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Die Neuerung betrifft die mechanische Verbindung zweier Plattformen mit veränderlicher Haltekraft zwischen den beiden Plattformen, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Es gibt zahlreiche Anwendungsgebiete auf den unterschiedlichsten technischen Feldern, bei denen es notwendig ist, zwei feste, oft als starr angesehene, Gegenstände in vorbestimmter, über die Zeit unveränderter Relativposition zueinander gegenüber der Umgebung zu bewegen oder zu fixieren. Als Beispiel seien nur Lasthebevorrichtungen genannt, an deren Nutzende (oder Lastende, Arbeitsende, das sind im Sinne der Neuerung synonyme Begriffe) ein Gegenstand, der dann die eine Plattform darstellt, von einem passenden Greifer, der dann die andere Plattform darstellt, ergriffen, gehalten, an einen anderen Ort transportiert und dort abgesetzt wird. Auf dem Gebiet der industriellen Fertigung erfolgt das Gleiche mit Werkstücken oder Werkzeugen, dann spricht man nicht von Lasthebemaschinen, sondern Handhabungsrobotern oder Manipulatoren. Abgesehen von den Unterschieden in der Masse und der Länge der zurückgelegten Strecken sind die physikalischen Gegebenheiten die gleichen und damit treten auch die gleichen Probleme, auf die weiter unten eingegangen wird, auf. Andere Anwendungsgebiete sind beispielsweise Halterungen für Gegenstände, zumeist großformatige und massereiche Gegenstände, wie Fahrzeugkarosserien, Baugruppen von Motoren oder Generatoren, die von einem, allgemein Manipulator genannten, Gerät an dessen Nutzende gehalten werden, wobei wiederum der Gegenstand als die eine Plattform und die Haltewerkzeuge der Vorrichtung in ihrer Summe die andere Plattform bilden. Dabei ist es zur Ausführung von Arbeiten am gehaltenen Gegenstand wünschenswert, dass ein menschlicher Benutzer die Lage des Gegenstands ohne großen Kraftaufwand händisch verändern kann, um leichteren Zugang zu den verschiedenen Stellen des Gegenstandes zu erhalten. Nach dieser Lageänderung soll der Gegenstand aber möglichst unbeweglich sein, somit „starr” (im technischen Sinn) mit dem Manipulator verbunden sein. Auch hier treten die im Folgenden genannten Probleme auf.
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Die erwähnten Probleme bei den genannten Vorrichtungen und Anwendungsgebieten, aber auch bei verschiedenen anderen, sind nun die folgenden: Während der Bewegung einer Last im weitesten Sinne, wünscht man, um Schwingungen, Vibrationen und Pendeln (eigentlich sind es immer die gleichen Abweichungen von der gewünschten Bewegung, nur nach Größenordnung der Abweichung und Frequenz jeweils anders benannt) eine möglichst steife Verbindung zwischen Last und Halteorgan. Beim Ergreifen bzw. beim Absetzten der Last tritt, ganz besonders bei der Fertigung, aber auch bei den Lasthebemaschinen, das Problem auf, dass beim Ergreifen die Greiforgane an die reale Position des zu ergreifenden Gegenstandes herangeführt werden müssen, bzw. beim Absetzen den abzusetzenden Körper in die reale Position der Halteorgane des Absetzplatzes einsetzen müssen. Dazu ist es wünschenswert, die Verbindung nicht steif, sondern elastisch oder gar schwimmend (ohne merkliche Rückstellkräfte in Richtung zur „Normallage”) auszuführen, um die Bewegung der Greifvorrichtung nicht so genau steuern zu müssen, wie es bei einer steifen Verbindung der Fall ist.
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Auf völlig analoge Weise tritt das Problem auf, dass beispielsweise bei Fertigungsrobotern das Werkzeug samt seinem Werkzeugträger gegenüber dem Roboterarm (das Nutzende des Roboters) aus Sicherheitsgründen beweglich gelagert ist, um beim Verfahren und bei der Zustellbewegung etc. beim Auftreffen auf ein Hindernis, das ja oft eine Bedienerperson sein kann, keinen oder möglichst geringen Schaden anzurichten, sodass die Verbindung zwischen dem Arm und dem Werkzeugträger weich sein soll; dass aber während der Durchführung der Arbeit die Verbindung zum Erreichen großer Genauigkeit der Bewegung und insbesondere bei spanender oder schleifender Bearbeitung auch zur notwendigen Übertragung der Reaktionskräfte, die Verbindung möglichst steif sein muss.
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Bei den oben genannten Manipulatoren, bei denen ein Gegenstand für einen Benutzer quasi schwerelos an dessen Nutzende gehalten und mit geringer Kraft bewegbar sein soll, ist es nun so, dass für Ersteres die Verbindung möglichst weich, für das Festhalten während der Bearbeitung aber wiederum möglichst steif sein soll.
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Man erkennt aus diesen drei Beispielen, dass die eingangs allgemein dargestellte Situation in der industriellen Fertigung und darüber hinaus häufig auftritt, dass zwar die jeweils auftretenden Massen, Steifigkeiten, Geschwindigkeiten, Weglängen, Kräfte, etc. unterschiedlich sind, das Grundproblem aber gleich bleibt: Eine mechanische Verbindung zwischen zwei festen Körpern, deren einer am Nutzende einer Vorrichtung befestigt ist, soll, je nach Situation, wahlweise steif oder elastisch sein.
