DE2745932B2

DE2745932B2 - Getriebekopf für Manipulatoren

Info

Publication number: DE2745932B2
Application number: DE2745932A
Authority: DE
Inventors: Theodore Hahn Cincinnati Ohio Stackhouse (V.St.A.)
Original assignee: Milacron Inc
Current assignee: Milacron Inc
Priority date: 1976-12-23
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1980-05-14
Also published as: NO773861L; NO144289B; SE7712550L; NO144289C; DE2745932C3; DE2745932A1; FR2375010B1; US4068536A; IT1091524B; CA1070356A; JPS5383265A; SE427910B; FR2375010A1; GB1565730A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Getriebekopf für Manipulatoren mit drei koaxialen Antriebswellen und drei Abtriebswellen, deren erste mit der ersten Antriebswelle direkt, deren zwekc mit der zweiten Antriebswelle über Zahnräder und deren dritte mit der dritten Antriebswelle über eine Zwischenwelle mit Zahnrädern verbunden ist, wobei sich die Achsen der drei Abtriebswellen in einem Punk! schneiden, wobei eine dieser Achsen der ersten Abtriebswelle und den drei Antriebswellen gemeinsam ist und wobei an der dritten Abtriebswelle eine Befestigungsplatte befestigt ist.

Ein derartiger Getriebekopf ist aus der DE-OS 26 19 336 bekanntgeworden. Generell dienen Manipulatoren zur Handhabung von Explosivstoffen oder anderen gefährlichen Materialien und zur Durchführung von Arbeiten in gefährdeten oder ungünstig gelegenen Umgebungen, wie z. B. in radioaktiver Umgebung oder unter Wasser. Weiterhin werden Manipulatoren in zunehmendem Maße bei industriellen Fertigungsprozessen angewandt, die früher von Menschen durchgeführt wurden. Die Manipulatoren führen dann rechnergesteuert programmierte Arbeitsschritte aus. Die programmierte Steuerinformation liegt gewöhnlich in numerischer Form auf Lochstreifen oder sonstigen Speichermedien kodiert vor.

Für rechnergesteuerte, universal einsetzbare Manipulatoren ist es von besonderer Bedeutung, daß diese an die verschiedensten Aufgaben anpaßbar sind und nicht nur, wie bei einer Spezialmaschine, begrenzte vorgegebene Funktionen ausführen können. Diese Anpassungsfähigkeit hängt zum einen von der Programmierung des Rechners und zum anderen von der Fähigkeit des Manipulatorannes und damit des Manipulators zur Atisichtung und Positionierung ab. Ein universal einsetzbarer Manipulator sollte daher innerhalb seines räumlichen Wirkungsbereiches jeden beliebigen Raum-"> punkt unter beliebiger Ausrichtung bzw. Orientierung erreichen können. Weiterhin soll die Steuerung des Bewegungsablaufes und damit auch die Programmierung möglichst einfach sein. Aus der DE-OS 24 35 156 ist ein Getriebekopf für

i" Manipulatoren bekanntgeworden, bei dem eine Ausgangswelle gegenüber drei konzentrisch angeordneten Antriebswellen mittels einer Zwischenwelle versetzt angeordnet ist Die Achsen der Ausgangswelle und der drei Antriebswellen liegen parallel zueinander, so daß

ΐί »Löcher« oder »Lücken« bei der räumlichen Ausrichtung der Ausgangswelle auftreten, dk, daß die Ausgangswelle nicht zu jedem von dem Getriebekopf erreichbaren Punkt eines sphärischen Abschnittes senkrecht stehen kann.

*i Darüberhinaus liegt die Bahnkurve, die das Ende des an der Ausgangswelle befestigten Werkzeuges durchlaufen kann, auf der Innenfläche eines Teiles eines Torus. Will man das Werkzeug von einem Punkt des möglichen Bewegungsbereiches zu einem anderen

ίί Punkt dieses Bewegungsbereiches bringen, so muß stets eine Bewegung um zwei Achsen stattfinden, ausgenommen diese beiden Punkte liegen in einer zu diesen beiden Achsen senkrechten Ebene. Dies erfordert einen höherer. Aufwand bei der Programmierung. Der

κι wesentliche Nachteil ist jedoch, daß die Achse der Ausgangswelle nicht alle möglichen Lagen senkrecht auf der durch die Bewegung erzeugten Fläche einnehmen kann.

