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Die Erfindung betrifft einen Manipulator entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 und der in der
DE 198 03 375 C2 geoffenbarten Vorrichtung.
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Der Manipulator der
DE 198 03 375 C2 bezweckt, eine Vorrichtung zum Positionieren eines Werkstückes, somit einen Manipulator, zu schaffen, bei dem das Werkstück um seinen Schwerpunkt gedreht werden kann, ohne dass der Schwerpunkt seine Lage ändert Der Grund für diese Absicht liegt darin, dass bei einer solchen Aufhängung der jeweilige Bearbeiter des Werkstückes dasselbe händisch oder mit sehr schwachen Motoren verdrehen und in die ihm am günstigsten erscheinende Position bringen kann, ohne dabei die Masse bzw. das Gewicht des Werkstückes durch Abstützmittel gegen ein Abstürzen zu sichern, sodann unter Anwendung großer Kräfte bzw. Momente die Lage zu ändern und dann das Werkstück in seiner neuen Lage wieder zu fixieren.
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Die Lösung, die die DE-C2 offenbart besteht darin, dass ein Tragarm auf einem vertikalen Ständer um eine Drehachse drehbar ist, die nicht mit seiner Längsachse zusammenfällt. Der Winkel zwischen der Vertikalen und der Drehachse ist verstellbar, ebenso der Winkel zwischen der Drehachse und der Längsache. Am freien Ende des Tragarms ist ein Arbeitstisch vorgesehen, der um eine bezüglich des Tragarmes feste Tischachse rotieren kann. Die Tischachse und die Drehachse schneiden einander in einem Punkt. Das Werkstück wird so am Arbeitstisch befestigt, dass sein Schwerpunkt (bzw. der Gesamtschwerpunkt) möglichst genau in diesem Schnittpunkt der beiden Achsen zu liegen kommt. Wenn dies erfolgt ist, ist es möglich, das Werkstück um die Drehachse zu verschwenken, ohne dazu merkliche Kräfte zu gebrauchen, die über die Überwindung der Reibung und der Trägheit hinausgehen und es ist auch möglich, das Werkstück zu gleichen Bedingungen um die Tischachse zu verdrehen.
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Nachteilig ist, dass das Werkstück wegen des geometrischen Zusammenhanges zwischen der Drehachse und der Längsachse nicht in sogenannte „Wannenlage”, beispielweise beim Schweißen, gebracht werden kann. Unter Wannenlage versteht man, dass die Schnittlinie der beiden zu verschweißenden Ebenen waagrecht liegt, damit das Schweißbad nicht abläuft. Weiters nachteilig ist, dass durch die Verstellbarkeit der beiden Achsen deren Konstruktion und vor allem die der Lager, somit auch die Gesamtkonstruktion, schwer und dennoch mechanisch nicht stabil wird.
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So gut dieser Manipulator in der Theorie und bei Werkstücken mit geringer Masse funktioniert, so problematisch wird er dort, wo das eigentliche Anwendungsgebiet der Manipulatoren liegt, nämlich bei massereichen und auch voluminösen Werkstücken. Selbst wenn der Tragarm und das Gestell, auf dem der Tragarm ruht, die Kräfte und Momente ohne Beschädigung und mit ausreichender Sicherheit ertragen kann, ist es doch so, dass jede Bearbeitung des Werkstückes die über Lackieren oder Sandstrahlen hinausgeht, zu Schwingungen des Werkstückes führt, die jede Maßhaltigkeit einer Bearbeitung verhindern.
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Es besteht somit ein Bedarf an einem Manipulator, der diese Nachteile nicht aufweist und der doch eine geringe Eigenmasse besitzt.
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Erfindungsgemäß werden diese Ziele durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale erreicht. Mit anderen Worten, es ist auf einer eine Ebene definierende Basis, die gegebenenfalls ihrerseits beweglich ausgebildet sein kann, ein Basislager mit einer schräg zur Basisebene verlaufenden Basisachse vorgesehen, um die ein Basisarm im Bereich eines seiner Enden schwenkbar gelagert ist. Am anderen Ende des Basisarmes ist ein Armlager mit einer Armachse vorgesehen, die die Basisachse in einem Zentralpunkt schneidet, und um die ein Tragarm schwenkbar gelagert ist. Dieser trägt eine Spannplatte für das Werkstück, die bevorzugt entlang einer durch den Zentralpunkt verlaufenden Spannachse am Tragarm verschieblich und bevorzugt auch drehbar und fixierbar ist.
