DE102009035877A1 - Balance actuating element for use in industrial robot system for e.g. positioning object, has joint arrangement deflectable by actuator, and movement unit deflectable in spatial directions due to coupling of joint assembly - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ausgleichsaktorik zum Durchführen von translatorischen Ausgleichsbewegungen in mindestens zwei, bevorzugt in drei Raumrichtungen. Die erfindungsgemäße Ausgleichsaktorik kann beispielsweise für Positionieraufgaben in der Werkstückbearbeitung oder in der Produktion, insbesondere in der Waver-Produktion oder für andere hochpräzise Montageaufgaben eingesetzt werden.The The present invention relates to a compensation actuator for Carry out of translational compensatory movements in at least two, preferably in three directions. The compensatory actuator according to the invention can, for example for positioning tasks in workpiece machining or in production, especially in wafer production or for others high-precision Assembly tasks are used.
Bei mechanischen Handhabungsgeräten wie beispielsweise Robotern besteht in der Regel ein großes Problem darin, dass diese eine ungenaue Positioniergenauigkeit aufweisen. Positionierfehler können statisch oder prozessspezifisch auftreten und müssen ausgeglichen werden. Dies kann beispielsweise mithilfe einer Ausgleichsaktorik geschehen.at mechanical handling devices such as robots is usually a big problem in that they have an inaccurate positioning accuracy. Positioning errors can be static or process-specific and must be compensated. This can for example be done using a compensation factor.
Um die Positioniergenauigkeit von Positioniervorrichtungen, insbesondere der Positioniereinheiten von Robotern zu erhöhen, wird im Stand der Technik auf Mittel der Kalibration, auf mechanische Ersatzmodelle, auf Temperaturkompensationen oder auch auf Ausgleichsachsen beispielsweise zur Schwingungsdämpfung zurückgegriffen. Für Positionieraufgaben sind auch Ausgleichskinematiken bekannt. Weiterhin sind hochdynamische Ausgleichsmechanismen im Bereich von Spindelaufhängungen bekannt, bei denen die hochdynamischen Eigenschaften von Piezoaktoren ausgenutzt werden und schädliche Einflüsse (beispielsweise Schwingungen durch Spindelbewegung, Schwingungsaufschaukeln durch regeneratives Rattern, Werkzeugabdrängungen aufgrund hoher lateraler Bearbeitungskräfte usw.) kompensiert werden.Around the positioning accuracy of positioning, in particular Increasing the positioning units of robots is known in the art on means of calibration, on mechanical replacement models, on temperature compensations or used on compensating axles, for example, for vibration damping. For positioning tasks Compensation kinematics are also known. Furthermore, highly dynamic Balancing mechanisms in the field of spindle suspensions known in which the highly dynamic properties of piezo actuators are exploited and harmful influences (For example, vibrations by spindle movement, Schwingungsaufschaukeln by Regenerative rattling, tool displacements due to high lateral Machining forces, etc.) be compensated.
All diese aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und/oder Verfahren haben jedoch ihre spezifischen Nachteile. So sind bei manchen Vorrichtungen Positionierfehler nicht in drei Dimensionen oder nicht rein translatorisch ausgleichbar. Bei anderen ist kein Ausgleich von Positionierfehlern mit hoher Dynamik möglich. Hochfrequente Schwingungen können so nicht ausgeglichen werden. Bei anderen Verfahren ist der Ausgleich lediglich bis zu einem bestimmten Werkzeug- und/oder Werkstückgewicht möglich. Oft ist auch die erreichbare Positioniergenauigkeit begrenzt.Alles these known from the prior art devices and / or However, processes have their specific disadvantages. So are at Some devices do not have positioning errors in three dimensions or not translationally compensable. With others is no Compensation of positioning errors with high dynamics possible. High frequency Vibrations can so can not be compensated. Other methods are balancing only up to a certain tool and / or workpiece weight possible. Often is also the achievable positioning accuracy limited.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, basierend auf dem Stand der Technik, eine Ausgleichsaktorik sowie ein Verfahren zum Durchführen von translatorischen Ausgleichsbewegungen zur Verfügung zu stellen, mit denen
- • statische translatorische Positionierfehler mindestens zweidimensional, bevorzugt dreidimensional ausgleichbar sind,
- • ein hoch dynamischer Ausgleich möglich ist, das heißt hochdynamische Positionier- bzw. Ausgleichbewegungen geregelt möglich sind,
- • dynamische Schwingungskompensationen von hochfrequenten Schwingungen möglich sind,
- • eine mikrometergenaue Positionierung in mindestens zwei, bevorzugt drei Raumrichtungen erreicht werden kann (Absolutgenauigkeit ebenso wie Wiederholgenauigkeit),
- • eine solche Genauigkeit bei einem Industrieroboter in jedem Fall besser als 20 μm beträgt und
- • die entsprechende Genauigkeit auch für höhere Gewichte von zu positionierenden Objekten (z. B. Werkstücken oder Werkzeugen) erreicht werden kann (z. B. Gewichte bis etwa 20 kg).
- Static translatory positioning errors can be compensated for at least two-dimensionally, preferably three-dimensionally,
- • highly dynamic compensation is possible, ie highly dynamic positioning or compensation movements are possible in a regulated manner,
- • Dynamic vibration compensation of high-frequency vibrations are possible
- A micrometer-accurate positioning in at least two, preferably three spatial directions can be achieved (absolute accuracy as well as repeatability),
- • In any case, such accuracy is better than 20 μm for an industrial robot, and
- • The corresponding accuracy can also be achieved for higher weights of objects to be positioned (eg workpieces or tools) (eg weights of up to 20 kg).