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Allen drei Beispielen gemeinsam ist auch, dass auch bei der elastischen Einstellung, eigentlich sollte es bei der weichen Einstellung heißen, die Verbindung nicht von Haus aus elastisch sein soll, sondern beim Auftreten von Kräften, die unterhalb einer vorgegebenen Schranke liegen, die niedriger ist als im „starren” Fall, natürlich abgesehen von der elastischen Verformung, die jeder Verbindung anhaftet, „starr” sein soll, und erst bei deren Überschreiten geometrisch nachgibt. Dies ist allerdings nicht in jedem, aber in den meisten Anwendungsgebieten der Fall. Ob dann die Rückstellkräfte abnehmen, unter Umständen sogar auf Null gehen, konstant bleiben oder mehr oder weniger progressiv zunehmen, ist vom Konstrukteur Fall für Fall zu entscheiden und passend vorzusehen.
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Es ist die Aufgabe der Neuerung, eine solche in ihrer Steifigkeit veränderliche mechanische Verbindung anzugeben, die die gewünschte Steifigkeit während der Benutzung in weiten Grenzen rasch und genau einzustellen erlaubt und dabei wenig Platz benötigt, nur geringe Masse aufweist, robust ist und letztlich auch kostengünstig herstellbar und betreibbar ist.
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Diese Ziele werden neuerungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angeführten Maßnahmen erreicht; mit anderen Worten, es wird in zumindest einer Bewegungsrichtung zwischen den beiden Plattformen zumindest eine Zylinder-Kolben Einheit vorgesehen ist, deren Kolben mit einem Fluid beaufschlagbar ist, das zur Ausbildung der festen Verbindung der Druck des Fluids zum Erreichen der festen Verbindung auf ein so hohes Niveau gehoben wird, dass die Kolbenkraft größer ist als eine vorgegebene obere Schranke, und dass der Druck des Fluids zum Erreichen der elastischen Verbindung auf ein solches Niveau gesenkt wird, dass die Kolbenkraft kleiner ist als die vorgegebene obere Schranke.
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Damit wird beim höheren Druck erreicht, dass der Kolben fest in einer Endlage sitzt und erst beim Auftreten von Kräften in der entsprechenden Richtung über der oberen Schranke eine Bewegung von der Endlage fort erfolgt (Kraftschlüssige Führung). Hohen Kräften in der Gegenrichtung, zum Zylinderboden hin, steht bei permanenter Verbindung zwischen Kolbenstange und Gegenplattform eine quasi unendlich hohe Kraft als Schranke entgegen (Formschlüssige Führung). Wenn eine Bewegung auch in dieser Richtung, der Gegenrichtung, möglich sein soll, was oft, aber nicht immer, der Fall ist, so werden zwei derartige Zylinder-Kolben Einheit gegengleich, bevorzugt symmetrisch zueinander, vorgesehen, und die Kolbenstangen der Zylinder-Kolben Einheit wirken auf Druckplatten der Plattform, von denen sie abheben können. Damit fixiert jede Zylinder-Kolben Einheit in einer Richtung und ist in der Gegenrichtung wirkungslos.
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Beim Anliegen des niedrigeren Drucks kann ganz analog dazu verfahren werden. Es können auch mehrere, voneinander unterschiedliche niedrige Drücke vorgesehen und in Abhängigkeit von der jeweiligen Situation angewandt werden. Eine in vielen Anwendungsfällen wünschenswerte Weiterentwicklung der Neuerung erreicht man bei Verwendung eines kompressiblen Fluids, bevorzugt von Luft, wenn ein Tank mit dem Zylinderraum dauerhaft verbunden ist und im Betrieb die Verbindung vom Tank zur Druckquelle unterbrochen wird: Es arbeitet die Vorrichtung dann quasi als vorgespannte Feder, da mit zunehmender Verschiebung aus der Nulllage der Druck im Zylinder und im Tank steigt und damit auch die Rückstellkraft. Über die Wahl des Kolbendurchmesser, des Kolbenweges, somit des Kolbenvolumens und passende Wahl des Volumens des Tanks (samt Verbindungsleitungen, etc.) kann eine Federkennlinie in weiten Grenzen vorbestimmt werden.
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Wenn statt Luft ein inkompressibles Fluid, beispielsweise Hydrauliköl, verwendet wird, ist diese Weiterbildung bei Verwendung eines doppeltwirkenden Zylinders, der den Tank bildet und einseitig mit Druckluft gefüllt oder unter der Wirkung einer Feder steht, ebenfalls möglich.
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Die neuerungsgemäße Verbindung lässt sich als vorgespannte Feder ansehen, bei der die Vorspannung veränderlich ist. Da die Änderung der Vorspannung bei mechanischen Federn äußerst kompliziert ist, muss sie doch unter anliegender Vorspannung erfolgen, wird der oben genannte Weg eingeschlagen. Darüberhinaus ermöglicht die Neuerung beispielsweise auch das Lüften des Arbeitsraums des Zylinders im Falle des Auslenkens und damit ein Absinken der Rückstellkraft auf Null.
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Es können auch, gegebenenfalls zusätzlich zu den genannten Zylinder-Kolben Einheit eine oder mehrere doppeltwirkende Zylinder-Kolben Einheiten vorgesehen werden, durch die es möglich wird, zumindest bei einem anliegenden niedrigeren Druck den Kolben statt in der Endlage in einer Zwischenlage zu halten und so Bewegungen in beiden Richtungen des Kolbens zuzulassen. Dabei kommt es, anders als bei der Position des Kolbens in der Endlage, bei jeder Kraftänderung zu einer Lageänderung, was z. B. beim Absetzen einer Last in eine geometrisch definierte Aufnahme gewünscht wird.
