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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Manipulationsvorrichtung zur Handhabung und/oder Bearbeitung eines Werkstücks.
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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 den Manipulationsvorrichtungen erzeugten Bewegungen sollen eine hohe Dynamik aufweisen.
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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 ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Manipulationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß umfasst die Manipulationsvorrichtung zur Handhabung und/oder Bearbeitung eines Werkstücks eine Basis und einen mittels einer ersten Antriebseinheit zu einer ersten Bewegung relativ zu der Basis antreibbaren Manipulatorarm. An dem Manipulatorarm ist eine mittels einer zweiten Antriebseinheit zu einer zweiten Bewegung relativ zu dem Manipulatorarm antreibbare Manipulatoreinheit angeordnet, wobei die zweite Antriebseinheit an der Basis angeordnet ist.
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Mit anderen Worten können der Manipulatorarm und die Manipulatoreinheit durch die beiden Antriebseinheiten unabhängig voneinander bewegt werden, um das Werkstück zu bewegen oder es mit Hilfe eines geeigneten Werkzeugs zu bearbeiten. Um die zu bewegende Masse des Manipulatorarms und/oder der Manipulatoreinheit möglichst gering zu halten und diesen daher mit höherer Dynamik und Präzision bewegen zu können, ist die zweite Antriebseinheit an der Basis angeordnet. Die zweite Antriebseinheit ist also erfindungsgemäß relativ zu der Basis stationär angeordnet. Beispielsweise ist sie an oder in der Basis befestigt. Die zweite Antriebseinheit wird daher weder bei einer Bewegung des Manipulatorarms noch bei einer Bewegung der Manipulatoreinheit relativ zur Basis bewegt, so dass sich die Masse der zweiten Antriebseinheit in keiner Weise negativ auf die zu erzielende Dynamik der Bewegungen von Manipulatorarm und/oder Manipulatoreinheit relativ zur Basis auswirkt.
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Gemäß einer konstruktiv einfachen Bauweise sind der Manipulatorarm und/oder die Manipulatoreinheit linear bewegbar, d.h. die von den beiden Antriebseinheiten erzeugten Bewegungen sind geradlinig. Insbesondere sind die genannten Komponenten senkrecht zueinander bewegbar. Es kann vorgesehen sein, dass der Manipulatorarm und die Manipulatoreinheit derart ausgebildet und angeordnet sind, dass durch die beiden von den Antriebseinheiten erzeugten Bewegungen eine Bewegungs-, Manipulations- und/oder Bearbeitungsebene definiert wird.
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Die erste Antriebseinheit kann ein Linearmotor sein. Insbesondere ist ein Stator des Linearmotors fest mit der Basis verbunden, während der Manipulatorarm einen Läufer des Linearmotors umfasst. Gemäß einer konstruktiv einfachen und kompakten Ausführungsform wird der Manipulatorarm im Wesentlichen durch den Läufer des Linearmotors gebildet.
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Die zweite Antriebseinheit kann derart ausgestaltet sein, dass sie eine Antriebsdrehbewegung erzeugt. Derartige Antriebseinheiten sind zuverlässig, kostengünstig und lassen sich auf einfache Weise ansteuern. Die erzeugte Antriebsdrehbewegung wird durch geeignete Mechanismen auf die Manipulatoreinheit übertragen und dabei umgewandelt, so dass beispielsweise eine translatorische Bewegung der Manipulatoreinheit erzeugt wird.
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Um eine möglichst kompakte Bauweise zu realisieren, kann eine Ausgangswelle der zweiten Antriebseinheit parallel zu einer Richtung der ersten Bewegung des Manipulatorarms angeordnet sein.
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Insbesondere ist die zweite Antriebseinheit über eine Getriebeeinheit antriebswirksam mit der Manipulatoreinheit gekoppelt. Die Getriebeeinheit kann eine relativ zu der Basis verschiebbare Getriebewelle umfassen, um einer Lageänderung der Manipulatoreinheit relativ zu der sie antreibenden zweiten Antriebseinheit aufgrund einer Bewegung des Manipulatorarms Rechnung tragen zu können.
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Die Getriebewelle kann parallel zu einer Richtung der ersten Bewegung des Manipulatorarms und/oder parallel zu dessen Längserstreckung angeordnet sein. Die Getriebewelle ist insbesondere an dem Manipulatorarm drehbar gelagert.
