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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Scara-Roboter, welcher als
Roboterkörperteile
eine Roboterkonsole, einen um eine erste Schwenkachse schwenkbar
an der Roboterkonsole angelenkten ersten Roboterarm und einen an
dem ersten Roboterarm um eine zur ersten Schwenkachse im Wesentlichen
parallele zweite Schwenkachse schwenkbar angelenkten zweiten Roboterarm
mit wenigstens einer Arbeitseinheit umfasst, wobei der Roboter weiter wenigstens
einen ersten Schwenkmotor zum Verschwenken einer Arm-Einheit aus
erstem und zweitem Roboterarm bezüglich der Roboterkonsole, wenigstens
einen zweiten Schwenkmotor zum Verschwenken des zweiten Roboterarms
bezüglich
des ersten Roboterarms und wenigstens einen Arbeitsmotor zur Betätigung der
Arbeitseinheit aufweist, welche Motoren über eine Leistungselektronik
steuerbar sind, die als elektrische Schaltungen Umrichterschaltungen
zur Stromversorgung der Motoren sowie wenigstens eine Steuerschaltung
zum Betrieb der Umrichterschaltungen und damit zur Steuerung der
Motoren umfasst, wobei wenigstens eine Schaltung aus Umrichterschaltung
und Steuerschaltung in wenigstens einem der Roboterarme an einem
ihr zugeordneten Wandabschnitt eines Gehäuses des Roboterarms angeordnet
ist.
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Ein
derartiger Roboter, allerdings nicht vom Scara-Typ, ist aus der
EP 1 170 097 B1 bekannt.
Derartige Roboter werden beispielsweise an Montagestrecken zur Verrichtung
von Montagearbeiten eingesetzt.
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Ein
Scara-Roboter mit jedoch nicht im Roboterarm angeordneten Schaltungen
ist aus der
US 5 000
653 A bekannt.
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Für diese
Roboter, wie für
Fertigungs- und Montageeinrichtungen überhaupt, besteht die Forderung,
nach größtmöglicher
Effektivität
bei größtmöglicher Kompaktheit.
Dies gilt nicht nur für
den mechanischen Teil des Roboters, d.h. für die konstruktive Gestaltung
der Roboterkörperteile,
sondern auch für die
zum Betrieb des Roboters nötige
Elektronik. Zur Verringerung des erforderlichen Bauraums wurde gemäß der
EP 1 170 097 B1 vorgeschlagen,
die Antriebselektronik in den Roboterarmen unterzubringen, und zwar
unter dem Gesichtspunkt eines möglichst
geringen thermischen Einflusses der Antriebselektronik auf die Roboterstruktur,
um die Bewegungsgenauigkeit nicht zu beeinflussen.
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Ergänzend sei
im Zusammenhang verteilter Antriebe eines Gesamtsystems die
EP 1 043 643 A2 erwähnt, welche
ein Kabelsystem zur Verkabelung einer Zelle offenbart, wobei die
Zelle ein Zentralmodul sowie Antriebe aufweist. Das Zentralmodul
der dort offenbarten Zelle ist über
Starkstromleitungen mit dem Netz verbindbar und kann von übergeordneten
Einheiten Informationen erhalten und an diese übertragen. Die Antriebe umfassen
Elektromotoren und zugeordnete Umrichter, wobei die Umrichter und die
Elektromotoren jeweils eine bauliche Einheit bilden. Zwischen den
Antrieben und dem Zentralmodul ist eine Sternverbindungsstruktur
realisiert, d.h. jeder Antrieb verfügt über eine eigene Leitung zur
Verbindung mit den Zentralmodul. Über diese Verbindungsleitung
werden Antriebsstrom und Antriebsinformation übertragen.
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Als
Arbeitseinheit eines Scara-Roboters ist aus der
JP 62049070 A eine Robotspindel
bekannt, welche sowohl um ihre Längsachse
drehbar, als auch unabhängig
von einer Drehung um die Längsachse
in Richtung ihrer Längsachse
verlagerbar ist.
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Die
Gelenke der Roboterkörperteile
untereinander können
in an sich bekannter Weise mit einem so genannten „harmonic
drive"-Getriebe
realisiert sein, wie es aus der
DE
35 22 336 bekannt ist. Diese Getriebe zeichnen sich durch
ein hohes Getriebeübersetzungsverhältnis und
Spielfreiheit aus.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Scara-Roboter mit
verbesserten dynamischen Eigenschaften bereitzustellen, dessen Roboterarme mit
geringem Kraftaufwand schnell zwischen zwei Stellungen bewegbar
sind.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Scara-Roboter der eingangs genannten Art
gelöst,
bei welchem der Roboterarm bezogen auf die jeweilige Schwenkachse
des Roboterarms einen schwenkachsennahen und einen schwenkachsenfernen
Gehäuseabschnitt
aufweist und die Gehäusewandabschnitte
mit daran angeordneten Schaltungen in dem schwenkachsennahen Gehäuseabschnitt
gelegen sind.
