DD261986A1

DD261986A1 - OVERLOAD PROTECTION DEVICE FOR FREE PROGRAMMABLE AND MASTER SLAVE OR MANUALLY CONTROLLED MANIPULATORS

Info

Publication number: DD261986A1
Application number: DD30269287A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Tschuck; Harald Luederitz
Original assignee: Bauakademie Ddr
Priority date: 1987-05-13
Filing date: 1987-05-13
Publication date: 1988-11-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ueberlastschutzvorrichtung fuer frei programmierbare und master-slave oder manuell gesteuerte Manipulatoren. 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 gewollten oder ungewollten Beruehrung des Werkzeugs oder Greifers mit dem Umfeld in Waermeenergie umzuwandeln und sie laesst es zu, dass die Hoehe der Belastung des Manipulators auf ein unterkritisches Mass eingestellt werden kann und im Montagebetrieb axiale und radiale Ausgleichsbewegungen erfolgen koennen. Die Anordnung einer auslenkbaren Platte an einem Kegelstumpf aus bewehrtem elastischem Material ermoeglicht je nach geometrischen Abmessungen und Mediendruck eine Kraftbegrenzung ueber einem konstruktiv vorgesehenen Weg und verhindert damit die Ueberlastung, die sonst zur Zerstoerung des Manipulators fuehren wuerde. Die Vorrichtung laesst eine beliebige Kraftangriffsrichtung zu und kann den technischen Daten eines Manipulators angepasst werden. FigurThe invention relates to an overload protection device for freely programmable and master-slave or manually controlled manipulators. 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 able to convert the kinetic energies of the moving system in the case of a deliberate or unwanted contact of the tool or gripper with the environment in heat energy and it allows that the amount of stress of the manipulator can be adjusted to a subcritical level and axial and radial compensatory movements can take place in the assembly operation. The arrangement of a deflectable plate on a truncated cone made of reinforced elastic material allows, depending on the geometric dimensions and media pressure, a force limitation over a structurally provided path and thus prevents the overload that would otherwise lead to the destruction of the manipulator. The device allows any force application direction and can be adapted to the technical data of a manipulator. figure

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Überlastschutzvorrichtung für frei programmierbare und master-slave oder manuell gesteuerte Manipulatoren gegen zerstörend wirkende Belastungen beiThe invention relates to an overload protection device for freely programmable and master-slave or manually controlled manipulators against destructive loads at

— Kollision des Werkzeugs bzw. Greifers mit dem Umfeld,Collision of the tool or gripper with the environment,

— einsatzbedingten Kraftrückwirkungen auf den Manipulator und- operational force repercussions on the manipulator and

— äußeren Krafteinwirkungen auf Werkzeug bzw. Greifer,- external forces acting on tool or gripper,

die speziell dafür vorgesehen ist, Manipulatoren zu schützen, die im Arbeitsprozeß mit verfahrensbedingten Kräften und Momenten auf Teile des Umfeldes einwirken und bei Montageeinsatz axialen und radialen Versatz ausgleichen müssen, ohne daß bei der entstehenden geschlossenen kinematischen Kette Zerstörungen am Manipulator oder seinen Teilen entstehen. Ein weiteres Anwendungsgebiet liegt bei den technologischen Verfahren, bei denen ein Werkzeug in einen engen Raum oder eine Bohrung eingeführt wird oder nach der Arbeitsverrichtung herausgezogen werden muß.which is specifically designed to protect manipulators that act in the work process with process-related forces and moments on parts of the environment and compensate for axial and radial misalignment assembly without causing damage to the manipulator or its parts in the resulting closed kinematic chain. Another area of application is in the technological process, in which a tool is introduced into a narrow space or a hole or must be pulled out after Arbeitsverrichtung.

Characteristic of the known state of the art

Bekannte technische Lösungen gehen davon aus, daß bei Kollision des Werkzeugs bzw. Greifers mit dem Umfeld jene ausweichen oder ein Signal zur Notabschaltung erzeugen. Bekannte technische Lösungen sind nicht in der Lage, in bewegten Systemen vorhandene Energie umzuwandeln und nur definierte Belastungen des Manipulators zuzulassen, bzw. können nur in quasistatischen Prozeßabläufen eingesetzt werden.Known technical solutions assume that in case of collision of the tool or gripper with the environment evade those or generate a signal for emergency shutdown. 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.

