DE10033224C1

DE10033224C1 - Roboter

Info

Publication number: DE10033224C1
Application number: DE10033224A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Hietmann; Thomas Finsterwalder
Original assignee: KUKA Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2000-07-07
Publication date: 2001-12-20
Anticipated expiration: 2020-07-08
Also published as: JP2002059390A; EP1170097A1; US20020014874A1; EP1170097B1; US6731091B2; DE50100592D1

Abstract

Zur besseren Kühlung insbesondere verteilt an einem Roboter angeordneter Antriebselektroniken und zur Vermeidung von mechanischen und geometrischen Einflüssen auf die Roboterstruktur durch Erwärmung derselben aufgrund in den Antriebselektroden erzeugter Wärme sieht die Erfindung bei einem Roboter mit verteilt angeordneten Antriebselektroniken vor, dass jede Antriebselektronik wärmeisoliert mit der Roboterstruktur verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Roboter mit verteilt angeord neten Antriebselektroniken.

Die DE 198 46 960 A1 zeigt eine Handhabungsvorrichtung an einer Kunststoffverarbeitungsmaschine mit auf dieser in üb licher Weise den anzutreibenden Teilen zugeordneten An triebsmotoren und einem zentralen Steuerschrank, an dem so wohl eine zentrale Einspeisungseinheit für die Versorgung der Antriebsmotoren mit Energie als auch eine zentrale Steuerungseinheit zur Versorgung der Antriebsmotoren mit Steuerinformationen angeordnet sind.

Es wurde allerdings auch schon wiederholt vorgeschlagen, bei einem Roboter in gattungsgemäßer Weise elektronische Komponenten, insbesondere Komponenten der Antriebselek tronik, wie Wechselrichter, Servoverstärker, Leitungs halbleiter, Treiberschaltungen, Strommesser und Regelschaltungen nicht zentral in einem Sockel oder separaten Schaltschrank anzuordnen, sondern verteilt an der Roboter struktur selbst. Da solche Leistungselektroniken Wärme er zeugen, ergibt sich das Problem der Wärmeabfuhr. Hierzu wurde im Hinblick darauf, dass die Roboterstruktur bzw. die tragenden Elemente des Roboters aus Metall bestehen und dieses eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, vorgeschlagen, die genannte Leistungselektronik gut wärmeleitend mit der Robo terstruktur oder einem Getriebegehäuse zu verbinden und die Wärme hierüber abzuleiten. Nachteilig ist, dass die ver wandten Materialien einen erheblichen Wärmeausdehnungskoef fizienten haben und daher die Erwärmung der Roboterstruktur bzw. unterschiedliche Temperaturen je nach Belastungszu stand damit zu mechanischen und geometrischen Veränderungen führen können, sowie zu einer Erhöhung der Motortemperatur, die zu Leistungsreduktion und erhöhter Gefährdung bei Be rührung führen kann und der Getriebetemperatur, die eine Veränderung des Schmiermittels und damit eine Reduktion der Belastbarkeit und Lebensdauer bedingt.

Entsprechendes gilt für eine Fernsteuervorrichtung in Form eine Manipulators gemäß der DE 40 19 217 C2. Dort steht ei ne gedruckte Schaltung, die elektronische Komponenten trägt, über den Träger mit einem Metallsockel wärmeleitend in Ver bindung. Auch hier wird die Wärme also über die tragende Struktur abgeleitet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Ver meidung der vorgenannten Nachteile einen verbesserten Robo ter zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Roboter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass jede An triebselektronik wärmeisoliert gegenüber der Roboterstruk tur angeordnet und mit einer Kühleinrichtung versehen ist.

Erfindungsgemäß wird so erreicht, dass die durch die ver teilt an der Roboterstruktur angeordnete Antriebselektronik in Form eines Antriebsverstärkers erzeugte Wärme nicht in die Roboterstruktur oder Teile derselben eingeleitet wird, sondern über die - gegenüber der Roboterstruktur separate Kühleinrichtung direkt an die Umgebung abgeführt wird, so dass es nicht zu mechanischen und geometrischen Verän derungen der Roboterstruktur aufgrund des Wärmeausdehnungs koeffizienten ihres Materials kommt.

In bevorzugter Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass je de Antriebselektronik auch mechanisch mit einer ihr zuge ordneten passiven Kühleinrichtung verbunden ist, wobei ins besondere jede Antriebselektronik über ihre Kühleinrichtung am Roboter gehalten ist.

