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Die Erfindung betrifft einen Industrieroboter mit Gewichtsausgleichseinrichtung.
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Industrieroboter sind Arbeitsmaschinen, die zur automatischen Handhabung und/oder Bearbeitung von Objekten mit Werkzeugen ausgerüstet werden können und in mehreren Bewegungsachsen beispielsweise hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeitsablauf programmierbar sind. Industrieroboter weisen üblicherweise einen Roboterarm mit mehreren Achsen und programmierbare Steuerungen (Steuervorrichtungen) auf, die während des Betriebs die Bewegungsabläufe des Industrieroboters steuern bzw. regeln.
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Roboterarme umfassen im Wesentlichen mehrere, nacheinander folgende, mittels Gelenken verbundene Glieder bzw. Segmente auf, die mittels Antrieben, insbesondere elektrischen Antrieben bewegbar sind. Ein Segment ist ein starres Bauteil des Industrieroboters, das entweder statisch mit der Tragstruktur verbunden ist, auf welcher der Industrieroboter montiert ist, und an dem sich die Lagerung von mindestens einer Drehachse befindet, oder ein starres Bauteil, das über eine untergeordnete Drehachse bewegt wird und an dem sich die Lagerung von mindestens einer Achse befinden kann. Der Bewegungsraum des Industrieroboters ergibt sich aus den Längen der einzelnen Segmente und dem Bereich, in dem sich die Segmente zueinander in den Gelenken bewegen können.
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Zur Gewichtskompensation eines Roboterarms und von diesem gehaltener Lasten gibt es Gewichtsausgleichsysteme, welche dem durch die Gewichtskraft auf die Antriebsachse des Roboterarms induzierten Drehmoment entgegenwirken. Hierbei werden Ausgleichsgewichte, mechanische Federelemente bzw. hydraulische oder pneumatische Zylinder-Kolben-Anordnungen eingesetzt, die direkt oder indirekt über ein Gestänge am Arm des Roboters exzentrisch zur Achse versetzt angreifen und so auf die Schwenkachse des Arms einwirken.
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Bei Gewichtsausgleichsystemen mit mechanischen Federelementen werden überwiegend Druckfedern eingesetzt, welche über ein Gestänge ein Gegenmoment um die zugeordnete Schwenkachse erzeugen. In Abhängigkeit von der Federgeometrie erzeugt eine Druckfeder eine Querkraft und ein Torsionsmoment, was zu einer seitlichen Instabilität führen kann. Seitliche Führungen im Gewichtsausgleichsystem verhindern ein Ausknicken der Feder. Diese Gleitführungen werden derzeit auf unterschiedliche Weise realisiert.
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Zum Beispiel beschreibt die
DE 100 07 251 A1 eine Vorrichtung zum Gewichtsausgleich eines Roboterarms, wobei ein Teller bzw. Kolben hinter einer Druckfeder angeordnet und in einem Rohr, welches die Feder umgibt, geführt ist. Zur Gewährleistung eines störungsfreien Betriebs ist jedoch ein hoher Aufwand bei der Fertigung des Rohres und bei der Montage der Baugruppe erforderlich.
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Ein weiteres Beispiel gibt die
WO 2001/041978 A1 mit einem Industrieroboter, der ein Ausgleichsystem aufweist, an. Dort wird unmittelbar die Kolbenstange geführt. Ein entsprechend ausgelegtes Führungselement in Form eines Gleitlagers weist einen relativ großen Durchmesser auf. Dies führt dazu, dass Kolbenstange und Dichtung dem Führungselement anzupassen sind und dadurch teuer werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Industriebroboter mit einer verbesserten Gewichtsausgleicheinrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Industrieroboter, aufweisend einen Roboterarm mit mehreren Achsen und mit einer Gewichtsausgleicheinrichtung für wenigstens eine der Achsen, wobei die Gewichtsausgleicheinrichtung wenigstens ein Kraftspeicherelement umfasst, welches mit einem Kolben, der über eine Kolbenstange mit dem Roboterarm gekoppelt ist, in Wirkungsverbindung steht, und wobei der Kolben an wenigstens zwei Führungsstangen verschiebbar geführt ist.
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Die Funktion der Kolbenstangenführung bzw. des Kolbens wird auf mehrere d. h. zumindest zwei fixierte Führungsstangen aufgeteilt.
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Dadurch ergibt es sich, dass die Kraft, welche auf ein einzelnes Führungslagerelement wirkt, vermindert wird. Somit können die einzelnen Führungslagerelemente verkleinert bzw. kostengünstig hergestellt werden.
