WO2002098603A1 - Produktionsmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a production machine, also a machine tool or robot, in which an assembly can be positioned in space by means of a parallel kinematic arrangement with force-absorbing rods that can be driven by traversing axes.
  • Typical of the principle of parallel kinematics is the use of rods, which are used both to apply force to the movement and to support a platform.
  • a tripod as will be described in detail in connection with FIG. 1, is commercially available, for example. In such a tripod, two rods are arranged parallel to each other. The ends of each pair of rods are each connected to a slide. All carriages are moved in the x-direction either by an assigned linear motor or by a linearly acting servo motor (rack and pinion). So the three motors can do the three
  • the object of the invention is to design a production machine of the type mentioned in the introduction in such a way that optimum conditions are achieved in the entire travel range by means of an optimized rod length correction.
  • this object is achieved in that a linear actuator is provided in at least one of the rods, the axis of movement of which corresponds to the respective rod axis.
  • the actuator can be supplied with a setpoint for static rod length correction that is assigned to the position of the unit, the simplest case of compensation without the effects of acceleration and load can be mastered become.
  • further disturbance variables can also be compensated for by assigning an assigned setpoint for dynamic rod length correction to the actuator in accordance with the acceleration of the unit, or by assigning an assigned setpoint for load-dependent rod length correction to the actuator in accordance with a load effect on the unit.
  • the number of possible degrees of freedom of movement depends on the parallel kinematics used. Accordingly, it is provided according to a further advantageous embodiment of the invention that in each case a linear actuator is provided in so many rods that all necessary degrees of freedom of movement can be controlled with the aid of some or all axes of movement of the rods. For example, it is conceivable that with three drives and three actuators in each rod of the rod pairs of a tripod, its six possible degrees of freedom can be mastered. Of course, the motors involved not only have to perform the pure movement function, they also have to perform correction movements.
  • the actuator can be supplied with a setpoint for rod length correction in the assigned rod in accordance with the force or length state that can be determined by means of force or length measuring means, the actual state actually present in the system can be deduced and it does not have to expected target states are assumed.
  • a piezo sensor is provided for each rod length or rod force detection, since such sensors have proven to be extremely reliable. If, however, both the actuator and the sensor operate according to the piezo principle, it is also conceivable that the respective piezo actuators in measuring phases for rod length detection or for rod force detection as
  • Piezo sensor can be used. This results in a material-saving double use. However, it is also possible that strain gauges can be used as proven, inexpensive sensors for rod length or rod force detection.
  • the illustration in Figure 1 shows a tripod having three rod pairs • consisting of rods Sl and S2 or S3 and S4 and S5 and S ⁇ .
  • the bars S1 and S2 are attached to a slide SCHI and to a platform P.
  • the rods S3 and S4 are attached to a slide SCH2 and also to the platform P.
  • the rods S5 and S6 are attached to a slide SCH3 and also to the platform P.
  • the platform P is a carrier of a tool WZ, which is used to machine a workpiece WS, which is located on a table T.
  • the slides SCHI, SCH2 and SCH3 move in the x-direction along a guide F.
  • the assigned drives are hidden in the illustration. If all three slides SCHI, SCH2 and SCH3 are moved without relative movement to one another, this leads to a pure movement in the x direction. If the tool direction WZ is intended to approach the y direction or the z direction orthogonally, the slides SCHI to SCH3 must be moved relative to one another. In this respect, the tripod corresponds to the state of the art.
  • piezo actuators for rod length compensation are located in the bars S1 to S6. This is indicated for the rod S1 in the illustration according to FIG. 2 by the piezo actuator PA1.
  • the required joint Gll or G12 is also symbolically indicated on both sides of the rod S1 and a stretching strip Dl for elongation or
  • Piezo actuators would be PA2 to for the rods S2 to S6 PAß can be used accordingly. The same applies to the joints and strain gauges.
  • the illustration according to FIG. 3 now shows that in principle three input variables for a converter UI can generate control signals for the rod length correction of all possible piezo actuators.
  • the rod length corrections are designated as s P ⁇ ⁇ to s PA 6, since they are to be supplied to the piezo actuators PAl to PA ⁇ of the rods S1 to S6.
  • the locations of the tool WZ targeted by the travel program are provided as Cartesian locations x WZ r ywz and z wz .
  • the converter UI can then carry out a static compensation.
  • the compensation variables can be present in the converter UI, for example by calculation or in the form of tabular relationships made from measurements.

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Abstract

Parallelkinematiken mit Stabführung sind heutzutage vermehrt in Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und für Robotik in Einsatz. Durch Position der bewegten Arbeitsplattform (P) im Raum, durch deren Beschleunigung und durch andere Krafteinwirkung kann es zu Stablängenänderungen kommen, die Lage- und Positionsfehler verursachen. Durch in die Stäbe (S1 bis S6) integrierte Piezoaktoren (PA1 bis PA6) werden solche Fehler eliminiert.

