DE69308747T2

DE69308747T2 - Bearbeitungsmaschine mit kleinen schritte

Info

Publication number: DE69308747T2
Application number: DE69308747T
Authority: DE
Inventors: Ryo Nihei; Yasuo Sasaki; Akihiro Terada
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1993-04-30
Publication date: 1997-06-26
Anticipated expiration: 2013-05-01
Also published as: EP0598912A1; US5549018A; JPH05318347A; EP0598912A4; JP2722295B2; DE69308747D1; EP0598912B1; WO1993024285A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die auf einem Handgelenk eines Industrieroboters montiert sein kann und dazu bestimmt ist, eine Ortssteuerung für ein Kleinschritt-Bearbeitungswerkzeug durchzuführen.
In den vergangenen Jahren hat sich ein wachsender Bedarf betreffend die Durchführung einer Kleinloch-Bearbeitung eines Objekts, welches einer Biegebearbeitung unterzogen worden ist, wie einer Ausbildung von Löchern für optionale Einrichtungen in einem Automobilkörper, ergeben. Außerdem besteht der Wunsch, daß eine derartige Kleinloch-Bearbeitung insbesondere in einer Fertigungsstraße durchgeführt wird, in der Roboter benutzt werden.
Bei einer Kleinschritt-Bearbeitung, die eine derartige Kleinloch-Bearbeitung, eine Zickzackbewegungs-Bearbeitung für eine Lichtbogenschweißung oder einen Markierungsvorgang unter Benutzung von Robotern enthält, stellt die Ortsgenauigkeit des Werkzeugs ein Problem dar, wenn auch darüber hinaus eine Vielfalt von weiteren Problemen beim Durchführen einer solchen Art von Bearbeitung unter Benutzung eines Industrieroboters auftreten kann. Beispielsweise ist es im allgemeinen schwierig, das Werkzeug wegen einer größeren Trägheit und einer geringen Starrheit des körperfernen Endes des Roboterarms, auf dem ein Werkzeug montiert ist, durch Steuern des körperfernen Endes des Arms längs eines gewünschten Weges oder einer Ortskurve zu bewegen. Außerdem wird im Falle eines Mehrspindel-Roboters, beispielsweise eines 6-Spindel-Roboters, der Betrag der Bewegung durch Berechnen eines durch Interpolation gewonnenen Zwischenwerts des Bewegungsbefehls bestimmt. Daher wird, falls die Interpolierungsperiode zu lang ist, das Intervall der Interpolation relativ zu der Länge der Ortskurve zu grob, besonders im Falle eines kleinen Weges, was es erschwert, das Werkzeug, wie es erforderlich ist, genau der Ortskurve folgen zu lassen.
Das zuvor erläuterte Problem ist herkömmlicherweise durch Anbringen einer eine Antriebssteuerung aufweisenden Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung an dem körperfernen Ende des Handgelenks des Roboters gelöst worden, um dadurch zu ermöglichen, daß ein Werkzeug zum Zwecke einer höheren Ortsgenauigkeit präziser als das Handgelenk des Roboters bewegt wird. Fig. 7 bis Fig. 10 zeigen Beispiele für eine derartige Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung einer Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung 3 zum Steuern der Zickzackortskurven-Bewegung bei der Lichtbogenschweißung. Die Bearbeitungsvorrichtung 3 ist auf dem körperfernen Ende des Arms eines Roboters 1 montiert. In dieser Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtüng 3 werden die Spindeln zum Auslenken des Werkzeugs längs einer Ortskurve durch Berechnen eines durch Interpolation zu gewinnenden Zwischenwerts unabhängig von dem Roboterkörper 1 gesteuert. Die in Fig. 8 gezeigte Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung 3 wird in einer Weise gesteuert, daß der Bewegungsbefehl in bezug auf zwei senkrecht zueinander liegende Spindeln interpoliert wird, um das Werkzeug (Markierungsstift 2) für den Markierungsvorgang unabhängig von der Betätigung des Roboterkörpers 1 zu bewegen.
Indessen bringt die Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung, welche derartige senkrecht zueinander liegende Spindeln benutzt, die folgenden Nachteile mit sich:
An erster Stelle verursacht die Kombination des Roboterkörpers und der Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung eine Vergrößerung der Abmessungen, womit der Bereich gegenseitiger Störungen mit der Umgebung vergrößert wird und wodurch ausserdem die Belastung, welche auf den Roboterkörper 1 einwirkt, vergrößert wird. Hinsichtlich der Linearspindeln, welche die senkrecht zueinander liegenden Spindeln bilden, ist es für deren schmierende Abschnitte schwierig, diese wirkungsvoll abzudichten. Von den ersten und zweiten Motoren zum gesteuerten Antreiben der ersten und zweiten Spindeln ist der zweite Motor auf dem sich bewegenden Teil montiert, das mittels der ersten Spindel angetrieben wird, so daß die erste Spindel einer erhöhten Belastung ausgesetzt ist, was es schwierig macht, die Kabel anzuordnen.
