DE102004007558A1

DE102004007558A1 - Bewegungseinrichtung mit sinusförmigen Bewegungsablauf

Info

Publication number: DE102004007558A1
Application number: DE102004007558A
Authority: DE
Inventors: Josef Moser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: DE102004007558B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrachsige Bewegungseinrichtung auf Basis von Knickschwingen mit voneinander abhängig angetriebenen Achsen, wobei die Antriebskräfte über Hohlachsen eingekoppelt werden. DOLLAR A Durch eine derartige mechanische Beschränkung des Bewegungsablaufes aufgrund der nicht unabhängig antreibbaren Achsen und einer entsprechenden Antriebssteuerung ist es möglich, ein zu bewegendes Teil mit einem weitgehend sinusförmigen Bewegungsablauf zu bewegen. DOLLAR A Damit wird eine hohe Bewegungsdynamik erreicht und es werden hohe Beschleunigungskräfte vermieden. Ein solcher Antrieb arbeitet mit geringer Leistung, geringer Lärmentfaltung und geringem Verschleiß. Er kann in einer geschlossenen Ausführung für Reinraumanforderungen verwendet werden. DOLLAR A Derartige mehrachsige Bewegungseinrichtungen mit sinusförmigem Bewegungsablauf werden für allgemeine Manipulations- und Roboteraufgaben verwendet. Der Einsatz erfolgt in der Leiterplattenindustrie, der Halbleiterindustrie, der Bildschirmindustrie und vielen weiteren Bereichen für eine weitgehend automatisierte Bewegung von Teilen.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrachsige Bewegungseinrichtung auf Basis von Knickschwingen und einem Antriebssystem, bei dem ein zu bewegendes Teil mit einem möglichst sinusförmigen Bewegungsablauf bewegt wird.
Ferner betrifft die Erfindung die Herstellung einer derartigen Bewegungseinrichtung und deren Anwendung für allgemeine Manipulationsaufgaben, insbesondere in der Leiterplattenindustrie, Halbleiterindustrie, zur Herstellung von Displays, in der Automobilindustrie und dergleichen Anwendungsbereichen.

In der US 6,105,454 (Kensington) wird ein Robot-Arm-System auf Basis eines mehrgelenkigen Robot-Arm-Mechanismus beschrieben, der auf einer Schulter-Achse mit einem Torso-Gelenk montiert ist, das eine Rotation von 360 Grad um die Torso-Achse ausführen kann. Der Robot-Arm-Mechanismus verbindet einen Oberarm und einen Unterarm mit einer Hand, welche in der Lage ist, eine lineare oder radiale Bewegung relativ zur Schulter Achse auszuführen.

Das bekannte Robot-Arm-System minimiert das Initialmoment durch die Anordnung eines ersten, zweiten und dritten Motors triaxial um die Torso-Achse und erlaubt damit eine rasche Bewegung der Hand. Der erste Motor ist über einen 1:1 Endlostreibriemen mit der Ellbogenachse gekoppelt und bewegt den Unterarm rotativ; der zweite Motor ist durch einen weiteren 1:1 Endlostreibriemen mit der Schulterachse gekoppelt und bewegt den Oberarm rotativ und der dritte Motor rotiert den Torsoarm über die Torso-Achse.

Koordinierte Rotationen des ersten und des zweiten Motors ermöglichen dem Robot-Arm-Mechanismus die Beschreibung eines verbundenen 'curvilinearen' Verfahrensweges der Hand. Das drehbare Torso-Gelenk zusammen mit der Robot-Arm-Bewegung ermöglichen einfache, nichtradiale Positionierungen von Proben in Prozess Stationen relativ zur Torso Achse, eine erweiterte Hand Reichweite und das Vermögen, um Ecken herum zu bewegen.

Bei der oben genannten Druckschrift besteht der Nachteil, dass eine sehr komplizierte und damit auch kosten-aufwendige Bewegungssteuerung notwendig ist. Es werden mit insgesamt drei unabhängig antreibbaren Scheibenmotoren jeweils zugeordnete Antriebsglieder angesteuert und jeder Antriebsmotor hat einen eigenen Drehwinkelgeber, der den aktuellen Drehwinkel des Antriebsmotors der Regelung zurück meldet. Allein wegen der Verwendung derartiger Drehwinkelgeber und der damit notwendigen Regelung ist die Anordnung kostenaufwändig und reparaturanfällig.

