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Die
Erfindung betrifft einen Gelenkarmroboter mit einer Roboterkonsole,
einem ersten, an der Roboterkonsole um eine erste Schwenkachse schwenkbar
angeordneten Roboterarm und einem am ersten Roboterarm um eine zweite
Schwenkachse schwenkbar angeordneten zweiten Roboterarm, wobei die
erste und die zweite Schwenkachse zumindest annähernd parallel zueinander sind
und mit einem ersten Antriebsmotor zur Bewegung der beiden Roboterarme
um die erste Schwenkachse und einem zweiten Antriebsmotor zur Bewegung
des zweiten Roboterarms um die zweite Schwenkachse.
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Solche
Gelenkarmroboter, die auch SCARA-Roboter (Selective Compliance Assembly
Robot Arm) genannt werden, sind Industrieroboter, deren Aufbau der
Anatomie des menschlichen Arms gleicht. Gelenkarmroboter besitzen
in der Regel vier Achsen und vier Freiheitsgrade. Die ersten beiden Achsen
werden durch die ersten und zweiten Schwenkachsen der Roboterarme
gebildet. Die dritte und die vierte Achse fallen vielfach zusammen
und sind beispielsweise in Form einer Kugelrollspindel ausgebildet,
die eine Rotation sowie eine Linearbewegung in der Z-Ausrichtung
der dritten und vierten Achse erlauben. Aufgrund ihrer Struktur
erlauben Gelenkarmroboter schnelle Bewegungen für so genannte Pick-and-Place-Anwendungen,
bei denen es darum geht, Bauteile von einem Ort zu einem anderen
Ort zu verbringen. SCARA-Roboter
werden daher häufig
zur Vorbereitung von Montageaufgaben oder in der Verpackungsindustrie
zum Platzieren von Teilen in Verpackungen eingesetzt. Dabei weisen Gelenkarmroboter
zur Bewegung des an ihnen angeordneten Werkzeugs in allen vier Freiheitsgraden Servomotoren
auf, die ein lagegenaues Positionieren eines Werkstücks oder
Bauteils erlauben.
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Der
Einsatz von vier Servomotoren mit der zugehörigen Steuerung ist jedoch
relativ aufwändig und
teuer und wird nicht bei allen Anwendungen benötigt. Beim Aufnehmen und Wiederabsetzen
von Werkstücken
innerhalb einer horizontalen Ebene muss das Werkstück beispielsweise
nur von einer abgesenkten Position in eine angehobene Position und
erneut in die abgesenkte Position bewegt werden. Für die Linearbewegung
in Z-Richtung wäre
für diese
Anwendung also kein Servomotor notwendig, der die zu bewegende Masse
des Roboters erhöht und
sich somit negativ auf die Geschwindigkeit des Roboters auswirkt.
Sollen die Roboter zur Handhabung von runden Werkstücken eingesetzt
werden, bei denen die Orientierung zu ihrer Längsachse keine Rolle spielt,
ist eine Drehung des Werkstücks
um die Z-Achse überhaupt
nicht notwendig. Hier könnte
eine Bewegungsachse also komplett ent fallen, wodurch ebenfalls nicht
nur Kosten sondern auch Gewicht gespart werden könnte und schnellere Roboterbewegungen
erzielbar wären.
Für diese
speziellen Anwendungen sind die bisher auf dem Markt erhältlichen Gelenkarmroboter überdimensioniert
und zu aufwändig.
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Zwar
sind SCARA-Roboter mit nur drei Achsen ebenfalls bekannt, doch können solche
Roboter nicht für
anspruchsvollere Aufgaben eingesetzt werden, wenn dies gewünscht wird.
