DE2619336B2

DE2619336B2 - Gelenkkopf für einen Manipulator zur Befestigung an einem Manipulatorann

Info

Publication number: DE2619336B2
Application number: DE2619336A
Authority: DE
Inventors: Pierre Pardo; Francois Pruvot
Original assignee: SOFERMO MEUDON LA FORET HAUTS-DE- SEINE (FRANKREICH)
Current assignee: SOFERMO MEUDON LA FORET HAUTS-DE- SEINE (FRANKREICH)
Priority date: 1975-05-15
Filing date: 1976-04-30
Publication date: 1980-08-28
Also published as: US4047448A; FR2310842B1; DE2619336A1; FR2310842A1

Description

Übersetzung bildet, deren Ausgangselement die dritte Achse ist, die sich in die Verlängerung der ersten Achse erstreckt, und daß die drei koaxialen Achsen oder Wellen in einem Gehäuse gelagert sind, auf dem Seryomotore befestigt und mit Antriebsritzeln versehen sind, die mit Zahnkränzen zusammenarbeiten, und daß die Zahnkränze mit den jeweiligen koaxialen Wellen formschlüssig verbunden sind.

Zweckmäßigerweise sind zwischen die Abtriebswellen der Servomotore und die Antriebsritzel der konzentrischen Zahnkränze Untersetzungsgetriebe geschaltet

Die Erfindung gestattet insbesondere eine Zusammenfassung der Servomotore zu Gruppen sowie eine leichte Zugänglichkeit zu denselben, wobei die Wellen mit konzentrischen Zahnrädern versehen sind, mit denen die von den Servomotoren betätigten Antriebsritiel in Eingriff stehen. Die Erfindung kann somit als Ausgangsbasis für vollkommen selbständige Gelenkköpfe mit zwei oder sogar drei Freiheitsgraden dienen, d. h. mit drei Rotationsachsen, bei geringem Platzbedarf; sie sind daher geeignet, an jeder Maschine oder Vorrichtung angebracht zu werden, für die ein Gerät mit zwei oder drei Freiheitsgraden erforderlich ist. Diese Ausführungen können abwandelbarer Bauart sein, so daß ein Gelenkkopf mit zwei oder drei Achsen nicht teurer wird als ein entsprechender speziell kontierter Gelenkkopf.

Der erfindungsgemäße Gelenkkopf ist sehr einfach konstruiert und die geringe Anzahl von Bauteilen gestattet, diese bei großer Robustheit und geringem Spiel in kleinen Dimensionen zu halten. Darüber hinaus sind die gegebenenfalls damit verbundenen Motore und Positionscodierer sehr nahe zur gesteuerten Achse angeordnet, so daß der Gelenkkopf, trotz seiner )■> geringen Kosten, ein Gerät hoher Präzision darstellt.

Der gewünschte Rotationswinkel der zuvor erwähnten Achsen wird durch die Verwendung von Servomotoren nicht beschränkt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt in der Symmetrieachse eines ersten Ausführungsbeispiels eines dreiachsigen Gelenkkopfes; 4i

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen dreiachsigen Gelenkkopf;

Fig. 3 einen Schnitt in der Symmetrieachse eines Ausführungsbeispiels eines Gelenkkopfes mit zwei Achsen, abgeleitet von dem Ausführungsbeispiel nach Fig.l;

Fig.4 einen Schnitt in der Symmetrieachse eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Gelenkkopfes mit zwei Achsen, abgeleitet vom Ausführungsbeispiel nach Fig.l. ν.

Gemäß dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt der Gelenkkopf ein zylinderförmiges Gehäuse 1 mit konischer Stirnfläche und einer Abdeckplatte 80, welche drei hydraulische Servomotore 2, 3 und 4 zum Antrieb der entsprechenden Achsen des 6n Gelenkkopfes trägt.

In dem Gehäuse 1 ist ein Kugellager 5 mit vier Kontaktpunkten angebracht, in dem ein erstes Gehäuse 17 dreh/schwenkbar gelagert ist. Dieses Gehäuse 17 verlängert sich im Innern des Gehäuses 1 über eine in h^r> einem doppelten Innenring 8 des Kugellagers 5 durch Schrauben 9 festgehaltenen tri-ten Achse 7, wobei die Schrauben gleichzeitig einen lnnenzahnkranz 10 arretieren. Die koaxiale Achse 27 des Kugellagers 5,8 stellt eine sogenannte dritte Rotationsachse des Gelenkkopfes dar.

