DE3605616A1 - Antriebseinrichtung fuer einen insbesondere zur aufnahme des greifwerkzeuges eines roboters geeigneten abtriebsflansch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Antriebseinrichtungen sind insbesondere bei Por­ tal-Robotern üblich. Denn gerade bei diesen Robotern müssen die Antriebsmotoren des in einem Trägerkopf, der sogenannten Roboter-Handachse, gelagerten Abtriebsflansches zur Erziel­ ung einer möglichst kleinen Baugröße des Trägerkopfes rela­ tiv weit von diesem Trägerkopf entfernt am oberen Ende des Portals untergebracht sein. Die kompakte Bauweise ist erfor­ derlich, um für das an dem Trägerkopf angelenkte Greifwerk­ zeug, die sogenannte Roboterfaust, eine auch bei kleinem Manövrierraum noch freie Beweglichkeit zu gewährleisten.

Bei den bekannten Ausführungen solcher Roboter-Handachsen- Antriebe werden die Kräfte zur Verdrehung des Trägerkopfes einerseits und der Abtriebswelle andererseits von entfernt auf einer gegenüber den genannten Drehbewegungen orts­ festen Haltevorrichtung liegenden Antrieben über konzen­ trisch ineinander liegende Wellen übertragen, wobei zumin­ dest die Kraftumlenkung in die zur Trägerkopfachse B ge­ neigte Achse A der Abtriebswelle über Kegelzahnräder er­ folgt.

Die Verwendung von Kegelzahnrädern erfordert allerdings grundsätzlich eine untereinander verknüpfte Steuerung der Antriebe, da die beiden Drehbewegungen nicht unabhängig von­ einander erzeugbar sind. Dadurch ist stets eine Nachregelung für das Teil (Trägerkopf oder Abtriebswelle) erforderlich, dessen Lage gerade nicht verändert werden soll. Die hier­ zu notwendige Steuerungsverknüpfung läßt sich in der Regel nur durch EDV-Anwendung (NC-Steuerung) erreichen und ist damit kostenaufwendig.

Im übrigen läßt sich das Erfordernis einer möglichst spiel­ freien Kraftübertragung bei Kegelzahnradgetrieben nicht einfach und vor allem nicht ohne Inkaufnahme anderer Nach­ teile erfüllen.

Bei der Übertragung von Drehmomenten neigen lange Wellen ferner leicht zu Torsion bzw.Torsionsschwingungen. Selbst­ verständlich läßt sich das Torsionsverhalten von Wellen durch eine stabile torsionssteife Gestaltung der Wellen positiv beeinflussen. Der Nachteil besteht jedoch in einem daraus resultierenden hohen Gewicht der so verstärkten Teile. Eine andere Abhilfemaßnahme besteht darin, das zu übertragende Drehmoment in der von dem Antriebsmotor aus­ gehenden an die Abtriebswelle führenden Welle durch an den Antriebsort der Abtriebswelle verlegte Drehmomentunter­ setzung gering zu halten. Dies bedingt aber wiederum im Durchmesser große und damit das Bauvolumen des Träger­ kopfes unerwünscht erhöhende Kegelzahnräder auf der Ab­ triebswelle.

Kegelzahnräder haben in bezug auf die Einhaltung einer hohen Spielgenauigkeit weiterhin den Nachteil, daß sie bei sich einstellender Abnutzung nicht einfach zu Erreichung einer Spielverringerung nachstellbar sind. Auch lassen die Zahnflanken von Kegelzahnrädern sich mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand in der Regel nicht gehärtet bearbei­ ten, wodurch sie noch relativ schnell verschleißen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun­ de, eine gattungsgemäße Antriebseinrichtung zu schaffen, mit der bei geringer Baugröße des Trägerkopfes sowie ein­ facher Gestaltung der Antriebs- und Kraftübertragungsmit­ tel eine hohe Spielgenauigkeit innerhalb der zur Kraft­ übertragung erforderlichen Getriebeteile erzielbar ist. Die Spielgenauigkeit soll darüber hinaus auch während des Roboterbetriebes noch laufend ohne erforderliche Demon­ tagearbeiten auf einfache Weise nachjustierbar sein. Außer­ dem soll der Trägerkopf so ausgestaltet sein, daß zu dem Greifwerkzeug an den Abtriebsflansch führende elektrische, hydraulische oder pneumatische Versorgungsleitungen von der gegenüber den Drehbewegungen des Trägerkopfes und der Ab­ triebswelle ortsfesten Haltevorrichtung durch den Träger­ kopf hindurch geführt werden können. Dadurch lassen sich diese Versorgungsleitungen gut gegen Beschädigungen durch Außeneinflüsse schützen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ausbildung der An­ triebseinrichtung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Besonders zweckmäßig ist es, die Zahnstange in Richtung der Achse B verschiebbar zu lagern.

