Literatur- und Patentrecherche zu parallelkinematischen Werkzeugmaschinen

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Konventionelle Werkzeugmaschinen und deren Optimierung

3 Die Parallelkinematiken

4 Die Entwicklung

5 Tatsächlich entwickelte Konzepte

6 Einzelbetrachtungen
6.1 Der Tricept®
6.1.1 Die Entwicklung
6.1.2 Die Bauart
6.1.3 Die Programmierung
6.1.4 Die technischen Daten
6.1.5 Die Einsatzgebiete
6.1.6 Die Zukunft
6.2 Der Hexact®
6.2.1 Die Eigenschaften
6.2.2 Die technischen Daten
6.2.3 Die Zukunft
6.3 Der Quickstep®
6.3.1 Die Entwicklung
6.3.2 Der Aufbau
6.3.3 Die technischen Daten
6.3.4 Einsatzgebiete

7 Resümee

8 Literaturverzeichnis

9 Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung

Bedingt durch neue Verfahren, wie der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, der Trockenbearbeitung oder gar hybrider Verfahren wird von den Werkzeugmaschinenherstellern für die Teilefertigung verlangt neue innovative Schritte zu gehen, um mit der allgemeinen Entwicklung moderner Produktion Schritt zu halten [1].

Ansätze gab es in den letzten Jahren viele, doch erst der Mut zu wirklich neuen Konzepten, den Parallelkinematiken im Allgemeinen, hat in den letzten zehn Jahren einen regelrechten Boom der Neuentwicklungen ausgelöst.

Ausgehend von den Optimierungsbemühungen herkömmlicher Werkzeugmaschinenkonzepte wird diese Studienarbeit sich mit Parallelstrukturen im Allgemeinen und mit einzelnen industrietauglichen Konzepten auseinander setzen, vor allem mit der Zielsetzung das teilweise noch ruhende Potential dieser neuartigen Maschinengattung aufzuzeigen.

2 Konventionelle Werkzeugmaschinen und deren Optimierung

Konventionelle Werkzeugmaschinen mit ihrem seriellen, orthogonalen Aufbau können den derzeitigen Forderungen nach schnellen Verfahrzeiten und hohen Beschleunigungen durch die großen bewegten Massen nur bedingt nachkommen, bzw. zeigt sich schnell, dass viel Energie allein zum Bewegen dieser Massen vergeudet wird, anstatt sie direkt in das zu fertigende Teil fließen zu lassen.

Weitere Probleme entstehen durch die geforderte Wandelbarkeit der Maschinen. Kurze Produktlebenszyklen und steigende Variantenvielfalt bei sinkenden Losgrößen erfordern zunehmend rekonfigurierbare, bzw. wandelbare Werkzeugmaschinen, d.h. Werkzeugmaschinen, die schnell und ohne hohe Kosten an neue Bedienungen anpassbar sind [2].

Des Weiteren erfordern immer komplexer werdende Einzelteile, bedingt durch Funktionsintegration resultierend aus geforderter Bauteilreduzierung, den Einsatz leistungsstarker CNC-Steuerungen aber auch von Werkzeugführungen mit mehr als nur drei Freiheitsgraden.

Diese Forderungen haben im letzten Jahrzehnt des letzten Jahrtausends einen enormen Entwicklungsschub sowohl von Seiten der Werkzeugmaschinenhersteller, wie auch von Seiten der Entwickler leistungsfähiger NC- Steuerungen ausgelöst [3].

Lag beispielsweise 1991 der Spitzenwert der Vorschubsgeschwindigkeit einer NC- gesteuerten Werkzeugmaschine im EMO-Vergleich bei 24 m/min, so lag der Spitzenwert bereits 1997 bei 50 m/min.

Dieselbe Steigerungsrate ist bei der theoretischen Zuverlässigkeit der CNC- Steuerungen zu verzeichnen. Lag sie 1991 noch bei 48 so hatte man 1997 bereits die 100 erreicht [4].

Die Kapazitätssteigerung der CNC-Speicher verdeutlicht das Potential der softwareseitigen Optimierungsmöglichkeiten der Steuerung und somit der gesamten Maschine – die Speicher konnten in bezug auf Zugriffszeit und Speicherplatz um mehr als das Zehnfache gesteigert werden.

Diese Investitionen im Entwicklungsbereich beschränkten sich allerdings nicht nur auf konventionelle Werkzeugmaschinen, es wurde vielmehr, gerade in bezug auf die Leistungsfähigkeit rechnergestützter CNC-Steuerungen, der Grundstein für neue innovative Konzepte, den Parallelkinematiken, gelegt.

3 Die Parallelkinematiken

Parallelkinematiken sind ein innovativer Schritt in neue Dimensionen der Werkzeugmaschinen. Konventionelle Maschinenkonzepte für Roboter und Bearbeitungsmaschinen besitzen strukturell meist einen seriellen Aufbau, d.h. die einzelnen Glieder und Gelenke (Führungen) sind in einer offenen kinematischen Kette hintereinander angeordnet.

Dagegen bauen Parallelstrukturen auf einer Struktur mit geschlossenen kinematischen Teilketten auf, bei der Gestell- und Arbeitsplattform durch mehrere Führungsketten miteinander verbunden sind. Für den Fall einer voll parallelen Struktur ist die Anzahl der Führungsketten identisch mit der Anzahl der Freiheitsgrade der Arbeitsplattform, so dass jeder Kette genau ein Antrieb zugeordnet ist.

