EA005147B1 - Кинематическое устройство для обеспечения опоры и программируемого перемещения терминального элемента в станке или приборе - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройству, в котором опорная плита (11), несущая терминальный элемент (21), посредством четырех шарнирных соединений (9) и (10) соединена с двумя опорными элементами, каждый из которых состоит из двух опорных стержней (7) или (8), которые образуют деформируемые параллелограммы и каждый из которых установлен на ползуне (3) или (4), подвижном в направлении х. Управление перемещением поворотной плиты (29), шарнирно соединенной с опорной плитой (11) с возможностью поворота вокруг оси (30) шарнира, осуществляется с помощью управляющих стержней (27), обеспечивающих поворот (14) и боковое смещение (18), соединенных соответственно посредством шарнирных соединений (26, 13 и 17) с ползунами (3, 12 и 26). Оно заключается в параллельной кинематике с четырьмя степенями свободы, а именно в обеспечении возможности поступательных перемещений по трем осям и одного поворота, угол которого может превышать 120°.

Description

Настоящее изобретение относится к технической области кинематических устройств, предназначенных для обеспечения опоры для терминального элемента и перемещения терминального элемента при поступательном движении и/или повороте программируемым образом и с обеспечением высокоточного управления в пределах заранее заданного рабочего пространства.

Терминальный элемент может представлять собой обрабатывающий инструмент (шпиндель, устройство для обработки струёй воды, инструмент для электроэрозионной обработки и т.д.) или спутник для обрабатываемой детали, когда устройство встроено в многоцелевой станок (обрабатывающий центр), или захватное устройство, сборочное устройство, измерительный датчик, пользовательский интерфейс для координатного манипулятора с принудительным возвратом, антенну, держатель камеры и т. д. в многопозиционных автоматах и автоматических станочных и сборочных линиях, в сборочных роботах, в упаковочных машинах, в измерительных приборах и в медицинских приборах и инструментах и т.д., или любое устройство, для которого необходимы высокоточное позиционирование или перемещение и/или очень хорошие динамические свойства.

В этой области техники существуют многочисленные случаи применения, которые требуют захвата, угловым позиционированием которого вокруг оси, параллельной основанию, можно было бы управлять. Это используется, например, при механической обработке сложных обрабатываемых деталей или для полирования обрабатываемых деталей высокого эстетического качества.

В частности, для изготовления небольших сложных деталей с высокой производительностью необходимо иметь станки, которые способны обеспечить не только высокую производительность обработки, но также очень быструю смену инструмента, чтобы минимизировать время от стружки до стружки при автоматической смене инструмента.

За счет своих высоких динамических характеристик (малой перемещающейся массы и высокой жесткости) станки с параллельной кинематикой могут удовлетворять этим двум ограничениям.

Тем не менее, к основным недостаткам металлорежущих станков и роботов с параллельной кинематикой, которые имеются на рынке, относятся их относительно малое рабочее пространство и очень ограниченная маневренность в угловом направлении.

Конструкция с очень высокими эксплуатационными характеристиками, которая более точно подходит для перемещения терминального элемента, такого как зажимной элемент, например, описана в Европейском патенте ЕР 0250470 и в патенте США 4 976 582. В этой конструкции управление тремя основными степенями подвижности осуществляется параллельно путем использования исполнительных механизмов, расположенных на неподвижной опоре, при сохранении параллельности движущегося элемента относительно неподвижной опоры. С учетом ее высоких динамических характеристик и ее мобильности при передаче движения по трем координатам такая конструкция особенно хорошо подходит для перемещения легких обрабатываемых деталей с высокими скоростями перемещения (свыше трех перемещений в секунду). Оригинальность данной конструкции определяется тем, что блокирование всех угловых координатных перемещений захвата происходит за счет кинематической схемы. К сожалению, такое устройство само по себе не обеспечивает возможности удовлетворения соответствующих требований в тех случаях применения, когда необходимы одно или более вращательных движений.

Кроме того, известны международные заявки АО 98/51443 и АО 99/32256, которые относятся к параллельному кинематическому управлению инструментами, такими как фрезы, в металлорежущих станках, предназначенных для обработки требующих осторожного обращения деталей и, в особенности, лопаток турбин. К сожалению, устройства, описанные в этих документах, обеспечивают возможность выполнения только угловых перемещений инструмента, которые являются довольно малыми (приблизительно ±30°), если необходимо сохранить высокую жесткость конструкции.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства с параллельной кинематикой, которое удовлетворяет вышеуказанным требованиям лучше и с большей полнотой по сравнению с известными устройствами и которое, в частности, обеспечивает такую скорость и точность обработки, которые являются максимально возможными, при одновременном обеспечении возможности программирования перемещений терминального элемента в рабочем пространстве, размеры которого являются максимально возможными, и гарантировании постоянства характеристик в пределах указанного рабочего пространства.

