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Industrieroboter mit einer Einrichtung zur Erhöhung der
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Arbeitsgenauigkeit Die Erfindung betrifft einen Industrieroboter mit
einer Einrichtung zur Erhöhung der Arbeitsgenauigkeit und/oder Schnelligkeit mit
Hilfe einer Meßeinrichtung zum Erfassen von Abweichungen des freien Endes eines
Roboterarmes von der Soll-Lage, hervorgerufen durch das Eigengewicht und andere
auf das freie Ende einwirkende Kräfte.
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Um Industrieroboter universell und rationell einsetzen zu können,
werden sehr häufig hohe Anforderungen an die Arbeitsgenauigkeit, die Schnelligkeit
und die Belastbarkeit gestellt. Gleichzeitig soll die Steuerung und die Bedienbarkeit
bzw. die Programmierbarkeit möglichst einfach sein. Eine hohe Anforderung an die
Arbeitsgenauigkeit und die Belastbarkeit bedingt einen stabilen und damit verbundenen
schweren Aufbau, wobei dies auch für die weitausladenden Teile insbesondere für
einen Roboterarm zutrifft. Große Massen und eine hohe Belastbarkeit, insbesondere
des Roboterarmes: gehen jedoch zu Lasten der Schnelligkeit und Arbeitsgenauigkeit,
die sich
auch unter Verwendung aufwendiger Konstruktionen und teuren
Materials nur bis zu einer vorgegebenen, wirtschaftlich sinnvollen Grenze erhöhen
lassen. Der Schnelligkeit stehen hierbei vor allem die Fliehkraft oder Corioliskraft
im Wege, während die Belastbarkeit des freien Endes des Roboterarmes sehr stark
die Arbeitsgenauigkeit bzw. Pòsitioniergenaugkeit beeinflußt.
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Um diesen Schwierigkeiten entgegenzuwirken ist es bekannt (siehe z.B.
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DE-OS 2508 968), zusätzliche Meßeinrichtungen oder Sensoren zum Erfassen
von Abweichungen des freien Endes des Roboterarmes vorzusehen, diese Abweichungen
über die Steuerung der entsprechenden Achsen anzugleichen, so daß größere Toleranzen
zugelassen werden können als dies für die Arbeitsgenauigkeit erforderlich ist. Derartige
Meßeinrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß sie sich nur für bestimmte Arbeitsgänge
eignen oder für andere Arbeitsgänge umgerüstet oder neu eingerichtet werden müssen.
Einen ähnlichen Nachteil weisen auch Steuerungen mit Korrekturwertspeicher auf,
in die vor dem AutomAikbetrieb ausgemessene Korrekturwerte eingespeichert und danach
im Automatikbetrieb mit berücksichtigt werden. Vor allem wenn die Belastung größeren
Toleranzen unterliegt oder sich häufig ändert, kann die Ermittlung der Korrekturwerte
sehr aufwendig und schwierig sein oder starken Schwankungen unterliegen. Von besonderem
Nachteil kann es auch sein, daß diese Korrekturwerte nur zu einzelnen Positionspunkten
zu ermitteln sind und sich z.B. während der Bewegung des Roboterarmes keine Abweichungen
ermitteln lassen.
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Es sind auch Fühleranordnungen für Manipulatoren bekannt (siehe z.B.
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DE-OS 26 28 701), die der Ermittlung der durch das aufgenommene Objekt
auf die Greifwerkzeuge ausgeübten Kräfte dienen, wobei über Dehnungsmeßelemente
eine laufende Oberwachung oder Steuerung in unterschiedlichen Achsrichtungen möglich
ist. Rein theoretisch kann über die einwirkenden Kräfte auch eine Berechnung der
jeweils zu erwartenden Lageabweichung erfolgen, jedoch ist eine derartige Berechnung
nur mit sehr großem Rechneraufwand oder langen Rechenzeiten möglich.
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So ändern sich z.B. die Lageabweichungen des freien Endes eines Roboterarmes
bei gleichbleibender Belastung wenn dieser seine Ausladung ändert oder in der vertikalen
Ebene geschwenkt wird.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung die Korrektur von Lageabweichungen
ohne großen Rechneraufwand zu ermöglichen, wobei in jeder Position ein,der Lageabweichung
entsprechendes Korrektursignal- verfügbar ist.
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Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist,
löst diese Aufgabe, wobei es in Weiterbildung der Erfindung-besonders vorteilhaft
sein kann, wenn die Korrektursignale dem Lageregelkreis auch während der Bewegung
zugeführt werden und die Lageregelung derart beeinflussen, daß diese einem Schwingen,
insbesondere Oberschwingen des Roboterarmes entgegenwirken.
