DE3228610A1

DE3228610A1 - Betaetigungseinrichtung mit drei bewegungsachsen

Info

Publication number: DE3228610A1
Application number: DE19823228610
Authority: DE
Inventors: Pierre P. 02038 Franklin Mass. Demers
Original assignee: Bird Johnson Co
Current assignee: Rolls Royce Marine North America Inc
Priority date: 1981-07-31
Filing date: 1982-07-30
Publication date: 1983-02-17
Also published as: SE8204516L; IT1150386B; AU8637682A; JPS5865305A; GB2102763B; CH649248A5; AU546502B2; SE8204516D0; DE3228610C2; CA1178168A; GB2102763A; IT8248910A0; FR2510457B1; FR2510457A1

Description

PATENTANWÄLTE ί

EUROPEAN PATENTATTORNEYS •öR.-ing. franz

dipl.-ing. gerhakd i'ul.s (1952-1971) u.pl-chem. dr. h. Freiherr von ρεοημλνν dr.-ing. dieter behrens dipl.-ing.; dipl.-virtscii.-ing. rupfrt goetz

1 -56 289 D-8000 MÜNCHEN SCHWEIGERSTRASSE

telefon: (089) 66 20 51 telegramm: i¹rotkcti'ate nt

TELEX: 5 2407O

30. Juli 1982

Anmelder:

BIRD-JOHNSON COMPANY

Norfolk Street

Walpole, Massachusetts 02081, U.S.A.

Titel:

Betätigungseinrichtung mit drei Bewegungsachsen

PATENTANWÄLTE ' ' dr.-ing. franz -stuesthopp

WUESTHOFF-v.PECHMANN -BEHRENS-GOETZ ™-»»l.fmda »uesthopf (.927-1950

DIPL.-ING. GERHARD PULS (19J2-I971)

EUROPEAN PATENTATTORNEYS

D1PL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHMANN DR.-ING. DIETER BEHRENS DIPL.-ING.; DIPL.-WIRTSCH.-ING. RUPERT GOETZ

D-8000 MÜNCHEN 90

SCHWEIGERSTRASSE 2 telefon: (0S9) 66 20 ji TELEGRAMM: PROTEGTl'ATENT TELEX: 5 14 070

Betätigungseinrichtung mit drei Bewegungsachsen

Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung mit drei Bewegungsachsen für Hub-Senk-, Schwenk- und Drehbewegungen und ist hauptsächlich für die industriellen Anwendungsfälle bestimmt, bei denen irgendein Werkzeug in bezug auf ein Werkstück in verschiedene Stellungen bewegt werden muß. Sie läßt sich als "mechanisches Handgelenk" bezeichnen, weil ihre Bewegungen die eines menschlichen Handgelenks simulieren.

Viele Faktoren technologischen und wirtschaftlichen Ursprungs (z.B. die Entwicklung des Mikroprozessors, die hohen Lohnkosten, Schwierigkeiten bei der Qualitätskontrolle an Fertigungsstraßen und die notwendige Erhöhung der Produktivität) haben dazu geführt, daß bei einer Vielzahl von industriellen Arbeitsvorgängen in stetig zunehmendem Maße "Roboter" eingesetzt werden. Neuzeitliche Roboter können so programmiert werden, daß sie sich für die Ausführung von Arbeitsvorgängen mit einem in der "Hand" des Roboters gehaltenen Werkzeug mit großer Genauigkeit und Geschwindigkeit zwischen zahlreichen Arbeitsstellungen bewegen. Beispielsweise kann ein Roboter an einer Kraftfahrzeugkarosserie mehrere Punktscnweißungen rasch und exakt ausführen.

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Ein wichtiges Bauteil eines Roboters ist das "Handgelenk" als Verbindung zwischen dem "Arm" und der "Hand", einem Werkzeughalter. Wie das menschliche Handgelenk ermöglicht das Handgelenk eines Roboters Bewegungen um drei Achsen, so daß das Werkzeug in verschiedenen Stellungen an das Werkstück angesetzt werden kann. Diese Bewegungen sind Hub-Senk-Bewegungen (Auf- und Abwärtsschwenken), Schwenkbewegungen (Schwenken nach beiden Seiten) und Drehbewegungen (um eine zu den Hub-Senk- und Schwenkbewegungsachsen rechtwinklige Achse).

Eine ideale Vorrichtung zum Ausführen jeder Handgelenkbewegung eines Roboters ist eine hydraulische Betätigungsvorrichtung des Drehflügel-Typs, eine bekannte und seit langem in vielen Fällen verwendete Vorrichtung. Derartige Betätigungsvorrichtungen weisen eine zylindrische hydraulische Kammer auf, die durch ein feststehendes, über den halben Durchmesser sich erstreckendes Anschlagglied in umkehrbare Druck- und RücklaufSeiten unterteilt ist, und einen Rotor mit einem sich über den halben Durchmesser erstreckenden Drehflügel, der auf einer drehbaren Welle angeordnet und gegen das Anschlagglied und die Kammerwände abgedichtet ist. Durch einer Seite der Kammer zugeführtes hydraulisches Fluid wird der Rotor gedreht und Fluid aus der anderen Kammerseite ausgestoßen oder in sie zurückgeleitet. Rechnergesteuerte Präzisionspumpen und Servosteuergeräte ermöglichen eine rasche und exakte Bewegung der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen von Industrierobotern in programmierte Stellungen. Diese Handgelenke zeichnen sich durch beträchtliche mechanische Festigkeit, Beweglichkeit, Schnelligkeit und natürlich Ausdauer und Zweckbestimmtheit aus, besitzen also große Vorteile gegenüber ihren Gegenstücken des menschlichen Körpers.

