PL205720B1 - Kinematyczne urządzenie do podtrzymywania i programowalnego przemieszczania elementu końcowego maszyny lub przyrządu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kinematyczne urządzenie do podtrzymywania i programowalnego przemieszczania elementu końcowego maszyny lub przyrządu, które umożliwia w sposób programowalny i z wysoką precyzją sterowanie przemieszczeniami ruchem postępowym i/lub obrotowym elementu końcowego w uprzednio określonej przestrzeni roboczej.

Elementem końcowym może być narzędzie do obróbki (z zastosowaniem wrzeciona, lasera, strumienia wody, elektroerozji, itd.) lub przenośnik części w przypadku, gdy urządzenie, na przykład, wchodzi w skład zespołu obróbki skrawaniem, lub chwytak, narzędzie montażowe, interfejs stosowany w joysticku, antena, obsada kamery, itd., w przypadku przenoś ników, robotów montaż owych, pakowarek, przyrządów pomiarowych, instrumentów medycznych, itd., to jest każde urządzenie, w którym konieczne jest ustawienie lub przemieszczanie z wysoką precyzją i/lub dużą dynamiką.

W tej dziedzinie jest wiele zastosowań wymagają cych chwytaka, którego ukierunkowanie moż na kontrolować wokół osi równoległej do podstawy. Jest to, na przykład, przypadek wytwarzania przez obróbkę skrawaniem złożonych elementów lub polerowania części o wysokich walorach estetycznych.

W szczególności, przy produkowaniu w szybkim rytmie małych złożonych elementów, konieczne jest dysponowanie maszynami, które nie tylko mogą zapewnić duże prędkości obróbki, ale również bardzo szybkie zmiany narzędzi, tak, aby ograniczyć do minimum czas między operacjami.

Dzięki ich wysokiej dynamice (niewielka masa ruchoma i duża sztywność), obrabiarki o kinematyce równoległej spełniają zadowalająco oba te wymogi.

Jednakże, dostępne na rynku roboty i obrabiarki równoległe mają zasadnicze wady, polegające na stosunkowo niewielkiej przestrzeni roboczej i znacznie ograniczonej mobilności kątowej.

Struktura o dużej sprawności, którą stosuje się głównie do sterowania przemieszczaniem elementu końcowego, na przykład organu chwytającego, przedstawiona jest w patencie europejskim EP 0250470 i amerykańskim US 4,976, 582. W tej strukturze, sterowanie trzema stopniami swobody podstawy dokonuje się równolegle poczynając od mechanizmów wykonawczych umieszczonych na stałej podporze, z zachowaniem równoległości elementu ruchomego w stosunku do stałej podpory. Z uwagi na jej wysoką dynamikę i mobilność trzech przesunięć w przestrzeni, taka struktura jest szczególnie dobrze przystosowana do przemieszczania lekkich elementów z dużą częstotliwością (ponad trzy przemieszczenia na sekundę). Oryginalność tej struktury polega na blokowaniu wszystkich ruchów ukierunkowujących chwytak przez układ kinematyczny. Za to, takie urządzenie nie jest odpowiednie dla zastosowań, w których wymagany jest jeden lub kilka obrotów wokół osi.

Znane są skądinąd międzynarodowe zgłoszenia patentowe WO 98/51443 i WO/ 99/32256, dotyczące sterowania w układzie kinematyki równoległej narzędzi takich jak frezy w obrabiarkach, przeznaczone do wytwarzania delikatnych elementów, w szczególności łopatek turbin. Jednak, urządzenia przedstawione w tych dokumentach umożliwiają tylko niewielkie ruchy kątowe narzędzia (około 30°), jeśli chce się zachować dobrą sztywność struktury.

Zadaniem niniejszego wynalazku jest zaproponowanie urządzenia z układem kinematyki równoległej, które lepiej i w sposób bardziej kompleksowy niż w znanych dotychczas urządzeniach spełni przedstawione powyżej wymogi i które zapewni w szczególności szybkość i precyzję pracy, tak duże, jak to możliwe, umożliwiając równocześnie zaprogramowanie przemieszczeń elementu końcowego w możliwie duż ej przestrzeni roboczej i zapewniając jego działanie w tej przestrzeni w sposób jednorodny.

Kinematyczne urządzenie według wynalazku, służy do podtrzymywania i do programowalnego przemieszczania elementu końcowego maszyny lub przyrządu i zawiera stałą podstawę wyznaczającą płaszczyznę odniesienia, przy czym to urządzenie zawiera strukturę do podtrzymywania i do przemieszczania z co najmniej dwiema sztywnymi nogami, połączonymi jednym końcem z elementami prowadzonymi tak, że każdy z nich przemieszcza się według jednego stopnia swobody w stosunku do podstawy, i drugim końcem z gondolą, która sama połączona jest z wyżej wspomnianym elementem końcowym, przy czym połączenia pomiędzy nogami i gondolą z jednej strony, i między nogami i elementami prowadzonymi z drugiej strony są połączeniami przegubowymi, i ruchy wyżej wspomnianych elementów prowadzonych umożliwiają dowolne przemieszczanie gondoli w uprzednio określonej przestrzeni roboczej.

Urządzenie według wynalazku charakteryzuje się tym, że aby zapewnić ruch obrotowy elementu końcowego wokół osi przynależnej do gondoli, struktura do podtrzymywania i do przemieszczenia zawiera strukturę pomocniczą, ustawioną tak, aby przenieść na element końcowy siłę wypadkową

PL 205 720 B1 powodującą obrót elementu końcowego wokół wyżej wspomnianej osi w odpowiedzi na jedno przesunięcie lub skoordynowane przesunięcia jednego lub kilku pomocniczych elementów prowadzonych, z których każdy przemieszcza się wedł ug jednego stopnia swobody w stosunku do podstawy, zaś ta struktura pomocnicza zawiera co najmniej jeden układ przegubowy, który jest utworzony ze sztywnego elementu sterowania połączonego jedną ze swych końcówek przegubem z elementem pomocniczym prowadzonym tak, że przemieszcza się według jednego stopnia swobody w stosunku do podstawy, i z części wyż ej wspomnianej struktury pomocniczej zapewniającej przeniesienie wyż ej wspomnianej siły wypadkowej na element końcowy, natomiast układ geometryczny tej części przenoszącej jest taki, że niezależnie od położenia elementu końcowego cecha „sztywnego śledzenia kątowego dotyczy całej przestrzeni roboczej.

