DE3643796A1 - Dreidimensionale manipulator-anordnung - Google Patents
Dreidimensionale manipulator-anordnungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine dreidimensionale
Manipulator-Anordnung, das heißt eine Anordnung, die zur
Kraftübertragung in den drei Richtungen geeignet ist und
dabei die von einer Bedienungsperson ausgeübten Kräfte
derart verstärkt, daß auf günstigste Weise Arbeitsvorgänge,
wie Schleifen, Trennen usw., ausgeführt werden können.
Es sind bereits als Förderarme ausgebildete Manipulator
arme bekannt, deren Aufgabe einfach darin besteht, Werkstücke
zu versetzen. Diese Manipulatoren erlauben nicht die Ein
wirkung einer Kraft in einer (vertikalen) Richtung und
ermöglichen lediglich sehr begrenzte und vollständig aufge
gliederte Versetzungsbewegungen (Aufwärts-, Abwärtsbewegun
gen und Verstellbewegungen in einer horizontalen Ebene
durch Rotation des Arms um eine vertikale Achse).
Es sind gleichfalls ferngesteuerte, extrem perfektionierte
und programmierbare Manipulatoren mit den Handelsbezeich
nungen wie "Andromat", "Manumat" bekannt. Diese ferngesteuerten
Manipulatoren sind dafür konzipiert, um große Kräfte bis
zu 2 Tonnen bei einem Aktionsradius bis zu 6 m auszuüben.
Sie weisen einen Förderarm ("Sklave") auf, der an seinem
Ende mit einer das Handgelenk des mechanischen Arms bilden
den "Ausgangsschwenkvorrichtung" in der Weise versehen
ist, daß ein an diesem Ende des Arms gehaltenenes Werk
zeug sechs Freiheitsgrade aufweist. Sie weisen auch einen
als "Herrn" bezeichneten Arm auf, der eine verkleinerte
Nachbildung des Sklavenarms darstellt und wobei jede Verstell
bewebung desselben eine identische Verstellbewegung des
mechanischen Arms bewirkt. Ein Kraftrückkopplungssystem
ermöglicht es der Bedienungsperson, über den Steuerhandgriff
die an die Vorrichtung weitergegebenen Kräfte mitzuempfinden.
Diese ferngesteuerten Manipulatoren enthalten im übrigen
zwingend eine Vielzahl von Verstellbewegungsgebern, einen
Rechner zur Umsetzung von Gebersignalen in Steuersignale
sowie ein hydraulisches Proportionalsteuersystem wegen
der Reproduktion der Verstellbewegungen des Herrenarms
durch den Sklavenarm.
Derartige ferngesteuerte Manipulatoren sind extrem teuer
und daher im wesentlichen zur Durchführung sehr schwieriger
und verwickelter Arbeitsvorgänge bei einer Versetzung großer
Lasten bestimmt. Sie sind ganz besonders für Schmiedearbeiten
und in der Gießtechnik vorgesehen.
Im Gegensatz hierzu liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine Manipulator-Anordnung mit Kraft
verstärkung bei direkter Steuerung zu schaffen, deren Aufbau
sehr einfach und billig ist und die eine Übertragung und
eine Handhabung von Kräften in der Größenordnung einiger
hundert Kilogramm in einem Bereich von etwa 1 m3 erlaubt,
der dem Aktionsradius einer Hand entspricht.
Diese Manipulator-Anordnung benötigt insbesondere keine
Rechnersysteme oder hydraulische Proportionalsteuersysteme.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gelöst, bei der
wenigstens ein an einem Ende gelagerter und an seinem anderen
Ende ein Bearbeitungswerkzeug tragender Arm vorgesehen
ist, dessen Länge so bemessen ist, daß bei einer Schwenk
bewegung um sein Gelenk sein freies Ende eine Verstell
bewegung ausführt, die bei geringer Winkelauslenkung im
wesentlichen eine Gerade darstellt, und bei der wenigstens
ein erster, eine Verstellbewegung des Arms in seiner Längs
richtung gewährleistender Zylinder, wenigstens zwei eine
Verstellbewegung des freien Endes des Arms in einer senk
recht zu diesem verlaufenden Ebene gewährleistende Zylinder
sowie eine Steuervorrichtung vorgesehen sind, die am freien
Ende des Arms angeordnet und mit einer Steuerstange od.dgl.
versehen ist, wobei die Steuervorrichtung zur Steuerung
der Verstellbewegung der Zylinder entsprechend einer vorge
wählten Richtung bei Einwirkung einer Kraft oder einer
Verschiebung in dieser Richtung auf die Steuerstange ausge
bildet ist.
