DE2406865B2

DE2406865B2 - Antriebsvorrichtung fuer den greif- oder arbeitskopf eines manipulators

Info

Publication number: DE2406865B2
Application number: DE19742406865
Authority: DE
Inventors: Shunichi; Igarashi Taenji; Kyoto Nishizawa (Japan)
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1973-02-28
Filing date: 1974-02-13
Publication date: 1976-11-25
Also published as: IT1003457B; FR2219341A1; GB1467265A; FR2219341B1; DE2406865A1; JPS49124474U

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für den Greif- oder Arbeitskopf eines Manipulators, bei der für den Fernantrieb des Greif- oder Arbeitskopfes ein Getriebezug mit drehenden Getriebegliedern vorgesehen ist.

Derartige Manipulatoren werden in erster Linie eingesetzt, wenn die Umgebungsbedingungen oder die speziellen Eigenheiten der durchzuführenden Arbeit, beispielsweise die Handhabung oder Bearbeitung heißer oder radioaktiver Gegenstände, eine unmittelbare Durchführung der Arbeiten durch die menschliche Hand nicht gestatten. Regelmäßig ist dabei eine Steuerung des Greif- oder Arbeitskopfes von einer vergleichsweise weit entfernten Stelle aus erforderlich und erfolgt die Steuerung mit Rücksicht auf die erforderliche Präzision der gesteuerten Bewegungen am einfachsten und kostengünstigsten durch eine mechanische Getriebeverbindung.

Der große Abstand vom Antrieb des Getriebezuges bis zum Greif- oder Arbeitskopf wirft icdcch besondere Probleme der Getriebemechanik auf. So sind für die einzelnen Steuerfunktionen dauernde Beschleunigungen und Verzögerungen des Arbeitswerkzeuges erforderlich. )e nach der gerade durchgeführten Arbeit wirken dabei oft hohe und insbesondere stark wechselnde Kräfte auf den Arbeits- oder Greifkopf ein, die den Getriebezug elastisch verformen. Insbesondere bei Bewegungsumkehrungen kommt hinzu, daß der Getriebezug meist eine Vielzahl von Getriebeverbindungen, wie insbesondere Zahnradpaarungen, enthält, deren Getriebe- oder Flankenspiel sich addiert.

Um trotz dieser für die Stellgenauigkeit ungünstigen Einflüsse auf die Getriebemechanik eine ausreichende Präzision der gesteuerten Bewegungen zu erhalten und insbesondere Schwingungen und Vibrationen trotz der starken Erregung durch zum Teil hohe, wechselnde Lasten auf den Arbeits- oder Greifkopf zu vermeiden, muß neben einer Verwendung hochfester Werkstoffe zu einer vergleichsweise großdimensionierten Auslegung der Kraftübertragungsteile des Getriebezuges gegriffen werden. Diese wiederum erhöhen aber das Gewicht des Manipulators, was nicht nur unter Kostengesichtspunkten unerwünscht ist, sondern auch insofern Nachteile bringt, als dadurch wiederum die Einflüsse des Gewichtes und der Masse des Getriebezuges bei den erforderlichen Beschleunigungen und Verzögerungen fühlbare Ungenauigkeiten, insbesondere bei schneller Arbeit, bringen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei leichter und raumsparender Bauweise des Getriebezuges der Antriebsvorrichtung eines Manipulators der eingangs bezeichneten Gattung trotz seiner großen Länge und der damit einhergehenden höheren Elastizität und Summierung von Gelriebespiel eine präzise Lagesteuerung des ferngesteuerten Greif- oder Arbeitskopfes auch bei hohen und insbesondere auch stoßartig wechselnden Gegenkräften zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfmdungsgemäß gelöst durch eine in umgekehrter Antriebsrichtung selbsthemmende Schnecke-Schneckenrad-Paarung im greifkopfseitigen Endabschnitt des Getriebezuges.

Natürlich sind Schnecke-Schneckenrad-Paarungen als Bestandteile der verschiedensten Getriebezüge an sich und efva auch bei Werkzeugmaschinen der verschiedensten Bauarten bekannt (DT-PS 1001082, DTPS 8 89 701, DL-PS 22 853). Hierbei wird insbesondere das gegenüber Stirn- oder Kegelradpaarungen erheblich größere Untersetzungsverhältnis einer Schnecke-Schneckenrad-Paarung in einer Getriebestufe ausgenützt.

