DE3941158C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Handhabungsystem mit einer Handhabungsvorrichtung zur freien Positionierung von Werkzeugen oder dgl., die an einem, aus mehreren Achsel­ ementen zusammengesetzten Handhabungsarm anbringbar sind, wobei wenigstens ein Achselement wechselbar ist, welches mit einem Schlitten in eine Linearführung in einem Grund­ teil des Handhabungsarms verschiebbar ist, mit wenigstens einer Übergabestation, in die die wechselbaren Achsel­ emente linear verschieblich einbringbar bzw. aus ihr ent­ nehmbar sind.

Handhabungssysteme zur freien Positionierung von Handhabungsgeräten, Werkzeugen, Greifern, Schweißeinrich­ tungen, Manipulatoren oder dergleichen mit einem Hand­ habungsarm, an dem die Handhabungsgeräte anbringbar sind, sind allgemein bekannt. Ein Beispiel hierfür sind univer­ sell einsetzbare Industrieroboter, deren Roboterarm eine große Achsanzahl aufweist, die typischerweise zwischen sechs und zehn liegt. Durch entsprechende Programmierung können derartige Handhabungsvorrichtungen eine Reihe von Handhabungsaufgaben ausführen, wobei lediglich Vorausset­ zung ist, daß die Kinematik des Handhabungs- bzw. Roboter­ arms für die jeweilige Handhabungsaufgabe ausreichend ist.

Nachteilig bei bekannten Handhabungsvorrichtungen zur freien Positionierung von Handhabungsgeräten und insbeson­ dere bei Industrierobotern ist jedoch die geringe Wirt­ schaftlichkeit, die aus der Tatsache folgt, daß die uni­ versell einsetzbaren Handhabungsvorrichtungen in der Regel an dem jeweiligen Arbeitsplatz für die spezielle Hand­ habungsaufgabe überdimensioniert sind.

Zur Behebung dieses Nachteils bekannter universell ein­ setzbarer Handhabungsvorrichtungen sind eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden:

Beispielsweise ist es durch ein selbsttätiges Werkzeug- Wechselsystem möglich, daß nacheinander die unterschied­ lichsten Handhabungsgeräte bzw. Werkzeuge (auch als Ef­ fektor bezeichnet) eingewechselt werden, so daß die Hand­ habungsvorrichtung in dem ihr zugeordneten Arbeitsraum nacheinander die unterschiedlichsten Arbeitsinhalte aus­ führen kann. Ein Beispiel hierfür ist die Kabelbaummontage mittels eines Industrieroboters: zunächst bestückt der Industrieroboter mit einem geeigneten Werkzeug die Stec­ kergehäuse-Aufnahmeeinheiten, anschließend verlegt er mit einem anderen Werkzeug die Kabel zwischen den Steckerge­ häusen und bindet dann nach der Beendigung des Verlege­ vorgangs den Kabelbaum mit einem dritten Werkzeug, das er automatisch eingewechselt hat, ab, worauf der Kabelbaum gegebenenfalls mit einem weiteren Werkzeug entnommen wird.

Hierdurch ist es zwar möglich, die universellen Möglich­ keiten der jeweiligen Handhabungsvorrichtung besser auszu­ nutzen, in vielen Anwendungsfällen genügt jedoch die Vari­ ationsmöglichkeit, die durch ein Wechseln des Werkzeugs gegeben ist, nicht. Deshalb ist beispielsweise in dem Artikel "Modulare Industrieroboter", erschienen in Te­ chnica 9/1988, Seite 15-18 vorgeschlagen worden, den Robo­ terarm eines Industrieroboters modular in Art eines Bauka­ stensystems aufzubauen. Durch den modularen Aufbau ist eine leichte Anpassung der Kinematik des Roboterarms mög­ lich, sofern eine Änderung der software-mäßigen Ansteue­ rung des Roboterarms für die neue Handhabungsaufgabe nicht ausreicht. Bei diesen Handhabungsvorrichtungen zur freien Positionierung von Handhabungsgeräten bzw. Werkzeugen erfolgt der Umbau rein manuell. Die Handhabungsvorrichtung wird hierbei mit veränderter Kinematik für jeden Arbeits­ vorgang neu zusammengestellt, ausgerichtet, verschraubt und entsprechend verdrahtet. Aufgrund der Standardisierung der einzelnen Module erhält man zwar ein preiswertes Sy­ stem, der Umrüstvorgang zwischen den einzelnen Hand­ habungsaufgabe ist jedoch zeit- und kostenintensiv.