Auf diese Weise steuert ein einziger Zylinder bzw. eine
einzige zylinderförmige Steuervorrichtung jede Verstell
bewegung was bereits eine wesentliche Vereinfachung gegen
über den bekannten Anordnungen darstellt. Außerdem gestattet
die direkte Anbringung der Steuervorrichtung am freien
Ende des Arms und daher am Bearbeitungswerkzeug der Bedie
nungsperson die auf dieses Werkzeug ausgeübte Kraft nach
zuempfinden, ohne daß sehr teure Kraftrückkopplungssysteme
wie bei den bekannten Anordnungen nötig wären. Schließlich
ist die erzielte Annäherung der vom freien Ende des Arms
beschriebenen Bahn völlig ausreichend für die Art von Arbeits
vorgängen (Schleifen, Trennen usw.), für die diese Anordnung
bestimmt ist, und wegen des geringen vorgesehenen Aktions
radius′. (Dieser entspricht dem Aktionsradius einer Hand.)
In vorteilhafter Weise sind die beiden, die Verstellbewegung
des freien Arms in einer senkrecht zu diesem Arm verlaufen
den Ebene ausführenden Zylinder zur Verstellung entlang
zweier senkrecht zueinander angeordneter Achsen ausgebildet.
Gleichfalls vorteilhaft erweist es sich, daß der vertikal
verlaufende Arm an seinem oberen Ende an einer horizontalen
Ebene gelagert ist, wobei der erste Zylinder zur vertikalen
Verstellung dieser horizontalen Ebene ausgebildet ist.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist die
Anordnung drei Arme auf, von denen jeder mit seinem oberen
Ende an der horizontalen Ebene und mit seinem unteren Ende
an derselben Montageplatte gelagert ist, an der das Bearbei
tungswerkzeug befestigt ist. Diese Anordnung erlaubt eine
in sich immer parallel verlaufende Verstellbewegung des
Werkzeugs nach Art eines dreifachen verformbaren Parallelo
gramms.
Die die verschiedenen Verstellbewegungen des oder der Arme
steuernden Zylinder können als pneumatische oder hydrauli
sche Zylinder ausgebildet sein. Die die Verstellbewegungen
in der horizontalen Ebene steuernden Zylinder sind indessen
vorzugsweise als hydraulische Zylinder ausgebildet, die
durch pneumatische Steuervorrichtungen gesteuert werden,
um Schwingungen der Anordnung zu verhindern (Öl-Druckluft-
System). Zum Verständnis der Erfindung und zur Verdeutlichung
weiterer Merkmale soll in jeder Weise die folgende Beschrei
bung unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen
Zeichnungen dienen, die anhand von nicht beschränkenden
Ausführungsbeispielen mehrere erfindungsgemäße Ausgestaltun
gen der Erfindung zeigen:
Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte perspek
tivische Ansicht der Anordnung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Anordnung gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 in vergrößertem Maßstab eine Detailansicht der
Befestigung des Bearbeitungswerkzeugs,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Steuersystems
für die Zylinder zur Verstellung in der horizon
talen Ebene und
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips
der erfindungsßemäßen Anordnung.
Fig. 5 verdeutlicht das Grundprinzip der erfindungsgemäßen
Anordnung. Ein Arm 1 einer bestimmten Länge (wenigstens
3 m) ist mit einem 1 a seiner Enden an einer ebenen Fläche
A befestigt und ist an diesem Ende 1 a mit einem Kugelgelenk
versehen. Durch die Anordnung eines Zylinders 5, der einer
seits mit seinem Zylinderkörper 5 a über ein Kugelgelenk
mit der ebenen Fläche A und andererseits mit seiner Kolben
stange 5 b mit Hilfe einer Winkelstrebe 4 mit dem Arm 1
verbunden ist, kann man gut erkennen, daß eine Verschiebung
der Kolbenstange 5 b eine Verschiebung des freien Endes
1 c des Arms 1 entlang einem Kreisbogen 3 zur Folge hat.
Durch die Vorgabe des großen Krümmungsradius′ dieses Kreis
bogens 3 (der Radius ist effektiv durch den Teil des Arms
1 vorgegeben, der sich zwischen seinem Kugelgelenk am Ende
1 a und seinem freien Ende 1 c erstreckt) könnte dieser eine
Angleichung an eine Gerade bei einer geringen Auslenkung
vom Punkt 1 c aus nach beiden Richtungen bewirken.
