DD252148A1 - Mechanischer ausgleichsmechanismus fuer gelenkgetriebe, insbesondere industrieroboter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Ausgleichsmechanismus fuer Gelenkgetriebe, insbesondere Industrieroboter, zur Kompensation des aus der Eigenmasse der Glieder des Gelenkgetriebes und des aus der zu bewegenden Masse resultierenden Momentes. Ziel ist ein mechanischer Ausgleichsmechanismus mit stabiler Funktion, im gesamten Arbeitsbereich sowie vernachlaessigbar kleinen Einfluss auf die Antriebsleistung des Gelenkgetriebes. Hierzu soll das Gewicht der bewegten Teile unabhaengig von ihrem jeweiligen Schwenkwnkel vollstaendig ausgeglichen werden und ein moeglichst hoher Anteil der Federenergie als Gegenkraft im Ausgleichsmoment zur Wirkung kommen. Erfindungsgemaess ist der Kurvenkoerper ein Hohlzylinder, dessen sich die Waelzkoerper abstuetzende Stirnflaeche aus zwei um 180 zueinander versetzt in die Wandung des Hohlzylinders eingearbeitete Formflanken besteht. Fig. 2

Description

hΛ² 4G-I . , φι^{2 1} sin²

K V V Κ/ Z 360

bestimmt ist, wobei

S(cp) — Koordinate des Kurvenkörpers in axialer

Richtung [m]

h — Größe des Hubes der Kurve [m]

K - Koeffizient, der das Verhältnis des

zurückgelegten Federweges zu dem maximalen Federweg berücksichtigt [-]

G - Gewicht des auszugleichenden Getriebegliedes [N]

I - Abstand des Gelenkpunktes vom Schwerpunkt der auszugleichenden Getriebeglieder [m]

Z — Federsteifigkeit . [N/mm]

φ-, - absoluter Winkel der Auslenkung des

Getriebegliedes [Grad]

bedeuten,

daß die Wälzkörper koaxial zur Welle (4) angeordnet sind, wobei jeweils ein Wälzkörper mit einer Formflanke des Kurvenkörpers (9) in kraftschlüssiger Verbindung steht und daß außerdem vorzugsweise der nicht mit der Feder in Verbindung stehende Teil der Paarung sich über eine Verstelleinrichtung im Gehäuse (3) des Ausgleichsmechanismus abstützt und in diesem axial verschiebbar angeordnet ist.

2. Mechanischer Ausgleichsmechanismus nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Kurvenkörper (9) auf der Welle (4) drehfest, jedoch auf ihr axial verschiebbar und das Wälzkörperpaar im Gehäuse (3) drehfest und axial verschiebbar angeordnet sind.

3. Mechanischer Ausgleichsmechanismus nach Anspruch 1 ,gekennzeichnet dadurch, daß der Kurvenkörper (9) auf der Welle (4) fest angeordnet ist und das Wälzkörperpaar sich im Gehäuse (3) axial verschiebbar gegen die Feder abstützt.

4. Mechanischer Ausgleichsmechanismus nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Wälzkörperpaar durch eine gemeinsame Achse verbunden und in einem Rollenhalter (12) gelagert ist, der in dem Gehäuse (3) axial verschiebbar angeordnet und über ein Druckstück (14) mit der am Gehäuse (3) befestigten Verstelleinrichtung verbunden ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnung^

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Ausgleichsmechanismus für Gelenkgetriebe, insbesondere Industrieroboter, zur Kompensation des aus der Eigenmasse der Glieder des Gelenkgetriebes und des aus der zu bewegenden Masse resultierenden Momentes.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind bereits mechanische Ausgleichsmechanismen für Gelenkgetriebe bekannt, bei denen Federn direkt oder indirekt mit einem Glied des Gelenkgetriebes in Verbindung stehen. Die gespeicherte Energie der Feder kompensiert das Moment, das durch die exzentrische Lage des Schwerpunktes des Gliedes, einschließlich der Masse, entsteht.

So wird in dem SU-US 1 065 331 A eine Einrichtung zum Gewichtsausgleich eines schwenkbaren mit einem Gewicht belasteten Hebels beschrieben, bei dem beim Schwenken dieses Hebels eine Kurvenscheibe, die auf einer mit diesem Hebel starr verbundenen und in der Schwenkachse angeordneten Welle verschiebbar angeordnet ist, mitgedreht wird.