Darüber hinaus ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechend genaue Vorrichtung zur Positionierung eines Objekts und/oder zur Bearbeitung eines Werkstücks unter Verwendung einer solchen Ausgleichsaktorik zur Verfügung zu stellen.Furthermore It is the object of the present invention to provide a corresponding exact device for positioning an object and / or for Machining a workpiece using such compensation factoring.
Diese
Aufgabe wird durch eine Ausgleichsaktorik gemäß Anspruch 1, eine Ausgleichsaktorik-, Basisbaugruppe
gemäß Anspruch
25, eine Vorrichtung zur Objektpositionierung und/oder Werkstückbearbeitung
gemäß Anspruch
26 sowie ein Verfahren zum Durchführen von translatorischen Ausgleichsbewegungen
gemäß Anspruch
27 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Erfindungsgemäße Verwendungen
ergeben sich aus Anspruch 28.These
The object is achieved by a compensation actuator according to
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann in Form eines ausführlichen Ausführungsbeispiels beschrieben. Die im Rahmen des Ausführungsbeispiels vorgestellten spezifischen Kombinationen von Einzelmerkmalen müssen dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung (deren Schutzumfang durch die anhängenden Patentansprüche definiert ist) nicht genau in der gezeigten Konfiguration verwirklicht sein, sondern können auch in anderen Merkmalskombinationen verwirklicht werden. Insbesondere können einzelne der im Ausführungsbeispiel gezeigten Merkmale auch weggelassen werden oder mit anderen, gezeigten wie nicht gezeigten, Merkmalen auch auf andere Art und weise strukturell und/oder funktionell kombiniert werden.following The present invention is first general, then in shape a detailed embodiment described. The presented in the context of the embodiment specific combinations of individual features must be within the scope of the present Invention (the scope of which is defined by the appended claims is) not exactly in the configuration shown, but you can be realized in other combinations of features. Especially can single in the embodiment also be omitted or shown with other features shown as not shown, features in other ways structurally and / or functionally combined.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dabei unter der Auslenkbarkeit eines Elementes verstanden, dass dieses Element unmittelbar (oder auch mittelbar über andere Elemente) und beispielsweise mithilfe eines Aktors innerhalb eines ortsfesten Koordinatensystems (x, y, z), also relativ zum Ursprung dieses Koordinatensystems, entlang einer Trajektorie bewegbar ist. Bei der Bewegung kann es sich somit um eine geradlinige Verschiebung, um eine Verschiebung entlang einer gekrümmten Bahn, um eine Drehung, ... handeln. Ebenso ist es auch möglich, dass der Schwerpunkt des Elementes (relativ zum ortsfesten Koordinatensystem) nicht bewegt wird, sondern dass das Element in sich dilatiert oder kontrahiert wird. Auch Kombinationen von Bewegungen entlang einer Trajektorie und einer solchen Dilatation und/oder Kontraktion sind möglich. Wird nachfolgend von Raumrichtungen x, y, z gesprochen, so sind in der Regel die drei Koordinaten eines kartesischen Koordinatenystems gemeint. Wird von einer tranlatorischen Bewegung in eine solche Raumrichtung gesprochen, so handelt es sich sofern nicht anders gesagt, um eine Bewegung die ausschließlich translatorische Anteile in diese Raumrichtung umfasst. Dies schließt jedoch nicht aus, dass eine solche Bewegung grundsätzlich auch (in der Regel geringfügige) rotatorische Anteile aufweisen kann.In the context of the present invention, the deflectability of an element is understood to mean that this element is directly (or else indirectly via other elements) and, for example, by means of an actuator within a fixed coordinate system (x, y, z), ie relative to the origin of this coordinate system. along a trajectory is movable. The movement may thus be a straight-line displacement, a displacement along a curved path, a rotation, etc. Likewise, it is also possible that the center of gravity of the element (relative to the stationary coordinate system) is not moved, but that the element in itself is dilated or contracted. Combinations of movements along a trajectory and such a dilation and / or contraction are possible. If one speaks below of spatial directions x, y, z, the three coordinates of a Cartesian coordinate system are generally meant. If we speak of a translational movement in such a spatial direction, then, unless otherwise stated, a movement comprises exclusively translational components in this spatial direction. However, this does not exclude that such a movement basically also (usually minor) rotational portions may have.