Ein wichtiger Vorteil bei der Übertragung der Antriebs­ kraft durch eine Zahnstange und ein Ritzel besteht darin, daß an beiden Teilen eine leicht und äußerst genau her­ stellbare Geradverzahnung realisierbar ist. Vor allem be­ reitet es keine Schwierigkeiten, gehärtete Zahnflanken zu bearbeiten.

Ferner kann die auf die Abtriebswelle zu übertragende An­ triebskraft geradlinig in Achsrichtung der von dem Antriebs­ motor ausgehenden Welle übertragen werden, wodurch festig­ keitsmäßig geringe Wellendurchmesser ausreichen.

Die Verwendung einer Zahnstange bei der Einleitung der Antriebskraft auf die Abtriebswelle erlaubt zudem eine Nachjustierbarkeit einer sich im Betrieb durch Abnutzung einstellenden Spielvergrößerung. Das erforderliche Mittel hierzu gibt der Unteranspruch 3 an.

Mit dem Antriebsmotor für die Abtriebswelle ist die Zahn­ stange bei einer vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend Anspruch 4 dadurch verbunden, daß sie drehbar in einem an dem Antriebsmotor angreifenden Stößel gelagert ist. Bei dieser Ausführung sind die Antriebe für die Drehbewegung des Trägerkopfes einerseits und der Abtriebswelle anderer­ seits vollständig entkoppelt, d.h. die beiden Teile können ohne gegenseitige Beeinflussung getrennt voneinander ver­ stellt werden. Die axiale Verstellung des Stößels kann über einen Antriebsmotor erfolgen, der die Antriebskraft über ein Ritzel auf eine zahnstangenförmige Ausbildung des frei­ en Endes des Stößels überträgt. Es ist aber auch die Ver­ wendung eines translatorisch arbeitenden Motors, wie z.B. eines Hydraulikmotors, möglich.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist eine Entkopp­ lung der Antriebsmotoren nicht gegeben. Aber die gute Be­ arbeitbarkeit sowie Nachjustierbarkeit des Ritzel-Zahn­ stangen-Eingriffes ist auch bei dieser Ausführungsform in gleicher Weise möglich.

Das Spiel zwischen Spindel und Gegenprofil der Zahnstange wird durch die Maßnahme nach Anspruch 7 bleibend gering gehalten.

Durch den Kugelrollspindelantrieb bleiben die Reibung und der Verschleiß bei der Kraftübertragung gering.

Die Maßnahmen nach Anspruch 8 und 9 ermöglichen eine störungsun­ anfällige Verlegung der zu dem Greifwerkzeug (Roboterfaust) führenden Versorgungsleitungen.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Portal- Roboters mit einer Antriebseinrichtung nach der Ausführung in Fig. 2 und 3 Fig. 2 eine erste Ausführung einer Antriebseinricht­ ung mit frei drehbar gelagerter Zahnstange in einem Längsschnitt nach Linie II-II in Fig. 3 Fig. 3 eine Ansicht der Antriebseinrichtung nach Fig. 2 teilweise im Schnitt nach Linie III-III und mit im unteren Bereich teilweise aufgebrochenem Gehäuse Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine alternative Ausführungsform der Antriebseinrichtung mit einer an einen Kugelrollspindelantrieb ange­ lenkten Zahnstange Fig. 5 eine Ansicht der Ausführungsform der Antriebs­ einrichtung nach Fig. 4 teilweise im Schnitt nach Linie V-V und mit im unteren Bereich auf­ gebrochenem Gehäuse Bei einem Portal-Roboter nach Fig. 1 ist der Trägerkopf 1 (Handachse) über eine Haltevorrichtung 2 an einem Kreuz­ schlitten verschiebbar angeordnet und über Lager 3 drehbar um eine Achse B gelagert. Um eine senkrecht zu der Achse B verlaufende Achse A ist ein mit einer über Lager 13 in dem Trägerkopf 1 geführten Abtriebswelle 4 fest verbundener Abtriebsflansch 5 drehbar. Auf der Abtriebswelle 4 ist im Kreuzungsbereich der Achsen A und B ein Ritzel 6 fixiert, das in die Flanken einer in Richtung der Achse B ausgerich­ teten Zahnstange 7 eingreift.

