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Industrieroboter
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Die Erfindung betrifft einen Industrieroboter mit einem Baum, an dessen
einem Ende ein Werkzeug angeordnet und an dessen anderem Ende ein erster Lenkerarm
angelenkt ist, mit einem zweiten Lenkerarm, der zwischen den beiden Enden am Baum
angelenkt ist , etwa parallel zum ersten Lenkerarm verläuft und eine zu dessen Länge
unterschiedliche Länge aufweist, einer der Lenkerarme am Gestell des Roboters um
eine stationäre Drehachse motorisch drehbar gelagert ist, während das gestellseitige
Ende des anderen Lenkerarms eine weitere Drehachse aufweist, die eine Schwenkbewegung
relativ zum Gestell auszuführen vermag.
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Bei einem bekanntt Industrieroboter der eingangs genannten Art ist
die weitere Drehachse angelenkt an einem Hebelarm, welcher um die stationäre Drehachse
des einen Lenkerarms drehbar ist. Der Hebelarm bildet zusammen mit den beiden Lenkerarmen
und dem zwischen den Lenkerarmen verlaufenden Teil des Baumes ein Parallelostramm.
Wird der erste Lenkerarm um seine stationäre Drehachse schwenkt, dann führt das
Ende des Baumes, welches das Werkzeug trägt, im Arbeitsfeld eine Horizontalbewegung
aus,
die den Nachteil aufweist, daß sie bogerförmig gekrümmt ist. Führt also das Werkzeug
eine Horizontalbewegung aus, dann weist diese Horizontalbewegung Vertikalkomponenten
auf. Der den ersten Lenkerarm verschwenkende Antriebsmotor muß also Hubarbeit leisten
und entsprechend stark ausgelegt werden.
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Wird der Hebelarm um die stationäre Drehachse motorisch gedreht, dann
führt das Ende des Baums, welches das Werkzeug trägt , im Arbeitsfeld eine Vertikalbewegung
aus, welche ebenfalls bogenförmig gekrümmt ist. Die vertikalen Bewegungskomponenten
bei Betätigung des ersten Lenkerarms beeinflussen den Antrieb des Hebelarms und
umgekehrt. Dies erhöht nicht nur die Programmierarbeit zum Programmieren der Antriebe
des ersten Lenkerarms sondern führt auch zu Überlagerungen, welche zu Schwingungen
führen.
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Um diese Nachteile zum großen Teil zu vermeiden, ist es bekannt, den
Hebelarm um eine dritte Drehachse drehbar am Gestell zu lagern, welche unterschiedlich
ist zu stationären Drehachse des ersten Lenkerarms. Hierdurch wird erreicht, daß
der Baum und die beiden Lenkerarme nach Art eines Lemniskoidenlenkers angeordnet
sind, wobei dthh das Ende des Baums, welches das Werkzeug trägt, im Arbeitsfeld
nahezu geradlinige Horizontalbewegungen ausführt, Wenn der erste Lenkerarm um die
stationäre Drehachse -geschwenkt wird. Diese nahezu geradlinigen Horizontalbewe-gungen
entsprechen jeweils dem geraden Teil einer Lemniskate.
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Der Gelenkpunkt zwischen dem zweiten Lenkerarm und dem Hebelarm beschreibt
einen Kreis, wenn der Hebelarm verschwenkt wird. Bei der jeweiligen Stellung dieses
Celenkpunktes
bilden die beiden Lenkerarme und der Baum jeweils
nur angenähert einen Lemniskoidenlenker. Dies führt dazu, daß beim Verschwenken
des ersten Lenkerarms die Horizontalbewegung des Baumendes nicht absolut geradlinig
i 5 sondern noch Vertikalkomponenten aufweist. Weiterhin ist das Arbeitsfeld des
Baumendes, in welchem diese nahezu geradlinigen Horizontalbewegungen auftreten,
begrenzt.
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Es besteht die Aufgabe, den Industrieroboter der eingangs genannten
Art so auszubilden, daß bei einer Drehung des einen Lenkerarms um die stationäre
Drehachse das Baumende im Arbeitsfeld einwandfreie geradlinige Horizontalbewegungen
ausführt und außerdem das Arbeitsfeld, in welchem diese Horizontalbewegungen auftreten,
wesentlich vergrößert wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Die Erfindung geht von folgender Überlegung aus: Bei gegebenen Längen
von Baum und Lenkerarmen muß die weitere Drehachse Stellungen einnehmen, deren Verbindungslinie
eine von der Kreisform abweichende Kurwe ist, wenn in jeder Stellung der Baum und
die Lenkerarme einen idealen Lemniskoidenlenker bilden sollen. Wird die weitere
Drehachse in einer Kulisse geführt, deren Kurvenverlauf dieser Kurve entspricht,
dann ist in jeder Stellung der weiteren Drehachse gewährleistet, daß die Lenkerarme
und der Baum zueinander einen idealen Lemniskoidenlenker bilden.
