ES2263431T3 - Dispositivo para la transmision de un movimiento. - Google Patents
Dispositivo para la transmision de un movimiento.Info
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Abstract
Dispositivo de transmisión de movimiento para transmitir por lo menos dos componentes de movimiento de entrada (6) con un grado de libertad a un movimiento de salida (82, 84) con por lo menos dos grados de libertad o a la inversa, que comprende una unidad de transmisión por cada grado de libertad de entrada (6), en donde estas unidades de transmisión (2) están unidas entre sí funcionalmente en paralelo por sus secciones de salida (8), cada unidad de transmisión (2) comprende una primera sección que se puede fijar (4) y como sección de entrada, una segunda sección (6) unida con la primera sección (4) mediante un primer medio de articulación (22, 26, 34; 24, 28, 36), que se puede mover mediante articulaciones en la dirección de los correspondientes grados de libertad de la unidad de transmisión (2), estando configurada la segunda sección (6) de manera que mediante un segundo medio de articulación (46, 50, 58; 48, 52, 60), permite un movimiento libre a lo largo de los grados de libertad de lasotras unidades de transmisión (2), caracterizado porque el primer medio (22, 26, 34;24, 28, 36) y el segundo medio (46, 50, 58; 48, 52, 60) de articulación están configurados como articulaciones de flexión, y la segunda sección (6), el segundo medio de articulación (50; 52; 58; 60) y la sección de salida (8) están configurados de manera que todos juntos forman estructura rígida en la dirección del grado de libertad de entrada de la unidad de transmisión (2) correspondiente.
Description
Dispositivo para la transmisión de un
movimiento.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de transmisión de movimiento para transmitir por lo
menos dos componentes de movimiento de entrada con un grado de
libertad a un movimiento de salida con por lo menos dos grados de
libertad o a la inversa, que comprende una unidad de transmisión por
cada grado de libertad de entrada, en donde estas unidades de
transmisión están unidas entre sí funcionalmente en paralelo por sus
secciones de salida, cada unidad de transmisión comprende una
primera sección que se puede fijar y como sección de entrada, una
segunda sección unida con la primera sección mediante un primer
medio de articulación, que se puede mover mediante articulaciones
en la dirección de los correspondientes grados de libertad de la
unidad de transmisión, estando configurada la segunda sección de
manera que mediante un segundo medio de articulación, permite un
movimiento libre a lo largo de los grados de libertad de las otras
unidades de
transmisión.
transmisión.
La invención se refiere también a un dispositivo
de transmisión para transmitir tres componentes de movimiento de
entrada con un grado de libertad respectivamente, a un movimiento de
salida con tres grados de libertad o a la inversa, que comprende
tres unidades de transmisión con una sección de entrada y una
sección de salida respectivamente, que están unidas entre sí
funcionalmente en paralelo por sus secciones de salida, cada unidad
de transmisión tiene un dirección de extensión desde su sección de
entrada hasta su sección de salida correspondiente y que comprende
articulaciones configuradas como articulaciones de flexión, cuya
sección de salida permite movimientos libres perpendiculares a su
dirección de extensión, estando configuradas las secciones de
entrada de las unidades de transmisión de tal manera que los
movimientos de entrada respectivos están dirigidos con un ángulo
respecto de su longitud de extensión.
El primer antecedente de dispositivo de
transmisión correspondiente al preámbulo de la reivindicación 1 se
conoce por ejemplo por la patente CH 672089, que describe un
dispositivo posicionador con un dispositivo de transmisión de
movimiento de este tipo. Este dispositivo de transmisión de
movimiento tiene unidades de transmisión conectadas funcionalmente
en paralelo que, permiten todas juntas posicionar con tres grados de
libertad una pieza de salida del dispositivo posicionador. El
dispositivo posicionador comprende por unidad de transmisión una
base fija con un actuador que acciona una sección móvil del
dispositivo de transmisión de movimiento. La sección móvil tiene
por su parte dos articulaciones Cardán unidas mediante barras y a su
vez está unida mediante éstas con la pieza de salida móvil del
dispositivo de transmisión. El actuador de cada unidad de
transmisión gira su sección móvil respectiva sobre un eje
correspondientemente fijado con libertad de giro. Las dos
articulaciones Cardán de las secciones móviles, unidas entre sí
mediante una barra, permiten el movimiento de cada sección móvil en
la dirección de giro de las otras dos unidades de transmisión. La
pieza móvil de salida de este dispositivo de transmisión de
movimiento realiza un movimiento en el espacio, en el que la
inclinación y la orientación de esta pieza de salida permanecen
invariables, igual como se accionan las tres unidades de
transmisión. Debido a su configuración con ejes de giro y
articulaciones Cardán, este dispositivo de transmisión de
movimiento es adecuado para trabajos de precisión sólo de forma
condicionada, pues este tipo de articulación únicamente puede ser
fabricado con el juego mínimo requerido para este fin, con gran
dificultad.
El segundo antecedente de dispositivo de
transmisión correspondiente al preámbulo de la reivindicación 25,
se conoce por ejemplo por el documento DE 37 21 682 A1. Esta
publicación muestra un dispositivo de transmisión de movimiento en
una forma de realización con tres unidades de transmisión, que por
su entrada son activadas con un movimiento lineal o plano que
transcurre con un ángulo respecto a la dirección de extensión de las
respectivas unidades de transmisión. Las unidades de transmisión
constan respectivamente de un brazo soporte que está acoplado con
las secciones de entrada y de salida de la respectiva unidad de
transmisión, a través de una articulación de cuerpo sólido, por
ejemplo una bisagra de lámina. Las tres unidades de transmisión
están unidas entre sí por sus secciones de salida. Con la
configuración especial de las unidades de transmisión,
particularmente de la articulación de cuerpo sólido, los movimientos
de ajuste no son ajustables con suficiente precisión y tienen un
juego demasiado grande o están
sueltos.
sueltos.
El documento EP 0 937 961 A2 muestra un
mecanismo para un dispositivo posicionador de varios ejes que tiene
secciones fijas y secciones móviles que para cada eje están unidas
entre sí por una unidad de transmisión para la transmisión de
fuerza a la sección móvil. Las unidades de transmisión tienen un
medio flexible compuesto de dos barras paralelas, que comprende dos
secciones articuladas por barra. Para ello, las barras consisten en
tubos huecos que acaban las secciones articuladas, donde se inserta
un alambre de cuerda de piano. Las unidades de transmisión
transmiten la fuerza a la sección móvil, a lo largo de su eje de
extensión y permiten un movimiento libre en dirección perpendicular
a su dirección de extensión, es decir, a lo largo de los ejes de
las otras unidades de transmisión.
Además, se conoce por el documento
US-Patent 4,888,878 un dispositivo posicionador con
un dispositivo de transmisión de movimiento, que puede controlar
tres o más grados de libertad de movimiento. Para ello el
dispositivo de transmisión de movimiento tiene varias unidades de
transmisión conectadas en serie, en las que cada salida está unida
con la entrada de la siguiente. La unidad de transmisión situada en
primer lugar de la cadena está unida a una base fija y la unidad de
transmisión situada en último lugar de la cadena está unida con la
salida controlada del dispositivo de transmisión de movimiento.
Cada unidad de transmisión tiene un medio de accionamiento que
mueve una segunda sección móvil respecto de una sección "fija".
La segunda sección móvil está unida con la sección "fija" a
través de articulaciones. La desventaja de este dispositivo de
transmisión de movimiento consiste en que cada unidad de
transmisión, debido a su construcción en serie, soporta el peso
total de las unidades de transmisión siguientes, con lo cual
empeoran desventajosamente la dinámica así como otras
propiedades.
La invención tiene como objeto desarrollar los
dispositivos de transmisión de la técnica anterior con su cinemática
funcional paralela, de modo que sean posibles movimientos de
precisión.
La invención resuelve este problema con el
objeto de las reivindicaciones 1 y 25. En las reivindicaciones se
describen otros ejemplos de realización de la invención.
Según la reivindicación 1, en un primer
dispositivo de transmisión de movimiento de la técnica anterior, el
primer medio y el segundo medio de articulación están configurados
como articulaciones de flexión, y la segunda sección, el segundo
medio de articulación y la sección de salida están configuradas de
manera que todos juntos forman estructura rígida en la dirección
del grado de libertad de entrada de la unidad de transmisión
correspondiente. De este modo, los movimientos aplicados en la
sección de entrada (la segunda sección) se transmiten con precisión
a la salida. La principal ventaja de utilizar articulaciones de
flexión en lugar de cojinetes de fricción o de rodamientos es la
ausencia de rozamiento, desgaste, juego mecánico y el no estar
afectadas por la suciedad. Además, dependiendo de la construcción
de conjunto de la unidad de transmisión escogida se puede conseguir
una elevada rigidez mecánica en el dispositivo de transmisión de
movimiento, lo cual es requisito necesario para movimientos de
precisión. Con un dispositivo de transmisión de movimiento de este
tipo se puede posicionar la sección de salida en el intervalo de
1/100 \mum para carreras totales del orden de +/-
1 mm en cada dirección.
