DE3802533A1 - Gelenkmechanismus fuer die selbsttaetige lageeinstellung eines arbeitsgeraetes, insbesondere handgelenkmechanismus eines industrieroboters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gelenkmechanismus gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein zweiachsiger Gelenkmechanismus dieser Art, der beispielsweise als zweiachsiger Handgelenkmechanismus ("Handachse") eines Lackierroboters zum Beschichten von Fahrzeugkarossen mit zentral durch das Handgelenk zu der Sprühvorrichtung geführten Farb- und Luftschläu­ chen verwendet werden kann, ist bereits aus der US-PS 42 18 166 bekannt. Die Sprühvorrichtung oder dergl. ist fest mit einem um die zentrale Längsachse drehbaren Abtriebszahnrad verbunden, das an einer Tragkonstruktion gelagert ist, die um eine die Längs­ achse rechtwinklig schneidenden Querachse schwenkbar ist. Beide Eingangswellen sind parallel neben dem zentralen Durchgang für die Schläuche angeordnet und treiben über ein an ihrem Stirnende angeordnetes Ritzel je ein auf der Querachse angeordnetes Kegelrad. Während das von der einen Eingangswelle angetriebene Kegelrad mit dem Abtriebszahnrad kämmt, ist das von der anderen Welle angetriebene Kegelrad des bekannten Mechanismus starr mit der schwenkbaren Tragkonstruk­ tion verbunden. Zum Verschwenken der Sprühvorrich­ tung werden beide Eingangswellen gleichzeitig in zueinander entgegengesetzten Richtungen gedreht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gelenkme­ chanismus mit einem freien, ungestörten und ausreichend großen inneren Durchgang für die zentrale Durchführung z. B. von Schläuchen für die Materialversorgung und ggf. elektrischen Steuerleitungen zum Arbeitsgerät zu schaffen, der sich durch eine wenig aufwendige und kompakte Bauweise, geringe Masse und hohe Tragkraft auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 gekennzeichneten Gelenkmechanismus gelöst.

Durch die Erfindung ergibt sich die Möglichkeit symmetrischer Krafteinleitung durch die beiden Eingangswellen und damit einer besonders steifen Handgelenkkonstruktion. Bei ein­ seitiger Belastung z.B. einer Roboterhand tritt keine Torsion innerhalb der Achseneinheit auf; das vorzugsweise als Kegelrad ausbildete Abtriebszahnrad kann sich in diesem Fall an zwei auf entgegengesetzten Seiten angeordneten Zahnrädern abstützen. Ferner erreicht man durch symmetrischen Aufbau die gewünschten Eigenschaften einer Roboterhand wie minimales Gewicht, größt­ mögliche Steifigkeit usw. auf kleinstem Raum.

Durch das bei dem hier beschriebenen Gelenkmechanismus ange­ wendete spezielle Differentialgetriebeprinzip wird trotz der zentralen Materialversorgung eine sehr gedrungene Bauweise ermöglicht, die für gewisse Anwendungsfälle wie z.B. Abdich­ tungsarbeiten od. dgl. von ausschlaggebender Bedeutung ist, da von der Baugröße die Erreichbarkeit der zu verfolgenden Nähte abhängen kann.

An einem bevorzugten, für das Handgelenk eines eine Sprühvorrichtung tragenden Industrieroboters zum Beschichten von Fahrzeugkarossen oder sonstigen Gegen­ ständen geeigneten Ausführungsbeispiel wird die Erfin­ dung im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in teilweise schematischer Darstellung einen Schnitt durch den Gelenkmechanismus in der die beiden Achsen enthaltenden Ebene.

