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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bewegung einer Last gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus der
DE 36 02 912 A 1 bekannt.
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Es gibt in der Technik eine Vielzahl von Grundvorrichtungen, mit denen möglichst geradlinige Bewegungen eines Gegenstandes (Werkzeug, Rolle, Last, etc.), des Endes, erzielt werden. Es wird dazu auf die
CH 380 469 A verwiesen, bei der zwei Gelenkparallelogramme entsprechend ausgestaltet und in Serie gekoppelt werden, um zu einer solchen Bewegung zu kommen. Um zu einer symmetrischen Bewegung des Endes bezüglich der Basis zu kommen (ein Durchschwenkmechanismus, bei dem die bewegten Elemente in eine zumindest annährend fluchtende Position gelange, aber nicht gestreckt sind), weisen die beiden Parallelogramme keinen gemeinsamen Drehpunkt auf der Verbindungskoppel auf, was mechanisch zu Problemen führen kann.
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Eine andere Möglichkeit, die aber über eine im Zusammenhang mit der Erfindung verwendbare Grundvorrichtung hinausgeht, weil sie Bewegungen in zwei Richtungen ermöglicht, zeigt die
EP 0 181 490 A1 bei der zwei Gelenkparallelogramme in Serie geschalten sind und ein Drehpunkt auf der Zwischenkoppel beiden gemeinsam ist, wobei über einen komplexen, storchenschnabelartigen Apparat die Winkellagen der Parallelogramme so verknüpft sind, dass eine geradlinige Horizontalbewegung einerseits und eine geradlinige Vertikalbewegung andererseits möglich ist. Erkauft wird diese Kombination mit der Einleitung extremer Biegemomente zufolge des verwendeten Storchenschnabelmechanismus, wobei wegen der starken Vergrößerung der Bewegungen auch die Anfahrgenauigkeit des Endes der Vorrichtung leidet. Dazu kommt, dass wegen des Mechanismus beide Bewegungen zu stark ungleichmäßigen Kraftverläufen über den Weg führen, und dass die Vorrichtung an sich mechanisch „weich“ ist, sodass sie entweder nur extrem klein oder nahezu unbeherrschbar schwer gebaut werden kann.
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Die
EP 0 128 330 B1 zeigt eine Vorrichtung zum Tragen einer Last gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die
EP 0 128 330 B1 zeigt weiter zwei Gelenkparallelogramme mit Zwangskopplung der Winkellage und Schaffung einer perfekten Geradführung des Endes. Die Konstruktion ist im Bereich der Koppelplatte mechanisch problematisch und besitzt darüber hinaus nur ein ansatzweises Durchschwenkvermögen.
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Aus der WO 2010 / 024 689 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die eine serielle Kombination von Gelenkviereck, Koppelplatte und bezüglich der Koppelplatte verschwenkbaren Arm aufweist, und als Kran dient. Dabei kann die vorderste Umlenkrolle, an der die Last hängt und die das Ende bildet, entlang einer gut angenäherten Horizontalen verfahren werden. Die zusätzliche Schwenkbarkeit des Arms führt zu einer Beweglichkeit in zwei Richtungen, macht die Vorrichtung damit unbrauchbar für die Erfindung, doch wäre durch Fixierung der Verschwenkbarkeit eine an sich verwendbare Grundvorrichtung erzielbar, deren Nachteile weiter unten erläutert werden.
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Interessant ist, dass beim Verfahren der Last in horizontaler Richtung in einer anderen Höhe als der eingezeichneten, somit in anderer Winkelstellung des Armes, im Laufe der horizontalen Bewegung namhafte Änderungen in den wirkenden Kräften auftreten, während sie, wie aus dem der Druckschrift beigefügten Diagramm hervorgeht, bei der vorgesehenen Höhe einen ausgezeichnet konstanten Verlauf zeigen.