In diesem Fall ist die Anschaffung eines neuen, vierachsigen Roboters
nötig.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gelenkarmroboter
vorzuschlagen, der sich auf kostengünstige Weise an unterschiedliche
Aufgaben anpassen lässt
und bei dem die zu bewegende Masse je nach Anwendungsfall auf ein
Minimum reduzierbar ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
mit einem Gelenkarmroboter mit einer Roboterkonsole, einem ersten, an
der Roboterkonsole um eine erste Schwenkachse schwenkbar angeordneten
Roboterarm und einem am ersten Roboterarm um eine zweite Schwenkachse
schwenkbar angeordneten zweiten Roboterarm, wobei die erste und
die zweite Schwenkachse zumindest annähernd parallel zueinander sind
und mit einem ersten Antriebsmotor zur Bewegung der beiden Roboterarme
um die erste Schwenkachse und einem zweiten Antriebsmotor zur Bewegung
des zweiten Roboterarms um die zweite Schwenkachse, wobei der Gelenkarmroboter
dadurch gekennzeichnet ist, dass am zweiten Roboterarm ein Adapter
zur mechanischen und elektrischen Ankopplung verschiedener Arbeitseinheiten
angeordnet ist, wobei die Arbeitseinheiten ein Werkzeug, insbesondere
einen Greifer aufweisen, der bezüglich
mindestens einer weiteren Achse bewegbar an der Arbeitseinheit angeordnet ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Gelenkarmroboter
können
somit verschiedene, auf den jeweiligen Anwendungsbereich angepasste
Arbeitseinheiten am zweiten Roboterarm befestigt werden. Diese Arbeitseinheiten
können
beispielsweise nur eine weitere Achse aufweisen, falls dies für den Einsatzzweck ausreichend
ist. So können
Arbeitseinheiten ankoppelbar sein, an denen das Werkzeug bezüglich einer Z-Achse
linear bewegbar angeordnet ist. Eine solche Arbeitseinheit ist für das oben
erwähnte
Aufnehmen und Absetzen runder Bauteile, bei denen es nicht auf die
Orientierung bezüglich
ihrer Rotationsachse ankommt, vollkommen ausreichend. Ein das Gewicht der
Arbeitseinheit erhöhender
und damit die Robotergeschwindigkeit reduzierender Servomotor für das Drehen
des Werkzeugs kann hier entfallen.
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Es
können
aber auch Arbeitseinheiten ankoppelbar sein, an denen das Werkzeug
bezüglich einer
Z-Achse schwenkbar angeordnet ist. Damit ist eine Drehung des Werkstücks bezüglich der
Z-Achse und bei Vorsehen eines entsprechenden Antriebs auch eine
Linearbewegung entlang der Z-Achse möglich.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung können auch Arbeitseinheiten
ankoppelbar sein, die Servomotoren und/oder Zylinderantriebe zur
Bewegung des Werkstücks
bezüglich
der Z-Achse aufweisen. Der Einsatz von Servomotoren ermöglicht ein
Platzieren der Bauteile in jeder beliebigen Winkelposition und Höhenposition
bezüglich
der Z-Achse. Sind solche exakten Positionierungen der Bauteile bzw.
eines an der Arbeitseinheit angeordneten Werkzeugs nicht notwendig,
so können
leichtere und preiswertere Zylinderantriebe eingesetzt werden. Diese
Zylinderantriebe können
dabei vorteilhafterweise pneumatische Zylinderantriebe sein. Mithilfe
der Zylinderantriebe lässt
sich das Werkzeug, also beispielsweise der Greifer der Arbeitseinheit
zwischen zwei festgelegten Positionen bezüglich der Z-Achse bewegen.
Für Pick-and-Place-Anwendungen
ist dies häufig
ausreichend.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, wenn der Adapter eine elektrische Steckverbindung
aufweist, die mit einer zentralen Steuereinrichtung des Roboters verbunden
ist und in die Steckmodule der verschiedenen Arbeitseinheiten unter
Bildung elektrischer Kontakte einsteckbar sind. Die für die Adapter
und Arbeitseinheiten genormten Steckverbindungen erlauben den raschen
Austausch von Arbeitseinheiten und damit die Anpassung des Gelenkarmroboters
an ein neues Aufgabenfeld. Durch Abnehmen der alten Arbeitseinheit
und Ankoppeln der neuen Arbeitseinheit sowie einer entsprechenden Änderung
der Programmierung der Robotersteuerung lässt sich der Roboter rasch
auf die neue Anwendung vorbereiten. Auch die Anpassung der Programmierung
der Steuerung kann in modularer Weise erfolgen, sodass neu hinzukommende
Steuerungsaufgaben rasch aktiviert werden können. Für jede Anwendung wird die leichtest
mögliche
Arbeitseinheit angekoppelt, wodurch höchst mögliche Robotergeschwindigkeiten
erreicht werden.