Die gemäß einer vorgegebenen Gleichung ausgebildete kurvenförmige Stirnfläche der Kurvenscheibe stützt sich dabei auf fest angeordneten Rollen ab. Ihre gegenüberliegende Stirnfläche drückt gegen eine Druckfeder. Beim Schenken des Hebels dreht sich die Kurvenscheibe in gleicher Weise mit, wobei sie sich gleichzeitig entlang der Welle verschiebt und somit die Feder weiter zusammendrückt bzw. bei Drehung in entgegengesetzter Richtung entspannt. Das bedeutet, daß sich beim Schwenken des Hebels auch das Moment, das das Gewicht des Hebels ausgleicht, verändert.

Der Nachteil dieses Ausgleichsmechanismus besteht in der nur begrenzten Funktionstüchtigkeit des Momentenausgleichs. Das erzeugte Lastausgleichsmoment entspricht nicht im gesamten Arbeitsbereich eines Industrieroboters dem tatsächlich auszugleichenden Moment. Das führt zu einem unvollständigen und instabilen Lastenausgleich und bedingt damit eine Leistungsverringerung in der Beschleunigungsphase. Zur Vermeidung dieses Nachteils muß die Antriebsleistung entsprechend

größer gewählt werden. »

Außerdem berücksichtigt die o. a. Gleichung der Kurvenscheibe nicht, in welchem Maße die potentielle Energie der vorgespannten Feder ausgenutzt wird, so daß ein schlechter Wirkungsgrad infolge hoher Reibverluste auftreten kann. Ferner ist eine Anpassung an unterschiedliche Massen auf einfache Weise nicht möglich. Für jede auszugleichende Masse ist eine spezielle Kurvenscheibe erforderlich.

Ziel der Erfindung . . "'

Ziel der Erfindung ist es, einen mechanischen Ausgleichsmechanismus zu schaffen, der im gesamten Arbeitsbereich des Gelenkgetriebes eine stabile Funktion besitzt, der nur einen vernachlässigbar kleinen Einfluß auf die Antriebsleistung des Gelenkgetriebes ausübt und dessen Anpassung an unterschiedliche Massen ohne großen Aufwand möglich ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ausgleichsmechanismen mit Kurvenkörper und als Kraftspeicher wirkender Feder derart zu verändern, daß das Gewicht der bewegten Teile unabhängig von ihrem jeweiligen Schwenkwinkel vollständig ausgeglichen wird, daß ein möglichst hoher Anteil der Federenergie als Gegenkraft im Ausgleichsmoment zur Wirkung kommt und daß bei unterschiedlichen Massen der bewegten Teile kein Austausch von Teilen des Ausgleichsmechanismus erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kurvenkörper ein Hohlzylinder ist, dessen sich gegen die Wälzkörper abstützende Stirnfläche aus zwei um 180° zueinander versetzt in die Wandung des Hohlzylinders eingearbeitete Formflanken besteht, deren Abwicklung durch die Beziehung

	h //hy 4G-I φι2	— Koordinate des Kurvenkörpers in	[m]
S (φ	K VU/ Z oln 360	axiale Richtung	[m]
bestimmt ist.	- Größe des Hubes der Kurve
In dieser Beziehung bedeuten:	— Koeffizient, der das Verhältnis
S(<p)	des zurückgelegten Federweges zu
	dem maximalen Federweg berück	H
h	sichtigt
K	— Gewicht des auszugleichenden Ge	[N]
	triebegliedes
	— Abstand des Gelenkpunktes vom
	Schwerpunkt der auszugleichenden	[m]
G	Getriebeglieder	[N/mm
	- Federsteifigkeit
I	- absoluter Winkel der Auslenkung	[Grad]
	des Getriebegliedes
Z
(Pi

Die Wälzkörper sind paarweise koaxial zur in der Drehachse der zu bewegenden Teile befindlichen Welle angeordnet, wobei jeweils ein Wälzkörper mit einer Formflanke des Kurvenkörpers in kraftschlüssiger Verbindung steht.

Vorzugsweise der nicht mit der Feder in Verbindung stehende Teil der Paarung stützt sich über eine Verstelleinrichtung im Gehäuse des Ausgleichsmechanismus ab und ist in diesem axialverschiebbar angeordnet, wobei seine axiale Lage im Gehäuse durch die Verstelleinrichtung einstellbar ist.

