DE3832114A1 - Werkzeug fuer einen industrieroboter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug für einen In­ dustrieroboter gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Industrieroboter finden zunehmend Anwendung bei den ver­ schiedensten Automatisierungsproblemen. Die derzeitige Bauweise von Industrierobotern zeichnet sich durch die Kombination von Linear- und Rotationsachsen aus. Die ein­ zelnen Achsen, d.h. die einzelnen Linear- bzw. Rotations­ freiheitsgrade, sind zu einer Kinematikkette aneinander­ gereiht. Am Ende des Roboterarms befindet sich die soge­ nannte Handachse, an der das jeweilige Werkzeug ange­ flanscht ist.

Für normale Montageaufgaben werden überwiegend Roboter mit 4 bis 6 Achsen verwendet.

Es gibt jedoch eine Reihe von Handhabungsaufgaben, die von üblichen Industrierobotern mit einem Roboterarm nicht durchgeführt werden können. Ein Beispiel hierfür ist das Einsetzen eines Teils in eine zugehörige Aufnahme-Ausneh­ mung, beispielsweise eines Bolzens in ein entsprechendes Bolzenloch, wobei gleichzeitig ein Zusatzteil, beispiels­ weise eine Beilagscheibe positioniert werden muß.

Für derartige Montage- bzw. Handhabungsanforderungen, bei denen mehrere Handachsen notwendig sind, werden in der Regel mehrere Roboter verwendet oder es kommen Spezial- Industrieroboter, die insbesondere in der sogenannten Portalbauweise ausgeführt sein können, zum Einsatz.

Eine Möglichkeit, ein Teil und gleichzeitig ein Zusatz­ teil mit einem herkömmlichen Industrieroboter mit einer einzigen Handachse getrennt und frei positionierbar zu handhaben, ist derzeit nicht bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, herkömmliche Industrieroboter mit einer einzigen Handachse derart wei­ terzubilden, daß sie für komplexe Handhabungsaufgaben, bei der wenigstens 2 Teile unabhängig voneinander positioniert werden müssen, verwendbar sind.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einem Werk­ zeug gelöst, das an den letzten Armteil, d.h. die Hand­ achse des Industrieroboters anflanschbar ist.

Erfindungsgemäß weist das Werkzeug eine Linearverschiebe­ einheit auf, deren Verschiebungsrichtung in der Achse des letzten Armteils liegt, und die an den Werkzeugflansch des Industrieroboters anflanschbar ist. An dem Schlitten der Linearverschiebeeinheit ist wenigstens ein Werkzeug- Armteil um eine zur Achse der Linearverschiebeeinheit parallele erste Schwenkachse schwenkbar angelenkt.

Sowohl am vorderen Ende der Linearverschiebeeinheit als auch an dem Werkzeug-Armteil sind Handhabungselemente an­ bringbar.

Mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug ist es möglich, einen Industrieroboter in herkömmlicher Bauweise mit einer zu­ sätzlichen Handachse zu versehen. Erfindungsgemäß besteht diese Handachse aus einer bis zu dreiachsigen Knickarm- Kinematik, die an die herkömmliche Handachse angeflanscht ist.

An der herkömmlichen Handachse kann entweder ein zweiter Greifer oder ein zusätzliches Werkzeug installiert werden.

Im ersteren Falle lassen sich komplexe Montagevorgänge, bei denen gleichzeitig zwei Teile zu montieren sind, und die derzeit ausschließlich mit zwei Robotern durchge­ führt werden können, mit nur einem herkömmlichen In­ dustrieroboter, beispielsweise einem einfachen Knickarm­ roboter realisieren.

Damit entsteht im Vergleich zu mehrachsigen Portalrobotern ein deutlicher Kostenvorteil.

Im zweiten Falle, d.h. bei der Installierung eine zusätz­ lichen Werkzeugs ist es möglich, die Handhabung eines Teils mit dessen Befestigung (Schrauben, Nieten, Schweißen, etc.) in einem einzigen Gerät zu kombinieren. Damit ist in Analogie zur menschlichen "Zweiarmmontage" ein Halten und Befestigen möglich.

Durch das erfindungsgemäße Werkzeug, mit dem eine zusätz­ liche "Knickarm-Kinematik" an den Standard-Wechselflansch eines Industrieroboters angeflanscht wird, ergeben sich eine Reihe von Vorteilen:

Durch das erfindungsgemäße Werkzeug ist gewährleistet, daß sich die beiden Handachsen grundsätzlich in nur einer Handhabungsebene befinden, die durch die restliche Robo­ terkinematik, d.h. die restlichen Achsen im Raum frei positioniert werden kann. Damit ergibt sich eine wesent­ liche steuerungstechnische Vereinfachung im Vergleich zur Montage mit zwei Industrierobotern, da die Kollisions­ problematik nicht softwaremäßig, sondern rein mechanisch gelöst werden kann.

