DE4444523C2 - Antriebsvorrichtung für einen Industrieroboter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für einen Industrieroboter, der in zwei oder drei Linearachsen und einer Drehachse bewegbar ist.

Industrieroboter gelten als flexible Fertigungseinrich­ tungen, die an die verschiedensten Aufgabenstellungen beim Bearbeiten und/oder Handhaben anpaßbar sind. Der Flexibili­ tät der Industrieroboter sind jedoch insofern gewisse Grenzen gesetzt, als es für eine hohe Bahngeschwindigkeit in den einzelnen Roboterachsen und eine genaue Lagefixie­ rung erforderlich ist, die bewegten Massen des Roboters möglichst klein zu halten, um mit geringen Brems- und Beschleunigungsmomenten eine dynamische Positionierung zu erreichen. Der Antrieb mehrachsiger Roboter erfolgt bekanntermaßen in der Weise, daß jeder Bewegungsachse, das heißt jedem in der jeweiligen Bewegungsachse beweglichen Bauelement des Roboters, ein Antriebsmotor unmittelbar zugeordnet ist, der an der Bewegung des jeweiligen Bauelements teilnimmt. Das dadurch bedingte hohe Gewicht des Roboters schränkt jedoch die Beweglichkeit und Positioniergenauigkeit erheblich ein.

Die DE 41 40 687 A1 beschreibt eine Roboter-Antriebsvor­ richtung nach dem kartesischen Prinzip für mehrachsige, raumlich angeordnete Transportsysteme, bei der zur Reduzierung der mit dem Roboter mitfahrenden Massen und damit zur Erzielung einer leichteren Roboterbauweise nur ein Antriebsmotor und nur eine Antriebssteuerung benötigt werden. Der Antrieb mit einem einzigen, stationär angeordneten Motor erfolgt über mehrere Riementriebe, wobei die Bewegungsabläufe durch Zuschalten von Kupplungs- und Bremselementen gesteuert werden müssen. Diese Antriebsvor­ richtung ist jedoch insofern nachteilig, als die benötigten Bremsen und Kupplungen die Störanfälligkeit des Systems erhöhen, über ein verhältnismäßig hohes Gewicht verfügen und schließlich mit ihrer Verwendung zeitaufwendige Schaltvorgänge verbunden sind. Dadurch sind trotz Anwendung eines stationären Motors einer schnellen Roboterbewegung und einer hohen Positioniergenauigkeit Grenzen gesetzt. Zudem sind die Bewegungsabläufe nicht frei programmierbar und es ist lediglich eine intermittierende und keine kontinuierliche Bahnbewegung erreichbar.

Aus der DE 43 00 254 ist des weiteren eine bei einem Roboter eingesetzte, eine axiale und eine drehende Bewegung bewirkende Kugelschraubvorrichtung bekannt, bei der auf einer mit Kugelschraubnuten und Kugellängsnuten ausgestat­ teten Welle eine Kugelschraubmutter und eine Kugelkeil­ mutter angeordnet und jeweils über einen Riemen mit einem Antriebsmotor verbunden sind. Wenn bei diesem System die angetriebene Welle zusätzlich noch in weiteren Linearachsen bewegt werden soll, müssen die Antriebsmotore entweder mitbewegt werden oder für die Riementriebe sind aufwendige Spannvorrichtungen erforderlich. Dadurch wird die Positioniergenauigkeit und -geschwindigkeit beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvor­ richtung für einen in einer oder zwei Linearachsen (X und/oder Y) bewegbaren sowie eine weitere Linearbewegung (Z) und eine Drehbewegung () ausführenden Industrieroboter zu entwickeln, die eine kontinuierliche und in allen Achsen frei programmierbare Bahnbewegung erlaubt und aufgrund eines einfachen Aufbaus und eines geringen Anteils bewegbarer Massen eine hohe Positioniergeschwindigkeit und -genauigkeit gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Antriebsvor­ richtung für einen Industrieroboter mit einem in einer oder zwei Linearachsen (X, Y) bewegbaren, über ein flexibles Antriebsübertragungsmittel von je einem stationären Antriebsmotor für jede Linearachse (X, Y) angetriebenen Schlitten sowie einem mit dem Schlitten bewegbaren Greiferarm, der für eine Bewegung in Z-Richtung und eine zusätzliche Drehbewegung () über je ein weiteres Antriebsübertragungsmittel mit jeweils einem weiteren stationär angeordneten Antriebsmotor verbunden ist, wobei sämtliche Antriebsübertragungsmittel jeweils in übereinanderliegenden parallelen Ebenen geführt sind, gelöst.