Для этого в соответствии с настоящим изобретением разработано кинематическое устройство для обеспечения опоры для терминального элемента и программируемого перемещения терминального элемента в станке или приборе, имеющем неподвижное основание, образующее базовую плоскость, причем указанное устройство содержит опорную и приводную конструкцию с, по меньшей мере, двумя жесткими опорными элементами, соединенными посредством соответствующих концов с элементами, направляемыми таким образом, что каждый из них перемещается только с одной степенью свободы относительно основания, и соединенными посредством соответствующих других концов с опорной плитой, которая соединена с терминальным элементом, при этом соединения между опорными элементами и опорной плитой и между опорными элементами и направляемыми элементами представляют собой шарниры, и перемещение направляемых элементов обеспечивает возможность перемещения опорной плиты по желанию в пределах заданного рабочего пространства, причем указанное устройство отличается тем, что для обеспечения возможности поворота терминального элемента вокруг оси, принадлежащей опорной плите, опорная и приводная конструкция содержит вспомогательную конструкцию, образованную, по меньшей мере, из двух жестких элементов и из шарниров, опирающуюся на основание независимо от опорных элементов, обеспечивающую приложение к терминальному элементу результирующей силы, проекция которой в плоскости, перпендикулярной к указанной оси, связанной с опорной плитой, остается находящейся всегда на приблизительно постоянном расстоянии от указанной оси, связанной с опорной плитой, в течение всего перемещения для сохранения момента, который действует на терминальный элемент и который является по существу постоянным.

Указанная вспомогательная конструкция может включать в себя, по меньшей мере, один направляемый элемент, который направляется так, чтобы обеспечить перемещение его с одной степенью свободы относительно основания, при этом устройство может содержать средства, предназначенные для перемещения опорной плиты вдоль оси, параллельной оси поворота терминального элемента, причем указанные средства объединены с указанной вспомогательной конструкцией.

Вспомогательная конструкция может включать в себя, по меньшей мере, один промежуточный шарнир, который может представлять собой шкворневой шарнир, и, по меньшей мере, один жесткий соединительный элемент, управляющий одной степенью свободы терминального элемента, имеющей место в результате наличия промежуточного шарнира; при этом жесткий управляющий элемент может быть шарнирно присоединен между промежуточным шарниром и направляемым элементом опорного элемента указанной опорной и приводной конструкции, при этом терминальный элемент жестко прикреплен к опорной плите; и промежуточный шарнир может быть закреплен на жестком элементе, который установлен с возможностью поворота на опорной плите или на терминальном элементе.

В одном варианте жесткий управляющий элемент может быть шарнирно присоединен между промежуточным шарниром и направляемым элементом опорного элемента указанной опорной и приводной конструкции, при этом терминальный элемент установлен с возможностью поворота на опорной плите.

В другом варианте указанный жесткий управляющий элемент шарнирно присоединен между промежуточным шарниром и опорной плитой, при этом терминальный элемент установлен с возможностью поворота на опорной плите.

В одном варианте осуществления, по меньшей мере, некоторые из шарниров представляют собой шаровые шарниры, и указанная опорная и приводная конструкция выполнена с возможностью перемещения терминального элемента по трем координатам, при этом объем рабочего пространства определяется амплитудой движений направляемых элементов.

В другом варианте осуществления, по меньшей мере, три из рабочих шарниров представляют собой шкворневые шарниры, при этом оси поворота взаимно параллельны, и рабочее пространство ограничено зоной, находящейся в плоскости, перпендикулярной к базовой плоскости и к осям поворота; при этом станок или прибор может содержать опору, пригодную для перемещения ее вдоль оси, параллельной осям поворота, и служащую для приема обрабатываемой детали, на которую воздействует терминальный элемент.

Различные варианты осуществления устройства по изобретению описаны ниже со ссылкой на сопровождающие схематичные чертежи, на которых:

фиг. 1 представляет собой общий вид в перспективе первого варианта осуществления устройства;

фиг. 2 представляет собой общий вид в перспективе первого случая первого варианта осуществления;

фиг. 3 представляет собой общий вид в перспективе второго варианта осуществления;

фиг. 4 представляет собой вертикальную проекцию одного случая второго варианта осуществления;

фиг. 5 представляет собой общий вид в перспективе третьего варианта осуществления;

фиг. 6 представляет собой вертикальную проекцию третьего варианта осуществления;

фиг. 7 представляет собой общий вид в перспективе четвертого варианта осуществления;

фиг. 8 представляет собой общий вид в перспективе одного случая четвертого варианта осуществления;

фиг. 9 представляет собой вид в перспективе применения одного случая второго варианта осуществления в металлорежущем станке; и фиг. 10 представляет собой общий вид в перспективе другого случая первого варианта осуществления устройства.

В настоящем описании термин «рабочий шарнир» используется для обозначения шарнира, который необходим для приведения в дейст вие устройства, к которому он прикреплен, в отличие от шарниров, обеспечивающих внутреннюю подвижность, например, стержня, на концах которого предусмотрены два шаровых шарнира, который может поворачиваться относительно его собственной оси и который не обеспечивает никакую функциональность.

На фигурах схематично показаны опорные и приводные устройства, которые пригодны для использования их в металлорежущем станке, приборе или роботе, или в рабочей машине какого-либо другого типа, например, такой как сборочная машина. В машине, предназначенной для перемещения обрабатываемых деталей, терминальный элемент может представлять собой вильчатый захват или чашечный присос, или захват какого-либо другого типа. В станке терминальный элемент может представлять собой или шпиндель, несущий фрезу, ролик для накатывания, сверло, спутник для обрабатываемой детали и т.д., или устройство для обработки струёй воды, лазерный режущий аппарат, устройство для электроэрозионной обработки, устройство для снятия заусенцев, пескоструйный аппарат, устройство для окрашивания, полировальное устройство и т.д. Станок может быть оснащен захватами и обрабатывающими инструментами, находящимися на терминальном элементе в рабочем положении, например, установленными на револьверной головке или взаимодействующими с активным или пассивным устройством автоматической смены инструментов (то есть накопителем инструментов и/или спутников для обрабатываемых деталей).