Fig. 9 u. Fig. 10 zeigen einen Umlauf- oder Kompaßmechanismus zum von der Betätigung des Roboterkörpers unabhängigen Beschreiben einer kreisförmigen Ortskurve unter Benutzung einer Spindel T1 für eine Kreisbewegung des Werkzeugs und außerdem unter Benutzung einer Spindel T2 für eine Radialbewegung in dem Kreis, der um die Spindel T1 herum gebildet wird. Selbstverständlich ist es möglich, das Werkzeug zu veranlassen, eine beliebige Ortskurve, die kein Kreis ist, durch entsprechende Befehle an die zwei Spindeln T1 u. T2 zu beschreiben. Die Bezugszeichen M1 u. M2 bezeichnen Servomotoren zum Antreiben der Spindel T1 bzw. der Spindel T2.
Ein derartiger Umlauf- oder Kompaßmechanismus bringt indessen im allgemeinen die folgenden Nachteile mit sich:
In der Geschwindigkeitsminderungs-Endstufe zum Übertragen einer Kraft auf die Spindeln T1 u. T2 wird ein Getriebe, das in Fig. 9 als ein Getriebe 4 gezeigt ist, benutzt, so daß wenn eine Konfiguration, die keine kreisförmige Ortskurve ist, erzeugt wird, diese durch den Totgang oder das Spiel beeinflußt werden kann, was es unmöglich macht, eine vorbestimmte Genauigkeit sicherzustellen.
Ein Versuch, diesen Totgang oder dieses Spiel zu beseitigen, kann eine Komplizierung und eine Vergrößerung der Abmessungen der Vorrichtung verursachen und zu einer Erhöhung der Kosten führen.
Eine einstufige Verlangsamungseinrichtung, die Zahnräder benutzt, erfordert unvermeidlich einen Motor, um eine höhere Ausgangsleistung zur Verfügung zu haben, da sonst kein erwünschtes Geschwindigkeitsminderungs-Verhältnis sichergestellt ist, was eine Vergrößerung der Abmessungen der Vorrichtung sowie eine Erhöhung der Kosten und des Energieverbrauchs mit sich bringt. Außerdem kann ein größerer Untersetzungsschritt eine Verschlechterung der Interpolationsgenauigkeit herbeiführen.
Andererseits kann ein Versuch, ein gewünschtes Geschwindigkeitsminderungs-Verhältnis durch Einsatz eines Mehrrädergetriebes sicherzustellen, ein erhöhtes Gewicht, eine vergrößerte Vorrichtung, ein zunehmendes Spiel und erhöhte Kosten nach sich ziehen.
Für den Fall einer Anwendung dieses Umlauf- oder Kompaßmechanismus auf eine Laserbearbeitung, beispielsweise eine Kleinloch-Bearbeitung, wird die Verbindung zwischen dem Werkzeug 2 und einem Kabel 5 mit optischen Fasern auf einen Drehmechanismus in dem Körper beschränkt sein, der nur unter Schwierigkeiten zu zerlegen ist, was die tägliche Wartungsarbeit an dem optischen System erschwert.
Im Falle einer Anwendung auf eine Laserbearbeitung verläuft das optische System durch das Innere eines eine Doppeldrehung ausführenden beweglichen Teils des Umlauf- oder Kompaßmechanismus. Es ist indessen schwierig, den schmierenden Teil des beweglichen Abschnitts vollständig abzudichten, und demzufolge ist es schwierig, das optische System vor einer Verschmutzung durch den schmierenden Teil zu schützen.
Im Falle eines Umlauf- oder Kompaßmechanismus muß das Werkzeug 2, um zu verhindern, daß das Kabel 5, welches zu dem Werkzeug 2 führt, übermäßig durch eine Umdrehung des Werkzeugs 2, welches eine kreisförmige Ortskurvenbewegung ausführt, verdreht wird, beispielsweise durch ein Lager 6 gelagert sein, und es muß eine Wirbelstopp-Vorrichtung 7 vorgesehen sein.
Es ist ersichtlich, daß die Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung, welche den zuvor beschriebenen Umlauf- oder Kompaßmechanismus enthält, üblicherweise mit einer Steuereinrichtung versehen ist, die Mittel zum Erfassen des Betrags der Bewegung, zum Berechnen eines durch Interpolation gewonnenen Zwischenwerts und zum Ausführen von Funktionen aufgrund der Ergebnisse umfaßt.
Die Druckschrift US-A-4,712,971 offenbart eine Roboterarm- Steuervorrichtung, welche die Konstruktions-Merkmale umfaßt, welche im Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1 angegeben sind, welche Merkmale in Übereinstimmung mit den kennzeichnenden Merkmalen der vorliegenden Erfindung vorgesehen und modifiziert sind, um eine vorteilhafte Konstruktion für eine Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtunged zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen, die umfaßt: ein Basisteil, erste und zweite Antriebe, die an dem Basisteil befestigt sind, erste und zweite Dreharme, die in derselben Ebene oder in entsprechenden parallelen Ebenen um deren jeweilige Festpunkte herum in bezug auf das Basisteil mittels des ersten bzw. des zweiten Antriebs drehbar sind, eine 4-Verbindungen- oder 5-Verbindungen-Konstruktion, die drei Zwischenverbindungen enthält, wobei die Konstruktion zwei Verbindungsglieder hat, die zwischen den ersten und zweiten Dreharmen liegen, um Verbindungen für eine drehungsfähige Verbindungsanordnung für die Dreharme mit den Verbindungsgliedern zu bilden und um eine