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Die Lager der Arme und der Basis brauchen nicht, wie bei der DE-C, relativ zueinander und relativ zu ihrem Träger, verstellbar ausgebildet zu sein und sind daher in der Lage, ein hervorragendes Verhältnis von Nutzlast zu Totlast zu erreichen. Durch die Verschiebbarkeit der Spannplatte, die mechanisch einfach und stabil ausgebildet werden kann, ohne massig zu werden, ist eine extrem einfache Anpassung an unterschiedlichste Werkstücke gegeben. Wenn eine solche Anpassung nicht notwendig ist, kann auf die Verschiebbarkeit selbstverständlich verzichtet werden.
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Wenn eine Motorisierung gewünscht wird, so bieten die Lager ausreichend Platz und Möglichkeiten zum Einbau beispielsweise von Schrittmotoren und zur Weiterleitung von Kabeln zur Stromversorgung bzw. zum Datentransfer, wenn Lagesensoren etc. vorgesehen werden sollen; auch pneumatische bzw. hydraulische Stellmotoren sind denkbar.
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Wenn diese Vorrichtung mechanisch noch weiter verstärkt ausgebildet sein soll, so ist es am Einfachsten, an der Tragplatte eine zweite derartige Kinematik angreifen zu lassen, wodurch aus der offenen kinematischen Kette eine geschlossene Kette wird, deren Steifigkeit weit überproportional zur Verdoppelung ansteigt, weil in jeder der möglichen Positionen eine der Ketten eine wesentlich günstigere Konfiguration zur Ableitung der Kräfte aufweist als die andere. Das führt in allen Lagen des Werkstückes zu einer untereinander vergleichbaren Stabilität. Darüberhinaus stellt die geschlossene Kette eine Überbestimmung dar, bei der es möglich wird, Verspannungen gezielt zur Erhöhung des mechanischen Widerstandes einzusetzen.
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Es sind somit bei einer derartigen Vorrichtung erfindungsgemäß zwei einander in einem Punkt, dem Zentralpunkt, schneidende Basisachsen vorgesehen. Um diese beiden Basisachsen schwenkbar sind Grundarme vorgesehen, an deren anderen Enden wiederum jeweils eine Armachse vorgesehen ist, die ebenfalls durch den Zentralpunkt läuft. Um jede dieser Armachsen schwenkbar ist ein Tragarm vorgesehen, die beiden Tragarme sind miteinander um eine der Plattenachse entsprechende Endachse verschwenkbar verbunden. Mit einem oder beiden der zweiten Arme ist eine, gegebenenfalls um die Endachse drehbare und/oder ihr entlang bewegbare Tragplatte verbunden, auf der das Werkstück so befestigt wird, dass sich sein Schwerpunkt bzw. der Schwerpunkt der Gesamtvorrichtung, im oder zumindest nahe beim Zentralpunkt befindet.
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Durch diese bevorzugte Ausbildung in Form einer geschlossenen Kette, die von der festen Plattform wieder bis zur festen Plattform reicht, ist es möglich, die Masse des Manipulators extrem klein im Vergleich zur Last zu halten und dabei dennoch eine Vorrichtung zu schaffen, die mechanisch gegen alle Arten von Vibrationen und Schwingungen stabil ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Grundausführung ist vorgesehen, dass die jeweils vom Zentralpunkt aus gemessenen Winkel zwischen der Grundachse und der zugehörigen Armachse nicht größer als 60° ist; dass der Winkel zwischen der Armachse und der Zweitachse nicht größer als 60° ist; und dass der Winkel zwischen den beiden Basisachsen nicht größer als 170° ist. Auf diese Weise entsteht ein Manipulator, der einerseits vielfältigste Möglichkeiten zur Lageänderung des Werkstückes aufweist und bei dem darüberhinaus der Zentralpunkt, um den herum ja die Bearbeitung des Werkstückes stattfindet, im Wesentlichen von allen Seiten gut und frei zugänglich ist.