Für d;n Antrieb von Manipulatoren ist jedoch ein besonders hohes Untersetzungsverhältnis in einer Getriebestufe keineswegs erforderlich. Im Gegenteil ist ein solches extrem hohes Untersetzungsverhältnis in der Regel nicht unbedingt erwünscht, da es keine einfach überschaubare, direkte Zuordnung der Größe des Stehbefehles /ur Stellbewegung mehr zuläßt. Mit einem Einsatz einer Schnecke-Schneckenrad-Paarung im greifkopfseitigen Endabschnitt eines Getriebezuges der Antriebsvorrichtung eines Manipulators jedoch lassen sich eine Vielzahl entscheidender Vorteile erzielen, welche das sich hier eher nachteilig auswirkende hohe Untersetzungsverhältnis in den Hintergrund treten lassen.

So kann die dem hohen Untersetzungsverhältnis entsprechende Drehmomententlastung des den Antrieb für die Schnecke-Schneckenrad-Paarung bildenden Getriebezuges zu einer entsprechend leichten Bauweise dieses Getriebezugabschnittes ausgenützt werden. Eine solche leichte und damit elastische Bauweise des Getriebezuges führt jedoch zwangsläufig zu niederfrequenteren Resonanzen, die durch die am Werkzeug auftretenden Stöße angeregt werden können. Im Gegensatz zu einer besonders starren Bauweise des Getriebezuges mit extrem hohen Resonanzfrequenzen treten als Folge der niederfrequenten Anregung des Getriebezuges entsprechend niederfrequente Anlwortschwingungen des Arbeitskopfes mit hoher Amplitude auf, welche die Präzision der Greif- oder Arbeitsbewegungen erheblich beeinträchtigen. Diese, sich aus einer an sich wünschenswerten leichten Bauweise ergebenden Nachteile werden jedoch mit der Erfindung dadurch ausgeschaltet, daß die Selbsthemmung der Schnecke-Schneckenrad-Paarung in einer Antriebsrichtung vom Greif- oder Arbeitskopf auf den Getriebezug eine Übertragung hoher Schwingungsenergie auf den Getriebezug im Bereich dessen niederfrequenter Hauptresonanzen ausschließt und das sich insoweit wiederum als vorteilhaft erweisende hohe Untersetzungsverhältnis ein übriges tut, um eine Übertragung von mit entsprechend verminderter Amplitude doch angeregten Resonanzschwingungen des Getriebezuges auf den Arbeitskopf hinsichtlich ihrer Amplitude nochmals soweit herabzusetzen, daß ihre Auswirkungen am Greif- oder Arbeitskopf nicht mehr spürbar sind.

Auf diese Weise wird durch die Verwendung einer selbsthemmenden Schnecke-Schneckenrad-Paarung im greifkopfseitigen Endabschnitt des Getriebezuges eine nahezu vollständige Scbwingungsisolierung des Arbeits-

oder Greifkopfes vom Getriebezug erzielt, die gerade darum so wirksam ist, weil gleichzeitig von der durch das hohe Untersetzungsverhältnis ermöglichten Drehmomentreduktion und damit leichten Bauweise des Getriebezuges Gebrauch gemacht wird, die sonst zu einem besonders ungünstigen Schwingungsverhalten führen würde. Somit kann bei leichter und raumsparender Bauweise des Getriebezuges eine präzise, schwingungsfreie Führung und Lagesteuerung des ferngesteuerten Greit- oder Arbeitskopfes auch bei hohen und insbesondere auch stoßartig wechselnden Gegenkräften am Arbeitskopf erzielt werden, wobei die Präzision der Bewegungssteuemng trotz der leichteren und billigeren Bauweise der mit einer besonders starren, massiven und schweren Bauweise erzielbaren Präzision mindestens ,₅ ebenbürtig, wenn nicht überlegen ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbüspieles näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den greifkopfseitigen Endabschnitt einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung für einen Manipulator,

F i g. 2 eine Seitenansicht aus Richtung der Pfeile H-Il in Fig. 1.

Fig. 3 einen Teilschnitt gemäß Linie III-III in Fig. 1 und

F ig· 4 einen Schnitt gemäß Linie IV-IV in Fig. 1.

In der Zeichnung sind mit 1 und 2 Gehäuseteile des greifkopfseitigen Endes der Antriebsvorrichtung eines Manipulators bezeichnet, die, wie insbesondere Fig. 2 zeigt, an einer Trennfuge 3-3 des Gehäuses aneinanderliegen und mit Schraubbolzen 4 verbunden sind.

