DE3913655C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Knickarm-Schwenkeinrichtung eines Industrieroboters mit drei in Reihe hintereinander geschalteten, in einer gemeinsamen vertikalen Ebene gegeneinander verdrehbaren Hebelgliedern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Knickarm-Schwenkeinrichtung ist aus der GB 20 22 046 A bekannt. Der dort beschriebene Manipulator besitzt gegeneinander verschwenkbare Arme, die untereinander durch Kettentriebe verbunden sind. Der Antrieb erfolgt nur auf den ersten Arm. Dieser Manipulator besitzt einen großen Auslegebereich. Werden solche Manipulatoren jedoch zur Handhabung schwerer Stückgüter verwendet, wie es beispielsweise bei der Entnahme von Gußstücken aus Druck- und Spritzgießmaschinen der Fall ist, dann sind die vom Antrieb aufzubringenden Antriebs- und Abbremskräfte für den Knickarm verhältnismäßig hoch, so daß der Konstruktionsaufwand und auch der Platzbedarf aufwendig wird.

Bei Industrierobotern zum Entnehmen der Gußstücke aus Druck- und Spritzgießmaschinen, ist der zur Verfügung stehende Ar­ beitsraum in der Regel jedoch äußerst eng bemessen. Die für Lineartransporte eingesetzte Roboter mit Knickarm besitzen üblicherweise für jedes einzelne Hebelglied getrennt voneinander regelbare Antriebe. Durch die aufeinander abgestimmte Regelung der einzelnen Antriebe ist es zwar möglich, das freie, als Greifarm für aufzunehmende Werkstücke dienende Hebelglied auf beliebig vorgebbaren und damit auch linearen Horizontalbahnen zu führen. Der notwendige Steuer- und Regelaufwand ist hierbei allerdings verhältnismäßig groß, weshalb solche Einrichtungen äußerst kostspielig und wegen ihres komplizierten Aufbaus auch relativ störanfällig sind. Im rauhen Gießbetrieb sind solche Anlagen daher nicht gerne gesehen.

Aus der GB-PS 12 44 940 ist eine Transfereinrichtung bekannt, die mit mehreren Knickarmen arbeitet. Dort ist eine Sicherheitseinrichtung vorgesehen, die bei Überlast dafür sorgt, daß der Hauptantrieb, z. B. einer Presse, abgeschaltet wird. Diese Transfereinrichtung weist aber ebenso wie der eingangs erwähnte Manipulator keine Möglichkeit zu einem Gewichtsausgleich in verschiedenen Schwenklagen auf.

Die DD-PS 1 45 282 und DD-PS 2 29 952 beschäftigen sich mit solchem Gewichtsausgleich. Zu diesem Zweck sind (DD-PS 1 45 282) vorgespannte Federn vorgesehen, die jeweils an einer Kurvenscheibe angreifen, die dem Drehgelenk des Greiferarmes zugeordnet sind. Dadurch soll ein Gegenmoment erzeugt werden. Mit einer solchen Maßnahme ist es aber nicht möglich, eine Anpassung an unterschiedliche Gewichte vorzunehmen; auch der Herstellungsaufwand ist verhältnismäßig aufwendig und es wird eine zusätzliche Reibung in den Drehgelenken bewirkt, die an sich unerwünscht ist.

Die DD-PS 2 29 952 zeigt einen Manipulator, bei dem ein hydraulischer oder pneumatischer Arbeitszylinder für den Gewichtsausgleich vorgesehen ist. Dieser Zylinder steht unter konstantem Druck und ist so an dem geschwenkten Teil angeordnet, daß er jeweils ein Gegendrehmoment zu dem von der Schwerkraft des Systems ausgeübten Moment bewirkt. Der Ausgleichszylinder beansprucht aber sehr viel Platz, so daß eine solche Konstruktion aus Raumgründen für Entnahmegeräte für Druckgußmaschinen nicht verwendet werden kann. Auch ist eine Anpassung an verschiedene, zu manipulierende Gegenstände nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Knickarm-Schwenkeinrichtung der eingangs genannten Art in möglichst einfacher Weise so auszubilden, daß eine raumsparende Anordnung möglich ist. Dies wird bei einer Knickarm-Schwenkeinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Patentanspruches 1 erreicht. Durch diese Ausgestaltung kann ein Ausgleichsmotor, insbesondere ein Ausgleichszylinder, raumsparend angeordnet und daher auch ohne Schwierigkeiten entsprechend kräftig ausgelegt werden. Es ist darüber hinaus ein Gewichtsausgleich bei Schwenkbewegungen der Knickarm-Anordnung über eine mittlere Totlage nach beiden Seiten hinaus möglich, ohne daß die vorgesehenen Ausgleichsmittel zu aufwendig sind.

