NL1015816C2 - Manipulator voor een gereedschap. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Manipulator voor een gereedschap.

De uitvinding heeft betrekking op een manipulator voor een gereedschap omvattende een gestel, een zich in hoofdzaak verticaal 5 uitstrekkende arm voor koppeling met het gereedschap en beweegbaar verbonden met het gestel, aandrijfmiddelen voor het doen bewegen van de arm en besturingsmiddelen voor het sturen van de aandrijfmiddelen.

Dergelijke manipulatoren, dikwijls aangeduid met de term industriële robot, zijn algemeen bekend en geschikt voor het 10 verrichten van diverse geautomatiseerde bewerkingen zoals bijvoorbeeld het booglassen, puntlassen, spuiten en het verpakken van producten. Dikwijls beschikken deze manipulatoren inclusief het gereedschap over zes ruimtelijke vrijheidsgraden en zijn zij in staat om met een zeer hoge absolute en relatieve nauwkeurigheid het gereedschap, zoals een 1 astoorts 15 of een zuignap, te manipuleren. De manipulatoren beschikken hiertoe over een aantal onderling scharnierend verbonden armen waarin diverse servo-motoren voor aandrijving van de verschillende armen zijn opgenomen. Door onder andere dit feit worden de manipulatoren mechanisch aanzienlijk belast tijdens bewegingen ten gevolge van massatraagheidskrachten hetgeen het 20 bereiken van de vereiste nauwkeurigheid bemoeilijkt. Al met al kenmerken dergelijke manipulatoren zich door een grote complexiteit en daardoor hoge kostprijs.

De uitvinding beoogt deze nadelen op te heffen door een manipulator te verschaffen die enerzijds slechts beperkte massatraag-25 heidskrachten opwekt tijdens manipulatie van een gereedschap en anderzijds eenvoudig van constructie en universeel inzetbaar is. Hiertoe wordt de manipulator volgens de uitvinding gekenmerkt doordat de arm roteerbaar is om twee onder een hoek staande, verticaal verplaatsbare, horizontale assen middels twee door de aandrijfmiddelen aangedreven stuurstangen die 30 ieder aangrijpen op de arm en geschikt zijn voor het onder afzetting tegen het gestel duwen en trekken van de arm voor het roteren van de arm. Een dergelijke constructie volgens de uitvinding maakt het mogelijk dat de aandrijfmiddelen, die volgens de stand van de techniek een belangrijke bron voor optredende massatraagheidskrachten zijn, in de onmiddellijke 35 nabijheid van het gestel zijn gelegen waardoor de bijdrage die de aandrijfmiddelen leveren aan de totale massatraagheidskrachten tijdens 2 manipulatie van een gereedschap beperkt kunnen blijven. Dit heeft weer tot gevolg dat kan worden volstaan met 1 ichtere aandri jfmiddelen. Daarnaast onderkent de uitvinding dat het niet voor iedere bewerking nodig is om zeer hoge positioneringsnauwkeurigheden te bereiken maar dat vaak kan 5 worden volstaan met lagere positioneringsnauwkeurigheden, waarbij bovendien de exacte baan die een gereedschap beschrijft tussen twee punten slechts een ondergeschikte rol speelt.

Bij voorkeur grijpen de stuurstangen onder de twee horizontale assen op de arm aan. Hierdoor kan de hoogte van de manipulator 10 alsmede de grootte van de mechanische belasting op de arm tijdens manipulatie beperkt blijven.

Bij voorkeur is de arm verbonden met het gestel via een in hoofdzaak horizontaal steunelement dat aan een eerste zijde is verbonden met het gestel en is de arm nabij een tegenover gelegen tweede 15 zijde gelegerd in het steunelement. Het horizontale steunelement bewerkstelligt een optimale bereikbaarheid van de te bewerken producten door het gereedschap. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm is de arm gelegerd in een aan het steunelement bevestigde kruiskoppeling. Een dergelijke kruiskoppeling maakt het op eenvoudige wijze mogelijk dat de 20 arm roteerbaar is om de twee genoemde horizontale assen.

