| 1. | Vorrichtung zum Verfahren eines Arbeitskopfes im Raum mit : einer Plattform (30), die in einer ersten Ebene zweidimensional bewegbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (30) ein um eine Drehachse drehbares Drehele ment (40) trägt, an welchem wenigstens zwei bezüglich des Drehelements (40) verschiebbare Stangen (52,54, 55) angeordnet sind, welche wiederum eine Montagevorrichtung (60) für einen Ar beitskopf oder einen Arbeitskopf selbst tragen. |
| 2. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (30) auf einer ersten Laufbahn (10) eine erste Linearbewe gung durchführen kann, wobei die erste Laufbahn auf einer zweiten Laufbahn (20) eine zweite Linearbewegung durchführen kann. |
| 3. | Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Stange (52) in einem festen Winkel zum Drehelement (40) steht, während die zweite Stange in einem veränderlichen Winkel zum Drehelement steht. |
| 4. | Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Winkel so gewählt ist, dass sich die erste Stange (52) parallel zur Drehachse erstreckt. |
| 5. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, dass zwei zweite Stangen (54,55) vorhanden sind, die sym metrisch angeordnet sind, und deren Bewegungen synchron verlaufen. |
| 6. | 126. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Stangen (52,54, 55) aus Kohlefaser oder einem faserverstärkten Kunststoff bestehen. |
HYBRIDER PARALLELMANIPULATOR ZUM VERFAHREN EINES ARBEITSKOPFES IM RAUM Beschreibung 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, ei- nen 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 par- allel 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 wei- terhin im Raum orientiert werden, wobei jedoch der Schwenkwinkel des Ga- belkopfgelenkes 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 wer- den 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 an- geordnet. Die Enden dieser Stäbe sind wiederum beweglich mit einem ge- meinsamen Befestigungselement verbunden, welches wiederum den Arbeits- kopf trägt. Ein solcher Hexapod ist bspw. in der DE 196 49 082 C1 beschrie- ben.
Hexapoden sind zwar steuerungstechnisch schwieriger zu beherrschen, ha- ben 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 arbeiten- den Maschine verbinden. In der DE 43 06 332 A1 ist bspw. eine Vorrichtung beschrieben, die zum Wechseln von Meß-und/oder Probesonden dient. Die- se 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.
Gegenstand der Erfindung 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 insbe- sondere 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 ver- ringern, ohne mechanische Stabilität einzubüßen.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Plattform auf, die in einer er- sten Ebene 2-dimensional bewegbar angeordnet ist. Diese ist in der Regel die horizontale X-Y Ebene. Dies kann nach Art eines Portalroboters gesche- hen, so dass die überstreichbare Fläche praktisch beliebig groß gewählt wer- den kann. Diese Plattform trägt ein um eine Drehachse drehbares Drehele- ment, an welchem wiederum ein Multipod befestigt ist, welcher wiederum ei- nen Arbeitskopf oder eine Montagevorrichtung für einen Arbeitskopf trägt.
Dieser Multipod ist dafür zuständig, den Meßkopf 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 Monta- gevorrichtung über einen Multipoden erfolgt, kann zum einem der direkte Zu- gang zum Arbeitskopf freigehalten werden, was, wie bereits oben dargestellt, in einigen Anwendungsfällen erhebliche Vorteile bietet. Weiterhin können we- nigstens bezüglich zweier Freiheitsgrade die Vorteile ausgenützt werden, die ein Multipod bezüglich des Verhältnisses zwischen Masse und mechanischer Stabilität aufweist.
Nach Anspruch 2 kann die Bewegung der Plattform mit Hilfe eines Portalro- boters ausgeführt werden, wobei die Bewegungsebene der Plattform vor- zugsweise eine horizontale Ebene ist.
Die Ansprüche 3-5 geben eine besonders bevorzugte Ausführungsform an, bei der der Multipod kinematisch ein Dipod ist, aus Gründen der Statik jedoch als Tripod aufgebaut ist. Hierbei steht eine erste Stange in einem fixen Winkel
zum Drehelement, vorzugsweise in einem rechtem Winkel. Im Verhältnis zum Drehelement kann diese erste Stange also nur eine reine Axialbewegung durchführen. Die beiden anderen Stangen sind symmetrisch angeordnet und sorgen für die Verkippung des Arbeitskopfes bzw. dessen Montagevorrich- tung 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 zuein- ander.