Weiterhin ist vorgeschlagen worden, Industrieroboter mit einer entsprechenden Zahl von Handachsen verfahrbar auszu­ gestalten. Diese Verfahrmöglichkeit, die im Gegensatz zu den als Nebenachsen bezeichneten Handachsen auch als Hauptachsen bezeichnet werden, erlaubt zwar das Anfahren von Raumpunkte, an denen das Werkzeug im Raum mittels der Handachsen orientiert werden kann, hierdurch wird jedoch der insgesamt für die Handhabungsvorrichtung erforderliche Aufwand nochmals erhöht.

Aus der DE 39 01 655 A1 geht ein Werkzeugsystem mit wech­ selbaren Werkzeug-Elementen hervor, das auch die Grundlage für die Formulierung des Oberbegriffs des Anspruch 1 bildet, und sich insbesondere in der Übergabemechanik des Manipulatorarms von einer Magazineinheit unterscheidet. Es handelt sich hierbei um ein Schlittensystem, das Nachteile in der selbstangetriebenen Werkzeugübergabe aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hand­ habungsystem mit einer Handhabungsvorrichtung zur freien Positionierung von Werkzeugen oder dgl., die an einem, aus mehreren Achselementen zusammengesetzten Handhabungsarm anbringbar sind, wobei wenigstens ein Achselement wechsel­ bar ist, welches mit einem Schlitten in eine Linearführung in einem Grundteil des Handhabungsarms verschiebbar ist, mit wenigstens einer Übergabestation, in die die wechsel­ baren Achselemente linear verschieblich einbringbar bzw. aus ihr entnehmbar sind, und das gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeführt ist, derart weiterzubilden, daß der Umrüst-und Anpaßvorgang wesentlich vereinfacht und automatisiert wird.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, den Achsauf­ bau eines Handhabungsarms einer Handhabungsvorrichtung mittels eines Handhabungsachsen-Wechselsystems selbsttätig variierbar auszugestalten. Damit wird erfindungsgemäß eine Loslösung von einer festumrissenen, "starren" Kinematik eines Handhabungsarms erreicht.

Diese Loslösung wird gemäß der im Anspruch 1 angegebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer gattungsgemäßen Handhabungsvorrichtung dadurch erreicht, daß die Übergabe­ station eine der Linearführung des Grundteils gleichartig ausgebildete Linearführung aufweist, in die der Schlitten des wechselbaren Achselementes mittels eines Antriebs aus der Linearführung des Grundteils überführbar ist.

Aufgrund dieser Ausbildung hat die erfindungsgemäße Hand­ habungsvorrichtung eine Reihe von Vorteilen:

Das selbsttätige Wechseln der einzelnen Achselemente er­ laubt nicht nur eine automatische Variation des Arbeits­ inhaltes der Handhabungsvorrichtung, sondern eröffnet auch die Möglichkeit, den Arbeitsraum der Handhabungsvorrich­ tung zu variieren. Dennoch ist gewährleistet, daß eine leichtgängige ein- oder zweiseitige Aufnahme bzw. Abgabe der einzelnen Achselemente erfolgen kann. Die Verwendung einer Linearführung hat darüber den Vorteil, daß eine spielarme Zentrierung sowie eine schub-, biege- und tor­ sionssteife Verriegelung (Anspruch 4) realisiert werden kann.

Während beim Stand der Technik der Manipulatorarm mit dem wechselbaren Achselement in eine Schlittenführung einer Übergabestation einfährt und nach der Übernahme des Achs­ elements aus einer weiteren Schlittenführung des Achs­ elements herausfährt, positioniert der Manipulator gemäß dem Anmeldungsgegenstand das wechselbare Achselement an der Übergabestation derart, daß die gleichartig ausgebildeten Linearführungen von Grundteil und Übergabestation nahtlos ineinander übergehen, so daß der Schlitten des wechsel­ baren Achselements von einem Antrieb aus der Linearführung des Grundteils in die Linearführung der Übergabestation verschoben werden kann. Der Manipulator selbst verändert dabei seine Position nicht.

