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I. Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft den Roboter-Arm eines Industrieroboters sowie ein Steuerungsverfahren hierfür.
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II. Technischer Hintergrund
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In der Industrie werden Roboter benutzt, welche Werkzeuge halten und führen und sich je nach Anwendungszweck in einer unterschiedlichen Anzahl von Freiheitsgraden bewegen können.
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Dabei sind sehr unterschiedliche Konstruktionen von Robotern, insbesondere von Roboterarmen, bekannt, die sich für unterschiedliche Lasten und unterschiedliche Bewegungsgeschwindigkeiten mehr oder weniger gut eignen:
- So sind beispielsweise sogenannte Delta-Roboter, also mit Parallel-Kinematik, sehr gut dafür geeignet, relativ kleine Lasten sehr schnell zu bewegen, allerdings in einem relativ kleinen Bewegungsradius.
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Ein serieller Roboterarm, der aus Oberarm und Unterarm besteht, die gelenkig miteinander verbunden sind, hat einen größeren Wirkbereich, ist jedoch in aller Regel langsamer, kann dafür aber höhere Lasten im Vergleich zum Eigengewicht bewegen.
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Eine Bauform eines solchen Roboterarmes besteht darin, dass
- - der Oberarm um eine erste, z. B. vertikale, Achsrichtung gegenüber der Umgebung schwenkbar ist,
- - der Unterarm gegenüber dem Oberarm um eine zweite, insbesondere zur ersten Achsrichtung parallele, Achsrichtung verschwenkbar ist und
- - am freien Ende des Unterarmes eine Axialstrebe in ihrer Axialrichtung bezüglich des Unterarmes quer zu dessen Verlaufsrichtung verfahrbar ist, die an einem Ende einen Werkzeugträger für ein Werkzeug besitzt.
- - Das Verschwenken zwischen Ober- und Unterarm kann durch eine Parallelogramm-Strebe bewirkt werden, die von einem Exzenter an der Unterarmaufnahme aus betätigt wird, oder auch durch einen Zahnriemen, der gesteuert ein mit dem Unterarm drehfest verbundenes Ritzel auf der Schwenkachse antreibt.
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Dabei ist es bekannt, die Axialstrebe als Spindel auszubilden, die in einer Spindelmutter läuft, die sich im Unterarm befindet, wobei die Spindelmutter z.B. mittels eines Zahnriemens in Drehung versetzt wird, der im Unterarm umläuft und von einem weiteren Zahnriemen angetrieben wird, der im Oberarm umläuft, sodass der antreibende Motor weit entfernt angeordnet werden kann. Dadurch kann die Axialstrebe in ihrer Axialrichtung relativ zum Roboterarm verfahren werden.
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Je nach Anwendungsfall kann es darüber hinaus notwendig sein, dass die Axialstrebe und dadurch der Werkzeugträger um deren Axialrichtung drehbar ist.
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Zusätzlich und/oder stattdessen kann es notwendig sein, dass der Werkzeugträger, der an der Axialstrebe befestigt ist, gegenüber dieser verschwenkbar ist um eine quer zur Axialrichtung liegende Schwenkachse.
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Jeder zusätzliche Freiheitsgrad des Roboterarmes bedeutet jedoch zusätzlichen konstruktiven Aufwand und zusätzliches Gewicht, wodurch bei gleicher Antriebsleistung die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarmes reduziert wird.
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In der Verpackungsindustrie werden solche Roboter häufig vielfach hintereinander in Form so genannter Pickerstraßen angeordnet, entlang denen ein Produktförderer Produkte, meist ungeordnet, heranführt, die von den Robotern, auch als Picker bezeichnet, aufgenommen und auf definierte Ablagepositionen, beispielsweise in Kartons, die auf einem ebenfalls entlang der Pickerstraße verlaufenden Behälterförderer stehen, umzusetzen.
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III. Darstellung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Ausgehend von diesen bekannten Lösungen besteht die Aufgabe gemäß der Erfindung darin, einen gattungsgemäßen Roboterarm mit einer Verschwenkbarkeit des Werkzeugträgers quer zur Axialrichtung der Axialstrebe auszustatten und dennoch leicht und einfach zu gestalten, sowie ein SteuerungsVerfahren hierfür zur Verfügung zu stellen.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einem Roboterarm, der
- - einerseits eine Axial-Einheit mit einer Axialstrebe aufweist, die entlang ihrer Axialrichtung relativ zum Roboterarm axial verfahrbar ist mittels einer Axial-Antriebseinheit sowie
- - einem Werkzeugträger, der an der Axialstrebe verschwenkbar ist um eine quer zu deren Axialrichtung verlaufende Schwenkachse
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass mittels dieser Axial-Antriebseinheit zusätzlich zur axialen Verfahrung der Axialstrebe auch die Schwenkbewegung des Werkzeugträgers relativ zur Axialstrebe bewirkt werden kann, entweder zeitlich versetzt oder auch beides gleichzeitig.
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Zu diesem Zweck umfasst die Axial-Antriebseinheit vorzugsweise zwei Hub-Motore, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind, sodass durch ihr Zusammenspiel und ihre mechanische Verbindung entweder nur die axiale Verfahrung der Axialstrebe oder nur das Verschwenken des Werkzeugträgers um die Axialstrebe oder beides gemeinsam durchgeführt werden kann.
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Auf diese Art und Weise werden Teile der Axial-Antriebseinheit für beide Bewegungen genutzt, sodass der konstruktive Aufwand und vor allem das Gewicht der Axial-Antriebseinheit und damit des gesamten Roboterarmes gering bleiben.
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Bei einer ersten Bauform umfasst die Axial-Antriebseinheit ein flexibles, auf Zug belastbares Zugelement wie etwa einen Zahnriemen, mittels dessen die Bewegungen von den zwei separaten Hub-Motoren auf das zu bewegende Teil, also Axialstrebe und/oder Werkzeugträger, übertragen wird.
