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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung mit zwei Gestängemechanismen,
die je mindestens drei Stangen aufweisen, von denen eine erste und
eine zweite Stange mit der gleichen Länge sich parallel zueinander
erstrecken und durch mindestens eine dritte Stange gelenkig miteinander
verbunden sind, wobei die beiden ersten und die beiden dritten Stangen
der beiden Mechanismen an einem gemeinsamen Hauptdrehgelenk gelenkig
miteinander verbunden sind, wobei Gelenkpunkte der ersten Stangen,
die entfernt vom Hauptdrehgelenk liegen, unabhängig entlang linearer Bahnen
beweglich sind, wobei die Vorrichtung weiter ein Werkzeug aufweist,
das das Hauptdrehgelenk enthält.
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Bei einer solchen Vorrichtung, die
aus der US-A-4,687,400 bekannt ist, weist das Werkzeug eine Greifeinrichtung
mit zwei Klauen auf. Das Hauptdrehgelenk ist mit beiden Klauen verbunden, während an
jede Klaue eines der beiden Drehgelenke der zweiten und der dritten
Stange angeschlossen ist. Durch Translationsverschiebung der beiden
Gelenkpunkte in der gleichen parallelen senkrechten Transportrichtung
und über
die gleiche Strecke wird das Werkzeug senkrecht bewegt. Durch Translationsverschiebung
nur eines der Gelenkpunkte bewegt sich das Werkzeug hauptsächlich in
einer waagrechten Richtung. Durch Bewegung mindestens einer der
zweiten Stangen werden die Klauen der Greifeinrichtung geschlossen
oder geöffnet.
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Die zweiten Stangen werden durch
Translationsverschiebung des Endes der zweiten Stangen, das von
den dritten Stangen entfernt liegt, in einer senkrechten Richtung
parallel zur Transportrichtung der Gelenkpunkte der ersten Stangen
bewegt. Dadurch ändert
sich der Abstand zwischen den Enden der zweiten Stangen und den
Gelenkpunkten. Das heißt,
dass die ersten und zweiten Stangen nicht parallel bleiben, so dass
die Steuerung der gewünschten
genauen Bewegungen relativ kompliziert ist.
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Außerdem kann durch die Vorrichtung
gemäß US-A-4,687,400
das Werkzeug nicht um das Hauptdrehgelenk gedreht werden, um den
zwischen den Klauen befindlichen Gegenstand zu drehen.
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der das Werkzeug nicht
nur in mindestens zwei verschiedene Richtungen bewegt, sondern auch
um das Hauptdrehgelenk gedreht werden kann.
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Dieses Ziel der vorliegenden Erfindung
wird dadurch erreicht, dass die ersten und zweiten Stangen jedes
Mechanismus über
eine vierte Stange gelenkig verbunden sind, die zur dritten Stange
parallel liegt und die gleiche Länge
wie diese aufweist, wobei die vierte Stange um den Gelenkpunkt der
ersten Stange drehbar ist, wobei die Drehpunkte der dritten und
zweiten Stange des ersten und zweiten Mechanismus mit dem Werkzeug
bzw. einem Teil des Werkzeugs verbunden sind, wobei die Drehung
der vierten Stange des ersten Mechanismus um den Gelenkpunkt eine
Drehung des Werkzeugs um das Hauptdrehgelenk und die Drehung der
vierten Stange des zweiten Mechanismus um den Gelenkpunkt eine Drehung
des Teils des Werkzeugs um das Hauptdrehgelenk bewirkt.
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In der vorliegenden Patentanmeldung
wird eine Stange als ein beliebiges Verbindungselement betrachtet,
das gelenkig zwischen zwei Drehgelenken verbunden ist.
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Durch Drehen einer der vierten Stangen
wird das Werkzeug als solches gedreht, während der Teil des Werkzeugs,
zum Beispiel die Greifeinrichtung, nicht unbedingt in Bezug auf
das Werkzeug gedreht wird.
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Durch Bewegen der beiden Gelenkpunkte und
Drehen der beiden vierten Stangen kann das Werkzeug in zwei orthogonale
Richtungen bewegt werden, um das Hauptdrehgelenk gedreht werden und
ein zusätzliches
Leistungsmerkmal, wie zum Beispiel ein Öffnen oder Schließen von
Greifeinrichtungen, Drehen eines mit einem Manipulator verbundenen
und im Werkzeug angeordneten Antriebsrads, usw. durchführen.
