Mehr Beweglichkeit

Nachgiebige Mechanismen eignen sich als elastische Getriebe. Im Verlauf der Entwicklung der Getriebe- beziehungsweise Mechanismentechnik in den letzten Jahrzehnten ist es inzwischen üblich, zwischen...

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Nachgiebige Mechanismen eignen sich als elastische GetriebeIm Verlauf der Entwicklung der Getriebe- beziehungsweise Mechanismentechnik in den letzten Jahrzehnten ist es inzwischen üblich, zwischen Starrkörpermechanismen und nachgiebigen Mechanismen zu unterscheiden. Die gut bekannten Räder-, Kurven- und Koppelgetriebe sowie einige andere Getriebearten werden in der großen Gruppe der Starrkörpergetriebe zusammengefasst. Bei ihnen können starre Getriebeglieder vorausgesetzt werden, die durch Gelenke mit einem eindeutigen Gelenkfreiheitsgrad und exakt angebbaren Bewegungsachsen verbunden sind. Unter der Bezeichnung ,,nachgiebige Mechanismen" werden demgegenüber Getriebe oder Mechanismen verstanden, deren Bewegungsvermögen und Funktion ausschließlich oder aber auch nur zum Teil auf der definierten elastischen Deformation von Bestandteilen ihrer Struktur beruhen. Ihre Funktion wird also erst durch das Vorhandensein elastisch nachgiebiger Strukturelemente überhaupt möglich. Einige dieser Mechanismen sind seit Jahren bekannt und werden vielfältig eingesetzt (beispielsweise hochübersetzende Zahnradgetriebe mit elastisch verformbarem Zahnkranz), andere sind erst in jüngster Zeit auf Grund spezifischer Forderungen der industriellen Entwicklung entstanden (zum Beispiel Miniatur- und Mikrogreifermechanismen, Mikropositioniersysteme mit Festkörperführungen). Die Erzeugung sowie die Übertragung und Wandlung von Bewegungen und Kräften sowie Momenten durch Mechanismen auf der Basis ausschließlich nachgiebiger beweglicher Strukturen ist meistens nur in relativ kleinen Kraft- und Wegbereichen möglich. Demgegenüber sind durch Starrkörpergetriebe große rotatorische oder translatorische Bewegungen möglich. Auf Grund der Beweglichkeit nachgiebiger Mechanismen in den Grenzen elastischer Verformungen besitzen diese aber auch federnde Eigenschaften. Sie können demzufolge potentielle Energie speichern und auch wieder abgeben. Das bekannte Bauelement Feder erzeugt in den unterschiedlichen Ausführungsformen als Zug-, Druck-, Biege- oder Torsionsfeder entsprechende Kräfte und Momente. Es erfüllt damit Hilfsfunktionen im Starrkörpergetriebe, wie die Kraftpaarung im Kurvengelenk, die Reduzierung von Spiel in Verzahnungen, die Dämpfung von Stößen und ähnliches. Im Unterschied dazu ist im nachgiebigen Mechanismus die Federeigenschaft integraler Bestandteil der nachgiebig beweglichen Struktur und funktionsrelevant mit mechanismentechnischen Eigenschaften und Begriffen, wie Übertragungsfunktion, Übersetzung, Belastungszustand verbunden. Zug-, Druck-, Biege- und Torsionsbelastungen treten in nachgiebigen Strukturabschnitten kombiniert in unterschiedlicher Größe auf und sind nicht separierbar.Präzisionstechnik fordert andere GetriebeZur Untersuchung des Bewegungsverhaltens sind nachgiebige Mechanismen als Kontinuum zu betrachten. Für die Analyse und Synthese ist die Nutzung der Finite-Elemente- Methode erforderlich.Spezifische Forderungen, die zur Entwicklung von nachgiebigen Mechanismen geführt haben, sind:- Gestaltung montagearmer oder montagefreier Baugruppen,- Reduzierung von Bauteilen durch Integration von Funktionen,- Miniaturisierung von Bauteilen und Baugruppen,- Realisierung extrem hoher Übersetzungen durch einstufige Zahnradgetriebe mit wenigen massearmen Gliedern,- Umsetzung von Bewegungen höchster Genauigkeit und Feinfühligkeit in der Feinwerk- und Präzisionstechnik (Mikrotechnik, Nanotechnik),- Vermeidung von Spiel, Reibung und Verschleiß und somit Erzielung von Reinraumtauglichkeit und Wartungsfreiheit.Nachgiebige Mechanismen können ebenso wie Starrkörpermechanismen sowohl für Übertragungs- als auch für Führungsaufgaben konzipiert und eingesetzt werden.Das zunehmende Interesse an stoffkohärenten nachgiebig