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In einer ersten Variante der ersten Bauform ist dieses Zugelement endlos und läuft über zwei Umkehrrollen um, die in axialer Richtung der Axialstrebe beabstandet an der Axialstrebe drehbar befestigt sind, mit parallel zueinander verlaufenden Rollenachsen, die quer zur Axialrichtung der Axialstrebe stehen.
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In Blickrichtung dieser Rollenachsen verläuft somit bezüglich der Axialrichtung und/oder der Längsmitte der Axialstrebe, insbesondere bezüglich der Axialstrebe, einander gegenüberliegend jeweils eines der beiden Trume des Zugelementes, und jedes der beiden Trume ist mit einer der von einem der Hub-Motore angetriebenen Antriebsrolle wirkverbunden.
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Der Werkzeugträger, der um eine quer zur Axialrichtung der Axialstrebe, vorzugsweise lotrecht dazu, stehende Schwenkachse verschwenkbar sein soll, ist an der einen der beiden Umkehrrollen so befestigt, dass vorzugsweise die Schwenkachse des Werkzeugträgers mit der Rollenachse dieser Umkehrrolle geometrisch identisch ist, aber der Werkzeugträger drehfest mit der Umkehrrolle verbunden ist.
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Vorzugsweise besitzen die beiden Antriebsrollen den gleichen Wirkdurchmesser und greifen auf der gleichen Seite des Querschnittes des Zugelementes, insbesondere des Zahnriemens, an diesem an.
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Hinsichtlich der Betriebsweise dieser ersten Variante wird wie folgt vorgegangen:
- Soll nur die Axialstrebe axial verfahren werden, und der Werkzeugträger soll in seiner momentanen Schwenklage zu der Umkehrrolle, an der er befestigt ist, belassen werden, so werden die beiden Hub-Motore so angetrieben, dass sich die beiden Trume des endlosen Zugelementes in die gleiche Richtung bewegen und mit gleicher Geschwindigkeit, also nach oben oder nach unten.
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Dadurch werden die beiden Umkehrrollen und damit die gesamte Axialstrebe axial relativ zu dem Rest des Roboterarmes verfahren.
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Vorzugsweise besitzen die Antriebsrollen einen gleichen Wirkdurchmesser und greifen auf der gleichen Seite des Querschnitts des Zugelementes, wie etwa des Zahnriemens, an, und müssen dann für eine solche axiale Verfahrbewegung der Axialstrebe gegenläufig angetrieben werden, und bei gleichem Wirkdurchmesser der beiden Antriebsrollen auch mit gleicher Drehzahl, da ja die beiden Trume eine gleich große, in die gleiche Richtung weisende, Bewegung vollziehen sollen.
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Soll dagegen ausschließlich eine Schwenkbewegung des Werkzeugträgers bewirkt werden, aber die Umkehrrolle, an der der Werkzeugträger befestigt ist, soll ihre axiale Position, also die Position ihrer Rollenachse, nicht verändern und somit die Axialstrebe nicht axial verlagert werden, so müssen die beiden Trume des endlosen Zugelementes in unterschiedliche Richtungen, und wegen des immer gleichen Abstandes der beiden Rollenachsen der Umlenkung natürlich mit der gleichen Strecke pro Zeiteinheit bewegt werden, also in Umlauf um die beiden Umkehrrollen versetzt werden.
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Dies wird fortgesetzt, bis sich die beiden Umkehrrollen um einen solchen Winkelbetrag gedreht haben, um den man den Werkzeugträger, der drehfest an einer der Umkehrrollen befestigt ist, verschwenken möchte.
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Hierfür müssen - bei Angriff auf der gleichen Seite des Querschnitts des Zugelementes - die Antriebsrollen synchron angetrieben werden mit identischer Umfangsgeschwindigkeit, was bedeutet, dass sie sich bei gleich großem Wirkdurchmesser synchron und gleich schnell drehen müssen.
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Vorzugsweise sind dabei beide Antriebsrollen in der Axial-Einheit, entlang der die Axialstrebe geführt ist, gelagert, und insbesondere auch die beiden Hub-Motore an der Axial-Einheit befestigt.
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Dies ergibt eine kompakte Bauweise der Axial-Einheit und vor allem eine sehr einfach handhabbare Baugruppe, bestehend aus dem Gehäuse der Axial-Einheit, der darin ausgebildeten Axialführung, darin geführter Axialstrebe, dem endlosen Zugelement, den beiden Umkehrrollen und den beiden Antriebsrollen einschließlich des diese jeweils antreibenden Hub-Motors, sodass diese Einheit im Ganzen in einen zum Beispiel Durchbruch eines Roboterarmes, insbesondere eines Unterarmes eines seriellen Roboterarmes, eingesteckt und gegenüber diesem verschraubt werden kann. Vorzugsweise ist die Axialführung der Innenumfang einer Führungshülse, die - einstückig oder separat - Bestandteil des Gehäuses der Axial-Einheit ist
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Eine besonders schlanke und kompakte Bauform der Axialeinheit ergibt sich, wenn die elektrischen Hub-Motore mit ihrer Abtriebswelle nicht fluchtend und koaxial zu der jeweiligen Antriebsrolle angeordnet sind und von dieser und damit in der Regel auch dem Gehäuse der Axialeinheit seitlich abstreben, sondern koaxial zur axialen Richtung um die Axialstrebe herum angeordnet sind.
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Wenn dabei der Stator des elektrischen Hubmotors Bestandteil der Axialeinheit, insbesondere deren Gehäuses, ist und der Rotor Bestandteil der Axialführung, besteht zusätzlich der Vorteil, dass die Stromzuführung nur zu der ortsfest am Roboterarm befestigten Axialeinheit, also dem Gehäuse der Axialeinheit, notwendig ist und durch die Bewegung der Axialstrebe keine Bewegungen der elektrischen Zuleitungen innerhalb der Axialeinheit bewirkt werden. Das gleiche Ist auch mit dem später beschriebenen Drehmotor möglich.