1 mm en cada dirección.
Como articulación de flexión debe entenderse
cualquier tipo de articulación elástica, como por ejemplo ciertas
disposiciones con diferentes materiales elásticos, etc. (ver más
adelante). Una articulación de este tipo puede realizar diferentes
modos de movimiento, por ejemplo una flexión, una torsión o un
movimiento axial (compresión y extensión). Para una visión de
conjunto de articulaciones de flexión especiales nos referimos a
las publicaciones indicadas en la descripción de las figuras al
final del texto, cuyo contenido se cita en esta descripción.
Además el dispositivo de transmisión de
movimiento debe estar construido de manera que transmita dos
componentes de movimiento de entrada (por ejemplo dos movimientos
de traslación a lo largo de los ejes X e Y) en un movimiento de
salida del dispositivo de transmisión de movimiento con por lo menos
dos grados de libertad acoplados, por ejemplo también en las
direcciones X e Y. Sin embargo, aquí no es necesario que los
movimientos de traslación se traduzcan en movimientos de
traslación. También puede transformarse cualquier combinación de
movimientos de rotación y traslación (aquí el movimiento de flexión
puede ser visto como una combinación de rotación y traslación), en
un movimiento de salida, que igualmente puede tener diferentes
grados de libertad (por ejemplo, cualquier combinación de
movimientos de rotación y de traslación).
Además la transformación no tiene por qué ser
1:1, es decir, el número de grados de libertad de entrada no debe
ser necesariamente igual que el número de grados de libertad de
salida. Esto solamente es válido para el caso más sencillo de dos
grados de libertad de entrada que se convierten en un movimiento de
salida con dos grados de libertad acoplados. Incluso un grado de
libertad no tiene por qué corresponder a un grado de libertad puro
de traslación o de rotación. La sección de entrada de una unidad de
transmisión puede ser llevada a lo largo de una trayectoria
espacial compleja en correspondencia con su grado de libertad de
movimiento.
La transmisión de movimiento puede tener lugar
así mismo desde la sección de salida del dispositivo de transmisión
de movimiento hacia las secciones de entrada correspondientes de las
unidades de transmisión, lo cual es especialmente ventajoso para
los dispositivos de medida que se describen a continuación.
En el caso de la miniaturización del dispositivo
de transmisión de movimiento, se entiende como secciones
individuales de una unidad de transmisión aquellas que unen los dos
medios de articulación entre sí. Así, en la correspondiente
configuración de estos dos medios de articulación pueden no ser
necesarias las separaciones entre los medios de articulación y cada
una de las secciones. Aquí reside la ventaja de la invención pues
con una configuración de los medios de articulación como
articulación de flexión, es posible que entre en juego una
miniaturización de este tipo. Para formar las articulaciones de
flexión correspondientes, basta por ejemplo que los gruesos de
material estén dimensionados correspondientemente.
Ventajosamente el dispositivo de transmisión de
movimiento comprende tres unidades de transmisión para transmitir
tres componentes de movimiento de entrada con un grado de libertad
de movimiento de traslación respectivamente, a un movimiento de
salida con tres grados de libertad de traslación. De este modo se
obtiene un dispositivo de transmisión de movimiento sencillo de
controlar desde el punto de vista de la geometría, que permite el
movimiento espacial en tres dimensiones de su salida. A este
respecto, los tres grados de libertad de los movimientos de entrada
no deben ser necesariamente ortogonales entre sí.
Con el fin de aumentar adicionalmente la
precisión, las unidades de transmisión individuales se configuran
ventajosamente de una sola pieza. En otras palabras, cada sección
junto con las articulaciones de flexión de una unidad de
transmisión se fabrica esencialmente a partir de una sola pieza.
Según sean las exigencias de precisión, cada unidad de transmisión
de un dispositivo de transmisión de movimiento puede estar
configurada de una o de varias piezas.
Preferentemente, el primer medio de articulación
y/o el segundo medio de articulación están configurados como
paralelogramos articulados, donde el paralelogramo articulado
comprende un par de barras con una articulación de flexión en cada
uno de los extremos de barra y donde los dos entremos de cada barra
están unidos mediante las correspondientes articulaciones de
flexión, con la primera sección o con la segunda sección o con la
sección de salida. Gracias a esta configuración especial del medio
de articulación se puede aumentar adicionalmente la rigidez de la
unidad de transmisión y en consecuencia, la precisión en conjunto
del dispositivo de transmisión de
movimiento.
movimiento.
Preferentemente, cada una o todas las
articulaciones de flexión están configuradas como entallas de
material, especialmente con geometría en círculo. Mediante las
distintas formas de entalla se pueden optimizar las articulaciones
de flexión correspondientes en cuanto al efecto de entalla
(especialmente se pueden evitar efectos de entalla excesivos en el
borde de la articulación de flexión), la fatiga del material, la
flexión máxima, etc. Las entallas circulares se caracterizan
ventajosamente por una gran amplitud de inclinación, pues las
solicitaciones que se producen en las capas externas de la
articulación son limitadas. Así por ejemplo, las articulaciones de
flexión circulares permiten para un espesor dado en el punto más
estrecho de la articulación inclinaciones máximas de +/- 10º con un
material de elevada elasticidad. Además, en estas articulaciones de
flexión no aparecen concentraciones de esfuerzos en los extremos de
la articulación, tienen una gran rigidez a compresión y un bajo
riesgo de rotura.
Preferentemente, los segundos medios de
articulación están configurados como articulaciones de flexión
dobles, donde la articulación de flexión doble comprende, unidas
funcionalmente en serie por un medio distribuidor de esfuerzos, dos
articulaciones de flexión que permiten movimientos de inclinación en
direcciones distintas. Ventajosamente una articulación doble de
este tipo se aplica en dispositivos de transmisión de movimiento
que comprenden por lo menos tres unidades de transmisión, es decir,
que transmiten tres movimientos de entrada con unos grados de
libertad en un movimiento de salida correspondiente. Las
articulaciones de flexión dobles se caracterizan de este modo por
su construcción sencilla que permite un movimiento de inclinación
con dos grados de libertad distintos.
Para facilitar la fabricación de las unidades de
transmisión formadas de una sola pieza, éstas están configuradas
preferentemente en forma de placa.
Preferentemente en cada unidad de transmisión se
prevé un trinquete mecánico que limita en las dos direcciones a lo
largo del grado de libertad correspondiente, el intervalo de
movimiento de la segunda sección respecto de la primera sección y/o
de la segunda sección respecto de la sección de salida.
Ventajosamente estos trinquetes mecánicos impiden que las
articulaciones de flexión sean solicitadas por encima de su máxima
inclinación.
Preferentemente las unidades de transmisión se
fabrican mediante electroerosión, especialmente mediante
electroerosión de hilo. Este procedimiento de fabricación se ha
mostrado particularmente eficaz para la formación de las
articulaciones de flexión. Especialmente, cuando se corta con este
procedimiento una unidad de transmisión a partir de una pieza, la
relación entre ancho y profundidad de ranura es extremadamente
pequeña y el corte de la ranura es extremadamente preciso, lo cual
proporciona una mejor protección de las entallas (articulaciones de
flexión) que tiene como consecuencia un menor efecto de
entalla.
entalla.
Preferentemente las dos articulaciones de las
articulaciones de flexión dobles están orientadas entre sí con un
ángulo determinado y cada una de las dos articulaciones está
inclinada en un ángulo determinado respecto de la placa de la
unidad de transmisión correspondiente. Esto es especialmente
ventajoso en relación con la fabricación de las articulaciones de
flexión mediante electroerosión de hilo. En un trabajo de este tipo
se pueden realizar cortes de hasta un espesor de corte máximo.
Además en unidades de transmisión de gran superficie es difícil
realizar cortes paralelos a las superficies de la placa. En otras
palabras, en principio, las articulaciones que realizan una
inclinación perpendicular al plano de la placa son difíciles de
fabricar por este procedimiento. Ventajosamente, en este ejemplo de
realización, las articulaciones de flexión tienen una inclinación
respecto del plano de la placa de manera que no es necesario ningún
corte paralelo al plano de la placa.
Con todo esto, para el mantenimiento de los
movimientos de la sección de salida deseados (por ejemplo,
perpendiculares al plano de la placa), es ventajoso que las
articulaciones dobles estén dimensionadas de modo que permitan un
movimiento de torsión junto con el movimiento de inclinación. Si las
dos articulaciones de flexión tienen la inclinación respecto del
plano de la placa mencionada, se produce un mínimo movimiento de
torsión de este tipo cuando por ejemplo éstas deben inclinarse
perpendicularmente al plano de las placas.
Preferentemente la masa de las piezas móviles de
una unidad de transmisión es mínima con el objeto de reducir peso
de manera que se optimiza el comportamiento dinámico. A este fin
pueden contribuir especialmente una optimización de la geometría
(por ejemplo mediante un cálculo por elementos finitos) y la
elección del material adecuado. En definitiva se consigue de este
modo una mejora del comportamiento dinámico sin ningún aumento
significativo en la dificultad de fabricación.