Hierdurch treten bei der Bewegung des Werkzeuges

f^r> zusätzliche Drehmomente auf, die den Getriebekopf verschieben können, was wiederum erfordert, daß bei präzisen Arbeiten praktisch kein Spiel in Lagern oder die einzelnen Wellen verbindenden Kegelrädern vorhanden sein darf.

·»<· Zur Lösung des Problems der »Löcher« oder »Lücken« in dem erzeugten sphärischen Abschnitt wurde bei der eingangs genannten DE-OS 26 19 336 die Ausgangswelle so angeordnet, daß sie mit der Achse ihrer Antriebswelle fluchten kann. Dadurch, daß sich die

'"> Achsen der drei Abtriebswellen in einem Punkt schneiden, wurde sichergestellt, daß die Achse der Ausgangswelle stets senkrecht auf der durch die Bewegung beschriebenen sphärischen Fläche steht.

Allerdings erforderte die gegenseitige Lage zwischen

•'''ι Ausgangswelle (dritte Abtriebswelle) und ihrer zugehörigen Antriebswelle die Anordnung einer zusätzlichen Zwischenwelle mit entsprechenden Lagern und zusätzlichen Zahnradgetrieben sowie ein relativ kompliziert aufgebautes Gehäuse. Hierdurch mußte auch die

'Ί eingangs genannte Zwischenwelle im Gehäuse exzentrisch angeordnet sein, was den Schwenkbereich des Gehäuses einschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Getriebekopf für Manipulatoren der eingangs genann-

wi ten Art hinsichtlich Anzahl der verwendeten Bauelemente, Kosten, Kompliziertheit und Größe zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Zwischenwelle und die zweite Abtriebswelle auf der

h^r> zweiten Achse liegen, die gegenüber der ersten Achse der ersten Abtriebswelle schräg angeordnet ist.

Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß der Getriebekopf gegenüber dem eingangs genannten Getriebekopf

wesentlich vereinfacht isL Durch die Vermeidung der zusätzlichen Zwischenwelle arbeitet der erfindungsge- mäüe Getriebekopf auch präziser, da Lagerspiel und Spiel der Zahnräder der zusätzlichen Zwischenwelle entfallen. Gegenüber dem Getriebekop>^: der DE-OS ' 24 35156 liegt der Vorteil des erfindungsgemäßen Getriebekopfes darin, daß die Ausgangswelle (dritte Abtriebsweile) nicht mehr versetzt angeordnet sein muß, was bei dem bekannten Getriebekopf durch das geteilte Gehäuse bedingt war. '

Vorteilk-ite Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Figuren ausführlicher erläutert. Es zeigt ' ^Ί

Fig.! eine Schrägansicht eines rechnergesteuerten Industriemanipulators mit einem Getriebekopf nach der Erfindung;

Fig.2 einen Querschnitt des Getriebekopfes nach der Erfindung; -⁽⁾

Fig.3 einen Querschnitt des Getriebekopfes von F i g. 2, wobei zwei Achsen aus der in F i g. 2 gezeigten Lage herausgedreht sind;

Fig.4 eine schematische Darstellung der hydraulischen Motoren und des Vorderarmabschnitts von -> F i g. 1 mit einer Darstellung des vom Getriebekopf nach einer bevorzugten Ausführungsform verwendeten Antriebsmechanismus.