Bei einer Betätigungseinrichtung mit drei Bewegungsachsen wird die Bewegung um jede der drei Achsen von einer Betätigungsvorrichtung ausgeführt, die Einrichtung hat also drei

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Betätigungsvorrichtungen. Bei derzeit erhältlichen Betätigungseinrichtungen ist die erste Betätigungsvorrichtung von einer Halterung am Ende des Roboterarms oder von einem anderen zweckdienlichen Träger getragen, die zweite Betätigungsvorrichtung ist an einer Halterung angeordnet, die der häufig als Außen- oder Seitenwelle bezeichnete Rotor der ersten Betätigungsvorrichtung trägt, und die dritte Betätigungsvorrichtung ist an einer Halterung angeordnet, die von der Außenoder Seitenwelle der zweiten Betätigungsvorrichtung getragen ist. Jedoch ist das Gehäuse jeder Betätigungsvorrichtung nicht an die zugehörige Halterung direkt angeschraubt, und die Halterung, welche die in der Reihenfolge nächste Betätigungsvorrichtung trägt, ist nicht an der Welle der vorangehenden Betätigungsvorrichtung abgestützt, sondern jede Halterung weist Lager zum Abstützen der nächsten Halterung auf. Diese Anordnung der Halterungen, nämlich die drehbare Lagerung der zweiten in der ersten Halterung und der dritten in der zweiten Halterung, und die drehbare Lagerung des Werkzeughalters in der dritten Halterung ermöglichen es, die vom Handgelenk aufgenommenen Lasten bzw. Kräfte durch die Reihe von Halterungen hindurch zu übertragen. Die alternative Anordnung, bei der jedes Gehäuse mit einer Halterung verschraubt ist, würde zur Folge haben, daß Lasten bzw. Kräfte über die Betätigungsvorrichtungen selbst vom Werkzeughalter zurück zum Arm übertragen werden.

Bei der bekannten Anordnung ist auch die Einhaltung von Toleranzen bzw. Spielen zwischen den Halterungen und den Betätigungsvorrichtungen dadurch vereinfacht, daß die zusammengehörenden Halterungen und Betätigungsvorrichtungen an ihrer Verbindungsstelle gleichachsig angeordnet sind.

Andererseits besteht bei der bekannten, bisher üblichen Anordnung eine andere Schwierigkeit: Weil jede Betätigungsvorrichtung eine Drehbewegung um ihre Achse auf die in der

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Reihenfolge nächsten Betätigungsvorrichtungen überträgt, ist es notwendig, daß das Gehäuse jeder Betätigungsvorrichtung gegen eine Drehung zusammen mit der Welle der Betätigungsvorrichtung gesichert wird. Bei derzeit bekannten Konstruktionen wird dies dadurch erreicht, daß das Gehäuse jeder Betätigungsvorrichtung an die sie abstützende Halterung angeschraubt ist, wobei diese Schraubverbindung hauptsächlich so ausgelegt ist, daß sie das auf das Gehäuse einwirkende Gegendrehmoment aufnimmt, aber nicht die Last bzw. die Kräfte an einer der nachfolgenden Halterungen oder Betätigungsvorrichtungen oder an dem dieser Betätigungsvorrichtung nachgeschalteten Werkzeug abstützt.

Die Schwierigkeit bei dieser Anordnung besteht darin, daß die Toleranzen zwischen den Lagern, welche die Wellen der Betätigungsvorrichtungen abstützen, und die Toleranzen an den Schrauben, Stiften oder anderen Befestigungsmitteln, die eine Übertragung von Gegendrehmoment zwischen dem Gehäuse und der Halterung unterdrücken, sehr eng gehalten werden müssen, damit nicht eine Seitenlast in die Lager eingeleitet wird, wodurch unerwünschte Seitenlastkräfte erzeugt werden wurden, welche die wirksamen Kräfte der Welle der Betätigungsvorrichtung ausgleichen und in der Einrichtung unerwünschte Spannungen hervorrufen.

Bei derzeit bekannten Handgelenk-Einrichtungen besteht eine Schwierigkeit auch hinsichtlich der hydraulischen Anlage für den Betrieb der Betätigungsvorrichtungen. Üblicherweise sind die Servoventile für alle Betätigungsvorrichtungen an einem Verteiler des Arms angeordnet, und jedes Servoventil ist mit der zugehörigen Betätigungsvorrichtung durch Schläuche oder Rohre verbunden. Hierdurch entsteht bei der Bewegung jeder Betätigungsvorrichtung eine bestimmte Ungenauigkeit, weil sich die Schläuche oder Rohre je nach dem Druck des hydraulischen Fluides dehnen und zusammenziehen, der seinerseits

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von der Last abhängig ist, die in einem bestimmten Zeitpunkt auf die betreffende Betätigungsvorrichtung einwirkt.

Außerdem wird das Fluidvolumen in der Leitung durch die Kompressibilität des Fluides verändert, die ebenfalls eine Funktion des Fluiddruckes in einem bestimmten Zeitpunkt ist. Die beiden zuletzt genannten Wirkungen sind kumulativ und beeinflussen, wie schon erwähnt, die Bewegungsgenauigkeit. Zwar
läßt sich das Servoventil so ansteuern, daß es eine bestimmte Fluidmenge an die Betätigungsvorrichtung abgibt, die Fluidmenge jedoch, die in der Betätigungsvorrichtung tatsächlich
ankommt, ist jedoch nicht gleich der angeforderten Menge,
weil sich die Wirkungen der Kompression oder Ausdehnung des
Fluides selbst und die Zusammenziehung oder Dehnung der dieses Fluid transportierenden Leitung addieren. Die Wirkungen der
Dehnung und Zusammenziehung der Rohrleitung und der Ausdehnung und Kompression des Fluides sind nicht nur in bezug auf jede Fluidleitung kumulativ, sondern, was noch wichtiger ist, die sich aus solcher Vergrößerung und Verkleinerung ergebenden
Fehler sind für alle Betätigungsvorrichtungen kumulativ, insoweit als die Beeinflussung der Lagegenauigkeit des Werkzeughalters in bezug auf die Lage des Arms oder eines anderen
Trägers betroffen ist. '*' "■

