DE69313384T2

DE69313384T2 - Angetriebener Arbeitsarm

Info

Publication number: DE69313384T2
Application number: DE69313384T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey S Mcnamara
Original assignee: Western Atlas International Inc
Current assignee: Unova Industrial Automation Systems Inc
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1993-07-29
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2013-07-30
Also published as: EP0582910B1; MX9303744A; CA2091300A1; CA2091300C; ES2105017T3; DE69313384D1; EP0582910A1; US5216930A

Description

Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Positionieren eines Werkzeugs o.ä., genauer gesagt ein Gerät mit einem beweglichen Arbeitsarm.

Hintergrund

Es sind verschiedene Geräte zum Positionieren von Werkzeugen, Schweißkanonen o.a. für die Bearbeitung und Montage von großen Stückzahlen bekannt.
Einige der bekannten Mechanismen zum Heben und Transportieren von Werkstücken verwenden sogenannte Watts-Triebe zum Anheben und Absenken der Werkstücke.
Ein Watts-Trieb ist ein kinematischer Mechanismus mit drei langen Schwingen, die an aneinandergrenzenden Enden schwenkbar miteinander verbunden sind, wobei die verbleibenden Enden von zwei der Schwingen, um die geschwenkt wird, voneinander beabstandet angeordnet sind und feststehende Schwenkpunkte bilden. Die Schwingen weisen eine Geometrie auf, die eine im wesentlichen lineare Hin- und Herbewegung des Mittelpunkts der mittleren Schwinge ermöglicht. Es ist allgemein bekannt, daß die Schwingen in einem Watts-Trieb relativ lang sein müssen, um diese Linearbewegung zu erzeugen.
Da sich die Schwingen nicht auf einer idealen geraden Linie bewegen, wird ein Watts-Trieb nicht durch einen auf einer geraden Linie wirkenden oder eine geradlinige Bewegung erzeugenden Aktor angetrieben.
In der US-A-4,085,547 wird eine Schärfeinrichtung für die Kufe eines Schlittschuhs beschrieben. Die Einrichtung weist eine durch einen Elektromotor angetriebene Schleifscheibe auf, wobei der Motor auf einem Träger befestigt ist, der zusammen mit einer gespannten Feder und zwei weiteren Armen ein Parallelogramm bildet, wobei die Elemente an vier Schwenkpunkten miteinander verbunden sind. Ein Watts-Trieb besteht aus zwei Schwingen, einem unteren Teil von einem der Arme des Parallelogramms sowie vier Schwenkpunkten. Ein Zylinder ist mit einer der Schwingen zum Dämpfen und zum Erzeugen einer gleichförmigen Geschwindigkeit bei manueller Bewegung der Schleifscheibe über die Kufe vorgesehen, wenn die Schleifscheibe von Hand gezogen wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 bestimmt. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Erfindungsgemäß wird ein angetriebener Arbeitsarm zum Positionieren eines Werkzeugs durch einen von einem Aktor mit geradliniger Bewegungsrichtung angetriebenen, modifizierten Watts-Trieb in Form eines Bogens bewegt. Um eine kompakte Gestalt zu erreichen, weist der Watts-Mechanismus relativ kurze Schwingen auf, was dazu führt, daß der Mittelpunkt der mittleren Schwinge einem bogenförmigen Weg folgt, der mit einem Linearaktor durch eine schwenkbare Kopplung, wie z.B. eine kurze Schwinge oder einen Nocken verbunden ist.
Um für den Arbeitsarm bei Erreichen seiner voll ausgefahrenen Stellung eine Stoßdämpfung zu bewirken, weist der modifizierte Watts-Trieb vorzugsweise einen Stößel auf, der an einem Ende durch eine vorgespannte Feder beaufschlagt ist.
Merkmale und Vorteile der Erfindung bestehen darin, eine Vorrichtung mit einem beweglichen Arbeitsarm zum Positionieren eines Werkzeugs anzugeben, welcher unter Verwendung eines einfachen Linearaktors eine bogenförmige Bewegung des Arbeitsarms ermöglicht, ein schweres oder massives Werkzeug leicht bewegt und positioniert, eine sanfte und dennoch relativ zügige Beschleunigungs- und Bremsbewegung erzeugt, wenn der Arm seine Extremstellungen erreicht, und kompakt, robust, dauerhaft, von relativ einfacher Gestalt ist und wirtschaftlich herstell- und montierbar ist und eine lange Lebenszeit mit geringem Wartungsaufwand aufweist.

Kurzbeschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem schwenkbaren, beweglichen Arm, der eine Schweißkanone trägt und durch einen Pneumatikzylinder angetrieben ist;
1 Fig. 2 ist eine fragmentarische Draufsicht der in Richtung von Pfeil 2 in Fig. 1 gesehenen Vorrichtung;
Fig. 3 ist eine vergrößerte und fragmentarische Seitenansicht mit teilweisen Aufbrüchen der Vorrichtung aus Fig. 1, wobei ein Teil des den Arm mit dem Antriebszylinder verbindenden Getriebes und der Arm in voll ausgefahrener Sellung gezeigt ist;
Fig. 4 zeigt eine fragmentarische Seitenansicht mit teilweisen Aufbrüchen ähnlich wie Fig. 3, wobei die Stellung des verbindenden Getriebes dargestellt ist, wenn der Arm in voll eingefahrener Stellung steht;
Fig. 5 ist eine vergrößerte, fragmentarische und etwas schematische Draufsicht entlang 5-5 in Fig. 3 und zeigt einen Teil des Getriebes;
Fig. 6 ist eine schematische Seitenansicht mit der Bewegung des Getriebes der Vorrichtung;
Fig. 7 ist eine vergrößerte und fragmentarische Seitenansicht mit teilweisen Aufbrüchen einer anderen Ausführungsform zu der in den Fig. 1 bis 6 gezeigten Vorrichtung, bei der ein exzentrischer Nocken verwendet wird, um den Arm mit dem Antriebszylinder zu verbinden, wobei der Arm in voll ausgefahrener Stellung gezeigt ist;
Fig. 8 ist eine vergrößerte, fragmentarische und etwas schematische Draufsicht entlang 8-8 in Fig. 7 und zeigt einen Teil des Getriebes der Vorrichtung; und
Fig. 9 ist eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform von Fig. 7 zur Darstellung der Bewegung des Getriebes.

