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Dreiachsgelenk für Manipulatoren, Roboter,
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Handhabungseinrichtungen od. dgl.
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Die Erfindung betrifft ein Dreiachsgelenk für Manipulatoren, Roboter,
Handhabungseinrichtungen od. dgl nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Ein solches dreigliedriges und dreiachsiges Gelenk geht beispielswe-ise
aus der US-PS 3 665 148 als bekannt hervor. Dabei ist das erste Glied im wesentlichen
gabel-oder U-förmig aufgebaut, welches quer zur Drechachse des ersten Gliedes das
zweite Glied schwenkbar lagert. Das zweite im wesentlichen T-förmig aufgebaute Glied
lagert senkrecht zu dessen eigener Schwenkachse fliegend das dritte Glied. Alle
drei Schwenkachsen schneiden sich in einem gemeinsamen Achsenschnittpunkt. Der Antrieb
des zweiten und des dritten Gliedes erfolgt über ein aus mehreren Kegelz-ahnrädern
auigebautes Überl-agerungs- oder Differentialgetriebe von zwei relativ zum ersten
Glied unbeweglichen motorischen Antrieben aus. Die drei sich
in
einem gemeinsamen Punkt schneidenden Schwenkachsen der Glieder des erwähnten Dreiachsgelenkes
stehen senkrecht aufeinander. Zwar kann mit dem dritten Glied jeder Punkt einer
Halbkugel angefahren und dort eine Drehbewegung des dritten Gliedes ausgeführt werden,
jedoch ist dieses Dreiachsgelenk in seiner Bewegungsmöglichkeit aufgrund seines
prinzipiellen Aufbaues eingeschränkt. Und zwar können im Bereich der Strecklage
des Dreiachsgelenkes bei der die erste und die dritte Achse etwa in einer Flucht
liegen, keine spitzwinkligen, insbesondere keine rechtwinkligen Bewegungen ohne
nennenswerte Unterbrechung durchgeführt werden. Wenn nämlich bei dem vorbekannten
Dreiachsgelenk das dritte Glied aus irgendeiner Richtung her in die Strecklage bewegt
wird, so muß, wenn es anschließend rechtwinklig zur bisherigen Bewegung aus der
Strecklage weiterbewegt werden soll, das erste Glied zunächst eine 0 9o -Drehung
ausführen, bevor das dritte Glied weiterbewegt werden kann. Diese notwendig werdende
Schwenkbewegung des ersten Gliedes stellt eine Bewegungsunterbrechung für die Bewegung
des dritten Gliedes dar. Bei Manipulatoren zum Ausführen von punktförnigen Widerstandsschweißungen
mag eine solche Bewegungsunterbrechung noch hingenommen werden können, zumal bei
einem rechtwinkligen Verlauf einer Schweißpunktreihe eine Schweißzange ohnehin beim
Durchgang durch die Kante der Punktreihe meist eben-0 falls um 90° verschwenkt werden
muß. Bei anderen Anwendungsfällen, beispielsweise beim Ausführen von Lichtbogenschweißungen,
beim Farbauftrag mittels Spritzpistolen oder beim linienförmigen Auftragen von Klebemassen
od.
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dgl. aus Klebstoffdüsen entlang von räumlich gekrümmten Linien muß
das Werkzeug entlang einer vorgeschriebenen
Bahn unterbrechungsfrei
und kontinuierlich weitergeführt werden. Bewegungsunterbrechungen würden auch eine
Unterbrechung des auszuführenden Arbeitsvorganges erforderlich machen, worunter
jedoch das Arbeitsergebnis u. U. erheblich beeinträchtigt werden kann.
