DD254163A1

DD254163A1 - Ueberlastschutzvorrichtung fuer freiprogrammierbare und master-slave oder manuell gesteuerte manipulatoren

Info

Publication number: DD254163A1
Application number: DD29713186A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Tschuck; Juergen Pagel
Original assignee: Bauakademie Ddr
Priority date: 1986-12-05
Filing date: 1986-12-05
Publication date: 1988-02-17

Abstract

Die Vorrichtung ist fuer den Schutz von Manipulatoren, die in einem technologischen Verfahren eine geschlossene kinematische Kette zum Zweck der Arbeitsverrichtung herstellen muessen, einsetzbar. Sie ist in der Lage, die kinetischen Energien des bewegten Systems im Falle einer Kollision des Werkzeuges oder Greifers in Waermeenergie umzuwandeln und sie laesst es zu, dass die Hoehe der Belastung des Manipulators auf ein unterkritisches Mass eingstellt werden kann. Die geometrische Anordnung eines Auslenkteils und eines Reibelementes ermoeglicht je nach Hebelverhaeltnis und Reibelementparameter eine Kraftbegrenzung ueber einen vorgesehenen Weg und verhindert damit die Ueberlastung, die sonst zur Zerstoerung fuehren wuerde. Die Vorrichtung laesst eine beliebige Kraftangriffsrichtung zu und kann den technischen Daten eines Manipulators in Grenzen angepasst werden. Das Auslenkteil wird in einem Gehaeuse sphaerisch gefuehrt und betaetigt peripher angeordnete Signalgeber. Die Signale werden zur Lageerkennung und -korrektur in einer Verarbeitungseinheit verglichen und auf den Antriebsregelkreis geschaltet.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Überlastschutzvorrichtung zum Schutz von freiprogrammierbaren oder master-slave gesteuerten Manipulatoren gegen zerstörend wirkende Überlastungen bei

— Kollision des Werkzeugs oder Greifers mit der Umwelt,

— einsatzbedingten Kraftwirkungen auf den Manipulator und

— äußeren Kraftwirkungen auf Werkzeug und Greifer,

die speziell dafür vorgesehen ist, Manipulatoren zu schützen, die im Arbeitsprozeß mit verfahrensbedingten Kräften und Momenten auf Teile der Umwelt einwirken müssen, ohne daß bei der entstehenden geschlossenen kinematischen Kette und bei Kollision mit der Umwelt Zerstörungen am Manipulator auftreten.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte technische Lösungen gehen immer davon aus, daß bei Kollision des Werkzeuges oder Greifers — meist eine Schweißeinrichtung—jene ausweichen und daß dabei ein Signal zur Notabschaltung erzeugt wird. Bekannte technische Lösungen sind nicht in der Lage, in bewegten Systemen vorhandene Energien umzuwandeln und nur definierte Belastungen des Manipulators zuzulassen, bzw. können nur in quasistatischen Prozeßabläufen eingesetzt werden. Einrichtungen zum Kollisionsschutz sind aus den DD-PS 225.384, 230.470, 222.541 und aus der DE-AS 3.331.244 bekannt. Sie erfüllen nicht die im Anwendungsgebiet benannten Erfordernisse. Allen bekannten Erfindungen ist gemeinsam, daß eine Ansprechstelle bei Lageverschiebung eines beweglichen Teils einer Vorrichtung bei Kollision ein Signal erzeugt. Sie sind aber nicht in der Lage, Energie umzuwandeln.

Die Leistung in technologischen Verfahren geschlossene kinematische Ketten bildene Manipulatoren wurde regelmäßig während des Arbeitsprozesses überlastet und sie zerstörten sich oft nach wenigen Betriebsstunden selbst. Mit hohem Kostenaufwand mußtedann die Widerinbetriebnahme durchgeführt werden. Einen objektiven Schutzgegen dieZerstörung gibt es bisher nicht.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, Manipulatoren, die bedingt durch die eigene installierte Antriebsleistung und durch die vorhandene Energie des bewegten Systems in der Lage sind, sich selbst zu zerstören, zu schützen und nur für die Durchführung technologischer Verfahren notwendigen Kräfte zuzulassen.

