DE4126032C2

DE4126032C2 - Motorisch antreibbares Bearbeitungsgerät, insbesondere für einen Roboter geeignete Schleif- oder Fräsvorrichtung mit einer sensorischen Kraft- und/oder Drehmoment-Erfassung

Info

Publication number: DE4126032C2
Application number: DE19914126032
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ziegler; Bert Kinzius; Peter Stuckwisch
Original assignee: ZIEGLER WOLFGANG 40476 DUESSELDORF DE
Current assignee: ZIEGLER WOLFGANG 40476 DUESSELDORF DE
Priority date: 1991-08-06
Filing date: 1991-08-06
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2011-08-07
Also published as: DE4126032A1

Description

Die Erfindung betrifft ein motorisch antreibbares Bearbeitungsge rät, insbesondere eine für einen Roboter geeignete Schleif- oder Fräsvorrichtung mit einer sensorischen Kraft- und/oder Drehmoment-Erfassung nach dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Sensoren haben insbesondere in der Robotertechnik zunehmend grö ßere Bedeutung. Sie lassen sich entweder in nichttaktile, also be rührungslose, und taktile Sensoren einordnen, d. h. Sensoren, die einen mechanischen Kontakt zwischen Umgebung und Roboter erfor dern. Taktile Sensoren dienen zur Erfassung der unmittelbaren dynamischen und statischen Relation zwischen Hand oder Werkzeug und dem zu bearbeitenden Objekt. Vor allem die Steuerung eines Robo ters kann sehr wirkungsvoll dann vorgenommen wer den, wenn Sensoren zur Messung der Kräfte zwischen Roboterarm und dessen Hand, dessen Bearbeitungswerkzeug oder -kopf herangezogen werden können.

Ein für diese Einsatzzwecke grundsätzlich geeigneter taktiler Sen sor ist beispielsweise aus der DE 38 36 003 A1 bekannt geworden, auf deren Offenbarungsgehalt in vollem Umfange Bezug genommen wird.

Dieser vorbekannte taktile Sensor zeichnet sich dadurch aus, daß er einen Sensor-Aufnehmer aufweist, welcher von einem Sensor- Träger getrennt ausgebildet und über mehrere Federn am Träger aufgehängt ist. Die Federn sind sternförmig in einer Federebene angeordnet und austauschbar, wodurch sich die Nachgiebigkeit des Systems (Compliance) in großen Bereichen frei wählen läßt. Die Kraft- und/oder Drehmoment-Meßsignale können in geeig neter Weise abgegriffen werden, wobei entsprechend dem vorbe kannten Stand der Technik eine Meßanordnung mittels Lichtschran ken erfolgt, in welche sog. Blenden oder Fähnchen eintauchbar angeordnet sind. Je nach Auslenkung tauchen diese Blenden oder Fähnchen mehr oder weniger tief in die Lichtschranken ein, so daß darüber ein analoges Kraft- und/oder Drehmomentsignal hysteresefrei erzeugbar ist.

Der in der vorstehend genannten Veröffentlichung abgehandelte taktile Sensor kann beispielsweise dann auch für eine Schleif- und Fräseinrichtung benutzt werden, wenn dem so aufgebauten taktilen Sensor, der vorzugsweise im Handgelenk des Roboters angeordnet ist, ein entsprechend motorisch antreibbares Bearbeitungsgerät nachgeordnet ist.