Korzystnie, wyżej wspomniana część struktury pomocniczej przenosząca siłę obrotu wokół osi na element końcowy zawiera płytę obrotową połączoną przegubowo na elemencie końcowym wokół osi równoległej do wyżej wspomnianej osi przynależnej do gondoli, i drążek kontroli połączony przegubowo jednym końcem z płytą obrotową przez przegub pośredni i drugim końcem z elementem prowadzonym podpory jednej z nóg struktury do podtrzymywania i przemieszczenia, i sztywny element sterowania oddziałuje w ten sposób na płytę obrotową, podczas gdy drążek kontroli kontroluje kierunek siły wypadkowej.

Również korzystnie, element końcowy i gondola są dwoma członami sztywno połączonymi jeden z drugim i oś przynależna do gondoli jest określona przez rozmieszczenie połączeń przegubowych nóg na gondoli.

Ewentualnie, element końcowy i gondola są członami oddzielnymi, połączonymi jeden z drugim przegubem, przy czym gondola zamontowana jest na podstawie w taki sposób, że wyżej wspomniane elementy prowadzone narzucają jej przemieszczenia w czystym ruchu postępowym, przy czym oś przynależna do gondoli jest osią połączenia przegubowego elementu końcowego na gondoli.

W korzystnym wariancie wynalazku, element koń cowy i gondola tworzą jeden zł oż ony człon z dwóch części sztywno połączonych jedna z drugą, przy czym oś przynależna do gondoli jest określona przez rozmieszczenie przegubów nóg na gondoli, i tym, że część przenosząca struktury pomocniczej zawiera element wystający bocznie w odniesieniu do wyżej wspomnianego złożonego członu i na którym usytuowane jest połączenie przegubowe między sztywnym elementem sterowania i elementem końcowym, przy czym to połączenie przegubowe określa punkt przyłożenia a geometria wyżej wspomnianej części przenoszenia określa warunki przyłożenia sił.

W kolejnym korzystnym wariancie, element koń cowy i gondola tworzą jeden zło żony czł on z dwóch części sztywno połączonych jedna z drugą, natomiast część przenosząca struktury pomocniczej ograniczona jest do połączenia przegubowego między sztywnym elementem sterowania i elementem końcowym, wyznaczającego usytuowanie punktu przyłożenia, ponadto element lub elementy prowadzone struktury pomocniczej są zamontowane na podstawie w taki sposób, że prowadzą sztywny element sterowania wzdłuż takiej linii, że usytuowanie punktu przyłożenia na elemencie końcowym narzuca sile wypadkowej kierunek prostopadły do linii łączącej miejsce usytuowania przegubu z osią przynależną do gondoli.

Ewentualnie, struktura do podtrzymywania i do przemieszczenia zawiera środki wprawiane w ruch przez co najmniej jeden pomocniczy element prowadzony ruchomy według jednego stopnia swobody w odniesieniu do podstawy do przemieszczania gondoli w kierunku równoległym do osi obrotu przynależnej do gondoli, przy czym te środki są powiązane z wyżej wspomnianą strukturą pomocniczą.

Korzystnie, co najmniej część połączeń przegubowych stanowią przeguby kuliste, i tym, że wyżej wspomniana struktura do podtrzymywania i do przemieszczania jest przystosowana tak, aby umożliwić przemieszczenia elementu końcowego w przestrzeni w trzech kierunkach, przy czym przestrzeń robocza rozciąga się do objętości określonej amplitudą przemieszczeń elementów prowadzonych.

Ewentualnie, co najmniej trzy z użytecznych połączeń przegubowych są przegubami obrotowymi, przy czym ich osie obrotu są równoległe, a przestrzeń robocza ograniczona jest do powierzchni zawierającej się w płaszczyźnie prostopadłej do wyżej wspomnianej płaszczyzny odniesienia i do kierunku osi obrotu.

Maszyna lub przyrząd korzystnie zawiera podporę, która może być przemieszczana w kierunku równoległym do kierunku wyżej wspomnianych osi obrotu i przeznaczona jest do przejmowania części, na którą oddziałuje element końcowy.

PL 205 720 B1

Objętość przestrzeni roboczej dostępnej dla elementu końcowego korzystnie jest wstępnie określona, a wymiary, rozmieszczenie i układ składników struktury do podtrzymywania i do przemieszczania są określone obliczeniowo w zależności od tej objętości.

Co najmniej jeden z elementów prowadzonych korzystnie prowadzony jest ruchem, ewentualnie ruchem obrotowym.

Również korzystnie, co najmniej jeden z elementów prowadzonych jest elementem sterowanym napędem silnikowym.

Połączenia przegubowe korzystnie są przegubami sworzniowymi, kulistymi lub typu Cardana.

Przedmiot wynalazku przedstawiono z odniesieniem do załączonych rysunków, na których: fig. 1 przedstawia perspektywiczny widok ogólny urządzenia według pierwszego sposobu wykonania, fig. 2 - perspektywiczny widok ogólny urządzenia w pierwszym wariancie pierwszego sposobu wykonania, fig. 3 - perspektywiczny widok ogólny urządzenia według drugiego sposobu wykonania, fig. 4 - widok z boku urządzenia w wariancie drugiego sposobu wykonania, fig. 5 - widok ogólny urządzenia według trzeciego sposobu wykonania, fig. 6 - widok z boku urządzenia w wariancie trzeciego sposobu wykonania, fig. 7 - perspektywiczny widok ogólny urządzenia według czwartego sposobu wykonania, fig. 8 - widok ogólny urządzenia w wariancie czwartego sposobu wykonania, fig. 9 - widok perspektywiczny urządzenia zastosowanego do obrabiarki w wariancie drugiego sposobu wykonania i fig. 10 - widok ogólny urzą dzenia w drugim wariancie pierwszego sposobu wykonania.

