DE10391447B4

DE10391447B4 - Hybrider Parallelmanipulator zum Verfahren eines Arbeitskopfes im Raum

Info

Publication number: DE10391447B4
Application number: DE10391447T
Authority: DE
Inventors: Zsolt Herbak
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-13
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: WO2003086717A1; DE10391447D2; DE20320809U1; DE10216571A1; AU2003232586A1

Abstract

Vorrichtung zum Verfahren eines Arbeitskopfes im Raum mit:
– einer Plattform (30), die in einer ersten Ebene zweidimensional bewegbar angeordnet ist,
– an welcher wenigstens zwei antreibbar verschiebbare Stangen (52, 54, 55) angeordnet sind,
– welche wiederum eine Montagevorrichtung (60) für einen Arbeitskopf oder einen Arbeitskopf selbst tragen.
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Plattform (30) ein um eine Drehachse drehbares Drehelement (40) trägt, an welchem die verschiebbaren Stangen angeordnet sind, wobei
– eine erste Stange (52) in einem festen Winkel zum Drehelement (40) steht, während eine zweite Stange in einem veränderlichen Winkel zum Drehelement steht, wodurch
– bei Verschiebung der ersten Stange ausschließlich die Position der Montagevorrichtung in einer Raumdimension und bei Verschiebung der zweiten Stange ausschließlich die Orientierung der Montagevorrichtung im Raum verändert wird.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verfahren eines Arbeitskopfes im Raum nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gegenstand der Erfindung
Werkstücke werden heutzutage häufig vollautomatisch mittels CNC-gesteuerten Maschinen bearbeitet. Hierzu ist es in der Regel notwendig, einen Arbeitskopf in alle drei Raumrichtungen verfahren zu können, und es ist häufig weiterhin notwendig den Arbeitskopf zusätzlich entlang zweier Achsen drehbar oder schwenkbar anzuordnen. Um dies zu erreichen sind in der Technik zwei grundlegend verschiedene Konzepte bekannt:
Bei einer Klasse solcher Vorrichtungen wird das Ende einer Säule mittels dreier orthogonal zueinander stehenden Laufbahnen im Raum bewegt. An ihrem Ende ist in der Regel ein Drehgelenk angeordnet, dessen Achse parallel zur Säule steht. An dieses Drehgelenk schließt sich ein Gabelkopfgelenk an, dessen Drehachse senkrecht zu der Drehachse des Drehgelenks steht. An diesem Gabelkopf ist schließlich der betreffende Arbeitskopf angeordnet. Der Arbeitskopf kann also kartesisch im Raum verschoben werden und weiterhin im Raum orientiert werden, wobei jedoch der Schwenkwinkel des Gabelkopfgelenkes häufig auf ca. 180° begrenzt ist.
Der Arbeitskopf weist also 5 Freiheitsgrade auf, drei transitorische und zwei rotatorische. Die Freiheitsgrade sind vollständig voneinander entkoppelt, was die Steuerung der Vorrichtung relativ einfach macht.
Neben dieser relativ einfachen Steuerung haben Vorrichtungen dieser Art noch den weiteren Vorteil, dass nahezu beliebige Volumina überspannt werden können, so dass auch sehr große Werkstücke bearbeitet werden können. Dieses ist insbesondere dann möglich, wenn die entsprechende Vorrichtung nach Art eines Portalroboters aufgebaut ist.
Neben diesem Vorteil haben dererlei Vorrichtungen natürlich auch Nachteile, von denen für das Folgende insbesondere zwei von Bedeutung sind. Um die Säule, welche das Drehgelenk trägt, hinreichend stabil gegen auftretende Querkräfte zu machen, muss diese in der Regel relativ stark dimensioniert werden, was natürlich zu einer entsprechend hohen Masse führt. Da diese Säule natürlich während des Betriebs verfahren werden muss (sie dient idR als Z-Achse) müssen entsprechend große Massen beschleunigt werden, was die bekannten Nachteile hinsichtlich der Dimensionierung der Motoren und der maximal erreichbaren Arbeitsgeschwindigkeit hat.