Mit anderen Worten, die Wirkungen ungenauer Dreh-, Hub-Senk- und Schwenkbewegungen der betreffenden Betätigungsvorrichtungen addieren sich in bezug auf die tatsächliche Stellung
des Werkzeuges gegenüber der angestrebten Stellung. Zwar kann eine Korrektur dieser Abweichung in den Rechner des Roboters einprogrammiert werden, jedoch wird dadurch eine Komplikation eingeführt, die vermeidbar ist.

Bei derzeit bekannten Handgelenk-Einrichtungen für Roboter
besteht noch eine andere Schwierigkeit. Entsprechend den
üblichen Konstruktionspraktiken im Maschinenbau sind die

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Abtriebswellen der Betätigungsvorrichtungen mit einem Vielnutprofil versehen und mit der Halterung der nächsten Betätigungsvorrichtung oder mit dem Werkzeughalter durch ebenfalls mit einem Vielnutprof11 versehene Hülsen verbunden. In den Vielnutprofil- oder Steckverbindungen kann Spiel auftreten, das wie die bei der hydraulischen Anlage bestehende Schwierigkeit die Bewegungsgenauigkeit des Handgelenks beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Betätigungseinrichtung mit drei Bewegungsachsen zu schaffen, die gegenüber herkömmlichen Einrichtungen dahingehend verbessert ist, daß die vorstehend beschriebenen drei Schwierigkeiten überwunden werden.

Wie die herkömmlichen Betätigungseinrichtungen hat eine Betätigungseinrichtung gemäß der Erfindung eine erste, eine zweite und eine dritte hydraulische Betätigungsvorrichtung, die von einer ersten, einer zweiten und einer dritten Halterung in der angegebenen Reihenfolge hintereinander indirekt abgestützt sind, wobei ihre Wellen nach drei verschiedenen Achsen ausgerichtet sind. Die erste und die zweite Halterung weisen Lager auf, in denen die zweite und die dritte Halterung um die Achse der ersten bzw. der zweiten Betätigungsvorrichtung drehbar gelagert sind. Die dritte Halterung weist ein Lager auf, in dem ein Werkzeughalter gelagert ist. Die Wellen der ersten und der zweiten Betätigungsvorrichtung sind an der zweiten bzw. der dritten Halterung befestigt und von ihnen abgestützt, und die dritte Betätigungsvorrichtung ist am Werkzeughalter befestigt und von ihm abgestützt. Somit ist jede Betätigungsvorrichtung im wesentlichen allein durch ihre Welle abgestützt, und die von der Einrichtung aufgenommenen Lasten werden hauptsächlich über den Werkzeughalter und die Halterungen übertragen. Nur die Drehmomentlasten werden von den betreffenden Betätigungsvorrichtungen aufgenommen.

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Zur Lösung der an erster Stelle genannten Schwierigkeit, nämlich der Seitenlasten auf die Wellen aufgrund der zwischen den Gehäusen und den Halterungen bestehenden, eine Übertragung von Gegendrehmoraent hemmenden Schraubverbindungen, ist das Gehäuse jeder Betätigungsvorrichtung mit der zugehörigen Halterung allein durch wenigstens ein, vorzugsweise durch zwei breite, dünne, die Übertragung von Drehmoment hemmende

Bänder verbunden, welche das Gehäuse der Betätigungsvorricheme

tung gegen Drehung um die Achse ihrer Welle sichern. Jedes Band weist einen seitlich versetzten Abschnitt auf, der zwischen der Betätigungsvorrichtung und der Halterung angeordnet ist und durch Biegung des Bandes Spieländerungen zwischen der Halterung und der Außen- bzw. Seitenwelle der Betätigungsvorrichtung aufnimmt, ohne auf die Betätigungsvorrichtung wesentliche Seitenlasten aufzutragen. Vorzugsweise ist das Reaktionsband in der Endansicht zumindest annähernd L-förmig, und der seitlich versetzte Abschnitt ist ungefähr an der Verbindungsstelle der L-Schenkel angeordnet. Ein Schenkel ist an einem Ende des Gehäuses der Betätigungsvorrichtung befestigt und der andere Schenkel ist an einem Abschnitt der Halterung seitlich von der Umfangswand des Gehäuses befestigt.

Die bei herkömmlichen Betätigungseinrichtungen mit drei Bewegungsachsen bestehende zweite Schwierigkeit, nämlich die Vergrößerung und Verkleinerung von Leitungen und des Fluidvolumens in ihnen zwischen den entfernt angeordneten Servoventilen und den zugehörigen Betätigungsvorrichtungen, ist dadurch gelöst, daß für jede Betätigungsvorrichtung eine Verteilerplatte, vorgesehen ist, die an der Halterung für diese Betätigungsvorrichtung befestigt ist und Teil der Halterung sein kann. Jede Verteilerplatte hat einen Fluidzuführ- und einen Fluidrücklaufkanal. Das Servoventil für die betreffende Betätigungsvorrichtung ist an der Verteilerplatte direkt und in verhältnismäßig geringem Abstand von der Betätigungsvorrichtung befestigt und ist über Kanäle mit den Fluid-

