DD219719A1 - DEVICE FOR WEIGHT COMPENSATION IN INDUSTRIAL ROBOTS - Google Patents

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DD219719A1 DD25611483A DD25611483A DD219719A1 DD 219719 A1 DD219719 A1 DD 219719A1 DD 25611483 A DD25611483 A DD 25611483A DD 25611483 A DD25611483 A DD 25611483A DD 219719 A1 DD219719 A1 DD 219719A1
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Roland Baudisch
Hans Klauser
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Robotron Bueromasch
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    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0008Balancing devices
    • B25J19/0016Balancing devices using springs

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Abstract

Die Erfindung findet Anwendung fuer den Gewichtsausgleich von Bewegungselementen bei Industrierobotern unter Verwendung von Federelementen. Das Ziel der Erfindung besteht in der Erzeugung eines Ausgleichmomentes zur Masse des Greiferarmes in Abhaengigkeit der Winkelstellung des Bewegungselementes ohne das Massentraegheitsmoment der Bewegungselemente wesentlich zu erhoehen. Die Merkmale der Erfindung bestehen darin, dass an den Bewegungselementen eine speziell geformte Kurvenscheibe angeordnet ist, auf deren Kurvenbahn ein durch eine Feder gespanntes Zugmittel auf- bzw. abgewickelt wird. Durch die Aenderung des Kurvenradiuses in Abhaengigkeit vom Drehwinkel f der Kurvenscheibe und gleichzeitiger Aenderung der Federkraft wird die geforderte Momenten-Kennlinie realisiert. Fig. 1The invention finds application for weight balance of moving elements in industrial robots using spring elements. The object of the invention is to increase the mass of the gripper arm as a function of the angular position of the moving element without increasing the mass moment of inertia of the moving elements. The features of the invention consist in that a specially shaped cam plate is arranged on the movement elements, on whose curved path a traction means tensioned by a spring is wound up or unwound. By changing the radius of curvature as a function of the angle of rotation f of the cam and simultaneous change in the spring force, the required torque characteristic is realized. Fig. 1

Description

BAZ 642BAZ 642

Titel der Erfindung Einrichtung für den Gewichtsausgleich bei IndustrieroboternTitle of the invention Weight balancing device for industrial robots

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Gewichtsausgleich von Bewegungselementen bei Industrierobotern unter Verwendung von Federelementen.The invention relates to a device for weight balance of moving elements in industrial robots using spring elements.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es sind bereits technische Lösungen bekannt geworden, die die von Industrierobotern zu bewegenden Massen zumindest teil-,,weise ausgleichen. Dabei gelangen folgende Prinzipien zur Anwendung:Technical solutions have already become known which at least partly compensate the masses to be moved by industrial robots. The following principles are used:

1. der Masse der Greiferarroe werden Gegenlassen zugeordnet; (z. B.: PHM 4, IR 10, IR 60)1. the mass of the gripper barge is assigned to countering; (eg: PHM 4, IR 10, IR 60)

2. die Massen der Greiferarme werden durch gegenwirkende Zugoder Druckfedern kompensiert;2. the masses of the gripper arms are compensated by counteracting tension or compression springs;

(z. B.: IR PHM 4 und PHM 40)(eg: IR PHM 4 and PHM 40)

3. Verwendung sogenannter Herzkurven in den Drehpunkten von Greiferarmen, gegen die mit Federn belastete Andruckrollen wirken; (z. B.: DD-PS 0 154 282)3. Use of so-called heart curves in the pivot points of gripper arms, act against the loaded with springs pressure rollers; (eg: DD-PS 0 154 282)

Bei der Anordnung von Gegenmassen wird zunächst ein vollständiger Ausgleich des Eigengewichtes z. B. eines Roboterarmes erzielt. Dieses Prinzip ist technisch dann sinnvoll, wenn es sich bei der Gegenmasse um notwendige Funktionselemente., ' 7. B. Elektromotor«*, handelt. Kommen als Gegenmassen jedoch lediglich "tote" Massen in Betracht, so.besteht der Nachteil, daß sich die zu bewegende Gesamtmasse erhöht und mit der Erhöhung des Massenträgheitsmoments sich die dynamischen Eigenschaften des Systems verschlechtern.In the arrangement of countermeasures is first a complete balance of its own weight z. B. achieved a robot arm. This principle is technically meaningful if the counterweight is a necessary functional element, eg, electric motor. However, if only "dead" masses come into consideration as countermeasures, there is the disadvantage that the total mass to be moved increases and as the mass moment of inertia increases, the dynamic properties of the system deteriorate.

