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Kennwort: Kraftrückführungs-Joystick
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Steuergerät zur Betätigung eines Roboter-Werkzeugkopfes Die Erfindung
betrifft ein Steuergerät zur Betätigung eines Roboter-Werkzeugkopfes zum Bürsten,
Schleifen, Polieren u.dgl. von insbesondere langgestreckten Werkstücken, wie Strangpreßprofilen
od.dgl., mit einer programmierbaren Rechner-Speicher-Einheit, deren Eingabedaten
mittels eines angeschlossenen Handsteuerhebels eingebbar sind, der in drei Achsebenen
(X, Y, Z) selbstrückstellend gelenkig gelagert betätigbar und mit jeweils einem,
jeder Achsebene zugehörigen, induktiven Wegaufnehmer gekuppelt ist.
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In letzter Zeit werden zu ständig wiederkehrenden Arbeitsvorgängen
Roboter eingesetzt, die mittels eines eine programmierbare Rechner-Speicher-Einheit
umfassenden Steuergerätes betätigt werden können. Dabei erfolgt die Programmierung
in der Regel mit Hilfe sogenannter Lernverfahren, wobei der Roboter während der
Programmierphase vom Bedienungspersonal entweder unmittelbar oder aber - wie in
den meisten Fällen üblich - über geeignete Bediengeräte geführt wird.
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Dabei speichert die Robotersteuerung alle für das
spätere
Wiederholen der Handhabungsoperationen notwendigen Daten. Bei dem sogenannten "Teach-in-Verfahren"
ist es bekannt, den Roboter mit Hilfe der Tasten eines Programmiergerätes in die
gewünschte Stellung zu überführen. Durch Betätigung einer Übernahmetaste werden
dann Position und Orientierung des Roboters für den angefahrenen Punkt gespeichert.
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Anschließend werden weitere Parameter, wie Geschwindigkeit, Beschleunigung
und Genauigkeit, mit denen der Punkt angefahren werden soll, in die Steuerung eingegeben.
Bei der Positionierung über ein Tastenfeld muß die Bedienungsperson sich jedoch
ständig die Lage des Programmier-Koordinatensystems relativ zum Roboter vor Augen
halten. Dies ist jedoch sehr zeitaufwendig und unergonomisch. Aus diesem Grund hat
man bereits zur Steuerung des Roboterwerkzeugkopfes einen Handsteuerhebel eingesetzt,
der in drei Achsebenen selbstrückstellend gelenkig gelagert betätigbar ist, wobei
zu seiner Auslenkung eine bestimmte Kraft zu überwinden ist und nach dem Loslassen
des Handsteuerhebels dieser wieder in seine Ruhelage zurückkehrt und somit selbstneutralisierend
ist. Mit dem zumeist elektrischen Ausgangssignal, das der ausgeübten Kraft oder
der Auslenkung proportional ist, kann man über das Steuergerät dem Roboter einen
für seine Bewegung notwendigen Sollwert vorgeben.
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Die Bewegungsrichtung des Roboters entspricht dabei der Auslenkungsrichtung
des Handsteuerhebels. Der Weg, den der Roboter zurücklegt, ist proportional dem
Integral der Handsteuerhebelausgangsgröße über der Zeit. Deshalb ist mit dem Handsteuerhebel
eine bessere Feinpositionierung und eine schnellere Grobpositionierung möglich als
bei der Verwendung einer Tastatur.
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Nachteilig bei den bisher eingesetzten Handsteuer-
hebeln
ist jedoch, daß die Bedienungsperson hinsichtlich der Andruckkräfte des Werkzeugkopfes
auf das jeweilige Werkstück gefühllos bleibt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, für die Betätigung
eines Roboterwerkzeugkopfes ein Steuergerät zu schaffen, auf dessen Handsteuerhebel
eine vom Roboter-Werkzeugkopf herrührende Kraftrückführung wirksam wird.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Achsebene
des Handsteuerhebels ein mit diesem wirkverbundener Druckmittelzylinder zugehörig
ist, der jeweils mit einer Meßeinheit des Werkzeugkopfes rückgekoppelt ist. Indem
der Roboter bzw. dessen Werkzeugkopf mit einer geeigneten Sensorik, wie Kraftmeßelementen,
ausgerüstet ist, läßt sich die in den Handsteuerhebel integrierte drei achsige Kraftrückführung
nutzen. Dabei werden die auf die Kraftmeßelemente einwirkenden Kräfte des Werkzeugkopfes
auf den Handsteuerhebel übertragen, so daß die Bedienungsperson die am Werkzeugkopf
anliegenden Kräfte über den Handhebel spürt.