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Aus der DE-AS 2 717 870 geht u. a. ebenfalls ein Dreiachsgelenk als
bekannt hervor, bei dem jedoch sich lediglich jeweils zwei der insgesamt drei Achsen
in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Die dritte Achse ist gegenüber der ersten
seitenversetzt. Bei diesem Dreiachsgelenk stellt sich das geschilderte Problem in
noch größerem Umfang, weil die erforderliche Ausgleichsbewegung vor einem Weiterführen
des dritten Gliedes auf einem rechtwinklig zur voraufgegangenen Bewegungsbahn weiterführenden
Weg noch umfassender und komplizierter ist; ein erforderlicher Bewegungsausgleich
muß von mehreren auch den Seitenversatz der dritten Achse gegenüber der ersten kompensierenden
Gliedern der Handhabungseinrichtung ausgeführt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dreiachsgelenk derart auszubilden,
daß an jedem beliebigen vom dritten Glied des Gelenkes erreichbaren Punkt eine spitzwinklige
und vor allen Dingen eine rechtwinklige Bahndnterbrechungsfrei ausgeführt werden
kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch diel kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst. Aufgrund der gegenseitigen Neigung der Drehachsen des Dreiachsgelenkes
kann auch unter Zugrundelegung einer ungünstig
Ausgangslage des
dritten Gliedes, z. B. der Strecklage, ohne weiteres in jeder beliebigen Richtung
innerhalb des Bewegungsspielraumes des dritten Gliedes, d. h., ohne daß vorbereitend
eine andere Ausgangslage der Achsen herbeigeführt werden müßte, das dritte Glied
weiterbewegt werden.
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Die in dieser Hinsicht schwierigste Aufgabe für das Dreiachsgelenk,
die dank der Erfindung jedoch ohne weiteres gemeistert werden kann, besteht darin,
durch die Strecklage hindurch eine schafkantige rechtwinklige Bewegung mit dem dritten
Glied unterbrechungsfrei und mit etwa gleichbleibender Geschwindigkeit auszuführen.
Um dies zu ermöglichen, werden das erste und das zweite Glied gleichzeitig, jedoch
nach unterschiedlichen Bewegungsgesetzen bewegt; und zwar wird beim Einfahren des
dritten Gliedes in die Strecklage zunächst das erste Glied nach einem Cosinusgesetz
und das zweite Glied nach einem Sinusgesetz bewegt; nach dem Durchgang des dritten
Gliedes durch die Strecklage werden die Bewegungsgesetze der ersten und zweiten
Glieder umgekehrt.
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Dabei führt die zweite Achse eine seitliche Ausweichbewegung aus mit
dem Ergebnis, daß das dritte Glied auf einem Lot auf der ursprünglichen Bahn bewegt
wird. Es können demgemäß innerhalb des gesamten Bewegungsraumes des Dreiachsgelenkes
auch spitzwinklige oder rechtwinklige Bewegungsabläufe unterbrechungsfrei ausgeführt
werden.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen sowie weitere Vorteile ergeben sich aus
den Unteransprüchen bzw. aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung
dargestellten
Ausführungsbeispieles; dabei zeigt die einzige Figur
einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Dreiachsgelenkes nach der
Erfindung.
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Das im Ausführungsbeispiel gezeigte Dreiachsgelenk weist drei kinematische
Glieder, nämlichen erstes Glied 1, ein zweites Glied 2 und ein drittes Glied 3 auf.
Das erste Glied ist an einer ersten Antriebswelle 8 befestigt} d-ie um die erste
Drehachse 4 in einer nicht dargestellten liandhabungseinrichtung drehbar gelagert
ist. An dem ersten Glied ist ds zweite Glied drehbar um eine zweite Drehachse 5
drehbar gelagert, die die erste Drehachse 4 in dem Achsenschnittpunkt 7 schneidet
Und zwar ist das zweite Glied mittels eines Drehkranzlagers 13 fliegend und um 3600
drehbar gelagert. Gemäß der Erfindung ist die zweite Drehachse zur ersten unter
einem spitzen Winkel T1. der beim dargestellten Ausführungsbeispiel 450 beträgt,
geneigt angeordnet. Der Antrieb des zweiten Gliedes erfolgt durch die Drehkranzlagerung
hindurch von einer konzentrisch im Innern der ersten Antriebswelle angeordneten
zweiten Antriebswelle 9 aus.