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In einer bevorzugten Bauform sind die Statoren beider Hubmotore - vorzugsweise auch der Stator des später beschriebenen Drehmotors - Teil des Gehäuses der Axialeinheit, sodass die 2 bzw. 3 elektrischen Motore hierüber mechanisch verbunden sind und das Gehäuse mit deren Statoren ein einziges Bauteil bildet.
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Will man das beim Bewegen des Unterarmes jeweils zu beschleunigende Gewicht möglichst gering halten, so könnte man die beiden Hub-Motore von der Axialeinheit weg verlagern, zum Beispiel zu der Schwenkachse zwischen Oberarm und Unterarm des Roboterarmes, oder gar noch weiter von dort zur Schwenkachse zwischen Oberarm und Roboterbasis. Das gleiche Ist auch mit dem später beschriebenen Drehmotor möglich.
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Hierfür kann jeweils ein endloses Zugelement, wie etwa ein Zahnriemen, für jeden der Motore im entsprechenden Armteil, zumindest dem Unterarm, umlaufen in einer Ebene, die lotrecht zur axialen Richtung und auch lotrecht zur Schwenkachse zwischen beispielsweise Oberarm und Unterarm verläuft und mit um diese axialen Richtungen drehbare Umlenkollen oder Umlenkhülsen im Eingriff stehen und wirkverbunden sind. Die entsprechenden Motore können dann koaxial auf der Schwenkachse zwischen Oberarm und Unterarm sitzen.
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Eine weitere Kraftübertragung von dort zur Roboterbasis mittels jeweils eines weiteren analog umlaufenden Zahnriemens ist möglich, wenn man diese Motore noch weiter entfernt von der Axialeinheit an der Schwenkachse zwischen Oberarm und Roboterbasis anordnen möchte.
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In einer besonders einfachen Bauform ist die entsprechenden Umlenkhülse in der Axialeinheit kegelverzahnt und kämmt mit einem Kegelzahnrad, welches koaxial zur Antriebsrolle für den Zahnriemen der Axialstrebe angeordnet ist und mit dieser drehfest verbunden ist.
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In einer zweiten Variante dieser ersten Bauform werden statt eines einzigen endlosen Zugelementes ein oder zwei endliche Zugelemente verwendet.
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Bei zwei endlichen Zugelementen verläuft jedes über je eine der beiden, oberen und unteren, Umkehrrollen, und die beiden Enden jedes der beiden endlichen Zugelemente sind jeweils auf dem Umfang einer von zwei gesteuert in beide Drehrichtungen antreibbaren Wickelrolle fixiert, die in diesem Fall als Antriebsrollen dienen und wovon sich wie zuvor bei den Antriebsrollen diese auf einander gegenüberliegenden Seiten bezüglich der Axialstrebe befinden.
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Zusätzlich sind die beiden Enden der beiden verschiedenen Zugelemente auf der gleichen Wickelrolle so befestigt, dass sich bei Drehung der Wickelrolle dass eine der beiden Zugelemente auf dieser aufwickelt und das andere von dieser abwickelt.
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Gegenüber der Lösung mit einem einzigen endlosen Zugelement erscheint dies auf den ersten Blick umständlich.
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Benutzt man jedoch ein Zugelement, welches nicht nur zugfest, sondern auch druckfest in seiner Erstreckungsrichtung ist - egal ob aufgrund der Materialeigenschaften des Zug/Schubelementes oder aufgrund einer umgebenden Führung, die ein seitliches Ausweichen verhindert -, so wird nur ein einziges endliches Zugelement benötigt, welches um diejenige, in aller Regel untere, Umkehrrolle Umkehrrolle herumgeführt ist, an der der Werkzeugträger schwenkbar befestigt ist. Die andere Umkehrrolle wird dann nicht mehr benötigt.
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Dann kann mittels entsprechender Ansteuerung der mit diesen Wickelrollen wirkverbundenen beiden Hub-Motore die gleiche Vorgehensweise bewirkt werden wie bei der ersten Variante mit einem endlos umlaufenden Zugelement, jedoch zwei Umkehrrollen.
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Hinsichtlich der Betriebsweise bei dieser zweiten Variante werden die Wickelrollen - wiederum gleicher Wirkdurchmesser vorausgesetzt - für ein ausschließlich axiales Verfahren der Axialstrebe entweder beide in die Abwickelrichtung oder beide in die Aufwickelrichtung angetrieben werden.
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Bei unterschiedlichen Wirkdurchmessern natürlich nicht mit der gleichen Drehzahl, sondern so, dass pro Zeiteinheit die gleiche Länge an Zugelement auf- oder abgewickelt wird.
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Für das ausschließliche Bewirken einer Schwenkbewegung des Werkzeugträgers müssen von den beiden Wickelrollen die einen in Aufwickelrichtung, die anderen in Abwickelrichtung angetrieben werden und so, dass sich beide von der Umkehrrolle abstrebenden Trume mit der gleichen Strecke pro Zeiteinheit, lediglich in entgegengesetzte Richtungen, bewegen.
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In einer zweiten Bauform umfasst die Axialstrebe zwei Teilstreben, die beide in axialer Richtung verlaufen, und in axialer Richtung sowohl relativ zueinander verschiebbar sind als auch jeweils relativ zur Axialführung verschiebbar sind.
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Beide Teilstreben sind mittels je eines Hub-Motors unabhängig voneinander in der Axialrichtung verschiebbar, beispielsweise indem entlang jeder der beiden Teilstreben eine Zahnstange ausgebildet ist, die mit je einem Ritzel kämmt, welches mit je einem der beiden Hub-Motor wirkverbunden ist, insbesondere drehfest verbunden ist.
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An einem Ende der beiden sich in etwa über den gleichen Längenbereich erstreckenden Teilstreben ist der Werkzeugträger befestigt und gelenkig mit jeder der beiden Teilstreben verbunden, wofür sich mehrere Detaillösungen anbieten.