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Um die rückgeführten Kräfte am Handsteuerhebel wirksam werden zu lassen,
sind nach einem Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung die um 900 zueinander und dem
zugehörigen Wegaufnehmer gegenüberliegend angeordneten und an einem den Handsteuerhebel
bereichsweise umgebenden Gehäuse einerseits festgelegten Druckmittelzylinder für
die X- und Y-Achsenebenen andererseits am Umfangsbereich einer im Gehäuse über ein
Kardangelenk gelagerten Taumelscheibe gelenkig befestigt.
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Der für die Z-Achsenebene vorgesehene Druckmittelzylinder stellt nach
einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung vorteilhaft einen Schaft des
Handsteuerhebels dar, dessen erster Schaftteil durch das Gehäuse des Druckmittelzylinders
und dessen zweiter, teleskopierbarer Schaftteil durch die Kolbenstange des Druckmittelzylinders
gebildet ist.
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Dabei lassen sich als Druckmittelzylinder vorteilhaft Pneumatikzylinder
einsetzen, deren auf den Handsteuerhebel einwirkende Kräfte durch - bezüglich dreier
Achsebenen - auch drei analoge, elektrische Spannungssignale vorgegeben werden,
wobei die Spannungen über eine übliche Verstärkerschaltung drei Paare von pneumatischen
Proportionalventilen treiben. Vom Vorzeichen der drei Spannungen hängt es ab, welche
Seiten der drei doppelt wirkenden Druckmittelzylinder mit den spannungsproportionalen
Drücken beaufschlagt werden, so daß am Handsteuerhebel eine in bezug auf dessen
Auslenkung entsprechende Reaktionskraft wirksam wird.
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Um den Handsteuerhebel bei jeder Auslenkungsbewegung in einer X- oder
Y-Achsenebene zusätzlich bequem in die zweite Ebene bewegen zu können, ist nach
einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung mit dem Gehäuse des den Schaft
des Handsteuerhebels bildenden Druckmittelzylinders eine bis etwa unter den Kugelknopf
des Handsteuerhebels vorragende Handstütze fest verbunden.
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Zur Null-Lagenfixierung des Handsteuerhebels in seiner Z-Achsenebene
ist an dem den Schaft des Handsteuerhebels bildenden Druckmittelzylinder ein aufragendes
Führungsrohr befestigt, in welchem eine den Kugelknopf
tragende
Verlängerung der Kolbenstange über die Null-Lage rückstellende Druckfedern verschiebbar
geführt ist. Dabei ist die Null-Lage der Z-Achsenebene des Handsteuerhebels vorteilhaft
durch eine im Führungsrohr gelagerte, federbelastete Rastkugel und eine in der Verlängerung
der Kolbenstange angeordnete Rastrille auffindbar und halterbar.
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Damit der der Z-Achsenebene zugehörige Wegaufnehmer von verfälschenden
Komponenten frei bleibt, ist nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung
dieser in Z-Achsenebene wirkende Wegaufnehmer einerseits mit dem Gehäuse des den
Schaft des Handsteuerhebels bildenden Druckmittelzylinders und andererseits mit
einem am Kugelknopf des Handsteuerhebels festgelegten Mantelrohr verbunden.
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Eine sichere wirtschaftlich herstellbare Null-Lagenfixierung der X-
und Y-Achsenebenen des Handsteuerhebels läßt sich vorteilhaft erzielen, indem die
Taumelscheibe über eine das Haltelager des Kardangelenkes umfassende, durch eine
Druckfeder beaufschlwte Druckbuchse in die Null-Lage der X- und Y-Achsenebenen rückstellbar
ist.
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Als für eine geeignete Sensorik dienende Meßeinheit am Werkzeugkopf
ist zwischen dem elastisch am Roboter gehalterten Werkzeugkopf und seiner Anschlußstelle
am Roboter ein Wegaufnehmer augeordnet. Die über diesen Wegaufnehmer ermittelte
Kraft wird für die Kraftrückführung der Z-Achse genutzt, wodurch die auf das Kraftmeßelement
des Werkzeugkopfes wirkenden Kräfte auf den Handsteuerhebel übertragen werden.