Weiterer Nachteil ist, dass mit dieser Anordnung kein optimal angenäherter, sinusförmiger Verlauf der Bahnkurve des Greifers erreicht werden kann. Es wird vielmehr ein curvilinearer Bewegungsablauf erzielt, was bedeutet, dass bogenförmige Kurvenabläufen in geradlinige Kurvenabläufe münden, so dass keine stetige Bewegungskurve ausgeführt werden kann. Es kommt vielmehr zu ruckweisen Bewegungsübergängen, insbesondere dann, wenn von einem gebogenen Kurvenstück der Bewegungskurve des Greifermittelpunktes in ein gerades Kurvenstück übergegangen wird.

Bei Kensington ist maßgebend, dass die Bewegungen der drei Antriebsmotoren miteinander synchronisiert sind. Es sind festgelegte Übersetzungen zwischen den einzelnen Antrieben vorhanden, so dass sich beispielsweise die Drehzahl des Antriebes der ersten Achse im Vergleich zur Drehzahl der zweiten Achse in einem bestimmten, festgelegten Verhältnis befinden muß. Dies bedingt die sogenannte Knickschwingen-Kinematik, d.h. es wird eine aus Bogen und Geraden zusammengesetzte Kurve durchfahren.

Es ist eine sogenannte Folgeregelung notwendig, die der (aufwändig ausgebildeten) Regelung mitteilt, dass der erste Antriebsmotor einen bestimmten Winkel durchmessen hat, um so in Folge davon den zweiten Antriebsmotor zu regeln. Damit ist die Bewegung auch träge, weil die zweite Achsbewegung erst auf die Beendigung der ersten Achsbewegung warten muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstige mehrachsige Bewegungseinrichtung zur allgemeinen Manipulation von Teilen, beispielsweise von Leiterplatten, Halbleitersubstraten, Bildschirmelementen, Teilen in der Automobilindustrie und dergleichen Anwendungen vorzuschlagen, wobei der Bewegungsablauf weitgehend sinusförmig erfolgen soll.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.

Wichtig bei der Erfindung ist, dass die drei Schrittmotoren zum Antrieb der unabhängigen Achsen völlig unabhängig und autark voneinander arbeiten und eine Rückmeldung des einen Schrittmotors auf den anderen nicht statt findet.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von drei unabhängig voneinander antreibbaren Schrittmotoren beschränkt. Es können für einfache Bewegungsaufgaben auch zwei Schrittmotoren und für komplizierte Bewegungsabläufe auch mehr als drei Schrittmotoren verwendet werden.

Die Erfindung vermeidet demzufolge die Information zwischen den einzelnen Antriebsmotoren und deren Abhängigkeit. Die erfindungsgemäße Steuerung gibt nur lediglich jedem Schrittmotor dem ihm zugemessenen Schrittwinkel und die Geschwindigkeit vor, ohne dass es einer Rückmeldung an die anderen Schrittmotoren bedarf.

Kensington verwendete bei allen Antrieben stets gleichbleibende Drehwinkel und ist damit abhängig von der Antriebsübersetzung zwischen den einzelnen Antrieben der einzelnen Achsen. Diese Abhängigkeit fehlt der Erfindung.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist demgemäss, dass die Achsantriebe mit einfachen Schrittmotoren angetrieben sind. Dies bedeutet, dass jeder Schrittmotor aus einem einfachen Schrittmotor ohne Verwendung eines Drehwinkelgebers (Encoders) besteht.

Die einfache und kostengünstig herzustellende Steuerung gibt nur die Anzahl der vom Schrittmotor auszuführenden Schritte vor. Eine Rückmeldung an die anderen Schrittmotoren erfolgt nicht. Jeder Schrittmotor führt nur die ihm eingegebenen Schrittbefehle aus, ohne dass eine Rückmeldung über einen Encoder auf seine eigene Steuerung oder die der anderen Schrittmotoren erforderlich ist.

