über
ein Laufrad 16 an dem beweglichen Teil und ein Laufrad 17 an dem
Balken und ist an dem beweglichen Teil über eine Feder 18 oder
ein anderes Spannmittel an seinem anderen Ende befestigt. Das Übersetzungsverhältnis in
dieser Ausführungsform
ist 1 : 3. Hier ist der Kraftpunkt in dem beweglichen Teil durch
den Buchstaben C bezeichnet. Dieser liegt auf einer Mittellinie und
irgendwo zwischen einer Linie zwischen den Mittelpunkten der Räder 14 und 16 und
einer Linie zwischen den Anbringpunkten des Seils.
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Eine noch andere Ausführungsform
ist in 4 dargestellt.
Das Seil ist an den beiden befestigt. Der Kraftpunkt C' liegt auf einer
Linie zwischen den Radachsen des Paares von Rädern, die an dem beweglichen
Teil platziert sind.
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Die Ausführungsformen in 3 und 4 können
auch verdoppelt oder mit versetzten und winkligen Rädern auf
der gleichen Achse analog mit der Ausführungsform angeordnet werden,
die in 2 gezeigt ist.
Im Prinzip könnte
jede Anzahl von Rädern verwendet
werden.
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Messroboter erfordern für ihre Funktion
bestimmte Verbindungen zwischen den beweglichen Messschlitten und
den umgebenden Bauteilen in Form von Signalkabeln und Luftschläuchen. Ein Schutzfaltenbalg,
der mit der Bewegung des Schlittens verbunden ist, ist für die Abdichtung erforderlich. Die
Kräfte,
die diese Elemente ausüben,
erzeugen leicht Torsionsmomente, die die Funktion des Messroboters
nachteilig beeinflussen. Durch Ausstatten dieser Elemente mit einem
separaten Subsystem können
diese störenden
Kräfte/Momente
beträchtlich reduziert
werden. Eine Ausführungsform
eines solchen Subsystems ist allein in 5 dargestellt. Dies bedeutet, dass die
seitliche Versetzung des Blocks R4 gemäß einer der oben beschriebenen
Ausführungsformen
stattfinden kann.
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Die Kräfte, die die Kabel 41 an
der richtigen Stelle halten sollen, ohne Drehmomente zu erzeugen,
bzw. die Vorhanganordnung 46, die gegen Schmutz und Staub
schützt,
werden ursprünglich
von dem Servomotor erzeugt (in 5 nicht
dargestellt) und werden auf den beweglichen Teil R4 übertragen, aber
die Anordnung an dem beweglichen Teil R4 sollte dort sein, wo die
durchschnittliche Kraft reagiert, um die Drehmomente zu minimieren.
Dies bedeutet, dass, wenn drei Seile dort sind, die zusammenwirken,
die Anbringung 44B, 5,
in der Nähe
des Wirkungspunkts der durchschnittlichen Kraft platziert sein sollte.
Wenn es nur eine Scheibe auf jeder Seite gibt, ist die Position
für den
Kraftpunkt dort, wo die Welle der Scheibe verläuft. Auf diese Art und Weise wird
zu einem großen
Anteil verhindert, dass Drehmoment zwischen den Wellen 44 von
den Übertragungskabeln
etc. eingeführt
wird.
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Die Kabel, die Luftschläuche 41,
verlaufen hinüber
zu einem schwach gespannten Teil 42, der seinerseits mittels
eines separaten Seilsystems 43 gesteuert wird. Er hat die
gleiche Krafterzeugung wie die Mitte 44A für die Krafterzeugung
zu dem beweglichen Teil (verifizierten Teil) R4.
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Durch diese simple Anordnung werden
das Drehmoment sowie Drehmomentänderungen
von den Kabeln zu dem beweglichen Teil R4 minimiert.
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In gleicher Art und Weise sind die
Vorhänge – Protektoren 46 – mit einer
Seilanordnung mit einem festen Punkt an der gleichen Einheit ausgestattet.
Im Fall der Protektoren sind diese mit dem beweglichen Teil R4 mit
beispielsweise einem umgebenden festen Rahmen 47 mit beispielsweise
einem weichen Gummistreifen gegen den beweglichen Teil R4 verbunden,
und der umgebende Rahmen wird auf die gleiche Art und Weise gesteuert
wie die Kabel.
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6 zeigt
eine Ausführungsform,
wo die Kabel 51 sowie mögliche
Luftschläuche
und ähnliche Mittel
mit einem flexiblen Anschluss 52 an dem beweglichen Teil
R5 befestigt sind.
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Ein doppeltes Antriebssystem ist
vorgesehen, dessen Enden in dem beweglichen Schlitten R5 befestigt
sind. Es gibt eine Laufräder
für den
beweglichen Teil für
das separate Antriebssystem, aber die Festpunkte 57 und 58 für das separate
Antriebssystem sind auf der gleichen Linie platziert wie der Mittelpunkt
C'' der Antriebskraft
für die
bewegliche Masse des Schlittens R5. Um ein Drehmoment von Null zu
erzeugen, ist es daher notwendig, dass die Verbindung zu dem beweglichen
Teil in einer Linie mit der Positionierung des Spannungserzeugers
stattfindet.
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In einer anderen Ausführungsform
sind der Rahmen und/oder die Kabel mit einer separaten Seilanordnung
ausgestattet, die an der Motorantriebswelle mit dem gleichen Übertragungsverhältnis beginnt
wie die Einheit für
den Rest (nicht dargestellt). Auf diese Art und Weise wird eine
Eliminierung der Elastizität
erzielt, die das Seil zwischen dem Motor und dem beweglichen Teil
hat.
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In einer weiteren Ausführungsform
positioniert ein separater Servo das Kabel und den Vorhang bezüglich der
Position des beweglichen Teils. Dies ist nicht dargestellt, bedeutet
aber im Prinzip eine gespiegelte Verdoppelung der Anordnung in
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5,
wo der Rahmen 47 der doppelte Anordnung analog mit der
Befestigung 42 an dem Schlauch 41 angebracht ist.
Dadurch werde die durch den Einfluss von den Kabeln auf die Position, den
Winkel oder die Bewegungsgeschwindigkeit des beweglichen Teils verursachten
Fehler weiter reduziert.