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Je nach Anwendungsfall und/oder Konstruktion des Roboters kann hierdurch
die Belastbarkeit, die Schnelligkeit und/oder die Arbeitsgenauigkeit erhöht werden
ohne die Stabilität des Roboterarmes zu erhöhen, was üblicherweise zu vergrößerten
Massen mit größeren Flieh-oder Corioliskräften führt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert, es zeigt Fig. 1 einen Industrieroboter mit stabil gelagertem Roboterarm,
Fig. 2 bis Fig. 4 Roboterarme mit Meßeinrichtungen zum Erfassen der Lageabweichungen
über ein Gestänge, Fig. 5 und 5 a eine Meßeinrichtung im Roboterarm mit einer Laseroptik,
Fig. 6 eine Meßeinrichtung für einen weitausladenden abgestrebten Roboterarm, Fig.
7 einen Industrieroboter mit Doppel arm, Fig. 8 und 8 a eine optische Meßeinrichtung
für horizontale und vertikale Abweichungen und Fig. 9 Diagramm mit Kurven zur Steuerung
eines Roboterarmes-Industrieroboter lassen sich noch verhältnismäßig einfach - wie
z.B.
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in Fig. 1 dargestellt - in ihren Grundachsen sehr stabil aufbauen,
wobei beispielsweise die Führungssäule 1 durch eine obere Lagerung 2 in einem hintergreifenden
bügelförmigen Gestell 3 in sehr stabiler Lage gehalten werden kann. Durch diese
oder ähnliche stabile Bauformen
wird es möglich, die Halterung 4
für einen Roboterarm höhenverstellbar, horizontal und/oder vertikal verschwenkbar
in einer Weise auszubilden, daß bei schnellen Bewegungen, Belastungsänderungen usw.
nur geringfügige Lagetoleranzen entstehen. Wollte man den Roboterarm 5 genau so
stabil ausbilden, würde dies - vor allem wenn dieser weit ausgreifbar ausgelegt
sein muß - eine wesentliche Erhöhung der Masse dieses Roboterarmes bewirken, die
dann wiederum eine Verstärkung der Grundachsen erforderlich macht. Gleichzeitig
würde, insbesondere bei großen Ausladungen des Roboterarmes große Drehmomente erforderlich
werden, die auch aufgefangen werden müßten bzw. zu einer Herabsetzung der Geschwindigkeit
zwingen.
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Erfindungsgemäß verzichtet man auf einen Teil der Stabilität des Roboterarmes
5 und läßt z.B. elastische Verbiegungen 6 des freien Endes 9 in vertikaler Richtung
zu, die über die geforderten Toleranzgrenzen hinausgehen, und gleicht die hierbei
entstehenden Lageänderungen des Greifers 7 durch eine entsprechende Korrektur in
der Z-Achse 8 oder durch Aufwärtsschwenken des Roboterarmes 5 aus.
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Während bei einem Aufwärtsschwenken auch die in gleicher Richtung
liegende Greiferachse zumindest teilweise berichtigt wird, kann es z.B. bei einer
Korrektur Uber die Z-Achse 8 sinnvoll sein, gleichzeitig auch die Schwenkachse des
Greifers nach entsprechender Umformung oder Umrechnung des Korrektursignals zusätzlich
zu korrigieren.
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Der Aufbau der Meßeinrichtung für die Erzeugung eines der Lageabweichung
entsprechenden Meßwertes hängt stark von der Konstruktion, insbesondere des Roboterarmes,
der maximal zugelassenen Abweichung und der erforderlichen Korrekturgenauigkeit
ab. Die Meßeinrichtung kann sowohl innerhalb z.B. im Innern eines rohrförmigen Roboterarmes,
zwischen zwei parallel geführten, vorn miteinander verbundenen Armgestängen oder
auch außen entlang eines Roboterarmes angebracht werden.
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So kann gemäß Fig. 2 im hinteren, stabil gelagertem Teil 10 eines
Roboterarmes 11 ein Gestänge 12 mit einer Buchse 13 befestigt sein, das sich verjüngend
bis direkt an das freie Ende 14 des Roboterarmesll erstreckt.
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An diesem vorderem Gestängenende 15 ist ein Stift 16 vorgesehen über
den z.B. ein induktiver, kapazitiver oder optischer Lagewertgeber 17 eingestellt
wird, der das Gestängenende nur geringfügig belastet. Da das Gestänge im wesentlichen
nur durch das Eigengewicht belastet wird, kann es sehr leicht ausgebildet sein.
