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Handhabungsautomat
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Die Erfindung betrifft einen Handhabungsautomaten der im Oberbegriff
des Hauptanspruchs angegebenen, aus der DT-OS 24 52 345, B25j9/00, bekannten Art.
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Handhabungsautomaten finden in zunehmendem Maße Einsatz in der Produktion,
sei es zum Transport von Teilen, beispielsweise Kurbelwellen, zwischen einer definierten
Aufnahmestelle und einer definierten Ablagestelle, sei es zum Heranführen von Bearbeitungseinrichtungen,
wie Schweißzangen, an zu bearbeitende Teile und zum Zurückziehen der Bearbeitungseinrichtungen.
Strenggenommen bezeichnet man mit Handhabungsautomaten Transporteinrichtungen (in
dem eben definierten Sinne), die ohne Eingriff des Menschen in Abhängigkeit von
einem gespeicherten Programm arbeiten. Im Rahmen der Erfindung sollen unter Handhabungsautomaten
jedoch auch Einrichtungen verstanden werden, deren Bewegungen unmittelbar vom Menschen
gesteuert werden, der also dann Befehle an elektrische, pneumatische oder hydraulische
Antriebe in dem Handhabungsautomaten gibt.
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Voraussetzung für ein einwandfreies Arbeiten von Handhabungsautomaten
ist verständlicherweise die exakte Ausführung der Steuerbefehle,
also
letztlich die genaue Umsetzung der Steuerbefehle in definierte Bewegungen des am
Greifkopf gehaltenen Teils. Der eingangs beschriebene bekannte Handhabungsautomat
enthält als Scheibenläufermotoren ausgebildete Antriebsmotoren und diesen in Richtung
des Energieflusses unmittelbar nachgeschaltete Untersetzungsgetriebe, die demgemäß
praktisch bei allen Stellungen der Verfahreinheit zumindest ungefähr im Bereich
des stützenden Turms liegen; als Kraftübertragungsglieder finden sich in Richtung
des Energieflusses hinter den Untersetzungsgetrieben eine Stange sowie Rohre in
konzentrischer Anordnung. Die demgemäß bereits untersetzten Drehbewegungen dieser
Rohre bzw. der Stange werden über in jeder Baugruppe des Greifkopfes enthaltene
Kegelradgetriebe umgesetzt in die zugeordnete Dreh- bzw. Schwenkbewegung der in
Richtung des Energieflusses folgenden Baugruppen des Greifkopfes, dessen letzte
Baugruppe über eine Anschlußfläche das zu bewegende Teil trägt.
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Der aus der DT-OS 2 226 407, B26j1/00, bekannte Handhabungsautomat
ist hinsichtlich der Kraftübertragungsglieder und der Verwendung einer Vielzahl
von Kegelradgetrieben im Greifkopf praktisch identisch aufgebaut; bei ihm ist jedoch
eines der Untersetzungsgetriebe in der in Richtung des Energieflusses ersten Baugruppe
des Greifkopfes untergebracht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Handhabungsautomaten
der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art so auszubilden, daß praktisch
ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand eine optimale Genauigkeit der Umsetzung
der Steuerbefehle in definierte Bewegungen des zu transportierenden Teils erzielt
wird. Dies bedeutet, daß der erfindungsgemäße Handhabungsautomat spielfrei und mit
gutem Wirkungsgrad arbeiten soll; darüber hinaus sollen infolge Vermeidung zusätzlichen
konstruktiven Aufwands Gewicht und Kosten niedrig gehalten sein. Die erfindungsgemäße
Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptanspruchs.
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Selbstverständlich soll die Lösung der oben definierten Aufgabe nicht
auf Kosten der Anzahl der Bewegungsfreiheitsgrade des zu transportierenden Teils
gehen. Aus diesem Grunde behält die Erfindung die im Prinzip aus der eingangs genannten
DT-OS 24 52 345 bekannte Verfahreinheit zur Erzeugung einer Linearbewegung des zu
transportierenden Teils bei. Sämtliche Antriebsmotoren - mit Ausnahme des für die
Erzeugung dieser Linearbewegung dienenden - sind Bestandteile der Verfahreinheit,
und zwar ist ein Antriebsmotor, der Drehbewegungen des Rahmens um seine Längsachse
erzeugt, an einem der Enden des Rahmens angeordnet, während die übrigen Antriebsmotoren
seitlich an dem Rahmen und daheran dessen Drehbewegungen teilnehmend befestigt sind.