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Es soll hier, quasi retrospektiv, auf eine andere Art von Vorrichtungen kurz eingegangen werden, nämlich die Mess- und Anreiß-Vorrichtungen, bei denen verschiedentlich die Notwendigkeit besteht, den Messfühler oder die Spitze des Anreißwerkzeuges an ein und demselben Punkt zu halten, die Orientierung dieses Werkzeuges aber zu ändern. Es wird dazu insbesondere auf die
US 5,966,991 verwiesen, bei der eine geschlossene kinematische Kette vorgesehen ist, die aus mehreren, jeweils 90-grädigen Bogenstücken besteht, die ähnlich einer Kardan'schen Aufhängung miteinander gekoppelt sind. Dabei ist deutlich zu sehen, dass das so aufgehängte Werkzeug, es wird von Kameras, Spiegeln, Laser, Antennen u. dgl gesprochen, stets im geometrischen Zentrum der Vorrichtung verbleibt, sodass sich diese Vorrichtung als Manipulator, der ja das Werkstück möglichst frei und gut zugänglich präsentieren soll, keinesfalls eignet. Dazu kommt noch, dass, auch bei sehr starker Ausbildung der bogenförmigen Verbindungsarme, wie es die
2 dieser DruckSchrift zeigt, die Vibrations- bzw. Schwingungsdämpfung wegen der Anordnung der Achsen in einem orthogonalisierten System äußerst schwach und ungenügend ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen
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die 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Manipulators,
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die 2 bis 5 eine durchkonstruierte Ausführungsform in verschiedenen Ansichten und
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die 6 bis 9 eine Variante in verschiedenen Ansichten und Stellungen.
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Die 1 zeigt, rein schematisch, eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Ein Manipulator 1 weist eine Basis 2 auf, die ein Drehlager 2' mit einer Basisachse 3 besitzt. Um die Basisachse 3 drehbar ist ein Basisarm 4 vorgesehen, der an seinem anderen Ende wiederum ein Schwenklager, das Armlager, mit einer Armachse 5 trägt. Um diese Armachse 5 schwenkbar ist ein Zweitarm 6 vorgesehen, an dessen der Armachse 5 abgewandten Ende eine Spannplatte 7 zum Aufspannen des Werkstückes angeordnet ist. Die Spannplatte 7 ist bezüglich des Zweitarmes 6 entlang einer Spannachse 8, wie durch den Doppelpfeil 9 angedeutet, verschieblich und bevorzugt auch verdrehbar und fixierbar gelagert. Auf der Tragplatte 7 ist passend ein Werkstück 9' befestigt. Unrealistisch, aber wegen der besseren Darstellung, ist dessen im Zentralpunkt 10 liegender Schwerpunkt S als am Rand des Werkstückes 9' liegend angenommen.
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Die Basisachse 3, die Armachse 5 und die Spannachse 8 schneiden einander im genannten Zentralpunkt 10, der im dargestellten Ausführungsbeispiel oberhalb etwa des Zentrums der Basis 2, somit abseits des Basislagers, liegt. Beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des Manipulators 1 wird das Werkstück 9 so auf der Spannplatte 7 positioniert und diese so entlang der Spannachse 9 verschoben, dass der Zentralpunkt 10 mit dem Schwerpunkt S zusammenfällt; damit befindet sich das Werkstück im Gleichgewicht. Da die Spannachse 8 so ausgebildet ist, dass sie durch den Zentralpunkt 10 geht, ist es leicht möglich, die Spannplatte 7, wie bereits erwähnt, drehbar auszubilden und so eine weitere Bewegungsmöglichkeit für das Werkstück 9' zu schaffen.
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Es ist von Fall zu Fall zu überlegen, mit welcher Genauigkeit das Zusammenfallen des Zentralpunktes und des Schwerpunktes des Werkstückes eingehalten werden soll. Dabei ist auch darauf Rücksicht zu nehmen, dass beim Verdrehen des Werkstückes um ein andere Achse als die Spannachse 8 die Konfiguration der Arme geändert wird, wodurch sich die Lage von deren Schwerpunkten ändern, eine Lageänderung, die vom Benutzer bzw. den Stellmotoren Kraftaufwand und gegebenenfalls Fixierung in der gewünschten Lage verlangt. Gegebenenfalls kann dann eine zumindest angenäherte Übereinstimmung zwischen Gesamtschwerpunkt (Werkstück + Arme) mit dem Zentralpunkt angestrebt werden; im Einzelfall ist dies leicht festzustellen und zu korrigieren.