Der Mechanismus befindet sich in einem Gehäuse 10 der dargestellten Form, das an den zu seiner zentralen Längsachse A parallelen Seiten geschlossen ist und in seiner der Sprühvorrichtung (nicht dargestellt) abgewandten, mit dem Arm eines programmierbaren In­ dustrieroboters verbundenen Endwand eine zentrale Durchlaßöffnung 13 zum Durchführen der nötigen Farb­ und Luftschläuche und/oder sonstigen Leitungsanordnung hat. Neben der Durchlaßöffnung 13 befinden sich in der Endwand auf zueinander entgegengesetzten Seiten in der Nähe der Seitenwandung Ausnehmungen für je eine Eingangswelle 1 bzw. 17, die von je einem in beliebiger Entfernung außerhalb des Gehäuses 10 befindlichen (nicht dargestellten), von dem Bewegungspro­ gramm des Roboters gesteuerten Elektromotor angetrieben werden. Die Eingangswellen 1, 17 können innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses gelagerte Hohlwellen oder sonstige Antriebswellen üblicher Art sein.

Auf dem Stirnende der parallel zur Längsachse A eintre­ tenden Eingangswellen 1, 19 sitzt je ein Antriebsritzel 2 bzw. 16. Das Antriebsritzel steht in ständigem Eingriff mit einem antriebsseitigen ersten Kegelrad 3, das über ein kreisscheibenförmiges Distanzstück 4 starr mit einem zweiten, abtriebsseitigen Kegelrad 5 verbunden ist und mit diesem fest auf einer Welle 6 sitzt. Die Welle 6 ist in einem Lageransatz 20 der Seitenwand des Gehäuses 10 doppelt gelagert. Auf der bezüglich der zentralen Längsachse A entgegenge­ setzten Seite befindet sich eine mit der beschriebenen Anordnung darstellungsgemäß genau übereinstimmende Anordnung aus Antriebsritzel 16, Kegelrädern 14, 15, Distanzstück und Welle 6′. Die Wellen 6, 6′ können getrennt oder, wenn dies den Durchgang für die Speise­ leitungsanordnung nicht wesentlich stört, auch ein­ stückig durchgehend sein.

Auf der zur Gehäusewand abgewandten Seite der Kegelrä­ der 3, 5 bzw. 14, 15 ist auf der Welle 6 bzw. 6′ relativ zu dieser drehbar ein Bauteil 8 gelagert, das nach Art einer Schwinge im wesentlichen aus zwei parallel zu den Kegelrädern verlaufenden Kreisscheiben, in denen sich die Lager für die Welle 6, 6′ befinden, und einer die beiden Kreisscheiben verbindenden, z. B. ebenfalls kreisförmigen weiteren Scheibe (nicht dargestellt) sowie später zu erläuternden Dichtungs­ teilen (Abdeckung 12) besteht.

An seinem in der Zeichnung oberen, der Durchlaßöffnung 13 des Gehäuses abgewandten Ende hat das um die Welle 6, 6′ schwenkbare Bauteil 8 in oder an seiner erwähnten Verbindungsscheibe ein Lager 18 für ein um die Längs­ achse A drehbares, als Kegelrad ausgebildetes Abtriebs­ zahnrad 7, an dem darstellungsgemäß auf seiner Außen­ seite starr ein Flanschteil 9 befestigt ist. An dem Flanschteil 9, das aus dem offenen Stirnende des Gehäuses 10 herausragt und eine der Durchlaßöffnung 13 entsprechende zentrale Öffnung hat, ist das nicht dargestellte Arbeitsgerät montiert, bei dem betrachte­ ten Beispiel also die Sprühvorrichtung. Das Abtriebszahn­ rad 7 kämmt auf der einen Seite der Achse A mit dem Kegelrad 5 und auf der hierzu entgegengesetzten Seite mit dem Kegelrad 15 und ist im mittleren Bereich offen.

Von der Durchlaßöffnung 13 und dem Raum zwischen den Lagerscheiben des schwenkbaren Bauteils 8 führt also bis zu den entsprechenden Öffnungen des Abtriebs­ zahnrads 7 und des Flanschteils 9 längs der Achse A ein breiter, ganz oder mindestens weitgehend freier Durchgang durch den gesamten Handgelenkmechanismus.

