SAFETY CIRCUIT FOR A FREE PROGAMMABLE INDUSTRIAL ROBOT

Abstract: Industrial robots represent a danger to operators exceeding that which is normal with working and processing machines, resulting from the free programmability of the movements. These dangers are normally averted by protective devices which, however, have to be deactivated for programming or maintenance of the industrial robot. To reduce the danger, a creep speed and/or jog control is/are usually provided as means of control, which does not however rule out the possibility of uncontrolled movements being triggered by faults or operating errors. According to the invention, for such instances a safety circuit is provided, which is switched on when the work area is entered and which immediately shuts down the industrial robot in the event of uncontrolled movements thereof. According to the invention, the speed of the drive motors (4, 6, 10, 13) permissible during program operation is monitored and, if exceeded, the power supply to the output stages (14 to 17) of the drive motors (4, 6, 10, 13) is immediately switched off. <IMAGE>

Description: Sicherheitsschaltung für freiprogrammierbare Industrieroboter Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitsschaltung für freiprograamierbare Industrieroboter, die bei Betreten des Arbeitsfeldes des Industrieroboters eingeschaltet wird und die bei unkontrollierten Bewegungen des Industrieroboters diesen unmittelbar stillsetzt, insbesondere beim Programmieren oder Warten des Industrieroboters. Industrieroboter stellen für das Bedienungspersoral eine über das bei Be- und Verarbeitungsmaschinen übliche Nass hinausgehende Gefahr dar, die aus der freien Programmer- barkeit des Industrieroboters resultiert. Durch fehlerhaftes Programmieren oder Fehler in der Steuerlogik können ungewollte und unkontrollierte Bewegungen des Industrieroboters ausgelöst werden, die eine unvorhersehbare Gefährdung des Bedienungspersonals durch Schlag, Stoss oder Einquetschen im gesamten Arbeitsbereich des Industrieroboters darstellen. Ublicherweise werden diese Gefahren durch Massnahmen der mittelbaren Sicherheitstechnik abgewendet, wie Abschirmzäune, Trittmatten und dgl. Diese Schutzmassnahmen müssen jedoch zum Programmieren oder Warten des Industrieroboters, insbesondere bei der Teach-In-Programmierung, ausser Betrieb gesetzt werden, da der Programmierer unmittelbaren Zugang zum Arbeitsfeld des Industrieroboters haben muss. Um in diesem Falle die Gefahr für den Programmierer zu verringern, ist in der Regel ein Schleichgang wnd/oder eine Tippschaltung Qü die Antriebsmotoren der einzelnen Bewegungen des In dustrieroboters vorgesehen. Da jedoch die Signale für die Bewegungen durch übliche elektrische, elektronische oder pneumatische Steuerungsgeräte erzeugt werden, können im Fehlerfall unkontrollierte Bewegungen nicht ausgeschlossen werden. Abhilfe könnten hierbei nur eigensichere Steuerungen, z.B. mehrkanalige Ausführungen, schaffen, die jedoch erhebliche zusätzliche Kosten verursachen würden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache Sicherheitsschaltung zu schaffen, die den Industrieroboter in diesem Betriebszustand so steuert bzw. überwacht, dass im Falle unkontrollierter Bewegungen ein sofortiges Stillsetzen des Industrieroboters erfoigt. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung mit einer Sicherheitsschaltung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die beim Programmierbetrieb noch zulässige Geschwindigkeit der Antriebsmotoren für die einzelnen Bewegungen des Industrieroboters überwacht wird und dass bei Überschreitung derselben eine unmittelbare Abschaltung der Energiezufuhr zu den Endstufen der Antriebs- motoren erfolgt. In einfacher Weise kann dies dadurch erfolgen, dass bei Industrierobotern mit geregeltem Gleichstromantriebdie Höhe der noch zulässigen Anker spannung überwacht wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbespiel ist in den Zuleitungen zu den Gleichstrommotoren je eine Spannungs- messeinrichtung eingeschaltet, deren Ausgangssignale je einem Komparator zugeführt werden, die diese Ausgangssignale mit einem Sollwert vergleichen und die bei uberschreiten dieses Sollwertes die Energiezuiuhr zu den Endstufen der Gleichstrommotoren abschalten. Bei Industrie- robotern, deren Achsen durch Schrittmotoren oder geregelte Asynchronmotoren antreibbar sind, kann in den Zuleitungen zu diesen Motoren ein Frequenz-Spannungswandler eingeschaltet sein, dessen Ausgangssignal einem Komparator zugeführt wird, der dieses Ausgangssignal mit einem Sollwert vergleicnt und der bei Uberschreiten der Sollfrequenz die Energiezufuhr zu den Motorenendstufen abschaltet. Bei jeder Art von Industrieroboter kann der Schleichgang durch Messen der Beschleunigung überwacht werden. Dies kann gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung dadurch erfolgen, dass zumindest an einer Stelle des Armes, der durch Erhöhung der Geschwindigkeit für das Personal eine Gefahr darstellt, ein Beschleunigungsaufnehmer angebracht ist, dass das Ausgangssignal des BeschleuniOungs- messers mit einem Komparator verbunden ist, der bei Über- schreiten des Maximalwertes einen Schalter ansteuert, der die Energiezufuhr zu den Endstufen abschaltet. Anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeisziele im Prinzip dargestellt sind, wird die erfindung näher er läutern. Es zeigen: Figur 1 einen im Prinzip dargestellter Industrieroboter, dessen Achsen von Gleichstrommotoren antreibbar sind mit einer Sicherheitsschalturg, Figur 2 einen Industrieroboter gemäss Figur 1, dessen Achsen durch Schrittmotoren oder geregelte Asynchronmotoren angetrieben werden, und Figur 3 einen Industrieroboter mit Beschleunlgungsauf- nehmer. Mit 1 ist eine senkrechte Säule eines Industrieroboters angedeutet, die sich auf einem Fundament 2 in Pfeilrichtung 3 um eine senkrechte Achse drehen kann. Mit L ist ein entsprechender Stellantrieb bezeichnet, der im vorliegenden Fall ein Gleichstrommotor ist. Am oberen Ende der Säule 1 ist ein um eine horizontale Ebene schwenkbarer Arm 5 angelenkt, der mit Hilfe eines Gleich strommotors 6 in einer horizontalen Ebene bewegbar ist, wie durch einen Pfeil 7 angedeutet ist. Am freien Ende des Armes 5 ist ein weiterer Arm 8 angelenkt, der in einer Ebene bewegbar ist, die senkrecht zur Achse des Armes 5 steht. Mit einem Pfeil 9 ist die Schwenkbewegung des Armes 8 angedeutet. Für die Bewegung des Armes 8 ist ein Gleichstrommotor 10 vorgesehen. Ein am vorderen Ende des Armes 8 angelenkter Greifer 11 ist in Pfeilrichtung 12 schwenkbar und wird durch einen weiteren Gleichstrommotor 13 angetrieben. Die Steuerung der Gleichstrommotoren 4, 5, 10 und 13 erfolgt über Endstufen 14 bis 17 von einer Steuerlogik 18 in an sich bekannter Reise. ueber eine Eingangsleitung 19 werden die Endstufen 14 bis 17 von einer Stromversorgung 20 mit Energie versorgt. Diese Energieversorgung kann mit Hilfe eines Schalters 21 abgeschaltet werden, wenn beispielsweise das Arbeitsfeld des Industrieroboters oe- treten wird. Dieser Schalter 21 kann beispielsweise ein Türschalter, eine Trittmatte oder dgl. sein. Diese Schutzeinrichtung muss jedoch zum Programmieren oder Warten des Industrieroboters, insbesondere bei sog. Teach-In Programmierung ausser Betrieb gesetzt werden, damit der Programmierer freien Zugang zum Arbeitsfelh hat. Fur diesen Fall ist vorgesehen, dass der Schalter 21 überbrückt wird und die Steuerlogik den Gleichstrommotoren L, 6, 10 und 13 nur eine solch hohe Spannung vorgibt, dass diese eine Art Schleichbewegung ausführen. Trotzdem kann es jedoch bei einer Störung in der