DD254163A1

DD254163A1 - OVERLOAD PROTECTION DEVICE FOR FREELY PROGRAMMABLE AND MASTER SLAVE OR MANUALLY CONTROLLED MANIPULATORS

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.The device can be used for the protection of manipulators, which have to produce a closed kinematic chain for the purpose of working in a technological process. It is capable of converting the kinetic energies of the moving system into heat energy in the event of a collision of the tool or gripper, and it allows the level of manipulator load to be adjusted to a subcritical level. The geometric arrangement of a deflection and a friction element allows depending on Hebelverhaeltnis and Reibelementparameter a force limit over a designated path and thus prevents the overload that would otherwise lead to destruction. The device allows any force application direction and can be adapted to the specifications of a manipulator within limits. The deflection part is guided spherically in a housing and actuates peripherally arranged signal transmitters. The signals are compared for position detection and correction in a processing unit and switched to the drive control loop.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Überlastschutzvorrichtung zum Schutz von freiprogrammierbaren oder master-slave gesteuerten Manipulatoren gegen zerstörend wirkende Überlastungen beiThe invention relates to an overload protection device for the protection of freely programmable or master-slave controlled manipulators against destructive overloads

— Kollision des Werkzeugs oder Greifers mit der Umwelt,Collision of the tool or gripper with the environment,

— einsatzbedingten Kraftwirkungen auf den Manipulator und- operational force effects on the manipulator and

— äußeren Kraftwirkungen auf Werkzeug und Greifer,- external force effects on tool and gripper,

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.which is specifically designed to protect manipulators that must act in the work process with process-related forces and moments on parts of the environment, without causing damage to the manipulator in the resulting closed kinematic chain and in collision with the environment.

Characteristic of the known state of the art

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.Known technical solutions always assume that when a collision of the tool or gripper - usually a welder - dodge those and that while a signal for emergency shutdown is generated. Known technical solutions are not able to convert existing energy in moving systems and to allow only defined loads of the manipulator, or can be used only in quasi-static processes. Devices for collision protection are known from DD-PS 225.384, 230.470, 222.541 and from DE-AS 3,331,244. They do not meet the requirements specified in the field of application. Common to all known inventions is that a point of contact generates a signal upon a positional shift of a moving part of a device upon collision. But they are unable to transform energy.

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.The performance of closed loop kinematic technology in technological processes was regularly overloaded during the work process and often self-destructed after only a few hours of operation. Re-commissioning had to be carried out at a high cost. There is no objective protection against destruction so far.

Object of the invention

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.The invention has the goal of manipulators, which are due to their own installed drive power and the existing energy of the moving system in a position to destroy themselves, protect and allow only for the implementation of technological processes necessary forces.

Dadurch werden einerseits aufwendige Instandsetzungsarbeiten vermieden und andererseits die maximale Auslastung der verwendeten Manipulatoren erreicht.As a result, on the one hand complicated repair work can be avoided and on the other hand the maximum utilization of the manipulators used is achieved.

Explanation of the essence of the invention

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.The invention has the task to provide an overload protection, which is in the event of a deliberate or unwanted collision of the tool or gripper of a manipulator with the environment in a position to convert the existing energy and thereby act only defined forces on the manipulator, the depending on the requirement of the technological process can be easily changed by adjusting elements in their magnitude and wherein the device allows a displacement sufficient to process a signal in the drive control loop so that a tool position is taken, which corresponds to a tolerable by the manipulator load. This avoids failures due to destruction and functional influence due to increased wear.

Weiterhin besteht die Aufgabe, durch Anordnung der Signalgeber am Gehäuse einer Signalverarbeitungseinheit des Manipulators ein Belastungssituationsabbild zu vermitteln und damit auf die Antriebssteuerung einzuwirken.Furthermore, the object is to provide a load situation image by arranging the signal generator on the housing of a signal processing unit of the manipulator and thus act on the drive control.

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 peripherenAccording to the invention the object is achieved in that the overload protection device, which is located between the manipulator and the tool or gripper, has a housing which receives and forwards the forces and moments occurring. The cylindrical housing is fixedly connected to the manipulator arm and allows any force direction of action. In the housing is by a normal force acted upon friction element, which is performed doppelkardanisch, a deflection to peripheral

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.Stop elements locked. The deflector is axially and spherically movable within a certain range. With the change of the stop diameter of the Auslenkteils, the Anlenkgeometrie the doppelkardanisch guided friction element, the normal force on the friction surface, the friction factor and the angle of the Reibelementeführungen can be the overload protection device for different loads vary.