Damit kann mit sehr geringem Aufwand und mit geringen Steuerungsmitteln eine ausgezeichnete, sinusförmige Bahnkurve erreicht werden.

Statt eines Schrittmotors sieht die Erfindung auch die Verwendung eines AC-Motors oder eines DC-Motors möglich, der digital angesteuert wird und demzufolge ebenfalls digitale Schrittbefehle erhält, die diesen in einen genau definierten Drehwinkel bewegen.

Der Antrieb erfolgt über Hohlachsen in einem weitgehend geschlossenen Aufbau und es können damit Reinraumbedingungen erfüllt werden.

Der Bewegungsablauf ist frei programmierbar. Die Steuerung erfolgt üblicherweise in kartesischen Koordinaten, kann jedoch auch in Winkelkoordinaten erfolgen. Die Programmierung in einem sogenannten Lernmodus ist ebenfalls möglich. Der Bewegungsablauf ist durch entsprechende Softwareprogramme frei programmierbar.

Damit wird eine hohe Bewegungsdynamik erreicht und es werden hohe Beschleunigungskräfte vermieden. Damit können Antriebe mit verhältnismäßig geringer Leistung, geringer Lärmentfaltung, geringem Verschleiß in geschlossener Ausführung für Reinraumanforderungen verwendet werden.

Der Arbeitsbereich wird üblicherweise in kartesischen Koordinaten festgelegt. Im kartesischen Koordinatensystem muß dabei berücksichtigt werden, dass bei der parallelen Anordnung von zwei Armen im Rechnungsablauf zur Erreichung eines möglichst sinusförmigen Bewegungsablaufes singuläre Stellen auftreten können, die naturgemäß einen unbestimmten Zustand verursachen würden. Dieser undefinierte Zustand wird durch eine kurzzeitige Umschaltung auf eine Winkel-Berechnung vermieden, wobei grundsätzlich der Bewegungsablauf auch in Winkel-Koordinaten definiert werden kann.

Es soll sowohl ein möglichst ruckfreier, sanfter Start, als auch ein möglichst ruckfreies Beenden der Bahnkurve erreicht werden, wobei sowohl der Start als auch das Ende der Bewegung über Sensoren gesteuert werden können und diese Signale aktiv und direkt in die Antriebssteuerung einfließen und der gesamte Bewegungsablauf frei programmierbar ist.

Unter einem „sinusförmigen Bewegungsablauf" wird der Bewegungsablauf beispielsweise vom Greifermittelpunkt verstanden. Wichtig hierbei ist, dass die Kurven vollkommen stetig ineinander übergehen und dass keinerlei geradlinige Bewegungen mehr erfolgen. Dies erbringt eine vollkommen ruckfreie und Drehmomenten-arme Bewegungssteuerung des Greifers, was zu einem entsprechend geringeren Verschleiß des Greifers und dessen Lagerungselementen führt.

Ein sinusförmiger Bewegungsablauf war bei der den Stand der Technik bildenden Kensington-Patent US 6,098,484 auch deshalb nicht möglich, weil in bestimmten Bewegungsabläufen die drei Arme miteinander gekuppelt wurden. Beispielsweise war es, um den Arm auszustrecken, erforderlich, dass zunächst der innere, zentrale Arm in einem bestimmten Drehwinkel gedreht wurde und die beiden äußeren Arme hierbei noch eingeknickt gehalten wurden.

Hatte der innere Arm seinen gewünschten Drehwinkel erhalten, wurden dann erst die beiden äußeren Arme entsprechend ebenfalls gedreht, um den Greifermittelpunkt an den zugeordneten gewünschten Endpunkt der Bewegungsbahn zu bringen.

Es handelt sich dabei um eine klassische Knickschwinge, die gerade bei der Erfindung vermieden wird. Bei der Erfindung ist kennzeichnend, dass die drei Bewegungsantriebe synchron miteinander arbeiten, d.h. wenn der eine Bewegungsantrieb arbeitet, werden auch gleichzeitig die anderen beiden Bewegungsantriebe entsprechend der gewünschten Bahnkurve angesteuert, um so eine vollkommen harmonische und stetige Bewegungskurve am Greifermittelpunkt zu erreichen. Dies ist beim Stand der Technik nicht bekannt.