Preferentemente el dispositivo de transmisión de
movimiento se fabrica en una aleación de titanio, en acero, en
acero inoxidable, en aluminio, en una aleación de aluminio, en una
aleación de níquel y titanio, en cobre, en una aleación de cobre,
en cerámica o en plástico. La aleación de titanio y la cerámica
favorecen especialmente el comportamiento dinámico y la precisión
del dispositivo de transmisión de movimiento gracias a su menor
peso y a su rigidez. Con el plástico se pueden fabricar unidades
especialmente de coste reducido (por ejemplo en grandes series
mediante el procedimiento de inyección). El cobre y sus aleaciones
tienen un gran límite elástico especialmente para su capacidad de
flexión. Además, son especialmente adecuados para el procedimiento
de electroerosión junto con los metales y sus aleaciones, gracias a
su conductividad eléctrica.
La invención proporciona además un dispositivo
posicionador que comprende un dispositivo de transmisión de
movimiento según la invención, en el que cada unidad de transmisión
está unida por su sección de entrada con un medio de accionamiento
para el accionamiento de esta sección de entrada en la dirección del
grado de libertad correspondiente.
Preferentemente el medio de accionamiento es un
actuador, electromagnético, un actuador piezoeléctrico u otro
accionamiento de precisión de tipo electromotor para la generación
de un movimiento lineal, especialmente acoplado con un medio de
medición de posición. Estos medios de accionamiento se caracterizan
especialmente por su construcción sencilla y su elevada precisión.
Se han mostrado especialmente adecuados los medios de accionamiento
sin contacto como los llamados actuadores
"voice-coil". Para más detalles sobre estos
actuadores "voice-coil" nos referimos a la
literatura correspondiente, cuyo contenido se cita en esta
descripción.
Preferentemente el dispositivo posicionador está
configurado como dispositivo posicionador fino y/o acoplado
funcionalmente en serie por la primera sección de cada unidad de
transmisión con un dispositivo posicionador macro. Gracias a este
acoplamiento se dispone de largas carreras de trabajo con una
elevada resolución de posicionamiento. De este modo mediante medios
de medida adecuados se puede determinar con mucha precisión la
posición espacial ajustada y a continuación mediante el dispositivo
posicionador fino efectuar la corrección correspondiente con
precisión de micras.
Preferentemente los medios actuadores están
gobernados por un medio de control con algoritmo de corrección,
estando configurado el algoritmo de control de manera que cuando se
acciona la salida del dispositivo de transmisión de movimiento en
una dirección determinada, el movimiento o movimientos de traslación
acoplado(s) producido(s) por las articulaciones de
flexión, se compensa(n) mediante el accionamiento
correspondiente de uno o más medios de accionamiento distintos. En
un modo preferido de movimiento de las articulaciones de flexión
(la inclinación) en principio se produce una rotación de la pieza
inclinada alrededor de un eje. Esto se aplica también para el
paralelogramo articulado preferido en el que la rotación está
suprimida, pero en el cual tiene lugar un movimiento acoplado al
movimiento de entrada, ortogonal al movimiento principal.
Dependiendo de la geometría de la pieza articulada, se produce
siempre un movimiento de la pieza articulada en dos direcciones
ortogonales entre sí. Una de estas componentes del movimiento
"indeseada" puede ser compensada por un movimiento
correspondiente de una o varias unidades de transmisión diferentes,
que pueden realizar un movimiento, el cual tiene por lo menos una
componente de movimiento en la dirección de esta componente
"indeseada".
Preferentemente el dispositivo posicionador está
orientado en el espacio de trabajo de manera que cuando se produce
un movimiento de salida del dispositivo de transmisión de movimiento
únicamente en la dirección Z de la fuerza de la gravedad, todos los
medios de accionamiento están solicitados por igual. Estos se pueden
conseguir por ejemplo cuando en el caso de tres unidades de
transmisión, las tres direcciones de accionamiento de estas
unidades de transmisión actúan con el mismo ángulo respecto de la
dirección Z. Ventajosamente, en este caso los tres medios de
accionamiento pueden estar configurados con la misma potencia, es
decir ningún medio de accionamiento debe ser dimensionado con mayor
potencia en correspondencia con una mayor carga en el eje Z.
En un ejemplo de realización alternativo
preferido, el dispositivo posicionador está orientado en el espacio
de trabajo de manera que solamente un medio de accionamiento está
bajo carga. Preferentemente el medio de accionamiento para este
movimiento en la dirección Z, está configurado con un medio pasivo
tensado previamente contra la fuerza de la gravedad, especialmente
con un medio de muelle acoplado funcionalmente en paralelo, y/o
está configurado con una potencia mayor que la del resto de medios
de
accionamiento.
accionamiento.
Según otro ejemplo de realización preferido, se
consigue un dispositivo de medida que comprende un dispositivo de
transmisión de movimiento siendo la entrada del dispositivo de
medida la salida del dispositivo de transmisión de movimiento, en
el que las secciones de entrada de cada unidad de transmisión están
acopladas con medios de medición correspondientes que permiten la
medida de posición a lo largo del grado de libertad de la sección
de entrada correspondiente. Ventajosamente se consigue de este modo
un volumen medible con gran precisión, por ejemplo del orden de
unos pocos mm^{3}. Este dispositivo de medida puede ser utilizado
ventajosamente, por ejemplo como cabezal de medida en una máquina
de medición por coordenadas.
La invención se refiere también a la utilización
de un dispositivo posicionador o de medida de este tipo en el campo
del mecanizado de piezas, la electroerosión, el mecanizado
electroquímico, la fabricación de semiconductores, la fabricación
de componentes de unión opto-electrónicos y de
microsistemas, en robótica, como medidor de fuerza y/o como
joystick con realimentación de fuerza. Se encuentran otros campos de
aplicación, por ejemplo en medicina (en operaciones), en química,
en el gobierno de máquinas y otros. En principio, pueden obtener
ventajas de esta invención aquellos campos de la tecnología que
requieren ajustes finos o microscópicos, por ejemplo, mecanizados
de piezas, especialmente microerosión, ajustes de máscaras en la
fabricación de semiconductores, ajustes en la fabricación de
contactos (bonding) en chips, etc.
Según a reivindicación 25, en un segundo
dispositivo de transmisión de la técnica anterior, las
articulaciones están configuradas en forma de paralelogramos
articulados, en los que cada paralelogramo articulado comprende un
par de barras con una articulación de flexión en los cuatro extremos
de barra respectivamente, y los dos extremos de una barra están
unidos mediante las articulaciones de flexión correspondientes, con
la sección de entrada y con la sección de salida respectivamente.
Así, la rigidez de una unidad de transmisión y en consecuencia la
precisión del conjunto del dispositivo de transmisión de movimiento
resulta mejorada. Ventajosamente el movimiento de salida tiene una
componente de movimiento a lo largo de de uno de los tres grados de
libertad cuya carrera es mayor que las carreras de las componentes
de movimiento en los otros dos grados de libertad.
Preferentemente las secciones de entrada de las
unidades de transmisión están configuradas de manera que los
movimientos de entrada respectivos están dirigidas paralelas entre
sí. De este modo la diferencia entre las carreras de las
componentes de movimiento se ve aumentada adicionalmente.
Las unidades de transmisión del segundo
dispositivo de transmisión de movimiento pueden estar construidas
preferentemente de forma similar a las unidades de transmisión del
primer dispositivo de transmisión de movimiento (ver el ejemplo de
realización descrito anteriormente), con la única excepción de que
aquí no hay ni primera sección, ni unión con la segunda sección a
través de las articulaciones de flexión correspondientes.
La invención proporciona también un dispositivo
posicionador con el segundo dispositivo de transmisión de
movimiento según la invención, en el que cada unidad de transmisión
está unida por su sección de entrada con un medio de accionamiento
con el fin de accionar esta sección de entrada a lo largo del grado
de libertad correspondiente. Los medios de accionamiento están
configurados junto con las secciones de entrada correspondientes,
preferentemente en forma de motores lineales.
A continuación se describe la invención y otras
ventajas y características de la misma mediante ejemplos de
realización y con la ayuda de las figuras adjuntas.
Las Figs. 1a, 1b muestran una vista frontal y
una vista lateral de un primer ejemplo de realización de una unidad
de transmisión del primer dispositivo de transmisión de movimiento
según la invención,
las Figs. 1c, 1d muestran la misma imagen que en
las Figs. 1a, y 1b con los movimientos de "inclinación" de la
unidad de transmisión representados
explícitamente,
explícitamente,
la Fig.2 es una vista de un segundo ejemplo de
realización de una unidad de transmisión del primer dispositivo de
transmisión de movimiento según la invención en el que las
articulaciones de flexión dobles de la unidad de transmisión están
inclinadas respecto del plano de las placas, así como un detalle de
estas articulaciones de flexión dobles,
las Figs. 2a, 2b son respectivamente vistas en
sección a través de las articulaciones de las articulaciones de
flexión dobles mostradas en la Fig. 2, a lo largo de los cortes
A-A y B-B del detalle de la Fig.