Description

Beschreibung
Produktionsmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Produktionsmaschine, auch Werkzeugmaschine oder Roboter, bei der ein Aggregat mittels einer von Verfahrachsen antreibbar Parallelkinematikanordnung mit kraftaufnehmenden Stäben im Raum positionierbar ist.
Typisch für das Prinzip der Parallelkinematik ist die Verwendung von Stäben, die sowohl für die Krafteinleitung zur Bewegung als auch zur Abstützung einer Plattform dienen. Handelsüblich ist beispielsweise ein Tripod, wie er im Zusammenhang mit FIG 1 noch ausführlich beschrieben wird. Bei einem sol- chen Tripod sind jeweils zwei Stäbe zueinander parallel angeordnet. Die Enden jedes Stabpaares sind jeweils mit einem Schlitten verbunden. Alle Schlitten werden entweder durch einen jeweils zugeordneten Linearmotor oder durch einen linear wirkenden Servomotor (Zahnstange und Ritzel) in x-Richtung bewegt. Somit können die insgesamt drei Motoren die drei
Schlitten mit ihren jeweils zwei parallelen Stäben bewegen, indem die Schlitten auf einer einzigen gemeinsamen Achse verfahren werden. Dabei werden die Motoren so bewegt, dass die Plattform mit dem jeweils zugeordneten Werkzeug im gewünsch- ten Arbeitsraum dreidimensional verfährt, ohne dass die Plattform kippen solle.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass bereits aufgrund von Gewichtskräften arbeitspunktabhängige Schiefstellung der Platt- form erfolgen können. Dies liegt daran, dass die an der Bewegung beteiligten Stäbe unterschiedliche Kräfte aufnehmen müssen, die zu unterschiedlichen Dehnungen führen. Um eine Vorstellung von der Größenordnung der Lagefehler zu geben, sei darauf hingewiesen, dass ohne weiteres Verschiebungen von bis zu 100 μm an der Plattform möglich sind. Bislang ist eine Kompensation dieser Verschiebungen nur durch eine Anpassung der Längen der beteiligten Stäbe für eine ausgesuchte Position im Arbeitsraum möglich. Bewegt sich die Plattform aus der Position heraus, ändert sich die Kraftver- teilung in den Stäben und damit auch die zu kompensierende Dehnung. Da die Schiefstellung der Plattform für alle Arbeitspunkte unterschiedliche ist, lässt sich also die Struktur über die Anpassung der Stablängen definitiv nur für eine Position optimal einstellen. Andere Positionen im Arbeitsbe- reich werden dadurch wiederum indirekt beeinflusst, was sich negativ oder positiv auswirken kann. Ein solcher Optimie- rungsprozess erfolgt heutzutage manuell mit großem Aufwand, um die angesteuerte Position eines Verfahrzyklus der Plattform im Mittel optimal einzustellen.
Außer dem statischen Fehler ist aber auch noch mit Dynamik- und Lastfehlern zu rechnen, worauf im folgenden noch eingegangen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Produktionsmaschine der eingangs genannten Art so auszubilden, dass durch eine optimierte Stablängenkorrektur im gesamten Verfahrbereich optimale Verhältnisse erreicht werden.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in mindestens einem der Stäbe ein Linearaktor vorgesehen ist, dessen Bewegungsachse mit der jeweiligen Stabachse korrespondiert.
Dadurch, dass als Aktor jeweils ein Piezoaktor vorgesehen ist, wird eine technisch ausgesprochen einfach realisierbare Anordnung gewährleistet.
Dadurch, dass dem Aktor jeweils ein entsprechend der Position des Aggregat zugeordneter Sollwert zur statischen Stablängenkorrektur zuleitbar ist, kann der einfachste Fall einer Kompensation ohne Beschleunigung- und Lasteinwirkung beherrscht werden. Aber auch solche weitere Störgrößen lassen sich dadurch kompensieren, dass dem Aktor jeweils entsprechend der Beschleunigung des Aggregats ein zugeordneter Sollwert zur dynamischen Stablängenkorrektur zuleitbar ist oder dass dem Aktor jeweils entsprechend einer Lastwirkung am Aggregat ein zugeordneter Sollwert zur lastabhängigen Stablängenkorrektur zuleitbar ist.