Die Kühleinrichtung kann dabei in verschiedener Weise aus gebildet sein. In bevorzugter Ausgestaltung ist aber vorge sehen, dass die Kühleinrichtung einen Kühlkörper, insbeson dere mit Kühlrippen oder -platten aufweist.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass der Kühlkörper einen Befestigungsrand aufweist und über diesen am Roboter befestigt ist, wobei insbesondere die Kühleinrichtung unter Zwischenlage eines Wärmeisolators am Roboter festgelegt ist. Auch kann der Befestigungsrand von vornherein wärmeisoliert vom Kühlkörper ausgeführt sein. In diesem Fall ist keine separate Wärmeisolation er forderlich. Die Wärmeisolation kann auch in den Befesti gungsrand am Kühlkörper integriert sein.

Um die gesamte Roboterkontur durch die dezentrale Vertei lung von Antriebselektroniken an ihr, insbesondere an der Schwinge nicht zusätzlich einen übermäßig großen Raum ein zunehmen lassen und andererseits die durch die statischen Gründe erforderliche Ausbildung der Roboterstruktur bzw. der einzelnen mechanischen Roboterelemente bedingte Kontur und Form zu nutzen, sieht die Erfindung in weiterer bevor zugter Ausgestaltung vor, dass eine Antriebselektronik in eine Ausnehmung oder einen Hohlraum der Roboterstruktur ragt. Diese übernimmt damit die Funktion eines Gehäuses (eines herkömmlichen Steuerungsschranks) und damit des me chanischen Schutzes und der elektrischen Abschirmung der Antriebselektronik und garantiert so eine entsprechende Schutzart insbesondere nach IP 67, so dass die Antriebs elektroniken an sich gehäuselos, ohne aufwendiges Gehäuse ausgebildet sein können.

In anderer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die mechanische Verbindung der Antriebselektronik, die über den Befestigungsrand der Kühleinrichtung mit der Roboter struktur erfolgen kann, von der elektrischen Kontaktierung der Antriebselektronik mit ihren elektrischen Versorgungs leitungen getrennt ist. In bevorzugter Ausgestaltung ist hierzu vorgesehen, dass eine mit Versorgungskabeln verbun dene Steckplatte vorgesehen ist, die Steckkontakte auf weist, über die die Antriebselektronik elektrisch kontak tiert ist.

In alternativer Ausführung kann dabei vorgesehen sein, dass entweder die Steckplatte unmittelbar mit der Roboterstruk tur verbunden ist oder aber dass die Kühleinrichtung unter Zwischenlage der Steckplatte mit dieser an der Roboter struktur befestigt ist.

Zur Antriebselektronik gehören - wie schon gesagt - dabei insbesondere Leistungshalbleiter und die ihnen unmittelbar zugeordneten Schaltungsteile wie Treiberschaltungen, Strom messer und ein Mikroprozessor, der die PWM Signale erzeugt, die Stromregelung und die notwendigen Überwachungen sowie die Kommunikation mit der Steuerung ausführt. Ein Zwischen kreisnetzteil kann sowohl zentral z. B. in der Drivebox am Karussell oder verteilt auf alle Antriebselektroniken rea lisiert sein. Die Erfindung ermöglicht eine kostensparende offene Bauweise der Antriebsverstärker und den Einsatz preisgünstiger Steckverbinder zur Verbindung mit der Back plane. Für die im Innenraum verlaufenden Kabel und die Steckverbinder können so ebenfalls preisgünstige Ausführun gen verwendet werden. Durch das Steckprinzip wird eine ein fache Tauschbarkeit der Antriebsverstärker erreicht und der Service wesentlich erleichtert. Auch ist es möglich, dass zwei oder drei Antriebsverstärker kleiner Leistung mecha nisch zu einer Einheit verbunden sind, wodurch Kostenein sparungen und Platzeinsparungen durch Wegfall bzw. gemein same Nutzung einiger Teile erzielt wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ro boters unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen er läutert ist. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Seitendarstellung ei nes erfindungsgemäßen Roboters;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Roboters der Fig. 1 von der der Fig. 1 abgewandten Seite;

Fig. 3 u. 4 schematische Darstellungen zur Integration der Antriebselektronik in die Roboterstruk tur an einem Roboterarm; und

Fig. 5 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Schwinge mit Antriebselektronik und Kühlkörper

Fig. 6 eine Darstellung der Antriebselektronik für Dreh- und Schwingenantrieb auf dem Karus sell des Roboters.

Ein erfindungsgemäßer Roboter 1, wie der in den Figur darge stellte Sechsachsenroboter weist die übliche Struktur bzw. den üblichen mechanischen Aufbau eines solchen Roboters auf: auf einem Sockel 2 befindet sich das Dreh-Karussell 3. Dieses trägt u. a. ein Lagerteil 4 für eine Schwinge 5, an der wiederum der Roboterarm 6 schwenkbar um die A3-Achse gelagert ist. Der Arm 6 trägt die Roboterhand 7, die selbst um die mit der Achse des Arms 6 fluchtende A-4-Achse verschwenkbar ist und weitere um die A5- und A6-Achse schwenkbare Elemente aufweist.

