DE3805528A1 - Fuer automatische manipulatoren bestimmtes gelenkgetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gelenkgetriebe, das insbesondere geeignet ist für Manipulatoren, sogenannte Roboter, die beispielsweise bei der automatisierten Schafschur verwendet werden.

Derartige Gelenkgetriebe werden an dem Ende eines mecha­ nischen Armes von Robotern bzw. Manipulatoren getragen, die dazu verwendet werden, um Teile oder Werkzeuge zu bewegen und die mit dem allgemeinen Ausdruck "End- Effektoren" bezeichnet sind.

Bei derartigen robotorartigen Manipulatoren, soweit sie bisher bekannt sind, ist der End-Effektor an einem Ge­ lenkgetriebe befestigt, das aus einer Vielzahl von Ver­ bindungen und Lenkern besteht, von denen jeder um eine Achse bewegbar ist, die an dem nächstliegenden Lenker angebracht ist, so daß der End-Effektor um eine oder alle der drei gewöhnlich orthogonalen Achsen gedreht werden kann.

Bei einem ersten bekannten Gelenkgetriebe trägt jedes Folge-Gelenk eine Achse, die 90° zu seiner eigenen Achse liegt. In einer zweiten bekannten Form derartiger Gelenk­ getriebe trägt jedes Folge-Gelenk eine Achse, die in ei­ nem Winkel von 60° zu seiner eigenen Achse liegt. In größerem oder weniger starkem Maße weisen beide Gelenkge­ triebe-Typen sogenannte degenerierte Positionen auf, in der die drei Rotationsachsen coplanar werden. In diesen Stellungen kann der End-Effektor nur um zwei Achsen be­ wegt werden, anstelle der üblicherweise drei vorhandenen. Eine besondere Eigenschaft dieser Gelenkgetriebe ist es, daß dann, wenn sich die Getriebegelenke nahe der degene­ rierten Position befinden, d. h. dann, wenn ihre Achsen nahezu coplanar sind, der Rotationskreis, in dem sich der End-Effektor drehen kann, beschränkt ist, da der Rota­ tionskreis, den die Drehgelenkachsen erfordern, um die End-Effektor-Drehung zu erzeugen, wesentlich größer ist in seiner solchen Stellung als in anderen Stellungen. Demnach existiert eine Zone um jede degenerierte Posi­ tion, die üblicherweise als "singuläre Zone" bezeichnet wird, in der eine oder mehrere der Drehbewegungen des End-Effektors beschränkt sind in ihrer Geschwindigkeit in einem weit größeren Maße als in anderen Positionen des Gelenkgetriebes. Falls man den Bereich der Orientie­ rungsbewegung des Gelenkgetriebes auf einer Kugel be­ schreiben soll, findet man Zonen der Degeneration und der Singularität, in denen bestimmte Bewegungsmöglichkeiten des End-Effektors beschränkt sind. Die meisten bisher bekannten Gelenkgetriebe zeigen einen oder mehrere der­ artiger singulärer Zonen, die sich durch die mechanischen Beschränkungen ergeben. Derartige singuläre Zonen be­ schränken also die Anwendungsfähigkeit eines Gelenkge­ triebe-Mechanismus.

Praktisch ausgeführte Gelenkgetriebe sind in ihrem Bewe­ gungsbereich auch dadurch eingeschränkt, weil es unmög­ lich ist, ein mechanisches Teil durch ein anderes hin­ durchzuführen. Außerdem ist ein bestimmtes Maß an Stärke und Steifheit in dem Mechanismus erforderlich, wobei sich notwendigerweise die Einzelteile vergrößern.

Ein weiteres Erfordernis eines praktisch ausgeführten Gelenkgetriebes ist es, daß die hydraulischen und elek­ trischen Bedienungs- und Signalleitungen für den End- Effektor so angeordnet sein müssen, daß sie die Betä­ tigung des Gelenkgetriebes nicht stören und daß sie sich nicht verwirren, wenn das Gelenkgetriebe durch den vollen Winkelbereich seiner Bewegungen betätigt wird. Während es manchmal möglich ist, die Leitungen durch die Getriebe­ achsen zu führen, wenn der End-Effektor wesentliche Er­ fordernisse an Leistung und Rückkopplungssignalen benö­ tigt, wie es bei automatischen Schafschur-Vorrichtungen der Fall ist, so ist dieses nicht erreichbar ohne Kompro­ miß in Bezug auf Größe, Masse und Dexterität des Getrie­ bes. Deshalb muß bei vielen Gelenkgetriebeausführungen der End-Effektor durch von außen herangeführte Leitungs­ systeme bedient werden, die unter Kontrolle bleiben müs­ sen, wenn sie hohen dynamischen Kräften unterworfen sind und die außerdem vom eigentlichen Arbeitsbereich fernzu­ halten sind.

Eine Art des Gelenkgetriebes, die im wesentlichen das Singularitätsproblem überwindet, ist im US-Patent 43 53 677 (Susajara) beschrieben. Dieses Patent be­ schreibt zwar eine Gelenkgetriebe-Vorrichtung, die im wesentlichen im Arbeitsbereich singularitätsfrei ist, die jedoch auf der anderen Seite bei der Ausführung bestimm­ ter Anwendung nachteilig ist, da sie um einige ihrer Achsen nur einen beschränkten Bewegungsbereich hat. Dies liegt in erster Linie daran, daß Bewegungshebel verwendet werden, die außerhalb des Verbindungsbereiches liegen und an der äußerlichen Konfiguration des Verbindungsberei­ ches. Dabei muß berücksichtigt werden, daß der Verbin­ dungsbereich, der in diesem Patent beschrieben wird, in erster Linie zur Verwendung in einem Farbsprühroboter konzipiert war. Ein solcher Roboter ist erhältlich als "Thermwood Series Six Spray Robot". Dieser Roboter be­ ansprucht nur eine begrenzte Bewegungsfreiheit um be­ stimmte Achsen und kann einen nicht unbedeutenden Mangel an Gelenk-Starrheit tolerieren. Derartige Nachteile kön­ nen jedoch nicht bei Gelenkgetrieben toleriert werden, die beispielsweise für die automatische Schafschur be­ stimmt sind. Im vorliegenden Falle ist demnach ein Ge­ lenkgetriebe entwickelt worden, das denselben singulari­ tätsfreien Arbeitsbereich besitzt, das jedoch einen größeren Freiheitsbereich hat für die Bewegung um be­ stimmte Achsen. Das Gelenkgetriebe ist darüber hinaus wesentlich steifer und starrer als das Thermwood-Ge­ triebe, so daß eine größere Genauigkeit der Positio­ nierung der End-Effektoren ermöglicht ist.