Fig. 1 zeigt einen industriellen Manipulator 1 mit einem am Boden befestigten Unterteil 2. Am Unterteil 2 ^!" ist eine Schulter 3 drehbar befestigt und weist einen sich hiervon erstreckenden oberen Armabschnitt 4 auf. Ein Scharniergelenk 5 verbindet den oberen Armabschnitt 4 mit einem Vorderarmabschnitt 6. Die gegenseitige Bewegung zwischen den Armabschnitten 4 und 6 wird ^!> von einem hydraulischen Zylinder 7 gesteuert, der sich von der Schulter 3 zu einem vom Scharniergelenk 5 versetzten gabelförmigen Halter 8 erstreckt. Der Vorderarmabschnitt 6 besieht aus einem Satz von drei konzentrischen Wellen, die durch einzelne hydraulische ^4(l und in einem Motorgehäuse 9d gehaltene Motoren 9a, 9b, 9c voneinander unabhängig drehbar sind. Ein Getriebekopf 10 in Form eines Universalgelenks schließt sich an dem dem Scharniergelenk 5 gegenüberliegenden Ende an den Vorderarmabschnitt 6 an. Der ⁴> Getriebekopf 10, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, trägt an seinem abgelegenen Ende eine Betätigungs- oder Greifvorrichtung 11. Ein zugehöriges Steuergerät mit einer Rechnerkonsole 12 und einer hydraulischen Antriebseinheit 13 ist auf übliche Weise >" an den Manipulator angeschlossen.

In Fig.2 und 3 ist der Getriebekopf 10 in zwei verschiedenen Stellungen im Querschnitt detaillierter dargestellt. Der Getriebekopf 10 weist eil, geteiltes äußeres Gehäuse 14 mit als erste und zweite ^r>5 Abtriebswellen 14t bzw. 14a ausgebildeten Gehäuseabschnitten auf, die am Vorderarmabschnitt 6 des Manipulatorarms befestigt sind. Die Abtriebswellen 14a und 14/) sind an einer ersten Antriebswelle 15 befestigt, wobei die zweite Abtriebswelle 14a gegenüber der ^bl) ersten Antriebswelle 15 und der als komplementärer Gehäuseabschnitt ausgebildeten ersten Abtriebswelle 14Z) drehbar befestigt und um eine Achse B-B' drehbar ist. Beide Ablriebswellen 14a und 146 sind an der ersten Antriebswelle 15 befestigt und hiermit bewegbar, wenn ''"' sich alle drei Glieder um eine zweite Achse A-A 'drehen, wobei die Befestigung der ersten Antriebswelle 15 mit der ersten Abtriebswelle 146starr ist.

Die Drehbewegung der ersten Antriebswelle 14a um die Achse B-B' wird von einer zwischenliegenden zweiten Antriebswelle 16 erteilt, die konzentrisch innerhalb der ersten Antriebswelle 15 angeordnet ist Gleich der ersten Antriebsweite 15 ist die zweite Anl/iebswelle 16 um die Achse A-A' drehbar. Diese zweite Achse A-A'ist gegenüber der ersten Achse B-B' schräg angeordnet, d. h. die Achsen oder ihre Projektionen schneiden sich unter einem spitzen Winkel. Die Drehung der zweiten Antriebswelle 16 um die Achse A-A' treibt ein Kegelzahnrad 17 an, das an der Antriebswelle 16 befestigt und auch um die Achse A-A' drehbar ist Die Zähne des Kegelzahnrades 17 stehen in Eingriff mit komplementären Kegelzähnen 18 an der zweiten Abtriebswelle 14a, treiben diese an und übersetzen die Drehbewegung der zweiten Antriebswelle 16 um die Achse A-A'in eine Drehbewegung der zweiten Abriebswelle 14a um die schräg ausgerichtete Achse B-B'. Die zweite Abtriebswelle 14a weist eine drehbare ebene Befestigungsfläche 14c auf, deren Mittellinie C-C gegenüber der Achse B-B' schräg ausgerichtet ist. Die Greifvorrichtung 11 ist drehbar an der Befestigungsfläche 14c befestigt. Somit kann die zweite Abtriebswelle 14a mehrere Funktionen ausführen, da sie zusätzlich als Gehäuseabschnitt, dient.

