Parallelkinematik

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Parallelkinematiksysteme unterscheiden sich von klassisch aufgebauten Maschinenkonzepten in der Realisierung der Bewegungsachsen. In konventionellen Maschinenkonzepten werden Linearachsen und rotatorische Achsen seriell in einer offenen kinematischen Kette aufgebaut. Parallelkinematiksysteme bestehen aus einer Anzahl geschlossener kinematischer Ketten, die jeweils die zwei relativ zueinander zu bewegenden Ebenen miteinander koppeln. Die Anzahl der kinematischen Ketten entspricht der Anzahl der zu realisierenden Freiheitsgrade.

Allgemeiner Aufbau

Parallelkinematiksysteme bestehen aus sehr einfachen mechanischen Komponenten: Stäbe, Gelenke und ein Rahmen, der die ganze Konstruktion zusammenhält. Parallel angeordnete längenveränderliche Stäbe werden zu einer Stabmechanik zusammengesetzt. Je nach Anzahl der Stäbe unterscheidet man in Tripoden oder Hexapoden. Das Hexapod besteht aus einem Sechseck, das in jeder Ecke mit einem Gelenk versehen ist. In jedem Gelenk ist je ein Bein von veränderlicher Länge angebracht. Die sechs Beine laufen in drei Punkten, den sogenannten Knoten zusammen. In jeden Knoten münden jeweils zwei Beine. Die Bewegung entsteht durch die koordinierte Längenveränderung aller sechs Beine. Dies macht deutlich. Dass auch zur Realisierung einer Bewegung nur in einer Richtung jeweils alle Achsen bewegt werden müssen. Wenn alle sechs Beine gleichzeitig kürzer (oder länger) werden, bewegt sich die Plattform kontinuierlich linear. Soll die Orientierung der Plattform verändert werden, werden bestimmte Beine kürzer, andere länger. Durch bestimmte Beinlängenverstellungen kann auch eine Verdrehung der Plattform erreicht werden.

Werden statt sechs nur drei Beine verwendet spricht man von einem Tripoden. Durch die Reduzierung auf drei Beine hat der Tripode die Fähigkeit verloren, die Orientierung der Plattform zu ändern, sie kann jedoch in den kartesischen Koordinaten X, Y und Z jede beliebige Position im Raum einnehmen. In manchen Anwendungen ist es vorteilhaft serielle Kinematiken mit Parallelkinematiken zu koppeln. Hier können z.B. größere Bewegungsräume realisiert werden. Diese Systeme werden als Hybridkinematiken bezeichnet.


Geschichte

Vorgeschichte

Die erste Anwendung einer Parallelkinematik geht auf Eric Gough zurück. Er hatte 1949 einen Reifenprüfstand auf Basis einer derartigen Stabkinematik ausgelegt. Diese ermöglichte die Simulation verschiedener Belastungen für Fahrzeugreifen. D. Stewart setzte die Parallelkinematik 1965 zur Konzeption einer in sechs Freiheitsgraden beweglichen Plattform für Flug- und Fahrsimulatoren ein. Dies wurde dann vor allem in der Luft- und Raumfahrttechnik benutzt. Diese Systeme werden auch als Stewart-Plattform bezeichnet.

Die benötigte Rechenleistung zur Steuerung der Parallelkinematiksysteme konnte jedoch nur mit kostenintensiven Großrechnern realisiert werden. Daher ist keine breite industrielle Nutzung erfolgt. In den 80er Jahren wurden die Untersuchungen wieder intensiviert, da ausreichend leistungsfähige Steuerungen zur Verfügung standen. Dabei befassten sich Faugére, Lazard und auch Pritschow mit der Gestaltungs- und Konstruktionssystematik sowie der Steuerungstechnik.

