DE102010047308A1

DE102010047308A1 - Manipulationsvorrichtung

Info

Publication number: DE102010047308A1
Application number: DE201010047308
Authority: DE
Inventors: Uwe Weiss; Joseph Aleida Mathieu Maria Pinxt
Original assignee: Weis GmbH Sondermaschinentechnik; Weiss GmbH Sondermaschinentechnik
Current assignee: Weis GmbH Sondermaschinentechnik; Weiss GmbH Sondermaschinentechnik
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2012-04-05
Also published as: EP2539115A1; US9108317B2; CN103140331B; EP2539115B1; CA2791821A1; CA2791821C; US20130136571A1; CN103140331A; WO2012041520A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Manipulationsvorrichtung zur Handhabung und/oder Bearbeitung eines Werkstücks, umfassend eine erste Bewegungseinheit zur Erzeugung einer linearen Bewegung eines ersten Bauteils und eine zweite Bewegungseinheit zur Erzeugung einer linearen Bewegung eines zweiten Bauteils. Die Bewegungseinheiten sind derart relativ zueinander angeordnet, dass die von den Bewegungseinheiten erzeugbaren Bewegungen parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei das erste Bauteil über eine erste gelenkige Verbindung und das zweite Bauteil über eine zweite gelenkige Verbindung mit einem Befestigungselement verbunden sind, das zur Aufnahme des Werkstücks und/oder eines Werkzeugs geeignet ist. Die erste gelenkige Verbindung umfasst einen ersten Führungsarm, der mittels eines Drehgelenks mit dem ersten Bauteil gekoppelt ist, und die zweite gelenkige Verbindung umfasst einen zweiten Führungsarm, der mittels eines Drehgelenks mit dem zweiten Bauteil gekoppelt ist. Der erste Führungsarm und der zweite Führungsarm sind durch ein Drehgelenk relativ zueinander verschwenkbar miteinander gekoppelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Manipulationsvorrichtung zur Handhabung und/oder Bearbeitung eines Werkstücks.
Manipulationsvorrichtungen sind programmierbare Maschinen zur Handhabung, Montage und/oder Bearbeitung von Werkstücken. Sie gelangen in der Regel im industriellen Umfeld zum Einsatz. Durch eine geeignete Programmierung sind derartige Einrichtungen in der Lage, bestimmte Arbeitsabläufe zuverlässig autonom durchzuführen. An Manipulationsvorrichtungen werden hohe Anforderungen in Bezug auf die Zuverlässigkeit und die exakte Reproduzierbarkeit der programmierten Arbeitsabläufe gestellt. Zudem sollen derartige Vorrichtungen kompakt und robust sein. Der wirtschaftliche Erfolg solcher auch als Industrieroboter bezeichneter Vorrichtungen hängt zudem wesentlich davon ab, dass die Arbeitsabläufe schnell durchgeführt werden können, d. h. die von der Manipulationsvorrichtung erzeugten Bewegungen sollen eine hohe Dynamik aufweisen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Manipulationsvorrichtung der vorstehend genannten Art zu schaffen, die die beschriebenen Anforderungen erfüllt und die gleichzeitig auch kostengünstig in der Herstellung und der Wartung ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Manipulationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst die Manipulationsvorrichtung zur Handhabung und/oder Bearbeitung eines Werkstücks eine erste Bewegungseinheit zur Erzeugung einer linearen Bewegung eines ersten Bauteils und eine zweite Bewegungseinheit zur Erzeugung einer linearen Bewegung eines zweiten Bauteils. Die Bewegungseinheiten sind derart relativ zueinander angeordnet, dass die von den Bewegungseinheiten erzeugbaren Bewegungen parallel zueinander ausgerichtet sind. Das erste und das zweite Bauteil sind jeweils über eine erste bzw. zweite gelenkige Verbindung mit einem Befestigungselement verbunden, das zur Aufnahme des Werkstücks und/oder eines Werkzeugs geeignet ist. Die erste gelenkige Verbindung umfasst einen ersten Führungsarm, der mittels eines Drehgelenks mit dem ersten Bauteil gekoppelt ist, und die zweite gelenkige Verbindung umfasst einen zweiten Führungsarm, der mittels eines Drehgelenks mit dem zweiten Bauteil gekoppelt ist. Der erste Führungsarm und der zweite Führungsarm sind durch ein Drehgelenk relativ zueinander verschwenkbar miteinander gekoppelt.
Mit anderen Worten weist die Manipulationsvorrichtung zwei jeweils entlang einer Geraden verfahrbare Bauteile auf, um Bewegungen des Befestigungselements zu erzeugen. Um dabei nicht nur Translationsbewegungen zu erzeugen, sondern auch Schwenkbewegungen zu ermöglichen, ist das Befestigungselement über entsprechende gelenkige Verbindungen mit dem ersten und dem zweiten Bauteil verbunden. Durch eine individuelle Ansteuerung der Bewegungseinheiten, die parallel versetzt zueinander angeordnete Bewegungen des jeweiligen Bauteils erzeugen, kann aufgrund der durch die gelenkigen Verbindungen bereitgestellten Kopplung des Befestigungselements mit den beiden Bauteilen eine Positionsänderung des Befestigungselements bewirkt werden. Beispielsweise führt eine gleichsinnige und synchrone Aktivierung der beiden Bewegungseinheiten zu einer reinen Translationsbewegung des Befestigungselements. Werden die Bewegungseinheiten dahingegen so aktiviert, dass gegensinnige und/oder im Bewegungsbetrag unterschiedliche Bewegungen und/oder unterschiedlich schnelle Bewegungen der entsprechenden Bauteile erzeugt werden, kann die resultierende Bewegung des Befestigungselements eine Schwenkkomponente aufweisen. Die vorstehend beschriebene Manipulationsvorrichtung ist somit in der Lage, mit Hilfe von zwei parallel bewegbaren Bauteilen zweidimensionale Bewegungen des Befestigungselements zu erzeugen. Das heißt, das Befestigungselement, das beispielsweise mit einem Greifer zur Aufnahme eines Werkstücks oder einem Werkzeug zur Bearbeitung eines Werkstücks versehen ist, kann in einer Ebene bewegt werden, ohne dass zwei senkrecht zueinander angeordnete lineare Bewegungsachsen oder Schwenkantriebe erforderlich sind.
