CH624337A5

CH624337A5 - Manipulator

Info

Publication number: CH624337A5
Application number: CH1384677A
Authority: CH
Inventors: Hans-Dieter Schlegel; Jochen Becker; Juergen Sandkuhl
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1976-12-01
Filing date: 1977-11-14
Publication date: 1981-07-31
Also published as: SE7713246L; PL112113B1; DE2654517B2; JPS5371458A; DE2654517A1; PL202479A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Manipulator, bei dem der Arm des Greifers von einer elektromotorisch angetriebenen Hub- und Schwenkeinheit getragen ist und wobei die Hubsäule der Hubeinheit über einen zentral angeordneten Spindelantrieb bewegbar ist. The invention relates to a manipulator in which the arm of the gripper is carried by an electromotive driven lifting and swiveling unit and the lifting column of the lifting unit is movable via a centrally arranged spindle drive.

Eine Anordnung der vorgenannten Art ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 2 341 133 beschrieben. An arrangement of the aforementioned type is described, for example, in German Offenlegungsschrift 2,341,133.

Im Zuge der zunehmenden Automatisierung werden heute in verstärktem Masse Manipulatoren, sogenannte Industrieroboter zur Beschickung von Werkzeugen, Maschinen und/ oder zur Montage einfacher Bauteile eingesetzt. In the course of increasing automation, manipulators, so-called industrial robots, are increasingly being used to load tools, machines and / or to assemble simple components.

Ein besonderes Problem ist hierbei der verhältnismässig trägheitsarme und dennoch robuste Aufbau des Manipulators, insbesondere im Hinblick auf die relativ schweren elektrischen Antriebsmotoren. A particular problem here is the relatively low-inertia yet robust construction of the manipulator, particularly with regard to the relatively heavy electric drive motors.

Bei der Anordnung nach der vorgenannten deutschen Offenlegungsschrift 2 341 133 ist die Hubeinheit folgendermas-sen ausgebildet: In einem aufrecht stehenden Gehäuse ist ein Elektromotor mit vertikaler Läuferwelle fest angeordnet, die Läuferwelle ist als Hohlwelle ausgebildet und umgibt eine Spindel, die von einer fest auf der Hohlwelle sitzenden Spindelmutter angetrieben ist und eine die Transfereinheit aufnehmende Platte trägt, die ihrerseits mit Führungsbolzen versehen ist, welche in Führungen geführt sind. Für die Schwenkbewegung sind die Führungsbolzen in einem Rotationstopf geführt" der auf dem Hubgehäuse drehbar und dieses umgebend sitzt und wahlweise mit dem Gehäuse oder mit der Spindelmutter fixierbar ist. In the arrangement according to the aforementioned German Offenlegungsschrift 2,341,133, the lifting unit is designed as follows: in an upright housing, an electric motor with a vertical rotor shaft is fixedly arranged, the rotor shaft is designed as a hollow shaft and surrounds a spindle which is fixed on the Hollow shaft seated spindle nut is driven and carries a plate receiving the transfer unit, which in turn is provided with guide bolts which are guided in guides. For the swiveling movement, the guide bolts are guided in a rotation pot "which is rotatable on the lifting housing and surrounds it and can optionally be fixed with the housing or with the spindle nut.

Eine derartige Konstruktion erlaubt nur aufeinanderfolgende Hub- und Drehbewegungen und hat verhältnismässig 5 grosses Trägheitsmoment, was durch das Anbringen eines gesonderten Antriebes für die Schwenkbewegung noch erhöht würde. Such a construction allows only consecutive lifting and rotating movements and has a relatively large moment of inertia, which would be further increased by attaching a separate drive for the pivoting movement.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Manipulator mit relativ geringem Trägheitsmoment zu io schaffen, bei dem eine gleichzeitige Dreh- und Hubbewegung möglich ist. The object of the present invention is to create a manipulator with a relatively low moment of inertia, in which a simultaneous rotating and lifting movement is possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Spindelantrieb mit einem ausserhalb der Hubsäule angeordneten Elektromotor gekuppelt ist und die Hubsäule über 15 einen in Vertikalrichtung relativ zur Hubsäule verschiebbaren Zahnkranz schwenkbar ist, auf den die Drehung eines weiteren Elektromotors über ein Getriebe übertragbar ist. This object is achieved according to the invention in that the spindle drive is coupled to an electric motor arranged outside the lifting column and the lifting column can be pivoted via a toothed ring which can be displaced in the vertical direction relative to the lifting column and to which the rotation of a further electric motor can be transmitted via a gear.