Dies ermöglicht den weitgehenden Verzicht auf Kegelradgetriebe - nur der in Richtung
des Energieflusses letzten Baugruppe des Greifkopfes ist ein derartiges Getriebe
zugeordnet -, die stets mit Spiel arbeiten, und den Verzicht auf konzentrische Rohre
als Kraftübertragungsglieder, die insbesondere bei größeren Abmessungen der Verfahreinheit,
worunter im Rahmen der Erfindung die gesamte auf dem Turm verfahrbare Anordnung
einschließlich Greifkopf und Antriebsmotor für die Drehbewegung des Rahmens verstanden
wird, Anlaß zu einer unerwünschten Wellenfederung geben können. Demgegenüber verwendet
die Erfindung als Kraftübertragungsglieder Zahnriemen oder Ketten nebst zugeordneten
Zahnrädern, also formschlüssig und demgemäß im Gegensatz zu Keilriemen ohne Schlupf
arbeitende Einrichtungen, die infolge ihrer Leichtgängigkeit mit gutem Wirkungsgrad
arbeiten.
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Verständlicherweise wird man gemäß Anspruch 2 auch Weg- und/oder Winkelmeßsysteme,
also beispielsweise Winkelkodierer, die den jeweiligen Istwert der Schwenk- oder
Drehbewegungen des Teils erfassen, an den Drehbewegungen des Rahmens teilnehmend
an diesem lagern;auch hier wird man Zahnriemen und/oder Ketten als Bewegungsübertragungen
verwenden.
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Den Rahmen wird man in zumindest einer Traverse drehbar lagern, die,
wie im Anspruch 3 angegeben, durch eine Kugelspindel zur Erzielung der Verfahrbewegung
antreibbar ist.
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Besondere Bedeutung kommt den Ausbildungen der Erfindung nach den
Ansprüchen 4 und 5 zu. Da eine große Zahl der Antriebsmotoren und gegebenenfalls
auch der Weg- und Winkelmeßsysteme an dem Rahmen, d.h. ortsbeweglich, gelagert sind,
macht die Zuführung der Antriebsenergie zu den Antriebsmotoren, aber auch die Abführung
der in den Meßsystemen gewonnenen Signale Schwierigkeiten.
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Wegen der großen Zahl von diesbezüglichen Leitungen scheidet auch
bei einem vollelektrischen Handhabungsautomaten die Verwendung von Schleifringen
oder dergleichen aus. Wie sich in der Praxis gezeigt hat, vermögen übliche Schleppkabelkonstruktionen
der beim Betrieb derartiger Handhabungsautomaten auftretenden großen Zahl von praktisch
schlagartigen Bewegungsänderungen nicht standzuhalten. Bei üblichen Konstruktionen
tritt eine örtliche relativ starke Krümmung der Kabel ein, die zu Aderbrüchen Anlaß
gibt, die noch dazu angesichts der Tatsache, daß die Isolation weitgehend unbeschädigt
bleibt, nur sehr schwer zu ermitteln sind. Hier hat sich der Einsatz einer Kabelschleppvorrichtung
mit den Merkmalen der Ansprüche 4 und 5 als besonders günstig erwiesen. Das Prinzip
dieser Kabelschleppvorrichtung besteht darin, örtliche Krümmungsbeanspruchungen
der Kabel und Leitungen - also gegebenenfalls auch der Leitungen für ein Druckmedium
-zu vermeiden und stattdessen die Krümmung des Kabels als ganzes entsprechend der
erforderlichen freien Kabellänge zu vergrößern bzw. zu verkleinern. Ist eine größere
freie Kabellänge erforderlich, so wird durch die Drehbewegung des Rahmens eine Zugkraft
in der an ihren beiden Enden drehfest befestigten Blattfeder erzeugt, die infolge
der federnden Nachgiebigkeit der den eigentlichen Kabelträger bildenden spiralförmigen
Blattfeder zu einer Veränderung ihrer Windungszahl und damit zu einer Vergrößerung
der Krümmung der gesamten aufgewickelten Kabellänge führt; der umgekehrte Effekt
tritt automatisch bei einem Nachlassen der Zugkraft ein.