Das Karussell 3 trägt weiterhin einen Antriebsmotor 11 zum Verschwenken des Karussells 3 selbst um die vertikale A1- Achse. Am Lagerteil 4 des Karussells 3 ist ein Antriebsmo tor 12 zum Verschwenken des Arms 5 um die A2-Achse vorgese hen. Das Karussell 3 trägt weiterhin einen Gewichtsaus gleich 13 in Form einer Feder. In der Anlenkstelle 14 des Arms 6 an der Schwinge 5 ist ein Antriebsmotor 15 zum Ver schwenken des Armes vorgesehen. Weiterhin trägt der Arm 6 an seiner der Hand 7 abgewandten Seite Antriebsmotoren 16, 16a, 16b zur Bewegung der Hand 7 und ihrer einzelnen Teile.

Der erfindungsgemäße Roboter weist weiterhin verteilt oder dezentral an der Struktur angeordnete elektronische An triebselemente oder Antriebselektroniken 17, 41, 42, 51, 52, 53, die insbesondere jeweils einen Wechselrichter mit Zwischen kreisnetzteil, Resolver Digital Wandler sowie Ballastwider stand oder ein Rückspeisemodul, gegebenenfalls aber auch ein Niederspannungsnetzteil sowie Niederspannungselektronik wie eine Steuerung, sowie Einbauplätze zur Integration wei terer Elektronikbaugruppen beinhalten können, auf. Diese sind in die Roboterstruktur integriert, im dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere die Antriebselektronik 17 für die Antriebsmotoren 15 bis 16b verteilt in die Schwinge 5 (Fig. 3, 4).

Wie insbesondere der Fig. 5 zu entnehmen ist, sind die An triebselektroniken zur Wärmeabfuhr auf ihrer nach außen ge wandten Seite mit passiven Kühleinrichtungen mit Kühlkör pern in Form von Kühlrippen, Kühlstäben oder dgl. versehen.

Zur Aufnahme der Antriebselektroniken 17 in die Roboter struktur sind in der Schwinge 5 Ausnehmungen oder Vertie fungen 19 vorgesehen, in die die Antriebselektroniken 17 eintauchen.

Zur Halterung einer Antriebselektronik 17 mit ihrer zugehö rigen Kühleinrichtung 18 ist ein Befestigungsrand vorgese hen, von dem aus nach innen die Antriebselektronik 17 ragt und nach außen die Kühleinrichtung 18 ragt.

Der Befestigungsrand 21 selbst ist an der Roboterstruktur, hier Schwinge 5, außerhalb der Vertiefung 19 bei 22 festge legt und zwar unter Zwischenlage eines Wärmeisolators 23. Die Befestigung kann über Schrauben etc. erfolgen.

Auf dem Boden 24 der Vertiefung 19 der Roboterstruktur (Schwinge 5) ist eine Backplane oder Steckplatte 25 ange ordnet, die Steckanschlüsse 26 zur elektrischen Steckver bindung mit einem entsprechenden Steckanschluss 27 an der Antriebselektronik 17 zur Bildung einer durch beide Steck anschlüsse 26, 27 gegebenen Steckverbindung 28 trägt.

Bei der Ausgestaltung der Fig. 4 ist die Steckplatte 25 im Gegensatz zur Ausgestaltung der Fig. 3 nicht eben ausgebil det und direkt mit dem Boden 24 der Vertiefung 19 verbun den. Bei der Ausgestaltung der Fig. 4 ist die Steckplatte 25 vielmehr u- oder topförmig ausgebildet und weist einen nach außen gekehrten Umfangsrand 31 auf, mit dem sie unter den Befestigungsrand 31 greift, so dass diese unter Ver mittlung des Randes der Steckplatte 25 an der Roboterstruk tur 5 festgelegt ist.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine Steckerplatte gegenüber der Kühleinrichtung praktisch frei beweglich ist; hierzu ist vorgesehen, dass die Steckerplatte durch ausrei chende Längenreserve der angeschlossenen Kabel zum Her stellen der Steckverbindung so weit aus dem Innenraum der Roboterstruktur gezogen werden kann, dass die Steckung bei mechanisch gelöster Verbindung geschehen kann, um einerseits unerwünschte Kräfte durch Fluchtungsprobleme beim Stecken zu vermeiden, andererseits der Steckvorgang unter Sicht unter guter Sicht zu ermöglichen.