Auf diese Weise brauchen die relativ schweren Elektromotoren nicht bewegt zu werden, so dass sich sehr hohe Be-20 schleunigungen und Verzögerungen in beiden Achsen erreichen lassen. In this way, the relatively heavy electric motors do not have to be moved, so that very high accelerations and decelerations can be achieved in both axes.

Konstruktiv lässt sich das vorstehend erwähnte Problem vorteilhafterweise in der Weise lösen, dass der der Hubbewegung zugeordnete Elektromotor über einen Zahnriemen-25 antrieb oder über ein Getriebe am unteren Ende der Hubsäule mit der Spindel des Spindelantriebs gekuppelt ist und die Mutter des Spindelantriebes die Hubsäule trägt und dass ferner die Hubsäule in einem den Zahnkranz tragenden Schwenkkörper geführt ist, der sich über einen Kugeldrehverbinder auf das 30 Manipulatorgehäuse abstützt. In terms of design, the above-mentioned problem can advantageously be solved in such a way that the electric motor assigned to the lifting movement is coupled to the spindle of the spindle drive via a toothed belt drive or via a gear at the lower end of the lifting column and the nut of the spindle drive carries the lifting column and that in addition the lifting column is guided in a swivel body which supports the ring gear and which is supported on the manipulator housing via a ball screw connector.

Als dynamisch hochwertiger elektromotorischer Antrieb mit geringem Gewicht werden ferner vorteilhafterweise Scheibenläufermotoren verwendet. As a dynamically high-quality electromotive drive with low weight, disc-type motors are also advantageously used.

Damit es bei den mit relativ grosser Schnelligkeit ausge-35 führten Bewegungen bei Spannungsausfall nicht zu Schäden kommt, ist ferner vorteilhafterweise jedem Elektromotor eine Federdruckbremse zugeordnet. A spring pressure brake is also advantageously assigned to each electric motor so that there is no damage to the movements carried out at relatively high speed in the event of a power failure.

Die vorstehend geschilderte Stabilität bei gleichzeitig trägheitsarmem Aufbau wird dadurch verstärkt, wenn der von der 40 Hub- und Schwenkeinheit getragene Arm an dem dem Greifer abgewandten Ende mit den Antrieben für Dreh- und Schliessbewegungen des Greifers versehen ist. The stability described above with a low-inertia structure is reinforced if the arm carried by the lifting and swiveling unit is provided with the drives for rotary and closing movements of the gripper at the end facing away from the gripper.

Anhand einer Zeichnung sei die Erfindung beispielsweise näher erläutert; es zeigen: The invention is explained in more detail, for example, using a drawing; show it:

45 Fig. 1 das Schema des Manipulators, 45 Fig. 1 the diagram of the manipulator,

Fig. 2 die Hubeinheit im einzelnen, 2 the lifting unit in detail,

Fig. 3 die Schwenkeinheit, 3 the swivel unit,

Fig. 4 die Transferführung für den Transferarm und Fig. 4, the transfer guide for the transfer arm and

Fig. 5 den Transferantrieb zur Bewegung des Transfer-5o armes. Fig. 5 shows the transfer drive for moving the transfer arm 5o.

