DE3621716A1 - Roboterhandgelenk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Roboterhandgelenk gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1, welches insbesondere zur Be- oder Verarbeitung von Material mittels eines Laserstrahls ver­ wendbar ist. Ein solches Roboterhandgelenk ist bekannt aus der GB-A-21 47 877. Es zeichnet sich durch ein großes Ein­ stellvermögen (Orientierungsvermögen) aus.

Bei der Benutzung eines Roboters mit einem Handgelenk gemäß der GB-A-21 47 877 zur Ausrichtung einer Laserdüse ist es bisher jedoch nicht möglich gewesen, das Einstellvermögen des Handgelenks voll auszunutzen, da der Roboterarm in be­ stimmten Stellungen, die er einnehmen kann, den Strahlenpfad zur Laserdüse verdeckt.

Robotergesteuerte Laserbearbeitung ist bereits aus der GB-A- 21 34 071 bekannt. Um zu verhindern, daß der Roboterarm den zur Düse geleiteten Laserstrahl behindert, wird in der ge­ nannten Druckschrift die Laserdüse von einem speziellen hoh­ len Arm getragen, in welchem eine Anzahl von Spiegeln ein­ fallende Strahlen rechtwinklig reflektieren. Dieser Arm ist so angeordnet, daß er synchron von dem Roboterarm bewegt wird. Ein spezielles Handgelenk, welches die Laserdüse trägt, ist an dem Arm befestigt, welcher synchron durch den Roboterarm gesteuert wird. Der zusätzliche Arm hat keine Funktion, wenn der Roboter für andere Zwecke als Laserbear­ beitung eingesetzt wird. Er vergrößert den erforderlichen Raumbedarf und die Kosten des Roboters und kompliziert des­ sen Herstellung. Abgesehen von den durch einen zusätzlichen Arm bedingten vorgenannten Nachteilen hat die bekannte Kon­ struktion den weiteren Nachteil, daß eine große Anzahl von Spiegeln verwendet wird, und zwar sowohl in dem Umlenkungs­ punkt des Laserstrahls von seiner Quelle zu dem Handgelenk als auch auf dem Weg von dem speziellen Handgelenk zu der Laserdüse. Die große Anzahl der Spiegel hat einen beträcht­ lichen Verlust an Strahlungsenergie zur Folge auf dem Über­ tragungsweg des Laserstrahls von der Laserquelle zur Laser­ düse.

Die GB-A-21 20 202 zeigt einen anderen Robotertyp, der zur Laserbearbeitung verwendet werden kann. Hier wird zum Tragen der Laserdüse ein Handgelenk verwendet, welches drehbar und axial verschiebbar von einer vertikalen Welle getragen wird. Diese Welle wird von einem in horizontaler Richtung ver­ schiebbaren Wagen getragen, der seinerseits von einem weite­ ren Wagen getragen wird, der in einer horizontalen Richtung verschiebbar ist, die senkrecht zu der Verschiebungsrichtung des ersten Wagens verläuft. Zusätzlich zu der oben erwähnten Drehbarkeit um die Vertikale kann das Handgelenk auch um eine horizontale Achse gedreht werden. Auch bei dieser Kon­ struktion wird der Laserstrahl mittels Spiegel rechtwinklig von der Laserstrahlquelle zu der Laserdüse umgelenkt. Diese bekannte Umlenkanordnung hat den Nachteil, daß die Drehbewe­ gung des Handgelenks auf etwa 180° begrenzt ist, damit der Laserstrahl nicht behindert wird. Ein separater Schutzkanal aus Balgen umgibt den Laserstrahl von der Quelle bis zur Düse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Roboterhandge­ lenk der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei welchem mit relativ geringem Aufwand der Lichtstrahl zur Lichtdüse geleitet wird und dessen Einstellvermögen bei der Bearbei­ tung mittels des Lichtstrahl voll ausgenutzt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Roboterhandgelenk gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches er­ findungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Ansprüchen genannt.