Dadurch werden einerseits aufwendige Instandsetzungsarbeiten vermieden und andererseits die maximale Auslastung der verwendeten Manipulatoren erreicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabenstellung, einen Überlastschutz zu schaffen, der im Falle einer gewollten oder ungewollten Kollision des Werkzeuges oder Greifers eines Manipulators mit der Umwelt in der Lage ist, die vorhandene Energie umzuwandeln und dabei nur definierte Kräfte auf den Manipulator wirken zu lassen, die je nach Erfordernis des technologischen Verfahrens durch Stellelemente unkompliziert in ihrer Größenordnung verändert werden können und wobei die Vorrichtung einen Verschiebeweg zuläßt, der ausreicht, ein Signal im Antriebsregelkreis so zu verarbeiten, daß eine Werkzeugposition eingenommen wird, die einer durch den Manipulator ertragbaren Belastung entspricht. Dadurch werden Ausfälle durch Zerstörung und Funktionsbeeinflussung durch erhöhten Verschleiß vermieden.

Weiterhin besteht die Aufgabe, durch Anordnung der Signalgeber am Gehäuse einer Signalverarbeitungseinheit des Manipulators ein Belastungssituationsabbild zu vermitteln und damit auf die Antriebssteuerung einzuwirken.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Überlastschutzvorrichtung, die sich zwischen Manipulator und Werkzeug oder Greifer befindet, ein Gehäuse besitzt, das die auftretenden Kräfte und Momente aufnimmt und weiterleitet. Das zylindrische Gehäuse ist fest mit dem Manipulatorarm verbunden und läßt eine beliebige Kraftwirkungsrichtung zu. Im Gehäuse wird durch ein mit Normalkraft beaufschlagten Reibelement, das doppelkardanisch geführt wird, ein Auslenkteil an peripheren

Anschlagelementen arretiert. Das Auslenkteil ist ineinem bestimmten Bereich axial und sphärisch bewegbar. Mit der Änderung des Anschlagdurchmessers des Auslenkteils, der Anlenkgeometrie des doppelkardanisch geführten Reibelementes, der Normalkraft auf die Reibefläche, dem Reibfaktor und dem Anstellwinkel der Reibelementeführungen läßt sich die Überlastschutzvorrichtung für unterschiedliche Belastungen variieren.

Übersteigt die resultierende Kraft aus F_x, F_y, F_z die durch die Vorrichtung übertragbare Kraft, dann verschiebt sich das Reibelement zwischen denAnlenkschwingen,diemitdem Gehäuse fest verbunden sind und es wird Reibarbeit geleistet, die der Größe der vorhandenen Energie des bewegten Gelenksystems und den Antriebsmomenten entspricht. Die in Wärme umgewandelte kinetische Energie wird an die Umgebungsluft abgeleitet. Das Auslenkteil verändert dabei je nach Kraftrichtung seine Lage und die Signalgeber geben ein Signal an eine Verarbeitungseinheit ab.

Der Manipulator bremst seine Bewegung ab. Nach Beseitigung der kritischen Stellung durch die Antriebe geht das Auslenkteil in seine definierte Anschlagstellung zurück, die durch die Vorspannfedern gewährleistet wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die im Manipulator vorhandene kinetische Energie bei Berührung mit der Umwelt nicht zur Zerstörung des Manipulators führt, sondern mittels Reibelement in Wärme umgewandelt wird, der Manipulator abgebremst wird ohne die zulässigen Belastungen zu überschreiten und daß im Augenblick der Werkzeug-oder Greiferlageveränderung, relativ zum Manipulator, Signale den Antriebsregelkreis beeinflussen.

Weitere Vorteile sind darin zu sehen, daß von außen auf das Werkzeug oder den Greifer des Manipulators wirkende Kräfte keine Überlastung des Manipulators hervorrufen können, daß durch Vorspannkraft im Normalbetrieb ein stabiler Arbeitszyklus gewährleistet ist und trotzdem der Schutz aktiv ist und daß nach Beseitigung der Kollisionsstellung Werkzeug oder Greifer in die definierte Ausgangsstellung zurückgehen und sofort ein neuer Arbeitszyklus begonnen werden kann.

Ausführungsbeispiel:

Die Erfindung wird nachstehend ah einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt in Fig. 1 eine Schnittdarstellung der Überlastschutzvorrichtung.

