DE2224349C3 - Manipulator - Google Patents
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- F16H49/00—Other gearings
- F16H49/001—Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions
Description
Die Erfindung betrifft einen Manipulator mit mindestens einem mittels eines Stellantriebes bewegbaren
Glied, das an einem Basisteil angeordnet ist und an seinem freien Ende ein Werkzeug Jrägt
Bei Manipulatoren ist es bekannt, die Bewegungsantriebe in Einzelantriebe aufzuteilen und einem jeden zu
bewegenden Arm einen eigenen Antrieb zuzuordnen (DE-PS 1138907). Hierzu wurden gemäß US-PS
28 58 947 und 30 66 805 Elektromotore als Antriebsmotore
verwendet. Da Antriebe für Manipulatoren in der Lage sein müssen, das Lastmoment längere Zeit im
Stillstand zu halten, sind Elektromotore hierbei einer großen thermischen Belastung ausgesetzt. Der für die
Kühlung notwendige konstruktive Aufwand erhöht das ohnehin nicht geringe Leistungsgewicht von Elektromotoren
erheblich. Zudem wird bei Manipulatoren in der Regel eine Mehrzahl von Antrieben hintereinander
angeordnet, wobei die außenliegenden Antriebe von den weiter innenliegenden Antrieben mitbewegt und
daher auch mit beschleunigt werden müssen, so daß auf die Einhaltung eines geringen Leistungsgewichts besonders
zu achten ist.
Zur Erzielung eines möglichst geringen Leistungsgewichtes ist es bekannt (DE-PS 1148 721), an der
Verbindungsstelle zweier Glieder des Manipulators ein Differential-Planetengetriebe mit vergleichsweise hohem
Untersetzungsverhältnis vorzusehen und die Eingangswelle des Getriebes durch einen hochtourigen
Elektromotor anzutreiben. Schnellaufende Elektromotore haben zwar gegenüber langsamlaufenden Elektromotoren
ein vergleichsweise geringes Leistungsgewicht, jedoch wird, sofern sie thermisch belastbar sind,
ihr Leistungsgewicht durch den notwendigen Kühlungsaufwand wiederum sehr stark erhöht.
In Erkenntnis dieser Nachteile wurden schon pneumatische Antriebe vorgeschlagen (US-PS
32 60 376), wobei analog zur Anwendung von elektromotorischen Antrieben jedem Arm des Manipulators
ein eigener Pneumatikzylinder zugeordnet ist Pneumatische Antriebe haben zwar den Vorteil eines geringen
Leistungsgewichtes, jedoch sind sie aufgrund der Kompressibilität des Arbeitsmediums Luft nur sehr
ungenau positionierbar. Hinzu kommt, daß Pneumatikzylinder im allgemeinen nur zwischen Endanschlägen
bewegbar und daher auch nur sehr schwer programmierbarsind.
Zum Umsetzen von digitalen Eingangssignalen in diskrete Ausgangspositionen oder in Geschwindigkeit
sind hydraulische Schrittmotore bekannt (DE-OS 19 29 854), bei denen die Eingangsimpulse in einem
Schaltventil einen Steuervorgang einleiten, wodurch ein strömendes Medium, z. B. öl oder Gas, als Energieträger
eine Bewegung eines Kolbens oder eines Motors und damit eine Bewegung der Lasl hervorruft. Hierbei
wird ein mit dem sich bewegenden Ausgangsglied fest verbundener Ventilschieber eines Vergleichsventils
gegenüber der gehäusefesten Schieberhülse so lange verstellt, bis die Steuerkanten des Ventilschiebers die
iS Steueröffnung der Schieberhülse abdecken. Durch die
Absperrung des strömenden Mediums kommt das Ausgangsglied zum Stillstand und wird erst dann wieder
bewegt, sobald ein neuer Schaltvorgang durch einen Eingangsimpuls eingeleitet wird.