beweglichen Strukturen fördert die Forschungsarbeiten auf diesem bisher wenig erschlossenem Gebiet und hat Auswirkungen auf den Aufbau, die Funktion und die bisherige Einteilung der Mechanismen.Neben den bekannten Gelenkbauarten mit Form- oder Kraftpaarung der beiden Gelenkelemente gewinnen stoffschlüssig gelenkig bewegliche Verbindungen an Bedeutung. Für die zweckmäßige Gestaltung und Anordnung von stoffschlüssig gelenkig beweglichen und relativ starren Strukturabschnitten zu einem bewegungsfähigen System hat sich inzwischen weitgehend die Bezeichnung nachgiebiger Mechanismus (compliant mechanism) durchgesetzt. Die Einbeziehung starrer, biegeschlaffer unelastischer und elastisch nachgiebiger Elemente in den Aufbau mechanismentechnischer Strukturen erlaubt die prinzipielle Einteilung der Mechanismen oder Getriebe in drei Gruppen:- Starrkörpermechanismen,- Mechanismen mit starren und biegsamen aber nicht dehnbaren Gliedern und- Nachgiebige Mechanismen.Aufbau und BewegungsverhaltenNachgiebige Mechanismen können einen sehr unterschiedlichen Aufbau besitzen. Sie bestehen entweder aus einem einzigen nachgiebig beweglich strukturierten Körper oder sind aus nachgiebigen und starren Strukturelementen mit Gelenken der verschiedenen Kopplungsarten (Form-, Kraft-, Stoffkopplung) zusammengesetzt. Aufbauend auf einem Klassifizierungsvorschlag lassen sich nachgiebige Mechanismen in komplett oder monolithisch nachgiebige, aus einem Stück bestehende Mechanismen und in hybride nachgiebige Mechanismen, die Bestandteile von nachgiebigen und von Starrkörpermechanismen enthalten, unterteilen. In Bild 1 wird weiterhin noch nach Mechanismen mit konzentrierter und verteilter Nachgiebigkeit getrennt. Nicht erwähnte Mischformen in der Nachgiebigkeitsverteilung sind natürlich ebenfalls vorstellbar.Die Bestandteile der kinematischen Strukturen von Starrkörpermechanismen sind starre Glieder, die durch Gelenke (form- oder kraftgepaart, bestehend aus mindestens zwei Gelenkelementen) unter Beachtung bekannter Aufbauregeln verbunden werden. Bei nachgiebigen Mechanismen sind die Begriffe Glied und Gelenk nicht mehr durchgehend exakt anwendbar. In vollkommen nachgiebigen Mechanismen, die aus einem Stück ohne Montagearbeiten gefertigt werden, sind nur stoffschlüssige gelenkig bewegliche Verbindungen zwischen steifen Strukturabschnitten vorhanden. Man kann also exakt nur zwischen nachgiebigen und starren Abschnitten der Struktur unterscheiden. Bei Mechanismen mit konzentrierter Nachgiebigkeit lassen sich ,,Glieder" und ,,Gelenke" noch relativ gut lokalisieren. Liegt aber verteilte Nachgiebigkeit vor, gehen Glied- und Gelenkeigenschaften fließend ineinander über. In hybriden nachgiebigen Mechanismen treten sowohl klassische Glieder und Gelenke als auch Strukturabschnitte mit differenzierter Nachgiebigkeitsverteilung auf. Die Nachgiebigkeit kann dabei in einem ,,Gelenkbereich" oder im Bereich eines ,,Gliedes" auftreten. So liegt zum Beispiel bei den hochübersetzenden Wellgetrieben die Nachgiebigkeit hauptsächlich im Zahnradglied mit einer definierten Auswirkung auch auf das Verzahnungsgelenk. Während sich bei starren Zahnrädern zwei kreisrunde Teilkreise im Wälzpunkt berühren, wird bei diesem Prinzip die Zahnradpaarung durch einen runden mit einem elliptischen Teilkreis realisiert.Für die Synthese nachgiebiger Mechanismen gibt es keine determinierten Verfahren. Sie ist immer mit einem iterativen Entwurfs- und Optimierungsprozess verbunden, der abwechselnd sich wiederholende Analyse- und Syntheseschritte enthält. Prinzipiell sind zwei Vorgehensweisen möglich:- Ausgang von einem bekannten Starrkörpermechanismus als Vorbild für die Gestaltung und Entwicklung eines nachgiebigen Mechanismus mit konzentrierter oder verteilter Nachgiebigkeit.