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Diese Kurve wird in bekannter Weise ermittelt. Wenn der erste Lenkerarm
um die stationäre Drehachse drehbar ist und
die Länge dieses ersten
Lenkerarms und die Länge des Baumes vorgegeben sind, dann wird das Bauende im Arbeitsfeld
geradlinig horizontal bewegt und hierbei derjenige Punkt längs des Baumes ermittelt,
der Kreisbögen ausführt, welche zueinander nahezu parallel verlaufen. Dieser Punkt
längs des Baumes stellt dann den Gelenkpunkt dar, an welchem der zweite Lenkerarm
angelenkt wird während der Abstand zwischen einem Kreisbogen und seinem zu ermittelnden
Mittelpunkt der Länge des zweiten Lenkerarms entspricht. Die Verbindungslinie zwischen
den ermittelten Mittelpunkten aller Kreisbögen entspricht dann der vorerwähnten
Kurve.
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Es können jedoch auch alle Längen von Baum und Lenkerarmen und der
Celenkpunkt des zweiten Lenkerarms vorgegeben sein.
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Es werden0dann jeweils die Stellungen der weiteren Drehachse,um welche
der zweite Lenkerarm schwenkbar ist, ermittelt, bei denen Baum und Lenkerarme einen
Lemnisko.idenlenker bilden, wo dann das Baumende im Arbeitsfeld Horizontalbewegungen
ausführt , wenn der erste Lenkerarm um die stationäre Drehachse verschwenkt wird.
Die Verbindunsslinie der Stellungen der weiteren Drehachse stellt dann die vorerwähnte
Kurve dar, längs der die weitere Drehachse in der Kulisse des Gestells geführt ist.
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Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels;
Fig. 2 die schematische Ansicht eines zu Fig. 1 modifizierten Ausführunysbeispiels;
Fig.
3 eine schematische Ansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 mit zwei Möglichkeiten
eines Gewichtsausgleichs; Fig, 4 die schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform
mit Gewichtsausgleich; Fig. 5 einen Horizontalschnitt durch die Führung der weiteren
Drehachse im Gestell und Fig. 6 eine Ansicht dieser Führung in Richtung des Pfeiles
in Fig. 5.
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Der Baum 1 nach Fig. 1 trägt an seinem einen Ende 2 ein Werkzeug.
Am anderen Ende 3 ist über einen Gelenkpunkt ein erster Lenkerarm 4 angelenkt. Dieser
Lenkerarm 4 ist um eine stationäre Drehachse 5 am in Fig. 1 nicht dargestellten
Gestell drehbar gelagert. Über einen Gelenkpunkt 6 ist ein zweiter Lenkerarm 7 am
Baum angelenkt. Dieser zweite Lenkerarm 7 ist um eine weitere Drehachse 8 drehbar
. Der zweite Lenkerarm 7 ist länger als der erste Lenkerarm 4.
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Wird der erste Lenkerarm 4 um die stationäre Drehachse 5 gedreht,
dann führt das Ende 2 des Baumes 1 im Arbeitsfeld 9 stets eine Horizontalbewegung
aus. Damit diese gewährleistet ist, muß die weitere Drehachse 8 stets eine Lacke
einnehmen, bei welcher Baum 1 und Lenkerarme 4, 7 stets einen Lemniskoidenlenker
bilden. Zu diesem Zweck ist die weitere Drehachse 8 längs einer Kulisse am estell
geführt, deren Kurvenverlauf mit 10 bezeichnet
ist. Dieser Kurvenverlauf
wurde wie vorerwähnt ermittelt.
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Bewegt sich das Ende 2 längs einer oberen geradlinigen Horizontalen,
dann nimmt die weitere Drehachse die Stellung 8' ein. Bewegt sich dagegen das Ende
2 längs einer unteren geradlinigen Horizontalen, dann nimmt die weitere Drehachse
die Stellung 8" ein.
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Die Lage des Endes 2 längs einer Horizontalen wird also bestimmt durch
die Stellung des ersten Lenkerarms 4 um die stationäre Drehachse 5 während die Vertikalstellung
des Endes 2 bestimmt wird durch die Stellung der weiteren Drehachse 8 längs der
Kurve 10.
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Daß eine Lemniskoidenlenkerkonstruktion auch eingehalten werden kann,
wenn die Längen der Lenkerarme nicht ideal sind, zeigt die Fig. 2. Der zweite Lenkerarm
7' ist hierbei kürzer ausgebildet als der erste Lenkerarm 4. Die sich ergebende
Kurve 10', bei welcher die Lenkerarme 4, 7' und der Baum 1 einen Lemniskoidenlenker
bei jeder Stellung der weiteren Drehachse 8 längs der Kurve 10' bilden, ist hierbei
stärker gekrümmt als die Kurve 10 nach Fig. 1 und weist auch eine größere Schräglage
auf.
