DE4221092A1 - Vorrichtung zum anbau an industrieroboter oder andere positioniereinheiten - Google Patents

Description

Industrieroboter werden in steigendem Umfang nicht mehr nur zur Positionierung von Werkzeugen und zu Handhabungszwecken eingesetzt, sondern auch als Arbeitsmaschinen, die - da frei programmierbar - weitgehend universell einsetzbar sind.

So werden z. B. YAG-Laserschneidköpfe, über Lichtwellenleiter an den Laser angekoppelt, mit Standard-Industrierobotern geführt und hiermit Konturbeschnitt und Lochen von größeren Blechteilen ausgeführt. Ebenso werden Industrieroboter zum bahngeführten Nahtschweißen eingesetzt.

Aufgabe

Beim Führen von Werkzeugen auf einer vorgeschriebenen Bahn mittels Industrierobotern tritt häufig die Aufgabe auf, relativ kleine Ausnehmungen wie Kreise und aus kurzen geraden Linien zusammengesetzte Konturen, z. B. Rechtecke oder Langlöcher, auszuschneiden.

Bei Kreisen zeigt sich dabei besonders deutlich im Durchmesserbereich bis etwa 50 mm, daß die nicht durch Gravitationslast vorgespannten Achsen des Roboters, und hier insbesondere die zentrale Basisdrehachse, bei Umkehr der Drehrichtung zu einem Versatz der beschriebenen Bahn führen, der typisch in der Größenordnung von 0,5 mm oder mehr liegt. Dieser Versatz ist bei größeren Konturen im allgemeinen unkritisch, bedeutet aber möglicherweise, daß Kreise von z. B. 5 mm Durchmesser durch den sich hierbei ergebenden Versatz von z. B. 10% des Durchmessers nicht mehr akzeptabel sind, s. Fig. 2 und 3.

Es ist versucht worden, diesen Versatz durch steuerungstechnische Maßnahmen (Kompensations-Software) zu eliminieren, was aber nicht in einer Weise gelingt, die den Anforderungen der Praxis an leichte Programmierbarkeit genügt, zu erhöhter Rechenzeit führt und zudem das für die gewünschte Arbeitsgeschwindigkeit entlang der Bahn (Schnittgeschwindigkeit) erforderliche dynamische Verhalten des Roboters keineswegs verbessert.

Es sind deshalb Exzentervorsätze eingesetzt worden, die manuell auf den jeweiligen Schneiddurchmesser einzustellen sind und dann ausschließlich die jeweils eingestellten Kreise abzufahren gestatten. Der Roboter, an dessen Werkzeugflansch ein solcher Vorsatz angebracht wird, wird dabei mit dem Tool Center Point auf einem Punkt des jeweiligen Kreises positioniert, worauf mit dem Antrieb des Exzenters auch der Laserstrahl eingeschaltet wird.

Da der Roboter in diesem Falle seine Position nicht verändert, tritt kein Versatz auf. Jedoch erweist es sich als nachteilig, daß - wenn der Vorteil des stillstehenden Roboters erhalten bleiben soll - der Einbrennstich des Laserstrahls an der zu bearbeitenden Kontur, und nicht wie sonst üblich abseits davon im (späteren) Abfallteil erfolgt.

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Einrichtung vorzusehen, die eine frei programmierbare Einstellung der zu schneidenden Radien ohne aufwendige und zeitraubende Rechenoperationen gestattet, zugleich die Änderung des aktuellen Arbeitsradius während der Operation gestattet, und außerdem innerhalb des Arbeitsbereiches der Einrichtung Geraden mit beliebiger, frei programmierbarer Orientierung ebenfalls ohne zeitaufwendige Rechenoperationen, auch in Kombination mit Kreisbögen, zu schneiden gestattet, und die zudem mit geeigneter Rechnerunterstützung jede beliebige Kontur innerhalb des Arbeitsbereiches zu schneiden gestattet, wobei aus Gründen der Betriebssicherheit und hohen Verfügbarkeit (Verschmutzungsunempfindlichkeit) als Lagerungen ausschließlich gekapselte Rotationswälzlager eingesetzt sind.

Beim Laserschneiden von großen Blechteilen oder von dreidimensionalen Blechteilen muß erfahrungsgemäß mit Formtoleranzen der Blechpartien gerechnet werden, auf denen die Schneidbahn verlaufen soll. Dies gilt auch dann, wenn partiell kleine Schnitte an einem größeren Blechteil auszuführen sind.

Da der Laser-Schneidkopf berührungslos arbeitet und dies zudem mit einem kleinen Abstand von typisch 0,8 bis 1 mm zwischen Schneiddüse und Blechoberfläche, ist eine sensorgesteuerte Führung des Schneidkopfes unerläßlich. Hierzu sind z. B. kapazitiv arbeitende Sensorsysteme im Einsatz, die sich bereits bewährt haben.