Dieser Aufbau besitzt gegenüber seriellen Maschinenkonzepten den Vorteil einer wesentlich größeren Struktursteifigkeit, so dass die Führungsketten in Leichtbauweise als relativ einfache Bauteile gefertigt werden können. Zudem ist durch die parallele Anordnung der Führungsketten die Möglichkeit gegeben, alle Antriebe gestellfest anzuordnen und somit die zu bewegende Maschinenmasse weitgehend zu minimieren. Maschinenkonzepte auf der Basis voll paralleler Strukturen kommen daher vor allem dann zum Einsatz, wenn hohe Anforderungen an das dynamische Verhalten und die Steifigkeit gestellt werden.

Die nächste Stufe dieser Entwicklung ist die Kombination serieller und paralleler Strukturen, die als Hybridkinematiken bezeichnet werden, d.h. eine Parallelstruktur trägt eine Serielle, bzw. eine Parallelkinematik wird von einer seriellen Struktur getragen [5,6].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1: Hybridkinematik

Als weiteres Einteilungskriterium kann man zudem die Art der Verbindung von Gestell- und Arbeitsplattform heranziehen, man unterscheidet hier grundlegend Kinematiken mit längenunveränderlichen und längenveränderlichen Stabverbindungen, d.h. entweder führen die Gelenkpunkte die Bewegung aus, bzw. die Gelenkpunkte sind fix und der Abstand der Gelenkpunkte von Arbeits- und Gestellplattform ist veränderlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2: Strebenantriebe

4 Die Entwicklung

Die technische Anwendung eines Hexapoden fand zu Beginn der 60er Jahre statt. Stewart, nach dem der Hexapod zum Teil auch als Stewart-Plattform benannt ist, entwickelte einen auf diesem Prinzip basierenden Flugsimulator [7,8]. Die Simulatoren für komplexe Anwendungen in der Luftfahrt- und Automobilindustrie hatten sich seit Ende der 70er Jahre bewährt. Die benötigte Rechenleistung zur Steuerung der Simulatoren konnte jedoch nur mit kostenintensiven Großrechnern realisiert werden. In den 80er Jahren wurden die Untersuchungen intensiviert. Dabei befassten sich Faugére, Lazard und auch Pritschow mit der Gestaltungs- und Konstruktionssystematik [9,10].

Die notwendigen Vorwärts- und Rückwärtstransformationen zur genauen Lage- und Positionsbestimmung der Plattform im Raum wurden vielfach betrachtet. Das nicht lineare Verhalten der Steifigkeit von Hexapoden berechnete u.a. Gosselin [11,12]. Bhattacharya optimierte die Konstruktion einer Stabgelenkkinematik mit sechs Freiheitsgraden hinsichtlich der Steifigkeit und der Bewegungsmöglichkeiten der Stewart-Plattform. Außerdem befasste er sich mit den zugehörigen Regelgrößen. Er erstellte einen Algorithmus zur Abschätzung der Regelparameter, die aufgrund des nicht linearen Systemverhaltens einer ständigen Veränderung unterliegen.
Mit der Leistungssteigerung der Rechnertechnik stand seit Mitte der 80er Jahre der ersten wirtschaftlichen Umsetzung von Robotern und Werkzeugmaschinen mit Stabgelenkkinematik nichts mehr im Wege. Als erster präsentierte die Firmenkooperation NEOS Robotics und Comau S.p.A. einen Tripod namens "Tricept HP1". Auf der IMTS '94 in Chicago stellten gleich drei Firmen ihre vieldiskutierten Hexapoden aus. Es waren dies der "Octahedral-Hexapod" von Ingersoll Milling Machine Company, der "VARIAX" von Giddings Lewis sowie der "G 1000" von Geodetic, der mittlerweile von der Firma Hexel weiterentwickelt wird [13].

Die Haupteinsatzgebiete dieser Maschinen liegen in der Fräs- und Bohrbearbeitung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3: Schematische Funktionsweise eines Hexapoden

Die Firma JSC Lapik stellte weiterhin einen Hexapod als Koordinatenmessmaschine vor. Die Vorteile, die sich für Werkzeugmaschinen mit Stabgelenkkinematik ergeben, liegen in einem günstigen statischen Steifigkeitsverhalten, welches wesentlich über dem vergleichbarer kartesischer Maschinen liegt. Weiterhin besitzen Hexapod-Werkzeugmaschinen durch ihren relativ einfachen Aufbau aus standardisierten Baugruppen eine wesentlich verringerte Anzahl von Bauelementen, was zu deutlich geringeren Fertigungs- und Herstellkosten führt. Mit der auf ein Minimum beschränkten bewegten Masse lassen sich Bahnbeschleunigungen und -geschwindigkeiten realisieren, die weit über den Möglichkeiten heutiger Maschinenkonzepte liegen. Nachteile liegen jedoch in der komplexen Steuerung, der aufwendigen Gestaltung der Gelenke und den extremen Nichtlinearitäten von Steifigkeit, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsübersetzung im Arbeitsraum. Ein neuer Ansatz führt auf Maschinenkinematiken mit längenunveränderlichen Streben und linearen Vorschubachsen. Erstmals wurden derartige kinematische Prinzipien von Hervé im Jahre 1992 mit konventionellen Antriebssystemen auf der Basis von Kugelgewindetrieben vorgestellt.

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