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Erwähnenswert ist auch die
EP 0 158 722 B1 die Bewegungen in zwei Richtungen zulässt. Sie weist drei hintereinander angeordnete Gelenkparallelogramme auf, deren Winkellagen durch ein passendes Steuergestänge und ein Synchronisiergestänge gekoppelt sind, so dass bei entsprechender Betätigung der Antriebe entweder eine horizontale oder eine vertikale Bewegung des Geradelementes erreicht wird, Kombinationen sind selbstverständlich auch möglich. Nachteilig ist der große Aufwand an Synchronisierungsstäben und die zufolge der schlechten Winkellage große Beanspruchung der Ausgleichsstäbe für die Parallelhaltung der Koppelplatte am freien Ende des ersten Gelenkparallelogramms, auf der das zweite Gelenkparallelogramm angelenkt ist.
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Eine Möglichkeit zur Schaffung einer Geradeführung und damit einer Grundvorrichtung ist aus der 1 in rein schematischer Form ersichtlich, als Ende ist dabei die Bohrung im zweiten Arm anzusehen, eine Orientierung ist daher nicht vorgegeben. Die Grundvorrichtung weist zwei Arme auf, die einen gemeinsamen Drehpunkt besitzen und eine Durchschwenkkinematik bilden, das heißt es gibt eine Position, in der die Achsen der beiden Arme, seitlich gesehen, zusammenfallen und das freie Ende des zweiten Armes der Basis näher ist als das freie Ende des ersten Armes. Auch bei dieser Vorrichtung sind die Winkellagen der beiden Arme miteinander verknüpft, in 1 ist ein entsprechendes Gestänge dargestellt das dies besorgt, doch sind Verzahnungen (5) oder Riemen bzw. Seile oder Ketten mit Umlaufrollen genauso möglich und an sich aus dem Stand der Technik bekannt.
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Bei all diesen genannten und zahlreichen anderen Grundvorrichtungen ist es nun so, dass das Ende bei bestimmungsgemäßer Bewegung eine zumindest annährend geradlinige Bewegung vollführt bzw. vollführen kann. In den meisten Anwendungsfällen wird diese Linie horizontal verlaufen, denn man betreibt derartige Vorrichtungen zumeist, um beim Bewegen Energie, die für das Anheben einer Last etc. notwendig wäre, zu sparen, bei Bearbeitungsmaschinen wird die zu bearbeitende Oberfläche als horizontale Fläche angeordnet. Diese „Horizontalisierung“ trifft zumeist zu und wird im Folgenden, wo nicht anders erläutert, stillschweigend angenommen, begrenzt aber den Einsatz oder die Anwendbarkeit all dieser Vorrichtungen und auch der Erfindung keineswegs, sondern erleichtert nur die Erläuterung.
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Die Erfindung zielt nun darauf ab, bei Grundvorrichtungen, die eine solche lineare Bewegung eines Endes vollführen, an der Grundvorrichtung eine zusätzliche Vorrichtung vorzusehen, die es ermöglicht, ein Werkzeug, eine Halterung, eine Last (was auch immer) die am oder im Bereich des Endes angeordnet ist, in einer anderen als der vorgegebenen linearen Richtung, bevorzugt in einer orthogonal dazu verlaufenden Richtung (somit im Allgemeinen vertikal auf/ab) zu bewegen.
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Erfindungsgemäß werden diese Ziele durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale erreicht.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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An dem Ende ist eine Tragplatte angeordnet, deren Winkellage gegenüber der Basis durch ein Gestänge, Getriebe, durch biegeweiche Zugmittel und Rollen, etc. konstant gehalten wird. An dem Ende bzw. auf dieser Tragplatte ist ein Arm, ein Gelenkviereck, etc., allgemein Gelenkfortsatz genannt, gelenkig gelagert, und zwischen der Tragplatte und dem Gelenkfortsatz ist ein die Winkellage zwischen Tragplatte und Gelenkfortsatz bestimmender Aktuator angebracht. Der Aktuator kann dabei nach Art einer hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit längenveränderlich sein oder direkt auf die Achse wirken.