Bei den Anordnungen mit gegenwirkenden Zug·» oder Druckfedern werden die dynamischen Nachteile vermieden» Allerdings haben diese Federanordnungen den Nachteil, daß sie eine feste Kennlinie aufweisen und bei Bewegung ira Falle von Gelenkrobotern vom Gewichtsausgleich erheblich abweichen.In the arrangements with counteracting tension or compression springs, the dynamic disadvantages are avoided. However, these spring arrangements have the disadvantage that they have a fixed characteristic and that they deviate significantly from the counterweight when moving in the case of articulated robots.

Bei der Anordnung unter Verwendung von Herzkurven werden die erforderlichen Gegenmomente über die Steigung der Herzkurve erreicht. Dadurch lassen sich über den mathematisch ermittelten Steigungsverlauf die erforderlichen Kennlinien exakt abbilden. Bei der konstruktiven und praktischen Realisierung solcher Einrichtungen ergeben sich jedoch erhebliche Bemessungsprobleme. In den meisten Fällen sind konstruktiv bedingte Steigungswinkel mit weniger als 45° erforderlich, wodurch die von der Andruckrolle aufzubringende Andruckkraft ein vielfaches der zu erzeugenden Rückstellkraft beträgt. Nachteilig sind die sich daraus ergebenden hohen Flächenbelastungen an der Kurvenscheibe.'In the arrangement using heart curves, the required counter moments are achieved via the slope of the heart curve. As a result, the required characteristic curves can be reproduced exactly via the mathematically ascertained gradient curve. In the constructive and practical implementation of such devices, however, considerable design problems arise. In most cases, design-related pitch angle with less than 45 ° are required, whereby the applied by the pinch roller pressure force is a multiple of the restoring force to be generated. A disadvantage is the resulting high surface loads on the cam. '

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden»The object of the invention is to avoid the disadvantages of the known arrangements »

' » ·. Darlegung des Wesens der Erfindung   '»·. Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Gewichtsausgleich bei Industrierobotern zu schaffen, die unter Verwendung von Federn eine Ausgleichskenrslinie über einen breiten Bewegungebereich realisiert und dabei auf Kurvenscheiben wirkende Flächenkräfte vermeidet.The invention has for its object to provide a device for balancing the weight of industrial robots, which realizes a Ausgleichskenrslinie over a wide range of motion using springs and thereby avoids surface forces acting on cams.

Erfindungsgeniäß werden Ausgleichsmomente über einen breiten Bewegungsbereich dadurch erzeugt, daß eine speziell geform- \ te Kurve bzw. Kurvenscheibe bei Verdrehung ein durch eine Feder gespanntes Zugmi ttel auf *· bzw. abwickelt. Durch die Änderung des Kurvenradiuses in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurvenscheibe und gleichzeitiger Änderung der Federkraft wird die geforderte Momenten-Kennlinie realisiert. Durch die Wahl der Kurvenform lassen sich so gewünschte Kennlinien realisieren.According to the invention, balancing torques are generated over a wide range of motion by virtue of the fact that a specially shaped curve or cam disk, upon rotation, unwinds a tensioning member tensioned by a spring. By changing the radius of curvature as a function of the angle of rotation of the cam and simultaneous change in the spring force, the required torque characteristic is realized. By choosing the curve shape so desired characteristics can be realized.

Mit dieser Lösung wird ein Masseausgleich geschaffen, der hohe Flächenkräfte auf die verwendeten Kurvenscheiben verraeidet. . '; i. · -:. .. With this solution, a mass balance is created, the verraeidet high surface forces on the cams used. , '; i. · - :. ..

Der erfindungsgemäße Gewichtsausgleich kann in jedem Gelenk eines Industrieroboters untergebracht werden, ohne die Gesamtmasse wesentlich zu erhöhen. .The weight compensation according to the invention can be accommodated in any joint of an industrial robot without substantially increasing the total mass. ,

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführ.ungsbei-The invention will be described below with reference to an embodiment.

i ' ,.. · ·. . . .· · :· spiels näher erläutert.i ', .. · ·. , , · · : · Game explained in more detail.