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Dabei ist in einer 1. Detaillösung die eine Teilstrebe vorzugsweise direkt und verschwenkbar um eine erste Schwenkachse, die quer zur Axialrichtung verläuft, mit dem Werkzeugträger verbunden, während die andere Teilstrebe über eine Zwischenstrebe mit dem Werkzeugträger verbunden ist, wobei die Zwischenstrebe um eine zweite Schwenkachse verschwenkbar am Werkzeugträger befestigt ist, und die beiden Schwenkachsen parallel verlaufend, aber quer zur Axialrichtung zueinander beabstandet sind.
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Auch an der sie tragenden Teilstrebe ist die Zwischenstrebe verschwenkbar um eine dritte Schwenkachse befestigt, die parallel zu den ersten beiden Schwenkachsen liegt.
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In einer 2. Detaillösung kann der Umfang eines Schwenkbolzens, der Dreh fest mit dem Werkzeugträger verbunden ist und als Schwenkachse dient, um welche der Werkzeugträger schwenkbar ist, eine Außenverzahnung aufweisen, und sich zwischen den unteren Enden der beiden Teilstreben befinden, die jeweils in ihrer dieser Außenverzahnung zugewandten Seite in diesem unteren Bereich als Zahnstange ausgebildet sind, die beide mit der Außenverzahnung kämmen.
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Die Betriebsweise dieser zweiten Bauform besteht darin, dass bei Relativverschiebung der beiden Teilstreben zueinander der Werkzeugträger um die erste Schwenkachse, mit der er gegenüber der direkt daran befestigten Teilstrebe verbunden ist, also gegenüber der Axialstrebe, verschwenkt wird.
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Die Zwischenstrebe dient dazu, den in einer horizontalen Ebene zur axialen Richtung gemessenen Abstand zwischen erster und zweiter Schwenkachse zu kompensieren.
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Werden die beiden Teilstreben dagegen synchron in die gleiche Richtung bewegt, behält der Werkzeugträger seine momentane Drehlage zur Axialstrebe bei und die Axialstrebe wird relativ zum Roboterarm in axialer Richtung verfahren.
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Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine Pickerstraße in der Aufsicht von oben,
- 2a - c: einen Teil eines Roboterarmes einer 1. Bauform - mit endlosem Zugelement - in einzelnen Ansichten,
- 3a - c: einen Teil eines Roboterarmes einer ersten Bauform - mit endlichem Zugelement - in einzelnen Ansichten,
- 4a - c: einen Teil eines Roboterarmes einer 2. Bauform in einzelnen Ansichten,
- 4a 1/2: eine Detailvergrößerung aus 4a sowie eine hierzu alternative Lösung
- 5: einen Längsschnitt durch eine Axialeinheit mit koaxialintegrierten Elektromotoren,
- 6: einen Längsschnitt durch eine axiale Einheit, angetrieben von entfernt liegenden Motoren.
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1 zeigt eine übliche Pickerstraße oder Roboterstraße 100, mit deren Hilfe Produkte P, die unregelmäßig auf einem Produkt-Förderer 101 herantransportiert werden, von den Roboterarmen 1 der Roboter 104, die in Förderrichtung X des Produkt-Förderers 101 hintereinander angeordnet sind, ergriffen und in vorgegebene Positionen in Behältern 102 umgesetzt werden, die auf einem in diesem Fall parallelen Behälter-Förderer 103 heran- und abtransportiert werden.
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Die Roboterarme 1 bestehen jeweils aus einem Oberarm 2, der an einem festen Punkt der Umgebung schwenkbar und gesteuert um eine senkrechte Schwenkachse 11 verschwenkbar ist, sowie einen Unterarm 3, der um eine ebenfalls vertikale Schwenkachse 10 gegenüber dem freien Ende des Oberarmes 2 gesteuert verschwenkbar ist. Das freie Ende des Unterarmes 3 ist somit in einer lotrecht zu diesen Schwenkachsen 10, 11 liegenden Ebene, in der Regel einer horizontalen Ebene, der X-Y-Ebene gesteuert beweglich
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Wie die folgenden Figuren zeigen, ist am freien Ende jedes Roboterarmes 1 ein Werkzeugträger 23 mit daran befindlichem Werkzeug 22, der quasi die Hand des Roboterarmes darstellt, nicht direkt befestigt, sondern zum Anheben und Absenken eines daran gehaltenen Produktes P eine Axialstrebe 4 am freien Ende des Unterarmes 2 befestigt, die den Werkzeugträger 23 trägt.
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Die Axialstrebe 4 erstreckt sich in der Höhe, insbesondere der Vertikalen Z, und ist in dieser Richtung beweglich relativ zum Unterarm 3 angeordnet. An ihrem unteren Bereich befindet sich der Werkzeugträger 23 mit dem daran befindlichen Werkzeug 22, in diesem Fall einem Sauger 22.
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Zusätzlich soll in den meisten Fällen die Axialstrebe 4 um ihre Längsrichtung 4', die meist die Vertikale, die Z-Richtung ist, drehbar gestaltet sein, was immer dann notwendig ist, wenn es sich bei den Produkten P um unrunde Produkte handelt, die jedoch in einer bestimmten Drehlage an der Ablageposition, z.B. in den Behältern 102, abgelegt werden müssen.
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Ein an einem solchen Roboterarm befestigtes Werkzeug besitzt dann somit vier Freiheitsgrade, nämlich die Bewegungsmöglichkeit in allen drei Raumrichtungen sowie die Drehbarkeit um die aufrechte Achse 4'.
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In einigen Anwendungsfällen ist es jedoch notwendig, dass zusätzlich das Werkzeug um eine quer zur axialen Richtung 4', in der Regel um eine horizontal liegende, Schwenkachse 23' verschwenkbar ist, beispielsweise wenn liegend auf einem Produkt-Förderer 101 angelieferte Produkte, z.B. Kekse, in Behältern 2 schräg aufrecht stehend, also geschindelt, abgestellt werden sollen.