Innerhalb der zweiten Antriebswelle 16 ist konzentrisch zu den Antriebswellen 15 und 16 eine dritte Welle

19 angeordnet, die starr mit einer dritten Antriebswelle

20 befestigt ist. Die dritte Antriebswelle 20 ist ebenfalls um die Achse A-A' drehbar und erstreckt sich in das Gehäuse 14. Die Wellen 19 und 20 können offensichtlich zu einer einzigen Welle kombiniert werden, die im folgenden als dritte Antriebswelle 20 bezeichnet wird. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet eine massive Welle 20 zur Verlängerung in das Gehäuse 14 und eine hohle Welle oder ein hohles Rohr 19, das einstückig an der Weile 20 befestigt ist. Ähnlich der zweiten Antriebswelle 16 weist die dritte Antriebswelle 20 ein Kegelzahnrad 21 auf, das in unmittelbarer Nähe des sich in das Gehäuse 14 erstreckenden Endes befestigt ist. Dieses Kegelzahnrad 21 steht antreibend im Eingriff mit einem Kegelzahnrad 22, das an einer vollständig im Gehäuse 14 enthaltenen Zwischenwelle 23 befestigt ist. Das Kegelzahnrad 22 und die Zwischenwelle 23 sind um die Achse B-B' drehbar und konzentrisch zur zweiten Abttiebswelle 14a, wobei die beiden letztgenannten Wellen 14a und 23 einen zweiten Satz von konzentrischen Wellen bilden, die gegenüber dem ersten Satz von Antriebswellen 15, 16 und 19 schräg ausgerichtet sind. Die gegenüberliegenden Enden der Zwischenwelle 23 sind über ein geeignetes Lagersystem in den als Gehäuseabschnitte ausgebildeten Abtriebswellen 14a und 14/> gelagert. In unmittelbarer Nähe des Endes der Zwischenwelle 23, dem Kegelzahnrad 22 gegenüberliegend, befindet sich ein weiteres Kegelzahnrad 24. Das Kegelzahnrad 24 ist um die Achse ß-ß'drehbar und steht antreibend mit einem weiteren Kegelzahnrad 25 im Eingriff. Das Kegelzahnrad 25 ist an einer einstückig mit der Befestigungsfläche 14c verbundenen Welle 26 befestigt, wobei die Befestigungsfläche 14c über geeignete Lager in der zweiten Abtriebswelle 14a gelagert ist. Die dritte Abtriebswelle 26 und auch das Ktgelzahnrad 25, deren Wel'en mit der Mittellinie C-C der Befestigungsfläche 14c zusammenfallen, werden um diese Mittellinie gedreht. Da die zweite Abtriebswelle 14a ihrerseits um die Achse B-B'gedreht wird und die Zwischenwelle 23 in diesem GehäuseaDschniti eelaeert ist. folet. daß die

dritte Abtriebswelle 26 und auch ihre Drehachse C-C sich zusammen mit der Drehung der zweiten Abtriebswelle 14a um die Achse ß-ß'drehen. Diese Drehung der Achse C-C'um die Achse ß-ß'ergibt sich ohne weiteres aus einem Vergleich mit der strichpunktiert gezeigten ■-, Lage der Befestigungsfläche 14c in Fig. 2, die durch Drehen der zweiten Abtriebswelle 14a um einen Winkel von 180° um die Achse ß-ß' erzielt wird. Eine noch weitergehende Würdigung der Ausrichtungsfähigkeiten der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus einem κι Vergleich von F i g. 2 und 3. F i g. 3 zeigt den Getriebekopf von F i g. 2, wobei die Wellen 15 und 14a um 180° gedreht sind.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, bewegt jede einzelne Welle des Satzes von konzentrischen i> Antriebswellen 15, 16, 19 bzw. 20 die an der Befestigungsfläche 14c befestigte Greifvorrichtung 11 um unterschiedliche Drehachsen. Die Drehung der ersten Antriebswelle 15 dreht das gesamte Gehäuse 14 um die Achse A-A'. Diese Drehung erteilt der zweiten Abtriebswelle 14a ebenfalls eine Drehbewegung um die Achse ß-ß'aufgrund der Verbindung der Kegelzahnräder 17 und 18, wobei die Bewegung der zweiten Abtriebswelle 14a ihrerseits über die Kegelzahnräder 24 und 25 der Befestigungsfläche 14c eine Drehung um die 2> Achse C-C erteilt. Die zweite Antriebswelle 16 überträgt die Drehbewegung um die Achse A-A'über das Kegelzahnrad 17 und die zweite Abtriebswelle 14a in eine Drehbewegung um die schräg ausgerichtete Achse ß-ß'. Diese Bewegung erteilt in ähnlicher Weise aufgrund der Verbindung der Kegelzahnräder 24 und 25 der Befestigungsfläche 14c eine Drehbewegung um die Achse C-C. Die Drehung der dritten Antriebswelle 19 bzw. 20 bewirkt über die Kegelzahnräder 21 und 22 eine Drehung der Zwischenwelle 23, die ihrerseits über die r> Kegelzahnräder 24 und 25 die dritte Abtriebswelle 26 um die Achse C-Cdreht. Wie sich aus einem Vergleich von F i g. 2 und 3 ergibt, dreht die erste Antriebswelle 15 die Achse ß-ß'um die Achse A-A', wobei die Drehung der zweiten Antriebswelle 16 die Abtriebswelle 26 um die Achse ß-ß'dreht. Die Drehung einer oder mehrerer einzelner Wellen 15 oder 16 des Satzes von konzentrischen Antriebswellen führt zu einer Planetenbewegung der Greifvorrichtung 11.