De verticale verplaatsbaarheid van de twee horizontale assen wordt bij voorkeur gerealiseerd doordat de tweede zijde van het steunelement verticaal verplaatsbaar is. Dit kan geschieden doordat het steunelement om een horizontale as roteerbaar is verbonden met het gestel 25 dan wel doordat het steunelement verticaal transleerbaar is verbonden met het gestel. Deze bewegingen van het steunelement worden bij voorkeur uitgevoerd door een derde stuurstang die bijvoorbeeld qua werkingsprincipe gelijk is aan de twee andere stuurstangen en die onder afzetting tegen het gestel duwt tegen en trekt aan het steunelement waarop de derde 30 stuurstang aangrijpt.

Bij voorkeur omvatten de aandri jfmiddelen kogel omloop-spindels waarmee op nauwkeurige wijze en zonder de noodzaak van een verdere overbrenging de rotatie van een aandrijfas van een aandrijfmotor kan worden omgezet in een translerende beweging.

35 Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm omvatten de aandri jfmiddelen en door een frequentieregelaar gestuurde wisselstroom- 1 η 1 > 8 1 6 3 motor waarmee een goedkopere aandrijving kan worden verkregen door met de volgens de stand van de techniek toegepaste servomotoren die toch geschikt is voor diverse toepassingen.

De arm van de manipulator is bij voorkeur een holle 5 buis. Een buis biedt de mogelijkheid voor doorvoer van leidingwerk naar het gereedschap. Bovendien kan een buis relatief licht worden uitgevoerd met name wanneer deze in aluminium of koolstofvezel wordt uitgevoerd.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm zijn de stuurstangen in hoofdzaak horizontaal georiënteerd. Met een dergelijke 10 oriëntatie is de belasting op de stuurstangen beperkt tijdens manipulatie.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een niet-beperkende voorkeursuitvoeringsvorm zoals weergegeven in de navolgende figuren.

Figuur 1 toont een perspectivisch aanzicht van een 15 manipulator.

Figuur 2 toont negen aanzichten van de manipulator in verschillende standen.

Figuur 3 toont de kruiskoppeling waarin de arm is gelegerd.

20 Figuren 4A en 4B tonen de wijze van legering van een deel van de eerste stuurstang.

Figuur 5 toont een langsdoorsnede van een stuurstang.

De manipulator 1 zoals weergegeven in figuur 1 omvat een staander 2 die vast aan de vloer is bevestigd. Aan de bovenzijde is 25 staander 2 verbonden met uitstekend deel 3 die in figuur 1 slechts schematisch is weergegeven. Uitstekend deel 3 kan scharnieren om horizontale as 4 waartoe twee lagerdelen 5, 6 aan staander 2 zijn bevestigd. Vanuit het vrije uiteinde van uitstekend deel 3 strekt zich neerwaarts een arm 7, uitgevoerd als een buis, uit die in uitstekend deel 3 is 30 gelegerd met een kruiskoppeling 8. De uitvoering van kruiskoppeling 8 zal nog nader worden toegelicht aan de hand van figuur 3.

Aan de voorzijde van staander 2 strekken zich aan weerszijden twee kokers 9, 10 respectievelijk 11, 12 uit waartussen raamwerken 13 respectievelijk 14 zijn aangebracht. De raamwerken 13, 14 35 zijn roteerbaar om verticale as 15 respectievelijk 16. In de raamwerken 13, 14 zijn op hun beurt stuurstangen 17, 18 om horizontale assen 19, 20 β λ > 4 gelegerd. De constructie rond raamwerken 13, 14 alsmede de constructie van stuurstangen 17, 18 zullen nog nader worden toegelicht aan de hand van de figuren 4A en 4B respectievelijk figuur 5. Vooralsnog wordt volstaan met op te merken dat de lengte van de stuurstangen 17, 18 kan worden 5 gewijzigd. Om arm 7 is een klembus 21 aangebracht. De stuurstangen 17, 18 grijpen op hun uiteinde aan op de klembus 21. Loodrecht op de voorzijde van staander 2 strekken zich twee evenwijdige strippen 22, 23 uit waartussen een derde stuurstang 24 is aangebracht die qua uitvoering gelijk is aan stuurstangen 17, 18. Stuurstang 24 is om horizontale as 25 draaibaar 10 gelegerd en grijpt aan zijn uiteinde aan op uitstekend deel 3.