Nach Anspruch 6 überragt die erste Laufbahn die zweite Laufbahn seitlich, wodurch es möglich wird, den gesamten Arbeitsbereich, der zwischen den zweiten Laufbahnen aufgespannt ist, zugänglich zu machen.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen : Figur 1 eine perspektivische Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrich- tung, Figur 2 die Teilansicht T aus Figur 1, Figur 3 eine Prinzipdarstellung der Lagerung der ersten Stange im Drehelement im Querschnitt, Figur 4 eine Prinzipdarstellung der Lagerung einer zweiten Stange im Drehele- ment im Querschnitt, Figur 5 eine vergrößerte Teilansicht aus Figur 1.
Figur 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer bevorzugten Ausführungs- form 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 Rich- tung (X-Richtung) verschieblich auf den beiden zweiten Laufbahnen 20 gela- gert, wobei die beiden Laufrichtungen vertikal zueinander stehen. Dieser Auf- bau 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 Figur 1 nicht darge- stellt.
In der Plattform 30 ist ein mittels eines Elektromotors (nicht dargestellt) dreh- barer Drehteller 40 gelagert, dessen Drehachse senkrecht zu den beiden oben dargestellten Bewegungsrichtungen ist.
Am Drehteller 40 sind drei Stangen jeweils verschieblich angeordnet. Es han- delt 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 Montagevorrich- tung 60 verbunden, siehe Figur 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 Be- zug auf die Figuren 3 und 4 näher erläutert : In Figur 3 ist die Lagerung der Vertikalstange 52 im Drehteller 40 schema- tisch in einem Querschnitt dargestellt. Im Drehteller 40 ist eine erste Lager- hülse 42 starr eingebaut. Die Achse dieser Lagerhülse erstreckt sich parallel zur Drehachse des Drehtellers 40. In dieser ersten Lagerhülse 42 ist die Ver- tikalstange 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 Figur 4 zeigt die Lagerung der Schrägstangen 54,55 im Drehteller 40.
Diese Lagerungen sind jeweils gleich aufgebaut, da auch die beiden Schräg- stangen 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 ver- bunden. Das Kardangelenk selbst ist in Figur 4 nicht dargestellt. Durch diese kardanische Aufhängung können die Schrägstangen 54,55 jeweils in beliebi- ger 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 er- kennt man, wenn man Figur 2 betrachtet : Die Vertikalstange 52 ist über ein erstes Gelenk 66 mit dem L-förmigen Ver- bindungsbügel 64 der Montagevorrichtung 60 verbunden. Die Schwenkachse dieses ersten Drehgelenkes 66 liegt in der Horizontalebene. Durch die Axial- verschiebungen der Vertikalstange 52 wird die Z-Position der Montagevor- richtung 60 verändert. Die beiden Schrägstangen 54,55 müssen diese Be- wegung mitmachen, wodurch sich natürlich deren Winkel bzgl. des Drehtel- lers 40 verändert. Um dies auszugleichen ist die oben erwähnte kardanische Aufhängung notwendig.
Die beiden Schrägstangen 54,55 sind über zweite Gelenke 67 mit dem Ver- bindungsbügel 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. Insge- samt 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 Montageab- schnitt 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 Schwen- kebene 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 entsprechen- den Stellmotoren klein dimensioniert werden können und weiterhin eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit ermöglicht wird. Um eine weitere Gewichtsreduzie- rung zu erzielen, ist es denkbar, die Stangen aus Kohlefaser oder einem fa- serverstärktem 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 bearbei- tenden Werkstück zuverlässig verhindert werden. Wenn alle drei Stangen kardanisch aufgehängt wären, was auch möglich ist, und in bestimmten An- wendungsfällen 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.
Bezugszeichenliste 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
Next Patent: SHEET CUTTER WITH INCLINED CUTTING EDGE