Steuerlogik oder bei einer falschen Bedienung vorkommen, dass unkontrollierte Bewegungen des Industrieroboters ausgelöst werden, die eine Gefährdung des Programmierers darstellen. Um eine solche Gefährdung auszuschalten, wird gemäss der Erfindung vorgeschlagen, dass überwacht wird, dass die zulässige Geschwindigkeit der Antriebsmotoren im Programmierbetrieb nicht überschritten wird. Bei Gleichstrommotoren ist die Höhe der Ankerspannung ein Msss für die Geschwindigkeit der Motoren. Deshalb wird gemäss der Erfindung in die Zuleitungen 22 bis 25 je eine Spannungsmesseinrichtung 26 bis 29 eingeschaltet, die beispielsweise ein Gleichspannungswandler sein kann. Die Ausgangssignale der Spannungsmesseinrichtungen 26 bis 29 werden Komparatoren 30 bis 33 zugeleitet, die beispiels- weise Schmitt-Trigger sein können und die eine Schaltschwelle aufweisen, die etwas oberhalb des Schleichganges der Gleichstrommotoren liegt. Die Ausgänge der Komparatoren 30 bis 33 werden einer ODER-Stufe 34 zugeführt, die ein Relais 35 ansteuert, dessen Kontakt 35' in der Zuleitung 19 der Endstufen 14 bis 17 liegt. Wird der Schleichgang von irgendeinem der Gleichstrommotoren 4, 6, 10 oder 13 überschritten, wird die Eingangsleitung 19 und damit die Stromversorgung der Endstufen 1L bis 17 unterbrochen. Figur 2 zeigt eine der Figur 1 entsprechende Schaltung, wobei jedoch anstelle der Gleichstrommotoren 4, 5, 10 und 13 Schrittmotoren 36 bis 39 verwendet sina, die über die Zuleitungen 22 bis 25 entsprechende Impulse erhalten, die von der Steuerlogik 18 über die Endstufen 14 bis 17 angesteuert werden. In den Zuleitungen 22 bis 25 sind anstelle der Spannungsmesseinrichtungen 26 bis 29 gemäss Figur 1 Frequenz-Spannungswandler 40 bis L3 vorgesehen, deren Ausgänge mit Eingängen von Komparatoren 30 bis 33 verbunden sind. Letztere steuern über eine QDER-StuDe L ein Relais 5 2n, dessen Kontakt ,5' die Eingangsleitung 19 der Stromversorgung der Endstufen 1L bis 17 unterbricht, wenn einer der Motoren 36 bis 39 eine Geschwindig- keit erreicht, die über einer vorgegebenen Sollfrequenz liegt. Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Antriebsmotoren 4, 6, 10 und 13 sowohl geregelteGleich- strommotoren als auch Motoren irgendeiner Art sein können. Diese Motoren erhalten wie zuvor über Zuleitungen 22 bis 25 und Endstufen 14 bis 17 ihre Steuersignale von der Steuerlogik 18. Die Stromversorgung 20 versorgt sowohl die Steuerlogik 18 als auch über die vingangs- leitung 19 die Endstufen 14 bis 17 mit Strom. Mit 21 ist wiederum ein Schalter bezeichnet, der beim Programmierbetrieb geöffnet wird, während der Kontakt 35' des Relais 35 beim Programmierbetrieb geschlossen wird. Das Relais 35 steht über eine Verbindungsleitung 44 mit einem Beschleunigungsaufnehmer 45 in Verbindung, der mit dem Greifer 11 mechanisch verbunden ist. Der Be schleunigungsaufnehmer 45 gibt eine der jeweiligen Beschleunigung entsprechende Spannung ab. Die Ausgangssignale des Beschleunigungsaufnehmers 'f5 werden wiederum einem Komparator 46 zugeführt, der wie zuvor das Relais 35 steuert. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 wird also der Schleichgang durch Messen der Beschleunigung überwacht. Hierzu ist der Beschleunigungsaufnehmer 45 an einem Punkt des Greifers 11 befestigt, der durch Erhöhung der Geschwindigkeit für das Personal eine Gefahr darstellt. Wird die zulässige Besch eunigung des Greifers 11 überschritten, wird über den Komparator 46 das Relais 35 angesteuert, das die Energiezufuhr zu den Endstufen 14 bis 17 abschaltet. Der Vorteil der erfindungsgemässen Sicherheitsschaltung liegt darin, dass erstens wegen des überschaubaren Auf- wandes an Bauelementen eine zweimalige Ausführung zur Erhöhung der Sicherheit wirtschaftlich vertretbar ist und zweitens die Sicherheitseinrichtung so von der Steuerung