W ramach niniejszego opisu, przez „połączenia przegubowe uż yteczne rozumie się przegub niezbędny do działania urządzenia, do którego jest on przyłączony, w przeciwieństwie do przegubów, które umożliwiają przemieszczenia wewnętrzne, tak jak na przykład w przypadku drążka zaopatrzonego na końcówkach w dwa przeguby kuliste i który ma możliwość obracania się wokół siebie samego, co nie wnosi żadnego funkcjonalnego działania.

Na figurach przedstawiono schematycznie urządzenia do podtrzymywania i do przemieszczania, które mogą być zastosowane do obrabiarki, przyrządu lub robota, bądź do innego typu maszyny roboczej, jak na przykład do maszyny montażowej. W przypadku maszyny do przenoszenia części, element końcowy może być szczypcami, ssawką lub innego typu organem chwytającym. W przypadku obrabiarki, element końcowy może być bądź wrzecionem utrzymującym frez, tarczą szlifierską, wiertłem, oprawą, itd., bądź urządzeniem do natryskiwania strumieniem wody, do wykrawania laserowego, elektroerozji, skrawania, piaskowania, malowania, szlifowania, itd. Maszyna może być wyposażona w chwytaki i narzędzia do obróbki skrawaniem nałożone na element koń cowy, na przykład zamontowane na głowicy rewolwerowej, lub połączone ze zmieniaczem narzędzi aktywnym lub biernym (to jest składem narzędzi i/lub oprawką narzędziową).

W przedstawionych poniżej sposobach wykonania, dla lepszego zrozumienia rysunków, element końcowy jest przedstawiony symbolicznie jako korpus silnika, który jest sztywno połączony ze sztywnym elementem zwanym gondolą, przy czym gondola stanowi część struktury do podtrzymywania i do przemieszczania. Jednakże w niektórych przypadkach, jak to będzie później przedstawione, element końcowy zamontowany jest na gondoli poprzez obrotowe urządzenie z obrotem wokół osi przynależnej do gondoli.

Przedstawione urządzenia w każdym przypadku zawierają podstawę odniesienia 1, która w większości przypadków pozostaje stała. Jest ona najczęściej wykonana jako jedna lub kilka płaskich powierzchni połączona/połączonych z cokołem maszyny, ale oczywiście ta lub te powierzchnie podstawy mogą być również zakrzywione. Dla spójności opisu zasadniczą sprawą jest jednak, aby wyznaczały one kartezjański układ odniesienia, w którym określone zostaną osie x, y, z przestrzeni roboczej. Przyjęto, że osie x i y tego układu odniesienia są wyznaczone w płaszczyźnie podstawy urządzenia, i że kierunek y jest równoległy do osi obrotu gondoli.

Urządzenia przedstawione schematycznie na fig. 1 i 2 są urządzeniami uproszczonymi, w których liczba elementów struktury jest ograniczona. Przestrzeń robocza, którą element końcowy może przebyć nie jest taka duża, w porównaniu z tym zasięgiem, który może osiągnąć urządzenie z fig. 3, na przykład, ale ograniczenie ciężaru ruchomych elementów uzyskane przez uproszczenie struktury, otwiera im możliwości wykorzystania do specjalnych celów, na przykład zastosowania tam, gdzie podstawowym wymogiem jest precyzja.

W płaskiej powierzchni podstawy 1 urządzenia przedstawionego na fig. 1, wykonana jest pryzmatyczna prowadnica 2, prostoliniowa i z jednym stopniem swobody w ruchu postępowym, wyznaczająca kierunek, który zwyczajowo nazywany jest kierunkiem x. Dwa napędzane mechanicznie suwaki 3 i 4 zamontowane są na prowadnicy 2, w taki sposób, że sterowanie ruchem tych suwaków

PL 205 720 B1 pozwala przemieszczać je niezależnie jeden od drugiego w kierunku x. Każdy z suwaków 3 i 4 zawiera na swych dwóch końcówkach, to znaczy na linii, która jest zasadniczo prostopadła do x, dwa przeguby kuliste 5, odpowiednio 6, które służą jako podparcie i jako połączenie przegubowe z suwakami parom sztywnych drążków podtrzymujących 7, odpowiednio 8, przy czym górne końcówki każdej z tych par drążków podtrzymujących zawierają z kolei dwie pary przegubów kulistych 9, odpowiednio 10, łączących przegubowo gondolę 11 z dwoma nogami utworzonymi przez pary drążków 7 i 8. Obydwa drążki z każdej pary 7 lub 8 korzystnie są równoległe. Gondola 11 jest tu przedstawiona jako blok w kształcie równoległościanu prostokątnego, którego dolna powierzchnia prostokątna zawiera na każdym ze swoich czterech narożników jeden z przegubów kulistych 9 lub 10. Przeguby kuliste 9 lub 10 mogą również znajdować się w jakimkolwiek miejscu w objętości równoległościanu gondoli 11, jednak pod warunkiem, że oba przeguby 9, odpowiednio 10, z jednej pary będą umieszczone na prostej równoległej do osi obrotu gondoli 11. Na gondoli 11 jest sztywno zamocowany korpus elementu końcowego (organu aktywnego lub biernego) 21, na przykład wrzeciono utrzymujące frez lub inne obrotowe narzędzie, którego oś obrotu może być zorientowana dowolnie w stosunku do gondoli.

Urządzenie zawiera ponadto strukturę pomocniczą, która kontroluje dwa pozostałe stopnie swobody gondoli, a więc elementu końcowego 21 Ta struktura zawiera z jednej strony drążek obrotowy 14, przeznaczony do sterowania obrotem gondoli wokół osi, i z drugiej strony drążek boczny 18, przeznaczony do kontroli stopnia swobody gondoli w kierunku y.