Am Umfang der Distanzstücke 4 der zu beiden Seiten der Achse A befindlichen Kegelradeinheiten ist jeweils eine kreisförmige Abdichtungslageranordnung 22 bzw. 23 angeordnet, die aus einem radial äußeren und einem inneren Teil bestehen. Radial am äußeren Teil dieser Anordnung liegen fest mit dem Gehäuse 10 verbundene Abdeckungen 11 an, die am vorderen, der Sprühvorrichtung zugewandten Gehäuseende im wesentlichen quer zur Längsachse A verlaufend das antriebsseitige Kegelrad 5 und den zwischen ihm und der seitlichen Wand gebilde­ ten Innenraum nach außen abschließen und am rückwärtigen Gehäuseende parallel zur Längsachse A verlaufend den zentralen Innenraum von den Eingangswellen 1, 17 und von dem die Kegelräder 3, 14 enthaltenden Raum trennen. Am radial inneren Teil der Abdichtungs­ lageranordnung 22, 23 liegt dagegen eine in Querrichtung verlaufende weitere Abdeckung 12 an, die fest mit dem schwenkbaren Bauteil 8 verbunden ist und den Zwischenraum zwischen der Kegelradanordnung und dem Flanschteil 9 verschließt sowie den Raum der Kegelradan­ ordnung von dem zentralen Innenraum trennt.

Die zentrale Längsachse A wird von der durch die Welle 6, 6′ definierten Querachse B rechtwinklig geschnitten. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist der Mechanismus bei dem beschriebenen Beispiel in der die beiden Achsen A und B enthaltenden Schnitt­ ebene und zweckmäßig auch in der hierzu senkrechten Ebene durch die Achse A vollständig, d.h. einschließlich aller Teile des Getriebes, des schwenkbaren Bauteils 8, der Lageranordnungen und vorzugsweise auch des Gehäuses 10 symmetrisch bezüglich der Achse A.

Das an dem Flanschteil 9 montierte Gerät soll durch die Programmsteuerung der beiden an die Eingangswellen 1, 17 angeschlossenen Elektromotoren je nach Bedarf um die Längsachse A drehbar und/oder um die Querachse B verschwenkbar sein. Wenn bei dem beschriebenen Mechanismus die beiden Eingangswellen 1, 17 um den gleichen Betrag und in gleicher Richtung gedreht werden und folglich die Kegelräder 5 und 15 entgegenge­ setzt gleiche Drehbewegungen durchführen, dreht sich lediglich das Antriebszahnrad 7 und damit das Flansch­ teil 9 um die Achse A, während das Bauteil 8 im Still­ stand bleibt (reine Drehbewegung). Wenn stattdessen die beiden Eingangswellen 1, 17 um gleiche Beträge, aber mit unterschiedlicher Drehrichtung angetrieben werden, bewegt sich nur das Bauteil 8, während das Abtriebszahnrad 7 in Ruhe bleibt (reine Schwenkbewegung). Zwischen diesen beiden Grenzen ist jede beliebige Überlagerung der Dreh- und Schwenkbewegungen möglich. Nach dem Prinzip eines Differentialgetriebes werden hierbei beide Drehbewegungen der Sprühvorrichtung oder dergl. aus der Differenz der beiden gleichzeitig oder jedenfalls kombiniert eingegebenen Drehbewegungen der Eingangswellen erzeugt.

Der beschriebene Mechanismus ermöglicht eine konstruktiv unbegrenzte Drehbewegung um die Längsachse A und eine relativ weite Schwenkbewegung um die Querachse B von beispielsweise ±110 Grad, insgesamt also 220 Grad. Bei allen möglichen Stellungen bleiben sowohl der erforderliche zentrale Durchgang längs der Achse A mit z. B. kreisförmigem Querschnitt als auch die als Schutz vor Verschmutzung dienenden Abdichtungen unbeeinträchtigt erhalten. Alle Getriebeteile sind gegen Verschmutzung abgekapselt. Die Abdichtungen mit den Lageranordnungen 22, 23 und den Abdeckungen 11, 12 erfordern wenig Aufwand und behindern weder die Dreh- noch die Schwenkbewegung.