Es kann z.B. aus einem Aluminiumprofil oder einfach aus drei dünnen Stäben bestehen,
die vorn in einem Punkt (15) miteinander verbunden sind.
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Der Aufbau des Gestänges 12 kann hierbei derart gewählt werden, daß
die Schwingungen des Endes 15 auch bei raschen Anderungen des Roboterarmes gering
bleiben. Sie können erforderlichenfalls über zusätzliche oder im Lagewertgeber 17
vorgesehenen Dämpfungsglieder reduziert werden.
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Da das Gestängenende weitgehend frei von den auf den Roboterarm einwirkenden
Kräften montiert ist, können im Lagewertgeber 17 von der Größe der Lageabweichung
des freien Endes 14 des Roboterarmes 11 abhängige Signale erzeugt werden.
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In Fig. 3 ist am freien Ende 20 eines Roboterarmes 21 ein leichtes
Gestänge 22 schwenkbar angelenkt, das sich nahezu über die gesamte Länge des Roboterarmes
21 erstreckt. Etwa in der Mitte des Gestänges 22 befindet sich ein zweiter Lagerpunkt
23. Dort ist das Gestänge gleichfalls schwenkbar im vorderem Teil einer Hülse 24
gehaltert, die fest mit dem stabil gelagerten Teil des Roboterarmes verbunden bzw.
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verklemmt ist. Das hintere, frei schwenkbare Ende 25 stellt einen
Lagewertgeber 26 ein, der z.B. eine Vielzahl von Fotoelementen aufweist, die je
nach Lage eines am Gestängenende 25 angebrachten Spiegels oder einer Fotodiode ein
unterschiedliches Ausgangssignal abgeben.
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Ein ähnliches Gestänge 30 kann auch gemäß Fig. 4 an den beiden Enden
31 und 32 an den jeweiligen Enden des Roboterarmes 33 schwenkbar angelenkt sein.
Etwa in der Mitte des Gestänges ist ein kleiner, leichter teilzylinderförmig gekrümmter
Hohlspiegel 34 befestigt, der im Strahlengang einer in Fig. 4 a und b vergrößert
dargestellten Lichtoptik liegt.
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Die Lichtoptik 35 besteht aus einer Lichtquelle 36 mit Reflektor 37
und Linse 38, welche die Lichtstrahlen gebündelt auf den Spiegel 34 wirft.
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Der Spiegel 34 wirft die Lichtstrahlen auf einen Streifen 39, der
eine Reihe, direkt aneinander angeordnete Fotosensoren 40 trägt.
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Die Lichtstrahlen fallen in Form einer schmal zusammengespreßten Ellipse,
nahezu als schmaler waagrechter Lichtbalken auf die Fotosensoren 40 auf. Die Lichtoptik
35 und der Streifen 39 mit den Fotosensoren 40 sind fest im stabil gelagerten Teil
des Roboterarmes angeordnet. Das Gestänge 30 ist seitlich in leichtem Bogen an der
Lichtoptik vorbeigeführt und so - erforderlichenfalls außermittig -im Roboterarm
angebracht, daß auch bei maximal zugelassener Verbiegung des Roboterarmes (die nach
unten größer gewählt sein kann) das Gestänge 30 und der Spiegel 34 nirgendwo anschlägt.
Wird der Roboterarm durch eine äußere Last herabgebogen, überträgt sich diese Bewegung
auch auf den Spiegel 34 und die Lichtstrahlen treffen nun auf einen weiter oben
liegenden Bereich des Spiegels auf. Hierdurch werden die Lichtstrahlen nach unten
abgelenkt und der auf den Streifen 39 fallende Lichtbalken wandert nach unten aus.
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In Fig. 5 ist anstelle der Lichtoptik eine Laseroptik 50 vorgesehen,
die einen scharf gebündelten Laserstrahl 51 auf Fotosensoren 52-wirft die am freien
Ende 53 des Roboterarmes 54 angebracht sind.
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Hierbei kann auf ein Meßgestänge vollständig verzichtet werden.
