具有锁定部件的6轴定位系统的制作方法

1.本发明涉及一种6轴定位系统，包括基座、活动单元以及六个可变长度致动器，每个致动器的一端连接至基座，并且每个致动器的另一端连接至活动单元。设置至少一个可变长度的额外部件，其一端连接至基座，而其另一端连接至活动单元。所述额外部件设计成使得6轴定位系统能够借助于额外部件可释放地锁定在活动单元的至少某些位置中。


背景技术：

2.这样的6轴定位系统也被称为六足，在紧凑空间中提供六个移动自由度。活动单元通常由连接至致动器的上端的平台(活动单元)组成，待定位的元件或附件布置在所述平台上。6轴定位系统可获得不同尺寸以及宽范围的应用。作为工业生产过程中的组件，六足能够以亚微米精度定位高负载。对于工业应用，存在允许方便地执行甚至复杂运动轮廓的绝对测量位置传感器、合适的软件和运动控制器的组合。用于致动器的优选驱动器是具有制动器的无刷dc电动机。这种6轴定位系统的工作空间非常依赖于致动器的部署(“伸缩”)的长度。尤其，在重负载6轴定位系统的情况下，非常大的致动器用于提供必要的刚性。随此增加了安装空间和增加了成本。
3.从de102004004313a1已知一般定位系统。其中，除其他事项之外，描述了一种布置，具有六个可伸缩的长度可调节的杆元件和三个额外杆形加强元件。所有元件从基座元件延伸至工作元件。进一步说明的是，主要在工作位置实现加强(stiffening)或增强，而在初始位置和工作位置之间的过渡位置减小了加强或增强效果。进行增强的详细方式没有详细描述。然而，总体上来讲，加强元件可以以可控制或可调节的方式在其长度上进行调节。它可以被液压地、气动地、机械地或电动地致动。替代性地，或除了加强元件之外，还提到了预应力元件。
4.de102006011823a1涉及一种定位装置，其具有借助于六个支柱彼此连接的基板和工具板。支柱组合成支柱对，而支柱对可以具有至少在基板处的共用连杆机构、共用驱动器以及共用制动机构。
5.de10255950a1涉及一种机器人驱动器，其具有专门用于对应任务的两个局部驱动器。这是用于产生力的局部驱动器和用于产生定位的局部驱动器。在具体情况下(见图1和图2)，机器人臂设置有动力驱动器，动力驱动器由具有变速箱的电动机和开放式有齿皮带组成。有齿皮带由拉伸弹簧预拉伸。此外，设置有定位驱动器，其由具有角度编码器和高减速齿轮的常规dc微型马达组成。联接器提供了两个局部驱动器之间的适当联接。还说明了锁定制动器，例如压电致动的制动器，它被分配给定位驱动器。
6.cn107538231a1涉及一种多轴定位装置，包括下平台、上平台、六个倾斜布置的致动器和三个布置在中心的支撑柱。负载主要由支撑柱承担。支撑柱包括直线引导件，在直线引导件的上端部处，铰接装置连接至上平台。线性轴承借助于压力弹簧支撑在基座上。基座位于并固定在下平台上，而支撑柱的上部可相对于下平台自由移动。六个致动器提供精确的控制。


技术实现要素：

7.因此本发明的问题是提供一种上述类型的6轴定位系统，其提供了简化的锁定，尤其在目标位置，具有高精度，甚至具有增加的负载。
8.该问题通过具有权利要求1的特征的6轴定位系统和权利要求12的相应方法来解决。在从属权利要求中描述了有利实施例。
9.在一般6轴定位系统，额外部件具有用于该目的的可释放式锁定制动器，并且额外部件设计成借助于移动六个被驱动的致动器在长度上被动地变化。额外部件设计成使得6轴定位系统能够借助于额外部件被可释放地锁定在活动单元的至少某些位置中。可变长度的额外部件被理解为是除了六个致动器之外的元件、组件等。因此，补充可能存在于六个致动器上的任何锁定装置或制动器(除了可能存在于六个致动器上的任何锁定装置或制动器之外)，至少一个可变长度的额外部件是必须存在于6轴定位系统上的事物。额外部件还提供这样的优点：其可放置在与致动器不同的位置，使得由于至少一个额外部件的分组、距中心的距离等，可以对由锁定引起的整个系统的加强产生显著影响。