Dieser Aufbau hat aber einen grundsätzlichen Nachteil. Denn bei einer derartigen Ausführungsform wird dann die gesamte Masse des motorisch antreibbaren Werkzeuges durch die sensorische Kraft- und/oder Drehmoment-Erfassungseinheit mitgetragen. Dies erfordert zum einen eine entsprechende Dimensionierung der Sen sor-Tragelemente und der Sensorteile und führt zum anderen zu Verfälschungen des Meßergebnisses. Denn je größer das über den Sensor abgestützte und getragene Gewicht des gesamten motorisch antreibbaren Werkzeuges ist, desto größer ist auch der Einfluß der Schwerkraft, die wiederum von der Lage des motorisch an treibbaren Werkzeugs im Raum abhängt. Hierdurch werden stets Meßsignale erzeugt, die gegenüber dem tatsächlich gewünschten "wahren" Meßsignal verfälscht sind. Schließlich wird mit Zunahme der Masse im Falle einer Auslenkung der Masse die schwingungs freie Bearbeitung des Werkstückes ebenfalls zunehmend schwieriger.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher, ein moto risch antreibbares Bearbeitungsgerät, insbesondere eine für einen Roboter geeignete Schleif- oder Fräsvorrichtung, mit einer sensorischen Kraft- und/oder Dreh momenterfassung zu schaffen, bei der der Schwerkrafteinfluß des Gerätes und damit die Gefahr einer Verfälschung des Sensor-Meß signals verringert wird und mögliche Schwingungen des Bearbei tungskopfes im Arbeitseinsatz minimiert werden. Dabei soll eine vom Prinzip her einfache Meßwerterfassung möglich sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der vorliegenden Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß sich Lageänderungen des insbesondere in Form eines Fräs- oder Schleifwerkzeuges bestehenden Bearbeitungsgerätes im Raum durch den bestehenden Schwerkrafteinfluß nur gering auf die abgegebe nen Meßsignale auswirken. Dies wird durch den spezifischen Auf bau möglich. Vor allem auch durch die geringe ausgelenkte Mas se, abgekoppelt vom Antrieb und der Meßeinheit, werden die mögli cherweise auftretenden Schwingungen minimiert und dadurch die erzielbaren Meßwerte verbessert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich zur Messung der Kraft- und/oder Drehmomentvektoren in sechs Freiheitsgraden, wo bei allerdings erfindungsgemäß die Drehmomenterfassung in Rich tung des Z-Vektors, d. h. der Antriebsachse, durch die Antriebs einrichtung selbst aufgehoben wird. Damit ist es also möglich, beim Aufbau eines rückgekoppelten Systems insbesondere für eine Roboter-Oberflächenbearbeitungsvorrichtung, wie z. B. eine Schleif- oder Fräsvorrichtung, Werkstücke mit unregelmäßige Oberfläche in fünf Freiheitsgraden zu bearbeiten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen im enzelnen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemä ßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine perspektivische ebenfalls vereinfachte Darstel lung einer Sensor-Meßwert-Erfassungseinheit; und

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Erfassung der Kraft- und/oder Drehmoment-Signale.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Schleifgerätes erläu tert.

Das in Fig. 1 in Form eines Schleifgerätes ausgebildete Bearbeitungsgerät 1, welches insbesondere zur Anwendung für einen Roboter geeignet ist, umfaßt einen Tragrahmen 3, gegebenenfalls einschließlich eines zugehörigen Gehäuses 4, mit einem integrierten Antrieb 5, wel cher im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem pneumatischen Antrieb besteht. Über einen Zuführstutzen 7 und einen Ein laßstutzen 9 und eine in der Zeichnung nicht darge stellte zwischengeschaltete Schlauchverbindung kann von dem ex ternen Zuführungsanschluß Luft zum Betrieb des pneumatischen Antriebes 5 zugeführt werden.

Der pneumatische Antrieb 5 ist im Tragrahmen 3, d. h. im zugehö rigen Gehäuse 4, fest verankert und getragen.

Vom Antrieb 5 ragt nach unten hin eine Antriebswelle 11 vor, die über eine allseits frei drehbare Überbrückungskopplung 13 mit einer nachfolgenden Sensorwelle 15 verbunden ist, wodurch der Arbeitsstrang gebildet wird. Die Überbrückungskopplung 13 braucht entsprechend dem Einsatzfall nur um eine bestimmte Win kelgröße sowohl in X- als auch in Y-Richtung, also jeweils quer zu der in Z-Richtung angeordneten Antriebswelle 11, aus lenkbar sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Über brückungskopplung 13 aus einem längs- und querelastischen Ver bindungsstück bestehen, welches in einer vor- wie nachgelagerten Einspannstelle 17 eingespannt und gehalten ist, um eine Rota tionsverbindung zwischen Antriebswelle 11 und Sensorwelle 15 zu gewährleisten. Die Einspannstelle 17 besteht vorzugsweise aus einem kardangelenk- oder doppelkreuzgelenkähnlichen Gelenk, wobei zumindest an einer Einspannstelle eine oder an beiden Einspann stellen jeweils eine in Längsrichtung verstellbare Ausgleichsmuffe zum Ausgleich einer Axialverstellung der Sensorwelle 15 vorgese hen ist bzw. sind.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel schließt sich an den oberen Tragrahmen 3 bzw. an das obere Gehäuse 4 der entsprechende Tragrahmen 3 bzw. das entsprechende Gehäuse 4′ einer sensorischen Kraft- bzw. Drehmoment-Erfassungseinheit 21, kurz Sensor-Einheit 21 genannt, an, die eine rohrförmige Wellenführung 23 aufweist, in welcher die Sensor welle 15 in Axialrichtung unverschieblich geführt und gelagert ist. Dazu ist bevorzugt am oberen Ende der rohrförmigen Wellen führung 23 ein geeignetes Lager 22 (Fig. 1), beispielsweise ein Gleitla ger, und am unteren Ende ein weiteres Lager 27, beispielsweise ein Kugellager, vorgesehen.