Auf gleiche Weise bewirkt ein dem Zylinder 5 ähnlicher
Zylinder 6, der über eine Winkelstrebe 7 mit dem Arm 1
verbunden ist, eine Verschiebung des äußeren Endes 1 c des
Arms 1 auf einem Kreisbogen 8, wobei eine Gerade für einen
geringen Abstand von der vertikalen Position des Punktes
1 c nach beiden Seiten angenähert werden kann.
Durch eine Anordnung der beiden Zylinder 5, 6 in der Weise,
daß die beiden Winkelstreben 4, 7 rechtwinklig zueinander
verlaufen, erfolgen die Verstellbewegungen des äußeren
Endes 1 c des Armes 1 entlang der beiden senkrecht zuein
ander verlaufenden Kreisbogen 3 und 8 unter Einwirkung
jeweils der Zylinder 5, 6. Die kombinierte Verstellung
der beiden Zylinder 5, 6 gewährleistet eine Verstellbewegung
entlang eines Kugelabschnittes mit großem Krümmungsradius,
der innerhalb des durch den Kreis 9 begrenzten Radius′,
das heißt innerhalb eines Radius′ von ungefähr 0,5 m, ange
nähert als Ebene betrachtet werden könnte.
Die erfindungsgemäße Anordnung wird daher durch wenigstens
einen mit dem Arm 1 vergleichbaren Arm ausgebildet sein,
der zur Ausführung von Verstellbewegungen in zwei senkrecht
zueinander verlaufenden Richtungen in einem sphärischen,
einer Ebene angenäherten Kugelbereich innerhalb eines Radius′
von ungefähr 0,5 m geeignet ist, das heißt einen Arm, der
zur Ausführung von Verstellbewegungen in einer genauen
horizontalen Ebene geeignet ist, wobei die erreichte An
näherung wegen der Art von Arbeitsvorgängen, für die die
vorliegende Erfindung bestimmt ist (Schleifvorgänge, Bohren
mit einem Drucklufthammer usw.), die keine besondere Präzi
sion erfordern, und wegen des geringen erforderlichen Aktions
radius′ völlig ausreichend ist.
Die dritte Verstellbewegung des Arms betrifft eine verti
kale Verstellung und wird mit Hilfe eines Zylinders reali
siert, der zur Verstellung der ebenen Fläche A in der verti
kalen Richtung geeignet ist, so daß die gewünschte drei
dimensionale Verstellung der Vorrichtung in einem Raum
von ungefähr 1 m3 erreicht wird, der dem Aktionsradius
der Hand entspricht.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Anordnung.
Diese besteht im wesentlichen aus drei parallelen Armen
10, 20, 30, die an ihren oberen Enden einerseits an einer
durch den Boden 41 eines quaderförmigen und nach oben geöff
neten Kastens 40 gebildeten ebenen Fläche und an ihren
unteren Enden an einer Platte 45 jeweils über zwei Kugel
gelenke 11, 21, 31 und 12, 22, 32 gelagert sind.
An der Platte 45 ist ein Bearbeitungswerkzeug, nämlich
ein Schleifdorn 50 und dessen Antriebsmotor 51 befestigt.
Jeder der beiden Arme 10, 20 ist jeweils mit einem pneuma
tischen Zylinder 15, 25 verbunden. Jeder Zylinder 15, 25
ist vertikal angeordnet und am Boden 41 des Kastens 40
jeweils mittels eines Kugelgelenks 16, 26 sowie jeweils
am Arm 10, 20 über jeweils eine Verbindungsstange 17, 27
und jeweils ein Gabelgelenk 18, 28 befestigt. Die Zylinder
15, 25 sind so angeordnet, daß Verstellbewegungen jeweils
der Arme 10, 20 senkrecht zueinander ausgeführt werden
können, wie dies bereits vorstehend erläutert wurde.
So wie die Enden der Arme 10, 20, 30 eine Ebene definieren,
verlaufen ferner ihre Verstellbewegungen in zueinander
parallelen Ebenen, gemäß dem Prinzip eines verformbaren
Parallelogramms.
