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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Deltaroboter, bestehend aus einer
ortsfesten Grundplatte und wenigstens drei darauf befestigten Servoantrieben,
die mit je einem Schwenkarm verbunden sind, der an seinem anderen
Ende gelenkig mit jeweils zwei zueinander parallelen Stangen verbunden
ist, die jeweils gelenkig mit einer Parallelplatte verbunden sind
und einem viertem Servoantrieb auf der Grundplatte, an dessen Abtriebswelle
eine Teleskopachse über ein erstes Kardangelenk gekoppelt ist,
die über ein zweites Kardangelenk an einen Warenaufnehmer
gekoppelt ist, der schwenkbar an der Parallelplatte angeordnet ist.
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Auf
aktuellem Stand der Technik haben sich Deltaroboter insbesondere
für die Verpackung von leichtgewichtigen Nahrungsmitteln
bewährt, da sie im Verhältnis zu ihren Kosten
eine extrem hohe Dynamik von bis zu drei Verpackungsvorgängen
pro Sekunde ermöglichen.
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Diese
Lösung ist für jede bekannte Ausführungsform
eines Deltaroboters mit drei, vier oder mehr Armen anwendbar. Die
Arme können entweder über eine rotierenden Antrieb
oder über einen Linearantrieb verschwenkt werden. Bei der
Bewegung durch einen rotierenden Motor ist es sinnvoll, dass die
Lagerung des Schwenkarmes zugleich auch die Lagerung des Motors
ist. Bei einem Linear-Antrieb hat der Schwenkarm jedoch ein eigenes
Schwenklager. Der Linearantrieb benötigt dann ebenfalls
ein eigenes Schwenklager und ist über ein Gelenk mit dem Schwenkarm
verbunden.
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Auf
aktuellem Stand der Technik werden elektrische Antriebe dank besserer
Regelbarkeit als Servoantriebe bevorzugt. Das erfinderi sche Prinzip ist
jedoch auch mit pneumatischen und/oder hydraulischen Antrieben kombinierbar.
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Auf
aktuellem Stand der Technik bestehen die meisten Deltaroboter aus
einer Grundplatte, auf der drei Servoantriebe montiert sind. An
deren Abtriebswelle ist ein Schwenkarm – auch Oberarm genannt – befestigt,
an dem als „Unterarm” jeweils zwei parallele Stangen
angelenkt sind, die wiederum gelenkig mit der Parallelplatte verbunden
sind. Durch Verschwenken der Servoantriebe kann die Parallelplatte
in jede beliebige Position des vorgesehenen Arbeitsraumes manövriert
werden. Weil die Unterarme aus zwei parallelen Stangen bestehen,
bewegt sich die Parallelplatte so, wie ihr Name sagt, stets parallel
zur Grundplatte.
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An
der Grundplatte ist ein Warenaufnehmer befestigt, mit dem Gegenstände
aufgenommen, an einem anderen Ort innerhalb des Bewegungsraumes vom
Deltaroboter verbracht und dort wieder abgesetzt werden. Dieser
Aufnehmer benötigt die Zufuhr von Energie, um Gegenstände
aufzunehmen und wieder freizugeben. Darüber hinaus können
auch Informationsverbindungen, also i. d. R. Elektroleitungen von
der Grundplatte bis hin zur Parallelplatte erforderlich sein, um
dem Warenaufnehmer Befehle zu erteilen oder um Sensoren an der Parallelplatte
zu versorgen und auszulesen. Viele weitere Funktionalitäten
für Medienleitungen zur Parallelplatte sind bekannt und
noch weitere denkbar.