Damit wird ein Industrieroboter mit einem in einer oder zwei Linearachsen und zusätzlich in einer weiteren Linearachse und einer Drehachse bewegbarem Roboterarm zur Verfügung gestellt, dessen Bewegungen über stationäre Antriebsorgane und flexible, endlose Antriebsübertragungsmittel ausgeführt werden, das heißt, ohne daß die hierzu erforderlichen Antriebsorgane mit dem Roboterarm mitbewegt werden. Da nach einem weiteren Erfindungsmerkmal auch für die Bewegung in der Y-Richtung bzw. der X- und Y-Richtung des Schlittens stationär angeordnete Antriebsorgane vorgesehen sind, die mit dem Längsschlitten bzw. dem Längs- und Querschlitten über flexible Zugmittel verbunden sind, sind bei fest im Raum stehenden Antriebsmotoren sämtliche Bewegungsachsen frei programmierbar und somit können beliebige Bahnabläufe in den jeweiligen Achsen realisiert werden. Aufgrund der verringerten Masse sämtlicher Roboterelemente sind hohe Bahngeschwindigkeiten und eine hoch dynamische Positionierung erreichbar. Die Anordnung zueinander paralleler, jeweils in gleicher Richtung verlaufender, flexibler Antriebsübertragungsmittel und der jeweiligen Antriebs- und Umlenkorgane in im wesentlichen der gleichen Achse ermöglicht zudem eine kompakte Bauweise. Die Länge der Antriebsübertragungsmittel und deren Führung in dem Antriebssystem bleibt vorteilhafterweise für alle Achsrichtungen immer gleich. Zusätzliche Spanneinrichtungen sind somit nicht erforderlich.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist am Längsschlitten eine Baueinheit mit je einer Antriebsscheibe für eine Kugelspindelmutter und eine Keilmutter zur Erzeugung einer linearen und rotatorischen Bewegung der entsprechend dem Spindel- und Keilantrieb profilierten Welle vorgesehen, und diese Antriebsscheiben sind jeweils mit dem endlosen flexiblen Antriebsübertragungsmittel mit stationärem Antriebsorgan in Eingriff.

Das Zugmittel für den Schlittenantrieb als auch die endlosen Antriebsübertragungsmittel sind jeweils einerseits über stationäre Umlenkorgane sowie andererseits, nämlich bei in X- und Y-Richtung bewegtem Schlitten, jeweils am Querschlitten vorgesehene mobile Umlenkorgane geführt. Die stationär angeordneten Antriebsmotore und Umlenkrollen befinden sich in diesem Fall jeweils in der Endlage des Querschlittens im Bereich der beiderseitigen Enden der Führungsschienen.