Durch die Erfindung werden die oben genannten Nachteile bei der Verwendung eines Industrieroboters für die Laserbearbei­ tung beseitigt. Die Anordnung der Spiegel im Handgelenk be­ einträchtigt nicht die Ausnutzbarkeit des vollen Einstell­ vermögens des Roboterhandgelenks, und zugleich ist wegen der geringen Anzahl der Spiegel der Verlust an Strahlungsenergie klein. Durch die Benutzung des hohlen Roboterarms entfällt die Notwendigkeit einer besonderen Schutzgasleitung um den Laserstrahl.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dient der hohle Roboterarm und das Handgelenk als Kanal für das Schutzgas, welches gewöhnlich während der Laserbearbei­ tung verwendet.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines computergesteuerten Indu­ strieroboters,

Fig. 2 und 3 je einen Querschnitt durch ein Handgelenk gemäß der Erfindung, wobei das Handgelenk so einge­ stellt ist, daß die äußerste Achse G-G des Handge­ lenks mit der Achse des Außenarms des Roboters in Fig. 2 zusammenfällt und in Fig. 3 den größtmögli­ chen Winkel bildet,

Fig. 4 eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt des dritten Handgelenkteils mit einer weggeschnittenen Seitenwand und einer an dem Handgelenk befestigten Laserdüse gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Industrieroboter mit sechs Achsen. Auf der Grundplatte 2 ist ein Ständer 3 drehbar um die Achse A-A angeordnet. An diesem Ständer ist ein innerer Roboterarm 4 um die Achse B drehbar befestigt. Der Roboter enthält auch einen Außenarm 5, der mit seinem inneren Ende um die Achse C drehbar am Innenarm 4 befestigt ist. Der Ständer 3 wird mittels nicht dargestellter Antriebsvorrich­ tungen betätigt, die im Inneren der Grundplatte 2 angeordnet sind. Der Innenarm 4 wird von einer Antriebsvorrichtung 6 betätigt, und der Außenarm 5 wird von einer Antriebsvorrich­ tung 7 betätigt, deren größter Teil in der Fig. 1 von der Antriebsvorrichtung 6 verdeckt wird. Eine Antriebsvorrich­ tung 8 zum Antrieb eines Handgelenks 10 und eine Laser­ strahlquelle 9 sind in der Verlängerung des inneren Teils des Arms 5 angeordnet.

Das Handgelenk 10 ist aus drei hintereinander angeordneten Tei­ len 11, 12, 13 aufgebaut, die gegeneinander drehbar sind. Das erste Teil 11 ist um die Achse D-D drehbar, das zweite Teil 12 ist um die Achse E-E drehbar und das dritte Teil 13 ist um die Achse F-F drehbar. Das gesamte Handgelenk bildet eine leicht austauschbare Einheit, da das erste Teil 11 mit einer rohrförmigen Antriebswelle 15 verbunden werden kann, die im Roboterarm 5 gelagert ist.

Zum Teil 11 des Handgelenks gehört eine rohrförmige Hülse 111, die an einem Ende senkrecht zur Achse D-D abgeschnitten ist, und einen Gewindeabschnitt 112 hat, mit welchem das Teil 11 mit der Antriebswelle 15 mit Hilfe eines Gewinderin­ ges 113 verbunden werden kann. An seinem anderen Ende ist das Teil 11 schräg abgeschnitten unter einem spitzen Winkel α mit einer Achse senkrecht zur Achse D-D. Hieraus folgt, daß die zum abgeschnittenen Ende senkreckte Achse E-E einen gleich großen Winkel α mit der Achse D-D bildet.

Ein Spiegel S 1 ist an der Wand des Teils 11 befestigt, und im Zentrum des schräg abgeschnittenen Endes der Hülse pla­ ziert. Dieser Spiegel S 1 soll einen Laserstrahl längs der Achse E-E reflektieren, der längs des Zentrums des äußeren Roboterarms 5 einfällt und koaxial mit der Achse D-D ver­ läuft. Daher bildet die Oberfläche des ebenen Spiegels einen Winkel α/2 mit der Achse D-D.