Unter einem Kniehebel wird im Rahmen der Erfindung eine Einrichtung bzw. ein Element zur Kraftübertragung und/oder Kraftübersetzung verstanden, die/das zumindest zwei einarmige Hebel mit einem gemeinsamen Endpunkt (in der Regel als beweglicher Drehpunkt ausgebildet) umfasst, wobei die freien Enden der einarmigen Hebel, die gegen einen oder mehrere Körper gestützt sind, unter dem Einfluss einer an dem gemeinsamen Ende angreifenden Kraft bewegt werden können (bei zwei Körpern werden diese dann in der Regel einander angenähert oder voneinander entfernt). In der Regel handelt es sich bei einem erfindungsgemäß verwendeten Kniehebel um einen zwei Kniegelenke aufweisenden Kniehebel (also einen vier in Form einer Raute bzw. näherungsweise in Form einer Raute angeordnete Hebelarme umfassenden Kniehebel, wobei die vier Hebelarme dann in der Regel so ausgebildet sind, dass bei Ausübung einer Kraft auf zwei gegenüberliegende Ecken der Raute sich die beiden anderen Ecken der Raute entweder aufeinander zu bewegen – nach außen gerichtete Kraft – oder voneinander wegbewegen – nach innen gerichtete Kraft). Unter der Hauptachse eines solchen Kniehebels wird im Rahmen der Erfindung dann in der Regel die diejenigen beiden gegenüberliegenden Ecken der Raute (”Kniegelenke”) verbindende Achse verstanden, die senkrecht zur vorbeschriebenen Kraftwirkungsrichtung angeordnet ist.Under a knee lever is within the scope of the invention, a device or an element for power transmission and / or power transmission understood, the / at least two-armed lever with a common End point (usually designed as a movable pivot) comprises the free ends of the one-armed lever, which against one or several bodies supported are under the influence of an attacking force at the common end can be moved (with two bodies these are then usually approximated or removed from each other). In general, it is a used in the invention Knee lever around a knee lever having two knee joints (ie a four in the form of a rhombus or approximately in the form of a Loom arranged lever arms comprehensive toggle lever, with the four lever arms then usually are designed so that when exercising a Force on two opposite Corners of the rhombus are the other two corners of the rhombus either move towards each other - after Outside directed force - or move away from each other - after internal force). Below the main axis of such a toggle lever is in the context of the invention then usually those two opposite Corners of the lozenge ("knee joints") connecting Axis understood that perpendicular to the above-described force action direction is arranged.
Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, translatorische Positionierfehler z. B. eines Roboters zu kompensieren und eine hochgenaue (mikrometergenaue) Positionierung eines Objekts relativ zu einem anderen Objekt und/oder einem ortsfesten Koordinatensystem dadurch zu realisieren, dass sogenannte Festkörpergelenke im Rahmen von Festkörpergelenkbaugruppen so angeordnet werden, dass partiell die Steifigkeiten der Festkörpergelenke in verschiedene Richtungen minimiert werden können, um durch Aktoren (insbesondere: Piezoaktoren) ausgelenkt zu werden. Unter einem Festkörpergelenk wird dabei ein Körper verstanden, der durch eine Stelle mit verminderter Biegesteifigkeit gekennzeichnet ist (die sich von benachbarten Zonen, die als Starrkörper angesehen werden können, abgrenzt). Mit solchen Festkörpergelenken können kinmatische Paare in einem Teil realisiert werden. Die verminderte Biegesteifigkeit wird in der Regel durch eine lokale Querschnittsverringerung realisiert. Dabei kann der Querschnitt nur entlang einer oder auch entlang zweier Raumrichtungen verringert sein; die Querschnittsveränderungen können unterschiedliche geometrische Formen aufweisen.The basic idea of the present invention is translational Positioning error z. B. a robot to compensate and a highly accurate (micrometer accurate) positioning of an object relative to a another object and / or a stationary coordinate system thereby to realize that so-called solid-state joints in the context of solid-state joint assemblies so be arranged that partially the rigidities of the solid joints can be minimized in different directions in order to be controlled by actuators (in particular: Piezo actuators) to be deflected. Under a solid-body joint becomes a body understood by a body with reduced bending stiffness is characterized (which is different from adjacent zones, which are regarded as rigid bodies can be demarcates). With such solid joints kinmatic Couples can be realized in one part. The reduced bending stiffness is usually realized by a local cross-sectional reduction. The cross section can only along one or along two Spatial directions be reduced; the cross-sectional changes can be different have geometric shapes.
Die in der Regel geringen Stellwege der verwendeten Aktoren werden durch festkörpergelenkartig gebildete Hebelübersetzungen vergrößert, um so größere Ausgleichsbewegungen zu ermöglichen. Die mit Hilfe der Festkörpergelenke übersetzten bzw. vergrößerten Bewegungen der Aktoren werden auf eine Bewegungseinheit (z. B. einen Objekttisch) übertragen. Somit ist erfindungsgemäß eine Anordnung verschiedener Festkörpergelenkskombinationen realisiert, mit der translatorische Ausgleichsbewegungen in mehreren Raumrichtungen möglich sind. Die verschiedenen Getriebeübersetzungen durch die Festkörpergelenke sind so ausgebildet, dass eine Vergrößerung der in der Regel geringen Hubbewegungen der Aktoren (z. B. beim Piezoaktor 180 μm) auf einen mehrfachen Wert möglich ist (z. B. 600 μm).The usually small adjustment paths of the actuators used are by solids articulated formed leverage ratios enlarged to so larger compensatory movements to enable. The translated with the help of solid joints or enlarged movements the actuators are transferred to a motion unit (eg a stage). Thus, according to the invention is an arrangement various solid-body joint combinations realized, with the translational compensatory movements in several Spatial directions are possible. The various gear ratios through the solid joints are designed so that an increase in the usually small strokes of the actuators (eg in the case of the piezo actuator 180 μm) to a multiple value possible is (eg 600 μm).
Insbesondere werden neben solchen Vergrößerungs-Festkörpergelenken auch weitere Festkörpergelenke eingesetzt, die für eine translatorische Zwangsführung (d. h. für die Vermeidung von rotatorischen Bewegungsanteilen) sorgen.Especially become next to such magnifying solid joints also other solid joints used that for a translatory forced operation (ie for the avoidance of rotational movement parts).