drehungsfähige Verbindungsanordnung für die Verbindungsglieder zu bilden, ein Element zum Anbringen eines Werkzeugs, wobei das Element an einem Punkt auf dem einen der Verbindungsglieder der Gliederkonstruktion oder auf deren Verlängerungslinie angeordnet ist, einen Detektor zum Erfassen der Ausmaße von Drehungen der ersten und zweiten Dreharme und eine Steuereinrichtung zum steuerbaren Einstellen der Beträge der Drehungen der ersten und zweiten Dreharme auf vorbestimmte Beträge, wie sie erforderlich sind, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dreharm umfaßt: ein Ende, das mit dem zweiten Antrieb verbunden ist, und ein weiteres Ende, das eine der Verbindungen für die drehungsfähige Verbindungsanordnung für den zweiten Dreharm mit einem zugeordneten der Verbindungsglieder schafft, welches weitere Ende des zweiten Dreharms den ersten Dreharm überlappt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine leichte und kompakt aufgebaute Kleinschritt- Bearbeitungsvorrichtung zur Verfügung stellen, die in der Lage ist, eine Kleinschritt-Bearbeitung mit einer hohen Genauigkeit zu steuern, wobei die Vorrichtung einen Konstruktion aufweist, die frei von jedweder Möglichkeit einer Verschmutzung des Werkzeugs ist und die in der Lage ist, jedwede mechanische Beschädigung von Leitungsmitteln, wie Kabeln, Drähten oder Schläuchen, zu verhindern.
Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Antriebe in einer Art und Weise auf dem Basisteil montiert, daß deren jeweilige Ausgangsachsen parallel zueinander verlaufen, was es gestattet, daß sich die ersten und zweiten Dreharme in entsprechenden Ebenen drehen, welche rechtwinklig zu den jeweiligen Ausgangsachsen liegen.
Vorzugsweise umfaßt die Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung ferner erste und zweite Verlangsamungselemente, die direkt mit dem ersten bzw. dem zweiten verbunden sind, wobei die ersten und zweiten Verlangsamungselemente jeweilige Ausgangsspindeln haben, die an den Basisteilenden des ersten bzw. des zweiten Dreharms befestigt sind.
Vorzugsweise wird einer der ersten und zweiten Dreharme in der 4- oder 5-Verbindungsgliederkonstruktion derart gesteuert wird, daß eine Verbindung, welche das körperferne Ende des einen Dreharms mit einem Ende eines Verbindungsglieds verbindet, stets auf der Seite des Rotationszentrums des anderen Dreharms in bezug auf eine das Rotationszentrum des einen Dreharms und eine Verbindung verbindende Gerade liegt, welche die Verbindung mit dem anderen Verbindungsglied verbindet.
Vorzugsweise ist das Werkzeug an einer Verbindung angebracht, welche zwei Verbindungsglieder derart miteinander verbindet, daß das Werkzeug an einem Ende eines der Verbindungsglieder und außerdem durch ein Lager an einem Ende des anderen Verbindungsglieds befestigt ist.
Es ist auch möglich, daß das Werkzeug in einer beliebigen Position auf einem Verbindungsglied, das in der Gliederkonstruktion enthalten ist, oder in einer beliebigen Position auf einer Erweiterungslinie des Verbindungsglieds befestigt ist, die durch Erweitern des Verbindungsglieds über eine der zwei Verbindungen hinaus, welche beide Enden des Verbindungsglieds definieren, gewonnen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie zuvor beschrieben ist, kann jeder beliebige Ort des Werkzeugs mittels der zwei Antriebe und der Verbindungsglieder-Konstruktion angesteuert werden. Demzufolge besteht keine Notwendigkeit, die Komponenten, welche dem Werkzeug zugeordnet sind, in die Komponenten, welche den Antrieben zugeordnet sind, einzubeziehen, so daß die Konstruktion zum Erreichen einer genauen Steuerung vereinfacht werden kann. Außerdem wird verhindert, daß irgendeines der Leitungsteile in bezug auf das Werkzeug übermäßig verdreht wird. Darüber hinaus ist irgendein Wirbelstopp, der für einen Umlauf- oder Kompaßmechanismus notwendig sein kann, nicht erforderlich, wodurch eine Störung durch den Wirbelstopp verhindert wird.
Die Benutzung der Verlangsamungselemente ermöglicht es, daß die Vorrichtung mittels eines Motors mit einer niedrigen Ausgangsleistung angetrieben wird. Außerdem tragen die Verlangsamungselemente, welche direkt mit den Ausgangsseiten der Antriebsmotoren ohne Zwischenschaltung von Getrieben verbunden sind, zu einem kleineren Totgang und einer höheren Starrheit bei, um dadurch eine Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung in die Lage zu versetzen, mit einer höheren Genauigkeit zu arbeiten.
Zur Steuerung der Spindeln kann ein Servomotor mit kleinen Abmessungen, der auf dem Markt verfügbar ist, benutzt werden, und das Verlangsamungselement kann ebenfalls eine Einheit sein, die auf dem Markt erhältlich ist, was zu niedrigeren Produktionskosten beiträgt.