Entsprechend dieser Aufgabenstellung ergibt die Erfindung ein Gelenkgetriebe, insbesondere für automatische Manipu­ latoren mit folgenden Einzelteilen:

• - eine erste Antriebsvorrichtung zum Drehen eines ersten Joches um eine erste Achse (W 1),
• - eine erste Kreuzwelle, bei der eine Welle drehbar in durch Dreharme des ersten Joches gehaltenen Lagern getragen ist, bei der die andere Welle mit ihren Enden in durch ein Paar von parallel in Abstand angeordneten Seitenplatten gehaltenen Lagern getragen ist,
• - eine zweite Antriebsvorrichtung zum Schwenken der er­ sten Kreuzwelle in den Lagern über eine zweite Achse (W 2),
• - eine zweite Kreuzwelle, bei der eine Welle in durch die Seitenplatten gehaltenen Lagern getragen ist, und bei der die andere Welle drehbar ein zweites Joch trägt, das einen End-Effektor tragen kann,
• - eine weitere Antriebsvorrichtung zur Drehung des Ge­ lenkgetriebes um eine dritte Achse (W 3), die mit der Achse der anderen Welle der ersten Kreuzwelle zusammen­ fällt,
• - Kreuzglieder, die starr die Seitenplatten verbinden, und
• - Getriebeteile zur Übertragung der Bewegung zwischen der ersten Kreuzwelle und der zweiten Kreuzwelle und der Drehbewegung zwischen dem ersten Joch und dem zweiten Joch. Vorzugsweise sind die Seitenplatten, die Kreuz­ wellen, die Lager und die Getriebeteile so eingerich­ tet, daß sie eine hohe Festigkeit in dem Gelenkgetriebe liefern, wobei die Seitenplatten und die Kreuzwellen eine Schwenkbewegung des End-Effektors von mehr als 180° um die zweite Achse und wenigstens 180° um die dritte Achse erlauben, wobei die erste Antriebsvor­ richtung so gebaut ist, daß eine Umdrehung von mehr als 200° um die erste Achse möglich ist.

Es soll betont werden, daß in einem Gelenkgetriebe vorge­ nannter Art der Arbeitsraum für den End-Effektor groß und im wesentlichen frei von Singularitätszonen ist. Das Ge­ lenkgetriebe besitzt tatsächlich nur eine einzelne kegel­ förmige Singularitätszone, die nach oben gerichtet ist und daher überhaupt nicht mit dem Arbeitsraum des End- Effektors kollidiert. In einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung sind Bedienungs- und Signalleitungen so angeordnet, daß sie sich von einer Seite des ersten Joches bis zum Joch 30 erstrecken und in eine Seite des Joches 30 eintreten, die um etwa 90° versetzt ist zu der entsprechenden Seite des anderen Joches. Auf diese Weise können sich Bedienungs- und Signal-Leitungen nicht ver­ fangen oder verwickeln und kollidieren nicht mit dem Arbeitsraum des End-Effektors.

Die in Abstand stehenden Seitenplatten umfassen vorzugs­ weise ein sehr starres, die Seitenplatte tragendes Lager und ein weniger starres, die andere Seitenplatte tragen­ des Lager, wobei die Seitenplatten durch zwei zwischenge­ schaltete Kreuzglieder und durch ein unteres Kreuzglied verbunden sind, die so gestaltet sind, daß ein freier Durchgang der Getriebe-Teile durch den vollen Bewe­ gungsbereich des Gelenkgetriebes möglich ist und daß auch die dritte Antriebsvorrichtung zwischen den Seitenplatten innerhalb des Gelenkgetriebes aufnehmbar ist.

Um die Starrheit und Festigkeit des Gelenkgetriebes wei­ ter zu erhöhen, sind die Gelenkteile, die die Hauptlast tragen, an starken und widerstandsfähigen Lagervorrich­ tungen montiert und gehalten, die durch Lagerhalter ge­ tragen sind, die mit der äußerst starken Seitenplatte einstückig und integriert geformt sind.

Das Kämmen der Zahnräder bei den genannten Getriebeteilen ist durch Unterlegscheiben justierbar, um den Verschleiß auf ein Minimum zu reduzieren und dadurch die Starrheit und Festigkeit des Gesamtmechanismus weiter zu erhöhen.

Vorzugsweise besitzen die Antriebsvorrichtungen Hydrau­ lik-Kreise. Um die Beweglichkeit und Weichheit (Compli­ anz) des Getriebes weiterhin zu reduzieren, die durch die Hydraulikflüssigkeit hervorgerufen wird, die sich in den Leitungen zu den Antriebsvorrichtungen befindet, sind die Servoventile vorzugsweise direkt auf den Antriebsvorrich­ tungen montiert. Hierdurch wird das Volumen der Hydrau­ likflüssigkeit, die im System enthalten ist, auf ein Minimum reduziert.

