DE102007039384A1

DE102007039384A1 - Handhabungsvorrichtung und Verfahren zur Änderung der Gelenkstellungen der Handhabungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102007039384A1
Application number: DE200710039384
Authority: DE
Inventors: Torsten Felsch; Christian Herker
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2009-02-19

Abstract

Es wird eine Handhabungsvorrichtung für mehrachsige Handhabungsmaschinen, insbesondere Roboter zur Handhabung unterschiedlicher Bauteile, mit einem Trägerelement, an dem mindestens ein mit mindestens einem passiven Gelenk versehener Arm befestigt ist, an dessen Ende ein Werkzeug angeordnet ist, vorgeschlagen. Dem mindestens einen Gelenk ist eine Klemmvorrichtung zu seinem Fixieren in vorwählbarer Lage zugeordnet. Im nicht fixierten Zustand ist das mindestens eine Gelenk frei beweglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Handhabungsvorrichtung für eine mehrachsige Handhabungsmaschine, wie ein Roboter, und ein Verfahren zur Änderung der Gelenkstellungen der mit einer Handhabungsmaschine verbundenen Handhabungsvorrichtung.
In vielen Bereichen der verarbeitenden Industrie müssen die unterschiedlichsten Bauteile gehandhabt werden. Diese Bauteile können ebene Bleche bzw. Bleche oder Körper mit komplizierter 3D-Geometrie sein. Typische Handhabungsaufgaben sind z. B. bei der Montage von Baugruppen oder bei Füge- und Trennvorgängen, z. B. in der Lasermaterialbearbeitung, bei der Maschinenbestückung, z. B. Zu- und Abführen von Bauteilen, bei Pressen, Verkettungen u. ä. durchzuführen.
Die zunehmende Variantenvielfalt in der Produktion verlangt ein schnelles Umstellen der Handhabungs- und Spanntechnik auf sich verändernde Bauteilgeometrien. Dazu ist eine hohe Flexibilität in der Anzahl, der Positionierung und der Art der Greif- bzw. Spannelemente erforderlich. Bei der Positionierung der Greif- und Spannelemente wird eine Flexibilität in allen sechs Bewegungsachsen angestrebt, die jedoch bisher gar nicht bzw. nur mit einem hohen technischen Aufwand zu realisieren ist. Weiterhin besteht bei herkömmlichen flexiblen Greif- und Spannelementen das Problem des hohen Eigengewichts und großen Bauvolumens aufgrund der erforderlichen motorischen Verstelleinrichtungen. Daraus resultiert eine begrenzte Traglast, erhöht Kollisionsgefahren sowie größere Ungenauigkeiten in Folge mehrerer verketteter Antriebe.
Bisher wurde das Problem dadurch gelöst, dass für jedes zu handhabende Bauteil eine separate Spann-/Greifvorrichtung gefertigt wurde, die an das jeweilige Bauteil angepasst wurde. Damit ist jedoch die Bereitstellung und Lagerung einer hohen Anzahl an vorgefertigten Greifern erforderlich. Weiterhin ist ein hoher Umrüstaufwand durch Montage und Justage beim Wechseln der Greiftechnik, z. B. bei Produktionswechsel, notwendig. Auch wurde trotz großem technischen Aufwand bisher nur wenig Flexibilität erreicht, d. h. die Flexibilität wurde bisher durch in wenigen Freiheitsgraden aktiv verstellbare Kinematiken realisiert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Handhabungsvorrichtung für eine mehrachsige Handhabungsmaschine, insbesondere für Roboter, zur Handhabung unterschiedlicher Bauteile zu schaffen, die eine hohe Flexibilität bei geringerem technischen Aufwand gegenüber herkömmlichen aktiven Kinematiken mit vergleichbarer Flexibilität aufweisen. Weiterhin soll ein Verfahren zur Änderung der Gelenkstellungen einer mit einem Roboter verbundenen Handhabungsvorrichtung eine einfache Umrüstung bei Produktionswechsel oder dergleichen gestatten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs bzw. durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs erreicht.
Dadurch, dass die Handhabungsvorrichtung ein Trägerelement aufweist, an dem mindestens ein mit mindestens einem Gelenk versehener Arm befestigt ist, an dem ein Werkzeug angeordnet ist und dass dem mindestens einen Gelenk eine Klemmvorrichtung zu seinem Fixieren in vorwählbarer Lage zugeordnet ist und im nicht fixierten Zustand das bzw. die Gelenke frei beweglich sind, ist es möglich, die Handhabungsvorrichtung bei ausreichender Anzahl an Gelenken in allen translatorischen und rotatorischen Achsen zu verstellen. Es wird somit eine nahezu uneingeschränkte Flexibilität der Spann- und Greiftechniken erreicht.