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Damit jedoch bei jedem auftretenden Bearbeitungsfall auch bei geneigten
Bearbeitungsflächen immer nur die senkrecht zur Bearbeitungsfläche auf den Werkzeugkopf
wirkende Kraft als Übertragungsgröße weitergegeben wird, ist nach einem weiteren
Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung im Bereich des Werkzeugkopfes ein Neigungssensor
zur Ermittlung der auf den Werkzeugkopf wirksam werdenden Normalkraft angeordnet.
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Die Erfindung ist am Beispiel eines Polier-Roboters auf der Zeichnung
dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den in einem
Gehäuse angeordneten Handsteuerhebel in einem Vertikalschnitt, Fig. 2 den im Gehäuse
angeordneten Handsteuerhebel in einer Draufsicht, Fig. 3 den Handsteuerhebel mit
seinem Gehäuse bei abgenommenen Kugelknopf und Gehäusedeckel, Fig. 4 den eine Pöliertrommel
umfassenden Werkzeugkopf in einem Vertikalschnitt, Fig. 5 den die Poliertrommel
aufnehmenden Werkzeugkopf in einer Draufsicht, deren eine Hälfte eine Ansicht auf
die Anschlußplatte an die Roboterhand und deren andere Hälfte
eine
aufgebrochene Ansicht auf den Werkzeugkopfmotor freigibt.
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Als Ausführungsbeispiel eines Roboter-Werkzeugkopfes ist in Fig. 4
ein Polierkopf 10 dargestellt, der über eine Anschlußplatte 11 mit der Hand eines
nicht näher dargestellten Roboters fest verbunden ist. An der Anschlußplatte 11
sind zwei Tragsäulen 13 im Abstand zueinander angeordnet, an denen ein Lagerblock
14 über Druckfedern 15 abgefedert unter Zwischenschaltung von die Tragsäulen 13
umfassenden Kugelhülsen 16 gelagert ist. Dieser Lagerblock 14 ist gleichzeitig Träger
eines Antriebsmotors 17, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Hydromotor
ausgebildet ist. An einem aus dem Lagerblock 14 ausragenden Antriebswellenstumpf
18 ist eine Tragtrommel 19 befestigt, die auf ihrer Umfangsfläche Polierscheiben
20 trägt, die mittels eines Spanndeckels 21 an der Tragtrommel 19 festgelegt sind.
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Ein induktiver Wegaufnehmer 22 ist einerseits am Lagerblock 14 und
andererseits an der mit der Roboterhand 12 verbundenen Anschlußplatte 11 befestigt,
mit welchem die der Rückstellkraft proportionale Wegänderung bei Verschiebung des
Lagerblocks 14 in Längsrichtung der Tragsäulen 13 in einen Spannungsimpuls zur Eingabe
in die Steuereinheit umgewandelt wird.
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Um mit Sicherheit die senkrecht zur Werkstückoberfläche wirkende Normalkraft
erfassen zu können, ist an der Anschlußplatte 11 ein Neigungssensor 23 befestigt,
dessen Steuersignale ebenfalls der nicht dargestellten Rechner-Speicher-Einheit
des Roboters zugeführt werden.
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Um die Steuerdaten zum reproduzierbarer. Polieren von
gleichen
Werkstücken anfänglich in optimaler Weise ermitteln zu können, um diese in die Rechner-Speicher-Einheit
einzugeben, wird ein in den drei Achsenebenen X, Y und Z bewegbarer, aus den Fig.
1 bis 3 ersichtlicher Handsteuerhebel 24 benutzt. Dieser Handsteuerhebel 24 ist
in einem Gehäuse 25 untergebracht, an dessen Bodenplatte 26 über eine angeflanschte
Topfbüchse 27 und eine darin angeordnete Distanzhülse 28 ein Kardangelenk 29 mittels
einer Schraube 30 einerseits befestigt ist, wobei das Kardangelenk 29 andererseits
mit dem Schaft 31 des Handsteuerhebels 24 verbunden ist. Der schwenkbare Teil des
Kardangelenks 29 ist in den Kragen einer Taumelscheibe 32 eingebettet, die durch
eine in der Topfbüchse 27 geführte und von einer Druckfeder 33 beaufschlagte Druckbuchse
34 die X- und Y-Achsenebenen des Handsteuerhebels 24 in die Null-Lage rückführendbeaufschlagt
ist. Im Winkel von 90° zueinander sind am Gehäuse zwei von der Taumelscheibe 32
beaufschlagbare, induktive Wegaufnehmer 35 befestigt, die je nach Ausschlag mehr
oder weniger große Spannungswerte an die Rechner-Speicher-Einheit des Steuergerätes
weitergegeben. Durch die Anordnung der Wegaufnahme ist die Wirkung bezüglich X-
und Y-Achse entkoppelt. Auf den Wegaufnehmern 35 gegenüberliegenden Seiten sind
mit dem Gehäuse 25 über Halter 37 Druckmittelzylinder 36 fest verbunden, die bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Pneumatikzylinder ausgebildet sind, deren
Enden der Kolbenstangen 38 drehgelenkig an die Taumelscheibe 32 angeschlossen sind.
