k 19 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA 11 k Número de publicación: 2 179 706 21 k Número de solicitud: 009900283 1 k Int. Cl. 7 : B2J 17/02 k 12 SOLICITUD DE PATENTE A1 k 22 Fecha de presentación: 11.02.1999 k 43 Fecha de publicación de la solicitud: 16.01.2003 k 71 Solicitante/s: FUNDACION FATRONIK Poĺıgono Industrial Ibaitarte, 1 20870 Elgoibar, Guipúzcoa, ES k 72 Inventor/es: Sáenz Fernández, Agustín J. y Collado Jiménez, Valentín k 43 Fecha de publicación del folleto de la solicitud: 16.01.2003 k 74 Agente: Urizar Barandiarán, Miguel Angel k 4 Título: Módulo con movimiento cinemático paralelo de ejes ortogonales. k 7 Resumen: Módulo con movimiento cinemático paralelo de ejes ortogonales, que consta de una estructura fija o bancada, una estructura pasiva con, al menos, una tijera cinemática unida por uno de sus extremos a la estructura fija y por el otro extremo a una estructura móvil plana, siendo articulada una de dichas uniones; y una estructura móvil espacial portadora del cabezal de trabajo y que puede desplazarse linealmente respecto a la estructura móvil plana; y unos brazos con una unión por un extremo a la estructura fija y por el otro extremo con una unión a la estructura móvil espacial, siendo una de las uniones de dos grados de libertad y la otra unión de tres grados de libertad; y medios para accionar el movimiento de los brazos. De aplicación en máquinas herramientas. ES 2 179 706 A1 Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 28036 Madrid
1 ES 2 179 706 A1 2 DESCRIPCION Módulo con movimiento cinemático paralelo de ejes ortogonales. La máquina en cuestión se trata de un módulo con movimientos sincronizados en paralelo de manera que combinados entre sí generan los tres ejes coordinados en la herramienta o garra, su aplicación preferente se centra en máquinas transfer, centros de mecanizado, módulos ágiles y/o aplicaciones de manipulación de componentes. El presente invento está concebido como la próxima generación de máquinas que aplicado en distintas disposiciones u utilidades puede facilitar el ajuste de determinadas empresas fabricantes de maquinaria a la demanda de sectores tan exigentes como el de automociónuasímanteneromejorar la capacidad competitiva en este mercado que durante los últimos años viene consumiendo, de forma directa o indirecta, más del 0 % de la producción de máquina-herramienta. Las actuales exigencias de este tipo de mercados están obligando a los fabricantes de maquinaria a adoptar cada vez soluciones constructivas cada vez máscreativasydistintasalasmáquinas convencionales ya que éstas están dentro de su optimización límite para la mayoría de sus parámetros básicos de diseño. En este sentido las soluciones de cinemática paralela, es decir máquinas que poseen sus accionamientos trabajando simultáneamente en lugar de desacoplados, aportan un salto cualitativo a muchos de los problemas existentes. Una de las primera aplicaciones de máquinas con arquitectura no cartesiana, están basadas en la cinemática paralela de la plataforma de Stewart para la fabricación de simuladores aéreos (finales de los años 60). En el caso de esta máquina: el cabezal está montado en una plataforma soportada por seis ejes telescópicos. Los ejes están directamente conectados a la mesa fija. La longitud de los ejes telescópicos determina la posición del cabezal, el cual se mueve con seis grados de libertad (3 traslaciones y 3 rotaciones) donde el ángulo máximo permisible queda restringido a 30. Como consecuencia de ello, los ejes cartesianos no aparecen como tales y sólo existen de una forma virtual en el sistema de control. La diferencia principal con los mecanismos cartesianos estriba en que no hay solo una cadena cinemática que transmita todas las fuerzas, sino que en el caso de seis ejes, éstos forman seis cadenas cinemáticas paralelas donde las fuerzas quedan distribuidas. En estos, cada eje define un grado de libertad ytransmitesólo fuerzas puramente de tracción o de compresión en la dirección de la posición del eje. En los mecanismos paralelos, ningún eje arrastra a otro. Y por ello, la masa a mover es considerablemente inferior a la de las máquinas convencionales. Las fuerzas quedan distribuidas sobre todos los ejes. Por lo tanto, los mecanismos paralelos con masas a mover muy pequeñas, pueden fabricarse muy rígidos. La combinación de masas a mover pequeñas y alta rigidez hacen que los mecanismos paralelos sean de especial interés 2 10 1 20 2 30 3 40 4 0 60 6 en el mecanizado a alta velocidad. Sin embargo, los ejes telescópicos son difíciles de concebir con la suficiente rigidez. Así mismo, el área de trabajo del hexápodo es siempre simétrico en rotación y no puede diseñarse arbitrariamente. Así mismo,loshexápodos son en los prototipos actuales relativamente grandes. En la actualidad se está tratando de desarrollar soluciones cuya cinemática tiene las ventajas de las estructuras paralelas pero que evita alguna de las desventajas. Ejes montados sobre correderas que se mueven en guías paralelas, motores lineales que sirven como accionamientos. El solicitante ha desarrollado un módulo con movimiento cinemático paralelo que presenta las siguientes características y ventajas respecto a lo conocido. La presente invención consta de