In Verbindung mit numerischen Steuerungen bei Werkzeugmaschinen sind elektrohydraulische Stellantriebe
bekannt geworden (Zeitschrift »und-oder-nor«. Heft 4/1971), bei weichen die Umwandlung von
digitalen elektrischen Signalen in Drehmomente innerhalb eines Drehankermagneten erfolgt. Hiervon wird
die proportionale Winkelauslenkung einer Prallplatte abgeleitet, wodurch unterschiedliche Drücke in den zu
einem Steuerschieber führenden Zuleitungen hervorgerufen werden. Dies hat zur Folge, daß eine der beiden
Kammern eines Arbeitskolbens mit der Druckseite des ölvorrates verbunden und der Arbeitskolben dadurch
verschoben wird.
Schließlich ist es in Verbindung mit einem hydraulischen
Servosteuersystem bekannt geworden (DE-OS 14 26 581), die Düsen der Zuleitungen zu den Kammern
eines Steuerkolbens durch eine Regelklappe proportional zueinander zu öffnen und zu schließen. Hierbei wird
die Lage der Regelklappe durch Elektromagnete bestimmt.
so Hydraulische Stellantriebe sind, da Drucköl nur
begrenzt speicherbar ist, mit dem Nachteil behaftet, daß die Druckölerzeugung unabhängig von der abzugebenden
Leistung praktisch im Dauerbetrieb erfolgen muß. Der unnötig erzeugte Druck wird dabei über ein Ventil
wieder in den Tank zurückgeführt, wobei die dabei frei werdende Wärmemenge durch ein Kühlsystem abgeführt
werden muß. Darüber hinaus sind Hydrauliksysteme gegen Verschmutzungen und Lufteinschlüsse
sehr anfällig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für Manipulatoren zu schaffen, der unter
Gewährleistung eines geringen Leistungsgewichtes eine große Stellgenauigkeit bietet und dabei in jeder
beliebigen Zwischenstellung seiner Bewegungsbahn unter Last stillsetzbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Stellantrieb von einem elektropneumatischen Antrieb
gebildet ist, der einen mit einem Getriebe hoher
Untersetzung verbundenen pneumatischen Motor und einen dessen Luftzufuhr über ein Steuervenvtil beeinflussenden elektrischen Schrittmotor umfaßt, wobei das
Steuerventil mit der Motorabtriebswellc verbunden ist und zwei diametral angeordnete Düsensysteme aufweist, deren Durchflußquerschnitte durch eine mit dem
Schrittmotor verbundene Prallplatte steuerbar sind.
Durch diese Anordnung wurde ein pneumatischer Motor geschaffen, dessen Abtriebsleistung durch einen
elektrischen Schrittmotor regelbar ist. Hierdurch wurde es möglich, die steuerungsmäßigen Vorteile des
elektrischen Motors auf einen nur ein geringes Leistungsgewicht aufweisenden pneumatischen Motor
zu übertragen und dabei durch den hohen Untersetzungsgrad des der Motorantriebswelle nachgeschalte-
ten Getriebes die Kompressibilität der Luft als Fehlerquelle weitestgehend zu eliminieren, da beispielsweise eine volle Zylinderfüllung des pneumatischen
Motors nur einen vergleichsweise sdir geringen Stellbev/egungsanleil ergibt.
Im Vergleich zu den bei Manipulatoren seither überwiegend eingesetzten hydraulischen Antrieben
wird eine Reihe von Vorteilen erzielt, die u. a. darin zu
sehen sind, daß die Leitungsführungen einfacher sind, Rücklaufleitungen entfallen und die gesamte Anordnung weitgehend explosionssicher ist
Um ein möglichst großes Untersetzungsverhältnis des Getriebes innerhalb einer einzigen Stufe zu
erreichen, ist das Getriebe von einem an sich bekannten Harmonic-Drive-Getriebe gebildet, dessen Wellengenerator mit der Abtriebswelle des Motors verbunden
ist.
Eine raumsparende und äußerste kompakte Bauweise des gesamten Stellantriebes ergibt sich dadurch, daß der
pneumatische Motor und der Schrittmotor innerhalb des Topfes des Harmonie-Drivc-Gctricbcs angeordnet
sind.