Es ist aber keineswegs ausreichend, das Sensorsignal zur Abstandsregelung der Robotersteuerung zuzuführen, da das dynamische Verhalten des Roboters auch im günstigsten Falle unzureichend wäre (die dynamische Eigenfrequenz des Roboters ist zu gering). Damit würde eine derartige Verlangsamung des Schneidprozesses erreicht, daß Unwirtschaftlichkeit eintreten würde.

Die geeignetere Lösung besteht im Einsatz einer hochdynamischen, genau arbeitenden Zusatzachse ausschließlich zur Nachstellung auf den korrekten Arbeitsabstand, und zwar unter Verwendung des vorbeschriebenen Sensorsignals. Der Schneidkopf wird hierbei zusammen mit dem Sensor am Abtrieb dieser Zusatzachse befestigt.

Die hierzu bekannten Lösungen, z. T. gleit-, z. T. wälzgelagert, weisen sämtlich den Nachteil auf, daß sie mit mechanischen Längsführungen arbeiten, die kaum wirkungsvoll gegen die beim Schneidprozeß entstehenden Luftverunreinigungen zu schützen sind und deshalb regelmäßiger Wartung bzw. Schmierung bedürfen.

Es ist deshalb ein weiteres Ziel der Erfindung, eine wartungsfreie Vorrichtung zur Abstandsregelung vorzusehen, die ebenfalls ausschließlich mit gekapselten Rotationswälzlagern aufgebaut ist und dennoch eine exakte lineare Führung darstellt. Zudem hat diese Zusatzachse den Vorteil eines gegenüber den bisher bekannten Zusatzachsen größeren Hubes aufzuweisen. Ein weiterer Vorteil dieser mit Rotationselementen aufgebauten Linearführung besteht darin, daß sie in modularer Bauweise zu mehreren miteinander oder mit einer für das Kreisschneiden geeigneten Vorrichtung kombinierbar ist.

Zur Verdeutlichung des Erfindungsinhaltes dienen die nachstehend beschriebenen Abbildungen und Darstellungen:

Fig. 1 erfindungsgemäße Vorrichtung mit Exzenterantrieb und Exzentrizitätsstellbetrieb mit zwei Abtriebsschäften und gemeinsamer Abtriebsplatte (Bauform A), Schnittdarstellung von der Frontseite gesehen,

Fig. 2 Industrieroboter mit angesetztem Laser-Schneidkopf in der Draufsicht,

Fig. 3 vergrößerte Darstellung des Kreisbogenversatzes bei einer Anordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 Vorrichtung mit Exzenterantrieb und Exzentrizitätsstelltrieb mit einem Abtriebsschaft (Bauform B), Schnittdarstellung von der Frontseite gesehen,

Fig. 5 Seitenansicht einer Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 6 Darstellung des Antriebssystems einer Vorrichtung nach Fig. 1 in der Draufsicht bei abgenommenem Deckel,

Fig. 7 Vorrichtung mit Exzenterantrieb und Exzentrizitätsstelltrieb mit fester Zuordnung zwischen beiden Triebsystemen (Bauform C), seitlicher Schnitt,

Fig. 8 Draufsicht einer Vorrichtung nach Fig. 7 bei abgenommenem Deckel. - Zur Veranschaulichung des Vorgeleges-Abtriebes ist der Zahnriementrieb (3, 4) um 90° in die Zeichnungsebene geklappt dargestellt.

Fig. 9 Vorrichtung nach Fig. 7 in der Draufsicht in einer Schnittebene unterhalb des in Fig. 8 dargestellten Vorgeleges.

Fig. 10 Bahnverlauf des Abtriebsschaftzentrums einer Vorrichtung mit Exzenterantrieb und Exzentrizitätsstelltrieb bei gegensinnig synchroner Drehung der beiden Antriebe.

Fig. 11 Darstellung der Linearitätsabweichung der Sinusfunktion für die Winkelbereiche ±50° und ±30°.

Fig. 12 Darstellung der Hubposition einer Vorrichtung nach Fig. 7 als Funktion des Antriebs-Stellwinkels.

Fig. 13 Kombination einer Vorrichtung der Bauform B mit einer Vorrichtung der Bauform C in vertikaler Huborientierung.

Fig. 14 Kombination einer Vorrichtung der Bauform B mit einer Vorrichtung der Bauform C in horizontaler Hubanordnung.

Fig. 15 Kombination einer Vorrichtung der Bauform B mit einer Vorrichtung der Bauform C in horizontaler Hubanordnung und einer weiteren Vorrichtung der Bauform C in vertikaler Hubanordnung.

Fig. 16 als weitere Variante (Bauform D) Orientierung des Abtriebselementes durch eine Parallellenkeranordnung; Darstellung als Schnittbild, von vorn gesehen.