В вариантах осуществления, описанных ниже, для улучшения понимания фигур терминальный элемент показан символически в виде приводимого в движение элемента, который жестко связан с жесткой деталью, называемой «опорной плитой», при этом опорная плита представляет собой часть опорной и приводной конструкции. Однако, как описано ниже, встречаются случаи, когда терминальный элемент закреплен на опорной плите посредством устройства, предназначенного для осуществления поворота вокруг оси, связанной с опорной плитой.

Каждое из описанных устройств имеет основание 1, которое является базой отсчета и в большинстве случаев остается неподвижным. База, как правило, реализована в виде одной или более плоских поверхностей, связанных со станиной станка, но, естественно базовая(-ые) поверхность(-и) также может (могут) быть криволинейной(-ыми). Однако для обеспечения непротиворечивости описания поверхностей важно задать систему декартовых координат, на основе которой определяются оси х, у и ζ рабочего пространства. Ниже принимается во внимание, что оси х и у системы декартовых координат заданы в плоскости основания устройства и что ось у параллельна оси поворота опорной плиты.

Устройства, схематично показанные на фиг. 1 и 2, представляют собой упрощенные устройства, в которых число элементов конструкции уменьшено. Рабочее пространство, по которому может перемещаться терминальный элемент, не такое большое, как, например, то, которое может быть получено с помощью устройства по фиг. 3, при этом остальные размеры остаются одинаковыми, но уменьшение массы (снижение веса) движущихся элементов, достигаемое путем упрощения конструкции, открывает возможности для особых случаев их применения, например, для случаев применения, в которых точность имеет первостепенное значение.

На поверхности плоского основания 1 устройства, показанного на фиг. 1, выполнена призматическая направляющая 2, которая является прямоугольной, которая имеет одну степень свободы при поступательном перемещении и которая определяет ось, которую обычно называют «осью х». Ползуны 3 и 4 с приводом от двигателя установлены на направляющей 2, при этом управление движением ползунов осуществляется таким образом, что обеспечивается возможность перемещения их независимо друг от друга вдоль оси х. На каждом из их концов, то есть на линии, которая остается по существу перпендикулярной к оси х, каждый из ползунов 3 и 4 несет два шаровых шарнира 5, 6, которые служат в качестве опор и соединительных элементов на ползуне, предназначенных для приема пар жестких опорных стержней 7, 8, при этом на верхних концах пар опорных стержней, в свою очередь, установлены соответствующие пары шаровых шарниров 9, 10, обеспечивающие шарнирное соединение опорной плиты 11 с двумя опорными элементами, образованными парами стержней 7 и 8. Два стержня из каждой пары 7 или 8 предпочтительно являются параллельными. Опорная плита 11 в данном примере показана в виде прямоугольного блока, на прямоугольной нижней поверхности которого установлен один из шаровых шарниров 9, 10 на каждом из углов. Шаровые шарниры 9 или 10 также могут быть расположены в любом месте в пределах объема опорной плиты 11, имеющей форму прямоугольного блока, однако при условии, что два шаровых шарнира 9, 10 в каждой паре будут размещены на прямой линии, которая параллельна оси поворота опорной плиты

11. Опорная плита 11 жестко прикреплена к телу терминального элемента (активного или пассивного элемента) 21, например, шпинделя, в котором установлена фреза или какой-либо другой вращающийся инструмент и ось вращения которого может быть расположена в любом угловом положении относительно опорной плиты.

Устройство дополнительно включает в себя вспомогательную конструкцию, которая обеспечивает управление двумя оставшимися степенями свободы опорной плиты и, следовательно, терминального элемента 21. Эта конструкция включает в себя, во-первых, поворотный стержень 14, служащий для обеспечения поворота опорной плиты, и, во-вторых, боковой стержень 18, служащий для управления степенью свободы опорной плиты по оси у.

Один из концов поворотного стержня 14 посредством шарового шарнира 13 шарнирно присоединен к ползуну 12 с приводом от двигателя, который выполнен с возможностью перемещения вдоль призматической направляющей 2 вне зоны, в которой могут перемещаться ползуны 3 и 4, предназначенные для приведения опорных элементов 7 и 8 в движение. Другой конец поворотного стержня 14 посредством шарового шарнира 15 шарнирно присоединен к концу элемента 20, прикрепленного к опорной плите 11 и выступающего в боковом направлении относительно нее. Эта конфигурация обеспечивает возможность сохранения во всем рабочем пространстве угла, который очень близок к нормали между направлением действия силы, действующей на терминальный элемент, чтобы заставить его повернуться под действием ползуна 12, и прямой линией, проходящей через шаровые шарниры 10 и 15. Это свойство в оставшейся части описания называется «поддержанием жесткости в угловом направлении» привода поворота, и оно обеспечивает возможность достижения уровней эксплуатационных характеристик, которые существенно выше с точки зрения перемещений в угловом направлении и с точки зрения жесткости по сравнению с теми, которые обеспечиваются известными устройствами.