Weiterhin versperrt die Z-Säule den direkten Zugang zum Arbeitskopf. Dies kann in zahlreichen Anwendungsfällen sehr hinderlich sein, z.B. dann, wenn dem Arbeitskopf ein Laserstrahl zugeführt werden soll, der dann über ein Spiegelsystem auf das Werkstück gelenkt wird, oder wenn an den Arbeitskopf eine Hochdruckleitung beispielsweise zur Versorgung mit Farbe, Kunststoff oder Wasser angeschlossen werden soll.
Weiterhin sind sogenannte Multipoden, insbesondere Hexapoden bekannt. Hier sind 6 Stäbe an einem Grundelement schwenkbar und verschieblich angeordnet. Die Enden dieser Stäbe sind wiederum beweglich mit einem gemeinsamen Befestigungselement verbunden, welches wiederum den Arbeitskopf trägt. Ein solcher Hexapod ist bspw. in der DE 196 49 082 C1 beschrieben.
Hexapoden sind zwar steuerungstechnisch schwieriger zu beherrschen, haben jedoch den Vorteil von sehr großer mechanischer Stabilität bei geringer Masse. Weiterhin ist der vom Hexapod bewegte Arbeitskopf idR sehr gut auf direkter Mittellinie erreichbar. Ein für viele Anwendungen erheblicher Nachteil von Multipoden ist, dass das mit Ihnen erreichbare Volumen relativ klein ist, was dazu führt, dass sie zur Bearbeitung großer Werkstücke nicht eingesetzt werden können.
Für einige Spezialanwendungen sind Vorrichtungen bekannt geworden, die das Multipoden-Prinzip mit dem Prinzip einer kartesisch/rotatorisch arbeitenden Maschine verbinden. In der DE 43 06 332 A1 ist bspw. eine Vorrichtung beschrieben, die zum Wechseln von Meß- und/oder Probesonden dient. Diese Vorrichtung weist einen Drehteller auf, in dem eine Antriebseinheit über zwei Teleskopbeine schwenkbar angeordnet ist. Der Drehteller ist in einer Längsrichtung verschiebbar.
Aus der DE 196 40 769 A1 ist ein kugelartig aufgebauter Hexapod bekannt. In dieser Druckschrift wird u. a. vorgeschlagen diesen Multipoden mit einem weiteren linearen oder rotatorischen Freiheitsgrad zu versehen.
Aus der DE 199 55 520 C2 ist ein Bearbeitungskopf bekannt, bei dem eine Grundplatte mittels einer kartesisch arbeitenden Vorrichtung in die drei Raumrichtungen verfahren werden kann. An der Grundplatte ist ein Kugel- oder Kardangelenk befestigt, das über drei jeweils gelenkig mit der Grundplatte und dem Kardangelenk verbundenen längenverstellbaren Streben bewegt wird. Da hier die Z-Säule traditionell aufgebaut ist, muss sie, um Querkräfte aufnehmen zu können, entsprechend massiv aufgebaut sein. Weiterhin versperrt das Kugel- oder Kardangelenk den direkten Verbindungsweg zum Arbeitskopf.
Aus der gattungsbildenden DE 199 63 863 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die der in der DE 199 55 520 C2 beschriebenen ähnlich ist. Alternativ wird hier vorgeschlagen, von einer starr mit der Z-Säule verbundenen Grundplatte aus einen Arbeitskopf über 6 Teleskopaktoren nach Art eines Hexapoden anzusteuern. Durch die massiv ausgeführte Z-Säule ist auch hier der direkte Zugang zum Arbeitskopf versperrt. Weiterhin ist die Steuerung eines Hexapoden aufgrund seiner komplizierten Kinematik schwierig und benötigt eine entsprechend aufwendige Software.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe die Erfindung eine Vorrichtung zum Verfahren eines Arbeitskopfes im Raum zu schaffen, die die Vorteile einer oben dargestellten kartesisch/rotatorischen Maschine insbesondere hinsichtlich des großen überspannbaren Volumens erhält, jedoch einen leichten direkten Zugang zum Arbeitskopf ermöglicht.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es die zu beschleunigende Masse zu verringern, ohne mechanische Stabilität einzubüßen. Weiterhin soll der regelungstechnische Aufwand möglichst gering gehalten werden.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Plattform auf, die in einer ersten Ebene 2-dimensional bewegbar angeordnet ist. Diese ist in der Regel die horizontale X-Y Ebene. Dies kann nach Art eines Portalroboters geschehen, so dass die überstreichbare Fläche praktisch beliebig groß gewählt werden kann. Diese Plattform trägt ein um eine Drehachse drehbares Drehelement, an welchem wiederum wenigstens zwei verschiebbare Stangen trägt, wobei eine erste Stange in ein einem festen Winkel und eine zweite Stange in einem veränderlichen Winkel zum Drehelement steht. Die Stangen wiederum tragen einen Arbeitskopf oder eine Montagevorrichtung für einen solchen. Diese beiden Stangen sind dafür zuständig, den Arbeitskopf in der dritten Raumrichtung, idR die Z-Richtung, zu verschieben und wenigstens entlang einer Achse zu verschwenken.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird der besondere Vorteil einer klassischen kartesisch/rotatorischen Vorrichtung erhalten, es bleibt nämlich die Möglichkeit erhalten, nahezu beliebig große Werkstücke zu bearbeiten.
