DE2435156C2 - Programmgesteuerter Manipulator - Google Patents
Programmgesteuerter ManipulatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen programmgesteuerten Manipulator mit um mehrere Achsen bewegbarer,
mehrgliedriger Hand (Greifer, Halter oder dgl.) und um mehrere Achsen bewegbarem mehrgliedrigem Arm,
wobei die jeweiligen Glieder Untersetzungsgetriebe mit an deren Abtriebsteilen vorgesehenen Geberorganen
(z. B. Winkelcodierer) aufweisen und mit Antrieben verbunden sind.
Solche Manipulatoren sind beispielsweise durch die DE-OS 22 26 407 bekannt. Um das diese Manipulatoren
steuernde Programm in eine Programmiereinrichtung aufzunehmen, werden sie, sofern sie klein und daher
leicht beweglich sind, von Hand mit ihrem Werkzeug über die vorgeschriebene Bahnkurve geführt, wobei
gleichzeitig die an den Geberorganen entstehenden Werte gespeichert werden. Diese einfache Programmiermethode
ist jedoch nur bei kleinen, leichten
Manipulatoren möglich, die leicht von Hand bewegbar sind, mit denen jedoch leider nicht so genau gearbeitet
werden kann, wie mit großen und entsprechend schweren Maschinen, die die einzelnen Punkte einer
Bewegungsbahn genau und exakt anfahren können. Solche schweren Geräte sind aber nicht mehr von Hand
bewegbar und daher nicht einfach durch Nachfahren von Hand längs der Bewegungsbahn programmierbar.
Man behilft sich in solchen Fällen dadurch, daß man den Roboter nur auf einzelne, in mehr oder weniger großem ι ο
Abstand voneinander auf der Bahnkurve liegende Punkte manipuliert durch Anfahren der einzelnen
Achsen und diese Punkte speichert. Bei der Wiedergabe werden die dazwischen liegenden Bahnpunkte durch
Interpolation abgefahren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Manipulator
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß seine Programmierung auch bei Ausführung als schwere
und große Maschine rasch, einfach und leicht durchgeführt
werden kann, so daß eine vorgeschriebene, auch noch so komplizierte Bahnkurve Punkt für Punkt,
notfalls — bei entsprechendem Speicheraufwand — stetig, in einfacher Weise aufgenommen uijJ gespeichert
und danach von dem Manipulator abgefahren werden kann. Es soll also durch die Erfindung sowohl
die Programmierung erleichtert als auch die Güte der Programmaufnahme erhöht werden.
Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, daß dem Hand-Arm-GIiederaggregat ein von Hand
bewegbares, eine Relativbewegung zum Hand-Arm-Gliederaggregat zulassendes, mehrgliedriges Lehrgerüst
parallel zugeordnet ist, dessen Gliedern eine der Zahl der Achsen entsprechende Zahl von Schaltern
zugeordnet ist, die bei einer Bewegung des Lehrgerüstes oder Teilen davon relativ zu den Hand-Armgliedern die
zugehörige(n) Antriebsvorrichtung(en) ein- oder ausschalten
zwecks maschineller Folgebewegung eines zur Programmierung an einem das Handende bildenden
Getriebekopf befestigbaren Bahnführers oder Werkzeuges. Ein solches Lehrgerüst ist leicht und läßt sich «
leicht nach allen Richtungen des Raumes beliebig bewegen. Durch die erfindungsgemäße Zuordnung des
Lehrgerüstes zu dem Manipulator folgt diese·· exakt den
Bewegungen des ersteren. Der relativ schwere Roboter läuft über die Geber gesteuert dem von Hand bewegten -»5
Lehrgerüst nach.
Die Handhabung des Lehrgerüstes gemäß der Erfindung erfordert wenig Kraft Die Programmierperson
kann der zu absolvierenden Bahn exakt nachfahren. Die Antriebe des Robotergerätes brauchen nicht nur w
nicht unwirksam gemach* zu werden, sondern bleiben im Gegenteil in voller Einsatzbereitschaft und kommen
zu dem effektiven Einsatz, der in der Programmierung seinen Niederschlag findet.
Von den aus den Relativbewegungen zwischen den Lehrgerüstgliedern und den Hand-Armgliedern des
Robotergerätes ableitbaren Schaltbewegungen bevorzugt die Erfindung eine Ausführung, bei der in den
Achsen an den die Glieder der Hand bildenden Getriebeköpfen Kopplungsglieder zur Ankopplung an
die Lehrgerüstteile befestigt sind, die als Drehrohrfedern bei einer Drehbelastung in Drehrichtung nachgeben
und eine Schalterhälfte tragen, die gegenüber der an dem zugehörigen Getriebekopf festgelagerten Schalterhälfte
relativ verdrehbar ist. Als Schalter können dabei Dehnmeßstreifen vorgesehen sein. Statt der Drehrohrfeder
in Verbindung mit Dehnmeßstreifen können auch Drehpotentiometer als Weggeber dienen. An den
Armgliedern sind Schaltorgane angebracht, die als Weggeber bei Relativbewegungen zwischen den Armgliedern
und den ihnen zugeordneten Lehrgerüstteilcn wirksam werden. Wenigstens Teile des Lehrgerüstes
sind an den Getriebeköpfen der Hand begrenzt nachgiebig abgestützt, z. B. durch Federn.