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Einen um einen solchen fünften Freiheitsgrad erfindungsgemäßen Roboterarm zeigen die 2a - c in einer ersten Bauform:
- Dabei wird der für das Verfahren der Axialstrebe 4 in der Höhe benötigte Hub-Antrieb gleichzeitig genutzt, um das Verschwenken des Werkzeugträgers 23 sowie des daran wechselbar angeordneten, auf das Produkt P abgestimmten, Werkzeuges, hier eines Saugers 22, um eine horizontale Schwenkachse 23' zu realisieren.
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Zu diesem Zweck wird die Verfahrung der Vertikalstrebe 4 entlang ihrer Längsrichtung 4' relativ zum Unterarm 3 mittels eines endlosen Zahnriemens 15 durchgeführt, der um zwei Umkehrrollen 12.1 und 12.2 umläuft und mit diesen wirkverbunden ist, welche sich am unteren und oberen Ende der Axialstrebe 4 befinden.
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In der Axialeinheit 5 ist eine Axialführung 6 ausgebildet, entlang der die Axialstrebe 4 geführt wird. Im vorliegenden Fall besteht die Axialführung 6 aus dem Innenumfang einer Führungshülse 6a, die insbesondere drehfest in der Axialeinheit 5 angeordnet ist, und durch die sich die Axialstrebe 4 von oben nach unten hindurch erstreckt, während die beiden beidseits der Axialstrebe 4 verlaufenden Trume 15a, 15b des Zahnriemens 15 außerhalb der Führungshülse 6a verlaufen.
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Die auf den beiden einander gegenüberliegenden Seiten bezüglich der Axialstrebe 4 verlaufenden beiden Trumen 15a, 15b stehen jeweils mit einer gesteuert antreibbaren Antriebsrolle 13.1, 13.2 in Wirkverbindung, die zur Erzielung eines besseren Umschlingungswinkels etwas weiter von der Axialstrebe 4 entfernt sind als ein direkt von der oberen zur unteren Umkehrrollen 12.1, 12.2 verlaufendes Trum 15a, 15b des Zahnriemens 15. Dementsprechend ist beidseits jeder der Antriebsrollen 13.1, 13.2 an dem entsprechenden Trum 15a, 15b des Zahnriemens 15 anliegend eine von zwei Umlenkrollen 16.1, 16.2 angeordnet, die den Zahnriemen umlenkt zu der entsprechenden Antriebsrolle 13.1, 13.2.
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Wie die 2b und 2c zeigen, liegen die Umkehrrollen 12.1, 12.2, sowie die Umlenkrollen 16.1, 16.2 sowie die Antriebsrollen 13.1, 13.2 in einer Ebene, der Umlaufebene des endlosen Zahnriemens 15.
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Die Antriebsrollen 13.1, 13.2 stehen mit dem Zahnriemen 15 in Eingriff, indem sie insbesondere mit dessen Innenseite - bezogen auf die endlos umlaufende Form des Zahnriemens - in Kontakt stehen, die eine Zahnung aufweist, wobei vorzugsweise auch die Umfangsflächen der Umkehrrollen 12.1, 12.2 eine dazu passende Zahnung aufweisen.
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Jede der beiden Antriebsrollen 13.1, 13.2 wird von einem von zwei koaxial fluchtend dazu angeordneten Hub-Motoren 9.1, 9.2 angetrieben, die an der Axialeinheit 5 befestigt sind und von deren Gehäuse zur Seite horizontal abstreben.
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Der Werkzeugträger 23 ist drehfest mit der unteren Umkehrrolle 12.1 verbunden, sodass die Schwenkachse 23', um die der Werkzeugträger 23 und damit das Werkzeug 22 verschwenkt werden können, die Rollen-Achse 12.1' dieser unteren Umlenkrolle 12.1 ist.
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Aus 2a wird ersichtlich, dass folgende Bewegungen erzielbar sind durch entsprechende Ansteuerung der Hub-Motoren 9.1, 9.2:
- - Verfahren der Axialstrebe 4 in der Führungshülse 6a nach oben, indem die beiden - hinsichtlich des Wirkdurchmessers gleich großen - Antriebsrollen 13.1 13.2 gegenläufig und mit gleicher Drehzahl angetrieben werden, hiervon die linke Antriebsrolle 13.1 im Uhrzeigersinn, die andere, 13.2 entgegen dem Uhrzeigersinn.
Bei Drehung der Antriebsrolle 13.1 entgegen dem Uhrzeigersinn und der anderen Antriebsrolle 13.2 im Uhrzeigersinn wird die Axialstrebe 4 nach unten verfahren.
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Der Werkzeugträger 23 verbleibt dabei relativ zur Rollen-Achse 12.1', also zu seiner Schwenkachse 23', in der Schwenklage ohne diese zu ändern.
- - Dagegen wird eine Schwenkbewegung des Werkzeugträgers 23 um die Schwenkachse 23' bewirkt, indem die untere Umlenkrolle 12.1 um den entsprechenden Winkelbetrag gedreht wird, was durch entsprechende Abwärtsbewegung des einen Trums 15a und Aufwärtsbewegung des anderen Trums 15b oder umgekehrt erfolgt.
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Sind diese beiden Bewegungen gleich schnell, also die Verlagerung der beiden Trume pro Zeiteinheit beträgt dieselbe Strecke, so behält dabei die Axialstrebe 4 ihre ursprüngliche Höhenlage bei.
- - Natürlich können auch beide Bewegungen überlagert, also gleichzeitig stattfinden, wobei die Differenzgeschwindigkeit zwischen den beiden Trumen 15a, 15b das Verdrehen der unteren Umlenkrolle 12.1 und damit Verschwenken des Werkzeugträgers 23 bewirkt, und sich gleichzeitig die Axialstrebe 4 z.B. nach oben bewegt, wenn sich die beiden Trume 15a, 15b dabei gleichzeitig nach oben bewegen.