Dadurch, dass die direkte Anbindung an den Arbeitskopf bzw. dessen Montagevorrichtung über zwei verschiebbare Stangen erfolgt, kann zum einen der direkte Zugang zum Arbeitskopf freigehalten werden, was, wie bereits oben dargestellt, in einigen Anwendungsfällen erhebliche Vorteile bietet. Weiterhin können wenigstens bezüglich zweier Freiheitsgrade die Vorteile ausgenützt werden, die ein Multipod bezüglich des Verhältnisses zwischen Masse und mechanischer Stabilität aufweist.
Dadurch, dass eine der beiden Stangen in einem festen Winkel zum Drehelement steht, ist die Kinematik der Gesamtvorrichtung relativ einfach, so dass der steuerungstechnische Aufwand vergleichsweise gering bleibt.
Nach Anspruch 2 kann die Bewegung der Plattform mit Hilfe eines Portalroboters ausgeführt werden, wobei die Bewegungsebene der Plattform vorzugsweise eine horizontale Ebene ist.
Die Ansprüche 3 und 4 geben eine besonders bevorzugte Ausführungsform an, bei der aus Gründen der Statik zwei zweite Stangen vorhanden sind. Hierbei steht die erste Stange vorzugsweise in einem rechtem Winkel zum Drehelement. Die beiden anderen Stangen sind symmetrisch angeordnet und sorgen für die Verkippung des Arbeitskopfes bzw. dessen Montagevorrichtung entlang einer Achse, die vorzugsweise senkrecht zur Drehachse des Drehelementes steht. Weiterhin stehen vorzugsweise die Richtung der ersten Linearbewegung (Y-Richtung), die Richtung der zweiten Linearbewegung (x-Richtung) und die Drehachse des Drehelementes jeweils orthogonal zueinander.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 die Teilansicht T aus 1,
3 eine Prinzipdarstellung der Lagerung der ersten Stange im Drehelement im Querschnitt,
4 eine Prinzipdarstellung der Lagerung einer zweiten Stange im Drehelement im Querschnitt,
5 eine vergrößerte Teilansicht aus 1.
1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein Drehelement in Form eines Drehtellers 40 ist an einer ersten Laufbahn 10 horizontal verschieblich gelagert (Y-Richtung). Mittels zweier Vertikalstreben 11, 12 ist die erste Laufbahn 10 in einer zweiten Richtung (X-Richtung) verschieblich auf den beiden zweiten Laufbahnen 20 gelagert, wobei die beiden Laufrichtungen vertikal zueinander stehen. Dieser Aufbau entspricht dem eines in der Technik bekannten Portalroboters und es wird dadurch erreicht, das die Plattform 30 in der horizontal liegenden X-Y Ebene verfahren werden kann. Die entsprechenden Elektromotoren, die zur Durchführung der Bewegungen notwendig sind, sind in 1 nicht dargestellt.
In der Plattform 30 ist ein mittels eines Elektromotors (nicht dargestellt) drehbarer Drehteller 40 gelagert, dessen Drehachse senkrecht zu den beiden oben dargestellten Bewegungsrichtungen ist.