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Ein Gehäuse zur Abdeckung und/oder Aufnahme der Federelemente und zum Schutz der Führungen kann dadurch relativ günstig und in nahezu beliebiger Form hergestellt werden. Es ist außerdem leicht vor Staub und Nässe zu schützen, da nur die Kolbenstange herausgeführt ist, die zum Beispiel mit einem einfachen Faltenbalg zum Gehäuse abgedichtet werden kann.
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Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass der Kolben wenigstens zwei zu den Führungsstangen korrespondierende Führungslagerkörper aufweist, welche auf den Führungsstangen verschiebbar geführt sind. Diese Führungslagerkörper können mit dem Kolben einstückig ausgebildet sein. Sie lassen sich aber auch separat herstellen und mit dem Kolben dann lösbar verbinden. Dies kann beispielsweise zur Erleichterung eines Austausches bei Reparatur oder Wartung sinnvoll sein. Alternativ kann eine unlösbare Verbindung, z. B. durch Schweißen vorgesehen sein.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Führungslagerkörper jeweils wenigstens ein Führungslagerelement aufweisen. Ein derartiges Führungslagerelement kann ein Standardbauteil sein, wie z. B. eine Gleitlagerbuchse oder ein Wälzlager. Auch Linearlagerelemente sind einsetzbar, insbesondere, wenn ein Querschnitt der Führungsstangen von einer Kreisform abweicht.
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Die wenigstens zwei Führungslagerkörper können jeweils wenigstens zwei Führungslagerelemente aufweisen, die in einem vorbestimmten Abstand in einer Verschieberichtung hintereinander angeordnet sind. Dadurch kann sich eine größere Stabilität ergeben. Die Verschieberichtung kann dabei der Längserstreckung der Kolbenstangen entsprechen.
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Das wenigstens eine Führungslagerelement oder die wenigstens zwei Führungslagerelemente können als Gleitlager, Wälzkörper und/oder Linearlager ausgebildet sein.
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Die wenigstens zwei Führungslagerkörper können mit dem Kolben einstückig ausgebildet sein.
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Alternativ können die wenigstens zwei Führungslagerkörper als separate Bauteile mit dem Kolben lösbar oder unlösbar verbunden sein.
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Die Gewichtsausgleichseinrichtung kann ein Gehäuse zur Aufnahme des wenigstens einen Kraftspeicherelements, des Kolbens und der wenigstens zwei Führungsstangen aufweisen. Die Führungsstangen sind dabei innerhalb des Gehäuses angeordnet.
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Das Gehäuse kann so ausgebildet sein, dass es mit den Führungsstangen verbunden ist. Zum Beispiel kann das Gehäuse zylindrisch und mit Deckeln verschlossen sein. Dabei können die Deckel gleichzeitig Befestigungspunkte für die Führungsstangen bilden.
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Die Führungsstangen können innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, wobei sie vor Verschmutzung und Nässe geschützt sind. Sie lassen sich zwischen den Kraftspeicherelementen in einfacher Weise anordnen, so dass eine kompakte Gewichtsausgleicheinrichtung mit relativ geringem Platzbedarf geschaffen ist.
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Bei einem Industrieroboter kann dessen Roboterarm ein Karussell und eine Schwinge aufweisen, wobei die der Gewichtsausgleichseinrichtung zugeordnete Achse der Schwinge zugeordnet ist. Ein Industrieroboter kann natürlich auch mehr als eine Gewichtsausgleicheinrichtung besitzen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist exemplarisch in den beigefügten schematischen Figuren dargestellt.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Industrieroboters mit einer erfindungsgemäßen Gewichtsausgleicheinrichtung,
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2 eine Draufsicht auf die Gewichtsausgleicheinrichtung nach 1 und
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3 einen Längsschnitt durch die Gewichtsausgleicheinrichtung nach 2.
