DE69927704T2

DE69927704T2 - Industrieroboter nach dem delta-konzept mit einer drehbaren teleskopachse

Info

Publication number: DE69927704T2
Application number: DE69927704T
Authority: DE
Inventors: Fredrik Persson; H Kan Hvittfeldt; Jan Larsson; Pierre Mikaelsson
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2019-12-03
Also published as: EP1135238A1; SE515548C2; AU2016300A; WO2000035640A1; JP2002532269A; ES2251252T3; DE69927704D1; SE9804214L; SE9804214D0; EP1135238B1; ATE306369T1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Industrieroboter nach dem Delta-Konzept mit einem Armsystem, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 festgelegt. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Industrieroboters nach dem Delta-Konzept mit einem Armsystem, der sich im Raum drehen sollen, wie im Oberbegriff von Anspruch 10 festgelegt, sowie die Verwendung eines solchen Roboters. Ein solcher Roboter, der eine Teleskopachse umfasst, und ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen sind bisher aus US-A-4986582 bekannt.
Hintergrund
Die Verwendung von Industrierobotern für die flexible Automatisierung industrieller Prozesse wurde zunehmend üblich, um zeitaufwendige, monotone und schwierige Arbeit zu ersetzen. Solche Arbeiten können zum Beispiel sein, Schokoladenstücke oder ähnliche Objekte von einem Fließband an Stellen an vorgegebenen Orten, zum Beispiel in Boxen, mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit umzusetzen, wobei das Objekt sich auf einem gesonderten Fließband bewegt. Die Fähigkeit, kleine und empfindliche Objekte effektiv mit großer Geschwindigkeit und Genauigkeit zu handhaben, ist in der Automatisierung von Industrieprozessen vielgesucht. Für diesen und andere Zwecke wurde ein Industrieroboter nach dem sogenannten Delta-Konzept entworfen, wobei das Ziel ist, eine Drehung von angehobenen Objekten zu einer parallelen Roboterstruktur zu erreichen. Diese Art von Robot, ein sogenannter Delta-Roboter, kann zum Beispiel in einer Rahmenkonstruktion über einem Fließband platziert sein und ein Armsystem aufweisen, an dem Werkzeuge angebracht sein können, die dazu gedacht sind, im Raum zu rotieren, d.h. mit drei Freiheitsgraden in x, y und z-Richtung zu rotieren. Durch Rotieren des Roboterarms wie weiter unten erwähnt ist vorgesehen, dass der Roboterarm auch eine Drehbewegung ausführt. Das Armsystem umfasst üblicherweise einen Basisabschnitt bzw. eine Basispartie, eine bewegbare Platte und zwischen diesen mehrere mit Gelenken versehene Zugstangen. Es sind hauptsächlich die Zugstangen, die die Last aufnehmen können. Eine teleskopische Achse, auch eine vierte Achse genannt, ist zwischen dem Basisabschnitt und der bewegbaren Platte angeordnet. Ihre Aufgabe ist es, als Antriebsachse von einem Motor in der Roboterstruktur zu einem auf der bewegbaren Platte angeordneten Werkzeug zu dienen. Die Drehung sollte minimal lockeres Spiel aufweisen und im freien Raum ausgeführt werden können, d.h. der Abstand von der bewegbaren Platte zu der Basis des Roboters, dem Basisabschnitt, ist variabel. Die lineare Bewegung kann eine Geschwindigkeit von bis zu 10 m/s haben. Die Anzahl von „Aufnahmen" von Objekten kann 120 Teile pro Minute sein, was gleich 2 pro Sekunde ist. Zusätzlich ist dieser Deltaroboter üblicherweise mit einem System ausgestattet, das fehlerhafte Objekte visuell identifiziert und nur die wählt, die perfekt sind.