Am Drehteller 40 sind drei Stangen jeweils verschieblich angeordnet. Es handelt sich hierbei um die Vertikalstange 52 und die beiden Schrägstangen 54, 55. Die Stangen erstrecken sich jeweils im Wesentlichen nach unten und die Enden der Stangen 52, 54 und 55 sind gelenkig mit der Montagevorrichtung 60 verbunden, siehe 2. Auf die Montageeinrichtung 60 und deren Verbindung mit den Stangen 52, 54, 55 wird später genauer eingegangen, zunächst wird die Lagerung der Stangen 52, 54, 55 im Drehteller 40 mit Bezug auf die 3 und 4 näher erläutert:
In 3 ist die Lagerung der Vertikalstange 52 im Drehteller 40 schematisch in einem Querschnitt dargestellt. Im Drehteller 40 ist eine erste Lagerhülse 42 starr eingebaut. Die Achse dieser Lagerhülse erstreckt sich parallel zur Drehachse des Drehtellers 40. In dieser ersten Lagerhülse 42 ist die Vertikalstange 52 verschiebbar angeordnet, so dass diese eine Bewegung in Z-Richtung durchführen kann. Die Ansteuerung der Vertikalstange 52 kann bspw. mittels eines Elektromotors M geschehen, der über ein Zahnrad Z in eine Zahnung 52a der Vertikalstange 52 eingreift.
Die 4 zeigt die Lagerung der Schrägstangen 54, 55 im Drehteller 40. Diese Lagerungen sind jeweils gleich aufgebaut, da auch die beiden Schrägstangen 54, 55 symmetrisch bzgl. der Vertikalstange 52 angeordnet sind und auch synchron betrieben werden. Die beiden Schrägstangen 54, 55 sind auch jeweils mittels einer Hülse (zweite Hülse 44) gelagert, wobei die jeweilige Schrägstange bzgl. dieser zweiten Lagerhülse 44 eine Axialbewegung durchführen kann. Im Gegensatz zur Lagerung der Vertikalstange 52 ist die zweite Lagerhülse 44 jedoch nicht starr mit dem Drehteller 40 verbunden, sondern über eine Schwenkplatte 45 kardanisch mit dem Drehteller 40 verbunden. Das Kardangelenk selbst ist in 4 nicht dargestellt. Durch diese kardanische Aufhängung können die Schrägstangen 54, 55 jeweils in beliebiger Richtung bezüglich des Drehtellers 40 verschwenkt werden. Der Antrieb der Schrägstangen erfolgt auch hier jeweils über einen Elektromotor M, der so angeordnet ist, dass er die Kippbewegungen der Schrägstangen mitmacht. Die Notwendigkeit der kardanischen Lagerung der Schrägstangen 54, 55 erkennt man, wenn man 2 betrachtet:
Die Vertikalstange 52 ist über ein erstes Gelenk 66 mit dem L-förmigen Verbindungsbügel 64 der Montagevorrichtung 60 verbunden. Die Schwenkachse dieses ersten Drehgelenkes 66 liegt in der Horizontalebene. Durch die Axialverschiebungen der Vertikalstange 52 wird die Z-Position der Montagevorrichtung 60 verändert. Die beiden Schrägstangen 54, 55 müssen diese Bewegung mitmachen, wodurch sich natürlich deren Winkel bzgl. des Drehtellers 40 verändert. Um dies auszugleichen ist die oben erwähnte kardanische Aufhängung notwendig.
Die beiden Schrägstangen 54, 55 sind über zweite Gelenke 67 mit dem Verbindungsbügel 64 verbunden. Diese zweiten Gelenke 67 dürfen keine starren Achsen aufweisen und können bspw. in Form von Kugelgelenken ausgeführt sein. Durch ein synchrones Verschieben der beiden Schrägstangen 54, 55 wird die Montagevorrichtung 60 in einer Vertikalebene verschwenkt. Insgesamt werden also die geforderten 5 Freiheitsgrade erzielt. Bei geeigneter Di mensionierung der Bauteile kann ein Schwenkbereich von deutlich mehr als 180° erzielt werden.
