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.
Struktur der Studienarbeit
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
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Ziel dieser Studienarbeit ist die Erfassung und Darstellung des Stands der Technik bei parallelkinematischen Werkzeugmaschinen, um das teilweise noch ungenutzte Potenzial dieser innovativen Maschinengattung im Vergleich zu herkömmlichen seriellen Konzepten aufzuzeigen.
- Grundlagen und Vorteile von Parallelkinematiken gegenüber seriellen Systemen
- Entwicklungshistorie von Hexapoden und deren technische Relevanz
- Detaillierte Analyse industrietauglicher Konzepte (Tricept, Hexact, Quickstep)
- Herausforderungen in der Steuerungstechnik und bei der Kalibrierung
- Hybridkinematiken als Brückentechnologie für den Maschinenbau
Auszug aus dem Buch
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].
Zusammenfassung der Kapitel
EINLEITUNG: Darstellung der Notwendigkeit innovativer Maschinenkonzepte aufgrund neuer Bearbeitungsverfahren und der Zielsetzung der Arbeit.
KONVENTIONELLE WERKZEUGMASCHINEN UND DEREN OPTIMIERUNG: Analyse der Grenzen serieller Maschinen und der Entwicklungsschübe bei CNC-Steuerungen als Grundstein für Parallelstrukturen.
DIE PARALLELKINEMATIKEN: Definition und Erläuterung der funktionalen Vorteile geschlossener kinematischer Ketten gegenüber herkömmlichen seriellen Aufbauten.
DIE ENTWICKLUNG: Überblick über die historische Entwicklung der Hexapoden vom Flugsimulator bis zur industriellen Umsetzung in der Fräs- und Bohrbearbeitung.
TATSÄCHLICH ENTWICKELTE KONZEPTE: Diskussion der Anforderungen an moderne Steuerungen und Vorstellung diverser Industriekonzepte und Hybridansätze.
EINZELBETRACHTUNGEN: Detaillierte Untersuchung spezifischer Maschinenkonzepte wie Tricept, Hexact und Quickstep hinsichtlich Aufbau, Programmierung und Potenzial.
RESÜMEE: Zusammenfassende Bewertung des aktuellen Stands der Technik und der noch bestehenden Herausforderungen für einen breiten industriellen Durchbruch.
Schlüsselwörter
Parallelkinematik, Werkzeugmaschine, Hexapod, Hybridkinematik, Tricept, Hexact, Quickstep, CNC-Steuerung, Kinematik, Struktursteifigkeit, Koordinatentransformation, Industrietauglichkeit, Fertigungstechnik, Dynamik, Kalibrierung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundlegend?
Die Arbeit behandelt die Erfassung und Analyse des Stands der Technik von parallelkinematischen Werkzeugmaschinen und deren Potenzial für die moderne Produktion.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Themen sind der strukturelle Aufbau von Parallel- und Hybridkinematiken, deren Vorteile in Dynamik und Steifigkeit sowie die Herausforderungen bei ihrer Steuerung.
Welches primäre Ziel verfolgt die Arbeit?
Das Ziel ist es, das teilweise noch ruhende Potenzial dieser neuartigen Maschinengattung aufzuzeigen und den aktuellen Entwicklungsstand zu dokumentieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer fundierten Literatur- und Patentrecherche zu bestehenden Konzepten, unterstützt durch technische Datenblätter und Analysen von Industrielösungen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit detailliert behandelt?
Im Hauptteil werden spezifische Industriekonzepte wie der Tricept, der Hexact und der Quickstep detailliert hinsichtlich ihres technischen Aufbaus, ihrer Programmierung und ihrer Einsatzgebiete analysiert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind unter anderem Parallelkinematik, Hexapod, Hybridkinematik, Steifigkeit und Echtzeit-Koordinatentransformation.
Wie unterscheidet sich der Tricept von klassischen Hexapoden?
Der Tricept zeichnet sich durch seine modulare Konstruktion und eine zentral angeordnete, kardanisch aufgehängte Säule aus, die für erhöhte Stabilität sorgt und eine Online-Kalibrierung ermöglicht.
Warum konnte sich die Parallelkinematik bisher in der Breite noch nicht gegen konventionelle Maschinen durchsetzen?
Laut Fazit liegt dies vor allem an dem ungünstigen Verhältnis von Bau- zu Arbeitsraum sowie an noch nicht ausgereiften regelungstechnischen Lösungen und automatischen Kalibrierungsmethoden für den Produktionsalltag.
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- Diplom Wirtschaftsjurist (FH) Diplom Ingenieur (BA) B.Sc. (Hons) Sönke Lesser (Author), 2002, Literatur- und Patentrecherche zu parallelkinematischen Werkzeugmaschinen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/70374