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Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
der wenigstens einen an einem Gehäusewandabschnitt des Scara-Roboters
angeordneten Schaltung in dem schwenkachsennahen Gehäuseabschnitt
kann das Massenträgheitsmoment
des betroffenen Roboterarms reduziert werden. Dadurch kann der Arm
bei vorgegebener Antriebskraft schneller beschleunigt und damit
schneller bewegt werden. Anders ausgedrückt, ist zu seiner Beschleunigung
weniger Antriebskraft nötig
als bei einem Roboterarm mit größerem Massenträgheitsmoment
und gleicher Beschleunigung. Gleichzeitig kann durch die bekannte
Anordnung der wenigstens einen Schaltung in wenigstens einem der
Roboterarme an einem ihr zugeordneten Wandabschnitt eines Gehäuses des
Roboterarms der Scara-Roboter kompakt, insbesondere mit kleinerem
Schaltschrank, ausgeführt
sein. Das Gehäuse des
Scara-Roboters kann durch die Anordnung der wenigstens einen Schaltung
an der Gehäusewand zur
Kühlung
der wenigstens einen Schaltung beitragen.
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Bei
der gegebenen Anordnung der wenigstens einen Schaltung an einem
Gehäusewandabschnitt
kann das geringstmögliche
Massenträgheitsmoment
dann erhalten werden, wenn der Gehäusewandabschnitt mit der daran
angeordneten wenigstens einen Schaltung der Gehäusewandabschnitt mit den kürzesten
Abstand zur Schwenkachse des Roboterarms ist.
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In
der Regel sind in wenigstens einem Roboterarm des erfindungsgemäßen Scara-Roboters mehrere
elektrische Schaltungen aufgenommen. Um eine ausgewogene Massenverteilung
bei gleichzeitig effektiver Kühlung
dieser Schaltungen zu ermöglichen,
ist es vorteilhaft, wenn von wenigstens einem Teil dieser Schaltungen,
vorzugsweise von allen Schaltungen, jede Schaltung an einem anderen
ihr jeweils zugeordneten Wandabschnitt des Gehäuses des Roboterarms angeordnet
ist.
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Weiterhin
kann der Roboterarm eine Mehrzahl von elektrischen Schaltungen aufweisen,
welche in ihm aufgenommen sind. Dann ist es aus Gründen eines
möglichst
niedrigen Massenträgheitsmoments
bezüglich
der Schwenkachse des Roboterarms vorteilhaft, wenn die Gehäusewandabschnitte, an
welchem elektrische Schaltungen der Leistungselektronik angeordnet
sind, in dem schwenkachsennahen Gehäuseabschnitt gelegen sind.
Ein derartiger Roboterarm kann bei gleicher Motorleistung auf Grund
seines geringeren Massenträgheitsmoments schneller
drehbeschleunigt werden.
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Bevorzugt
sind zur Verringerung des Massenträgheitsmoments die Gehäusewandabschnitte, an
welchen elektrische Schaltungen der Leistungselektronik angeordnet
sind, diejenigen Gehäusewandabschnitte
mit den kürzesten
Abständen
zur Schwenkachse des betreffenden Roboterarms. Besonders bevorzugt
können
diese Gehäusewandabschnitte
zur Erleichterung der Anbringung der Schaltungen und gewünschtenfalls
von Kühlkörpern eben
ausgebildet sein.
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Aufgrund
der Umrichtung von Strömen,
welche zum Antrieb eines Motors im Roboterarm benötigt werden,
weisen vor allen Dingen die Umrichterschaltungen eine große Masse
auf. Daher ist es im Hinblick auf ein möglichst geringes Massenträgheitsmoment
vorteilhaft, wenn die wenigstens eine schwenkachsennah vorgesehene
Schaltung eine Umrichterschaltung ist.
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Es
können
gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung alle Umrichterschaltungen und Steuerschaltungen
der Leistungselektronik in den Roboterkörperteilen: Roboterarme und
Roboterkonsole, aufgenommen sein, was eine weitere Verkleinerung
der zum Betrieb des Scara-Roboters notwendigen Schaltschränke ermöglicht und
den Montageaufwand, etwa beim Austausch eines Roboterarms oder allgemein
beim Zusammenbau des Scara-Roboters reduziert.
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Eine
verteilte Anordnung von elektrischen Schaltungen der Leistungselektronik
an den Roboterkörperteilen
kann unter Umständen
zu einem erhöhten
Verkabelungsaufwand führen,
was wiederum eine potentielle Fehlerquelle bei der Robotermontage oder
beim Roboterbetrieb darstellt. Um die zwischen Schaltungen der Leistungselektronik
und den jeweiligen Motoren zu verlegende Verkabelung möglichst einfach
zu halten, kann der Scara-Roboter derart weitergebildet sein, dass
jedem Motor wenigstens eine Umrichterschaltung zugeordnet ist und
die zugeordnete Schaltung in demselben Roboterkörperteil, insbesondere Roboterarm,
wie der jeweilige Motor aufgenommen ist.