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Weitere Aspekte, Vorteile und Ausführungen der Neuerung werden aus der nachfolgenden Beschreibung, die auf die Zeichnung Bezug nimmt, klar. In der Zeichnung stellt bzw. stellen
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die 1 eine schematische Ansicht einer neuerungsgemäßen Vorrichtung in der Nulllage,
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die 2 eine Ansicht entsprechend der 1 in ausgelenkter Lage,
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die 3 eine zu 1 ähnliche, schematische Ansicht mit Gewichtsausgleich in Nulllage,
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die 4 eine Ansicht entsprechend der 3 in ausgelenkter Lage,
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die 5 und 6 eine neuerungsgemäß ausgebildete Lasthebevorrichtung,
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die 7 bis 9 eine Weiterbildung der Lasthebevorrichtung der 5 und 6 und
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die 10 und 11 eine Variante der Grundidee mit nur einer KZE,
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die 12 eine Variante in Verbindung mit einer Parallelkinematik und
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die 13 eine Variante in Verbindung mit einer seriellen Kinematik dar.
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Die Grenzen der beiden Plattformen sind Fall für Fall zu definieren. Da die Last mit der Grundvorrichtung verbunden sein muss, ist ein Teil der einen Plattform mit der Last, ein Teil der anderen Plattform mit der Grundvorrichtung immer fest verbunden, sodass die entsprechenden Anteile der Massen und gegebenenfalls die Federkonstante der an sich „festen” Verbindung entsprechend zu berücksichtigen sind. In Kenntnis der Neuerung ist dies für den Fachmann auf den genannten Gebieten leicht möglich.
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Die 1 zeigt, rein schematisch, eine neuerungsgemäße Vorrichtung 1 mit ihren wesentlichsten Bestandteilen. Diese sind eine feste Platte 2 und eine gegenüber der festen Platte 2 bewegliche Lastplattform 3. Wie bereits ausgeführt, bezieht sich die Bezeichnung „fest” nur auf die Schaffung eines lokalen Bezugssystems, das der Neuerung zugrundeliegende Problem besteht ja im Wesentlichen darin, dass die feste Plattform mit der Lastplattform bewegt werden soll und dabei die Relativposition zwischen den beiden unter gewissen Umständen unverändert bleiben soll, während es unter gewissen Bedingungen gewünscht ist, dass diese Relativposition unter der Einwirkung äußerer Kräfte geändert werden kann. Nur in diesem Sinn ist die feste Plattform als fest und somit als Bezugssystem anzusehen.
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Die Last kann nun alles Erdenkliche sein, der Begriff Last wurde nur gewählt, weil er kurz und prägnant ist. Bei Handhabungsrobotern oder Arbeitsrobotern kann es sich um ein Werkstück oder ein Werkzeug handeln, bei den Manipulatoren meist um ein großvolumiges und massereiches Werkstück, bei Lasthebemaschinen tatsächlich um eine Last im klassischen Sinn.
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Die 1 zeigt eine einfache Variante, bei der die neuerungsgemäße Vorrichtung nur entlang einer Achse verschieblich (die Führung selbst ist nicht gezeigt) dargestellt ist, was in vielen Fällen genügt, und ohne jedwede Berücksichtigung der Schwerkraft, somit beispielsweise mit horizontal verlaufender Bewegungsrichtung. Wenn mehrere Bewegungsachsen derart einstellbar ausgestaltet werden sollen, sind mehrere derartige Vorrichtungen 1 vorzusehen, die jeweils für die Abdeckung einer Bewegungsachse dienen. Es wird in 1, so wie in den meisten folgenden Beispielen, auch nicht auf die Führung zwischen der festen Plattform 2 und der Lastplattform 3 eingegangen, es betrifft die Neuerung ja nur das Halten der Lastplattform 3 in einer vorbestimmten Position mit einer vorbestimmten, aber veränderlichen Kraft bezüglich der festen Plattform 2.
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Dieses Halten erfolgt nun bei der neuerungsgemäßen Vorrichtung 1 mittels zweier Zylinder-Kolben Einheiten, die, der Einfachheit halber und in Übereinstimmung mit Ihrer Position in der 1 als rechte Zylinder-Kolben Einheit 4 und als linke Zylinder-Kolben Einheit 5 bezeichnet werden. Diese beiden Zylinder-Kolben Einheiten sind einfach wirkend und stehen mit Ihrem Arbeitsvolumen 9 über Verbindungsleitungen 7 mit einem gemeinsamen Tank 6 in Verbindung, der seinerseits wieder mit einer Druckquelle 8 in Verbindung steht. Die Bezeichnung Druckquelle ist natürlich nicht korrekt, es handelt sich um die Quelle des Fluids in Kombination mit einer Einstellvorrichtung für den Druck im gemeinsamen Tank 6.
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Die rechte Zylinder-Kolben Einheit 4 weist eine Kolbenstange 10 auf, die passend mit dem zugehörigen Kolben verbunden ist, dito weist die zu ihr antagonistische linke Zylinder-Kolben Einheit 5 eine am Kolben befestigte linke Kolbenstange 11 auf. In der dargestellten Lage, die im Folgenden als Normallage bezeichnet wird, sind die beiden Kolbenstangen 10, 11 voll ausgefahren und die zugehörigen Kolben liegen am jeweiligen Zylinderboden an. Die beiden Kolbenstangen wirken auf ein doppeltes Auflager 12, das fest mit der Lastplattform 3 verbunden ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Auflager 12 mit zwei Rohren 13 versehen, die gelenkig an einem Arm 14 der Lastplattform befestigt sind und in die die Kolbenstangen 10, 11 so weit ragen, dass sie an den Rohrböden anstoßen und fest anliegen.