Das zweite Teil 12 des Handgelenks 10 enthält eine rohrför­ mige Hülse 121, die an beiden Enden schräg abgeschnitten ist. Die abgeschnittenen Enden konvergieren miteinander und ihre Verlängerungen schneiden sich unter einem spitzen Win­ kel, der gleich 2 α ist. Der Querschnitt der rohrförmigen Hülse 121 hat daher in einer Ebene, in der sowohl die Längsachse der rohrförmigen Hülse 121 als auch das kürzeste und längste Teil der Hülse liegen, die Form des unteren Teils eines gleichschenkligen Dreiecks, das parallel zur Hy­ pothenuse abgeschnitten ist und einen Spitzenwinkel von 2 α hat. Im Mittelpunkt dieser Hypothenuse ist ein Spiegel S 2 senkrecht zur Fläche des abgeschnittenen Dreiecks angeord­ net, in welcher auch die Drehachse E-E der rohrförmigen Hülse 121 liegt.

Der vom Spiegel S 1 reflektierte Laserstrahl, der längs der Drehachse E-E verläuft, fällt folglich unter einen Winkel α im Zentrum des Spiegels S 2 ein, was anhand der Fig. 2 leicht erkennbar ist, und von dem Spiegel S 2 wird der Laser­ strahl längs der Achse F-F reflektiert, was eine Folge der symmetrischen Konstruktion der rohrförmigen Hülse 121 ist. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß beim Dre­ hen des zweiten Handgelenkteils 12 der Mittelpunkt des Spie­ gels S 2 stationär bleibt, da dieser Punkt in der Drehachse E-E des Teils 12 liegt. Dieser Punkt liegt zugleich in der Achse F-F, die durch den Mittelpunkt desjenigen Endes des Handgelenkteils 12 verläuft, welches am weitesten von dem Handgelenkteil 11 entfernt liegt, senkrecht zu einer Ebene, in der dieses Ende liegt.

In der gleichen Weise wie die Handgelenkteile 11 und 12 ent­ hält das Handgelenkteil 13 eine rohrförmige Hülse 131. Das­ jenige Ende der rohrförmigen Hülse, welches dem Teil 12 ge­ genüberliegt, ist unter einem Winkel α mit einer Linie senk­ recht zur Längsachse G-G der Hülse 131 schräg abgeschnitten. Das andere Ende der Hülse 131 ist senkrecht zur Längsachse G-G der Hülse abgeschnitten. Dieses zweite Ende enthält eine Werkzeugbefestigungsvorrichtung 136 (siehe Fig. 4), die im gezeigten Ausführungsbeispiel zur Befestigung einer Laser­ düse verwendet wird und die drehbar um die Längsachse G-G ist. Im Zentrum des schräg abgeschnittenen Endes ist ein Spiegel S 3 angeordnet, welcher an der Wand des Handgelenk­ teils 13 befestigt ist. Dieser Spiegel soll einen Laser­ strahl längs der Achse G-G reflektieren, welcher längs der Achse F-F einfällt. Da die Achsen F-F und G-G sich stets un­ ter einem Winkel α schneiden, bildet der ebene Spiegel S 3 mit der Achse G-G einen Neigungswinkel von α/2.