В качестве примера показано, что для сохранения крутящего момента, гарантирующего постоянство углового позиционирования опорной плиты 11 при угловом перемещении на 120°, второй вариант осуществления, изображенный на фиг. 3, за счет свойства устройства по изобретению «поддерживать жесткость в угловом направлении» обеспечивает возможность добиться изменения составляющей результирующей силы, действующей на поворотную плиту 29 и перпендикулярной к оси 30, только на 15% относительно ее минимального значения при допустимых размерах устройства.

Результаты того же порядка величин могут быть получены при использовании других вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке.

Вследствие наличия шаровых шарниров и несмотря на то, что шаровой шарнир 13 установлен в углу ползуна 12, который сам установлен в положении, которое является симметричным относительно направляющей 2, описанная конфигурация не обеспечивает управления степенью свободы по оси у устройства. Это управление обеспечивается посредством бокового стержня 18, один из концов которого посредством шарового шарнира 17 присоединен к ползуну 16 с приводом от двигателя, выполненному с возможностью перемещения вдоль призматической направляющей 23, которая является прямолинейной и которая имеет одну степень свободы при поступательном перемещении, параллельна направляющей 2 и также расположена на поверхности основания 1. Другой конец стержня 18 посредством шарового шарнира 19 присоединен к элементу 20. Следует указать, что шаровой шарнир 19 необязательно должен быть смонтирован на элементе 20, но вместо этого он также может быть установлен на опорной плите 11 или на терминальном элементе 21.

Данная конфигурация является достаточной для обеспечения управления позиционированием терминального элемента 21 с широкими возможностями во всем рабочем пространстве.

Следует понимать, что ползуны могут быть выполнены в виде тележек с приводом от двигателя, приводной элемент которого введен в зацепление с неподвижной зубчатой рейкой, или приводимых в движение с помощью шариковой винтовой пары, или с помощью цепной тяговой системы, или с помощью линейного двигателя или какого-либо другого средства. Каждый из шаровых шарниров 5, 6, 9, 10, 13, 15, 17 и 19 обеспечивает шарнирное соединение стержня с той частью, которая служит ему опорой, или с той частью, для которой он служит опорой и возможность перемещения которой вокруг любой оси он обеспечивает с амплитудой, зависящей от его конструкции. Шаровые шарниры могут представлять собой универсальные шарниры.

Следует понимать, что устройство по фиг. 1 может быть создано так, чтобы обеспечить возможность точного позиционирования и прецизионного управления позиционированием терминального элемента 21 не только в любой точке в пределах заранее определенного рабочего пространства хух. но также с заранее определенным угловым позиционированием оси терминального элемента относительно оси поворота, которая параллельна оси у. При отсутствии вспомогательной конструкции 12-20 узел, содержащий опорную плиту 11 и терминальный элемент 21, опирается на опорные элементы 7, 8, и для каждого положения ползунов 3, 4 остаются две степени свободы для данного узла: перемещение по дуге окружности в плоскости ух за счет деформирования параллелограммов 7, 8 и поворот вокруг мгновенной оси вращения, параллельной оси у и соответствующей пересечению между плоскостями, образованными соответственно осями опорных элементов 7 и осями опорных элементов 8. Точное управление данными двумя степенями свободы осуществляется с помощью положений ползунов 12 и 16 относительно призматических направляющих 2, 23. Положения призматических направляющих и значения длины поворотного стержня 14 и бокового стержня 18 полностью определяют рабочее пространство, доступное для терминального элемента 21.

В примере, показанном на фиг. 1, направляющие 2 и 23 представляют собой параллельные направляющие, но, само собой разумеется, они также могут быть расположены в любом направлении пространства, или они могут быть криволинейными.

Аналогичным образом, ползуны 3, 4 и 12 могут перемещаться вдоль отдельных направляющих. Кроме того, прямолинейные призматические направляющие могут быть заменены рычагами, установленными с возможностью поворота и имеющими одну степень свободы: таким образом, например, ползуны 3 и 4 могут быть заменены двумя рычагами, имеющими оси поворота, параллельные оси у. Ползуны 12 и 16 могут быть заменены рычагами, имеющими оси поворота, расположенные любым образом. В возможном варианте, но необязательно, рычаги могут быть выполнены с приводом от двигателя. Вышеприведенные замечания также применимы ко всем остальным вариантам осуществления и разновидностям, которые описаны ниже.

В качестве примера на фиг. 10 показан второй случай первого варианта осуществления, показанного на фиг. 1, и в этой разновидности ползуны 3 и 4 заменены рычагами 3' и 4', ползуны 12 и 16 заменены рычагами 12' и 16'.

На фиг. 2 показан упрощенный вариант вспомогательной конструкции по первому варианту осуществления. В этом варианте выполненные с приводом от двигателя ползуны 12' и 16' поворотного стержня 14' и бокового стержня 18' установлены на соответствующих призматических направляющих 22 и 23', которые являются прямолинейными, которые имеют одну степень свободы и которые параллельны направляющей 2, то есть расположены в угловом направлении вдоль оси х, но подняты так, что они оказываются расположенными над плоскостью основания 1 на некотором расстоянии по оси ζ относительно нее. Эти направляющие 22 и 23' расположены с обеих сторон от вертикальной плоскости χζ симметрии устройства. С учетом конфигурации направляющих 22 и 23' наличие элемента 20 не является необходимым для обеспечения соответствующего поддержания жесткости в угловом направлении, и шаровые шарниры 15' и 19' могут быть смонтированы непосредственно на опорной плите 11, предпочтительно на одном из концов ее верхней поверхности. Следует отметить, что в данном варианте оба стержня 14' и 18' участвуют в процессе обеспечения поворота и управления степенью свободы вдоль оси у.