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Um die Drehbarkeit der Axialstrebe 4 und damit des daran befestigten Werkzeuges 22 um die aufrechte Längsrichtung 4' der Axialstrebe 4 zu gewährleisten, ist die gesamte Axialeinheit einschließlich der drehfest um die axiale Richtung 4' darin angeordnete Führungshülse 6a drehbar um die axiale Richtung 4' am Unterarm 3 angeordnet, wobei in diesem Fall das Gehäuse der Axialeinheit 5 auf der Oberseite im freien Endbereich des Unterarmes 3 aufsitzt und sich die Führungshülse 6a der Axialeinheit 5 nach unten in das hohle Innere des Unterarmes 3 hinein erstreckt.
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Für die Drehung der Axialeinheit 5 muss deren Führung 6, insbesondere die Führungshülse 6a, gedreht werden um die axiale Richtung 4', da die Axialstrebe 4 drehfest um die Erstreckungsrichtung 4' in dieser geführt ist.
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Zu diesem Zweck ist auf dem Außenumfang der Führungshülse 6a eine Verzahnung angeordnet, über die ein endloser Zahnriemen 15 umläuft, der angetrieben wird von einer Zahnrolle 24, die am anderen Ende des Unterarmes 3 angeordnet ist, in diesem Fall drehbar um die Schwenkachse 11, um die Unterarm 3 und Oberarm 2 relativ zueinander verschwenkbar sind.
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Wie dargestellt, kann diese Zahnrolle 24 angetrieben werden von einem Dreh-Motor 25, der ebenfalls direkt auf der Schwenkachse 11 sitzt, oder mittels eines weiteren, in 3 dargestellten Zahnriemens 21.1, der im hohlen Oberarm 2 verläuft und mit der Zahnrolle 24 in Wirkverbindung steht und von einem Dreh-Motor 25 angetrieben wird, der sich an der Roboter-Basis, also an oder auf dem vom Unterarm 3 abgewandten Ende des Oberarmes 2 befindet.
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Alternativ zu den 2a - c zeigen die 3a - c eine Lösung mit einem endlichen Stück eines Zug-/Druckelementes, welches ein entsprechend steifer Zahnriemen 15 sein kann oder auch ein anderes, sowohl auf Zug als auch auf Druck belastbares, Zug-/Druckelement oder ein Zugelement, welches durch entsprechende seitliche Führung an einem seitlichen Ausbrechen gehindert ist.
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Dieses in den 3a - c als zugfest und druckfest in seiner Verlaufsrichtung unterstellte, endliche Zug-/Druckelement 15 führt ebenfalls um die untere Umlenkrolle 12.1 herum, ist mit seinen Enden jedoch jeweils an einer Wickelrolle 14.1, 14.2 am Umfang befestigt, die an Stelle der Antriebsrollen 13.1, 13.2 in der Axialeinheit 5 vorhanden sind. Dementsprechend ist eine obere Umlenkrolle nicht mehr notwendig und nicht vorhanden.
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Damit ist die gleiche Funktionalität, nämlich aufwärts und abwärts bewegen der Axialstrebe 4 und / oder Verschwenken des Werkzeugträgers 23 um die Schwenkachse 23' möglich:
- Durch gleich schnelles Abwickeln des Zug-/Druckelementes 15 von den beiden Wickelrollen 14.1, 14.2 wird die Axialstrebe 4 nach unten bewegt, durch gleich schnelles Aufwickeln nach oben. Durch unterschiedlich schnelles Auf- und / oder Abwickeln wird mittels der Differenzgeschwindigkeit der Werkzeugträger 23 verschwenkt, wobei gleichzeitig auch eine axiale Verfahrbewegung der Axialstrebe 4 erfolgen kann.
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5 zeigt eine andere Bauform der Axialeinheit 5 und insbesondere deren Axial-Antriebseinheit 8 - mit Blickrichtung analog zu 2b und 3b - in einem Axialschnitt, wobei die elektrischen Hub-Motore 9.1, 9.2 sowie der elektrische Drehmotor 25 jeweils aus einem Stator 26 und einem relativ dazu drehbaren Rotor 27 bestehen, die jeweils hülsenförmig ausgebildet sind und sich konzentrisch um die Axialstrebe 4 und deren axiale Richtung 4' herum erstrecken. Dabei ist der radial außen liegende Stator 26 Teil des Gehäuses 5a der Axialeinheit 5, das in diesem Fall fest und nicht drehbar am Unterarm 3 befestigt ist, während der Rotor 27 relativ dazu drehbar mittels Lagern 30 koaxial um die Axialrichtung 4' angeordnet ist.
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Auch die Führungshülse 6a mit der darin in ihrer Durchgangsöffnung ausgebildeten Axialführung 6 ist drehbar mittels Lagern 30 um die axiale Richtung 4' gegenüber und im Inneren des Gehäuses 5a der Axialeinheit 5, jedoch unabhängig vom Rotor 27.
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In der Führungshülse 6a sind als Axialführung 6 in deren inneren Freiraum vorstehende Führungsrollen 28 gelagert, die an den Außenflächen der Axialstrebe 4 anliegen, vorzugsweise auf allen beispielsweise vier Außenflächen der im Querschnitt viereckigen Axialstrebe 4, sodass bei einer Drehung der Führungshülse 6a um die axiale Richtung 4 auch die Axialstrebe 4 mit gedreht wird.
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Wie auch in den 3 und 2 steht mit jedem der beiden Trume 15a, 15b des Zahnriemens 15 je eine von zwei Antriebsrollen 13.1, 13.2 im Eingriff - wobei durch entsprechend angeordnete je zwei Umlenkrollen 16.1, 16.2 für einen großen Umschlingungswinkel um jede der Antriebsrollen 13.1, 13.2 gesorgt ist -, die in 5 zur besseren Verständlichkeit in der axialen Richtung 4' versetzt und beide sichtbar dargestellt sind, aber in der Realität sich in Blickrichtung der 5 eine vor und eine hinter der Axialstrebe 4 befinden und auch an der gleichen Axialposition und in Blickrichtung der 5 hintereinander befinden können.