Der Innenzahnkranz 10 steht mit einem Antriebsritzel 11 in Eingriff, welches entweder formschlüssig auf einer Antriebswelle 12 angebracht ist oder aber von einem Motor über ein Untersetzungsgetriebe 13 angetrieben wird, das in diesem Fall aus dem genannten Antriebsritzel 11 einer im Innenring 15 eines Kugellagers mit vier Kontaktpunkten gelagerten Welle 14 besteht, wobei das Kugellager selbst in einer zwischen dem Gehäuse 1 und seiner Abdeckplatte 80 angeordneten Platte 16 angebracht ist Die erste Achse 7 dreht das zylindrische erste Gehäuse 17, an dem sie formschlüssig mittels nicht dargestellter herkömmlicher Elemente befestigt ist

Das Gehäuse 1 weist eine seitliche Montierfläche 18 auf, mittels derer es z. B. am Ende eines Manipulatorarmes befestigt werden kann. Eine koaxiale Achse 22 ist drehbar im Innern der ersten Achse 7 und des Innenzahnkranzes 10 durch ein Nadellager 20 gelagert Die koaxiale Achse 22 trägt an ihrem unteren Ende ein konisches Antriebsritzel 23 im Innern des ersten Gehäuses 17, und an ihrem oberen Ende einen Außenzahnkranz 24, der konzentrisch zum Innenzahnkranz 10 ist und vom Servomotor 2 über Organe angetrieben wird, welche mit denen identisch sind, die das Antriebsritzel 11 mit der Antriebswelle 12 des Servomotors 4 verbinden.

Konzentrisch zur Welle 22 und im Innern dieser Welle ist eine dritte Welle 27 in zwei Kugellagern 25 und 26 gelagert. Die Welle 27 ist durch den Servomotor 3 (der ebenso wie die Motore 4 und 2, und parallel zu diesen angebracht ist) über ein Zahnrad 36 und ein nicht dargestelltes Antriebsritzel in Rotation versetzbar. An dem gegenüberliegenden Ende der Welle 27 ist ein Antriebskegelrad 28 so angebracht, daß die theoretische Kegelspitze des Antriebskegelrades 28 mit der theoretischen Kegelspitze des konischen Antriebsritzels 23 zusammenfällt.

Der Gelenkkopf umfaßt darüber hinaus ein zweites Gehäuse 6, das abnehmbar auf dem ersten Gehäuse 17 angebracht ist.

Das konische Antriebsritzel 23 steht in Eingriff mit einem auf herkömmliche Weise auf einer die zweite Achse des Gelenkkopfes darstellenden Welle 33 befestigten Kegelrad 32. Die Welle 33 ist axial durch Nadellager 30 und 31 im ersten Gehäuse 17 gelagert und dort zentriert. Die Welle ist außen mit Längsnuten 34 versehen, auf denen an einem Ende das Antriebskegelrad 32 und am anderen Ende ein mit Innennuten versehener Ring 35 sitzen.

Der Ring 35 ist starr am zweiten Gehäuse 6 befestigt, welches dadurch um die Welle 33 drehbar ist, wenn das konische Antriebsritzel 23 vom Servomotor 2 in Drehung versetzt wird.

Das Kegelrad 28 treibt eine Welle 81 an, die mit einem weiteren, axial angebrachten und mittels Nadellagern 38 und 39 auf der zweiten Achse 33 zentrierten Antriebskegelrad 37 versehen ist. Die Welle 81 ist ihrerseits durch ein in einem von Schrauben 42 festgehaltenen und im ersten Gehäuse 17 zentrierten Lagtrring 41 befindlichen Nadellager 40 zentriert. Der Ring 41 ist seinerseits mittels eines im ersten Gehäuse 17 arretierten Nadellagers 29 drehbar angeordnet.