Bei der Ausführung der Antriebseinrichtung nach den Fig. 2 und 3 umgreift die Zahnstange 7 einen Stößel 8, an dessen einem Ende sie drehbar um dessen Achse gelagert ist. An sei­ nem anderen als Zahnstange 9 ausgebildeten Ende greift der Stößel 8 an einen mit der Haltevorrichtung 2 fest verbun­ denen Antriebsmotor 10 an, der den Stößel in Richtung der Achse B verschieben kann. Gelagert ist die Zahnstange in Richtung der Achse A in Lagern 11, die längs der Achse B ober- und unterhalb der Achse A angeordnet sind und zur Seitenführung der Zahnstange 7 dienen. In der senkrecht zu dieser Seitenführung liegenden Ebene erfolgt die Führung durch eine parallel zur Achse A gelagerte Führungsrolle 12, die in Richtung auf die Achse A hin verstellbar ist. Hierzu dient ein im einzeln nicht näher dargestellter Verstell­ mechanismus.

Die Drehung des Trägerkopfes 1 um die Achse B bewirkt ein auf der Haltevorrichtung fest montierter Antriebsmotor 14, dessen Antriebskraft über eine ebenfalls in der Haltevor­ richtung 2 geführte Antriebswelle 15 und ein damit fest ver­ bundenes Zahnrad 16 auf ein an dem Trägerkopf 1 fixiertes Zahnrad 17 übertragen wird. An den Zahnrädern 16, 17 erfolgt eine Untersetzung bezüglich des von dem Antriebsmotor 14 ausgehenden Antriebsdrehmomentes.

Die Drehung des Abtriebsflansches 5 wird bei dieser Aus­ führungsart durch rein translatorische Übertragung der von dem Antriebsmotor 10 ausgehenden Kraft auf die Abtriebs­ welle 4 erreicht. Dadurch kann die für die Drehung des Ab­ triebsflansches 5 erforderliche Antriebskraft dremoment­ frei an die Abtriebswelle 4 herangeführt werden. Dies bedeu­ tet wiederum, daß die sich in Richtung der Achse B über einen relativ langen Weg erstreckenden Kraftübertragungs­ mittel bei der Forderung nach hoher Stellgenauigkeit kom­ pakter ausgebildet werden können als solche, bei denen Dreh­ momente übertragen werden müssen. Denn zur Drehmomentüber­ tragung sind verwindungssteife und damit große Querschnitte aufweisende Übertragungsmittel für spielarme Verstellung erforderlich.