На фиг. 3 показан второй вариант осуществления устройства по изобретению, при этом он изображен так же схематично, как и на фиг.

1. Многие из элементов, описанных выше, можно увидеть на фиг. 3, и они обозначены теми же ссылочными номерами. Таким образом, на фиг. 3 показаны две призматические направляющие и 23, которые параллельны и расположены в угловом направлении вдоль оси х, и два ползуна и 4, которые играют ту же роль, что и элементы, обозначенные такими же ссылочными номерами в первом варианте осуществления, то есть служат опорой двум парам опорных стержней 7 и 8 посредством шаровых шарниров 5 и 6, при этом на каждой паре опорных стержней установлены два шаровых шарнира 9 или 10, соединенные, как и на фиг. 1, с опорной плитой 11, прикрепленной к терминальному элементу 21. Конфигурация «опорных элементов», предназначенных для обеспечения опоры для опорной плиты, такая же, как в первом варианте осуществления, в то время как вспомогательная конструкция, которая обеспечивает управление двумя оставшимися степенями свободы терминального элемента 21, отличается от вспомогательной конструкции в первом варианте осуществления.

Как и на фиг. 1, вспомогательная конструкция включает в себя поворотный стержень 14 и боковой стержень 18, установленные на ползунах 12 и 16, которые перемещаются соответственно вдоль призматической направляющей 2 и вдоль призматической направляющей 23 идентично тому, как это описано со ссылкой на фиг. 1. Напротив, для управления поворотом опорной плиты устройство по фиг. 3 имеет три жестких элемента: а именно, поворотную плиту 29, приводной стержень 14 и управляющий стержень 27. Поворотная плита 29 шарнирно присоединена к опорной плите 11 посредством оси 30, параллельной оси у. Она показана в виде трапециевидного элемента, и на ее переднем крае смонтированы два шаровых шарнира 15 и 19, предназначенные для шарнирного присоединения стержней 14 и 18, и третий шаровой шарнир 28, который шарнирно соединен с управляющим стержнем 27. Другой конец управляющего стержня 27 установлен посредством шарового шарнира 26 на части 25 ползуна

3. Местоположение шарового шарнира 26 на ползуне 3 не имеет решающего значения. Шаровой шарнир 26 также может быть расположен дальше вперед или дальше назад и выше или ниже. Аналогичным образом, центры шаровых шарниров 28 и 15 могут быть расположены в любом месте в пределах объема поворотной плиты 29, но они не должны быть расположены на оси 30.

Боковой стержень 18 не обязательно должен быть соединен с поворотной плитой, но вместо этого он может быть присоединен к любому другому элементу приводного устройства так, чтобы обеспечить перемещение вдоль оси у.

Терминальный элемент будет зафиксирован, если ползуны 3, 4, 12 и 16 сами будут зафиксированы на соответствующих им призматических направляющих, и управление любым перемещением или при повороте вокруг оси, параллельной оси 30, или при поступательном движении в рабочем пространстве может осуществляться путем воздействия на двигатели, которые обеспечивают приведение в движение указанных ползунов.

На фиг. 4 показан один случай второго варианта осуществления устройства по изобретению, который характеризуется отсутствием поперечного перемещения. Можно видеть такую же опорную конструкцию с двумя опорными элементами, установленными на двух ползунах, и такую же вспомогательную поворотную конструкцию с промежуточным шарниром, как и в предыдущих вариантах осуществления. Из-за отсутствия ползуна 16 и бокового стержня 18 перемещения вдоль оси у в данном примере обеспечиваются за счет смещения устройства относительно средства, предназначенного для удерживания предмета, на который воздействует терминальный элемент. Также может быть использован термин «находящееся справа и находящееся слева» устройство.

В данном примере на основании 1 установлена одна призматическая направляющая 2, на которой установлены все три ползуна 3, 4 и

12. Для избежания какого-либо неконтролируемого поперечного смещения опорной плиты два стержня одной из пар опорных стержней 7 или 8 должны быть жестко соединены друг с другом, что идентично замене, по меньшей мере, в одном из опорных элементов, пары стержней одним элементом, для которого, по меньшей мере в одном из опорных элементов, шаровые шарниры заменены поворотными шарнирами, оси которых параллельны оси 30. Также могут быть предусмотрены другие конфигурации, имеющие два поворотных шарнира.

Вспомогательная конструкция, которая обеспечивает поворот опорной плиты 11, прикрепленной к терминальному элементу 21, относительно шарниров 9 и 10, включает в себя ось 30 и поворотную плиту 29, на переднем крае которой установлены промежуточные шарниры 28 и 15, соединяющие плиту 29 с управляющим стержнем 27 и с поворотным приводным стержнем 14, который сам опирается на шарнир 13 ползуна 12. Шарниры 9 и 10 могут быть объединены таким образом, чтобы их оси совпадали. То же самое относится к шарнирам 15 и 28.