Weiter ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß den an den Getriebeköpfen befestigten Kopplungsgliedern
in den Achsen Kopplungsglieder gegenüberstehen, die an den Lehrgerüstteilen befestigt sind, und daß die
jeweiligen beiden sich gegenüberstehenden Enden durch je eine Gelenkkupplung miteinander verbunden
sind, die nur eine reine Drehwinkelbewegung überträgt bei freier Beweglichkeit in allen übrigen Freiheitsgraden,
z. B. eine Bogenzahnkupplung. Damit wird die von Hand an dem Lehrgerüst vorgenommene Führung an
den den Getriebeköpfen parallel zugeordneten Lehrgerüstteilen exakt auf diejenige Bewegungskomponente
beschränkt die von dem jeweiligen parallel zugeordneten Getriebekopf ausführbar ist während die anderen
Bewegungskomponenten herausgefi'':;rt werden. Eine
andere Art der Herausfilterung mcht gewünschter Bewegungskomponenten der Relativbewegungen zwischen
Getriebeköpfen und Lehrgerüstteilen besteht gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung darin,
daß zwischen den Getriebeköpfen und den zugeordneten Lehrgerüstteilen für jede Achse je zwei elektrische
Weggeber in Differenzschaltung in einer rechtwinklig zur zugeordneten Achse verlaufenden Ebene angeordnet
sind, deren Schaltstifte an einer parallel zur Achse verlaufenden Schaltfläche anliegen, wobei die Weggeber
an dem einen Paarungsteil, vorzugsweise Getriebekopf, und die Schaltfläche an dem anderen Paarungsteil,
vorzugsweise Lehrgerüstteil, befestigt sind.
Zweckmäßig sind die Glieder des Lehrgerüstes durch Kugellager miteinander verbunden, deren Achsen
koaxial zu den Achsen der Getriebeköpfe liegen. Sie erlauben eine exakte spielfreie koaxiale Lagerung bei
leichtgängigem Zusammenhalt, von dem weitere Einzelheiten
in dem ein Ausführungsbeispiel nach der Zeichnung beschreibenden Teil noch dargelegt sind.
Bezüglich der Geschwindigkeit der Bahnbewegung und ihrer Berücksichtigung bei der Programmierung
sind drei verschiedene Arten zu unterscheiden, je nach der Art der Handreichung, die der Manipulator
auszuführen hat: Beim Punktschweißen kommt es z. B. allein auf die Schweißpunkte an, während die Geschwindigkeit
zum Anfahren der einzelnen aufeinanderfolgenden Punkte von untergeordneter Bedeutung ist und die
Befehle dazu extern gegeben werden können, z. B. in Abhängigkeit von der Schweißzange jeweils nach
öffnen der Zange nach vollzogener Schweißung. Hierfür genügt es, bei der Aufnahme des Programms
innerhalb der nachzufahrenden Bahn nur die diesen Punkten und allenfalls einigen Zwischenpunkten entsprechenden
Bahnprogrammdaten (We&meßdaten), z. B. durch Drücken eines am Lehrgerüst ;twa an einem
Handgriff desselben angebrachten elektrischen Schaltknopfes abzuspeichern. Besonderer Berücksichtigung
bedürfen dagegen Arten der Handreichung, wie z. B. Lichtbogenschweißen, wobei es sehr wichtig ist, daß der
Brenner mit konstanter Geschwindigkeit entlang der zu programmierenden Bahn geführt wird, oder wie z. B.
Farbspritzen, wobei die Spritzpistole mit variabler Geschwindigkeit entlang der zu programmierenden
Bahn geführt werden .nuß. Für solche Art Handreichungen müssen deshalb zu den Wegmeßdaten noch
Geschwindigkeitsmeßdaten hinzutreten. Die Program-
mierperson wäre jedoch überfordert, wenn sie z. B. zur Programmierung einer Bahn zum Zwecke des Lichtbogenschweißens
die der späteren Schweißnaht entsprechende Bahn mit konstanter Geschwindigkeit abfahren
sollte. Die Erfindung sieht daher eine Einrichtung zur geschwindigkeitsneutralen Aufnahme der zu programmierenden
Bahn vor. Dazu ist gemäß der Erfindung dem an dem Getriebekopf zur Programmierung befestigbaren
Bahnführer ein Laufrad zum Abrollen an der zu absolvierenden Bahn zugeordnet, das nach Abrollen an
•inter sich gleichen Wegabschnitten als Weggebertaktvorrichtung
die Bahnprogrammdaten in die Programmvorrichtung eingeben läßt. Die von dieser Weggebertaktvorrichtung
geschwindigkeitsneutral einspeicherbaren Wegmeßdaten sind von einem auf gleiche Zeitabstände einstellbaren Taktgeber (als Zeitgebertaktvorrichtung)
abrufbar. Damit wird eine geschwindigkeitsneutral programmierbare Handreichung vom
Gerät bei seiner Handreichung mit konstanter Geschwindigkeit ausführbar.
Vorteilhafierweise kann der erfindungsgemäße Manipulator
für die Programmwiedergabe noch eine Steuer-Regel-Schaltung aufweisen, mit der eine von
Störeinwirkungen unabhängige Programmwiedergabe erreicht wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigt
Fig. I eine Seitenansicht eines Manipulators,
F i g. 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch die die Glieder der Hand bildenden Getriebeköpfe,
F i g. 3 ein Blockschaltbild eines einer Bewegungsachse zugeordneten Teils der Programmvorrichtung.
Fig.4 ein Schema-Diagramm für die Arbeitsweise
der Steuer-Regel-Schaltung,
F i g. 5 ein Schema-Diagramm des in der Programmvorrichtung verwendeten Taktsignals,
F i g. 6 einen Ausschnitt aus F i g. 2 mit einer
einer anderen Ausführung der Schaltimpulserzeugung.
