DE10108321A1 - Handhabungsvorrichtung insbesondere in einer Verpackungsmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Handhabungsvorrichtung insbesondere in einer Verpackungsmaschine umfaßt eine Hand zur Aufnahme einer Nutzlast und eine die Hand lagernde Tragvorrichtung, die zumindest einen motorisch verstellbaren Arm aufweist. Um auch bei relativ hohen Nutzlasten eine schnelle Verstellbewegung zu gewährleisten, ist die Tragvorrichtung von zwei in einer gemeinsamen Ebene verstellbaren, mehrgliedrigen Gelenkarmen gebildet, die an ihrem einen Ende jeweils an einen separaten Drehantrieb und an ihrem entgegengesetzten Ende gelenkig an die Hand angeschlossen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Handhabungsvorrichtung insbe­ sondere in einer Verpackungsmaschine, mit einer Hand zur Aufnahme einer Nutzlast und einer die Hand lagernden Trag­ vorrichtung, die zumindest einen motorisch verstellbaren Arm umfaßt.

In vielen Bereichen der Industrie ist es notwendig, ein Produkt während eines Produktions- oder Bearbeitungsvorgan­ ges zu handhaben, womit beispielsweise das Umsetzen, Sta­ peln, Einschieben etc. verstanden werden kann. Während frü­ her diese Vorgänge im wesentlichen manuell ausgeführt wur­ den, finden heutzutage in der Regel motorisch angetriebene Handhabungsvorrichtungen Verwendung, die eine sogenannte Hand aufweisen, an der die Aufnahme für die Nutzlast, bei­ spielsweise eine Handhabungswerkzeug in Form eines Greifers anbringbar ist. Die Hand ist üblicherweise über einen Arm verstellbar gelagert und kann durch entsprechende Ansteue­ rung des Armes eine vorbestimmte Bewegung mit hoher Genau­ igkeit wiederholen. Bei den sogenannten Industrierobotern ist meistens ein von einem Fuß frei auskragender Gelenkarm vorgesehen, der an seinem vorderen Ende die Hand trägt. Bei höheren Werkzeuggewichten ist ein frei auskragender Gelenk­ arm jedoch nachteilig, da sich am Fuß relativ hohe aufzu­ nehmende Biege- und Kippmomente ergeben, die mit einer auf­ wendigen Konstruktion aufgenommen werden müssen. Darüber hinaus muß der Gelenkarm zur Aufnahme der Belastungen ent­ sprechend stark dimensioniert sein, wodurch sein Gewicht erhöht ist, was hohe Antriebskräfte und entsprechend ver­ ringerte Verstellgeschwindigkeiten mit sich bringt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Handhabungs­ vorrichtung insbesondere in einer Verpackungsmaschine zu schaffen, die auch bei relativ hohen Nutzlasten eine schnelle Verstellbewegung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einer Handhabungsvorrichtung der ge­ nannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trag­ vorrichtung zwei in einer gemeinsamen Ebene verstellbare, mehrgliedrige Gelenkarme umfaßt, die an ihrem einen Ende jeweils an einen separate Drehantrieb und an ihrem entge­ gengesetzten Ende gelenkig an die Hand angeschlossen sind.

Aufgrund der Lagerung der Hand über zwei Gelenkarme sind statisch günstige Verhältnisse gegeben, die es ermöglichen, übermäßige Kippmomente zu vermeiden und auch hohe Nutzla­ sten in einfacher Weise sicher aufzunehmen und abzuleiten. Die Vermeidung oder zumindest wesentliche Reduzierung von Kipp- und Biegemomenten ermöglicht es, die Gelenkarme schlank auszubilden, wodurch wiederum ihr Gewicht verrin­ gert ist, was eine hohe Verstellgeschwindigkeit ermöglicht.

Da beide Gelenkarme jeweils einen eigenen Drehantrieb auf­ weisen, läßt sich die Hand in der von den beiden Gelenkar­ men überstrichenen gemeinsamen Ebene mit hoher Genauigkeit und in einem relativ großen Bereich verstellen.