Der Kasten 40 ist verschiebbar in an sich bekannter Weise
und beispielsweise durch Rollen gelagert in einem Gehäuse
60 gelagert, das eine entsprechende quaderförmige Gestalt
aufweist und an seiner Unterseite geöffnet ist. Der Kasten
40 ist hinsichtlich des Gehäuses 60 mittels eines Zylinders
65 verschiebbar, der einerseits am Boden 61 des Gehäuses
und andererseits am Boden 41 des Kastens jeweils über Gabel
gelenke 66, 67 befestigt ist.
Das Steuersystem der Anordnung, dessen Funktion später
noch beschrieben wird, zeigt sich äußerlich in der Form
eines Zylinders 70, der an der Platte 45 befestigt und
mit einem doppelten Steuergriff 71 versehen ist.
Die gesamte Anordnung ist an der Decke 80 od.dgl. des Be
triebs oder der Werkstatt über in der Zeichnung schematisch
als Federn dargestellte elastische Verbindungen 81 oder
über Schall- und Schwingungsdämpfer befestigt, wie sie
unter der Handelsbezeichnung "Silent-Block" bekannt sind.
Die Wirkungsweise der Anordnung und insbesondere ihre Be
dienung werden unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert, die
in sehr detaillierter Weise eine entsprechende Anordnung
zeigt, die hinsichtlich der Anordnung gemäß Fig. 1 nur
geringe Modifikationen aufweist und bei der identische
Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Gemäß Fig. 2 besteht daher die Anordnung wie gemäß Fig.
1 aus drei parallelen Armen 10, 20, 30, wobei der Arm 20
in dieser Figur durch den Arm 10 verdeckt ist. Diese Arme
sind einerseits am Boden 41 des Kastens 40 und andererseits
an der Platte 45 gelagert, an der das Bearbeitungswerkzeug
befestigt ist, das hier als Schleifdorn 50 mit seinem An
triebsmotor 51 ausgebildet ist.
Ein Zylinder 15, 25 ist jeweils mit den Armen 10, 20 in
der Weise verbunden, daß eine genaue horizontale Verstell
bewegung der Platte 45 parallel zu sich selbst ausgeführt
werden kann.
Die vertikale Verstellung der gesamten Anordnung wird immer
mittels des Zylinders 65 durchgeführt, der zwischen dem
Boden 61 des Gehäuses und dem Boden 41 des Kastens 40 mon
tiert ist.
Im vorliegenden Falle sind zwei zusätzliche Zylinder 85
entsprechend zwischen dem Boden 41 des Kastens und dem
Boden 61 des Gehäuses vorgesehen. Diese Zylinder 85 dienen
zur Kompensation des Gewichts der gesamten Anordnung in
der Weise, daß der Zylinder 65 ausschließlich die vertikale
Verstellbewegung der Anordnung gewährleistet und daher
präziser ausgebildet ist.
Selbstverständlich könnte auch eine gegenüber der Zahl
zwei größere Zahl von Zylindern 85 vorgesehen sein, z.B.
vier oder sechs.
Wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, wird die Verschiebung
des Kastens 40 im Inneren des Gehäuses 60 durch Rollen
42 gewährleistet, die an den Seitenwänden des Kastens 40
angebracht sind und entlang den Seitenwänden des Gehäuses
60 abrollen.
Eine am unteren Ende der Öffnung des Gehäuses 60 vorgesehene
Umbiegung 62 dient als unterer Anschlag für die Vertikal
bewegung des Kastens 40.
Selbstverständlich könnten auch andere Mittel zur Führung
des Kastens 40 im Inneren des Gehäuses 60 vorgesehen werden,
wie z. B. ein Schienensystem, ein Gleitbahnsystem usw.
Gemäß Fig. 2 sind der Schleifdorn 50 und sein Motor 51
nicht direkt gemäß Fig. 1 an der Platte 45, sondern an
einer anderen Platte 46 befestigt, die ihrerseits mit der
Platte 45 über elastische Mittel oder Dämpfer wie Federn
47, "Silent-Blocks" usw. in der Weise verbunden ist, daß
ein Auslenken des Schleifdorns 50 (oder generell eines
Bearbeitungswerkzeugs) im Falle einer Überbeanspruchung
möglich ist.
Im vorliegenden Falle ist die Steuervorrichtung 70 in glei
cher Weise direkt an der Platte 46 befestigt.
Gemäß Fig. 2 ist diese Steuervorrichtung als röhrenförmiger
Zylinder 70 ausgebildet, in dessen Innerem eine Steuerstange
72 gleitend geführt ist, die an ihrem Ende mit einem ein
fachen oder doppelten Steuergriff 71 versehen ist, wie
dies gemäß Fig. 2 der Fall ist.