2,
la Fig. 3 es una vista en perspectiva de un
tercer ejemplo de realización de una unidad de transmisión del
primer dispositivo de transmisión de movimiento según la invención,
donde esta unidad de transmisión dispone además de trinquetes
mecánicos,
la Fig. 4 es una vista en perspectiva de tres
unidades de transmisión acopladas entre sí que forman un primer
ejemplo de un dispositivo posicionador según la invención,
la Fig. 5 es una vista en perspectiva de un
segundo ejemplo de realización de un dispositivo posicionador según
la invención que también está formado por tres unidades de
transmisión,
la Fig. 6 muestra un ejemplo de realización
preferido de un medio de accionamiento para las unidades de
transmisión del dispositivo posicionador según la invención,
la Fig. 7 muestra dos representaciones en
perspectiva de una articulación de flexión circular, en las que se
indican diferentes parámetros de la misma,
la Fig. 8 es una vista en perspectiva de un
tercer ejemplo de realización de un dispositivo posicionador según
la invención con el segundo dispositivo de transmisión de movimiento
según la invención.
En las figuras, las mismas piezas se designan
con los mismos números de referencia.
En las Figs. 1a y 1b se muestran una vista
frontal y una vista lateral de un primer ejemplo de realización de
una unidad de transmisión 2 de un primer dispositivo de transmisión
de movimiento según la invención. Las Figs. 1c y 1d muestran el
mismo ejemplo de realización que las Figs. 1a y 1b, indicando además
los movimientos de "inclinación" de la unidad de transmisión
2. La unidad de transmisión 2 se compone de una primera sección 4,
una segunda sección 6 y una sección de salida 8. La primera sección
4 está configurada como una placa rectangular con cuatro
superficies laterales 10, 12, 14 y 16. Las dos superficies laterales
opuestas 12 y 16 tienen, en las esquinas situadas junto a la
superficie lateral 10, unos salientes 18 y 20.
La primera sección 4 puede estar formada
únicamente por barras, cuyos extremos formen los salientes 18 y 20.
Se prefiere la alternativa en forma de placa por razones de
estabilidad y porque la primera sección 4 se sujeta a una base fija
del primer dispositivo de transmisión de movimiento y por este
motivo no juega ningún papel en la masa móvil de la unidad de
transmisión 2. En una tercera alternativa, en vez de la primera
sección formada por dos barras, ésta se puede configurar en forma
de dos salientes separados 18 y 20 que pueden fijarse en una base
fija del primer dispositivo de transmisión de movimiento.
Las barras 22 y 24 se disponen respectivamente
en la dirección de extensión de las superficies laterales 12 y 16.
La barra 22 se extiende junto a la superficie lateral 12, mientras
que la barra 24 se extiende junto a la superficie lateral 16. Las
barras 22 y 24 están acopladas mediante articulaciones de flexión 26
y 28 con los salientes 18 y 20 correspondientes. Las articulaciones
de flexión permiten que, en el ejemplo de realización de la Fig. 1,
las barras 22 y 24 tengan un movimiento de "inclinación" de
izquierda a derecha.
La segunda sección 6 tiene un primer brazo 30 y
un segundo brazo 32 que están unidos entre sí en una pieza en forma
de ángulo recto. La segunda sección 6 en forma de ángulo recto, está
dispuesta respecto de la primera sección 4 de manera que la primera
sección 4 junto con las barras 22 y 24 queda dentro del área
comprendida por el ángulo recto. En este espacio hueco y por la
cara interior del primer brazo 30, las barras 22 y 24 están unidas
con el primer brazo 30 mediante articulaciones de flexión 34 y 36
adicionales. Dicho con más precisión, una cara frontal de la barra
32 está unida al primer brazo 30 por su cara interior, mediante la
articulación de flexión 34. Así, la barra 22 está dispuesta
perpendicular al primer brazo 30. La barra 24 está unida, mediante
la articulación de flexión 36 por una de sus caras frontales, al
primer brazo 30 por su cara interior. También la barra 22 está
dispuesta perpendicular al primer brazo 30.
En conjunto, la disposición consistente en las
proyecciones 18 y 20, las dos barras 22 y 24 y las cuatro
articulaciones de flexión 18, 20, 34 y 36 y el primer brazo 6
forman un paralelogramo articulado, que en el ejemplo de realización
de la Fig. 1 se puede inclinar de izquierda a derecha (ver también
la Fig. 1c). Cuando la primera sección 4 está fija, las dos barras
22 y 24 se inclinan sobre sus articulaciones de flexión
correspondientes en forma de un movimiento pendular, mientras que
el primer brazo 30 realiza un movimiento de traslación de izquierda
a derecha y a la inversa (en el ejemplo representado en las Fig. 1a
y 1c). Debido a la configuración de este paralelogramo articulado,
el movimiento de traslación de derecha a izquierda está superpuesto
y acoplado a un movimiento de la segunda sección de traslación de
arriba abajo y a la inversa. Este movimiento de traslación
superpuesto y en algunos casos indeseado, puede ser compensado
mediante la combinación de varias unidades de acoplamiento 2 (ver
explicación más adelante).
El segundo brazo 32 de la segunda sección 6
tiene en cada uno de sus extremos una proyección 42 y 44. Las
barras 46 y 48 están unidas en las proyecciones 42 y 44 a través de
las articulaciones de flexión dobles correspondientes. La barra 46
se extiende frente a la cara lateral 10 de la primera sección 4,
mientras que la barra 48 se extiende frente a la cara exterior del
primer brazo 30 de la segunda sección 6. De este modo el conjunto de
las dos barras 22 y 24 rodean a la primera sección 4, mientras que
las dos barras 46 y 48 rodean a la primera sección 4 y al primer
brazo 30. Además las dos barras 46 y 48 están dispuestas ortogonales
a las dos barras 22 y 24.
En el ejemplo de realización mostrado en las
Figs. de 1a a 1d, la articulación de flexión doble 50 comprende una
primera articulación de flexión 54 y una segunda articulación de
flexión 56 que están orientadas ortogonalmente entre sí. En el
ejemplo de realización mostrado en la Fig. 1a, la primera
articulación de flexión 54 permite a las barras 46 y 48 un
movimiento de "inclinación" de arriba hacia abajo y a la
inversa. La segunda articulación de flexión 56 de la articulación
de flexión doble 50 y 52 permite a las barras 46 y 48 un movimiento
de "inclinación" hacia fuera del plano del dibujo (ver también
las Figs. 1b y 1d).
La barras 46 y 48, por sus otros dos extremos
están unidas respectivamente con la sección de salida 8 mediante
una primera y una segunda articulación doble 58 y 60
respectivamente. Aquí, las articulaciones dobles 58 y 60 están
unidas en las zonas extremas de la sección de salida por una de las
caras longitudinales. De este modo las barras 46 y 48 son
perpendiculares a esta cara longitudinal de la sección de salida 8.
Las dos articulaciones de flexión dobles 58 y 60 se componen
respectivamente de una primera articulación de flexión 54 y de una
segunda articulación de
flexión 56.
flexión 56.
En cada articulación de flexión doble 50, 52, 58
y 60, la primera articulación de flexión 54 está unida
funcionalmente en serie con la segunda articulación de flexión 56
mediante un segmento repartidor de cargas 62. Aquí el segmento
repartidor de cargas 62 es un segmento en forma de barra de longitud
corta cuya sección se ajusta a la barra 46 (la sección puede ser
cualquiera que se adapte a los esfuerzos de carga). Su longitud debe
ser por lo menos suficiente para que no aparezcan efectos de
entalla en las transiciones a las articulaciones de flexión, pero a
la vez suficientemente corta para que las dos articulaciones estén
lo más próximas posible.
La longitud de las articulaciones dobles 50, 52,
58 y 60 está dimensionada para que se corresponda con el ancho de
las barras 22 y 24. Además las articulaciones dobles 58 y 60 están
dispuestas de modo que el extremo de la primera articulación 54
dirigido hacia las barras 46 y 48 está en coincidencia con la cara
exterior de la barra 22 dirigida hacia la cara lateral 12 de la
primera sección 4, mientras que el extremo de la segunda
articulación de flexión 56 dirigido hacia la sección de salida 8
coincide con la cara exterior de la barra 22 dirigida hacia la
sección de salida 8. Por el contrario, las articulaciones de flexión
34 y 36 están dispuestas de modo que su centro (es decir su sección
más estrecha) está en coincidencia con la cara lateral 14 de la
primera sección 4. Por otra parte, las articulaciones dobles 50 y 52
están dispuestas de modo que los extremos de la segunda
articulación de flexión 56 dirigidos hacia las barras 46 y 48 están
en coincidencia con la cara exterior del segundo brazo 32 dirigida
hacia la barra 24.