Die 3-beinige Ankopplung der Montagevorrichtung 60, an deren Montageabschnitt 62 ein beliebiger Arbeitskopf, bspw. ein Fräskopf, ein Sprühkopf, ein Laserbearbeitungskopf, ein Wasserschneidekopf u.s.w. angekoppelt werden kann, hat insbesondere folgende Vorteile:
Zunächst wird die Mittelachse die sich vom Drehteller 40 zum Arbeitskopf erstreckt, freigehalten. Dies ist dann sehr hilfreich, wenn dem Arbeitskopf bspw. ein Laserstrahl oder Flüssigkeit unter hohem Druck mittels eines Druckrohres zugeführt werden muss. Hier wäre es bspw. auch denkbar in einer speziell geformten Montagevorrichtung eine zentrale Durchbrechung vorzusehen, durch die das gewünschte Medium unmittelbar dem Arbeitskopf zugeführt werden kann und eine Umlenkung nur noch in der einen Schwenkebene zu erfolgen braucht.
Weiterhin ist die hier vorgeschlagene Anordnung bei geringen Gewicht sehr stabil gegen Querkräfte, so dass ohne Präzisionsverlust nur relativ geringe Massen beschleunigt werden müssen, wodurch zum einen die entsprechenden Stellmotoren klein dimensioniert werden können und weiterhin eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit ermöglicht wird. Um eine weitere Gewichtsreduzierung zu erzielen, ist es denkbar, die Stangen aus Kohlefaser oder einem faserverstärktem Kunststoff zu fertigen.
Die Anordnung einer der Stangen in einem festen Winkel, vorzugsweise dem rechten Winkel, bezüglich des Drehtellers 40 hat insbesondere zwei Vorteile. Zum einen kann somit eine Kollision einer der Stangen mit dem zu bearbeitenden Werkstück zuverlässig verhindert werden. Wenn alle drei Stangen kardanisch aufgehängt wären, was auch möglich ist, und in bestimmten Anwendungsfällen auch Vorteile bringen kann, nämlich dann, wenn ein sechster Freiheitsgrad benötigt wird, müsste beim Verfahren des Arbeitskopfes stets beachtet werden, dass keine der Stangen mit dem Werkstück kollidiert. Dies wäre regelungstechnisch sehr schwierig. Im hier dargestellten Beispiel muss lediglich darauf geachtet werden, dass immer die Vertikalstange in Richtung des Werkstückes zeigt. Dies ist einfach.
Weiterhin wird die Regelung auch insgesamt einfacher, da eine Verschiebung der Vertikalstange genau der z-Bewegung des Arbeitskopfes entspricht.

10: erste Laufbahn
11, 12: Vertikalsstreben
20: zweite Laufbahn
30: Plattform
40: Drehteller
42: erste Lagerhülse
44: zweite Lagerhülse
45: Schwenkplatte
52: Vertikalstange
54: erste Schrägstange
55: zweite Schrägstange
60: Montagevorrichtung
62: Montageabschnitt
64: Verbindungsbügel
66: erstes Gelenk
67: zweites Gelenk

Claims

Vorrichtung zum Verfahren eines Arbeitskopfes im Raum mit: – einer Plattform (30), die in einer ersten Ebene zweidimensional bewegbar angeordnet ist, – an welcher wenigstens zwei antreibbar verschiebbare Stangen (52, 54, 55) angeordnet sind, – welche wiederum eine Montagevorrichtung (60) für einen Arbeitskopf oder einen Arbeitskopf selbst tragen. dadurch gekennzeichnet, dass – die Plattform (30) ein um eine Drehachse drehbares Drehelement (40) trägt, an welchem die verschiebbaren Stangen angeordnet sind, wobei – eine erste Stange (52) in einem festen Winkel zum Drehelement (40) steht, während eine zweite Stange in einem veränderlichen Winkel zum Drehelement steht, wodurch – bei Verschiebung der ersten Stange ausschließlich die Position der Montagevorrichtung in einer Raumdimension und bei Verschiebung der zweiten Stange ausschließlich die Orientierung der Montagevorrichtung im Raum verändert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (30) auf einer ersten Laufbahn (10) eine erste Linearbewegung durchführen kann, wobei die erste Laufbahn auf einer zweiten Laufbahn (20) eine zweite Linearbewegung durchführen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Winkel so gewählt ist, dass sich die erste Stange (52) parallel zur Drehachse erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zweite Stangen (54, 55) vorhanden sind, die symmetrisch angeordnet sind, und deren Bewegungen synchron verlaufen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stangen (52, 54, 55) aus Kohlefaser oder einem faserverstärkten Kunststoff bestehen.