因此，这种布置还特别适合于重负载6轴定位系统，因为通常必须使用大尺寸的重负载致动器。除其他事项之外，这导致以下优点：借助于附加的简单措施，由于更高的刚性，可以通过更成本有效的方式实现与目标位置的顺应性。额外部件不主动参与活动单元的定位，而是因此确保借助于锁定制动器在预定目标位置的锁定。因此，当活动单元移动时，额外部件被动地行为，因为借助于致动器，它们被随之拉动或移动。因此可变长度的额外部件不具有其自身的驱动器，这导致了成本的降低。在完全被动配置的长度可变的额外部件中提供锁定制动器，还具有大大提高整个6轴定位系统的精度的优点。由于六个可变长度致动器，由于锁定制动器产生的热量对驱动器不具有负面影响，这使得可实现非常高的精度。因此，锁定制动器可以与六个致动器中的驱动器在很大程度上热解耦。因此，热膨胀对定位精度具有较小的影响。
10.有利地，额外部件设计成使得6轴定位系统能够可释放地锁定在6轴定位系统的整个工作空间中。因此，至少一个额外部件能够跟随活动单元在工作空间中的移动，然后将其锁定在期望的目标位置。因此，在整个工作空间中提供益处。
11.根据一个实施例，所述可释放式锁定制动器是压电制动器。这可以非常精确地控制，使得制动过程本身不影响目标位置。
12.根据进一步的实施例，所述可释放式锁定制动器可以是吸气制动器(真空制动器)。通过少量的努力提供这是非常便宜的。
13.尤其为了对称性的原因，根据一个实施例，有利的是设置至少两个、优选三个可变长度的额外部件以用于锁定6轴定位系统。一个额外部件被分派给两个致动器中的每个的这种变型是特别有利的。均匀分布还使得可以在相应的工作空间中实现均匀的加强。
14.因此，所述额外部件可以设计成增加所述6轴定位系统在锁定状态下的刚性和固有频率。尤其，对于重负载6轴定位系统，这是特别有利的，因为即使高负载也可以使用更有利的6轴定位系统以非常高的位置精度布置。
15.尤其在重负载6轴定位系统中，非常高的力通常作用在竖直方向上。因此，如果额外部件是如此长度可变且枢转地连接至基座和活动单元，以致于额外部件相对于竖直线或由基座跨越的平面的垂直线可移动地布置在最大
±
45
°
(优选最大
±
30
°
)的角范围内，则是有利的。在基本位置，基座和活动单元通常分别水平布置，使得产生参考竖直线的角度。然
而，原则上，6轴定位系统本身可以采取不同的角位置，即，例如，基座可以倾斜离开水平方向，这就是为什么参考竖直方向是有利的。由基座跨越的平面例如由包含额外部件的接合点或致动器的接合点的中心的平面给出。以这种方式布置的额外部件具有加强效果，尤其关于主要竖直引入的力。
16.在另一有利的实施例中，所设置的是，六个致动器分成两组，第一组的致动器布置在基座上由第二组的致动器界定的区域内，以及布置在活动单元上。优选地，不同组的致动器还被不同地配置。因此，具有延长的工作空间的活动单元可以被围绕附接至活动单元的第一组的致动器的端部移动。这样，能够将第一组的这三个致动器配置成短于第二组的三个致动器，如果需要，能够为它们提供更大的升力。因此，在第一组和第二组的致动器之间的工作的一种划分是可行的，从而总体上导致具有延长的工作空间的更紧凑的、尤其更平坦的设计。此外，当采取期望的目标位置时，额外部件支持所述加强。
17.方便地，至少一个额外部件可以位于基座以及活动单元上，相对于第一组的致动器位于更靠外，优选在第一组的致动器和第二组的致动器之间的区域中。通过此，尤其，由第一组的三个致动器支撑的范围之外引发的倾斜力附加地由至少一个部件支撑。尽管由于第一组的致动器的布置而实现了更大的枢转能力，但仍能实现稳定的定位。
18.在另一实施例中，所设置的是，第一组的致动器是如此长度可变且枢转地连接至基座和活动单元，以致于第一组的三个致动器中的每个相对于竖直线或由所述基座跨越的平面的垂直线可移动地布置在最大