Drążek obrotowy 14 jest połączony przegubowo, na jednej ze swoich końcówek, za pomocą przegubu kulistego 13, z napędzanym mechanicznie suwakiem 12, przystosowanym do przemieszczania się po prowadnicy pryzmatycznej 2, poza zasięgiem suwaków 3 i 4 sterujących nogami 7 i 8 Jest on połączony przegubowo na swojej drugiej końcówce, za pomocą przegubu kulistego 15, z końcówką elementu 20 sztywno połączonego z gondolą 11 i wysuniętego bocznie w stosunku do niej. Taki układ umożliwia zachowanie w całym polu roboczym kąta bardzo zbliżonego do normalnej pomiędzy kierunkiem siły działającej na element końcowy przy jego obrocie wokół osi pod działaniem suwaka 12 i prostą przechodzącą przez przeguby kuliste 10 i 15, właściwość, którą określa się w dalszym ciągu tego opisu jako „sztywnego śledzenia kątowego sterowania obrotem wokół osi, i która umożliwia uzyskanie parametrów wyraźnie wyższych w zakresie skoków kątowych i sztywności niż w znanych dotychczas urządzeniach.

Tytułem przykładu, aby zachować moment gwarantujący stałe ukierunkowanie gondoli 11 z odchyleniem kątowym 120 ; drugi sposób wykonania przedstawiony na fig. 3 pozwala, dzięki właściwości „sztywnego śledzenia kątowego urządzenia według wynalazku, uzyskać zmienność składowej siły wypadowej, działającej w płycie obrotowej 29 i prostopadłej do osi 30, która wynosi tylko o 15% w stosunku do jej wartości minimalnej, przy umiarkowanych rozmiarach urządzenia.

Zbliżone wyniki można uzyskać według innych sposobów wykonania, przedstawionych w niniejszym zgłoszeniu.

Przy połączeniu przegubami kulistymi i pomimo tego, że przegub kulisty 13 jest umieszczony w rogu suwaka 12, który sam jest ustawiony w położeniu symetrycznym w stosunku do prowadnicy 2, przedstawiony układ nie kontroluje stopnia swobody w kierunku y urządzenia. Tę kontrolę uzyskuje się przez drążek boczny 18, który jest połączony przegubowo, na jednej ze swoich końcówek, za pomocą przegubu kulistego 17, na napędzanym mechanicznie suwaku 16, przystosowanym do przemieszczania się na prowadnicy pryzmatycznej 23, prostoliniowej i o jednym stopniu swobody w ruchu postępowym, równoległej do prowadnicy 2 i również umieszczonej w powierzchni podstawy 1. Drążek 18 na drugiej swojej końcówce jest połączony przegubowo, za pomocą przegubu kulistego 19, z elementem 20. Należy zaznaczyć, że przegub kulisty 19 nie musi być koniecznie zamontowany na elemencie 20, ale również może być zamontowany na gondoli 11 lub na elemencie końcowym 21.

Rozumie się, że suwaki mogą być zaprojektowane jako wózki napędzane silnikiem, w którym organ napędzający zazębia się w stałej zębatce, lub śrubą kulkową, lub przez system napędu łańcuchowego lub jeszcze silnikiem liniowym lub innym. Przeguby kuliste 5, 6, 9, 10, 13, 15' 17, 19, zapewniają przegubowe połączenie drążka z tą częścią, która go podtrzymuje lub z częścią, którą on podtrzymuje, wokół jakiejkolwiek osi z amplitudą, zależną od jego konstrukcji. Mogą one być przegubami typu Cardana.

Rozumie się, że urządzenie z fig. 1 może być skonstruowane tak, aby zrealizować i kontrolować dokładne ustawienie elementu końcowego 21 nie tylko w jakimkolwiek uprzednio określonym punkcie przestrzeni roboczej xyz, ale jeszcze z uprzednio określonym ukierunkowaniem osi elementu końcowego wokół osi obrotu równoległej do kierunku y. Przy braku struktury pomocniczej 12 do 20, zespół

PL 205 720 B1 gondola 11 - element końcowy 21 jest podtrzymywany przez nogi 7, 8 i dla każdego ustawienia suwaków 3, 4, pozostają mu dwa stopnie swobody: przemieszczanie łukiem kołowym w płaszczyźnie yz przez odkształcenie równoległościanów 7, 8 i obrót wokół chwilowej osi obrotu równoległej do kierunku y i odpowiadającej przecięciu płaszczyzn utworzonych odpowiednio przez osie nóg 7 i osie nóg 8. Te dwa stopnie swobody są dokładnie kontrolowane przez względne ustawienia suwaków 12 i 16 na prowadnicach pryzmatycznych 2, 23. Ustawienia tych prowadnic pryzmatycznych i długości drążków obrotu 14 i bocznego 18 wyznaczają całkowicie przestrzeń roboczą, którą element końcowy 21 może obejmować.

W przykładzie z fig. 1, prowadnice 2 i 23 są prowadnicami równoległymi, ale oczywiście mogą one ustawione w jakimkolwiek kierunku w przestrzeni lub być zakrzywione. Podobnie, suwaki 3, 4 i 12 mogą przemieszczać się na oddzielnych prowadnicach. Z drugiej strony, prostoliniowe prowadnice pryzmatyczne mogą być zastąpione przez obrotowe dźwignie o jednym stopniu swobody: w ten sposób, na przykład, suwaki 3 i 4 mogą być zastąpione przez dwie dźwignie o osiach obrotu równoległych do y. Suwaki 12 i 16 mogą być zastąpione dźwigniami o osiach obrotu ustawionymi w jakikolwiek sposób. Dźwignie mogą być napędzane mechanicznie lub nie. Przytoczone powyżej uwagi stosują się również do wszystkich innych sposobów wykonania i wariantów, które zostaną przedstawione poniżej.