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Dies
soll nicht ausschließen,
dass gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zur Verringerung des Verkabelungsaufwands
auch Steuerschaltungen in demselben Roboterkörperteil, insbesondere Roboterarm,
aufgenommen sind wie der von ihnen gesteuerte Motor oder gegebenenfalls
eine von ihnen gesteuerte Mehrzahl von Motoren. Häufig ist
nämlich
einer Steuerschaltung eine Mehrzahl von Motoren zugeordnet. Jedoch
kann der Scara-Roboter so ausgelegt werden, dass einer Steuerschaltung nicht
Motoren in unterschiedlichen Roboterkörperteilen zugeordnet sind.
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Die
Aufnahme von elektrischen Schaltungen in einen Roboterarm wirft weiterhin
das Problem einer entsprechenden Kühlung dieser Schaltungen auf.
Eine effektive Kühlung
kann dadurch erfolgen, dass alternativ oder zusätzlich wenigstens einem Teil der
elektrischen Schaltungen Kühlkörper zugeordnet sind,
welche einen Außenwandabschnitt,
vorzugsweise auch einen Innenwandabschnitt, eines Gehäuses eines
Roboterarms bilden. Diese Kühlkörper können etwa
in an sich bekannter Weise mit Rippen versehen sein oder/und aus
einem Material mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Aluminium,
gefertigt sein.
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Durch
die schnellen Bewegungen der Roboterarme im Roboterbetrieb sind
die einen Außenwandabschnitt
des Gehäuses
eines Roboterarms bildenden Kühlkörper ständig von
einem Luftzug umströmt,
was die Kühlung
verbessert. Zwar kann es ausreichen, die Kühlkörper zur Bildung von Außenwandabschnitten
von außen
auf das Gehäuse
des Roboterarms aufzusetzen. Im Hinblick auf eine effektive Kühlung ist
es jedoch bevorzugt, dass die Kühlkörper auf
oder in eine Öffnung
des Gehäuses
des Roboterarms auf- bzw. eingesetzt sind, sodass sie auch einen
Innenwandabschnitt bilden. In diesem Fall kann eine einem derartigen
Kühlkörper zugeordnete
elektrische Schaltung in direktem Wärmeübertragungskontakt mit dem
Kühlkörper stehen,
sodass die Wärme
bestmöglich
vom Innenraum des Roboterarms an die Außenumgebung abgeleitet werden kann.
Zur Sicherstellung eines möglichst
guten Wärmeübergangs
von der elektrischen Schaltung auf den Kühlkörper kann die Schaltung mechanisch
an dem Kühlkörper befestigt
sein.
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Die
meiste Wärme
wird bei derartiger Leistungselektronik von den Umrichterschaltungen
erzeugt, weshalb es vorteilhaft ist, einen Kühlkörper wenigstens der mindestens
einen Umrichterschaltung zuzuordnen. Selbstverständlich kann in einer Weiterbildung
der bevorzugten Ausführungsform auch
wenigstens einer Steuerschaltung ein Kühlkörper zugeordnet sein.
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Nicht
nur die Schaltungen, sondern auch die in den Roboterkörperteilen
aufgenommen Motoren entwickeln Wärme,
die an die Außenumgebung
abgeführt
werden muss. Wie oben bereits erwähnt wurde, kann das Gehäuse eines
Roboterkörperteils
zur Abführung
von Wärme
aus dem Roboterkörperteil-Innenraum
beitragen. Daher ist es zur Abführung
von Wärme
aus dem Innenraum eines Roboterkörperteils,
insbesondere eines Roboterarms, vorteilhaft, wenn ein Abschnitt
eines Gehäuses
eines Roboterkörperteils
(Schwenkmotorgehäuseabschnitt)
ein Gehäuse
für wenigstens
einen in dem jeweiligen Roboterkörperteil
aufgenommenen Schwenkmotor bildet. In diesem Fall kann die Wärme direkt
vom Schwenkmotor in das in der Regel metallische Gehäuse eingeleitet
und von dort an die Außenumgebung
abgegeben werden.
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Konstruktiv
kann die Ausbildung eines Gehäuseabschnitts
des Roboterkörperteils,
insbesondere eines Roboterarms, als Gehäuse für einen Schwenkmotor in einfacher
Weise dadurch realisiert sein, dass ein Stator wenigstens eines
Schwenkmotors unmittelbar an dem Schwenkmotorgehäuseabschnitt des Roboterkörperteils
angebracht ist, vorzugsweise durch Aufschrumpfen des Schwenkmotorgehäuseabschnitts
auf den Schwenkmotor-Stator. Eine derartige Montage des Schwenkmotors
in dem Schwenkmotorgehäuseabschnitt
des Roboterkörperteils
erfordert zwar einen höheren
Montageaufwand, da erst das Gehäuse
erwärmt
werden muss, bevor der kalte Motor bzw. sein Stator in das erwärmte Gehäuse eingesetzt
wird, sodass der Stator nach dem Abkühlen in dem Gehäuse festsitzt.
Dieser Nachteil wird jedoch durch die verbesserte Kühlung mehr
als aufgewogen.