Bei dem in F i g. 1 und 2 dargestellten Manipulator ist auf einem Gestell 1 ein um eine lotrechte Drehachse I-l
drehbarer Drehsockel 2 gelagert, an dem ein um eine waagerechte Drehachse 11-11 schwenkbares Oberarmpaar
3 angelenkt ist, von dem in Fig. I nur ein Arm ersichtlich ist. An dem Oberarmpaar ist ein Unterarm 4
um eine waagrechte Ellenbogengelenkachse III-III angelenkt sowie an einer Achse 70 das eine Ende eines
Strebenpaares 5, dessen anderes Ende den Unterarm 4 in einer Gleitführung hält. Der Drehantrieb für den
Drehsockel 2, das Oberarmpaar 3 und das Strebenpaar 5 erfolgt von je einem schnellaufenden elektrischen
Scheibenläufermoior. die allesamt im Drehsockel gelagert sind, über Riemen und stark untersetzende
Getriebe, und zwar für das Oberarmpaar 3 an seiner Nabe und für den Unterarm 4 an der Nabe des
Strebenpaares 5. Diese Drehantriebe halten in ihrer Ruhelage die genannten Glieder auch in ihrer jeweils
eingestellten Winkellage fest
Koaxial zur Ellenbogengelenkachse III-III sind drei Riemenscheiben im Oberarmpaar 3 gelagert, die über
Riemen von je einem im Drehsockel 2 stationierten elektrischen Scheibenläufermotor antreibbar sind und
von denen eine Riemenscheibe über ein Kegelräderpaar und ein stark untersetzendes Getriebe eine Hohlwelle
71 des Unterarmes 4 treibt Diese Hohlwelle 71 trägt an ihrem aus dem Unterarm 4 herausragenden freien Ende
einen die Handwurzel bildenden Getriebekopf 6 in der aus F i g. 2 ersichtlichen Gestalt Dieser Getriebekopf 6
ist um eine Drehachse IV-IV rundum drehbar. Von einer anderen koaxial zur Ellenbogengelenkachse III-III
gelagerten Riemenscheibe ist über ein Kegelräderpaar eine koaxial zur Achse IV-IV in der Hohlwelle 71
*> gelagerte Hohlwelle 72 antreibbar. Sie trägt an ihrem in den Getriebekopf 6 ragenden Ende eine elliptische
Wellenscheibe 73 mit aufgezogenem Kugellagerkranz 74 und einer darauf aufgezogenen elastischen, außenverzahnten
Stahlbüchse 75, deren im Bereich der größeren Ellipsenachse liegenden Zähne ständig mit der
Innenverzahnung 76 des mit gleicher Zahnteilung, jedoch mehr Zähnen innenverzahnten Getriebekopfes 6
im Eingriff sind. Dies bildet ein stark untersetzendes Getriebe, dessen Abtrieb über ein Kegelräderpaar 77,
ι > 78 auf einen ersten Getriebekopf 7 übertragen wird, der
um eine Achse V-V drehbar ist und rechtwinklig zu der Achse IV-IV des Getriebekopfes 6 angeordnet ist. Von
einer dritten koaxial zur Ellenbogengelenkachse III-III
gelagerten Riemenscheibe ist über ein Kegelräderpaar
-" eine koaxial zur At-hse iV-iV in der Huniweiic 72 und in
dem Getriebekopf 6 gelagerte Hohlwelle 79 antreibbar. Sie trägt an ihrem Ende ein Kegelrad 80. das mit einem
Kegelrad 81 einer in dem Getriebekopf 7 koaxial zu dessen Achse V-V gelagerten Welle 82 kämmt. Ein am
-'*> anderen Ende dieser Welle 82 befestigtes Kegelrad 83
kämmt mit einem Kegelrad 84, das mit einer elliptischen
Wellenscheibe fest verbunden ist, auf der in der für die Teile 73—76 schon beschriebenen Weise ein Kugellagerkri.iz
und eine darauf aufgezogene elastische
» außenverzahnte Stahlbüchse aufgezogen ist, deren im
Bereich der größeren Ellipsenachse liegenden Zähne ständig mit der Innenverzahnung des mit gleicher
Zahnteilung, jedoch mehr Zähnen innenverzahnten ersten Getriebekopfes 7 im Eingriff ist, der die aus der
Fig. 2 ersichtliche Gestalt hat. An der elastischen außenverzahnten Stahlbüchse sitzt fest ein das äußere
Handendglied bildende Getriebekopf 8. in Doppelkugellagern im Getriebekopf 7 abgestützt, jedoch um eine zu
dessen Achse V-V rechtwinklige Achse VI-VI rundum
w drehbar bis zu 360°.
Diesem Hand-Arm-Gliederaggregat ist ein zum Zwecke des bequemen Anfassens und leichteren
Handhabens mit einem Handgriff 9 versehenes bewegbares, mehrgiiedriges Lehrgerüst parallel zugeordnet.
Das erste den Handgriff 9 tragende Glied dieses Lehrgerüstes besteht aus einem um die Achse
VI-VI drehbaren Außenring 10 eines Kugellagers 11, dessen unverdrehbarer Innenring 12 — unter Fortlassung
weiterer konstruktiver Einzelheiten in der Zeichnung über die Verklammerung der beiden Ringe
untereinander — Bestandteil eines zweiten, um die Achse V-V drehbaren Lehrgerüstgliedes ist mit den —
beispielsweise käfigartig ausgesteiften — Verbindungsstangen 15,24 und dem drehbaren Innenring 13 des der
Achse V-V des Getriebekopfes 7 zugeordneten Kugellagers 14. Der unverdrehbare Außenring 16 dieses
Kugellagers 14 ist durch entsprechende Lehrgerüstglieder 17, 25 mit dem drehbaren Innenring 18 des der
Achse IV-IV des Getriebekopfes 6 zugeordneten Kugellagers 19 fest verbunden und bildet ein drittes
Lehrgerüstglied. Der unverdrehbare Außenring 20 des Kugellagers 19 ist mit einem in Fig.2 gegenüber Fig. 1
um 90° versetzt angedeuteten Lehrgerüstglied 21 des Armgliedes 4 fest verbunden und bildet ein weiteres
" Lehrgerüstglied, das entlang des Unterarmes 4 bis zur
EHenbogengelenkachse IH-IH führt, wo es durch einen
freien Drehbolzen 22 an dem einen Ende eines weiteren Lehrgerüstgliedes 23 angelenki jst, das mit seinem
anderen Ende um die Achse H-Il am Drehsockel 2 drehbar angelenkt ist. Außer an diesem Haltepunkt
findet das Lehrgerüst durch eine Anzahl von elastischen Elementen 26, 26a —e eine Abstützung in der in F i g. 2
schematisch angedeuteten Weise an den Gelenkköpfen, ΐ um dem Lehrgerüst eine Relativbewegung gegenüber
dem Hand-Arm-Gliederaggregat zu ermöglichen.