Ein Problem mit diesem Roboter ist, dass Reibung und lockeres Spiel zwischen den Bestandteilen während der Drehbewegung des Armsystems auftreten. Die Teleskopachse muss entsprechend ihre Länge gleichzeitig verringern oder steigern, während sie relativ große Momente mit großer Genauigkeit, hoher Geschwindigkeit/Beschleunigung übertragen muss, unabhängig davon, ob das aufzunehmende Objekt zufällig auf dem Fließband platziert ist oder ob seine Position gesteuert ist. Mit bekannten Teleskoparmen für Industrieroboter nach dem Deltakonzept wird ein äußeres Rohr mit einer inneren Achse mit einer gewöhnlichen Schiebenaht bzw. Schiebeverbindung verbunden, zum Beispiel in der Form von Rillen oder ähnlichen Mitteln, was zu losem Spiel bei der Übertragung von Momenten führt und die nicht in der Lage ist, Momente größer als etwa 0.5 Nm bei mittleren Geschwindigkeiten zu bewältigen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zielt darauf, eine Vorrichtung für einen Industrieroboter zu erreichen, die effektiver und schneller als herkömmliche Entwürfe sind. Die Aufgabe der Erfindung ist, für einen Teleskoparm eine Moment-übertragende reibungsarme Bewegung zu ermöglichen, die frei von lockerem Spiel ist und die parallel ist. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher, in der Lage zu sein, eine Drehbewegung im Raum mit minimaler Reibung, ohne lockeres Spiel und mit maximaler Festigkeit mit einem Armsystem für einen Industrieroboter durchzuführen. Die Drehbewegung sollte bei hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen und mit relativ hohen Momenten ausgeführt werden können.
Die Lösung wird durch einen Industrieroboter mit den in Anspruch 1 genannten Eigenschaften erreicht. Genauer betrifft Anspruch 1 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Industrieroboter nach dem Deltakonzept mit einem Armsystem, das dazu vorgesehen ist, im Raum zu rotieren, und das einen Basisabschnitt, eine bewegbare Platte, mehrere Zugstangen mit mehreren Gelenken und eine Teleskopachse umfasst, die zwischen dem Basisabschnitt und der beweglichen Platte angeordnet ist, wobei entgegengesetzte Enden der Zugstangen und der Teleskopachse jeweils mit dem Basisabschnitt und der bewegbaren Platte verbunden sind, und wobei die Teleskopachse eine innere Achse und ein äußeres Rohr umfasst, das auf der inneren Achse angeordnet ist und relativ zu der inneren Achse in einer Längsrichtung verschiebbar ist, wobei eine torsionssteife bzw. drehsteife Hülse auf eine feststehende Weise auf dem äußeren Rohr angebracht ist, in der die innere Achse so angebracht ist, dass sie verschiebbar ist.
Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass eine sehr torsionssteife Bauweise erreicht wird, wobei eine Teleskopachse mit einer reibungsarmen momentübertragenden Bewegung, die frei von losem Spiel und parallel ist, erhalten wird. Die Bauweise kann große Momente über 1 Nm und lineare Geschwindigkeiten von bis zu 10 m/s bewältigen. Ein weiterer Vorteil ist, dass Reibung und loses Spiel minimiert werden, wodurch der Roboter Drehbewegungen mit hoher Geschwindigkeit und großer Genauigkeit ausführen kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform schließt auch eine Führungsvorrichtung für eine Teleskopachse mit den in Anspruch 6 angegebenen Eigenschaften ein. Die innere Achse weist üblicherweise ein freies Achsenende auf, das nicht befestigt ist. Wenn die Teleskopachse ihre Länge verkleinert/vergrößert, bewegt sich die innere Achse parallel zu dem äußeren Rohr. Es gibt dann das Risiko, dass die innere Achse in Kontakt mit der Innenseite des äußeren Rohrs kommt, was Abnutzung und Unstimmigkeit verursacht. Ein weiterer Nachteil ist, dass eine Last, eine Bruchkraft, an der torsionssteifen Hülse dadurch entsteht, dass die innere Achse um die Hülse schwenkt. Dieses Problem wird nach der vorliegenden Erfindung mit einem Industrieroboter mit den in Anspruch 6 angegebenen Eigenschaften gelöst. Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass eine Teleskopachse erreicht wird, die Probleme von Abnutzung und Unstimmigkeit beseitigt, während gleichzeitig eine sehr torsionssteife Ausführung mit verringerter Reibung und losem Spiel erreicht wird. Aufgrund der Lösung mit der Führungsvorrichtung bewegen sich die Teile des Teleskoparms, die innere Achse und das äußere Rohr, parallel in Bezug zueinander. Die innere Achse wird daran gehindert, zu schwenken und eine Bruchkraft auf die Hülse zu verursachen.