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Auf diese Weise erreicht man, dass bei fixiertem Aktuator am freien Ende des Gelenkfortsatzes ein Bauteil, ein Bereich, ein Punkt, kurz: das Endelement, besteht, das beim Betrieb der Grundvorrichtung eine geradlinige Bewegung vollführt, entweder auf der Linie des Geradeelementes oder parallel dazu, so dass sämtliche Vorteile der verwendeten Grundvorrichtung zur Geradführung erhalten bleiben und keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen bzw. Energie investiert werden müssen. Bei Betätigung des Aktuators zwischen der Tragplatte und dem Gelenkfortsatz erfolgt die angenähert lineare Bewegung des Endelementes in der zweiten gewählten Richtung, bevorzugt orthogonal zu der Richtung, die durch die Grundvorrichtung erzeugt wird. Verbessert und in ihren Möglichkeiten erweitert kann diese Konstruktion dadurch werden, dass der Gelenkfortsatz zwei seriell verbundene Gelenkvierecke oder dergleichen aufweist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine neue Grundvorrichtung;
- 2: eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3 bis
6: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in unterschiedlichen Positionen mit zugehörigen Diagrammen betreffend die Leistungsaufnahme.
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Bei der Grundvorrichtung 1 gemäß 1 ist, um eine Basisachse 3 der Basis 2, ein Basisarm 4 schwenkbar gelagert. Im Bereich seines freien Endes ist ein Zweitarm 6 um eine zur Basisachse 3 parallele Armachse 5 schwenkbar gelagert. Ein Koppelgestänge 11, 12, 14, schwenkbar mit der Basis 2 verbunden, dient der bereits erläuterten Kopplung der Winkellagen der beiden Arme 4, 6. Im Bereich des freien Endes des Zweitarmes 6 stellt eine Achse 7 einer Bohrung (oder eines Stutzens), das Ende dar.
Diese Achse 7 bewegt sich, wie aus den strichliert eingezeichneten unterschiedlichen Stellungen ergibt, zumindest im Wesentlichen linear (und in der gewählten Positionierung der Achsen horizontal), definiert aber keine Winkellage gegenüber der Basis 2.
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Die 2 illustriert eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die auf Basis einer Grundvorrichtung gemäß 1 ausgebildet ist: Um die Achse der Bohrung 7 schwenkbar, ist eine Tragplatte 18 vorgesehen, die mittels eines Positioniergestänges 14, 17, 16 in stets gleicher Winkellage bezüglich der Basis 2 gehalten wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Einfachheit halber das Koppelgestänge 11, 12, 14 soweit es möglich ist, mit dazu herangezogen. Das Koppelgestänge greift mit dem Stab 12 an einem Vorsprung des Zweitarmes 6 an, das Positioniergestänge mit dem Stab 14 an der Wippe 17. Ebenfalls an der Tragplatte 18 bzw. um das Geradelement, die Bohrung 7, schwenkbar gelagert, ist ein fingerförmiger Gelenkfortsatz 8 vorgesehen, der mittels eines Aktuators 13 bezüglich der Tragplatte 18 in seiner Winkellage ihr gegenüber, und damit der Basis 2 gegenüber, verdreht werden kann. Der Aktuator 13, beispielsweise eine hydraulische Zylinder-Kolben-Einheit oder eine Art Spindelantrieb, greift einerseits an der Tragplatte 18, andererseits am Gelenkfortsatz 8 an. Selbstverständlich ist ein direkt im Bereich der Achse an der Welle angreifender Drehmomentantrieb ebenfalls einsetzbar.
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Wie die strichliert eingezeichneten unterschiedlichen Positionen zeigen, ist bei nicht zu großen Winkeländerungen, ausgehend von der horizontalen Position, eine angenähert vertikale Bewegung des freien Endes des Gelenkfortsatzes 8, des Endelementes 20, erzielbar.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist aus den 3 bis 6 samt der Leistungsaufnahme des Antriebs ersichtlich: Dabei weist eine Grundvorrichtung gemäß 1 eine Kopplung der Arme mittels Zahnsegmenten auf, die Tragplatte 18 wird mittels eines Gestänges 14, 17, 16 in konstanter Winkellage bezüglich der Basis 2 gehalten.
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An der Tragplatte 18 ist als Gelenkfortsatz 8 sowohl ein Gelenkarm 9, an dem der Aktuator 13 angreift, als auch eine Steuerstange 10, gemeinsam ein Gelenkparallelogramm bildend, angelenkt. Die Koppel am freien Ende des Gelenkparallelogramms ist als Lastkoppel 21 ausgebildet, stellt das Endelement 20 dar und trägt ein Werkzeug oder einen Greifer 15.