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Bevor ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren erläutert
wird, sei zur Abrundung des Standes der Technik kurz auf die DT-AS 23 41 532, B25j1/00,
eingegangen. Auch dort wird ein Handhabungsautomat mit einer Verfahreinheit auf
einem Turm beschrieben, wobei ein Antriebsmotor, nämlich derjenige für die Verfahrbewegung,
auf einem schwenkbaren bügelförmigen Rahmen mitdrehend bzw. mitschwenkend gelagert
ist. Es findet sich jedoch kein Antriebsmotor, der Bestandteil der Verfahreinheit
ist, und das Problem der Durchführung einer Vielzahl von Schwenkbewegungen des zu
transportierenden Teils ist nicht behandelt.
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Von den Figuren zeigt Figur 1 perspektivisch eine Gesamtdarstellung
eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Handhabungsautomaten, wobei aus
Übersichtlichkeitsgründen nur solche Einzelteile herausgearbeitet sind, die in dem
in Figur 2 dargestellten Horizontalschnitt durch die Verfahreinheit nicht gezeichnet
sind. Die Figuren 3 und 4 dienen der Veranschaulichung der Kabelschleppvorrichtung,
und zwar stellt Figur 3 die in Figur 2 mit III-III bezeichnete Schnittansicht dar,
während Figur 4 einen radialen Schnitt durch eine Windung der Kabelschleppvorrichtung
nebst aufgewickelten Kabeln und Leitungen zeigt.
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Die äußerlichen Hauptbestandteile des Handhabungsautomaten sind der
stützende Turm 1 sowie der Aufsatz 2, der als wesentlichen Bestandteil die über
die Kugelspindel 3, angetrieben von dem hier als Scheibenläufermotor 4 ausgebildeten
Antriebsmotor, gelagerte Verfahreinheit 5 mit dem Greifkopf 6 enthält. Die Einheit
2 ist in üblicher Weise um die horizontale Schwenkachse 7 schwenkbar an dem Turm
1 gehalten, der seinerseits in an sich bekannter und daher hier nicht dargestellter
Weise um eine senkrechte Achse drehbar ist. Lediglich ergänzend sei darauf hingewiesen,
daß der Einsatz eines derartigen Handhabungsautomaten auch mit schrägstehendem Turm
bzw. in Überkopfanordnung, d.h. mit unterhalb des Turms 1 befindliche Einheit 2,
möglich ist.
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Figur 2 zeigt einen horizontalen Schnitt durch die Verfahreinheit
5. Die Verfahreinheit wird über die Traverse 8 abgestützt auf der Kugelspindel 3
(siehe Figur 1) sowie - im Bereich der in Figur 2 dargestellten Kabelschleppvorrichtung
9 - durch das Drehlager 10, dem Linearbewegungen der Verfahreinheit zulassende Stützrollen
11 zugeordnet sind. Die Traverse 8 ist auf ihrer in Figur 1 hinteren Seite abgestützt
durch eine Stange oder Welle.
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Die verschiedenen Bestandteile der Verfahreinheit 5 sind zusammengehalten
durch den Rahmen 12, der, wie Figur 2 erkennen läßt, nicht notwendigerweise einteilig
ist, sondern aus mehreren Bestandteilen, die hier alle mit dem Bezugszeichen 12
versehen sind, zusammengesetzt ist. An seinem in Figur 2 rechten Ende trägt der
Rahmen 12 den Greifkopf 6, der in diesem Ausführungsbeispiel zwei Baugruppen 13
und 14 enthält, auf deren Aufbau noch eingegangen wird. Entscheidend ist, daß die
in Richtung des Energieflusses letzte Baugruppe 14 die Anschlußfläche 15 für das
zu transportierende Teil, also ein Werkstück oder ein Werkzeug, trägt, das durch
die Bewegungsmöglichkeiten der Verfahreinheit bzw. von Teilen davon in beliebige
Lagen gebracht werden soll.
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Im Bereich des in Figur 2 linken Endes des Rahmens 12 trägt dieser
Antriebsmotoren für die verschiedenen Dreh- oder Schwenkbewegungen. Der Antriebsmotor
4 für die Erzeugung der Linearbewegung war bereits anhand Figur 1 behandelt worden.