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Die 1 stellt einen Industrieroboter 1 mit einem Roboterarm 2 in einer Seitenansicht dar.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Roboterarm 2 mehrere nacheinander angeordnete und mittels Gelenken 13, 14 und 15 verbundene Glieder bzw. Segmente. Bei den Gliedern handelt es sich insbesondere um ein ortsfestes oder bewegliches Gestell 3 und ein relativ zum Gestell 3 um eine Vertikalachse A1, die auch als Achse 1 bezeichnet wird, drehbar gelagertes Karussell 4. Weitere Glieder des Roboterarms sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ferner eine Schwinge 5, ein Ausleger 6 und eine vorzugsweise mehrachsige Roboterhand 7 mit einem Flansch 8. Die Schwinge 5 ist am unteren Ende z. B. an einem nicht näher dargestellten Schwingenlagerkopf mit einem Schwingengelenk 13 auf dem Karussell 3 um eine Schwingenachse A2, die auch als Achse 2 bezeichnet wird, schwenkbar gelagert. Am oberen Ende der Schwinge 5 ist wiederum um eine ebenfalls vorzugsweise horizontale Achse, Auslegerachse A3 der Ausleger 6 schwenkbar gelagert. Dieser trägt endseitig die Roboterhand 7 mit ihren vorzugsweise drei Achsen A4, A5, A6. Der Ausleger 6 ist mit seinem hinteren Ende an dem oberen Ende der Schwinge 5 mit einem Auslegergelenk 14 verbunden. Das vordere Ende des Auslegers 6 trägt ein Roboterhandgelenk 15, an welchem die Roboterhand 7 angebracht ist.
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Um den Industrieroboter 1 bzw. dessen Roboterarm 2 zu bewegen, umfasst dieser in allgemein bekannter Weise mit einer Steuervorrichtung verbundene Antriebe, die insbesondere elektrische Antriebe sind. In der 1 sind nur einige der elektrischen Motoren dieser Antriebe 9 gezeigt.
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Der Roboterarm 2 ist außerdem an dem unteren Ende der Schwinge 5 über ein Koppelgelenk 12 und ein Koppelelement 17 mit einer Gewichtsausgleicheinrichtung 10 verbunden. Die Gewichtsausgleicheinrichtung 10 ist an einer Halterung 16, die mit dem Karussell 4 fest verbunden ist, über ein Haltegelenk 11 hier um eine horizontale Achse verschwenkbar angebracht. Durch diese Gewichtsausgleicheinrichtung 10 wird einem durch die Gewichtskraft auf der Antriebsachse des Roboterarms 2, hier beispielsweise die Schwingenachse A2, induzierten Drehmoment entgegengewirkt.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Gewichtsausgleicheinrichtung 10 nach 1. Die Gewichtsausgleicheinrichtung 10 weist ein Gehäuse 20 auf, das in diesem Ausführungsbeispiel zylindrisch ist und an einem Ende, in 2 als unteres Ende gezeigt, mit einer Frontplatte 21 und an seinem anderen Ende mit einer Rückenplatte verschlossen ist. Durch die Frontplatte 21 erstreckt sich ein Ende einer Kolbenstange 18, wie in 3 gezeigt, am welchem das Koppelelement 17 für das Koppelgelenk 12 befestigt ist. Im hinteren Drittel des Gehäuses 20 ist eine Aufhängung des Gehäuses 20 in Gestalt zweier Halteachsen 19 angeordnet, wobei die Halteachsen 19 in nicht näher gezeigter Weise am Gehäuse 20 angebracht sind. Die Halteachsen 19 sind für das Haltegelenk 11 vorgesehen.
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Die Gewichtsausgleicheinrichtung 10 ist in 3 in einem Längsschnitt dargestellt. Die Frontplatte 21 und die Rückenplatte 22 verschließen das Gehäuse 20 an beiden Enden und sind mit diesem in nicht näher gezeigter Weise verbunden.
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Das Koppelelement 17 ist hier als Ringmutter ausgebildet und mit dem nach außen durch die Frontplatte 21 ragenden vorderen Ende der Kolbenstange 18 verschraubt. Zwischen dem unteren Ende des Koppelelementes 17 und der Frontplatte 21 ist ein Faltenbalg 28 zur Abdichtung des Inneren des Gehäuses 20 gegen Nässe und Schmutz angeordnet.
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Die Kolbenstange 18 erstreckt sich in der Mittelachse der Gewichtsausgleicheinrichtung 10 durch das Innere des Gehäuses 20 und ist an ihrem hinteren Ende mit einem Kolben 24 verbunden. Dazu ist hier das Ende der Kolbenstange 18 mit einem Absatz und einem zentralen Innengewinde versehen, wobei der Kolben 24 auf dem Absatz zentriert aufgenommen und durch eine Halteschraube und Druckscheibe befestigt ist. Andere Ausführungen sind selbstverständlich möglich. Zwischen dem Kolben 24 und der Innenseite der Frontplatte 21 sind Kraftspeicherelemente 27, 27' hier in Ausbildung als Druckfedern koaxial zur Längsachse der Gewichtsausgleicheinrichtung 10 angeordnet. Hierbei ist das innere Kraftspeicherelement 27 um die Kolbenstange 18 herum mit einem kleineren Federdrahtquerschnitt als das äußere Kraftspeicherelement 27' ausgebildet. Das äußere Kraftspeicherelement 27' ist hier nahe der Innenwand des Gehäuses 20 angeordnet.