Die Antriebsvorrichtung für die W3-Bewegung ist vorzugs­ weise innerhalb des Gelenkgetriebes angeordnet, wodurch die sich Außenmaße des Gelenkgetriebes reduzieren.

Vorzugsweise wird bei dem Gelenkgetriebe eine Anordnung von Einzelteilen gewählt, wie sie aus dem Unteranspruch 9 hervorgeht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt. Die Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene, vereinfachte, perspektivische Schnittdarstellung, die das Wesentliche des Gelenkgetriebes entsprechend der Erfindung darstellt;

Fig. 2 einen teilweise aufgeschnittenen, teilweise bruchstückhaften Seitenaufriß eines Gelenkge­ triebes entsprechend der vorliegenden, bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine ebene Abbildung des Gelenkgetriebes, die die Anordnung der "Versorgung" darstellt;

Fig. 4 einen bereichsweise aufgeschnittenen Aufriß des hydraulischen Kraftantriebs-Mechanismus für die Drehung des Gelenkgetriebes um seine Wl-Achse;

Fig. 5 bis 7 Seitenschnittzeichnungen und einen be­ reichsweise aufgeschnittenen Aufriß des Haupt- Joches des Gelenkgetriebes entlang der Linien 5-5, 6-6 und 7-7 der Fig. 2;

Fig. 8, 9, 10 und 11 Schnittbilder des Gelenkgetriebes zum Erzielen von Drehungen des Gelenkgetriebes um seine W2- und W3-Achsen entlang der Linien 8-8 in Fig. 2, 9-9 in Fig. 8 und 10-10 in Fig. 9;

Fig. 12 und 13 perspektivische Abbildungen der Haupt­ und der Hilfs-Seitenplatten des Gelenkgetriebes;

Fig. 14 einen Seitenaufriß des Zahnrad- und Schneide- Teiles des Gelenkgetriebes, und

Fig. 15 bis 18 Schnittdarstellungen des Zahnrad- und Schneide-Teiles entlang der Linien 15-15 und 16-16 der Fig. 14 und entlang der Linie 18-18 der Fig. 17.

Das erfindungsgemäß dargestellte Gelenkgetriebe wird in Bezug auf eine Vorrichtung zur Positionierung und Bewe­ gung einer Schervorrichtung bei dem automatischen Scheren von Schafen beschrieben. Selbstverständlich ist es klar, daß das zu beschreibende Gelenkgetriebe bei vielfältigen Anwendungen verwandt werden kann, so bei der Winkelposi­ tionierung von Radarköpfen oder in vielen anderen Anwen­ dungsbereichen mit Automatik, bei der kinematische Ge­ schicklichkeit und die Abwesenheit von singulären Zonen im Arbeitsbereich gefordert wird.

Bezüglich der Fig. 1 der Zeichnungen, die die Merkmale des Gelenkgetriebes schematisch zeigt, ist das Gelenkge­ triebe 10 zu sehen, wie es mit einer drehbaren hydrauli­ schen Antriebsvorrichtung 12 für die Drehung an dem Ver­ binder 14 um die W1-Achse verbunden ist. Diese Rotation ist eine von drei Drehbewegungen des Gelenkgetriebes 10, welches zu drei verschiedenen Orientierungswechseln des End-Effektors oder Folgestabes, wie ein Schneidemecha­ nismus zum Scheren von Schafen, an dem Befestigungspunkt 16 führt.

Eine sich von dem Verbinder 14 erstreckende Antriebswelle 18 trägt ein Joch 19, in welchem eine Kreuzwelle 20 dreh­ bar gelagert ist, die den ersten Teil von zwei Kardange­ lenken bildet.

Das Gelenkgetriebe 10 besteht im wesentlichen aus zwei universellen Kardangelenken 22 und 24, die durch einen kurzen, starren Verbinder 26 miteinander verbunden sind. Die Bewegung der beiden Gelenke ist zueinander mit Hilfe von Getrieben synchronisiert, wie im weiteren beschrieben wird.

Gelenkig in dem Boden des Verbinders 26 verbunden, befin­ det sich eine weitere Kreuzwelle 28 des unteren Kardange­ lenkes 24. Der End-Effektor ist mit dem unteren Joch 30 des zweiten Kardangelenkes 24 an dem Befestigungspunkt 16 befestigt. Das untere Joch 30 ist beweglich zu der Kreuz­ welle 28 des zweiten Kardangelenkes 24 befestigt. Der Verbinder 26, wie in der Fig. 1 dargestellt, besteht aus Seitenplatten 32 und 34, die durch die Kreuzwellen 20 und 28 und durch starre Kreuzglieder 36 und 38 verbunden sind (allein schematisch in der Fig. 1 gezeigt). Die Traverse 44 der Kreuzwelle 20 bildet die W2-Achse und die Traverse 46 bildet die W3-Achse. In der oben beschriebenen Anord­ nung sind zwei auf das Gelenkgetriebe 10 bezogene Bewe­ gungen gleichmäßig den Bewegungen des oberen und des un­ teren Kardangelenkes 22 und 24 mit Hilfe von Getrieben zuzuordnen. Ein Segmentzahnrad 40 ist starr an der Kreuz­ welle 20 des oberen Kardangelenkes 22 befestigt und greift in ein vergleichbares Teilzahnrad 42 ein, das mit der Kreuzwelle 28 des unteren Kardangelenkes 24 starr verbunden ist. In der Art bewirkt die Drehung des Ver­ binders 26 um die Kreuzwelle 20 eine vergleichbare Dre­ hung des Joches 30, bezogen auf den Verbinder 26. Der Wechsel in der Drehung des Joches 30 relativ zu der An­ triebsvorrichtung 12 ist daher exakt zweimal so wie die des Verbinders 26.