Am anderen Ende dieser Steuerstange 72 sowie in einem be
stimmten Abstand davon sind zwei scheibenförmige Kragen
73, 74 vorgesehen, deren Funktion später noch erläutert
wird. Jeder dieser Kragen 73, 74 ist über eine Feder 75
mit einem Vorsprung 86 verbunden, der sich im Inneren des
rohrförmigen Zylinders 70 in radialer Richtung erstreckt
und beispielsweise als Ringflansch ausgebildet ist. Die
beiden Federn 75 gleicher Stärke sind gegenüberliegend
und in Längsrichtung des Zylinders 70 montiert.
Mit jedem der Kragen 73, 74 ist jeweils ein Mikrokontakt
83, 84 verbunden. Diese beiden Mikrokontakte 83, 84 sind
gegeneinander gerichtet in der Längsrichtung des rohrförmi
gen Zylinders 70 angeordnet und an dem bereits erwähnten
Ringflansch 86 diametral gegenüber den Federn 75 befestigt.
Jeder der Mikrokontakte 83, 84 ist im übrigen in an sich
bekannter Weise mit einem Steuersignalgeber des Zylinders
15 in der Weise verbunden, daß jeweils das Ein- oder Aus
fahren der Kolbenstange des Zylinders 15 bewirkt werden
kann.
Der Abstand zwischen den beiden Kragen 73, 74 ist gering
fügig größer als der Abstand zwischen den sich gegenüber
liegenden Enden der beiden Mikrokontakte 83, 84.
Auf diese Weise wird der Mikrokontakt 84 durch den zugeord
neten Kragen 74 betätigt, wenn ein Druck auf die Steuer
stange 72 ausgeübt wird. Dieser Mikrokontakt 84 steuert
dann die horizontale Verstellbewegung der Arme 10, 20,
30 nach links im Sinne von Fig. 2, das heißt, die Verschie
bung des Bearbeitungswerkzeugs 50 in Vorwärtsrichtung.
Umgekehrt wird der Mikrokontakt 83 durch den zugeordneten
Kragen 73 betätigt, wenn eine Zugkraft auf die Steuerstange
72 ausgeübt wird, und dieser Mikrokontakt 83 steuert dann
die horizontale Verstellbewegung der Arme 10, 20, 30 nach
rechts im Sinne von Fig. 2, das heißt die Verschiebung
des Bearbeitungswerkzeugs 50 nach rückwärts.
Die dieselbe Federkraft aufweisenden und gegenüberliegend
befestigten Federn 75 dienen zur Rückstellung der Steuer
stange 72 in eine neutrale Position, wenn keine Kraft darauf
ausgeübt wird, das heißt zur Aufrechterhaltung einer Posi
tion, in der sie keinen der beiden Mikrokontakte 83, 84
betätigt.
An der Innenwandung des rohrförmigen Zylinders 70 in der
Nähe von seinem offenen Ende sind zwei Mikrokontakte 77,
78 angeordnet. Diese beiden Mikrokontakte liegen einander
diametral gegenüber und sind in entsprechender Weise wie
die Mikrokontakte 83, 84 mit Steuersignalgebern zur Steue
rung des Zylinders 65 für die vertikale Verstellung verbun
den.
Der Mikrokontakt 77 wird auf die gleiche, vorstehend be
schriebene Weise betätigt, wodurch der Zylinder 65 das
Anheben der Anordnung durch Einfahren seiner Kolbenstange
bewirkt, wenn ein Schub nach oben mittels der Steuergriffe
71 auf die Steuerstange 72 ausgeübt wird. Im umgekehrten
Fall wird der Mikrokontakt 78 betätigt, und die Steuerung
des Zylinders 85 erfolgt in der Weise, daß dieser die Anord
nung absenkt, wenn ein Schub nach unten auf die Steuerstange
72 ausgeübt wird.
Auch hier wird die Steuerstange 72 in eine neutrale Position
durch zwei entgegenwirkende Rückstellfedern 76 rückgestellt,
die zwischen dieser Steuerstange und der Innenwandung des
rohrförmigen Zylinders 70 befestigt und über den Durch
messer dieses Zylinders an der gleichen Stelle befestigt
sind.