Die erfindungsgemäße Handhabungsvorrichtung findet vorzugs­ weise in einer Verpackungsmaschine Verwendung. Die Einsatz­ möglichkeiten sind jedoch darauf nicht beschränkt, sondern sie kann in gleichartig vorteilhafter Weise unter anderem auch bei Förder- und Transportanlagen, Palettieranlagen oder auch bei Steigenform- und Verklebemaschinen Verwendung finden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind beide Ge­ lenkarme als zweigliedrige Gelenkarme ausgebildet, so daß sie ein mit dem jeweiligen Drehantrieb gekoppeltes oberes Armglied und ein gelenkig damit verbundenes unteres Arm­ glied umfassen, das an die Hand angelenkt ist. Der gelenki­ ge Anschluß der unteren Armglieder an die Hand kann in ver­ schiedenen Bereichen der Hand, d. h. jeweils an eigenen Drehachsen erfolgen, vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, daß die unteren Armglieder an einer gemeinsamen Drehachse an die Hand angelenkt sind.

Die oberen Armglieder sind vorzugsweise als ausreichend biege- und torsionssteife Bauteile aus einem möglichst leichten Material ausgebildet. In einer speziellen Ausfüh­ rungsform sind die beiden oberen Armglieder von identischen oder spiegelbildlich identischen Bauteilen gebildet. Um die zu verstellende Masse möglichst gering zu halten, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die unteren Armglieder jeweils als ebenes Stabfachwerk ausgebildet wer­ den, deren Längsstäbe nur auf Normalkraft, d. h. auf Druck oder Zug, belastet werden und eine nur geringe Torsionsfe­ stigkeit aufzuweisen brauchen. Auch die beiden unteren Arm­ glieder sollten als identische oder spiegelbildlich identi­ sche Bauteile ausgebildet sind. Die beiden Drehantriebe der Gelenkarme sind vorzugsweise jeweils von einem Servomotor gebildet, wobei die Drehachsen parallel zueinander verlau­ fen und im wesentlichen horizontal ausgerichtet sind, wäh­ rend die Hand in einer senkrecht dazu verlaufenden vertika­ len Ebene verstellbar ist.

In besonderen Anwendungsfällen ist es wünschenswert, daß die Ausrichtung der Hand relativ zu einer Bezugsebene oder Basis während der Verstellbewegung gleichbleibt, d. h. die Hand eine reine Translationsbewegung ohne Schwenkung oder Rotation ausführt. Dies kann bei der erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung dadurch erreicht werden, daß eine Ausgleichsvorrichtung vorgesehen ist, mittels der die Hand bei ihrer Verstellbewegung in vorbestimmter Ausrichtung re­ lativ zu der Basis gehalten wird. Dabei kann die Aus­ gleichsvorrichtung zumindest zwei hintereinandergeschaltete Parallelogrammgestänge umfassen. Die eine Längsstrebe des oberen Parallelogrammgestänges wird durch eines der oberen Armglieder gebildet, dem eine obere Ausgleichsstange paral­ lel zugeordnet ist. Das untere Parallelogrammgestänge weist als eine ihrer Längsstreben das zugeordnete untere Armglied auf, dem eine untere Ausgleichsstange parallel geschaltet ist, die gelenkig an die Hand angeschlossen ist.

Falls statt einer reinen Translationsbewegung der Hand eine Schwenkung der Hand gewünscht wird, kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß die Hand schwenkbar ge­ lagert ist und einen eigenen Drehantrieb aufweist, der bei­ spielsweise aus einem Servomotor und einem nachgeschalteten Getriebe besteht und mittels dessen die Hand um eine ge­ meinsame Drehachse mit zumindest einem der unteren Armglie­ der geschwenkt werden kann.