Durch die parallele Anordnung der Bewegungsrichtungen der beiden Bauteile wird eine robuste Konstruktion geschaffen, die die Manipulation von – in Bezug auf die Auslegung der Bewegungseinheiten gesehen – vergleichsweise großer Massen ermöglicht. Aufgrund der parallelen Ausrichtung der Bauteile unterstützen sich diese gegenseitig bei der Aufnahme der zu bewegenden Massen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Manipulationsvorrichtung, die für eine bestimmte Maximallast ausgelegt ist, weniger massiv ausgeführt sein muss als ein herkömmlicher Industrieroboter. Insbesondere die linear verfahrbaren Bauteile der Bewegungseinheit können daher leichter konstruiert sein als entsprechende Komponenten bekannter Vorrichtungen, was sich positiv auf die Bewegungsdynamik auswirkt. Zudem kann die Manipulationsvorrichtung insgesamt ”schlanker” und kompakter gestaltet werden.
Bevorzugt werden gleichartige Bewegungseinheiten verwendet, die einen symmetrischen Aufbau der Manipulationsvorrichtung ermöglichen. Durch die Verwendung gleicher Bewegungseinheiten entstehen ferner Kostenvorteile bei der Herstellung und der Wartung der Manipulationsvorrichtung.
Eine Ausgestaltung der gelenkigen Verbindungen mit Führungsarmen ist konstruktiv einfach und ermöglicht eine zuverlässige Führung des Befestigungselements durch die Bewegung der beiden Bauteile. Durch das Drehgelenk zwischen dem jeweiligen Bauteil und dem entsprechenden Führungsarm können Geometrieänderungen zwischen den beiden genannten Komponenten aufgenommen werden. Grundsätzlich können die Führungsarme mehrere Komponenten umfassen, die – aktiv und/oder passiv – zueinander verschwenkbar sind. In der Regel ist es jedoch vorgesehen, dass die Führungsarme starre Bauelemente sind.
Ferner sind der erste Führungsarm und der zweite Führungsarm miteinander gekoppelt. Eine Bewegung der Bauteile wird so über die Führungsarme in einem Punkt vereinigt. Die resultierende Bewegung dieses Punkts, an dem das Befestigungselement angeordnet ist, wird daher durch die geometrische Anordnung der beiden Bauteile und die Ausgestaltung sowie das Zusammenspiel der Führungsarme festgelegt. Die Kopplung zwischen den beiden Führungsarmen umfasst ein Drehgelenk, das die erste und die zweite gelenkige Verbindung relativ zueinander verschwenkbar miteinander koppelt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die erste und die zweite Bewegungseinheit in einer Ebene angeordnet, die in Gebrauchslage der Manipulationsvorrichtung im Wesentlichen horizontal angeordnet ist. Es versteht sich aber, dass grundsätzlich beliebige Orientierungen der Ebene vorstellbar sind, wie etwa eine vertikale oder eine schräge Anordnung der Ebene im Raum.
Die Bewegungseinheiten können an einer gemeinsamen Basis verfahrbar angeordnet sein, wobei sich eine Verfahreinrichtung der Bewegungseinheiten – bezogen auf eine Gebrauchslage der Manipulationsvorrichtung – insbesondere senkrecht zu den von den Bewegungseinheiten erzeugbaren linearen Bewegungen des ersten und des zweiten Bauteils erstreckt. Eine derartige Ausgestaltung der Manipulationsvorrichtung ermöglicht eine dreiachsige Manipulation von Werkstücken und erhöht daher ihre Einsatzmöglichkeiten. Es ist auch möglich, die Bewegungseinheiten an separaten Basiseinheiten verfahrbar anzuordnen. Die Bewegungseinheiten können mechanisch miteinander gekoppelt sein, um ein synchrones Verfahren zu garantieren. Ist jeder der Bewegungseinheiten ein eigener Mechanismus zum vertikalen Verfahren zugeordnet, kann eine Synchronisierung zusätzlich oder alternativ durch eine Steuereinheit bewirkt werden.
Bevorzugt sind die Bewegungseinheiten Linearmotoren. Es sind daher keine Wandlereinrichtungen notwendig, die die von den herkömmlicherweise verwendeten Motoren bereitgestellten Drehbewegungen in die linearen Bewegungen des ersten und des zweiten Bauteils umwandeln.
Die Summe der Längen der ersten und der zweiten gelenkigen Verbindung, insbesondere die Summe der Längen der beiden Führungsarme, kann größer sein als ein Abstand zwischen den Bewegungsrichtungen der Bewegungseinheiten. Mit anderen Worten sind die gelenkigen Verbindungen in ihrer maximalen Längserstreckung zusammengenommen länger als ein Abstand zwischen den beiden Bewegungsrichtungen der Bewegungseinheit. Zwar ist es nicht zwingend notwendig, dass die maximalen Längen der beiden gelenkigen Verbindungen gleich lang sind, in vielen Fällen erweist sich dies allerdings als vorteilhaft.