Der Antriebsmotor 16 für Drehbewegungen des Rahmens 12 nebst den an ihm befestigten
Teilen um die Längsachse 17 befindet sich stirnseitig an dem in Figur 2 linken Ende
des Rahmens. Ihm ist unmittelbar nachgeschaltet das Untersetzungsgetriebe 18, das
ein übliches harmonic-drive-Differentialgetriebe ist, ohne daß es aber als echtes
Differentialgetriebe ausgenutzt wird. Dieses Getriebe hat ebenso wie die weiteren
harmonic-drive-Getriebe, die daher im einzelnen nicht mehr erläutert werden, einen
an sich bekannten Aufbau: Die Abtriebswelle 19 des Antriebsmotors 16 arbeitet auf
den
wave generator 20, auf den nach außen über das Kugellager 21 das flex spline 22
folgt. Dieses wird umgeben von dem circular spline 23, das letztlich fest an der
Traverse 8 sitzt, und dem dynamic spline 24, das drehfest mit dem Profilteil 25
verbunden ist. Die demgemäß in der Drehzahl untersetzte Drehbewegung des Teils 25
wird über den Flansch 26 übertragen auf den Rahmen 12, der bei den durch den Motor
16 hervorgerufenen Drehbewegungen die Anschlußfläche 15 um die Längsachse 17 schwenkt,
die in der üblichen Nomenklatur als Schwenkachse IV bezeichnet wird.
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Seitlich an dem Rahmen 12 befestigt sind die weiteren Antriebsmotoren
27 und 28, von denen der Motor 27 über die Hohlwelle 29 in der ersten Baugruppe
13 des Greifkopfes 6 und das ebenfalls als Untersetzungsgetriebe arbeitende harmonic-drive-Getriebe
30 in dieser Baugruppe eine Schwenkung der Baugruppe 14 des Greifkopfes 6 um die
zur Längsachse 17 senkrechte Schwenkachse 31 bewirkt, die in üblicher Nomenklatur
mit V bezeichnet wird. Dagegen dient der an zweiter Stelle genannte Antriebsmotor
28 dazu, über die quer zur Längsachse 17 verlaufende kurze Welle 32 in der ersten
Baugruppe 13 des Greifkopfes 16 und das Kegelradgetriebe 33 in der zweiten Baugruppe
14 die Anschlußfläche 15 über das wiederum als harmonic-drive-Getriebe ausgebildete
Untersetzungsgetriebe 34 in dieser Baugruppe um die in diesem Ausführungsbeispiel
zur Längsachse 17 parallele weitere Schwenkachse 35 zu drehen; diese Schwenkachse
wird in üblicher Nomenklatur mit VI bezeichnet. Nimmt man noch die lineare Verfahrbarkeit
des Rahmens mit dem Greifkopf 6 hinzu, also die üblicherweise mit III bezeichnete
Bewegungsmöglichkeit, so hat man bei dem figürlich dargestellten Ausführungsbeispiel
vier voneinander völlig unabhängige Bewegungsfreiheitsgrade, und wenn man dafür
sorgt, daß sich die Motoren 27 und 28 innerhalb des von der Kugelspindel 3 und der
ihr gegenüberliegenden Führungsstange oder -welle eingeschlossenen Raumes befinden,
sind Dreh- bzw. Schwenkbewegungen auch um mehr als 3600 möglich. Dies ist lediglich
eine Frage der Auslegung der ebenfalls am Rahmen 12 gehaltenen Weg-und
/oder
Winkelmeßsysteme 36 und 37.
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Noch nicht eingegangen wurde auf die Kraftübertragungen zwischen den
Antriebsmotoren 27 und 28 einerseits und dem Greifkopf 6 andererseits. Hierzu dienen
als wesentliche Glieder Zahnriemen 38 und 39, die geeignete Zahnräder 40 und 41
an den Abtriebswellen 42 und 43 der Antriebsmotoren 27 und 28 einerseits sowie 44
und 45 auf den Wellen 29 und 32 andererseits umgreifen. Diese Kraftübertragungen
nehmen also selbstverständlich ebenfalls an allen Bewegungen des Rahmens 12 teil.