Nach der zuletzt genannten Ausführung besteht ein weiterer Grundgedanke somit zunächst in der Zuordnung zweier feststehender Umlenkrollen zu den stationären Antrieben für die Schlittenbewegung und der Führung des Zugmittels über die Antriebe, die Umlenkrollen sowie die beidseitig am Querschlitten vorgesehenen mobilen Umlenkrollen als Umlenkpunkte. Nachdem am Längsschlitten eine Baueinheit mit zwei waagerecht übereinander angeordneten Antriebsscheiben zur Linearbewegung einer mit dem Robotergreifer ausgerüsteten Welle über eine Spindelnut und zur Drehbewegung dieser Welle über Keilnuten angebracht ist, besteht bei vier Bewegungsrichtungen ein weiterer Erfindungsgedanke darin, diese Antriebsscheiben jeweils über einen Riementrieb anzutreiben, der - wie das flexible Zugmittel für die Schlittenbewegung, jedoch oberhalb oder unterhalb von dessen Umlaufebene - über in gleichen Achsen, aber unterschiedlichen waagerechten Ebenen liegende Umlenkpunkte, nämlich feste Umlenkrollen und einen Antriebsmotor sowie mobile Umlenkrollen am Querschlitten, geführt ist. Die endlosen Antriebsübertragungsmittel für die Kugelspindel- bzw. Keilmutter-Antriebsscheiben folgen somit auch bei zwei Linearbewegungen des Schlittens - ohne zusätzliche Spannmittel verwenden zu müssen - immer der Schlittenbewegung bzw. der des diese bewirkenden Zugmittels.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Antriebsübertragungsmittel für die Horizontal- und Drehbewegung der Welle sowie das flexible Zugmittel für den Schlittenantrieb als Zahnriemen ausgebildet. Die drei Zahnriemen liegen in der Horizontalen in verschiedenen Ebenen und im wesentlichen in der gleichen senkrechten Ebene.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die endlosen Zahnriemen an die Antriebsscheiben für die Linear- und Rotationsbewegung der Welle mittels Spannrollen gedrückt.

Weitere Merkmale und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Antriebsvorrichtung für einen in drei Linearachsen und um eine Rotati­ onsachse bewegbaren Handhabungs- und Fertigungs­ automaten in schematischer Darstellung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß der Linie A-A in Fig. 1; und

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Industrieroboter mit zugehöriger Schnittansicht nach Linie A-A, bei dem der Schlitten lediglich in einer Linearachse bewegbar ist.

Die Fig. 1 bis 3 geben in schematisierter Darstellung eine als Portalroboter ausgeführte Fertigungseinrichtung wieder, die für die verschiedensten Aufgabenstellungen für automatische Handhabungs- und/oder Bearbeitungsvorgänge einsetzbar ist, wobei Linearbewegungen in den drei Achsen X, Y und Z sowie eine Rotationsbewegung um die Z-Achse realisierbar sind. Gemäß Fig. 1 ist zwischen zwei im Abstand fest angeordneten Basissockeln 11a, 11b in mit diesen verbundenen Führungsschienen 13 ein Querschlitten 14 geführt, der in der X-Richtung bewegt wird. Der Querschlitten 14 ist im wesentlichen durch Führungsstangen 15 gebildet, auf denen ein in der Y-Richtung bewegbarer Längsschlitten 6 angeordnet ist. An dem Längsschlitten 6 ist eine Baueinheit 7 angebracht, die eine lineare Bewegung in der Z-Richtung sowie eine Drehbewegung eines nicht dargestellten Greiferelements um die Z-Achse bewirkt. Die Baueinheit 7 weist zu diesem Zweck eine Welle 8 mit Spindel- und Keilnuten (nicht dargestellt) auf, um über eine Kugelspindelmutter und dieser zugeordneter Kugelspindelmutter-Antriebsscheibe 16 sowie eine Keilmutter und mit dieser verbundener Keilmutter-Antriebsscheibe 17 sowohl eine Bewegung in der Z-Richtung als auch eine Rotationsbewegung um die Z-Achse zu bewirken.