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Unter der Annahme eines entsprechenden Druckes p1 wirkt auf jede der beiden Kolbenstangen 10, 11 eine von der Größe der Kolbenfläche der beiden Zylinder-Kolben Einheiten abhängige, Kraft, die die Lastplattform 3 fixiert. Erst wenn auf die Lastplattform 3 eine Kraft (immer stillschweigend als in der Richtung der Fixierung bzw. der Führung verlaufend gedacht) wirkt, die größer ist als die jeweilige Kraft auf die Kolbenstange, kommt es zu einer Verschiebung der Lastplattform bezüglich der festen Plattform 2.
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Diese Situation ist in 2 dargestellt, die ansonsten der 1 entspricht: Unter der Wirkung einer Kraft F1, die auf die Lastplattform 3 in obigem Sinne nach links wirkt und die größer ist als die Kraft, die zufolge des Druckes p1 über die linke Zylinder-Kolben Einheit 5 auf die linke Kolbenstange 11 wirkt, verschiebt sich der Kolben der linken Zylinder-Kolben Einheit 5, presst Luft über die Verbindungsleitung 7 in den gemeinsamten Tank 6 und, über die weitere Verbindungsleitungen 7 in den Kolbenraum der rechten Zylinder-Kolben Einheit 4, deren Kolben allerdings bereits am Kolbenboden anliegt, sodass diese teilweise Verdrängung des Fluids aus dem Kolbenraum der linken Zylinder-Kolben Einheit 5 zu einer gewissen Erhöhung des Druckes im geschlossenen System führt. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, ist unter der Annahme, dass diese Darstellung annähernd proportional ist, dieser Druckanstieg ist allerdings sehr gering, die auf die linke Kolbenstange 11 wirkende Kraft bleibt somit weitgehend konstant.
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Die Bewegung der Lastplattform 3 bezüglich der festen Plattform 2 wird dadurch ermöglicht, dass das Auflager 12 der Lastplattform 3 von der unbeweglich verbliebenen rechten Kolbenstange 10 abhebt und durch das zugehörige Rohr 13 die Kolbenstange 10 führt.
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Um nun das neuerungsgemäße Ziel zu erreichen, die Verbindung zwischen der festen Plattform 2 und der Lastplattform 3 unter gewissen Umständen möglichst starr und fest und unter anderen Umständen zumindest relativ weich auszubilden, genügt es, im ersten Fall den Druck p1 hoch anzusetzen und ihn im zweiten Fall auf einen (wesentlich) niedrigeren Wert p2 abzusenken, der ein Auslenken bereits bei (wesentlich) niedrigeren auftretenden Kräften erlaubt.
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Die 3 und 4 zeigen eine insbesondere für einen Manipulator geeignete Weiterbildung der Neuerung, bei der für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Da auch die Wirkungsweise dieser Bauteile die gleiche bleibt, wird für eine diesbezügliche ausführliche Erläuterung auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen. Vorauszustellen ist noch, dass die 3 und 4 eine Situation zeigen, in der die Verschieblichkeit der Lastplattform 3 entsprechend dem Doppelpfeil und damit auch die Orientierung der Kolbenstangen 10, 11 vertikal, somit auf und ab, erfolgt. Um nun in diesem Fall das Gewicht der Lastplattform 3 aufzunehmen, ist, mit der festen Plattform 2 verbunden, eine Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit 15 vorgesehen, die passend mit der Lastplattform verbunden ist. Der Arbeitsraum der einfach wirkenden Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit 15 ist mit einer Druckquelle verbunden, die im Arbeitsraum 16 einen Druck herstellt und konstant hält, der, multipliziert mit der Wirkfläche des Kolbens 17, an der Kolbenstange und damit an der Lastplattform 3 eine Haltekraft bewirkt, die dem Gewicht der Lastplattform 3 entspricht und ihr entgegen gerichtet ist, sodass die Last samt Lastplattform 3 zu schweben scheint.
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Es wird der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass, wie aus der schematischen Darstellung ersichtlich ist, in diesem Zusammenhang nicht auf auftretende Momente und Ähnliches eingegangen wird, es soll hier nur die Grundlage einer neuerungsgemäßen Vorrichtung erläutert werden.
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Unter den obigen Prämissen wird nun die Lastplattform 3 in vertikaler Richtung durch die Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit 15 in Schwebe gehalten und erscheint quasi schwerelos, während sie, unabhängig davon, durch die beiden Halte-Zylinder-Kolben Einheiten 4 und 5 (die wiederum antagonistisch zueinander sind) in der jeweiligen Höhe fixiert wird. Für eine Änderung der Höhe ist es nun für einen Betreiber nur notwendig, den Druck im gemeinsamen Tank 6 abzusenken, gegebenenfalls auf Umgebungsdruck, sodann die nach wie vor schwerelos erscheinende Lastplattform 3 zu verschieben und in der neuen Lage, beispielsweise nach entsprechender neuer Positionierung des Auflagers 12, durch erneutes Anlegen von Druck im gemeinsamen Tank 6 die Lastplattform 3 in ihrer neuen Position als neue Normallage zu fixieren.
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Eine solche verschobene, aber noch nicht als neue Normallage eingerichtete Position ist in 4 dargestellt, dort wurde die Lastplattform 3 nach unten verschoben, in der unteren (linken) Zylinder-Kolben Einheit 5 ist der Kolben vom Zylinderboden abgehoben, die Kolbenstange der oberen (rechten) Zylinder-Kolben Einheit 4 hat keinen Kontakt mehr mit dem Auflager 12, in der Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit 15 ist der Kolben verschoben, zufolge des in diesem Zylinders konstant gehaltenen Luftdruckes tritt keine Rückstellkraft auf, die Kraft zum Schweben der Lastplattform 3 wird allerdings weiterhin und auch kontinuierlich zur Verfügung gestellt.