Um die Flexibilität der Manipulationsvorrichtung zu erhöhen, ist das Befestigungselement – aktiv oder passiv – verdrehbar relativ zu den gelenkigen Verbindungen bzw. den Führungsarmen angeordnet. Bevorzugt ist das Befestigungselement jeweils – direkt oder indirekt – drehbar mit den Führungsarmen gekoppelt, insbesondere im Bereich des die Führungsarme verbindenden Drehgelenks oder durch das Drehgelenk selbst.
Dem Befestigungselement kann eine Rotationseinrichtung zugeordnet sein, mit der eine Ausrichtung des Befestigungselements relativ zu zumindest einem der Führungsarme veränderbar ist. Beispielsweise kann ein von einer Steuereinrichtung steuerbarer Schwenkantrieb vorgesehen sein, der bei Bedarf einer Ausrichtung des Befestigungselements und damit des daran angeordneten Werkstücks und/oder Werkzeugs ändert. Es ist auch möglich, dem Befestigungselement eine Rotationseinrichtung zuzuordnen, die derart ausgestaltet ist, dass eine Ausrichtung des Befestigungselements relativ zu den Bewegungsrichtungen der Bewegungseinheiten – insbesondere automatisch – unabhängig von einer relativen Stellung der Bauteile beibehaltbar ist. Dadurch kann verhindert werden, dass sich das Befestigungselement bei einer relativen Bewegung der beiden Bauteile verdreht. Das heißt, das an dem Befestigungselement angeordnete Werkstück bzw. Werkzeug führt dann bei unterschiedlichen Bewegungen der beiden Bauteile zwar eine Bewegung im Raum aber keine Rotation um sich selbst aus, sondern behält seine Ausrichtung in Bezug auf die Bewegungsrichtungen der Bewegungseinheiten oder die Umgebung bei.
Zu diesem Zweck kann die Rotationseinrichtung eine Übertragungseinrichtung umfassen, mit der eine Veränderung einer Winkelstellung des ersten Führungsarms relativ zu dem ersten Bauteil oder des zweiten Führungsarms relativ zu dem zweiten Bauteil auf das Befestigungselement übertragbar ist, wobei die Übertragungseinrichtung insbesondere ein verzahntes Band umfasst, das mit einem drehfest mit dem ersten oder mit dem zweiten Bauteil verbundenen oder fixierbaren Zahnrad und einem drehfest mit der Befestigungseinrichtung verbundenen oder fixierbaren Zahnrad zusammenwirkt. Das Band kompensiert somit eine Verschwenkung des entsprechenden Führungsarms, die bei einer festen Winkelbeziehung zwischen dem Befestigungselement und dem Führungsarm zu einer Verdrehung des Befestigungselements relativ zu seiner Umgebung führen würde. Insbesondere ist jedem Führungsarm eine eigene Übertragungseinrichtung zugeordnet, um die dynamische Steifigkeit der Gesamtanordnung zu erhöhen.
Um Situationen aufzulösen, in denen die Führungsarme 180° zueinander ausgerichtet sind (Superpositionsstellung), kann eine Überlagerungseinheit vorgesehen ist, durch die bei Bewegung zumindest eines der Bauteile auf die dadurch erzeugte Konfiguration der Führungsarme Einfluss genommen werden kann. Durch eine Bewegung der Bewegungseinheiten alleine ist in derartigen Situationen nicht immer gewährleistet, dass die Führungsarme in eine gewünschte Konfiguration, d. h. in eine bestimmte relative Stellung, gebracht werden. Die Überlagerungseinheit gestattet es, direkt oder indirekt auf die Führungsarme einzuwirken, um sicherzustellen, dass eine gewünschte Bewegung der Führungsarme – und damit des Befestigungselements – bewirkt wird.
Beispielweise ist die Überlagerungseinheit derart ausgestaltet, dass selektiv eine Relativbewegung zwischen zumindest einem der Bauteile der Bewegungseinheiten – insbesondere beiden Bauteilen – und dem Befestigungselement erzeugbar ist. Die Relativbewegung ist insbesondere eine relative Verdrehung des Befestigungselements. Die Überlagerungseinheit kann beispielsweise ein verzahntes Band umfassen, das mit einem zu einer Drehbewegung antreibbaren, an dem ersten oder dem zweiten Bauteil angeordneten Zahnrad und mit einem dem Befestigungselement zugeordneten Zahnrad zusammenwirkt. Insbesondere ist beiden Bauteilen jeweils ein verzahntes Band zugeordnet.