Ein Kegelzahnrad 48 ist fest mit dem oberen Joch 19 ver­ bunden und greift in ein Kegelzahnrad 50 ein, mit dem ein Segmentzahnrad 52 starr verbunden ist, und welches frei um die Traverse 46 (W3-Achse) der Kreuzwelle 20 drehbar ist, mit welcher der Verbinder 26 als Drehachse dienend verbunden ist. Das Segmentzahnrad 52 greift in ein glei­ ches Segmentzahnrad 54 ein, das um eine Welle 56 der Kreuzwelle 28 sich dreht, die als Drehpunkt dienend mit dem Verbinder 26 verbunden ist. Dieses zweite Segment­ zahnrad 54 ist starr mit einem Kegelzahnrad 58 verbunden, welches in ein Kegelzahnrad 60 eingreift, das mit dem unteren Joch 30 starr verbunden ist. In der Weise führt die Drehung der Kreuzwelle 20 in dem oberen Joch 19 (um die W2-Achse) zu einer entsprechenden Drehung des unteren Joches 30 um die Kreuzwelle 28. Daher ist die Drehung des oberen Joches 30 relativ zu der Antriebsvorrichtung 12 exakt zweimal die Bewegung der Kreuzwelle 20 in dem unte­ ren Joch 19. Durch diese Vorrichtung kann das Gelenk um eine oder beide von seinen zwei Rotationsrichtungen mit der Hälfte der Drehung in jeder Richtung bewegt werden, die zu jedem Kardangelenk 22 und 24 zuzuteilen ist. Indem die Größe der Zahnräder in dem Mechanismus unterschied­ lich ausgebildet ist, kann die Zuordnung der Drehung zu den zwei Kardangelenken 22 und 24 verändert werden, falls die Anwendung eine solche Variante erfordert.

Ein hier bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gelenkge­ triebes wird nun ausführlicher mit Bezug auf die Fig. 2 bis 18 der vorliegenden Zeichnungen beschrieben.

Bei dem anfänglichen Bezug auf die Fig. 2 der Zeich­ nungen sind die W1-Antriebsvorrichtung 12 und der Wl- Verbinder zu sehen, wie sie einen 270°-Rotations-Dreh­ stelltrieb 120 umfassen, der eine Antriebswelle 121 be­ sitzt, welche zu einem Ringgehäuse 122 geformt ist, das die Antriebswelle 123 eines 270°- bis 440°-Planetenge­ triebes 124 trägt. Ein Potentiometer P stellt die Rotati­ onsposition des Drehstelltriebes 120 fest. Das Antriebs­ glied 125 des Planetengetriebes ist zu der Antriebswelle 18 der W1-Antriebsvorrichtung gefräßt. Die Antriebswelle 18 ist mit einer hydraulischen Versorgungsbohrung (nicht gezeigt) und einer elektrischen Versorgungsbohrung 126 ausgestattet und ist von einer rotierenden Hydraulikkupp­ lung 127 umgeben. Ein elektrischer Gleitteil 128 über­ trägt die elektrische Versorgung zu den elektrischen Ver­ sorgungsleitungen E in der Bohrung 126, während der Dreh­ stelltrieb die Antriebswelle 18 um 440° der Hin- und Herbewegung dreht.

Das Joch 19 des Gelenktriebes 10 ist mit dem unteren Flansch 129 der Antriebswelle 18 mit einem Dichtungsraum 130 verschraubt, der dazwischen angeordnet ist. Bezogen auf die Fig. 3 bis 6 der Zeichnungen ist das Joch 19 zu sehen, das eine Trägerstruktur 190 umfaßt, mit der der Hauptdreharm 191 und der Hilfsdreharm 192 ent­ sprechend starr verbunden sind. Die Trägerstruktur 190 trägt einen hydraulische Versorgungs- und Wiedergewin­ nungs-Verteiler 193, mit dem die hydraulischen Ver­ sorgungs- und Rückgewinnungs-Leitungen S und R verbunden sind. Zwei der hydraulischen Versorgungs- und Rückgewin­ nungs-Leitungen erstrecken sich entlang der elektrischen Versorgungsleitungen E hin bis zu der Folgevorrichtung, die mit dem Gelenkgetriebe 10 verbunden ist. Wie zuvor oben erwähnt wurde, erstrecken sich die Versorgungs- und Bedienungsleitungen oder die "Nabelschnur" V von einer Seite des Joches 19 (außerhalb der Ebene der Fig. 2) und erstrecken sich um das Gelenkgetriebe 10 um 90°, um die Seite des End-Effektors oder des Folgestabes zu errei­ chen, welcher einen rechten Winkel zu der Ebene der Fig. 3 besitzt und welcher das untere Joch 30 trägt. Die An­ ordnung ist weiterhin in dem Schnittbild der Fig. 3 gezeigt und es ist zu bemerken, daß die elektrische Ver­ kabelung W zu dem W2-Stelltrieb in das Gelenkgetriebe zentral eintritt. Mit Hilfe dieser einfachen Anordnung der Versorgung ist herausgefunden worden, daß das Gelenk­ getriebe über den gesamten Bereich seiner Bewegungen bewegt werden kann, ohne dabei die Versorgungsleitungen zu berühren oder ohne eine wesentliche Beeinträchtigung des Arbeitsraumes herbeizuführen.

Die Trägerstruktur 190 trägt ebenfalls einen hydrauli­ schen Stelltrieb 194 zur Drehung des Gelenkgetriebes 10 um seine W2-Achse. Ein Velcro-(eingetragenes Warenzei­ chen)-Trägerstreifen 195 ist für die Anbringung einer Bedeckung (nicht gezeigt) für das Gelenkgetriebe 10 vor­ gesehen.