Die neue Knickarm-Anordnung eignet sich ganz besonders für Roboter zur Entnahme von Gußstücken, weil hier zum einen die Gußstücke unterschiedliche Gewichte haben können, was durch unterschiedliche Beaufschlagung des Zylinders ausgleichbar ist; zum anderen braucht aber der zur Verfügung stehende Platz für die neue Einrichtung nur sehr gering zu sein. Da eine Schwenkbewegung nach beiden Seiten möglich ist, kann auch ein sehr weiter Führungsweg bei geringem Arbeitsplatz für den Knickarm verwirklicht werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines Industrieroboters mit horizontal verfahrbarer Greifzange,

Fig. 2 die schematische Darstellung des Bewegungsablaufes des angetriebenen ersten Knickarm-Hebelgliedes mit ange­ schlossenem Hilfsantrieb,

Fig. 3 verschiedene Ausschwenklagen des Knickarmes zwischen den möglichen horizontalen Endlagen,

Fig. 4 eine Ansicht auf einen Knickarm in anderer Zuordnung zu dem Robotergrundkörper als in Fig. 1,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Antriebsschwenkachse des ersten Knickarmhebelgliedes nach Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt durch die Gelenkachse zwischen erstem und zweitem Hebelglied nach Linie VI-VI in Fig. 4,

Fig. 7 einen Kräfteplan bezogen auf das erste Hebelglied des Knickarmes sowie des hieran angeschlossenen Hilfsan­ triebes mit Angabe der den Drehmomentenausgleich erklä­ renden Kräftegleichungen.

Bei dem Roboter nach Fig. 1 ist der aus insgesamt drei Hebelgliedern 1, 2, 3 bestehende Knickarm in einem den Antrieb enthaltenden Führungsgehäuse 4 am Vertikalturm 5 des Roboters schwenkbar angebracht. Lediglich das erste Hebelglied 1 ist in seiner durch das Führungsgehäuse 5 bestimmten Schwenkachse D1 durch einen eigenen Antrieb 6 angetrieben.

An dem dritten Hebelglied 3 ist eine Greifzange 7 befestigt, mit der Werkstücke ergriffen werden können. Die einzelnen von dem Antrieb 6 angetriebenen Hebelglieder 1, 2, 3 sind untereinander zwangsgesteuert gelenkig mitein­ ander verbunden.

Die Zwangssteuerung kann durch Zahnriemen, Ketten, Zahnräder oder ähnliche formschlüssig ineinandergreifende Kraftübertragungsmittel erfolgen. Die besten Ergebnisse lassen sich dabei in bezug auf eine hohe Leistungsdichte und Steifigkeit durch Zahnradverbindungen erzielen.

Bei allen Ausführungsarten ist die Zwangssteuerung immer so ausgelegt, daß die Achse der Greifzange 7 auf einer horizontalen Bahn in der gemeinsamen Schwenkebene der einzelnen Knickarmglieder verfahrbar ist. Die Greifzange 7 selbst hält bei dieser Führung ihre eigene horizontale Ausrichtung ebenfalls konstant bei. Die möglichen maximalen Endlagen der Greifzange 7 in der horizontalen Verschiebe­ ebene sind in der Fig. 3 mit A und B markiert. Mit Y ist dort die Lage angegeben, in der sämtliche Hebelglieder 1, 2, 3 sich mit der vertikalen Roboterachse decken. Diese Achse wird zu beiden Seiten überfahren, wodurch das raum­ sparende Arbeiten des Knickarmes besonders begünstigt wird. Der Winkel alpha gibt die maximale Auslenkung des ersten Hebelgliedes 1 um dessen Antriebsachse D1 an. Dieser Maximalwinkel ist anlagemäßig durch externe Endanschläge begrenzt.

Der Aufbau des zwangsgesteuerten Antriebs der Hebelglieder 1, 2, 3 und dessen Funktion werden nachfolgend an dem Beispiel eines Kettenantriebes beschrieben.

Ein in dem Führungsgehäuse 4 des Roboters angeordneter Antrieb 6 verschwenkt über eine fest mit dem ersten Hebelglied 1 verbundene Welle 8 dieses erste Hebelglied 1 um die Antriebsachse D1. Die Drehung des ersten Hebel­ gliedes 1 erfolgt um eine fest mit dem Führungsgehäuse 4 verbundene Lagerbüchse 9. Innerhalb des Hebelgliedes 1 ist auf dieser Lagerbüchse 9 ein Zahnkranz 10 fest aufgesetzt. In der Schwenkachse D2, in der das zweite Hebelglied 2 angelenkt ist, lagert innerhalb des Gehäuses des Hebel­ gliedes 1 drehbar ein weiterer Zahnkranz 11, der über eine Kette 12 mit dem ersten Zahnkranz 10 verbunden ist.