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Der Kolben 24 weist außerdem radial angeordnete Führungslagerkörper 25 auf, welche sich parallel zur Mittelachse der Gewichtsausgleicheinrichtung 10 in einer vorbestimmten Länge, z. B. ca. ein Viertel der Länge des Gehäuses 20, erstrecken. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei gegenüberliegende Führungslagerkörper 25 gezeigt. Diese Anzahl kann jedoch auch größer sein. Mittels der Führungslagerkörper 25 ist der Kolben 24 und somit die mit ihm verbundene Kolbenstange 18 jeweils auf einer Führungsstange 23 in Längsrichtung der Gewichtsausgleicheinrichtung 10 verschiebbar geführt. Dazu sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils zwei Führungslagerelemente 26 in jedem Führungslagerkörper 25 vorgesehen. Diese zwei Führungslagerelemente 26 sind in Längsrichtung in einem vorbestimmten Abstand hintereinander angeordnet. Die Führungslagerelemente 26 können als Gleitlager mit einem entsprechenden Gleitlagerwerkstoff passend zu dem der Führungsstangen 23 ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass sie als Wälzkörperlager ausgeführt sind. Selbstverständlich können die Führungslagerelemente 26 auch Linearlagerelemente sein. Die Führungsstangen 23 sind bevorzugt mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet, aber nicht darauf beschränkt. Die Führungslagerkörper 25 und deren Führungslagerelemente 26 korrespondieren zum Querschnitt der Führungsstangen 23.
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Die Führungsstangen 23 sind in diesem Ausführungsbeispiel zwischen den Kraftspeicherelementen 27 und 27' auf einem gedachten Teilkreis mit einem Winkel von 180° angeordnet. Bei drei Führungsstangen 23 beträgt dieser Winkel 120° usw. Die Führungsstangen 23 können auch außerhalb der Kraftspeicherelemente 27, 27' platziert sein.
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Wie bereits angegeben, sind die Kraftspeicherelemente 27 und 27' auf dem Kolben 24 fixiert, so dass sich Querkräfte der Feder auf den Kolben 24 übertragen. Beim Zusammendrücken der Kraftspeicherelemente 27, 27' durch eine von dem angekoppelten Roboterarm 2 über das Koppelgelenk 12, wie in 1 gezeigt, auf die Kolbenstange 18 übertragene Kraft wird der Kolben 24 auf den Führungsstangen 23 über die Führungslagerkörper 25 und Führungslagerelemente 26 geführt, wodurch ein Knicken bzw. Ausknicken der Kraftspeicherelemente 27, 27', insbesondere wenn sie wie gezeigt als Federn ausgeführt sind, verhindert wird.
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Die Führungsstangen 23 sind jeweils in der Frontplatte 21 und der Rückenplatte 22 befestigt. In diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sie sich durch Bohrungen in diesen Platten 21, 22 und sind von außen durch geeignete Befestigungsmittel, z. B. Muttern, fixiert.
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Es ist aber auch möglich, dass die Führungsstangen 23 einen Querschnitt unterschiedlich zu einem Kreisquerschnitt aufweisen, wobei die Führungslagerelemente 26 dann flache Lagerelemente, wie z. B. Linearlager, sein können.
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Die Führungslagerkörper 25 können mit dem Kolben 24 einstückig ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass sie als separate Teile mit ihm lösbar oder unlösbar verbindbar sind.
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Die Anzahl der Kraftspeicherelemente 27 und 27' ist nicht auf die Anzahl in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Es ist auch möglich, dass der Kolben 24 in der Mitte des Gehäuses 20 zwischen zwei Kraftspeicherelementen 27 angeordnet ist, wobei sich ein Kraftspeicherelement 27 zwischen ihm und der Frontplatte 21 befindet und ein zweites zwischen der Unterseite des Kolbens 24 und der Rückplatte 22.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10007251 A1 [0006]
- WO 2001/041978 A1 [0007]
