DE19801229C1 - Vorrichtung zur Reduzierung statischer Momente an Einrichtungen der Handhabungstechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung statischer Momente an Einrichtungen der Handhabungstechnik gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Auf verschiedenen Gebieten des Maschinenbaues, aber insbesondere in der Handhabungs- und Robotertechnik, werden Vorrichtungen benutzt, um die aus der Masse der einzelnen Bauteile resultierende Gewichtskraft zu kompensieren, damit bei Bewegungen entgegen der Schwerkraft die dazu notwendige Antriebsenergie reduziert wird. Bezogen auf die Handhabungs- und Robotertechnik kann auf diese Weise die Dynamik einer Roboterachse wesentlich verbessert werden.

Das zum Antrieb einer Rotationsachse erforderliche Motormoment kann in einen statischen und einen dynamischen Anteil aufgeteilt werden:

M_M = M_Stat + M_dyn = M_Stat + J . ε

Das statische Moment setzt sich aus dem Reibungsanteil, dem Moment zur Überwindung der Schwerkraft und dem technologisch erforderlichen Anteil zusammen. Der dynamische Anteil wird durch das Produkt von Massenträgheitsmoment und Winkelbeschleunigung gebildet. Man versucht nun, den statischen Anteil durch Kompensation der Gewichtskräfte zu reduzieren, dann erhöht sich bei konstantem Motormoment M_M und gleichbleibendem Trägheitsmoment J die Winkel­ beschleunigung ε. Praktisch bedeutet dies, daß die jeweilige Achse schneller ihre Sollgeschwindigkeit erreicht, d. h. das Arbeitsspiel der Handhabungseinrichtung insgesamt kann verkürzt werden. Dies ist besonders bei Montage- und Packingsystemen von Bedeutung. Je kürzer das Arbeitsspiel, desto größer ist die Effektivität der Arbeitszelle insgesamt.

Prinzipiell ist es auch möglich, durch Vergrößerung der Motorleistung eine größere Winkelbeschleunigung zu erreichen. Aber dies bedingt eine Vergrößerung der Motormasse und des -bauraumes. Da bei Handhabungseinrichtungen, speziell Gelenkrobotern, aber die Motoren seriell angeordnet sind, d. h. die n-te Achse nimmt den Antriebsmotor für die (n + 1)te Achse auf, wird dadurch die Massenverteilung ungünstiger.

Deshalb ist es vorteilhafter, die Gewichtskräfte exponierter Glieder durch zusätzliche Mechanismen auszugleichen.

Eine sehr einfache Lösung ist der Einsatz von Federn als Energiespeicher. Diese Federn werden entweder direkt an die zu bewegenden Glieder angelenkt oder es werden Übertragungsglieder zwischengeschaltet, die die Federenergie gesteuert freisetzen. Dies ist erforderlich, weil der Schwerkraftanteil des statischen Momentes einer Drehachse einer Sinusfunktion folgt (s. Fig. 3)

M_sstat = m . g . l . sinϕ (1)

l - Abstand Drehachse-Schwerpunkt
ϕ - Schwenkwinkel
m - Masse des Gliedes
g - Erdbeschleunigung

Die Federkennlinie der standardisierten Zug- oder Druckfeder ist aber in der Regel linear, so daß ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen ein vollständiger Ausgleich über einen Schwenkbereich 0 < ϕ < 90° nicht möglich ist. Eine praktizierte Lösung ist der Einsatz von Gelenkgetrieben wie in EP 0165129 A1 beschrieben. Nachteilig ist dabei der erhebliche zusätzliche Platzbedarf, der oft den Arbeitsraum des Roboters einschränkt, die Unfallgefahr wird durch herausragende Elemente erhöht und die Gesamtmasse des Systems vergrößert sich auch.