Fig. 17 Seitenansicht zu Bauform D bei geöffnetem Gehäuse.

Fig. 18 Draufsicht zu Bauform D bei abgenommenem Deckel.

Fig. 2 stellt einen Industrieroboter mit angesetztem Laser-Schneidkopf in der Draufsicht dar, während Fig. 3 stark vergrößert den bei dieser Achsanordnung auftretenden Kreisbogenversatz zeigt. Der mit dem Roboter erzielte Schnittverlauf besteht aus zwei Teilen, in Fig. 3 die beiden Kreisbogenhälften (81) und (82). Diese sind um die Beträge x-u bzw. v-w gegeneinander versetzt, und zwar typisch in der Weise, daß die Linie x-u-v-w senkrecht zur Verbindungslinie (80) des Zentrums des Werkzeuges (83) zum Zentrum der Achse 1 liegt.

Der Versatz rührt wesentlich von der bei Einzelantrieben mit Getriebesystemen unvermeidlichen Umkehrlose des Achssystems 1 her.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung der Bauform B als ein Beispiel zur Erläuterung der Erfindung. - Eine mittels Servo-Getriebemotor (1) mit angebautem Encoder zur Bestimmung der Winkelstellung des Motorrotors über einen Zahnriementrieb (2, 3) angetriebene Antriebs-Zahnscheibe (4) ist mit einem Rotationselement (5) zu einem Rotor (4, 5) verbunden, der in einer Basisplatine (100) drehbar gelagert ist. Der Rotor (4, 5) trägt eine hierin frei drehbare Zwischenwelle (21), die mit einem Hebelarm (6) der wirksamen Länge a parallel zur Drehachse (10) des Rotors (4, 5) angeordnet ist.

Unabhängig von der Winkelstellung des Rotors (4, 5) in bezug auf die Längsachse der Basisplatine (100) ist ein zweites Rotationselement (11) ebenfalls um die Achse (10) frei drehbar angeordnet, das von einem Servo-Getriebemotor, der ebenfalls mit einem Positionsencoder versehen ist, mittels Zahnriementrieb (96, 97, 98) angetrieben wird, und das mittels eines weiteren Zahnriementriebes (12, 13, 14) die Drehlage der Zwischenwelle (21) in bezug auf die Längsachse der Basisplatine (100) bestimmt.

An dem der Lagerung im Rotor (4, 5) entgegengesetzten Ende der Zwischenwelle (21) ist ein zweiter Exzenterarm (16) mit ebenfalls der wirksamen Länge a drehfest angebracht. Der Exzenterarm (16) trägt einen hierbei frei drehbar gelagerten Abtriebsschaft (30).

Die Winkellage des Abtriebsschaftes (30) in bezug auf die Längsachse der Basisplatine (100), und damit die Winkelorientierung der Abtriebsplatine (31), wird bestimmt durch einen Winkelstelltrieb, bestehend aus einem Winkelstellelement (8), einem Zahnriementrieb (18, 19, 20) und einem weiteren Zahnriementrieb (20, 22, 23).

Die in dieser Beschreibung beispielhaft angegebenen und dargestellten Zahnriementriebe sind sämtlich mit hochgenauen Zahnriemen und Zahnriemenscheiben mit sogenanntem Null-Spiel ausgestattet, wodurch praktisch vollständige Spielfreiheit gegeben ist. Durch ausreichend kräftige Dimensionierung der Zahnriementriebe kann die Elastizität für einen bekannten Lastfall und bekannte Geschwindigkeiten und Beschleunigungen in Verbindung mit konstruktiv lösbaren kurzen freien Weglängen der Zahnriemen so gering gehalten werden, daß sie ebenfalls vernachlässigbar ist.

Sämtliche Getriebe können aber - unter Beibehaltung der grundsätzlichen Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung - ebenso als Stirnzahnradgetriebe in hochgenauer Ausführung, z. B. mit jeweils einem geteilten, federnd vorgespannten Zahnrad an jeder Eingriffsstelle, aufgebaut werden. Auf die zeichnerische Darstellung und die zugehörige Beschreibung derartiger Alternativ-Bauformen wurde verzichtet.

Die Bewegung eines jeden Punktes der Abtriebsplatine (31), die am einfachsten durch das Verhalten des Zentrums des Abtriebsschaftes (30) beschrieben wird, kann innerhalb des radialen Gesamthubes 2a bei fixierter Position des die Vorrichtung tragenden Industrieroboters oder einer anderen Positioniereinheit

• - ohne aufwendige Rechenoperationen auf Kreisbahnen von beliebigem Durchmesser und ohne jeglichen Versatz, oder
• - auf Geraden von beliebiger Länge, die durch das Zentrum des Rotors (4, 5) gehen, versatzfrei erfolgen,
• - und es kann unter Einschluß von Koordinatentransformations- und Interpolationsrechnern jede beliebige Bahnkontur versatzfrei abgefahren werden mit der sich durch die Rechengenauigkeit und die gewählte Arbeitsgeschwindigkeit ergebenden Konturtreue.