Zwei weitere, zur besseren Übersichtlichkeit nicht in der
Zeichnung dargestellte Mikrokontakte sind ebenfalls zur
Steuerung des anderen Zylinders 25 vorgesehen, wenn die
Steuerstange 72 seitlich hinsichtlich der Längsrichtung
des rohrförmigen Zylinders 70 ausgelenkt wird.
Diese beiden weiteren Mikrokontakte sind in der gleichen
Weise wie die Mikrokontakte 79, 78 angeordnet, jedoch senk
recht zu diesen.
Wie bei den anderen Mikrokontakten 77, 78 und 83, 84, sind
nicht dargestellte Rückstellfedern diesen Mikrokontakten
zugeordnet, um die Steuerstange in die neutrale Position
zu bringen, wenn keine Kraft darauf ausgeübt wird.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ist wie
folgt:
Wenn die Steuerstange 72 beispielsweise in die Vorwärts
richtung betätigt wird, steuert der entsprechende Mikro
kontakt für diese Verstellbewegung, hier der Mikrokontakt
74, die Verstellbewegung des Zylinders entsprechend (hier
zu den zugeordneten Zylinder 15). Diese Verstellbewegung
des Zylinders und damit des Bearbeitungswerkzeugs 50 erfolgt
entsprechend dem auf die Steuerstange ausgeübten Druck.
Man sieht daher, daß sich bei diesem System ein Rückgriff
auf eine hydraulische Proportionalsteuerung erübrigt, wie
sie bisher in den bekannten, ferngesteuerten Manipulatoren
verwendet wurde, da die Verstellbewegung des Zylinders
15 oder der anderen Zylinder nicht proportional zur Verstell
bewegung der Steuerstange 72 ist, sondern so lange bewirkt
wird, wie ein Druck auf diese Steuerstange ausgeübt wird.
Dieses System ist daher besonders ökonomisch, weil nur
die Verwendung zweier Mikrokontakte für jede Verstellbewe
gung erforderlich ist und die Anwendung einer hydraulischen
Proportionalsteuerung und eines Rechners vermieden werden
kann.
Jedesmal, wenn die Krafteinwirkung auf die Steuerstange
72 aufhört, führt der eben gesteuerte Zylinder (hier der
Zylinder 15) noch seine Bewegung während einer geringen
Zeitspanne aus, weil es sich um einen pneumatischen Zylinder
handelt, wodurch eine Art Schlupfbeweßung der Steuerstange
72 hinsichtlich des rohrförmigen Zylinders und dadurch
eine Betätigung des der gerade ablaufenden Verstellbewegung
entgegengesetzten Verstellbewegung zugeordneten Mikrokontakts
erfolgt, hier des Mikrokontakts 83. Dieser Mikrokontakt
83 bewirkt dann die endgültige Beendigung der Verstell
bewegung, die durch Hemmung der Kammer des damit verbundenen
Steuersignalgebers zur Ausführung gelangt.
Man erkennt daher, daß jeder Mikrokontakt 77, 78 bzw. 83,
84 gleichzeitig als Endanschlag für die Verstellbewegung
dient, die dem jeweils gegenüberliegenden Mikrokontakt
78, 77 bzw. 84, 83 zugeordnet ist.
Man erkennt gleichfalls, daß die verschiedenen Rückstell
federn 75, 76 die Einstellung der Empfindlichkeit der Anord
nung erlauben, weil sie es sind, die die Kraft bestimmen,
ab der eine Verstellbewegung der Anordnung stattfindet.
Selbstverständlich können verschiedene einstellbare Empfind
lichkeiten für die verschiedenen horizontalen und vertikalen
Richtungen vorgesehen werden.
Wie vorstehend ausgeführt, sind die verschiedenen Zylinder
15, 25, 65 als pneumatische Zylinder ausgebildet. Um jedoch
die Schwingungen der Anordnung infolge der Verwendung von
pneumatischen Zylindern zu reduzieren, kann man auch hydrau
lische Zylinder mit einer pneumatischen Steuerung hierfür
kombinieren.
Eine solche Möglichkeit ist in Fig. 4 dargestellt. Gemäß
dieser Figur sind die beiden Zylinder 15, 25 hier als hydrau
lische Zylinder ausgebildet und werden mit einem Fluid
über zwei jeweils damit verbundene hydraulische Steuer
vorrichtungen 90, 91 versorgt. Der übliche Steuerkreis
weist in üblicher Weise mit jeder Steuervorrichtung 90,
91 verbundene Durchflußregler 100 auf, um die Geschwindigkeit
der Verstellbewegung der Zylinder 15, 25 zu steuern.