Der Gelenkmechanismus kann ein in Anbetracht der jeweiligen Abmessungen des Mechanismus relativ schweres Arbeitsgerät tragen und eignet sich nicht nur für die Werkstückbeschichtung einschließlich Lackieren, Abdichten von Nähten usw. (z. B. mit einer etwa 10 kg schweren Sprühvorrichtung), sondern auch für andere Handhabungsbereiche, bei denen es u. a. auf die schnelle Lageeinstellung von Arbeitsgeräten über möglichst große Verstellwege ankommt.

Claims (6)

1. Gelenkmechanismus für die selbsttätige Lageeinstel­ lung eines an eine Speiseleitungsanordnung angeschlos­ senen Arbeitsgerätes, das um zwei zueinander senkrechte Achsen (A, B) drehbar ist, insbesondere Handgelenk­ mechanismus eines programmgesteuerten Industrieroboters, an dem eine Sprühvorrichtung montiert ist,
mit zwei den Gelenkmechanismus antreibenden,
mit je einem Motor verbundenen Eingangswellen (1, 17), die außerhalb eines durch den Gelenkmechanismus zu dem Arbeitsgerät führenden Durchgangs für die unbehin­ derte innere Durchführung der Speiseleitungsanordnung liegen,
und mit einem Getriebe, das bei Drehung der beiden Eingangswellen (1, 17) das Arbeitsgerät um mindestens eine der beiden Achsen (A, B) dreht und ein fest mit dem Arbeitsgerät verbundenes Abtriebszahnrad (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebszahnrad (7) von beiden Eingangswellen (1, 17) gemeinsam antreibbar ist.

2. Gelenkmechanismus nach Anspruch 1 mit einem um die eine Achse (B) verschwenkbaren Bauteil (8), an dem das Abtriebszahnrad (7) um die andere Achse (A) drehbar gelagert ist, und mit zwei jeweils von einer der Eingangswellen (1, 17) angetriebenen, um die eine Achse (B) drehbaren, auf entgegengesetzten Seiten des Durchgangs für die Speiseleitungsanordnung angeordneten Zahnrädern (5, 15), dadurch gekennzeichnet, daß die um die eine Achse (B) drehbaren Zahnräder (5, 15) beide mit dem Abtriebszahnrad (7) kämmen.

3. Gelenkmechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden von den Eingangswellen (1, 17) angetriebenen Zahnräder (5, 15; 3, 14) jeweils auf einer in einem äußeren Gehäuse (10) gelagerten Welle (6, 6′) angeordnet sind, auf der das verschwenkbare Bauteil (8) drehbar gelagert ist.

4. Gelenkmechanismus nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6, 6′) in einem Lageransatz (20) der allgemein parallel zu der zentralen Durchführung verlaufenden Wand des äußeren Gehäuses (10) gelagert ist.

5. Gelenkmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige Abdich­ tungslageranordnungen (22, 23) koaxial zu der einen Achse (B) am äußeren Rand je eines Distanzstücks (4) angeordnet sind, daß sich jeweils zwischen einem von der Eingangswelle (1 bzw. 17) angetriebenen Zahnrad (3 bzw. 14) und einem damit fest verbundenen, das Abtriebszahnrad (7) antreibenden weiteren Zahnrad (5 bzw. 15) befindet, und daß die beiden Abdichtungs­ lageranordnungen (22, 23) einerseits mit dem Gehäuse (10) und andererseits mit dem schwenkbaren Bauteil (8) in Berührung stehen.

6. Gelenkmechanismus nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er bezüglich der zentralen Längsachse (A), um die das Arbeitsgerät drehbar ist, vollständig symmetrisch ausgebildet ist.