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Bei einigen Robotertypen können sich auch einfachere Meßmethoden als
sinnvoll erweisen. So kann bei einem Roboter gemäß Fig. 6 mit weit ausladendem Arm
der z.B. mit einer leichten, doppel-T-förmigen Schiene 60 aufgebaut ist und eine
Zahnstange 61 aufweist. Auf der Schiene 60 ist ein Aufbau 62 angebracht, der z.B.
als Gitteraufbau einem Verbiegen des Roboterarmes entgegenwirkt oder über den die
Enden des Roboterarmes z.B. mit einem Spannseil nach oben vorgespannt sind. Auch
eine solche Konstruktion läßt sich mit geringerer Masse aufbauen, wenn man elastische
Verbiegungen des Roboterarmes zuläßt und diese über die Steuerung ausgleicht. Als
Meßeinrichtung kann hier ein einfacher Spanndraht 63 oder ein Spannband dienen,
das am freien Ende 64 des Roboterarmes 60 befestigt ist, über eine möglichst weit
vom
Roboterarm 60 abliegende Umlenkung 65, und einen Meßwertgeber-Antrieb 66 geführt
an einer Zugfeder 67 endet. Der Meßwertgeber 68 kann als hochauflösender Drehwertgeber
oder mit einer entsprechenden Obersetzung ausgebildet sein.
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Bei diesen Ausführungsbeispielen wurde nur von Abweichungen in vertikaler
Richtung ausgegangen. Abweichungen in horizontaler Richtung führen im allgemeinen
zu keinem Positionsfehler, jedoch können in beiden Richtungen Schwingungen auftreten,
die z.B. ein zu greifenden Gegenstand umwerfen, beschädigen oder zu Defekten am
Greifer führen können. In einigen Fällen läßt sich durch eine entsprechende Konstruktion,
z.B. mit zwei parallelen Armen 70 gemäß Fig. 7 Schwingungen in horizontaler Richtung
gering halten. Obwohl die Arme 70 hierbei schwächer ausgebildet werden können, benötigt
dann der Arm einen breiteren Freiraum und insbesondere eine verwindungssteife vordere
Verbindung 71 der beiden Arme, die einen zusätzlichen die Masse erhöhenden Aufwand
bedingen.
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Dieser Aufwand kann verringert werden, wenn über eine zweite Meßeinrichtung
auch die horizontalen Abweichungen erfaßt werden, oder die Meßeinrichtung derart
ausgebildet ist, daß Abweichungen gleichzeitig in beiden Richtungen gemessen werden
können. Dies kann z.B. durch einen entsprechend flächenhaft ausgebildeten Meßwertgeber
bewirkt werden, wobei der Lagewertgeber 26 in Fig. 3 bzw. 52 in Fig. 5 eine wie
in Fig. 5 a dargestellte Fläche 55 aufweist, die mit einer Vielzahl einzelner Fotosensoren
bestückt ist.
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Die Fotosensoren können auch - wie in Fig. 8 und in einem vergrößertem
Ausschnitt in Fig. 8 a dargestellt - aus einzelnen schmalen, parallel verlaufenden
Sensorstreifen 80 bestehen, die auf einer lichtdurchlässigen Trägerplatte 81 im
Abstand nebeneinander aufgebracht sind.
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Unter der Trägerplatte 81 ist eine zweite Trägerplatte 82 mit in gleicher
Weise aufgebrachten Sensorstreifen 83 angeordnet, die umein Winkel von 900 verdreht
ist. Wird nun der abtastende Lichtstrahl 84
derart gewählt, daß
er größer ist als die Breite eines Sensorstreifens, so wird zumindest stets ein
Sensorstreifen 83 zusammen mit einem Sensorstreifen 80 auf beiden Trägerplatten
81 und 82 von Lichstrahlen getroffen. Die beiden Trägerplatten 81, 82 können auf
einem flachen, darunterliegenden Elektronikteil (nicht dargestellt) befestigt sein,
das die Signale auswertet und als Digital- oder Analogwert über ein mehradriges
Kabel 85, erforderlichenfalls zeitmultiplex getastet, der Steuerung zuführt.
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In Fig. 9 ist der Verfahrweg Z über die Zeit t in einem Diagramm dargestellt,
wobei von einem Ausganspunkt 0 mit vorgegebener Geschwindigkeit der Punkt Z1 angefahren
werden soll. Wie z.B. bei bekannten numerischen Steuerungen üblich, wird hierbei
ein sich annähernd linear ändernder Sollwert 87 erzeugt, der zum Zeitpunkt tl dem
Endwert Z1 entspricht. Der vom Istwertgeber für diese Achse (Z) ermittelte Istwert
88 hinkt dem Sollwert 87 jeweils um einen Betrag 89 hinterher, der als Stellgröße
aus einer Soll-Ist-Wervergleichsstufe für das aufzubringende Drehmoment des Servoantriebes
dieser Achse (Z) dient.