El segundo brazo 32 de la segunda sección 6, la
sección de salida 8 y las dos barras 46 y 48 forman de este modo un
segundo paralelogramo articulado, que en el ejemplo de realización
mostrado en la Fig. 1a, permite que la sección de salida tenga un
movimiento de "inclinación" de arriba hacia abajo y a la
inversa, así como hacia fuera del plano del dibujo. De nuevo estos
dos movimientos de traslación ortogonales están superpuestos y
acoplados. Cuando la sección de salida 8 realiza un movimiento de
traslación de arriba hacia abajo, se superpone un movimiento de
traslación de izquierda a derecha y cuando realiza un movimiento de
traslación fuera del plano del dibujo, entonces se superpone un
movimiento de traslación de derecha a izquierda.
La Fig. 2 muestra una vista de un segundo
ejemplo de realización de una unidad de transmisión 2 (primer
dispositivo de transmisión de movimiento) en el que las
articulaciones de flexión dobles 50, 52, 58 y 60 están constituidas
por dos articulaciones de flexión 54 y 56 que están inclinadas con
un ángulo de unos 60º entre sí y con un ángulo de unos 30º respecto
del plano de la placa de la unidad de transmisión 2. Esto es
especialmente ventajoso cuando la unidad de transmisión de
movimiento 2 se fabrica por electroerosión de hilo a partir de una
placa de material (por ejemplo de una aleación de titanio). En este
método de fabricación, los cortes en el plano de la placa solo son
posibles mediante el cambio de la fijación de la pieza, es decir
mediante el giro de la pieza sobre la mesa de trabajo, si la
dimensión de la placa de la unidad de transmisión 2 no sobrepasa la
máxima profundidad de corte de esta operación.
Las articulaciones de flexión dobles 50, 52, 58
y 60 representadas en las Figs. 2, 2a y 2b permiten la fabricación
sin estos cortes paralelos a las placas, puesto que su articulación
56 está inclinada respecto del plano de la placa. Además la sección
de salida 8 puede realizar los mismos movimientos de
"inclinación" respecto de la segunda sección 6. Esto es
posible porque las articulaciones dobles 50, 52, 58 y 60 están
dimensionadas de manera que junto con el movimiento de giro
previsto, permiten también un movimiento de torsión. Esto significa
que la segunda articulación de flexión 56 permite un movimiento de
torsión de la barra 46 respecto del segmento repartidor de cargas
62, y la primera articulación de flexión 54 permite un movimiento
del segmento repartidor de cargas 62 respecto del saliente 42. En
conjunto, la barra 46 puede realizar un movimiento de torsión cuando
la sección de salida 8 realiza un movimiento de "inclinación"
de arriba hacia abajo y a la inversa, o bien hacia afuera del plano
del dibujo, estando acoplado este movimiento de torsión con el
movimiento de "inclinación" a causa del giro de la primera y
de la segunda articulación 54 y 56.
En la vista en perspectiva de la Fig. 3, de un
tercer ejemplo de realización de la unidad de transmisión de
movimiento 2 (primer dispositivo de transmisión de movimiento) se ha
previsto una escotadura 38 en la superficie lateral 14 de la
primera sección para limitar el intervalo de "inclinación" de
la segunda sección 6 respecto de la primera sección 4. En esta
escotadura 38 se inserta un saliente 40 dispuesto en la cara
interior del primer brazo 30. La escotadura 38 y el saliente 40
están dimensionados de manera que el primer brazo 30, partiendo de
la posición de reposo puede realizar un cierto desplazamiento máximo
hacia la izquierda y hacia la derecha. Este desplazamiento máximo
puede estar predeterminado por el máximo ángulo de giro permisible
para las articulaciones 26, 28, 34 y 36.
Además en la sección de salida 8 está prevista
otra escotadura para alojar una prolongación 66 del saliente 18 de
la primera sección 4. La escotadura 64 y la prolongación 66 trabajan
igual que la escotadura 38 y el saliente 40 como un enclavamiento
mecánico que limita el desplazamiento de la sección de salida 8 de
arriba hacia abajo, en el ejemplo de realización mostrado en la
Fig. 1a.
Para limitar el desplazamiento fuera del plano
del dibujo, puede ser previsto otro enclavamiento mecánico no
mostrado, mediante voladizos en la parte superior y en la inferior
de prolongación 66 mostrada en la Fig. 3 que limite el
desplazamiento de la sección de salida 8 fuera del plano del
dibujo.
Con el fin de reducir el peso de las piezas
móviles, en el tercer ejemplo de realización mostrado en la Fig. 3
(primer dispositivo de transmisión de movimiento), el segundo brazo
32 de la segunda sección 6 está configurado con un corte abierto
hacia afuera. En conjunto el segundo brazo 32 tiene ahora la forma
de una barra delgada con dos salientes 42 y 44 en los extremos.
En la Fig. 4 se muestra una vista en perspectiva
de un primer ejemplo de realización de un primer dispositivo de
transmisión de movimiento 70 según la invención, que se compone de
tres unidades de transmisión 2 unidas entre sí por sus secciones de
salida 8. En el ejemplo de realización mostrado en la Fig. 4, estas
tres unidades de transmisión 2 son un primer dispositivo de
transmisión de movimiento 20 y sin embargo éstas no están orientadas
ortogonalmente respecto a la dimensión de sus placas, pero permiten
gracias a su disposición un movimiento de las secciones de salida 8
unidas entre sí con tres grados de libertad de traslación.
Para posicionar las secciones de salida 8 unidas
entre sí, las segundas secciones 6 de las tres unidades de
transmisión están acopladas respectivamente con medios de
accionamiento 72. Los medios de accionamiento 72 están configurados
como actuadores electromecánicos que se explican con más detalle con
referencia a la Fig. 6. En conjunto los medios de accionamiento 72
tienen un tamaño en su longitud de accionamiento de manera que se
adaptan en los cortes 68 de los segundos brazos 32. Así, la parte
interior del corte 68 está unido rígidamente con la parte móvil
accionada 74 del medio de accionamiento 72, mientras que la parte
motora fija 76 del medio de accionamiento 72 está unido rígidamente
con la base fija del espacio de trabajo (no mostrado en la Fig. 3)
del primer dispositivo de transmisión de movimiento 70. Las tres
primeras secciones 4 de las tres unidades de transmisión 2 también
están unidas rígidamente con esta base fija del primer dispositivo
de transmisión de movimiento 70.
El medio de accionamiento 72 mostrado permite
ventajosamente un pequeño movimiento de su pieza accionada 74
ortogonal a su dirección de accionamiento (cuando las dos piezas 74
y 76 están configuradas de modo correspondiente, ver Fig. 6). Esto
es ventajoso pues la sección 6, cuando se mueve en la dirección de
accionamiento realiza también un movimiento acoplado perpendicular
a la dirección de accionamiento. En un medio de accionamiento 72
concebido como de vástago móvil, la parte fija debe estar unida a la
base fija mediante una articulación (articulación de flexión) de
modo que su vástago no se incline transversalmente.
En conjunto cada unidad de transmisión 2 realiza
por su sección de salida 8 un movimiento a lo largo de la dirección
de accionamiento de su medio de accionamiento 72 correspondiente,
constituyendo cada unidad de transmisión 2 una unidad rígida en
esta dirección de accionamiento. Cada unidad de accionamiento 2
realiza este movimiento mediante su primer paralelogramo
articulado, consistente en las articulaciones 26, 28, 34 y 36. Cada
unidad de accionamiento 2 permite un movimiento de traslación
(dicho con más precisión, un movimiento de su sección de salida sin
rotación 8) perpendicular a esta dirección de accionamiento (o con
cualquier inclinación), mediante su segundo paralelogramo
articulado, consistente en las articulaciones dobles 50, 52, 58 y
60, en la dirección de accionamiento de las otras dos unidades de
transmisión 2.
Debido a la configuración particular de las
unidades de transmisión 2 mostrada en la Fig. 4, cada unidad de
accionamiento 2, cuando únicamente se acciona ésta y no las otras
dos unidades de accionamiento 2, realiza junto con el movimiento
(en la dirección de accionamiento) del primer paralelogramo
articulado otro movimiento acoplado (a saber, solamente causado
por la segunda articulación 56 del segundo paralelogramo
articulado). El primer paralelogramo articulado tiene también el
movimiento acoplado de traslación transversal, perpendicular al
movimiento de traslación accionado, mencionado anteriormente. Cuando
la sección de salida 8 no puede moverse en esta dirección de
movimiento transversal (los medios de accionamiento 72 de las otras
dos unidades de transmisión 2 la bloquean en esta dirección) este
movimiento transversal acoplado es absorbido, por el segundo
paralelogramo articulado.
Como puede verse en la disposición anterior de
las unidades de transmisión 2, éstas pueden estar orientadas
formando entre sí cualquier ángulo. También puede configurarse una
de estas unidades 2 sin medio de accionamiento 72 y por ejemplo,
tener únicamente la función de estabilizadora para el movimiento de
la sección de salida común 8.