Die Anzahl der möglichen Bewegungsfreiheitsgrade hängt von der verwendeten Parallelkinematik ab. Demzufolge ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung vorgesehen, dass in so vielen Stäben jeweils ein Linearaktor vorgesehen ist, dass unter Zuhilfenahme einiger oder aller Verfahrachsen der Stäbe alle erforderlichen Bewegungsfreiheits- grade beherrschbar sind. So ist es beispielsweise denkbar, dass bei drei Antrieben und drei Aktoren in jeweils einem Stab der Stabpaare eines Tripods dessen sechs mögliche Freiheitsgrade beherrscht werden. Selbstverständlich müssen dazu die beteiligten Motoren nicht nur die reine Bewegungsfunktion ausführen sondern auch Korrekturbewegungen mit ausführen.
Dadurch, dass dem Aktor jeweils ein entsprechend dem über Kraft- bzw. Längenmessmittel erfassbaren Kraft- bzw. Längenzustand im zugeordneten Stab ein Sollwert zur Stablängenkor- rektur zuleitbar ist, kann auf den tatsächlich im System vorliegenden Istzustand geschlossen werden und es muss nicht von den zu erwartenden Sollzuständen ausgegangen werden.
In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, dass zur je- weiligen Stablängen- bzw. Stabkrafterfassung jeweils ein Pie- zosensor vorgesehen ist, da derartige Sensoren sich als äußerst zuverlässig erwiesen haben. Wenn jedoch sowohl der Aktor als auch der Sensor nach dem Piezoprinzip arbeitet, ist es auch denkbar, dass die jeweiligen Piezoaktoren in Messpha- sen zur Stablängenerfassung bzw. zur Stabkrafterfassung als
Piezosensor einsetzbar sind. Damit ergibt sich eine materialsparende Doppelnutzung. Es ist aber auch möglich, dass zur Stablängen- bzw. Stabkrafterfassung Dehnungsmessstreifen als bewährt preisgünstige Sensoren einsetzbar sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Die Darstellung gemäß FIG 1 zeigt einen Tripod mit drei Stab- • paaren bestehend aus Stäben Sl und S2 bzw. S3 und S4 bzw. S5 und Sβ. Die Stäbe Sl und S2 sind an einem Schlitten SCHI und an einer Plattform P befestigt. Die Stäbe S3 und S4 sind an einem Schlitten SCH2 und ebenfalls an der Plattform P befestigt. Die Stäbe S5 und S6 sind an einem Schlitten SCH3 und ebenfalls an der Plattform P angeschlagen. Die Plattform P ist im Ausführungsbeispiel Träger eines Werkzeugs WZ, das zur Bearbeitung eines Werkstückes WS dient, welches sich auf einem Tisch T befindet.
Die Schlitten SCHI, SCH2 und SCH3 verfahren in x-Richtung entlang einer Führung F. Die zugeordneten Antriebe sind in der Darstellung verdeckt. Wenn alle drei Schlitten SCHI, SCH2 und SCH3 ohne Relativbewegung zueinander verfahren werden, führt dies zu einer reinen Bewegung in x-Richtung. Sofern orthogonal dazu die y-Richtung oder die z-Richtung vom Werkzeug WZ angefahren werden soll, müssen die Schlitten SCHI bis SCH3 relativ zueinander bewegt werden. Insoweit entspricht der Tripod dem Stand der Technik.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist es nun, dass sich in den Stäben Sl bis S6 Piezoaktoren zur Stablängenkompensation befinden. Dies ist für den Stab Sl in der Darstellung gemäß FIG 2 durch den Piezoaktor PAl angedeutet. In dieser Darstellung ist auch beidseitig des Stabes Sl das jeweils erforderliche Gelenk Gll bzw. G12 symbolhaft angedeutet und ferner ist ein Dehnungsstreifen Dl zur Auslängungs- bzw.
Krafterfassung im Stab Sl durch einen waagerechten Strich angedeutet. Für die Stäbe S2 bis S6 wären Piezoaktoren PA2 bis PAβ entsprechend einsetzbar. Gleiches gilt für die Gelenke und Dehnungsmessstreifen.
In der Darstellung gemäß FIG 3 ist nun gezeigt, dass prinzi- piell drei Eingangsgrößen für einen Umsetzer UI Ansteuersig- nale für die Stablängenkorrektur aller möglichen Piezoaktoren erzeugen können. Die Stablängenkorrekturen sind als sPÄι bis sPA6 bezeichnet, da sie den Piezoaktoren PAl bis PAβ der Stäbe Sl bis S6 zugeleitet werden sollen. Zur statischen Kompensa- tion sind die vom Verfahrprogramm angestrebten Orte des Werkzeugs WZ als kartesische Orte xWZ r ywz und zwz vorgesehen. Abhängig von diesen Sollpositionen kann dann der Umsetzer UI eine statische Kompensation vornehmen.
Die Kompensationsgrößen können beispielsweise durch Berechnung oder in Form von aus Messungen vorgenommenen tabellarischen Zusammenhängen im Umsetzer UI vorhanden sein.