- Ausgang von dünnwandigen rahmenartigen Strukturen einfacher Geometrie, die elastisch deformierbar sind und über starre Funktionselemente technologisch erforderliche Bewegungen realisieren.An der automatischen rechnergestützten Entwicklung nachgiebiger Mechanismenstrukturen bei Vorgabe eines Designbereiches und verschiedener Randbedingungen wird gearbeitet.Die Beweglichkeit relevanter Strukturabschnitte und das Bewegungsverhalten nachgiebiger Mechanismen wird bestimmt durch die Geometrie der Strukturbestandteile, die Werkstoffeigenschaften und den Belastungszustand.Allgemein lässt sich feststellen, dass mit vollkommen nachgiebigen Mechanismen nur kleine bis mittlere Abtriebswege beziehungsweise -winkel erreicht werden können. Diese sind bei Vorliegen verteilter Nachgiebigkeit größer als bei Strukturen mit konzentrierter Nachgiebigkeit. Mit nachgiebigen Führungsmechanismen lassen sich sehr gute Bahngenauigkeiten mit Abweichungen im Mikro- bis Nanometerbereich bei allerdings bisher sehr kleinen Stellwegen realisieren. Hybride nachgiebige Mechanismen haben häufig Bewegungsbereiche wie Starrkörpermechanismen. Sie sind als Zahnradgetriebe nahezu selbsthemmend, fast spielfrei, hochbelastbar und hochübersetzend bei geringer dynamischer Rückwirkung auf den Antrieb.Betriebszustände und AnwendungsbeispieleDie Bewegungsfähigkeit nachgiebiger Mechanismen resultiert aus der elastischen Deformation bestimmter Strukturbestandteile und erfordert die Verrichtung von Formänderungsarbeit, die durch den Antrieb aufzubringen ist. Die Belastung am Abtrieb oder Wirkelement kann sehr unterschiedlich sein und hängt vom Einsatzfall und vom Betriebszustand ab. Neben einer periodisch wechselnden Dauerbelastung bei Mechanismen mit vollrotatorischem An- und Abtrieb lassen sich bei nachgiebigen Mechanismen mit wechselsinniger An- und Abtriebsbewegung häufig zwei Bewegungsphasen (Leerlauf- und Arbeitsphase) mit unterschiedlichem Belastungszustand feststellen. Die Präzisierung der Betriebs- und Belastungszustände ist eine wichtige Voraussetzung für den Entwurf und die optimale Dimensionierung nachgiebiger Mechanismen.Gegenwärtig sind vier hauptsächliche Einsatzgebiete für nachgiebige Mechanismen erkennbar:- Greifertechnik und Handwerkzeuge mit zangenartiger Struktur,- Justier- und Führungssysteme,- Bistabile Mechanismen (Spann-, Sprungwerke) und- Hybride nachgiebige Mechanismen mit besonderen Eigenschaften.Die folgenden Beispiele lassen sich den genannten Gebieten zuordnen.Nachgiebiger GreifermechanismusBild 2 zeigt einen monolithisch hergestellten Greifermechanismus mit konzentrierter Nachgiebigkeit. Der Antrieb erfolgt über zwei Piezoaktuatoren. Zunächst bewegen sich die Greifarme mit den Wirkelementen WE ohne Objekt um den Greifweg im Leerlauf sG = sL . Dabei ist keine Abtriebsbelastung vorhanden. In der Arbeitsphase wird das Objekt erfasst und mit der Greifkraft FG gehalten, wobei am Wirkelement keine Bewegung mehr auftritt.Für die spielfreie, geradlinige Präzisionsführung eines Tisches durch einen Führungsmechanismus mit verteilter Nachgiebigkeit ist in Bild 3 eine mögliche Strukturvariante dargestellt. Der Mechanismus ergibt sich aus der mehrfachen Anwendung des Prinzips der Parallelkurbel. Die Bewegung des Tisches in eine bestimmte Position vollzieht sich bei Nichtvorhandensein äußerer Funktionskräfte und Vernachlässigung von Trägheitswirkungen praktisch im Leerlauf. Erfolgt in der erreichten Position eine mechanische Bearbeitung des Objektes (beispielsweise beim Antasten oder Fügen), entstehen abtriebsseitige Belastungen F, die durch den Antrieb oder einen blockierten Tisch zu kompensieren sind. Vertikale Belastungen und Kräfte durch das Eigengewicht von Tisch und Objekt müssen durch eine ausreichende Quersteifigkeit der nachgiebigen Stege aufgenommen werden.Nachgiebige Justiermechanismen, zum Beispiel für die Spiegeleinstellung zur Strahlablenkung, funktionieren nur mit einer Leerlaufphase ohne äußere Abtriebsbelastung.Die Crimpzange in Bild 4 stellt einen hybriden nachgiebigen Mechanismus dar. Bis zum Berühren des Objektes legen die Wirkelemente der Zange (Output Port) den Leerlaufweg sL ohne Abtriebsbelastung zurück. Für den Crimpvorgang ist an den Wirkelementen während eines Arbeitsweges sW eine große Kraft FW zu erzeugen. Das wird über den schräg