La Fig. 5 muestra una vista en perspectiva de un
segundo ejemplo de realización de un dispositivo posicionador 80
con un primer dispositivo de transmisión de movimiento, que está
compuesto por tres unidades de transmisión 2 dispuestas
ortogonalmente entre sí. Estas tres unidades de transmisión 2 están
unidas rígidamente por sus secciones de salida 8 mediante la
escuadra tridimensional con tornillos 78, que soporta una punta
posicionadora 84. Las unidades de transmisión 2 están unidas
rígidamente aquí también con una base fija 88 del espacio de
trabajo, por sus primeras secciones 4 mediante tornillos 86. La base
fija puede tener la forma de un paralepípedo hueco en el que se
disponen los medios de accionamiento 72 necesarios para las unidades
de transmisión 2, así como sus medios de control, no representados,
y de medida de posición. Las unidades de transmisión 2 están
dispuestas respecto de la base fija 88 de manera que los movimientos
de "inclinación" no son interferidos por material
eventualmente interpuesto en su carrera. Lo mismo se aplica para la
fijación de la escuadra tridimensional 82 y para las secciones
de
salida 8.
salida 8.
Cuando se acciona en la dirección Y negativa la
unidad de transmisión 2 situada a la derecha en la Fig. 5, en la
unidad de transmisión 2 situada a la izquierda en la Fig. 5 se
superpone, mediante la inclinación correspondiente de su sección de
salida 8, una componente de movimiento en la dirección Z negativa
(esta componente de movimiento se origina mediante el primer
paralelogramo articulado de la unidad de transmisión accionada de la
izquierda). Esta componente de movimiento en la dirección Z
negativa puede ser compensada mediante el correspondiente
accionamiento en la dirección Z positiva de la unidad de transmisión
2 situada a la izquierda en la Fig. 5. Lo mismo se aplica para el
accionamiento de la punta posicionadora 84 en las direcciones X y Z,
para las que se requiere la compensación de movimiento
correspondiente en las otras dos unidades de transmisión 2.
Este movimiento de compensación puede ser
gobernado mediante un medio de control no representado con un
algoritmo de corrección integrado. El algoritmo de corrección puede
almacenar cada acoplamiento en forma de una matriz 3x3 de
corrección, que se multiplica con el vector que representa el
movimiento espacial deseado de la punta posicionadora 84 y que da
como resultado la componente de movimiento a aplicar en cada unidad
de transmisión 2. Esta matriz de corrección se puede determinar
bien por cálculo a partir de la geometría de la disposición o bien
a partir de un máximo de 9 mediciones de la posición de la punta
posicionadora con distintos ajustes de los tres medios de
accionamiento 72 de las tres unidades de transmisión.
La base fija 88 puede estar acoplada a un
dispositivo posicionador macro no representado, de modo que la
carrera de la punta posicionadora resulta ampliada. Mediante la
correspondiente configuración de las unidades de transmisión 2 y
del dispositivo posicionador 80, la punta posicionadora 84 realiza
movimientos en el orden de magnitud de milímetros, lo cual está
condicionado especialmente por los movimientos de "inclinación"
admisibles de +/- 10º y por la longitud de las barras 22, 24, 46 y
48.
La base fija 88 puede estar orientada en el
espacio de trabajo de manera que cuando se acciona la punta
posicionadora 84 en la dirección Z (que está dirigida en la
dirección de la fuerza de la gravedad), bien actúe solo una unidad
de transmisión 2 (primera alternativa) o bien tengan que actuar
simultáneamente las tres unidades de transmisión 2 (segunda
alternativa). La segunda alternativa tiene la ventaja de que los
medios de accionamiento de las tres unidades de transmisión pueden
estar configurados con la misma potencia. En la primera alternativa,
la unidad de transmisión 2 para el movimiento de la punta
posicionadora 84 en la dirección Z, se ha de configurar con mayor
potencia, y/o debe acoplarse un medio de muelle en paralelo entre la
primera sección 4 y la segunda sección accionada, que produzca una
tensión previa contra la fuerza de la gravedad. Por su parte, en la
segunda alternativa para cada simple movimiento a lo largo de las
direcciones X, Y o Z, deben accionarse las tres unidades de
transmisión 2. Sin embargo, para los medios de control actuales esto
no es ningún problema.
Los medios de transmisión 72 pueden estar
acoplados con un medio de medida no representado que determine
separadamente la posición de la segunda sección 6 con respecto de
la primera sección 4 en cada unidad de transmisión 2. De este modo
se consigue un control de la punta posicionadora 84 especialmente
preciso. Además, con una configuración de este tipo, el dispositivo
posicionador 80 puede formar un joystick con realimentación de
fuerza. Así, el joystick está unido rígidamente con la punta
posicionadora 84 de manera que un movimiento en el espacio del
Joystick es captado por los tres dispositivos de medida no
representados de las tres unidades de transmisión 2 y mediante los
correspondientes medios de accionamiento 72 y la realimentación de
fuerza al joystick puede producirse mediante los medios de
accionamiento correspondientes.
El primer paralelogramo articulado y el segundo
pueden estar configurados de manera que permitan en vez del
movimiento de "inclinación" un movimiento de rotación de la
primera sección 30 ó de la sección de salida 8 alrededor de un
punto de referencia respectivo. Esto puede realizarse de modo que
las barras 22 y 24 ó bien 46 y 48 de los dos paralelogramos
articulados estén orientadas entre sí en forma trapezoidal en lugar
de paralelas. Con un dispositivo posicionador correspondiente sería
posible una rotación de la punta posicionadora 84 alrededor de los
ejes X, Y, o Z. Un dispositivo posicionador de este tipo puede estar
acoplado en serie con el dispositivo posicionador 80 mostrado en la
Fig. 4, de manera que sea posible el movimiento de la punta
posicionadora 84 con seis grados de libertad independientes (tres
movimientos de traslación y tres movimientos de rotación).
Naturalmente, también es posible cualquier otra combinación de
unidades de transmisión de modo que puedan conseguirse en total, de
tres a seis grados de libertad de movimiento.
La Fig. 6 muestra una vista en sección de un
medio de accionamiento 72 configurado como actuador
electromagnético. La pieza móvil accionada 74 del medio de
accionamiento 72 tiene una forma de recipiente o vaso, cuyo fondo,
por la parte exterior está unido rígidamente con el segundo brazo 32
de la segunda sección 6. La pieza motora fija del medio de
accionamiento 72 tiene forma de "E" con los brazos
transversales inferior y superior que son imanes permanentes 90.
Alternativamente, se pueden fijar imanes permanentes en la pieza
fija 76, en la zona de estos brazos transversales. El brazo
transversal central 91 de la pieza fija 76 se introduce en el hueco
de la pieza en forma de vaso 74 y cierra esencialmente toda su
sección. Además, el espesor de pared de la pieza en forma de vaso
74 está dimensionado de manera que las secciones entre los brazos
transversales de la pieza fija queden esencialmente llenas.
Alrededor de la cara exterior de la pieza en forma de vaso 74 (o
insertado en la pared exterior) se encuentra un bobinado eléctrico
92, que con la circulación de una corriente genera un campo
magnético dentro de la pieza en forma de vaso 72, que está orientado
en la dirección de la base o contra la misma. Este campo magnético
interacciona con el brazo central 91 de la pieza fija 76 que está
configurado como pieza polar de los dos imanes permanentes 90.
Dependiendo de la intensidad de la corriente y de la fuerza de
reacción sobre la pieza móvil 74, se ajusta la posición de la pieza
móvil 74 respecto de la pieza fija 76. En el dispositivo
posicionador 80 mostrado en la Fig. 5, la fuerza de reacción está
generada por las fuerzas de retorno de las articulaciones 26, 28,
34, 36, 50 52, 58 y 60, cuando éstas se desplazan respecto de su
posición de reposo. Puesto que la fuerza que actúa sobre la pieza
móvil 74 es proporcional a la corriente, se puede conseguir un buen
control del movimiento lineal. Conjuntamente con un dispositivo de
medida y un bucle de regulación entre el dispositivo de medida y el
medio de accionamiento 72, se puede obtener un control muy preciso
del movimiento lineal.
La Fig. 7 muestra dos vistas en perspectiva de
una configuración especial de las articulaciones formadas mediante
entallas y aplicadas en el dispositivo de transmisión de movimiento
según la invención. En el ejemplo de realización mostrado en la
Fig. 7 la entalla es de forma circular (también son posibles otras
formas de entallas). Además, en las dos imágenes de la Fig. 7 se
muestran distintos parámetros que pueden ser utilizados para la
descripción de la articulación circular. Una articulación circular
puede ser considerada como una barra con sección variable. Cuando
se aplica un momento flexor M sobre el extremo de esta articulación,
ésta flexa un ángulo \alpha. La rigidez a flexión de la
articulación se define como K = M / \alpha. Esta rigidez a flexión
K puede aproximarse mediante una fórmula simplificada que
proporciona una buena aproximación a la rigidez a flexión
efectiva:
K = \frac{2
\cdot E \cdot b \cdot e^{2 . 5}}{9 \cdot \pi \cdot r^{0 .
5}}
donde E es el módulo de Young, b el
ancho de la articulación, e el espesor de pared de la articulación
en su punto más estrecho y r es el radio de la entalla circular.