Darüber hinaus ist auch eine elektrische, mechanische, pneumatische und/oder hydraulische Schnittstellenkoppelung zur Leistungs- und/oder Datenübertragung möglich (Anspruch 5).

Die Aufnahme bzw. Abgabe der einzelnen Achselemente sowie die Verriegelung bzw. Entriegelung kann dabei durch das Handhabungsgerät oder durch die Peripherie des Handha­ bungsgeräts gesteuert werden.

Darüber hinaus ist es auch möglich, durch den erfindungsge­ mäß angegebenen Aufbau selbsttätig ein Handhabungsgerät, wie ein Werkzeug, einen Greifer, eine Schweißeinrichtung, einen Manipulator oder dgl. an das freie Ende eines an dem Handhabungsarm verbleibenden Teils anzukoppeln oder den Handhabungsarm "als Einheit" beispielsweise von einem stationären Handhabungsgerät "abzukoppeln" und z. B. an eine Verfahreinheit anzukoppeln (oder umgekehrt), so daß der Handhabungsarm zwischen einem stationären Auf­ bau und einem "mobilen Roboter" ausgetauscht werden kann.

Der zum selbsttätigen Wechseln der Achselemente erforder­ liche Antrieb kann selbstverständlich in der stationären Übergabestation vorgesehen sein.

Bevorzugt ist es jedoch, wenn gemäß Anspruch 2 der Antrieb in der Linearführung angeordnet ist, da es dann möglich ist, "passive" Übergabestationen zu verwenden.

In jedem Falle ist es jedoch bevorzugt, wenn der Antrieb einen an dem einen Teil vorgesehenen Zahnriemen aufweist, der in eine entsprechende Ausnehmung in dem anderen Teil eingreift (Anspruch 3).

Selbstverständlich ist es möglich, gemäß Anspruch 6 den Handhabungsarm so auszugestalten, daß er mehrere wechsel­ bare Achselemente aufweist, die jeweils eine Ausbildung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 aufweisen, so daß eine nahezu beliebiger Aufbau des Handhabungsarms selbsttätig realisiert werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all­ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 in Seitenansicht (Fig. 1a) und Aufsicht (Fig. 1b) einen Teil eines erfindungsgemäß ausgebil­ deten Handhabungsarms,

Fig. 2 eine Aufsicht auf drei erfindungsgemäß ausgebil­ dete Handhabungsvorrichtungen.

Fig. 1 zeigt in einer Seitenansicht (Fig. 1a) und einer Aufsicht (Fig. 1b) ein an dem nur teilweise gezeigten Handhabungsarm verbleibendes Teil (1) (im folgenden auch als Grundelement bezeichnet), das an seinem freien Ende eine Linearführung (2) aufweist, in die ein Schlitten (6) einsetzbar ist, der mit einem austauschbaren Teil (8) (i.f. auch als Zusatzachse bezeichnet) des Handhabungsarms verbunden ist.

Das Grundelement (1) weist ferner einen Antrieb auf, von dem in Fig. 1 lediglich ein Zahnriemen (7) dargestellt ist, der in entsprechende Aufnehmungen an dem Schlitten (6) eingreift. Ferner sind Zentrierelemente (3) für den Schlitten (6), Verriegelungselemente (4), die in entspre­ chende Ausnehmungen an dem Schlitten (6) eingreifen, sowie Koppelungselemente (5) zur Leistungs- und/oder Datenüber­ tragung von dem Grundelement (1) auf die Zusatzachse (8) vorgesehen.

Die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten, erfin­ dungsgemäß ausgebildeten Handhabungsarms soll im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher beschrieben werden.

Fig. 2 zeigt einen Arbeitsraum, in dem insgesamt drei Handhabungsvorrichtungen I, II und III angeordnet sind, die jeweils erfindungsgemäß ausgebildete Handhabungsarme aufweisen. Die Handhabungsvorrichtungen I-III arbeiten jeweils an entsprechenden Arbeitsplätzen 11, 12 und 13. Jede der Handhabungsvorrichtungen I-III weist nicht aus­ tauschbare Grundachsen GA sowie Achsen HW auf, die ent­ sprechend Fig. 1 ausgestaltet sind, so daß sie ausge­ tauscht werden können.