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In
jeden Fall ist die Zuführung von Schläuchen, Kabeln
und Ähnlichem zur Parallelplatte erforderlich. Kabel für
elektrische Ströme und Impulse, Schläuche für
Gase und Flüssigkeiten und Glasfaserkabel für
optische Signale sind unerlässliche Verbindungen – sogenannte
Medienzuführungen – zu dem Warenaufnehmer an der
Prallplatte und zu anderen, noch zusätzlich daran befestigten
Einrichtungen, wie z. B. Sensoren, Manipulatoren, Bearbeitungseinrichtungen
und Kameras. Den aktuellen Stand der Technik gibt die
PS-DE 699 27 704 T2 , Persson,
wieder: Dort zeigt die
1, wie Leitungen und Schläuche
von der Grundplatte aus zu den Stangen geführt sind, dort
durch Befestigungsklammern gehalten werden und weiter entlang einer
Stange bis herunter kurz vor dem Gelenk an der Parallelplatte geführt
werden. Von dort ab entfernt sich der Schlauch von der Stange und
muss eine Schlaufe bilden, die frei durch den Raum führt,
um in allen denkbaren Positionen des Deltaroboters einen ausreichenden
Abstand zu den Gelenken zu haben. Andernfalls würde der
Schlauch oder das Kabel mit den Gelenken fortwährend kollidieren
und dadurch einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt,
der zum alsbaldigen Ausfall führen würde.
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Bei
der dabei entstehenden Schlaufe ist ebenfalls von Nachteil, dass
sie an anderen Anlagenteilen oder an den zu handhabenden Waren anstoßen
kann oder sich darin verhaken kann.
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Ein
weiterer Nachteil der Schlaufen ist, dass sie die Annäherung
an Begrenzungswände oder an andere Waren erschweren oder
gar unmöglich machen, da sie die effektive Größe
der Parallelplatte und der darauf befestigten Objekte faktisch vergrößern.
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Ein
weiteres Problem einer jeglichen Schlaufe an jedem Roboter ist die
große freihängende Spannweite. In diesen Abschnitten
können die Schläuche und Kabel in Schwingungen
geraten, wodurch insbesondere diejenigen Teile des Kabels stark belastet
werden, bei denen sich die Schwingung beginnt auszubilden.
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Ein
weiterer Nachteil von Deltarobotern nach aktuellem Stand der Technik
mit einem vierten Servoantrieb, der über eine Teleskopachse
und eine Lagerung in der Parallelplatte eine Verschwenkung des Warenaufnehmers
ermöglicht, ist das Schwenklager in der Parallelplatte.
Sein Nachteil ist, dass der Warenaufnehmer um die axiale Länge
dieses Lagers weiter aus der Parallelplatte herausragt. Durch diesen
Versatz entstehen zusätzliche Momente, sogenannte Steineranteile,
die belastend auf die Robotermechanik wirken. Je weiter der Warenaufnehmer
von der Parallelplatte entfernt ist, desto größer
sind diese zusätzlichen, die Mechanik belastenden Momente.
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Auf
diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt,
eine Lagerung der Teleskopachse in der Parallelplatte zu schaffen,
die einen möglichst geringen Abstand des Warenaufnehmers von
der Parallelplatte ermöglicht und die gleichzeitig alle
Medienleitungen von den Stangen zu dem Warenaufnehmer und anderen
Einrichtungen unterhalb der Parallelplatte führt, sodass
seitliche Schlaufen dieser Medienleitungen vermieden werden.
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Als
Lösung lehrt die Erfindung, dass in die Parallelplatte
ein Drehteller eingelassen und darin über ein Schwenklager
verschwenkbar gelagert ist, wobei der Drehteller in seiner Mitte
mit dem zweiten Kardangelenk verbunden ist und auf der gegenüberliegenden
Seite Ausnehmungen zur Befestigung des Warenaufnehmers und/oder
eines Werkzeugs aufweist und außerhalb seiner Mitte von
wenigstens einer Medienöffnung durchbrochen wird.
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Ein
entscheidender Vorteil dieses Drehtellers ist, dass durch seine
Medienöffnungen hindurch alle Medienleitungen geführt
werden können, die von der Grundplatte kommend zu den Stangen,
auch Unterarmen genannt, geführt worden sind und von dort weiter
zum Wa renaufnehmer oder zu anderen Einrichtungen unterhalb der Parallelplatte
verlaufen. Dabei macht sich die Erfindung zu Nutze, dass die vierte Achse
eines Deltaroboters i. d. R. meist nur Bewegungen von weniger als
180° ausführt, in der Mehrzahl der Fälle
sogar weniger als 90°. Dadurch kann die Medienöffnung
soweit vergrößert werden, dass sie zwar für
einen gleichbleibenden Abstand der Medienleitung von der Teleskopachse
sorgt, aber der Medienleitung nicht ihren jeweiligen Verschwenkungswinkel
aufzwingt.