Mit X-X ist in Fig. 1 eine Koordinatenrichtung bezeichnet, in der Querwellen X₁. x₂, *3 und X₄, jeweils in der Zeichnungsebene liegen. Mit Y-Yist in Fig. I eine ebenfalls in der Zeichnungsebene liegende Koordinatenrichtung bezeichnet, die senkrecht zur Richtung X-X verläuft und in den Längswellen y\,y₂,yi und y₄ liegen.

Die erste Querwelle X₁ besitzt praktisch T-förmige Rohrform, wobei das eine, in der Darstellung gemäß Fig. I rechte Ende der Querwelle X₁ über ein Nadellager 5 im Gehäuse drehbar gelagert ist, während das andere, in der Darstellung gemäß Fig.] linke Ende der Querwelle χι über Bolzen 6 fest mit einer zugeordneten Hülse x\ verbunden ist. Eine gehärtete Manschette 7, die am Außenumfang der Hülse X₁' befestigt ist, ist an ihrem Außenumfang über ein Gleitlager 8 aus Lagermetall im Gehäuse drehbar gelagert.

Die zweite Querwelle X2 ist durch die Hülse χ/ der ersten Querwelle Af₁ über ein Nadellager 9 drehbar gelagert. An dem gemäß F i g. 1 rechten Ende der zweiten Querwelle x₂ ist ein Stirnzahnrad X₂ einstückig angeformt, während ein weiteres Stirnrad x{' einstückig mit dem anderen, gemäß F i g. 1 linken Ende der Querwelle x₂ verbunden ist.

Gemäß Fig.3 ist weiterhin die dritte Querwelle x₃ durch die erste Querwelle xi über Nadellager 10 und 11 in Höhe der Schnittlinie HI-III des in F ig. 3 dargestellten Schnittes drehbar gelagert. Ein einstückig an dem gemäß F i g. 3 linken Ende der dritten Querwelle *3 ausgebildetes Stirnrad X3' kämmt mit einem Stirnrad X₂' am einen Ende der zweiten Querwelle x₂.

Die vierte Querwelle X₄ ist drehfest in dem Gehäuseteil 1 eingesetzt und trägt ein drehbar gelagertes Stirnrad X₄' und ein einstückig damit ausgebildetes Kegelrad x₄".

Die erste Längswelle y\, die als Abtriebsglied dient, ist über ein Nadellager 13 drehbar in eine lotrechte Hülse JTi" des T-förmigen Ansatzes der ersten Querwelle x\ eingesetzt; ein Schneckenrad y\* der ersten Längswelle y\ kämmt mit einer Schnecke X3", die an der dritten Querwelle x₃ befestigt ist

Die zweite Längswelle js, die als Antriebsgtied zum Drehen oder Verschwenken der ersten Längswelle y\ um die Richtung X-X dient, ist mit Hilfe von Kugellagern 14 und 15 drehbar im Gehäuse gelagert

Außerdem ist die dritte Längswelle y\, die als Antriebsglied zum Drehen der ersten Längswelle y\ um die Richtung Y- Y dient, mit Hilfe eines Kugellagers 16 und von Nabellagern 17 und 18 drehbar im Gehäuse gelagert Ein einstückig mit dem oberen Ende der dritten Längswelle yz verbundenes Kegelrad yi kämmt mit dem Kegelrad X₄" auf der vierten Querwelle X₄.

Die vierte Längswelle y* ist mit Hilfe von Nadellagern 19 und 20 drehbar im Gehäuse in einer senkrecht zur Zeichenebene von Fig. I verlaufenden Ebene gelagert, welche die zweite Längswelle y₂ einschließt Ein am unteren Ende der vierten Längswelle y₄ befestigtes Stirnrad y_A' kämmt mit einem anderen, einstückig mit dem oberen Ende der zweiten Längswelle y₂ verbundenes Stirnrad y₂', während eine an der vierten Längswelle >4 befestigte Schnecke^" mit einem Schneckenrad x\'" kämmt, das einstückig an dem gemäß Fig. 1 rechten Ende der Querwelle X₁ ausgebildet ist.