Insbesondere setzt die erfindungsgemäße Ausgleichsaktorik (nachfolgend alternativ auch als Ausgleichskinematik bezeichnet) unterschiedliche Festkörpergelenke in Zusammenhang mit (bzw. gekoppelt an) Aktoren ein, wobei die Ausgleichsrichtungen in die erste und die zweite Raumrichtung (x- und y-Richtung) in der Regel von der dritten Raumrichtung (z-Richtung) getragen werden. Hierdurch wird ein Getriebe auf Hebelbasis erzielt, bei dem keine unerwünschten Verdrehungen und/oder Verkippungen der Ausgleichsaktorik bzw. der bewegten Bewegungseinheit stattfinden können, sondern lediglich rein translatorische Bewegungen in die drei Raumrichtungen.Especially sets the Ausgleichsaktorik invention (hereinafter alternatively referred to as compensation kinematics) different solid joints in connection with (or coupled to) actuators, wherein the compensation directions in the first and the second spatial direction (x and y direction) in usually be carried by the third spatial direction (z-direction). As a result, a gear is achieved on lever basis, in which no undesirable Twists and / or tilting the Ausgleichsaktorik or the Moving movement unit can take place, but purely purely translatory movements in the three spatial directions.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausgleichsaktorik kann es sich um eine in Reihe geschaltete Ausgleichsaktorik handeln, bei der die vorhergehende Achse ihre Befestigung in der jeweils nachfolgenden Ausgleichsrichtung aufweist (so wird z. B. die Bewegungseinheit mittels einer ersten Festkörpergelenkbaugruppe in die x-Richtung bewegt, die erste Festkörpergelenkbaugruppe samt der Bewegungseinheit wird dann mittels einer zweiten Festkörpergelenkbaugruppe in die y-Richtung bewegt und diese beiden Festkörpergelenkbaugruppen samt der Bewegungseinheit werden dann von einer dritten Festkörpergelenkbaugruppe in die z-Richtung bewegt. In diesem Fall bewegt somit die dritte Festkörpergelenkbaugruppe in der Regel sämtliche in die x- und die y-Richtung bewegte Massen: Die Ausgleichsrichtungen in x- und y-Richtung werden von der z-Richtung getragen (”serielle Ausgleichskinematik”).A compensatory actuator according to the invention can be a series-connected compensatory actuator, in which the preceding axle has its attachment in the respective subsequent compensation direction (for example, the movement unit is moved in the x-direction by means of a first solid-body joint assembly, the first one The solid-body joint assembly together with the movement unit is then made by means of a second solid-body joint assembly in the y direction, and these two solid joint assemblies, including the motion unit, are then moved in the z direction by a third solid state link assembly. In this case, therefore, the third solid-state joint assembly typically moves all masses moved in the x and y directions: the x and y directionalities are borne by the z direction ("serial compensation kinematics").
Dabei kann jede Ausgleichrichtung bzw. Festkörpergelenkbaugruppe für sich autonom betrieben werden. Die Bewegungseinheit (z. B. Endeffektor, auf welchem eine Werkzeugmaschinenspindel platziert werden kann) kann somit in alle drei Raumrichtungen x, y, z bewegt werden.there Each compensation direction or solid-state joint assembly can become autonomous operate. The motion unit (eg end effector, on which a machine tool spindle can be placed) can thus be moved in all three spatial directions x, y, z.
Erfindungsgemäß wird somit bevorzugt eine serielle, voneinander unabhängige Anordnung von Festkörpergelenkbaugruppen realisiert, die mit Hilfe von Hebelübersetzungen die Ausgleichsbewegungen in mehrere Raumrichtungen realisieren.Thus, according to the invention prefers a serial, independent arrangement of solid state joint assemblies implements the compensatory movements with the aid of lever ratios realize in several directions.
Eine erfindungsgemäße Ausgleichsaktorik umfasst zunächst die in mindestens zwei, bevorzugt drei Raumrichtungen translatorisch bewegbare Bewegungseinheit sowie mindestens einen Aktor (in der Regel ist für jede Raumrichtung ein Aktor vorgesehen). Eine erste Festkörpergelenkbaugruppe der Ausgleichsaktorik umfasst eine mechanisch an die Bewegungseinheit gekoppelte, einen ersten einfachen Hebel ausbildende erste Festkörpergelenkanordnung. Mittels des mindestens einen Aktors ist diese erste Festkörpergelenkanordnung auslenkbar, damit ist aufgrund der vorbeschriebenen, ersten Kopplung die Bewegungseinheit translatorisch in die erste Raumrichtung (x-Richtung) auslenkbar. Eine zweite Festkörpergelenkbaugruppe der Ausgleichsaktorik umfasst eine mechanisch an die Bewegungseinheit und/oder die erste Festkörpergelenkbaugruppe gekoppelte, zweite Festkörpergelenkanordnung. In der Regel ist die zweite Festkörpergelenkanordnung unmittelbar mit der ersten Festkörpergelenkbaugruppe mechanisch gekoppelt und letztere wiederum mechanisch an die Bewegungseinheit. In diesem Fall liegt eine mittelbare Kopplung der zweiten Festkörpergelenkbaugruppe an die Bewegungseinheit vor. Die zweite Festkörpergelenkanordnung bildet einen Kniehebel aus und ist mit dem mindestens einen Aktor so auslenkbar, dass damit aufgrund der vorbeschriebenen Kopplung der zweiten Festkörpergelenkanordnung die Bewegungseinheit translatorisch in die zweite Raumrichtung (y-Richtung) auslenkbar ist.A Compensating actuator according to the invention comprises first in at least two, preferably three spatial directions translational movable movement unit and at least one actuator (usually is for each spatial direction provided an actuator). A first solid state joint assembly the Ausgleichsaktorik includes a mechanically to the moving unit coupled, a first simple lever forming first solid-state hinge assembly. By means of the at least one actuator, this first solid-state joint arrangement deflectable, so that is due to the above, first coupling the movement unit translationally in the first spatial direction (x-direction) deflectable. A second solid-body joint assembly the Ausgleichsaktorik includes a mechanical to the moving unit and / or the first solid-state joint assembly coupled, second solid joint assembly. As a rule, the second solid-state joint arrangement is immediate mechanically with the first solid-state joint assembly coupled and the latter in turn mechanically to the moving unit. In this case, there is an indirect coupling of the second solid state joint assembly to the moving unit. The second solid state joint assembly forms a toggle and is so deflected with the at least one actuator, that thus due to the above-described coupling of the second solid-body hinge assembly the movement unit translationally in the second spatial direction (y-direction) is deflectable.