Durch sie ist eine praktisch spielfreie und sehr massearme Übertragung der Stellbefehle
von den Motoren auf die einzelnen Baugruppen des Greifkopfes 6 und damit letztlich
auf die Anschlußläche 15 gewährleistet. Von besonderer Bedeutung ist ferner, daß
die gesamte Kraftübertragung lediglich ein Kegelradgetriebe 33 enthält, und zwar
in Richtung des Energieflusses vor dem zugeordneten Untersetzungsgetriebe 34, und
daß überhaupt die Kraftübertragung mit hoher Drehzahl erfolgt, da die Untersetzungsgetriebe
erst unmittelbar vor den jeweils anzutreibenden Teilen bzw. Baugruppen angeordnet
sind. Sofern also überhaupt ein Schlupf auftritt, wird dieser "untersetzt".
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Da die Antriebsmotoren 27 und 28 und auch die Meßsysteme 36 und 37
relativ zu der üblichen, nicht dargestellten Speichersteuerung bewegbar sind, und
zwar - was gerade ein Vorteil der Scheibenläufermotoren ist - mit hohen Beschleunigungen,
mußte der Frage der Zuführung der Antriebsenergie zu den Antriebsmotoren und ebenso
der Abnahme der Signale aus den Meßsystemen, d.h.
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der Ausführung einer Kabelschleppvorrichtung, besonderes Augenmerk
gewidmet werden. Diese Vorrichtung ist allgemein mit 9 bezeichnet und ebenfalls
an dem Rahmen 12, also an allen Bewegungen desselben teilnehmend, gehalten. Sie
dient also zur Aufnahme und Umlenkung sowohl der Energiezuführungsleitungen zu den
Motoren 27 und 28 als auch der Signalabnahmeleitungen von den
Meßsystemen
36 und 37, die übrigens ebenfalls über Zahnriemen 46 und 47 sowie entsprechende
Zahnräder 48 und 49 auf den Abtriebswellen 42 und 43 sowie 50 und 51 auf den Meßsystemen
als Kraftübertragungen ausgerüstet sind. Im einzelnen enthält die Kabelschleppvorrichtung
9 in dem Gehäuse 52 als Träger für die Kabel und Leitungen 53 die durch eine Blattfeder
gebildete Spirale 54, auf der über Stege 55 mit seitlichen Gleitkörpern 56 und 57
zur möglichst reibungsfreien Abstützung an den Seitenwänden des Gehäuses 52 die
Kabel und Leitungen 53 so gehalten sind, daß sie in Umfangsrichtung rutschen können.
Durch innenliegende Öffnungen in dem Gehäuse 52 gehen die Kabel und Leitungen zu
den Antrieben 27 und 28 bzw. den Meßsystemen 36 und 37, während die äußeren Endbereiche
der Kabel und Leitungenüber den Tragarm 58 an der Traverse 8 zu einem Klemmenkasten
an der Steuereinrichtung geleitet werden. Sobald infolge entsprechender Bewegung
der Verfahreinheit bzw. des Rahmens 12 von der Kabelschleppvorrichtung 9 eine größere
Kabel- und Leitungslänge abgezogen wird, geschieht dies in vorteilhafter Weise nicht
durch örtliche Vergrößerung der Krümmung der Kabel und Leitungen, sondern durch
ein federndes Zusammenziehen der spiralförmigen Blattfeder 54, deren Enden teils
am Rahmen 12, teils an der an Drehungen des Rahmens nicht teilnehmenden Bandage
52 festgelegt sind, so daß Beschädigungen der Kabel und Leitungen auch im längeren
Betrieb ausgeschlossen sind. Bei Nachlassen der durch Relativschwenkungen ihrer
Enden erzeugten Kraft in der spiralförmigen Blattfeder dagegen erfolgt automatisch
ein erneutes "Aufwickeln" durch Vergrößern des Abstands zwischen den einzelnen Windungen
der federnden Spirale 54. Auf der Kabelschleppvorrichtung 9 können verständlicherweise
auch Druckmittelleitungen, beispielsweise Druckluftleitungen, nachgiebig gelagert
sein, die zur Zuleitung eines Druckmittels zum Greifkopf dienen.
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Die Kabelschleppvorrichtung 9 befindet sich also ebenfalls innerhalb
des in Figur 1 mit 59 bezeichneten, an den Bewegungen III-VI nicht teilnehmenden
Gehäuses des Aufsatzes 2. An der Stirnseite dieses Gehäuses ist drehbar die Manschette
60 gelagert, deren dem Greifkopf 6 zugekehrtes Ende drehfest mit dem Rahmen 12 verbunden
ist.
L e e r s e i t e