Durch eine Verdrehung der Zahnräder wird auf das Befestigungselement eine Kraft ausgeübt, die es zum Beispiel zur Basis hin oder davon weg drückt. Die Superpositionsstellung kann so in steuerbarer Weise aufgelöst werden. In der Regel sind bereits geringe Verdrehungsbeträge ausreichend, um die notwendige Kraft aufzubringen. Bei symmetrischer Anordnung der Überlagerungseinheit, d. h. wenn das Befestigungselement über jeweils ein Band mit beiden Bauteilen in direkter Verbindung steht, kann die gewünschte, die Superpositionsstellung auflösende Überlagerungskraft auf effiziente Wiese durch gegensinnige Drehung der den Bauteilen zugeordneten Zahnräder bewirkt werden.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass die vorstehend erläuterte Ausbildung der Überlagerungseinheit auch die kompensierende Funktion der Rotationseinrichtung übernehmen kann. Zu diesem Zweck müssen lediglich die an den Bauteilen angeordneten Zahnräder drehfest fixierbar sein. Dies wird beispielsweise durch eine geeignete Ausgestaltung der die Zahnräder antreibenden Einheiten ermöglicht. Zusätzlich oder alternativ können geeignete Arretierungsmittel vorgesehen sein. Die Überlagerungseinheit und die Rotationseinrichtung können auch getrennte Baugruppen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Überlagerungseinheit ist diese derart ausgestaltet, dass selektiv eine Kopplung zwischen zumindest einem der Führungsarme und dem Befestigungselement herstellbar ist. Bevorzugt ist diese Kopplung eine magnetische Kopplung. Beispielsweise umfasst die Überlagerungseinheit eine Spule, durch die bei Strombeaufschlagung ein Magnetfeld erzeugbar ist, das mit einem Magneten zusammenwirkt. Bevorzugt ist die Spule an dem Befestigungselement angeordnet, während der Magnet einem der Führungsarme zugeordnet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Spule und der Magnet derart an dem Befestigungselement bzw. an einem der Führungsarme angeordnet sind, dass sie bei einer geradlinigen Anordnung der Führungsarme einen minimalen Abstand einnehmen. Mit anderen Worten sollen die Spule und der Magnet derart positioniert sein, dass sie sich in der Superpositionsstellung möglichst nah beieinander befinden, um eine effiziente Kopplung der genannten Komponenten zu erzielen. Da die Führungsarme und das Befestigungselement bei den möglichen Superpositionsstellungen relativ zueinander unterschiedlich angeordnet sind, kann für jede Superpositionsstellung zumindest eine Magnet-Spule-Paarung vorgesehen sein. Es versteht sich, dass bei einer Verwendung anderer Kopplungsmechanismen diese ebenfalls derart ausgestaltet sein können, dass alle Superpositionsstellungen beeinflussbar sind
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Manipulationsvorrichtung zur Handhabung und/oder Bearbeitung eines Werkstücks, die eine Bewegungseinheit zur Erzeugung einer linearen Bewegung eines ersten Bauteils und eine zweite Bewegungseinheit zur Erzeugung einer linearen Bewegung eines zweiten Bauteils umfasst. Das erste Bauteil ist über einen ersten Führungsarm und das zweite Bauteil über einen zweiten Führungsarm mit einem Befestigungselement verbunden, das zur Aufnahme des Werkstücks und/oder eines Werkzeugs geeignet ist. Die beiden Führungsarme sind über ein Drehgelenk schwenkbar miteinander gekoppelt.
Das Verfahren sieht vor, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil synchron und um einen gleichen Betrag parallel in eine Richtung bewegt werden, um eine lineare Translationsbewegung des Befestigungselements zu erzeugen. Um eine eine Schwenkbewegung umfassende Bewegung des Befestigungselements zu erzeugen, die auch eine zusätzliche lineare Translationsbewegungskomponente umfassen kann, werden das erste Bauteil und das zweite Bauteil in entgegengesetzte Richtungen und/oder um einen unterschiedlichen Betrag bewegt.
Mit anderen Worten wird eine reine lineare Translationsbewegung durch eine synchrone und gleichsinnige Bewegung der Bauteile erzeugt, während unterschiedliche – gegensinnige und/oder ungleich große und/oder ungleich schnelle – Bewegungen der Bauteile eine Bewegung des Befestigungselements erzeugt, die eine Schwenkkomponente umfasst. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht unter anderem darin, dass das Befestigungselement durch die zwei parallel wirkenden Bewegungseinheiten in einer Ebene bewegt werden kann. Dies ermöglicht den Einsatz konstruktiv einfach aufgebauter und kostengünstig herzustellender und zu wartender Manipulationsvorrichtungen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Unteransprüchen und den Zeichnungen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Manipulationsvorrichtung in einer Perspektivansicht,
2 und 3 die in 1 dargestellte Ausführungsform in einer Seitenansicht bzw. Draufsicht,
4 eine Prinzipskizze einer Ausführungsform der Übertragungseinrichtung,
5 eine schematische Darstellung einer Superpositionsstellung der Führungsarme, und
6a und 6b Prinzipskizzen einer Überlagerungseinheit in verschieden Superpositionsstellungen.
1 zeigt eine Manipulationsvorrichtung 10 mit zwei Linearmotoren 12a, 12b, die symmetrisch seitlich an einer Basis 14 angeordnet sind. Die Linearmotoren 12a, 12b sind an der Basis 14 in vertikaler Richtung mittels eines Linearmotors 16 verfahrbar angeordnet. Der Linearmotor 16 umfasst an einem die Linearmotoren 12a, 12b tragenden und miteinander koppelnden Schlitten 17 angeordnete Spulen 18 und an der Basis angebrachten Permanentmagneten (nicht zu sehen). Die Spulen 18 werden durch eine nicht gezeigte Steuereinrichtung selektiv bestromt, um durch ein Zusammenwirken mit den Permanentmagneten 20 die Linearmotoren 12a, 12b vertikal zu verfahren.
Die Linearmotoren 12a, 12b weisen jeweils einen Läufer 22a bzw. 22b auf, die jeweils durch eine Spulen-Permanentmagnetanordnung vergleichbar mit der des Linearmotors 16 zu linearen Bewegungen in einer horizontalen Ebene antreibbar sind. Die Spulen 18' der Linearmotoren 12a, 12b sind dem. Schlitten 17 zugeordnet, während die Permanentmagneten an den Läufern 22a, 22b angebracht sind.
Die Läufer 22a, 22b der Linearmotoren 12a, 12b sind an ihrem in 1 linken Ende über Drehgelenke 24a bzw. 24b mit Führungsarmen 26a bzw. 26b verbunden. Die Führungsarme 26a, 26b sind wiederum an ihrem dem jeweiligen Läufer 22a bzw. 22b abgewandten Ende über ein Drehgelenk 24c miteinander gekoppelt. An dem Drehgelenk 24c oder an einem der Führungsarme 26a, 26b kann ein Befestigungselement (nicht gezeigt) angeordnet sein, das zur Aufnahme eines zu bewegenden Werkstücks und/oder eines Werkzeugs zur Bearbeitung eines Werkstücks vorgesehen sein.