varios elementos estructurales: La estructura pasiva, sin accionamientos, que soporta los movimientos en un plano se basa en una o varias tijeras cinemáticas articuladas en al menos una arista. Esta estructura móvil tiene como función la absorción esfuerzos en los tres ejes cartesianos y en los tres momentos. A esta estructura pasiva se le unen por un lado una estructura fija que soporta toda la máquina y por el otro una estructura móvil que porta el cabezal mediante los guiados pertinentes. Por otro lado existen unos brazos que se unen por un lado a la estructura fija y por el otro alaestructuramóvil que porta el cabezal o la garra mediante juntas cardan o mediante juntas de rótula esférica. Dichos brazos activos son los que llevan implementados los accionamientos. La distribución en el espacio de los puntos de amarre a la estructura fija, a la móvil y a los brazos ha de estar calculada en función de la rigidez, velocidad y aceleración de que se quiera dotar a la herramienta. La presente invención presenta una serie de ventajas muy importantes tanto desde el punto de vista estructural como desde el punto de vista cinemático y dinámico. - La configuración anteriormente descrita presenta unas rigideces mínimas en cualquier punto de su volumen de trabajo tres veces superiores a las de cualquier máquina convencional. Esto se debe a la combinación de una buena posición de elementos estructurales móviles en el espacio unidosaloselementospasivos. - El volumen de trabajo de la máquina en mm 3 es más de dos veces superior al de una máquina con el mismo cubo de trabajo. - El ratio de volumen de máquina ocupado frente al cubo de trabajo alcanzable por la herramienta o garra es análogo al de la más exigente de las máquinas con accionamientos en serie y muy superior al de las máquinas existentes con accionamientos en paralelo. - Desde el punto de vista de su utilización en sectores donde la anchura de máquina es fundamental puesto que se configuran líneas de fabricación y por tanto la mínima distancia de transferencia entre módulos es crítica, se puede afirmar que la presente invención optimiza la cota de anchura frente al curso (área de trabajo) solicitado en esa dimensión ya que para cotas de máquina
3 ES 2 179 706 A1 4 de 1 obtenemos cursos (áreas de trabajo) posibles de 0,8. - En la configuración más sencilla del invento el número de accionamientos utilizados es igual al de los ejes controlados del movimiento, en este aspecto es claramente mejor que las soluciones de cinemática paralela tradicionales con seis brazos y cinco ejes. - La combinación de elementos estructurales activos tipo barra junto con las estructuras pasivas articuladas permiten soportar momentos flectores enormemente más altos que el resto de soluciones donde sólo se dispone de tres estructuras tipo barra. - El peso que tienen que mover los accionamientos es notablemente inferior al de una máquina convencional con movimientos de cursos (o áreas de trabajo) similares. -Elnúmero de componentes que conforman esta máquina es notablemente inferior al de una máquina convencional con lo que tanto su coste final como el montaje de la misma se abaratan sustancialmente. - Al no existir elementos estructurales tales como carros y piezas intermedias los mecanizados necesarios y por tanto su coste se reduce considerablemente. - La distribución del volumen de trabajo posible para la Máquina hace posible circunscribir un cubo ortogonal de trabajo pero deja libres extracursos (áreas de trabajo extras) que pueden ser aprovechadas para realizar actividades colaterales como cambios de herramienta, chequeo de herramienta, etc., sin necesidad de invadir la zona de la pieza. - Lavariantemás compleja de la máquina, con un accionamiento suplementario, permite controlar el giro relativo de la estructura que abraza el soporte de cabezal en tomo al eje Z. De este modo se pueden conseguir posiciones de mayor rigidez. -La disposición de la máquina en el espacio con relación a la estructura fija puede variar sin afectar en modo alguno al comportamiento de la invención. Esto, sin embargo, puede permitir al cliente elegir mayores cursos en alguno de los ejes aleatoriamente sin un coste adicional del fabricante. Para comprender mejor el objeto de la presente invención, se representa en los planos una forma preferente de realización práctica, susceptible de cambios accesorios que no desvirtúen su fundamento. La figura 1 es una representación esquemática y en perspectiva de una realización práctica con tres brazos activos del móduloobjetodelinvento. La figura 2 es una representación esquemática y en perspectiva de una realización práctica con tres brazos activos del móduloobjetodelinvento, más un accionamiento suplementario. Se describe a continuación un ejemplo de realización práctica, no limitativa, del presente invento. Se disponen unos brazos activos (tres en la figura 1) (1, 2, 3) que en esta realización son unos husillos a los que se les dota de movimiento por un sistema convencional como motor, motorreductor, poleas, o cualquier otro medio de transmisión. 