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Wenn die Getriebewelle koaxial und axial verschiebbar relativ zu einer an der Basis drehbar und axialfest gelagerten Zwischenwelle angeordnet ist, die antriebswirksam mit der zweiten Antriebseinheit gekoppelt ist, ergibt sich eine sehr kompakte und insbesondere schmale Bauweise der Getriebeeinheit und damit letztlich auch der Basis, die bei vielen Ausführungsformen die meisten Komponenten der Getriebeeinheit aufnimmt. Die Getriebewelle kann sich durch die Zwischenwelle erstrecken, um den zur Verfügung stehenden Bauraum noch effizienter zu nutzen. Eine zuverlässige Kopplung der Getriebewelle und der Zwischenwelle wird erzielt, wenn die Getriebewelle eine Kugelnutwelle ist, die über eine komplementär ausgebildete Kugelnutmutter drehfest und axial verschiebbar mit der Zwischenwelle gekoppelt ist. Grundsätzlich kann die Kugelnutmutter ein integraler Bestandteil der Zwischenwelle sein. In den meisten Anwendungsfällen bietet es sich jedoch an, eine kostengünstig herstellbare, separat ausgebildete Kugelnutmutter zu verwenden, die drehfest und axialfest mit der Zwischenwelle gekoppelt ist.
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Die Manipulatoreinheit kann einen an dem Manipulatorarm verschiebbar gelagerten Schlitten umfassen, der mit einem Zahnriemen oder mit einer Zahnstange fest verbunden ist, wobei der Zahnriemen oder die Zahnstange antriebswirksam mit der zweiten Antriebseinheit gekoppelt sind. Diese Bauform geht mit dem Vorteil einher, dass die an dem Manipulatorarm angeordneten und der Manipulatoreinheit zugeordneten Komponenten mit geringem Gewicht ausgebildet werden können. Beispielsweise ist es dann möglich, mittels der durch die zweite Antriebseinheit bereit gestellten Drehbewegung ein Zahnrad anzutreiben, das mit dem Zahnriemen bzw. der Zahnstange in Wirkverbindung steht. Die Übertragung der Antriebsdrehbewegung von der zweiten Antriebseinheit auf das Zahnrad kann insbesondere durch eine Getriebeeinheit gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen bewirkt werden.
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An der Manipulatoreinheit können eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des zu handhabenden Werkstücks und/oder eines zu dessen Bearbeitung geeigneten Werkzeugs vorgesehen sein. Beispielsweise ist die Manipulatoreinheit mit einem Greifer verbunden, mit dem das Werkstück aufgenommen werden kann.
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Die Basis der Manipulationsvorrichtung kann grundsätzlich stationär angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, die Basis der Manipulationsvorrichtung verschiebbar und/oder drehbar relativ zu einer stationären Grundeinheit anzuordnen, um den Bewegungsspielraum der Manipulationsvorrichtung zu vergrößern und deren Anwendungsbereiche zu erweitern.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Nachfolgend wird eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Manipulationsvorrichtung,
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2 eine Schnittansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform,
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3 eine Vergrößerung eines Ausschnitts der 2 und
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4 und 5 weitere Schnittansichten der in 1 gezeigten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Manipulationsvorrichtung 10, die beispielsweise als sogenannter Einleger Verwendung findet. Die Manipulationsvorrichtung 10 umfasst eine stationär angeordnete Basis 12, die einen Linearmotor 14 aufnimmt. Der Linearmotor 14 umfasst einen Läufer 16, der mit einer Vielzahl von Permanentmagneten 20 versehen ist. Die Permanentmagneten 20 wirken mit einer Mehrzahl von einen Stator des Linearmotors 14 bildenden Statorspulen zusammen, die im Inneren der Basis 12 angeordnet und daher in 1 nicht sichtbar sind. Durch eine geeignete Bestromung der Statorspulen werden Magnetfelder erzeugt, die in Zusammenwirken mit den Permanentmagneten 20 eine lineare Bewegung B1 des Läufers 16 erzeugen. Der Läufer 16 bildet somit im Wesentlichen einen linear bewegbaren Arm der Manipulationsvorrichtung 10.
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An dem linken Ende des Läufers 16 ist eine Bewegungseinheit 22 befestigt, die einen in einer Richtung B2 relativ zu dem Läufer 16 bewegbaren Schlitten 24 umfasst. Die Bewegungsrichtungen B1 und B2 sind senkrecht zueinander angeordnet.