Es zei gen:Show it:

Fig. 1: eine Prinzipdarstellung der erfiirdungsgemäßen Einrichtung in Verbindung mit eines« Hubgetriebe unter Verwendung von Zahnstange und Ritzel;Fig. 1: a schematic diagram of erfiirdungsgemäßen device in conjunction with a «Hubgetriebe using rack and pinion;

Fig. 2: eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Masseausgleichseinrichtung für Hubbewegungen in Verbindung mit einem Zugmittel;FIG. 2 shows a schematic diagram of the mass compensation device according to the invention for lifting movements in conjunction with a traction means; FIG.

Fig» 3: eine Prinzipdarstellung der Masseausgleichseiri-FIG. 3: a schematic representation of the mass equalization control

richtung für ein Drehgelenk; Fig. 4: Endlagen der Wickelkuryen nach Fig. 1 und Fig. 3; a; b) Endlagen über einen Drehwinkels nach Fig. 1; c; d) Endlagen über einen Dr eh winkel y nach Fig. 3.direction for a rotary joint; Fig. 4: end positions of the winding cucumbers according to Fig. 1 and Fig. 3; a; b) end positions over a rotation angle of Fig. 1; c; d) end positions over a Dr eh angle y of Fig. 3rd

In Figur 1 wird die Erzeugung eines konstanten AusgleichstnosBentes für eine Hubeinheit wiedergegeben. Die Säule 1, geführt von Führungsrollen 2 trägt eine Zahnstange 4 und steht suit einem Zahnrad 3 in Eingriff. Axial am Zahnrad 3 ist eine Kurvenscheibe 5 befestigt. Die Kurvenscheibe 5 mit Kurvenbahn 6 ist mit einem Zugmittel 10 verbunden und des Zugmittel 10 ist mittels vorgespannter Zugfeder 7 am Gestell 9 befestigt. In Figur 2 sind die Zahnstange und das Zahnrad ersetzt durch ein Zugseil 13 und eine Umlenkrolle 8. Bei Bewegung der Säule 1 wird das Zugseil 13 auf der Kurvenbahn 6 der.Kurvenscheibe 5 gewickelt, wobei gleichzeitig das mit Zugfeder 7 vorgespannte Zugmittel 10 auf die Umlenkrolle 8 auf- bzw. abgewickelt wird. Das Zugmittel 10 kann dabei ein Stahlband, Stahlseil und Rollenkette u* ä. sein.In Figure 1, the generation of a constant AusgleichstnosBentes is reproduced for a lifting unit. The column 1, guided by guide rollers 2 carries a rack 4 and suit is a gear 3 in engagement. Axially on the gear 3, a cam 5 is fixed. The cam 5 with curved path 6 is connected to a traction means 10 and the traction means 10 is fixed by means of prestressed tension spring 7 on the frame 9. In Figure 2, the rack and the gear are replaced by a pull rope 13 and a guide roller 8. When moving the column 1, the pull cable 13 is wound on the curved path 6 der.Kurvenscheibe 5, wherein at the same time biased with tension spring 7 traction means 10 on the pulley 8 is wound up or unwound. The traction means 10 may be a steel strip, steel cable and roller chain u * ä.

Die Kurven form |V(y)J ist so zu wählen, daß ausgehend von einem Gleichgewicht der Einrichtung durch die Vorspannkraft F0 der Zugfeder 7 unter Berücksichtigung der Federkennlinie in jeder beliebigen Stellung der Einrichtung Gleichgewicht hergestellt wird und bleibt. Dabei gilt die Grundbeziehung, daß das erzeugende Moment der aufgewickelten Zugmittellänge (Federdehnung) und dem wirksamen Kurvenradius r proportional ist. Ausgehend von der bei ausreichend langem Zugmittel 10 und relativ langer Zugfeder .7 annähernd geltenden'Grundgleichung:The curves form | V (y) J are to be chosen so that starting from a balance of the device by the biasing force F 0 of the tension spring 7, taking into account the spring characteristic in any position of the device balance is established and remains. The basic relationship is that the generating moment of the wound Zugmittellänge (spring extension) and the effective radius of curvature r is proportional. Starting from the sufficiently long Zugmittel 10 and relatively long Zugfeder .7'Grundgleichung:

M (V) - r (y) VF0 + r (f) ' Cf ' J'-j/r Xf) * + (^)8 .' dys mit M (y) s an der Kurve erzeugtes Moment /M (V) - r (y) VF 0 + r (f) 'C f ' J '-j / r Xf) * + (^) 8. ' dys with M (y) s generated at the curve

F0 a Vorspannkraft der ZugfederF 0 a preload force of the tension spring

r (y) = Radius in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurvenscheiber (y) = radius depending on the angle of rotation of the cam

Cp = FederkonstanteCp = spring constant

kann man unter bestimmten Bedingungen die erforderliche Kurvenform schrittweise errechnen.Under certain conditions, you can calculate the required curve step by step.