Durch in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen möglich. Vorteilhafterweise weist die Handhabungsvorrichtung ein Trägerelement, das als starres Profil oder als Verstelleinrichtung ausgebildet sein kann, auf, mit dem die Handhabungsvorrichtung an dem Roboter befestigt werden kann.
Es können mehrere Arme, d. h. mehrere Kinematiken, am Trägerelement vorgesehen sein, die dabei auch in je weils unterschiedlichen Konfigurationen ausgeführt sein können.
Vorteilhafterweise können am freien Ende der Arme oder Kinematik für den jeweiligen Anwendungsfall die unterschiedlichsten Werkzeuge montiert werden, wobei die Werkzeuge Greif- bzw. Spannelemente, z. B. Backen-, Vakuum-, Magnetgreifer, Spannhebel o. ä. zum Handhaben unterschiedlicher Objekte sein können. Es kann aber auch am freien Ende der Kinematik eine Werkzeugwechseleinrichtung zum automatischen Wechsel der Werkzeuge montiert sein.
Die Gelenke in ihrer Lage fixierbaren Klemmvorrichtungen können kraftschlüssig und/oder formschlüssig ausgeführt sein. Grundsätzlich können sie mechanisch, z. B. als Feder, pneumatisch bzw. hydraulisch, z. B. als Zylinder, oder elektrisch, z. B. als Magnet, ausgebildet sein. Die Klemmeinrichtungen können über mehrere separate Aktoren oder einem zentralen Aktor angetrieben werden, dessen Antriebskraft mit Kraftübertragungseinrichtungen, z. B. Welle, Hydraulik-/Pneumatikschlauch o. ä. auf die Wirkstelle der Klemmeinrichtungen der einzelnen Gelenke wirkt.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung sind die hohen Genauigkeiten bei der Positionierung der Spann-/Greiftechnik, da durch die Klemmung der Gelenke Spielfreiheit erreicht wird. Es können hohe Kräfte aufgenommen werden, da durch Klemmung hohe Kräfte übertragbar sind, die nicht durch vorhandene Getriebe, Motoren oder dergleichen begrenzt sind, sondern nur durch die Gliedermechanik bzw. die Klemmkräfte. Insgesamt ergibt sich ein geringer technischer Aufwand gegenüber herkömmlichen aktiven Kinematiken mit vergleichbarer Flexibilität.
Außerdem stellt die Handhabungsvorrichtung eine geringe bzw. minimale Störkontur dar, wodurch weniger Kollisionen auftreten. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darstellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel Der vorliegenden Handhabungsvorrichtung, die an einem Roboter befestigt ist,
4 ein viertes Ausführungsbeispiel der an einem Roboter befestigten Handhabungsvorrichtung und
5 einen Teilschnitt durch ein Kugelgelenk mit Klemmeinrichtung
6 einen Teilschnitt durch ein Schubgelenk mit Klemmeinrichtung
7 ein Beispiel der Einstellung der Gelenke einer erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung unter Verwendung eines Roboters.
Die erfindungsgemäße Handhabungsvorrichtung nach den 1 bis 5 weist einen oder mehrere an einem Trägerelement 1 gelenkig gelagerte Arme 2 auf, wobei beispielsweise in 1 drei Arme montiert sind. Die die Kinematiken bildenden Arme weisen starre Glieder 3 auf, die durch Gelenke 4 miteinander verbunden sind. Die Gelenke 4, die unterschiedlich ausgebildet sein können, z. B. als Dreh-, Schub-, Kugelgelenk oder dergleichen oder Kombinationen derselben in einem Gelenk, z. B. Dreh-Schub-Gelenk, und unterschiedliche Freiheitsgrade haben können, sind frei beweglich und nicht aktiv über Motoren angetrieben, d. h. sie sind als passive Gelenke ausgeführt. Drehgelenke können um bis 360° drehbar gestaltet werden, wobei der Drehbereich durch evtl. vorhandene Kabel oder Schläuche zur Energieversorgung begrenzt sein kann. Schubgelenke sind translatorisch in einer Achse bewegliche Gelenke, die durch Endlagen in ihrem Bewegungshub begrenzt werden und entsprechend dem Einsatzbereich mit unterschiedlichem Hub ausführbar sind. Kugelgelenke sind in allen rotatorischen Achsen frei bewegliche Gelenke. Der Verdrehbereich wird durch die Gestaltung der Kugelgelenklagerung und durch evtl. vorhandene Kabel teilweise begrenzt.