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Jede der beiden Antriebsrollen 13.1, 13.2 ist beidseits in der Führungshülse 6a gelagert und mit einem Kegelzahnrad 31 wirkverbunden, insbesondere drehfest verbunden, welches radial außerhalb der Führungshülse 6a angeordnet ist und mit einer stirnseitigen Kegelverzahnung 32 auf dem hülsenförmigen Rotor 27 eines der Hubmotore 9.1, 9.2 kämmt.
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Die Antriebsrollen 13.1, 13.2 könnten jedoch ebenso gut mit jeweils einer der an den beiden Teilstreben 4a, b gemäß der 2. Bauform insbesondere der 4a bis c kämmen, sodass die Ausbildung der Axial-Antriebseinheit 8 gemäß 5 für beide Bauformen anwendbar ist.
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Auch der Drehmotor 25 ist analog mit seinem Stator 26 fix im Innenumfang des Gehäuses 5a der Axialeinheit 5 und mit seinem Rotor 27 fix auf der Außenseite der Führungshülse 6a koaxial um die Längsrichtung 4' und damit die Axialstrebe 4 herum angeordnet, sodass sich bei Einschalten des Drehmotors 25 die Führungshülse 6a im Inneren des Gehäuses 5a um die axiale Richtung 4' dreht.
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Sobald einer der Statoren 27 bestromt wird, setzt sich der entsprechende Motor 9.1, 9.2 oder 25 in Bewegung.
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Dadurch wird eine sehr schlanke, kompakte Bauform der Axialeinheit 5 erreicht.
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Die 4a - c zeigen einen Teil des Roboterarmes in analogen Ansichten wie die 2a - c, wobei der Antrieb der Axialstrebe 4 jedoch dadurch erfolgt, dass diese aus zwei parallel zueinander angeordneten und unabhängig voneinander angetriebenen Teilstreben 4a, b besteht, die in diesem Fall auch aneinander anliegen, und gemeinsam in der sich durch die Axialführung 6 der Führungshülse 6a hindurch erstrecken, jedoch auch beabstandet zueinander in separaten Führungen geführt sein könnten.
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Jede der beiden Teilstreben 4a, b ist relativ zu der Axialführung 6, insbesondere der Führungshülse 6a und damit der Axialeinheit 5 nach oben und unten verfahrbar. Die Teilstreben 4a, b werden angetrieben durch jeweils wiederum einen Hub-Motor 9.1, 9.2, die in diesem Fall jeweils eine der Teilstreben 4a, b über jeweils ein Antriebsritzel 13.1, 13.2 antreiben, welches mit einer in Verlaufsrichtung 4' an jeder der beiden Teilstreben 4a, b verlaufenden Zahnstange 17a, b in Eingriff steht.
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Der Werkzeugträger 23 ist mit den unteren Enden beider Teilstreben 4a, b gelenkig verbunden um jeweils eine Schwenkachse 18.1', 18.2', wobei diese beiden Schwenkachsen parallel und im Abstand zueinander verlaufen und quer zur axialen Richtung 4', der Längsrichtung der Axialstrebe 4, wie am besten in der Detailvergrößerung der 4a1 aus 4a ersichtlich.
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Während die Werkzeugaufnahme 23 um eine Schwenkachse 18.1' direkt am unteren Ende der einen Teilstrebe 4a befestigt ist, ist sie gegenüber der anderen mittels einer Zwischenstrebe 19 befestigt, die ihrerseits an dem von der Schwenkachse 18.2', um die sie gegenüber der Werkzeugaufnahme 23 verschwenkbar ist, um eine dazu parallele Schwenkachse an ihrem anderen Ende mit dem unteren Ende der anderen Teilstrebe 4b verschwenkbar ist.
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Durch Relativverschiebung der beiden Teilstreben 4a, b wird also die Werkzeugaufnahme 23 um die Schwenkachse 18.1' zum unteren Ende der einen Teilstrebe 4a verschwenkt, durch synchrone Bewegung der beiden Teilstreben 4a, b wird die Axialstrebe 4 in axialer Richtung verlagert unter Beibehaltung der Schwenklage des Werkzeugträgers 23.
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Das gleiche kann gemäß 4a2 erreicht werden durch eine andere Befestigung des Werkzeugaufnahme 23 an den Teilstreben 4a, b:
- Hierfür ist auf dem Außenumfang des als Schwenkachse 23' dienenden Schwenkbolzens 29, der drehfest mit dem Werkzeugträger 23 verbunden ist, eine Umfangsverzahnung 33 aufgebracht, die mit jeweils einer Zahnstange 34a, b kämmt, die auf den einander und zu diesem Schwenkbolzen 29 gewandten Innenseiten der beiden Teilstreben 4a, b angeordnet sind in einem solchen Abstand, dass sie beide mit der Umfangsverzahnung 33 im Eingriff stehen.
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Durch Relativverfahrung der beiden Teilstreben 4a, b in axialer Richtung 4' wird der Schwenkbolzen und damit der Werkzeugträger 23 um die quer zur axialen Richtung 4' verlaufende Schwenkachse 23' gedreht, kann dabei jedoch auch gleichzeitig ihre axiale Position entlang der axialen Richtung vier' ändern, was bei der Ansteuerung zu berücksichtigen ist.
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6 zeigt, wie die Axial-Antriebseinheit 8 beabstandet zur Axialeinheit 5 angeordnet werden kann, beispielsweise indem deren - in 6 nicht dargestellten - Motore 25, 9.1, 9.2 entfernt von der Axialeinheit 5, beispielsweise mit ihren Abtriebswellen fluchtend zur Schwenkachse 11 zwischen Unterarm 2 und Oberarm 3 oder noch weiter entfernt positioniert werden:
- Zu diesem Zweck laufen im Unterarm 2 drei endlose Zugelemente, insbesondere Zahnriemen 20, 21a, 21b, um, von denen der Zahnriemen 20 von dem entfernten Drehmotor 25 angetrieben wird und je einer der beiden Zahnriemen 21a, 21b von einem der entfernt angeordneten der beiden Hubmotore 9.1, 9.2 angetrieben wird.