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Wie aus den Figuren und der obigen Beschreibung hervorgeht, ist die Lastplattform 3 in diesem rein schematisch dargestellten und erläuterten Beispielen direkt durch die nicht dargestellten Führungen geführt und weist auch das Auflager 12 auf, in den praktischen Fällen ist es so gut wie immer so, dass eine passende bewegliche Plattform die Führungen und das Auflager aufweist und darüber hinaus auf dieser Lastplattform die eigentliche Last (das Werkzeug etc.) befestigt ist. Dass es dann nochmals möglich ist, Bewegungsmöglichkeiten zwischen der Lastplattform 3 und der eigentlichen Last vorzusehen, sei nur der Vollständigkeit halber erwähnt, weiters wird auf das Ausführungsbeispiel entsprechend den 7 bis 9 verwiesen.
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Eine sehr wichtige Weiterbildung der Neuerung besteht darin, die Auslenkung der Lastplattform aus der Normallage festzustellen und in Abhängigkeit von dieser Feststellung den Roboter, den Manipulator, die Lasthebevorrichtung etc., somit die Vorrichtung, auf der sich die feste Plattform 2 befindet, zu betreiben bzw. deren vorbestimmten Betrieb zu adaptieren bzw. deren Lage zu ändern. Als Beispiele und nähere Erläuterung können die folgenden Angaben angesehen werden.
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Bei einem Manipulator, wie er den 3 und 4 in eindimensionaler Form zu entnehmen ist, kann durch das Detektieren der manuell bewirkten Auslenkung aus der Normallage eine hydraulische, pneumatische, oder sonstige Vorrichtung, an der die feste Plattform 2 befestigt ist, dazu gebracht werden sich in der Richtung zu bewegen, die die Auslenkung kleiner werden lässt. Auf diese Weise ist eine Verschiebung der Lastplattform in einem Ausmaß möglich, das weit über den Verschiebeweg der beiden Kolbenstangen 10, 11 hinausgeht und darüber hinaus ein manuelles Nachjustieren des Auflagers 12 überflüssig macht. Es ist leicht ersichtlich, dass bei entsprechender Anwendung der Neuerung in allen drei Dimensionen eines beispielsweise kartesischen Koordinatensystems auf einfache Weise zwischen einem fixierten Zustand der Last, in dem Sie bearbeitet werden kann, und einem quasi schwerelosen Schwebezustand, in dem sie verschoben werden kann, nur durch Änderung des Druckes in den Haltezylindern umgeschaltet werden kann. Durch entsprechende Ausbildung von Achsen- und Hebelsarmen ist es möglich, das Gleiche auch mit der Drehbewegung der Lastplattform um vorgegebene Achsen zu erreichen; dabei können die Zylinder-Kolben Einheiten beispielsweise an den mit den Achsen drehfest verbundenen Hebeln angreifen.
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Auf gleiche Weise kann bei Robotern ein Werkstück erfasst werden: Wenn beim Anfahren des zu ergreifenden Werkstückes durch ein Verrutschen der Halteorgane zu Folge des Auftreffens beispielsweise auf einen Positionierkegel oder eine Einführschiene oder dgl. ein Abweichen von der Normallage erkannt wird, wird diese Längenänderung passend detektiert und der erhaltene Messwert bewirkt über die Steuerung des Roboters eine Nachpositionierung der festen Plattform, so dass auch hier mit Hilfe der neuerungsgemäßen Vorrichtung Ausgleichsbewegungen ermöglicht werden, deren Größe die weit über die durch die Haltezylinder selbst zur Verfügung gestellten Wege hinausgehen.
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Dass unter bestimmten Umständen diese gemessenen Abweichungen von der Normallage auch zu Sicherheitszwecken verwendet werden können, indem beim Auftreten bestimmter Abweichungen in vorbestimmten Betriebszuständen nicht einfach ein Nachgeben zum Wiederereichen der Normallage vorgesehen ist, sondern ein möglichst rasches Zurückziehen in eine vorgegebene Sicherheitsposition, stellt nur einen weiteren Aspekt der Neuerung dar. Es kann beispielsweise eine solche spezielle Verfahrenssituation eine großräumige Zustellbewegung eines soeben ergriffenen Werkzeuges am Ende eines Knickarmroboters sein bei dem, abgesehen von den Trägheitskräften, keinerlei von außen auf die feste Plattform wirkende Kräfte auftreten dürfen, jede auftretende Kraft muss als Folge einer Kollision angesehen werden und muss daher beim Auftreten in diesem Bewegungszustand zum sofortigen und raschestmöglichen Zurückziehen des Roboterarms in eine Sicherheitsposition führen. In Kenntnis der Neuerung ist dies bei einer neuerungsgemäß ausgestatteten Verbindung zwischen der festen Plattform am Ende des Roboterarms und dem eigentlichen Werkzeugträger, der gemeinsam mit den zugehörigen Halteelementen der Lastplattform der bisherigen Beschreibung entspricht, für einen Programmierer auf dem Gebiete der Handhabungs- und Werkzeugroboter problemlos möglich.
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Die 5 und 6 zeigen eine neuerungsgemäß ausgestaltete Lasthebevorrichtung 18. Diese weist einen, gegebenenfalls entlang einer Führung verfahrbaren, Oberteil 19 und einen anhebbaren bzw. absenkbaren Untereil 20 auf. Diese Elemente, ebenso wie die eigentlichen Hebevorrichtungen und die Vorrichtungen zum Verhindern von Schwenkbewegungen sind im Stand der Technik bekannt und bedürfen hier keiner näheren Erläuterung.