Solche Einrichtungen zum Kollisionsschutz sind aus den DD-PS 225384, 230470, 222541, 222244,213622,240348 und DE-OS 3331 244,3333 979,3310193,3605 505 bekan nt.Such devices for collision protection are known from DD-PS 225384, 230470, 222541, 222244,213622,240348 and DE-OS 3331 244,3333 979,3310193,3605 505 bekan nt.

Allen diesen Erfindungen ist gemeinsam, daß eine Anspruchstelle bei Lageverschiebung eines beweglichen Teiles einer Vorrichtung bei Kollision ein Signal erzeugt aber keine Energie umgewandelt werden kann.All these inventions have in common that a claim point upon displacement of a movable part of a device in collision generates a signal but no energy can be converted.

Durch DD-Anmeldungen AZ WP B 25 J/2971313 und AZ WP B 25 J/2971321 sind Erfindungen bekannt, die die Energie der geforderten Größenordnung umwandeln können.By DD applications AZ WP B 25 J / 2971313 and AZ WP B 25 J / 2971321 inventions are known that can convert the energy of the required order of magnitude.

; Nachteilig ist bei den letzgenannten Vorrichtungen, daß sie eine hohe Eigenmasse haben und durch eine sphärische Führung des beweglichen Teiles in einem Gehäuse um einen Freiheitsgrad steifer sind als die in dieser Beschreibung vorgestellte Vorrichtung. Außerdem sind infolge des Fertigungsaufwandes und des Kompliziertheitsgrade die Kosten wesentlich höher.; A disadvantage of the latter devices that they have a high intrinsic mass and are stiffer by a spherical guide of the movable part in a housing by one degree of freedom than the device presented in this description. In addition, the cost is much higher due to the manufacturing cost and the complexity levels.

Object of the invention

Die Erfindung hat die Zielstellung, 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 trotzdem die für die Durchführung der technologischen Verfahren notwendigen Kräfte zuzulassen.The invention has the objective of manipulators, which, due to their own installed drive power and by the existing energy of the moving system, are able to destroy themselves, protect and still allow the necessary forces for the implementation of technological processes.

Weitere Ziele der Erfindung bestehen in der Realisierbarkeit der Vorrichtung mit relativ geringer Eigenmasse und niedrigen Gerätekosten sowie in der Kompensation der Positionierungenauigkeiten in Montageprozessen bei gleichzeitiger Senkung der ' Montagezeit.Other objects of the invention are the feasibility of the device with relatively low mass and low equipment costs and in the compensation of positioning inaccuracies in assembly processes while reducing the 'assembly time.

Explanation of the essence of the invention

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Überlastschutz zu schaffen, der, im Falle einer gewollten oder ungewollten Kollision des Werkzeugs bzw. Greifers eines Manipulators mit dem Umfeld, 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 ein Druckbegrenzungsventil unkompliziert in ihrer Größenordnung verändert werden können und wobei die Vorrichtung eine Verschiebung des Werkzeugs bzw. Greifers relativ zum Manipulator zuläßt, die ausreicht, die kinetische Energie in Wärme umzuwandeln und ein Signal im Antriebsregelkreis so zu verarbeiten, daß die ursprüngliche Werkzeug- bzw. Greiferposition eingenommen wird, und außerdem besteht die Aufgabe, mit dieser Erfindung bei Füge- oder Bearbeitungsprozessen die auftretenden Positionierungenauigkeiten zu kompensieren, indem die Position des Werkzeuges bzw. Greifers durch eine konstruktiv vorgesehene Führung an dem zu verarbeitenden Gegenstand oder der zu montierenden Baugruppe korrigiert werden kann.The invention has the object to provide an overload protection, which, in the case of a deliberate or unwanted collision of the tool or gripper of a manipulator with the environment, is able to convert the existing energy and thereby act only defined forces on the manipulator let, which can be easily changed in magnitude by a pressure relief valve according to the requirements of the technological process and wherein the device allows a displacement of the tool or gripper relative to the manipulator, which is sufficient to convert the kinetic energy into heat and a signal in the drive control loop so to process that the original tool or gripper position is taken, and also the task with this invention in joining or machining processes to compensate for the positioning inaccuracies occurring by the position of the tool or gripper by a structurally provided Führu ng on the object to be processed or the assembly to be mounted can be corrected.

Dadurch werden Ausfälle durch Zerstörung und erhöhten Verschleiß vermieden.This avoids failures due to destruction and increased wear.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Überlastschutzvorrichtung zwischen Manipulator und Werkzeug bzw. Greifer angeordnet und fest mit dem Manipulator verbunden ist.According to the invention the object is achieved in that the overload protection device between the manipulator and tool or gripper is arranged and fixedly connected to the manipulator.