Bei der Ausführung der Antriebseinrichtung nach den Fig. 4 und 5 ist die Zahnstange 7 an einen Kugelrollspindelantrieb angelenkt. Dabei greift eine in der Achse B ausgerichtete Drehspindel 18 in die Zahnstange 7 ein. Diese Drehspindel 18 ist in dem Trägerkopf 1 in den Lagern 19 und 20 gelagert und wird von dem Antriebsmotor 21 angetrieben. Die zur Ver­ schiebung der Zahnstange erforderliche Kraft wird von der Drehspindel 18 über eine fest mit der Zahnstange 7 verbun­ dene Spindelmutter 22 übertragen. An dem von der Spindel­ mutter 22 entfernten Ende der Zahnstange 7 stützt sich die Zahnstange 7 über ein Radiallager 32 an der Drehspindel 18 ab. Um eine Beeinflussung der Positioniergenauigkeit beim Verdrehen des Abtriebsflansches 5 durch Spielungenauig­ keiten bei der Kraftübertragung von der Drehspindel 18 über die Spindelmutter 22 auf die Zahnstange 7 auszuschließen, greift noch eine zweite Spindelmutter 23 an der Drehspin­ del 18 an, die mit der ersten Spindelmutter 22 über eine lediglich in Richtung der B Achse wirkende Feder 24 ver­ bunden ist. Die Drehspindel 18 ist zusammen mit den beiden Spindelmuttern 22, 23 in an sich bekannter Weise nach dem Kugelrollspindelprinziep ausgebildet, d.h. die Kraftüber­ tragung zwischen Drehspindel 18 und Spindelmuttern 22, 23 erfolgt über zwischen diesen gelagerte Kugeln. Diese Kugeln sorgen für einen äußerst reibungsarmen Kraftübertritt.

Die über die Feder 24 erzielte kraftschlüssige Verbindung der beiden Spindelmuttern 22, 23 bewirkt, daß zumindest bei Beginn und Ende eines durch Verschieben der Zahnstange 7 bewirkten Positioniervorganges die Kugeln der ersten Spin­ delmutter 22 stets an der gleichen Gangflanke der Drehspin­ del 18 anliegen. Zu diesem Zweck muß die Federkraft der Feder 24 mindestens so groß ausgelegt sein, daß diese ge­ forderte Lage der ersten Spindelmutter 22 zumindest bei Beginn und Ende der Positionierung des Abtriebsflansches 5 um die A-Achse gewährleistet ist.

Da bei der Ausführung der Antriebseinrichtung nach den zu­ letzt beschriebenen Fig. 4 und 5 die Antriebe für die Dreh­ bewegungen um die Achsen A und B nicht entkoppelt sind, müssen diese an eine NC-Steuerung angeschlossen sein, um Positionierungen in einer der beiden Achsen A und B in der betreffenden anderen Achse entgegenzusteuern. Der Antrieb der Zahnstange 7 über eine Rollspindel hat gegenüber dem Stößel-Antrieb, bei dem die Positionierungen um die beiden Achsen A und B entkoppelt ist, den Vorteil einer reibungs­ ärmeren und spielgenaueren Kraftübertragung.

Das bei den beschriebenen Portal-Robotern an dem Abtriebs­ flansch 5 des als Roboter-Handachse dienenden Trägerkopfes 1 anzubringende nicht dargestellte Greifwerkzeug wird üblicher­ weise als Roboter-Faust bezeichnet.

Energieübertragende Medien, wie beispielsweise elektrischer Strom oder Hydraulikflüssigkeit können bei beiden der vor­ stehend beschriebenen Ausführungsformen der Antriebsein­ richtung wie folgt von der Haltevorrichtung 2 durch den Trägerkopf 1 hindurch an den Abtriebsflansch 5 geführt wer­ den. Die Versorgungsleitungen 25 werden in einen fest an der Haltevorrichtung 2 koaxial zur Achse B montierten Stator 26 geführt. Ist das eingeführte Medium Strom, so wird dieser über nicht dargestellte Schleifkontakte zu einem fest mit dem Trägerkopf 1 verbundenen Rotor 27 geführt. Aus diesem leiten das energieübertragende Medium Leitungen 28 zu einem weiteren diesmal an dem Trägerkopf 1 koaxial zur Achse A festgelegten Stator 29, der einen auf die Abtriebswelle 4 aufgebrachten Rotor 30 umfaßt. Der Medienübertritt von Stator 29 zum Rotor 30 erfolgt wie bei der Stator/Rotor 26/27- Anordnung. Von dem Rotor 30 führen Leitungen 31 durch die Ab­ triebwelle 4, die als Hohlwelle ausgebildet ist, zu dem Ab­ triebsflansch 5. Ist das energieführende Medium Hydraulik­ flüssigkeit, so sind zwischen den Statoren und Rotoren je­ weils gegeneinander und nach außen gedichtete Ringkanäle vorgesehen.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Zahnstangenantriebs für die Abtriebswelle 4 erlaubt einen in der Praxis äußerst geschützten Verlauf der in den Abtriebsflansch 5 führenden Energieversorgungsleitungen.