Um für die Handhabungsvorrichtung einen gewünschten Bewe­ gungsablauf zu entwerfen, der von der Handhabungsvorrich­ tung ständig wiederholt wird, erfolgt seitens eines Benut­ zers die Auslegung aller Bewegungen unter Berücksichtigung der zulässigen Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbela­ stungen der Nutzlast sowie der zulässigen Momenten- und Drehzahlbelastungen der Antriebe. Die Eigenschaften und Ab­ messung oder Handhabungsvorrichtung definierten einen Ar­ beitsraum sowie eine Nenngeschwindigkeit und eine Nennbe­ schleunigung, die in dem gesamten Arbeitsraum nutzbar ist. Daraufhin entwirft der Benutzer die Bewegung unter Verwen­ dung einer speziellen Notation, indem zunächst im Arbeits­ raum mehrere Punkte festgelegt werden, die Eckpunkte der auszuführenden Bewegung darstellen. Anschließend erfolgt die Festlegung von Wegstrecken mittels Verbindung jeweils zweier Punkte durch eine normierte Bewegungsfunktion und die Bewegungsdauer sowie weitere Bewegungsparameter, z. B. eine Wendepunktverschiebung und der Anteil konstanter Ge­ schwindigkeit, werden für jede Strecke festgelegt, wodurch auch jeweils ein zeitabhängiger Ortsvektor festgelegt ist, der die Bewegung auf dieser Strecke beschreibt. Die Einzel­ strecken werden dann zu einem definierten Bewegungspfad zu­ sammengefaßt, indem der Startpunkt sowie die Menge der im Bewegungspfad enthaltenen Strecken vorgegeben wird. An­ schließend werden dynamisch günstige Bewegungen durch ge­ eignete Wahl der zeitlichen Überschneidungen der einzelnen Strecken und vektorielle Addition der zum jeweiligen Pfad gehörenden zeitbezogenen Streckenvektoren gebildet. Der Be­ nutzer erfährt eine Unterstützung des Entwurfsprozesses durch ein Anwendungsprogramm, das die Bewegungsdaten ver­ waltet und bei der Auslegung der erforderlichen Bewegungs­ zeiten behilflich ist sowie die Bewegungsdaten und die An­ triebsbelastungen graphisch darstellt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich, wobei die einzige Figur eine perspektivische Ansicht einer Handhabungsvor­ richtung zeigt.

In der Figur ist eine Handhabungsvorrichtung 10 gezeigt, die an einem galgenartigen Ständer 11 montiert ist, der in nicht dargestellter Weise auf dem Erdboden fest aufgelagert ist. Am vorderen Ende des galgenartigen Ständers 11 ist ei­ ne sich vertikal erstreckende Grundplatte 12 angebracht, die zwei nebeneinander angeordnete, gleichartige Drehan­ triebe in Form von Servomotoren 13a und 13b mit integrier­ tem Getriebe derart lagert, daß die Drehachsen der Servomo­ toren 13a und 13b im wesentlichen horizontal und parallel zueinander verlaufen. Jeder Servomotor 13a bzw. 13b ist mit dem oberen Ende eines zweigliedrigen Gelenkarms 14 bzw. 15 gekoppelt. Jeder Gelenkarm 14 bzw. 15 umfaßt eine oberes Armglied 14a bzw. 15a, das an seinem oberen Ende mit dem jeweiligen Servomotor 13a bzw. 13b verbunden ist und durch diesen verschwenkt werden kann. Die beiden oberen Armglie­ der 14a und 15a sind als leichte, biege- und torsionssteife Bauteile spiegelbildlich identischer Form ausgebildet. An dem dem Servomotor 13a bzw. 13b abgewandten unteren Ende der oberen Armglieder 14a und 15a ist jeweils ein unteres Armglied 14b bzw. 15b über ein Gelenk 16 bzw. 18 mit hori­ zontaler Schwenkachse, die parallel zu den Drehachsen der Servomotoren 13a und 13b verlaufen, gelenkig angeschlossen. Jedes untere Armglied 14b, 15b ist als schlankes, ebenes und leichtes Fachwerk mit zwei in Längsrichtung des Arm­ glieds 14b, 15b verlaufenden Längsstreben 14b1, 14b2 bzw. 15b1, 15b2 und einer Diagonalstrebe 14b3 bzw. 15b3 ausgebil­ det. An ihrem unteren Ende sind die unteren Armglieder 14b und 15b gelenkig an eine biegesteife Hand 23 angeschlossen, die an ihrer Unterseite 23a eine Nutzlast, beispielsweise einen Greifer tragen kann.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden unte­ ren Armglieder 14b, 15b an einem gemeinsamen Gelenk 17 mit gemeinsamer horizontaler Drehachse, die parallel zu den Drehachsen der Servomotoren 13a und 13b verläuft, mit der Hand 23 gekoppelt, jedoch können die Drehachsen auch paral­ lel zueinander versetzt sein.