На фиг. 4 пунктирными линиями показана величина углового перемещения, которое вспомогательная конструкция может передать опорной плите 11 просто за счет перемещения ползуна 12 между двумя конечными положениями 12а и 12Ь. Соответствующие положения управляющего стержня 27 обозначены ссылочными номерами 27а и 27Ь.

Третий вариант осуществления, показанный на фиг. 5, отличается от варианта осуществления, показанного на фиг. 3, во-первых, конфигурацией поворотной плиты 29', которая при перемещении ползуна 12 в том же направлении заставляет опорную плиту перемещаться в направлении, противоположном тому, в котором перемещается опорная плита устройства по фиг.

3. В некоторых случаях такая конфигурация обеспечивает возможность достижения особо предпочтительных рабочих условий.

Кроме того, в данном примере терминальный элемент 21 жестко прикреплен к опорной плите 11, и все шарниры представляют собой шаровые шарниры, за исключением (простого) шарнира 30, посредством которого поворотная плита 29' шарнирно соединена с опорной плитой, при этом обеспечивается угловое позиционирование данного шарнира вдоль оси у.

Кроме того, в данном примере на базовой плите 1 установлены две параллельные призматические направляющие 2 и 23. Два ползуна 3 и

4, которые действуют точно таким же образом, как и ползуны 3 и 4 на фиг. 3, установлены на призматической направляющей 2. На них посредством шаровых шарниров 5, 6 установлены пары опорных стержней 7, 8, образующих два параллелограмма и образующих два опорных элемента, предназначенных для обеспечения опоры для опорной плиты 11. Как и на фиг. 3, местоположения шаровых шарниров на поворотной плите 29' не имеют решающего значения, при условии, что они не расположены на оси 30. В данном примере также можно обнаружить вспомогательную конструкцию с двумя жесткими элементами и промежуточным шарниром. Однако узел выполнен таким, что поворот опорной плиты 11 происходит в направлении, противоположном тому направлению, в котором поворачивается опорная плита устройства, показанного на фиг. 3. В этом случае ползун 12 установлен на направляющей 2 с возможностью перемещения между ползунами 3 и 4, при этом конфигурации поворотной плиты 29' и поворотного стержня 14, бокового стержня 18 и управляющего стержня 27 выбраны такими, чтобы обеспечить возможность поворота поворотной плиты между опорными стержнями 7.

Вариант устройства по фиг. 5, характеризующийся отсутствием поперечного перемещения, показан на фиг. 6. Это устройство фактически может рассматриваться как обратное по отношению к устройству, показанному на фиг. 4, за счет того, что единственное отличие от устройства, имеющего три степени свободы и показанного на фиг. 4, заключается в местоположении шарнира 30 на опорной плите относительно поворотных шарниров 9 и 10.

Следует отметить, что во всех примерах, показанных на фиг. 3-6, шаровой шарнир 15 также может быть прикреплен к стержню 27 при условии, что он не будет совпадать с шаровым шарниром 26, или к стержню 18 при условии, что он не будет совпадать с шаровым шарниром 17, или шаровой шарнир 28 может быть прикреплен к стержню 14 при условии, что он не будет совпадать с шаровым шарниром 13, или к стержню 27 при условии, что он не будет совпадать с шаровым шарниром 26.

Аналогичным образом, шаровой шарнир 19 может быть прикреплен к стержню 14 при условии, что он не будет совпадать с шаровым шарниром 13, или к стержню 27 при условии, что он не будет совпадать с шаровым шарниром 26.

В завершение, шаровые шарниры 9 могут быть прикреплены к стержням 8 при условии, что они не будут совпадать с шаровыми шарнирами 6, или шаровые шарниры 10 могут быть установлены на стержнях 7 при условии, что они не будут совпадать с шаровыми шарнирами

5.

В то время как во всех примерах, описанных выше, терминальный элемент жестко прикреплен к опорной плите, на фиг. 7 и 8 показаны два примера четвертого варианта осуществления устройства по изобретению, в которых отсутствует жесткое ограничение на перемещения терминального элемента 21, при котором он может перемещаться только вместе с опорной плитой, обозначенной ссылочным номером 50. Конструкция для обеспечения опоры для опорной плиты и перемещения опорной плиты в этих двух примерах представляет собой конструкцию такого типа, как описанная в Европейском патенте ЕР 0250470 и в патенте США 4976582, то есть конструкцию, в которой три основные степени свободы опорной плиты осуществляются параллельно с помощью трех ползунов 40, 41 и 42, приводимых от двигателей и перемещающихся вдоль соответствующих направляющих из трех параллельных призматических направляющих 43, 44 и 45, и каждый из них приводит в движение соответствующий опорный элемент 46, 47 и 48, служащий опорой опорной плите 50, так, чтобы сохранить параллельность опорной плиты относительно основания 1. Каждый из трех опорных элементов описываемой конструкции образован парой опорных стержней 46, 47, 48, шарнирно соединенных посредством шаровых шарниров с ползунами, на которых они установлены и которые расположены с одной стороны от опорной плиты. Таким образом, конструкция имеет три деформируемых параллелограмма, которые обеспечивают удерживание опорной плиты параллельно основанию и обеспечивают возможность управления перемещениями при поступательном движении опорной плиты во всем предусмотренном рабочем пространстве. В данном примере терминальный элемент 21 шарнирно соединен с опорной плитой с возможностью поворота вокруг оси 51, «связанной» с опорной плитой.