Da die Möglichkeit gegeben ist, das Werkzeug von einer Verschmutzungsquelle, wie einem Teil zum Schmieren des Antriebsabschnitts, zu trennen, kann ein beliebiges optisches System einschließlich solcher Systeme, die für eine Laserbearbeitung benutzt werden, von irgendwelcher Verschmutzung freigehalten werden. Zusätzlich ermöglicht eine derartige Konstruktion ein leichtes Anbringen und Entfernen irgendwelcher optischer Fasern oder des Werkzeugs, um dadurch die übliche Wartungsarbeit für ein derartiges optisches System zu erleichtern.
Darüber hinaus kann die gesamte Konstruktion des Antriebsabschnitts verglichen mit herkömmlichen Konstruktionen mit wesentlich kleineren Abmessungen ausgeführt sein.
Da die Antriebe, wie die Motoren oder die Verlangsamungselemente, alle an dem Basisteil der Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung befestigt sein können, wird keine dieser Komponenten auf die anderen als eine Belastung einwirken. Dies führt zu einer verringerten Trägheit der beweglichen Teile, wie den Verbindungsgliedern der Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung, um dadurch deren Steuerbarkeit zu verbessern. Außerdem kann das Kabel oder dgl., da die Antriebe stationär sein können, leicht um die Antriebe herum angeordnet sein.
Die Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung kann durch Einklappen der 5-Verbindungsgliederkonstruktion kompakt ausgeführt werden.
Demzufolge kann eine Mehrfachbenutzung der Komponenten verwirklicht werden, was Platz spart und eine Verringerung der Größe sowie eine Verminderung der Kosten ermöglicht.
Ein schmierender Teil des Antriebsabschnitts kann leicht mittels eines O-Rings oder einer Öldichtung abgedichtet werden, um dadurch jedweden Leckverlust von Schmiermittel oder dgl. zu verhindern. Demzufolge kann zusätzlich zu der Funktion und der Wirkung, wie sie zuvor beschrieben sind, verhindert werden, daß das Werkzeug verschmutzt wird.
Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht - teilweise im Schnitt -einer Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung, die in Übereinstimmung mit ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht, welche die Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung gemäß Fig. 1 darstellt, die an dem körperfernen Ende eines Roboterarms angebracht ist.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung, die schematisch den Mechanismus der Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung gemäß Fig. 1 verdeutlicht.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Erklärung der positionsmäßigen Beziehungen zwischen Elementen, die die Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung gemäß Fig. 3 bilden.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung, die schematisch den Mechanismus eines weiteren Ausführungsbeispiels verdeutlicht, das von der in Fig. 3 gezeigten Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung verschieden ist, wobei dieses Ausführungsbeispiel nicht mit der Erfindung übereinstimmt.
Fig. 6 zeigt eine Darstellung, die schematisch den Mechanismus eines weiteren Ausführungsbeispiels verdeutlicht, das eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels der in Fig. 3 gezeigten Makroschritt-Bearbeitungsvorrichtung ist.
Fig. 7 zeigt eine herkömmliche Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung, die an dem körperfernen Ende eines Roboterarms angebracht ist.
Fig. 8 zeigt eine weitere, an dem körperfernen Ende eines Roboterarms angebrachte herkömmliche Kleinschritt- Bearbeitungsvorrichtung, die einen Mechanismus aufweist, der von dem in Fig. 7 gezeigten verschieden ist.
Fig. 9 zeigt eine Darstellung eines Mechanismus zur Erklärung des Werkzeugantriebsvorgangs in der herkömmlichen Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung.
Fig. 10 zeigt eine Darstellung eines Mechanismus zur Erklärung des Werkzeugantriebsvorgangs in der herkömmlichen Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung unter Benutzung einer unterschiedlichen Konstruktion.
Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung 3, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung 3 ist auf einem körperfernen Ende eines Handgelenks eines Roboterkörpers 1 montiert. Die Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung 3, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt ein Basisteil 8, einen ersten Antrieb 9, einen zweiten Antrieb 10, einen ersten Dreharm 11, einen zweiten Dreharm 12, ein erstes Verbindungsglied 13, ein zweites Verbindungsglied 14 und ein Werkzeug 2. Der erste Antrieb 9 und der zweite Antrieb 10 sind derart an dem Basisteil 8 befestigt, daß jeweilige Ausgangsachsen a1 u. a2 parallel miteinander verlaufen und, soweit dies die Konstruktion gestattet, in enger Nachbarschaft zueinander angeordnet sind. Der erste Antrieb 9 enthält einen ersten Servomotor M1 und ein erstes Geschwindigkeitsminderungselement oder Verlangsamungselement D1, während der zweite Antrieb 10 einen zweiten Servomotor M2 und ein zweites Verlangsamungselement D2 enthält. Ausgangsspindeln der ersten und zweiten Servomotoren M1 u. M2 sind jeweils mit einer Eingangsspindel des ersten und des zweiten Verlangsamungselements D1 bzw. D2 verbunden. Die Servomotoren M1 u. M2 unterliegen der Steuerung durch ein Steuermittel, das nicht gezeigt ist, zum Einstellen von Drehungsbeträgen des ersten Dreharms 11 und des zweiten Dreharms 12 auf jeweilige vorbestimmte Beträge.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist ein Basisteil 11a des ersten Dreharms 11 an einer Ausgangsspindel 15 des ersten Verlangsamungselements D1 befestigt, und ein Basisteil 12a des zweiten Dreharms 12 ist an einer Ausgangsspindel 16 des zweiten Verlangsamungselements D2 befestigt. Den Dreharmen 11 u. 12 ist es gestattet, sich in einer Ebene senkrecht zu den Ausgangsachsen a1 u. a2 zu drehen. In ähnlicher Weise ist ein Basisteil 13a des ersten Verbindungsglieds 13 derart mit dem anderen Ende 11b des ersten Dreharms 11 verbunden, daß es in einer Ebene senkrecht zu den Ausgangsachsen a1 u. a2 drehbar ist. Ein Basisteil 14a des zweiten Verbindungsglieds 14 ist drehbar mit dem anderen Ende 12b des zweiten Dreharms 12 verbunden. Darüber hinaus sind das andere Ende 13b des ersten Verbindungsglieds 13 und das andere Ende 14b des zweiten Verbindungsglieds 14 drehbar miteinander verbunden. Die zuvor beschriebene Konstruktion bildet eine Verbindungsgliederkonstruktion, welche als Ganzes fünf Verbindungen aufweist, wobei das Basisteil 8 enthalten ist.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung des Mechanismus dieser Verbindungsgliederkonstruktion, wobei ein erster Punkt J1 eine Verbindung zwischen der Ausgangsspindel 15 des ersten Verlangsamungselements D1 und dem Basisteil 11a des ersten Dreharms 11 repräsentiert, ein zweiter Punkt J2 eine Verbindung zwischen der Ausgangsspindel 16 des zweiten Verlangsamungselements D2 und dem Basisteil 12 des zweiten Dreharms 12 repräsentiert, ein dritter Punkt J3 eine Verbindung zwischen dem anderen Ende 11b des ersten Dreharms 11 und dem Basisteil 13a des ersten Verbindungsglieds 13 repräsentiert, ein vierter Punkt J4 eine Verbindung zwischen dem anderen Ende 12b des zweiten Dreharms 12 und dem Basisteil 14a des zweiten Verbindungsglieds 14 repräsentiert und ein fünfter Punkt J5 eine Verbindung zwischen dem anderen Ende 13b des ersten Verbindungsglieds 13 und dem anderen Ende 14b des zweiten Verbindungsglieds 14 repräsentiert.
Die dritten bis fünften Punkte J3 bis J5 sind zwischenliegende Verbindungen, deren Positionen sich während des Betriebs ändern und deren zugeordnete Verbindungsglieder in einer Weise durch jeweilige Radiallager 17 (s. Fig. 1) miteinander verbunden sind, daß sie sich leicht und gleichförmig drehen können. Es sei angemerkt, daß Länge und Bewegungsbereich der Dreharme 11, 12 und der Verbindungsglieder 13, 14 so eingestellt sind, daß die vierte zwischenliegende Verbindung J4 stets auf einer Linie, welche die Verbindungen J2 u. J5 miteinander verbindet, d. h. auf der Seite der Verbindung J1, positioniert ist.
Das Werkzeug 2 ist ein Kopf für eine Laserbearbeitung, mit dem ein Kabel 18 mit optischen Fasern als ein Leitungselement verbunden ist. Das Werkzeug 2 ist an der fünften Verbindung J5 angebracht, die einen Teil ihrer Komponenten gemeinsam mit der zwischenliegenden Verbindungsgliederkonstruktion benutzt.
Im einzelnen ist ein Werkzeugkörper 19 des Werkzeugs 2 an dessen oberem Ende mittels einer Schraube 20 fest an dem anderen Ende 14b des zweiten Verbindungsglieds 14 in der zwischenliegenden Verbindung J5 montiert. Diese Anbringung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ist in beständiger Form durch Einpressen eines inneren Rings 21 des Radiallagers 17, der zwischen dem anderen Ende 13b des ersten Verbindungsglieds 13 und dem anderen Ende 14b des zweiten Verbindungsglieds 14 sitzt, welche die Verbindung J5 bilden, mittels eines Flansches 22 ausgeführt, der auf dem oberen Ende des Werkzeugkörpers 19 vorgesehen ist. Außerdem ist ein äußerer Ring 23 des Radiallagers 17 mittels eines Lagerdrückelements 24 befestigt, das von außen in das andere Ende 13b des zweiten Verbindungsglieds 13 eingesetzt ist.