Der zweite Zahnkranz 11 treibt über eine fest mit diesem und dem zweiten Hebelglied 2 verbundene Welle 13 das Hebelglied 2 zwangsgesteuert an. Das für eine Führung des Hebelgliedes 2 mit dessen Schwenkachse D3, an der das dritte Hebelglied 3 angelenkt ist, in einer Horizontalebene erforderliche Übersetzungsverhältnis wird über das Zähne­ verhältnis der Zahnkränze 10 und 11 eingestellt.

Der Antrieb des Hebelgliedes 3 mit der Greifzange 7 erfolgt wiederum durch eine Kette 14 nach dem gleichen Antriebs­ prinzip, wie es zwischen den Hebelgliedern 1 und 2 praktiziert ist.

Auf die vorbeschriebene Weise ist eine Zwangssteuerung der einzelnen Hebelglieder des Knickarms recht einfach, wirkungsvoll und störungsunanfällig möglich.

Um den Antrieb 6 des ersten Hebelgliedes 1 von den Lastmomenten des gesamten Knickarmsystems frei zu halten, ist ein Hilfsantrieb 15 vorgesehen.

Aufbau und Funktion des hier beispielsweise gezeigten Hilfsantriebes sind wie folgt.

Das erste Hebelglied 1 ist an dem der Schwenkachse D2 entgegengerichteten Ende über die Antriebsachse D1 hinaus durch eine angeformte Schwinge 16 verlängert. An das freie Ende dieser Schwinge 16 ist über einen Zusatzhebel 17 als Hilfsantrieb ein pneumatischer Stellmotor, bestehend aus einem Steuerzylinder 18 und einer darin geführten Kolbenstange 19, angelenkt.

Die Antriebskraft für den Hilfsmotor 15 wird so ausgelegt und konstant für alle Schwenklagen der Hebelglieder 1, 2, 3 aufrechterhalten, daß unter der Annahme, die Gewichte der zweiten und dritten Hebelglieder 2, 3 einschließlich des Gewichtes der Greifzange 7 und eines von ihr gehaltenen Werkstückes griffen als einheitliches Gewicht G idealisiert an der Schwenkachse D2 an, Momentengleichgewicht um die Antriebsachse D1 besteht. Von dem Antrieb 16 ist in diesem Fall lediglich noch die für den Bewegungsablauf des Knick­ armsystems erforderliche Beschleunigungsenergie aufzu­ bringen. Von den Lastenmomenten ist der Hauptantrieb 16 dagegen auf diese Weise vollkommen entlastet.

Der aus Steuerzylinder 18 und Kolbenstange 19 bestehende Hilfsantrieb ist zweckmäßigerweise aus Platzersparnis­ gründen lotrecht zur Antriebsachse D1 angebracht. Dadurch kann der Hilfsantrieb 15 komplett ohne großen Aufwand direkt in dem Vertikalturm 5 des Roboters untergebracht werden. Hierdurch sind sämtliche beweglichen Teile dieses Hilfsantriebes automatisch ohne zusätzlichen Aufwand vor Störungen durch den üblicherweise rauhen Gießbetrieb, in dem die erfindungsgemäßen Schenkarmsysteme bevorzugt eingesetzt werden sollen, sicher geschützt.

Eine konstante Antriebskraft des Hilfsantriebes 15 zur Erzeugung des beschriebenen Gewichtsausgleichsmomentes über alle Schwenklagen der einzelnen Hebelglieder 1, 2, 3 hinweg läßt sich nur unter Einhaltung ganz spezieller Abmessungs­ verhältnisse in bezug auf die Längen des Hebelgliedes 1, der Schwinge 16 und des Zusatzhebels 17 erreichen bei einer gleichzeitigen lotrechten Ausrichtung des Hilfsantriebes 15 in der Antriebsachse D1.

Die mathematischen Grundlagen für diese Auslegung ergeben sich aus dem in Fig. 7 eingetragenen Kräfteplan. In den dort angegebenen aus dem Kräfteplan abgeleiteten Gleichungen (1) bis (6) ist entnehmbar, wie die Hilfsantriebskraft zu ermitteln ist und weshalb sie konstant bleiben kann. Eine Voraussetzung für diese Auslegungsart ist allerdings, daß die in dem Kräfteplan mit 14 eingetragenen Längen zwischen den Schwenkachsen D4 und D1 einerseits sowie D4 und D5 andererseits gleich groß sind.