Der Drehantrieb der drei Teile des Handgelenks bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung, und für das Verständnis der Erfindung ist es ausreichend zu wissen, daß diese drei Teile aus der in Fig. 2 gezeigten Stellung bis in die in Fig. 3 gezeigte Stellung gegeneinander gedreht werden können. Im übrigen ist eine detaillierte Beschreibung dieses Drehan­ triebs in der oben genannten GB-A-21 47 877 enthalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Werkzeugbefe­ stigungsvorrichtung 136 durch einen Motor M gedreht, der im Handgelenkteil 13 angeordnet ist und der die Eingangswelle eines Getriebes 133 über einen Riemen 132 antreibt. Die mit Zähnen versehene Ausgangswelle des Getriebes 131 treibt ein Zahnrad 134 an. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hinge­ wiesen, daß diese Teile nicht den Pfad des Laserstrahls be­ hindern dürfen. Das Getriebe 133 und das Zahnrad 134 sind daher nicht im Zentrum der rohrförmigen Hülse 131 angeord­ net, sondern soweit vom Zentrumsbereich nach außen verlegt, daß das Zahnrad 134 nicht mit dem Strahlenpfad kollidiert. Der Riemen 132 ist daher nach unten und nach auswärts von der Ausgangswelle des Motors gerichtet. Eine Welle, die fest mit dem Zahnrad 134 verbunden ist, bildet die Eingangswelle zu einem weiteren Getriebe 135, deren gezahnte Ausgangswelle in Eingriff mit einem Außenzahnkranz der Werkzeugbefesti­ gungsvorrichtung 136 steht. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist die Ausgangswelle des Motors M in antreibender Weise mit ei­ nem weiteren Riemen 137 verbunden, welcher schräg nach innen gerichtet ist, weg von der Mittenebene der rohrförmigen Hülse zu einem nicht dargestellten Steuerglied, welches ein Signal, das dem Drehwinkel der Werkzeugbefestigungsvorrich­ tung 136 entspricht, an den Steuerkreis eines computerge­ steuerten Roboters liefert. Es sind natürlich auch andere Ausführungsformen des Drehantriebes für die Werkzeugbefesti­ gungsvorrichtung als das oben beschriebene möglich, und die gezeigte Ausführungsform ist nur als ein nicht beschränken­ des Beispiel zu betrachten.

Fig. 4 zeigt auch eine bevorzugte Ausführungsform einer La­ serdüse 20. Um das Orientierungsvermögen des Roboters weiter zu vergrößern, ist das Ausgangsteil der Düse gegenüber der Längsachse G-G der rohrförmigen Hülse abgewinkelt. Aus die­ sem Grunde enthält die Düse einen Spiegel S 4, welcher den Laserstrahl, der längs der Achse G-G einfällt, längs der Austrittsachse der Düse reflektiert. Senkrecht zur Austritt­ sachse der Düse ist eine Linse 201 angeordnet, welche eine solche Brennweite hat, daß der einfallende Laserstrahl in einer geeigneten Entfernung außerhalb der Austrittsöffnung der Düse fokussiert wird. Diese Linse wird von einer Quer­ wand 202 getragen, die auch eine Öffnung 203 hat. Diese Öff­ nung 203 ist für den Durchtritt eines Schutzgases, Sauer­ stoff oder ein inertes Gas, bestimmt, welches durch den hoh­ len Roboterarm und das Handgelenk strömt und durch die Aus­ trittsöffnung der Düse austritt. Das Handgelenk 10 kann auch mit einer geraden Düse benutzt werden, in welchem Falle der Spiegel S 4 entfällt.

Nach abgeschlossener Laserverarbeitung können die Spiegel, falls erforderlich, gesäubert werden, indem eine geeignete Reinigungsflüssigkeit durch den Roboterarm, das Handgelenk und die Laserdüse gespült wird.

Durch die Erfindung kann somit ein Industrieroboter geschaf­ fen werden, der allein durch Hinzufügung einer Laserstrahl­ quelle, die in geeigneter Weise in der Verlängerung des Außenarms 5 angeordnet ist, und einer Düse für Laseropera­ tionen an Werkstücken eingesetzt werden kann. Bei Wegnahme der Düse ist der Industrieroboter ohne Einschränkung für herkömmliche Arbeiten verwendbar. Für die Leitung des Laser­ strahls durch den Arm 5 und das Handgelenk 10 sind nur drei Spiegel erforderlich, so daß der Energieverlust des Laser­ strahls auf dem Wege von der Quelle zu der Düse gering ist. Ferner sind diese drei Spiegel so angeordnet, daß der Laser­ strahl nicht behindert wird, unabhängig von der gegenseiti­ gen Drehstellung der drei Teile des Handgelenks.