Zusätzlich ist es auch möglich, die entsprechend den Be- schleunigungen des Werkzeugs WZ, in den Achsen x, y und z, d.h. den Beschleunigungen ax, ay und az auftretenden dynamischen Fehler vorzuhalten. Dies würde eine dynamische Kompensation ermöglichen. Auch ist eine Kompensation entsprechend der Kraft am Werkzeug, d.h. entsprechend den kartesischen Kräfte Fx, Fy und Fz in gleicher Weise möglich. Die Korrekturgrößen für das statische, das dynamische und das Kraftverhalten sind im Umsetzer UI überlagerbar und führen zu entsprechenden Ausgangssignalen zur Stablängenkorrektur sPAι bis sPA6 der Stäbe Sl bis Sβ.
Wenn jedoch nicht nur die entsprechend dem beabsichtigten Prozess zu erwartenden Informationen über Ort und Bewegung des Werkzeugs und über die vermutete Kraft am Werkzeug vorliegen, sondern zur Istgrößenerfassung vorliegt, ergibt sich ein weiterer erfinderische Ansatz. Die tatsächlichen Kräfte in den Stäben bzw. die bewirkten Ausdehnungen, die damit verbunden sind, werden wie dies in der Darstellung gemäß FIG 4 gezeigt ist, einem Umsetzer U2 zugeführt. Dabei dienen als Eingangsgrößen des Umsetzers U2 also Aussagen über die jeweilige Kraft im Stab d.h. über Kräfte FSι bis FS6 für die Stäbe Sl bis S6. Als Ausgangsgrößen resultieren wiederum Stablän- genkorrekturen sPAι bis SpÄ6- Die Kräfte in den Stäben Sl bis Sβ können entweder durch Dehnungsmessstreifen ermittelt werden, wie dies in der Darstellung gemäß FIG 2 durch einen Dehnungsmessstreifen Dl symbolisiert war, jedoch ist es auch möglich, dass die Kraft durch die Piezoaktoren PAl bis PAβ erfasst wird. Denkbar wäre dazu ein Einschleifen extrem kurzer Messintervalle in den eigentlichen Bewegungsprozess oder aber in konventioneller Manier eine Krafterfassung während abfahrbarer Messzyklen.

Claims

Patentansprüche
1. Produktionsmaschine, auch Werkzeugmaschine oder Roboter, bei der ein Aggregat mittels einer von Verfahrachsen antreibbaren Parallelkinematikanordnung mit kraftaufnehmenden Stäben im Raum positionierbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in mindestens einem der Stäbe (Sl- Sβ) ein Linearaktor (PAl) vorgesehen ist, dessen Bewegungsachse mit der jeweiligen Stabachse (Sl) korrespondiert.
2. Produktionsmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Aktor jeweils ein Piezoaktor (PAl) vorgesehen ist.
3. Produktionsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Aktor (PAl) jeweils ein entsprechend der Position des Aggregats (WZ) zugeordneter Sollwert ( xwz , Yz r zWz) zur statischen Stablängenkorrektur zuleitbar ist.
4. Produktionsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Aktor (PAl) jeweils entsprechend der Beschleunigung des Aggregats (WZ) ein zugeordneter Sollwert (ax,ay,a2) zur dynamischen Stablängenkorrektur zuleitbar ist.
5. Produktionsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Aktor (PAl) jeweils entsprechend einer Lastwirkung am Aggregat (WZ) ein zugeordneter Sollwert (Fx,Fy,Fz) zur lastabhängigen Stablängenkorrektur zuleitbar ist.
6. Produktionsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in so vielen Stäben (Sl-Sβ) jeweils ein Linearaktor (PAl) vorgesehen ist, dass unter Zuhilfenahme einiger oder aller Verfahr- achsen der Stäbe (Sl-Sβ) alle erforderlichen Bewegungsfreiheitsgrade beherrschbar sind.
7. Produktionsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Aktor jeweils ein entsprechend dem über Kraft- bzw. Längenmessmittel (PAl) erfassbaren Kraft- bzw. Längenzustand im zugeordneten Stab (Sl- Sβ) ein Sollwert (SPAi-SpA6) zur Stablängenkorrektur zuleitbar ist.
8. Produktionsmaschine nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur jeweiligen Stablängen- bzw. Stabkrafterfassung jeweils ein Piezosensor vorgesehen ist.
9. Produktionsmaschine nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die jeweiligen Piezoaktoren (PAl) in Messphasen zur Stablängenerfassung bzw. zur Stabkrafterfassung als Piezosensor einsetzbar sind.
10. Produktionsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Stablängen- bzw. Stabkrafterfassung Dehnungsmessstreifen vorgesehen sind.
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