Вспомогательная конструкция, которая обеспечивает возможность осуществления поворота терминального элемента 21 управляемым образом вокруг оси 51, включает в себя поворотную плиту 29, один из концов которой установлен с возможностью поворота на терминальном элементе 21 так, чтобы поворотная плита 29 могла поворачиваться вокруг оси 30', и которая взаимодействует с поворотным стержнем 14 и с управляющим стержнем 27. Один из концов поворотного стержня 14 шарнирно соединен с выполненным с приводом от двигателя ползуном 12, который может перемещаться вдоль призматической направляющей 43, и другой конец поворотного стержня 14 шарнирно соединен с поворотной плитой 29. Один из концов 26 управляющего стержня 27 шарнирно соединен с ползуном 40, и другой его конец шарнирно соединен с плитой 50 в том месте, которое не совпадает с осью 30'. В одном варианте шарнир 26 также может быть установлен на опорной плите 50 в том месте, которое не совпадает с осью 51.

Два варианта, показанные на фиг. 7 и 8, отличаются тем, что предусмотренные в них конфигурации поворотной плиты 29 обеспечивают возможность поворотов терминального элемента 21 в направлениях, которые противоположны друг другу, при перемещении ползуна 12 в одном и том же направлении.

Как и в других описанных вариантах осуществления, ползуны 40, 41 и 42 могут быть заменены рычагами, установленными с возможностью поворота, при этом в данном примере необходимо, чтобы оси поворота рычагов были параллельны соответствующим осям, проходящим через центры шаровых шарниров, установленных у оснований опорных элементов 46, 47 и 48. Ползун 12 может быть заменен рычагом, установленным с возможностью поворота вокруг оси, расположенной любым образом.

Следует отметить, что в примерах, показанных на фиг. 7 и 8, шаровой шарнир 15 также может быть прикреплен к стержню 27 при условии, что он не будет совпадать с шаровым шарниром 26, или шаровой шарнир 28 может быть прикреплен к стержню 14 при условии, что он не будет совпадать с шаровым шарниром 13.

На фиг. 9 показан пример использования устройства по изобретению в станке. Вариант осуществления, выбранный для иллюстрации данного использования, аналогичен варианту осуществления, показанному на фиг. 3, за исключением того, что ползуны 60 и 61, соответствующие ползунам 12 и 16 устройства по фиг. 2, направляются на отдельных призматических направляющих, которые параллельны оси х. Ползуны 48 и 49 соответствуют ползунам 3 и 4 устройства по фиг. 3.

Основание 1 представляет собой плиту, которая наклонена, например, под углом 45° над рабочим столом 89, который предусмотрен с поворотным столом 90, ось которого, например, является вертикальной. Поворотный стол предназначен для приема обрабатываемой детали, на которой инструмент терминального элемента 92, который прикреплен к опорной плите 91, может выполнять различные операции обработки. Также можно предусмотреть оснащение терминального элемента 92 спутником для обрабатываемой детали, который в возможном варианте, но необязательно, выполнен с приводом, и замену поворотного стола одним или более выполненными с приводом от двигателя или «пассивными» инструментами, или комбинацией инструментов обоих типов, и выполнение обработки путем перемещения обрабатываемой детали мимо инструментов.

Как правило, можно добавить второй стержень к каждому одиночному стержню, например, 14, 18, 27, при этом второй стержень будет параллелен одиночному стержню и будет работать идентично ему. Это позволяет повысить устойчивость устройства и повысить его жесткость. Отрицательные эффекты, связанные с возникающим в результате чрезмерным направлением, могут быть в значительной степени устранены с помощью известных решений, таких как обеспечение высокой точности или введение в конструкцию балансира.