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Ein
derartiges Aufschrumpfen des Gehäuses eines
Roboterkörperteils
auf einen Schwenkmotor gilt bisher in der Fachwelt als nicht ausführbar, da
ein Verkanten des Motors oder ein unkontrollierter Verzug des Gehäuses befürchtet wird. Überdies
sind Bohrungen am Motor unter Berücksichtigung des Verzugs beim
Aufschrumpfen des Gehäuses
zur Befestigung des Motors an diesem äußerst genau zu fertigen. Dieses
in der Fachwelt herrschende Vorurteil wurde von den Erfindern der
dieser Anmeldung zu Grunde liegenden Erfindung überwunden.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe,
nämlich
einen Scara-Roboter mit kompakten Abmessungen und verbesserten dynamischen
Eigenschaften bereitzustellen, wird gemäß einem weiteren Gesichtspunkt
der Erfindung im Hinblick auf die im Roboter vorhandene Mechanik
auch durch einen Scara-Roboter
gelöst,
bei welchem ein Roboterarm zwei Arbeitsmotoren für den Bewegungsantrieb der
Arbeitseinheit umfasst, von welchen jeder Arbeitsmotor eine Motorwelle
mit einem Antriebs-Längsende
aufweist, von dem Antriebskraft abgreifbar ist, wobei die Arbeitsmotoren
in dem Roboterarm mit im Wesentlichen parallelen Motorwellen jedoch
entgegengesetzter Orientierung derart angeordnet sind, dass die
Antriebs-Längsenden
in entgegengesetzte Richtung weisen. Durch die beschriebene Orientierung
der Arbeitsmotoren im Roboterarm kann das Vorsehen einer Umlenkvorrichtung
vermieden werden, welche bisher zur Umlenkung einer Kraftübertragungseinrichtung,
wie etwa eines Riemens oder Zahnriemens, zur Übertragung von Antriebskraft
vom Antriebsmotor zu der Arbeitseinheit benötigt wurde. Durch Weglassen
dieser Umlenkvorrichtung wird die Masse und damit das Massenträgheitsmoment
des Roboterarms verringert. Der Vorteil dieser Motoranordnung soll
im Folgenden genauer anhand einer bevorzugten Ausführungsform
erläutert
werden, bei welcher der Roboterarm der zuvor genannte zweite Roboterarm
ist und dieser als Arbeitseinheit eine um eine Drehachse drehbare
und unabhängig
davon in Richtung der Drehachse verlagerbare Robotspindel umfasst:
Durch
diese Anordnung der Arbeitsmotoren, welche zueinander im Wesentlichen
um 180° verdreht
in dem zweiten Roboterarm eingebaut sind, können die jeweiligen Antriebsabgriffstellen
des Antriebs zur Drehung der Robotspindel um ihre Drehachse und des
Antriebs zur Verlagerung der Robotspindel in Richtung der Drehachse
in eben dieser Drehachsenrichtung mit Abstand voneinander angeordnet
sein, ohne dass die Abmessung des Roboterarms in Richtung der Drehachse
zunehmen muss. Dies liegt daran, dass beide Arbeitsmotoren auf diese
Art und Weise einen gemeinsamen Erstreckungsabschnitt des zweiten
Roboterarms in Richtung der Motorwelle der Arbeitsmotoren belegen.
So können
Riemen eines Riementriebs, vorzugsweise Zahnriemen, welche üblicherweise
Antriebskraft von einem Antriebsende eines Arbeitsmotors zu einem
jeweiligen Antrieb der Robotspindel übertragen, jeweils im Wesentlichen
in einer Ebene verlaufen. Da die Riemenebenen mit Abstand voneinander
angeordnet sind, behindern sich die beiden Riemen in ihrer Anordnung
nicht. Bei nicht verdrehter, gleichsinniger Anordnung der Arbeitsmotoren
müssten
diese entweder mit größerem Abstand orthogonal
zur Längsrichtung
ihrer Motorwellen angeordnet werden, was das Massenträgheitsmoment des
Roboterarms vergrößert, oder
sie müssten
in der Längsrichtung
ihrer Motorwellen versetzt angeordnet werden, was die Bauhöhe des Roboterarms
vergrößert oder
sie müssten
durch eine Umlenkvorrichtung aneinander vorbeigelenkt werden, was
die Masse und damit das Massenträgheitsmoment
des Roboterarms vergrößert.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn jeder Arbeitsmotor einen in Motorwellenlängsrichtung
an das Antriebs-Längsende
seiner Motorwelle anschließenden
Motorkörper
aufweist, wobei die Motorkörper
der beiden Arbeitsmotoren in Motorwellenlängsrichtung in einem gemeinsamen
in Motorwellenlängsrichtung verlaufenden
Erstreckungsbereich des zweiten Roboterarms zwischen den beiden
Antriebs-Längsenden
gelegen sind. Dann kann an jedem Antriebsende eine Kraftübertragungseinrichtung
zur Kraftübertragung
von einem Antriebs-Längsende
eines Arbeitsmotors zu einem Antrieb an der Robotspindel angeordnet
werden, ohne dass ein Arbeitsmotor in Motorwellenlängsrichtung über den
jeweils anderen Arbeitsmotor hinausreicht. Dadurch wird eine Zunahme der
Bauhöhe
des zweiten Roboterarms gänzlich
vermieden.