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Wird nun z.B. im Punkt 0 vom Greifer eine Last aufgenommen, so ergibt
sich bei kleiner Bewegungsgeschwindigkeit durch eine Verbiegung des Roboterarmes
eine Verfahrkurve 90, wobei das Ende des Roboterarmes nicht Z1 sondern einen darunterliegenden
Punkt Z1' erreicht. Wird die Abweichung 91 während des Verfahrweges erfindungsgemäß
gemessen und als Korrekturwert 92 von der Steuerung ausgewertet, erfolgt ein Stillsetzen
des Antriebs zum Zeitpunkt t2 erst dann, wenn das Armende des Roboters den Punkt
Z1 erreicht hat. Wird nun jedoch mit größerer Geschwindigkeit der Roboterarm angehoben,
wird dieser in Schwingungen 93 versetzt, die eine sich ständig ändernde Abweichung
94 bewirkt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird nun diese Abweichung 94 ständig
zusammen mit dem Betrag 89 aus der Soll-Ist-Wertvergleichsstufe in einer Größe dem
Servoantrieb zugeführt, daß dieser die Schwingungen weitgehend ausgleicht. Hierbei
bewirkt schon eine geringfügige Abweichung 95 zusammen mit der Soll-Ist-Abweichung
96 eine vergrößerte Beschleunigung, jedoch wird, sobald ein Uberschwingen erfolgt,
die
Geschwindigkeit durch die hierbei auftretende Richtungsänderung
des Abweichungssignals 97 s-tark herabgesetzt. Bei richtiger Dimensionierung des
Abweichungssignals, der Regelsteilheit, der Regelgeschwindikeit usw., kann hierdurch
die Schwingung weitgehend unterdrückt werden. Mit geringem Aufwand an Einstellmitteln
kann ein Schwingungsausgleich erfolgen, der nur noch Restschwingungen mer Antriebsachse
zuläßt während sich das freie Ende des Roboterarmes nahezu schwingungsfrei bewegt.
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Wird der Soll-Ist-Wert zu Null, bleibt das Abweichsignal weiter bestehen
bis das Ausgangssignal aus der Soll-Ist-Wertvergleichsstufe einen entgegengesetzten
Wert gleicher Größe aufweist und das zusammengesetzte Signal zu Null wird. Hierdurch
kann die Lageabweichung des Roboterarmendes auskorrigiert werden.
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In gleicher Weise kann eine Schwingung des Roboterarmes in horizontaler
Ebene gedämpft werden, wenn ein Meßwertgeber (wie z.B. in Fig. 8 dargestellt) verwendet
wird, der Abweichungen in der Horizontalen erfaßt.
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Je nach Aufbau der Steuerung und der Antriebsregelkreise kann es auch
von Vorteil sein, getrennte, aus dem Abweichsignal abgebildete Signale einmal für
die Korrektur der Lage des Roboterarmendes und ein zweites Signal zur Schwingungsdämpfung
zu verwenden.
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Das Abweichsignal bzw. bestimmte Gebersignal der Meßeinrichtung für
die Abweichungen, können auch dazu verwendet werden, die Abweichungen -z.B. durch
eine Verringerung der Verfahrgeschwindigkeit - zu begrenzen oder ein Stillsetzen
bewirken, wenn eine Oberlastung vorliegt. Hierzu können z.B. die Ausgangssignale
der äußeren Streifen der Fotosensoren gemäß Fig. 8 dienen oder es wird das Signal
anwählbarer,weiter innen liegender Streifen verwendet, die der maximalen Belastung
entsprechen.
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Damit bei einem Oberschwingen des Lichtpunktes 84 Uber den letzten
Streifen hinaus keine Störung eintritt, kann bei fehlendem Gebersignal ein Sperrsignal
für weitere Bewegungen an die Steuerung gegeben werden, oder falls ein derartiges
Oberschwingen zulässig ist, das Signal des letzten Streifens gespeichert am Ausgang
des Gebers anliegen, bis der Lichtpunkt 84 diesen Streifen ein zweites Mal trifft
oder durch Auftreffen auf den zweitletzten Streifen dieses Ausgangssignals gelöscht
wird.
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Je nach Konstruktion des Roboters kann es auch vorteilhaft sein in
weiteren Grund- oder Armachsen gleichartige Korrektureinrichtungen vorzusehen, oder
auch eine Torsionsverbiegung des Roboterarmes zu erfassen, um diese über eine andere,
insbesondere Greiferachse auszugleichen. So kann z.B. die hintere Lagerung 32 des
Gestänges 30 in Fig. 4 eine zusätzliche Drehlagerung erhalten und an diesem Gestängeende
ein Drehwertgeber vorgesehen sein, der die Torsionsverbiegungen mißt.