Wird zwecks Programmierung des Manipulators ein an de;*; Getriebekopf 8 befestigter Bahnführer 32, der
auch dai Werkzeug sein kann, in der zu absolvierenden
Bahn, etwa an dem zum Gerätegestell 1 in die Arbeitsposition gebrachten Werkstück er.danggeführt
durch Handhabung an dem vorteilhafterweise am Drehring 10 angebrachten Handgriff 9 und dabei
angenommenenfalls nur um die Achse VI-VI gedreht, so ι >
wird die.se Drehbewegung von dem Drehring 10 über dessen Nabe 10' auf ein in der Achse Vl-Vl daran
befestigtes Kopplungsglied in Form einer Welle 28 übertragen. Das an seinem Ende sitzendes Zahnrad mit
Bogenverzahnung übertrag! diese Drehbewegung win· kelgetreu über eine Kupplungshülse einer Bogenzahnkupplung
27 auf das entsprechend ausgebildete Zahnrad, das am Ende eines koaxial am Getriebekopf 8
sitzenden Kopplungsgliedes 8' sitzt, dessen Endabschnitt als Drehrohrfeder 29 ausgebildet ist. Diese n
Drehrohrfeder 29 gibt unter der Drehbelastung der Drehung am Handgriff 9 in Drehrichtung nach. Dadurch
wird die an dieser Drehrohrfeder sitzende Schalterhälfte gegenüber der an dem zugehörigen Getriebekopf 8
über das Kopplungsglied 8' festgelagerten Schatterhälf- «'
te 30 relativ verdreht und gibt über ein Leitungspaar 30' ein elektrisches Signal, das der Relativverdrehung
proportional ist, an den der Getriebekopf 8 bewegenden Antriebsmotor, dessen Drehzahl entsprechend der
Größe des Signals gesteuert wird. Sein eingeschalteter r> Trieb läßt den Getriebekopf 8 und damit den
Bahnführer der Handführung am Handgriff 9 in dem gewünschten Sinn folgen, bis die Verdrehung durch die
Hand am Handgriff 9 aufhört.
In der gleichen Weise ist an dem Lehrgerüstteil 24 in
der Achse V-V ein Kopplungsglied 24' vorgesehen, dem unter Kupplung mit einer Bogenzahnkupplung31 ein an
dem Getriebekopf 7 befestigtes Kopplungsglied T in Form einer Drehrohrfeder gegenübersteht, die unter
Drehbelastung mitsamt ihrer Schalterhälfte gegenüber 4">
einer an dem Getriebekopf 7 befestigten Schalterhälfte 33 relativ verdrehbar ist und über ein Leitungspaar 33'
einen elektrischen Signalimpuls an die dem Getriebekopf 7 zugehörige Antriebsvorrichtung gibt. Ebenso ist
an dem Lehrgerüstteil 17 in der Achse IV-IV ein '"
Kopplungsglied 17' vorgesehen, dem unter Kupplung mit einer Bogenzahnkupplung 34 ein an dem Getriebekopf
6 befestigtes Kopplungsglied 6' in Form einer Drehrohrfeder gegenübersteht, die unter Drehbelastung
mitsamt ihrer Schalterhälfte gegenüber einer an dem Getriebekopf 6 befestigten Schalterhälfte 35
relativ verdrehbar ist und über ein Leitungspaar 35' einen elektrischen Signalimpuls auf die dem Getriebekopf
6 zugehörige Antriebsvorrichtung gibt
Wird bei der beschriebenen Ausbildung der Kopp- ω
lung zwischen den Lehrgerüstgliedern und den Getriebeköpfen
an dem Handgriff beispielsweise ein Drehmoment auf das Lehrgerüst um die Achse V-V ausgeübt, so
erfolgt wegen des Widerstandes des im Ruhestand feststehenden Getriebekopfes 7 eine Verdrillung der
Drehrohrfeder des Kopplungsgliedes T und damit eine Relatiwerdrehung der an ihr befestigten Schalterhälfte
gegenüber der an dem Getriebekopf 7 befestigten Schalterhälfte 33 mit dem Ergebnis einer elektrischen
Signalgabe über das Leitungspaar 33' an den zum Getriebekopf 7 gehörenden Antriebsmotor. In entsprechender
Weise funktioniert ein am Handgriff 9 um die Achse IV-IV ausgeübtes Drehmoment.
Die erläuterten Kraftausübungen am Handgriff können bei der beschriebenen Ausbildung des Lehrgerüstes
auch in beliebiger Kombination ausgeübt und zur Signalgabe auf mehrere Antriebsmotore gleichzeitig
genutzt werden. Daß dabei jeweils nur reine Drehwinkel-Verstellung an den Schaltern 29, 33 und 35 zur
Wirksamkeit kommen, wird durch die Bogenzahnkupplungen 27, 31 und 34 sichergestellt, die außer in der
Zahnteilung in allen anderen Freiheitsgraden gelenkig sind, so daß sie wie ein mechanisches Filter wirken.