10 1 20 2 30 3 40 4 0 60 6 Los brazos (1), (2), (3) se unen por un extremo a la estructura fija o bancada (16) por medio de juntas (11), (12), (13) con dos grados de libertad como las juntas universales o cardan, y por el otro extremo se unen a una estructura móvil espacial (4) mediante juntas (1) de tres grados de libertad, tales como las esféricas o rótulas. El invento prevé que las juntas con tres grados de libertad sean las del extremo que se une a la bancada (16) y las juntas con dos grados de libertad sean las que se unen a la estructura móvil espacial (4). La estructura móvil espacial (4) porta el cabezal o la garra () que se traslada con movimientos ortogonales según los tres ejes coordenados en el espacio arrastrada por el movimiento de los brazos (1), (2), (3). La unión de la estructura móvil espacial (4) a la estructura móvil plana (6) se realiza mediante guiados lineales (14) que permiten su movimiento relativo según Z. La estructura móvil plana (6) se une a su vez a la estructura fija o bancada mediante una estructura pasiva, sin accionamientos, constituida por una o varias tijeras cinemáticas (7-8, 9-10), con su articulación (20) correspondiente. Estas tijeras presentan en un extremo una unión (18) a la bancada (16) y por el otro extremo una unión (17) a la estructura móvil plana (6). Dichas uniones (17), (18) deben de ser articuladas, con excepción de en una de las tijeras, en la que una de dichas uniones (17), (18) debe de ser fija. En la figura 1, uno de los extremos (17) de la tijera (7, 8) está empotrado en la estructura móvil plana (6). En la figura 2 se presenta una variante con un accionamiento suplementario (21) que origina el desplazamiento según el eje Z de la estructura móvil espacial (4) respecto a la estructura móvil plana (6). En este caso es válidotodolodichoanteriormente para un módulo de tres brazos, salvo en lo referente a las tijeras las cuales han de tener articuladas de uniones de ambos extremos, controlándose en consecuencia el giro en tomo al eje Z del cabezal (). En relación a los accionamientos, el presente invento no presenta ninguna limitación y se ha diseñado con posibilidad de incluir tanto accionamientos directos desde el motor como con posibles reducciones y/o ampliaciones de revoluciones. En ambos casos se accionan los brazos activos. Una de las principales mejoras diferenciadoras de esta nueva solución y como ya se ha comentado anteriormente, es la prestación que ofrece en cuanto a velocidades y aceleraciones posibles a conseguir en la herramienta. En todos los puntos del espacio de trabajo y según cualquier dirección se podrán lograr unas velocidades y aceleraciones como mínimo iguales o, en la mayoría de los casos, superiores a las dadas por cada uno de los brazos accionados. El comportamiento del invento desde un punto de vista dinámico de modos y frecuencias naturales resulta ser así mismo ventajoso pues la rigidez aumenta reduciendo la masa con respecto a una máquina convencional. 3
ES 2 179 706 A1 6 REIVINDICACIONES 1. Módulo con movimiento cinemático paralelo de ejes ortogonales, caracterizado porque consta de: a) una estructura fija o bancada; b) una estructura pasiva que consta de, al menos, una tijera cinemática con una unión porunextremoalaestructurafijayporel otro extremo con una unión a una estructura móvil plana, siendo articulada una de dichas uniones; c) una estructura móvil espacial portadora del cabezal de trabajo y que puede desplazarse linealmente respecto a la estructura móvil plana; d) unos brazos con una unión por un extremo a la estructura fija y por el otro extremo con una unión alaestructuramóvil espacial, siendo una de las uniones de dos grados de 10 1 20 2 libertad y la otra unión de tres grados de libertad; e) medios para accionar el movimiento de los brazos. 2. Módulo con movimiento cinemático paralelo de ejes ortogonales, según reivindicación anterior, caracterizado porque se dispone de varias tijeras cinemáticas en las que una de ellas presenta fija la unión de uno de sus extremos, siendo ambas uniones articuladas en el resto de las tijeras cinemáticas. 3. Módulo con movimiento cinemático paralelo de ejes ortogonales, según reivindicación primera, caracterizado porque consta de un accionamiento para desplazar linealmente la estructura móvil espacial respecto a la estructura móvil plana y disponiéndose que la(s) tijera(s) cinemática(s) presenten articuladas ambas uniones. 4. Módulo con movimiento cinemático paralelo de ejes ortogonales, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los brazos son tres. 30 3 40 4 0 60 6 4
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OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA k 11 ES 2 179 706 k 21 N. solicitud: 009900283 k 22 Fecha de presentación de la solicitud: 11.02.1999 k 32 Fecha de prioridad: INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA k 1 Int. Cl. 7 : B2J 17/02 DOCUMENTOS RELEVANTES Categoría Documentos citados Reivindicaciones afectadas X EP 081262 A1 (VDW e.v.) 17.12.1997, columna 7, líneas 1-20; 1 figura. A 2,3 A US 39291 A (REBOULET CLAUDE) 23.07.1996, columna, 1 línea 3 - columna 6, línea 31; figuras 1,2. A EP 0674969 A1 (RENISHAW PLC) 04.10.199, resumen; figura 8. 1 Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud El presente informe ha sido realizado para todas las reivindicaciones para las reivindicaciones n : Fecha de realización del informe Examinador Página 26.11.2002 J. Merello Arvilla 1/1