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Zu
diesem Zweck kann die Medienöffnung als ein Ringsegment
geformt werden. Dann gleitet die Medienleitung bei Verschwenkung
des Drehtellers an den kreisbogensegmentförmigen Kanten
der Medienöffnung entlang. Da diese Kante auch während
der Verschwenkbewegung stets einen gleichen, radialen Abstand zur
Teleskopachse hat, muss sich die Medienleitung in dieser Richtung
nicht bewegen. Eine Verformung der Medienleitung beschränkt
sich dann auf Richtungen, die tangential zur Teleskopachse verlaufen.
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Dadurch
wird die Bildung der unwillkommenen Schlaufen und deren Einschränkung
auf die Bewegungsmöglichkeit des Roboters vermieden. Durch die
reduzierte Belastung der Medienleitungen steigt ihre Lebensdauer.
Vorteilhaft ist auch die erreichte Verkürzung der Medienleitungen,
was das Gesamtgewicht etwas reduziert.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Drehtellers
ist, dass seine Fläche als Befestigung für den
Warenaufnehmer und/oder für Werkzeuge dient. Dadurch kann
der Abstand von der Warenaufnahme zur Parallelplatte kleiner sein
als beim bisherigen Stand der Technik, wodurch die vorgenannten „Steineranteile” und
deren Auswirkung auf die Robotermechanik verringert werden.
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Es
ist sogar denkbar, den Drehteller in den Bereichen, in denen der
Warenaufnehmer befestigt wird, nach innen hin auszuwölben,
sodass die Steineranteile der Belastung weiter reduziert werden können.
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Ein
weiterer Vorteil des Drehtellers ist, dass er als universelle Montageplattform
für verschiedene Gerätschaften ausgebildet werden
kann, ohne dass sich dadurch deren Abstand von der Parallelplatte vergrößert.
Im Sinne der Erfindung sind die Begriffe „Warenaufnehmer” als
auch „Werkzeuge” weit auszulegen. So werden unter
Warenaufnehmer all jene Vorrichtungen verstanden, die dem Erfassen
von Produkten dienen, seien sie mechanischer und/oder pneumatischer
und/oder magnetischer Art.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform schlägt die
Erfindung vor, dass das Schwenklager des Drehtellers ein Gleitlager
ist, dessen eines Teil aus Metall und dessen anderes Teil aus Kunststoff besteht.
Der Vorteil dieser Werkstoffpaarung ist u. a. auch im Lebensmittelbereich
eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen die üblichen,
aggressiven Reinigungsmittel, das Entfallen von Schmierstoffen,
welche die Lebensmittel kontaminieren könnten und der trotzdem
sehr geringe Abrieb, den ein Gleitlager auch bei schmiermittelfreiem
Betrieb erzeugt.
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Besonders
interessant ist es, für das Gleitlager einen Kunststoff
zu verwenden, der zur Verwendung im Lebensmittelbereich zugelassen
ist, also z. B. eine Zulassung der FDA besitzt.
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In
einer weiteren, vorteilhaften Variante besteht entweder die Parallelplatte
oder der Drehteller zumindest zum größten Teil
aus einem solchen Kunststoff, der zugleich ein Teil des Schwenklagers ist.
Da durch werden nicht nur Kosten und Aufwand bei der Fertigung gespart,
sondern auch das Gewicht der Parallelplatte oder des Drehtellers
weiter reduziert. Das jeweilige Gegenstück sollte dann
aus Metall, z. B. aus Edelstahl gefertigt sein.
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Eine
weitere, sinnvolle Variante ist es, das Kardangelenk zur Ankupplung
der Teleskopachse nicht auf den Drehteller aufzusetzen, sondern
das Kardangelenk in den Drehtellern zu integrieren. Dafür
schlägt die Erfindung vor, dass in der Mitte des Drehtellers
eine Ausnehmung eingebracht wird, in deren Wandung eine der beiden
Schwenkachsen des zweiten Kardangelenkes gelagert ist.