Eine zweckmäßige Ausführung der Erfindung besteht darin, den Kurvenkörper mit der Welle verdrehfest, jedoch auf ihr verschiebbar anzuordnen. Das Wälzkörperpaar ist dann im Gehäuse drehfest, jedoch verschiebbar angeordnet. Seine Lage und damit die Vorspannung der Feder wird dabei von der Verstelleinrichtung bestimmt. Die Wälzkörper können in diesem Fall auf einer gemeinsamen Achse gelagert sein, die in einem Rollenhalter eingespannt ist. Die kraftschlüssige Verbindung zu der

Verstelleinrichtung, die fest im Gehäuse des Ausgleichsmechanismus angeordnet ist, kann beispielsweise über ein Druckstück erfolgen. Eine gelenkige Ausführung der Verbindung ist z. B. durch die baliige Gestaltung des Druckstückes, das von einer entsprechenden als Gegenform ausgebildeten Kontur des Rollenhalters aufgenommen wird, realisierbar.

Es ist aber auch denkbar, den Kurvenkörper auf der Welle fest und das Wälzkörperpaar in dem Gehäuse verdrehfest, jedoch:

axialverschiebbar anzuordnen. Es stützt sich in diesem Fall mit seiner Halterung über die Feder im Gehäuse ab.

In diesem Fall ist es auch zweckmäßig, die Verstelleinrichtung direkt mit der Feder zu koppeln, um eine Änderung der Vorspannung der Feder zu erreichen.

Es sind jedoch noch weitere Varianten der Paarung von Kurvenkörper und Wälzkörpern sowie Feder möglich, so z. B. der Austausch beider Teile, d. h. die Anordnung der Wälzkörper auf der Welle und die Führung des Kurvenkörpers im Gehäuse. Auch in diesen Fällen muß zumindestens das mit der Feder direkt verbundene Teil axialverschiebbar sein.

Beim Schwenken der Teile des Gelenkgetriebes, die über ein Hebelsystem fest mit der Welle des Ausgleichsmechanismus verbunden sind, wird der Teil der Paarung, der drehfest mit der Welle verbunden ist, in gleicher Weise mitgedreht. Dabei rollen die Wälzkörper auf der Bahn der Formflanken des Formkörpers ab, währenddessen sich der axialverschiebbare und direkt mit der Feder verbundene Teil der Paarung entsprechend dieser Bahn in axialer Richtung verschiebt und dabei die Feder je nach Drehrichtung zusammendrückt oder entspannt. Der maximale Verschiebeweg ist gleich dem Abstand des höchsten und tiefsten Bahnpunktes der Formflanken. Durch die Neigung der Formflanken treten Tangentialkräfte auf. Das daraus resultierende Moment wird auf die Welle übertragen und wirkt über das Hebelsystem als Gegenmoment auf die bewegten Teile.

Der Vorteil der Erfindung besteht in der wesentlich verbesserten Funktion des Ausgleichsmechanismus. Die nach der o. g.

Funktion S (φ) gefertigten Formflanken des Kurvenkörpers ermöglichen es, für alle Winkelstellungen einen vollständigen Gewichtsausgleich der bewegten Teile zu erreichen. Als Antriebsenergie wird nur noch die Energie zur Überwindung der Reibung und zur Beschleunigung der bewegten Teile benötigt. Dadurch können Antriebseinheiten kleinerer Leistung verwendet werden, die Neigung zu Schwingungen wird unterdrückt, da die Bewegung gleichmäßiger erfolgt. Bei Verwendung von selbsteinstelienden Lagern für die Wälzkörper sowie balliger Ausbildung des Druckstückes werden Fertigungsungenauigkeiten bei den im Kraftfluß miteinander stehenden Teilen selbsttätig ausgeglichen.

Dadurch werden keine besonderen Anforderungen an die Fertigungsqualität gestellt, so daß der Fertigungsaufwand für den Ausgleichsmechanismus in Grenzen gehalten wird.

Vorteilhaft ist ferner, daß der Ausgleichsmechanismus ohne weiteres für unterschiedliche Massen einsetzbar ist. Die dazu erforderliche Veränderung der Federvorspannung ist mit Hilfe der Verstelleinrichtung auf einfache Weise möglich.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend solldie Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: das kinematische Schema des Ausgleichsmechanismus an einem Industrieroboter in Gelenkbauweise Fig. 2: den schematischen Aufbau einer Variante des Ausgleichsmechanismus und Fig. 3: den Kurvenkörper.