Jede hydraulische Steuervorrichtung 90, 91 ist im übrigen
jeweils mit einer pneumatischen Steuervorrichtung 92, 93
verbunden. Der Kolben 92 a, 93 a jeder dieser Steuervorrich
tungen 92, 93 ist jeweils mit dem Kolben 90 a, 91 a der zugeord
neten hydraulischen Steuervorrichtung in der Weise verbun
den, daß die Steuerung der hydraulischen Zylinder 15, 25
mit Hilfe der pneumatischen Steuervorrichtungen durchgeführt
werden kann, wodurch ein Rückgriff auf eine hydraulische
Proportionalsteuerung vermieden werden kann, wie dies be
reits vorstehend erläutert wurde.
Andererseits kann der die vertikalen Verstellbewegungen
der Anordnung steuernde Zylinder 65 als pneumatischer Zylin
der ausgebildet sein, weil dieser wegen der Masse der gesam
ten Anordnung nicht zu Schwingungen neigt.
In Fig. 3 ist ein weiteres Beispiel einer gelenkigen An
bringung des Bearbeitungswerkzeugs 50 an der Platte 45
dargestellt. Hier sind das Werkzeug und sein Antriebsmotor
51 mittels eines Kugel- bzw. Drehgelenks 95 an der Montage
platte 45 und an einem Zylinder 96 befestigt, der einerseits
mit dem Gehäuse des Motors 51 und andererseits mit der
Platte 45 verbunden ist, den Motor im Sinne von Fig. 3
nach rechts zieht und daher zur Ausführung einer Schwenk
bewegung des Bearbeitungswerkzeugs 50 nach unten dient,
um dieses gegen das zu bearbeitende Werkstück anzudrücken.
Der Druck im Inneren der Kammer 96 a dieses Zylinders wird
entsprechend der maximal auf das Bearbeitungswerkzeug 50
einzuwirkenden Kraft gesteuert (Einstellkraft im Falle
eines Schleifkörpers).
Im Falle einer Überschreitung dieser maximalen Kraft wird
die Wirkung des Zylinders 96 aufgehoben, und das Bearbeitungs
werkzeug 50 richtet sich wieder auf.
Selbstverständlich können auch andere elastische (Dämpfer,
Federn) oder halbstarre Systeme zur Montage des Bearbeitungs
werkzeugs auf der Platte 45 vorgesehen sein, insbesondere
wenn dieses Werkzeug als Schleifdorn ausgebildet ist.
Ebenfalls ist es selbstverständlich, daß die Zylinder 15,
25, 65 auch alle als doppelt wirkende Zylinder in dem Sinne
ausgebildet sein können, daß Verstellbewegungen in beiden
Richtungen möglich sind. Es versteht sich auch von selbst,
daß der Zylinder 65 - wie die anderen Zylinder 15, 25 -
auch ein hydraulischer Zylinder sein kann.
Es ist noch anzumerken, daß durch die direkte Verbindung
der Steuervorrichtung 70 mit der Montageplatte 45 des Werk
zeugs 50 die Bedienungsperson alle auf das Werkzeug bei
dessen Anwendung ausgeübten Kräfte mitempfinden kann, wo
durch die Verwendung eines Systems mit Kraftrückkopplung
vermieden werden kann, die sehr kompliziert und teuer ist.
Selbstverständlich kann die Steuervorrichtung mit der Montage
platte in der Weise verbunden sein, daß eine gewisse Distanz
zum Bearbeitungswerkzeug 50 vorliegt, wodurch eine Steuerung
in einem Abstand davon möglich ist, da die starre Verbindung
mit dieser Montageplatte 45 erhalten bleibt. Selbstverständ
lich ist die vorliegende Erfindung nicht allein auf die
Arten der Ausführung beschränkt, die vorstehend anhand
von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen dargestellt
wurden. Sie umfaßt dagegen alle Ausführungsvarianten unter
Verwendung ähnlicher oder äquivalenter Mittel.