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zuführ- und -rücklaufkanälen im Verteiler sowie mit Öffnungen verbunden, die an jeder Verteilerplatte in Deckungsstellung mit den Öffnungen der entsprechenden Betätigungsvorrichtung münden. Diese Öffnungen stellen die Verbindung zwischen dem Servoventil und der Betätigungsvorrichtung über Kupplungen her, welche die Öffnungen des Verteilers mit denen der Betätigungsvorrichtung verbinden. Gemäß diesem Lösungsgedanken der Erfindung ist das Servoventil nahe der Betätigungsvorrichtung angeordnet, und wegen des Fehlens jeglicher Schläuche oder Rohre kommt es zu keiner Dehnung oder Zusammenziehung von Rohrleitungen und es tritt nur geringe Ausdehnung oder Zusammenziehung des Fluides auf, welche die Bewegungsgenauigkeit beeinflussen kann. Dies macht eine Programmierung des Roboters für die Berücksichtigung der Auswirkung von Vergrößerung und Verkleinerung von Rohrleitungen und des Fluidvolumens zwischen dem Servoventil und der zugehörigen Betätigungsvorrichtung entbehrlich.

Eine andere durch die Erfindung erreichte Verbesserung besteht in einer spielfreien bzw. Spiel ausgleichenden Kupplung auf der Welle wenigstens einer, vorzugsweise aller Betätigungsvorrichtungen. Eine solche Spielausgleichs-Kupplung weist eine Hülse auf, welche die Welle umschließt und zusammen mit ihr im zugehörigen Lager drehbar ist, und eine Büchse, bei der ein Abschnitt ihres dem Gehäuse der Betätigungsvorrichtung zunächst gelegenen Endes über ein Vielnutprofil mit der Welle verbunden und geteilt ist, um eine Verformung von Segmenten zur Welle hin zu ermöglichen. Wenigstens ein Unterabschnitt des geteilten Abschnitts weist einen Außenkonus auf, der sich in bezug auf die Welle nach außen und vom Gehäuse weg erweitert. Am konischen Abschnitt der Büchse liegt eine zugehörige konische Innenfläche der Hülse an, und an einer dem Gehäuse abgewandten Schulter liegt ein Treibring an. An diesem liegt eine in die Welle eingeschraubte Treibschraube an und drängt die Büchse so zum Gehäuse hin, daß die konischen Flächen der Büchse und der Hülse die Segmente des mit

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einem Vielnutprofil versehenen geteilten Abschnitts der Büchse in festen, spielfreien Eingriff mit dem Vielnutprofil an der Welle der Betätigungsvorrichtung pressen. Somit wird durch dieses dritte Merkmal der Erfindung die Schwierigkeit gelöst, die sich aus Spiel in den Kupplungen zwischen den Außen- bzw. Seitenwellen der Betätigungsvorrichtungen und der Halterung oder dem Werkzeughalter ergeben, je nachdem wer von der Betätigungsvorrichtung bewegt wird.

Alle Merkmale der Erfindung tragen mit sich addierender Wir-.kung zu einer Gesamtverbesserung der Genauigkeit bei, mit der das Werkzeug durch die wie ein Handgelenk wirkende Betätigungseinrichtung mit drei Bewegungsachsen gehandhabt werden kann. In dieser Hinsicht also wirken diese drei Merkmale miteinander zusammen und stehen in wechselseitiger Beziehung zueinander.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Draufsicht mit Teilschnitten auf eine Ausführungsform einer Betätigungseinrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Seitenansicht derselben Ausführungsform mit Teilschnitten ent fang¹¹ einer ungefähr durch die Achse der Betätigungsvorrichtung für die Schwenkbewegungen gehenden Schnittlinie,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Bewegungseinheiten für die Schwenk- und Drehbewegungen der Betätigungseinrichtung, mit Teilschnitten-durch die Drehbewegungs-Einheit entlang einer ungefähr durch die Achse der Betätigungsvorrichtung für die Drehbewegungen gehenden Schnittlinie,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine eine Übertragung von Drehmoment hemmende Halterung, die für die in allen drei Betätigungsvorrichtungen benutzten beispielhaft ist, Fig. 5 eine Seitenansicht derselben Halterung,

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Fig. 6 eine Endansicht der Halterung gemäß Fig. 4 und 5,

und
Fig. 7 den Teilquerschnitt 7-7 in Fig. 3 durch die Kupplung zwischen den Öffnungen der Verteiler und denen der Betätigungsvorrichtung.

Die dargestellte Betätigungseinrichtung mit drei Bewegungsachsen hat eine Bewegungseinheit P für Hub- und Senkbewegungen, eine Bewegungseinheit Y für Schwenkbewegungen und eine Bewegungseinheit R für Drehbewegungen. Die Bewegungseinheit P enthält eine drehend arbeitende hydraulische Betätigungsvorrichtung 1 mit Wellen bzw. Wellenabschnitten la und Ib an jedem Ende, die indirekt in Innenlaufringen 71 und 73 von Rollenlagern abgestützt sind, deren Außenlaufringe 72 und 74 in Löchern von verhältnismäßig großem Durchmesser in einem Paar Seitenplatten 13 und 12 einer Halterung für die Bewegungseinheit P aufgenommen sind. Die Seitenplatten 13 und 12 sind durch Schrauben 79 und 80 mit einer Kombination 4 aus einem Querstück und einem Fluidzuführ- und -rücklaufverteiler der Bewegungseinheit P verbunden. Die Kombination bzw. der Verteiler 4 hat nicht dargestellte Gewindelöcher, über die er an das freie Ende eines Arms oder an einen anderen zweckdienlichen Träger anschließbar ist, und weist eingebohrte Zuführ- und Rücklaufkanäle 200 und 202 auf, über die er durch Schläuche mit einem hydraulischen Krafterzeuger verbindbar ist. Auf der Rückfläche des Verteilers 4 ist ein Servoventil PSV für die Hub- und Senkbewegungen direkt angeordnet und steht mit den Zuführ- und Rücklaufkanalen 200 und 202 über Zweigkanäle 204 und 206 und mit Zuführ- und Rücklauföffnungen der Betätigungsvorrichtung 1 über Kanäle 208 in Verbindung. Die Vorrichtung zum Verbinden des Verteilers 4 mit jeder Betätigungsvorrichtung 1, 2 bzw. 3 wird weiter unten anhand Fig. 7 näher beschrieben.