Wie die Figur zeigt, liegen die beiden oberen Armglieder 14a, 15a und die beiden unteren Armglieder 14b, 15b sowie die Hand 23 im wesentlichen in einer vertikalen, sich parallel zur Grundplatte 12 erstreckenden Ebene, so daß bei Betäti­ gung eines oder beider Servomotoren 13a, 13b die Hand 23 in dieser Vertikalebene verstellt werden kann.

Um die Hand 23 bei ihrer Verstellbewegung in vorbestimmter räumlicher Ausrichtung zu halten, so daß die Hand 23 eine reine Translationsbewegung ausführt, ist eine Ausgleichs­ vorrichtung in Form zweier hintereinander geschalteter Pa­ rallelogrammgestänge vorgesehen. Ein oberes Parallelogramm­ gestänge umfaßt das obere Armglied 15a und eine parallel dazu verlaufende obere Ausgleichsstange 21, die an einem Gelenk 22 mit horizontaler Schwenkachse schwenkbar oberhalb des Servomotors 13b an der Grundplatte 12 gelagert ist. Am entgegengesetzten Ende der oberen Ausgleichsstange 21 ist diese an einem Gelenk 19a mit horizontaler Schwenkachse an einen Übertragungsrahmen 19 angeschlossen, der seinerseits schwenkbar an das Gelenk 18 angeschlossen ist. Der Übertra­ gungsrahmen 19 besitzt desweiteren ein zweites Drehgelenk 19b mit horizontaler Schwenkachse, das das obere Ende einer unteren Ausgleichsstange 20 schwenkbar lagert, die zur Bil­ dung eines unteren Parallelogrammgestänges parallel zu dem unteren Armglied 15b verläuft und an ihrem unteren Ende an einem Gelenk 23b mit horizontaler Schwenkachse gelenkig an eine Lagerplatte 23c der Hand 23 angeschlossen ist.

Alternativ zu der Ausgleichsvorrichtung mit den beiden Pa­ rallelogrammgestängen kann auch vorgesehen sein, daß die Hand mittels eines separaten Servomotors um das Gelenk 17 schwenkbar ausgebildet ist.

Claims (9)

1. Handhabungsvorrichtung insbesondere in einer Verpac­ kungsmaschine, mit einer Hand (23) zur Aufnahme einer Nutzlast und einer die Hand (23) lagernden Tragvor­ richtung, die zumindest einen motorisch verstellbaren Arm (14, 15) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragvorrichtung zwei in einer gemeinsamen Ebene ver­ stellbare, mehrgliedrige Gelenkarme (14, 15) umfaßt, die an ihrem einen Ende jeweils an einen separaten Drehantrieb (13a, 13b) und an ihrem entgegengesetzten Ende gelenkig an die Hand (23) angeschlossen sind.

2. Handhabungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Gelenkarm (14, 15) ein mit dem Drehantrieb (13a, 13b) gekoppeltes, oberes Armglied (14a, 15a) und ein gelenkig damit verbundenes, unteres Armglied (14b, 15b) umfaßt, das an die Hand (23) ange­ lenkt ist.

3. Handhabungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die unteren Armglieder (14b, 15b) an einer gemeinsamen Drehachse (17) an die Hand (23) an­ gelenkt sind.

4. Handhabungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Armglieder (14b, 15b) jeweils als ebenes Stabfachwerk ausgebildet sind.

5. Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen der Drehantriebe (13a, 13b) parallel zueinander verlaufen.

6. Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Ausgleichsvorrichtung (19, 20, 21), mittels der die Hand (23) bei ihrer Ver­ stellungbewegung in vorbestimmter Ausrichtung relativ zu einer Basis (12) haltbar ist.

7. Handhabungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgleichsvorrichtung zumindest ein Parallelogrammgestänge umfaßt.

8. Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hand (23) schwenk­ bar gelagert ist und einen eigenen Drehantrieb auf­ weist.

9. Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehantriebe (13a, 13b) von Servomotoren gebildet sind.