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Der Schlitten 24 wird von einem Motor angetrieben, der in der Basis 12 angeordnet ist und daher in 1 nicht zu sehen ist. Der Motor wird zur Erzeugung einer Antriebsbewegung von einer Stromversorgung 25 mit Energie versorgt. Die von dem Motor erzeugte Antriebsbewegung ist eine Drehbewegung, die über eine nachfolgend noch detailliert beschriebene Getriebeeinheit auf den Schlitten 24 übertragen wird. Die Getriebeeinheit dient einerseits dazu, den räumlichen Abstand zwischen dem Motor und dem Schlitten 24 zu überbrücken. Andererseits wandelt die Getriebeeinheit die Antriebsdrehbewegung des Motors in eine lineare Translationsbewegung des Schlittens 24 um.
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An dem Schlitten 24 ist ein Greifer 28 angeordnet, der zur Aufnahme eines zu bewegenden Werkstücks dient. Es versteht sich, dass anstelle des Greifers 28 auch ein Werkzeug vorgesehen sein kann, mit dem ein Werkstück bearbeitet werden kann.
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Der Greifer 28 ist über eine flexible Kabelverbindung 30 mit der Basis 12 verbunden, die zum Betrieb des Greifers 28 vorgesehenen Komponenten – etwa Steuerungseinrichtungen – aufnimmt. Die Kabelverbindung 30 ist zur Bewegung oder Steuerung des Schlittens 24 nicht erforderlich, da dieser – wie beschrieben – von dem in der Basis 12 angeordneten Motor angetrieben wird. Eine wichtige Rolle zur Übertragung der Antriebsdrehbewegung des Motors auf den Schlitten 24 spielt eine an dem Läufer 16 gelagerte Getriebewelle 32, deren Funktion nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert wird.
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2 zeigt eine Schnittansicht durch die Manipulationsvorrichtung 10 in einer durch den Läufer 16 und die parallel dazu angeordnete Getriebewelle 32 aufgespannten Ebene. In der Schnittansicht ist der bereits erwähnte Motor – gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 26 – zu sehen, dessen Antriebsdrehbewegung über eine die Getriebewelle 32 umfassende Getriebeeinheit 34 auf den Schlitten 24 übertragen wird. 2 zeigt ferner Lagereinheiten 36, die zur Führung des Läufers 16 dienen. An den beiden Enden des Läufers 16 sind Lagerabschnitte 38, 38' vorgesehen, die die Getriebewelle 32 drehbar lagern. Der Lagerabschnitt 38' trägt die Bewegungseinheit 22.
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3 zeigt eine Vergrößerung eines Ausschnitts der 2, anhand derer der Aufbau der Getriebeeinheit 34 nachfolgend eingehend beschrieben wird.
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Der Motor 26 weist eine Antriebswelle 40 auf, deren Drehbewegung über ein mit der Welle 40 drehfest verbundenes Zahnrad 44 und einen Zahnriemen 42 auf ein Zahnrad 44' übertragen wird, das drehfest mit einer Zwischenwelle 46 gekoppelt ist. Die Zwischenwelle 46 ist mittels Lager 48, 48' drehbar in der Basis 12 gelagert. Die Zwischenwelle 46 ist als Hohlwelle ausgebildet und umgibt die Getriebewelle 32 abschnittsweise. Die koaxial angeordneten Wellen 32, 46 sind drehfest miteinander gekoppelt, sodass die Antriebsdrehbewegung des Motors 26 letztlich auf die Getriebewelle 32 und damit auf ein mit ihr verbundenes und im Bereich der Bewegungseinheit 22 angeordnetes Zahnrad 44'' übertragen wird. Das Zahnrad 44'' treibt wiederum einen Zahnriemen 42' an. Der Schlitten 24 ist an dem zwischen dem Zahnrad 44'' und einem weiteren Zahnrad 44''' umlaufenden Zahnriemen 42' befestigt, so dass der Schlitten 24 je nach Drehrichtung der Getriebewelle 32 und damit des Zahnrads 44'' nach oben und unten bewegt werden kann.
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Die Übertragung der Antriebsdrehbewegung des Motors 26 auf den Schlitten 24 muss unabhängig von der Position des Läufers 16 relativ zu der Basis 12 gewährleistet sein. Zu diesem Zweck ist die Kopplung zwischen der Getriebewelle 32 und der Zwischenwelle 46 zwar drehfest, allerdings ermöglicht sie eine relative Bewegung der beiden Wellen 32, 46 in axialer Richtung. Konstruktiv wird diese Art der Kopplung dadurch ermöglicht, dass die Getriebewelle 32 mehrere Nuten aufweist, in denen nicht gezeigte Kugeln angeordnet sind, die wiederum in entsprechenden Nuten einer die Getriebewelle 32 koaxial umgreifenden Kugelnutmutter 50 angeordnet sind. Die Kugelnutmutter 50 ist drehfest mit der Zwischenwelle 46 verbunden.