Die wesentlichen Unterschiede zur US 6,105,454 liegen darin, dass der Bewegungsablauf mittels der Antriebssteuerung weitgehend sinusförmig erfolgt, dass die Start- und/oder Endpositionen mittels (am Greifer angeordneten, einfachen Annäherungs-) Sensoren aktiv gesteuert werden können, dass die Antriebsübersetzungen nicht 1:1 sondern willkürlich je nach Erfordernissen der Anwendung gewählt werden können, dass die Kabelführung durch die Hohlachse erfolgt und dass die erste Achse mittels Ausgleichselementen entlastet werden kann.

Wesentlicher Vorteil der Erfindung ist nun die kostengünstige Herstellung, die einfache Wartung und der einfache, lärmarme Betrieb der erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung. Weil nur eine einfache Steuerung von Schrittmotoren, ohne aufwändige Regelung derselben verwendet wird, ergeben sich folgende Vorteile:

1. Es kann auf kostenaufwändige Encoder und andere Drehwinkelgeber verzichtet werden, was ansonsten die Herstellungskosten erhöhen würde.
2. Wegen der einfachen Steuerung, bei der lediglich Steuerungsbefehle in die Schrittmotoren, eingegeben werden, ergibt sich eine besonders einfache und kostengünstige Steuerung, die sehr einfach zu überwachen und zu warten ist.
3. Es bedarf lediglich einer einfachen Plausibilitätsprüfung, um festzustellen, dass die Schrittmotoren die eingegebenen Steuerungsbefehle auch richtig ausgeführt haben. Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, dass am vorderen Ende des Greifers oder in der Nähe des Greifers, mit diesem verbunden, mindestens ein Sensor angeordnet ist, der gegen die Werkstückfläche gerichtet ist.

Ein solcher berührungsloser Sensor kann entweder mit Ultraschall arbeiten, mit Licht oder mit anderen Medien. Er arbeitet bevorzugt berührungslos, kann aber auch die Grenzfläche berührend ausgebildet sein.