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Am Unterteil 20 ist eine feste Plattform 2 montiert, die eine Lastplattform 3 trägt. Die Verbindung dieser beiden Teile erlaubt es der Lastplattform 3, sich entlang der drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems (auf – ab, links – rechts, vor – zurück) zu bewegen; die rotatorischen Freiheitsgrade sind gesperrt. Der Aufbau der Verbindung ist folgender: An der festen Plattform 2 sind vier vertikal verlaufende Steher 21 kardanisch schwenkbar befestigt. Die unteren Enden der Steher 21 sind jeweils kardanisch schwenkbar paarweise auf einer zweigeteilten Zwischenplattform 22 befestigt. Die beiden Zwischenplattformen 22 sind, um parallele Achsen drehbar, mittels einer schräg verlaufenden Verbindung 23 miteinander gekoppelt und, um zwei zueinander parallele Achsen 24 drehbar, mit der Lastplattform 3 verbunden.
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Dieses System von Führungen zwischen der festen Plattform 2 und der Lastplattform 3 wird nun durch eine vertikale Schwebe-Kolben-Zylinder Einheit 15 und, in jeder der beiden waagrechten Richtungen, durch zwei Halte-Zylinder-Kolben Einheiten 4, 5, bzw. 4', 5', die so wie oben beschrieben aufgebaut sind und wirken, gehalten.
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Wie schon mehrfach erwähnt, wird die eigentliche Last, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Motor 25, mit der Plattform, die summarisch als Lastplattform 3 bezeichnet wird, fest verbunden und ist damit mit ihr verfahrbar. Wie eingangs erwähnt, wird während des Verfahrens der Druck in den Halte-Zylinder-Kolben Einheiten 4, 5; 4', 5' auf einem hohen Niveau gehalten, um die Verbindung zwischen der festen Plattform und der Lastplattform steif zu halten; beim Ansteuern des Absetzpunktes wird der Druck verringert, um es der Lastplattform samt Motor 25 zu ermöglichen, beim Auffahren bzw. Einfahren auf Positionierstifte odgl. nachzugeben, ohne dass die gesamte Lasthebevorrichtung 18 neu positioniert werden muss.
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Eine Ausgestaltung, die insbesondere bei der Verwendung als Manipulator nützlich ist, zeigen die 7 und 8. Bei dieser Ausgestaltung ist an der Lastplattform 3 einer als Manipulator wirkenden und eingesetzten Lasthebevorrichtung 18, die genauso wie im vorstehenden Beispiel beschrieben ausgebildet ist, eine Schwenkvorrichtung 26 befestigt, die es einer Tragplatte 27 ermöglicht, um einen deutlich unterhalb der Tragplatte 27 liegenden Zentralpunkt verschwenkt zu werden, ohne dass die Lastplattform 3 sich dabei bewegt. Um dies zu erreichen, sind an der Lastplattform zwei um schräge Achsen schwenkbare Oberarme 28 vorgesehen, die an ihren freien Enden wiederum schräge Achsen aufweisen, um die Unterarme 29 schwenkbar sind, an deren Enden schwenkbar eine gemeinsame Hülse befestigt ist, die fest mit der Tragplatte 27 verbunden ist. Als Bedingung ist nur verlangt, dass alle fünf Achsen sich in einem Punkt schneiden; solange dies der Fall ist, ist die Tragplatte 27 um diesen gemeinsamen Schnittpunkt, den Zentralpunkt, bei festgehaltener Lastplattform 3 schwenkbar.
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Wenn nun bei der Verwendung dieser Vorrichtung als Manipulator ein Benutzer den an der Tragplatte 27 befestigten Gegenstand, beispielsweise wieder einen Motor, verdrehen will, so kann er dies tun, ohne dass die Lastplattform 3 bewegt wird. Wenn er die Höhe oder die Lage innerhalb einer horizontalen Ebene ändern will, ist es nur notwendig, wie oben beschrieben, den Druck in den Halte-Zylinder-Kolben Einheiten abzusenken und die Bewegung vorzunehmen, es kann dann diese Bewegung durch entsprechende Sensoren erfasst werden und veranlasst den Steuermechanismus der Lasthebevorrichtung 18 dazu, als Ganzes entsprechend auszuweichen, um die Position zwischen Lastplattform 3 und fester Plattform 2 wieder in die Normallage zu bringen. Nachdem dies in der gewünschten Lage der Lastplattform und des daran befestigten Gegenstandes geschehen ist, muss der Benutzer nur den Druck in den Halte-Zylinder-Kolben Einheiten wieder auf das zum Halten vorgesehene Maß erhöhen, um während der folgenden Bearbeitung des Werkstückes, das an der Lastplattform direkt oder indirekt befestigt ist, jede ungewünschte Bewegung zu verhindern.
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Die 9 und 10 zeigen, teils in Ansicht, teils im Schnitt, einmal in Z-Richtung ausgelenkt, einmal in X-Y Richtung ausgelenkt, eine Variante einer neuerungsgemäßen Vorrichtung, die mit nur einer Zylinder-Kolben Einheit die drei translatorischen Achsen der Bewegung gemäß dem Ziel der Neuerung abdeckt, die drei rotatorischen Achsen sind durch die Führungen 39 gesperrt:
Diese Haltevorrichtung 30 weist einen sphärischen Kopf 31, der auf einem Kipphebel 32 ausgebildet ist und dazu bestimmt ist, sphärisch beweglich in der Lastplattform 3 gelagert zu werden. Der Kipphebel 32 ruht mit seiner Unterseite auf einem Schieber 33, der verschieblich in einer Büchse 34 angeordnet ist, die mit der festen Plattform 2 verschieblich verbunden ist. Der Schieber 33 wiederum ist fest mit einer zeichnerisch nur schematisch angedeuteten Zylinder-Kolben Einheit 38 verbunden, die ihn gegenüber der Büchse 34 und damit der festen Plattform 2 fest hält. Diese Verschieblichkeit ist notwendig, um in axialer Richtung, der Z-Richtung, sowohl auf Druck, als auch auf Zug auslösen zu können.