De onderzijde 26 van arm 7 is geschikt voor de bevestiging van een niet nader getoonde stuk gereedschap zoals een 1 astoorts of zuignap. Eventueel leidingwerk ten behoeve van dergelijk gereedschap kan worden toegevoerd door de buis heen. Door het bedienen 15 van de stuurstangen 17, 18 en 24 kan uiteinde 26, en daarmee het gereedschap, ieder punt binnen het werkgebied van de manipulator bereiken. Dit wordt geïllustreerd in figuur 2.

Iedere rij van drie aanzichten in figuur 2 geeft een beweging in respectievelijk X-, Y- en Z-richting weer overeenkomend met 20 het assenstelsel 27 in figuur 1. De bovenste rij van aanzichten geeft in bovenaanzicht drie stadia weer van een manipulatie in X-richting. Tijdens de beweging van links naar rechts wordt stuurstang 18 gaandeweg langer terwijl stuurstang 17 gaandeweg korter wordt. Tijdens de beweging roteert arm 7 in kruiskoppeling 8 om een horizontale as evenwijdig aan de Y-25 richting. Door deze rotatie zal het uiteinde 26 ook een verticale verplaatsing ondergaan. Indien dit ongewenst is kan het uiteinde 26 tijdens de beweging in X-richting op hetzelfde verticale niveau worden gehouden door een geschikte gelijktijdige aansturing van stuurstang 24.

De middelste rij aanzichten toont in drie verschillende 30 stadia een beweging van uiteinde 26 in Y-richting naar staander 2 toe. Uitgaande van de situatie waarbij de arm 7 zich in de neutrale stand bevindt, zoals weergegeven in het tweede bovenaanzicht van de bovenste rij aanzichten, zullen stuurstangen 17 en 18 gelijktijdig verkorten. Ook hier geldt dat een eventueel ongewenste verticale verplaatsing van uiteinde 35 26 kan worden gecompenseerd door een geschikte gelijktijdige bediening van stuurstang 24.

5

De onderste rij aanzichten tenslotte beschrijft een verplaasting van uiteinde 26 in Z-richting van boven naar beneden. Tijdens deze beweging zal stuurstang 24 korter worden terwijl stuurstangen 17 en 18 van de eerste naar de, neutrale, tweede stand korter worden en van de 5 tweede naar de derde stand langer worden.

Bewegingen zoals bovenstaand beschreven kunnen worden beschreven met behulp van een niet nader getoond besturingssysteem die de individuele stuurstangen onafhankelijk kan aansturen. Dergelijke besturingssystemen zijn op zich bekend en functioneren op basis van het 10 kinematisch model van de manipulator.

Figuur 3 toont de kruiskoppeling 8, die in figuur 1 slechts schematisch is weergegeven, meer in detail. Het uitstekend deel 3 omvat twee strippen 28, 29 die aan hun uiteinden via strip 30 aan elkaar zijn verbonden middels bouten 31 en 32. Tussen de strippen 28 en 29 nabij 15 strip 30 is raamwerk 33 aangebracht. Raamwerk 33 is opgebouwd uit strippen 34, 35, 36 en 37 die middels bouten 38, 39, 40 en 41 aan elkaar zijn bevestigd. Het raamwerk 33 kan om horizontale as 42 roteren waartoe het raamwerk 33 in de strippen 28 en 29 is gelegerd middels geschikte 1 agering 43, 44. Binnen het raamwerk 33 is een klemring 43 aangebracht waarin de 20 arm 7 kan worden geklemd. De klemring 43 is in raamwerk 33 roteerbaar om as 44 gelegerd middels lagers 45, 46. Voor zover stuurstangen 17, 18 arm 7 niet uit het lood hebben geduwd of getrokken is as 44 horizontaal gelegen.