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist am unteren Ende der rohrförmigen Wellenführung 23 ein Kopplungsanschluß 29 vor gesehen, an welchem zum einen das erwähnte integriert unterzu bringende, bevorzugt als Kugellager ausgebildete Lager 27 untergebracht und beispielsweise ein erstes Teil einer Flansch verbindung befestigbar, im konkreten Ausführungsbeispiel auf schraubbar ist, worüber dann eine im gezeigten Ausführungsbei spiel vorgesehene Spannzange 31 montierbar ist. An der Spannzan ge 31 ist dann auswechselbar ein Bearbeitungskopf, d. h. ein ge eignetes Bearbeitungswerkzeug, im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Schleifstein 33, befestigbar.

Nachfolgend wird auf die Sensor-Einheit 21 zur Erfassung der Kraft und/oder des Drehmoments insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher eingegangen.

Daraus ist ersichtlich, daß die rohrförmige Wellenführung in einer ersten und zweiten, in Axialrichtung versetzt liegenden Federebene jeweils über sternförmig nach außen angeordnete Federn 35 gegen über dem Tragrahmen 3, bzw. dem Gehäuse 4, der Sensor-Einheit 21 abgestützt und gehalten ist. Bei auf den Bear beitungskopf 33 wirkenden Kräften oder Drehmomenten kann dann die die Sensorwelle 15 im Inneren aufnehmende rohrförmige Wellenführung 23 entsprechend den eingestellten Federkräften aus gelenkt werden. Die Nachgiebigkeit der Federebene ist dabei in nerhalb der X-Y-Ebene, also senkrecht zur in Axialrichtung ver laufenden Z-Achse amplituden- und richtungsunabhängig. Dieselbe Nachgiebigkeit wird in Z-Richtung über die entsprechende Feder vorspannung erzielt. Es entsteht eine räumlich- und richtungsun abhängige Nachgiebigkeit des Systems (Compliance), die in einem großen Bereich frei wählbar ist. Die Auslenkung in Z-Richtung (translatorisch infolge der Kraft in Z-Richtung oder rotatorisch infolge das Drehmoments in Z-Richtung wird ebenso wie die anderen Kraft- und/oder Drehmoment-Vektoren und -Komponenten an getrennten Meßstellen 39 durch geeignete Meß wertaufnahme-Einrichtungen erfaßt.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden dazu Lichtschranken 40, sog. Geberlichtschranken, verwandt. D.h., daß an jeweils einem Zweig ein Lichtstrahl erzeugt wird, dessen Lichtintensität am jeweils zugeordneten zweiten Gabelzweig wiederum in elektrische Signale umgesetzt werden. In diese gabelförmigen Lichtschranken 40 greifen mit der rohrförmigen Wellenführung 23 verbundende Blen den oder Fähnchen 41 ein, die bevorzugt nach Art von Graukei len betrieben werden, so daß eine gewisse Auslenkung der rohrförmigen Wellenführung 23 zu einem unterschiedlich tiefen Eintauchen der Blenden 41 in die Lichtschranken 40 führen, mit der Folge, daß ein sich änderndes Analogsignal gemessen werden kann. Die Auslenkung als mechanische Größe wird somit berührungslos in ein elektrisches Signal umgesetzt. Die jeweiligen Stromsignale können dann wieder in Spannung umgesetzt und verstärkt werden. Durch eine geeignete technische Anordnung ist es dabei möglich, mit nur sieben Lichtschranken eine Bestimmung der wirkenden Kräfte und Drehmomente in jeweils drei Koordinaten, also insge samt für sechs Freiheitsgrade, vorzunehmen. Die Kinematik macht es möglich, daß die Kräfte und Drehmomente in drei Dimensionen an verschiedenen Orten auftretende Auslenkungen verursachen und somit an verschiedenen Punkten gemessen werden können.