Die Überlastschutzvorrichtung ist zwischen dem Manipulator 1 und dem Werkzeug 2 angeordnet. Sie besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 3, einem in seiner Lage durch Anschläge 4 fixierten Auslenkteil 5 zur Werkzeugaufnahme, einem mittig angeordneten Reibelement 6 mit Anlenkschwingen 7, Reibkraftfedern 8 und Kardangelenk 9, am Umfang angeordneten Vorspannfedern 10, am Umfang angeordneten Signalgebern 11 und einer Verdrehsicherung 12 zur Aufnahme technologisch bedingter Drehmomente von Bohrmaschinen, Preßlufthämmern, Schraubern usw. Das Auslenkteil 5, als zentraler Funktionsträger, ist eine durch Rippen versteifte symmetrische Kugelschicht mit einer Platte zur Aufnahme des Werkzeugs 2. Es ist mit einem Kardangelenk 9 verbunden.

Bei der Berührung des Werkzeugs 2 mit einem Arbeitsgegenstand während der Durchführung eines technologischen Verfahrens verändert sich die Lage des Werkzeugs 2 zum Manipulator 1 erst dann, wenn die Belastung einen kritischen Wert erreicht.

Es gibt grundsätzlich 2 Lastfälle, die die Überlastschutzvorrichtung in Aktion treten lassen können: der quasistatische und der dynamische Lastfall. Beim quasistatischen Lastfall wird nach Herstellung einer geschlossenen kinematischen Kette durch die Antriebsmomente des Manipulators 1 und durch ungünstige geometrische Stellungen das Auslenkteil 5 aus seiner Normallage an den Anschlägen 4 gedrängt. Dabei wird durch das Reibelement 6 eine definierte Kraft (F_Reitl = F_Norir,_ai μ) in den Manipulator 1 eingeleitet. Nach dem vorgegebenen Weg — χ — geben die Signalgeber 11 ein Signal an eine bekannte, nicht dargestellte Verarbeitungseinheit ab. Der Manipulatorvorschub wird unterbrochen oder gegengesteuert. Die Auswertung der Signale durch die Verarbeitungseinheit gibt dem Manipulator 1 die Möglichkeit, aus der kritischen Stellung herauszufahren. Die Überlastschutzvorrichtung nimmt durch die Anordnung der Bauelemente und durch die vorhandenen Vorspannfedern 10 die Ausgangslage ein. Der technologische Prozeß kann sofort weiterlaufen.

Beim dynamischen Lastfall trifft das Werkzeug 2 mit einer Geschwindigkeit auf einen Gegenstand. Ohne Überlastschutzvorrichtung würden die Kräfte infolge der sehr hohen negativen Beschleunigung zerstörende Wirkungen haben.

Durch die Überlastschutzvorrichtung besteht die Möglichkeit, die kinetische Energie, die das bewegte System besitzt in Wärmeenergie umzuwandeln, in dem das Reibelement 6 durch die Anlenkschwingen 7 geschoben wird und dabei Arbeit (Reibkraft χ Weg) verrichtet wird. Die Größe der zu leistenden Arbeit ist durch beide Faktoren variierbar. Auch in diesem Lastfall läßt sich die Belastung, die in den Manipulator 1 weitergeleitet wird, einstellen.

Variationsmöglichkeiten bestehen außerdem in der Veränderung der Hebelverhältnisse a/b/c des Winkels α und des Reibkoeffizienten μ.

Claims

1. Überlastschutzvorrichtung für freiprogrammierbare und master-slave oder manuell gesteuerte Manipulatoren, die zwischen einem Manipulator und einem Werkzeug angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß sie aus einem mit Anschlägen (4) und mit einer an sich bekannten Auswerteeinheit verbundenen Signalgebern (11) versehenen Gehäuse (3) besteht, in dem sich ein durch Vorspannfedern (10) geführtes Auslenkteil (5) zur Aufnahme von Werkzeugen (2) befindet, das über eine mit dem Auslenkteil verschweißte Achse und Kardangelenke (9) mit einem Reibelement (6) und durch mit Reibkraftfedern (8) versehene Anlenkschwingen (7) mit dem Gehäuse (3) kraftschlüssig verbunden ist.

2. Überlastschutzvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sowohl die Reibkraftfedern (8) als auch die Vorspannfedern (10) einstellbar sind.

3. Überlastschutzvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Reibungskoeffizient zwischen Reibelement und Anlenkschwingen variierbar ist.