Besonders vorteilhaft ist es, den Stellantrieb so auszubilden, daß er bezüglich der Winkelstellungen des
Gliedes ein Regelverhalten mit PR2-Charakteristik hat.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellen Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es
zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Manipulators,
Fig.2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Manipulators,
Fig.3 eine« Längsschnitt durch einen Druckluft-Axialkolbenmotor mit eingebautem Harmonic-Drive-Getriebe,
Fig.4 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf
einen bei einem Axialkolbenmotor nach F i g. 3 eingesetzten Drehschieber,
F i g. 5 eine Stirnansicht des Harmonic-Drive-Getriebes.
Der in F i g. 1 gezeigte Manipulator umfaßt ein drehbar an einer festen Unterlage 108 angeordnetes
Basisteil 109, an dem über ein Stellgelenk 100 ein in sich starrer Arm 104 angeflanscht ist.
Das Stellgelenk 100 ist durch eine im Basisteil 109 aufgenommene, nicht gezeigte Steuer- und Programmiereinrichtung schwenkbar, die durch ein nicht
gezeigtes, im Basisteil 109 oder der Unterlage 108 untergebrachtes Schrittschaltwerk aktivierbar ist. Das
Schrittschaltwerk kann auch eine Steuer- und Programmiereinheit 110 aktivieren, die an dem biegesteifen
Mittelteil des Armes 104 angeordnet ist. Die Steuer- und Programmiereinrichtung 110 dient zur Steuerung eines
Stellgelenkes 103 und zur Zustellung der daran angeordneten Greifzange 107.
Der in Fig. 1 gezeigte Manipulator hat vier Freiheitsgrade, die durch die Drehpfeile angedeutet
sind.
Der in F i g. 2 dargestellte Manipulator hat zusätzlich einen weiteren Freiheitsgrad, der durch Zwischenschalten zwischen den Arm 104 und die Greifzange 107 eines
weiteren Armes 105 über ein weiteres Stellglied 101 entstanden ist. Die Steuer- und Programmiereinrichtung
dient hier zur Schwenkung des weiteren Armes ίΟ5, an dessen Mittelteil eine Steuer- und Programmiereinrichtung 111 zur Steuerung des Stellgelenkes 103 mit der
Greifzange 107 angeordnet ist
In den Stellgelenken des Manipulators sind Stellantriebe vorgesehen, die einen elektro-pneumatischen
Motor in Kombination mit einem Getriebe hoher Untersetzung aufweisen.
Das in Fig.5 dargestellte Getriebe besteht im
wesentlichen aus drei Grundelementen, nämlich einem stabilen Stahlring 120 mit einem starren Zahnkranz 121
am inneren Umfang des Stahlringes, einem verformbaren Zahnkranz 122 mit Außenverzahnung, der am freien
Rand eines elastischen Topfes 123 ausgebildet ist und einem Wellengenerator in Form eines etwa elliptischen
Nockens 124, der über eine Antriebswelle 125 des pneumatischen Motors mit hoher Drehzahl antreibbar
ist und über ein Wälzlager 126 am elastischen Topf abgestützt ist Die Zähnezahl des verformbaren
Zahnkranzes 122 ist etwas geringer, im Grenzfall nur um einen Zahn, als diejenige des starren Zahnkranzes
121. Aufgrund dessen wird bei jedem Umlauf des Nockens 124, der eine umlaufende Abwälzbewegung
des verformbaren Zahnkranzes im starren Zahnkranz erzeugt, eine Relativbewegung zwischen den beiden
Zahnkränzen hervorgerufen, die dem Unterschied ihrer Umfangslängen entspricht. Das Getriebe kann seine
Leistung über den verformbaren Zahnkranz oder über den starren Zahnkranz abgeben. Das entsprechende
Gegenteil ist festgehalten.
In den in Fig.3 dargestellten Stellantrieb ist ein in
Fig.5 gezeigtes Getriebe eingebaut Die Teile des Getriebes sind in Fig. 3 mit gleichen Bezugszeichen
versehen wie in F i g. 5.