Realisierte Maschinenkonzepte

Mit der Leistungssteigerung der Rechnertechnik erfolgte seit Mitte der 90er Jahre eine wirtschaftliche Umsetzung von Robotern und Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematik. Als erster präsentierte die Firmenkooperation NEOS Robotics und Comau S.p.A. einen Tripod namens "Tricept HP1". Weltweit sind über 100 Tripod-Maschinen des schwedischen Herstellers Neos Robotics und des italienischen Anbieters Comau Robotics im Einsatz. Hierbei handelt es sich um einfach gestaltete Tripoden, die nur drei Freiheitsgrade zulassen und über eine geringere Steifigkeit verfügen. Besonders im Montagebereich übernehmen sie Aufgaben, die bisher Robotern vorbehalten waren. Auf der Werkzeugmaschinenmesse IMTS '94 in Chicago stellten drei Firmen ihre neuen Hexapoden aus: Giddings & Lewis, der zu dieser Zeit viertgrößte Maschinenbauer der Welt, stellte sein futuristisches Parallelkinematiksystem „Variax“ vor. Zwei sechseckige Plattformen sind übereinander angebracht. Sechs motorisierte Teleskopbeine, an drei Seiten des Sechsecks über Kreuz montiert, verbinden die Plattformen und bewegen die obere Plattform. An dieser ist die Werkzeugspindel starr montiert. Bedingt durch diese geschlossene Kopplung der Werkzeugebene und der Werkstückebene ist der Arbeitsraum in seiner Dimension und Zugänglichkeit begrenzt. Zudem ist das Werkzeug in seiner Positionierung senkrecht zu den vertikalen Ebenen des Werkstücks eingeschränkt. Eine andere Konzeption einer Parallelkinematik stellte das Unternehmen Ingersoll Milling Machines vor. Das Maschinengestell wurde als Stabrahmen ausgelegt. Der Rahmen bestehtau s acht Dreieckselementen. Alle Kräfte wirken auf die Ecken, so dass kaum Biegemomente auftreten. An der oberen Gestellebene ist die Parallelkinematik, ein Hexopodsystem, fixiert, dass die Werkzeugspindel bewegt. 1998 zur EMO in Hannover wurde das Parallelkinematiksystem Hexapod 6x vorgestellt. Hierbei handelt es sich um eine Gemeinschaftsentwicklung der Firma Mikromat Werkzeugmaschinen und dem Fraunhofer Institut IWU in Chemnitz. Von diesem System wurde jedoch nur zwei Exemplare verkauft. Weitere Realisierungen von Stabkinematiken erfolgten von Okuma mit dem Cosmo Center PM-600, von Toyoda mit dem System Hexam oder von Fatronik mit dem System Verne. Breitere Anwendung als im Bereich der Werkzeugmaschinen fand diese Kinematik in der Robotik. Ein Beispiel hierfür stellt der Flexpicker von ABB dar. Stabkinematiken wurden aber auch auf Baugruppenebene umgesetzt. Hier ist insbesondere der Bearbeitungskopf von DS Technologie bekannt.


Vor- und Nachteile

Vorteile

Die Vorteile, von Parallelkinematiksystemen liegen in einem günstigen statischen Steifigkeitsverhalten. Dieses kann wesentlich über dem vergleichbarer kartesischer Maschinensysteme liegen. Weiterhin werden durch den relativ einfachen Aufbau aus standardisierten Baugruppen wesentlich weniger Bauelementen benötigt. Somit können geringere Fertigungs- und Herstellkosten realisiert werden. Durch die Reduzierung der bewegten Masse lassen sich höhere Bahnbeschleunigungen und -geschwindigkeiten erreichen.

Nachteile

Nachteile liegen jedoch in der komplexen Steuerung der Systeme, da für jede Bewegung alle Achsen simultan koordiniert werden müssen. Zudem können starke Nichtlinearitäten bzgl. Geschwindigkeits- und Beschleunigungsübersetzung im Arbeitsraum auftreten. Aus mechanischer Sicht ist die Gestaltung der Gelenke an den Knotenpunkten herausfordernd.

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