Figura 10 przedstawia, tytułem przykładu, drugi wariant pierwszego sposobu wykonania przedstawionego na fig. 1, w którym suwaki 3 i 4 są zastąpione dźwigniami 3' i 4', a suwaki 12 i 16 są zastąpione dźwigniami 12' i 16'.

Na fig. 2 przedstawiono uproszczony wariant struktury pomocniczej z pierwszego sposobu wykonania. W tym wariancie, napędzane mechanicznie suwaki 12' i 16' drążków obrotu 14' i bocznego 18' są zamontowane na dwóch prostoliniowych prowadnicach pryzmatycznych 22 i 23 o jednym stopniu swobody, równoległych do prowadnicy 2, to znaczy zorientowanych według kierunku x, ale podniesionych, tak, aby znaleźć się w pewnej odległości w kierunku z w stosunku do płaszczyzny podstawy 1. Prowadnice 22 i 23' są usytuowane z jednej i z drugiej strony pionowej płaszczyzny xz symetrii urządzenia. Biorąc pod uwagę rozmieszczenie prowadnic 22 i 23', obecność elementu 20 nie jest konieczna do uzyskania wystarczającego śledzenia kątowego sztywności i przeguby kuliste 15' i 19' mogą być zamontowane bezpośrednio na gondoli 11, korzystnie na jednej lub na drugiej końcówce jej górnej powierzchni. Należy zauważyć, że w tym wariancie, drążki 14' i 18' uczestniczą obydwa równocześnie w sterowaniu obrotem i w sterowaniu kontrolą stopnia swobody w kierunku y.

Na fig. 3 przedstawiono drugi sposób wykonania urządzenia według wynalazku, tak samo schematycznie jak na fig. 1. Rozpoznaje się na tej figurze znaczną część elementów już opisanych są one oznaczone takimi samymi odnośnikami. Odnajduje się zatem obie prowadnice pryzmatyczne i 23 równoległe i zorientowane według kierunku x, obydwa suwaki 3 i 4, które odgrywają taką samą rolę jak elementy o tym oznaczeniu z pierwszego sposobu wykonania, to znaczy rolę podpory za pośrednictwem przegubów kulistych 5 i 6 dla dwóch par drążków podtrzymujących 7 i 8, przy czym każda para zawiera dwa przeguby kuliste 9 lub 10 połączone jak na fig. 1 z gondolą 11 sztywno połączoną z elementem końcowym 21. Rozmieszczenie „nóg podtrzymujących gondolę jest takie same jak w pierwszym sposobie wykonania, ale struktura pomocnicza, która kontroluje dwa pozostałe stopnie swobody elementu końcowego 21 jest inna.

Jak w przypadku fig. 1, struktura pomocnicza zawiera drążek obrotu 14 i drążek boczny 18 zamontowane na suwakach 12 i 16, przemieszczających się odpowiednio po prowadnicy pryzmatycznej 2 i po prowadnicy pryzmatycznej 23 w sposób jednakowy jak opisany w odniesieniu do fig. 1. Za to, aby zapewnić kontrolę obrotu gondoli wokół osi, urządzenie z fig. 3 zawiera trzy sztywne człony: płytę obrotową 29, drążek sterowania 14 i drążek kontroli 27. Płyta obrotowa 29 jest połączona przegubowo na gondoli 11 przez oś 30 równoległą do kierunku y. Jest ona przedstawiona jako element o kształcie trapezowym, a w jej krawędzi przedniej obsadzone są dwa przeguby kuliste 15 i 19 do przegubowego połączenia drążków 14 i 18 i trzeci przegub kulisty 28 drążka kontroli 27. Druga końcówka drążka kontroli 27 jest zamontowana, poprzez przegub kulisty 26, na części 25 suwaka 3. Umiejscowienie przegubu 26 na suwaku 3 nie jest ściśle określone. Przegub kulisty 26 mógłby również być bliżej przodu lub bliżej tyłu, jak również wyżej lub niżej. Podobnie, środki przegubów kulistych 28 i 15 mogą być umieszczone gdziekolwiek w obrębie płyty obrotowej 29, ale nie mogą być usytuowane na osi 30.

Drążek boczny 18 nie koniecznie musi być połączony z płytą obrotową, ale może być połączony z każdym innym elementem urządzenia kinematycznego, tak, aby uzyskać jej przemieszczenie w kierunku y.

PL 205 720 B1

Element końcowy jest nieruchomy jeśli suwaki 3, 4, 12, i 16 same są nieruchome na ich odpowiednich prowadnicach pryzmatycznych, i każde przemieszczenie, czy to ruchem obrotowym wokół osi równoległej do 30, czy też ruchem postępowym w przestrzeni roboczej może być sterowane przez oddziaływanie na silniki, które napędzają wyżej wspomniane suwaki.

Figura 4 przedstawia wariant bez ruchu bocznego z drugiego sposobu wykonania urządzenia według wynalazku. Odnajduje się tu tę samą strukturę podtrzymującą z dwiema nogami zamontowanymi na dwóch suwakach i tę samą strukturę pomocniczą obrotu wokół osi z pośrednim połączeniem przegubowym, co w poprzednich sposobach wykonania. Z powodu braku suwaka 16 i drążka bocznego 18, przemieszczenia w kierunku y uzyskuje się tu przez przemieszczenie względne pomiędzy urządzeniem i środkami utrzymującymi przedmiot, na który oddziałuje element końcowy. Używa się także określenia urządzenie leworęczne i praworęczne.

Podstawa 1 zawiera tu tylko jedną prowadnicę pryzmatyczną 2, na której zamontowane są trzy suwaki 3, 4 i 12. Aby uniknąć każdego niekontrolowanego bocznego ruchu gondoli, dwa drążki z jednej z par drążków podtrzymujących 7 lub 8 muszą być połączone w sposób sztywny, co oznacza zastąpienie pary drążków w co najmniej jednej z nóg prostym elementem, w którym co najmniej na jednej z nóg przeguby kuliste są zastąpione sworzniami o osiach równoległych do osi 30. Można rozważyć również inne układy z dwoma sworzniami.