Die Orientierung der Abtriebsplatine bleibt hierbei stets in Übereinstimmung mit der Orientierung des Winkel-Stellelementes (8).

Die Erzeugung von Kreisbahnen beliebigen Durchmessers und von Geraden beliebiger Länge und Winkellage erfolgt nach vorausgehender, später beschriebener Einstellung der Radien bzw. der Geraden-Endprodukte und -Winkellage in einfachster Weise bei Kreisen durch synchron gleichsinnige Drehung der die Hebelarme a enthaltenden Elemente (4) und (16) bzw. bei für den Exzenterantrieb und den Exzentrizitätsstelltrieb nach Größe und Vorzeichen gleichen Gesamtübersetzungen zwischen den Elementen (4) und (16) einerseits und den zugehörigen Antriebsmotoren andererseits, durch synchron gleichsinnige Drehung der Antriebsmotoren, und durch synchron gegensinnige Drehung dieser Elemente bei Geraden, wie nachstehend aufgezeigt wird.

Fig. 10 zeigt die Bewegungsgeometrie des hier nicht dargestellten Abtriebsschaftes (30) einer Exzentereinheit bei synchroner, aber gegensinniger Bewegung von Exzenterantrieb (4) und Exzentrizitätsstelltrieb (98), s. auch Fig. 4. In der Ausgangsposition stehen z. B. beide Antriebsscheiben, die um die Achse 10 rotieren können, in ihrer Nullage, d. h. die beiden Exzenterarmhebel (6) und (16) befinden sich in Deckung übereinander in der Position 10-A (6) bzw. A-10 (16).

Wird nun angenommen, daß der Exzentrizitäts-Stelltrieb mit seiner Antriebsscheibe (98) festgehalten wird, während die Antriebsscheibe (4) des Exzenterantriebes sich um einen Winkel ϕ bewegt, so würde der Exzenterarm (6) von der Position 10-A auf 10-B wandern, und der Exzenterarm (16) von A-10 nach B-C.

Wird aber die Antriebsscheibe (98) des Exzentrizitätsstelltriebes gegensinnig synchron zu Antriebsscheibe (4) des Exzenterantriebes bewegt, so führt der Abtriebsschaft (30) der Exzenteranordnung eine geradlinige Bewegung aus, die von 10 über E nach D verläuft. Diese Bewegung findet ihre Hubbegrenzung bei 10-D=2a. Wird der Winkel ϕ (für (4) in positiver, für (98) in negativer Richtung) über den Wert von 90° hinaus vergrößert, kehrt sich der Bewegungsverlauf um, bis schließlich nach Passieren der Ausgangsposition und der Endlage auf der D gegenüberliegenden Seite ein Gesamthub von 4a erreicht wird.

Die erzeugte geradlinige Bahn verläuft bei ϕ=0° durch den Punkt 10.

Bei gleichsinniger synchroner Drehung nach vorheriger Einstellung der gewünschten Exzentrizität entsprechend dem jeweils benötigten Arbeitsradius, z. B. 10-C, wird dagegen ein Kreis mit dem Durchmesser 2(10-C) um den Punkt 10 beschrieben.

Die Wahl des korrekten Stellwinkels ϕ unter Berücksichtigung der technisch bedingten Schneidspaltbreite s vor Beginn des Synchronlaufes der Scheiben (98) und (4) erfolgt gemäß der nachstehenden Beziehung:

cos ϕ = 1-1/2a (R-s/2)²

mit
ϕ Stellwinkel zwischen Exzenterantrieb (4) und Exzentrizitätsstelltrieb (98)
R=D/2 Radius des zu schneidenden Lochkreises
s Schnittspaltbreite
a Exzenterarmlänge (a₄=a₉₈)

Zum Einstechen des Laserstrahles abseits der zu schneidenden Kontur ist es vorteilhaft, den Strahl bereits vor dem Erreichen des Winkels ϕ und vor dem Erreichen des Synchronlaufes der Scheiben (98) und (4) zu starten.

Während die Bahngeschwindigkeit (Schnittgeschwindigkeit) beim Kreisschneiden direkt proportional der synchronen Drehgeschwindigkeit der beiden Antriebsscheiben (98) und (4) ist, liegen beim Abfahren von Geraden andere Verhältnisse vor.