Claims (12)
1. Dreidimensionale Manipulator-Anordnung, dadurch gekenn
zeichnet, daß wenigstens ein an einem Ende (11, 21, 31)
gelagerter und an seinem anderen Ende (12, 22, 32) ein
Bearbeitungswerkzeug (50) tragender Arm (10, 20, 30) vorge
sehen ist, dessen Länge so bemessen ist, daß bei einer
Schwenkbewegung um sein Gelenk (11, 21, 31) sein freies
Ende (12, 22, 32) eine Verstellbewegung ausführt, die bei
geringer Winkelauslenkung im wesentlichen eine Gerade dar
stellt, und daß wenigstens ein erster, eine Verstellbewegung
des Arms in seiner Längsrichtung gewährleistender erster
Zylinder (65), wenigstens zwei eine Verstellbewegung des
freien Endes des Arms (10, 20, 30) in einer senkrecht zu
diesem verlaufenden Ebene gewährleistende Zylinder (15,
25) sowie eine Steuervorrichtung (70) vorgesehen sind,
die am freien Ende des Arms angeordnet und mit einer Steuer
stange (72) od.dgl. versehen ist, wobei die Steuervorrich
tung (70) zur Steuerung der Verstellbewegung der Zylinder
(15, 25, 65) entsprechend einer vorgewählten Richtung bei
Einwirkung einer Kraft oder einer Verschiebung in dieser
Richtung auf die Steuerstange (72) ausgebildet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden die Verstellbewegung des freien Endes (12,
22, 32) des Arms in einer senkrecht zu diesem Arm verlaufen
den Ebene ausführenden Zylinder (15, 25) zur Verstellung
entlang zweier senkrecht zueinander angeordneter Achsen
ausgebildet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der vertikal verlaufende Arm (10, 20, 30) an seinem
oberen Ende (11, 21, 31) an einer horizontalen Ebene (41)
gelagert ist, wobei der erste Zylinder (65) zur Verstellung
dieser horizontalen Ebene (41) in der vertikalen Richtung
ausgebildet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß drei Arme (10, 20, 30) vorgesehen sind, die jeweils
mit ihrem oberen Ende (11, 21, 31) an der horizontalen
Ebene (41) und mit ihrem unteren Ende (12, 22, 32) an der
selben Montageplatte (45) gelagert sind, an der das Bearbei
tungswerkzeug (50) befestigt ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich
net, daß in der Steuervorrichtung jeweils ein Paar von
Mikrokontakten (77, 78; 83, 84) jedem Zylinder (65, 25)
zugeordnet ist, der für jeweils eine Verstellbewegung in
eine vorbestimmte Richtung vorgesehen ist, wobei jeder
der beiden Mikrokontakte jedes Paars einer Verstellung
in einem vorgegebenen Richtungssinn zugeordnet ist, daß
jeder Mikrokontakt (77, 78; 83, 84) durch eine Steuerstange
(72) betätigbar ist, wenn auf diese durch eine Bedienungs
person eine Kraft in der Richtung und in dem Sinn ausgeübt
wird, denen dieser Mikrokontakt zugeordnet ist und daß
die Betätigung jeweils jedes dieser Mikrokontakte (77,
78; 83, 84) ein Steuersignal erzeugt, durch das eine ent
sprechende Verstellbewegung des jeweils zugeordneten Zylin
ders (65, 25) auslösbar ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei die Steuerstange (72) in einer neutralen Position
haltende Rückstellfedern (75, 76) für jede Verstellrichtung
vorgesehen sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rückstellfedern (75, 76) in Abhängigkeit der ge
wünschten Empfindlichkeit der Vorrichtung ausgelegt sind.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zylinder (15, 25) als hydraulische
Zylinder ausgebildet sind, von denen jeder jeweils durch
eine pneumatische Steuervorrichtung (92, 93) steuerbar
ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zylinder (65) als pneumatischer
Zylinder ausgebildet ist, der durch eine pneumatische Steuer
vorrichtung steuerbar ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder Mikrokontakt (77, 78; 83, 84)
jeweils als Endanschlag für die Verstellbewegung in eine
Richtung ausgebildet ist, jedoch im entgegengesetzten Sinn
des jeweils zugeordneten Zylinders (65, 15).
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das Bearbeitungswerkzeug (50) elastisch
an der Montageplatte (45) befestigt ist.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkzeug (50) über ein Kugel- oder Schwenkgelenk
(95) an der Montageplatte (45) befestigt ist, daß ein Zylin
der (96) einerseits am Werkzeug (50) und andererseits an
der Montageplatte (45) gelagert ist und daß dieser das
Werkzeug (50) absenkt, wobei dieser Zylinder so ausgebildet
oder gesteuert ist, daß er das Werkzeug freigibt, wenn
die auf das Werkzeug ausgeübte Kraft einen dem Werkzeug
(50) zugeordneten Schwellwert überschreitet.
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