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Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gestängemechanismus
eine fünfte Stange
aufweist, die parallel zur ersten Stange liegt und die gleiche Länge wie
diese hat, wobei die erste und die fünfte Stange über eine
sechste und eine siebte Stange gelenkig verbunden sind, die parallel zueinander
liegen und die gleiche Länge
aufweisen, wobei die sechste Stange am Hauptdrehpunkt gelenkig mit
der ersten Stange verbunden ist und mit der dritten Stange einen
Winkel einschließt.
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Auf diese Weise kann die vierte Stange
vollständig
um den Gelenkpunkt gedreht werden, ohne die Gefahr, dass im sogenannten
Totpunkt, in dem die dritte und die vierte Stange parallel zu der
ersten und der zweiten Stange liegen, die vierte Stange weiter in
eine Richtung dreht, während
die dritte Stange die Drehrichtung ändert.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Stange gelenkig mit
einem Winkelverdopplungsmechanismus verbunden ist.
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Wenn am Eingang des Winkelverdopplungsmechanismus
eine 90°-Drehung durchgeführt wird, dreht
die vierte Stange um 180°.
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Die Vorrichtung wird anhand der Zeichnung weiter
erklärt,
in der
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1 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den Linien
A-AB-B in 2A zeigt,
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die 2A und 2B Draufsichten der Vorrichtung
aus 1 in einer geschlossenen
Stellung der Greifeinrichtung zeigen,
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3 eine
Draufsicht eines Details der Vorrichtung aus 1 zeigt,
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die 4A, 4B je eine Draufsicht bzw.
eine Seitenansicht der Greifeinrichtung der in 1 gezeigten Vorrichtung zeigen,
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5 eine
schematische Ansicht eines Teils der Vorrichtung aus 1 zeigt, mit dem die Bewegung
des Werkzeugs durchgeführt
wird,
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6 eine
schematische Ansicht der Vorrichtung aus 1 zeigt, in der der Winkelverdopplungsmechanismus
zu sehen ist,
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7 eine
schematische Ansicht eines Teils der Vorrichtung aus 1 zeigt, durch die die Drehung
eines Antriebsrads des Werkzeugs durchgeführt wird,
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8 eine
schematische Ansicht eines Teils der Vorrichtung aus 1 zeigt, durch die die Drehung
des Werkzeugs um das Hauptdrehgelenk durchgeführt wird,
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die 9A bis 9F in drei Schritten die
Drehung des Werkzeugs um das Hauptdrehgelenk zeigen,
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die 10A bis 10E mehrere Bewegungen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zeigen.
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Gleiche Bauteile tragen in allen
Figuren die gleichen Bezugszeichen, wobei die Stangen mit einem
B, gefolgt von einer Zahl, die Drehpunkte mit einem P, gefolgt von
einer Zahl, mit Ausnahme der Gelenkpunkte HP1, HP2 und des Hauptdrehgelenks MP,
und die Schlitze in den Stangen mit S, gefolgt von einer Zahl, bezeichnet
sind. Zum Beispiel ist das Drehgelenk P231 das Drehgelenk P zwischen
der Stange B21 und der Stange B31 des Gestängemechanismus M1 (siehe 8).
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Die 1, 2A und 2B zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1,
die zwei Gestängemechanismen
M1, M2, zwei Winkelverdopplungsmechanismen D1, D2 und ein Werkzeug
T aufweist. Jeder Gestängemechanismus
M1, M2 weist eine Hauptstange B11, B12 auf, die gelenkig mit den Drehgelenken
HP1, MP und HP2, MP verbunden ist. Das Drehgelenk MP ist ein gemeinsames
Drehgelenk der beiden Mechanismen M1, M2 und wird Hauptdrehgelenk
MP genannt. Dieses Drehgelenk MP befindet sich auf dem Werkzeug
T.
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Der Gestängemechanismus M1 weist zwei Stangen
B21, B51 auf, die sich parallel zur ersten Stange B11 erstrecken
und die gleiche Länge
wie die Stange B11 aufweisen. Die relevante Länge einer Stange wird durch
die Entfernung zwischen den Drehgelenken an den jeweiligen Enden
einer Stange bestimmt.