Aufgrund der Anordnung eines berührungslos arbeitenden Sensors ergibt sich der Vorteil, dass nun einfach überprüft werden kann, ob die Steuerung auch die Befehle richtig ausgeführt. Nähert sich der Greifer mit dem dort angeordneten Sensor zu schnell oder zu nahe an bestimmte festgelegte Raumpunkte, mit denen er nicht kollidieren darf, wird dies der Steuerung mitgeteilt und diese wird in den Ursprungszustand zurückgesetzt. In diesem Fall wird die gesamte Steuerung mit einem Reset in den Nullzustand gebracht und arbeitet von diesem Nullzustand ausgehend einwandfrei.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungsfiguren näher beschrieben.
Dabei zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer mehrachsigen Bewegungseinrichtung mit drei Achsen,
2: eine schematische Darstellung des Arbeitsbereiches und der Bahnkurve einer dreiachsigen Bewegungseinrichtung,
3: eine schematische Darstellung einer dreiachsigen Bewegungseinrichtung in geschnittener Ansicht,
4a, b, c: eine schematische Darstellung der ersten Achse mit Ausgleichselement,
5A, B, C, D: eine schematische Darstellung einer mehrachsigen Bewegungseinrichtung mit unterschiedlicher Anordnung der Basis.
6: die Darstellung der Bewegungskurven der einzelnen Bewegungsachsen der Arme.
7: Weg-Drehzahldiagramm des Antriebes für den ersten Arm.
8: Drehzahl-Wegdiagramm des Antriebes für den zweiten Arm.
9: Weg-Drehzahldiagramm des Bewegungsantriebs für den dritten Arm.
In 1 wird eine schematische Darstellung einer mehrachsigen Bewegungseinrichtung (1) mit drei Achsen aufgezeigt. Die Basiseinheit (2) ist dabei horizontal angeordnet dargestellt. Die erste Achse (7) stellt die Hauptachse dar und bewegt den ersten Arm (3) mit der zweiten Achse (8) und dem zweiten Arm (4) und der dritten Achse (9) mit dem dritten Arm (5).
Auf den dritten Arm (5) ist beispielhaft eine Halteeinrichtung (6) montiert, wobei beispielhaft Saugerelemente oder Greiferelemente daran angeordnet sind und derart allgemeine Manipulationsaufgaben durchgeführt werden können.
In 2 wird eine schematische Darstellung des Arbeitsbereiches und der Bahnkurve einer dreiachsigen Bewegungseinrichtung (1) aufgezeigt. Auch in dieser Darstellung ist die Basisstation (2) horizontal angeordnet und werden drei Endpositionen in gestreckter Anordnung aufgezeigt. Der maximale Arbeitsbereich (10) ist kreisförmig und es kann mittels der Bewegungseinrichtung jeder Punkt innerhalb dieses Kreises angefahren werden und gleichzeitig kann der Arm (5) von 0° bis 360° positioniert werden.
Die Bahnkurve (11) ist beispielhaft dargestellt und wird aus der Forderung nach einem weitgehend sinusartigem Bewegungsablauf (11) von Position A nach Position B definiert.
In 3 wird eine schematische Darstellung einer dreiachsigen Bewegungseinrichtung (1) in geschnittener Ansicht aufgezeigt.
Die Basiseinheit (2) wird in horizontaler Lage dargestellt. Die Antriebssteuerung (24) ist beispielhaft in dieser Basis (2) angeordnet, kann jedoch ebenfalls außerhalb angeordnet werden und beinhaltet die elektronische Steuerung für die Antriebe (13, 14, 15), weiters die frei programmierbare Steuerung und die Steuerung und Versorgung der diversen Sensoren (18) und Halteeinrichtungen (6).
Der Hauptantrieb (13) wirkt über ein Antriebselement (21) auf die Hohlachse beziehungsweise Welle (7), die fest mit dem Arm (5) gekoppelt ist und diesen von 0° bis 360° bewegen kann. Das Antriebselement (21) kann ein Zahnriemen, Strahlband oder Stahlseil und dergleichen Antriebselement sein. Das Übertragungsverhältnis kann je nach der Aufgabenstellung optimiert gewählt werden.
Die Achse (7) beziehungsweise der Arm (3) wird durch ein Ausgleichselement (20) in Form eines Federsystems oder von Gewichten und dergleichen Elementen in einer gewünschten Position im Gleichgewicht gehalten (vgl. 4A, B und C).
Der zweite Antrieb (14) wirkt über die beiden Antriebselemente (22a und 22b) auf die Hohlachse beziehungsweise Welle (8), die fest mit dem Arm (4) gekoppelt ist und diesen von 0° bis 360° bewegen kann. Die Antriebselemente (22a und 22b) können Zahnriemen, Strahlbänder oder Stahlseile und dergleichen Antriebselemente sein. Das Übertragungsverhältnis kann je nach der Aufgabenstellung optimiert gewählt werden.
Der dritte Antrieb (15) wirkt über die drei Antriebselemente (23a, 23b und 23c) auf die Achse beziehungsweise Welle (9), die fest mit dem Arm (5) gekoppelt ist und diesen von 0° bis 360° bewegen kann. Die Antriebselemente (23a, 23b und 22c) können Zahnriemen, Strahlbänder oder Stahlseile und dergleichen Antriebselemente sein. Das Übertragungsverhältnis kann je nach der Aufgabenstellung optimiert gewählt werden.
Die Kabelführung (19) wird mit den diversen gewünschten Versorgungsleitungen von der Basis (2) direkt und ohne Steck- und/oder Klemmverbindungen durch die Hohlwelle (8) bis zum Arm (5) geführt wird. Dadurch kann die Belastung der Versorgungsleitungen bei den Drehungen der Achsen (7, 8, 9) von 0° bis 360° minimiert werden beziehungsweise tritt nahezu keine Belastung auf.
Die Kabelführung (19) beinhaltet die pneumatische und/oder elektrische und/oder hydraulische Versorgung der Halteeinrichtung (6), beispielsweise in Form von Saugelementen und/oder Greiferelementen.
In 4a, b, c wird eine schematische Darstellung der ersten Achse (7) mit einem Ausgleichselement (20) in drei Stellungen aufgezeigt.