Die erläuterte Antriebsvorrichtung arbeitet wie folgt: Wenn die dritte Längswelle yj in Drehung versetzt wird, drehen sich das Kegelrad X₄" und das Stirnrad X₄' auf der vierten Querwelle x₄ entsprechend der Drehbewegung des einstückig mit der dritten Längswelle yj verbundenen Kegelrades yi. während sich das am anderen End? der /weiten Querwelle x₂ vorgesehene Stirnrad x₂ in Abhängigkeit davon unter einem Eingriff mit dem Stirnrad A₄' dreht. Das am einen Ende der dritten Querwelle x_} befindliche Stirnrad x_}' dreht sich entsprechend der Drehung der zweiten Querwelle x₂ infolge des Eingriffs mit dem Stirnrad x₂ am anderen Ende der zweiten Querwelle X₂ (vgl. F i g. 3). Das Schneckenrad y\ auf der ersten Längswelle y\ dreht sich infolge des Eingriffs mit der an der dritten Querwelle X3 befestigten Schnecke xj" mit hohem Untersetzungsverhältnis, so daß die als Abtriebsglied dienende erste Längswelle .V₁ um die Achse oder Richtung Y- V gedreht wird.

Wird dagegen die zweite Längswelle y₂ in Drehung versetzt, so dreht sich das Stirnrad y₄' auf der vierten Längswelle ^₄ infolge seines Eingriffs mit dem Schnekkenrad y₂ auf der zweiten Längswelle y₂, während das Schneckenrad X₁" auf der ersten Querwelle xi durch den Eingriff mit der Schecke y*" auf der vierten Längswelle y₄ mit hohem Untersetzungsverhältnis in Drehung versetzt wird. Auf diese Weise kann die erste Längswelle ^₁, die mit der lotrechten Hülse χΓ der ersten Querwelle χι verbunden ist, um die Achse oder Richtung X-Xdrehen.

Somit kann durch Drehen der dritten Längswelle /3 die als Abtriebsglied dienende erste Längswelle /1 mit hohem Untersetzungsverhältnis um die Achse oder Richtung Y- Y gedreht und durch Drehen der zweiten Längswelle y₂ mit hohem Untersetzungsverhältnis auch um die Achse oder Richtung X-Xgedreht werden.

Selbst bei einer großen Gegenlast an der ersten Längswelle y\ können mithin die zweite und die dritte Längswelle y₂ und y^ mit niedrigem Eingangsdrehmoment in Drehung versetzt werden.

Wenn die erste Längswelle y\ um die Achse X-X

gedreht wird, werden das Schneckenrad y\ sowie die dritte Querwelle X₃, deren Achse gegenüber der ersten Längswelle y\ fest angeordnet ist, gemeinsam um die Achse X-X gedreht Da das Stirnrad xi auf der dritten Querwelle #3 um die Achse X-X verdreht wird, während es mit dem Stirnrad χΐ auf der zweiten Querwelle Af₂ kämmt, die bezüglich der Lage ihrer Achse und ihrer Winkelstellung festgelegt ist, dreht sich die dritte Querwelle x* auf ihrer eigenen Achse im Gleichlauf mit der Drehung um die Achse X-X. Die resultierende Drehung der Schnecke xj" um ihre eigene Achse läßt das Schneckenrad y\ um die Achse V-Vdrehen, so daß sich die erste Längswelle y\ als Nebenwirkung ihrer Drehung um die Achse X-X auch um die Achse Y- Y drehen würde. Das Ausmaß dieser Drehung um die Achse Y- Vis* offensichtlich der Größe der Drehung der ersten Längswelle y\ um die Achse Y- K gleich, wenn das Stirnrad x₂' auf der zweiten Querwelle Af₂ im gleichen Ausmaß wie die erste Querwelle x\ um die Achse X-X verdreht wird, während die erste Längsachse y\ an einer Drehung um die Achse X-X gehindert wird. Wenn daher die Größe der Drehung der ersten Längswelle y\ um die Achse Y- Y mit n_y, die Größe der Drehung der ersten Querwelle xt um die Achse X-X mit n_x, die Zähnezahlen des Stirnrades Af₂' auf der zweiten Querwelle X₂, des Stirnrades xj auf der dritten Querwelle xj und des Schneckenrades y\ auf der ersten Längswelle y\ mit Z\, Z₂ bzw. Z_y und die Steigung der Schnecke xj" auf der dritten Querwelle x₃ mit g bezeichnet werden, so ergibt sich die Gleichung:

n_r - n_x -=- ■ -j-

Z₂

Da das Verhältnis von glZ_y wesentlich kleiner gewählt werden kann als andere Übersetzungsverhältnisse von Stirn- und Kegelrädern, kann die Drehung der ersten Längswelle y\ um die Achse Y-Ya\s Nebenwirkung ihrer Verdrehung um die Achse X-X klein gehalten werden, so daß die Größe der erforderlichen Korrektur auf ein Mindestmaß reduziert werden kann.