Um eine Bewegung des Befestigungselements in einer durch die Läufer 22a, 22b aufgespannten Ebene zu bewirken, werden die Linearmotoren 12a, 12b von einer nicht gezeigten Steuereinrichtung angesteuert. Werden beide Läufer 22a, 22b synchron in die gleiche Richtung um den gleichen Betrag verfahren, wird eine Bewegung des Befestigungselements erzeugt, die parallel zu den Längsachsen der Läufer 22a, 22b verläuft. Bei einer unterschiedlichen Ansteuerung der Linearmotoren 12a, 12b wird eine Bewegung des Befestigungselements erzeugt, die – gegebenenfalls neben einer reinen linearen Translationsbewegungskomponente – eine Schwenkbewegungskomponente umfasst. Wird beispielsweise der Linearmotor 22a nicht bewegt, während der Läufer 22b des Linearmotors 12b verfahren wird, vollführt das Befestigungselement eine Kreisbewegung um das Drehgelenk 24a, wobei der Radius der Kreisbewegung der Länge des Führungsarms 26a entspricht. Bewegen sich im Gegensatz dazu beide Läufer 22a, 22b in die gleiche Richtung, aber um einen unterschiedlichen Betrag, so ergibt sich eine Bewegung, die die Summe einer Translationsbewegung und einer Kreisbewegung ist, wobei die genaue Bewegung von dem Betrag und der Geschwindigkeit der Bewegungen der beiden Läufer 22a, 22b abhängt. Durch eine gegensinnige Bewegung der Läufer 22a, 22b – d. h. im Falle einer Bewegung der Läufer 22a, 22b in entgegengesetzte Richtungen – wird ebenfalls eine derartige, kombinierte Bewegungsbahn des Befestigungselements erzeugt.
Anders als in 1 gezeigt, können die Führungsarme 26a, 26b auch unterschiedlich lang ausgeführt sein, um besonderen Anforderungen Rechnung zu tragen. Es versteht sich ferner, dass die Basis 14 bei Bedarf drehbar um eine vertikale oder horizontale Achse gelagert sein kann, um zusätzliche Freiheiten zur Erzeugung einer Bewegung des Befestigungselements bereitstellen zu können und den Wirkungsbereich der Manipulationsvorrichtung 10 vergrößern. Anstelle der Basis 14 können auch zwei Basiseinheiten vorgesehen sein, die separat voneinander jeweils einen der Linearmotoren 12a, 12b tragen.
Bei der Manipulationsvorrichtung 10 ergibt sich die vertikale Bewegbarkeit der Linearmotoren 12a, 12b durch die Länge des Linearmotors 16, während die in der horizontalen Ebene erreichbaren Punkte durch die Länge der Läufer 22a, 22b und die Ausgestaltung der Führungsarme 26a, 26b definiert ist. Abweichend von der in 1 dargestellten Ausführungsform der Manipulationsvorrichtung 10 können sich die Führungsarme 26a, 26b ausgehend von den Drehgelenken 24a, 24b zur Basis 14 hin erstrecken, um ein nach innen gerichtetes V zu bilden. Es ist auch möglich, die Manipulationsvorrichtung 10 so auszugestalten, dass zwischen einer in 1 gezeigten Konfiguration der Führungsarme 26a, 26b, die ein nach außen gerichtetes V bilden, und einer Konfiguration mit nach innen gerichtetem V überführbar ist. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, eine Einrichtung bereitzustellen, die bei einem Übergang zwischen den beiden Konfigurationen, in dem die Führungsarme 26a, 26b eine Gerade bilden auf der die Drehgelenke 24a, 24b, 24c liegen (Superpositionsstellung), sicher stellt, dass tatsächlich die gewünschte Konfiguration eingenommen wird und nicht ein „Zurückklappen” in die Ausgangskonfiguration erfolgt. Verschiedene Ausführungsformen einer derartigen Einrichtung werden nachfolgend noch näher beschrieben.
2 zeigt die Manipulationsvorrichtung 10 in einer Seitenansicht, wodurch die Spulen 18 des Linearmotors 16 deutlich zu erkennen sind. Außerdem sind Anschläge 28, 28' an dem Läufer 22a zu sehen, die eine maximale Bewegung des Läufers 22a begrenzen.
3 zeigt eine Draufsicht auf die Manipulationsvorrichtung 10, anhand derer nochmals die geometrischen Verhältnisse bei einer Bewegung der Läufer 22a, 22b deutlich werden. Es versteht sich, dass eine synchrone Bewegung der Läufer 22a, 22b entlang ihrer jeweiligen Bewegungsrichtung B1, B2, die um einen Abstand A parallel versetzt angeordnet sind, zu einer Bewegung des Drehgelenks 24c entlang einer Linie L führt. Wenn lediglich der Läufer 22b bewegt wird, bewegt sich das Drehgelenk 24c und damit das in diesem Bereich befestigte Befestigungselement – beispielsweise ein Greifer 29 – auf einer Kreisbahn K. Eine Bewegung beider Läufer 22a, 22b bewirkt eine Mischform der vorstehend beschriebenen Extrembeispiele.
Aus den vorstehenden Betrachtungen ist ersichtlich, dass der Greifer 29 bei einer Bewegung auf der Kreisbahn K oder bei einer der vorstehend beschriebenen Bewegungs-Mischform verschwenkt wird, wenn er starr an dem Drehgelenks 24c befestigt ist. In 3 wird diese Situation durch eine gestrichelte Darstellung des Greifers 29 versinnbildlicht. Das heißt, eine Ausrichtung des Greifers 29 in Bezug auf die Umgebung (beispielsweise die Basis 14) wurde verändert. Zwar kann dies in gewissen Fällen gewünscht sein, allerdings erweist es sich als vorteilhaft, wenn diese Rotation durch einen geeigneten Mechanismus kompensiert wird, so dass die Ausrichtung des Greifers 29 in Bezug auf die Basis 14 nicht verändert wird.