Wird am Handgriff 9 in der in Fig. 2 angedeuteten
Richtung des Pfeiles A gezogen, so wird das Lehrgerüst entgegen dem Widerstand des Hand-Arm-Gliederaggregates
relativ zu diesem in der genannten Pfeilrich- !ung beweg·., was die elastischen Elemente 26, 26s—c
ermöglichen. Hiorvon bleiben die Drehrohrfedern 29,6'
und T unberührt, zumal die Bogenzahnkupplungen 27 und 34 in axialer Richtung nachgeben und die
Bogenzahnkupplung 31 auf die in radialer Richtung verlaufende Bewegung nicht anspricht. Vielmehr überträgt
sich die Bewegung in der genannten Pfeilrichtung Über eine nicht dargestellte Zusammenhaltung am
Kugellager 11 und 19 auf die Lehrgerüstglieder 21 und
von hier über die freien Drehbolzen 22 in der Achse III-III auf das Lehrgerüstglied 23 und läßt dieses sich um
die Anlenkung am Drehsockel 2 in der Achse H-II geringfügig verschwenken. Dabei erfolgt eine Relativbewegung
zwischen der am Lehrgerüstglied 23 befindlichen Schalterhälfte gegenüber der am Oberarm
3 befestigten Schalterhälfte 38, womit über das Leitungspaar 38' ein elektrischer Schaltimpuls auf den
dem Oberarm 3 zugeordneten Antriebsmotor gegeben wird.
Erfährt durch eine Handbewegung am Handgriff 9 das Lehrgerüstglied 21 eine Relativbewegung gegenüber
dem Unterarm 4, erfährt auch eine an dem Lehrgerüstglied 21 befestigte Schalterhälfte eine Relativbewegung
gegenüber der anderen an dem Unterarm
4 vorgesehenen Schalterhälfte 36 und läßt über die Leitungspaare 36' dem den Unterarm 4 betätigenden
Antriebsmotor für die Strebe 5 einen Signalimpuls geben.
Ein weiterer Schalter 37 ist senkrecht zur Zeichnungsebene der F i g. 1 wirkend zwischen dem Lehrgerüstglied
21 und dem Unterarm 4 vorgesehen, der bei Verstellbewegungen um die lotrechte Achse I-I wirksam
wird und über Leitungspaare 37' den den Drehsockel 2 treibenden Antriebsmotor ein- bzw. ausschalten läßt,
wenn die Verstellkraft aufhört Für die Rückstellbewegung sind entsprechende elastische Elemente vorgesehen,
von denen die dargestellten Elemente 26, 26a—e nur einen Teil bilden.
Eine andere Möglichkeit der Schaltimpulse zur Steuerung der Antriebsmotore besteht darin (vgL
F i g. 6), daß an einer Konsole 6" des Getriebekopfes 6 zwei elektrische Weggeber 92 und 93 — z. B. in Form
von Potentiometern oder Tauchspulen — in einer rechtwinklig zur Achse IV-IV verlaufenden Ebene in
bezug auf diese Achse radial hintereinander befestigt sind. Ihre Schaltstife 92" und 93" liegen unter
Federkraft nachgiebig an einer Schaltfläche 17" an, die an dem Lehrgerüstteil 17 befestigt ist und parallel zur
zugeordneten Achse IV-IV verläuft Die beiden
ten Bahnabschnittes im Programmspeicher abgespeichert.
Wenn diese für konstante Wegstücke abgespeicherten Wegmeßdaten nacheinander in konstanten Zeitabständen
abgerufen werden, wird die zuvor geschwindig- ■;
keitsneutral aufgenommene Bahn.geschwindigkeitskonstant
wiedergegeben. Hierzu enthält die in Fig.3 dargestellte Programmvorrichtung eine Zeitgebertaktvorrichtung
51, die die zum Abrufen der Wegmeßdaten in konstanten Zeitabständen erforderlichen Taktsignale
liefert. Die Frequenz der Takisignalgabe der Zeitgebertaktvorrichtung
51 kann dabei noch einstellbar sein, so daß damit auch die absolute Größe der in sich
konstanten Wiedergabegeschwindigkeit einstellbar ist. Damit ist die mit konstanter Geschwindigkeit durchzuführende
Handreichung z. B. des Lichtbogenschweißens geschwindigkeitsneutral programmierbar.
Wenn im Gegensatz zur geschwindigkeitsneutralen Aufnahme die Abspeicherung der Wegmeßdaten der zu
programmierenden Bahn nicht nach konstanten Wegabständen mit Hilfe der Weggebertaktvorrichtung 39,
sondern nach konstanten Zeitabständen mit Hilfe der Zeitgebertaktvorrichtung 51 erfolgt, dann ergibt sich
damit die beispielsweise zur Handreichung des Farbspritzens erforderliche Aufnahme mit echter, in sich
variabler Geschwindigkeit. Da das Abrufen der gespeicherten Wegmeßdaten mit derselben Zeitgebertaktvorrichtung
51 erfolgt, erfolgt auch die Wiedergabe mit der Aufnahmegeschwindigkeit.
Die Programmvorrichtung für das erfindungsgemäße Manipulatorgerät weist für jede der vorhandenen
Bewegungsachsen, im beschriebenen Beispiel also für die sechs Achsen 1-1 bis Vl-VI, je eine im Aufbau und in
der Funktion im wesentlichen übereinstimmende, in Fig.3 für die Achse Vl-Vl schematisch dargestellte
Abteilung auf, wobei jedoch die Weggebertaktvorrichtung 39 und die Zeitgebertaktvorrichtung 51 gemeinsam
für alle sechs Abteilungen nur einmal vorhanden ist. Die einzelnen Bausteine der Programmvorrichtung sind
dabei dem Fachmann so wohl im Aufbau, als auch in der Wirkungsweise an sich bekannt.
Jeder der zuvor ervähnten Abteilungen der Programmvorrichtung
besteht im einzelnen aus einem der Bewegungsachse zugeordneten Winkelkodierer 40, der
bei der Programmaufnahme der jeweiligen Raumlage dieser Achse entsprechende Wegmeßdaten über eine
Leitung 52 an einen Programmspeicher 41 meldet, wo diese im Zeitpunkt der Taktgabe am Knopf 9a (siehe
F i g. 2) bei Aufnahme für Punktsteuerung, im Zeitpunkt der Taktgabe der Weggebertaktvorrichtung 39 über
Leitung 170 bei Aufnahme unabhängig von der Aufnahmegeschwindigkeit oder im Zeitpunkt der
Taktgabe der ZeitgebertaktvorrichtungSl über Leitung
53 bei Aufnahme mit echter Geschwindigkeit als Sollwerte abgespeichert werden.