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Besonders
bevorzugt sind Ausgestaltungen, bei denen der Drehteller innerhalb
einer Ebene verschwenkt wird, die in oder parallel zur Parallelplatte ausgerichtet
ist, d. h. dass die Schwenkachse des Drehtellers orthogonal zur
Parallelplatte ausgerichtet ist.
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In
einer weiteren Variante wird das Zentrum des Drehtellers gegenüber
seinem Rand so weit herausgewölbt, dass das zweite Kardangelenk
weiter von der Grundplatte entfernt ist, als die gelenkigen Verbindungen
zwischen den Stangen und der Parallelplatte. Eine solche Konfiguration
bietet Vorteile bei der Dynamik und dem maximal möglichen
Arbeitsraum des Deltaroboters.
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Für
die Ausnehmungen zur Befestigung des Warenaufnehmers und anderer
Vorrichtungen sind die verschiedensten Ausführungen möglich
und denkbar. Genannt werden eine Durchgangsbohrung, eine Durchgangsbohrung
mit Innengewinde, ein Sackloch, ein Gewindesackloch, ein Zentrierkegel, ein
Bajonett, eine Hinterschneidung für eine Rastnase und/oder
ein anderer Schnellverschluss. Diese und auch alle weiteren bekannten
und denkbaren Vorrichtungen und Me thoden zur Verbindung zweier Objekte
sind hier einsetzbar. Interessant sind Schnellverschlüsse
dann, wenn der Deltaroboter mit mehreren, verschiedenen Warenaufnehmern
und anderen Vorrichtungen ausgerüstet werden soll, weil weitere
Arbeitsschritte ausgeführt werden sollen, die ein besonderes
Bearbeitungswerkzeug an der Parallelplatte erfordern. Denkbar ist
sogar, dass der Deltaroboter selbst die jeweiligen Werkzeuge aus
einem Magazin abholt und sie dort auch wieder abstellt. Dabei wird
deren Befestigung an der Parallelplatte automatisch fixiert und
wieder gelöst.
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Die
erfindungsgemäßen Medienöffnungen sind
für alle Arten der Zuführung von Energie, Befehlen,
Informationen und Verbrauchsmaterialien zu und von den Einrichtungen
an der Parallelplatte nutzbar. Die Erfindung nennt als konkrete
Beispiele einen Schlauch mit Flüssigkeiten oder Gasen,
ein Kabel mit elektrischem Strom oder elektrischen Impulsen, ein Glasfaserkabel
mit optischen Signalen, einen Hebel oder eine Zugdruckstange.
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Es
ist naheliegend, dass eine große Zahl von Medienleitungen
auch eine große Fläche der Medienöffnung
erfordert. Um eine möglichst große Öffnungsfläche
zu erreichen, können mehrere Medienöffnungen so
weit vergrößert werden, dass die dazwischen verbleibenden
Bereiche des Drehtellers wie schlanke Speichen eines Rades geformt
sind.
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Bereits
zuvor wurde ein Kreisbogensegment bereits als eine sehr vorteilhafte
Form für die Medienöffnung erläutert.
Da ein Deltaroboter grundsätzlich drei Paar von Armen aufweist
und da die Medienleitungen grundsätzlich von den Stangen
her zugeführt werden, ist es sinnvoll, in der Nähe
eines jeden Stangenpaares auf dem Drehteller auch eine entsprechenden
Medienöffnung anzuordnen. Daraus er gibt sich als eine sehr
vorteilhafte Variante, dass im Bereich nahe eines jeden Stangenpaars
eine Medienöffnung mit einem Öffnungswinkel von
etwas weniger als 120° vorgesehen wird. Zwischen diesen
drei Medienöffnungen müssen dann noch ausreichend
stabile Streben oder Speichen verbleiben, die alle statischen und
dynamischen Kräfte sicher weiterleiten können.