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Auch wenn die vorzunehmende Bearbeitung am Werkstück merkliche Bearbeitungskräfte auf dieses ausübt (Schleifen, Polieren, Schruppen, etc.) so ist es vorteilhaft und bei der erfindungsgemäßen Konstruktion auch leicht möglich, in der gewünschten Position die Lage der Arme zueinander bzw. zur Basis zu fixieren, es können alle dafür bekannten, meist reibschlüssigen Maschinenelemente verwendet werden. Da die Schwenklager gut zugänglich sind, kann das Lösen und Fixieren der Lager ohne merklichen Aufwand vom Bediener vorgenommen werden.
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Aus der punktiert eingezeichneten Schwerelinie 11 des Werkstückes 9', die ja bei den meisten Anwendungsfällen auch die geometrische Mitte des Arbeitsbereiches angibt, ist aus 1 gut zu erkennen welche hervorragende Zugänglichkeit um das Werkstück die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verfügung stellt. Eine wesentliche Ursache für diesen Vorteil stellt das aus der Mitte der Vorrichtung 1 verschobene Lager für die Basisachse 3 dar, Was in Verbindung mit einem großen Winkel zwischen der Basisachse 3 und der (nicht eingezeichneten) Längserstreckung bzw. Längsachse des Basisarmes 4, hohe Beweglichkeit des Werkstückes bei gleichzeitiger guter Zugänglichkeit sichert.
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In 1 ist die Basis 2 zur Erhöhung der Stabilität im Bereich des Lagers der Basisachse 3, mit einem zur Seite des Basisarmes 4 hingerichteten Abstückwinkel 12 versehen, aus dem gleichen Grund ist auch die im Wesentlichen kreuzförmig ausgebildete Basis 2 mit ungleich langen Armen ausgerüstet. Die tatsächliche Ausbildung und Fixierung am Fundament wird dadurch nicht eingeschränkt.
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Die 2 bis 5 zeigen eine konstruktiv durchgebildete Ausführung, bei der gleiche, bzw. gleich wirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen wurden.
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Die 6 bis 9 zeigen eine Variante mit doppelter Armausbildung, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel die beiden Basisachsen eine auf die Basis 2 lotrechte Ebene definieren. Zu Zwecken der Unterscheidung sind bei der Beschreibung der 2–6 die gleichen Bezugszeichen wie bei der 1 füreinander entsprechende Bauteile verwendet, es ist nur bei den Bezugszeichen eines der beiden Armsysteme ein: „'” hinzugefügt.
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Aus der Zusammenschau, insbesondere der 6, 7 und 9, ist die hohe Beweglichkeit des Werkstückes 9', dargestellt ist symbolisch eine Kugel, gut zu entnehmen, insbesondere auch, dass es problemlos möglich ist, für so gut wie alle vorgegebenen Flächen oder Verbindungslinien die Wannenlage beim Schweißen herzustellen. Betreffend die Zugänglichkeit des Werkstückes 9' ist wegen der diametralen Gegenüberstellung der beiden die Basisachsen 3, 3' tragenden Vorsprünge 13, 13' die Situation auf den ersten Blick nicht so günstig wie die in 1 dargestellte, doch kann dies praktisch vollständig dadurch erreicht werden, dass diese beiden Fortsätze bzw. Vorsprünge 13, 13' bezüglich der Mitte der Basis 2 so angeordnet werden, dass die normal zur Basis 2 stehenden und durch die Basisachsen 3, 3' laufenden Ebenen einen Winkel von unter 120°, bevorzugt von unter 90°, besonders bevorzugt von 30° bis 70° und insbesondere von 50° bis 60° an Stelle des dargestellten Winkels von 180° einschließen.
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Es ist dann zwar nicht mehr möglich, beide Grenzlagen, nämlich die der 6 und die dazu symmetrische zu erreichen, nur mehr eine davon kann zuverlässig angefahren werden, doch stellt dies keinen Nachteil dar, wenn das Werkstück 9' um die Spannachse 8 verdreht werden kann, da dann durch die Symmetrie auch die jeweils unzugängliche Konfiguration erreichbar ist.
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Es soll nur als explizite Ausführung noch darauf hingewiesen werden, dass bei dieser Ausbildung der Vorrichtung beide Basisachsen, beide Armachsen und die Spannachse durch den Zentralpunkt verlaufen. Es ist klar, dass dies nicht im mathematischen Sinn aufzufassen ist, schon wegen der unumgänglichen elastischen Deformationen im Lastfall, und selbst schon bei Änderung der Konfiguration, aber die Genauigkeit ist im technischen Sinn einzuhalten, da es sonst zu Verspannungen und zu Lagefehlern kommt, die die Vorteile der Vorrichtung zumindest teilweise zunichte machen.
