DE69615687T2

DE69615687T2 - Industrieroboter mit kompaktem zahnradgetriebe mit hohem übersetzungsverhältnis

Info

Publication number: DE69615687T2
Application number: DE69615687T
Authority: DE
Inventors: Richard Arbrink
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1995-07-06
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2016-07-09
Also published as: US6119542A; US5993348A; ES2163031T3; SE9502476L; SE504653C2; EP0836686A1; WO1997002442A1; JP3858944B2; SE9502476D0; DE69615687D1; EP0836686B1; JPH11508675A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Industrieroboter der Art, wie er im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben wird. Dieser Roboter weist ein kompaktes Getriebesystem auf, das so aufgebaut ist, dass ein hohes Übersetzungsverhältnis zwischen einer Antriebswelle und einer Hauptwelle auf kleinem Raum bereitgestellt wird. Eine solche Anwendung wird im Falle von Industrierobotern benötigt, mit denen ein Roboterarm im Verhältnis zu einem Rahmen drehbar ist und die Drehbewegung mit Hilfe eines Antriebsmotors erreicht wird, dessen Drehzahl ohne die Hilfe von übergroßen Übersetzungsvorrichtungen beträchtlich heruntergesetzt werden muss.
Die US-A 1,802,112 lehrt einen Differenzialtyp eines Untersetzungsgetriebes, mit dem sehr hohe Übersetzungsverhältnisse erreicht werden können. Dieses Untersetzungsgetriebe enthält eine relativ große Anzahl an Zahnrädern, die alle konisch sind und Antriebs- sowie Abtriebswellen benötigen, um senkrecht zueinander zu liegen. Solche Untersetzungsgetriebe verusachen hohe Herstellungskosten, nehmen relativ viel Platz weg, und sind schwer an verschiedene Anwendungen anzupassen.
Die SE 500 626 & US-A-5,575,179 lehrt einen Industrieroboter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit einem ähnlichen Getriebe, bei dem manche dieser Nachteile gemindert sind. Dieses Getriebe hat jedoch auch bestimmte Nachteile. Obwohl die Hauptwelle hohl ist, blockiert eine quer im Getriebe befindliche Welle die Wellenbohrung und erschwert es damit, den Raum in der Hohlwelle auszunutzen. Da es von Vorteil sein kann, besonders im Fall von Industrieroboteranwendungen, die Hohlwelle als Kanal für elektrische Kabel, verschiedene Medien wie Luft, Wasser und Farbe, und andere Antriebswellen zu nutzen, stellt die blockierte Welle einen Nachteil dar. Des Weiteren ist es notwendig, dass die Antriebswelle einen vorgegebenen kleinen Winkel zu der normalen Ebene der Hauptwelle festlegt, was die benötigte Präzision erhöht und die Montage komplizierter macht.
US 5,149,310 offenbart eine Vorrichtung zur Verminderung der Differentialgetriebe-Umdrehungszahl. Diese Vorrichtung besitzt jedoch keine Hohlwelle und wird nicht in einem Industrieroboter angewendet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Industrieroboter der obengenannten Art vorzusehen, bei dem diese mit den bekannten Getriebesystemen verbundenen Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Industrieroboter der Art gelöst, die im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist und die ein Getriebesystem mit den kennzeichnenden Eigenschaften besitzt, die im kennzeichnenden Abschnitt dieses Anspruchs dargelegt werden.
Da Antriebs- und Hauptwellen parallel sind und antriebsmäßig in der vorgegebenen Weise verbunden sind, ist das Getriebesystem einfach zusammenzubauen, sein Gehäuse erfordert nur von einer Seite Bearbeitung, und das System ist betriebssicher und bietet einen sehr kompakten Aufbau. Das Übersetzungsverhältnis kann mit Hilfe von relativ einfachen Modifikationen verändert werden. Des Weiteren nimmt das Getriebesystem keinen Raum in der Hohlwelle ein, was, wie bereits erwähnt, sehr vorteilhaft ist.
