DE2727169A1

DE2727169A1 - Manipulator

Info

Publication number: DE2727169A1
Application number: DE19772727169
Authority: DE
Inventors: Yoshio Hashimoto
Original assignee: Yachiyo Kogyo Kenkyusho KK
Current assignee: Yachiyo Kogyo Kenkyusho KK
Priority date: 1976-06-18
Filing date: 1977-06-16
Publication date: 1977-12-22
Also published as: JPS52155765A; FR2354860A1; DE2727169B2; FR2354860B1; GB1535904A; DE2727169C3; US4113115A

Description

PATENTANWÄLTE P.O.Box 8βΟ7β7 ■ 80OO München ββ

u.Z.: N 245+HGM
Case: oo19-WG(U)

KABUSHIKI KAISHA YACHIYO KOGYO KENKYUSHO Hamamatsu-Shl, Shizuoka-Ken, Japan
10

" Manipulator

Die Erfindung betrifft einen Manipulator oder Automaten zur Handhabung von Gegenständen, insbesondere einen Manipulator, der ein Werkstück in einer auf- und abbewegbaren Hand klemmend festhalten und durch eine Dreh- oder Schwenkbewegung der mechanischen Hand von einer Stelle zu einer anderen Stelle umsetzen kann.

Die bisher bekannten Manipulatoren oder in der Industrie verwendbaren Automaten dieser Art verwenden einen Gelenkarm, um das Werkstück zu handhaben. Bei dieser Art von Manipulator besteht der wesentliche Nachteil, daß der Aufbau des Manipulators nicht nur kompliziert ist, sondern daß der Manipulator auch aufgrund des Gelenkarmes und anderer außerhalb seines Gehäuses angeordneter Teile einen erheblichen Arbeitsraum be-

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nötigt. Daher ist sein Anwendungsbereich sehr beschränkt, da er nicht in unmittelbarer Nachbarschaft anderer entsprechender Maschinen und Einrichtungen verwendet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Manipulatoren der eingangs genannten Art zu vermeiden und einen vielseitig verwendbaren Manipulator oder Automaten anzugeben, der geringe Außenabmessungen aufweist und möglichst wenig Platz für seine Installation und seine Arbeit benötigt. 10

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Manipulator vorgeschlagen, der gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch '■"' a) ein Gehäuse zur Aufnahme der wesentlichen Teile des Antriebsmechanismus,

b) eine an einer Deckfläche und einer Bodenfläche des Gehäuses :::. ■ ,' ■ drehbar gelagerte Hauptwelle,

c) eine konzentrisch in der Hauptwelle angeordnete und zusammen mit dieser verdrehbare Hilfswelle, die aus der Deckfläche des Gehäuses herausragt und in axialer Richtung auf- und abbewegbar ist,

d) einen Manipulatorarm, der am oberen Ende der Hilfswelle befestigt und im wesentlichen senkrecht zur Achse der Hilfswelle gerichtet ist und der einen Betätigungsmechanismus zum Halten, Freigeben und ansetzen eines Werkstückes von einer Stelle zu einer anderen umfaßt,

e) eine an einem Ende des Manipulatorarms angeordnete Greifeinrichtung zum klemmenden Halten eines Werkstückes mit zwei Greifgliedern,

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f) eine in der Hilfswelle konzentrisch zu dieser und drehbar angeordnete Steuerwelle zur Steuerung des das öffnen und Schließen der an dem Manipulatorarm angeordneten Greifglieder bewirkenden Betätigungsmechanismus, g) einen an einer Wand des Gehäuses befestigten umschaltbaren

Elektromotor,

h) ein auf der Hauptwelle drehbar gelagertes Schneckenzahnrad, das in Eingriff mit einer mit der Motorausgangswelle antriebsmäßig verbundenen Schneckenwelle steht, i) ein erstes Zahnradgetriebe zur Bewegung der Hilfswelle in axialer Richtung derselben,

k) ein zweites Zahnradgetriebe zum Drehen der Steuerwelle, 1) einen fest mit der Hauptwelle verbundenen Lagerrahmen für die beiden Zahnradgetriebe,

m) ein Schrittschaltzahnrad, dessen Drehung an die Drehung des Schneckenzahnrades gekoppelt ist und das die Antriebskraft des Elektromotors 3o wahlweise auf eines der beiden Zahnradgetriebe überträgt, um die Hilfswelle in axialer Richtung zu bewegen bzw. die Steuerwelle in eine der beiden Richtungen zu drehen,

n) Mitnahmemittel zur Herstellung einer über einen Teil des Drehweges des Schneckenzahnrades wirksame Drehmoment übertragende Verbindung zwischen Schneckenzahnrad und Haupt· welle, um diese um einen begrenzten Drehwinkel zu drehen, und

o) Mittel zur Bestimmung der Endpunkte der Drehbewegung der Hauptwelle um den begrenzten Drehwinkel sowie zum Umschalten der Drehrichtung des Elektromotors,

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wobei die Schneckenwelle, das Schneckenzahnrad, die zahnradgetriebe, der Lagerrahmen, das Schrittschaltzahnrad, und die Mitnahmemittel innerhalb des Gehäuses angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Manipulators ermöglicht es, diesen selbst in einen schmalen Zwischenraum zwischen benachbarten Maschinen oder anderen Einrichtungen anzuordnen, da die gesamten Antriebseinrichtungen innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und damit die Zahl der außerhalb des Gehäuses liegenden Teile wesentlich verringert wurde.

Der in Vorstehenden allgemein beschriebene erfindungsgemäße Manipulator wird zum besseren Verständnis und zur Erläuterung seiner Vorteile in den Unteransprüchen sowie der folgenden Be-Schreibung näher erläutert.