angeordneten Stützstab mit einem Gleitwälzgelenk (Passive Joint) erreicht, wobei der Mechanismus im Bereich der Totlagenstellung mit Kniehebelwirkung arbeitet.Nachgiebige Mechanismen mit zwei stabilen Arbeitszuständen (ein/aus oder offen/geschlossen) werden für Schalter, Halterungen und Behälterverschlüsse eingesetzt. In Bild 5 ist ein Verschluss für Duschgelflaschen dargestellt. Der Verschlussmechanismus arbeitet als Kippspannwerk nach dem kinematischen Schema einer Kurbelschleife (AoABo) mit Zug- oder Druckfeder.Wird der Verschluss als Aufhängeöse für die Flasche benutzt, ergibt sich die kinematische Struktur eines Gelenkvierecks AoA'B'B'o. Nach dem Prinzip der Funktionenintegration wurde das Glied BoA (Schleife) beziehungsweise das Koppelglied AB längenveränderlich und federnd gestaltet. Somit ist eine separate Zug- oder Druckfeder, wie sie im Starrkörpermechanismus notwendig wäre, nicht erforderlich. In den zwei Bewegungsphasen vor und nach der Kippstellung (Speicherung und Freigabe von Energie) verändert sich die Federkraft FF im längenvariablen Glied. An den Punkten Ao, A, B und B'o befinden sich Filmgelenke, die einen großen Schwenkwinkel zulassen.Hochübersetzende Getriebe mit flexiblem ZahnkranzHochübersetzende Getriebe mit nachgiebigem Zahnkranz - allgemein als Wellgetriebe [10] bezeichnet - sind seit vielen Jahren unter der Bezeichnung Harmonic Drive bekannt und werden in vielen Gebieten des Maschinenbaus erfolgreich eingesetzt. Als Vorbild diente ein Starrkörper-Planetenradgetriebe. Die gewünschte extrem hohe Übersetzung in einer Stufe wird erreicht, wenn man das Planetenrad im Durchmesser nahezu gleich groß wie das feststehende Hohlrad (mit einer Zähnezahldifferenz z = 2) ausführt. Diese theoretische Lösung ist aber praktisch nicht mehr mit starren Zahnrädern realisierbar. Ein funktionsfähiges Getriebe wurde durch die bekannte Ausführung des Planetenrades als außenverzahnte, dünnwandige elastische Hülse geschaffen. Inzwischen sind zwei weitere interessante Gestaltungsvarianten von Wellgetrieben auf dem Markt. Das Pulsar-Getriebe arbeitet mit einem elliptisch verformbaren Speichenzahnrad aus Kunststoff, während beim Wave Drive zwischen der ellipsenförmigen Antriebswelle und dem dünnwandigen Außenzahnkranz ein verformbares Stößelrad aus Kunststoff zum Einsatz kommt. In beiden Fällen sind hohe Übersetzungen (bis i = 600) in einer Stufe bei guten Übertragungseigenschaften und sehr flacher Bauweise erreichbar.Die Controlflex-Kupplung (Bild 6) dient zum Verbinden nicht fluchtender Wellen mit dem Ziel winkeltreuer Bewegungsübertragung ohne Gleit- oder Gleit-Wälz-Gelenke innerhalb der Kupplung. Lange bekannt ist die Oldham-Kupplung, die auf dem kinematischen Prinzip des Starrkörpermechanismus Doppelschleife beruht, den gleichen Zweck erfüllt, aber zwei Schubgelenke mit orthogonal zueinander angeordneten Schubrichtungen enthält. Bei der Controlflex-Kupplung wurde das Parallelkurbelprinzip geschickt genutzt. Die Parallelkurbel hat ebenso wie die Doppelschleife eine konstante Übersetzung i = 1, was für die winkeltreue Bewegungsübertragung wichtig ist. Das Koppelglied bleibt während der Bewegung immer parallel zum Gestell und vollführt eine so genannte Kreisschiebung. Bei der Controlflex-Kupplung sind zwei Parallelkurbeln mit senkrecht zueinander liegenden Koppelgliedern genutzt worden. Die steife ringförmige Verbindung der beiden Koppeln mit stoffschlüssig angeschlossenen nachgiebigen Parallelkurbeln, die drehgelenkig in Zapfen der An- und Abtriebsscheibe der beiden zu kuppelnden Wellen gelagert sind, führt zu dem typisch geformten nachgiebigen Controlflexelement aus Kunststoff.Damit gibt es bis auf die vernachlässigbare Drehbewegung in den Lagerungen der Anschlusszapfen nur eine elastische Deformation des Controlflexelementes während der Bewegungsübertragung. Die beiden Funktionen winkeltreue Übertragung und verschleißfreies Arbeiten werden somit erfüllt. So gesehen, kann man die Controlflex-Kupplung ohne Zweifel den hybriden nachgiebigen Mechanismen zuordnen.