Aufgrund der Fig. 4, 5 und 6 ist zu bemerken, daß der Hauptdreharm 191 eine Öffnung 196 besitzt, welches fest das Kegelzahnrad 48 trägt, das im Gegenzug eine Träger­ unterstützung liefert. Der Hauptdreharm 191 ist mit 197 verspannt, um dem Gelenkgetriebe zu ermöglichen, sich zu einer ihrer kinematischen Extremlagen zu drehen. Ver­ gleichbar besitzt der Hilfsdreharm 192 eine Trägeröffnung 198 und ist mit 199 verspannt, um das obere Segmentzahn­ rad 52 anzupassen, wenn das Gelenkgetriebe 10 in einer der kinematischen Extrempositionen sich befindet.

Die Trägeröffnung 196 in dem Haupt-Dreharm 191 ist durch das obere Kegelzahnrad 48 eingebunden und ist in der Po­ sition so befestigt, daß eine starre Verbindung mit dem Arm 191 vorliegt. Der Hilfs-Dreharm 192 ist in einem Na­ del-Lager 202 auf einer die 200 teilende Achse einge­ bunden, die an einer Kreuzwelle 201 angeordnet ist, wel­ che gegenüber einer oberen Drehwelle 203 durch eine Hal­ temutter 204 gesichert ist, um die Kreuzwelle 20 zu lie­ fern. Die Kreuzwelle 201 ist innerhalb des Kegelzahnrades 48 mit Hilfe von Winkelkontaktlagern 205 und Nadel-Lager 206 gehalten. Unterlegscheiben 209 und 210 werden be­ nutzt, um den Verschleiß zwischen den Kegelzahnrädern 48 und 50 zu kontrollieren und zu minimieren. Die Kreuzwelle 20 besitzt ebenfalls hydraulische Drehstelltrieb-Stifte 207 und 208, mit welchen der hydraulische Stelltrieb 194 (W2) und der hydraulische Stelltrieb für die W3-Bewegng, wie in Fig. 9 und 10 gezeigt, befestigt sind.

Die obere Drehwelle 203 ist drehbar zwischen der Haupt­ seitenplatte 32 und der Hilfsseitenplatte 34 gehalten. Entsprechend zur Fig. 2 ist zu sehen, daß die Hauptsei­ tenplatte 32 offensichtlich fester als die Hilfsseiten­ platte 34 (Fig. 13) ausgebildet ist und zylindrische Lagerhalter 301 und 302 umfaßt, wobei jeder der Gehäuse­ seiten 303′ und 304′ der vier Winkel-Kontakt-Lager für die drehbare Halterung der oberen Drehwelle 203 und der unteren Drehwelle 280 der unteren Kreuzwelle 28 vorgese­ hen ist. Die Lagerhalter 301 und 302 tragen ebenfalls drehbar das obere Kegelzahnrad 50 und das untere Kegel­ zahnrad 58 mittels Nadellager. Hoch einmal werden Unter­ legscheiben 285 und 286 benutzt, um den Verschleiß zu kontrollieren. Die ineinander greifenden Segmentzahnräder 52 und 54 sind bei der Bewegung fest mit den Kegelzahl­ rädern 50 und 58 verbunden und sind entlang der Hauptsei­ tenplatte 32 angeordnet. Die Hilfsseitenplatte 34 ist in Bezug auf die Konstruktion leichter als die Hauptseiten­ platte 32, da lediglich radialen Belastungen entsprochen werden muß, die durch diese Platte aufgefangen werden muß. Die Hilfsseitenplatte 34 umfaßt Lager 341 und 342, die drehbar die entgegengesetzten Enden der oberen Dreh­ welle 203 und der unteren Drehwelle 280 mittels Nadel- Lager 343 und 344 trägt. Die ineinandergreifenden Teil­ zahnräder 40 und 42 sind fest mit der Drehwelle 203 und mit der Drehwelle 280 verbunden, die entsprechend der in­ neren Fläche der Seitenplatte 34 anliegen. Eine Welle 281 (Fig. 10) ist an der unteren Drehwelle 280 durch eine Haltemutter 282 gesichert. Ein Kegelzahnrad 60, welches in das Kegelzahnrad 58 eingreift, ist drehbar durch die Welle 281 mittels Winkel-Kontakt-Lager 283 und Nadel- Lager 284 gehalten.

Die Hauptseitenplatte 32 und die Hilfsseitenplatte 34 sind ebenfalls miteinander durch zwischengeschaltete Kreuzglieder 360 und 361 und durch ein unteres Kreuzglied 362 verbunden. Wie am deutlichsten in den Fig. 2, 7, 12 und 13 zu sehen ist, sind die zwischengeschalteten Kreuzglieder 360 und 361 mit den Seitenplatten 32 und 34 verschraubt, die zwischen den Anschlagpunkten 305 und 306 und 345 und 346 entsprechend angeordnet sind. Das un­ tere Kreuzglied 362 erstreckt sich zwischen dem Anschlag­ punkt 347 und der Hilfs-Seitenplatte 34 und dem aller­ untersten Ende der Seitenplatte 32 und ist an jeder Stel­ le dieser drei Positionen angeschraubt. Die Kreuzglieder 360 und 361 besitzen die Form, wie sie in Fig. 10 zu se­ hen ist, um ihre Stabilität zu erhöhen, wobei sie gleich­ zeitig Freiraum für die Teilzahnräder 40 und 42 und die Segmentzahnräder 52 und 54 liefert. Das untere Kreuzglied 362 trägt drehbar ein Ende der W3-Antriebsvorrichtung (wie unten beschrieben) in der Zentrallinie "A" und lie­ fert eine weitere Kreuz-Versteifung der Seitenplatte 32 und 34, während sie zugleich die gegenseitige Anpassung der Zahnräder und die Drehbewegung des Gelenkgetriebes zu seinen kinematischen Extrempositionen erlauben. Es ist zu sehen, daß die Befriedigung dieser Erfordernisse eine komplexe Gestalt für das Kreuzglied 362 benötigt, das im vorderen Teil an der Seitenplatte 34 und am Ende mit der Seitenplatte 32 angeordnet ist, wobei der zentrale Teil bei 364 weggelassen ist, um das Kegelzahnrad 60 in eine entsprechende Aussparung in der Endstütze 362′ einzupas­ sen, wie es in dem Schnitt im Bereich B-B zu sehen ist. Eine weitere Aussparung, die bei 365 zu sehen ist, führt dazu, das Kegelzahnrad 58 freizuhalten, während der ex­ terne, zu 365 entgegengesetzte Adapter dafür da ist, den Rand des Segmentzahnrades 54 freizuhalten. Geschlitzte Aussparungen werden in einem Netz von dem Segmentzahnrad 54 geliefert, um mit der bei 363 gezeigten Aussparung sich zu treffen, um eine Oszillation von ± 83,3° des Segmentzahnrades 54 zu erlauben, das die Kreuzstütze 362′ von einer Seite zu der Zentrallinie der Stütze 362′ in­ nerhalb der Region von 363 überlappen muß, um einen 180°- Bewegungsbereich auf der W3-Achse zu ermöglichen.