Wenn die erste Längswelle y\ durch Drehen der dritten Längswelle yi um die Achse Y-Ygedreht wird, wird die erste Längswelle y\ dabei nicht in einer Nebenwirkung um die Achse X-X mitgedreht.

Wenn zudem die Schnecken X₃" und y*" so ausgebildet sind, daß die Reibungskoeffizienten zwischen der Schnecke X3' und dem Schneckenrad y\ sowie zwischen der Schnecke y₄" und dem Schneckenrad *Γ" größer smdais die Talet des Siägmigswmfceis θ der betreffenden Simecken X₃" end fr", d.h. größer als tan ©,daiffi !rönnen die zweite lotddie dritte Längswefle j% bzw. yi lacht durch die ran die Acfase X-X raid die Achse Y-Y anff die erste Längswefle y, ausgeübt Drehmomente in Gegenrichtung gedreht werden obgleich sich die erste Längswelle y\ durch Verdreher der zweiten und der dritten Längswelle j'2 bzw. y₃ um die Achse X-Xund die Achse V-Kdrehen läßt. Schwingun gen an der Längswelle /1 bzw. am Arbeits- odei Greifkopf des Manipulators werden daher nicht auf die hinter den Schnecke-Schneckenrad-Paarungen liegen den Abschnitte der Getriebezüge der Antriebsvorrichtung für den Arbeits- oder Greifkopf übertragen sondern durch die Schnecke-Schneckenrad-Paarungen im Gegenteil praktisch isoliert, so daß die Schwingungsfestigkeit beträchtlich verbessert wird und das Spiel im Getriebezug ohne Nachteil vergleichsweise groß gehalten werden kann.

Da die erste Längswelle y\ mittels der Schnecken X₃" und yt" sowie der Schneckenräder y\ und X₁'" im Verhältnis zur Drehzahl der zweiten und der dritten Längswelle yi bzw. y$ mit hoher Untersetzung angetrieben wird, ist die Präzision der Steuerung der ersten Längswelle y\ und damit des Arbeits- oder Greifkopfes des Manipulators außerordentlich hoch.

Selbst wenn große elastische Verformungen im langen Getriebezug für den Anschluß der zweiten Längswelle y₂ und der dritten Längswelle y% an eine entsprechende Antriebseinrichtung auftreten, so wird hierdurch die Stellgenauigkeit der als Abtriebsglied dienenden ersten Längswelle y\ nicht wesentlich beeinträchtigt; da zudem das zum Drehen der zweiten Längswelle y₂ und der dritten Längswelle y₃ benötigte Drehmoment klein ist, können die Wellen und Kraftübertragungsteile im langen Getriebezug in leichter Bauweise ausgeführt werden, so daß der Manipulator insgesamt leicht baut. Schwingungen mit merklicher Energie, die entsprechend niederfrequente Resonanzen des leichtbauenden Getriebezuges auslösen könnten und daher vergleichsweise große Amplitude besitzen, werden durch die Schnecke-Schneckenrad Paarungen nicht vom Arbeits- oder Greifkopf auf den Getriebezug übertragen, so daß dieser nicht zu Resonanzen angeregt werden kann. Da darüber hinaus das Gewicht des Manipulators niedrig ist können schnell beschleunigte und verzögerte Bewegungen ohne übermäßige Belastung der Bauteile bei unverändert exakter Stellgenauigkeit durchgeführt werden. Durch das trotz der zu fordernden hohen Stellgenauigkeit vergleichsweise hohe zulässige Spiel in den Getriebezügen, welche durch das hohe Untersetzungsverhältnis der Schnecke-Schneckenrad-Paarungen nicht am Arbeits- oder Greifkopf des Manipulators wirksam wird, vermindern sich die Arfbrdenmgen an die FertignngsgenaiHgKen <κτ ttwmsae eer vretneDezuge ganz erheblich, so daB diese sowohl vom Materiaiaufwiid als auch vom Herstdhngsaefwaud her kostengünstiger

Häerza 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Antriebsvorrichtung für den Greif- oder Arbeitskopf eines Manipulators, bei der für den Fernantrieb des Greif- oder Arbeitskopfes ein Getriebezug mit drehenden Getriebegliedern vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine in umgekehrter Antriebsrichtung selbsthemmende Schnecke-Schneckenrad-Paarung (Xi", jt'; yt", xi") im greif- jo kopfseitigen Endabschnitt (yi, yi', χλ", χα', «", X2, «', as', X3, ja", y\', y\; yi, yi, y*', y*", απ"', χι. χι", yi) des Getriebezuges.