Hierfür gilt vielmehr

mit δ W=δ (10-D) als dem Hubweg, der von der Position W_n-1 bis zur Position W_n zurückgelegt wurde, und δ t als der Zeitspanne, die von der Winkelstellung ϕ_n-1 bis zur Stellung ϕ_n vergangen ist. Dies ist eine einfache trigonometrische Beziehung, die in Fig. 11 dargestellt ist. - Wie hieraus ersichtlich, ist im Bereich -50°=ϕ=+50° eine zwar nicht für die Geometrie der Position, aber doch für die Bahngeschwindigkeit ausreichende Konstanz gegeben.

Hieraus resultiert ein verwertbarer Hub H für die Linearbewegung des Abtriebsschaftes (30) von

H = ±2a sin 50° oder H = ca. ±1,5a.

Dies bedeutet, daß die geometrisch absolut exakte Linearführung innerhalb von 75% des Gesamthubes mit einer praktisch ausreichenden Geschwindigkeitskonstanz arbeitet, wenn die Antriebsdrehzahlen der Scheiben (98) und (4) konstant und gegensinnig synchron sind.

Die Lage der abfahrbaren Geraden läßt sich beliebig dadurch wählen, daß die beiden Exzenterarme (6) und (16) vor Beginn der Bewegung in eine Orientierung quer zum gewünschten Verlauf der Geraden gebracht werden.

Wenn die geradlinige Bahnbewegung in einem Zuge, z. B. von links nach rechts, durchfahren werden soll, sollte im Anschluß an die Vororientierung der Exzenterarme, wie vorstehend beschrieben, der äußerste linke Punkt der abzufahrenden Bahn durch gegensinniges Verdrehen der Exzenterarme (6) und (16) auf die Stellung -ϕ_max′ für die betreffende Bahnlänge eingestellt werden, und danach durch gegensinnigen, synchronen Antrieb der Scheiben (98) und (4) mit der gewünschten Geschwindigkeit bis zum Wert +ϕ_max′ verfahren werden.

Innerhalb eines bevorzugten Arbeitsbereiches von ϕ=±30° ist eine völlig ausreichende Übereinstimmung des Winkelwertes ϕ mit dem Hub H gegeben.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Variante (Bauform A) der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der zur Vereinfachung der Exzenteranordnung wie auch zur Erzielung größerer Abstützstabilität der Abtriebsplatine (31) gegenüber der Basisplatte (100) anstelle des zentralen Winkelstelltriebes (8, 18, 19, 20, 22, 23) die Sicherstellung der Winkelorientierung der Abtriebsplatine (31) dadurch erreicht wird, daß zwei in einer gemeinsamen Basisplatine (100) aufgenommene gleiche und stets gleichphasige und gleichsinnig angetriebene Exzenteranordnungen an ihren Abtriebsschäften (30, 30) durch eine gemeinsame Abtriebsplatine (31) miteinander verbunden sind.

Wenngleich sich noch bessere Steifigkeitswerte für das Gesamtsystem einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine Kombination von drei Exzenteranordnungen mit gemeinsamer Basisplatine, gemeinsamer Abtriebsplatine und gemeinsamem Antrieb ergeben würden, reicht doch - gerade für den Einsatz von berührungslos arbeitenden Laserschneidköpfen - die in Fig. 1 als Beispiel einer konstruktiven Ausführung dargestellte Doppelversion aus. Sie hat zudem wegen der kleineren konstruktiv einsetzbaren Basislager den Vorteil eines gegenüber der Bauform B (Fig. 4) schmaleren Aufbaus.

Die vorstehenden kennzeichnenden Abschnitte der Beschreibung zu Fig. 4 (mit Ausnahme der Beschreibung des Winkelstelltriebes (8, 18, 19, 20, 22, 23) gelten auch für Fig. 1 uneingeschränkt mit der Maßgabe, daß es aus räumlichen Gründen zweckmäßig erscheint, die Getriebemotoren seitlich versetzt anzuordnen, was den Einsatz von Vorgelegen erfordert, wie am Beispiel des Exzentrizitätsstelltriebes mit den zwischengeschalteten Elementen (99, 45, 42, 43) gezeigt (s. hierzu auch Fig. 6).

Fig. 5 zeigt die stirnseitige Ansicht der Bauform A gemäß Fig. 1, in der die an den beiden Abtriebsschäften (30, 30) angesetzte Abtriebsplatine (31) als Winkel ausgebildet ist, damit sowohl seitlich als auch unterhalb der Anbau weiterer Elemente oder Werkzeuge, z. B. einer Laser-Schneidoptik, möglich ist.

Weiterhin wird hier der zum Anschluß an den roboterseitigen Werkzeugflansch vorgesehene Anschlußflansch (25) dargestellt.

Die Abtriebsplatine (31) ist in der hintersten Position gezeigt, d. h. das Zentrum des Abtriebsschaftes (30), und damit die gesamte Abtriebsplatine (31), kann um den Gesamthub 4a nach außen (im Bild nach "rechts") verfahren werden.