Claims (15)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Кинематическое устройство для обеспечения опоры для терминального элемента (21) и программируемого перемещения терминального элемента (21) в станке или приборе, имеющем неподвижное основание (1), образующее базовую плоскость, причем указанное устройство содержит опорную и приводную конструкцию по меньшей мере с двумя жесткими опорными элементами (1ед§) (7, 8; 46, 47, 48), соединенными посредством соответствующих концов с элементами (3, 4; 40, 41, 42), направляемыми таким образом, что каждый из них перемещается только с одной степенью свободы относительно основания, и соединенными посредством соответствующих других концов с опорной плитой (11; 50), соединенной с терминальным элементом, при этом соединения между опорными элементами и опорной плитой и между опорными элементами и направляемыми элементами представляют собой шарниры, а перемещение направляемых элементов обеспечивает возможность перемещения опорной плиты по желанию в пределах заданного рабочего пространства, причем для обеспечения возможности поворота терминального элемента (21) вокруг оси, принадлежащей опорной плите (11; 50), опорная и приводная конструкция содержит вспомогательную конструкцию, выполненную с возможностью передачи терминальному элементу результирующей силы, которая определя ет поворот терминального элемента вокруг указанной оси в ответ на одно или более скоординированных перемещений одного или более вспомогательных направляемых элементов (12, 16), каждый из которых перемещается с одной степенью свободы относительно основания, при этом вспомогательная конструкция содержит по меньшей мере одну состоящую из шарнирносочлененных элементов систему, образованную из жесткого приводного элемента (14), один из концов которого посредством шарнира (13) соединен с вспомогательным элементом (12), направляемым таким образом, чтобы обеспечить перемещение вспомогательного элемента (12) с одной степенью свободы относительно основания, и из части (20, 15; 11, 15; 29, 30, 26, 27, 28, 15) вспомогательной конструкции, передающей указанную результирующую силу терминальному элементу, при этом геометрическая конфигурация передающей части такова, что, независимо от положения терминального элемента, свойство «поддержания жесткости в угловом направлении» сохраняется во всем рабочем пространстве.
2. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть вспомогательной конструкции, передающая вращающую силу терминальному элементу, содержит поворотную плиту (29), шарнирно присоединенную к терминальному элементу (21) с возможностью поворота вокруг оси (30), параллельной оси, связанной с опорной плитой, а управляющий стержень (27), один конец которого шарнирно присоединен к поворотной плите посредством промежуточного шарнира (28) и другой конец которого шарнирно присоединен к направляемому элементу (3), предназначенному для обеспечения опоры для одного из опорных элементов (7) опорной и приводной конструкции, таким образом при этом жесткий приводной элемент (14) воздействует на поворотную плиту (29), в то время как управляющий стержень (27) обеспечивает управление направлением действия результирующей силы.
3. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что терминальный элемент и опорная плита представляют собой два элемента, которые скреплены вместе, а ось, связанная с опорной плитой, определяется местоположениями шарниров, посредством которых опорные элементы шарнирно присоединены к опорной плите.
4. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что терминальный элемент и опорная плита представляют собой два отдельных элемента, связанные друг с другом посредством шарнира (51), при этом опорная плита (50) установлена на основании таким образом, что направляемые элементы ограничивают ее движение только поступательным перемещением, а ось, связанная с опорной плитой, представляет собой ось (51) шарнира, посредством которого терми нальный элемент (21) шарнирно присоединен к опорной плите (50).
5. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что терминальный элемент и опорная плита образуют один составной элемент в виде двух частей, которые прикреплены друг к другу, при этом ось, связанная с опорной плитой, определяется местоположениями шарниров, посредством которых опорные элементы шарнирно присоединены к опорной плите, при этом передающая часть вспомогательной конструкции включает в себя элемент (20), который выступает в боковом направлении относительно составного элемента и на котором установлен шарнир (15) между жестким приводным элементом и терминальным элементом, причем шарнир определяет точку приложения и геометрическая форма указанной передающей части определяет условия, при которых осуществляется приложение сил.
6. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что терминальный элемент и опорная плита образуют один составной элемент (11) из двух частей, которые скреплены вместе, при этом указанная передающая часть вспомогательной конструкции образована просто шарниром (15) между жестким приводным элементом (14) и терминальным элементом (21), при этом указанный шарнир определяет местоположение точки приложения, причем один или более направляемых элементов вспомогательной конструкции установлены на основании таким образом, чтобы обеспечивать управление направлением перемещения жесткого приводного элемента (14) вдоль некоторой линии, так что местоположение точки приложения на терминальном элементе ограничивает направление действия результирующей силы направлением, перпендикулярным к линии, соединяющей указанное местоположение шарнира с осью, связанной с опорной плитой.
7. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорная и приводная конструкция содержит средства (17, 18, 19), приводимые в действие по меньшей мере одним вспомогательным направляемым элементом (16), установленным с возможностью перемещения с одной степенью свободы относительно основания так, чтобы обеспечить перемещение опорной плиты в направлении, параллельном оси поворота, связанной с опорной плитой, при этом указанные средства объединены с вспомогательной конструкцией.
8. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, некоторые из шарниров представляют собой шаровые шарниры, при этом опорная и приводная конструкция выполнена таким образом, чтобы обеспечить возможность перемещения терминального элемента по трем координатам, при этом объем рабочего пространства определяется амплитудой движений направляемых элементов.
9. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, три из рабочих шарниров представляют собой шкворневые шарниры, при этом оси поворота взаимно параллельны, и рабочее пространство ограничено зоной, находящейся в плоскости, перпендикулярной к базовой плоскости и к осям поворота.
10. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что станок или прибор содержит опору, выполненную с возможностью перемещения ее вдоль оси, параллельной осям поворота, и служащую для приема обрабатываемой детали, на которую воздействует терминальный элемент.
11. 11. Устройство по любому предшествующему пункту, отличающееся тем, что при заданном объеме рабочего пространства, которое доступно для терминального элемента, размеры, местоположения и конфигурации опорной и приводной конструкции определяются с помощью вычислений в зависимости от указанного объема.
12. 12. Устройство по любому предшествующему пункту, отличающееся тем, что по меньшей мере один из направляемых элементов направляется при поступательном перемещении.
13. 13. Устройство по любому предшествующему пункту, отличающееся тем, что по меньшей мере один из направляемых элементов направляется при вращении.
14. 14. Устройство по любому предшествующему пункту, отличающееся тем, что по меньшей мере один из направляемых элементов представляет собой элемент с приводом от двигателя.
15. 15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные шарниры представляют собой шкворневые, шаровые или универсальные шарниры.