In der Regel handelt es sich bei den Auslenkungen um translatorische Verschiebungen. In der Regel werden zum Auslenken der ersten Festkörpergelenkanordnung und der zweiten Festkörpergelenkanordnung zwei unterschiedliche Aktoren eingesetzt; grundsätzlich ist es jedoch ebenso denkbar hierfür einen einzelnen z. B. über eine weitere Hebelanordnung mit den beiden Festkörpergelenkanordnungen gekoppelten Aktor einzusetzen.In As a rule, the deflections are translational Shifts. Typically, to deflect the first solid joint assembly and the second solid-state hinge assembly two different actuators used; In principle, however, it is the same conceivable for this a single z. B. over another lever assembly coupled to the two solid-state hinge assemblies Actuator insert.
Diese beiden Aktoren sind bevorzugt so ausgebildet und angeordnet, dass die von ihnen auf die beiden Festkörpergelenkanordnungen ausgeübten Kräfte (Kraft Fx zur translatorischen Bewegung in x-Richtung und Kraft Fy zur translatorischen Bewegung in y-Richtung) relativ zueinander parallel sind. Hierzu können z. B. zylinderförmige Piezoaktoren mit ihren Längsachsen in der durch die x- und die y-Richtung aufgespannten Ebene beabstandet voneinander und parallel zueinander angeordnet werden.These two actuators are preferably designed and arranged such that the forces exerted by them on the two solid-body joint arrangements (force F x for the translational movement in the x direction and force F y for the translatory movement in the y direction) are parallel relative to one another. For this purpose, z. B. cylindrical piezoelectric actuators with their longitudinal axes in the plane spanned by the x- and y-direction plane spaced from each other and are arranged parallel to each other.
Wie bereits vorbeschrieben handelt es sich beim erfindungemäß verwendeten Kniehebel bevorzugt um einen zwei Kniegelenke aufweisenden Kniehebel, dessen einzelne Hebelarme bevorzugt in Rautenform angeordnet sind.As already described above is used in accordance with the invention Knee lever preferably around a knee lever having two knee joints, whose individual lever arms are preferably arranged in diamond shape.
Besonders bevorzugt weist die Ausgleichsaktorik eine dritte Festkörpergelenkbaugruppe zum Durchführen einer translatorischen Ausgleichsbewegung auch in z-Richtung auf. Auch diese dritte Festkörpergelenkbaugruppe ist (unmittelbar oder auch mittelbar) mechanisch an die Bewegungseinheit gekoppelt. Die mechanische Verkopplung der einzelnen Einheiten kann dabei so realisiert sein, dass die erste Festkörpergelenkbaugruppe unmittelbar mechanisch an die Bewegungseinheit gekoppelt ist, dass die zweite Festkörpergelenkbaugruppe unmittelbar mechanisch an die erste Festkörpergelenkbaugruppe (und damit mittelbar an die Bewegungseinheit) gekoppelt ist und dass die dritte Festkörpergelenkbaugruppe unmittelbar mechanisch mit der Bewegungseinheit gekoppelt ist, wobei die dritte Festkörpergelenkbaugruppe mittels Versteifungsfüßen und weiterer Festkörpergelenke die beiden ersten Festkörpergelenkbaugruppen samt der Bewegungseinheit tragen und mittels ihrer dritten Festkörpergelenkanordnung translatorisch in die z-Richtung bewegen kann (siehe nachfolgend).Especially The compensation actuator preferably has a third solid-body joint assembly to perform a translational compensation movement in the z direction. Also this third solid-body joint assembly is (directly or indirectly) mechanically to the movement unit coupled. The mechanical coupling of the individual units can to be realized so that the first solid-state joint assembly directly is mechanically coupled to the movement unit that the second Flexure hinge assembly mechanically directly to the first solid-state joint assembly (and thus indirectly to the moving unit) is coupled and that the third Flexure hinge assembly is mechanically coupled directly to the movement unit, wherein the third solid-state joint assembly by means of stiffening feet and further solid joints the first two solid-state joint assemblies carry along with the movement unit and by means of their third solid-body joint arrangement translational in the z-direction can move (see below).