Die Endabschnitte la und Ib der Welle der Betätigungsvorrich-

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tung 1 für die Hub- und Senkbewegungen sind über Kupplungen, die einer Halterung 11 der Schwenkbewegungseinheit Y zugeordnet sind, an der Halterung der Hub- und Senkbewegungseinheit P befestigt und in den weiter oben genannten Rollenlagern dieser Halterung abgestützt. Dieser Abschnitt der Halterung ist in Draufsicht ungefähr U-förmig und hat zu den Wellenabschnitten la und Ib der Betätigungsvorrichtung 1 konzentrische Löcher zur Aufnahme der Wellenabschnitte la und Ib, nach denen sie ausgerichtet und mit denen sie verbunden sind durch Kupplungen, deren Einzelheiten aus der Zeichnung ersichtlich und weitgehend eine Sache des Konstruierens sind und daher im einzelnen nicht beschrieben werden brauchen. Der Wellenabschnitt Ib der Betätigungsvorrichtung 1 ist über ein Vielnutprofil mit der Halterung 11 der Schwenkbewegungseinheit Y verbunden, wogegen der andere Wellenabschnitt la an der Halterung 11 mittels einer konischen Hülse 18 befestigt ist, die von einer Sicherungsmutter 21 in ihrer Endstellung gehalten ist. Somit ist die Halterung 11 der Schwenkbewegungseinheit Y in den Wälzlagern der Halterung der Bewegungseinheit P für die Hub- und Senkbewegungen abgestützt und an der Außen- bzw. Seitenwelle der Betätigungsvorrichtung 1 für die Hub- und Senkbewegungen so befestigt, daß sie bei einer Drehung der Seitenwelle d£r Betätigungsvorrichtung 1 zusammen mit ihr in den in der Halterung der Bewegungseinheit P angeordneten Wälzlagern nach oben oder nach unten schwenkt. Die Last der außerhalb der Halterung 11 angeordneten Bauteile wird von der Halterung der Bewegungseinheit P aufgenommen, wogegen Drehmoment und Bewegung auf die Halterung 11 über die Seitenwelle der Betätigungsvorrichtung 1 übertragen werden.

Es ist selbstverständlich wesentlich, daß das Gehäuse der

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Betätigungsvorrichtung 1 gegen Drehung durch ein Bauteil gesichert ist, das gegen eine Drehung um die Achse der Seitenwelle der Betätigungsvorrichtung 1 im wesentlichen blockiert ist. Andererseits sollte ein solches eine Übertragung von

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Drehmoment hemmendes Bauteil für das Gehäuse der Betätigungsvorrichtung 1 für die Hub- und Senkbewegungen nicht so sein, daß in irgendeiner zur Welle radialen Richtung eine Seitenlast erzeugt wird, durch die eine beträchtliche exzentrische Last auf die die Halterung 11 der Schwenkbewegungseinheit Y und die Betätigungsvorrichtung 1 abstützenden Wälzlager hervorgerufen werden könnte.

Erfindungsgemäß ist jede der Betätigungsvorrichtungen 1, 2 und 3 gegen eine durch Drehmornent-Reaktionskräfte hervorgerufene Drehung um die Achse ihrer Welle durch ein Paar breite, dünne, eine Übertragung von Drehmoment hemmende Bänder gesichert, von denen jedes zwischen dem Gehäuse und der Montagehalterung für die betreffende Betätigungsvorrichtung befestigt ist.

Bei der Bewegungseinheit P für die Hub- und Senkbewegungen ist das Gehäuse der Betätigungsvorrichtung 1 durch Bänder 25 gesichert. Gemäß Fig. 4 bis 6 ist jedes Band 25 ein dünner, ebener Streifen aus Metall, z.B. Blech, etwa 1,6 mm dick, aus korrosionsfestem Stahl der Sorte 301, halbhart, und ist gemäß Fig. 6 etwa L-förmig gestaltet. Das Band 25 hat einen relativ längeren Schenkel 25a, einen kürzeren Schenkel 25b und einen gekrümmten, seitlich versetzten Abschnitt 25c, der zwischen den beiden Schenkeln 25a und 25b so angeordnet ist, daß er eine Stellung zwischen dem Gehäuse der Betätigungsvorrichtung 1 und dem benachbarten Bauteil der die Betätigungsvorrichtung 1 tragenden Halterung einnimmt. Der längere Schenkel 25a jedes Bandes 25 ist an die Endwand der Betätigungsvorrichtung 1 zwischen Platten 28 und 30 angeklemmt. Für die ordnungsgemäße Lage jedes Bandes 25 auf der Endwand sorgen Zentrierstifte 97, für seine Befestigung an der Endwand Schrauben 81. Der kürzere Schenkel 25b jedes Bandes 25 ist an den benachbarten Verteiler 4 unter Benutzung einer Klemmplatte 38 bzw. 58 angeklemmt, die Gewindelöcher zur

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Aufnahme von durch den Verteiler 4 hindurchgeschraubten Schrauben aufweist.