Nur der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß auch umgekehrt - auch wenn es aufwendiger ist - die Lichtschranken 40 an der rohrförmigen Wellenführung 23 und die Blenden 41 dann am Trag rahmen 3, bzw. am Gehäuse 4′ relativ ortsfest angebracht sein können.

Im Einsatzfall kann, wie anhand von Fig. 3 verdeutlicht ist, bei der Oberflächenbehandlung eines Werkstückes der Bearbei tungskopf 33 entsprechend den auf ihn wirkenden Kräften aus gelenkt werden, was zu einer entsprechenden Relativlagenänderung der Sensorwelle 15 und damit zu einer entsprechenden Lageverän derung der rohrförmigen Wellenführung 23 führt. Diese Lageverän derung ist dabei ohne Längeänderung des gesamten Tragrahmens 3 einschließlich des Gehäuses 4 und des Antriebes 5 einschließlich des Tragrahmens 3′ und des Gehäuses 4′ der Sensor-Einheit 21 möglich, wodurch ansonsten auftretende übliche Meßwert fehler deutlich minimiert werden können.

Anhand von Fig. 3 wird dabei beispielsweise für die Wirkung einer Kraft F_X und einer Drehmomentkomponente des Vektors M_X an einem Referenzpunkt R deutlich, daß die Kraft- sowie die Dreh moment-Meßgrößen entkoppelt gemessen und abgegriffen werden können, was einen zusätzlichen Vorteil darstellt. Denn die Aus lenkung der Sensorwelle 15 und damit der rohrförmigen Wellenfüh rung 23 ist bezüglich Kräften und Drehmomenten örtlich verschie den, weil sich der Kern, d. h. der eigentliche Drehmittelpunkt je nach taktilem Signal in unterschiedlichen Punkten dreht. Im Kräfte-Drehpunkt D_K entstehen nur momentbedingte und im Dreh momenten-Drehpunkt D_M nur kraftbedingte Auslenkungen. Diese Ki nematik entkoppelt also sowohl die Signale bezüglich ihrer räum lichen Koordinaten als auch der Kräfte und Drehmomente.

Zur Verdeutlichung der vorstehend gemachten Ausführungen ist in Fig. 3 für den erläuterten Fall auch die Auslenkungs-Kurve für das Drehmoment bzw. für die Kraft über die Länge der Sensorwelle 15 bzw. der rohrförmigen Wellenführung 23 eingezeichnet.

Der Momenten-Drehpunkt D_M liegt dabei unabhängig vom Kräfte- oder Momenten-Angriffspunkt in der Mitte zwischen den beiden Federebenen. Die Lage des Kräfte-Drehpunktes D_K resultiert aus dem Kräfte-Angriffspunkt.

Eine Anordnung ist nun derart möglich, daß an dem Ort des Kräfte-Drehpunktes die Meßstellen 39, d. h. die Licht schranken 40 für die Erfassung der Drehmomente und an der Stel le des Drehmomenten-Drehpunktes die Meßstellen 39, d. h. die Lichtschranken 40 für die zu erfassenden Kräfte liegen. Somit bestimmt die Position dieser Lichtschranken 40 zueinander die Lage des Kräfte-Drehpunktes. Daraus resultiert der Kräfte- Referenzpunkt. Weil man ein Drehmoment an beliebiger Stelle aufbrin gen kann, wird der Kräfte-Referenzpunkt als Referenzpunkt für alle sechs Freiheitsgrade definiert. Er wird außerhalb des Sensor gehäuses liegend konzipiert. Seine Lage läßt sich im Zusammen hang mit der Baulänge des Sensors optimieren.

Somit lassen sich also entkoppelte Echtzeitsignale ohne jede Vor arbeit erzielen.