Beschreibung

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 mit einem Arbeitsarm 12, der in ausgefahrene und eingefahrene Stellungen schwenkbar beweglich ist, um eine Klemme 14 oder ein anderes Werkzeug in und aus einer Arbeitsstation 16 zu bewegen. In der Arbeitsstation wird ein Paar von Stahlblechen 18 und 20 durch die Klemme zusammengehalten. Die Klemme weist ein Paar von Armen 22 und 24 auf, um einen Halte- und einen Drückbacken bereitzustellen, zwischen denen die Bleche festgeklemmt werden. Der Hebelarm 24 ist schwenkbar befestigt und wird durch einen Antriebszylinder 25 betätigt, um die Stahlbleche 18 und 20 zu ergreifen und dadurch in der korrekten Stellung zu halten, um dort einen Arbeitsvorgang, wie z.B. Schweißen, durchzuführen.
Der Arbeitsarm 12 wird durch einen vorzugsweise durch Luft (Pneumatik) betätigten Zylinder 28 über ein in einem auf einem Podest 34 befestigten Gehäuse 32 untergebrachten Getriebe 30 angetrieben. Um eine sanfte Bewegung des Arms in und aus seiner voll ausgefahrenen Position zu gewährleisten, ist er über das Getriebe mit einem Stoßdämpfer 36 verbunden.
Das Podest weist einen Ständer 38 auf, der an einer Seite an einer Grundplatte 40 und an der anderen Seite an einer geneigten Befestigungsplatte 42, an der das Gehäuse 32 angebracht ist, befestigt ist. Das Gehäuse weist Seitenplatten 44 und 46 auf, die durch eine Grundplatte 48 und eine H-förmige Deckplatte 50 miteinander verbunden sind. Die Deckplatte 50 gewährleistet einen Zwischenraum für die Gelenkverbindung aus Getriebe 30 und Stoßdämpfer 36. Der Zylinder 28 ist an einer an den Seitenplatten befestigten Stirnplatte 52 angebracht. Das Getriebe 30 wird durch eine erste Drehachse 54 und eine zweite Drehachse 56 in dem Gehäuse 32 gehalten, welche Drehachsen jeweils an den Seitenplatten 44 und 46 befestigt sind.
Erfindungsgemäß wird der Arbeitsarm 12 in seine Extremstellungen durch ein modifiziertes Watts-Getriebe 30 bewegt, mit einer ersten Schwinge 58, an der der Arbeitsarm zur gleichförmigen Bewegung mit der Schwinge befestigt ist, einem Paar von zweiten Schwingen 60, 62 und einem Paar von dritten Schwingen 64, 66.
Die erste Schwinge 58 ist durch eine Drehachse 68 in dem Gehäuse schwenkbar befestigt, welche Drehachse in einem Paar von Lagern 70, 72 drehbar gelagert ist, wobei die Lager in in den Seitenplatten 44, 46 befestigten Ringen 74, 76 aufgenommen sind. Die zweiten Schwingen 60, 62 sind mit einem Ende durch eine Drehachse 78 mit der ersten Schwinge 58 schwenkbar verbunden und mit der anderen Seite durch eine Drehzapfen 80 mit dem Paar von dritten Schwingen 64, 66 schwenkbar verbunden. Der Zapfen 80 ist drehbar in Axiallagern 82, 84 gelagert, die von den zweiten Schwingen aufgenommen sind, und ist mit den dritten Schwingen verbunden. An der anderen Seite sind die dritten Schwingen auf einem Zapfen 186 schwenkbar gehalten, der in Lagern 88, 90 gelagert ist, die in den dritten Schwingen untergebracht sind und an den Gehäuseseitenplatten 44, 46 befestigt sind. Alle drei Schwingen sind relativ kurz, weisen jeweils ungefähr die gleiche Länge auf, wobei jede eine Länge zwischen den Mittelpunkten ihrer Drehzapfen aufweist, die geringer ist als 203 mm (8 Inches), vorzugsweise 76 bis 152 mm (3 bis 6 Inches) und besonders bevorzugt 89 bis 115 mm (3 1/2 bis 4 1/2 Inches).