Struktura pomocnicza, która zapewnia obrót gondoli 11 sztywno połączonej z elementem końcowym 21, wokół złączy przegubowych 9 i 10, zawiera oś 30 i płytę obrotową 29, na której przednim brzegu zamontowane są przeguby pośrednie 28 i 15, które łączą płytę 29 z drążkiem kontroli 27 i z drążkiem sterowania obrotem 14, który sam wspiera się na przegubie 13 suwaka 12. Przeguby 9 i 10 mogą stanowić kombinację o wspólnych osiach. Podobnie jest z przegubami 15 i 28.

Na fig. 4 linią przerywaną przedstawiono jeszcze zasięg odchylenia kątowego, jakie struktura pomocnicza może narzucić gondoli 11 przez proste przemieszczenie suwaka 12 między dwoma skrajnymi ustawieniami 12a i 12b. Odpowiadające im ustawienia drążka kontroli 27 są oznaczone 27a i 27b.

Trzeci sposób wykonania, przedstawiony na fig. 5, różni się od sposobu z fig. 3 z jednej strony układem płyty obrotowej 29', który powoduje, że przy przemieszczeniu suwaka 12 w tym samym kierunku, ruch gondoli jest odwrotny w porównaniu z ruchem gondoli z urządzenia z fig. 3. W niektórych przypadkach, taki układ umożliwia uzyskanie szczególnie korzystnych warunków działania.

Element końcowy 21 jest tu również sztywno połączony z gondolą 11, a wszystkie połączenia przegubowe są typu przegubu kulistego, z wyjątkiem przegubu (zwykłego) 30 płyty obrotowej 29' na gondoli, który jest zorientowany w kierunku y.

Płyta podstawy 1 tu również zawiera dwie równoległe prowadnice pryzmatyczne 2 i 23. Na prowadnicy pryzmatycznej 2 zamontowane są dwa suwaki 3 i 4, które odgrywają dokładnie tę samą rolę co suwaki 3 i 4 z fig. 3. Wspierają one za pomocą przegubów kulistych 5, odpowiednio 6, pary drążków podtrzymujących 7, odpowiednio 8, tworzących dwa równoległoboki, stanowiących dwie nogi podtrzymujące gondolę 11. Jak w przypadku fig. 3, rozmieszczenie przegubów kulistych na płycie obrotowej 29' nie jest ściśle określone, pod warunkiem, że nie będą one usytuowane na osi 30. Tu również odnajduje się strukturę pomocniczą z dwoma sztywnymi członami i pośrednim połączeniem przegubowym. Jednakże, ustawienie zespołu jest takie, że ruch obrotowy gondoli 11 odbywa się w kierunku przeciwnym niż gondoli z urządzenia przedstawionego na fig. 3. W tym przypadku suwak 12 zamontowany jest na prowadnicy 2 tak, aby przemieszczać się między suwakami 3 i 4, przy czym ustawienia płyty obrotowej 29' i drążka obrotowego 14, drążka bocznego 18 i drążka kontroli 27 są dobrane w taki sposób, żeby płyta obrotowa mogła obracać się pomiędzy drążkami podporowymi 7.

Wariant bez ruchu bocznego urządzenia z fig. 5 przedstawiono na fig. 6. To urządzenie można faktycznie uznać za odwrotne do urządzenia przedstawionego na fig. 4, w tym znaczeniu, że jedyna różnica w porównaniu z urządzeniem o trzech stopniach swobody przedstawionym na fig. 4 polega na innym umiejscowieniu przegubu 30 na gondoli w stosunku do przegubów obrotowych 9 i 10.

Należy zauważyć, że we wszystkich przykładach przedstawionych na fig. 3 do 6, przegub kulisty 15 może być również zamocowany na drążku 27, pod warunkiem, że nie będzie usytuowany w miejscu przegubu kulistego 26 lub na drążku 18, pod warunkiem, że nie będzie usytuowany w miejscu przegubu kulistego 17, lub przegub kulisty 28 może być zamocowany na drążku 14, pod warunkiem, że nie będzie usytuowany w miejscu przegubu kulistego 13 lub na drążku 27, pod warunkiem, że nie będzie usytuowany w miejscu przegubu kulistego 26.

PL 205 720 B1

Podobnie, przegub kulisty 19 może być zamocowany na drążku 14, pod warunkiem, że nie będzie usytuowany w miejscu przegubu kulistego 13 lub na drążku 27, pod warunkiem, że nie będzie usytuowany w miejscu przegubu kulistego 26.

Wreszcie, przeguby kuliste 9 mogą być zamocowane na drążkach 8, pod warunkiem, że nie będą one usytuowany w miejscu przegubów kulistych 6 lub przeguby kuliste 10 mogą być zamontowane na drążkach 7, pod warunkiem, że nie będą one usytuowane w miejscu przegubów kulistych 5.

Podczas, gdy we wszystkich powyższych przykładach element końcowy jest sztywno połączony z gondolą, fig. 7 i 8 przedstawiają dwa przykłady czwartego sposobu wykonania urządzenia według wynalazku, w którym ruch elementu końcowego 21 nie jest sztywno związany z ruchem gondoli oznaczonej odnośnikiem 50. Struktura do podtrzymywania i przemieszczania gondoli jest, w tych obu przykładach, strukturą typu opisanego w patentach EP 0250470 i US 4,976,582, to znaczy strukturą, w której trzy stopnie swobody podstawy gondoli realizują się równolegle przez trzy suwaki z napędem mechanicznym 41 i 42, przemieszczające się wzdłuż trzech równoległych prowadnic pryzmatycznych 43, 44, i 45 i każdy z nich wprawia w ruch nogę 46, 47 i 48 podtrzymującą gondolę 50, tak aby zachować równoległość gondoli w stosunku do podstawy 1. Każda z trzech nóg opisanej struktury jest utworzona z pary drążków podtrzymujących 46, 47, 48 połączonych przegubami kulistymi z suwakiem, który je podtrzymuje i z bokiem gondoli. Jest to więc układ trzech odkształcalnych równoległoboków, który utrzymuje gondolę równolegle do podstawy i umożliwia sterowanie przemieszczeniami gondoli ruchem postępowym w całej przewidzianej przestrzeni roboczej. Element końcowy 21 jest tu zamontowany przegubowo na gondoli, tak, aby mógł obracać się wokół osi 51 sztywno połączonej z gondolą.

