DRIVEN-TOOL HOLDER HEAD FOR MANIPULATORS

Abstract: 1. Gear head for manipulators, consisting of three head parts (1, 2, 3) arranged one behind the other and mounted about axes (5, 6) inclined with respect to each other, whereof the inclined axes (5, 6) in the elongated position of the gear head respectively form an acute angle (alpha) with the longitudinal axis (4) of the gear head, the angles opening in opposite directions and the inclined axes (5, 6) intersecting at a point (9') located on the longitudinal axis (4) such that the sides of the angles formed by the inclined axes (5, 6) point towards a common side of the longitudinal axis (4), an attachment surface (12) for a tool, extending at right angles to the longitudinal axis (4) in the elongated position, being disposed on the front gear head part (3) and provided for driving the gear head parts (1, 2, 3) are three drive shafts (13, 18, 26) extending concentrically with respect to the longitudinal axis (4), whereof one of the inner drive shafts (18) is connected by way of an angular drive (19, 20) and an intermediate shaft (21) rotating about the inclined axis of rotation (5) to the front gear head part (3) supporting the tool and the other of the inner drive shafts (13) is connected by an angular drive (14, 15), whereof the output gear (15) surrounds the intermediate shaft (21) concentrically with clearance, to the central gear head part (2) and that disposed in the central head part (2) is at least one reduction gear (25) having a high step-down ratio for driving the front head part (3), preferably also a reduction gear (17) of this type for driving the central head part (2).

Description: Getriebekopf für Manipulatoren Die Erfindung bezieht sich auf einen Getriebekopf für Manipulatoren mit den aus der DE-AS 27 45 932 vorbekannten Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruches. Im allgemeinen weist ein vorbekannter Manipulator sechs Schwenkachsen auf, von denen die drei letzten Schwenkachsen im Bereiche des Getriebekopfes sich befinden. Die ersten drei Schwenkachsen sind an einem Ständer mit einem Drehgestell und einem Auslegerarm angeordnet, an dem sich der Getriebekopf befindet. Die Grundlage für die Anordnung dieser Schwenkachsen ergibt sich aus der DE OS 24 35 156. Zum Antrieb des Getriebekopfes, der die drei letzten Schwenkachsen enthält, hat sich die konzentrische Anordnung von drei Antriebswellen in einem den Getriebekopf tragenden Arm als zweckmässig erwiesen, wie dies aus der DE-AS 24 02 829 bekannt ist. Mit diesem vorbekannten Getriebe wird die Beweglichkeit einer Hand nachgeahmt, wonach an einem vorderen Gehäuse, welches dem Arm entspricht, über eine Querwelle ein mittleres Gehäuse gelagert ist, welches der Hand mit dem Handwurzelgelenk entspricht, wobei an dem mittleren Gehäuse ein hinteres Gehäuse schwenkbar gelagert ist, welches einem Finger der Hand entspricht. Der Antrieb des hinteren Gehäuses erfolgt über Kegelradsätze mit Hilfe der querliegenden Zwischenwelle. Bei diesem Stand der Technik, dem im Prinzip auch die DE AS 26 19 336 angehört, wird als nachteilig empfunden, dass das hintere Gehäuse in der Streckstellung des Gelenkkopfes keine spitzwinkeligen, insbesondere keine rechtwinkeligen Schwenkbewegungen ohne nennenswerte Unterbrechung durchführen kann. Es muss vielmehr zunächst der vordere Kopfteil eine Schwenkbewegung ausführen, bevor der hintere Kopfteil in die gewünschte Lage gebracht werden kann. Somit sind solche Anlagen nicht in der Lage, das Werkzeug entlang von räumlich gekrUmmten Linien unterbrechungsfrei und kontinuierlich zu führen. Deshalb lehren die DE-OS 29 27 485 ebenso wie die DE-AS 27 45 932, den mittleren Kopfteil entlang einer schrägen Ebene am vorderen Kopfteil rotierfähig zu führen. Demzufolge ist die Zwischenwelle im Getriebekopf schräg zur Achse der konzentrischen Antriebswellen anzuordnen. Mit der konzentrischen Lagerung des hinteren Kopfteils zum vorderen Kopfteil soll erreicht werden, dass die Schwenkachse des hinteren Kopfteiles und damit das daran angeflanschte Werkzeug immer senkrecht zu einem von dem Getriebekopf erreichbaren Punkt eines idrischen Abschnittes stehen kann. Ausserdem gelingt es mit dieser vorbekannten Anordnung, das Werkzeug entlang von räumlich gekrümmten Linien unterbrechungsfrei und kontinuierlich zu führen, also eine Bahnsteuerung zuzulassen. Bei diesem