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Die Erfindung kann verschiedentlich abgewandelt und ausgestaltet werden. So ist es möglich, einen erfindungsgemäßen Manipulator mit Antriebsmotoren für die Arme und auch fahrbar auszubilden und gemeinsam mit einer oder mehreren stationären Bearbeitungsmaschinen vollautomatisch oder teilweise automatisch zur Bearbeitung eines Werkstückes zu kombinieren. Bei einer Motorisierung eines Manipulators mit geschlossener kinematischer Kette, wie ihn die 6 bis 9 zeigen, können die zumindest zwei Motoren passend an den Lagern angeordnet sein, wobei es zur Vermeidung von Bewegungsproblemen in Verzweigungslagen bzw. in kinematisch ungünstigen Winkelstellungen vorteilhaft ist, zumindest einen weiteren Motor vorzusehen, der entweder nur beim Erreichen bzw. Durchfahren der genannten Problembereiche aktiviert wird oder aber die Bewegung laufend unterstützt. Im Falle einer Automatisierung der Vorrichtung sind passend Sensoren zur Erfassung der Ist-Position vorzusehen, in Kenntnis der Erfindung ist es für Fachleute auf dem Gebiete der Mechatronik ein Leichtes, diese auszuwählen und anzuordnen; bei händischer Steuerung der Stellmotoren kann darauf zumeist verzichtet werden.
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Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass eine einfach durchzuführende weitreichende Erweiterung der Anwendbarkeit dadurch erzielt werden kann, dass die Basis beweglich ausgebildet wird, sei es um eine Normalachse oder auch eine schräg verlaufende Achse, sei es verfahrbar längs einer Bahn, oder auch heb- und senkbar.
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Es kann auch statt der stets genannten Spannplatte ein Greifer oder ein anderer Werkstückträger vorgesehen sein; es ist auch möglich, die Vorrichtung bei Spielen zum Bewegen eines Spielers um seinen Schwerpunkt zu verwenden, genannt werden sollen nur Flugsimulatoren, Fahrsimulatoren und ähnliches. Dabei ist nur eine entsprechende Plattform mit einem Stand oder Sitz für den Spieler an Stelle der Spannplatte und des Werkstückes zu befestigen.
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Eine weitere Ausgestaltung, durch die die Anwendungsmöglichkeiten einer damit versehenen Vorrichtung erweitert werden, liegt darin, die Orientierung der Basisachse(n) bezüglich der Basis veränderlich auszugestalten; im Falle der geschlossenen Kette hat die Änderung für beide Basisachsen auf abgestimmte Weise zu erfolgen. Gleicherweise ist auch ein einstellbarer Winkel zwischen Basisachse und Armachse einzusetzen.
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Da alle Einzelteile des Manipulators sowohl vom Material her als auch von den einzelnen Bauteilen her den üblichen Materialien und Bauteilen entsprechen, ist es nicht notewendig, hier näher darauf einzugehen.
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In den Ansprüchen ist der erfindungsgemäße Manipulator von seiner Basis ausgehend definiert worden, was bei üblichen Verwendungsumständen eine horizontale Fläche bedeutet, doch es soll speziell darauf hingewiesen werden, dass dies keine Beschränkung darstellt, so sind auch Montagen an vertikalen und auch schrägen Winden denkbar, insbesondere wenn die Basis entlang einer Bahn verfahrbar ist, z. B. weil der Manipulator zum Umsetzen eines Werkstückes zwischen Bearbeitungsstationen verwendet wird. Es kann somit, leicht verallgemeinert, festgehalten werden, dass ein erfindungsgemäßer Manipulator zumindest drei einander in einem Punkt schneidende Achsen aufweist, zwischen denen nach Art einer offenen kinematischen Kette zumindest zwei Arme vorgesehen sind, wobei an einem Ende der Kette das Werkstück (im allgemeinsen Sinn) befestigt ist, und das andere Ende der Kette an einer Basis (im allgemeinsten Sinn) verschwenkbar gelagert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19803375 C2 [0001, 0002]
- US 5966991 [0014]