Die beiliegenden Zeichnungen erläutern die'Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen. Es stellen dar:

Fig. 1 eine längs Linie I-I in Fig. 2 teilweise geschnittene Frontansicht des erfindungsgemäßen Manipulators,

Fig. 2 eine längs Linie H-II in Fig. 1 teilweise geschnittene Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Manipula·* tor,

Fig. 3 eine Abwicklung der umfangsflächen der einander zugekehrten Enden der Hilfswellenteile mit den an diesen

. Enden ausgebildeten Nocken,

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Fig. 4 einen Querschnitt längs Linie IV-IV in Fig. 1,

Fig. 5 einen Querschnitt längs Linie V-V in Fig. 1,

Fig. 6 einen Querschnitt entsprechend jenem in Fig. 5 in einer Stellung des Manipulators, in welcher die Greifeinrichtung ein Werkstück hält/

Flg. 7 eine modifizierte AusfOhrungsform einer Einrichtung zum Drehen des Manipulatorarmes,

Fig. 8 einen Querschnitt durch die wesentlichen Teile der modifizierten Ausführungsform gemäß Fig. 7 längs Linie VIII-VIII in Fig. 7,
15

Fig. 9 einen Querschnitt durch die modifizierte Ausführungsform gemäß Fig. 8 längs Linie IX-IX in Fig. 8, und

Fig. 1o ein Schaltdiagramm für die Steuerung eines umschaltbaren Elektromotors des erfindungsgemäßeη Manipulators.

Bei dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Manipulators oder Automaten erkennt man in Fig. 1 ein Gehäuse 1 mit einer Hauptwelle 4, welche die Deckfläche des Gehäuses durchdringt, sich bis zur Bodenfläche des Gehäuses hin erstreckt und in der Deckfläche sowie der Bodenfläche mit Hilfe von Wellenlagern 2 bzw. 3 in dem Gehäuse 1 drehbar gelagert

j_ ist. Innerhalb der Hauptwelle 4 und konzentrisch zu dieser ist _j

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eine Hilfswelle 5 frei drehbar und in vertikaler Richtung längs der zusammenfallenden Achsen von Hauptwelle 4 und Hilfswelle 5 verschiebbar angeordnet. Das obere Ende der Hilfswelle 5 ragt aus der Deckfläche des Gehäuses 1 heraus. Die Hilfswelle 5 ist ferner so ausgebildet, daß sie zusammen mit der Hauptwelle 4 gedreht werden kann, indem ein an einer bestimmten Stelle der Außenumfangsfläche der Hilfswelle 5 angeordnetes Verriegelungsglied 6 in Eingriff mit einer Aufnahmeaussparung 7 an der Innenumfangsfläche der Hauptwelle 4 gebracht wird. Ein Lagerblock 9 zur Halterung eines Manipulatorarmes 8 ist an dem oberen Ende der Hilfswelle 5 durch ein Sperrelement 9a und eine Sperrschraube 9b derart befestigt, daß er mit der Hilfswelle 5 zusammen gedreht werden kann. Unterhalb des Lagerblockes 9 ist ein Anschlag 5c angeordnet, der beim Absenken bzw. bei der Abwärtsbewegung der Hilfswelle 5 zur Anlage an der Endfläche der Hauptwelle 4 kommt.

Der Manipulatorarm 8 ist in dem Lagerblock 9 derart angeordnet, daß er die Achse der Hilfswelle 5 unter einem im wesentliehen rechten Winkel schneidet. Der Manipulatorarm 8 ist in einer vorbestimmten Lage durch Arretierungsschrauben1o fixierbar. Die Arretierungsschrauben 1o können gelöst werden, um den Manipulatorarm in horizontaler Richtung vor und zurück (d.h. nach links oder rechts in Fig. 1) bewegen zu können.

An dem Manipulatorarm 8 1st eine Greifeinrichtung 11 befestigt, die ein Paar von L-förmigen einander gegenüberliegenden Greiffingern 12 aufweist. Die Greiffinger 12 sind mit ihrem

. Winkelscheitelabschnitt des L-Winkels an einander gegenüber-

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liegenden Enden der Greifeinrichtung mit Hilfe von Schwenkzapfen 13 so angeordnet, daß sie zwischen einer Öffnungstellung und einer Schließstellung verschwenkt werden können. Der kurze L-Schenkel 12a eines jeden Greiffingers 12 dient zur Be tätigung des jeweiligen Greiffingers 12 beim Offnen und Schließen, während der lange L-Schenkel 12b zum klemmenden Halten eines Werkstückes 14 dient. Das freie Ende des kurzen L-Schenkels 12a eines jeden Greiffingers 12 greift in eine Ringnut 16 an dem freien Ende eines Stößels 15 ein, der in dem Manipulatorarm 8 gleitend verschiebbar gelagert ist und bei seiner Hin- und Herbewegung eine öffnungs- bzw. Schließbewegung der Gleitfinger 12 bewirkt. In der Bohrung zur Führung des Stößels 15 in dem Manipulatorarm 8 ist ferner eine Schraubendruckfeder 17 angeordnet, welche einer Hin- und Herbewegung des Stößels 15 dient.

An dem den Greiffingern 12 abgewandten Ende des Stößels 15 ist ein Endanschlag 18 befestigt, mit dem seinerseits das eine Ende einer Schubstange 19 zur Übertragung einer öffnungskraft für das Offnen der Greifeinrichtung fest verbunden ist. Die Schubstange 19 1st in dem Lagerblock 9 parallel zum Manipulatorarm 8 verschiebbar gelagert. Die dem Offnen und Schließen der Greiffinger dienende Schubstange 19 weist eine Aussparung 2o auf, die in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der Schubstange 19 nach unten hin offen ist.