Wie aus Fig. 1 und 2 zu erkennen, sind an einem Ständer 1 ein Antriebselement 2 des Industrieroboters und fluchtend dazu ein Gehäuse 3 angeordnet, in dem der Ausgleichsmechanismus untergebracht ist. Eine aus dem Antriebselement 2 herausgeführte Welle 4 ragt in das Gehäuse 3 hinein und ist in diesem gelagert. Der Industrieroboter ist schematisch durch einen Oberarm 5 und einen gelenkig mit diesem verbundenen Unterarm 6 dargestellt. Der Unterarm 6 ist direkt mit der Welle 4 fest verbunden. Der Oberarm 5 steht über eine Zugstange 7, mit der er gelenkig verbunden ist, und einem mit der Zugstange 7 gelenkig gekoppelten Hebel 8 in Verbindung. Der Hebel 8 ist fest an der Welle 4 angeordnet. Auf Grund der kinematischen Eigenschaften dieses Gelenkmechanismus nimmt der Hebel 8 immer eine zum Oberarm 5 parallele Lage ein. Der Neigungswinkel des Hebels 8 und damit der Drehwinkel der Welle 4 entspricht somit dem Neigungswinkel des Oberarmes 5. Die verdrehfeste Verbindung des Hebels 8 mit der Welle 4 kann beispielsweise durch ein Keilwellenprofil realisiert werden.

Im vorliegenden Beispiel wurde auf dem im Gehäuse 3 befindlichen Ende der Welle 4 ein Kurvenkörper 9 axialverschiebbar, jedoch verdrehfest angeordnet. Der Kurvenkörper 9 ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich, als Hohlzylinder ausgebildet, dessen mit den Wälzkörpern in Verbindung stehende Stirnfläche zwei um 180° zueinander versetzte kurvenförmige Einschnitte aufweist. Die Abwicklung der Einschnitte ist entsprechend der im Wesen der Erfindung genannten Funktion S (φ) gestaltet. Auf diesen so entstandenen Formflanken besitzen jeweils sich diametral gegenüberliegende Bahnpunkte immer ein und denselben Abstand zur gegenüberliegenden Stirnseite des Kurvenkörpers 9. Diese Stirnseite stützt sich gegen eine Druckfeder 10 ab, so daß der Kurvenkörper 9 mit seinen Formflanken gegen als Wälzkörper dienende Rollen 11, die in einem Rollenhalter 12 gelagert sind, gedrückt wird.

Da bereits der Kurvenkörper 9 axialverschiebbar angeordnet wurde, müssen die Rollen 11 im Gehäuse fest angeordnet sein. Um trotzdem eine-Änderung der Vorspannung der Druckfeder 10 zu ermöglichen, ist der Rollenhalter mittels Führungselementen 13 drehfest, jedoch axialverschiebbar zur Welle 4 im Gehäuse 3 angeordnet, wobei er im vorliegenden Beispiel über ein Druckstück 14 durch eine Einstellschraube 15 axial bewegt, aber auch arretiert werden kann. Durch diese Einstellschraube 15 ist der Kraftschluß zwischen den einzelnen Teilen gewährleistet und die für den Momentenausgleich erforderliche potentielle Energie in Abhängigkeit von der Masse der zu bewegenden Teile in der Druckfeder 10 gespeichert.

Die beim Abrollen der Rollen 11 auf den Formflanken des Kurvenkörpers 9 entstehende tangentiale Kraft bewirkt ein Moment, das unabhängig von der Lage des Oberarmes 5 das aus dem Gewicht der bewegten Teile resultierende statische Moment kompensiert.

Claims (1)

1. Mechanischer Ausgleichsmechanismus für Gelenkgetriebe, insbesondere Industrieroboter, zur Kompensation des aus der Eigenmasse der Glieder des Gelenkgetriebes und des aus der zu bewegenden Masse resultierenden Momentes mittels der Energie einer Feder, die beim Schwenken der auszugleichenden Massen mittels einer Paarung, bestehend aus_einem Kurvenkörper und auf dessen kurvenförmiger Stirnfläche abrollenden Wälzkörpern, gespannt bzw. entspannt wird, wobei ein Teil der Paarung drehfest mit einer in der Schwenkachse angeordneten und fest mit den auszugleichenden Massen verbundene Welle in Verbindung steht und das unmittelbar oder mittelbar mit der Feder verbundene Teil der Paarung axial verschiebbar angeordnet ist. gekennzeichnet dadurch,

daß der Kurvenkörper (9) ein Hohlzylinder ist, dessen sich gegen die Wälzkörper abstützende Stirnfläche aus mindestens zwei zueinander versetzt in die Wandung des Hohlzylinders eingearbeitete Formflanken besteht, deren Abwicklung durch die Beziehung