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.If the resultant force of F _x , F _y , F _z exceeds the force transmittable by the device, then the friction element shifts between the articulation arms rigidly connected to the housing and causes frictional work corresponding to the magnitude of the energy present in the moving articulation system Drive torque corresponds. The kinetic energy converted into heat is dissipated to the ambient air. Depending on the direction of the force, the deflection part changes its position and the signal transmitters emit a signal to a processing unit.

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.The manipulator slows down his movement. After removal of the critical position by the drives, the deflection part returns to its defined stop position, which is ensured by the biasing springs.

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.The advantage of the solution according to the invention is that the kinetic energy present in the manipulator in contact with the environment does not lead to the destruction of the manipulator, but is converted by means of friction element into heat, the manipulator is slowed down without exceeding the allowable loads and that at the moment Tool or gripper position change, relative to the manipulator, signals affect the drive control loop.

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.Further advantages are the fact that acting on the outside of the tool or the gripper of the manipulator forces can not cause overloading of the manipulator that is ensured by biasing force in normal operation, a stable duty cycle and still the protection is active and that after removal of the collision tool or gripper go back to the defined starting position and immediately a new cycle can be started.

Embodiment:

Die Erfindung wird nachstehend ah einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt in Fig. 1 eine Schnittdarstellung der Überlastschutzvorrichtung.The invention will be explained in more detail below ah embodiment. The accompanying drawing shows in Fig. 1 is a sectional view of the overload protection device.

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.The overload protection device is arranged between the manipulator 1 and the tool 2. It consists of a cylindrical housing 3, a fixed in position by stops 4 deflection 5 for tool holder, a centrally disposed friction element 6 with articulation arms 7, Reibkraftfedern 8 and universal joint 9, arranged on the circumference biasing springs 10, arranged on the circumference of signal generators 11 and a rotation 12 for receiving technologically related torques of drills, pneumatic hammers, screwdrivers, etc. The deflection part 5, as a central function carrier is a stiffened by ribs symmetrical spherical layer with a plate for receiving the tool 2. It is connected to a universal joint 9.

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.Upon contact of the tool 2 with a work item during the implementation of a technological process, the position of the tool 2 to the manipulator 1 changes only when the load reaches a critical value.

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.There are basically 2 load cases that can make the overload protection device come into action: the quasi static and the dynamic load case. In the case of quasistatic load, after the production of a closed kinematic chain by the drive torques of the manipulator 1 and due to unfavorable geometric positions, the deflection part 5 is forced out of its normal position against the stops 4. In this case, a defined force (F _Reitl = F _Norir , _a i μ) is introduced into the manipulator 1 by the friction element 6. After the predetermined path - χ - give the signal generator 11 a signal to a known, not shown processing unit. The manipulator feed is interrupted or counter-controlled. The evaluation of the signals by the processing unit gives the manipulator 1 the opportunity to move out of the critical position. The overload protection device takes by the arrangement of the components and the existing biasing springs 10, the starting position. The technological process can continue immediately.

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.In the case of a dynamic load case, the tool 2 strikes an object at a speed. Without an overload protection device, the forces would have destructive effects due to the very high negative acceleration.

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.By the overload protection device, it is possible to convert the kinetic energy possessed by the moving system into thermal energy, in which the friction element 6 is pushed by the Anlenkschwingen 7 while doing work (friction χ path) is performed. The size of the work to be done is variable by both factors. Also in this load case, the load that is forwarded to the manipulator 1, set.

Variationsmöglichkeiten bestehen außerdem in der Veränderung der Hebelverhältnisse a/b/c des Winkels α und des Reibkoeffizienten μ.Variations also exist in the change in the leverage ratios a / b / c of the angle α and the coefficient of friction μ.

Claims

1. Overload protection device for freely programmable and master-slave or manually controlled manipulators, which is arranged between a manipulator and a tool, characterized in that it consists of a with stops (4) and connected to a known evaluation unit signal generators (11) housing (3), in which a by bias springs (10) guided deflection part (5) for receiving tools (2) is located on a welded to the deflection axis and universal joints (9) with a friction element (6) and with Reibkraftfedern (8) provided Anlenkschwingen (7) with the housing (3) is non-positively connected.

2. Overload protection device according to claim 1, characterized in that both the Reibkraftfedern (8) and the biasing springs (10) are adjustable.

3. Overload protection device according to claim 1 and 2, characterized in that the coefficient of friction between the friction element and Anlenkschwingen is variable.