Die vorbeschriebenen Bauteile dienen der Steuerung des Roboter-Werkzeugkopfes in
der X- und Y-Achsenebene. Zur Steuerung der Z-Achsenebene ist der Handsteuerhebel
teleskopierbar, wobei in dieser Achsenebene zur Kraftrückführung ebenfalls ein,
beispielsweise pneumatischer, Druckmittelzylinder 39 eingesetzt ist, der einen Teil
des Schaftes 31 des
Handsteuerhebels 24 bildet und über einen Schraubansatz
40 unter Verklemmung der Tellerscheibe 32 fest mit dem beweglichen Teil des Kardangelenkes
29 verbunden ist. Das andere, ebenfalls einen Gewindezapfen 41 tragende Ende des
Druckmittelzylinders 39 ist unter Halterung einer Handstütze 42 mit einem Führungsrohr
43 verschraubt, in welches die Kolbenstange 44 des Druckmittelzylinders 39 einragt.
Diese Kolbenstange 44 ist mit einer Verlängerung 45 verschraubt, an deren freiem
Ende ein Kugelknopf 46 befestigt ist. Die Verlängerung 45 weist einen Kragen auf,
an welchem ein in eine Längsnut des Führungsrohres 43 eingreifender Führungsstift
47 befestigt ist.
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Die Längsnut dient der Verdrehsicherung des Kugelknopf es 46 bezüglich
seines Schaftes. Zur Null-Lagenrückstellung des Handsteuerhebels 24 in der Z-Achsenebene
dienen zwei Druckfedern 48 und 49, wobei die Druckfeder 48 einerends am Führungskragen
der Verlängerung 45 und andernends an einem oberseitigen Rücksprung des Führungsrohres
43 abgestützt ist, während sich die Druckfeder 49 einerends am Gewindezapfen 41
des Druckmittelzylinders 39 und andernends am Führungskragen der Verlängerung 45
abstützt. Zur Null-Lagenarretierung des Handsteuerhebels 24 in seiner Z-Achsenebene
dient eine im Führungsrohr 43 federbelastet angeordnete Rastkugel 50, die in eine
in der Verlängerung 45 angeordnete Rastrille 51 in Null-Lagenstellung eingreifen
kann.
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Am Gehäuse des Druckmittelzylinders 39 ist ein Klemmhalter 52 befestigt,
der seinerseits den der Z-Achsenebene zugehörigen Wegaufnehmer 53 haltert. Dieser
Wegaufnehmer ist mit seinem beweglichen Glied an einer Platte 54 gehaltert, die
ihrerseits fest mit dem Unterende eines Mantelrohres 55 verbunden ist,
welches
seinerseits in einer Aufnahmebohrung des Kugelknopfes 46 festgelegt ist. Bewegungen
des Kugelknopfes 46 in Ebene der Z-Achsenebene wirken sich somit auf den Druckmittelzylinder
39 und den Wegaufnehmer 53 aus.
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Es sei noch erwähnt, daß an der Anschlußplatte 11 einerseits und am
Lagerblock 14 des Polierkopfes 10 andererseits ein Schwingungsdämpfer 56 befestigt
ist, der die Aufgabe hat, eventuell entstehende Schwingungen auszugleichen, die
sich bei einer Unwucht des Schleifkopfes aufschaukeln könnten.
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Zur Robotersteuerung ist es der Bedienungsperson zunächst möglich,
den Bearbeitungsvorgang - in diesem Falle das Polieren eines langgestreckten Werkstückes
-von Hand mit der Möglichkeit abzufahren, drei räumliche Achsenebenen zu steuern,
wobei die Bewegungsrichtung des Handsteuerhebels 24 die entsprechenden Linearachsen
bzw. Drehachsen des Roboter-Werkzeugkopfes anspricht. Dabei lassen sich diese Achsen
einzeln und auch gleichzeitig steuern. Die Größe der Auslenkung des Handsteuerhebels
24 bestimmt die Verfahrgeschwindigkeit der angesprochenen Achsen. Durch die Sensorik
des Werkzeugkopfes 10 läßt sich auf den Handsteuerhebel 24 eine dreiachsige Kraftrückführung
ausüben, die bewirkt, daß die auf die Kraftmeßelemente der Steuerung wirkenden Kräfte
auf den Handsteuerhebel 24 übertragen werden.