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Mit anderen Worten bilden die gleichzeitig in den Nuten der Getriebewelle 32 und in den Nuten der Kugelnutmutter 50 angeordneten Kugeln – vereinfacht ausgedrückt – ein Kugellager, das eine Translation zwischen der Welle 32 und der Mutter 50 ermöglicht. Da die entsprechenden Nuten in axialer Richtung verlaufen, wird eine relative Rotation der genannten Komponenten 32, 50 unterdrückt. Kugelnutwellen und entsprechende Muttern – mit oder ohne Kugelkäfigen zur verbesserten Führung der Kugeln – sind grundsätzlich bekannt und existieren in den verschiedensten Ausführungsformen.
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Die vorstehend beschriebene Ausgestaltung der Getriebeeinheit 34 umfasst lediglich kostengünstige und gleichzeitig zuverlässige Komponenten. Zudem wird durch die beschriebene Konstruktion bewirkt, dass lediglich wenige Komponenten der Getriebeeinheit 34 mit dem Läufer 16 beschleunigt werden müssen, wenn dieser bewegt werden soll. Letztlich sind die mit dem Läufer 16 zu beschleunigenden Komponenten lediglich die Getriebewelle 32, die Zahnräder 44'', 44''' und der Zahnriemen 42'. Aufgrund des geringen Gewichts der genannten Komponenten kann nicht nur die Dynamik der durch den Linearmotor 14 erzeugten Bewegung B1 sowie deren Präzision erhöht werden, sondern auch die auf den Läufer 16 wirkenden Biegemomente, die insbesondere dann auftreten, wenn der Läufer 16 in 2 nach links verfahren wird, werden reduziert. Durch die Lagerung der Getriebewelle 32 an dem Läufer 16 wirkt diese zudem stabilisierend.
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4 zeigt eine Schnittansicht der Manipulationsvorrichtung 10 in einer Schnittebene EE senkrecht zur Längserstreckung des Läufers 16. Die Lage der Schnittebene EE ist in 2 angegeben. Die Schnittansicht zeigt einen Statorspule 52 des Linearmotors 14. Abweichend von der dargestellten Ausführungsform mit einer einseitigen Magnetfeldbeaufschlagung des Läufers 16 kann auch ein Linearmotor zum Einsatz gelangen, der beidseitig des Läufers 16 angeordnete Statorspulen und eine komplementäre zweite Permanentmagnetanordnung an dem Läufer 16 aufweist, um höhere Beschleunigungskräfte bereitstellen zu können.
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4 zeigt ferner einen Schnitt durch die koaxiale Anordnung der Zwischenwelle 46 und der Getriebewelle 32, zwischen denen die Kugelnutmutter 50 angeordnet ist.
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5 zeigt einen Schnitt durch die Manipulationsvorrichtung 10 in einer Schnittebene DD, deren Lage ebenfalls in 2 angegeben ist und die sich senkrecht zu der Bildebene der 2 und zu der Schnittebene EE erstreckt. Neben der Anordnung der Statorspulen 52 und der von ihnen beaufschlagten Permanentmagneten 20 des Läufers 16 ist der Aufbau der Bewegungseinheit 22 zu erkennen. Es ist zu sehen, dass der an dem Läufer 16 befestigte Lagerabschnitt 38' nicht nur die Zahnräder 44'', 44''' trägt (vgl. 3), sondern dass an ihm auch Führungselemente 54 zur Führung des Schlittens 24 angebracht sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Manipulationsvorrichtung
- 12
- Basis
- 14
- Linearmotor
- 16
- Läufer
- 20
- Permanentmagnet
- 22
- Bewegungseinheit
- 24
- Schlitten
- 25
- Stromversorgung
- 26
- Motor
- 28
- Greifer
- 30
- Kabelverbindung
- 32
- Getriebewelle
- 34
- Getriebeeinheit
- 36
- Lagereinheit
- 38, 38'
- Lagerabschnitt
- 40
- Antriebswelle
- 42, 42'
- Zahnriemen
- 44, 44', 44", 44'''
- Zahnrad
- 46
- Zwischenwelle
- 48, 48'
- Lager
- 50
- Kugelnutmutter
- 52
- Statorspule
- B1, B2
- Bewegung
- EE, DD
- Schnittebene