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Das sich ergebende Arbeitsfeld 9', in welchem das Ende 2 Horizontalbewegungen
ausführt, ist nierbei schmäler als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.
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Der Gelenkpunkt 6 in Fig. 1 ist derjenige , der wie vorerwähnt nahezu
parallele Kreisbögen ausführt, wenn bei verschiedenen Vertikalstellungen des Endes
2 der erste Lenkerarm 4 um seine stationäre Drehachse 5 verschwenkt wird. Bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist dies bezüglich des Gelenkpunktes 6 nicht gegeben.
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Zwei Möglichkeiten eines Gewichtsausgleichs sind in Fig.
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3 gezeigt. Das Gewicht des Baumes 1 des am Ende 2 angeordneten Werkzeugs
und des vom Werkzeug gehaltenen Werkstücks üben ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn
um den Gelenkpunkt 3 aus. Zum Ausgleich dieses Drehmoments ist der Baum 1 über den
Gelenkpunkt 3 hinaus verlängert.
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Am Ende dieser Verlängerung ist über einen weiteren Gelenkpunkt 11
ein Hebelarm 12 angelenkt, der etwa parallel zum ersten Lenkerarm 4 verläuft. Sein
unteres Ende ist über einen Gelenkpunkt 13 mit einem Ausgleichsarm 14 verbunden,
der um die stationäre Drehachse 5 drehbar ist.
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Dieser Ausgleichsarm trägt ein Ausgleichsgewicht 15 oder an ihm wirkt
ein Ausgleichszylinder, der das ausgleichende Drehmoment erzeugt.
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Alternativ dazu können die Gewichtsverhältnisse auch so angesehen
werden, als ob Werkzeug, Werkstück und der Teil des Baumes 1, welcher vor dem Gelenkpunkt
6 liegt, infolge ihres Gewichts ein Drehmoment um den Gelenkpunkt 6 ausüben. Um
dieses Drehmoment auszugleichen, ist vor dem Gelenkpunkt 6 in Richtung des Endes
2 über einen weiteren Gelenkpunkt 16 ein Hebelarm 17 angelenkt, welcher etwa parallel
zum Lenkerarm 7 verläuft. Sein unteres Ende ist über einen Gelenkpunkt 18 mit einem
Ausgleichsarm 19 verbunden, der um die weitere Drehachse 8 drehbar ist. Das freie
Ende des Aubyleichsarmes 19 trägt ein Ausgleichsgewicht 20 oder am Ausgleichsarm
20 greift ein Zylinder an, der ein Drehmoment im Uhrzeigersinn um den Gelenkpunkt
6 erzeugt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist der zweite Lenkerarm 7 " um
eine stationäre Achse 5 schwenkbar während der zweite Lenkerarm 4" die weitere Drehachse
8 aufweist, welche längs der Kulissenkurve 10' verscheibbar ist. Hierbei
ist
der erste Lenkerarm 4' kürzer als der zweite Lenkerarm 7'§. Beim dargestellten Gewichtsausgleich
ist der Ausgleichsarm 19 drehbar um die stationäre Drehachse 5. Es kann jedoch auch
ein Gewichtsausgleich vorgesehen werden mit einem Hebelarm 12 und einem Ausgleichsarm
14, der beim Aufbau nach Fig. 4 um die weitere Drehachse 8 drehbar ist.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel auf welche Weise die
weitere Drehachse 8 in einer Kulisse 22 des Gestells 21 geführt werden kann. Der
Lenkerarm 7 bzw. der Lenkerarm 4' nach Fig. 4 besteht aus zwei Lenkerarmteilen 23.
Die unteren Enden der Lenkerarmteile 23 sind an einer Well-e 24 drehbar gelagert.
Die Enden der Welle 24 weisen je eine Lagerrolle 25 auf.
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Jede Lagerrolle 25 ist in einer Kulisse 22 des Gestells 21 geführt.
Die Lagerrolle 25 und die Welle 24 verlaufen koaxial zur weiteren Drehachse 8. Die
Welle ist mit einer quer verlaufenden Gewindebohrung 26 versehen, durch die eine
Gewindespindel 27 verläuft, welche von einem Antriebsmotor 28 in Drehung versetzt
wird. Der Antriebsmotor 28 ist um eine Achse 29 verschwenkbar im Gestell 21 gelagert.
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Die Kulissen 22 weisen eine Kurvenform entsprechend der Kurvenform
10 auf.