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Weisen
die beiden Antriebsmotoren Motorkörper unterschiedlicher Länge auf,
so ist es für
eine kompakte Bauweise vorteilhaft, den kürzeren derart anzuordnen, dass
sein Motorkörper
nicht in Motorwellenlängsrichtung über den
längeren
Motorkörper hinausragt.
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Für die Arbeitsmotoren
gilt bezüglich
der Wärmeabfuhr
durch das Gehäuse
des zweiten Roboterarms das oben allgemein in Bezug auf die Schwenkmotoren
Gesagte. Es ist daher für
eine effektive Kühlung
des Arbeitsmotors und des zweiten Roboterarms insgesamt bevorzugt,
wenn ein Abschnitt eines Gehäuses
des zweiten Roboterarms (Arbeitsmotorgehäuseabschnitt) ein Gehäuse für wenigstens
einen der Arbeitsmotoren bildet.
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Dies
kann konstruktiv, wie oben beschrieben dadurch realisiert sein,
dass ein Stator wenigstens eines Arbeitsmotors unmittelbar an dem
Arbeitsmotorgehäuseabschnitt
des zweiten Roboterarms angebracht ist, vorzugsweise durch Aufschrumpfen
des Arbeitsmotorgehäuseabschnitts
auf den Arbeitsmotor-Stator.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Scara-Roboters ist
der erste Roboterarm ein passiver Roboterarm, d.h. er umfasst keine
Antriebe, während
der zweite Roboterarm als aktiver Roboterarm ausgebildet ist. Dementsprechend
ist bei dieser Ausführungsform der
wenigstens eine Schwenkmotor zum Verschwenken der Arm-Einheit aus
erstem und zweitem Roboterarm bezüglich der Roboterkonsole in
der Roboterkonsole aufgenommen. Weiterhin ist der wenigstens eine
Schwenkmotor zum Verschwenken des zweiten Roboterarms bezüglich des
ersten Roboterarms in dem zweiten Roboterarm aufgenommen. Dadurch kann
der erste Roboterarm sehr einfach gestaltet sein.
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Weiterhin
ist bei der bevorzugten Ausführungsform
für jedes
mit Motoren versehene Roboterkörperteil
eine eigene Steuerschaltung vorgesehen, welche in dem jeweiligen
Roboterkörperteil
aufgenommen ist. Dadurch kann ein Verdrahtungs- und Verkabelungsaufwand
zur Herstellung der Betriebsbereitschaft des Roboters verringert
werden.
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Ferner
kann zur Erhöhung
der Betriebssicherheit wenigstens ein Teil der Schwenk- und Arbeitsmotoren
mit einer mechanischen Bremse versehen sein. Durch derartige Bremsen
können
Motoren in einem unbestromten Zustand mechanisch stillgesetzt werden.
Damit lassen sich mit derartigen mechanischen Bremsen Sicherheitsaspekte
realisieren, wie beispielsweise die Verhinderung einer Veränderung
der Orientierung von Roboterkörperteilen
zueinander bei ausgeschalteten Schwenkmotoren.
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Schließlich ist
bei dem erfindungsgemäßen kompakten
Scara-Roboter gemäß der bevorzugten Ausführungsform
ein Gleichrichter der Leistungselektronik in der Roboterkonsole
aufgenommen. Dieser Gleichrichter erzeugt aus einer Netzspannung eine
Gleichspannung, welche am Roboter, insbesondere an den Umrichterschaltungen,
benötigt
wird. Dies führt
dazu, dass sich außerhalb
des Roboters nur noch Elektronik befindet, in welcher keine nennenswerte
elektrische Leistung umgesetzt wird. Dadurch ist der Kühlaufwand
für die
außerhalb
des erfindungsgemäßen Scara-Roboters verbleibende Elektronik
gering, was eine erhebliche Größenreduzierung
der außerhalb
des Roboters erforderlichen Schaltschränke ermöglicht. Durch Aufnahme des Gleichrichters
in die Roboterkonsole, also in einem unbewegten Roboterkörperteil,
wird die bewegte Masse des Roboters bei gleichzeitig kompaktem Aufbau
nicht vergrößert.