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Zur
mechanischen Ankopplung der verschiedenen Arbeitseinheiten sind
unterschiedliche Lösungen
denkbar. Bei einer besonders einfachen und stabilen Lösung kann
der Adapter eine mit Bohrungen versehene Platte aufweisen, gegen
die eine an den Arbeitseinheiten angeordnete Platte mit einem entsprechenden
Bohrungsmuster anlegbar und durch Verschrauben befestigbar ist.
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Eine
weitere Reduzierung der zu bewegenden Masse des Roboters und damit
eine Erhöhung der
Robotergeschwindigkeit lassen sich dadurch erzielen, dass der erste
und der zweite Antriebsmotor im oder am Basisteil angeordnet sind
und dass zwischen dem zweiten Antriebsmotor und dem zweiten Roboterarm
Kraftübertragungsmittel
angeordnet sind.
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Dadurch,
dass bei dieser Ausgestaltung der zweite Antriebsmotor auf dem Basisteil
angeordnet ist und daher nicht mit den Roboterarmen mit bewegt werden
muss, sind die zu bewegenden Massen deutlich geringer als bei bekannten
Robotern dieses Typs. Insbesondere die Roboterarme können daher insgesamt
leichter gebaut und vorzugsweise sogar in Leichtbauweise hergestellt
werden. Als Folge davon lässt
sich das an der am zweiten Roboterarm über den Adapter befestigten
Arbeitseinheit angeordnete Werkzeug mit deutlich höheren Geschwindigkeiten bewegen
als bei Geräten
mit einer Anordnung des zweiten Antriebsmotors auf dem Gelenk zwischen den
beiden Schwenkarmen. Es lassen sich Geschwindigkeiten erreichen,
die mit denjenigen eines Delta-Roboters vergleichbar sind, wobei
jedoch die Ansteuerung des Gelenkarmroboters wesentlich einfacher
ist als diejenige eines Delta-Roboters, mit dem in einem relativ
großen
dreidimensionalen Raumausschnitt jeder beliebige Punkt angefahren
werden kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des Roboters können
die Kraftübertragungsmittel
im oder am ersten Roboterarm geführt
sein, wo sie vor äußeren Einflüssen geschützt untergebracht
sind.
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Als
Kraftübertragungsmittel
kommen verschiedene Getriebearten infrage. Besonders vorteilhaft
und kostengünstig
ist es, wenn die Kraftübertragungsmittel
einen Riementrieb aufweisen. Dieser lässt sich außerdem besonders Platz sparend
im ersten Roboterarm unterbringen.
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Der
Riementrieb kann dabei mit Flachriemen oder mit Zahnriemen ausgestattet
sein. Flachriemen haben den Vorteil, dass sie gleichzeitig eine
Art Rutschkupplung bilden und somit bei einer Überbelastung den Roboter vor
Zerstörung
schützen
können.
Mit Zahnriemen hingegen sind auch sehr große Kräfte übertragbar.
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Als
Alternative zu einem Riementrieb können die Kraftübertragungsmittel
auch einen Kettentrieb aufweisen.
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Für eine koordinierte
Bewegung des an der auswechselbaren Arbeitseinheit angeordneten Werkzeugs
durch den Roboter kann die Ansteuerung des ersten und zweiten Antriebsmotors
in an sich bekannter Weise über
eine gemeinsame Steuereinrichtung erfolgen.
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Eine
weitere Maßnahme,
die Bewegungsgeschwindigkeiten des Werkzeugs des Roboters zu erhöhen, besteht
darin, durch die Verwendung entsprechend dünnwandiger und leichter Materialien
den Roboter derart auszulegen, dass er zur Handhabung von Nutzlasten
zwischen 1 g und 1000 g geeignet ist.
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Gelenkarmroboters gemäß der Erfindung
anhand der Zeichnung näher
beschrieben.