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Die Stangen B11 und B21 sind durch
dritte und vierte Stangen B31 und B41 miteinander verbunden. Die
Stange B31 wird von der Entfernung zwischen den Drehpunkten P231
und MP gebildet.
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Die fünfte Stange B51 ist über die
Stangen B61 und B71 gelenkig mit der Stange B11 verbunden.
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Die Stange B71 wird von der festen
Entfernung zwischen den Gelenkpunkten HP1 und dem Drehpunkt P571
bestimmt.
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Der zweite Mechanismus M2 ist gleich
dem Gestängemechanismus
M1 und enthält
die Stangen B22, B32, B42, B52, B62, B72, die in gleicher Weise gelenkig
miteinander verbunden sind wie die Stangen des Gestängemechanismus
M1. Die Stange B32 wird von der Entfernung zwischen zwei Drehpunkten MP,
P232 auf der Scheibe 2 gebildet, wie in 3 gezeigt ist. Die Stange B62 wird von
der Entfernung zwischen dem Hauptdrehgelenk MP und dem Drehpunkt
P562 auf der Scheibe 2 gebildet.
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Der Gelenkpunkt HP1 des Gestängemechanismus
M1 befindet sich auf einem Gleitstück 3, das von einem
Linearmotor in die durch den Pfeil A1 angezeigte Richtung bewegt
werden kann. Nahe dem Ende des Gleitstücks 3 ist ein Winkelschlitz
S01 vorgesehen, der um den Gelenkpunkt HP1 herum angeordnet ist.
Durch den Schlitz S01 erstreckt sich ein Stift, der das Drehgelenk
P241 bildet. Mit diesem Drehgelenk P241 ist ein Glied 4 verbunden,
dessen Länge √2 mal so
groß ist
wie die Entfernung zwischen P241 und HP1. Dieses Glied 4 ist
am Drehgelenk P45 gelenkig mit einem Hebel 5 verbunden,
der um ein festes Drehgelenk P5 schwenkbar ist. Die Entfernung zwischen
dem Drehgelenk P5 und dem Gelenkpunkt HP1 ist die gleiche wie die
Entfernung zwischen dem Gelenkpunkt HP 1 und dem Drehgelenk P241.
Die Entfernung zwischen P5 und P45 ist doppelt so groß wie diese
Entfernung. Der Hebel 5 ist an einem vom Drehgelenk P45
entfernten Ende mit einem Drehgelenk P56 versehen, über das
er mit einem Stab 6 (siehe 6)
verbunden ist, der vom Linearmotor in die durch den Pfeil A2 angezeigte
Richtung und parallel zu A1 beweglich ist. Der Hebel 5 und
das Glied 4 bilden den Winkelverdopplungsmechanismus D1.
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In gleicher Weise befindet sich der
Gelenkpunkt HP2 auf einem Gleitstück 7, das von einem
Linearmotor in die durch den Pfeil A3 angezeigte Richtung bewegt
werden kann. Nahe dem Ende des Gleitstücks 7 ist ein Winkelschlitz
S02 vorgesehen, der um den Gelenkpunkt HP2 herum angeordnet ist. Durch
den Schlitz S02 erstreckt sich ein Stift, der das Drehgelenk P242
bildet. Mit diesem Drehgelenk P242 ist ein Glied 8 verbunden,
dessen Länge √2 mal so
groß ist
wie die Entfernung zwischen P242 und HP2, das am Drehgelenk P89
gelenkig mit einem Hebel 9 verbunden ist, der um ein festes
Drehgelenk P9 schwenkbar ist. Die Entfernung zwischen dem Drehgelenk
P9 und dem Gelenkpunkt HP2 ist die gleiche wie die Entfernung zwischen
dem Gelenkpunkt HP2 und dem Drehgelenk P242. Die Entfernung zwischen P9
und P89 ist doppelt so groß wie
diese Entfernung. Der Hebel 9 ist an einem Ende entfernt
vom Drehgelenk P89 mit einem Drehgelenk P910 versehen, durch das
er mit einem Stab 10 (siehe 6)
verbunden ist, der vom Linearmotor in die durch den Pfeil A4 angezeigte
Richtung und parallel zu A3 bewegt werden kann. Der Hebel 9 und
das Glied 8 bilden den Winkelverdopplungsmechanismus D2.