Zur Vereinfachung des Prinzips wurden Federelemente (20) verwendet, die je nach der Position der Achse (7) beziehungsweise des Armes (3) belastet oder nicht belastet sind.
Neben Federelementen können grundsätzlich auch andere Arten von Ausgleichselementen (20) verwendet werden. Beispielsweise können Gewichte verwendet werden. Baumäßig bieten allerdings Federelemente einen gewissen Vorteil und werden bevorzugt eingesetzt.
Durch die Verwendung derartiger Ausgleichselemente (20) kann der Arm (3) über Riemen oder andere Kopplungselementen in einer gewünschten Lage momentfrei gehalten werden und kann derart die notwendige Antriebsleistung reduziert werden und kann im stromlosen Zustand die gewünschte Lage, beispielhaft senkrecht nach oben wie in 4B aufgezeigt, eingenommen werden. Eine derartige Einrichtung ist oftmals aus sicherheitstechnischen Gründen ein Vorteil.
In 5A, B, C, D wird eine schematische Darstellung einer mehrachsigen Bewegungseinrichtung (1) mit unterschiedlicher Anordnung der Basis (2) aufgezeigt.
In 5A wird die Basis (2) horizontal stehend und in 5B hängend montiert. In 5C wird die Basis (2) in waagrechter Anordnung wie ein Scara Roboter angeordnet und in 5D wird die Basis (2) an der Decke montiert als Portal-Roboter beziehungsweise als Hub-Senk-Einrichtung verwendet.
Zusätzlich kann die mehrachsige Bewegungseinrichtung (1) um weitere Achsen derart erweitert werden, dass ein Teil (16) beziehungsweise eine Halteeinrichtung (6) mit einem weitgehend sinusartigen Bewegungsablauf von einer Position A nach einer Postion B bewegt werden kann.
In 6 ist dargestellt, wie die Halteeinrichtung 6 von einer vertikalen, aufgerichteten Position bei der Position 26 in eine symmetrisch hierzu in eine gespiegelte Position 26 gebracht wird. Es genügt daher für die weitere Beschreibung lediglich die Hälfte dieser Bahnkurve zu beschreiben, weil die gegenüberliegende Hälfte genau gleich ausgebildet ist.
Mit dem Bewegungsablauf 11 ist die gewünschte sinusförmige und vollkommen bogenförmig verlaufende Bewegungskurve des Greifermittelpunktes 29 der Halteeinrichtung 6 dargestellt.
Ferner ist dargestellt, dass die Unterkante der Halteeinrichtung, die nachfolgend als Teilunterkante 30 bezeichnet wird, nicht unterhalb einer bestimmten Unterkante einer Bahnkurve 31 sich bewegen darf. Dies ist deshalb erforderlich, um beispielsweise von der Unterkante der Bahnkurve 31 einen bestimmten Gegenstand aufzunehmen.
Die Zeichnung nach 6 zeigt dann, wie die Teilunterkante 30A bei Position 26 entlang dieser unteren Bahnkurve 31 genau geradlinig verläuft.
Während also der Greifermittelpunkt 29 der Halteeinrichtung 6 auf einer sinusförmigen Bahnkurve 11 verläuft, verläuft die Teilunterkante 30 der Halteeinrichtung 6 auf einer geradlinigen Bewegung entsprechend der Bahnkurve 31.
Im Einzelnen sind in der 6 noch die Bahnkurve 25 der Achse 9 und die Bahnkurve 32 der Achse 8 eingezeichnet.
Die Bahnkurve 25 der Achse 9 verläuft praktisch fast parallel zur Bahnkurve 11 des Greifermittelpunktes 29.
Bei Position 26, bei der gemäß 6 die Halteeinrichtung 6 eine vertikale Stellung hat, wird der erste Schrittmotor für den Antrieb der Achse 7 bei Position 26 gestartet und läuft mit einer relativ hohen Drehzahl bis zur Position 27.
Gleichzeitig wird jedoch der Schrittmotor, der zum Antrieb der Achse 8 dient, ab der Position 26 bis zur Position 27 mit einer dem entgegengesetzt gerichteten Bewegung mit hoher Drehzahl angetrieben, bis die Position 27 erreicht wurde und weiter wird der Schrittmotor zum Antrieb der Achse 9 bei Position 26 mit relativ geringer Drehzahl in der Einrichtung angetrieben bis zum Erreichen der Position 27.
Wie aus 6 erkennbar, wurde somit die Unterkante 30A in die Stellung der 30B verschwenkt.
Bei weiterem Antrieb der drei Schrittmotoren erfolgt ein weiteres Einschwenken der Halteeinrichtung 6 in Richtung auf dem Umkehrpunkt der Sinuskurve der Bahnkurve 11.
Hierzu sieht man, dass bei Position 36 wiederum ein Verschwenken der Halteeinrichtung 6 erfolgt und der Schrittmotor zum Antrieb der Achse 7 nun seine Drehrichtung umkehrt, um so bei Position 37 durch eine Umkehrkurve zu fahren.
Der Schrittmotor für den Antrieb der Achse 8 wird hierbei geringfügig in seiner Geschwindigkeit erhöht, bis die Position 37 in 8 durchlaufen ist und der Schrittmotor zum Antrieb der Achse 9 gemäß 9 wird in seine Drehrichtung umgekehrt, wie es bei Position 37 in 9 dargestellt ist.
Damit ist ein vollkommen harmonischer, sinusförmiger Bewegungsablauf von Position 26 zu Position 37 beschrieben.
Die Drehzahlkurven 33, 34, 35 geben also die einzelnen Drehzahlen der Schrittmotoren über diesen Bewegungsablauf wieder.
Die 1 zeigt hierbei die Plausibilitätsprüfung des Sensors 18, der in Pfeilrichtung 39 gegen eine festgelegte Fläche arbeitet, um bei unerwünschter Annäherung oder sogar Berührung dieser Fläche die gesamte Steuerung außer Betrieb zu setzen.
Der Sensor 18 vermisst in Pfeilrichtung 39 ständig seine Position im Raum, um der Steuerung den aktuellen Stand der Halteeinrichtung 6 mitzuteilen. Die Steuerung hat eine gewisse Sollkurve, die vorher eingegeben wurde und vergleicht diese Sollkurve ständig mit der Position des Sensors 18 im Raum. Bei Abweichung von dieser Sollkurve bleibt die Steuerung stehen, wird auf null gesetzt und fängt von einem bestimmten definierten Nullpunkt wieder an.