Zn der Hilfswelle 5 und konzentrisch zu dieser ist eine Steuerwelle 21 zur Steuerung der Offnungs- und Schließbewe-

. gung der Greiffinger 12 drehbar angeordnet. Am oberen Ende ^L 709851/1210

der Steuerwelle 21 ist eine Kreisscheibe 22 befestigt, deren untere Kreisfläche an der oberen Endfläche der Hilfswelle 5 anliegt und als Anschlag dient, um ein Herausgleiten der Hilfswelle 5 aus ihrer Lage zu verhindern. Ein an der oberen Kreis-Scheibenfläche exzentrisch angeordneter Stift 23 greift in die Aussparung 2o an der Schubstange 19 ein. Das untere Ende der Steuerwelle 21 ist mit einer Keilverzahnung versehen und greift in einen Nabenteil 25aeines Wellenstumpfes 25 ein, der in einem unteren Endabschnitt der Hauptwelle 4 mittels eines Lagers 26 gelagert ist.

Die Hilfswelle 5 ist in einen oberen und einen unteren Wellenabschnitt 5a bzw. 5b unterteilt. Jede der einander zugekehrten Endflächen der beiden Wellenabschnitte 5a und 5b ist als Nockenfläche 27 bzw. 28 mit einer einzigen Erhebung oder einem einzigen Nockenvorsprung ausgebildet (Fig. 3). Der untere Wellenabschnitt 5b ist auf der äußeren ümfangsfläche des Wellenstumpfes 25 der Steuerwelle 21 vermittels eines Lagers 29 drehbar gelagert.

An der Außenfläche des Gehäuses 1 ist ein umschaltbarer Elektromotor 3o befestigt. Dessen Drehbewegung oder Antriebskraft wird Ober eine Schneckenwelle 31 auf ein mit der Schneckenwelle 31 kämmendes Schneckenzahnrad 34 übertragen, das auf der Hauptwelle 4 mittels Lagern 32 und 33 gelagert ist. Das Schneckenzahnrad 34 ist mit einem Nockenkranz 35 versehen und weist ein am unteren Ende eines Nabenabschnittes 34a des Schneckenzahnrades 34 angeordnetes Schritt-

schaltzahnrad 36 auf (Fig. 5). ,

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Im Eingriffsbereich des Schrittschaltzahnrads 36 ist ein Zahn rad 4o angeordnet, das die öffnungs- und Schließkraft von dem Schneckenzahnrad 34 über Zahnräder 38 und 39 auf ein Zahn rad 37 überträgt, das seinerseits auf dem Wellenstumpf 25 der Steuerwelle 21 befestigt ist. In der gleichen Weise ist an ei ner dem Zahnrad 4o im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Stelle ein Zahnrad 44 so angeordnet, daß es mit dem Schrittschaltzahnrad 36 in Eingriff gelangen kann und eine Antriebskraft zum Anheben und Absenken der Hilfswelle 5 über Zahnräder 42 und 43 auf ein Zahnrad 41 übertragen kann, das auf der äußeren Omfangsfläche des unteren Wellenabschnittes 5b der Hilfswelle 5 ausgebildet ist. Die Wellen 45, 46, 47 und 48 der vorstehend genannten Gruppen von zahnrädern sind über entsprechende Wellenlager in einem einstückig mit der

Hauptwelle 4 ausgebildeten Lagerrahmen 49 gelagert.

An den oberen Enden der Wellen 45 und 48 sind Stiftsperräder 5o derart drehbar gelagert, daß sie in Eingriff mit drei Nockenflächen 35a, 35b und 35c an dem Nockenkranz 35 in Eingriff treten können (Fig. 4). Dadurch sollen sie eine Synchronisierung des Eingriffs der drei Zahnsegmentabschnitte 36a, 36b, 36c des Schrittschaltzahnrades 36 und der Zahnräder 4o bzw. 44 erreichen und eine freie Drehung der Zahnräder 4o und 44 verhindern.

Das Schneckenzahnrad 34 weist an seiner Innenumfangsfläche eine in Umfangsrichtung verlaufende gekrümmte Nut 52 auf (Fig. 1, 4,5 und 6). In diese Nut 52 greift ein Anschlag 53

, ein, der an der Außenumfangsfläche der Hauptwelle 4 derart

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angeordnet ist; daß er die Drehbewegung der Hauptwelle 4 in einer noch später zu beschreibenden Heise beeinflussen kann.

Wie man aus den Fig. 1 und 2 ersehen kann, ist nahe der Außenseite der Deckfläche des Gehäuses 1 eine Kreisscheibe 56 angeordnet« die mit der Hauptwelle 4 mittels eines in eine Sperrnut 55 eingreifenden Sperrelementes 54 drehfest verbunden ist. Am Außenumfang der Kreisscheibe 56 ist eine im Querschnitt T-förmige und nach radial außen hin offene Nut 57 ausgebildet.

In Fig. 2 erkennt man ein erstes Positionsanzeigeelement 62, das dazu dient, das Ende der Vorwärtsbewegung der Hauptwelle 4 festzulegen. Ein zweites Positionsanzeigeelement 63 dient dazu, das Ende der Rückdrehbewegung der Hauptwelle 4 festzustellen. Beide Positionsanzeigeelemente 62 und 63 sind in einem bestimmten Winkelabstand voneinander an der Scheibe 56 befestigt und werden zusammen mit der Hauptwelle 4 verdreht. Die Befestigung der Positionsanzeigeelemente 62 und 63 erfolgt mit Hilfe von Bolzen 6o bzw. 61, welche in in der T-förmigen Nut 57 liegende Platten 58 bzw. 59 eingreifen.