Bei der Programmierwiedergabe werden diese Sollwerte nacheinander jeweils im Zeitpunkt der
externen Taktgabe bei der Punktsteuerung oder im Zeitpunkt der Taktgabe der Zeitgebertaktvorrichtung
5t über Leitung 53 bei Wiedergabe mit konstanter Geschwindigkeit oder mit echter Geschwindigkeit — je
nach Art der Aufnahme — abgerufen und über eine Leitung 54 einem Soll/lstwert-Vergleicher 42 zugeführt
und ständig mit gleichzeitig vom Winkelkodierer über eine Leitung 52/55 gemeldeten, dem tatsächlichen
Zustand der Bewegungsachse entsprechenden Istwerten verglichen. Der dabei als Ergebnis des Sollwert-Istwert-Vergleichs
erhaltene Differenzwert wird über eine Weggeber sind zueinander in Differenz geschaltet, d. h.
von den Weggel>ern 92, 93 je nach Eintauchtiefe der
Schaltstifte 92", 93" erzeugten Spannungen wird nur die Differenz dieser- Spannungen zur Schaltimpulserzeugung
herangezogen. Das hat zur Folge, daß beispielsweise bei einer Relativbewegung zwischen Lehrgerüstglied
17 und Getriebekopf 6, die als alleinige Komponente eine Bewegung senkrecht zur Zeichenebene
der Fi g. 2 bzw. 6 enthält, die von den Weggebern erzeugten Spannungen sich zwar ändern, die Differenz
jedoch, da beide Schaltstifte sich um das gleiche Maß bewegen, sich nicht ändern. Ebensowenig ändert sich
die Differenz, wenn die Relativbewegung als alleinige Komponente eine Bewegung in der Zeichnungsebene
enthält. In beiden Fällen erfolgt also keine Schaltimpulsgabe zur Antriebsvorrichtung. Die Differenz ändert sich
jedoch, wenn die Relativbewegung eine Drehwinke!- änderungskomponente in bezug auf die Achse IV-IV
enthält, was in der Nebenfigur ?'>
F i g. 6 dargestellt ist. wo die Schaltfläche 17" zwei verschiedene in ausgezogenen
und in strichlierten Linien dargestellte Drehwinkellagen in Bezug zum Getriebekopf 6 bzw. zur Konsole
6" einnimmt. Zwischen diesen Lagen ist nicht nur die absolute von den Weggebern erzeugte Spannung
verschieden, sondern infolge der unterschiedlichen Eintauchtiefen der Schaltstifte ist auch die Differenz
zwischen den beiden Differenzspannungen in den beiden Lagen verschieden, so daß eine entsprechende
Schaltimpulsgabe auf die zugeordnete Antriebsvorrichtung erfolgt. Eine entsprechende Anordnung ist auch für
die Achsen V-V und VI-VI vorstellbar.
Wenn in dem vorstehend beschriebenen Beispiel ein Manipulator unterstellt ist, dessen Glieder im Ruhezustand
feststehen wegen der Bremsstellung ihrer Motore und damit den Widerstand bilden, der Voraussetzung ist
zur Erzeugung einer Relativbewegung bei der Handführung, so kann das ebensogut bei einem Manipulator
vorgenommen werden, der in sich entsprechend schwergängig ist, wie z. B. hydraulisch betätigbare.
Die mit dem von Hand 9 an dem Bahnführer 32 durch das erfindungsgemäße Lehrgerüst ausgelösten Folgebewegungen
des eigentlichen Manipulators werden durch einen nicht gezeichneten, da bekannten Weggeber — im
vorliegenden Fall Winkelkodierer — in die Programmvorrichtung des Gerätes eingespeichert, welche den
Manipulator die eingespeicherte Bahnbewegung selbsttätig wiederholen läßt unter Vermittlung einer Steuerschaltung.
Dem zur Programmierung an dem Getriebekopf befestigbaren Bahnführer ist ein Laufrad 39a zum
Abrollen an der zu absolvierenden Bahn zugeordnet, das nach Abrollen an unter sich gleichen Wegabschnitten
als Weggebertaktvorrichtung 39 die Bahnprogrammdaten
in die Programmvorrichtung 41 eingeben läßt
Das Laufrad 39a ist in einem Langlochpaar entgegen der Kraft einer Feder 39d hinter das eine
Zeigerspitze 39c aufweisende freie Ende des Bahnführers 32 zurückschiebbar, damit auch an stark gekrümmten
Abschnitten der zu programmierenden Bahn, wovon in F i g. 2 ein Beispiel angedeutet ist, wo beispielsweise
der Bahnführer einen weiten Weg zurücklegen muß, das Laufrad selbst aber nur eine geringe oder gar keine
Abrollbewegung auf der Bahn vollzieht, ein leichtes und sicheres Führen des Bahnführers gewährleistet ist
Mit Hilfe dieser Weggebertaktvorrichtung werden die den einzelnen Bewegungsachsen zuzuordnenden
Wegmeßdaten jeweils nach Zurücklegen eines konstan-
Il
Leitung 56 ein ;m Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler)
'13 zugeführt, wo dieser digitale Differenzwert in einen entsprechenden Analogwert umgewandelt wird.
Im Fall der Punktsteuerung wird dieser Analogwert über eine Leitung 69, einen bei der Punktsteuerung
durch Drücken einer Taste 50 geschlossenen Schalter 68 und eine Leitung 67 einem Transistorregler 47
zugeführt, der die entsprechenden Steuersignale für den Antriebsmotor 48 erzeugt, der — wie schon erwähnt —
ein elektrischer Scheibenläufermotor ist und nach Drehzahl und Laufrichtung (je nach dem Vorzeichen
des Sollwert-Istwert-Vergleichs) steuerbar ist.