Fig. 10 und 11 zeigen, daß die W2- und W3-Zahnräder 52, 54 und 40, 42 so ausgebildet sind, um den erforderlichen Bewegungsfreiraum und die Stabilität durch ein Hinzufügen zu der Masse des Gelenkgetriebes zu erreichen, wobei die Hinzufügung so klein wie möglich ist. Aus diesem Grund besitzen die Segmentzahnräder 52 und 54 Aussparungsberei­ che, um den vollen Bewegungsbereich des Gelenkgetriebes zu erlauben und, wodurch es möglich ist, zusätzlich das Gewicht der gesamten Vorrichtung zu erniedrigen. Es ist anzunehmen, daß weitere Gewichtsreduktionen an verschie­ denen Teilen der Vorrichtung, besonders bei den Haupt­ und Sekundär-Seitenplatten, durchgeführt werden können.

Wie in der Fig. 9 und 11 zu sehen ist, sind die Kegel­ zahnräder 50, 52 und 48, 60 gleich bearbeitet, um eine freie Bewegung zu erlauben und um Gewicht bezüglich der Zahnräder 50, 52 zu sparen, die lediglich 11 Zähne besit­ zen. Weitere mechanische Details der Kegelzahnräder sind in den Fig. 20 und 21 zu sehen. Entsprechend den Fig. 2 und 4 der Zeichnung ist ein hydraulischer Stell­ trieb 194 für die Drehung des Gelenkgetriebes um seine W2-Achse zu sehen, der eine als Zylinder gearbeitete An­ triebsvorrichtung 71 besitzt, die eine eine Dichtung 73 tragende Drehachse 72 umgibt. Die Drehachse 72 besitzt einen Drehzapfen 74, der durch eine Nasenkappe 75 ragt, welcher eine Dichtung 76 trägt. Um die Benutzung von flexiblen Schlauchverbindungen zu vermeiden und dadurch das Volumen der Hydraulikflüssigkeit zwischen den Kon­ trollventilen und dem Kolben zu reduzieren und deshalb die Stelltrieb-Steifigkeit zu senken, trägt die als Zy­ linder gearbeitete Antriebsvorrichtung 71 ein Servoventil 77, das die Versorgung mit Hydraulikflüssigkeit zu dem Zylinder (Antriebsvorrichtung) 71 über eine Zuleitung 78 kontrolliert. Der Drehzapfen 74 ist drehbar mit dem Dreh­ stelltrieb-Stift 207 auf der oberen Drehwelle 203 befe­ stigt und arbeitet derart, daß er das Gelenkgetriebe in der Richtung der Pfeile, die die W2-Bewegung um die Achse auf der Kreuzwelle 201 markieren, gedreht wird.

Entsprechend den Fig. 7 bis 10 ist ein Gelenkgetriebe zu sehen, das eine weitere hydraulische Antriebsvorrich­ tung 18 aufnimmt, welches innerhalb des Gelenkgetriebes 10 zwischen den Seitenplatten 32 und 34 angeordnet ist.

Der Zylinder der Hydraulik-Antriebsvorrichtung 80 ist an seinem oberen Ende gegenüber dem unteren Kreuzglied 362 (Fig. 12) um die Achse "A" in Fig. 17 drehbar angeord­ net und besitzt einen Drehstab, der zu dem Drehstab-Stift 208 an der oberen Drehwelle 203 angelenkt ist. Die An­ triebsvorrichtung 80 ist in ihrer Konstruktion ähnlich zu dem Stelltrieb 194 und trägt in ähnlicher Art und Weise ein Servoventil 81, um das Volumen der Hydraulikflüssig­ keit zwischen dem Kontrollventil und dem Druckzylinder zu reduzieren und um die Steifheit der Antriebsvorrichtung zu verringern. Die Verwendung der Antriebsvorrichtung 80 läßt das Gelenkgetriebe 10 um die Achse der oberen Dreh­ welle 203 drehen, wie es durch die Pfeile in der Fig. 8, die die W3-Bewegung markieren, angegeben ist.