Wegen seiner beträchtlichen Breite und dadurch, daß die Halterung so ausgerichtet ist, daß die Drehmomentlasten im wesentlichen in der Breitenrichtung wirken, setzt das Band 25 dem Drehmoment einen beträchtlichen Widerstand entgegen. Andererseits werden Kräfte, die in bezug auf die Achse der Betätigungsvorrichtung 1 radial wirken, nur über den gekrümmten, seitlich versetzten Abschnitt 25c übertragen, dessen Fähigkeit zum Übertragen solcher radialer Kräfte sehr gering ist. Folglich führt ein Ausrichtungsfehler oder ein Spiel in den Toleranzen zwischen der Betätigungsvorrichtung 1 und der Halterung nicht zu einer bedeutenden Seitenlast auf die Betätigungsvorrichtung 1, und die Lager sind keiner exzentrischen Last ausgesetzt und funktionieren ohne Behinderung und mit ruhigem Lauf, statt möglicherweise die Fähigkeit der Betätigungseinrichtung zu verringern, eine Entwurfslast abzustützen und weich und genau zu bewegen.

Die Bewegungseinheit Y für die Schwenkbewegungen hat eine Betätigungsvorrichtung 2, deren außenliegenden Wellenabschnitte an einem Ende über einte»mit einem Vielnutprofil versehene Kupplungshülse 17 und am anderen Ende über eine Konuskupplung 19 an einer Halterung 39 für die Bewegungseinheit R für die Drehbewegungen befestigt ist. Die Halterung 39 ist in Endplatten 14 und 214 der Halterung 5 für die Schwenkbewegungseinheit Y in Rollenlagern 75 und 76 drehbar gelagert. An jedem Ende des Gehäuses der Betätigungsvorrichtung 2 sind eine Übertragung von Drehmoment hemmende Bänder 26 angeordnet, die das Gehäuse gegen Drehung sichern, jedoch ermöglichen die Rollenlager 75 und 76, daß die Betätigungsvorrichtung 2 der Drehbewegungseinheit R, der Halterung 39 und allen von letzterer getragenen Bauteilen eine seitliche Schwenkbewegung erteilt. Die Bänder 26 sind von annähernd gleichem Aufbau und

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gleicher Arbeitsweise wie die Bänder 25 gemäß Fig. 4 bis 6.

Zum Zuführen und Rückleiten von Fluid zur und von der Betätigungsvorrichtung 2 dienen Kanäle, die in die Halterung 5 eingebohrt und danach mit Stopfen verschlossen worden sind. Die Halterung 5 hat einen seitlich nach außen herausragenden Arm 5a, auf dem ein zugehöriges Servoventil YSV für die Schwenkbewegung angeordnet ist. Die Zuführung und Rückleitung von hydraulischem Fluid zur und von der Schwenkbewegungseinheit Y geschieht über Schläuche, die an die Hydraulikgruppe und an mit dem Arm 5a verbundene Kupplungen angeschlossen sind. In den Arm 5a sind Kanäle eingebohrt, die mit Öffnungen in Verbindung stehen, welche in das Servoventil YSV münden. Die Betätigungsvorrichtung 2 ist mit Öffnungen, an denen in die Halterung 5 eingebohrte Kanäle münden, durch Kupplungen 33 verbunden. Demzufolge bilden der Arm 5a und eine Platte 5b der Halterung 5 einen Verteiler, ebenso wie Abschnitte der Halterung 5, für die Schwenkbewegungseinheit Y.

Die Bewegungseinheit R für die Drehbewegung weist einen Werkzeughalter 8 auf, der an einem Endabschnitt 3a der Außenwelle einer drehend arbeitenden Drehbewegungs-Betätigungsvorrichtung 3 über eine spielfreie bzw. Spiel ausgleichende Kupplung befestigt ist. Der Werkzeughalter 8 ist in einem Axialrollenlager 77,78 abgestützt, das in einer quergerichteten Endplatte 7 einer Montagehaiterung 222 der Drehbewegungseinheit R angeordnet ist. Das innenliegende, also gegen die Schwenkbewegungseinheit Y gerichtete Ende der Betätigungsvorrichtung 3 ist nicht abgestützt, jedoch ist das Gehäuse 3a¹ der Betätigungsvorrichtung 3 mit einer oberen Verteilerplatte 6 der Halterung 222 über eine Übertragung von Drehmoment hemmende Bänder 27 verbunden, die von gleicher Arbeitsweise und ungefähr gleicher Ausbildung wie das Band 25 gemäß Fig. 4 bis 6 sind und in nahezu gleicher Weise wie diese befestigt sind. Die Verteilerplatte 6 der Halterung 222 weist eine

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Reihe gebohrter und mit Stopfen geschlossener Löcher auf, die Kanäle 224 und 226 bilden, welche von Kupplungen aufnehmenden Gewindelöchern in der Oberseite der Verteilerplatte 6 ausgehen, die für den Anschluß von Schläuchen und für die Fluidverbindung nach und von einem Servoventil RSV der Drehbewegungseinheit R vorgesehen sind. Das Servoventil RSV ist über Kanäle 230 und 232 in der Verteilerplatte 6 mit Öffnungen verbunden, die an der Unterseite der Verteilerplatte münden. Gemäß Fig. 7 wird die Lücke zwischen der Verteilerplatte 6 und dem Gehäuse 3a¹ der Betätigungsvorrichtung 3 durch ein die Kupplung 33 bildendes Rohr überwunden, das den Kanal 230 mit einer Einlaßöffnung 3b der Betätigungsvorrichtung 3 verbindet. Zwischen der Kupplung 33 und Bohrungen bzw. Öffnungen 240 und 242, die in die Anschluß- bzw. Verteilerplatte 6 und das Gehäuse 3a¹ eingefräst sind, dichten kreisringförmige Dichtungen 236 und 238 in Form von O-Ringen ab. Die in Fig. 7 dargestellte Kupplungsanordnung mit den Kupplungen 33 in Form von Rohren dient bei allen drei Betätigungsvorrichtungen 1, 2 und 3 dazu, die Kammern beiderseits der Außenwelle mit der zugehörigen Verteilerplatte zu verbinden.