Der in Fig. 1 gezeigte Manipulator ist in Art eines Baukastensystems aus verschiedenen Einheiten zusammengesetzt. Die Hubeinheit zur Bewegung des Manipulators in Z-Rich-tung besteht im wesentlichen aus dem vertikal angeordneten 55 elektrischen Antrieb 11 mit Zubehör, der über einen Zahnriemenantrieb 12 mit einem Spindelantrieb 13 verbunden ist, auf dessen Spindelmutter 132 sich eine vertikale Hubsäule 14 abstützt. The manipulator shown in Fig. 1 is composed of various units in the manner of a modular system. The lifting unit for moving the manipulator in the Z direction essentially consists of the vertically arranged 55 electric drive 11 with accessories, which is connected via a toothed belt drive 12 to a spindle drive 13, on whose spindle nut 132 a vertical lifting column 14 is supported.

Die Schwenkeinheit zur Drehung des Manipulators um die 60 C-Achse besteht im wesentlichen aus dem vertikal angeordneten elektrischen Antrieb 21, dessen Drehbewegung über ein Getriebe 24 und einen Zahnkranz 22 auf einen Schwenkkörper 23 übertragen wird, in dem die Hubsäule 14 längsver-schieblich geführt ist. The swivel unit for rotating the manipulator about the 60 C axis essentially consists of the vertically arranged electric drive 21, the rotational movement of which is transmitted via a gear 24 and a ring gear 22 to a swivel body 23 in which the lifting column 14 is guided so as to be longitudinally displaceable .

65 Hub- und Schwenkeinheit sind dabei von einem Gehäuse 5 umgeben. Auf dem oberen Ende der Hubsäule 14 ist in einer Transferfuhrung 32 ein Transferarm 3 angeordnet, der durch einen Transferantrieb 31 in X-Richtung verschiebbar ist. Der 65 lifting and swiveling unit are surrounded by a housing 5. A transfer arm 3, which can be displaced in the X direction by a transfer drive 31, is arranged in a transfer guide 32 on the upper end of the lifting column 14. The

Transferarm 3 trägt an einem Ende einen Greifer 4, dessen Drehbewegung in A-richtung durch einen Rotationsantrieb 41 und dessen Schliessbewegung durch einen Greifantrieb 42 erreichbar ist. Transfer arm 3 carries at one end a gripper 4, the rotational movement of which in the A direction can be achieved by a rotary drive 41 and the closing movement of which can be achieved by a gripper drive 42.

Durch diese vorstehend geschilderte Anordnung ist ein sehr kompakter und gleichzeitig trägheitsarmer Aufbau des Manipulators möglich. This arrangement described above enables a very compact and at the same time low-inertia construction of the manipulator.

Die in Fig. 2 gezeigte Hubeinheit dient zur Bewegung in der Z-Richtung. Der Antrieb dieser Baueinheit wird durch einen Scheibenläufermotor 111 vorgenommen. Die hier gewählte Ausführung des Scheibenläufers hat zwei herausragende Wellen enden. Das eine Wellenende wird zum Antrieb einer Tachometermaschine 112 und eines inkrementellen Weggebers 113 benutzt. Der Tachogenerator 112 hat eine Hohlwelle und wird durch Klemmring kraftschlüssig mit der Motorwelle verbunden. Der Weggeber 113 ist auf dem Tacho-generator 112 aufgeflanscht und über eine torsionssteife Balgkupplung ebenfalls mit der Motorwelle gekuppelt. Durch diese Anordnung wird eine denkbar günstige Verbindung der drei Regeigrössen des Regelantriebes geschaffen. The lifting unit shown in Fig. 2 is used for movement in the Z direction. This unit is driven by a disc rotor motor 111. The design of the disc rotor selected here has two outstanding shaft ends. One shaft end is used to drive a tachometer machine 112 and an incremental encoder 113. The tachometer generator 112 has a hollow shaft and is non-positively connected to the motor shaft by means of a clamping ring. The displacement sensor 113 is flange-mounted on the tachometer generator 112 and is also coupled to the motor shaft via a torsion-resistant bellows coupling. This arrangement creates a conceivably favorable connection of the three control sizes of the control drive.