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Die
im Scara-Roboter eingesetzten Motoren sind Elektromotoren. Vorzugsweise
werden wechselstrombetriebene Motoren verwendet, weshalb es sich
bei den oben erwähnten
Umrichtern um Wechselrichter handelt. Dies soll jedoch nicht ausschließen, dass
auch Gleichstrommotoren und entsprechend Gleichrichter verwendet
werden.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden
Figuren näher
beschrieben werden. Es stellt dar:
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1 eine
perspektivische Außenansicht
eines erfindungsgemäßen Scara-Roboters,
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2 eine
perspektivische Ansicht des zweiten Roboterarms des Scara-Roboters
von 1 bei entferntem Gehäuse des Roboterarms,
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3 eine
Draufsicht des zweiten Roboterarms von 2 bei entferntem
Deckel des Roboterarms,
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4 eine
weitere perspektivische Ansicht des zweiten Roboterarms mit entferntem
Gehäuse sowie
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5 ein
schematischer Schaltplan zur Darstellung der Verkabelung der Antriebe
des erfindungsgemäßen Scara-Roboters.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßer Scara-Roboter
allgemein mit 10 bezeichnet. Der Scara-Roboter 10 umfasst
als Roboterkörperteile
eine Roboterkonsole 12, einen ersten, passiven Roboterarm 14 und
einen zweiten, aktiven Roboterarm 16.
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Die
Roboterkonsole 12 ist an einen Träger 18 montiert und
ortsfest an diesem gehalten. Der Träger 18 kann auf einem
Fundament oder auch auf einem bewegbaren Fahrzeug festgelegt sein.
Der erste Roboterarm 14 ist an der Roboterkonsole 12 um
eine erste Schwenkachse 20 schwenkbar an dessen Unterseite
befestigt. Weiterhin ist der zweite Roboterarm 16 am ersten
Roboterarm 14 um eine zweite Schwenkachse 24 schwenkbar
an diesem befestigt. Die Schwenkachsen 20 und 24 sind
im Wesentlichen parallel zueinander.
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An
seinem schwenkachsenfernen Längsende
weist der zweite Roboterarm 16 eine Arbeitseinheit 26 auf.
Diese Arbeitseinheit 26 umfasst eine Robotspindel 28,
welche in ihrer Längsrichtung
wiederum im Wesentlichen parallel zu den Schwenkachsen 20 und 24 angeordnet
ist. Die Robotspindel 28 ist in ihrer Längsrichtung, d.h. in Richtung
des Doppelpfeils V verlagerbar und unabhängig davon um ihre Längsachse 28a drehbar.
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Der
erste Roboterarm 14 ist ein passiver Roboterarm, da er
keinerlei Motoren enthält.
Ein Schwenkmotor zur Schwenkbewegung der Baugruppe aus dem ersten
und dem zweiten Roboterarm 14 und 16 bezüglich der
Roboterkonsole 12 ist in der Roboterkonsole 12 aufgenommen.
Der Schwenkmotor zum Verschwenken des zweiten Roboterarms 16 bezüglich des
ersten Roboterarms 14 ist in dem zweiten Roboterarm 16 aufgenommen.
Ein Verbindungskabel 30 verbindet die Roboterkonsole 12 und
den zweiten Roboterarm 16 zur Übertragung von Energie (Strom)
und Information zwischen den beiden Roboterkörperteilen.
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Von
außen
ist an der Roboterkonsole 12 an dessen Oberseite ein Kühlkörper 32 zu
erkennen, welcher Rippen 32a aufweist. Der Kühlkörper 32 bildet
einen Teil der Wand 34a des Gehäuses 34 der Roboterkonsole 12.
Hierzu ist der Kühlkörper 32 in eine
Ausschnittsöffnung
der Wand 34a eingesetzt. Der Kühlkörper 32 ist mit einem
Umrichter, genauer einem Wechselrichter, verbunden, zu dessen Kühlung er
dient. Dieser Wechselrichter ist in 1 nicht zu
erkennen.
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Ebenso
ist ein Kühlkörper 36 mit
Rippen 36a in einen Ausschnitt eines Wandabschnitts 38a des Gehäuses 38 des
zweiten Roboterarms eingesetzt, sodass der Kühlkörper 36 einen Teil
der Gehäusewand
des Gehäuses 38 bildet.
Auch diesem Kühlkörper 36 ist
ein Umrichter, genauer ein Wechselrichter, zugeordnet, welcher in 1 nicht
zu erkennen ist.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht des zweiten Roboterarms 16 von
einer Betrachtungsposition von unter sowie schräg hinter dem zweiten Roboterarm 16,
wobei das Gehäuse 38 zur
besseren Erkennung des Innenlebens des zweiten Roboterarms 16 weggelassen
ist.
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Zu
erkennen in 2 ist der Schwenkmotor 40,
dessen Motorwelle 40 längs
der zweiten Schwenkachse 24 angeordnet ist. Weiterhin zeigt 2 einen
ersten Arbeitsmotor 42 und einen zweiten Arbeitsmotor 44.
Die Arbeitsmotoren 42 und 44 sind im Wesentlichen
parallel und nebeneinander, jedoch um 180° verdreht, in dem zweiten Roboterarm 16 aufgenommen.