1: Mehrachsige Bewegungseinrichtung
2: Basis
3: Arm 1
4: Arm 2
5: Arm 3
6: Halteeinrichtung z.B. Saugeinrichtung und dergleichen
7: Schulterachse Arm 1
8: Schulterachse Arm 2
9: Schulterachse Arm 3
10: Arbeitsbereich
11: Bewegungsablauf bzw. Bahnkurve (beispielhaft)
12: Null-Punkt
13: Antrieb Arm 1
14: Antrieb Arm 2
15: Antrieb Arm 3
16: Teil (zum Beispiel eine Leiterplatte, ein Wafer, ein Glassubstrat, etc.)
17: Arbeitsniveau
18: Sensor
19: Kabelführung (Versorgungsleitungen, Signalleitungen)
20: Ausgleichselement (Feder, Gewicht, etc.)
21: Antriebselement 1
22a,b: Antriebselement 2
23a,b,c: Antriebselement 3
24: Antriebssteuerung
25: Bahnkurve (Achse 9)
26: Position
27: Position
28: Achse
29: Greifermittelpunkt
30: Teilunterkante
31: Unterkante-Bahnkurve
32: Bahnkurve (Achse 8)
33: Drehzahlkurve (7)
34: Drehzahlkurve (8)
35: Drehzahlkurve (9)
36: Position
37: Position
38: Position
39: Pfeilrichtung