Claims (9)

1. Antriebseinrichtung für einen insbesondere zur Aufnahme des Greifwerkzeuges eines Roboters geeigneten Abtriebs­ flansch, der fest mit einer um eine erste Achse A dreh­ baren Abtriebswelle verbunden ist, die in einem um eine zweite zur ersten Achse A geneigte Achse B drehbaren Trägerkopf gelagert ist, der wiederum an einer bei Dreh­ ung der Abtriebswelle und/oder des Trägerkopfes ortsfest verbleibenden Haltevorrichtung angelenkt ist, an der für die Erzeugung der Drehbewegung um jede der beiden Achsen A und B zwei getrennt steuerbare Antriebe fest montiert sind, von denen aus die erforderlichen Antriebskräfte über ausschließlich in sich starre Kraftübertragungs­ mittel auf die Abtriebswelle in Achse A bzw. den Träger­ kopf in Achse B übertragbar sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die fest mit dem Ab­ triebsflansch (5) verbundene Abtriebswelle (4) mit einem gegenüber der Abtriebswelle (4) unbeweglichen Ritzel (6) versehen ist, das von einer durch einen Antriebsmotor (10) längsverschiebbaren innerhalb des Trägerkopfes (1) ver­ drehfrei gelagerten Zahnstange (7) antreibbar ist.

2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zahnstange (7) in Richtung der Achse B verschiebbar ist.

3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Spiels zwischen den Zahnflanken des Ritzels (6) und denjenigen der Zahnstange (7) durch ein in dem Trägerkopf (1) ge­ lagertes an der dem Ritzel (6) abgewandten Seite der Zahn­ stange (7) angreifendes Führungselement (Führungsrolle 12) einstellbar ist, das in einer durch die Achse A und die Ein­ griffslinie der ineinandergreifenden Zahnflanken aufge­ spannten Ebene im Bereich der diese Ebene kreuzenden Achse B senkrecht zur Achse A verschiebbar ist.

4. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß an die Zahnstange (7) ein in Richtung der Achse B ver­ schiebbarer Stößel drehbar angelenkt ist.

5. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnstange (7) an einen Kugelrollspindelantrieb angelenkt ist.

6. Antriebseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehspindel (18) des Kugelrollspindelantriebs in der Achse B gelagert und von einer ersten Spindelmutter (22) umschlossen ist, die fest mit der Zahnstange (7) verbunden ist.

7. Antriebseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an der Drehspindel (18) eine zweite Spindelmutter (23) angreift, die über eine in Richtung der Achse B wirkende Feder (24) kraftschlüssig mit der ersten Spindelmutter (22) bzw. der Zahnstange (7) verbunden ist.

8. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkopf (1) einen die Achse B konzentrisch umgreifenden ersten Ringabschnitt (Rotor 27) aufweist, der in einem oder um einen zweiten Ringabschnitt (Stator 26) einer den Trä­ gerkopf (1) aufnehmenden Haltevorrichtung (2) so angeord­ net ist, daß über Schleifkontakte elektrischer Strom oder durch fluchtende im Ringspalt zwischen den beiden Ring­ abschnitten gedichtete Steuerkanäle flüssige oder gas­ förmige Medienströme übertragbar sind.

9. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkopf (1) einen die Achse A konzentrisch umgreifenden ersten Ringabschnitt (Stator 29) aufweist, der um einen zweiten fest mit der Abtriebswelle (4) ver­ bundenen Ringabschnitt (Rotor 30) so angeordnet ist, daß über Schleifkontakte elektrischer Strom oder durch fluch­ tende im Ringspalt zwischen den beiden Ringabschnitten gedichtete Steuerkanäle flüssige oder gasförmige Medien durch die Abtriebswelle (4) hindurch zum Abtriebsflansch (5) übertragbar sind