Es ist vorteilhaft, dem Antriebszahnrad auf der Antriebswelle zu gestatten, direkt ein Rad anzutreiben und das andere Rad durch eine Exzenterwelle anzutreiben, womit die Möglichkeit zum Erhalten eines kompakten und fertig montierten Aufbaus verbessert wird.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Getriebegehäuse mit einem Roboterarm verbunden, und die Hauptwelle ist mit einem Rahmen-Aufbau verbunden, oder umgekehrt, was zu einer Anwendung der Erfindung führt, bei der ihre Vorteile von großer Bedeutung sind.
Diese und weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden aus den abhängigen Ansprüchen sichtbar.
Die Erfindung wird nun detaillierter mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform davon und ebenso mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Teilansicht eines kompakten Getriebesystems;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen mit einem Getriebesystem ausgestatteten Industrieroboters; und
Fig. 3 eine schematische Frontansicht des Industrieroboters aus Fig. 2.
Fig. 1 zeigt die Hauptwelle 1, die in einem Getriebegehäuse 2 mit Hilfe der Lager 3 drehbar gelagert ist. Die Welle ist hohl und hat eine durchdringende zylindrische Bohrung 4, die zum Durchgang von elektrischen Kabeln, Medien oder anderen Antriebswellen verwendet werden kann. Die Hauptwelle 1 enthält eine Vielzahl von Stiften 5a, 5b, im dargestellten Fall zwei Stifte, die sich in einer normalen Ebene radial nach außen erstrecken und die in einem Stück mit der Welle 1 geformt sind. Ein Kegelrad 6 ist zur Drehung um jeden Stift 5a, 5b, in einem Lager 7 gelagert, wobei das Lager von einem Lagersitz 8 gehalten wird, der an dem Stift 5a montiert ist und mit Hilfe einer Platte oder Unterlegscheibe 9 festgehalten wird. Die Unterlegscheibe 9 ist an dem Stift durch eine radiale Schraube 10 gesichert. Alle Kegelräder 6, die auf den Stiften 5a, 5b gelagert sind, haben zueinander den gleichen Durchmesser und die gleiche Zähnezahl. Obwohl nur ein Stift 5a und das dazugehörige Zahnrad 6 genügen, liefern zwei Stifte eine höhere Betriebssicherheit wenn große Kraftmomente vorherzusehen sind, und in manchen Anwendungen können drei oder vier Stifte mit dazugehörigen Zahnrädern notwendig sein. Auf jeder Seite der normalen Ebene, in der die Stifte 5a, 5b liegen, ist ein Rad 11, 12 in einem Lager 13 bzw. 14 zur Drehung um die Hauptwelle 1 gelagert, wobei die Lager axial durch einen Sicherungsring 15 bzw. 16 fest gehalten werden. Jedes der beiden Räder 11, 12 hat einen konischen Zahnkranz 17 bzw. 18, und einen zylindrischen Zahnkranz 19 bzw. 20. Die Räder 11, 12 sind identisch und ihre konischen Zahnkränze 17 bzw. 18 sind im Eingriff mit den zwei Kegelrädern 6.
Parallel zur Hauptwelle 1 erstreckt sich eine hohle Exzenterwelle 21, die in den Lagern 22, 23 auf einer fest am Getriebegehäuse 2 montierten Welle 24 drehbar gelagert. An jedem Ende der Exzenterwelle 21 ist ein zylindrischer Zahnkranz 25 bzw. 26 befestigt, die eine zueinander unterschiedliche Zähnezahl haben, wobei im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels der Zahnkranz 25 auf der linken Seite der Figur mehr Zähne hat als der andere Zahnkranz 26. Der Zahnkranz 25 auf der linken Seite der Figur ist im Eingriff mit dem zylindrischen Zahnkranz 19 des linken Tellerrads 11, wohingegen der rechte Zahnkranz 26 auf der Exzenterwelle mit einem Ritzel 27 auf der mit einem Elektromotor 30 verbundenen Antriebswelle 28 im Eingriff ist. Das Ritzel 27 ist auch mit dem zylindrischen Zahnkranz 20 des rechten Tellerrads 12 im Eingriff.