Claims

Mehrachsige Bewegungseinrichtung (1) mit weitgehend sinusförmigem Bewegungsablauf (11) eines Greifers, der am freien Ende eines mehrachsig angetriebenen Armes angeordnet ist, wobei jedem Arm (7, 8, 9) ein schrittweise angetriebener Antriebsmotor' (Schrittmotor) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Schrittmotoren (13-15) zum Antrieb der unabhängigen Achsen (7, 8, 9) unabhängig und autark voneinander arbeiten und eine Rückmeldung des einen Schrittmotors auf den anderen nicht statt findet.
Mehrachsige Bewegungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (13, 14, 15) in einer Basisstation angeordnet sind und die Achsen (7, 8, 9) über Hohlachsen mit Antriebselementen (21, 22a,b, 23a,b,c) von 0° bis 360° angetrieben und die Übersetzungsverhältnisse frei zur optimalen Funktion gewählt sind.
Mehrachsige Bewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisachse (7) mit einem Ausgleichselement (20) in Form von Federelementen und/oder Gewichten über Riemen oder Kopplungselementen in einer gewünschten Lage momentfrei gehalten wird.
Mehrachsige Bewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsablauf (11) frei programmierbar ist und bei Verwendung von kartesischen Koordinaten eine Singularität im Nulldurchgang durch kurzzeitige Umrechnung in Winkelkoordinaten vermieden wird.
Mehrachsige Bewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung (1) in einer geschlossenen Ausführung ausgebildet ist und Reinraumbedingungen erfüllt.
Mehrachsige Bewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebelemente (13, 14, 15) jede Art von NC steuerbarem Motor in Form von elektrischen, pneumatischen und hydraulischen Antrieben verwendet sind , insbesondere von Schrittmotoren, Gleichstrommotoren und Drehstrommotoren und mittels der Antriebssteuerung (24) der Bewegungsablauf (11) eines Teils (16) mit einer weitgehend sinusförmigen Form erfolgt.
Mehrachsige Bewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelführung (19) mit den Versorgungsleitungen von der Basis (2) direkt und ohne Steck- und/oder Klemmverbindungen durch die Hohlwelle (8) bis zum Arm (5) geführt ist.
Mehrachsige Bewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Kabelführung (19) die pneumatische und/oder elektrische und/oder hydraulische Versorgung der Halteeinrichtung (6), beispielsweise in Form von Saugelementen und/oder Greiferelementen, bewirkt wird.
Mehrachsige Bewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (18) aktiv und permanent Abstandssignale zum jeweiligen Arbeitsniveau (17) beziehungsweise zu dem Teil (16) an die Antriebssteuerung (24) zwecks exakter Regelung übermittelt.
Mehrachsige Bewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (2) horizontal stehend (5A) oder hängend (5B) auf einer Plattform montiert wird oder in waagrechter Anordung wie ein Scara Roboter (5C) oder an der Decke montiert als Portal-Roboter beziehungsweise als Hub-Senk-Einrichtung verwendet wird.
Mehrachsige Bewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrachsige Bewegungseinrichtung (1) um weitere Achsen erweitert wird und mit der Antriebssteuerung (24) derart betrieben wird, dass ein Teil (16) beziehungsweise eine Halteeinrichtung (6) einen weitgehend sinusförmigen Bewegungsablauf (11) ausführt.
Herstellung einer mehrachsigen Bewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Anwendung einer mehrachsige Bewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für allgemeine Manipulationsaufgaben, insbesondere in der Leiterplattenindustrie, der Halbleiterindustrie, der Displayindustrie, der Automobilindustrie und dergleichen Anwendungsbereichen.
Steuerung für eine mehrachsige Bewegungseinrichtung mit annähernd sinusförmigem Bewegungsablauf,, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung nur lediglich jedem Schrittmotor dem ihm zugemessenen Schrittwinkel und die Geschwindigkeit vor gibt, ohne dass es einer Rückmeldung an die anderen Schrittmotoren bedarf.
Verfahren zum Betrieb einer mehrachsigen Bewegungseinrichtung mit annähernd sinusförmigem Bewegungsablauf,, dadurch gekennzeichnet, dass dass die drei Bewegungsantriebe synchron miteinander arbeiten, d.h. wenn der eine Bewegungsantrieb arbeitet, werden auch gleichzeitig die anderen beiden Bewegungsantriebe entsprechend der gewünschten Bahnkurve angesteuert, um so eine vollkommen harmonische und stetige Bewegungskurve am Greifermittelpunkt zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15,, dadurch gekennzeichnet, dass eine einfache Plausibilitätsprüfung stattfindet, um festzustellen, dass die Schrittmotoren die eingegebenen Steuerungsbefehle richtig ausgeführt haben.