Der Antrieb des Portalroboters in den vier dargelegten Bewegungsrichtungen erfolgt nun über an den Basis­ sockeln 11a, 11b am Ende der Führungsschienen 13 stationär angeordnete Antriebsorgane in Form von Antriebsmotoren 1, 2, 3 und 4 sowie Antriebsübertragungsmittel in Form von Zahnriemen 5, 9 und 10. Für die Bewegung des Längsschlittens 6 und des Querschlittens 14 sind die mit Zahnriemenscheiben versehenen Schlitten-Antriebsmotoren 1, 2 vorgesehen. Ein von diesen angetriebener Schlittenantriebs- Zahnriemen 5 ist über am Querschlitten 14 befestigte Umlenkorgane, nämlich mobile Umlenkrollen 18a bis 18d, sowie an den Basissockeln 11a, 11b am Ende der Führungsschienen 13 fest angeordnete Umlenkorgane, nämlich stationäre Umlenkrollen 19a, 19b an beiden Enden mit der am Längsschlitten befestigten Baueinheit 7 verbunden. In Abhängigkeit von der jeweiligen Drehrichtung der Schlitten- Antriebsmotore 1 und 2 werden der Querschlitten 14 und/oder der Längsschlitten 6 in X-Richtung bzw. in Y-Richtung bewegt.

Zur Erzielung einer Linearbewegung der Welle 8 in der Z- Achse ist am Basissockel 11a ein Kugelspindelmutter- Antriebsmotor 4 angeordnet, der über einen endlosen Zahnriemen 9 die Kugelspindelmutter-Antriebsscheibe 16 in eine Drehbewegung versetzt und damit - je nach Drehrichtung - eine Auf- bzw. Abwärtsbewegung der Welle 8 bewirkt. Damit der endlose Zahnriemen 9 der Schlittenbewegung ohne zusätzliche, aufwendige Spanneinrichtungen folgen kann, wird er wie der Schlittenantriebs-Zahnriemen 5 geführt, d. h. über am Basissockel 11a bzw. 11b fest angeordnete Umlenkrollen 20a bis 20c sowie mit dem Querschlitten 14 bewegbare Umlenkrollen 21a bis 21d. Um einen ständigen, sicheren Eingriff zwischen der als Zahnriemenscheibe ausgebildeten Kugelspindelmutter-Antriebsscheibe 16 und dem endlosen Zahnriemen 9 zu gewährleisten, sind an der Baueinheit 7 Spannrollen 22 vorgesehen.

In der gleichen Weise wird die Drehbewegung der Welle 8 über den Keilmutter-Antriebsmotor 3, die Keilmutter- Antriebsscheibe 17 (Zahnriemenscheibe) und den endlosen Zahnriemen 10 erzeugt. Der endlose Zahnriemen 10 ist wieder über an den Basissockeln 11a, 11b vorgesehene Umlenkrollen 23a bis 23c sowie am Querschlitten 14 befestigte Umlenkrollen 24a bis 24d geführt und wird über Spannrollen 12 fest an die Keilmutter-Antriebsscheibe 17 gedrückt.

Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils die stationären Umlenkorgane an den Basissockeln, d. h. die Antriebsmotore und die stationären Umlenkrollen, wie auch die mobilen Umlenkorgane am Querschlitten, jeweils in einer Achse übereinander angeordnet. Die Zahnriemen 5, 9 und 10 (Antriebsübertragungsmittel) liegen, abgesehen von der Umführung um die Antriebsscheiben 16 und 17, in jeder Schlittenbewegungsphase in einer senkrechten Ebene übereinander. Wichtig ist jedoch die prinzipiell gleichartige Anordnung der stationären und mobilen Umlenkrollen bzw. der Antriebsmotore für die übereinanderliegenden Antriebsübertragungsorgane 5, 9 und 10. Beim Betrieb der Antriebsmotoren 1 bis 4 können somit beispielsweise von einem an der Welle 8 befestigten Greifer drei lineare Bewegungen sowie eine Rotationsbewegung ausgeführt werden, ohne daß auch nur einer der für den jeweiligen Antrieb erforderlichen Motoren diese Bewegung mitausführen muß. Aufgrund des dadurch bedingten geringen Gewichts der bewegten Roboterteile sind auch bei einem Roboter mit vier Bewegungsrichtungen schnelle und genaue Positionsveränderungen möglich.