Vorteilhafterweise umfasst diese dritte Festkörpergelenkbaugruppe eine dritte Festkörpergelenkanordnung, die einen zweiten einfachen Hebel ausbildet und hierüber mechanisch mit der Bewegungseinheit verkoppelt ist. Vorteilhafterweise wird dann diese dritte Festkörpergelenkanordnung mittels eines separaten, dritten (Piezo-)Aktors ausgelenkt und hierdurch die z-Auslenkung der Bewegungseinheit erzeugt.advantageously, includes this third solid-state joint assembly a third solid-state hinge arrangement, which forms a second simple lever and this mechanically is coupled with the movement unit. Advantageously, then this third solid-body articulation arrangement deflected by a separate, third (piezo) actuator and thereby generates the z-deflection of the moving unit.
Der dritte Aktor lenkt vorteilhafterweise mittels der dritten Festkörpergelenkanordnung (und bevorzugt auch unter Zuhilfenahme von Versteifungsfüßen) nicht nur die Bewegungseinheit, sondern auch die ersten beiden Festkörpergelenkbaugruppen in z-Richtung aus.Advantageously, by means of the third solid-body joint arrangement (and preferably also with the aid of stiffening feet), the third actuator directs not only the movement unit but also the first two solid-body joint assemblies z direction.
Vorteilhafterweise wird die hierzu notwendige Kraft Fz senkrecht zu den beiden (parallel ausgeübten) Kräften Fx, Fy, jedoch ebenfalls parallel zur x-y-Ebene mittels eines separaten Piezo-Aktors erzeugt, dessen (Zylinderform vorausgesetzt) Längsachse parallel zur x-y-Ebene und senkrecht zu den Längsachsen der ersten beiden Aktoren angeordnet ist, wobei der dritte Piezo-Aktor beabstandet von und unterhalb der ersten beiden (Piezo-)Aktoren angeordnet ist.Advantageously, the force F z necessary for this purpose is generated perpendicular to the two (parallel) forces F x , F y , but also parallel to the xy plane by means of a separate piezo actuator whose (cylindrical shape assumed) longitudinal axis parallel to the xy plane and is arranged perpendicular to the longitudinal axes of the first two actuators, wherein the third piezoelectric actuator is spaced from and arranged below the first two (piezo) actuators.
Vorteilhafterweise sind die erste und die zweite Festkörpergelenkbaugruppe samt der Bewegungseinheit als ebene Baugruppen in ein- und derselben Ebene ausgebildet, wobei diese Ebene parallel zur x-y-Ebene angeordnet ist.advantageously, are the first and second solid-state joint assemblies together with the Movement unit as planar assemblies in one and the same plane formed, wherein this plane is arranged parallel to the x-y plane.
Wie nachfolgend noch im Detail beschrieben, weist die erste Festkörpergelenkbaugruppe vorteilhafterweise ein oder mehrere weitere Festkörpergelenke auf, die so ausgebildet und angeordnet sind, dass die erste Festkörpergelenkanordnung (durch die mittelbare oder unmittelbare mechanische Kopplung an die Bewegungseinheit) eine rein translatorische Bewegung der verkoppelten Bewegungseinheit entlang eines geraden Abschnitts in die erste Raumrichtung x realisiert. Entsprechendes gilt vorteilhafterweise ebenso für die zweite und/oder dritte Festkörpergelenkbaugruppe.As Described in detail below, the first solid state joint assembly advantageously one or more other solid joints formed and arranged such that the first solid-state hinge assembly (through the direct or indirect mechanical coupling the movement unit) a purely translational movement of the coupled Moving unit along a straight section in the first spatial direction x realized. The same applies advantageously also for the second and / or third solid state joint assembly.
Bei allen drei Festkörpergelenkbaugruppen sind solche weiteren Festkörpergelenke (sofern vorhanden) bevorzugt symmetrisch um die Bewegungseinheit oder die erste Festkörpergelenkbaugruppe herum (erste Festkörpergelenkbaugruppe und zweite Festkörpergelenkbaugruppe) oder so angeordnet (dritte Festkörpergelenkbaugruppe) dass die Projektionen dieser weiteren Festkörpergelenke auf diejenige Ebene, in der die Bewegungseinheit angeordnet ist, symmetrisch um letztere herum angeordnet sind.at all three solid-state joint assemblies are such other solid-state joints (if present) preferably symmetrical about the movement unit or the first solid-state joint assembly around (first solid-state joint assembly and second solid-state joint assembly) or so arranged (third solid-body joint assembly) that the projections of these other solid joints on that plane in which the movement unit is arranged symmetrically around the latter are arranged around.
Insbesondere können die weiteren Festkörpergelenke der ersten, der zweiten und/oder der dritten Festkörpergelenkbaugruppen jeweils an den Ecken eines Quadrats oder Rechtecks angeordnet sein.Especially can the other solid joints the first, second and / or third solid state joint assemblies be arranged at the corners of a square or rectangle.
Bevorzugt ist die den zweiten einfachen Hebel ausbildende dritte Festkörpergelenkanordnung über mehrere (bevorzugt genau zwei) weitere Festkörpergelenke der dritten Festkörpergelenkbaugruppe mechanisch mit der Bewegungseinheit verbunden (also an diese gekoppelt). Diese Kopplung greift bevorzugt im Schwerpunkt und/oder im geometrischen Mittelpunkt der Bewegungseinheit an.Prefers is the third simple joint assembly forming the second simple lever over a plurality (preferably exactly two) further solid joints of the third solid state joint assembly mechanically connected to the movement unit (thus coupled to this). This coupling preferably engages in the center of gravity and / or in the geometric center to the movement unit.