Con la ayuda de esta fórmula aproximada se puede calcular la fuerza
de retorno para cada una de las secciones articuladas de una unidad
de transmisión
2.
Partiendo de esta fórmula se puede obtener
además una fórmula aproximada para la carga de flexión en la
articulación en función del ángulo de inclinación \alpha:
\sigma =
\frac{4 \cdot E \cdot \sqrt{e} \cdot \alpha}{3 \cdot \pi \cdot
\sqrt{r}}
De estas fórmulas se deduce claramente que los
radios pequeños de la entalla circular generan una carga de flexión
elevada mientras los radios mayores generan una carga menor. Esto
indica, que con el fin de miniaturizar la unidad de transmisión 2,
las secciones 4, 6, 8 también pueden ser unidas por articulaciones
sencillas de radio grande (en vez de las barras adicionales 22, 24,
46 y 48 y de la configuración en paralelogramo articulado), de
manera que el resultado en principio consiste únicamente en una
disposición cinemática de tres articulaciones ortogonales unidas
entre sí. La tres secciones 4, 6 y 8 de la unidad de transmisión 2
deben estar solamente dimensionadas hasta un tamaño, que
proporcione una distribución de cargas entre las articulaciones
unidas entre sí en serie y además una posibilidad de unión con el
medio de accionamiento 72 o con la salida 82 y 84 o con una base
fija 88.
Para más detalles sobre la configuración de
articulaciones circulares, especialmente en relación con su
fabricación mediante el método de electroerosión nos remitimos a
"Fatigue failure of thin wire-electrodischarge
machined flexible hinges" de Simon Henein, Cédric Aymon, Stefano
Bottinelli y Reymond Clavel en Proc. of SPIE symp. On Intelligent
Systems and Advanced Manufacturing, Boston USA, 19. - 22. Septiembre
1999. Esta publicación se utiliza explícitamente en la presente
descripción.
La Fig. 8 muestra una vista en perspectiva de un
ejemplo de realización de otro dispositivo posicionador con un
segundo dispositivo de transmisión de movimiento que está
constituido por tres unidades de transmisión 2' similares a las
unidades de transmisión 2 del primer dispositivo de transmisión de
movimiento. La unidades de transmisión 2 y 2' se diferencian
solamente en que las unidades de transmisión 2' no tienen la primera
sección 4 ni el paralelogramo compuesto por las articulaciones 26,
28, 34 y 36, ni las barras 22 y 24 entre la primera sección 4 y la
segunda sección 6 y en que el lado de entrada de la segunda sección
6' está configurado algo diferente. En el resto, las unidades de
transmisión 2 y 2' están construidas igual de manera que la
descripción detallada de esta configuración puede referirse a la
realización descrita anteriormente.
En la segunda sección 6' de cada unidad de
transmisión 2' se ha dispuesto una pieza móvil accionada 94 de una
medio de accionamiento 96, de manera que la segunda sección 6' es
accionada un cierto ángulo respecto de la dirección de extensión de
la unidad de transmisión 2' correspondiente. Para este objeto una
pieza accionadora fija 98 del medio de accionamiento está
configurada como un vástago, a lo largo del cual la pieza móvil 94
puede moverse como si fuera un motor lineal. En el ejemplo de
realización mostrado en la Fig. 8, el accionamiento de la segunda
sección 6' (sección de entrada) de las tres unidades de transmisión
2' tiene lugar paralelo a la dirección Z, que en la Fig.8
transcurre de arriba abajo (sin embargo esto no tiene que ser
siempre así, por ejemplo, las tres piezas fijas 98 pueden estar
dispuestas con un cierto ángulo respecto de la dirección Z).
Además, en el ejemplo de realización mostrado en la Fig. 8, cada
unidad de transmisión está dispuesta con el mismo ángulo respecto
de la pieza fija 98 de su correspondiente medio de accionamiento (de
forma alternativa, éstas pueden estar también dispuestas con
ángulos diferentes). Este ángulo puede estar entre 90º y 180º
estando excluidos los valores límite 90º y 180º y siendo
inadecuados los ángulos próximos a estos valores, puesto que en
estos intervalos de ángulo, las carreras de las secciones de salida
8 acopladas perpendiculares a la dirección Z se reducen hasta cero.
Es óptima la configuración representada en la Fig. 8 con un ángulo
de unos 135º, en la que junto con carreras largas en la dirección Z
también son posibles valores máximos de carrera en las direcciones
X e Y. La carrera en la dirección Z viene dada por lo demás por la
longitud de la pieza fija 98 del medio de accionamiento (o por la
carrera del motor lineal).
El movimiento en las direcciones X y/o Y de las
secciones de salida acopladas 8 tiene lugar mediante los diferentes
ajustes de la coordenada Z de las tres piezas móviles 94 respecto de
su pieza fija 98. Si por ejemplo, en la posición mostrada en la
Fig. 8 solamente se mueve hacia arriba la unidad de transmisión 2'
dibujada a la izquierda, entonces la sección de salida acoplada 8
se mueve en la dirección Z hacia arriba y el la dirección X hacia
la izquierda. Mediante el correspondiente control hacia abajo en la
dirección Z de las unidades de transmisión dibujadas a la derecha,
se puede por ejemplo conseguir un movimiento de la sección de salida
8 acoplada, únicamente en la dirección X hacia la izquierda. De
este modo es posible el control independiente de la sección de
salida acoplada en las tres direcciones espaciales.
Las unidades de transmisión 2' se extienden en
la dirección de las barras 46, 48 entre la segunda sección 6' y la
sección de salida 8 (en la posición no inclinada de las
articulaciones dobles 50, 52, 58 y 60, mostrada en la Fig. 8).
Claims (29)
1. Dispositivo de transmisión
de movimiento para transmitir por lo menos dos componentes de
movimiento de entrada (6) con un grado de libertad a un movimiento
de salida (82, 84) con por lo menos dos grados de libertad o a la
inversa, que comprende una unidad de transmisión por cada grado de
libertad de entrada (6), en donde estas unidades de transmisión (2)
están unidas entre sí funcionalmente en paralelo por sus secciones
de salida (8), cada unidad de transmisión (2) comprende una primera
sección que se puede fijar (4) y como sección de entrada, una
segunda sección (6) unida con la primera sección (4) mediante un
primer medio de articulación (22, 26, 34; 24, 28, 36), que se puede
mover mediante articulaciones en la dirección de los
correspondientes grados de libertad de la unidad de transmisión (2),
estando configurada la segunda sección (6) de manera que mediante
un segundo medio de articulación (46, 50, 58; 48, 52, 60), permite
un movimiento libre a lo largo de los grados de libertad de las
otras unidades de transmisión (2), caracterizado porque el
primer medio (22, 26, 34;24, 28, 36) y el segundo medio (46, 50, 58;
48, 52, 60) de articulación están configurados como articulaciones
de flexión, y la segunda sección (6), el segundo medio de
articulación (50; 52; 58; 60) y la sección de salida (8) están
configurados de manera que todos juntos forman estructura rígida en
la dirección del grado de libertad de entrada de la unidad de
transmisión (2) correspondiente.
2. Dispositivo de transmisión
de movimiento según la reivindicación 1 que comprende tres unidades
de transmisión (2) para transmitir tres componentes de movimiento de
entrada (6) con un grado de libertad de movimiento de traslación
respectivamente, a un movimiento de salida (82, 84) con tres grados
de libertad de traslación.
3. Dispositivo de transmisión
de movimiento según la reivindicación 1 ó la 2, en el que las
unidades de transmisión (2) individuales se configuran de una sola
pieza.
4. Dispositivo de transmisión
de movimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el
que el primer medio de articulación (22, 26, 34; 24, 28, 36) y/o el
segundo medio de articulación (46, 50, 58; 48, 52, 60) están
configurados como paralelogramos articulados, donde el paralelogramo
articulado comprende un par de barras (22, 24; 46, 48) con una
articulación de flexión (26, 28, 34, 36; 50, 52, 58, 60) en cada
uno de los cuatro extremos de barra y donde los dos entremos de cada
barra (22, 24; 46, 48) están unidos mediante las correspondientes
articulaciones de flexión (26, 28, 34, 36; 50, 52, 58, 60), con la
primera sección (4) o con la segunda sección (6) o con la sección
de salida (8).
5. Dispositivo de transmisión
de movimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el
que cada una o todas las articulaciones de flexión (26, 28, 34, 36;
50, 52, 58, 60) están configuradas como entallas de material,
especialmente con geometría en
círculo.
círculo.
6. Dispositivo de transmisión
de movimiento según una de las reivindicaciones de la 2 a la 5, en
el que los segundos medios de articulación (50; 52; 58; 60) están
configurados como articulaciones de flexión dobles, donde una
articulación de flexión doble comprende, unidas funcionalmente en
serie por un medio distribuidor de esfuerzos (62), dos
articulaciones de flexión (54, 56) que permiten movimientos de
inclinación en direcciones distintas.
7. Dispositivo de transmisión
de movimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el
que las unidades de transmisión (2) están configuradas
preferentemente en forma de placa.