Durch die erfindungsgemäße Lösung der Vorsehung aktiver Kühleinrichtungen oder passiver Kühleinrichtungen mit von der Roboterstruktur nach außen gerichteten Kühlkörpern in Form von Kühlrippen, Kühlstäben oder dgl. wird eine effek tive Wärmeabfuhr der von den Antriebselektroniken erzeugten Wärme und damit eine effektive Kühlung bzw. Entwärmung der Antriebselektronik unter Vermeidung einer Wärmeabfuhr über die Roboterstruktur selbst und damit einer Erwärmung der selben, die zu mechanischen und geometrischen Ungenauigkei ten führen könnte, vermieden. Dies wird insbesondere da durch unterstützt, dass die Antriebselektronik derart an der Roboterstruktur mechanisch festgelegt ist, dass die Kühleinrichtung von ihr wärmeisoliert ist.

Insbesondere in Fig. 1 bezeichnen 41, 42 ebenfalls mit Kühl einrichtungen 41a, 42a versehene Achsverstärkermodule, die in gleicher Weise, wie vorstehend beschrieben, an der Robo terstruktur, hier im Karussell 3 festgelegt bzw. festlegbar sind. Weiterhin ist, wie ebenfalls der Fig. 1 zu entnehmen ist, am Karussell 3, nämlich seitlich des Lagerteils 4 eine Antriebsbox 51 mit gemeinsam genutzten Baugruppen, wie z. B. Niderspannungsnetzteil, die wiederum mit einer Kühleinrich tung 52 versehen ist, vorgesehen.

Bezugszeichenliste

1

Roboter

2

Sockel

3

Dreh-Karussell

4

Lagerteil

5

Schwinge

6

Roboterarm

7

Roboterhand

11

Antriebsmotor

12

Antriebsmotor

13

Gewichtsausgleich

14

Anlenkstelle

15

Antriebsmotor
16a, b, Antriebsmotoren

17

Antriebselektronik

18

Kühleinrichtung

21

Befestigungsrand der Antriebseinheit

19

Vertiefung

23

Wärmeisolator

24

Boden

25

Steckplatte

26

Steckanschlüsse

27

Steckanschluss

28

Steckverbindung

31

Umfangsrand

32

Randbereich

41

a Kühleinrichtung

42

a Kühleinrichtung

51

Antriebsbox

52

Kühleinrichtung

53

Elektronikmodule

54

Abdeckung

55

Zugänglichkeitsbereich

56

Abdeckung

Claims

1. Roboter mit verteilt angeordneten Antriebselektroniken, Servoverstärkern, Wechselrichtern, dadurch gekennzeich net, dass jede Antriebselektronik (17, 41, 42, 51) wär meisoliert gegenüber der Roboterstruktur angeordnet und mit einer Kühleinrichtung (18, 41a, 42a, 52) versehen ist.

2. Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselektroniken (17, 41, 42, 51) wärmeleitend mit einer nach außen gerichteten passiven Kühleinrich tung verbunden sind.

3. Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselektroniken (17, 41, 42, 51) mit aktiven Kühleinrichtungen versehen sind.

4. Roboter nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass jede Antriebselektronik (17, 41, 42, 51) mechanisch mit einer ihr zugeordneten Kühlein richtung (18, 41a 42a, 52) verbunden ist.

5. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass jede Antriebselektronik (17, 41, 42, 51) über ihre Kühleinrichtung (18, 41a, 42a, 52) am Robo ter (1) gehalten ist.

6. Roboter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (18, 41a, 42a, 52) einen Kühlkörper, insbesondere mit Kühlrippen oder -platten aufweist.

7. Roboter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (18, 41a, 42a, 52) einen Befestigungsrand (32) aufweist und über diesen am Roboter befestigt ist.

8. Roboter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (18, 41a, 42a, 52) unter Zwischenlage eines Wärmeisolators (23) am Ro boter (1) festgelegt ist.

9. Roboter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebselektronik (17, 41, 42, 51) in eine Ausnehmung oder einen Hohlraum (19) der Roboterstruktur (Schwinge 5) ragt.

10. Roboter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Versorgungskabeln verbun dene Steckplatte (Backplane 25) vorgesehen ist, die Steckkontakte (26) für die Antriebselektronik (17, 41a, 42a, 51) aufweist, über die die Antriebselektronik (17, 41, 42, 51) elektrisch kontaktiert ist.

11. Roboter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckplatte (25) unmittelbar mit der Roboterstruktur (Schwinge 5) verbunden ist.

12. Roboter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (18, 41a, 42a, 52) unter Zwischenlage der Steckplatte (25) mit dieser an der Roboterstruktur (Schwinge 5) befestigt ist.