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Programmgesteuerter Manipulator
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Beschreibung Die Erfindung betrifft einen programmgesteuerten, mehrachsigen
Manipulator mit mehreren, Jeweils unabhängig* voneinander verschwenkbaren Armen,
die über jeweils eigene, im Bereich der betreffenden Gelenke vorgesehene Antriebe
gesteuert antreibbar sind, und mit einer Enteperrbarkeit der Antriebs elemente zwecks
möglichst schwereloser Programmierung des Manipulators.
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Ein solcher programmgesteuerter Manipulator ist Gegenstand der älteren
Patentanmeldung P 28 52 821.4-15 der Anmelderin. Die Aufgabenstellung dieser älteren
Patentanmeldung zielt auf ein nahezu schwereloses Programmieren des Manipulators
in der Ebene innerhalb einer nahezu kreisförmig geschlossenen Fläche um eine Hubsäule
dieses Manipulators herum. Zu diesem Zweck schlägt die ältere Patentanmeldung vor,
daß alle Arme des Manipulators Jeweils um vertikale Achsen schwenkbar sind, wobei
der innerste Arm und damit auch alle weiteren Arme einschließlich eines Greifers
an einem an der Hubsäule lotrecht verfahrbaren Schlitten angebracht sind. Mit anderen
Worten wird die nahezu schwerelose Programmierung dieses Manipulators mit Ausschaltung
der Schwerkraft dadurch erreicht, daß alle Arme nur um lotrechte Achsen schwenkbar
sind.
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Zum Programmieren dieses älteren Manipulators werden lediglich die
Antriebsmotoren der Arme ausgeschaltet.
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Damit ist aber der Nachteil verbunde, daß beim Verschwenken der Arme
alle Antriebsmotoren und die mit ihnen verbundenen Getriebe immer noch mitbewegt
werden müssen. Beim Programmieren sind daher fühlbare Reibungskräfte und Massenkräfte
zu überwinden. Hinzu kommt, daß die senkrechte Achse nur unter motorischer Unterstützung
in der Höhe verfahren werden kann.
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Es ist ein programmgesteuerter Manipulator bekannt, der mit einem
gesonderten Trainingsarm ausgerüstet werden kann, mit dem sein Rechner programmiert
werden kann. Der genaue konstruktive Aufbau dieses Trainingsarms ist nicht bekannt.
Nachteilig hieran ist es insbesondere, daß zum Programmieren des Rechners der Trainingsarm
am Manipulator angebracht werden muß. Nach dem Programmieren muß er wieder abgebaut
werden. Dies sind zusätzliche, arbeits- und zeitaufwendige Verfahrensschritte.
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Die DE-AS 1 481 819 beschreibt einen ferngesteuerten Manipulator mit
horizontalen Schwenkachsen, die eine von außen betätigbare Trennkupplung haben,
die zur Einstellung des betreffenden Drehmoments dient. Eine Programmierung dieses
Manipulators ist nicht beabsichtigt. Auch sind die Trennkupplungen nicht gemeinsam
betätigbar.
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Ausgehend von einem programmgesteuerten, mehrachsigen Manipulator
des Gegenstandes der eingangs genannten DE-AS 2 852 821 liegt daher der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, diesen so auszugestalten, daß bei einer Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten
dieses Manipulators
dieser sehr schnell und einfach programmiert
werden kann, ohne daß es dazu beispielsweise eines gesonder s Trainingsarms bedarf.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens einer der Arme um eine horizontale Achse schwenkbar ist, daß die
Masseschwerpunkte der Arme ausgeglichen sind, daß allen Antrieben Jeweils eine Kupplung
zugeordnet ist unddaß alle Kupplungen gemeinsam betätigbar sind.
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Weil die Masseschwerpunkte der Arme ausgeglichen sind, erfolgt die
Programmierung fast schwerelos. Die Schwerkraft kommt insbesondere durch ein am
Ende des letzten Armes bzw. an einem dort angebrachten Greifer sitzendes Gerät,
beispielsweise eine Lackierpistole oder dergleichen, ins Spiel, deren Schwerkraft
aber auch durch geeignete Maßnahmen bercksichtigt werden kann. Das Ausgleichen der
Masseschwerpunkte dieser Bauelemente, vorzugsweise der Arme, erfolgt auf bekannte
Weise über Federn, Gegengewichte oder über pneumatische Ausgleichselemente.