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Im
Einzelnen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht des zweiten Roboterarms eines Gelenkarmroboters
mit Adapter;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer ersten mit dem Roboterarm aus 1 koppelbaren Arbeitseinheit;
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3 eine
der 2 entsprechende Darstellung einer zweiten Arbeitseinheit;
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4 eine
der 2 entsprechende Darstellung einer dritten Arbeitseinheit;
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5 eine
perspektivische Ansicht eines Gelenkarmroboters mit einem Roboterarm
gemäß 1.
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Der
in 1 dargestellte zweite Roboterarm 10 eines
in 5 näher
dargestellten Gelenkarmroboters 100 weist eine Anlenkstelle 11 zu
einem ebenfalls aus 5 ersichtlichen ersten Roboterarm 112 auf,
die die zweite Schwenkachse S2 des Roboters bildet. Um diese Achse
S2 ist der Roboterarm 10 um den hier nicht gezeigten ersten
Roboterarm 112 verschwenkbar. An seinem vorderen Ende trägt der zweite
Roboterarm 10 einen Adapter 12 für den Anschluss
von Arbeitseinheiten, wie sie in den 2–4 beispielhaft
gezeigt sind. Der Adapter 12 weist eine Platte 13 mit
Bohrungen 14 sowie zwei elektrischen Steckern 15, 16 auf.
Der Adapter 12 dient dem Anschluss einer Arbeitseinheit
für den
Roboter, beispielsweise einer Arbeitseinheit 20, 30 oder 40,
wie sie in den 2–4 gezeigt
sind. Zum Anschluss an die Platte 13 des Adapters 12 weisen
die Arbeitseinheiten 20, 30 und 40 jeweils
ebenfalls platten- bzw. rahmenförmige
Elemente 21, 31 und 41 auf, die mit der
Platte 13 des Adapters 12 zur mechanischen Kopplung
verschraubt werden können.
Jede der Arbeitseinheiten 20, 30 und 40 ist
mit einem Greifer 22, 32 und 42 ausgestattet.
Die Greifer 22, 32 und 42 befinden sich
dabei am unteren Ende einer Z-Achse der Arbeitseinheiten 20, 30 und 40.
Bei der Arbeitseinheit 20 aus 2 kann der
Greifer 22 linear in Richtung der Z-Achse zwischen zwei
Endstellungen auf und ab bewegt werden. Für diese Bewegung ist ein Pneumatikzylinder 23 vorgesehen.
Da bei der Arbeitseinheit 20 also keinerlei Motor zur Bewegung des
Greifers 22 vorgesehen ist, ist auch eine elektrische Kopplung
mit dem zweiten Roboterarm 10 über eine der Steckverbindungen 15, 16 nicht
notwendig. Die Arbeitseinheit 20 ist wegen des Verzichts
auf einen Motor ausgesprochen leicht, wodurch sehr hohe Geschwindigkeiten
des Roboters erzielbar sind.
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Die
Arbeitseinheit 30 aus 3 hingegen
erlaubt neben einer Linearbewegung des Greifers 32 zwischen
zwei Endstellungen mithilfe eines Zylinders 33 zusätzlich eine
Drehung des Greifers 33 bezüglich der Z-Achse über einen Servomotor. Die Arbeitseinheit 30 muss
somit mit mindestens einer der beiden Steckverbindungen 15, 16 mit
der Robotersteuerung verbunden werden. Während sich die Arbeitseinheit 20 aus 2 zum
Anheben und Absetzen von runden Werkstücken, bei denen es nicht auf
die Winkelausrichtung ankommt, erlaubt, ist mit der Arbeitseinheit 30 ein
Aufnehmen und Platzieren von Werkstücken möglich, bei denen es auf eine
exakte Ausrichtung des Werkstücks
am Zielort ankommt. Auch die Arbeitseinheit 30 ist relativ
leichtbauend.