Im Vergleich zu bekannten Portal- bzw. Linearschienenge­ räten ergibt sich der weitere Vorteil, daß die zusätzliche Handachse des erfindungsgemäßen Werkzeugs einen von der herkömmlichen Handachse nicht eingeschränkten Arbeitsraum besitzt, da die zusätzliche Handachse "in Polarkoordina­ ten" um den Roboterarm beweglich ist, und im Gegensatz zu bekannten mehrachsigen Geräten eine gemeinsame Linearachse für mehrere Handachsen aufweist.

Für die Verbindungstechnik in der Montage ergibt sich als weiterer Vorteil, daß Werkstückträger bzw. Vorrichtungen zur Positionierung von Zusatzteilen entfallen können, da die herkömmliche Handachse die Funktion des Positionierens und das zusätzliche Werkzeug die Funktion des Befestigens (oder umgekehrt) übernehmen kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, deren einzige Figur eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Roboterarms und eines erfindungsgemäßen Werk­ zeugs zeigt:

In der Figur ist von dem Industrieroboter, an dem das erfindungsgemäße Werkzeug angeflanscht wird, lediglich das Endstück des letzten Armteils, d.h. der Handachse (1) zu sehen, die einen üblichen Werkzeugflansch (2) trägt.

Das erfindungsgemäße Werkzeug weist einen entsprechenden Gegenflansch (3) auf. Somit wird das gesamte Werkzeug in­ klusive eines an ihm in der Verlängerung der Handachse (1) angebrachten Greifers (4) entsprechend der Bewegung der Handachse (1) positioniert.

Zwischen Gegenflansch (3) und Greifer (4) befindet sich eine Linearverschiebeeinheit, die aus einem Armteil (5) und einem längs des Armteils (5) verschiebbaren und als Hülse ausgebildeten Schlitten (6) besteht. Mittels eines nicht näher dargestellten Linearantriebs ist die Hülse (6) in Richtung der Achse des Armteils (5), also in Fügerich­ tung verschiebbar. Ferner ist die Hülse (6) auf dem Arm­ teil (5) drehbar gelagert, so daß diese insgesamt zwei Bewegungs-Freiheitsgrade hat. Fest mit der Hülse (6) ist ein erster Basisarm (7) des erfindungsgemäßen Werkzeugs verbunden, der ein Drehgelenk (8) trägt, dessen Drehachse parallel zur Verschiebeachse bzw. zur Drehachse der Hülse (6) ist. An dem Drehgelenk (8) ist ein zweiter Basisarm­ teil (9) des erfindungsgemäßen Werkzeugs befestigt, der einen üblichen Werkzeugwechselflansch (10) trägt, an dem ein Werkzeug (11) mit einem entsprechend ausgebildeten Gegenflansch befestigt werden kann.

Das erfindungsgemäße Werkzeug arbeitet wie folgt:

Da es über den Flansch (3) mit dem Werkzeugwechselflansch (2) des Industrieroboters verbunden ist, wird über diese Schnittstelle die Energieversorgung (elektrische, hydrau­ lische und/oder pneumatische Energie) und die Verbindung der Steuersignale sowie gegebenenfalls der Sensorsignale bei einem mit Sensoren ausgerüsteten Werkzeug hergestellt.

Da ferner der erste Basisarmteil (7) mittels des Linearan­ triebs längs des Armteils (5) verschoben und die Hülse (6) gedreht werden kann, ergibt sich für den Werkzeugwechsel­ flansch (10) eine Zweiarmkinematik, die einem getrennten Scara-Roboter gleicht und die den herkömmlichen Industrie­ roboter um eine Handachse erweitert. Dabei ist es bevor­ zugt, wenn der Drehantrieb für die Basisarmteile (7 und 9) fest auf der Hülse (6) befestigt ist und eine direkte Drehmomentabstützung auf dem Armteil (5) hat, so daß eine Rotation um 360° um die Achse des Armteils (5) möglich ist.

Über den Wechselflansch (10) wird das Werkzeug (11) in be­ kannter Weise mit Energie (elektrische, hydraulische und/ oder pneumatische Energie) sowie mit Steuersignalen ver­ sorgt, während Sensorsignale vom Werkzeug (11) zur (nicht dargestellten) Industrieroboter-Steuerung über­ tragen werden können.

Selbstverständlich ist es notwendig, das Steuerprogramm des Industrieroboters um wenigstens zwei Koordinatenwerte zu erweitern. Diese Erweiterung kann als separates Steuer­ modul erfolgen, da die gesamte zusätzliche Kinematik sich grundsätzlich in einer Ebene bewegt und diese durch die bestehende Handachse gehandhabt und somit gesteuert wird.

Weiterhin ist es auch möglich, die zusätzliche Kinematik in die Roboterkinematik zu "integrieren", so daß das Steuerprogramm so aufgebaut ist, als würde es sich um einen acht- bzw. neunachsigen Roboter mit einer zusätz­ lichen Skara-Kinematik handeln.