Ferner sind zwei Übergabestationen 14 und 15 vorgesehen, die jeweils eine von beiden Seiten "beschickbare" Linear­ führung aufweisen, die entsprechend der in Fig. 1 darge­ stellten Linearführung (2) ausgestaltet ist.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Handha­ bungsvorrichtungen I und III stationäre Roboter, während die Handhabungsvorrichtung II ein auf einer Linearführung (16) verfahrbarer Roboter ist. Der Roboter I übernimmt nur schematisch dargestellte Teile von einer Transporteinrich­ tung (17) und übergibt sie durch eine Linearbewegung sei­ nes Roboterarms an eine weitere Transporteinheit (18), die sie in den Arbeitsraum des Roboters II überführt, der bestimmte Manipulationen ausführt, und sie an einer Sta­ tion (19) ablegt, durch die sie in den Arbeitsraum des Roboters III überführt werden.

Bei einer Änderung der Arbeitsinhalte kann beispielsweise der Roboter I zusätzlich oder anstelle der letzten Linear­ achse eine andere Achse aus der Übergabestation 14 ein­ wechseln. Entsprechendes gilt für den Roboter III, der beispielsweise seine "letzte Rotationsachse" austauschen kann, und die Übergabstation 15, während der Roboter aus beiden Linearführungen (14 und 15) Handhabungsachsen einwechseln bzw. in beide Linearführungen seine beispiel­ haft gezeigte "letzte Linearachse" ablegen kann. Damit ist es möglich, daß die Handhabungsvorrichtungen I-III die für die Durchführung der jeweiligen Handhabungsaufgabe nicht benötigten bzw. nicht geeigneten Zusatzachsen an eine der beiden Übergabestationen (14 bzw. 15) übergeben und gege­ benenfalls aus den Übergabestationen (15 bzw. 14) eine entsprechende Handhabungsachse bzw. Zusatzachse einwech­ seln, die den Handhabungsarm für den neuen Arbeitsinhalt geeignet macht. Hierzu können die Übergabestationen ent­ sprechende Weichen etc. aufweisen, die einen Transport der Achsen ermöglichen. Da die Handhabungsvorrichtung II auf der Linearführung (16) "mobil" ist, kann sie gegebenen­ falls Achselemente zwischen den "stationären" Handhabungs­ vorrichtungen I und III hin- und hertransportieren.

Claims (6)

1. Handhabungsystem mit einer Handhabungsvorrichtung zur freien Positionierung von Werkzeugen oder dgl., die an einem, aus mehreren Achselementen zusammengesetzten Hand­ habungsarm anbringbar sind, wobei wenigstens ein Achse­ lement wechselbar ist, welches mit einem Schlitten in eine Linearführung in einem Grundteil des Handhabungsarms verschiebbar ist, mit wenigstens einer Übergabestation, in die die wechselbaren Achselemente linear verschieblich einbringbar bzw. aus ihr entnehmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergabestation (14, 15) eine der Linearführung (2) des Grundteils (1) gleichartig ausgebildete Linearführung aufweist, in die der Schlitten (6) des wechselbaren Achselementes (8) mittels eines An­ triebs (7) aus der Linearführung (2) des Grundteils (1) überführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (7) in der Linear­ führung (2) des Grundteils angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (7) einen, an dem Grundteil (1) vorgesehenen Zahnriemen aufweist, der in eine entsprechende Ausnehmung des wechselbaren Achsele­ mentes (8) eingreift.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Verriegelungs­ element (4) an dem Grundteil (1) vorgesehen ist, das in ein komplementäres Element an dem wechselbaren Achselement (8) eingreift.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Grundteil (1) Koppe­ lungselemente (5) zur Leistungs- und/oder Datenübertragung vorgesehen sind, die in entsprechende komplementäre Ele­ mente an dem wechselbaren Achselement (8) eingreifen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Handhabungsarm mehrere wechselbare Achselemente aufweist, die jeweils an dem einen Ende eine Linearführung und an dem anderen Ende einen Schlitten aufweisen.