4 zeigt einen Kompensationsmechanismus 30, der dies sicherstellt. Das Drehgelenk 24c (nicht im Detail gezeigt) ist dabei so ausgeführt, dass einerseits die beiden Führungsarme 26a, 26b relativ zueinander verschwenkbar miteinander gekoppelt sind, andererseits aber auch eine Verdrehung eines Befestigungselements (nicht im Detail gezeigt) relativ zu den beiden Führungsarmen 26a, 26b möglich ist. Dem Befestigungselement ist ein drehfest mit ihm verbundenes Zahnrad 32 zugeordnet, das über ein verzahntes Band 34 – vorzugsweise ein Stahlband – mit einem Zahnrad 36 gekoppelt ist, das drehfest an dem Läufer 22a und koaxial zu dem Drehgelenk 24a (nicht im Detail gezeigt) angeordnet ist. Wird durch eine Relativbewegung der beiden Läufer 22a, 22b eine Verschwenkung des Führungsarms 26a erzeugt, so führt dies zu einer Bewegung des Bands 34, die wiederum eine entsprechende Verdrehung des Zahnrads 32 und damit des mit ihm verbundenen Befestigungselements hervorruft. Da die beiden Zahnräder 32, 36 den gleichen Radius aufweisen, wird die Verschwenkung des Führungsarms 26a in gleichem Maße auf das Befestigungselement übertragen. Die Ausrichtung des Befestigungselements nach Verschwenkung des Führungsarms 26a entspricht daher der Ausrichtung vor Verschwenkung des Führungsarms 26a, obwohl eine Verschiebung des Befestigungselements in der Bildebene erfolgt ist.
Grundsätzlich ist es ausreichend, dass der Kompensationsmechanismus 30 die vorstehend beschriebenen Komponenten aufweist, um seine Funktion zu erfüllen. Allerdings ist es auch aus Stabilitätsgründen bevorzugt, dass – wie in 4 ansatzweise dargestellt – ein zweites Band 34' vorgesehen ist, das das Zahnrad 32 mit einem nicht gezeigten Zahnrad des Führungsarms 26b koppelt.
Dem Befestigungselement kann ein aktiv betreibbarer Schwenkmechanismus zugeordnet sein, der bei Bedarf eine Veränderung der Ausrichtung des Befestigungselements ermöglicht. Er kann zusätzlich zu dem Kompensationsmechanismus 30 vorgesehen sein, so dass stets eine automatische Kompensation der Verschwenkbewegung der Führungsarme 26a, 26b erfolgt und zusätzlich – beispielsweise bei der Aufnahme oder Bearbeitung eines Werkstücks – eine kontrollierte Drehung des Befestigungselements möglich ist. Der Schwenkmechanismus kann auch den Kompensationsmechanismus 30 ersetzen. Die vorstehend genannte Kompensation wird dann durch eine geeignete Ansteuerung des Schwenkmechanismus mit Hilfe einer Steuereinrichtung bereitgestellt.
5 zeigt eine Variante der vorstehend bereits erwähnten Superpositionsstellung, bei der die beiden Führungsarme 26a, 26b in einer Linie angeordnet sind, d. h. in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet sind. Es versteht sich, dass eine ähnliche Superpositionsstellung vorliegt, wenn sich der Läufer 22a in einer Position befindet, die der des Läufers 22b in 5 entspricht und umgekehrt. Zum kontrollierten Auflösen dieser Stellung kann eine Überlagerungseinheit vorgesehen sein, die auf zumindest einen der Führungsarme 26a, 26b oder den Greifer 29 einwirkt, um eine Kraft zu erzeugen, durch die die Führungsarme 26a, 26b bei einer Bewegung der Läufer 22a, 22b in die gewünschte Konfiguration gezwungen werden. Eine Ausführungsform einer solchen Überlagerungseinheit ist in 6a und 6b gezeigt.
6a zeigt eine Überlagerungseinheit 38. Diese umfasst zwei Spulen 40, 40', die an dem Greifer 29 angeordnet sind. In einer ersten Superpositionsstellung befindet sich die Spule 40 über einem Magneten 42, der an dem Führungsarm 26a angeordnet ist. Bei Bestromung der Spule 40 wird zwischen dieser und dem Magnet 42 eine Kopplung hergestellt, die letztlich eine gewisse Kopplung zwischen dem Greifer 29 und dem Führungsarm 26a bewirkt. Durch diese Kopplung kann Einfluss darauf genommen werden, welche Konfiguration die beiden Führungsarme 26a, 26b einnehmen, wenn sich zumindest einer der beiden Führungsarme 26a, 26b bewegt. Bewegt sich beispielsweise der mit dem Führungsarm 26b verbundene Läufer 22b nach oben, wird durch die vorstehend beschriebene Kopplung sichergestellt, dass eine V-förmige Konfiguration der Führungsarme 26a, 26b eingenommen wird. Mit anderen Worten dämpft oder verhindert die Kopplung des Führungsarms 26a mit dem Greifer 29 eine Relativbewegung zwischen diesen beiden Komponenten, während eine Verschwenkbarkeit zwischen dem Führungsarm 26b und dem Greifer 29 nicht beeinträchtigt ist.
Bereits eine vergleichsweise schwache Kopplung zwischen der Spule 40 und dem Magnet 42 reicht in der Regel aus, um die Verschwenkbarkeit zwischen dem entsprechenden Führungsarm 26a, 26b und dem Greifer 29 so zu beeinflussen, dass der gewünschte Effekt eintritt.