Um die bogenförmige Bewegung eines Mittelpunkts 92 der zweiten Schwingen 60, 62 zu erreichen, sind diese durch eine vierte Schwinge 94 mit dem Zylinder 28 verbunden. Die vierte Schwinge ist mit einer Seite an dem Mittelpunkt 92 des Paars von zweiten Schwingen durch einen Drehzapfen 96 schwenkbar verbunden und mit der anderen Seite über einen Drehzapfen 100 mit einem Verlängerungsstab 98 verbunden. Die andere Seite des Verlängerungsstabs ist mit der Kolbenstange 102 des Zylinders 28 fest verbunden, um sich mit dieser gemeinsam zu bewegen. Die vierte Schwinge weist im wesentlichen eine U-Form auf, um einen Zwischenraum für die schwenkbare Bewegung zwischen den zweiten und dritten Schwingen zu ermöglichen. Vorzugsweise ist auch diese vierte Schwinge relativ kurz und weist eine Länge zwischen den Mittelpunkten ihrer Drehzapfen auf, die nicht größer ist als 203 mm (8 Inches), vorzugsweise 76 bis 152 mm (3 bis 6 Inches) und besonders bevorzugt zwischen 89 bis 115 mm (3 1/2 bis 4 1/2 Inches).
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist der Stoßdämpfer 36 durch eine fünfte Schwinge oder einen Hebelarm 104, der zwischen den dritten Schwingen 64, 66 eingesetzt ist und auf dem Drehzapfen 86 gelagert ist, mit dem Gebtriebe 30 verbunden, um eine sanfte und zügige Bewegung des Arbeitsarms 12 in der Nähe seiner voll ausgefahrenen Stellung zu ermöglichen. Zum Verbinden der Antriebsschwinge mit dem Stoßdämpfer, wenn der Arbeitsarm seine voll ausgefahrene Stellung erreicht, weist der Arm 104 einen T-förmigen Bereich 106 an einer Seite mit Berührflächen 110, 112 auf. Diese Berührflächen berühren entsprechende Berührflächen auf Verschleißklötzen 114, 116, die jeweils an jeder der dritten Schwingen befestigt sind. Die Berührflächen des Hebelarms 104 und entsprechende Berührflächen auf jeder der dritten Schwingen dienen zum Anschlagen, wenn der Arbeitsarm 12 seine voll ausgefahrene Stellung erreicht, wie in Fig. 3 erkennbar. Wenn der Arbeitsarm aus seiner voll ausgefahrenen Stellung bewegt wird, gelangen die Berührflächen außer Eingriff, wie in der voll eingefahrenen Stellung in Fig. 4 erkennbar ist.
Wenn der Arbeitsarm seine voll ausgefahrene Stellung erreicht, schwenkt der Hebelarm 104 um den Zapfen 86 und überträgt die Kraft auf den Stoßdämpfer 36 über einen Kreuzzapfen 120 mit einem reduzierten Schaft, der in eine Öffnung 122 eingesetzt und durch eine Mutter 124 an dem Arm befestigt ist. Der Zapfen berührt einen in einem Gehäuse 128 gleitfähigen und durch eine Feder 129 in seine ausgefahrene Stellung beaufschlagten Kolben 126. Die Drehung des Hebelarms verlagert den Kolben und komprimiert die Feder, um die Stoßdämpfungswirkung zu erreichen, wenn der Arbeitsarm 12 und die Klemme 14 ihre voll ausgefahrene Stellung erreichen.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine vereinfachte Darstellung des Getriebes 30 aus den Fig. 1 bis 4, um die Anordnung und Bewegungsweise seiner Komponenten besser erkennen zu können. In Fig. 6 wird das Getriebe in voll ausgefahrener Stellung dargestellt, wobei die Bewegungswege von ausgewählten Drehpunkten über den gesamten Bewegungsbereich im Betrieb dargestellt sind. Wie in Fig. 6 erkennbar verläuft die bogenförmige Hin- und Herbewegung des Mittelpunkts 92 der zweiten Schwingen 60, 62 zwischen der voll ausgefahrenen und voll eingefahrenen Stellung entlang dem Weg 132. Dieser gekrümmte Weg weist eine Längs-Symmetrieachse 133 auf, die im wesentlichen mit der Längsachse der Kolbenstange 102 des Zylinders 28 zusammenfällt. Die geradlinige Bewegung des Verlängerungsstabs 98 und der Kolbenstange 102 des Zylinders 28 bewirkt eine Schwenk- und Axialbewegung der vierten Schwinge 