An der Deckfläche 1a des Gehäuses 1 sind ferner ein erster Endanschlag zur Beendigung der Vorwärtsdrehung der Hauptwelle 4 und ein zweiter Endanschlag 65 zur Beendigung der Rückdrehbewegung der Hauptwelle 4 fest angeordnet. Beide Endanschläge 64 und 65 liegen am Ende des jeweiligen Drehweges der oben genannten Positionsanzeigeelemente 62 und 63. Oben auf den

, Endanschlägen 64 und 65 sind Schalter 68 und 69 zum Omschal- _j

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ten der Drehrichtung des umschaltbaren Elektromotors 3o so angeordnet, daß der jeweilige Endschalter 68 bzw. 69 dem zugehörigen Positionsanzeigeelement 62 bzw. 63 in dessen Endstellung gegenüberliegt.
5

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind auf den Positionsanzeigeelementen 62 und 63 stabförmige Ferritstifte 7o bzw. 71 in der Heise angeordnet, daß sie von der Oberfläche der Positionsanzeigeelemente nach oben stehen. Auf der anderen Seite werden für die Endschalter 68 und 69 berührungsfrei schaltbare Schalter verwendet, welche handelsübliche integrierte Schaltbausteine mit Löcherleitung verwenden. Es ist natürlich auch möglich, durch Berührung schaltbare Schaltmechanismen vorzusehen, die beispielsweise einen Mikroschalter oder dergleichen verwenden.

Wie noch später genauer ausgeführt wird, hängt der Drehwinkel der Hauptwelle 4 oder des Manipulatorarmes 8 von der Stellung des Positionsanzeigeelementes 62 an der ümfangsfläche der Kreisscheibe 56 ab. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung des Positionsanzeigeelementes 62 so gewählt, daß der Manipulatorarm 8 (oder die Hauptwelle 4) sich um etwa 165° drehen kann. Für den Fall, daß nur das das Ende der Rückdrehbewegung anzeigende Positionsanzeigeelement 63 vorhanden ist, kann sich der Manipulatorarm 8 (oder die Hauptwelle 4) um etwa 24o° bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel drehen. Dieser Drehwinkel kann ferner durch die Lage des jeweiligen Endanschlages 64 bzw. 65 verändert werden. In Fig. 2 sind mit

l_ 64a und 65a Einstellschrauben zur Justierung der Lage der End-

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anschlage 64 bzw. 65 bezeichnet.

Der erfindungsgemäße Manipulator arbeitet auf folgende Weise.

Die in der Flg. 1 dargestellte Vorrichtung befindet sich in einem Zustand, in dem die höchsten Erhebungen oder Nasen der Nockenflächen 27 und 28 an den beiden Hilfswellenabschnitten 5a und 5b einander gegenüberliegen und sich berühren, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei wird der obere Hilfswellenabschnitt 5a um einen Betrag h (Fig. 3} angehoben und preßt eine Schraubendruckfeder 72 zusammen, die in einem Zwischenraum zwischen der Innenumfangsfläche der Hauptwelle 4 und der Außenumfangsfläche des oberen Hilfswellenabschnittes 5a angeordnet ist. In dieser Stellung sind die Greiffinger 12 der Greifeinrichtung 11 in ihrer Offenstellung. Dieser in Eig. 1 dargestellte Zustand wird im weiteren als der Anfangszustand des erfindungsgemäßen Manipulators bezeichnet.

(1) Wenn der Hauptschalter SW-1 geschlossen wird und sich der umschaltbare Elektromotor 3o aufgrund der Tätigkeit des die Vorwärtsdrehung auslösenden Endschalters 69 in Vorwärtsrichtung drehtf wird die Antriebskraft des Elektromotors 3o durch die Schneckenwelle 31 auf das Schneckenzahnrad 34 übertragen und das Schrittschaltzahnrad 36 dreht sich im Gegenuhrzeigersinn (Fig. 5). Wenn der Zahnsegmentabschnitt 36a des Schrittschaltzahnrades 36 mit dem Zahnrad 44 kämmt, um dieses zu verdrehen, wird die Antriebskraft weiter über die Zahnräder 42, 43 und 41 . auf den unteren Hilfswellenabschnitt 5b übertragen, worauf _j

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sich dieser zu drehen beginnt. Der obere Hilfswellenabschnitt 5a senkt sich um die Höhe h aufgrund des Gewichtes des Manipulatorarmes 8 bzw. der Expansionskraft der Schraubendruckfeder 72, wodurch die Berg- und Talbereiche der beiden Nockenflächen 27 und 28 in Eingriff miteinander kommen* Die Zahl der Zähne in jedem Zahnsegmentabschnitt 36a, 36b und 36c ist so gewählt, daß nach einer Drehung des unteren Hilfswellenabschnittes 5b um 18o° das zahnrad 44 und der Zahnsegmentabschnitt 36a außer Eingriff kommen.

Während das Zahnrad 44 mit dem Zahnsegmentabschnitt 36a

kämmt, rollt das Stiftsperrad 51 mit einer konvexen Nockenfläche 51a an einer konkaven Nockenfläche 35a des Nockenkranzes 35 ab, um einen Gleichlauf mit den ineinandergreifenden Zahnrädern 36a und 44 zu erreichen und letzteres am Freilaufen zu hindern (Fig. 4).