des Industrieroboters getrennt ist, dass die Funktion durch Fehler in der Steuerung des Industrieroboters nicht beeinträchtigt wird. 5 Patentansprüche 3 Figuren Bezugszeichenliste 1 Säule 2 Fundament 3 Pfeilrichtung 4 Gleichstrommotor 5 Arm 6 Gleichstrommotor 7 Pfeil 8 Arm 9 Pfeil 10 Gleichstrommotor 11 Greifer 12 Pfeilrichtung 13 Gleichstrommotor EMI8.1 <tb> 14 <tb> <SEP> 15 <SEP> # <SEP> Endstufen <tb> 16 <tb> 17 <tb> 18 Steuerlogik 19 Eingangsleitung 20 Stromversorgung 21 Schalter EMI8.2 <tb> 22 <tb> 23 <SEP> # <SEP> <SEP> Zuleitungen <tb> 24 <tb> 25 <tb> 26 <tb> 27 <SEP> # <SEP> Spannungsmesseinrichtungen <tb> 28 <tb> 29 <tb> <SEP> 30 <tb> 31 <SEP> # <SEP> <SEP> Komparatoren <tb> 32 <tb> 33 <tb> 34 ODER-Stufe 35 Relais EMI8.3 <tb> 36 <SEP> <tb> 37 <SEP> # <SEP> <SEP> Schrittmotoren <tb> 38 <tb> 39 <SEP> # <tb> 40 <tb> 41 <SEP> # <SEP> <SEP> Frequenz-Spannungs <tb> 42 <SEP> wandler <tb> 43 <tb> 44 Verbindungsleitung 45 Beschleunigungsauf- nehmer 46 Komparator

Claims: PatentansDrüche 1. Sicherheitsschaltung für freiprogrammierbare Industrieroboter, die bei Betreten des Arbeitsfeldes des Industrieroboters eingeschaltet wird und die bei unkontrollierten Bewegungen des Industrieroboters diesen unmittelbar stillsetzt, insbesondere beim Programmieren oder Warten des Industrieroboters, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die beim Progranmierbetrieb noch zulässige Geschwindigkeit der Antriebsmotoren (4, 6, 10, 13; 36 - 39) für die einzelnen Bewegungen überwacht wird und dass bei über schreitung derselben eine unmittelbare Abschaltung der Energiezufuhr zu den Endstufen (14 bis 17) der Antriebsmotoren (4, 6, 10, 13; 36 bis 39) erfolg. 2. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass bei Industrieroboterr m < t geregelten Gleichstrommotoren (4, 6, 10, 13) die Höhe der noch zulässigen Ankerspannung überwacht wird. 3. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass in jede der Zuleitungen (22 bis 25) zu den Gleichstrommotoren (4, 6, 10, 13) je eine Spannungsmesseinrichtung (26 bis 29) eingeschaltet ist, deren Ausgangssignale je einem Komparator (30 bis 33) zugeführt werden, die diese Ausgangssignale mit einem Sollwert vergleichen und die bei Cberschreiten dieses So wertes die Energiezufuhr zu den Endstufen (14 bis 17) der Gleichstrommotoren (4, 6, 10, 13) abschalten. 4. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass bei Industrierobotern, deren Achsen durch Schrittmotore (36 bis 39) oder geregelte Asynchronmotoren antreibbar sind, in jede der Zuleitungen (22 bis 25) zu diesen Schrittmotoren (30 bis 39) je ein Frequenz-Spannungswandler (40 bis 43) eingeschaltet ist, deren Ausgangssignale je einem Komparator (30 bis 33) zugeführt werden, die diese Ausgangssignale mit einem Sollwert vergleichen und die bei Überschreiten der Sollfrequenz die Energiezufuhr zu den Motorenendstufen (i4 bis 17) abschalten. 5. Sicherheitsschaltung für freiprogrammierbare Industrieroboter, die bei Betreten des Arbeitsfeldes des Industrieroboters eingeschaltet wird und die bei unkontrollierten Bewegungen des- Industrieroboters diesen unmittelbar stillsetzt, insbesondere beim Programmieren oder Warten des Industrieroboters, dadurch g e k e n n z e 1 c h n e t , dass zumindest an einer Stelle des Armes, der durch Erhöhung der Geschwindigkeit für das Personal eine Gefahr darstellt, ein Beschleunigungsaufnehmer (L5) ange- bracht ist, dass das Ausgangssigral des Beschleunigungs- messers (45) mit einem Komparator (46) verbunden ist, der bei Überschreiten des Maximalwertes einen Schalter (35) ansteuert, der die Energiezufuh zu den Endstufen (14 bis 17) abschaltet.

Inventors: HARTMANN, GUNTER, DIPL.-ING., HILLER, RUDOLF, ING. GRAD.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1983
Main classification: B25J19
IPC codes: B25J9, B25J19