Der Scheibenläufermotor 111 ist über den Zwischenflansch 114 mit dem Antriebsständer 115 verschraubt. Durch Weglassen des Zwischenflansches 114 besteht die Möglichkeit, ohne weiteren Aufwand auch grössere Antriebe anbringen zu können. Das andere Wellenende des Motors 111 stellt die eigentliche Abtriebsseite dar und wird durch die formschlüssige Klauenkupplung 116 mit der Getriebewelle 117 verbunden. Beide Hälften der Klauenkupplung 116 sind durch Druckhülsen auf den Wellen kraftschlüssig gehalten, wodurch eine spielfreie winkelgenaue Übertragung der Drehbewegung auch im Reversierbetrieb möglich ist. Die Getriebewelle 117 ist in zwei Schulterlager 118 abgelagert und über eine Stellmutter spielfrei einstellbar. Eine derartige Ablagerung ist vorteilhaft, weil alternativ zum Zahnriemenantrieb 12 auch eventuell schräg verzahnte Zahnräder verwendet werden können. Die Getriebewelle 117 führt durch die Federdruckbremse 119, die an einem Zwischenboden des Antriebsständers 115 geschraubt ist. Über eine Keilverbindung ist ihre Bremsscheibe mit der Getriebewelle 117 verbunden. Die Federdruckbremse 119 ist ausschliesslich ein Sicherheitsinstrument. Im spannungsführenden Zustand ist sie gelüftet und wird bei Betätigung des Notausschalters oder im Falle einer Kollision einer der vier Achsen spannungslos, wodurch es dann zur schnellen Abbremsung des Antriebes kommt. The disc motor 111 is screwed to the drive stand 115 via the intermediate flange 114. By omitting the intermediate flange 114, it is possible to install larger drives without any additional effort. The other shaft end of the motor 111 represents the actual output side and is connected to the gear shaft 117 by the form-fitting claw coupling 116. Both halves of the claw coupling 116 are held in a force-fitting manner on the shafts by pressure sleeves, whereby a play-free, angular transmission of the rotary movement is also possible in reverse operation. The gear shaft 117 is deposited in two shoulder bearings 118 and can be adjusted without play using an adjusting nut. Such a deposit is advantageous because, as an alternative to the toothed belt drive 12, possibly helical toothed gears can also be used. The gear shaft 117 passes through the spring pressure brake 119, which is screwed to an intermediate floor of the drive stand 115. Its brake disc is connected to the gear shaft 117 via a wedge connection. The spring pressure brake 119 is exclusively a safety instrument. In the live state, it is released and is de-energized when the emergency switch is actuated or in the event of a collision, one of the four axes, which then quickly brakes the drive.

Der Zahnriementrieb 12 mit den Riemenscheiben 120 ist mittels Druckhülsen kraftschlüssig auf der Getriebewelle 117 bzw. Rollenspindel 131 befestigt. Die Rollenspindel 131 ist in den Kegelrollenlagern 133 abgelagert und wird über eine Stellmutter spielfrei eingestellt. Die Kegelrollenlager 133 werden ihrerseits wieder von dem Lagerbock 134 aufgenommen, der mit dem Gehäuse 5 des Roboters verschraubt ist. The toothed belt drive 12 with the belt pulleys 120 is non-positively fastened on the gear shaft 117 or roller spindle 131 by means of pressure sleeves. The roller spindle 131 is deposited in the tapered roller bearings 133 and is set without play using an adjusting nut. The tapered roller bearings 133 are in turn taken up by the bearing block 134 which is screwed to the housing 5 of the robot.

Die rotatorische Bewegung der Rollenspindel 131 wird in der Spindelmutter 132 in eine lineare Bewegung in Form der Hubbewegung umgesetzt. Die Mutter 132 der Rollenspindel 131 ist durch eine Keilverbindung mit der Hubsäule 14 verbunden, die wiederum zwei um 180° versetzte Prismenleisten The rotational movement of the roller spindle 131 is converted into a linear movement in the form of the lifting movement in the spindle nut 132. The nut 132 of the roller spindle 131 is connected by a wedge connection to the lifting column 14, which in turn has two prismatic strips offset by 180 °

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141 aufnimmt. Auf jeder Prismenfläche der Prismenleisten 141 wälzen zwei Paar Kugelschuhe (Fig. 3), die mit dem Schwenkkörper 23 der Schwenkeinheit verschraubt sind. Die Abschlussplatte 142 nimmt über zwei Fixierstifte und vier Schrauben die Baugruppe Transfer auf; gleichzeitig bildet sie den Abschluss der Hubsäule 14. 141 records. Two pairs of ball shoes (FIG. 3) roll on each prism surface of the prism bars 141, which are screwed to the swivel body 23 of the swivel unit. The end plate 142 receives the transfer assembly via two locating pins and four screws; at the same time it forms the end of the lifting column 14.