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Zur Fixierung des Zusammenhaltes des Mechanismus im Falle des Auslösens ist ein Stift 35 vorgesehen, der in fluchtenden Öffnungen der Büchse 17 sitzt und mittels axialer Schlitze im Schieber 33 dessen Bewegung im vorgesehenen Ausmaß erlaubt.
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Eine Besonderheit bildet die geometrische Ausgestaltung des Kipphebels 32: seine Mantelfläche 37 ist ballig ausgebildet, sodass er im Inneren der Büchse 34, in der er oberhalb des Schiebers 33 angeordnet ist, spielfrei verkippt werden kann. Weiters ist seine Standfläche, mit der er am Schieber 33 aufliegt, mit einer zentralen Vertiefung (angedeutet durch eine starke Linie im Bodenbereich des Kolbens und ebenfalls mit dem Bezugszeichen 37 versehen) ausgebildet und seine Oberfläche, die zum Deckel der Büchse 34 hin gerichtet ist und durch die der Hals ragt, an dessen oberem Ende der Kopf 31 sitzt, ist ebenfalls mit einer kreisförmigen Vertiefung 36 versehen.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist nun folgende: Solange die Zylinder-Kolben Einheit 38 den Kipphebel 32 in Normallage hält ist die Lastplattform 3 bezüglich der festen Plattform 2 als starrer Bauteil anzusehen. Wenn, wie in 10 dargestellt, Kräfte in Z-Richtung auf den sphärischen Kopf 31 wirken, die so groß sind, dass sie die Haltekraft der Zylinder-Kolben Einheit 38 übersteigen (9), so drückt der Kipphebel den Schieber 33 und damit den Kolben (oder Zylinder, je nach Einbaurichtung) der Zylinder-Kolben Einheit 38 in Z-Richtung nach unten, die Lastplattform 3 kann gegenüber der festen Plattform 2 bewegt werden. Eventuelle Sensoren an der Zylinder-Kolben Einheit oder den Führungen stellen die Auslenkung fest leiten die Daten an eine Steuerung und diese sorgt für die für diesen Fall vorgesehenen Reaktionen.
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Der Stift 19 begrenzt den Verschiebeweg der Werkzeugplattform 3 in Z-Richtung, kann daher in zahlreichen Anwendungen, wenn eine derartige Begrenzung durch die Zylinder-Kolben Einheit ausreicht, weggelassen werden.
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Wenn nun Kräfte in X- oder Y-Richtung wirken (egal, ob auch Kräfte in Z-Richtung wirken), so erfolgt das Auslösen wie in 9 dargestellt: Durch die Verschiebung des Kopfes 31 kippt der Kipphebel 32 um die sich ausbildende bzw. automatisch ergebende (horizontale) Kippachse und drückt dabei auf den Schieber 33 wiederum in Auslöserichtung, zusammenfallend mit der Z-Richtung. Wenn dabei die auftretende Kraft größer wird als die Auslösekraft, wie in 9 dargestellt, so kommt es wieder zur Bewegung der Lastplattform 3. Eine eventuell wirkende Z-Komponente der auf die Lastplattform 3 wirkenden Kraft addiert sich automatisch zu der durch den Kipphebel induzierten Kraft.
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Durch passende Wahl des Abstandes zwischen dem Kopfmittelpunkt und der Höhe des Fußes des Kipphebels erreicht man es, dass Kraftkomponenten in X-, Y- und Z-Richtung gleichermaßen zu einer Resultierenden Auslösekraft in Z-Richtung bzw. Auslöserichtung auf den Schieber 33 wirken. Ebenso kann man passende Kraftunterschiede für verschiedene Auslöserichtungen vorsehen. Grundlegend ist auch hier, dass in unterschiedlichen Betriebszuständen unterschiedliche Drücke in der Zylinder-Kolben Einheit herrschen.
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Die 11 zeigt, rein schematisch, eine Variante mit einer 3-2-1 Parallelkinematik, in Anbetracht der ausführlichen obigen Beschreibung wurde hier vom Eintrag von Bezugszeichen für die Zylinder Abstand genommen. Die oben dargestellte feste Plattform 2 ist über eine derartige Kinematik mit der unter ihr befindlichen Lastplattform 3 verbunden. Das in der Ansicht am weitesten links befindliche Verbindungselement entspricht dem Tripod, das mittlere der Schere und das rechte dem Einzelaktuator; die möglichen Bewegungsrichtungen sind nur durch die zugehörigen neuerungsgemäß vorgesehenen Zylinder-Kolben Einheit angedeutet, die konstruktive Ausbildung der Parallelkinematik ist, als nicht zur Neuerung gehörig, nicht dargestellt. Die drei vertikal angeordneten Zylinder-Kolben Einheit dienen der Fixierung in der Z-Achse, die schräg angeordneten Zylinder-Kolben Einheit sind paarweise antagonistisch wirksam, auch wenn sie schräg und nicht wie im ersten Ausführungsbeispiel fluchtend zueinander angeordnet sind, die geänderten Kraftverhältnisse sind durch die dem Konstrukteur bekannte Winkellage leicht zu berechnen.