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Weil allen Antrieben Jeweils eine Kupplung zugeordnet ist und alle
Kupplungen gemeinsam betätigbar sind, müssen nach dem Entkuppeln aller Kupplungen
nicht mehr die Kräfte für den Antrieb der Motoren und der zugeordneten Getriebe
beim Programmieren aufgewendet werden, wie dies bei der eigenen älteren Patentanmeldung
der Fall war. Zum Programmieren müssen vielmehr nur noch geringe Kräfte durch
-LEERLAUF-/Reibungen
in den Gelenken überwunden werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt: Fig.
1 schematisch eine Ansicht eines neuartigen Manipulators mit fünf Achsen; Fig. 2
einen Schnitt durch ein Gelenk eines Arms des Manipulators nach Fig. 1 zur Erläuterung
des konstruktiven Aufbaus der Freischaltung von Motor und Getriebe von Bewegungselementen.
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Zunächst sei der grundsätzliche Aufbau des neuartigen Manipulators
anhand von Fig. 1 erläutert. Dieser besteht aus einem Grundgestell 1, an dem ein
erster Arm 2 um eine horizontale Achse 3 schwenkbar ist. An den ersten Arm 2 ist
ein zweiter Arm 4 angelenkt, und zwar ebenfalls mit einer horizontalen Achse 5.
Am Ende des zweiten Armes 4 sitzt ein Gelenk 6, das um eine Achse 7 in Richtung
des Pfeiles 8 schwenkbar ist. Außerdem kann ein nker7um eine weitere horizontale
Achse 9 in Richtung des Pfeiles 10 verschwenkt werden. Der Greifer ist dann am Gelenk
6 angebracht.
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Die Verschwenkung des Armes 2 um die Achse 3 ist durch den Pfeil
11 angedeutet und die Verschwenkung des Armes 4 um die Achse 5 durch den Pfeil 12.
In Fig.1 sind außerdem strichpunktiert verschiedene Lagen des Endes des Armes 4
mit dem Gelenk 6 angedeutet.
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Das Grundgestell ist um eine lotrechte Achse 13 schwenkbar, wie durch
den Pfeil 14 angedeutet. Hierzu ist das Grundgestell 1 auf einen nicht gezeichneten
Sockel aufgesetzt. Position 15 deutet eine den Antrieb £ur den Arm 2 an.
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Dieser Manipulator kann somit in fünf Achsen betätigt werden, die
durch die Pfeile 14, 11, 12, 10 und 8 symbolisiert werden.
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Zum Programmieren des Manipulators wird der Greifer bzw.
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ein am Greifer befestigtes Werkzeug in der Jeweils gewünschen Bahn
geführt. Diese kann wegen des vorstehend beschriebenen Aufbaus des Manipulators
sehr frei durchgeführt werden. Ist der Manipulator programmiert, so führt er selbsttätig
und beliebig oft den ihm einprogrammiertenj Bewegungsablauf aus. Hierzu ist für
den Antrieb in Jeder Achse ein eigener Antriebsmotor vorgesehen.
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Damit das Programmieren der lernfähigen Steuerung des Manipulators
nahezu schwerelos erfolgt, werden vorher alle Antriebe mit zugehörigen Getriebeteilen
des Manipulatorslgekuppelt. Dies wird im folgenden anhand von Fig. 2 am Beispiel
des Armes 4 erläutert.
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Ein Antriebsmotor 16 ist ausgangsseitig mit einem Getriebe 17 verbunden.
Ausgangsseitig des Getriebes ist eine Achse 18 vorgesehen, die eine Kupplung 19
antreibt.
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Die Kupplung besteht aus Kupplungsscheiben 20, 21 und 22.
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Die Kupplungsscheiben haben Durchgangslöcher für Kupplungsstifte 23.