Der Werkzeughalter 8 der Drehbewegungseinheit R ist mit dem Außenwellenabschnitt 3a durch eine spielfreie bzw. Spiel ausgleichende Kupplung verbunden. Der Wellenatschnitt 3a trägt ein Vielnutprofil und nimmt eine Hülse bzw. Büchse 20 auf, die mit einem entsprechenden Innenvielnutprofil versehen ist. Der das Vielnutprofil tragende Abschnitt der Büchse 20 ist geteilt und der sein inneres Ende bildende Unterabschnitt weist eine konische Außenfläche 20a auf, die vorn Gehäuse 3a¹ des Rotors weg und in bezug auf den Wellenabschnitt 3a nach außen verläuft. In die Außenwand der Büchse 20 sind halbzylindrische Nuten eingefräst, in denen ein oder mehrere Kupplungsstifte 101 angeordnet sind, die bei einem Durchrutschen der Reibkegelverbindung die Stellungsbeziehung formschlüssig sichern.

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Der Werkzeughalter 8 hat einen als Hülse 8a ausgebildeten Abschnitt mit einer konischen Innenfläche, die mit dem konischen Abschnitt bzw. der konischen Außenfläche 20a der Büchse 20 zusammengehört und halbzylindrische Nuten zur Aufnahme der Kupplungsstifte 101 aufweist. Am äußeren Ende der Büchse 20 liegt ein Halte- und Treibring 51 an, der mit dem Wellenabschnitt 3a durch eine Schraube 86 verbunden ist. Wenn die Schraube 86 festgezogen wird, drängt sie den Treibring 51 zum Rotorgehäuse 3a¹ hin, wobei ein Abstandsring 23 den Werkzeughalter 8 in einer vorbestimmten axialen Stellung in bezug auf die Welle hält. Die zusammengehörenden konischen Flächen der Büchse 20 und der Hülse 8a des Werkzeughalters 8 drängen nach Art von Nocken den geteilten, mit einem Vielnutprofil versehenen Abschnitt der Büchse 20 in einen festen Sitz im Vielnutprofil des Wellenabschnitts 3a. Dadurch wird jegliches eventuelle Spiel in der Vielnutprofilverbindung und jedes Spiel, das sonst in der Verbindung zwischen der Welle und dem Werkzeughalter 8 bestehen könnte, aufgehoben.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist jede der Betätigungsvorrichtungen 1 und 2 mit der die jeweils nächste Betätigungsvorrichtung tragenden Halterung durch eine herkömmliche Vielnutprof il- bzw. Steckkupplung verbunden. Es ist jedoch im Sinne und in der Absicht der Erfindung, wenn die Welle jeder Betätigungsvorrichtung 1, 2 oder 3 der Drei-Achsen-Betätigungseinrichtung mit der Halterung für die jeweils nächste Betätigungsvorrichtung oder mit dem Werkzeughalter 8 über eine spielfreie bzw. Spiel ausgleichende Kupplung verbunden ist, die von ungefähr gleichem Aufbau und gleicher Arbeitsweise wie die Kupplung zwischen der Betätigungsvorrichtung 3 für die Drehbewegung und dem Werkzeughalter 8 ist. Die Anpassung einer solchen Kupplung an alle Betätigungsvorrichtungen 1, 2 und 3 ist eine Konstruktionsfrage und fällt in den Rahmen der Erfindung.

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Eine Reihe von konstruktiven und aufbaumäßigen Merkmalen der dargestellten Drei-Achsen-Betätigungseinrichtung sind nicht im einzelnen beschrieben worden. Dazu gehört die Verbindung der Welle jeder Betätigungsvorrichtung 1, 2 und 3 mit einer Stellungsüberwachungseinrichtung des Potentiometer-Typs, im Falle der Bewegungseinheit P für die Hub- und Senkbewegungen mit einer Überwachungseinrichtung 43 (s. Fig. 1). Jede HaI-terungs-Gruppe enthält verschiedene Abstandsringe, Lagerkäfige, Öldichtungen, Abdeckplatten und ähnliche Bauteile, wie sie im Maschinenbau üblich sind. Derartige Bauteile sind in den Zeichnungen dargestellt und werden vom Fachmann ohne weiteres erkannt werden.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Erfindung eine Betätigungseinrichtung mit drei Bewegungsachsen schafft, deren Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Betätigungseinrichtungen darin bestehen, daß.Seitenlasten auf die Wellen der Betätigungsvorrichtungen im wesentlichen ausgeschlossen sind, die Ausdehnung und Zusammenziehung von Schläuchen und Rohren und des in ihnen transportierten Fluidvolumens zwischen den Servoventilen und den zugehörigen Betätigungsvorrichtungen keine wesentliche Auswirkung haben und Spiel in den Kupplungen zwischen den Betätigungsvorrichtungen und den sie tragenden Halterungen aufgehoben ist. Diese Verbesserungen haben auf ein sichereres, zuverlässigeres und genaueres Funktionieren der Betätigungsvorrichtung eine kumulative Wirkung.