(2) Bei weiterer Drehung des Schrittschaltzahnrades 36 kommt dessen Zahnsegmentabschnitt 36b mit dem Zahnrad 4o in Eingriff. Bei dessen Drehung wird die Antriebskraft über die Zahnräder 38, 39 und 37 auf den mit der Steuerwelle drehfest verbundenen Wellenstumpf 25 übertragen. Dabei rollt gleichzeitig eine konvexe Nockenfläche 5oa des Stiftsperrades So auf einer konkaven Nockenfläche 35b des Nockenkranzes 35 ab. Die Steuerwelle 21 wird aufgrund der Keilverzahnung mit dem Wellenstumpf 25 bei dessen Drehung ebenfalls gedreht. Der am oberen Ende der Steuerwelle 21 exzentrisch angeordnete Stift 23 bewirkt eine Verschiebung der die öffnungs- und Schließkraft über-

_L tragenden Schubstange 19 in Fig. 1 nach links. Der Stößel _|

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/ή

15 zum Offnen und Schließen der Greiffinger 12 folgt der Bewegung der Schubstange 19 und verschwenkt dabei die mit ihren kurzen Schenkeln 12a mit dem Stößel 15 verbundenen Greiffinger 12 in ihre Schließstellung. In dieser Schließstellung halten die Greiffinger- 12 das Werkstück 14 klemmend fest« das relativ zu den Greiffingern 12 in eine Stellung gebracht wurde, die in Fig* I durch strichpunktierte Linien dargestellt ist. Gleichzeitig mit dem Klemmgriff kommen das Zahnrad 4o und der Zahnsegmentabschnitt 36b außer Eingriff.

(3) Bei einer weiteren Drehung des Schrittschältzahnrades 36 tritt dessen Zahnsegmentabschnitt 36c in Eingriff mit dem Zahnrad 44, wodurch die Antriebskraft Ober die Zahnräder 42, 43 und 41 auf den unteren Hilfswellenabschnitt 5b übertragen wird. Dessen Drehung verursacht ein Anheben des oberen Hilfswellenabschnlttes 5a um den Betrag h aufgrund der sich gegeneinander verschiebenden Nockenflächen 27 und 28. Das bedeutet, daß der Manipulatorarm angehoben wird, während die Greiffinger 12 das Werkstück 14 klemmend festhalten. Gleichzeitig geraten nach einer Drehung des unteren Hilfswellenabschnittes 5b um 18o° der Zahnsegmentabschnitt 36c und das Zahnrad 44 außer Eingriff. Während das Zahnsegment 36c und das Zahnrad 44 in Eingriff miteinander stehen, rollt eine konvexe Nockenfläche 51b des Stiftsperrades 51 auf einer konkaven Nockenfläche 35c des Nockenkranzes 35 ab.

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(4) Nach Vollendung der vorstehend beschriebenen drei Arbeltsschritte 1, 2 und 3 kommt die Endfläche 52a (Fig. 5) der ringförmig gekrümmten Nut 52 in dem Schneckenzahnrad 35 zur Anlage an dem Sperrelement 53 der Hauptwelle 4. Aufgrunddeasen drehen sich die Hauptwelle 4, die an dem mit der Hauptwelle 4 einstückig ausgebildeten Lagerrahmen 49 gelagerten Zahnräder und die mit der Hauptwelle 4 durch eine Sperre verbundeneHiIfswelIe 5 zusammen mit dem Schneckenzahnrad 34 im Gegenuhrzeigersinn. Dadurch wird der Manipulatorarm verdreht, während die Greiffinger 12 das Werkstück 14 klemmend festhalten. Der Drehung der Hauptwelle 4 folgend dreht sich auch die Kreisscheibe 56 so lange, bis die vordere Anschlagfläche des Positionsanzeigeelementes 62 zur Feststellung des Endpunktes der Vorwärtsbewegung des Manipulatorarmes 8 an dem Endanschlag 64 anschlägt. Das bedeutet, daß sich die Kreisscheibe 56 um etwa 165° gedreht hat. Sobald das Positionsanzeigeelement 62 an dem Endanschlag 64 anschlägt, wird der Endschalter 68 zur Auslösung der Rückwärtsdrehung des umschaltbaren Elektromotors 3o durch den Ferritstift 7o an dem Positionsanzeigeelement 62 betätigt. Dadurch wird die Vorwärtsdrehung des Elektromotors 3o beendet und dieser beginnt sich in der Gegenrichtung zu drehen.

(5) Beieiner gegenläufigen Drehung des ümschaltbaren Elektromotors 3o laufen die oben beschriebenen Arbeitsschritte 1,2 und 3 in umgekehrter Reihenfolge ab. Im einzelnen bedeutet das, daß bei Eingriff des Zahnsegmentes 36c des

_L Schrittschaltzahnrades 36 mit dem Zahnrad 44 der Manipula- _j

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AA

torarm 8 abgesenkt wird. Danach gelangt das Zahnsegment 36b mit dem Zahnrad 4o in Eingriff, wodurch die Greiffinger 12 in ihrer Öffnungstellung verschwenkt werden und das Werkstück 14 freigeben. Daraufhin wird bei Eingriff des Zahn-Segmentes 36a mit dem Zahnrad 44 der Manipulatorarm 8 angehoben. Das aohneckenzahnrad 34 dreht sich so lange, bis es mit der die Nut 52 in dem Schneckenzahnrad 34 begrenzenden Anschlagfläche 52b an dem mit der Hauptwelle 4 verbundenen Sperrelement 53 anstößt. Dann drehen sich die Hauptwelle, der Manipulatorarm 8 und die in dem Lagerrahmen 49 gelagerten Zahnräder gemeinsam wieder im Uhrzeigersinn. Sobald das Positionsanzeigeelement 63 an dem Anschlag 65 anschlägt, d.h. wenn die gesamte Vorrichtung in den in der Fig. 1 dargestellten und eingangs beschriebenen Anfangszustand zurückkehrt, wird der die Vorwärtsdrehung auslösende Endschalter 69 durch den Ferritstift 71 betätigt. Dadurch wird die Rückdrehung des Elektromotors 3o beendet und dieser gleichzeitig wieder auf Vorwärtsdrehung umgeschaltet. Danach wiederholen sich die vorstehend beschriebenen Arbeitsabläufe.