Die in Fig. 3 gezeigte Schwenkeinheit dient zur Bewegung in der C-Achse. Als Antrieb dient ein Scheibenläufermotor 211 mit zwei Wellenenden. An dem einen Wellenende sind Tachogenerator 212 und Weggeber 213 angeordnet. The swivel unit shown in Fig. 3 is used for movement in the C-axis. A disc motor 211 with two shaft ends serves as the drive. Tachometer generator 212 and displacement sensor 213 are arranged on one shaft end.

Der Motor 211 selbst ist über den Zwischenflansch 214 mit dem Gehäuse 219 verbunden. Das Gehäuse 219 ist durch einen Haltering 215 mit dem Robotergehäuse 5 verschraubt. The motor 211 itself is connected to the housing 219 via the intermediate flange 214. The housing 219 is screwed to the robot housing 5 by a retaining ring 215.

Das andere Wellenende des Scheibenläufermotors 211 stellt die eigentliche Abtriebsseite dar und wird durch formschlüssige Klauenkupplung 216 mit der Getriebewelle 217 verbunden. Beide Hälften der Klauenkupplung 216 sind durch Druckhülsen auf der Welle kraftschlüssig gehalten. Die Getriebewelle 217 ist in zwei Rillen und einem Nadellager abgelagert und führt durch die Federdruckbremse 218. Diese Federdruckbremse stellt ebenfalls ausschliesslich ein Sicherheitsinstrument dar. The other shaft end of the disc rotor motor 211 represents the actual output side and is connected to the gear shaft 217 by a form-fitting claw coupling 216. Both halves of the claw coupling 216 are non-positively held on the shaft by pressure sleeves. The gear shaft 217 is deposited in two grooves and a needle bearing and passes through the spring pressure brake 218. This spring pressure brake also represents exclusively a safety instrument.

Die Getriebewelle 217 treibt über die Keilverbindung 243 das spielfreie Getriebe 24 an. Der Abtrieb des Getriebes 24 erfolgt über die Welle 241 auf das schrägverzahnte Präzisionszahnrad 242. Eine gute Lagefixierung ist hierbei durch zwei Schulterlager gesichert. Mit dem Zahnrad 242 wird der Zahnkranz 22 am Schwenkköper 23 angetrieben. Eine Rotationsbewegung des Schwenkkörpers 23 wird dabei durch den Kugeldrehverbinder 232 ermöglicht. DerKugeldrehverbinder 232 ist ebenfalls mit dem Robotergehäuse 5 verschraubt. Der Schwenkkörper 23 nimmt die acht Kugelumlaufschuhe 231 zur Ablagerung und Drehung der Hubsäule 14 in der Hubeinheit auf. The gear shaft 217 drives the backlash-free gear 24 via the wedge connection 243. The gear 24 is driven via the shaft 241 onto the helical precision gear 242. A good positional fixation is ensured here by two shoulder bearings. With the gear 242, the ring gear 22 is driven on the swivel body 23. A rotational movement of the swivel body 23 is made possible by the ball swivel connector 232. The ball screw connector 232 is also screwed to the robot housing 5. The swivel body 23 receives the eight ball shoes 231 for depositing and rotating the lifting column 14 in the lifting unit.