Durch die idealisierte Ansetzung der Gewichte der sich an das Hebelglied 1 in der Schwenkachse D2 anschließenden weiteren Hebelglieder mit ggf. einem Werkstück an der Greifzange 7 existiert kein über alle Schwenklagen exakter Lastmomentenausgleich. Dies läßt sich jedoch als Vorteil ausnutzen, wenn die Antriebskraft des Hilfsantriebes 15 auf das für ein bestimmtes Werkstück und zugehöriges Greif­ zangengewicht maximale Lastmoment ausgelegt wird. Denn in diesem Fall erzeugt der Hilfsantrieb bei einer Verklei­ nerung des Schwenkwinkels alpha eine Überschußkraft. Diese Überschußkraft wirkt wiederum auf die Hebelglieder in erwünschter Weise beschleunigend, solange sich die Hebel­ glieder auf dem Wege in ihre lotrechte Lage Y bewegen. Überschreiten die Hebelglieder diese lotrechte Stellung in Richtung auf ihre horizontal entgegengerichtete Endlage, so wirkt die Überschußkraft des Hilfsantriebes 15 verzögernd. Beide Wirkungsweisen sind in dieser Reihenfolge erwünscht und angestrebt, wenn ein Werkstück von der Greifzange 7 in einer Schwenkendlage A aufgenommen und in der entgegen­ gesetzten Schwenkendlage B abgelegt werden soll. Auf diese Weise wird der ohnehin nur Massenbeschleunigungskräfte aufbringende Hauptantrieb noch zusätzlich entlastet. Der Hilfsantrieb 15 übt also bei einer solchen Auslegung lediglich bei den äußersten Schwenkendlagen A und B der Hebelglieder 1, 2, 3, wenn diese am weitesten vom Drehpunkt D1 entfernt sind, ausschließlich eine Gewichtskompensa­ tionsfunktion aus. In den Zwischenlagen wirkt der Hilfs­ antrieb dagegen in erwünschter Weise beschleunigend (Weg von A nach Y) bzw. verzögernd (Weg von Y nach B).

Die Hilfsantriebsenergie ist bei gleichbleibenden Hebel­ gliedern nur zu verändern, wenn Werkstücke unterschiedli­ chen Gewichts, für die teilweise auch unterschiedlich schwere Greifzangen erforderlich sind, transportiert wer­ den sollen. In diesen Fällen ist die Hilfsantriebskraft jeweils einmal den veränderten Bedingungen anzupassen; kann dann aber wieder - solange die Werkstückgewichte gleich bleiben - auf dem neu eingestellten Wert konstant verbleiben.

Claims (3)

1. Knickarm-Schwenkeinrichtung eines Industrieroboters mit drei in Reihe hintereinander geschalteten in einer gemeinsamen vertikalen Ebene gegeneinander verdrehbaren Hebelgliedern, von denen das an einem ersten Ende der Hebelgliederkette liegende erste Hebelglied um einen ortsfesten Drehpunkt verschwenkbar ist und das dritte an dem anderen Ende liegende Hebelglied in einer horizontalen Ebene in Richtung auf die Schwenkachse des ersten Hebels bewegbar ist, wobei die zweiten und dritten Hebelglieder (2, 3) von dem Antrieb (6) des ersten Hebelgliedes (1) durch formschlüssig von Hebelglied zu Hebelglied ineinandergreifende Kraftübertragungsmittel (12, 14) zwangsgesteuert sind, insbesondere für einen Industrieroboter zum Entnehmen der Gußstücke aus Druck- und Spritzgießmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkantrieb (6) des ersten Hebelgliedes (1) von dem Gewicht der Hebel (1, 2, 3) und eines ggf. an dem dritten Hebelglied (3) lastenden Werkstückzusatzgewichtes durch einen Hilfsantrieb (15) entlastet ist und daß dieser Hilfsantrieb ein lotrecht ausgerichteter, mit seiner Stellachse die Schwenkachse (D1) des ersten Hebels (1) schneidender Stellmotor ist, an den ein Zusatzhebel (17) in der lotrechten Ebene der Haupthebel (1, 2, 3) mit seinem ersten Ende drehbar (Achse D5) angelenkt ist, während das zweite Ende dieses Zusatzhebels (17) an einer Stelle (Achse D4) des ersten Hebels (1) drehbar angelenkt ist, die in Bezug auf dessen Antriebsschwenkachse (D1) an dessen der Anlenkachse (D2) für den zweiten Hebel (2) entgegengesetzten Ende liegt, und daß die Anlenkachse (D4) des Zusatzhebels (17) an dem ersten Hebel (1) den gleichen Abstand (14) von der Schwenkachse (D1) einerseits und der Anlenkachse (D5) an dem Stellmotor andererseits besitzt.

2. Knickarm-Schwenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor ein hydraulich oder pneumatisch angetriebener Kolben in einem Steuerzylinder (18) ist, dessen Kolbenstange (19) am Zusatzhebel (17) angelenkt ist.

3. Knickarm-Schwenkeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerzylinder (18) mit einer konstanten pneumatischen oder hydraulischen Kraft (P) beaufschlagt ist, die ein Momentengleichgewicht des Hebelgliedes (1) um dessen Antriebsachse (D1) erzeugt.