Claims

1. Motorisch antreibbares Bearbeitungsgerät, insbesondere für einen Roboter geeignete Schleif- oder Fräsvorrichtung, mit einer sensorischen Kraft- und/oder Drehmoment-Erfassung, mit einem Trag rahmen (3, 3′), einer Sensor-Einheit (21) zur Erfassung der Kraft und/oder des Drehmoments mit einem Sensor-Aufnehmer, welcher mit über zumindest mit in einer Radialkomponente nach außen gerichteten und in Umfangsrichtung versetzt liegenden Federelementen (35) gegenüber einem dazu rela tiv feststehenden Träger (3, 3′) abgestützt und gehalten ist, und mit entsprechenden Meßstellen (39) zur Messung der unterschiedli chen Translations- und/oder Torsionsbewegungen des Sensor-Aufnehmers gegenüber dem relativ dazu feststehenden Träger (3, 3′), und mit einem Antrieb (5) mit zugehörigem eine Antriebswelle (11) umfassenden Antriebsstrang zum Antrieb eines Bearbeitungskopfes (33),
da durch gekennzeichnet,
daß die Sensor-Einheit (21) dem Antrieb (5) mit zugehöriger Antriebswelle (11) nachgeord net ist,
daß in dem Tragrahmen (3, 3′) der Antrieb (5) mit der zugehörigen Antriebswelle (11) abgestützt und gehalten ist,
daß der Antriebsstrang zumindest zweigeteilt oder zweigliedrig
ist und neben der Antriebswelle (11) eine hiermit in Trieb verbindung stehende Sensorwelle (15) aufweist, die mit der An triebswelle (11) über eine axial und/oder radial bewegliche bzw. anpaßfähige Überbrückungskopplung (13) in Triebverbindung steht, und die abtriebseitig mit einem Bearbeitungskopf (33) ver bunden oder verbindbar ist, und
daß der Sensor-Aufnehmer aus einer Wellenführung (23) besteht, worüber die Sensorwelle (15) geführt und gelagert ist, wobei die die Wellenführung (23) ausweichbar haltenden Federn (35) zudem in zumindest zwei in Axialrichtung der Wellenführung (23) versetzt liegenden Ebenen an der Wellenführung (23) angreifen.

2. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückungskopplung (13) und/oder die Antriebswelle (11) oder die nachfolgende Sensorwelle (15) dergestalt ausgebildet ist bzw. sind, daß die Wellenführung (23) auf ihrer der Über brückungskopplung (13) zugewandt liegenden Seite zumindest in Radialrichtung ausweichbar gelagert und gehalten ist.

3. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Überbrückungskopplung (13) ein elastisches Kopplungsstück als Triebverbindung umfaßt.

4. Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückungskopplung (13) als An schlußverbindung zur vorausgehenden Antriebswelle (11) wie zur nachfolgenden Sensorwelle (15) jeweils eine Gelenkverbindung, vorzugsweise eine zumindest kardanähnliche oder doppelkreuz-gelenkähnliche Gelenk verbindung umfaßt.

5. Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückungskopplung (13) zumindest an der Anschlußverbin dung zur vorausgehenden Antriebswelle (11) oder zur nachfolgenden Sensorwelle 15) mit einem in Längsrichtung oder zumindest mit einer Kompo nente in Längsrichtung verstellbaren Verstellstück zum Ausgleich eines Axialversatzes versehen ist.

6. Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorwelle (15) auch zur Messung von in axialer Z-Richtung verlaufenden Kraftkomponenten in axialer Längsrichtung der Wellenführung (23) unverschieblich drehgelagert ist.

7. Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenführung (23) als die Sensorwelle (15) aufnehmendes Rohr gestaltet ist.

8. Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorwelle (15) im Bereich des oberen und unteren Endes der Wellenführung (23) gelagert ist.

9. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Lager, vorzugsweise das abtriebseitige Lager, als Kugel- oder Rollenlager ausgebildet ist.

10. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Lager, vorzugsweise das antriebseitige Lager (25), als Gleitlager ausgebildet ist.

11. Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das ab triebseitige Lager (27) an einem Kupplungsanschluß (29) mit der Wellenführung (23) verbindbar ist.

12. Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die Sensorwelle (15) abtriebseitig an ihrem über die Wellenführung (23) überstehenden Ende mit einer Spannzange (31) zum auswechselbaren Befestigen eines Bearbei tungskopfes (33) versehen ist.

13. Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß die Meßstellen (39) aus Lichtschranken (40) bestehen, zwischen denen Blenden (41) eintauchbar angeord net sind, wobei die Lichtschranken (40) mit dem Tragrahmen (3′) in Verbindung stehend und die in die Licht schranken (40) eintauchenden Blenden (41) an der dazu relativ lageveränderbaren Wellenführung (23) oder umgekehrt angebracht sind.

14. Bearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da durch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der auftretenden Kraft- und Drehmoment-Komponenten in zumindest fünf und vorzugsweise sechs Freiheitsgraden zumindest sieben Meßstellen (39) vorgesehen sind.