Fig. 4 zeigt Angaben über die zuvor erläuterte Verbindungsgliederkonstruktion, die fünf Verbindungen aufweist, wobei L0 eine Distanz zwischen den Verbindungen J1 und J2 bezeichnet, L1 eine Länge des ersten Dreharms 11 (oder eine Distanz zwischen den Verbindungen J1 und J3) bezeichnet, L2 eine Länge des zweiten Dreharms 12 (oder eine Distanz zwischen den Verbindungen J2 und J4) repräsentiert, L3 eine Länge des ersten Verbindungsglieds 13 (oder eine Distanz zwischen den Verbindungen J3 und J5) bezeichnet und L4 eine Länge des zweiten Verbindungsglieds 14 (oder eine Distanz zwischen den Verbindungen J4 und J5) bezeichnet. Außerdem seien θ1, θ2, θ3 u. θ4 Winkel des ersten Dreharms 11, des zweiten Dreharms 12, des ersten Verbindungsglieds 13 bzw. des zweiten Verbindungsglieds 14 in bezug auf eine Linie, welche die Verbindungen J1 und J2 verbindet (0 ≤ θ1, θ2, θ3, θ4 ≤ π). Demzufolge ist unter der Annahme, daß diese Dreharme und Verbindungsglieder in senkrecht zueinander liegenden X- und Y-Ebenen liegen, daß die Y-Achse parallel mit einer Linie verläuft, welche die Verbindungen J1 und J2 verbindet, und daß sich die Verbindung J1 in dem Nullpunkt des X/Y-Koordinatensystems befindet, eine Position (X, Y) des Werkzeugs 2, das an der Verbindung J5 angebracht ist, wie folgt auszudrücken:
x = L1 sin θ1 + L3 sin θ3 ... (1)
y = -L1 cos θ1 + L3 cos θ3 ... (2)
Daher hängen die Koordinatenwerte x, y des Werkzeugs von Variablen θ1 u. θ3 ab. Der Winkel θ1 ist indessen als die Verbindung J1, welche ein Festpunkt ist, erfaßbar, während der Winkel θ3 nicht direkt als die Verbindung J3, welche ein schwimmender Punkt ist, erfaßbar ist. Indessen kann der Winkel θ3, wie dies im folgenden beschrieben ist, unter Benutzung eines weiteren erfaßbaren Winkels θ2 (der erfaßbar ist, weil die Verbindung J2 ein Festpunkt ist) zusätzlich zu dem Winkel θ1 erfaßt werden Daher kann eine Position der Verbindung J5, d. h. eine Position (X, Y) in Übereinstimmung mit der Verbindungsgliederkonstruktion, welche in Fig. 4 gezeigt ist, durch Messen der Rotationswinkel θ1 u. θ2 des ersten und des zweiten Dreharms in bezug auf eine Linie, welche die Verbindungen J1 u. J2 verbindet, die beide Festpunkte sind, erfaßt werden.
Im folgenden wird erklärt, daß θ3 = f(θ1,θ2) ist, wobei die Längen des ersten Dreharms 11, des zweiten Dreharms 12, des ersten Verbindungsglieds 13 und des zweiten Verbindungsglieds 14 die vorbestimmten Werte L1, L2, L3 bzw. L4 sind.
Zunächst können in Übereinstimmung mit Fig. 4 die folgenden zwei Gleichungen abgeleitet werden:
L0+L1cosθ1-L2cosθ2-L3cosθ3-L4cosθ4 = 0 ... (3)
L1sinθ1-L2sinθ2+L3sinθ3-L4sinθ4 = 0 ... (4)
In diesem Fall soll die zwischenliegende Verbindung J4 beständig auf der Seite der Verbindung J1 in bezug auf eine Linie liegen, welche die Verbindungen J2 und J5 verbindet.
Dann führt eine Umstellung eines Gl. (4) zugeordneten Ausdrucks zu der linken Seite zu
L4cosθ4 = L0+L1cosθ1-L2cosθ2-L3cosθ3 ... (5)
L4sinθ4 = L1sinθ1-L2sinθ2+L3sinθ3 ... (6)
Dann werden die linke Seite und die rechte Seite von Gl. (5) und Gl. (6) einzeln quadriert, und die Ergebnisse werden miteinander addiert, um die folgende Gleichung zu gewinnen:
cosθ3 (-2L1 L3cosθ1-2L2 L3cosθ2+2L0 L3) + sinθ3(-2L1 L3sinθ1+2L2 L3sinθ2) = L0²+L1²+L2²-L4²+L3² + 2Lo L1cosθ1-2L0 L2cosθ2 - 2L1 L2cos(θ1-θ2) ... (7)
Da die Koeffizienten von cosθ3 und sinθ3 auf der linken Seite von Gl. (7) und der rechten Seite derselben vorbestimmte Werte oder meßbare Werte sind, soll gelten:
Konstante A = 2L1 L3cosθ1-2L2 L3cosθ2+2L0 L3,
Konstante B = -2L1 L3sinθ1+2L2 L3sinθ2
und wenn gelten soll:
Konstante C die rechte Seite der Gleichung,
wird der folgende Ausdruck gewonnen:
Acosθ3+Bsinθ3 = C ... (8)
Demzufolge ist
θ3 = cos&supmin;¹[C/(A²+B²)1/2] + tan&supmin;¹(B/A) ... (9)
Auf diese Weise kann der Rotationswinkel θ3 in Übereinstimmung mit den Längen (vorbestimmten Werten) des ersten Dreharms 11, des zweiten Dreharms 12, des ersten Verbindungsglieds 13 bzw. des zweiten Verbindungsglieds 14 und den Rotationsinkeln (gemessenen Werten) der ersten und zweiten Dreharme 11 u. 12 gefunden werden.
Die Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung 3, welche die 5-Verbindungsgliederkonstruktion aufweist, wird unabhängig von dem Roboterkörper 1 betrieben.
Zunächst wird das Handgelenk mittels des Roboterkörpers 1 relativ zu einem zu bearbeitenden Objekt oder einem Werkstück positioniert, und dann wird die Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung in Bewegung versetzt.
Wenn der erste Motor M1 und der zweite Motor M2 durch eine Steuereinrichtung betätigt werden, werden der erste Dreharm 11 und der zweite Dreharm 12 mittels des ersten Verlangsamungselements D1 und des zweiten Verlangsamungselements D2 durch einen Winkelbereich von θ1 bzw. θ2 gedreht. Dann wird das Werkzeug 2 auf eine Position (x, y), die mittels Gl. (1) u. Gl. (2) gefunden ist, durch das erste Verbindungsglied 13 und das zweite Verbindungsglied 14, die mit dem ersten Dreharm 11 bzw. dem zweiten Dreharm 12 verbunden sind, eingestellt. Diese Vorgänge finden der Reihe nach statt, um eine Kleinschritt-Bearbeitung zu bewirken.