In Fig.2 fällt die Achse C-C mit der Achse A-A' 4-, zusammen, was bei Fig.3 nicht der Fall ist. In allen Stellungen des Getriebekopfes schneiden sich die Achsen A-A', L ß'und C-Cin einem einzigen Punkt P. Das heißt u. tl, daß die Achse C-C, die Abtriebswelle 26 und die Greifvorrichtung 11 durch die kombinierte » Bewegung der genannten Wellen an jedem beliebigen Punkt auf dem durch die kombinierte Bewegung der genannten Wellen erzeugten Kugelsektor senkrecht zur Kugelfläche ausgerichtet werden können. Bei den dargestellten Ausführungsformen ist der Winkel A'PB' zwischen der Achse Α-Α'ηηά ß-ß'und auch der Winkel B'PC zwischen den Achsen ß-ß' und C-C auf einen größeren Winkel als 45° festgelegt Folglich ist der durch die Bewegung der Greifvorrichtung erzeugte Kugelsektor größer als eine Halbkugel und kann die w> Achse C-C an jedem beliebigen Punkt am Sektor senkrecht zur Kugelfläche ausgerichtet werden. Die Ausrichtung der Achse C-C'um den einzelnen Punkt P ist für die senkrechte Ausrichtung der Achse C-C an jeder beliebigen Stelle am erzeugten Kugelsektor ohne μ jegliche »Löcher« notwendig. »Löcher« sind Stellen, in denen diese senkrechte Ausrichtung der Achse C-C nicht möglich ist. Die schräge Ausrichtung der Achse ß-ß' gegenüber der Achse A-A' erleichtert die Verwirklichung und Konstruktion dieser sich schneidenden Achsen. Abweichungen vom einzigen Punkt der Achsenkoinzidenz können sehr klein gemacht werden mit entsprechend kleinen »Löchern« in der durch Positionieren des Endeffektors 11 in all seinen möglichen Stellen erzeugten Kugelfläche. Wiederum wird eine kleine Abweichung vom einzigen Punkt des Achsenschnitts in seiner mechanischen Verwirklichung durch die schräge Ausrichtung der Achsen erleichtert. Kleine Abweichungen von diesem Koinzidenzpunkl sind möglich und können sogar für einige Anwendungen bevorzugt werden. Diese Abweichungen sind jedoch von Natur aus nicht in der Lage, den ganzen Bereich der Ausrichtungsmöglichkeiten vorzusehen, die durch Anordnung der drei sich an einem einzigen Punkt schneidenden Achsen ermöglicht wird.