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Bei dieser Lösung ist die Axialeinheit 5 - abgesehen von ihren Motoren - vollständig im hohlen Inneren des freien Endes des Unterarmes 2 aufgenommen, aus der nur die Axialstrebe 4 nach unten und gegebenenfalls auch nach oben vorsteht.
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In der Oberseite einerseits und der Unterseite des Unterarmes 2 andererseits ist jeweils eine verzahnte Hülse 35a, b drehbar um die axiale Richtung 4' und sich um die Axialstrebe 4 herum erstreckend gelagert. Jede dieser verzahnten Hülsen 35a, b erstreckt sich axial in das Innere des Unterarmes 2 hinein.
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Die Führungshülse 6a, in der die Axialstrebe 4 in axialer Richtung 4' geführt ist, ist gegenüber diesen beiden verzahnten Hülsen 35a, b mittels Lagern 30 drehbar ebenfalls um die axiale Richtung gelagert.
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Im axialen Längenbereich zwischen den beiden Hülsen 35 a, b besitzt die Führungshülse 6a eine Außenverzahnung, die mit dem Zahnriemen 20, der von dem nicht dargestellten Drehmotor 25 angetrieben wird, in Eingriff steht, wodurch die Führungshülse 6a und damit die Axialstrebe 4 um die axiale Richtung 4' gedreht werden kann mittels des Drehmotors 25.
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Im vorliegenden Fall besteht die Axialstrebe 4 analog der 4a bis c aus zwei Teilstreben 4a, b, auf denen jeweils eine in axialer Richtung 4' verlaufende Zahnstange 17a, b aufgebracht ist, von denen hier nur die Teilstreben 4a mit ihrer Zahnstange 17 a sichtbar ist, während sich die andere Teil strebe in Blickrichtung dahinter befindet.
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Die Zahnstange 17a steht mit einem Antriebsritzel 13.1 in Eingriff, welches beidseits in der Führungshülse 6a gelagert ist und drehfest mit einem Kegelzahnrad 31 verbunden ist, welches mit einer Kegelverzahnung 32 auf der ins Innere des Unterarmes 2 hineinragenden Stirnfläche der verzahnten Hülse 35a in Eingriff steht.
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Da die verzahnte Hülse 35a auf ihrem Außenumfang eine Verzahnung besitzt, mit der sie mit dem um den Außenumfang herumgeführten Zahnriemen 21a in Eingriff steht, welcher von dem entfernten, nicht dargestellten Hub-Motor 9.1 aus angetrieben wird, kann hierüber die Teilstrebe 4a in axialer Richtung 4' relativ zur Führungshülse 6a und damit dem Unterarm 2 gesteuert verfahren werden.
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In gleicher Weise steht ein zweites Antriebsritzel 13.2 mit der in Blickrichtung hinter der sichtbaren Teilstrebe 4a liegenden anderen Teilstrebe und deren Zahnstange im Eingriff, und wird mittels des drehfest damit verbundenen Kegelzahnrades 31 und der Kegelverzahnung 32 auf der Stirnseite der anderen verzahnten Hülse 35b, die von einem analogen anderen Zahnriemen 21b in Drehung versetzt werden kann, angetrieben, um die andere Teilstrebe in axialer Richtung 4' gesteuert zu verfahren.
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Die Zahnriemen 20, 21a, 21b laufen somit in zueinander beanstandeten Ebenen um, die lotrecht zur axialen Richtung 4' liegen.
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6 lässt erkennen, dass diese Ausbildung der Axialeinheit 5 auch bei der 1. Bauform anwendbar ist, also die Antriebsritzel 13.1, 13.2 auch mit der Verzahnung auf einem entsprechenden, endlichen oder endlosen, Zahnriemen 15 in Eingriff stehen könnten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Roboter-Arm
- 2
- Oberarm
- 3
- Unterarm
- 4
- Axialstrebe
- 4a, b
- Teilstrebe
- 4'
- Längsrichtung, axiale Richtung
- 5
- Axialeinheit, 5a Gehäuse
- 6
- Axialführung
- 6a
- Führungshülse
- 7a, b
- Befestigungspunkt
- 7
- Verlaufsrichtung
- 8
- Axial-Antriebseinheit
- 9a, b
- Hub-Motor
- 10
- Schwenkachse
- 11
- Schwenkachse
- 12.1, 12.2
- Umkehrrolle
- 12.1', 12.2'
- Rollen-Achse
- 13.1, 13.2
- Antriebsrolle, Antriebsritzel
- 14.1, 14.2
- Wickelrolle
- 15
- Zugelement, Zahnriemen
- 16.1, 16.2
- Umlenkrolle
- 17a, 17b
- Zahnstange
- 18.1' 18.2'
- Schwenkachse
- 19
- Zwischenstrebe
- 20
- Zugelement, Zahnriemen
- 21
- Zugelement, Zahnriemen
- 22
- Sauger
- 23
- Werkzeugträger
- 23'
- Schwenkachse
- 24
- Zahnrolle
- 25
- Drehmotor
- 26
- Statue
- 27
- Rotor
- 28
- Führungsrolle
- 29
- Schwenkbolzen
- 30
- Lager
- 31
- Kegelzahnrad
- 32
- Kegelverzahnung
- 33
- Umfangsverzahnung
- 34a, b
- Zahnstange
- 35a, b
- verzahnte Hülse
- 100
- Roboterstraße, Pickerstraße
- 101
- Produkt-Förderer
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- Behälter
- 103
- Behälter-Förderer
- 104
- Roboter, Roboterbasis
- P
- Produkt