Die torsionssteife Hülse kann zum Beispiel mit der inneren Achse verbunden sein. In dieser Situation ist es dienlich, dass Kugeln oder ähnliche Mittel innerhalb der Hülse angeordnet sind, wobei die Kugeln sich in Rillen in der inneren Hülse befinden können. Eine oder mehrere Kugeln können in diesem Fall in jeder entsprechenden Rille angeordnet sein. Die Hülse ist vorzugsweise eine Moment-Kugelhülse. Die Hülse bzw. die Führungsvorrichtung können aus einem für den Zweck geeigneten Material gefertigt sein, wie einer dünnen Stahlplatte, Aluminium oder Plastik. Damit die Führungsvorrichtung die auftretende Abnutzung bewältigen kann, ist es zweckmäßig, sie aus einem Polymer wie POM, PE oder PA zu formen.
Die Führungsvorrichtung kann als eine Scheibe, mehrere Schultern bzw. Vorsprünge, eine ringförmige Hülse oder ähnliches ausgelegt sein. Gemäß einer Ausführungsform ist die Führungsvorrichtung scheibenförmig und mit durchführenden Hohlräumen in der Richtung der Dicke der Scheibe versehen, um zu ermöglichen, dass Luft hindurch geht.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren nach Anspruch 10 zum Herstellen eines Industrieroboters nach dem Deltakonzept mit einem Armsystem, das dazu vorgesehen ist, im Raum zu rotieren, wobei in dem Armsystem ein Basisabschnitt und eine bewegbare Platte angeordnet sind, mehrere mehrgelenkige Zugstangen und eine Teleskopachse zwischen dem Basisabschnitt und der bewegbaren Platte angeordnet sind, wobei entgegengesetzte Enden der Zugstangen und der Teleskopachse jeweils mit dem Basisabschnitt und der bewegbaren Platte verbunden sind, und wobei die Teleskopachse eine innere Achse und ein äußeres Rohr umfasst, das auf der inneren Achse angeordnet ist und in einer Längsrichtung relativ zu der inneren Achse verschiebbar ist, wobei eine torsionssteife Hülse auf feststehende Weise auf dem äußeren Rohr angeordnet ist, in der die innere Achse verschiebbar angebracht ist.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren zusätzlich das feste Anbringen einer Führungsvorrichtung an die innere Achse, wobei ein Teil der Führungsvorrichtung so angeordnet ist, dass sie an der Innenseite des äußeren Rohrs anliegt.
Die vorliegende Erfindung schließt auch die Verwendung des Industrieroboters nach Anspruch 12 ein.
Der beschriebene Industrieroboter, der auch als Manipulator mit Steuergerät bezeichnet werden kann, soll gemäß der Erfindung Lasten von bis zu mindestens 1 kg handhaben können.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird in der Form eines nichtbeschränkenden Beispiels einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ausführlicher beschrieben und mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, wobei
1 eine perspektivische Ansicht eines Industrieroboters gemäß dem Deltakonzept zeigt,
2 eine Teleskopachse für einen Industrieroboter zeigt,
3 eine torsionssteife Hülse, die auf einer Teleskopachse angeordnet ist, in einer teilweise im Querschnitt gezeigten Ansicht zeigt,
4 eine auf einer Teleskopachse angeordnete Führungsvorrichtung in einer teilweise im Querschnitt gezeigten Ansicht zeigt,
5 eine Führungsvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht zeigt.