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Die 12 zeigt einen klassischen Support für eine Werkzeugmaschine, mit herkömmlichen, händisch einzustellenden Spindeln für die Verschiebung entlang der jeweiligen Achse. Es handelt sich um eine klassische serielle Kinematik, bei der jede Plattform alle weiteren trägt und somit im Sinne der Neuerung eine „reine” feste Plattform 2 und eine „reine” Lastplattform 3 vorhanden sind, alle dazwischen liegenden Plattformen sind gegenüber der „vorigen” eine Lastplattform, gegenüber der „folgenden” eine feste Plattform. Neuerungsgemäß ist es nun ein Leichtes, statt der gezeigten Spindeln entweder jeweils einzelne oder paarweise antagonistische Zylinder-Kolben Einheit zu montieren, um entlang der jeweiligen Achsen voreinstellbare, leicht zu verändernde Haltekräfte, entweder nur in einer Richtung oder in beiden Richtungen, zu schaffen. Auch hier wurde in Anbetracht der obigen, ausführlichen Beschreibung vom Eintrag von Bezugszeichen Abstand genommen.
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Die in der Beschreibung angeführten Varianten und Ausgestaltungen lassen sich kombinieren bzw. die Ausgestaltungen auch bei anderen Varianten als bei den beschriebenen anwenden. Insbesondere die durch das Auslösen der Vorrichtung bewirkten Reaktionen können die unterschiedlichsten sein, es sei nur auf die Verwendung einer neuerungsgemäßen Vorrichtung zur Sicherung gegen Diebstahl zufolge des Belastungsunterschieds in Fahrzeugen aller Art hingewiesen: Während des diebstahlsicheren Bewegens wird die Lastplattform fest fixiert, beim Betrieb bei stillstehendem Fahrzeug beweglich gehalten und unter Umständen nachgeführt, beim Erkennen des Fehlens wird Alarm gegeben.
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Die Bestandteile der neuerungsgemäßen Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und können vom Fachmann auf dem jeweiligen Gebiet: Lasthebemaschinen, Roboter, Manipulatoren, etc., in Kenntnis der Neuerung und der spezifischen Anforderungen leicht ausgewählt und dimensioniert werden.
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Selbstverständlich umfasst die Neuerung auch kinematische Umkehrungen, etwa die Montage der Zylinder-Kolben Einheit an der Lastplattform und des Auflagers an der festen Plattform, etc., wie ja überhaupt die beiden Plattformen nur durch ihre jeweilige Verwendung: Montage an einer Vorrichtung oder Befestigung einer Last zu den unterschiedlichen Bezeichnungen kommen, ansonsten ist ihre Beziehung zueinander absolut symmetrisch und umkehrbar.
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Zusammenfassend kann gesagt werden:
Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung wie Lasthebevorrichtung, Roboter, Manipulator, mit einer an ihrem Nutzende montierten festen Plattform 2 und einer ihr gegenüber durch zumindest eine Führung geführte Lastplattform 3, die mit einer vorgegebenen Kraft in einer vorgegebenen Normalposition gehalten wird und bei Überschreiten der vorgegebenen Kraft entsprechend der Führung auslenkt, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Kraft von zumindest einer Zylinder-Kolben Einheit 4, 5, 38 herrührt, die einerends mit der festen Plattform 2 und andernends mit der Lastplattform 3 in Kontakt steht, dass der Arbeitsraum 9 des Zylinders mit einer Druckquelle 8 verbindbar ist, und dass der Druck im Arbeitsraum 9 des Zylinders auf zumindest zwei unterschiedliche Werte gebracht werden kann.
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In einer Ausgestaltung sind zumindest zwei antagonistische Zylinder-Kolben Einheit 4, 5 auf einer der Plattformen 2, 3 vorgesehen, die ein, bevorzugt gemeinsames, Auflager 12 auf der anderen Plattform 3, 2 kontaktieren und weiters, dass beim Auslenken der Lastplattform 3 eine der beiden Zylinder-Kolben Einheiten 4, 5 den Kontakt mit dem Auflager 12 verliert.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass zumindest eine Zylinder-Kolben Einheit 4, 5, 38 auf der festen Plattform 2 befestigt ist und auf ein Auflager 12 der Lastplattform 3 drückt.
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Mechanisch bevorzugt wird, dass die Kolbenstangen 10, 11 der Zylinder-Kolben Einheiten 4, 5 in Normalposition der Lastplattform 3 voll ausgefahren sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- neuerungsgemäße Vorrichtung
- 2
- feste Plattform
- 3
- Lastplattform
- 4
- (rechte) Zylinder-Kolben Einheit
- 5
- (linke) Zylinder-Kolben Einheit
- 6
- Tank
- 7
- Verbindungsleitungen
- 8
- Druckquelle
- 9
- Arbeitsraum
- 10
- (rechte) Kolbenstange
- 11
- (linke) Kolbenstange
- 12
- Auflager
- 13
- Rohr(e)
- 14
- Arm
- 15
- Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit
- 16
- (schwebe-)Arbeitsraum
- 17
- Schwebekolben
- 18
- Lasthebevorrichtung
- 19
- Oberteil
- 20
- Unterteil
- 21
- Steher
- 22
- Zwischenplattform
- 23
- Verbindung
- 24
- Parallele Achse(n)
- 25
- Motor
- 26
- Schwenkvorrichtung
- 27
- Tragplatte
- 28
- Arm(e)
- 29
- Endarm(e)
- 30
- Haltevorrichtung
- 31
- Sphärischer Kopf
- 32
- Kipphebel
- 33
- Schieber
- 34
- Büchse
- 35
- Stift
- 36
- Vertiefung
- 37
- Mantelfläche
- 38
- Zylinder-Kolben Einheit
- 39
- Führungen