An dem Ende der Welle 81, welches dem das Antriebskegelrad 37 tragenden Ende gegenüberliegt, ist ein Zahnrad 44 drehfest angebracht, das ein zweites

drehfest auf einer Welle 46 montiertes Zahnrad 45 antreibt; die Welle 46 ist mittels zweier Nadellager 47 und 48 in einem durch Schrauben 43 im zweiten Gehäuse 6 festgehaltenen Lagerring 49 axial angeordnet und zentriert. Die Welle 46 verläuft also konstruktionsmäßig parallel zur zweiten Achse 33 und bewegt sich kreisförmig um diese, wenn der Servomotor 2 in Betrieb ist. Die Welle 46 trägt an einem Ende ein mit einem Ritzel 51 in Eingriff stehendes Kegelrad 50; das Ritzel 51 ist drehfest auf einer Welle 52 angeordnet, m welches die dritte Achse des Gelenkkopfes darstellt und im zweiten Gehäuse 6 mittels Kugellagern 53 und 54 gelagert ist. An dieser senkrecht zu den Wellen 33 und 46 angeordneten Welle 52 ist das Werkzeug bzw. der Apparat angebracht, der vom Gelenkkopf über eine Platte 55 manipuliert wird; das Werkzeug kann z. B. ein steifer, eine Greifzange tragender Arm sein.

Bei Betrieb des Servomotors 2 dreht sich die Welle 33 um ihre eigene Achse, aber ebenso wie die Welle 52. Hieraus ersieht man, daß der Servomotor 3 jedesmal gesteuert werden muß, wenn der Servomotor 2 gesteuert wird, falls die Welle 52 gegenüber dem zweiten Gehäuse 6 eine gleichbleibende Winkelposition beibehalten soll.

Die Servomotore 2,3 und 4 weisen an ihrem hinteren Ende Positionscodierer 56, 57 bzw. 58 auf, die gleichzeitig auch ein zur Servosteuerung dienendes, tachometrisches Signal liefern können.

Die vorstehende Beschreibung sowie die beigefügten Zeichnungen zeigen die Kompaktheit der Einrichtung, jo Auf Grund der geringen Länge der Übertragungswellen 22, 27, 33, 81, 46 und 52 ist eine große Biege- und Drehfestigkeit erzielbar, ohne ihre diametralen Abmessungen zu groß dimensionieren zu müssen. Das geringe Trägheitsmoment der kinematischen Übertragungsketten, zusammen mit der Verwendung von Servomotoren, gestatten eine unkomplizierte Realisierung der automatischen Steuerung mittels relativ hochfrequenter Steuerimpulse für die Servomotoren.

Die Abdichtung der gesamten Anordnung ist an den Punkten 59, 60, 61, 62 und 63 sichergestellt. Auf diese Weise kann der gesamte Gelenkkopf problemlos geschmiert werden — vorzugsweise mit Schmieröl — ohne daß die Gefahr von Lecken besteht. Da die Servomotore 2, 3 und 4 nahe aneinander angeordnet sind, können sie direkt von einem Block aus gespeist werden, wobei nur eine einzige Zuleitung und Ableitung erforderlich ist, die nicht abmontiert werden muß, wenn man einen Servomotor auswechseln will.

Jeder der Servomotore 2, 3 und 4 ist an seiner Vorderseite durch vier Schrauben befestigt. In einer Bohrung zentriert, treibt er direkt mittels seiner als Ritzel gezahnten Antriebswelle 12 ein zweistufiges Untersetzungsgetriebe 13 an, das in einem Kugellager mit vier Kontaktpunkten 15 gelagert ist; er kann auch direkt angetrieben werden, um eine schnellere Umdrehung der Achsen zu erzielen. Am hinteren Ende jedes Servomotors ist ein Codierer angeordnet. Die hydraulische Motorspeisung erfolgt über eine T-förmige Ansatzplatte 82 (F i g. 2), welche die durch Ringdichtungen abgedichteten Zu- und Ableitungen enthält.

Die F i g. 3 zeigt einen zu dem in F i g. 1 dargestellten Gelenkkopf identischen Kopf, der eine Rotationsachse weniger aufweist. Die Teile 24, 7 und 22 sind mit den vorher erwähnten Teilen identisch. Demgegenüber fallen der Servomotor 4 und sein Codierer 58 weg, sowie die Kraftübertragungsorgane, der Zahnkranz 10 und das Kugellager 5. Die restlichen Teile sind nicht komplizierter gestaltet als der Gelenkkopf für nur zwei Achsen, die von den Achsen 33 und 52 gebildet werden, wobei letztere das den Apparat oder das Werkzeug tragende Element bleibt.