Sie besteht aus einer Grundplatte und einer kleineren, formgleichen Auslenkplatte.It consists of a base plate and a smaller, identical deflection plate.

Beide Platten sind durch einen hermetisch dichten Kegelstumpf aus bewehrtem elastischen Material miteinander verbunden und werden mittels eines flüssigen oder gasförmigen Druckmediums, das sich im Innern des Kegelstumpfes befindet, mit einer definierten Kraft gegeneinander verspannt. Die Längs- und Querbewehrungen bestehen aus solchem Material, das die Formstabilität des Kegelstumpfes gewährleistet und bei kritischen äußeren Krafteinwirkungen die elastischen Verformungen des Kegelstumpfes mitvollzieht.Both plates are connected by a hermetically sealed truncated cone made of reinforced elastic material and are clamped by means of a liquid or gaseous pressure medium, which is located in the interior of the truncated cone, with a defined force against each other. The longitudinal and transverse reinforcements are made of such material, which ensures the dimensional stability of the truncated cone and in the case of critical external forces, the elastic deformations of the truncated cone accompanies.

Ein Signalgeber gibt die Verschiebung zwischen Grundplatte und Auslenkplatte an und stellt einer Verarbeitungseinheit ein Signal zur Verfügung, um auf den Antriebsregelkreis einzuwirken. Mit der Änderung der Kegelstumpfgeometrie und dem Arbeitsdruck des Druckmediums läßt sich die Überlastschutzvorrichtung für unterschiedliche Belastung variieren.A buzzer indicates the displacement between the base plate and the deflection plate and provides a signal to a processing unit to act on the drive control loop. With the change in the truncated cone geometry and the working pressure of the pressure medium, the overload protection device can be varied for different loads.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt dazu, daß die im Manipulator vorhandene kinetische Energie bei seiner Berührung mit Gegenständen im Umfeld nicht zur Zerstörung des Manipulators führt, sondern mittels gedrosseltem Druckmedium diese in Wärme umwandelt und der Manipulator, ohne diezulässigen Belastungen zu überschreiten, abgebremst wird. Die Anwendung führt weiterhin dazu, daß mit der Mediendruckveränderung bei Montagevorgängen die Auslenkplatte und mit ihr das Werkstück Ausweichbewegungen durchführen kann, bis die Montageposition erreicht ist.The application of the device according to the invention causes the kinetic energy present in the manipulator in its contact with objects in the environment does not lead to the destruction of the manipulator, but by means of throttled pressure medium converts them into heat and the manipulator, without exceeding the permissible loads, is braked. The application also leads to the fact that with the media pressure change during assembly operations, the deflection plate and with her the workpiece can perform evasive movements until the mounting position is reached.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert.The invention will be explained below using an exemplary embodiment.

Die Zeichnungen zeigen die Überlastschutzvorrichtung in verschiedenen Positionen.The drawings show the overload protection device in various positions.

Figur 1: in NormalstellungFigure 1: in normal position

Figur 2: in ausgelenkter Stellung nach Kollision mit axialer Richtung der Reaktionskraft Figur 3: in ausgelenkter Stellung nach Kollision mit radialer Richtung der ReaktionskraftFigure 2: in the deflected position after collision with the axial direction of the reaction force Figure 3: in the deflected position after collision with the radial direction of the reaction force

Gemäß Figuri ist die Überlastschutzvorrichtung zwischen dem Manipulator 1 und dem Werkzeug 3 bzw. Greifer 3 angeordnet.According to FIG. 1, the overload protection device is arranged between the manipulator 1 and the tool 3 or gripper 3.

Sie besteht aus Grundplatte 2, Auslenkplatte 4, Kegelstumpf 5 aus elastischem Material, versehen mit Längs-6 und Querwehrung 7 aus zugfestem Material, Druckmedium 8, Signalgeber 9, Druckleitung 10 und elektrisch vorsteuerbarem Druckbegrenzungsventil 11.It consists of base plate 2, deflection plate 4, truncated cone 5 made of elastic material, provided with longitudinal 6 and 7 transverse reinforcement of tensile material, pressure medium 8, signal generator 9, pressure line 10 and electrically vorsteuerbarem pressure relief valve eleventh

Wenn der Manipulator als Werkzeugträger in einem technologischen Bearbeitungsverfahren eingesetzt wird, so können sich 2 Betriebszustände ergeben, bei denen eine Überlastung auftritt; der quasistatische und der dynamische Lastfall.If the manipulator is used as a tool carrier in a technological processing method, then two operating states may arise in which an overload occurs; the quasistatic and the dynamic load case.