Wäre lediglich die Spule 40 vorgesehen, so könnte die in 6b gezeigte zweite mögliche Superpositionsstellung nicht selektiv aufgelöst werden, da keine Kopplung zwischen dem Greifer 29 und einem der Führungsarme 26a, 26b herstellt werden kann. Daher ist an dem Greifer 29 zusätzlich die Spule 40' vorgesehen. Bei der in 6b gezeigten Superpositionsstellung befindet sich die Spule 40' über einem Magneten 42', der an dem Führungsarm 26b angeordnet ist. Durch eine geeignete Bestromung der Spule 40' kann auch diese Superpositionsstellung in kontrollierter Weise aufgelöst werden.
Zusätzlich zu den gezeigten Spulen 40, 40' können an den unteren Ecken des Greifers 29 ebenfalls Spulen angeordnet sein. Werden jeweils schräg gegenüberliegende Spulen mit unterschiedlicher Polarität bestromt, so wird einerseits eine Kopplung und andererseits eine Abstoßung zwischen den Spulen und den jeweiligen Magneten erzeugt, wodurch eine noch bessere Kontrolle der Auflösung der Superpositionsstellung ermöglicht wird und/oder eine geringer Bestromung der Spulen erforderlich ist, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Spulen 40, 40' den Führungsarmen 26a, 26b zuzuordnen und die entsprechenden Magneten 42, 42' an dem Greifer 29 anzuordnen. Bevorzugt ist allerdings die Anordnung der Spulen 40, 40' an dem Greifer 29, da sich dieser – sofern ein Kompensationsmechanismus 30 oder eine wirkungsgleiche Vorrichtungen vorgesehen sind – während der Bewegungen der Läufer 22a, 22b nicht dreht, was die Stromzuführung für die Spulen 40, 40' erleichtert.
Die vorstehend beschriebene Funktionalität der Überlagerungseinheit 38 kann auch dadurch erreicht werden, dass man den in 4 gezeigten Kompensationsmechanismus 30 leicht abwandelt. Zu diesem Zweck ist das Zahnrad 36 nicht drehfest an dem Läufer 22a befestigt, sondern kann beispielsweise durch einen Elektromotor in kontrollierter Weise aktiv verdreht werden. Dadurch kann auf den Greifer 29 eine Kraft ausgeübt werden, die gleichwirkend mit der vorstehend beschriebenen Kopplung des Greifers 29 mit den Führungsarmen 26a, 26b ist. Bevorzugt ist es in diesem Fall, wenn der abgewandelte Kompensationsmechanismus 30 symmetrisch aufgebaut ist und beide den Läufern 22a, 22b zugeordnete Zahnräder 36 aktiv verdrehbar sind. Durch eine gegensinnige Rotation der Zahnräder 36 kann eine effiziente Auflösung der Superpositionsstellungen erreicht werden.
Einer der Vorteile der Manipulationsvorrichtung 10 besteht darin, dass beide Läufer 22a, 22b eine Belastung durch das im Bereich der Führungsarme 26a, 26b angeordnete Werkstück aufnehmen. Bei vergleichbar kompakter Bauweise und Dimensionierung der Motoren können daher größere Lasten bewegt werden können als bei herkömmlichen Industrierobotern. Außerdem ist die Stabilität der Manipulationsvorrichtung 10 insgesamt verbessert. Aufgrund der hohen Dynamik von Linearmotoren lässt sich die Manipulationsvorrichtung 10 zudem effizient betreiben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Linearmotoren 12a, 12b im Wesentlichen baugleich sein können, so dass ein Wartungs- und Justieraufwand minimiert ist.
Bezugszeichenliste

10: Manipulationsvorrichtung
12a, 12b, 16: Linearmotor
14: Basis
17: Schlitten
18, 18': Spule
22a, 22b: Läufer
24a, 24b, 24c: Drehgelenk
26a, 26b: Führungsarm
28, 28': Anschlag
29: Greifer
30: Kompensationsmechanismus
32, 36: Zahnrad
34, 34': Band
38: Überlagerungseinheit
40, 40': Spule
42, 42': Magnet
A: Abstand
B1, B2: lineare Bewegungsrichtung
L: Linie
K: Kreisbahn

Claims

Manipulationsvorrichtung zur Handhabung und/oder Bearbeitung eines Werkstücks, umfassend eine erste Bewegungseinheit (12a) zur Erzeugung einer linearen Bewegung (B1) eines ersten Bauteils (22a) und eine zweite Bewegungseinheit (12b) zur Erzeugung einer linearen Bewegung (B2) eines zweiten Bauteils (22b), wobei die Bewegungseinheiten (12a, 12b) derart relativ zueinander angeordnet sind, dass die von den Bewegungseinheiten (12a, 12b) erzeugbaren Bewegungen (B1, B2) des ersten Bauteils (22a) und des zweiten Bauteils (22b) parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei das erste Bauteil (22a) über eine erste gelenkige Verbindung (24a, 26a) und das zweite Bauteil (22b) über eine zweite gelenkige Verbindung (24b, 26b) mit einem Befestigungselement (29) verbunden sind, das zur Aufnahme des Werkstücks und/oder eines Werkzeugs geeignet ist, wobei die erste gelenkige Verbindung einen ersten Führungsarm (26a) umfasst, der mittels eines Drehgelenks (24a) mit dem ersten Bauteil (22a) gekoppelt ist, wobei die zweite gelenkige Verbindung einen zweiten Führungsarm (26b) umfasst, der mittels eines Drehgelenks (24b) mit dem zweiten Bauteil (22b) gekoppelt ist, und wobei der erste Führungsarm (26a) und der zweite Führungsarm (26b) durch ein Drehgelenk (24c, 24c') relativ zueinander verschwenkbar miteinander gekoppelt sind.
Manipulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Bewegungseinheit (12a, 12b) in einer Ebene angeordnet sind, die in Gebrauchslage der Manipulationsvorrichtung im Wesentlichen horizontal angeordnet ist.
Manipulationsvorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheiten (12a, 12b) an einer gemeinsamen Basis (14) oder an separaten Basiseinheiten verfahrbar angeordnet sind, wobei sich eine Verfahrrichtung der Bewegungseinheiten (12a, 12b) – bezogen auf eine Gebrauchslage der Manipulationsvorrichtung – insbesondere senkrecht zu den von den Bewegungseinheiten (12a, 12b) erzeugbaren linearen Bewegungen (B1, B2) des ersten und des zweiten Bauteils (22a, 22b) erstreckt.
Manipulationsvorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheiten Linearmotoren (12a, 12b) sind.
Manipulationsvorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe einer Längserstreckung der ersten und einer Längserstreckung der zweiten gelenkigen Verbindung (24a, 26a, bzw. 24b, 26b) größer ist als ein Abstand (A) zwischen den Bewegungsrichtungen (B1, B2) der Bewegungseinheiten (12a, 12b).
Manipulationsvorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement verdrehbar relativ zu den gelenkigen Verbindungen (24a, 26a, bzw. 24b, 26b) angeordnet ist.
Manipulationsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Befestigungselement (29) eine Rotationseinrichtung (30) zugeordnet ist, mit der eine Ausrichtung des Befestigungselements (29) relativ zu den gelenkigen Verbindungen (24a, 26a bzw. 24b, 26b) veränderbar ist.
Manipulationsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Befestigungselement (29) eine Rotationseinrichtung (30) zugeordnet ist, die derart ausgestaltet ist, dass eine Ausrichtung des Befestigungselements (29) relativ zu den Bewegungsrichtungen (B1, B2) der Bewegungseinheiten (12a, 12b) – insbesondere automatisch – unabhängig von einer relativen Stellung der Bauteile (22a, 22b) beibehaltbar ist.
Manipulationsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationseinrichtung (30) eine Übertragungseinrichtung (32, 34, 36) umfasst, mit der eine Veränderung einer Winkelstellung des ersten Führungsarms (26a) relativ zu dem ersten Bauteil (22a) oder des zweiten Führungsarms (26b) relativ zu dem zweiten Bauteil (22b) auf das Befestigungselement (29) übertragbar ist, wobei die Übertragungseinrichtung (32, 34, 36) insbesondere ein verzahntes Band (34) umfasst, das mit einem drehfest mit dem ersten oder mit dem zweiten Bauteil verbundenen oder fixierbaren Zahnrad (32) und einem drehfest mit dem Befestigungselement (29) verbundenen oder fixierbaren Zahnrad (36) zusammenwirkt.
Manipulationsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überlagerungseinheit (36) vorgesehen ist, die derart ausgestaltet ist, dass selektiv eine Relativbewegung zwischen zumindest einem der Bauteile (22a, 22b) und dem Befestigungselement (29) erzeugbar ist, oder dass die Überlagerungseinheit (36) derart ausgestaltet ist, dass selektiv eine Kopplung zwischen zumindest einem der Führungsarme (26a, 26b) und dem Befestigungselement (29) herstellbar ist.
Manipulationsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerungseinheit (36) ein verzahntes Band (34) umfasst, das mit einem zu einer Drehbewegung antriebbaren, an dem ersten oder dem zweiten Bauteil (22a bzw. 22b) angeordneten Zahnrad (32) und mit einem dem Befestigungselement (29) zugeordneten Zahnrad (36) zusammenwirkt.
Manipulationsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerungseinheit (36) ein derart ausgestaltet ist, dass zwischen einem der Führungsarme (26a, 26b) und dem Befestigungselement (29) selektiv eine Kopplung, insbesondere eine magnetische Kopplung herstellbar ist.
Manipulationsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerungseinheit (36) zumindest eine Spule (40, 40') umfasst, durch die bei Strombeaufschlagung ein Magnetfeld erzeugbar ist, das mit einem Magneten (42, 42') zusammenwirkt, wobei die Spule (40, 40') insbesondere an dem Befestigungselement (29) angeordnet ist und der Magnet (42, 42') an einem der Führungsarme (26a, 26b) angeordnet ist.
Manipulationsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (40, 40') und der Magnet (42, 42') derart an einem der Führungsarme (26a, 26b) bzw. dem Befestigungselement (29) angeordnet sind, dass sie bei einer geradlinigen Anordnung der Führungsarme (26a, 26b) einen minimalen Abstand einnehmen.
Verfahren zum Betrieb einer Manipulationsvorrichtung zur Handhabung und/oder Bearbeitung eines Werkstücks, die eine erste Bewegungseinheit (12a) zur Erzeugung einer linearen Bewegung (B1) eines ersten Bauteils (22a) und eine zweite Bewegungseinheit (12b) zur Erzeugung einer linearen Bewegung (B2) eines zweiten Bauteils (22b) umfasst, wobei das erste Bauteil (22a) über einen ersten Führungsarm (26a) und das zweite Bauteil (22b) über einen zweiten Führungsarm (26b) mit einem Befestigungselement (29) verbunden sind, das zur Aufnahme des Werkstücks und/oder eines Werkzeugs geeignet ist, wobei die Führungsarme (26a, 26b) über ein Drehgelenk (24c, 24c') schwenkbar miteinander gekoppelt sind, wobei das erste Bauteil (22a) und das zweite Bauteil (22b) synchron und um einen gleichen Betrag parallel in eine Richtung bewegt werden, um eine lineare Translationsbewegung des Befestigungselements (29) zu erzeugen, und wobei das erste Bauteil (22a) und das zweite Bauteil (22b) in entgegengesetzte Richtungen und/oder um einen unterschiedlichen Betrag bewegt werden, um eine eine Schwenkbewegung umfassende Bewegung des Befestigungselements (29) zu erzeugen.