Den Gelenken 4 sind entsprechend 5 und 6 Klemmeinrichtungen zugeordnet, die in ihrer Lage fixierbar sind. Die Klemmeinrichtungen sind vorzugsweise kraftschlüssig ausgebildet, können aber auch formschlüssig wirken. Sie können mechanisch, z. B. als Feder, pneumatisch, hydraulisch und/oder elektrisch ausgebildet sein.
In 5 ist ein Kugelgelenk mit einer als Kolben 11 und Zylinder 12 ausgebildeten Klemmeinrichtung 13 im Schnitt dargestellt. Über Schläuche 14 wird das An triebsmedium zu- bzw. abgeführt. 6 zeigt ein Schubgelenk 15 mit einer Klemmeinrichtung 13 entsprechend 5.
An den freien Enden der Arme 2 sind Werkzeuge 5 bzw. Werkzeugwechseleinrichtungen zugeordnet, die in den Ausführungsbeispielen als Greifer oder Spannelemente ausgebildet sind und die Bauteile 6 greifen und transportieren können.
Die Gelenke 4 und die Glieder 3 der Kinematiken bzw. der Arme 2 bilden eine offene kinematische Kette, deren Anzahl Freiheitsgrade üblicherweise an das Spektrum der zu handhabenden Bauteile 6 angepasst ist.
In den 1 bis 3 ist das Trägerelement 1 als lang gestrecktes, starres Profil ausgebildet, an dem mehrere Arme befestigt sind. In 4 ist lediglich jeweils ein Arm vorgesehen, der an einem gleichfalls starren Profil angeordnet ist. Dieses starre Trägerelement 1 wird am TCP (Tool Center Point) eines Roboters 7 (s. 3) beispielsweise über eine Werkzeugwechseleinrichtung befestigt, die mit einem tellerförmigen Ansatz 8 des Trägerelementes 1 in formschlüssigen Eingriff tritt. Der Roboter ist üblicherweise ein mehr-achsiger Roboter, z. B. ein Knickarm-Industrieroboter oder dergleichen, der über eine Steuerungseinheit zur koordinierten Ansteuerung seiner Achsen verfügt.
Die Klemmeinrichtungen der Gelenke 4 werden über mehrere oder einen zentralen, nicht dargestellten Aktor angetrieben, deren Antriebskraft mit Kraftübertragungseinrichtungen, z. B. Welle oder Hydraulik-/Pneumatikschlauch oder dergleichen auf die Wirkstelle der Klemmeinrichtungen der einzelnen Gelenke wirkt. Ent lang der Kinematik bzw. jedes Arms 2 sind nicht dargestellte Durchführungen, Halterungen usw. vorgesehen, die zur Energie- und Signalübertragung zum Werkzeug 5 dienen. Die Klemmeinrichtungen bzw. Aktoren werden von einer übergeordneten Steuerung, z. B. einer SPS, gesteuert.
In 7 ist dargestellt, wie die Gelenkstellung der Arme 2 für eine veränderte Handhabungsaufgabe geändert wird. Diese Änderung der Gelenkstellungen wird vorzugsweise von dem Roboter 7 vorgenommen. Dazu wird jeder Arm 2 mit seinem freien Ende an einem ortsfesten, definierten Punkt 9 festgehalten oder eingespannt oder der Arm hält sich selber fest, wobei während der Einspannung einzelne oder mehrere Klemmeinrichtungen des Arms 2 bzw. der Kinematik gelöst werden, um diese Gelenke frei bewegen zu können. Dabei ist auf den Zwangslauf der Kinematik zu achten (F ≤ 6), um eine eindeutige Stellung aller Gelenke der Kinematik für jede Konfiguration zu erreichen. Die Verbindung mit dem festen Punkt 9 wird mittels des am Ende des Arms 2 montierten Werkzeugs oder mittels separater ortsfester Greif- oder Spannelemente durchgeführt.