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Eine
weitere, denkbare Nutzungsmöglichkeit für die
Medienöffnungen ist, dass durch sie Luft oder ein anderes
Gas oder Wasser oder eine andere Flüssigkeit strömt.
Es ist z. B. denkbar, eine Düse zum Austritt von Pressluft
oberhalb des Drehtellers anzuordnen. Aus dieser Düse heraus
kann dann Luft durch die Medienöffnung hindurch auf die
vom Deltaroboter bewegten oder bearbeiteten Gegenstände treffen.
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In ähnlicher
Weise wäre es denkbar, dass der Klebstoff für
Klebeaufgaben oder Farbnebel für Lackierfunktionen durch
eine Medienöffnung im Drehteller hindurch versprüht
wird.
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In
einer weiteren Variante ist es denkbar, dass weitere Vertiefungen
und/oder zusätzliche Kammern oder Hohlräume in
den Drehteller integriert sind. Sie können für
zusätzliche Geräte oder für zusätzliche
Vorräte an Verbrauchsmaterialien genutzt werden.
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Das
Schwenklager kann als Alternative zum besprochenen Gleitlager auch
als Kugellager ausgeführt werden. Diese Bauform ist sehr
bewährt und kann einen recht geringeren Reibungsverlust
ermöglichen.
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Kugellager
benötigen meist eine Schmierung. Auch ein Gleitlager kann
mit zusätzlicher Schmierung betrieben werden. Falls das
Lager nicht selbst mit Schmiermittel und Dichtung versehen ist, schlägt
die Erfindung vor, dass an der Parallelplatte oder am Drehteller
oder am Schwenklager eine umlaufend geschlossenen Dichtlippe angebracht
ist, welche die Fuge zwischen der Parallelplatte und dem Drehteller
schließt. Eine solche Dichtung schützt nicht nur
das Lager vor eindringenden Fremdkörpern und Feuchtigkeit,
sondern auch die Umgebung vor austretendem Schmiermittel, was insbesondere
bei Robotern in der Nahrungsmittelverarbeitung sehr vorteilhaft
ist.
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Auch
einfachere Schutzeinrichtungen können sinnvoll sein. Ein
schmiermittelfrei arbeitendes Gleitlager, z. B. aus einer Metall-Kunststoff-Kombination,
sollte vor dem Eindringen von Fremdkörpern und Flüssigkeiten
geschützt werden.
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Zu
diesem Zweck kann oberhalb und/oder unterhalb des Schwenklagers
eine Scheibe und/oder ein flächiger Ring als Schutz gegen
spritzende Flüssigkeit und kleine Fremdkörper
angebracht werden.
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Im
Folgenden sollen weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung
anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
Dieses soll die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern
nur erläutern. Es zeigt in schematischer Darstellung:
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1 Schrägbild
eines Deltaroboters mit Drehteller in der Parallelplatte
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2 Schrägbild
der Unterseite eines Drehtellers.
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Die
Figuren zeigen im Einzelnen:
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In 1 ist
das prinzipielle Schema eines erfindungsgemäßen
Deltaroboters mit einem Drehteller 7 in der Parallelplatte 4 gezeichnet.
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Am
oberen Rand der Zeichnung ist die Grundplatte 1 mit ihren
drei, etwa gabelförmigen Aufnahmen für die Schwenkarme 31 und
die, sie bewegenden Servoantriebe 2 zu sehen. Die Servoantriebe 2 bewegen über
ihre Abtriebswelle 21 die Schwenkarme 31 wie eine
Kurbel. An den Enden jedes Schwenkarmes 31 ist über
Gelenke jeweils ein Paar der Stangen 32 angebunden. Über
weitere Gelenke sind diese Paare von Stangen 32 mit der
Parallelplatte 4 verbunden.
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Deshalb
bleibt die Parallelplatte 4 stets parallel zur ortsfesten
Grundplatte 1, unabhängig davon, in welche Positionen
des erreichbaren Verschwenkraumes vom Deltaroboter sie bewegt wird.