Beschreibung der Ausführungsformen
1 zeigt einen Industrieroboter nach dem Deltakonzept. Der Industrieroboter ist mit einem Armsystem 2 ausgestaltet, das dazu vorgesehen ist, im Raum zu rotieren. Eine Anzahl von mit Gelenken versehenen Zugstangen 8 sind an ihren Endabschnitten auf einer bewegbaren Platte 6 angeordnet. Die mit Gelenken versehenen Zugstangen sind an ihren entgegengesetzten Endabschnitten an einem allgemein vorgesehenen Basisabschnitt 4 des Roboters angeordnet bzw. angebracht. Ein Werkzeug ist dafür vorgesehen, an der bewegbaren Platte 6 angebracht zu werden. Eine vierte Achse in der Form einer Teleskopachse 10 ist zwischen dem Basisabschnitt und der bewegbaren Platte angeordnet, wobei die entgegengesetzten Enden der Teleskopachse 12, 14 (siehe 2) und der jeweiligen Zugstangen 9 mit dem Basisabschnitt bzw. der bewegbaren Platte verbunden sind. Die Aufgabe der Teleskopachse ist, als eine Antriebsachse von einem Motor in der Roboterstruktur zu einem an der bewegbaren Platten angeordneten Werkzeug zu dienen. An einem Ende ist die Teleskopachse fest an dem Basisabschnitt 4 angebracht, und ihr anderes Ende kann sich frei bewegen, wenn es an der bewegbaren Platte 6 angeordnet ist. Die gesamte Teleskopachse kann sich nach vorne und nach hinten mit sehr hohen Geschwindigkeiten bewegen. Die Drehung findet räumlich statt, d.h. der Abstand von der bewegbaren Platte zu dem Basisabschnitt 4 ist variabel.
2 zeigt eine Ansicht einer Teleskopachse 10, die eine innere Achse 16 mit einem Endabschnitt 14 und ein äußeres Rohr 18 mit einem Endabschnitt 12 umfasst, das auf der inneren Achse angeordnet ist und in eine Längsrichtung verschiebbar ist. Das äußere Rohr 18 ist mit einem dickeren, hülsenförmigen Abschnitt 19 ausgestaltet, der eine torsionssteife Hülse 20 (siehe 3) umgibt, die an der inneren Achse 16 angeordnet ist. Damit ist eine torsionssteife Hülse 20 fest in dem äußeren Rohr 18 angeordnet, in der die innere Achse verschiebbar ist. Gemäß einer Ausführungsform kann das äußere Rohr 18 mit dem Endabschnitt 12 an der bewegbaren Platte 6 (siehe 1) angeordnet sein, und die innere Achse 16 kann mit dem Endabschnitt 14 an dem Basisabschnitt 4 des Roboters angeordnet sein.
In der Abbildung gemäß 3 ist es offensichtlich, dass eine Teleskopachse 10 mit einer torsionssteifen Hülse 20 fest an dem äußeren Rohr 18 angebracht ist und die innere Achse 16 umgibt. Die torsionssteife Hülse kann zum Beispiel an der inneren Achse befestigt sein, wobei Kugeln oder ähnliches in Nuten bzw. Rillen 17 auf der inneren Achse platziert werden und innerhalb der Hülse angeordnet werden. Rillen 17 dienen auch dazu, die Hülse während der Verschiebung der inneren Achse 16 in der Hülse zu führen. Wie in der Figur gezeigt, kann die Hülse eine ringförmige Hülse sein. An dieser ist ein Schmiernippel 22 angeordnet, und an der Stelle des Schmiernippels 22 kann die Hülse geeignet auf die innere Achse durchgeschnitten sein, mit einem Schlitz 24, der dazu vorgesehen ist, überschüssiges Schmiermittel für eine ständige Schmierung der inneren Achse während einer Bewegung relativ zu der Hülse aufzunehmen.
4 stellt eine teilweise im Querschnitt gezeigte Ansicht einer Führungsvorrichtung 30 dar, die auf einer inneren Achse 16 angeordnet ist, vorzugsweise fest an dem freien Ende 31 der inneren Achse an einer Teleskopachse 10 angebracht (siehe 1–2). Wie auch aus 5 ersichtlich ist, kann die Führungsvorrichtung 30 auch scheibenförmig sein und mit durchgehenden Hohlräumen 32 in der Richtung der Dicke der Scheibe ausgelegt sein, um den Luftwiderstand zu verringern, wobei Hohlräume 32 in einer radialen Richtung geeigneterweise durchgehende Kanäle sein können, die sich nach außen erstrecken und die an der Außenseite 33 der Führungsvorrichtung offen sind, was ermöglicht, dass die Führungsvorrichtung gegen das äußere Rohr federt, wenn die Führungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, gegen das äußere Rohr vorgespannt zu sein. Die Führungsvorrichtung kann mit mehreren Hohlräumen 32 ausgestaltet sein. Ein Abschnitt der Führungsvorrichtung ist so angeordnet, dass er an der Innenseite oder inneren Wand 34 des inneren Rohrs anliegt. Die Führungsvorrichtung kann geeignet mit Vorsprüngen 35 mit abgeschrägten Kanten versehen sein, die dazu vorgesehen sind, an der Innenseite 34 des innere Rohrs anzuliegen, und mit Aussparungsbereichen 36, um das Risiko eines Verdrehens aufgrund von Reibung zu minimieren. Die Vorsprünge 35 können zum Beispiel drei oder vier Vorsprünge bzw. Schultern umfassen, die in gleichmäßigen Abständen um den Umfang der Führungsvorrichtung liegen. Die Führungsvorrichtung ist vorzugsweise mittig in dem äußeren Rohr angeordnet. Zusätzlich ist es zweckmäßig, die Führungsvorrichtung vorgespannt in dem äußeren Rohr anzuordnen, was bedeutet, dass der Durchmesser der Führungsvorrichtung etwas größer ist als der innere Durchmesser des äußeren Rohrs, so dass die Führungsvorrichtung gegen die Innenseite 34 des äußeren Rohrs drückt.