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In dem zweiten Glied ist schließlich das dritte Glied um eine dritte
Drehachse 6 drehbar gelagert, die derart angeordnet ist, daß sie ebenfalls durch
den Achsenschnittnunkt 7 hindurch verläuft und die gegenüber der zweiten Drehachse
5 unter einem gleich großen spitzen Winkel 12 geneigt ist wie der Winkel 11 zwischen
der zweiten und der ersten Drehachse. Auch das dritte Glied ist durch die Drehkranzlagerung
13hindurch vcn einer dritten Antriebswelle lo aus antreibbar, die konzentrisch im
Innern der zweiten Antriebswelle und der ersten
Antriebswelle gelagert
ist. Die beiden gehäuseartig ausgebildeten ersten bzw. zweiten Glieder sind mit
ihrer gemeinsamen Außenkontur derart gestaltet, daß sie sich innerhalb einer kugelförmigen
strichpunktiert angedeuteten Hüllfläche 14 halten, deren Mittelpunkt mit dem gemeinsamen
Achsenschnittpunkt 7 übereinstimmt. Das dritte Glied weist einen Arbeitsflansch
15 zur Aufnahme und Befestigung von Arbeitsgeräten oder Werkzeugen auf, der tangential
zur Hüllfläche 14 angeordnet ist. Anstelle eines Werkzeuges könnte an dem Arbeitsflansch
auch ein weiteres Dreiachsgelenk od. dgl. mit entsprechenden Antrieben für die nachfolgenden
Glieder angeordnet sein, wodurch die Bewegungsmöglichkeiten einer entsprechenden
Handhabungseinrichtung noch erhöht würden. Die beigefügte Schnittdarstellung des
Dreiachsgelenkes nach der Erfindung ist mehr schematischer Art, in der die Außenkonturen
der Glieder 1 und 2 kugelförmig ausgebildet sind.
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Zur Gewichtsreduzierung wird man im konkreten Falle gleichmäßige Wandstärken
vorsehen, so daß auf der Aussenseite der Glieder Einbuchtungen u. dgl. vorgesehen
sind. Um dennoch eine glattflächige kugelige Außengestalt des Dreiachsgelenkes zu
bekommen, kann eine entsprechende Blechverkleidung od. dgl. vorgesehen werden.
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Dadurch können sich Arbeitskabelfl Schläuche od. dgl.
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nicht an dem Dreiachsgelenk äußerlich festhängen.
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Zum Antrieb des zweiten Gliedes ist eine Zwischenwelle 16 konzentrisch
zur zweiten Drehachse 5 vorgesehen, die sich durch das Drehkranzlager 13 hindurch
erstreckt und die mit dem zweiten Glied verdrehfest und zugfest verbunden ist.
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Am ersten Glied ist die Zwischenwelle in einem Stützlager 17 radial
und axial ahgestützt. Im Bereich des StUtzlagers
17 weist die
Zwischenwelle ein Kegelzahnrad 21 auf, welches mit einem Kegelritzel Zo an der zweiten
Antriebswelle 9 im Eingriff steht. Dadurch kann das zweite Glied durch die Drehkranzlagerung
13 hindurch von der gleichachsig zur ersten Drehachse 4 liegenden Antriebswelle
9 aus angetrieben werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Lagerspiel
der Drehkranzlagerung 13 und des Stützlagers 17 mittels der stützlagerseitigen Spannschraube
25 eingestellt werden.
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Konzentrisch um die Zwischenwelle 16 herum ist eine hohle Königswelle
18 mittels Lagern 19 gelagert; sie trägt an beiden Enden Kegelzahnräder. Über das
eine Kegelzahnrad 23 und das mit ihm im Eingriff stehende an der dritten Antriebswelle
1o angeordnete Kegelritzel 22 ist die Königswelle und mit ihr über das Kegelzahnradpaar
24 das dritte Glied durch die Drehkranzlagerung 13 hindurch von der dritten Antriebswelle
aus drehantreibbar, Das dritte Glied ist innerhalb eines halbkugelschalenförmigen
Raumes an jeden beliebigen Punkt verbringbar und kann dort in Drehung versetzt werden.