Die F i g. 4 stellt eine Variante des Gelenkkopfes mit zwei Achsen dar, bei der man die dritte Achse 52 weggelassen hat und damit auch das gesamte zugehörige Übertragungssystem, nämlich: den Servomotor3 und das Untersetzungsgetriebe 13, die Welle 27, die Kegelräder 28 und 37, die koaxiale Welle 81; die Zahnräder 44 und 45; die Welle 46; den Lagerring 49; die Nadel- bzw. Kugellager 47,48, 53 und 54; die Achse 52; die Platte 55; die Kegelräder 50 und 51. Auch in diesem Fall handelt es sich nur um ein Weglassen von Teilen, jedoch ist hier das zweite Gehäuse 6 vorteilhafterweise durch ein einfacheres Gehäuse 6' ersetzt, das mit einem Ring 41' versehen ist, womit eine unnötige, also kostspielige Überarbeitung des zweiten Gehäuses 6 vermieden wird, obwohl dies nicht unbedingt nötig ist; dieses Gehäuse stellt den das Manipulatorwerkzeug bzw. -gerät tragende Element dar.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Gelenkkopf für einen Manipulator zur Befestigung an einem Manipulatorarm, wobei der Gelenkkopf aufgrund von drei aufeinanderfolgenden zueinander senkrechten Rotationsachsen einen Mechanismus mit drei Freiheitsgraden bildet, und dessen Eingangselemente aus drei koaxialen Wellen gebildet werden, die durch entsprechende Antriebsmotore in Rotation versetzbar sind, wobei die äußere Welle die erste der drei Achsen bildet und mit einem ersten Gehäuse formschlüssig verbunden ist, das die zweite Achse trägt, mit der ein zweites Gehäuse formschlüssig verbunden ist, das die dritte Achse trägt, wobei die zwei inneren koaxialen Wellen in dem ersten Gehäuse mit konischen Antriebsrtaeln versehen sind, die in entsprechende Kegelzahnräder eingreifen, die koaxial zur zweiten Achse angeordnet sind, und von denen das eine formschlüssig auf der zweiten Achse sitzt und das andere diese Achse frei umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gehäuse (6) an dem Ende der zweiten Achse (33) mit dem ersten Gehäuse (17) gelenkig verbundene Seitenwände aufweist, wobei in einer von diesen Seitenwänden ein Übersetzungsgetriebe (44,45) angeordnet ist, das durch eines (44) seiner Zahnräder formschlüssig mit dem Kegelzahnrad (37), das die zweite Achse (33) frei umgibt, und durch das andere Zahnrad (45) mit einer Welle (46) des zweiten Gehäuses fest w verbunden ist, die parallel zur zweiten Achse (33) liegt und das Eingangselement einer Kegelradübersetzung (50, 51) bildet, deren Ausgangselement die dritte Achse (52) ist, die sich in die Verlängerung der ersten Achse (7) erstreckt, und daß die drei koaxialen Achsen oder Wellen (7, 22, 27) in einem Gehäuse (1, 80) gelagert sind, auf dem Servomotore (2, 3, 4) befestigt und mit Antriebsritzeln versehen sind, die mit Zahnkränzen (10,24,36) zusammenarbeiten, und daß die Zahnkränze mit den jeweiligen koaxialen Wellen formschlüssig verbunden sind.

2. Gelenkkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Abtriebswellen der Servomotore (2,3,4) und die genannten Antriebsritzel (wie 11) der konzentrischen Zahnkränze (10, 24, 36) Untersetzungsgetriebe (wie 13) geschaltet sind.

50

Die Erfindung geht aus von einem Gelenkkopf für einen Manipulator zur Befestigung an einem Manipulatorarm, wobei der Gelenkkopf aufgrund von drei aufeinanderfolgenden zueinander senkrechten Rotationsachsen einen Mechanismus mit drei Freiheitsgra- ^r'^r' den bildet, und dessen Eingai.gselemente aus drei koaxialen Wellen gebildet werden, die durch entsprechende Antriebsmotore in Rotation versetzbar sind, wobei die äußere Welle die erste der drei Achsen bildet und mit einem ersten Gehäuse formschlüssig verbunden f>o ist, das die zweite Achse trägt, mit der ein zweites Gehäuse formschlüssig verbunden ist, das die dritte Achse trägt, wobei die zwei inneren koaxialen Wellen in dem ersten Gehäuse mit konischen Antriebsritzeln versehen sind, die in entsprechende Kegelzahnräder *>5 eingreifen, die koaxial zur zweiten Achse angeordnet sind, und von denen das eine formschlüssig auf der zweiten Achse sitzt und das andere diese Achse frei umgibt.