±
30
°
、优选最大
±
15
°
的角度范围内，并且第二组的三个致动器是如此长度可变且枢转地连接至基座和活动单元，以致于第二组的三个致动器中的每个相对于水平线或由所述基座跨越的平面的平行线可移动地布置在≥0
°
至最大45
°
、优选≥0
°
至最大30
°
的角度范围内。这种布置允许负载的主要部分被第一组的三个致动器接收，而第二组的三个致动器主要用于定位。随着致动器长度的相应变化，比率随后改变，主提升负载仍然由第一组的三个致动器承载。至少一个额外部件然后稳定在对应的目标位置。由于角度规格，第二组的三个致动器通常比第一组的三个致动器更平坦地布置。
19.在其极端情况下，第二组的三个致动器因此可以平坦或水平地定位在最小行程位置，并且以锐角定位在最大行程位置。总的来说，这导致非常平坦和紧凑的设计。在这种布置中，第二组的三个致动器需要较高的定位路径。这只有在这三个致动器横向移动经过第一组的三个致动器时才是可能的。还可以有经过至少一个额外部件的通路，或者在第二组的三个致动器之间可以留有空间，用于放置至少一个额外部件。
20.优选地，第一组的三个致动器可以配置为重负载致动器，具有比第二组的三个致动器更大的负载能力。尽管也可以使用标准的也相同的部件，但优选的是，第一组的三个致动器和第二组的三个致动器被不同地配置。存在这样的可行性：第一组的三个致动器至少是第二组的致动器的负载强度的两倍，进一步优选地至少是三倍。
21.进一步地，本发明涉及一种提供6轴定位系统的方法，该系统包括基座、活动单元以及六个可变长度致动器。每个致动器的一端连接至基座，并且每个致动器的另一端连接至活动单元，该方法包括以下步骤：
22.通过六个可变长度致动器的相互作用，将活动单元相对于基座移动到预定目标位置，以及
23.锁定6轴定位系统，以便借助于至少一个额外部件增加6轴定位系统在目标位置的
刚性和固有频率，除了所述致动器，所述额外部件以可变长度方式布置在所述基座和所述活动单元之间。
24.因此，六个致动器本身不必配置成使得它们在指定目标位置提供系统的必要的刚性和固有频率，而是致动器能够相对于所使用的至少一个额外部件相应地适配，因为借助于至少一个额外部件发生目标位置的刚性和固有频率的增加。因此，更复杂配置的致动器可以更便宜，或者用于更不寻常的分组，而不会损害工作空间中的目标位置的必要刚性和固有频率。
25.优选地，当活动单元借助于六个可变长度致动器的相互作用移动时，额外部件可以与活动单元一起被动地移动。因此，因为活动单元的移动被保留用于六个可变长度致动器，所以在没有显著阻力或支撑的情况下实现拖曳或伸缩。然而，存在至少一个活动单元提供阻尼的额外可能性。然而，活动单元的主要目的是将其锁定在目标位置并且增加系统的刚性和固有频率。
附图说明
26.在下文中，参照附图更详细地解释本发明的示例性实施例。唯一的附图示出了根据本发明的6轴定位系统的实施例的立体图。
具体实施方式
27.图中所示的6轴定位系统1的第一实施例具有三角形平台形式的基座2和同样三角形平台形式的活动单元3，以及布置在它们之间的致动器，下面将更详细地描述。基座2和活动单元3中的每个由基本均匀厚度的板形成，优选由金属(诸如钢)形成。布置在基座2和活动单元3之间的致动器被分组为包括致动器5.1、5.2和5.3的第一组4和包括致动器7.1、7.2和7.3的第二组6。致动器5.1、5.2和5.3在功能和构造上与致动器7.1、7.2和7.3不同，而相应组4或6的致动器具有相同的构造。第一组4的致动器5.1、5.2和5.3以它们的下端8枢转地布置在基座2上并且它们的上端9枢转地布置在活动单元3上。枢转布置例如是万向接头(万向节)的形式，使得围绕两个轴线的枢转运动是可行的。为了更紧凑的布置，基座2具有窗口凹部10，用于安装每个致动器5.1、5.2和5.3的下端8，使得万向接头的轴线安装在窗口凹部10内。类似地，活动单元3设置有三个窗口凹部11，用于致动器5.1、5.2和5.3的上端9的枢转布置。再次，相应的万向接头的轴线固定在窗口凹部11中。