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In
der Variante in 1 ist die Parallelplatte 4 zu
einem Ring reduziert, der um den Drehteller 7 herumgeführt
ist, und der auf seinem äußeren Umfang die Gelenke
zur Verbindung mit den Stangen 32 trägt. Den größten
Teil der Parallelplatte 4 nimmt der Drehteller 7 ein.
In 1 ist zu erkennen, dass er mit einem Schwenklager 8 mit
relativ großem Durchmesser in der Parallelplatte 4 gelagert
ist. In der Mitte des Drehtellers 7 ist das Kardangelenk 51 befestigt,
das die gelenkige Verbindung zur Teleskopachse 5 herstellt.
Nahe dem äußeren Rand des Drehtellers 7 sind
drei große Medienöffnungen 72 eingebracht, durch
die Medienleitungen oder anderes hindurch verlegt werden kann. Diese
Medienleitungen sind in 1 der Übersichtlichkeit
halber jedoch weggelassen.
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Bei
genauem Hinsehen sind in 1 auf dem Drehteller 7 auch
kleine Ausnehmungen 71 zu erkennen, die als Befestigung
dienen. Z. B. ist es denkbar, von der Oberseite her eine Schraube
durch eine Ausnehmung 71 hindurch zustecken, die als durchgehende
Bohrung geformt ist. Mit dieser Schraube kann dann z. B. der Warenaufnehmer 6 an der
Unterseite des Drehtellers 7 befestigt werden.
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In 2 ist
im Schrägbild die Parallelplatte 4 und ein darin
gelagerter Drehteller 7 von ihrer Unterseite her gezeigt.
Dabei ist die Parallelplatte 4 als ein von außen
umlaufender Ring zu erkennen, an den drei Auskragungen angeformt
sind, welche jeweils die beiden Kugelköpfe zur gelenkigen
Anbindung der Stangen 32 tragen. Innerhalb dieser ringförmigen
Parallelplatte 4 ist die exakt ringförmige Abdeckung
des Gleitlagers 8 zu erkennen, die mit etlichen Schrauben gesichert
ist. Innerhalb dieses Abdeckringes wird der Drehteller 7 sichtbar.
Deutlich sind die drei großen Medienöffnungen 72 zu
erkennen, in diesem Ausführungsbeispiel etwa nierenförmig.
Ebenfalls sehr deutlich sichtbar sind die zahlreichen kleinen Ausnehmungen 71,
die als Befestigung dienen, z. B. zum Durchführen von Schrauben.
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In 2 wird
ein Vorteil des erfindungsgemäßen Drehtellers
sichtbar, nämlich dass er die gesamte Masse des Deltaroboters
nicht vergrößert, weil zu seinem Einbau die Parallelplatte 4 nicht über das
Maß hinaus vergrößert werden muss, das
durch den Abstand der parallelen Stangenpaare 32 zueinander
vorgegeben ist. Dieser Abstand ergibt sich aus der Belastbarkeit
der Stangen 32 und der sie verbindenden Gelenke und kann
nicht unterschritten werden, ohne die Stabilität des Deltaroboters
nachhaltig zu gefährden.
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- 1
- Grundplatte
- 2
- Servoantriebe,
drei Stück auf Grundplatte 1
- 21
- Abtriebswelle
der Servoantriebe 2
- 31
- Schwenkarm,
an Abtriebswelle 21
- 32
- Stange,
verbindet Schwenkarm 31 jeweils gelenkig mit Parallelplatte 4
- 4
- Parallelplatte,
an Stangen 32, trägt Warenaufnehmer 41
- 5
- Teleskopachse,
verbindet Grundplatte 1 und Parallelplatte 4
- 51
- Kardangelenk,
an beiden Enden der Teleskopachse 5
- 6
- Warenaufnehmer, über
Drehteller 7 an Parallelplatte 4 schwenkbar befestigt
- 7
- Drehteller, über
Schwenklager 8 in Parallelplatte 4 gelagert
- 71
- Ausnehmungen,
in Drehteller 7
- 72
- Medienöffnung,
in Drehteller 7
- 8
- Schwenklager
zur Lagerung des Drehtellers in der Parallelplatte 4
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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