Zur Positionierung bzw. Bewegung des dritten Gliedes müssen lediglich die Glieder
1 und 2 bewegt werden. Bei einer ausschließlichen Bewegung des Gliedes 2 wird mit
der dritten Drehachse 6 eine Kegelfläche bestrichen, deren Zentrumsachse die zweite
Drehachse 5 ist. Bei einer ausschließlichen Verdrehung des ersten Gliedes bewegen
sich sowohl die zweite Drehachse 5 als auch die dritte Drehachse 6 auf - unterschiedlichen
- Kegelflächen, deren Zentrumsachse mit der ersten Drehachse 4 übereinstimmt. Durch
entsprechende
Kombinationen der relativen Drehlagen der ersten
zur zweiten Drehachse und der zweiten zur dritten Drehachse läßt sich jeder beliebige
Punkt innerhalb des Bewegungsbereiches ansteuern. Ober diese auch von bekannten
Dreiachsgelenken erreichte Möglichkeit hinaus kann das erfindungsgemäße Dreiachsgelenk
unterbrechungsfrei rechtwinklige Bahnverläufe insbesondere im Bereich der Strecklage
des Dreiachsgelenkes, bei der die erste und die dritte Drehachse miteinander fluchten,
ausführen. Hierbei bewegt sich das erste Glied nach einem Cosinnsgesetz und das
zweite Glied gleichzeitig nach einem Sinusgesetz Ganz ähnliche Vorgänge treten auch
bei zwei exzentrisch aufeinander gelagerten drehbaren Scheiben auf, bei denen irgendein
Umfangspunkt der exzentrisch auf der ersten Scheibe gelagerten zweiten Scheibe an
jeden beliebigen Punkt innerhalb eines kreisförmigen Bereiches bringbar ist und
bei der auch rechtwinklige Bahnvrläufe insbesondere im Bereich der Kreismitte durch
einen solchen Umfangspunkt beschrieben werden können. Ein solches auf die Ebene
reduziertes Modell mag die Bewegungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen sphärischen
Dreiachsgelenkes veranschaulichen. Zwar ist es mit dem erfindungsgemäßen Dreiachsgelenk
nicht möglich, das dritte Glied aus der Strecklage heraus auf die zweite Drehachse
hin zu bewegen; Entsprechendes gilt sinngemäß übrigens auch für das genannte Anschauungsmodell.
Jedoch läßt es sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Dreiachsgelenkes jederzeit einrichten,
die Strecklage aus einer solchen Richtung anzufahren, daß - sofern ein scharfkantiges
rechtwinkliges WEiterfahren zur bisherigen Bewegungsrichtung gewünscht ist - die
zweite Bewegungsachse außerhalb dieser neuen Bewegungsrichtung
liegt.
Eine entsprechende günstige Ausgangslage läßt sich bereits während des Einfahrens
in die Strecklage vorbereitn. Es kann dann im Bereich der Strecklage ein scharfkantiger
rechtwinkliger Bahnverlauf ohne Unterbrechung und mit nahezu gleichbleibender Geschwindigkeit
ausgeführt werden. Gerade der Bereich um die Strecklage herum ist ein besonders
wichtiger Arbeitsbereich, in dem die Bewegungsmöglichkeiten nicht eingeschränkt
sein dürfen. -Die geschilderten umfassenderen Bewegungsmöglichkeiten des Dreiachsgelenkes
nach der Erfindung machen dieses besonders für Handhabungseinrichtungen und Roboter
interessant, die kontinuierlich ablaufende Arbeitsvorgänge wie z. B. Lichtbogenschweißen,
Farbspritzen oder linienförmiges Klebemassenauftragen ausführen sollen. Derartige
Arbeitsvorgänge müssen entlang einem vorgegebenen Bahnverlauf mit vorgegebener Bahngeschwindigkeit
unterbrechungsfrei ausgeführt werden, wenn das Arbeitsergebnis nicht beeinträchtigt
werden soll.
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