Fig. 6 zeigt die Antriebssysteme einer Vorrichtung nach Fig. 1 (Bauform A), wobei zu berücksichtigen ist, daß die Antriebssysteme für Exzentrizität und Exzenter übereinander angeordnet sind, wie aus Fig. 1 ersichtlich.

Aus der Fig. 6 geht die Erfindung der Bedingungen Gleichphasigkeit und Gleichsinnigkeit von respektive Exzenterbewegung und Exzentrizitätsstellung der beiden Exzenteranordnungen hervor.

Fig. 7, 8 und 9 zeigen eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Bauform C), bei der auf die Möglichkeit des Abfahrens von Kreisbahnen bewußt verzichtet wurde zugunsten des Vorteils nur eines einzigen Antriebsmotors bei - innerhalb des Arbeitsbereiches - beliebig langen abfahrbaren Geraden. Dies wird erreicht durch eine feste Zuordnung von Exzenterstellbewegung zu Exzentrizitätsstellung.

Wie aus den Abbildungen Fig. 7 bis 9 hervorgeht, wirkt ein mit Vorgelege versehener Servo-Getriebemotor auf die aus Fig. 4 bereits bekannte Zahnriemenscheibe (2), von wo aus der Antrieb mittels Zahnriemen (3) auf die Scheibe (4) weitergeführt wird, die mit dem Rotationselement (5) verbunden ist. Von dort aus wird mit den Exzenterarmen (6, 6) die Position der Zwischenwelle (21) bestimmt.

Drehfest mit der Basisplatte (100) verbunden ist das als Zahnriemenscheibe ausgebildete Antriebselement (12), das mittels Zahnriemen (13) und Zahnriemenscheibe (14) die Winkellage der Zwischenwelle (21) bezogen auf ihre eigene Drehachse bestimmt.

Da bei dieser Bauform die Zahnscheiben (12) und (14) im Teilkreis-Durchmesserverhältnis 2 : 1 zueinander stehen, erfährt die Zwischenwelle (21) eine Drehung um den doppelten Auslenkwinkel ϕ der Antriebswelle (5).

Die Zwischenwelle (21) wiederum bestimmt die Auslenkung des zweiten Exzenterarmpaares (16, 16) und damit - im Verbund mit dem Zahnriementrieb (12, 13, 14) - die Exzentrizität des Abtriebsschaftes (30) bezogen auf die Welle (5).

Jedem Exzenterarmwinkel ϕ ist somit eine Exzentrizitätsauslenkung des Abtriebsschaftes (30) fest zugeordnet, für die die in Fig. 12 dargestellten Beziehung

H = 2a sin ϕ

gilt,
mit
H=Hub,
a=wirksame Länge der beiden Exzenterarmpaare,
ϕ=Auslenkwinkel der Antriebswelle (5).

Es handelt sich hierbei um die bereits in Fig. 11 dargestellte Winkelfunktion. Wie bereits dargelegt, kann innerhalb des Winkelbereiches von ±30° der Winkel direkt mit dem Hub identifiziert werden.

Die Winkellage der Abtriebsplatine (31) wird durch die Übertragung der Winkelauslenkung der Zwischenwelle (21) auf die drehfest mit der Abtriebsplatine (31) verbundene Zahnscheibe (34) bewirkt, die, im Untersetzungsverhältnis 2 : 1 mit der an der Zwischenwelle (21) befindlichen Zahnscheibe (32) arbeitend, die Abtriebsplatine (31) stets parallel zur Basisplatine (100) hält. Die Vorrichtung der Bauform C gemäß Fig. 7 bis 9 ermöglicht damit eine exakt geradlinige Bewegung einer Abtriebsplatine (31), die dabei stets genau parallel zur Basisplatine (100) gehalten wird.

Als besonders vorteilhaft erweist sich die Kombination mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen zu einer Kombinationsvorrichtung, wie in den Abbildungen Fig. 13 bis 15 dargestellt.

Die in Fig. 13 gezeigte Kombination einer Vorrichtung in Bauform A mit einer in vertikaler Hubrichtung untergebauten Vorrichtung in Bauform C gestattet den seitlichen Anbau z. B. einer Laser-Schneidoptik. Mit dieser Kombination können Kreise und Geraden bei feststehender Roboterposition geschnitten werden bei gleichzeitiger sensorgesteuerter Höhen-Abstandskorrektur. Der Sensor hierzu ist am Laser-Schneidkopf vorgesehen (nicht dargestellt).

Fig. 14 zeigt eine Kombination bestehend aus einer Vorrichtung nach Bauform A mit horizontal darunter angeordneter Vorrichtung nach Bauform C, womit dann problemlos und versatzfrei nicht nur Kreise, sondern auch Ellipsen, Langlöcher und Rechtecke geschnitten werden können (die Winkelorientierung der nicht runden Konturen erfolgt dabei durch vorherige Winkelorientierung der Roboter-Handachsen).