Struktura pomocnicza, która umożliwia sterowanie kontrolowanym obrotem elementu końcowego wokół osi 51, zawiera płytę obrotową 29, zamontowaną na jednej z jej końcówek na elemencie końcowym 21 obrotowo wokół osi 30', i współpracującą z drążkiem obrotu 14 i drążkiem kontroli 27. Jedna z końcówek drążka obrotu 14 zamontowana jest przegubowo na suwaku z napędem mechanicznym 12, który może przemieszczać się wzdłuż prowadnicy pryzmatycznej 43, a druga końcówka drążka jest zamontowana przegubowo na płycie obrotowej 29. Jedna z końcówek 26 drążka kontroli 27 zamontowana jest przegubowo na suwaku 40, a druga końcówka drążka jest zamontowana przegubowo na płycie 50, w punkcie nie usytuowanym na osi 30. W wariancie, przegub 26 może być również zamontowany na gondoli 50 w punkcie nie usytuowanym na osi 51.

Dwa warianty przedstawione na fig. 7 i 8 różnią się ustawieniem płyty obrotowej 29, które powoduje, przy przemieszczaniu suwaka 12 w tym samym kierunku, ruchy obrotowe elementu końcowego 21 wokół osi w przeciwnych kierunkach.

Jak w przypadku innych przedstawionych sposobów wykonania, suwaki 40, 41 i 42 mogą być zastąpione dźwigniami obrotowymi, przy czym osie obrotu tych dźwigni muszą być odpowiednio równoległe do osi przechodzącej przez środki przegubów kulistych zamontowanych w podstawie nóg 46, 47 i 48. Co do suwaka 12, może on być zastąpiony dźwignią obrotową o osi obrotu ustawionej w jakikolwiek sposób.

Należy zauważyć, że w przykładach przedstawionych na fig. 7 i 8, przegub kulisty 15 może być również zamocowany na drążku 27, pod warunkiem że nie będzie on usytuowany w miejscu przegubu kulistego 26, lub przegub kulisty 28 może być zamocowany na drążku 14, pod warunkiem że nie będzie on usytuowany w miejscu przegubu kulistego 13.

Pozostaje do opisania fig. 9, która przedstawia przykład zastosowania urządzenia według wynalazku do obrabiarki. Sposób wykonania wybrany do przedstawienia tego zastosowania jest podobny do sposobu z fig. 3, z wyjątkiem tego, że suwaki 60 i 61, odpowiadające suwakom 12 i 15 urządzenia z fig. 2, są prowadzone w oddzielnych prowadnicach pryzmatycznych, równoległych do kierunku x. Co do suwaków 48 i 49 to odpowiadają one suwakom 3 i 4 z urządzenia z fig. 3.

Podstawa 1 jest płytą nachyloną, na przykład pod kątem 45° nad stołem obrabiarki 89, wyposażonym w tarczę obrotową 90 o osi na przykład pionowej. Ta tarcza przeznaczona jest do umieszczenia na niej części, na której narzędzie elementu końcowego 32 sztywno połączonego z gondolą 91 będzie mogło wykonywać różne operacje obróbki. Można również przyjąć, że element końcowy 92 wyposażony jest w nośnik części, napędzany lub nie, i że tarcza obrotowa jest zastąpiona jednym lub kilkoma narzędziami z napędem mechanicznym lub biernymi lub kombinację obydwóch, a obróbka wykonywana jest przez przemieszczanie części przed narzędziami.

Generalnie, do każdego pojedynczego drążka, jak na przykład 14, 18, 27, można dodać drugi drążek równoległy do niego i pracujący w taki sam sposób. Ten sposób wykonania umożliwia poprawę

PL 205 720 B1 stabilności urządzenia i zwiększenie jego sztywności. Negatywne skutki wytworzonego w ten sposób hiperprowadzenia mogą być usunięte w znacznej mierze przez zastosowanie znanych rozwiązań, takich jak wykonanie z wysoką precyzją lub wprowadzenie dźwigni równoważącej.