28.致动器7.1、7.2和7.3的下端枢转地布置在相应的轴承座13上，轴承座13布置在基座2上。对于枢转布置，万向接头再次优选地用于围绕两个轴线枢转。以类似的方式，致动器7.1、7.2和7.3的上端14借助于附接至活动单元3的轴承座15布置。而且在上端14处，枢转布置优选地借助于围绕两个轴线枢转的万向接头。
29.由于所选择的布置，第一组4的致动器5.1、5.2和5.3比第二组6的致动器7.1、7.2和7.3更直立地布置。对于这种布置还有帮助的是窗口凹部10和11以及两个轴承座13和15。与相应轴承座13或15相比，每个窗口凹部10和11分别位于基座2或活动单元3的更靠内部。由此，第一组4的致动器5.1、5.2、5.3布置在基座2或活动单元3上由第二组6的致动器7.1、7.2、7.3界定的区域内。由于负载经由活动单元3从上方施加，因此还可行的是主负载由致动器5.1、5.2、5.3承担。因此这些致动器构造成重型致动器，具有比第二组6的三个致动器
7.1、7.2、7.3高得多的负载能力。所有6个致动器的长度可调节(伸缩式)，并且由无刷dc电动机驱动。6轴定位系统的基本操作和控制本身是已知的，因此将不在此更详细地讨论。在任何情况下，活动单元3能够相对于基座2升高、降低或移位，并且围绕所有三个空间轴线倾斜。致动器5.1、5.2、5.3和7.1、7.2和7.3的可调节性以及它们的布置决定了可能的工作空间。由于所使用的驱动技术，即使在当前重负载区域中也存在非常精确的控制和定位。
30.对致动器5.1、5.2、5.3和7.1、7.2、7.3的补充，设置了呈伸缩单元形式的三个可变长度的额外部件16。与致动器5.1、5.2、5.3和7.1、7.2和7.3类似，部件16均匀地或对称地布置在基座2和活动单元3上。部件16的下端17枢转地安装至基座2，上端18枢转地安装至活动单元3。这以类似于第一组4的致动器5.1、5.2、5.3的方式发生，例如以万向接头(万向节)的方式，使得围绕两个轴线的枢转运动是可行的。额外部件16设置有锁定制动器19(例如，压电制动器或真空制动器)，借助于锁定制动器，它们可以在任何时候被锁定或解锁。否则，当锁定制动器19打开时，额外部件16自由地改变长度而没有显著的阻力，由于致动器5.1、5.2、5.3和7.1、7.2、7.3的致动，长度的变化是被动的。
31.在图中所示的6轴定位系统1的基本位置，其中基座2和活动单元3彼此平行地对准，即第一组4的致动器5.1、5.2和5.3具有相同的长度，第二组6的致动器7.1、7.2和7.3具有相同的长度。此外，致动器5.1、5.2和5.3处于它们的完全缩回位置，这就是为什么致动器7.1、7.2和7.3也采取它们尽可能更向下的枢转位置。在该基本位置，致动器5.1、5.2和5.3以它们的主轴线精确地竖直对准，即它们垂直于由基座2跨越的平面。在该位置中，致动器7.1、7.2和7.3相对于水平线或由基座2跨越的平面的平行线具有大约0
°
的角度。
32.部件16在该位置略微倾斜到竖直之外，并且布置成相比于下端17靠近第一组4的下一致动器5.1、5.2、5.3中的每个的下端8的程度，其上端18更靠近第一组4的下一致动器5.1、5.2、5.3中的每个的上端9。相对于竖直方向的倾斜角为约10
°
。此外，额外部件16相对于第一组4的致动器5.1、5.2和5.3放置在基座2和活动单元3两者的进一步向外。然而，这些致动器5.1、5.2、5.3中的每个被分配相邻的搭档(部件16)。该布置大致在第二组6的两个致动器7.1、7.2、7.3之间的空间中。如果第二组6的致动器7.1、7.2和7.3的轴线延伸成使得它们形成三角形，则第一组4的致动器5.1、5.2、5.3以及额外部件16也布置在该三角形内。这导致紧凑的分组，即，除其他事项之外，这确保即使在致动器5.1、5.2和5.3的小行程下也能发生相对大的枢转。然而，在致动器5.1、5.2和5.3以及7.1、7.2和7.3的相互作用中精确定位是可行的。