Das dargestellte Getriebesystem funktioniert in der folgenden Weise. Das Ritzel treibt das rechte Rad 12 durch seinen Eingriff mit dem zylindrischen Zahnkranz 20 des Tellerrads direkt an, und treibt das linke Rad 11 über die zwei Zahnkränze 26 und 27 auf der Exzenterwelle 21 an. Da der linke Zahnkranz 25 auf der Exzenterwelle mehr Zähne hat als der rechte Zahnkranz 26, dreht sich das linke Rad 11 bei einer leicht größeren Drehzahl als das rechte Tellerrad. Wenn z&sub1; = die Zähnezahl des Ritzels ist, z&sub2; = die Zähnezahl des rechten Zahnkranzes auf der Exzenterwelle, z&sub3; die Zähnezahl des linken Zahnkranzes auf der Exzenterwelle, und z&sub4; die Zähnezahl des zylindrischen Zahnkranzes 19 bzw. 20 der entsprechenden Räder 11, 12, werden die folgenden Beziehungen erreicht, wenn ni die Drehzahl der Antriebswelle 28 bezeichnet.
- Das rechte Rad 12 dreht sich mit folgender Drehzahl:
nh = ni · z&sub1;/z&sub4;
- Die Exzenterwelle dreht sich mit folgender Drehzahl:
ne = ni · z&sub1;/z&sub2;
- Das linke Rad dreht sich mit folgender Drehzahl:
nv = ne · z&sub3;/z&sub4; = ni · z&sub1;/z&sub2; · z&sub3;/z&sub4;
Das Drehzahldifferential zwischen den zwei Rädern 11, 12 ist dann
nh = ni · z&sub1;/z&sub4;, wobei die zwei Räder sich in zueinander verschiedene Richtungen drehen.
Die konischen Zahnkränze 17, 18 der entsprechenden Tellerräder 11, 12 sind mit dem Kegelrad 6 im Eingriff, und als ein Ergebnis der Drehzahldifferenz wird Stift 5a, auf dem das konische Zahnrad 6 gelagert ist, gezwungen, um die Zentralachse der Hauptwelle 1 zu rotieren. Da der Stift 5a (und der Stift 5b) fest mit der Hauptwelle 1 verbunden ist, begleitet die Hauptwelle die Drehung des Stifts. Die Drehzahl ist die halbe Drehzahldifferenz zwischen den Drehzahlen der entsprechenden Räder 11, 12, d. h. die Hauptwelle 1 dreht sich bei der Drehzahl:
Das Übersetzungsverhältnis ist also:
Übersetzungsverhältnisse der Größenordnung von 100 : 1 bis 400 : 1 können mit einer passenden Kombination von Zahnkranz-Zähnezahlen leicht erreicht werden. Zum Beispiel ist, wenn z&sub1; = 20, z&sub2; = 33, z&sub3; = 36 und z&sub4; 150 ist, das Übersetzungsverhältnis:
ni/nu = 2 · 150/20 · = 165 : 1
Fig. 2 und 3 stellen dar, wie das kompakte Getriebesystem bei einem Industrieroboter verwendet wird, wobei das Getriebesystem im dargestellten Fall an einer Anzahl verschiedener Stellen vorgesehen ist. Ein erstes kompaktes Getriebesystem ist so angeordnet, daß seine Hauptwelle 1a mit dem Roboterfuß 34 verbunden ist, und daß es mit seinem Gehäuse 2a mit dem Rahmenaufbau 32 verbunden ist, um eine Drehbeweglichkeit des Rahmenaufbaus 32 um den Fuß 34 zu erhalten, und es wird durch den Elektromotor 30a angetrieben. Der untere Arm 31 des Roboters ist ähnlich drehbar im Verhältnis zu dem Rahmenaufbau 32 mittels des von Elekromotor 30b angetriebenen kompakten Getriebesystems.
Der obere Arm 33 des Roboters wird von einem dritten von Elektromotor 30c angetriebenem kompakten Getriebesystem geschwenkt oder gedreht. Diese Hauptwelle 1c ist mit dem unteren Arm 33 verbunden und ihr Gehäuse 2c mit einem Hebel 35 schwenkbeweglich auf dem oberen Ende des unteren Arms 31 montiert. Der Hebel 35 wird von einer parallelen Strebe 36, die von einem vierten von Elektromotor 30d angetriebenem kompakten Getriebesystem manövriert wird, um seine Drehachse im unteren Arm 31 hin- und her geschwungen.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die zuvor beschriebene Ausführungsform eines Industrieroboters beschränkt ist. Zum Beispiel muss das Zahnrad 6 nicht konisch sein, sondern kann stattdessen zylindrisch sein, z. B. von der Art wie sie unter der Marke Cylkro auf dem Markt sind. Genauso wenig sind die Zahnkränze 17 und 18 hiermit auf eine konische Anordnung beschränkt.