Die Endschalter 68 und 69 sind so gebaut, daß sie sofort in ihren Ruhezustand zurückkehren, wenn die Positionsanzeigeelemente 62 bzw. 63 sich nicht in den entsprechenden SchaIt-Stellungen befinden.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann der exzentrisch angeordnete Stift 23 auch direkt mit dem das _L Offnen und Schließen der Greiffinger 12 bewirkenden ,

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Stößel 15 verbunden sein.

Es kann ferner eine in den Figuren nicht dargestellte Bremsoder Rückhaltevorrichtung, wie beispielsweise eine Rastvorrichtung, an den einander zugekehrten Flächen des Positioneanzeigeelernents 62 und des Endanschlages 64 oder an irgendeiner anderen geeigneten Stelle vorgesehen sein. Diese Rückhalteeinrichtung soll bewirken, daß beim Anschlag des Positionsanzeigeelementes 62 an dem Endanschlag 64 ersteres zeitweilig in seiner Anschlagposition zurückgehalten wird, bis es sich wieder weiterdreht. Eine entsprechende Einrichtung kann zwischen dem Positionsanzeigeelement 63 und dem Endanschlag 65 vorgesehen sein, um am Ende der Rückdrehung ebenfalls das Positionsanzeigeelement 63 zeitweise festzuhalten.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen eine modifizierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Manipulators, indem dieser so ausgebildet ist, daß die Greifeinrichtung nach der Drehung des Manipulatorarmes ihrerseits gedreht werden kann.

Hie man aus der Darstellung der Fig. 7 und 8 erkennen kann, ist eine um die Achse der Hauptwelle 4 gekrümmte Zahnstange 73 an der Oberfläche 1a des Gehäuses 1 befestigt. Ein an dem Basisteil 11a der Greifvorrichtung ausgebildeter Zahnkranz 74 kämmt mit der Zahnstange 73. Das Basisteil 11a ist mittels Lagerringen 75 auf dem Manipulatorarm 8a relativ zu diesem frei drehbar gelagert. Die Verbindung zwischen zwei Greiffingern 12c und einem Stößel 15a zum öffnen und Schlies-

l_ sen der Greifeinrichtung ist die gleiche wie bei der ersten _

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Ausfuhrungsform. Die Greiffinger 12c sind über eine Trägerplatte 76 mit dem Basisteil 11a verbunden.

In Fig. 9 erkennt man eine an der Innenumfangsfläche des Basisteiles 11a ausgebildete gekrümmte Nut 77, die sich etwa über 18o° des Kreiswinkels erstreckt. In die Nut 77 ist eine Walze 78 eingesetzt, die gleichzeitig in einer konkaven Vertiefung infer Außenumfangsflache des Manipulatorarmes 8a liegt. An einer der Walze 78 gegenüberliegenden Stelle ist eine Kugel 8o angeordnet, welche durch eine Schraubendruckfeder 79 gegen die Außenumfangsfläche des Manipulatorarmes 8a gespannt ist. Ein Schraubbolzen 81 verhindert, daß die Kugel 8o und die Schraubendruckfeder 79 aus der Bohrung in dem Basisteil 11a herausgleiten können, in dem sie gelagert sind. An einander dieametral gegenüberliegenden Stellen in der Außenumfangsfläche des Manipulatorarmes 8a sind konkave Rastmulden 82, 83 vorgesehen, wobei die Verbindungslinie zwischen den beiden Rastmulden 82 und 83 im wesentlichen senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen der Walze 78 und der Kugel 8o verläuft. Wenn sich die Greifeinrichtung beispielsweise um 9o° im Gegenuhrzeigersinn aus der in Fig. 9 dargestellten Stellung dreht, stößt die eine Endfläche 77a der gekrümmten Nut 77 an der Walze 78 an und gleichzeitig rastet die Kugel 8o in die Rastmulde 82 in der Außenumfangsfläche des Manipulatorarmes 8a ein. Dadurch wird die Drehung der Greifeinrichtung gestoppt.

Ia folgenden werden die Vorwärtsdrehung und die Rückwärts-

, drehung des umschaltbaren Elektromotors 3o anhand des in Fig.iOj

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dargestellten Schaltkreises erläutert.

a) Vorwärtsdrehung des Elektromotors:

Wenn der Hauptschalter SH-I geschlossen wird, gefolgt von dem Schließen eines Anlasserschalters SW-2, werden ein Signal von einen Inverter INV-1 und von einem die Vorwärtsdrehung auslösenden Endschalter 69 auf ein UND-Glied UND-1 als Eingangssignale gegeben. Als Folge des Schließens der Schalter SW-1, SW-2 und des Endschalters 69 wird ein Reed-Relais in den aus dem UND-Glied UND-1, dem Speicherglied SP-1, dem ODER-Glied OR-1, dem NAND-Glied NAND-1, dem Inverter INV-6, dem Integrierten Schaltkreis A und dem Inverter INV-7 bestehenden Schaltkreis geschlossen. Dadurch werden die Doppelweg-Thyristortrioden (TRIAC) TA-1 und TA-3 leitend und der Motor 3o dreht sich in Vorwärtsrichtung· Das bedeutet, daß auch der Arm 8 in Vorwärtsrichtung bewegt wird.