Während dieser Vorgänge ist, da der erste Dreharm 11 und der zweite Dreharm 12 mittels der Verlangsamungselemente D1 u. D2 gedreht werden, der Rotationswinkel der Ausgangsspindel in dem Verlangsamungselement viel kleiner als der Rotationswinkel des Motors, so daß das Interpolationsintervall bei der Kleinschritt-Bearbeitung fein eingestellt werden kann. Sowohl die ersten und zweiten Motoren 11 u. 12 als auch die Verlangsamungselemente 13 u. 14 sind auf dem Markt erhältliche Massenprodukte. Da der Antriebsabschnitt keinerlei Doppeldrehungsteil enthält, kann eine sichere Dichtungskonstruktion unter Benutzung eines gewöhnlichen O-Rings oder einer gewöhnlichen Öldichtung erreicht werden.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der 5-Verbindungsgliederkonstruktion, bei dem sich die zwischenliegende Verbindung J4 gegenüber derjenigen Seite in bezug auf eine Linie L, welche die zweite Verbindung J2 mit der fünften J5 verbindet, d. h. außerhalb der Linie L, befindet, auf wel cher die Verbindung J1 liegt. Ein Rotationswinkel des ersten Verbindungsglieds 13 in bezug auf die Linie, welche die Verbindungen J1 und J2 verbindet, kann in derselben Art und Weise, wie es anhand von Fig. 4 erklärt ist, ermittelt werden. Im Falle des Ausführungsbeispiels mit dieser 5-Verbindungsgliederkonstruktion, die in Fig 5 gezeigt ist, ist die Verbindungsgliederkonstruktion infolge der nach außen vorstehenden zwischenliegenden Verbindung J4 etwas größer als diejenige, welche in Fig. 4 gezeigt ist.
Es dürfte ersichtlich sein, daß das Werkzeug 2 bei der Verbindungsgliederkonstruktion, die in Fig 5 gezeigt ist, in irgendeinem Punkt auf einer verlängerten Verbindungsglieder-Verbindungslinie, welche durch Verlängern irgendeines der Verbindungsglieder (beispielsweise des ersten Verbindungsglieds), das mit der Verbindung J5 verbunden ist, gewonnen ist, positioniert werden kann, statt daß es auf der Verbindungslinie (oder der Verbindung 5) zwischen den ersten und zweiten Verbindungsgliedern 13 u. 14 positioniert wird, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Diese Anordnung stellt sicher, daß das Werkzeug 2 innerhalb eines Positionsbereichs, der in bezug auf das Basisteil der Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung (d. h. in bezug auf das körperferne Ende des Roboterarms) verschoben ist, ausgelenkt wird. Selbstverständlich kann das Werkzeug 2 selbst bei der in Fig. 3 gezeigten Verbindungsgliederkonstruktion in irgendeinem Punkt auf einer verlängerten Verbindungsglieder-Verbindungslinie, die durch Verlängern des ersten Verbindungsglieds 13 in Richtung auf die Seite, welche der Seite der Verbindung J5 gegenüberliegt, über die Verbindung J3 hinaus gewonnen ist, positioniert werden. Ein solches Beispiel ist in Fig. 6 dargestellt. Wie zuvor beschrieben, kann das Werkzeug 2 in irgendeiner Position auf einer Linie des betreffenden Verbindungsglieds, das über eine Verbindung hinaus verlängert ist, welche die Verbindungsglieder verbindet, angebracht werden, ohne daß es darauf beschränkt ist, sich auf der zwischenliegenden Verbindung 5 zu befinden. Überdies ist selbst in einem Fall, in dem das Werkzeug 2 an einer beliebigen Verbindung angebracht wird, die Verbindung zum Anbringen des Werkzeugs 2 nicht auf eine solche bestimmte Verbindung J5, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, beschränkt
Es ist ersichtlich, daß die 5-Verbindungsgliederkonstruktion in eine 4-Verbindungsgliederkonstruktion umgewandelt werden kann, wenn die erste Verbindung J1 und die zweite Verbindung J2, die auf derselben Achse liegen, zusammengelegt werden, um die Distanz L0 gemäß Fig. 4 auf Null zu verringern. Die sich ergebende 4-Verbindungsgliederkonstruktion kann ebenfalls eine Funktion und eine Wirkung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen, ohne daß sich betriebsmäßig irgendein besonderer Unterschied zeigt. Indessen kann eine derartige Konstruktion deswegen, weil sie infolge eines komplizierten Aufbaus zum Anordnen der ersten und zweiten Antriebe 9 u. 10 auf derselben Achse etwas größer ausfällt, ungünstig sein.
Die zuvor gegebene Beschreibung betrifft ein Beispiel, bei dem die Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung, welche ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, an dem körperfernen Ende des Handgelenks des Roboters angebracht ist. Diese Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung kann indessen als eine Vorrichtung für sich allein zum Bearbeiten benutzt werden.