Fig. 15 zeigt eine Kombination, die die Vorteile der Fig. 13 und 14 vereint.

Es ist ohne Schwierigkeiten möglich, und im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen, mittels einer weiteren, dritten Exzenteranordnung, die ebenfalls in bezug auf Basisplatine, Antrieben und Abtriebsplatine mit den anderen Exzenteranordnungen zu einer Vorrichtung im Stile der Bauform A vereint wird, eine Kreisführungseinheit aufzubauen, die auch nennenswerte Stützkräfte aufzunehmen in der Lage ist, wie z. B. Anpreßkräfte beim Überlapp-Laserschweißen von Blechen.

Die Ansteuerung der Servomotoren erfolgt in an sich bekannter Weise mit unterlagerten Geschwindigkeitsregelkreisen, Motorstromabsicherungen und Schnittstellen zur Anbindung an die Programmsteuerung des Roboters oder der Positioniereinheit, an dem/der die jeweilige Vorrichtung/Vorrichtungen angebaut sind.

In den Abbildungen sind die elektrischen Verbindungsleitungen mit den hierzu gehörenden Schutzrohren und -schläuchen aus Gründen der klareren Darstellung der Erfindung nicht gezeigt. Es sind hierfür Komponenten entsprechend dem Stand der Technik vorgesehen.

Erklärung der Positionsbezeichnungen

  1 Getriebe-Servomotor mit Positionsencoder
  2 Zahnriemenscheibe
  3 Zahnriemen
  4 Zahnriemenscheibe
  5 Rotationselement, mit Zahnriemenscheibe (4) verbunden
  6 Exzenterarm
  8 Winkelstellelement (Welle)
 10 Drehachse (gemeinsam für (4) und (11))
 11 Antriebselement für Zahnriemenscheibe (12)
 12 Zahnriemenscheibe
 13 Zahnriemen
 14 Zahnriemenscheibe
 16 Exzenterarm
 18 Zahnriemenscheibe
 19 Zahnriemen
 20 Rotationsstellelement
 21 Zwischenwelle
 22 Zahnriemen
 23 Zahnriemenscheibe
 25 Anschlußflansch
 26 Parallellenkeranordnung
 27 Erster Anschlußflansch der Parallellenkeranordnung
 28 Adapterstück
 29 Zweiter Anschlußflansch der Parallellenkeranordnung
 31 Abtriebsplatine
 32 Zahnriemenscheibe
 33 Zahnriemen
 34 Zahnriemenscheibe
 42 Zahnriemenscheibe
 43 Zahnriemen
 44 Zahnriemenscheibe
 45 Vorgelegewelle
 50 Positionsencoder für Servomotor
 60 Schutzgehäuse, Unterteil
 61 Schutzgehäuse, Oberteil
 62 Schutzgehäuse, rotierend
 79 Radius Achse 1 - TCP i. d. Horizontalen
 80 Verbindungslinie Drehzentrum Achse 1 bis Fokuspunkt des Laser-Schneidkopfes in der Horizontalen
 81 Äußere Kreis-Halbbogen
 82 Innerer Kreis-Halbbogen
 83 Lage des Kreismittelpunktes
 85 Laser-Schneidoptik
 86 Halterung für Schneidoptik
 87 Roboter-Endeffektor mit Anschlußflansch
 90 Spannrolle
 91 Stützbrücke
 95 Getriebe-Servomotor mit Positionsencoder
 96 Zahnriemenscheibe
 97 Zahnriemen
 98 Zahnriemenscheibe
 99 Zahnriemenscheibe/Vorgelege
 100 Basisplatine

