Zur optimalen Gestaltung von Parallelkinematikmaschinen mit Planarantrieben

Zentner, Johannes GND

Abstract The outstanding properties of parallel kinematic machines on the basis of planar drives are the large work space compared to the size of their mechanical structure and the extended and uniform movability within the work space. The force of commercially available planar drives is limited. Therefore, this thesis investigates opportunities for increasing the available propulsion and endeffector forces and torques exemplarily based on the parallel kinematic machine TRIPLANAR. By means of a suitable model of the TRIPLANAR a methodology was proposed for the determination of the optimal configuration of the TRIPLANAR with regard to the available force for the compensation of external loads. On the basis of this methodology an optimization of the existing TRIPLANAR prototype was provided. As a result a more than 50% larger available force is obtained. Investigations on scaling the TRIPLANAR yielded that for configurations of the TRIPLANAR which use the full work and orientation space there exists an upper limit of the available force. Increasing this value is only possible through an increased force density of the planar drives for example by using new drive principles. For a series of commercially available planar hybrid stepping-drives the maximally available propulsion and end- effector forces and torques were determined. This shows that also applications with comparatively large end-effector force and torque requirements can be implemented with the TRIPLANAR. But a mechatronic design of the whole system oriented towards the specific application is a prerequisite. Additionally alternative drive concepts were evaluated with regard to their applicability within the TRIPLANAR. An interesting approach is the use of two-axis-tables based on linear synchronous motors which provide the largest force density currently available. However, limitations of the movability properties of the TRIPLANAR must be accepted.

Die herausragenden Eigenschaften der Parallelkinematikmaschinen auf der Basis von Plana-rantrieben sind der große auf die Abmessungen der mechanischen Struktur bezogene Arbeitsraum sowie die hohen und gleichmäßigen Beweglichkeitseigenschaften innerhalb des Arbeitsraums. Die Kraft der kommerziell verfügbaren Planarantriebe ist begrenzt. Deshalb werden in der vorliegenden Arbeit Möglichkeiten zur Erhöhung der nutzbaren Antriebskraft sowie der am Endeffektor verfügbaren Kräfte und Momente anhand der Parallelkinematikmaschine TRIPLANAR exemplarisch untersucht. Mit Hilfe eines geeigneten TRIPLANAR-Modells wurde eine Methodik zur Bestimmung der optimalen TRIPLANAR-Konfiguration hinsichtlich der nutzbaren Antriebskraft zur Kompensation applikationsbedingter Kräfte und Momente entwickelt. Die mit dieser Methodik durchgeführte exemplarische Optimierung des existierenden TRIPLANAR-Prototyps ergab, dass die nutzbaren Antriebskräfte um mehr als 50% gesteigert werden können. Untersuchungen zur Skalierung des TRIPLANAR ergaben, dass für TRIPLANAR-Konfigurationen, die ihren vollen Orientierbarkeitsraum nutzen, ein Grenzwert der in einer kritischen Lage nutzbaren Antriebskraft existiert. Eine Steigerung dieses Wertes kann nur durch Erhöhung der Antriebskraftdichte, unter anderem mittels neuer Antriebskonzepte, erfolgen. Für eine Modellreihe kommerziell verfügbarer planarer Hybridschrittmotorantriebe wurden die Höchstwerte der erreichbaren nutzbaren Antriebskräfte sowie der am Endeffektor verfügbaren Kräfte und Momente ermittelt. Damit wurde gezeigt, dass mit dem TRIPLANAR prinzipiell auch Applikationen mit vergleichsweise hohen Anforderungen an die Kräfte und Momente am Endeffektor realisiert werden können. Ein auf die konkrete Applikation orientierter mechatronischer Entwurf des Gesamtsystems ist dafür allerdings Voraussetzung. Außerdem wurden alternative Antriebskonzepte hinsichtlich des Einsatzes im TRIPLANAR evaluiert. Dabei wurde festgestellt, dass der Einsatz von Kreuztischen auf der Basis von linearen Synchronantrieben, mit denen gegenwärtig die höchsten Antriebskraftdichten erreicht werden ein besonders interessanter Ansatz ist. Allerdings müssen dabei Einschränkungen der Beweglichkeitseigenschaften des TRIPLANAR hingenommen werden.

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Zentner, Johannes: Zur optimalen Gestaltung von Parallelkinematikmaschinen mit Planarantrieben. 2006.

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