Falls an Stelle der erwähnten elektrischen Motore andere Antriebsvorrichtungen, wie z. B. Hydraulikantriebe,
vorgesehen sind, sind an Stelle des Transistorreg- ι lers 47 entsprechende Servoventileinrichtungen zu
denken.
Im Falle der Bahnsteuerung — gleichgültig ob mit konstanter oder mit der Aufnahmegeschwindigkeit
übereinstimmender echter Geschwindigkeit — wird durch entsprechendes Drücken der Taste 50 der
Schalter 68 geöffnet und gleichzeitig ein Schalter 62a geschlossen, wie das in F i g. 3 in dicken Linien
dargestellt ist. Die Steuervorgänge laufen bei der Bahnsteuerung bis zum D/A-Wandler 43 einschließlich
in der gleichen Weise ab wie vorstehend für die Punktsteuerung beschrieben.
Der im Zeitpunkt der Taktgabe, d. h. der zu Beginn der Taktzeit vom D/A-Wandler 43 erzeugte Analogwert
wird einerseits über eine Leitung 57 einem Analogwertspeicher 44 zugefü.irt, dort für den Verlauf
der Taktzeit vorübergehend gespeichert und gleichzeitig über die Länge der Taktzeit über einen Leitungszug
60,62,62a, 626 als Steuersignal an den Transistorregler
47 weitergeleitet, der den Motor 48 entsprechend diesem im Verlauf der Taktzeit gleichbleibenden
Steuersignal nach Richtung und Drehzahl steuert und so der zugeordneten Bewegungsachse eine entsprechende
Gründgeschwindigkeit, die dem Abstand zürn nächsten
Bahnpunkt proportional ist, erteilt. ίο
Der zu Beginn der Taktzeit vom D/A-Wandler 43 erzeugte Analogwert wird andererseits über eine
Leitung 58 einem Verstärker 45 zugeführt, wo dieser Analogwert (Wert Delta 5 in F i g. 5) auf den maximalen
Wert der Zeitkurve des Taktsignals verstärkt wird. Der Verstärker rastet auf dem dabei ermittelten Verstärkungsfaktor
ein und hält diesen Faktor während der Restdauer der Taktzeit konstant, d. h. alle im weiteren
Verlauf der Taktzeit vom D/A-Wandler 43 ankommenden und sich laufend ändernden Analogwerte werden
mit diesem zu Beginn der Taktzeit ermittelten Verstärkungsfaktor verstärkt Diese so verstärkten
Analogwerte werden über eine Leitung 63 an einen Regler 46 weitergeleitet und dort mit dem Verlauf der
Taktsignal-Zeitkurve verglichen. Falls dabei der verstärkte Analogwert vom zugehörigen Wert der
Taktsignal-Zeitkurve abweicht, wird diese Abweichung vom Regler 46 als Regelabweichung über einen
Leitiingszug 64,61,62,62a, 62b an den Transistorregler
47 weitergeleitet und dort dem Steuersign.'! überlagert,
d. h. der Transistorregler 47 addiert laufend das Steuersignal und das Regelsignal und steuert den Motor
48 entsprechend dem Additionsergebnis.
Damit die einzelnen Bausteine der vorstehend erwähnten Steuer-Regel-Schaltung auch genau in
Übereinstimmung mit dem Takt arbeiten, sind diese an die Zeitgebertaktvorrichtung 51 angeschlossen, und
zwar D/A-Wandler 43 über Leitung 59/59a, Analogwertspeicher 44 über Leitung 59/596, Verstärker 45
über Leitung 59/59Cund Regler 46 über Leitung 59/59d
Die Zeitgebertaktvorrichtung 51 erzeugt ein sägezannförmiges,
nach Größe und Dauer einstellbares Taktsignal, wie es in Fig.5 dargestellt ist, auf dessen
jeweiligen Wert der vom D/A-Wandler 43 kommende Analogwert mit dem zu Beginn der Taktzeit aus dem
Anfangsanalogwert Delta 5 und dem maximalen Taktsignalwert ermittelten Verstärkungsfaktor verstärktwird.
Die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Steuer-Regel-Schaltung ist in Fig.4 graphisch dargestellt.
In der Abszisse sind dabei die Wegabstände der einzelnen Bahnpunkte P\, P^, Pi und in der Ordinate die
Geschwindigkeit der zugeordneten Bewegungsachse aufgetragen. Die waagerechten Linien parallel zur
Abszisse geben dabei die dem Taktzeitanfangsanalogwert entsprechende und dem Bahnpunktabstand proportionale
Grundgeschwindigkeit wieder, während die schlangenförmige Linie um die Abszisse die der
Regelabweichung entsprechende Regelgeschwindigkeit wiedergibt. Die eingezeichnete Überlagerungsgeschwindigkeit
ist das Additionsergebnis von Gründgeschwindigkeit
und Regelgesehwindigkeät.
Auf diese Weise wird sichergestellt, daß mit Ablauf der Taktzeit der Getrieoekopf 8 bzw. das daran
befestigte Werkzeug in jedem Fall den anzufahrenden Bahnpunkt erreicht unabhängig von einer eventuellen
Einwirkung einer Störgröße.
In Fig.3 ist schließlich noch ein Tachomel.-- 49 am
Motor 48 dargestellt, der mit dem Transistorregler 47 über eine Leitung 66 verbunden ist und zur Überwachung
der Geschwindigkeit dient.
Die für eine Handreichung, wie z. B. Lichtbogenschweißen oder Farbspritzen neben den Bahnmeßdaten
noch erforderlichen Steuerdaten werden in bekannter, nicht dargestellter Weise über ein Gerätesteuerpult
eingegeben.