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Das Werkzeug T ist mit einem Antriebsrad 11 versehen,
das um das Hauptdrehgelenk MP drehbar ist, mit welchen Antriebsrad 11 die
Gelenkpunkte P232 und P562 über
das Koppelteil 20 und die Scheibe 2 verbunden
sind (1).
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Das Werkzeug T ist weiter mit zwei
Zahnstangen 12, 13 versehen, die auf entgegengesetzten Seiten
des Antriebsrads 11 liegen und mit der rechten bzw. der
linken Klaue 14, 15 der Greifeinrichtung 16 verbunden
sind. Der Raum zwischen den Klauen 14, 15 wird
für die
aufzunehmenden Bauteile benötigt.
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Die Stangen B21, B51, B22, B52 sind
nahe den Gelenkpunkten HP1, HP2 mit Schlitzen S21, S22, S51, S52
versehen, welche je um die Drehpunkte P241, P571, P242, P571 angeordnet
sind, durch die je ein den Gelenkpunkt HP1, HP2 bildender Stift verläuft. Der
Winkel, um den die Schlitze verlaufen, hängt von dem Winkel ab, um den
das Werkzeug T und das Antriebsrad 11 gedreht werden müssen. In der
gezeigten Vorrichtung erstrecken sich die Schlitze über 180°, so dass
das Werkzeug T und das Antriebsrad 11 auch um 180° gedreht
werden können.
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Der Betrieb der Vorrichtung 1 wird
unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 in einigen Schritten erklärt.
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In 5 sind
die Teile der Vorrichtung 1 schematisch dargestellt, die
für die
Verschiebung des Werkzeugs T in die durch die Pfeile X, Y angezeigte Richtung
relevant sind.
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Durch Bewegen der Gleitstücke 3 und 7 über die
gleiche Entfernung in die durch die Pfeile A1, A3 angezeigten Richtungen
wird das Werkzeug T über die
gleiche Entfernung in die durch den Pfeil X angezeigte Richtung
bewegt. Wenn nur das Gleitstück 3 in die
durch den Pfeil A1 angezeigte Richtung verschoben wird, wird das
Werkzeug T hauptsächlich
in die durch den Pfeil Y angezeigte Richtung verschoben. Tatsächlich wird
die Stange B12 um den Gelenkpunkt HP2 gedreht, aufgrund dessen das
Hauptdrehgelenk MP des Werkzeugs T auch eine leichte Verschiebung in
die durch den Pfeil X angezeigte Richtung durchführt. Durch Steuerung der Verschiebungen
der Gleitstücke 3, 7 in
die durch die Pfeile A1, A3 angezeigten Richtungen kann das Hauptdrehgelenk
MP des Werkzeugs T in jede beliebige Position bewegt werden.
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Aus 6 wird
der Betrieb des Winkelverdopplungsmechanismus D1, D2 verständlich.
Durch Translationsverschiebung des Stabs 6 in die durch den
Pfeil A2 angezeigte Richtung wird der Hebel 5 zum Beispiel
um 90° gedreht.
Das Glied 4, welches durch das Drehgelenk P45 gelenkig
mit dem Glied 5 verbunden ist, wird verschoben, wodurch
das Drehgelenk P241 um HP1 um 180° gedreht
wird. Diese Endstellung ist spiegelbildlich durch den Winkelverdopplungsmechanismus
D2 beschrieben. Der Grund für
die Verdoppelung des Winkels vom Glied 5 zur Stange B41
wird durch das zwischen den Entfernungen der Gelenkpunkte HP1, P241,
P5, P45 des Winkelverdopplungsmechanismus gewählte Verhältnis verursacht. Die Entfernungen
P5-HP1 sind gleich HP1-P241, und die Entfernung P5-P45 ist doppelt
so groß wie
diese Entfernung, und die Entfernung P241-P45 ist √2 mal so
groß wie
diese Entfernung.
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7 zeigt,
wie das Antriebsrad 11 gedreht werden kann. Die Stange
B42 wird vom Winkelverdopplungsmechanismus D2 um den Gelenkpunkt HP2
gedreht. Da die Stangen B21, B22, B42, B32 einen Parallelogramm-Mechanismus
bilden, führt
die Stange B32 die gleiche Drehung durch wie die Stange B42. Durch
Drehen der Stange B32 um MP wird auch das Antriebsrad 11 gedreht,
wodurch die Stange B62 ebenfalls diese Drehung durchführt und
die Stange B72 die gleiche Drehung um den Gelenkpunkt HP2 durchführt.