Dies bedeutet, das Arbeits-Längsende 42 des
ersten Arbeitsmotors 42, von welchem Antriebskraft zum
Heben und Senken der Spindel abgegriffen werden kann, ist nahe dem
oberen Ende des zweiten Roboterarms 16 angeordnet, während das
Antriebs-Längsende 44a des
zweiten Arbeitsmotors 44 nahe dem unteren Ende des zweiten
Roboterarms 16 angeordnet ist. Von dem Antriebs-Längsende 44a des
zweiten Arbeitsmotors 44 ist ein Zahnriemen 46 über einen
Riemenspanner 48 zu einem Untersetzungsrad 50 geführt, welches
die Geschwindigkeit des Zahnriemens 46 untersetzt. Von
dem Untersetzungsrad 50 ist ein weiterer Zahnriemen 52 zu
einer Antriebseinheit 53 geführt, über welche die Robotspindel 28 um
ihre Längsachse 28a zur
Drehung antreibbar ist. Durch diese Motoranordnung kann man auf
Riemen-Umlenkanordnungen verzichten und so die Masse auf das Massenträgheitsmoment des
Roboterarms verringern.
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An
dem oberen Ende des zweiten Roboterarms 16 ist eine Steuerschaltung 54 angeordnet,
welche den Betrieb der Motoren 40, 42 und 44 steuert. An
dem von der Arbeitseinheit 26 fernen Ende des zweiten Roboterarms
ist ein weiterer Kühlkörper 56 vorgesehen.
An dem Kühlkörper 56,
der im Aufbau zu den Kühlkörpern 32 und 36 identisch
ist, ist ein Umrichter, genauer ein Wechselrichter, 58 befestigt. Auch
der Kühlkörper 56 ist
in eine Ausschnittsöffnung an
der Wand 38a des Gehäuses 38 des
zweiten Roboterarms 16 eingesetzt.
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Vom
Antriebs-Längsende 42a ausgehend
ist ein Zahnriemen 47 um einen Hub- und Senkantrieb 49 der
Robotspindel 28 geführt,
durch welchen die Robotspindel 28 in Richtung des Doppelpfeils
V heb- und senkbar ist.
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Die
in 2 auf Grund der Weglassung des Gehäuses 38 des
zweiten Roboterarms 16 scheinbar schwebend gezeichneten
Ringe 60 dienen der Befestigung von Dichtungsmitteln zur
Abdichtung des Durchgangs der Robotspindel 28 durch das
Gehäuse 38.
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Darüber hinaus
ist in 2 ein Teil des Umrichters 62 zu erkennen,
welcher mit dem in 1 dargestellten Kühlkörper 36 in
Verbindung ist.
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3 zeigt
eine Draufsicht des zweiten Roboterarms 16, wobei der Deckel
entfernt ist, sodass das Innenleben des Roboterarms 16 zu
erkennen ist.
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Aus 3 geht
hervor, dass ein dritter Kühlkörper 64 in
dem Gehäuse 38 in
einer Ausschnittsöffnung
desselben aufgenommen ist, sodass er einen Teil der Gehäusewandung
bildet. Dem Kühlkörper 64 ist
ein dritter Umrichter 66 zugeordnet. So kann beispielsweise
der Umrichter 62 dem Arbeitsmotor 44, der Umrichter 58,
dem Schwenkmotor 40 und der Umrichter 66 dem Arbeitsmotor 42 zugeordnet
sein. Alle Umrichter und Motoren werden von der in 2 gezeigten
Steuerschaltung 54 gesteuert. Die Versorgung des zweiten
Roboterarms 16 mit Strom und Information von einer übergeordneten
Baugruppe erfolgt über
die Roboterkonsole 20 mittels des Verbindungskabels 30,
das in 1 zu sehen ist.
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In 3 ist
weiter zu erkennen, dass das Gehäuse 38 einen
der Schwenkachse 24 nahen Gehäuseabschnitt 38c und
einen der Schwenkachse 24 fernen Gehäuseabschnitt 38b aufweist.
In dem schwenkachsenfernen Gehäuseabschnitt 38b ist
die Arbeitseinheit 26 angeordnet, in dem schwenkachsennahen
Gehäuseabschnitt 38c sind
dagegen der Schwenkmotor 40 sowie die Umrichter 58, 62 und 64 mit
den zugeordneten Kühlkörpern 36, 56 und 64 angeordnet.
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Genauer
weist der schwenkachsennahe Gehäuseabschnitt 38c drei
ebene Gehäuseabschnitte 68, 70 und 72 auf,
welche zur Schwenkachse 24 parallel angeordnet sind und
zu dieser Schwenkachse einen kürzesten
Abstand aufweisen. Beispielhaft ist der Abstand a von der Schwenkachse 24 zum
Gehäuseabschnitt 70 eingezeichnet.
Die Anordnung der Umrichter 58, 62 und 66 mit
den zugeordneten Kühlkörpern 36, 56 und 64 an
den schwenkachsennächsten
Gehäuseabschnitten 68, 70 und 72 hat
den Vorteil, dass der zweite Roboterarm 16 ein möglichst
geringes Massenträgheitsmoment
bezüglich
einer Drehung um die Schwenkachse 24 aufweist. Die ebene Ausbildung
der Gehäuseabschnitte 68, 70 und 72 erleichtert
darüber
hinaus die Anbringung der Umrichter und Kühlkörper. Zusätzlich sind auch die Antriebsmotoren 42 und 44 möglichst
nah an dem Schwenkmotor 40 angeordnet.