Bezugnehmend nun auf die Fig. 2 und 14 bis 16 umfaßt das untere Joch 30 einen Folgearm 300′, der mit dem Kegel­ zahnrad 60 starr verbunden ist (Fig. 10 und 16). Der Folgearm 300′ trägt eine Folgevorrichtung 301′, die einen hydraulischen Drehstelltrieb 302 mit Mitteln umfaßt, mit denen eine Schneidevorrichtung 303′′ (Fig. 16-17) drehbar über die Folgevorrichtung verbunden ist. Der Drehstell­ trieb 302′ ist drehbar zu der Verkleidung 304′′ der Folge­ vorrichtung durch einen Achsstift 305′ verbunden und der Drehstab 306′ des Drehstelltriebes 302′ ist mit einem Folgejoch 307 verbunden, das drehbar zu der Verkleidung 304′′ durch Stifte 308 und 309 verbunden ist, die in Na­ dellager angeordnet sind. Ein Potentiometer 310 ist dafür vorgesehen, die Position des Joches 307 festzustellen. Die hydraulischen Zuleitungen H liefern die Hydraulik­ flüssigkeit für den Drehstelltrieb 302′ und die elek­ trischen Bedienungszuleitungen E sind an dem Potentiome­ ter 310 und an den anderen Sensoren angeschlossen, die von dem Schneider, wie zuvor beschrieben, getragen wer­ den.

Wie in den durchbrochenen Linien in der Fig. 14 gezeigt wird, ist ein Schneideteil 311 beweglich mit dem Folge­ joch 307 über Drehachsen 312 und 313 (Fig. 16), die die Nadellager aufnehmend umgeben, und durch eine hintere Drehverbindung 314 (Fig. 17) verbunden ist. Der Schnei­ deteil 311 umfaßt ein Gehäuse 315, das einen Hydraulikmo­ tor 316 umschließt. Die Antriebswelle 317 ist mittels eines Lagers 318 mit einer Antriebskurbel 319 verbunden. Die Antriebskurbel 319 umfaßt eine ovale Öffnung 320 in einer Schwinghebelachse 321, die für die oszillierende Bewegung auf einer vertikalen Achse 322 angeordnet ist, die einen einstellbaren Spannpfosten 323 aufnimmt. Die Schwinghebelachse 321 endet in beweglich angeordneten "Krähenfüße" 324 und 325 (chickens feed), die den Schnei­ der 321 in Kontakt mit einem Scherkamm 328 bringt.

Das Schneideteil 311 trägt einen kapazitiven Positions­ sensor 329 (der Sensor ist ausführlicher in der noch an­ hängigen Patentanmeldung Nr. AU-A 81 956/87, angemeldet am 30. Nov. 1987, und AU-B 32 064/84, angemeldet am 17. Aug. 1984, beschrieben), einen Motorgeschwindigkeitssen­ sor (nicht gezeigt) und andere Sensoren, mit denen es möglich ist, die Position und die Orientierung der Schneideteile mit Hilfe des Drehstellstriebes 302 und Gelenkgetriebes 10 zu kontrollieren. Die Bewegung des Gelenkgetriebes 10 und des Schneiders ist durch eine programmierte Kontrollvorrichtung überwacht, um automa­ tisch ein Schaf mit Hilfe der Schneidevorrichtung 311 zu scheren. Da die Kontrollvorrichtung und ihre Operationen nicht Teil der Erfindung sind, werden sie nicht in weite­ ren Einzelheiten in dieser Beschreibung dargestellt. Wie auch immer wird angenommen, daß eine solche Kontrolle der Lage des Schneideteils 311 die Position eines jeden Tei­ les des Mechanismus erfordert, die während der gesamten Zeit genau bekannt zu sein hat, und daß diesbezüglich Endpotentiometer und andere Positions-Sensoren in Ver­ bindung mit jedem der Drehstelltriebe 120, 194 und 80 und selbstverständlich auch mit dem Drehstelltrieb 302′ ein­ gesetzt werden.

Claims (9)

1. Für automatische Manipulatoren ("Roboter") bestimmtes Gelenkgetriebe (10), gekennzeichnet durch

• - eine erste Antriebsvorrichtung (12) zum Drehen eines ersten Joches (19) über eine erste Achse (W 1),
• - eine erste Kreuzwelle (20), bei der eine Welle (203) drehbar in durch Dreharme (192, 197) des ersten Joches (19) gehaltenen Lagern getragen ist und bei der die andere Welle (201) mit ihren Enden in durch ein Paar von parallel in Abstand angeordneten Sei­ tenplatten (32, 34) gehaltenen Lagern (303, 341) getragen ist,
• - eine zweite Antriebsvorrichtung (71) zum Schwenken der ersten Kreuzwelle (20) in den Lagern über eine zweite Achse (W 2),
• - eine zweite Kreuzwelle (28), bei der eine Welle (280) in durch die Seitenplatten (32, 34) gehaltenen Lagern (304, 342) getragen ist und bei der die andere Welle (281) drehbar ein zweites Joch (300) trägt, das an einen End-Effektor anpaßbar ist,
• - eine weitere Antriebsvorrichtung (80) zur Drehung des Gelenkgetriebes um eine dritte Achse (W 3), die mit der Achse der anderen Welle (201) der ersten Kreuzwelle (20) zusammenfällt,
• - Kreuzglieder (360, 361, 362), die starr die Seiten­ platten (32, 34) verbinden, und
• - Getriebeteile (40, 42, 48, 50-58) zur Übertragung der Bewegung zwischen der ersten Kreuzwelle (20) und der zweiten Kreuzwelle (28) und der Drehbewegung zwischen dem ersten Joch (19) und dem zweiten Joch (300).

2. Gelenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Seitenplatten (32, 34) die Kreuzwellen (20, 28), die Lager und die Getriebeteile derart eingerichtet sind, daß sie eine hohe Festigkeit in dem Gelenkgetriebe liefern, wobei die Seitenplatten (32, 34) und die Kreuzwellen (20, 28) eine Schwenkbewegung des End-Effektors von mehr als 180° um die zweite Achse und um wenigstens 180° um die dritte Achse erlauben, wobei die erste Antriebsvorrichtung so ge­ baut ist, daß dort eine Drehung von mehr als 200° um die erste Achse möglich ist.

3. Gelenkgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in Abstand stehenden Seitenplatten (32, 34) ein sehr starres, die Seitenplatte (32) tra­ gendes Lager und ein weniger starres, die Seitenplatte (34) tragendes Lager einschließen, wobei die Seiten­ platten (32, 34) durch zwei zwischengeschaltete Kreuz­ glieder (360, 361) und durch ein unteres Kreuzglied (362) verbunden sind, die so gestaltet sind, daß ein freier Durchgang der Getriebe-Teile durch den vollen Bewegungsbereich des Gelenkgetriebes möglich ist und daß auch die dritte Antriebsvorrichtung (80) zwischen den Seitenplatten innerhalb des Gelenkgetriebes auf­ nehmbar ist.

4. Gelenkgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Getriebeteile zur Übertragung der Bewe­ gung zwischen der ersten und der zweiten Kreuzwelle (20 bzw. 28) von Lagern (303, 304) getragen sind, die von der sehr starren Seitenplatte (32) integriert gehaltenen Lagerhalter (301, 302) getragen sind, und daß das Kämmen von Kegelzahnrädern (48, 50, 58, 60) bei den genannten Getriebeteilen durch Unterlegschei­ ben justierbar ist, um den Verschleiß auf ein Minimum zu reduzieren und dadurch die Starrheit des Getriebes zu erhöhen.

5. Gelenkgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die genannten Kegelzahnräder (48, 50, 58, 60) von den genannten Lagerhaltern (301, 302) getragen sind.

6. Gelenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Antriebsvorrichtungen (12, 71, 80) hy­ draulisch mit Servoventilen (Fig. 3, 78, 81) ange­ trieben sind, welche direkt an den Antriebsvorrich­ tungen (12, 71, 80) angebaut sind, um das Volumen der hydraulischen Flüssigkeit in dem hydraulischen System auf ein Minimum zu reduzieren, wodurch die Beweglich­ keit des Gelenkgetriebes weiter reduziert wird.

7. Gelenkgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Antriebsvorrichtung (80) für die W3-Be­ wegung innerhalb des Gelenkgetriebes getragen ist, wo­ durch die Außenmaße des Gelenkgetriebes reduzierbar sind.

8. Gelenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß es weiterhin Bedienungs- und Signalleitungen (U) umfaßt, die sich von dem ersten Joch (19) bis zu dem Joch (30) erstrecken und die sich von der einen Seite des Joches (19) aus erstrecken und in eine Seite des Joches (30) eintreten, die um etwa 90° versetzt zu der Seite des anderen Joches angeordnet ist, so daß die Bedienungs- und Signalleitungen nicht verwickelt und keinen Wirkraum in Bezug auf den End-Effektor in Anspruch nehmen.

9. Gelenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das erste Joch (19) einen Hauptdreharm (191) be­ sitzt, an dem ein erstes Kegelzahnrad (48) starr an­ gebracht ist und durch den eine Kreuzwelle (201) an den Lagern (205, 206) gehalten ist, wobei die Kreuz­ welle (201) in einer Öffnung in einer oberen Dreh­ welle (203) starr gehalten ist, welche in den Lagern (303) getragen ist, die durch die Lagerhalter (301) der Haupt-Seitenplatte (32) und in Lagern (341, 343) in der Hilfs-Seitenplatte (34) gehalten wird,
• - daß ein zweites Kegelzahnrad (50), das mit dem er­ sten Kegelzahnrad (48) kämmt und durch Lager gehal­ ten ist, welche in die Außenfläche des genannten La­ gerhalters (301) eingepaßt sind, ebenfalls ein er­ stes Segementzahnrad (52) trägt, das sich parallel zu der Haupt-Seitenplatte (32) erstreckt und an die­ ser angreift,
• - daß ein zweites Segmentzahnrad (54) mit dem ersten Segmentzahnrad (52) kämmt und durch ein drittes Kegelzahnrad (58) getragen ist, welches in Lagern dreht, die in die Außenfläche des anderen, mit der genannten Haupt-Seitenplatte (32) integriert ausge­ bildeten Lagerhalters (302) eingepaßt ist,
• - daß eine untere Drehwelle (280) durch die Lager (304) in dem genannten Lagerhalter (302) und in der genannten Hilfs-Seitenplatte (34) gehalten ist,
• - daß ein Achsschenkel (281) starr in einer Öffnung in der genannten unteren Drehwelle (280) getragen ist und senkrecht dazu verläuft, wobei der Achsschenkel (281) das Kegelzahnrad (48) trägt, das mit dem un­ teren Kegelzahnrad (50) kämmt,
• - daß dritte und vierte Segmentzahnrad (40, 42) durch die obere und untere Drehwelle (203, 280) getragen sind und sich parallel zu der Hilfs-Seitenplatte (34) erstrecken,
• - daß die zweite Antriebsvorrichtung (71) an dem er­ sten Joch (19) angebracht ist und mit Dreh-Mitteln (207) zusammenwirkt, die mit der oberen Drehwelle (203) verbunden sind, um das Gelenkgetriebe um eine Achse zu drehen, die mit der Kreuzwelle (201) ko­ inzidiert,
• - daß die dritte Antriebsvorrichtung (80) zwischen das untere Kreuzglied (362) und Drehmittel (208) auf der oberen Drehwelle (203) erstreckt, um das Gelenkge­ triebe um eine Achse drehbar zu machen, die mit der oberen Drehwelle (203) koinzidiert,
• - und daß das sekundäre Joch starr mit dem vierten Kegelzahnrad (48) verbunden ist.