In einer weiteren bevorzugten Bauform weist die dritte Festkörpergelenkbaugruppe mehrere Versteifungsfüße auf. Bevorzugt werden genau vier solcher Versteifungsfüße verwendet. Die Versteifungsfüße koppeln dabei jeweils über ein weiteres Festkörpergelenk an die erste Festkörpergelenkbaugruppe und/oder die Bewegungseinheit. Die Versteifungsfüße sind dabei vorteilhafterweise in z-Richtung angeordnet und umgeben die Bewegungseinheit (ggf. samt der ersten und/oder zweiten Festkörpergelenkbaugruppe) symmetrisch so, dass mittels der dritten Festkörpergelenkanordnung eine rein translatorische Verschiebung der Bewegungseinheit in die z-Richtung (ohne jegliche x- oder y-Verschiebungsanteile) realisiert werden kann.In Another preferred design, the third solid-body hinge assembly several stiffening feet on. Preferably, exactly four such stiffening feet are used. Pair the stiffening feet each case about another solid-state joint to the first solid state joint assembly and / or the movement unit. The stiffening feet are advantageously arranged in z-direction and surround the movement unit (possibly together with the first and / or second solid state joint assembly) symmetrically such that by means of the third solid-body joint arrangement a pure translational displacement of the moving unit in the z-direction (without any x or y shift shares) can.
Hierzu sind vorteilhafterweise die Stellen verminderter Biegesteifigkeit der weiteren Festkörpergelenke, über die die Versteifungsfüße mittelbar oder unmittelbar mit der Bewegungseinheit verbunden bzw. verkoppelt sind, symmetrisch, insbesondere punktsymmetrisch, um die Bewegungseinheit herum (z. B. entlang der Seiten eines Quadrats) so ausgebildet, dass die Ausdehnung (sowie die Steifigkeit) dieser Stellen in einer Ebene senkrecht zur z-Richtung deutlich größer ist, als ihre Ausdehnung (sowie die Steifigkeit) in z-Richtung.For this are advantageously the locations of reduced bending stiffness the other solid joints, on the the stiffening feet indirectly or are directly connected or coupled with the movement unit, symmetrical, in particular point-symmetrical, about the movement unit around (eg along the sides of a square) that the extent (as well as the stiffness) of these places in a Plane perpendicular to the z-direction is significantly larger than its extension (as well as the stiffness) in z-direction.
Vorteilhafterweise verläuft die Längsachse des ersten einfachen Hebels (der ersten Festkörpergelenkanordnung) parallel zur Hauptachse des Kniehebels der zweiten Festkörpergelenkanordnung. Diese beiden Achsen verlaufen vorteilhafterweise in ein und derselben Ebene parallel zur x-y-Ebene. Auch die Längsachse des zweiten einfachen Hebels verläuft vorteilhafterweise parallel zu dieser Ebene und/oder zu den vorgenannten beiden Achsen, jedoch beabstandet unterhalb der beschriebenen Längsachse des ersten einfachen Hebels und der Hauptachse des Kniehebels.advantageously, extends the longitudinal axis of the first simple lever (the first solid joint assembly) in parallel to the main axis of the toggle lever of the second solid-state hinge assembly. These Both axes are advantageously in one and the same Plane parallel to the x-y plane. Also the longitudinal axis of the second simple Levers runs advantageously parallel to this plane and / or to the aforementioned both axes, but spaced below the described longitudinal axis the first simple lever and the main axis of the bell crank.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsformen ist der erste Aktor mit seiner Längsachse entlang der x-Richtung angeordnet. Der zweite Aktor kann innerhalb der durch die vier Hebelarme gebildeten Raute eines rautenförmig ausgebildeten Kniehebels angeordnet sein, wobei seine Längsachse ebenfalls entlang der x-Richtung angeordnet sein kann. Die Kopplung des ersten einfachen Hebels bzw. der ersten Festkörpergelenkanordnung an die Bewegungseinheit kann über einen flexibel ausgebildeten, mit seiner Längsachse bevorzugt in x-Richtung ausgerichteten Steg realisiert sein.In Further advantageous embodiments is the first actuator with its longitudinal axis along the x-direction arranged. The second actuator can be within the through the four lever arms formed rhombus of a rhomboid trained knee lever to be arranged, with its longitudinal axis can also be arranged along the x-direction. The coupling the first simple lever or the first solid joint assembly to the movement unit can over a flexible, with its longitudinal axis preferably in the x direction be realized aligned web.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:following The present invention will be described with reference to an embodiment. Show it:
Die
Bewegungseinheit
Auch
an den beiden anderen sich gegenüberliegenden
Seiten des Rechtecks der Bewegungseinheit
Die
Hauptgelenke
An
der in der Figur oben liegenden Seite (an der auch die beiden Hauptgelenke
Am
gegenüberliegenden
Ende (linkes Ende) des Hebels H1 ist, geringfügig beabstandet von diesem
Ende, eine hier im Querschnitt näherungsweise hutförmige Öffnung O
gezeigt. Diese ist so ausgebildet, dass an ihr ein gehärtetes Druckstück eingebracht
werden kann, an dem ein Piezoaktor angekoppelt werden kann (Ausrichtung
der Längsachse
des Piezoaktors in x-Richtung, vgl. auch
Im
gezeigten Fall umfasst die erste Festkörpergelenkbaugruppe
Die