Beim quasistatischen Lastfall wird nach Herstellung einer geschlossenen kinematischen Kette durch die Antriebsmomente des Manipulators und durch ungünstige geometrische Stellungen die Auslenkplatte 4 aus ihrer Normallage gedrängt und durch Verkleinerung des Kegelstumpfvolumens ein Teil des Druckmediums 8 über die Druckleitung 10 durch das Druckbegrenzungsventil 11 abgeleitet. Dabei wird durch die Wirkung des Druckmediums 8 auf die Auslenkplatte 4 eine definierte Kraft in den Manipulator 1 eingeleitet. Der Signalgeber 9 gibt ein Signal an eine nicht dargestellte Verarbeitungseinheit ab. Der Manipulatorvorschub wird unterbrochen und/oder gegengesteuert. Die Auslenkplatte 4 nimmt durch den vorhandenen Volumenstrom Q die Ausgangslage ein. Der technologische Prozeß kann sofort weitergeführt werden.In quasistatic load case, the deflection plate 4 is forced out of its normal position after production of a closed kinematic chain by the drive torque of the manipulator and unfavorable geometric positions and derived by reducing the truncated cone volume of the pressure medium 8 via the pressure line 10 through the pressure relief valve 11. In this case, a defined force is introduced into the manipulator 1 by the action of the pressure medium 8 on the deflection plate 4. The signal generator 9 outputs a signal to a processing unit, not shown. The manipulator feed is interrupted and / or counter-controlled. The deflection plate 4 takes by the existing volume flow Q, the starting position. The technological process can be continued immediately.

Beim dynamischen Lastfall trifft das Werkzeug mit einer definierten Geschwindigkeit auf einen Gegenstand. Ohne Überlastschutzvorrichtung würden die Kräfte infolge der sehr hohen Verzögerung zerstörende Wirkungen haben. Durch die Überlastschutzvorrichtung besteht die Möglichkeit, die kinetische Energie, die das bewegte System besitzt, in Wärmeenergie umzuwandeln, indem das im Kegelstumpf 5 befindliche Druckmedium 8 über das Druckbegrenzungsventil 11 herausgedrücktIn the case of a dynamic load case, the tool hits an object at a defined speed. Without an overload protection device, the forces would have destructive effects due to the very high delay. The overload protection device makes it possible to convert the kinetic energy possessed by the moving system into heat energy by pushing out the pressure medium 8 located in the truncated cone 5 via the pressure limiting valve 11

Wenn der Manipulator im Montageprozeß ein Werkstück in eine Montagegruppe einfügen muß, so besteht die Möglichkeit, daß nach dem Erreichen der Montageposition der Druck des Druckmediums 8 mittels vorsteuerbarem Druckbegrenzungsventil 11 so weit herabgesetzt wird, daß das Werkstück durch eine Führung die Bewegung zur Kompensation der Positionierungsgenauigkeiten ausführen kann und trotzdem die sichere Werkstückführung bestehen bleibt.If the manipulator in the assembly process must insert a workpiece in a mounting group, so there is a possibility that after reaching the mounting position of the pressure of the pressure medium 8 by means of pilot-operated pressure relief valve 11 is so far reduced that the workpiece by a guide movement to compensate for positioning accuracy can run and still the safe work piece management remains.

Claims

1. Overload protection device for freely programmable and master-slave or manually controlled manipulators, which is arranged between manipulator and tool or gripper and able to convert energy, characterized in that between a fixed to the manipulator (1) base plate connected (2 ) and a deflection plate (4) connected to the tool (3) or gripper (3), a hermetically sealed truncated cone (5) of elastic material, provided with longitudinal (6) and transverse movement (7), which deforms under external loads , Is arranged such that the filled with a pressure medium (8) and acted upon from the inside with pressure truncated cone the deflection plate (4) in a, related to the manipulator, by the length of the longitudinal movement (6) defined position, wherein an inside the truncated cone (5) fixed signal generator (9) with a processing unit and, with the truncated cone (5) via pressure lines (10) connected, Druckbegrenzungsve ntil (11) is coupled.

2. Overload protection device according to claim 1, characterized in that the longitudinal (6) and transverse reinforcements (7) consist of such material, which ensures the dimensional stability of the truncated cone (5) and in case of critical external forces the elastic deformations of the truncated cone (5) along ,

3. Overload protection device according to claim 1, characterized in that the pressure medium (8) can be both a liquid and a gaseous medium.