8. Dispositivo de transmisión
de movimiento según una de las reivindicaciones de la 4 a la 7, en
el que la primera sección (4) y/o la sección de salida (8) de una
unidad de transmisión están configuradas en forma de barras o de
placas, la segunda sección (6) comprende un primer y un segundo
brazo (30, 32) que están dispuestos con un ángulo determinado,
especialmente perpendiculares entre sí, una primera superficie
lateral (10) de la primera sección (4) está unida mediante un primer
paralelogramo articulado (22, 26, 34, 24, 28, 36) con el primer
brazo (30) de la segunda sección (6) y el segundo brazo (32) de la
segunda sección (6) está unido mediante un segundo paralelogramo
articulado (46, 50, 58, 52, 48, 60) con la sección de salida (8) de
manera que el primer (22, 26, 34, 24, 28, 36) y el segundo (46, 50,
58, 52, 48, 60) paralelogramo articulado están orientados con un
ángulo determinado y en especial ortogonales entre sí.
9. Dispositivo de transmisión
de movimiento según la reivindicación 8, en el que el par de barras
(22, 24) del primer paralelogramo articulado (22, 26, 34, 24, 28,
36) rodea las superficies laterales (12, 16), situadas opuestas
entre sí, de la primera sección (4) y el par de barras (46, 48) del
segundo paralelogramo articulado (46, 50, 58, 52, 48, 60) rodea las
otras dos superficies laterales (10, 14), situadas opuestas entre
sí, de la primera sección (4) así como el primer brazo (30) de la
segunda sección (6).
10. Dispositivo de transmisión de
movimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
en cada unidad de transmisión (2) se prevé un trinquete mecánico
(38, 40; 64, 66) que limita en las dos direcciones a lo largo del
grado de libertad correspondiente, el intervalo de movimiento de la
segunda sección (6) respecto de la primera sección (4) y/o de la
segunda sección (6) respecto de la sección de salida (8).
11. Dispositivo de transmisión de
movimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que
las unidades de transmisión individuales (2) se fabrican mediante
electroerosión, especialmente mediante electroerosión de hilo.
12. Dispositivo de transmisión de
movimiento según una de las reivindicaciones de la 7 a la 11, en el
que las dos articulaciones (54, 56) de las articulaciones de flexión
dobles (50; 52; 58; 60) están orientadas entre sí con un ángulo
determinado y cada una de las dos articulaciones (54, 56) está
inclinada en un ángulo determinado respecto de la placa de la
unidad de transmisión (2) correspondiente.
13. Dispositivo de transmisión de
movimiento según una de las reivindicaciones de la 6 a la 12, en el
que las articulaciones dobles (50; 52; 58; 60) están dimensionadas
de modo que permitan un movimiento de torsión junto con el
movimiento de inclinación.
14. Dispositivo de transmisión de
movimiento según una de las reivindicaciones anteriores en el que
la masa de las piezas móviles (6; 8; 22; 24; 26; 28; 34; 36; 46; 48;
50; 2; 58; 60) de una unidad de transmisión (2) es mínima con el
objeto de reducir peso.
15. Dispositivo de transmisión de
movimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que está
fabricado en una aleación de titanio, en una aleación de níquel y
titanio, en acero, en un acero aleado, en acero inoxidable, en
aluminio, en una aleación de aluminio, en cobre, en una aleación de
cobre, en cerámica o en plástico.
16. Dispositivo posicionador con un
dispositivo de transmisión de movimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que cada unidad de transmisión
(2) está unida por su sección de entrada (6) con un medio de
accionamiento (72) para el accionamiento de esta sección de entrada
(6) en la dirección del grado de libertad correspondiente.
17. Dispositivo posicionador según
la reivindicación 16, en el que el medio de accionamiento (72) es
un actuador, electromagnético, un actuador piezoeléctrico u otro
accionamiento de precisión de tipo electromotor para la generación
de un movimiento lineal, especialmente acoplado con un medio de
medición de posición.
18. Dispositivo posicionador según
la reivindicación 16 ó la 17, que está configurado como dispositivo
posicionador fino y/o acoplado funcionalmente en serie por la
primera sección (4) de cada unidad de transmisión (2) con un
dispositivo posicionador macro.
19. Dispositivo posicionador según
una de las reivindicaciones de la 16 a la 18, en el que los medios
actuadores (72) están gobernados por un medio de control con
algoritmo de corrección, estando configurado el algoritmo de
control de manera que cuando se acciona la salida (82, 84) del
dispositivo de transmisión de movimiento en una dirección
determinada, el movimiento o movimientos de traslación acoplado (s)
producido (s) por las articulaciones de flexión (26; 28; 34; 36;
50; 52; 8; 60), se compensa (n) mediante el accionamiento
correspondiente de uno o más medios de accionamiento (72)
distintos.
20. Dispositivo posicionador según
una de las reivindicaciones de la 16 a la 19, que está orientado en
el espacio de trabajo de manera que cuando se produce un movimiento
de salida (82, 84) del dispositivo de transmisión de movimiento
únicamente en la dirección Z de la fuerza de la gravedad, todos los
medios de accionamiento (72) están solicitados por igual.
21. Dispositivo posicionador según
una de las reivindicaciones de la 16 a la 19, que está orientado en
el espacio de trabajo de manera que cuando se produce un movimiento
de salida (82, 84) del dispositivo de transmisión de movimiento
únicamente en la dirección Z de la fuerza de la gravedad, solamente
un medio de accionamiento (72) está bajo carga.
22. Dispositivo posicionador según
la reivindicación 21, en el que el medio de accionamiento (72) para
el movimiento en la dirección Z está configurado como un medio
pasivo tensado previamente contra la fuerza de la gravedad,
especialmente con un medio de muelle acoplado funcionalmente en
paralelo, y/o está configurado con una potencia mayor que la del
resto de medios de accionamiento (72).
23. Dispositivo de medida para la
medición de un movimiento en el espacio con un dispositivo de
transmisión de movimiento según una de las reivindicaciones de la 1
a la 15, cuya entrada es la salida (82, 84) del dispositivo de
transmisión de movimiento, en el que las secciones de entrada (6) de
cada unidad de transmisión (2) están acopladas con medios de
medición correspondientes que permiten la medida de posición a lo
largo del grado de libertad de la sección de entrada correspondiente
(6).
24. Aplicación de un dispositivo de
medida o posicionador según una de las reivindicaciones de la 16 a
la 23 en los campos del mecanizado de piezas, el mecanizado por
electroerosión, el mecanizado electroquímico, la fabricación de
semiconductores, la fabricación de componentes de unión
opto-electrónicos y de microsistemas, en robótica,
como medidor de fuerza y/o como Joystick con realimentación de
fuerza.
25. Dispositivo de transmisión de
movimiento para transmitir tres componentes de movimiento de
entrada con un grado de libertad respectivamente, a un movimiento de
salida con tres grados de libertad o a la inversa, que comprende
tres unidades de transmisión (2') con una sección de entrada (6') y
una sección de salida (8) respectivamente, que están unidas entre
sí funcionalmente en paralelo por sus secciones de salida (8), cada
unidad de transmisión (2') tiene un dirección de extensión desde su
sección de entrada (6') hasta su sección de salida (8)
correspondiente y que comprende articulaciones configuradas como
articulaciones de flexión (50, 52, 58, 60), cuya sección de salida
(8) permite movimientos libres perpendiculares a su dirección de
extensión, estando configuradas las secciones de entrada (6') de las
unidades de transmisión (2') de tal manera que los movimientos de
entrada respectivos están dirigidos con un ángulo respecto de su
longitud de extensión, caracterizado porque las
articulaciones (50, 52, 58, 60) están configuradas en forma de
paralelogramos articulados, en los que cada paralelogramo
articulado comprende un par de barras (46, 48) con una articulación
de flexión (50, 52, 58, 60) en los cuatro extremos de barra
respectivamente, y los dos extremos de una barra (46; 48) están
unidos mediante las articulaciones de flexión (50, 52, 58, 60)
correspondientes, con la sección de entrada (6') y con la sección
de salida (8) respectivamente.
26. Dispositivo de transmisión de
movimiento según la reivindicación 25, en el que las secciones de
entrada (6') de las unidades de transmisión (2') están configuradas
de manera que los movimientos de entrada respectivos están
dirigidos paralelos entre sí.
27. Dispositivo de transmisión de
movimiento según la reivindicación 25 ó la 26, en el que las
unidades de transmisión (2') están construidas según las
características de la subreivindicaciones 5, 6, 7, 11, 12, 13, 14 ó
15.
28. Dispositivo de transmisión de
movimiento según una de las reivindicaciones de la 25 a la 27, en
el que cada unidad de transmisión (2') está unida por su sección de
entrada (6') con un medio de accionamiento (96) con el fin de
accionar esta sección de entrada (6') a lo largo del grado de
libertad correspondiente.
29. Dispositivo de transmisión de
movimiento según la reivindicación 28, en el que los medios de
accionamiento (96) están configurados junto con las secciones de
entrada (6') correspondientes en forma de motores lineales.
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