Fig. 4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung bei einem Industrieroboter, dessen Schlitten nur in einer Achse bewegbar ist. Der Antrieb der Welle 8 erfolgt hier gleichermaßen über stationär angeordnete Antriebsmotoren und endlose, flexible Antriebsübertragungsmittel, die hier im wesentlichen nur in der Bewegungsrichtung des einzigen Schlittens verlaufen. Es wird bei dieser einfacheren Variante daher eine wesentlich geringere Zahl an Umlenkrollen benötigt.

Bezugszeichenliste

1, 2 Schlitten-Antriebsmotor (Antriebsorgan)
3 Keilmutter-Antriebsmotor
4 Kugelspindelmutter-Antriebsmotor
5 Schlittenantriebs-Zahnriemen (X/Y-Richtung) (Antriebsübertragungsmittel)
6 Längsschlitten
7 Baueinheit
8 Welle
9, 10 endloser Zahnriemen/Antriebsübertragungsorgan
11a, 11b Basissockel
12 Spannrollen
13 Führungsschienen
14 Querschlitten
15 Führungsstangen
16 Kugelspindelmutter-Antriebsscheibe
17 Keilmutter-Antriebsscheibe
18a-18d Umlenkrollen (Umlenkorgane)
19a, 19b Umlenkrollen (Umlenkorgane)
20a-20c Umlenkrollen (Umlenkorgane)
21a-21d Umlenkrollen (Umlenkorgane)
23a-23c Umlenkrollen (Umlenkorgane)
24a-24d Umlenkrollen (Umlenkorgane)
22 Spannrollen

Claims (5)

1. Antriebsvorrichtung für einen Industrieroboter mit einem in einer oder zwei Linearachsen (X, Y) beweg­ baren, über ein flexibles Antriebsübertragungsmittel von je einem stationären Antriebsmotor (1, 2) für jede Linearachse (X, Y) angetriebenen Schlitten sowie einem mit dem Schlitten bewegbaren Greiferarm (8), der für eine Bewegung in Z-Richtung und eine zusätzliche Drehbewegung () über je ein weiteres Antriebsübertra­ gungsmittel (9, 10) mit jeweils einem weiteren stationär angeordneten Antriebsmotor (3, 4) verbunden ist, wobei sämtliche Antriebsübertragungsmittel (5, 9, 10) jeweils in übereinanderliegenden parallelen Ebenen geführt sind.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Antrieb des als mit Keil- und Spiral­ nuten versehene Welle ausgebildeten Greiferarms (8) mittels der Antriebsübertragungsmittel (9, 10) am Schlitten (6, 14) eine Baueinheit (7) mit je einer Antriebsscheibe (16, 17) für eine Kugelspindelmutter sowie eine Keilmutter zur Erzeugung der linearen bzw. rotatorischen Bewegung des Greiferarms angebracht ist.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der Greiferarm­ bewegung vorgesehenen flexiblen Antriebsübertragungsmit­ tel (9, 10) unter der Wirkung von Spannrollen (22, 12) mit der Kugelspindelmutter-Antriebsscheibe (16) bzw. der Keilmutter-Antriebsscheibe (17) in Eingriff stehen.

4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, durch gekennzeichnet, daß das Antriebsübertragungsmittel (5) des Schlittenantriebs und die Antriebsübertragungs­ mittel (9, 10) für den Greiferarm (8) jeweils sowohl über stationäre Umlenkorgane (1, 2, 19a, 19b; 4, 20a bis 20c; 3, 23a bis 23c) als auch jeweils am Querschlitten (14) angebrachte mobile Umlenkorgane (18a bis 18d; 21a bis 21d; 24a bis 24d) geführt sind.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die den jeweiligen Antriebsübertragungs­ mitteln zugeordneten Umlenkorgane in der gleichen Achse übereinander angeordnet sind.