Sobald das Positionsanzeigeelement 62 am Ende der Vorwärtsbewegung mit dem Anschlag 64 in Berührung tritt/ wird ein Ausgangssignal von dem Endschalter 68 zum Umschalten der Drehrichtung des Elektromotors 3o als Eingangssignal auf ein UND-Glied UND-3 gegeben. Durch dieses Eingangssignal wird das Speicherglied SP-1 in dem das UND-Glied AN-3, ein Speicherglied SP-2, ein UND-Glied UMD-2/ ein ODER-Glied OR-3 und das Speicherglied SP-1 umfassenden Schaltkreis gelöscht/ wodurch der Elektromotor 3o seine Vorwärtsdrehbewegung beendet.

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b) Rückwärtsdrehung des Elektromotors 3o:

In dem das Speicherglied SP-2/ ein ODER-Glied OR-2, ein NAND-Glied NAND-2, einen Inverter INV-8, einen integrierten Baustein B und einen Inverter INV-9 umfassenden SchaItkreis wird ein Reed-Relais geschlossen/ wodurch die Doppe1-

wegthyristortrioden TA-2 und TA-4 leitend werden und der Elektromotor 3o sich in Gegenrichtung dreht. Das bedeutet/ daß der Manipulatorarm sich in Richtung seiner Rückkehrbewegung zu drehen beginnt.
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Sobald am Ende der Rückdrehbewegung das Positionsanzeigeelement 63 den Endanschlag 65 berührt/ wird ein Ausgangssignal von dem die Vorwärtsdrehung auslösenden Endschalter 69 als Eingangssignal auf ein ODER-Glied OR-4 gegeben, wodurch das Speicherglied SP-2 durch ein Ausgangssignal von dem ODER-Glied OR-4 gelöscht wird und der Elektromotor 3o seine Rückdrehbewegung beendet. Nach Beendigung der Rück drehbewegung des Elektromotors 3o wird der Anlasserschalter 2 geöffnet und der Manipulator hat einen Arbeitszyklus vollendet. Der oben beschriebene Arbeitszyklus kann selbsttätig und kontinuierlich wiederholt werden, wenn der Anlasserschalter SW-2 geschlossen gehalten wird.

Im übrigen dienen die Eingangsanschlüsse a, b und c an dem ODER-Glied OR-3, dem ODER-Glied OR-4 und dem NAND-Glied NAND-2 als Steckanschlüsse für den umschaltbaren Elektromotor 3o. Ebenso dienen die Anschlüsse d und f der ODER-Glieder OR-1 bzw. OR-2 als Anschlußklemmen für

_L eine willkürliche Änderung der Drehrichtung des Elektro-

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motors in Vorwärtsrichtung bzw. in Rückwärtsrichtung. Die Bezugszeichen f, g und h bezeichnen die Anschlußklemmen für eine Wechselspannungsquelle:.

Der erfindungsgemäße Manipulator kann für die verschiedensten Aufgaben eingesetzt werden. Dabei werden für einen Arbeitszyklus, der die oben beschriebenen Arbeitsschritte 1 bis 5 umfaßt, nur zwei Sekunden benötigt.

Alle mechanischen Teile des Antriebssystems mit Ausnahme des Motors sind in dem Gehäuse untergebracht, wodurch der Manipulator eine einfache und kompakte äußere Gestalt zeigt. Dadurch ist der erfindungsgemäße Manipulator besonders dazu geeignet, in der Nähe anderer Maschinen und Einrichtungen installiert zu werden. Das Gehäuse dient auch dazu, das in ihm eingeschlossene Antriebssystem gegen Verschmutzung durch Späne, Staub oder andere verunreinigende Substanzen zu schützen. Sofern sich dies als notwendig erweisen sollte, können auch die aus dem Gehäuse herausragenden Teile noch durch balgartige Schutzhüllen gegen Verschmutzung geschützt werden.

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Claims

u.Z.: N 245+HGM Case: oo19-WG(U) KABUSHIKI KAISHA YACHIYO K06Y0 KENKYUSHO Hamamat8u-Shl, Shizuoka-Ken/ Japan "Manipulator* Priorität: 18. Juni 1976, Japan, Nr. 72o56 /76 Patentansprüche IJ Manipulator, gekennzeichnet durch a) ein Gehäuse (1), b) eine in einer Deckfläche (1a) und einer Bodenfläche des Gehäuses (1) drehbar gelagerte Hauptwelle (4), c) eine konzentrisch in der Hauptwelle (4) angeordnete und zusammen mit dieser verdrehbare Hilfswelle (5), die aus der Deckfläche (1a) des Gehäuses (1) herausragt und in axialer Richtung auf- und abbewegbar ist, d) einen Manipulatorarm (8), der am oberen Ende der Hilfswelle (5) befestigt und im wesentlichen senkrecht zur Achse der Hilfewelle (5) gerichtet ist und der einen Betatigungsmechanismus (15 bis 19) zum Halten, Freigeben und Umsetzen eines 709851/1210 ORIGINAL INSPECTED Werkstückes (14) von einer Stelle zu einer anderen Stelle umfaßt, e) eine an einem Ende des Manipulatorarmes (8) angeordnete Greifeinrichtung (11) mit zwei Greifgliedern (12) zum klemmenden Halten eines Werkstückes (14), f) eine in der Hilfswelle (15) konzentrisch zu dieser drehbar angeordnete Steuerwelle (21) zur Steuerung des das öffnen und Schließen der an dem Manipulatorarm (8) angeordneten Greifglieder (12) bewirkenden Betätigungsmechanismus (15 bis 19), g) einen an einer Wand des Gehäuses (1) befestigten umschaltbaren Elektromotor (3o), h) ein auf der Hauptwelle (4) drehbar gelagertes Schneckenzahnrad (34, das in Eingriff mit einer mit der Motorausgangswelle antriebsmäßig verbundenen Schneckenwelle (31) steht, i) ein erstes zahnradgetriebe (44, 42, 43, 41) zur Bewegung der Hilfswelle (15) in axialer Richtung, k) ein zweites Zahnradgetriebe (4o, 38, 39, 37) zum Drehen der Steuerwelle (21),