Claims

1. Industrieroboter, welcher einen Roboterkörper, mindestens einen Roboterarm und mindestens ein kompaktes Getriebesystem mit einem hohen Übersetzungsverhältnis aufweist, wobei das Getriebesystem ein Getriebegehäuse (2), eine Antriebswelle (28), eine im Getriebegehäuse (2) gelagerte Hauptwelle (1), sowie eine Zahnradvorrichtung umfaßt, welche die Antriebswelle (28) mit der Hauptwelle (1) antriebsmäßig verbindet, wobei entweder die Hauptwelle (1) oder das Getriebegehäuse (2) mit einem ersten Roboterarm (31, 33) verbunden ist, und das verbleibende andere der beiden Bauteile mit dem Roboterkörper (32) oder einem auf einem zweiten Roboterarm (31) drehbar befestigten und mit einer Manövrierstrebe versehenen Hebel (35) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Hauptwelle (1) parallel zur Antriebswelle (28) angeordnet ist;

- auf der Hauptwelle (1) in einer im rechten Winkel zu ihrer Achse angeordneten Ebene mindestens ein Stift (5a) fest angebracht ist, welcher radial nach außen vorspringt, wobei ein Zahnrad (6) drehbar auf jedem Stift (5a) gelagert ist;

- erste (11) und zweite (12) Räder drehbar gelagert auf der Hauptwelle (1) auf der jeweiligen Seite des Stifts (5a) oder der Stifte angeordnet sind, wobei jedes Rad einen ersten Zahnkranz (17, 18) und einen zweiten zylindrischen Zahnkranz (19, 20) aufweist, und wobei der erste Zahnkranz (17, 18) mit jedem Zahnrad (6) im Eingriff ist; und

- eine Exzenterwelle (21), welche sich parallel zur Hauptwelle (1) erstreckt und welche durch die Antriebswelle (28) angetrieben wird, einen ersten und zweiten Zahnkranz (25, 26) aufweist, wobei der erste Zahnkranz (25) mit dem zylindrischen Zahnkranz (19) des ersten Rads (11) bei einem ersten Übersetzungsverhältnis zusammenwirkt, und wobei der zweite Zahnkranz (26) mit dem zylindrischen Zahnkranz (20) des zweiten Rads (12) bei einem zweiten Übersetzungsverhältnis zusammenwirkt, und wobei sich das zweite Übersetzungsverhältnis vom ersten Übersetzungsverhältnis unterscheidet; und

- die Hauptwelle (1) hohl ist und eine fortlaufende Bohrung (4) aufweist, durch welche elektrische Kabel, medienführende Kanäle und andere Antriebswellen hindurchgeführt werden können.

2. Industrieroboter nach Anspruch 1, bei welchem die Hauptwelle (1) zwei radial nach außen vorspringende Stifte (5a, 5b) aufweist.

3. Industrieroboter nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Antriebswelle (28) in Antriebsverbindung mit der Exzenterwelle (21) durch den Eingriff eines fest mit der Antriebswelle (28) verbundenen Zahnrads (27) mit dem zweiten Zahnrad (26) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (27) ebenfalls mit dem zylindrischen Zahnkranz (20) des zweiten Rads (12) im Eingriff ist.

4. Industrieroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der erste Zahnkranz (25) im Vergleich zum zweiten Zahnkranz (26) eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Zahnkränze (19, 20) eines ersten Rads (11) bzw. eines zweiten Rads (12) die gleiche Zahnanzahl aufweisen, und daß die beiden ersten Zahnkränze (17, 18) des ersten (11) bzw. zweiten Rads (12) verglichen miteinander die gleiche Anzahl von Zähnen aufweisen.

5. Industrieroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterwelle (21) hohl ist und drehbar auf einer Trägerwelle (24) durch interne Lager (22, 23) gelagert ist, und daß die Trägerwelle (24) fest mit dem Getriebegehäuse (2) verbunden ist.