Derartige Gelenkköpfe sind für ein Gerät zur maschinellen, durch veränderbare Programme steuerbaren Handreichung beim Schweißen, Montieren, Be- und Entladen, Transportieren, Emaillieren usw. mittels einer in verschiedenen Koordinaten bewegbaren Hand an einem um eine lotrechte Achse drehbaren'und um eine waagerechte Achse auf- und abschwenkbaren Arm mit veränderbarer Ausladung, dessen Handreichungsbereich gegenüber bisher produzierter Geräte erweitert werden soll, aus der DE-OS 22 26 407 bekannt, die einen Gelenkkopf beschreibt und zeigt, in dem die Untersetzungsgetriebe für die drei Achsen zwar mit untergebracht sind, jedoch verlaufen diese nicht in Längsrichtung des Gelenkkopfes, sondern außermittig aufeinanderfolgend in einem rechten Winkel zueinander. Diese Anordnung hat erhebliche Nachteile. Wenn nämlich ein im Werkzeughalter auf der letzten Achse befestigtes Werkzeug arbeitet, sind die Beanspruchungen in alle Richtungen unkontrollierbar verteilt und ohne Ausgleich der Unsymmetrie sind Schäden kaum zu verhüten, so daß ein ordnungsgemäßes Arbeiten nicht gewährleistet ist Schließlich fehlt dem bekannten Gerät die Kompaktheit und Modulationsmöglichkeit

Gegenstand der DE-OS 24 02 829 ist ein Industrie-Manipulator mit mehreren beweglichen Konstruktionselementen, der die komplizierten Bewegungen der menschlichen Hände nachvollziehen und unerwünschte Bewegungsabläufe seiner beweglichen Konstruktionselemente mittels einer einfachen Steuerungs- und Regulierungsvorrichtung ausgleichen soll, die jeweils durch einen eigenen Stellantrieb in die entsprechende Position gefahren werden. Der Manipulatorkopf hat drei Rotationsachsen und seine Bewegungen um diese Achsen werden von drei koaxialen Wellen übertragen, deren äußere Welle die erste der drei Rotationsachsen ist; während die Bewegungen der beiden inneren koaxialen Hohlwellen über Getriebe auf zwei zueinander parallele Wellen und von diesen mittels Kegelradübersetzungen auf die zweite bzw. dritte Rotationsachse übertragen werden. Durch die Anordnung zweier zur geometrischen Hauptachse des Manipulators zwar paralleler, aber zu dieser nicht koaxialer Drehachsen, zusammen mit den an ihnen angebrachten Zahnrädern, erhöht sich dessen Platzbedarf in nachteiliger Weise.

Die bekannten Geräte sind im allgemeinen platzraubend und kompliziert; sie lassen sich nicht in anderen Systemen verwenden; ihnen fehlt durch die Vielzahl der Bestandteile und die ungewöhnliche Länge der kinematischen Übertragungsketten die erforderliche Präzision und Robustheit; Eigenschaften also, die gerade für schnell arbeitende und oft zu wiederholende Bewegungsabläufe ausführende Geräte unerläßlich sind.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen an einem Manipulator verwendbaren Gelenkkopf der eingangs beschriebenen Art vorzuschlagen, der möglichst kompakt, unempfindlich, genau steuerbar und leicht modifizierbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zweite Gehäuse an dem Ende der zweiten Achse mit dem ersten Gehäuse gelenkig verbundene Seitenwände aufweist, wobei in einer von diesen Seitenwänden ein Übersetzungsgetriebe angeordnet ist, das durch eines seiner Zahnräder formschlüssig mit dem Kegelzahnrad, das die zweite Achse frei umgibt, und durch das andere Zahnrad mit einer Welle des zweiten Gehäuses fest verbunden ist, die parallel zur zweiten Achse liegt und das Eingangselement einer Kegelrad-