Claims (15)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Kinematyczne urządzenie do podtrzymywania i do programowalnego przemieszczania elementu końcowego (21) maszyny lub przyrządu, zawierające stałą podstawę (1) wyznaczającą płaszczyznę odniesienia, przy czym to urządzenie zawiera strukturę do podtrzymywania i do przemieszczania z co najmniej dwiema sztywnymi nogami (7, 8; 46, 47, 48), połączonymi jednym końcem z elementami (3, 4; 40, 41, 42) prowadzonymi tak, że każdy z nich przemieszcza się według jednego stopnia swobody w stosunku do podstawy, i drugim końcem z gondolą (11, 50), która sama połączona jest z wyżej wspomnianym elementem końcowym, przy czym połączenia pomiędzy nogami i gondolą z jednej strony, i między nogami i elementami prowadzonymi z drugiej strony są połączeniami przegubowymi, i ruchy wyżej wspomnianych elementów prowadzonych umożliwiają dowolne przemieszczanie gondoli w uprzednio określonej przestrzeni roboczej, znamienne tym, że aby zapewnić ruch obrotowy elementu końcowego (21) wokół osi przynależnej do gondoli (11, 50), struktura do podtrzymywania do przemieszczenia zawiera strukturę pomocniczą, ustawioną tak, aby przenieść na element końcowy siłę wypadkową powodującą obrót elementu końcowego wokół wyżej wspomnianej osi w odpowiedzi na jedno przesunięcie lub skoordynowane przesunięcia jednego lub kilku pomocniczych elementów prowadzonych (12, 16), z których każdy przemieszcza się według jednego stopnia swobody w stosunku do podstawy, zaś ta struktura pomocnicza zawiera co najmniej jeden układ przegubowy, który jest utworzony ze sztywnego elementu sterowania (14) połączonego jedną ze swych końcówek przegubem (13) z elementem pomocniczym (12) prowadzonym tak, że przemieszcza się według jednego stopnia swobody w stosunku do podstawy, i z części (20, 15; 11, 15; 29, 30, 26, 27, 28, 15) wyżej wspomnianej struktury pomocniczej zapewniającej przeniesienie wyżej wspomnianej siły wypadkowej na element końcowy, natomiast układ geometryczny tej części przenoszącej jest taki, że niezależnie od położenia elementu końcowego cecha „sztywnego śledzenia kątowego dotyczy całej przestrzeni roboczej.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wyżej wspomniana część struktury pomocniczej przenosząca siłę obrotu wokół osi na element końcowy zawiera płytę obrotową (29) połączoną przegubowo na elemencie końcowym (21) wokół osi (30) równoległej do wyżej wspomnianej osi przynależnej do gondoli, i drążek kontroli (27) połączony przegubowo jednym końcem z płytą obrotową przez przegub pośredni (28) i drugim końcem z elementem prowadzonym (3) podpory jednej z nóg (7) struktury do podtrzymywania i przemieszczenia, i sztywny element sterowania (14) oddziałuje w ten sposób na płytę obrotową (29), podczas gdy drążek kontroli (27) kontroluje kierunek siły wypadkowej.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że element końcowy i gondola są dwoma członami sztywno połączonymi jeden z drugim i oś przynależna do gondoli jest określona przez rozmieszczenie połączeń przegubowych nóg na gondoli.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że element końcowy i gondola są członami oddzielnymi, połączonymi jeden z drugim przegubem (51), przy czym gondola (50) zamontowana jest na podstawie w taki sposób, że wyżej wspomniane elementy prowadzone narzucają jej przemieszczenia w czystym ruchu postępowym, przy czym oś przynależna do gondoli jest osią (51) połączenia przegubowego elementu końcowego (21) na gondoli (50).
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że element końcowy i gondola tworzą jeden złożony człon z dwóch części sztywno połączonych jedna z drugą, przy czym oś przynależna do gondoli jest określona przez rozmieszczenie przegubów nóg na gondoli, i tym, że część przenosząca struktury pomocniczej zawiera element (20) wystający bocznie w odniesieniu do wyżej wspomnianego złożonego członu i na którym usytuowane jest połączenie przegubowe (15) między sztywnym elementem sterowania i elementem końcowym, przy czym to połączenie przegubowe określa punkt przyłożenia a geometria wyżej wspomnianej części przenoszenia określa warunki przyłożenia sił.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1, w którym element końcowy i gondola tworzą jeden złożony człon z dwóch części sztywno połączonych jedna z drugą (11), znamienne tym, że część przenosząca struktury pomocniczej ograniczona jest do połączenia przegubowego (15) między sztywnym ele10

   PL 205 720 B1 mentem sterowania (14) i elementem końcowym (11), wyznaczającego usytuowanie punktu przyłożenia i tym, że element lub elementy prowadzone struktury pomocniczej są zamontowane na podstawie w taki sposób, że prowadzą sztywny element sterowania (14) wzdłuż takiej linii, że usytuowanie punktu przyłożenia na elemencie końcowym narzuca sile wypadkowej kierunek prostopadły do linii łączącej miejsce usytuowania przegubu z osią przynależną do gondoli.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że struktura do podtrzymywania i do przemieszczenia zawiera środki (17, 18, 19) wprawiane w ruch przez co najmniej jeden pomocniczy element prowadzony (15) ruchomy według jednego stopnia swobody w odniesieniu do podstawy do przemieszczania gondoli w kierunku równoległym do osi obrotu przynależnej do gondoli, przy czym te środki są powiązane z wyżej wspomnianą strukturą pomocniczą.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej część połączeń przegubowych stanowią przeguby kuliste, i tym, że wyżej wspomniana struktura do podtrzymywania i do przemieszczania jest przystosowana tak, aby umożliwić przemieszczenia elementu końcowego w przestrzeni w trzech kierunkach, przy czym przestrzeń robocza rozciąga się do objętości określonej amplitudą przemieszczeń elementów prowadzonych.
9. 9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej trzy z użytecznych połączeń przegubowych są przegubami obrotowymi, przy czym ich osie obrotu są równoległe, a przestrzeń robocza ograniczona jest do powierzchni zawierającej się w płaszczyźnie prostopadłej do wyżej wspomnianej płaszczyzny odniesienia i do kierunku osi obrotu.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że maszyna lub przyrząd zawiera podporę, która może być przemieszczana w kierunku równoległym do kierunku wyżej wspomnianych osi obrotu i przeznaczona jest do przejmowania części, na którą oddziałuje element końcowy.
11. 11. Urządzenie według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienne tym, że objętość przestrzeni roboczej dostępnej dla elementu końcowego jest wstępnie określona, a wymiary, rozmieszczenie i układ składników struktury do podtrzymywania i do przemieszczania są określone obliczeniowo w zależności od tej objętości.
12. 12. Urządzenie według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienne tym, że co najmniej jeden z elementów prowadzonych jest prowadzony ruchem postępowym.
13. 13. Urządzenie według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienne tym, że co najmniej jeden z elementów prowadzonych jest prowadzony ruchem obrotowym.
14. 14. Urządzenie według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienne tym, że co najmniej jeden z elementów prowadzonych jest elementem sterowanym napędem silnikowym.
15. 15. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że połączenia przegubowe są przegubami sworzniowymi, kulistymi lub typu Cardana.