Claims (12)
1. Programmgesteuerter Manipulator mit um mehrere Achsen bewegbarer, mehrgliedriger Hand
(Greifer, Halter oder dgL) und um mehrere Achsen bewegbarem, mehrgliedrigem Arm, wobei die
jeweiligen Glieder Untersetzungsgetriebe mit an deren Abtriebsteilen vorgesehenen Geberorganen
aufweisen und mit Antrieben verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hand- ίο
Arm-Gliederaggregat (6,7,8; 2—4) ein von Hand (9)
bewegbares, eine Relativbewegung zum Hand-Arm-Gliederaggregat zulassendes, mehrgliedriges Lehrgerüst
(10—25) parallel zugeordnet ist, dessen Gliedern eine der Zahl der Achsen (I-I bis VI-Vl) is
entsprechende Zahl von Schaltern (30,33,35,36,37,
38) zugeordnet ist, die bei einer Bewegung des Lehrgerüstes oder Teilen davon relativ zu den
Hand-Armgliedern die zugehörige(n) Antriebsvorrichtung(en) ein- oder ausschalten zwecks niaschineller
Fojgebewegung eines zur Programmierung an
einem das Handende bildenden Getriebekopf (8)
befestigbaren Bahnführers (32) oder Werkzeuges.
Z Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Achsen (VI-VI, V-V, IV-IV) an
den die Glieder der Hand bildenden Getriebeköpfen (8,7,6) Kopplungsglieder (8', T, 6') zur Ankopplung
an die Lehrgerüstteile (10, 24,17) befestigt sind, die
als Drehrohrfedern bei einer Drehbelastung in Drehrichtung nachgeben und eine Schalterhälfte
tragen, die gegenüber der an dem zugehörigen Getriebekopf festgelagerten Schalterhälfte (30, 33,
35) relativ verdrehbar ist.
3. Manipulator nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet,
daß an den At mgliedern (4,3) Schaltorgane
(36, 37, 38) angebracht sind, ce als Weggeber bei Relativbewegungen zwischen den Armgliedern und
den ihnen zugeordneten Lehrgerüstteilen (21, 23) wirksam werden.
4. Manipulator nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens Teile des
Lehrgerüstes (15,24,17,25) an den Getriebeköpfen
(7,6) der Hand begrenzt nachgiebig abgestützt sind (bei26,26a-e;.
5. Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den an den Getriebeköpfen (8, 7, 6)
befestigten Kopplungsgliedern (8', T, 6') in den Achsen (VI-VI, V-V, IV-IV) Koppiungsgiieder (28,
24', 17') gegenüberstehen, die an den Lehrgerüstteilen (10,24,17) befestigt sind, und daß die jeweiligen
beiden sich gegenüberstehenden Enden durch je eine Gelenkkupplung (27, 31, 34) miteinander
verbunden sind, die nur eine reine Drehwinkelbewegung überträgt bei freier Beweglichkeit in allen
übrigen Freiheitsgraden, z. B. eine Bogenzahnkupplung.
6. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Getriebeköpfen (6, 7,8)
und den zugeordneten Lehrgerüstteilen (17, 24, 10) für jede Achse (IV-IV bis VI-VI) je zwei elektrische &o
Weggeber (92, 93) in Differenzschaltung in einer rechtwinklig zur zugeordneten Achse (z. B. IV-IV)
verlaufenden Ebene angeordnet sind, deren Schaltstifte (92", 93") an einer parallel zur Achse (z. B.
IV-IV) verlaufenden Schaltfläche (z. B. 17") anliegen, wobei die Weggeber (92, 93) an dem einen
Paarungsteil, vorzugsweise Getriebekopf (z. B. 6) und die Schaltfläche (z. B. 17") an dem anderen
Paarungsteil, vorzugsweise Lehrgerüstteil (z. B. 17)
befestigt sind.
7. Manipulator nach einem der Ansprüche 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß Glieder des Lehrgerüstes
durch Kugellager (11, 14, 19) oder Gleitlager miteinander verbunden sind, deren Achsen koaxial
zu den Achsen (IV-IV, V-V, VI-VI) der Getriebeköpfe liegen.
8. Manipulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an einem koaxial zur Achse (VI-VI) des
Handende bildenden Getriebekopfes (8) angeordneten Kugellagerdrehring (10) ein Handgriff (9) sitzt
9. Manipulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der unverdrehbare Innenring (12) des
dem Getriebekopf (8) zugeordneten Kugellagers (11) durch die Lehrgerüstglieder (15, 24) mit dem
drehbaren Innenring (13) des der Achse (V-V) des ersten Getriebekopfes (7) zugeordneten Kugellagers
(14) fest verbunden ist, daß der unverdrehbare Außenring (16) des Kugellagers (14) durch die
Lehrgerüstglieder (17, 25) mit dem drehbaren Innenring (18) des der Achse (IV-IV) des Handwurzelgetriebekopfes
(6) zugeordneten Kugellagers (19) fest verbunden ist, und daß der unverdrehbare
Außenring (20) des Kugellagers (19) mit dem Lehrgerüstglied (21) des Armgliedes (4) fest
verbunden ist
10. Manipulator, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem
zur Programmierung an dem Getriebekopf (8) befestigbaren Bahnführer (32) ein Laufrad (39a) zum
Abrollen an der zu absolvierenden Bahn zugeordnet ist, das nach Abrollen an unter sich gleichen
Wegabschnitten als Weggebertaktvorrichtung (39) die Bahnprogrammdaten in eine Programmvorrichtung
eingeben läßt.
11. Manipulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (39a^ am freien
Ende des Bahnführers (32) in einer Längsführung (39b) entgegen einer Federkraft (39d) zurückschiebbar
ist.
12. Manipulator nach Anspruch 10 oder U, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Weggebertaktvorrichtung
(39) einspeicherbaren Wegmeßdaten von einem auf gleiche Zeitabstände einstellbaren
Taktgeber (Zeitgebertaktvorrichtung 51) abrufbar sind.
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