Der Axialhub der Linearverschiebeeinheit (5, 6) kann frei programmierbar sein oder aber rein pneumatisch oder hy­ draulisch auf Anschlag eingestellt werden. In jedem Falle ist dieser Axialhub für die Zuführung eines Werkzeugs in Fügerichtung oder zur Greifbewegung durch einen zusätz­ lichen Greifer erforderlich.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge­ dankens beschrieben worden, innerhalb dessen selbstver­ ständlich die verschiedensten Abwandlungen möglich sind:

So ist es jederzeit möglich, am Ende des Armteils (5) - anders als in der Figur dargestellt - einen herkömmlichen Werkzeugwechselflansch anzubringen, mit dem das Werkzeug (4), das selbstverständlich nicht nur ein Greifer, sondern jedes beliebige Werkzeug sein kann, mit dem Armteil (5) verbunden wird. In jedem Falle ist jedoch sicherzustellen, daß über den Werkzeugwechselflansch (2) und den Gegen­ flansch (3) der erforderliche Signal-Austausch zwischen dem Werkzeug (4) und der Steuerung des Industrie-Roboters sowie die Energieversorgung des Werkzeugs (4) ge­ währleistet ist.

Auch kann der zusätzliche "Roboterarm" anders als darge­ stellt aufgebaut werden, solange nur gewährleistet ist, daß dieser Roboterarm ein Werkzeug derart führen kann, daß es mit dem in der Verlängerung der Handachse angebrachten Werkzeug "zusammenarbeiten" kann. In jedem Falle ist es von Vorteil, wenn das erfindungsgemäße als anflanschbares Werkzeug ausgebildete Erweiterungsmodul für Industrie­ roboter aus folgenden Kinematikelementen besteht:

Einer Linearverschiebeeinheit, die eine Verschiebung in Richtung der herkömmlichen Handachse ermöglicht, wobei der Axialhub frei programmierbar oder auf Anschlag erfolgen kann. Dieser Hub in Axialrichtung ist für die Zuführung eines Werkzeugs in Fügerichtung oder zur Greifbewegung durch einen zusätzlichen Greifer erforderlich.

Eine Rotationsachse um die Linearverschiebeeinheit, die eine Bewegung um die herkömmliche Handachse gewährleistet.

Eine zweite Rotationsachse in Verlängerung des Arms der ersten Rotationsachse, so daß mit der entstehenden Zwei­ arm-Kinematik jeder Punkt innerhalb eines bestimmten Ra­ dius um die herkömmliche Handachse in Polarkoordinaten angefahren werden kann, wobei am Ende dieses Armes das zusätzliche Werkzeug angebracht ist.

Claims (8)

1. Werkzeug für einen Industrieroboter, der einen mehr­ teiligen (mehrachsigen) Roboterarm und eine Steuereinheit aufweist, die die Relativposition der einzelnen Armteile zueinander steuert, und dessen letzter Armteil einen Werk­ zeugflansch trägt, an dem das Werkzeug anflanschbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• - das Werkzeug weist eine Linearverschiebeeinheit (5, 6) auf, deren Verschiebungsrichtung in der Achse des letzten Armteils (1) liegt, und die an dem Werkzeugflansch (2) des Industrieroboters anflanschbar ist,
• - an dem Schlitten (6) der Linearverschiebeeinheit ist we­ nigstens ein Werkzeug-Armteil (7, 9) um eine zur Achse der Linearverschiebeeinheit parallele erste Schwenkachse schwenkbar angelenkt,
• - sowohl am vorderen Ende der Linearverschiebeeinheit (5, 6) als auch an dem Werkzeug-Armteil sind Handhabungs­ elemente (4, 11) anbringbar.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeug-Armteil ein zwei­ teiliger Arm ist, dessen Armteile (7,19) über ein Schwenk­ gelenk (8) mit einer zweiten Schwenkachse verbunden sind, die parallel zur Achse der Linearverschiebeeinheit (5, 6) ist.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schwenkachse mit der Achse der Linearverschiebeeinheit (5, 6) zusammenfällt.

4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten der Linearver­ schiebeeinheit (5, 6) eine Hülse (6) ist, die um einen am Werkzeugflansch (2) des Industrieroboters (1) angebrachten Armteil (5) drehbar und längs dieses Armteils (5) ver­ schiebbar ist.

5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl am Ende des Werkzeug- Armteils (7, 9) als auch am vorderen Ende der Linearver­ schiebeeinheit (5, 6) an sich bekannte Werkzeug-Wechsel­ flansche (10) vorgesehen sind.

6. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Werkzeug-Wechselflansche (10) mit dem Werkzeug-Wechselflansch (2) des Industriero­ boters (1) funktionell verbunden sind, und daß die Ener­ gieversorgung sowie die Beaufschlagung mit Steuersignalen der Handhabungselemente (4, 11) über den Werkzeug-Wechsel­ flansch (2) des Industrieroboters (1) erfolgt.

7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit des In­ dustrieroboters (1) auch die Relativpositionierung der einzelnen Teile (6, 7, 9) des Werkzeugs steuert.

8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das am Ende der Linearver­ schiebeeinheit (5, 6) angebrachte Handhabungselement (4) und das an dem Werkzeug-Armteil (7, 9) angebrachte Hand­ habungselement (11) funktionell aufeinander abgestimmt sind.