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4 zeigt
nun eine Arbeitseinheit 40, die mit zwei Servomotoren 44 und 45 ausgestattet
ist, die ein Verfahren des Greifers 42 in unterschiedliche
Positionen in Richtung der Z-Achse sowie in unterschiedliche Schwenkpositionen
um die Z-Achse erlauben. Mit dieser Arbeitseinheit lassen sich beliebige
Werkstücke
in einer horizontalen Ebene aufnehmen und in einer anderen horizontalen
Ebene absetzen und dabei beliebig in der Ebene ausrichten. Da bei
der Arbeitseinheit 40 beide Freiheitsgrade des Greifers 42 im
Gegensatz zur Arbeitseinheit 30 servogesteuert sind, muss
die Arbeitseinheit 40 auch mit beiden elektrischen Steckverbindungen 15, 16 des Adapters 12 verbunden
werden. Jede der Steckverbindungen 15, 16 ist
für eine
der Servobewegungen vorgesehen.
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Es
versteht sich, dass auch andere Arbeitseinheiten, als die hier gezeigten,
an den Adapter 12 angeschlossen werden können, beispielsweise
Arbeitseinheiten mit zwei pneumatisch betätigten Freiheitsgraden des
Greifers sowie selbstverständlich natürlich auch
Arbeitseinheiten, die anstelle eines Greifers ein anderes Werkzeug
tragen.
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5 zeigt
nun einen Gelenkarmroboter 100, der mit einem zweiten Roboterarm 10 gemäß 1 ausgestattet
und zusätzlich
hinsichtlich der erzielbaren Geschwindigkeiten optimiert ist.
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Der
Gelenkarmroboter 100 weist ein Basisteil 110,
einen ersten Roboterarm 120 sowie am vorderen Ende des
zweiten Roboterarms 10 eine Arbeitseinheit 145 mit
einem Werkzeug 140 in Form eines Greifers auf.
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Der
erste Roboterarm 120 ist um eine erste vertikale Schwenkachse
S1 drehbar am Basisteil 110 angeordnet. Der zweite Roboterarm 10 wiederum
ist um eine zweite Schwenkachse S2 schwenkbar mit dem ersten Roboterarm 120 verbunden.
Die Schwenkachsen S1 und S2 sind dabei parallel zueinander ausgerichtet.
Das Werkzeug 140 kann je nach Ausgestaltung der Arbeitseinheit 145 beispielsweise bezüglich einer
weiteren vertikalen Achse, also einer Z-Achse, rotiert und begrenzt
linear verschoben werden.
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Zur
Bewegung der beiden Roboterarme 120, 10 um die
erste Schwenkachse S1 ist am Basisteil 110 ein erster Antriebsmotor 150,
der vorzugsweise ein Servomotor ist, angeordnet. Die Bewegung des zweiten
Roboterarms 10 um die zweite Schwenkachse S2 erfolgt über einen
zweiten Antriebsmotor 140, der ebenfalls am Basisteil 110 angeordnet
ist, d. h. nicht vom ersten Antriebsmotor 150 mit den beiden Roboterarmen 120 und 10 mit
bewegt werden muss. Zur Übertragung
des Drehmoments des zweiten Antriebsmotors 140, der ebenfalls
ein Servomotor sein kann, auf den zweiten Roboterarm 10,
sind hier nicht näher
dargestellte Kraftübertragungsmittel
zwischen dem zweiten Antriebsmotor 140 und dem zweiten Roboterarm 10 angeordnet.
Die Kraftübertragungsmittel
können
beispielsweise einen Riementrieb aufweisen, der in das Basisteil 110 und
den ersten Roboterarm 120 integriert ist.
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Im
Vergleich zu den auf dem Markt erhältlichen SCARA-Robotern können die
Roboterarme 120 und 10 des dargestellten Roboters 100 wegen
der Anordnung des zweiten Antriebsmotors 160 am Basisteil 110 schwächer ausgelegt
werden. Dies ermöglicht
höhere
Bewegungs geschwindigkeiten des Werkzeugs 140. Der Roboter 100 eignet
sich somit für
Hochgeschwindigkeitsaufgaben in der Montagevorbereitung, insbesondere
zum Aufnehmen und Platzieren leichter Bauteile.
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Durch
die austauschbare Anordnung der Arbeitseinheit 145 am zweiten
Roboterarm 10 lässt
er sich für
einfache Aufgabenstellungen weiter hinsichtlich der Geschwindigkeit
optimieren. Außerdem
ist eine nachträgliche
Anpassung an andere Aufgaben jederzeit möglich.