Wesentlich günstiger ist die axiale Anordnung eines federgestützten Mechanismus nach DD 252 148 A1 oder DD 296 442 A5, der dadurch gekennzeichnet ist, daß ein axial angeordnetes Zylinderkurvenscheibengetriebe die potentielle Energie einer Zylinderfeder gesteuert freisetzt, so daß über den gesamten Schwenkbereich ein vollständiger Momentenausgleich erfolgt. Da aber das Profil der Kurvenscheibe durch das auszugleichende statische Moment bestimmt wird, ist für übliche Anwendungen der Übertragungswinkel, d. h. der Winkel zwischen der Bahnnormalen des Antriebsgliedes und der Tangente der Bahn des Abtriebsgliedes, sehr klein. Daraus resultieren erhebliche Pressungen an der Berührungsstelle Kurvenscheibe/ Eingriffsglied, die den Wirkungsgrad der Einrichtung reduzieren und zu erhöhtem Verschleiß führen, wenn der Schwenkbereich der jeweiligen Achse im sinnvollen Bereich gehalten werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Gewichtskräfte von Gliedern in Handhabungseinrichtungen so kompensiert, daß das Antriebsmoment bei Bewegungen entgegen der Schwerkraft über den gesamten Schwenkbereich bei geringer Verlustleistung kompensiert oder reduziert wird, wobei der Bauraum der Handhabeeinrichtung nur unwesentlich vergrößert werden soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Federkombination gemäß Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst, wobei über eine Federkraft ein Rückstellmoment für die jeweilige Achse des Handhabungsgerätes erzeugt wird.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, durch Hintereinanderschalten von mehreren Federn in Verbindung mit definierten Federwegen eine Federkennlinie des Gesamtsystems zu erzeugen, die nach Gleichung (1) einer Sinusfunktion folgt bzw. diese annähert.

Über einen Übertragungsmechanismus wird dann an der jeweiligen Achse ein Drehmoment erzeugt, daß dem statischen Moment entgegen gerichtet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung weist folgende Vorteile auf

• - Die Kombination unterschiedlicher Federn ermöglicht über den Schwenkbereich eine Kennlinie, die einen sinusförmigen Verlauf aufweist. Damit ist ein vollständiger Ausgleich der Gewichtskraft über den Schwenkbereich möglich.
• - Die Kraftübertragung über ein Zugmittel bietet die Möglichkeit, die Federkombination an konstruktiv günstigen Stellen anzuordnen, so daß Bewegungseinschränkungen vermieden werden können.
• - Es entfallen kostenintensive Baugruppen wie komplizierte Kurvenscheiben mit gehärteten Flanken, so daß das Handhabungsgerät sich nur unwesentlich verteuert.
• - Der Einsatz von standardisierten Zug- und Druckfedern reduziert die Fertigungkosten gegen über Lösungen auf der Basis von Kurvenscheiben.
• - Auf veränderte Einsatzbereiche mit anderen Handhabungsmassen kann durch komplettes Auswechseln der Federkombination schnell reagiert werden.

Die erfindungsgemäße Lösung wird einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 - die Ausführung des Energiespeichers unter Verwendung von Druckfedern mit Vorspannung,

Fig. 2 - die Ausführung des Energiespeichers ohne vorgespannte Federn

Fig. 3 - die Anordnung der Vorrichtung an einem Gelenkroboter

Voraussetzung für den sinoiden Verlauf des Rückstellmomentes ist eine adäquater Verlauf der Federkonstante (Kennlinie) des Gesamtsystems. Diese Federkonstante ergibt sich nach Fig. 1 durch Hintereinanderschalten von mehreren Druckfedern 1, 2, 3 mit unterschiedlicher Federkonstante c_i, und einer Begrenzung des Federweges durch Aufnahmebuchsen 4, 5, 6. Ein Gehäuse 7 nimmt die einzelnen Federn mit ihrem Aufnahmebuchsen auf und zentriert deren Lage. Über den Deckel 9 kann auf das Gesamtsystem eine definierte Vorspannung aufgebracht werden, die aber durch entsprechende Dimensionierung der Federkonstanten und der einzelnen Segmenthöhen für jede Feder unterschiedlich sein kann.

Über das Zugmittel 8 werden beim Senken des Oberarmes 12 die Federn nacheinander gespannt.

Dies wird erreicht, indem die Federn 2 und 3 vorgespannt werden. Zuerst wird nur die untere, nicht vorgespannte Feder 1 über den Weg s₁ gespannt. Bei s₁ = 0 erreicht die Kraft F_Z1 = F_Z1 (c₁, s₁) ihr Maximum. Die Vorspannkraft der Feder 2 ist so dimensioniert, daß sie diesem Betrag entspricht. Eine weitere Bewegung ist nur noch gemeinsam mit der Feder 2 möglich, wobei die wirkende Federkonstante die der Feder 2 entspricht. Das Federpaket kann soweit zusammengedrückt werden bis die Aufnahmebuchse 5 auf die darüberliegende Buchse 6 trifft. Die Federkraft F₂ entspricht in dieser Position der vordefinierten Vorspannkraft F₃, so daß bei weiterer Bewegung auch nur die Feder 3 zusammen gedrückt wird.

Auf diese Weise entsteht über den gesamten Federweg s = s₁ + s_s + s₃ eine Federkonstante, die nicht mehr linear ist, sondern einer Sinusfunktion angenähert ist.

Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit, eine degressive Federkenlinie zu erzeugen, ohne daß Vorspannkräfte aufgebracht werden müssen.

In einem Gehäuse 14, das einen Deckel 20 mit einer Öffnung für das Zugmittel 8 aufweist, ist eine Zugfeder 15 befestigt, die in eine Aufnahmebuchse 18 eingehakt ist. Im oberen Teil des Gehäuses 14 ist eine Aufnahmebuchse 19 mit einer Druckfeder 17 angeordnet, die aber erst gespannt werden kann, wenn die Buchse 18 den Weg s₂ zurück gelegt hat.

Wird nun über das Zugmittel die Zugfeder 15 gespannt, so wird die Druckfeder 16 auch um den Weg s₁ angehoben. Sie wird erst dann zusammengedrückt, wenn s₁ = 0 ist. Dann sind beide Feder hintereinander geschaltet und die gemeinsame Federkonstante ergibt sich aus:

1/c₁₂ = 1/c₁ + 1/c₂

Wenn der Weg s₂ = 0 ist wird die Druckfeder 17 zugeschaltet und alle drei Federn können um den Weg s₃ gedrückt bzw. gezogen werden. Für diesen Bereich ergibt sich die neue Federkonstante aus:

1/c₁₂₃ = 1/c₁ + 1/c₂ + 1/c₃

Auf diese Weise kann ebenfalls für die Reaktionskraft F_z ein sinusförmiger Verlauf über den Federweg erreicht werden.

Die Umsetzung auf einen konkreten Fall zeigt Fig. 3. Ein Energiespeicher 21 gemäß Fig. 1 ist am Unterarm 11 eines Industrieroboters starr befestigt. Auf der Drehachse des Oberarmes 12 befindet sich eine Scheibe 13, die vom Zugmittel 8 umschlungen wird. Beim Senken des Oberarmes 12 spannt sich des Federpaket und beim Heben wird eine Reaktionskraft freigesetzt, deren Verlauf der angenäherten Sinusfunktion entspricht und die durch die Scheibe 13 in ein gleichartiges Drehmoment umgesetzt wird, die das Antriebsmoment des Oberarmes über den Schwenkbereich 0 < ϕ < 90° kompensiert.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Reduzierung oder Kompensierung statischer Momente an Einrichtungen der Handhabungstechnik, insbesondere des durch die Schwerkraft bedingten Anteils statischen Momentes, bestehend aus einem Energiespeicher und einer mit diesem in Wirkverbindung stehenden Übertragungseinrichtung zur Erzeugung eines Drehmomentes, das dem schwerkraftbedingten Anteil des statischen Momentes entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. der Energiespeicher (21) mindestens zwei hintereinandergeschaltete Federn mit unterschiedlichen Federkonstanten und mechanisch begrenzten Federwegen enthält,
• 2. die Federwegbegrenzung mindestens zweier Federn so ausgelegt ist, daß sie bei verschiedenen statischen Momenten erreicht wird, und
• 3. die Federn mittels Übertragungselementen ein Drehmoment an der Drehachse eines rotatorisch bewegten Gliedes erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiespeicher Zug- und/oder Druckfedern eingesetzt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiespeicher Torsionsfedern eingesetzt werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungselemente zur Umsetzung der Federkraft in ein Drehmoment als Zugmittelgetriebe oder Gelenkgetriebe ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkonstanten und Federwegbegrenzungen so ausgelegt sind, daß während der Zunahme des statischen Moments die Federn in der Reihenfolge zunehmender Federkonstanten die Federweggrenzen erreichen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkonstanten und Federwegbegrenzungen so ausgelegt sind, daß der Verlauf des Betrages des mittels der Federkraft erzeugten Drehmomentes den Verlauf des Betrages des schwerkraftbedingten Anteils des statischen Momentes approximiert.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkonstanten, Federwegbegrenzungen und die Übertragungselemente zur Umsetzung der Federkraft in ein Drehmoment so ausgelegt sind, daß der Verlauf des Betrages des mittels der Federkraft erzeugten Drehmomentes den Verlauf des Betrages des schwerkraftbedingten Anteils des statischen Momentes approximiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungselemente ein Zugmittel (8) und eine Scheibe (13) aufweisen, die auf derjenigen Drehachse angeordnet ist, an welcher der schwerkraftbedingte Anteil des statischen Momentes angreift, wobei der Scheibenradius so ausgelegt ist, daß der Verlauf des Betrages des mittels der Federkraft erzeugten Drehmomentes den Verlauf des Betrages des schwerkraftbedingten Anteils des statischen Momentes approximiert.