Die Kupplungsstifte sind mit der mittleren Kupplungsscheibe 21 fest verbunden. Diese
kann in Richtung der Achse 18 von einer nicht gezeigten Steuerung verschoben werden.
Werden die Stifte in Richtung auf das Getriebe 17 -untenverschoben (nach/ in Fig.
2), so rasten die Stifte in Löcher 24 eines Kettenrades 25 ein und stellen dadurch
eine kraftschlüssige und spielfreie Verbindung zwischen dem Motor 16 und dem Kettenrad
25 her. Werden die Kupplungsstifte 23 ausgerückt, d.h. in Richtung hinweg vom Motor
16 verschoben,
so ist diese kraftschlüssige Verbindung unterbrochen.
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Auf dem Kettenrad 251äuft eine Kette 26, die in eingekuppeltem Zustand
die Bewegung auf die nächste Achse, beispielsweise auf die Achse 9, überträgt.
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Außerdem ist der Kupplung 19 benachbart am Arm 4 ein Kodiergerät 27
befestigt, das, beispielsweise über eine bei Position 28 angedeutete Verbindung,
ständig eingeschaltet ist. Das Kodiergerät erhält somit alle Informationen über
die jeweils durchgeführten Verbindungen.
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An jedem Gelenk bzw. an Jeder Achse ist ein solches, ständig eingeschaltetes
Kodiergerät vorgesehen.
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Es können auch andere bekannte Kupplungsarten zum Einsatz kommen.
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Bei Position 29 ist ein weiterer Antriebssatz für eine andere Achse
mit Kupplung entsprechend den Bauteilen rechts in Fig.2 angedeutet.
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Alle Kupplungen 19 des Manipulators werden gleichzeitig über ein fernbedientes
oder auch über ein handbetätigtes Antriebselement eingeschaltet bzw. ausgeschaltet.
In getrenntem Zustand der Kupplungen kanndie Programmierung nahezu reibungsfrei
erfolgen, weil die Kupplungen direkt hinter dem Antrieb 16 mit seinem Getriebe 17
angeordnet, sind, so daß alle im Kraftfluß hinter den Kupplungen liegenden Bauteile
nicht mitbewegt zu werden brauchen, wie dies bei der erwähnten eigenen älteren Patentanmeldung
der Fall war.
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Das Programmieren wird nahezu schwerelos, weil geeignete mechanische,
hydraulische oder pneumatische Federelemente oder auch Gegengewichte vorgesehen
sind.
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Bei der somit nahezu schwerelos und nahezu reibungsfrei erfolgenden
Führung des Greifers zur Programmierung wird die Bewegung Jedes Armes über sein
Kodiergerät und eine nicht dargestellte elektronische Steuerung ständig aufgezeichnet.
Das Einkuppeln und Auskuppeln geschieht immer in einer bestimmten Position, und
zwar gleichzeitig für alle Achsen. Durch diese Technik ist auch gewährleistbt, daß
die Ausgangslage des Manipulators - sogenannte Null-Position - immer am Beginn eines
Folgeprogramms erfolgt.
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Durch den entsprechenden Gewichtsausgleich können die Ruhepositionen
aller Achsen bestimmt werden. Es sind dann zum Programmieren lediglich noch die
Auslenkungskräfte bei der Handführung notwendig. Bei dieser Handführung zwecks Programmierung
ergeben sich Programmierzeiten, die im wesentlichen der Arbeitszeit bei manueller
Bedienung entsprechend. Sogar Kleinatserien und Einzelbearbeitungen, z.B. beim Lichtbogenschweißen,
beim Reinigen von Eisenguß und anderen Teilen, können erst dadurch wirtschaftlich
maschinell bearbeitet werden. Dadurch eröffnen sich somit neue Einsatzmöglichkeiten
für den neuartigen Manipulator, insbesondere wenn mittlere oder kleinere Serien
von Werkstücken rationell bearbeitet werden sollen.
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Eine Handführung der Achse ist auch bei ungünstigen Hebelverhältnissen
und Platzverhältnissen gegeben.