33.在图中所示的致动器5.1、5.2和5.3的完全缩回位置，第二组6的致动器7.1、7.2和7.3比第一组4的致动器5.1、5.2和5.3长得多。因此，第二组6的致动器7.1、7.2和7.3的最大调节路径基本大于第一组4的致动器5.1、5.2和5.3的最大调节路径。
34.额外部件16配置成使得当活动单元3采取受控目标位置时，这些部件借助于第一组4的致动器5.1、5.2、5.3和第二组6的致动器7.1、7.2和7.3激活锁定制动器19，因此以锁定方式加强整个6轴定位系统1。这增加了系统1的总体刚性及其固有频率，使得即使在重负载操作中也可以执行非常准确且加强的定位。
35.在下文中，更详细地解释所示实施例的作用和操作模式。
36.致动器5.1、5.2和5.3以及7.1、7.2和7.3的驱动器的目标控制，导致了活动单元3相对于基座2的目标定位。在给定工作空间内所希望的6轴定位是可行的。主负载在升降期
间由第一组4的致动器5.1、5.2和5.3承载。因此这些致动器配置为相应的重负载致动器，使得可以移动相当大的负载。第一组4的致动器5.1、5.2和5.3相对于竖直线或由基座2跨越的平面的垂直线，仅枢转有限的角度范围(最大
±
30
°
，优选地最大
±
15
°
)。致动器7.1、7.2和7.3也适于相对于水平线或由基座2跨越的平面的平行线p仅枢转有限的角度范围(≥0
°
至最大45
°
)。
37.例如，通过缩短或伸缩第二组6的致动器7.1、7.2和7.3以及相应枢转和延长第一组4的致动器5.1、5.2和5.3，活动单元3可以相对于基座2旋转，甚至无需改变距离。总体上，致动器7.1、7.2和7.3的所需路径大于致动器5.1、5.2和5.3的所需路径。
38.可变长度的额外部件16在这些定位操作期间被动地移动。这通过一起移动或伸缩来进行，这取决于移动方向。一旦借助于第一组4的致动器5.1、5.2、5.3和第二组6的致动器7.1、7.2、7.3已经采取了所期望的目标位置，锁定制动器19就被设定，并且6轴定位系统1被锁定在目标位置中。部件16配置为显著增加6轴定位系统1在目标位置的刚性和固有频率。这是特别必要的，因为在示出的实施例中，第一组4的致动器5.1、5.2和5.3更居中，并且因此活动单元3的移动可能以较小的加强来产生。部件16在这里提供适当的补偿，使得甚至重负载系统也能够以高精度操作并控制它们的目标位置。一旦进一步移动发生，锁定制动器19被再次释放并且部件16被动地随之移动。在锁定制动器19的区域中产生的任何热量不会直接影响第一组的致动器5.1、5.2、5.3和第二组的致动器7.1、7.2、7.3的驱动器。以此方式，精度得到提高。
39.总之，结果是6轴定位系统1是紧凑的，尤其是平坦的，能够以所需刚性承受高负载。这是通过两个致动器组4、6的适当分组和功能划分以及可锁定部件16的辅助来实现。还应注意的是，为了清楚起见，在图中省略了电连接和任何其他连接的呈现以及传感器系统的呈现。在此示出的6轴定位系统1根据用于这种类型已知系统(六足)的最佳已知程序来控制和调节。
40.附图标记列表
41.16轴定位系统
42.2基座
43.3活动单元
44.4第一组
45.5.1、5.2、5.3致动器
46.6第二组
47.7.1、7.2、7.3致动器
48.8下端
49.9上端
50.10窗口凹部
51.11窗口凹部
52.12下端
53.13轴承座
54.14上端
55.15轴承座
56.16 部件
57.17 下端
58.18 上端
59.19 锁定制动器