De werking van raamwerken 13, 14 is identiek aan de 25 werking van de kruiskoppeling 8 zoals beschreven met betrekking tot figuur 3. Een en ander is geïllustreerd in de figuren 4A en 4B. Voor de duidelijkheid is stuurstang 17 in de tekeningen loodrecht op staander 2 weergegeven. Ter verdere toelichting op de figuren 4A en 4B wordt verwezen naar de toelichting gegeven met betrekking tot figuur 1.

30 Figuur 5 toont stuurstang 17 in dwarsdoorsnede. Zoals eerder aangegeven zijn stuurstang 18 en 24 gelijk uitgevoerd aan stuurstang 17. De stuurstang 17 omvat een standaard in de handel verkrijgbare wisselstroommotor 47 die via een niet nader getoonde frequentieregelaar wordt aangestuurd. Deze combinatie is goedkoper dan servomotoren die veelal 35 bij manipulatoren worden toegepast maar heeft toch voor veel toepassingen een toereikende nauwkeurigheid. De uitgaande as 48 van motor 47 is met 6 een spie 49 verbonden met buis 50. In buis 50 is stang 51 aangebracht die aan zijn omtrek is voorzien van een niet nader getoonde spiraal vormige groef voor samenwerking met kogelomloopmoer 52 die vast is aangebracht aan het uiteinde van buis 50. Roterende aandrijving van buis 50 door 5 elektromotor 47 resulteert via de overbrenging van kogel omloopmoer 52 in een translatie van staaf 51 in zijn lengterichting. Ter bescherming van met name kogel oml oopmoer 52 is rondom buis 50 en rondom een deel van stang 51 een omhullende buis 53 aangebracht die middels een flensverbinding 54 aan de behuizing van de motor 47 is bevestigd. Voor het opvangen van de 10 axiale krachten veroorzaakt door het duwen en trekken van de arm 7 is een geschikte axiaal lager 55 aangebracht waarin buis 50 kan roteren. Ter verdere bescherming kan aan het vrije uiteinde van buis 53 een niet nader getoonde slepende afdichting zijn voorzien tussen buis 53 en stang 51.

A Λ ·ΐ l··

Claims (12)

1. Manipulator voor een gereedschap omvattende een gestel, een zich in hoofdzaak verticaal uitstrekkende arm voor koppeling met het 5 gereedschap en beweegbaar verbonden met het gestel, aandrijfmiddelen voor het doen bewegen van de arm en besturingsmiddelen voor het sturen van de aandri jfmiddelen, met het kenmerk, dat de arm roteerbaar is om twee onder een hoek staande horizontale, verticaal verplaatsbare, assen middels twee door de aandrijfmiddelen aangedreven stuurstangen die ieder aangrijpen 10 op de arm en geschikt zijn voor het onder afzetting tegen het gestel duwen en trekken van de arm voor het roteren van de arm.

2. Manipulator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stuurstangen onder de twee horizontale assen aangrijpen op de arm.

3. Manipulator volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, 15 dat de arm is verbonden met het gestel via een in hoofdzaak horizontaal steunelement dat aan een eerste zijde is verbonden met het gestel en dat de arm nabij een tegenover gelegen tweede zijde is gelegerd in het steunelement.

4. Manipulator volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat 20 de arm is gelegerd in een aan het steunelement bevestigde kruiskoppeling.

5. Manipulator volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat de tweede zijde van het steunelement verticaal verplaatsbaar is.

6. Manipulator volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat een derde stuurstang is voorzien voor het verplaatsen van de tweede zijde 25 van het steunelement.

7. Manipulator volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk, dat het steunelement om een horizontale as roteerbaar is verbonden met het gestel.

8. Manipulator volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk, 30 dat het steunelement verticaal transleerbaar is verbonden met het gestel.

9. Manipulator volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de aandrijfmiddelen kogelomloopspindels omvatten.

10. Manipulator volgens één der voorgaande conclusies, met hhet kenmerk, dat de aandri jfmiddelen een door een frequentieregelaar 35 gestuurde wisselstroommotor omvatten. δ

11. Manipulator volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de arm een holle buis is.

12. Manipulator volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de stuurstangen in hoofdzaak horizontaal zijn 5 georiënteerd. S, '