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Anbau an Industrieroboter oder andere Positioniereinheiten,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein an einer Basisplatine (100) befestigter Exzenterantrieb (1, 2, 3) mit einem formschlüssig angetriebenen Rotationselement (4), das um eine Achse (10) drehbar ist, und ein Exzentrizitätsstelltrieb, der aus einem Antriebselement (11), das um die gleiche Achse (10) drehbar ist, und einem nachgeschalteten formschlüssigen Getriebe (12, 13, 14) besteht,
gemeinsam mittels einer Zwischenwelle (21),
deren Winkellage bezogen auf die Rotationsachse (10) als Drehachse und auf die Längsachse der Basisplatine (100) als Ausgangsorientierung mittels eines oder mehrerer Exzenterarme (6) mit der wirksamen Länge a durch den Exzenterantrieb (1 bis 4),
und deren eigene Rotationswinkellage bezogen auf die Längsachse der Basisplatine (100) durch den Exzentrizitätsstelltrieb (11 bis 14)
bestimmt werden,
die Position eines oder mehrerer Abtriebselemente (30) bezogen auf die Basisplatine (100) mittels eines oder mehrerer weiterer Exzenterarme (16), ebenfalls mit der wirksamen Länge a, bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelorientierung des Abtriebselementes (30) in bezug auf die Längsachse der Basisplatine (100) bestimmt wird durch ein Winkelstellelement (8), dessen Winkelstellung mittels eines ersten formschlüssigen Getriebes (18, 19) auf ein formschlüssig angetriebenes Rotationsstellelement (20), das zentrisch zur Zwischenwelle (21) gelagert ist, und von dort mittels eines zweiten formschlüssigen Getriebes (22, 23) auf das Abtriebselement (30) nach Maßgabe der in den Getrieben eingesetzten Übersetzungen übertragen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelorientierung des Abtriebselementes (30) bezogen auf die Längsachse der Basisplatine (100) bestimmt ist durch eine Verbindung des Abtriebselementes mit einer als Koppelplatte ausgebildeten Abtriebsplatine (31), mit der zugleich das Abtriebselement (30) einer zweiten gleichartig aufgebauten Exzenteranordnung verbunden ist, die an einer mit der ersten Exzenteranordnung gemeinsamen Basisplatine (100) angebracht ist und mit dieser synchron und phasengleich betrieben wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelorientierung des Abtriebselementes (30) bestimmt ist durch die formschlüssige Übertragung der Winkellage der Zwischenwelle (21) auf das Abtriebselement (30) gemäß der durch das Übertragungsgetriebe gegebenen Übersetzung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb für den Exzentrizitätsstelltrieb die Winkelorientierung der Basisplatine (100) dient, mit der das erste Glied (12) des Exzentrizitätsstellgetriebes drehfest verbunden ist, und daß mittels einer Übersetzung 1 : 2 im Getriebe (12, 13, 14) die Zwischenwelle um das Doppelte des im Exzenterantrieb (4) eingeleiteten Stellwinkels gegensinnig verdreht wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzung des Getriebes zwischen Zwischenwelle (21) und dem Abtriebselement (30) das Verhältnis 2 : 1 hat, wodurch das Abtriebselement (30) um die Hälfte des Stellwinkels der Zwischenwelle (21) und gleichsinnig zu der durch die Exzenterstellbewegung eingeleiteten Drehung des Exzenterantriebs (4) bewegt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 oder nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkellage des zweiten Exzenterarmes (16) relativ zur Winkellage des ersten Exzenterarmes (6) und zur Längsachse der Basisplatine (100) frei programmierbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenterantrieb (4, 5, 6) von einem hieran angekoppelten Servomotor (1) mit Positionsencoder (50), und daß der Exzentrizitätsstelltrieb (11, 12, 13, 14) von einem zweiten, hieran angekoppelten Servomotor (95), ebenfalls mit Positionsencoder ausgerüstet, angetrieben werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem Abtriebselement (30) und der Abtriebsplatine (31) alle Teile des Systems mittels Schutzgehäuse (60, 61, 62) gegen Verschmutzung gekapselt sind, wobei die Gehäuseteile (60) und (62) so ausgebildet sind, daß hierin kreisrunde mitlaufende Dichtscheiben vorgesehen sind mit Durchlässen für die hindurchtretenden Wellen und Dichtleisten an den Stoßstellen zu den Wellen und zum relativ zur umlaufenden Scheibe feststehenden Gehäuseteil.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile des Systems mit Ausnahme von Basisplatine (100) und Abtriebsplatine (31) mittels Schutzgehäuse gegen Verschmutzung gekapselt sind, wobei das Schutzgehäuse aus Basisplatine (100), Gehäuseunterteil (60), Gehäuseoberteil (61) und Abtriebsplatine (31) gebildet wird und die relativ zueinander beweglichen Gehäuseteile mittels einer umlaufenden Dichtleiste gegen den Eintritt von verschmutzenden Partikeln in den Gehäuseinnenraum geschützt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abtriebsplatine (31) und/oder in der Basisplatine (100) nicht dargestellte Staubschutzfilter angeordnet sind, die dem Druckausgleich des Gehäuseinneren gegenüber der Umgebung dienen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung mit frei programmierbarem Exzentrizitätsstelltrieb und eine oder zwei Vorrichtungen mit dem Exzenterantrieb fest zugeordnetem Exzentrizitätshub eine Kombinationsvorrichtung bilden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelorientierung des Abtriebselementes (31) in bezug auf die Längsachse der Basisplatine (100) bestimmt wird durch eine Parallellenkeranordnung (26), deren erster Anschlußflansch (27) über ein Adapterstück (28) mit dem Basiselement (100), und deren zweiter Anschlußflansch (29) mit dem Abtriebselement (31) winkelfest verbunden ist.