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Weiterhin
ist anzumerken, dass zwischen den Antriebsmotoren 42 und 44 und
der Robotspindel 28 eine Speichereinheit 73 vorgesehen
ist, in welcher roboterspezifische Merkmale, wie etwa Typ, Armabmessungen,
Kalibrierdaten, usw. gespeichert sind, sodass eine Universalsteuerung
in einem nicht dargestellten Schaltschrank den Scara-Roboter erkennt
und sie im Reparaturfall ohne Neukalibrierung des Scara-Roboters
getauscht werden kann.
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Weiterhin
ist an diese Speichereinheit 73 ein Arbeitsgerät anschließbar, welches
der Anwender an einem dafür
vorgesehenen Längsende
der Robotspindel 28 anbringt. Zur Verbindung der Speichereinheit 73 mit
einem solchen Arbeitsgerät
sind eine Mehrzahl von digitalen und analogen Ein- und Ausgängen vorgesehen.
Optional kann auch ein Feldbus-Anschluss vorgesehen sein.
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In 3 ist
weiter zu erkennen, dass die Kühlkörper 36, 56 und 64 Ausschnittsöffnungen 74, 76 und 78 des
Gehäuses 38 abdecken
und somit selbst einen Teil des Gehäuses 38 bilden. Lediglich zur
Ergänzung
sei noch der Spanner 80 des Zahnriemens 47 erwähnt.
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4,
welche eine Ansicht des zweiten Roboterarms 16 ohne Gehäuse 38 von
schräg
oben ist, zeigt, dass die Arbeitsmotoren 42 und 44 im
Wesentlichen genau nebeneinander liegen, d.h. in Erstreckungsrichtung
ihrer parallelen Motorwellen 42b und 44b im Wesentlichen
den gleichen Baubereich des zweiten Roboterarms 16 einnehmen.
Dadurch steht keiner der Arbeitsmotoren 42 und 44 gegenüber dem jeweils
anderen in Längsrichtung
der Motorwellen 42b, 44b über, was zu einer geringen
Bauhöhe
des zweiten Roboterarms 16 in der Längsrichtung der Motoren führt. Außerdem stören die
Riementriebe einander nicht, sodass verglichen mit herkömmlichen Anordnungen
Riemen-Umlenkvorrichtungen weggelassen werden können. Dadurch wird die Masse
und das Massenträgheitsmoment
des Roboterarms verringert.
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Es
sei ergänzend
darauf hingewiesen, dass die Achsen aller drehenden Teile in dem
zweiten Roboterarm 16, d.h. die Wellen der Motoren 40, 42 und 44,
die Untersetzungsscheibe 50, die Robotspindel 28 und
sogar die Riemenspanner 48 und 80 sowie die an
diesen angebrachten Drehteile im Wesentlichen parallel zueinander
ausgerichtet sind.
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Der
Kühlkörper 64 und
der Umrichter 66 sind in 4 nicht
dargestellt.
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5 ist
die Schaltung des Scara-Roboters 10 vereinfacht dargestellt.
In die Roboterkonsole 12 ist eine Wechselspannungsversorgungsleitung 82 und
eine Steuerleitung 84 geführt. Die Wechselspannungsversorgungsleitung 82 führt zu einem
Gleichrichter 86, welcher eine Gleichspannung erzeugt,
die über
eine Gleichspannungsleitung 88 den Wechselrichtern 58, 62 und 64 im
zweiten Roboterarm 16 sowie einem Wechselrichter 90 im
ersten Roboterarm zugeführt
wird. Der Wechselrichter 90 stellt eine Wechselspannung
für den
ersten Schwenkmotor 92 bereit. Die übrigen Wechselrichter 58, 62 und 64 im zweiten
Roboterarm 16 sind mit den Motoren 40, 42 und 44 wie
zuvor beschrieben verbunden.
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Die
Steuerleitung 84 ist mit einer Steuerschaltung 94 für die Roboterkonsole 12 und
der Steuerschaltung 54 im zweiten Roboterarm 16 verbunden.
Die Steuerschaltungen 94 und 54 sind über eine Steuerverbindungsleitung 96 verbunden,
darüber
hinaus sind die Steuerschaltungen 94 und 54 jeweils mit
den in ihrem zugeordneten Roboterkörperteil aufgenommenen Wechselrichtern
verbunden. Überdies ist
die Steuerschaltung 94 über
eine weitere Steuerungsverbindungsleitung 98 mit dem Gleichrichter 86 zu
dessen Steuerung verbunden. Durch Steuerung des Gleichrichters 86 sowie
der Wechselrichter 58, 62, 64 und 90 können die
Motoren 92, 40, 42 und 44 entsprechend
angesteuert werden.
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Nachzutragen
ist, dass der Schwenkmotor 40 des zweiten Roboterarms 16 an
seinem, dem ersten Roboterarm 14 zugewandten Ende mit einem harmonic
drive-Getriebe 100 versehen ist.