Die in Fig. 4 gezeigte Transferführung dient zur Transferbewegung X des Transferarmes 3. Der gezeigte Transferarm 3 besteht aus Vierkant-Hohlprofil 33, das durch Klebung mit einem Aluminiumzwischenstück 34 verbunden ist. Dies dient seinerseits als Träger für die Führungsleisten 35 in der Art einer Schwalbenschwanzführung und der Zahnstange 36 zur Übertragung der Bewegung durch ein Transfergetriebe auf den Transferarm. Die Transferführung 32 trägt ihrerseits zweimal vier Rollenschuh-Führungselemente mit umlaufenden Nadelrollen, die den Führungsleisten 35 des Transferarmes zugeordnet sind. The transfer guide shown in FIG. 4 serves for the transfer movement X of the transfer arm 3. The transfer arm 3 shown consists of a square hollow profile 33 which is connected to an aluminum intermediate piece 34 by adhesive bonding. This in turn serves as a carrier for the guide strips 35 in the manner of a dovetail guide and the toothed rack 36 for transmitting the movement through a transfer gear to the transfer arm. The transfer guide 32 in turn carries two four roller shoe guide elements with rotating needle rollers, which are assigned to the guide strips 35 of the transfer arm.

In Fig. 5 ist der Transferantrieb dargestellt. Der Transferantrieb 31 besteht aus einem Scheibenläufermotor 315, der an dem einen Ende mit einer Tachometermaschine 316 und einem Drehgeber 317 versehen ist. Der Motor ist auf der einen Seite des Transferarmes 3 angeordnet und mit einer durch den Arm hindurchgehenden Getriebeausgleichswelle 114 gekuppelt. Auf der anderen Seite ist die Getriebeantriebswelle mit einer Federdruckbremse 314 versehen. Ein Stirnradgetriebe 312 mit Spielausgleich durch eine Exzenterlagerhülse 313 dient dann zum Antrieb der Welle auf der das Ritzel 311 sitzt, das dann mit der Zahnstange 36 in Eingriff kommt. 5 shows the transfer drive. The transfer drive 31 consists of a disk motor 315, which is provided at one end with a tachometer machine 316 and a rotary encoder 317. The motor is arranged on one side of the transfer arm 3 and coupled to a transmission balancer shaft 114 passing through the arm. On the other hand, the transmission drive shaft is provided with a spring pressure brake 314. A spur gear 312 with play compensation by an eccentric bearing sleeve 313 then serves to drive the shaft on which the pinion 311 sits, which then comes into engagement with the rack 36.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

V V

4 Blätter Zeichnungen 4 sheets of drawings

Claims

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1. manipulator, in which the arm of the gripper is carried by an electromotive driven lifting and swiveling unit and wherein the lifting column of the lifting unit is movable via a centrally arranged spindle drive, characterized in that the spindle drive (13) is connected to an outside of the lifting column (14 ) arranged electric drive (11) is coupled and the lifting column (14) can be pivoted via a toothed ring (22) which can be displaced in the vertical direction relative to the lifting column (14) and to which the rotary movement of a further electric drive (21) can be transmitted via a gear (24) .

2. Manipulator according to claim 1, characterized in that the associated with the lifting movement electric drive (11) via a gear at the lower end of the lifting column (14) with the spindle (131) of the spindle drive (13) is coupled and the nut (132) of the Spindle drive carries the lifting column (14).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Manipulator according to claim 1, characterized in that the lifting column (14) in a ring gear (22) carrying swivel body (23) is guided, which is supported via a ball screw connector on the manipulator housing (5).

4. Manipulator according to claim 1, characterized in that disc-type motors are provided for the electric drives.

5. Manipulator according to claim 1, characterized in that the electric drives for the lifting and pivoting unit are arranged approximately parallel to the lifting column in the immediate vicinity.

6. Manipulator according to claim 5, characterized in that a spring pressure brake is assigned to each electric drive (11, 21).

7. Manipulator according to claim 1, characterized in that the arm (3) on the end facing away from the gripper (4) is provided with drives (41, 42) for rotary and closing movement of the gripper (4).

8. Manipulator according to claim 7, characterized in that the arm is displaceable in the longitudinal direction in a transfer guide (32) on the lifting column (14) via a rack and pinion drive (31).