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Die horizontale Bewegung bei einer mit 4.00,0 kg angenommenen Last ist in drei Varianten dargestellt, nämlich mit horizontalem Gelenkfortsatz (3), mit abgesenktem Gelenkfortsatz (4) und mit angehobenem Gelenkfortsatz (5). Dabei sind einige konstruktive Details aus den unterschiedlich positionierten Bauteilen gut ersichtlich. In Nebenfiguren ist die Leistungsaufnahme des Antriebes für den Basisarm 4, der allein die angedeutete Bewegung bewirkt, angegeben. Dies über der Zeit, betreffend die „volle“ Bewegung von ganz links bis ganz rechts, mit Beschleunigen - Bewegen - Bremsen. Beschleunigen und Bremsen erfolgt dabei „sanft“, um die der Vorrichtung intrinsische Ausgeglichenheit zu demonstrieren. Aus der Zusammenschau sieht man, dass die Leistungsaufnahme unabhängig von der Stellung des Gelenkfortsatzes 8 etwa sinusfömig mit einem Maximum von 1.190 Watt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt werden. So ist der Antrieb der Grundvorrichtung als Drehmomentantrieb, der direkt auf die Welle des Basisarms im Bereich der Basisachse wirkt möglich, es kann aber auch ein linear wirkender Aktuator zwischen Basis und Arm vorgesehen sein, das gleiche gilt für den Antrieb 13. Die Proportionen der Vorrichtung können anders gewählt sein, die Basis selbst kann drehbar oder fahrbar ausgebildet sein. Ebenfalls möglich ist die hängende Ausführung, speziell in der Fertigungstechnik, wo die Basis oft auf einem Kran, einem Balken oder auch am Dach montiert sein kann.
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In Kenntnis der Erfindung ist es für den Fachmann auf dem jeweiligen technischen Gebiet: Robotik, Lasthebevorrichtung, Manipulator, innerbetrieblicher Transport, etc. ein Leichtes, die statische und dynamische Berechnung, die Auslegung, die Konstruktion und den Bau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchzuführen. Dabei können auch bereits vorhandene Grundvorrichtungen erfindungsgemäß nachgerüstet werden.
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Unter „freiem Ende“ wird hier, und entsprechend dem technischen Sprachgebrauch, einfach ein Bereich des Endes des jeweils betrachteten Armes verstanden, das in der kinematischen Kette weiter von der Basis entfernt ist als das andere Ende; ein „Ende“ im mathematischen Sinn ist es selbstverständlich nicht.
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Der Begriff „geradlinige Bewegung“ entspricht in der Anmeldung der jeweils daran angenäherten Bewegung, wie es in der Technik üblich ist. Da eine solche, wie eingangs erwähnt, hauptsächlich zur Vermeidung von unnützen Hebungen bzw. Senkungen der Last, des Werkzeugs, etc. angestrebt wird, verläuft sie meist waagrecht, doch ist die Erfindung nicht auf eine derartige Konfiguration beschränkt.
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Der Fachmann auf dem entsprechenden technischen Gebiet kann in Kenntnis der Erfindung die jeweilige Auslegung und Konstruktion ohne Probleme durchführen, die Bauteile sind im Stand der Technik bekannt und in unterschiedlichen Ausführungen leicht erhältlich. Spezielle Materialien oder Materialkombinationen sind konstruktiv nicht erforderlich, wenn das Anwendungsgebiet sie verlangt, kennt sie der Fachmann auf diesem Gebiet. Verwendet werden können erfindungsgemäße Vorrichtungen als Roboter, als Manipulatoren, als Lasthebevorrichtungen, als Kräne, etc.. Je nach Verwendung kann die Basis um eine Hochachse drehbar und/oder verfahrbar ausgebildet sein, es ist auch möglich sie an einer Art Kran oder dergleichen hängend auszubilden, beispielsweise als Lackierroboter für großvolumige Teile, z.B. Autobuskarosserien oder bei der Beschickung von Hochregalen.