Claims

DI PL.-ING. GERHARD PULS (1QJ2-I971)

lA-56 289 D-8000 MÜNCHEN 90

SCHWEIGERSTRASSE 2 telefon: (089) 66 20 51 telegramm: protectpatent TELEX: J 24 070

Patentansprüche :

lJ Betätigungseinrichtung mit drei Bewegungsachsen für'Hub-Senk-, Schwenk- und Drehbewegungen mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Bewegungseinheit (P,Y,R) mit je einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung (1,2,3), die von einer ersten, einer zweiten und einer dritten Halterung (4, 11,6) in der angegebenen Reihenfolge hintereinander indirekt abgestützt sind, wobei ihre Wellen nach drei verschiedenen Achsen ausgerichtet sind, die erste und die zweite Halterung (4,11) Lager (71...74 bzw. 75,76) aufweisen, in denen die zweite und die dritte Halterung (11,6) um die Achse der ersten bzw. der zweiten Betätigungsvorrichtung (1,2) drehbar gelagert sind, die dritte Halterung (6) ein Lager (Axialrollenlager 77,78) aufweist, in dem ein Werkzeughalter (8) gelagert ist, die Wellen der ersten und der zweiten Betätigungsvorrichtung (1,2) an der zweiten bzw. an der dritten Halterung (11,6) befestigt und von ihnen abgestützt sind, und die Welle der dritten Betätigungsvorrichtung (3) am Werkzeughalter (8) befestigt und von ihm abgestützt ist, dadurch g e k e η η ζ e ichnet , daß zwischen dem Gehäuse jeder Betätigungsvorrichtung (1,2,3) und der zugehörigen Halterung (4,11,6) wenigstens ein breites, dünnes, eine Übertragung von Drehmoment hemmendes Band (25,26,27) befestigt ist, welches das Gehäuse der Betätigungsvorrichtung (1,2,3) gegen Drehung um die Achse ihrer Welle sichert, wobei jedes Band (25,26,27) einen seitlich versetzten Abschnitt (z.B. 25c) aufweist, der zwischen der Betätigungsvorrichtung (1,2,3) und der

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Halterung (4,.11,6) angeordnet ist und durch Biegung Spieländerungen aufnimmt, ohne auf die Betätigungsvorrichtung (l, 2,3) wesentliche Seitenlasten aufzutragen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß jedes Band (25,26,27) in der Endansicht zumindest annähernd L-förmig ist, wobei der seitlich versetzte Abschnitt (z.B. 25c) ungefähr an der Verbindungsstelle der L-Schenkel (z.B. 25a,25b) angeordnet ist und ein Schenkel (z.B. 25a) an einem Ende des Gehäuses der zugehörigen Betätigungsvorrichtung (z.B. l) und der andere Schenkel (z.B. 25b) an einem Abschnitt der entsprechenden Halterung (z.B. A) seitlich vom Gehäuse befestigt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß jede Betätigungsvorrichtung (1,2,3) zwei eine Übertragung von Drehmoment hemmende Bänder (25,26, 27) aufweist, wobei mit jedem Ende des Gehäuses ein Band verbunden ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Halterung (4,11,6) für jede Betätigungsvorrichtung (1,2,3) eine Verteilerplatte (4,5a,222) aufweist, jede Verteilerplatte (4,5a,222) einen Fluidzuführ- und einen Fluidrücklaufkanal (200,202,224,226) hat, an jeder Verteilerplatte (4,5a,222) ein Servoventil (PSV₅YSV₅RSV) befestigt ist, in jeder Verteilerplatte (4,5a,222) Öffnungen (208,230,232) das Servoventil (PSV₅YSV₅RSV) mit den Fluidzuführ- und Fluidrücklaufkanälen (200,202,224,226) verbinden, an jeder Verteilerplatte (4,5a,222) Öffnungen (z.B.240) in Deckungsstellung mit Öffnungen (z.B. 242) der entsprechenden Betätigungsvorrichtung (1,2,3) münden, um das Servoventil (PSV,YSV,RSV) mit der Betätigungsvorrichtung (1,2,3) zu verbinden, und die Öffnungen (z.B. 240,242) durch eine Kupplung (33) miteinander verbunden sind.

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5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet , daß jede Kupplung (33) ein Rohr ist, das in den Öffnungen (z.B. 240,242) aufgenommen und gegen sie durch kreisringförmige Dichtungen (236,238) abgedichtet ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß auf der Welle wenigstens einer der Betätigungsvorrichtungen (3) eine spielfreie bzw. Spiel ausgleichende Kupplung angeordnet ist, wobei die Welle einen mit einem Vielnutprofil versehenen Wellenabschnitt (3a) hat und die Kupplung eine Hülse (8a) aufweist, welche die Welle umschließt und zusammen mit ihr im zugehörigen Lager (77,78) drehbar ist, eine Büchse (20), bei der ein Abschnitt ihres dem Gehäuse (3a¹) der Betätigungsvorrichtung (3) zunächst gelegenen Endes über ein Vielnutprofil mit der Welle verbunden und geteilt ist, um eine Verformung seiner Segmente zur Welle hin zu ermöglichen, und wenigstens ein Unterabschnitt (20a) des geteilten Abschnitts einen Außenkonus aufweist, der sich in bezug auf die Welle nach außen und vom Gehäuse (3a¹) weg erweitert und an einer zugehörigen konischen Innenfläche der Hülse (8a) anliegt, ferner einen Treibring (51), der an einer dem Gehäuse (3a¹) abgewandten Schulter der Büchse (20) anliegt, und eine Treibschraube (86), die in die Welle eingeschraubt ist, am Treibring (51) anliegt und festziehbar ist, um die Büchse' (20) so zum Gehäuse (3a¹) hin zu drängen, daß die konischen Flächen der Büchse (20) und der Hülse (8a) nach Art von Nocken die Segmente des mit einem Vielnutprofil versehenen, geteilten Abschnitts der Büchse (20) in festen, spielfreien Eingriff mit dem Vielnutprofil an der Welle der Betätigungsvorrichtung (3) pressen.