94 und erzeugt eine Bewegung des Mittelpunkts 92 der zweiten Schwingen entlang dem Weg 132, wodurch das Getriebe und der Arbeitsarm 12 angetrieben werden, wenn der Zylinder Kraft auf den Stab 98 ausübt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigen die Fig. 7 bis 9 eine exzentrische Nockeneinrichtung 130 und einen krummlinigen Verlängerungsstab 131 anstelle der schwenkbaren vierten Schwinge 94. Die Nockeneinrichtung verbindet das Getriebe zwischen dem Mittelpunkt 92 den zweiten Schwingen 60, 62 mit der Kolbenstange 102 des Zylinders 28. Der krummlinige Verlängerungsstab ist an der Kolbenstange 102 fest angebracht und bewegt sich entlang einem geradlinigen Weg 133. Die Schwenkbewegung zwischen dem Verlängerungsstab 131 und dem Getriebe wird durch einen in einer Bohrung 136 in einem Ende 140 des Verlängerungsstabs 131 koaxial aufgenommenen Nockenzylinder 134 und einen Folgerbolzen 142 erzeugt. Der Folgerbolzen 142 ist in einer Bohrung 144 außerhalb der Mitte des Nockenzylinders eingesetzt und mit den zweiten Schwingen 60, 62 des Watts-Triebs verbunden, wobei seine Achse mit dem Mittelpunkt 92 dieser Schwingen zusammenfällt. Vorzugsweise ist der Nockenzylinder in einem Lager 146 und der Folgerbolzen 142 in Lagern 148 und 150 in beiden zweiten Schwingen gelagert.
Im Betrieb wird die Schwenkbewegung des Nockenzylinders 134 durch den Versatz 156 des Folgerbolzens von dem Mittelpunkt 159 des Nockenzylinders erzeugt. Vorzugsweise ist der Versatz 156, der dem Abstand zwischen der Mittelachse des Folgerbolzens 142 und der Mittelachse des Nockenzylinders 134 entspricht, dreimal größer als der maximale Querversatz 158 zwischen der Symmetrieachse 133 und dem Bewegungsweg 132 des Mittelpunkts 92 der zweiten Schwingen. Für eine vorgegebene Versatzabmessung 158 von 2,03 mm (0,080 Inches) würde ein beispielhafter Versatz 156 des Folgerbolzens bei 6,35 mm (0,250 Inches) liegen. Dieses 3:1-Verhältnis gibt eine Richtschnur zur Begrenzung der winkelmäßigen Drehung des Nockenzylinders 134 und begrenzt wirksam das Ausmaß der durch den Verlängerungsstab 132 und die zweiten Schwingen 62, 64 erzeugten Querkraft. Diese Querkraft erzeugt Biegemomente in dem krummlinigen Verlängerungsstab 131, der Kolbenstange 102 und dem Zylinder 28, wenn der Folgerbolzen 142 von dem geradlinigen Weg der Achse des Nockenzylinders 134 versetzt ist. Vorzugsweise ist das Zylinderlager 146 ein Dixon-Lager #CJ22E24-T, während die Lager 148, 150 für die zweiten Schwingen ein Paar von Dixon-Lagern #CJ10EI4-6 sind.
Der erfindungsgemäße Arbeitsarm verwendet eine einfache und leicht verfügbare, geradlinig wirkende Aktoreinrichtung, um einen modifizierten Watts-Trieb mit kurzen Schwingen unter Verwendung einer schwenkbaren Schwinge zu koppeln und anzutreiben, die den Mittelpunkt der mittleren Schwinge des modifizierten Watts-Triebs mit der geradlinigen Bewegung des Pneumatikzylinders koppelt. Ein Folgerbolzen mit einem Federkissen gewährleistet eine Stoßdämpfung für die sanfte Positionierung eines Arbeitsarms und Werkzeugs, wenn der Arm seine voll ausgefahrene Stellung erreicht. Dies gewährleistet einen kompakten Zusammenbau, möglicherweise als standardisierte Einheit und weist eine präzise und einfache Gelenkverbindung eines Arbeitsarms mit Werkzeug über eine ökonomische Kopplung mit einem einfachen und leicht erhältlichen, geradlinig wirkenden Pneumatikzylinder auf, um eine einfache bogenförmige Bewegung des am Ende des Arbeitsarms befestigten Werkzeugs zu ermöglichen.