erste Festkörpergelenkbaugruppe
Auch
an der oberen und der unteren Rechtecksseite der ersten Festkörpergelenkbaugruppe
Die
Haupt- und die Nebengelenke
Mittig
zwischen den beiden Hauptgelenken
Da
die Anordnung der Haupt- und Nebengelenke
Auf
der Unterseite der Bewegungseinheit
Gut
zu sehen ist hier die parallele Anordnung des ersten Piezoaktors
Das
Funktionsprinzip der Festkörpergelenkanordnung
für die
x-Ausgleichsbewegung ist somit ein einfacher Hebel H1. Die Schwierigkeit
bestand hierbei unter anderem darin, die eigentlich durch diesen
Hebel hervorgerufene Kreisbewegung in eine rein translatorische
Auslenkung der Bewegungseinheit
Hierzu
ist eine dritte Festkörpergelenkbaugruppe
An
einem Ende des Hebels H2 (dem in
Am
linken Ende der dritten Festkörpergelenkanordnung
bzw. des Hebels H2 ist ein dritter Piezoaktor
Die
dritte Festkörpergelenkbaugruppe
Darüber hinaus
umfasst die dritte Festkörpergelenkbaugruppe
Es
ergibt sich somit eine an vier Positionen realisierte mechanische
Kopplung (vierte Kopplung g4) zwischen den Versteifungsfüßen
Aufgrund
der vorbeschriebenen Anordnung dienen die vier Versteifungsfüße
Die
c bezeichnet hierbei die Dämpfungskonstanten des Systems in die drei Richtungen, d bezeichnet die Federkonstanten in die einzelnen Richtungen, m bezeichnet die in die einzelnen Richtungen jeweils zusätzlich zu bewegenden Massen des Systems und F bezeichnet die Kraft und die Angriffspunkte derselben: Das Kniehelbelprinzip in y-Richtung sowie die beiden einfachen Hebelprinzipien in x- und in z-Richtung sind hier lediglich schematisch angedeutet.c hereby denotes the damping constants of the system in the three directions, d denotes the spring constant in the individual directions, m denotes the in the individual directions each in addition to moving masses of the system and F denotes the force and the points of attack: the knee-joint principle in the y-direction as well as the two simple leverage principles in the x and z directions are indicated here only schematically.
Selbstverständlich ist
es auch möglich,
die beispielhaft vorgestellte Ausgleichsaktorik
Ein
prinzipielles Maschinenkonzept, in dem die vorbeschriebene Ausgleichsaktorik
eingesetzt werden kann, ist in
Problematisch
ist hier die zu regelnde Distanz zwischen Werkzeug
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Ausgleichsverfahren weist die vorliegende Erfindung eine Reihe wesentlicher Vorteile auf:
- • Durch die Kombination aus mindestens einem einfachen Hebel und einem Kniehebel wird auf einfache und hochgenaue Art und Weise eine translatorische Zwangsführung in mindestens zwei Dimensionen realisiert.
- • Die hierfür notwendigen Baugruppen können aufgrund der vorbeschriebenen Anordnung sowie der Verwendung eines Kniehebels auf geringem Bauraum untergebracht werden, so dass sich eine Ausgleichsaktorik mit sehr kompakter Bauweise realisieren lässt.
- • Die gezeigte Ausgleichsaktorik kann durch geeignete Materialwahl auch für vergleichsweise hohe Gewichte von bis zu ca. 20 kg für die zu bewegenden Objekte realisiert werden, ohne dass hierdurch die hohe Positionsgenauigkeit (von typischerweise einigen Mikrometern bis einigen 10 Mikrometern) gefährdet wird.
- • Sowohl
statisch als auch dynamisch sind somit translatorische Positionierfehler
dreidimensional ausgleichbar. Insbesondere können auch hochfrequente Schwingungen
dynamisch (bei geeigneter Ausbildung des Regelungs- und Steuerungsmechanismus
14 ) kompensiert werden. Ein solcher dynamischer Ausgleich ist bis hin zu mehreren hundert Hertz möglich.
- • Due to the combination of at least one simple lever and a toggle lever, a translatory positive guidance in at least two dimensions is realized in a simple and highly accurate manner.
- • The necessary assemblies can be accommodated in a small space, due to the above-described arrangement and the use of a toggle lever, so that it is possible to realize a Ausgleichsaktorik with very compact design.
- • By means of a suitable choice of material, the balancing actor shown can also be realized for comparatively high weights of up to approx. 20 kg for the objects to be moved, without jeopardizing the high position accuracy (typically from a few micrometers to a few tens of micrometers).
- • Both statically and dynamically, translational positioning errors can thus be compensated in three dimensions. In particular, high-frequency vibrations can dynamic (with a suitable design of the control and control mechanism
14 ) are compensated. Such a dynamic compensation is possible up to several hundred hertz.
Die Ausgleichsaktorik kann in Verbindung mit Industrierobotern eingesetzt werden, damit können letztere hochgenaue Bearbeitungsprozesse durchführen. Beispiele hierfür sind das Fräsen von Bauteilen, das Laserschneiden oder Bohrprozesse. Die Ausgleichskinematik kann jedoch ganz allgemein im Bereich beliebiger mikrometergenauer Positionieraufgaben eingesetzt werden, also auch außerhalb der Robotik.The Compensation Actuator can be used in conjunction with industrial robots be able to do that the latter perform highly accurate machining processes. Examples are the mill of components, laser cutting or drilling processes. The compensation kinematics However, in general, it can be anywhere in the range of any micrometer Positioning tasks are used, including outside robotics.
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