Die schräge Ausrichtung der drei Achsen A-A', B-B' und C-C ermöglicht der an der Befestigungsfläche 14c der Abtriebswelle 26 befestigten Greifvorrichtung 11 eine Bewegung mit Richtungskomponenten in jeder Richtung, die durch ein Koordinatensystem mit zueinander senkrechten Achsen definiert ist, wobei die Achse P-A 'eine Koordinate ist. Mit anderen Worten, im Hinblick auf ein Bezugssystem X, Y, Zmit einer mit der Achse P-A 'zusammenfallenden Koordinate X, mit einer senkrechten Koordinate Y (die ähnlich X in der Darstellungsebene liegt) und mit einer hierzu senkrechten Koordinate Z (senkrecht zur Darstellungsebene), führt die Drehung der Greifvorrichtung um die Achse B-B'tu Bewegungskomponenten in allen Richtungen X. Y und Z, die durch das Koordinatensystem mit zueinander senkrechten Achsen definiert sind. Wenn die Achse C-C um die Achse ß-ß' gedreht wird und nicht mit der Achse A-A' zusammenfällt, führt in ähnlicher Weise eine Drehung der konzentrischen Wellen 15 und 16 um die Achse A-A'ύμ Bewegungskomponenten der Greifvorrichtung 11 in den durch dieses Koordinatensystem definierten Y- und Z-Richtungen.

Jede der drei konzentrischen Antriebswellen 15, 16 und 19 bzw. 20 wird von einem gesonderten hydraulischen Motor 9a, 9b und 9c gedreht, der am Scharniergelenk 5 des Manipulators befestigt ist, vgl. Fig. 1. Die schematische Darstellung von Fig.4 zeigt den zum Drehen der Antriebswellen 15, 16 und 19 um die Achse A-A' verwendeten Antriebsmechanismus. Der hydraulische Motor 9a weist eine sich in das Motorgehäuse 9c/erstreckende Welle 30 auf. Die Welle 30 treibt ein Stirnzahnrad 31 an, das im Eingriff mit einem an der ersten Antriebswelle 15 befestigten Stirnzahnrad 32 steht. Der hydraulische Motor 9c weist eine Welle 33 und ein Stirnzahnrad 34 auf, das antreibend im Eingriff mit einem Stirnzahnrad 35 steht Das Stimzahnrad 35 befindet sich in axialem Abstand vom Stirnzahnrad 32 und ist an der zweiten Antriebswelle 16 befestigt, die sich durch das Stimzahnrad 32 und über das Ende der ersten Antriebswelle 15 hinaus erstreckt. Die innere, dritte Antriebswelle 19 wird in ähnlicher Weise von einem Stirnzahnrad 36 angetrieben, das von einem Stirnzahnrad 37 an einer sich vom hydraulischen Motor 96 aus erstreckenden Welle 38 angetrieben wird. Das Stirnzahnrad 36 befindet sich in axialem Abstand vom Stirnzahnrad 35 und ist jenseits des Endes der zweiten Antriebswelle 16 an der dritten Antriebswelle 19 befestigt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Getriebekopf für Manipulatoren mit drei koaxialen Antriebswellen und drei Abtriebswellen, deren erste mit der ersten Antriebswelle direkt, deren zweite mi» der zweiten Antriebswelle über Zahnräder und deren dritte mit der dritten Antriebswelle über eine Zaischenwelle mit Zahnrädern verbunden ist, wobei sich die Achsen der drei Abtriebswellen in einem Punkt schneiden, wobei eine dieser Achsen der ersten Abtriebswelle und den drei Antriebswellen gemeinsam ist und wobei an der dritten Abtriebswelle eine Befestigungsplatte befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ZwischenwelJe (23) und die zweite Abtriebswelle (14a) auf der zweiten Achse (B-B') Hegen, die gegenüber der ersten Achse (A-A') der ersten Abtriebsweiie(14Z>,fschräg angeordnet ist.

2. Getriebekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der dritten Abtriebswelle (26) zugeordnete dritte Achse (C-C') im Winkel gegenüber der zweiten Achse (B-B')ausgerichtet ist,

3. Getriebekopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Achse (C-C) gegenüber der zweiten Achse (B-B')schräg ausgerichtet ist.

4. Getriebekopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der ersten Achse (A-A 9und der zweiten Achse (B-B')feststeht

5. Getriebekopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der zweiten Achse (B-B')und der dritten Achse (C-C')feststeht