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Wie sich unschwer aus den Zeichnungen und der obigen Anordnungsbeschreibung
entnehmen läßt, kann der Handsteuerhebel 24 um das Kardangelenk 29 bewegt werden,
wobei infolge der Kraftrückführung die Hauptachsen (+X/-X bzw. +Y/-Y) in der Bedienungshand
zu spüren
sind. Die bei diesem Bearbeitungsvorgang anfallenden
Daten lassen sich in die nicht dargestellte Rechner-Speicher-Einheit eingeben und
für reproduzierbare, automatisch ablaufende Bearbeitungsvorgänge des Roboters speichern.
Wenn auf den Handsteuerhebel 24 keine äußere Kraft mehr einwirkt, stellt sich dieser
infolge der Wirkung der Druckfeder 33 selbsttätig in seine Null-Lage zurück.
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Bei der Betätigung des Handsteuerhebels 24 in der Z-Achsenebene stützt
die Bedienungsperson ihren Handballen auf der Handstütze 42 ab, welche eine Bewegung
in den X- und Y-Achsenebenen mitmacht und wobei relativ zur Handstütze 42 eine Hubbewegung
des Handsteuerhebels 24 erfolgen kann. Die Rückführkräfte werden in den einzelnen
Achsenebenen durch zugehörige doppelt wirkende Druckmittelzylinder 36 bzw. 39 bewirkt.
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Diese Rückführkraft wird im Falle der Betätigung des Handsteuerhebels
24 in X- und Y-Achsenebene über die Taumelscheibe 32 achsentkoppelt in die X- und
Y-Achsenebene eingeleitet, während die Rückführkraft in Z-Achsenebene unmittelbar
über den Druckmittelzylinder 39 auf den Kugelknopf 46 übertragen wird.
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Die Auslenkungen des Handsteuerhebels 24 in den drei genannten Achsenebenen
werden über lineare Wegaufnehmer 35 bzw. 53 nach dem Differentialdrossel-Prinzip
in drei analoge elektrische Ausgangssignale von + 10 Volt umgesetzt. Die Kräfte,
die auf den Handsteuerhebel 24 rückwirken, werden durch drei analoge elektrische
Eingangssignale von + 10 Volt vorgegeben. Die Spannungen treiben über eine Verstärkerschaltung
drei Paare von pneumatischen Proportionalventilen, wobei es vom Vorzeichen der drei
Spannungen abhängt, welche Seite des jeweiligen doppelt wirkenden Druckmittelzylinders
mit
den spannungsproportionalen Drücken beaufschlagt wird.
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Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei dem Roboter mit einem Polierkopf
lediglich um ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, die keinesfalls allein darauf
beschränkt ist. So ist die Verwendung der vorbeschriebenen Steuerung bei vielerlei
Bearbeitungsrobotern denkbar.
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Kennwort: Kraftrückführungs-Joystick Bezugszeichenliste: 10 Werkzeugkopf/Polierkopf
34 Druckbuchse 11 Anschlußplatte 35 Wegaufnehmer 12 Roboterhand 36 Druckmittelzylinder
13 Tragsäule 37 Halter 14 Lagerblock 38 Kolbenstange 15 Druckfeder 39 Druckmittelzylinder
16 Kugelhülse 40 Schraubansatz 17 Antriebsmotor 41 Gewindezapfen 18 Antriebswellenstumpf
42 Handstütze 19 Tragtrommel 43 Führungsrohr 20 Polierscheibe 44 Kolbenstange 21
Spanndeckel 45 Verlängerung 22 Wegaufnehmer 46 Kugelknopf 23 Neigungssensor 47 Führungsstift
24 Handsteuerhebel 48 Druckfeder 25 Gehäuse 49 Druckfeder 26 Bodenplatte 50 Rastkugel
27 Topfbüchse 51 Rastrille 28 Distanzhülse/Haltelager 52 Klemmhalter 29 Kardangelenk
53 Wegaufnehmer 30 Schraube 54 Platte 31 Schaft 55 Mantelrohr 32 Taumelscheibe 56
Schwingungsdämpfer 33 Druckfeder