Durch die Verbindung mit dem ortsfesten Punkt 9 entsteht temporär eine geschlossene kinematische Kette. Der Roboter 7 verfährt entlang einer zuvor berechneten Bahn den Arm 2 von der vorhergehenden in eine neue Konfiguration, wobei die Gelenke dabei passiv mitbewegt werden. Anschließend werden die Gelenke 4 des Arms 2 durch die Klemmeinrichtungen in der neuen Konfiguration festgelegt. Anschließend werden die einzelnen Verfahrensschritte für jeden Arm bzw. für jede Kinematik wiederholt, so dass alle Arme 2 der Handhabungsvorrichtung auf das neue Bauteil eingestellt werden.
Durch die geschlossen kinematische Kette und den Ungenauigkeiten bei der Roboterpositionierung können ungewollte Belastungen in der Handhabungsvorrichtung und im Roboter auftreten. Diese Belastungen würden zu einem erhöhten Verschleiß der Kinematik und des Roboters führen. Zur Vermeidung der Belastungen wird vorgesehen, eine Sensoranordnung, z. B. eine Kraft-/Weg-Sensorik in den Aufbau zu integrieren, die auftretende Belastungen sensorisch erfasst und durch Nachregelung der Roboterposen reduziert. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann zur Vermeidung der Belastung der „ortsfeste Punkt" nachgiebig ausgebildet sein, beispielsweise als Gummipuffer.
Wie schon ausgeführt, wird die Bewegung des Roboters 7 über die erforderlichen Bahnkurven durch eine Steuereinrichtung gesteuert, wobei dafür eine entsprechende Software in einem Rechner vorgesehen ist, die die Bahnkurven unter Berücksichtigung von Kollisionen automatisch generiert.
Von den oben aufgeführten Gelenken können einige mit Antrieben zur Änderung der Gelenkwinkel versehen sein. Es können zusätzlich zu den passiven und/oder aktiven Gelenken mit Klemmung auch motorisch angetriebene Achsen verwendet werden, die mit entsprechend kräftigen Antrieben ausgestattet sind.

Claims

Handhabungsvorrichtung für mehrachsige Handhabungsmaschinen, insbesondere Roboter zur Handhabung unterschiedlicher Bauteile mit einem Trägerelement (1), an dem mindestens ein mit mindestens einem passiven Gelenk (4) versehener Arm (2) befestigt ist, an dessen Ende ein Werkzeug (5) angeordnet ist, wobei dem mindestens einen Gelenk (4) eine Klemmvorrichtung (14) zu seinem Fixieren in vorwählbarer Lage zugeordnet ist und wobei im nicht fixierten Zustand das mindestens eine Gelenk (4) frei beweglich ist.
Handhabungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1) als starres Profil oder als Verstelleinrichtung ausgebildet ist.
Handhabungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Trägerelement (1) mehrere mit mindestens einem Gelenk (4) versehene Arme (2) angeordnet sind.
Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Arm (2) mehrere Glieder (3) aufweist, zwischen denen Gelenke (4) angeordnet sind.
Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (5) als Spann- oder Greifelement ausgebildet ist.
Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug selbst als Werkzeugwechseleinrichtung zum automatischen Wechsel weiterer Werkzeuge ausgebildet ist.
Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (2) gleiche oder unterschiedliche Freiheitsgrade aufweisen.
Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke als Dreh-, Schub-, Kugelgelenke oder dergleichen oder als kombinierte Gelenke ausgebildet sind.
Handhabungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke und die Glieder eine offene kinematische Kette mit wählbarer Anzahl von Freiheitsgraden bilden.
Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung kraftschlüssig und/oder formschlüssig ausgeführt ist.
Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch ausgeführt ist.
Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Gelenken (4) einige mit Antrieben zur Änderung der Gelenkwinkel versehen sind.
Verfahren zur Änderung der Gelenkstellungen der mit einem Roboter verbundenen Handhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Armes (2) an einem ortsfesten, zu dem Roboter (7) definierten Punkt (9) festgelegt wird, wobei einzelne oder mehrere Klemmvorrichtungen der Gelenke (4) des Armes (2) zu ihrer freien Bewegung gelöst werden, der Roboter entlang einer zuvor berechneten Bahn den Arm (2) in die gewünschte Position verfährt, wobei die gelösten Gelenke (4) passiv mitbewegt werden und die Gelenke (4) in ihren neuen Stellungen durch die Klemmeinrichtungen fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungen der Arme und des Roboters durch eine Sensoreinrichtung gemessen werden und ggf. durch Nachregelung der Roboterposen verringert werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm an einem nachgiebigen ortsfesten Punkt festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Armen die Einstellungen der Gelenkwinkel nacheinander für jeden Arm separat durchgeführt werden.