1) einen fest mit der Hauptwelle (4) verbundenen Lagerrahmen (49) für die beiden Zahnradgetriebe (41 bis 44 bzw. 37 bis 4o),

m) ein Schrittschaltzahnrad (36), dessen Drehung an die Drehung des Schneckenzahnrades (34) gekoppelt ist, und das die Antriebskraft des Elektromotors (3o) wahlweise auf eines der beiden zahnradgetriebe (41 bis 44 bzw. 37 bis 4o) überträgt, um die Hilfswelle (5) in axialer Riehtung zu bewegen oder die Steuerwelle (21) in einer der

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beiden Richtungen zu drehen,

n) Mitnahmemittel (52, 53) zur Herstellung einer Ober einen Teil des Orehweges des Schneckenzahnrades (34) wirksamen drehmomentübertragenden Verbindung zwischen Schneckenzahnrad (34) und Hauptwelle (4), um diese um einen begrenzten

Drehwinkel zu drehen, und

o) Mittel (62 bis 71) zur Bestimmung der Endpunkte der Drehbewegung der Hauptwelle (4) um den begrenzten Drehwinkel sowie zum (Anschalten der Drehrichtung des Elektromotors (3o),

wobei die Schneckenwelle (31) das Schneckenzahnrad (34), die Zahnradgetriebe (41 bis 44 und 37 bis 4o), der Lagerrahmen (49, das Schrittschaltzahnrad (36) und die Mitnahmemittel (52, 53) innerhalb des Gehäuses (1) angeordnet sind.

2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Greifglieder (12) L-förmig ausgebildet und an einander gegenüberliegenden Stellen der Greifeinrichtung (11) zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verschwenkbar angeordnet sind, daß der Betätigungsmechanismus zum öffnen und Schließen der Greifeinrichtung (11) einen Betätigungsstößel (15) aufweist, der den Manipulatorarm (8) und die Greifeinrichtung (11) in axialer Richtung des Manipulatorarmes (8) durchdringt und mit seinem einen Ende mit dem freien Ende jeweils eines L-Schenkels (12a) der Greifglieder (12) gekuppelt ist und daß der Betätigungsstößel (15) mit einem am stößelnahen Ende der Steuerwelle (21) exzentrisch angeordneten Stift (23)

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derart gekuppelt ist, daß er bei einer Drehbewegung der Steuerwelle (21) axial verschoben wird.

3· Manipulator nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Betätigungsmechanismus eine eine Schließ- und Öffnungskraft übertragende, im wesentlichen parallel zum Betätigungsstößel (15) verlaufende Schubstange' (19) umfaßt, die mit dem der Greifeinrichtung (11) abgewandten Ende des Betätigungsstößels (15) verbunden ist und eine senkrecht zu ihrer Achse verlaufende, zur Steuerwelle (21) hin offene Aussparung (2o) aufweist, in welche der am stößelnahen Ende der Steuerwelle exzentrisch angeordnete Stift (23) eingreift.

4. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet ,daß die Hilfswelle (5) in einen ersten und einen zweiten Wellenabschnitt (5a) bzw. (5b) unterteilt ist, deren einander zugewandte Stirnflächen in ihrem Umfangsbereich jeweils als Nockenbahnen (27 bzw. 28) mit nach außen vorstehenden oder konvex geformten Nocken ausgebildet sind.

5. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnahmemittel eine teilzylindrische Aussparung (52) in der Innenumfangsfläche des Schneckenzahnrades (34) und einen an der Außenumfangsflache der Hauptwelle (4) befestigten Mitnehmer (53) umfassen, der in die Aussparung (52) eingreift.

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6. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Bestimmung der Endpunkte der Drehbewegung der Hauptwelle (4) mindestens ein mit der Hauptwelle drehfest gekoppeltes Anzeigeelement

(63) für die Anzeige des Endpunktes der Vorwärts- bzw. Rückwärtsdrehung und je einen Endschalter (68, 69) zur Änderung der Drehrichtung des Elektromotors (3o) an den jeweiligen Endpunkten der Drehbewegung der Hauptwelle (4) entsprechenden

Stellen umfassen.
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7. Manipulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß bei Verwendung zweier Anzeigeelemente (62, 63) diese an einer mit der Hauptwelle (4) verdrehbaren und nahe der Deckfläche (1a) des Gehäuses (1) befindlichen Halterungsplatte (56) derart verstellbar angeordnet sind, daß der Drehwinkel der Hauptwelle (4) durch Verstellung der Anzeigeelemente (62, 63) an der Halterungsplatte (56) einstellbar ist.

8. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Greifeinrichtung (11) mit einem koaxial zur Längsrichtung des Manipulatorarmes (8) angeordneten Zahnkranz versehen ist, der mit einer auf der Deckfläche (1a) des Gehäuses (1) angeordneten Zahnstange kämmt, so daß bei einer Drehung des Manipulatorarmes (8) um die Achse der Hauptwelle (4) gleichzeitig eine Drehung des Manipulatorarmes (8) und der Greifeinrichtung (11) um die Längsachse des Manipulatorarmes (8) erfolgt.

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