Analog läßt sich eine Ausgleichseinrichtung nach Fig. 2 für ein Drehgelenk realisieren (ohne Übersetzung for y> ^180°), wobei die Kurvenforiri z. B. über Iterationsverfahren bestimmt werden kann. Bei der Diraensionierung dieses Ausgleiches ist darauf zu achten, daß konkave Kurvenstücke vermieden werden, da dann des Zugmittel 10 nicht mehr vollständig an der Kurvenbahn 6 der Kurvenscheibe 5 anliegt. :Analog can be a compensation device of FIG. 2 for a rotary joint realize (without translation for y> ^ 180 °), wherein the Kurvenforiri z. B. can be determined by iteration method. When dimensioning this compensation, care must be taken that concave curve pieces are avoided, since then the traction means 10 is no longer fully in contact with the cam track 6 of the cam disk 5. :

Claims (6)

Erfindungsanspruchinvention claim .1-.-Einrichtung für den Gewichtsausgleich der Beweguagselenente bei Industrierobotern unter Verwendung von Feder el einen ten, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bewegende Element nit einer Kurvenscheibe (5) in Verbindung steht, auf deren Kurvenbahn (6) ein unter der Federkraft einer Zugfeder (7) stehendes Zugmittel (10) anliegt und das Zugmittel (10) mit der Kurvenscheibe (5) fest verbunden ist».1 -.- device for weight compensation of the Bewegenelenseente in industrial robots using spring el a th, characterized in that the element to be moved nit with a cam (5) is in connection, on the cam track (6) under the spring force of a Tension spring (7) stationary traction means (10) is applied and the traction means (10) with the cam (5) is firmly connected » 2. Einrichtung für den Gewichtsausgleich nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Kurvenscheibe (5), insbesondere der wirksame Kurvenradius r ty), sowie 'die-Abmessungen der Zugfeder (7) bestimmend für die M'onentenkenn'iinie für den Masseausgleich sind.2. Device for weight balance according to item 1, characterized in that the shape of the cam (5), in particular the effective radius of curvature r ty), and 'the dimensions of the tension spring (7) determining the M'onentenkenn'iinie for the Mass balance are. 3. Einrichtung für den Gewichtsausgleich nach-Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung einer Längs- bzw. Hubbewegung in eine Drehbewegung eine Zahnstange (4) mit einem Zahnrad (3) im Eingriff steht und die Kurvenscheibe (5) fest mit dem Zahnrad (3) verbunden ist, auf dessen Kurvenbahn (6) das Zugmittel (10) tangential anliegt.3. Device for the weight balance after point 1 and 2, characterized in that for realizing a longitudinal or lifting movement in a rotary motion a rack (4) with a gear (3) is engaged and the cam (5) firmly the toothed wheel (3) is connected, on whose cam track (6) the traction means (10) bears tangentially. 4. Einrichtung für den Gewichtsausgleich nach Punkt 1 und 2,4. Weight-balancing device according to items 1 and 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die Kurvenscheibe (5) in Drehgelenk (12) eines Roboterarmes (11) angeordnet ist. ^characterized in that / the cam disc (5) in the pivot joint (12) of a robot arm (11) is arranged. ^ 5» Einrichtung für den Gewichtsausgleich nach Punkt 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenscheibe (5) Bestandteil des Roboter armes ist und die kürvertbahn (6) am Hebelarm (11) ausgebildet ist.5 »device for the weight balance according to item 1 and 4, characterized in that the cam disc (5) is part of the robot arm and the kürvertbahn (6) on the lever arm (11) is formed. 6. Einrichtung für den Gewichtsausgleich nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenscheibe (5) bei Gelenkrobotern gegenüber dem Gestell (9) feststeht, das Zugmittel (10) mit der Zugfeder (7) am Hebel arm (11) des Roboters befestigt ist und so das Zugmittel (10) bei Änderung der Lage des Hebel armes (11) 'auf der Kurvenbahn (6) der Kurvenscheibe (5) gewickelt wird«,6. Device for weight balance according to item 1 and 2, characterized in that the cam disc (5) in articulated robots relative to the frame (9) is fixed, the traction means (10) with the tension spring (7) on the lever ar m (11) of the Robot is attached and so the traction means (10) when changing the position of the lever arm (11) 'on the curved path (6) of the cam (5) is wound,
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