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In 8 ist
nur das für
die Drehung des ganzen Werkzeugs T um das Hauptdrehgelenk MP relevante
Bauteil gezeigt. Durch Drehen der Stange B41 um den Gelenkpunkt
HP1 führt
die Stange B31 die gleiche Drehung um das Hauptdrehgelenk MP durch. Da
das Drehgelenk P231 mit dem Werkzeug T verbunden ist, führt auch
das Werkzeug T diese Drehung durch. Durch Drehen des Werkzeugs T
wird auch die Stange B61 gedreht.
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Die 9A bis 9F zeigen in drei Schritten
die Drehung des Werkzeugs T aus einer Stellung, in der die Klauen 14, 15 nach
oben gerichtet sind (9A, 9B), über eine Stellung, in der der
Hebel 5 um 45° gedreht
wird, während
die Stange B41 um 90° gedreht wird
und die Klauen 14, 15 nach rechts gerichtet sind (9C, 9D), in eine Stellung, in der der Hebel 5 um 90° gedreht
wird, während
die Stange B41 um 180° gedreht
wird und die Klauen 14, 15 des Werkzeugs nach
unten gerichtet sind (9E, 9F). Da das im Werkzeug T
angeordnete Antriebsrad 11 zusammen mit dem Werkzeug T
um das Hauptdrehgelenk MP gedreht wird, müssen die Stangen des zweiten
Gestängemechanismus
M2 die gleiche Drehung durchführen.
Das heißt,
dass während
der Translationsbewegung des Stabs 6 in die durch den Pfeil
A2 angezeigte Richtung, um die Drehung des Werkzeugs T durchzuführen, der
Stab 10 auch in die durch den Pfeil A4 angezeigte Richtung über die
gleiche Entfernung translationsverschoben werden muss.
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Wenn nur der Stab 10 in
die durch den Pfeil A4 angegebene Richtung translationsverschoben wird,
wird das Antriebsrad 11 in Bezug auf das Werkzeug T gedreht,
wodurch die Zahnstangen 12, 13 in die durch die
Pfeile A5, A6 angezeigten Richtungen (4A)
verschoben werden, wodurch die mit den Zahnstangen 12, 13 verbundenen
Klauen 14, 15 voneinander entfernt werden.
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Die 10A bis 10E zeigen fünf verschiedene
Stellungen des Werkzeugs T und der darin angeordneten Klauen 14, 15.
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Ausgehend von der in 10A gezeigten Stellung kann die in 10B gezeigte Stellung durch Translationsverschiebung
der Gleitstücke 3, 7 und der
Stäbe 6, 10 über die
gleiche Entfernung in die durch die Pfeile A1 bis A4 angezeigten
Richtungen erhalten werden.
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Ausgehend von der in 10B dargestellten Stellung kann die in
Figur 10C gezeigte Stellung durch
Verschieben nur des Stabs 10 in die durch den Pfeil A4
angezeigte Richtung erhalten werden.
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Ausgehend von der in 10A dargestellten Stellung kann die in
Figur 10D gezeigte Stellung durch
eine gesteuerte Verschiebung der Stäbe 6, 10 und
des Gleitstücks 7 in
die von den Pfeilen A2 bzw. A3 angezeigten Richtungen erhalten werden.
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Ausgehend von der in 10D dargestellten Stellung kann die in 10E gezeigte Stellung durch Verschieben
der Stäbe 6, 10 um
die gleiche Entfernung in die durch die Pfeile A2', A4' angezeigte Richtung
erhalten werden.
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Anstelle von Greifeinrichtungen 16 können andere
Manipulatoren oder Vorrichtungen mit dem Antriebsrad 11 verbunden
werden, wie Einrichtungen zum Schneiden, Biegen, Löten, Gravieren,
Messen usw..
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In der gezeigten Vorrichtungen sind
die Gleitstücke 3, 7 entlang
paralleler, linearer Pfade beweglich. Es ist aber auch möglich, die
Gleitstücke
zum Beispiel senkrecht zueinander zu bewegen, wodurch die gleichen
Bewegungen des Werkzeugs und der Greifeinrichtung erhalten werden
können.