Claims

1. Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung (3), die umfaßt:

ein Basisteil (8),

erste und zweite Antriebe (9, 10), die an dem Basisteil (8) befestigt sind,

erste und zweite Dreharme (11, 12), die in derselben Ebene oder in entsprechenden parallelen Ebenen um deren jeweilige Festpunkte (J1, J2) herum in bezug auf das Basisteil (8) mittels des ersten bzw. des zweiten Antriebs (9, 10) drehbar sind,

eine 4-Verbindungen- oder 5-Verbindungen-Konstruktion, die drei Zwischenverbindungen (J3, J4, J5) enthält, wobei die Konstruktion zwei Verbindungsglieder (13, 14) hat, die zwischen den ersten und zweiten Dreharmen (11, 12) liegen, um Verbindungen (J3, J4, J5) für eine drehungsfähige Verbindungsanordnung für die Dreharme (11, 12) mit den Verbindungsgliedern (13, 14) zu bilden und um eine drehungsfähige Verbindungsanordnung für die Verbindungsglieder (13, 14) zu bilden,

ein Element zum Anbringen eines Werkzeugs (2), wobei das Element an einem Punkt auf dem einen der Verbindungsglieder (13, 14) der Gliederkonstruktion oder auf deren Verlängerungslinie angeordnet ist,

einen Detektor zum Erfassen der Ausmaße von Drehungen der ersten und zweiten Dreharme (11, 12) und

eine Steuereinrichtung zum steuerbaren Einstellen der Beträge der Drehungen der ersten und zweiten Dreharme (11, 12) auf vorbestimmte Beträge, wie sie erforderlich sind,

dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dreharm (12) umfaßt: ein Ende (12a), das mit den zweiten Antrieb (10) verbunden ist, und ein weiteres Ende (12b), das eine der Verbindungen (J4) für die drehungsfähige Verbindungsanordnung für den zweiten Dreharm (12) mit einem zugeordneten der Verbindungsglieder (14) schafft, welches weitere Ende (12b) des zweiten Dreharms (12) den ersten Dreharm (11) überlappt.

2. Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der

die ersten und zweiten Antriebe (9, 10) in einer Art und Weise auf dem Basisteil (8) montiert sind, daß deren jeweilige Ausgangsachsen parallel zueinander verlaufen, was es gestattet, daß sich die ersten und zweiten Dreharme (11, 12) in Ebenen drehen, welche rechtwinklig zu den jeweiligen Ausgangsachsen liegen.

3. Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der

erste und zweite Verlangsamungselemente (D1, D2) direkt mit dem ersten bzw. dem zweiten Antrieb (9, 10) verbunden sind, wobei die ersten und zweiten Verlangsamungselemente (D1, D2) jeweilige Ausgangsspindeln haben, die an den Basisteilenden des ersten bzw. des zweiten Dreharms (11, 12) befestigt sind.

4. Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der

einer der ersten und zweiten Dreharme (11, 12) in der Gliederkonstruktion derart gesteuert wird, daß eine Verbindung (J4), welche das körperferne Ende des einen Dreharms (12) mit einem Ende eines Verbindungsglieds (14) verbindet, stets auf der Seite des Rotationszentrums des anderen Dreharms (11) in bezug auf eine das Rotationszentrum des einen Dreharms (12) und eine Verbindung (J5) verbindende Gerade (L) liegt, welche die Verbindung (J4) mit dem anderen Verbindungsglied (13) verbindet.

5. Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der

das Werkzeug (2) an einer Verbindung (J5) angebracht ist, welche die zwei Verbindungsglieder (13, 14) derart miteinander verbindet, daß das Werkzeug an einem Ende des Verbindungsglieds befestigt ist und außerdem durch ein Lager an einem Ende des anderen Verbindungsglieds befestigt ist.

6. Kleinschritt-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der

das Werkzeug (2) in einer beliebigen Position auf einem Verbindungsglied, das in der Gliederkonstruktion enthalten ist, oder in einer beliebigen Position auf einer Erweiterungslinie des Verbindungsglieds (13) befestigt ist, die durch Erweitern des Verbindungsglieds über eine der zwei Verbindungen hinaus, welche beide Enden des Verbindungsglieds definieren, gewonnen ist.