Claims

1. Angetriebener Arbeitsarm, mit:

einer Basis (34, 32, 44, 46);

einer von der Basis (34, 32) getragenen ersten Drehachse (54);

mindestens einer ersten Schwinge (58), deren eines Ende an der ersten Drehachse (54) drehbar befestigt ist und deren anderes Ende um die erste Drehachse (54) an deren Außenseite frei schwenkbar ist;

einer von der Basis (34) getragenen und von der ersten Drehachse (54) beabstandeten zweiten Drehachse (56);

mindestens einer dritten Schwinge (64, 66), deren eines Ende an der zweiten Drehachse (56) schwenkbar befestigt ist und deren anderes Ende um die zweite Drehachse (56) an deren Außenseite frei schwenkbar ist;

mindestens einer zweiten Schwinge (60, 62), die jeweils mit der ersten (58) und der dritten (64, 66) Schwinge an von der ersten (54) und der zweiten (56) Drehachse entfernten Stellen schwenkbar verbunden ist und um die erste (54) und die zweite (56) Drehachse frei schwenkbar ist und eine die ersten (58) und die zweiten (60, 62) Schwingen verbindende dritte Drehachse (78) und eine die zweiten (60, 62) und dritten (64, 66) Schwingen verbindende vierte Drehachse (80) aufweist; und mit

einem Arbeitsarm (12), der an der ersten Schwinge (58) zur schwenkenden Bewegung mit dieser um die erste Drehachse (54) befestigt ist, um eine bogenförmige Bewegung des Arbeitsarms (12) relativ zur Basis (32) zu ermöglichen;

gekennzeichnet durch

einen an der Basis (32) befestigten und eine relativ zu der Basis (32) geradlinige Bewegung erzeugenden Linearaktor (28);

eine Kupplung (94; 130, 131), die mit dem Mittelpunkt (92) der zweiten Schwinge (60, 62) schwenkbar verbunden und mit dem Linearaktor (28) an einem von dem Mittelpunkt (92) entfernten Punkt (100; 159) schwenkbar befestigt ist;

wobei der Linearaktor (28) derart angeordnet ist, daß der Weg seiner Linearbewegung im wesentlichen parallel zu und zusammenfallend mit der Symmetrielängsachse (133) des gekrümmten Bewegungswegs (132) des Mittelpunkts (92) der zweiten Schwinge (60, 62) relativ zu der Basis verläuft, um die geradlinige Bewegung des Linearaktors (28) mit dem gekrümmten Bewegungsweg des Mittelpunkts (92) der zweiten Schwinge (60, 62) zu koppeln; und

wobei der erste (54) und der zweite (56) Drehzapfen auf gegenüberliegenden Seiten des geradlinigen Bewegungswegs des Linearaktors (28) angeordnet sind.

2. Arbeitsarm nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

einen Hebelarm (104), der durch die Basis (32) zwischen voneinander beabstandeten ersten und zweiten Enden des Hebelarms (104) schwenkbar durch die Basis (32) getragen ist,

wobei das erste Ende mit einem Verbindungselement (30) verbunden ist, um den Hebelarm (104) wenigstens dann zu verschwenken, wenn der Arbeitsarm (12) seine maximal ausgestreckte Stellung erreicht, und durch

eine Feder (129), die mit dem zweiten Ende zusammenwirkt und durch die Basis (32) getragen wird, wobei ein Stoßdämpfer (36) vorgesehen ist, wenn der Arbeitsarm (12) die vollständig ausgefahrene Stellung erreicht.

3. Arbeitsarm nach Anspruch 1, wobei die vierte Schwinge (94) eine Nockeneinrichtung (130) aufweist, mit

einem durch den Linearaktor (28) getragenen, zylindrischen Nockenkörper (134),

einem Folgerbolzen (142), der durch den Nockenkörper (134) getragen ist und mit der zweiten Schwinge (60, 62) verbunden ist, wobei seine Achse mit dem Mittelpunkt (92) der zweiten Schwinge (60, 62) zusammenfällt, und

die Achse des Folgerbolzens (142) parallel zu und versetzt zu der Achse des Nockenzylinders (134) steht.

4. Arbeitsarm nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten (58), zweiten (60, 62) und dritten (64, 66) Schwingen eine Länge von weniger als 254 mm (10 Inches) aufweist, wodurch eine kompakte Anordnung mit relativ kurzen Hebeln erzielbar ist.

5. Arbeitsarm nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten (58), zweiten (60, 62) und dritten (64, 66) Schwingen eine Länge von weniger als 152 mm (6 Inches) aufweist, wodurch eine kompakte Anordnung mit relativ kurzen Hebeln erzielbar ist.