Claims

Industrieroboter nach dem Delta-Konzept mit einem im Raum drehbaren Armsystem (2), mit einer Basispartie (4), einer beweglichen Platte (6), mehreren mehrgelenkigen Zugstangen (8) und einer zwischen der Basispartie und der beweglichen Platte angeordneten Teleskopachse (10), wobei gegenüberliegende Enden (12, 14) der Zugstangen und der Teleskopachse jeweils mit der Basispartie bzw. mit der beweglichen Platte verbunden sind und die Teleskopachse eine innere Achse (16) und ein um die innere Achse angeordnetes und gegenüber der inneren Achse längsverschiebliches Aussenrohr (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Aussenrohr (18) eine drehsteife Hülse (20) ortsfest angeordnet ist, in welcher die innere Achse (16) verschiebbar montiert ist.
Industrieroboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drehsteife Hülse (20) eine Drehmoment-Kugelhülse ist.
Industrieroboter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse einen durchgehenden Schlitz (24) aufweist.
Industrieroboter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Achse (16) Nuten (17) aufweist, welche die innere Achse (16) während der Verschiebung in der Hülse (20) führen.
Industrieroboter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenrohr (18) mit der beweglichen Platte (6) und die innere Achse (16) mit der Basispartie (4) verbunden ist.
Industrieroboter nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer fest mit der inneren Achse verbundenen Führungsvorrichtung (30), wobei ein Teil der genannten Führungsvorrichtung an der Innenseite (34) des Aussenrohrs anliegt.
Industrieroboter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsvorrichtung gegenüber der Innenseite des Aussenrohrs (18) vorgespannt ist.
Industrieroboter nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsvorrichtung scheibenförmig ist.
Industrieroboter nach einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsvorrichtung drei oder mehr Schultern aufweist, die an der Innenseite (34) des Aussenrohrs anliegen und in regelmässigen Abständen auf dem Umfang der Führungsvorrichtung verteilt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Industrieroboters nach dem Delta-Konzept mit einem im Raum drehbaren Armsystem (2), wobei im Armsystem (2) eine Basispartie (4) und eine bewegliche Platte (6) und zwischen der Basispartie und der beweglichen Platte mehrere mehrgelenkige Zugstangen (8) und eine Teleskopachse (10) angeordnet sind, wobei gegenüberliegende Enden (12, 14) der Zugstangen und der Teleskopachse jeweils mit der Basispartie bzw. mit der beweglichen Platte verbunden sind und die Teleskopachse eine innere Achse (16) und ein um die innere Achse angeordnetes und gegenüber der inneren Achse längsverschiebliches Aussenrohr (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Aussenrohr (18) eine drehsteife Hülse (20) ortsfest angeordnet ist, in welcher die innere Achse (16) verschiebbar montiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Industrieroboters nach Anspruch 10, bei welchem eine Führungsvorrichtung (30) fest mit der inneren Achse (16) verbunden ist, wobei ein Teil der genannten Führungsvorrichtung an der Innenseite (34) des Aussenrohrs anliegt.
Verwendung eines Industrieroboters mit einer drehsteifen Hülse (20) nach einem der Ansprüche 1–9 zur Handhabung von Gegenständen, wobei es sich um einen Industrieroboter nach dem Delta-Konzept mit einem Armsystem (2) und einer Teleskopachse (10) handelt, die räumlich drehbar sind.