Die Erfindung wurde anhand von Laserstrahlen beschrieben. Selbstverständlich können aber auch andere Arten von Licht­ strahlen durch den Roboterarm und das Handgelenk geleitet werden.

Claims (5)

1. Roboterhandgelenk, insbesondere zur Be- und Verarbeitung von Material mittels Laserstrahlen (Laserbearbeitung), mit mehreren hintereinander angeordneten hohlen drehbaren Tei­ len, wobei ein erstes Teil (11) vorhanden ist, welches um eine erste Achse (D-D) drehbar ist, ein zweites Teil (12) vorhanden ist, welches drehbar in dem ersten Teil (11) gela­ gert ist und um eine zweite Achse (E-E) drehbar ist, welche die erste Achse (D-D) schneidet, und ein drittes Teil (13) vorhanden ist, welches drehbar in dem zweiten Teil (12) ge­ lagert ist und um eine dritte Achse (F-F) drehbar ist, wel­ che die Längsachse (G-G) (vierte Achse) des dritten Teils (13) schneidet, und mit einer am dritten Teil (13) befestig­ ten Werkzeugbefestigungsvorrichtung (136), die um die Längsachse des dritten Teils (13) drehbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß in dem hohlen Inneren des Handgelenks (10) Spiegel (S 1, S 2, S 3) derart an­ geordnet sind, daß ein Lichtstrahl (L), insbesondere ein zur Bearbeitung dienender Laserstrahl, der über den hohlen Robo­ terarm (5) zugeführt wird, unbehindert durch alle Teile (11, 12, 13) des Handgelenks (10) passieren kann, unabhängig von der gegenseitigen Drehstellung dieser Teile zueinander.

2. Roboterhandgelenk nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Spiegel (S 1) in dem Schnittpunkt zwischen der ersten Achse (D-D) und der zweiten Achse (E-E) angeordnet ist, daß ein zweiter Spiegel (S 2) im Schnittpunkt zwischen der zweiten Achse E-E und der dritten Achse F-F angeordnet ist und daß ein dritter Spiegel (S 3) im Schnittpunkt zwischen der dritten Achse (F-F) und der vier­ ten Achse (G-G) angeordnet ist, wobei diese Spiegel (S 1, S 2, S 3) eine solche Neigung haben, daß ein Lichtstrahl, der in Richtung der ersten Achse (D-D) einfällt, so abgelenkt wird, daß er längs der zweiten, dritten und vierten Achse ver­ läuft.

3. Roboterhandgelenk nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste und dritte Spiegel (S 1, S 3) an Befestigungselementen befestigt sind, die von der inneren Wand des ersten beziehungsweise dritten Handge­ lenkteils (11, 13) ausgehen, und daß der zweite Spiegel (S 2) unmittelbar an der inneren Wand des zweiten Handgelenkteils (S 12) befestigt ist.

4. Roboterhandgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtdüse (Laserdüse) (20) an der Werkzeugbefestigungsvor­ richtung (136) befestigt ist, wobei das Austrittsteil der Düse im Verhältnis zur Längsachse (G-G) des dritten Handge­ lenkteils (13) geneigt ist und daß ein vierter Spiegel (S 4) vorhanden ist, welcher den in Richtung der Längsachse (G-G) einfallenden Lichtstrahl in Richtung der Austrittsachse der Lichtdüse (20) umlenkt.

5. Roboterhandgelenk nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Querwand (202) in der Lichtdüse (20), welche die Fokussierungslinse (201) der Lichtdüse (20) trägt, mit einer Durchtrittsöffnung (203) für ein Schutzgas versehen ist.