Der Antrieb umfaßt einen Preßluft-Axialkolbenmotor 1 bekannter Bauart. Der Zylinderblock 2 des Motors ist
mit dem Wellengenerator 124 des Getriebes nach Fig.5 fest verbunden. Der Antrieb erfolgt über den
drehbar gelagerten elastischen Topf 123 und die damit verbundene Abtriebshülse 4. Die Abtriebshülse 4 ist mit
einem nicht dargestellten Arm des Manipulators verbunden und überträgt also auf diesen Arm das von
dem Stellantrieb abgegebene Moment. Die Luftzufuhr steuert der Ventilblock 5, der mit dem Wellengenerator
124 und dem Zylinderblock 2 fest verbunden ist. In dem Ventilblock befindet sich pro Motorzylinder ein
Ventilschieber 6, der bei Stillstand des Antriebes durch die Ventilfedern 7 in seiner Mittellage gehalten wird.
Der Ventilblock trägt außerdem zwei diametral angeordnete Kapillar-Düsens>steme 8, die an die Zuluft
angeschlossen sind. Wird z. B. die untere Düse 8 durch die Prallplatte 9 verschlossen, dann bildet sich in den
Hubräumen links neben den Ventilschiebern 6 ein überdruck, der die Ventilschieber nach rechts schiebt.
Dadurch wird ein Teil der Zylinder des Preßluftmotors mit der Zuluftleitung und der andere Teil der Zylinder
mit der Abluftleitung verbunden. Bei entsprechender Anordnung der stationären Zuluft- und Abluftkanäle
dreht sich der Motor im Uhrzeigersinn (Blickrichtung in F i g. 3 von links), wenn sich die Ventilschieber 6 in ihrer
rechten Lage befinden. Wird die obere Düse 8 verschlossen, dann bewegen sich die Ventilschieber
nach links. Dies hat eine Umkehr der Zylinderbeaufschlagung und damit eine Drehrichtungsumkehr zur
Folge. Die von dem Schrittmotor 10 angetriebene Prallplatte 9 ist so ausgebildet, daß im Gleichgewichtszustand
(Stillstand) beide Düsen frei sind. Dreht sich die Prallplatte, dann wird, je nach Drehrichtung, entweder
die obere oder die untere Düse verschlossen. Der Preßluftmotor folgt also der Drehung der Prallplatte, bis
die verschlossene Düse wieder frei ist.
Bei dem dargestellten Stellantrieb sind die Nachteile
der Pneumatik, wie zu große Elastizität und slip-stick-Verhalten, weitgehend ausgeschaltet. Bei zusätzlicher
Belastung des mit dem dargestellten Antrieb ausgerüsteten Stellgelenkes durch eine Störgröße werden übet
das Steuerventil, das als Komparator arbeitet, die axialen Zylinder nachgefüllt. Somit ist die Steifigkeit de«
Systemes mindestes mit der vergleichbar, mit der mar bei einer Konstruktion mit Hydraulikzylindern rechner
kann.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Manipulator mit mindestens einem an einem Basisteil angeordneten, an seinem freien Ende ein
Werkzeug tragendes und mittels eines Stellantriebes bewegbaren Gliedes, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stellantrieb von einem elektropneumatischen Antrieb gebildet ist, der einen mit einem
Getriebe (120 bis 125) hoher Untersetzung verbundenen pneumatischen Motor (1) und einen dessen
Lufzufuhr über ein Steuerventil (5) beeinflussenden elektrischen Schrittmotor (10) umfaßt, wobei das
Steuerventil (5) mit der Motorabtriebswelle verbunden ist und zwei diametral angeordnete Düsensysteme
(8) aufweist, deren Durchflußquerschnitte durch eine mit dem Schrittmotor (10) verbundene
Prallplatte (9) steuerbar sind.
2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Getriebe ein an sich bekanntes Harmonic-Drive-Getriebe ist, dessen Weilengenerator
(124) mit der Abtriebswelle des Motors (1) verbunden ist
3. Manipulator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pneumatische Motor (1)
und der Schrittmotor (10) innerhalb des Topfes (123) des Harmonie-Drive-Getriebes angeordnet ist.
4. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb so ausgebildet ist, daß
er bezüglich der Winkelstellungen des Gliedes ein Regelverhalten mit PR2-Charakteristik aufweist.
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DE19722224349 DE2224349C3 (de) | 1972-05-18 | 1972-05-18 | Manipulator |
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