Stand der Technik befindet sich jedoch die Schwenkachse des hinteren Kopfteiles (6. Achse) bei gestreckter Lage des Getriebekopfes koaxial zur Achse der konzentrischen Antriebswellen. Diese Grundstellung bringt Schwierigkeiten bei der rechnerisch gesteuerten Bewegung des Manipulators. Eine vom Programm vorgegebene Verdrehung des Werkzeuges um seine eigene Schwenkachse (6. Achse) lässt in der Durchführung der rechnerischen Vorgabe nämlich offen, ob der Getriebekopf um die Achse der konzentrischen Antriebswellen (4. Achse) oder ob der hintere Kopfteil für sich allein um diese Achse gedreht werden soll. Diese Zweideutigkeit konnte bisher nur durch programm- bzw. steuerungstechnische Mani pulationen, allerdings nur unbefriedigend überwunden werden. Der Erfindung liegt daher zunächst die Aufgabe zugrunde, einen Getriebekopf für Manipulatoren so auszubilden, dass die erwähnten Zweideutigkeiten gar nicht entstehen können. Darüber hinaus strebt die Erfindung an, mit dem Getriebekopf einen wesentlich vergrösserten Bewegungsspielraum bei kompakter Bauweise des Getriebekopfes zu erlangen. Ausgehend von der Lehre der DE-AS 27 45 932 wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Zufolge der schrägen Verdrehbarkeit des hinteren Kopfteiles gegen über dem mittleren wird ein wesentlich vergrösserter Wirkbereich des Werkzeuges erreicht. Da aber die Abtriebswelle nicht koaxial zur Antriebswelle liegt, werden Zweideutigkeiten in der rechnerischen Steuerung vermieden. Im Rahmen eines Ausführungsbeispieles gemäss den Ansprüchen2 und 3 wird gelehrt, die Achsen der Zwischenwelle und der Abtriebswelle in einem Punkt schneiden zu lassen, der koaxial zur Achse der Antriebswellen liegt. Eine solche Massnahme hat den Vorteil der weniger aufwendigen Berechnung als Grundlage für eine Bahnsteuerung. Allerdings wird dadurch die Zentrierachse der Anflanschfläche zur Antrieb achse versetzt. Um dennocv koaxiale Lage des Werkzeuges zur Antrieb achse zu erreichen, was für manche Arbeitsvorgänge bewegungstechnisch vorteilhaft wäre, können Massnahmen getroffen werden, das Werkzeug längs der Anflanschfläche in radialer Richtung beweglich und festspannbar zu führen. Der Gegenstand der Erfindung bietet die Voraussetzung zur besonders geringvolumigen Bauweise des Getriebekopfes, weil im Sinne der Erfindung die Untersetzungsgetriebe abtriebsseitig und im mittleren Getriebekopfteil angeordnet werden können. Obwohl dadurch die Dimension des mittleren Getriebekopfteiles in Richtung der An triebs- achse notwendigerweise vergrössert wird, ergibt sich dennoch ein wesentlich vergrösserter Bewegungsspielraum des Getriebekopfteiles, der es sogar ermöglicht, die Anflanschfläche des hinteren Kopfteils um wesentlich mehr als 900, sogar bis zu 1800 aus der Streckstellung des Getriebekopfes herauszubewegen. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1: eine symbolische Seitenansicht eines Getriebekopfes in seiner gestreckten Lage, Fig. 2: eine Seitenansicht des Getriebekopfes gemäss Fig. 1 mit einer Winkelstellung des hinteren Kopfteiles, Fig. 3: eine Seitenansicht des Getriebekopfes gemäss Fig. 2 mit einer um 1800 verdrehten Lage des Getriebekopfes, Fig. 4: eine Seitenansicht des Getriebekopfes gemäss Fig. 1 mit einer verschwenkten Stellung des mittleren Kopfteiles, Fig. 5: eine Seitenansicht des Getriebekopfes gemäss Fig. 1 mit verschwenkter Lage des mittleren und des hinteren Kopf- teiles und Fig. 6: einen Längsschnitt durch eine konstruktive Gestaltung eines Getriebekopfes mit seinen Antriebszügen. Die Fig. 1 bis 5 dienen zur vorbereitenden Erlavterung der Erfindung. Sie sind allerdings bereits Gegenstand einer älteren, nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 84 108 585.5. In Fig. 1 ist ein Getriebekopf in seiner geometrischen Gliederung ganz schematisch als rohrförmiger Körper dargestellt. Danach be sitzt der Getriebekopf einen vorderen Kopfteil 1, einen mittleren Kopfteil 2 und einen hinteren Kopfteil 3. Der vordere Kopfteil 1 ist um die Achse 4, die im allgemeinen der Längsachse des Auslegers eines Manipulators entspricht, verdrehbar. An diesem vorderen Kopf- teil 1 ist der mittlere kopfteil 2 um die Schwenkachse 5 drehbar gelagert. Beide Achsen 4,5 schneiden sich im Schnittpunkt 7. Am mittleren Kopfteil 2 ist wiederum der hintere Kopfteil 3 um die Schwenkachse 6 drehbar gelagert. Diese Schwenkachse 6 schneidet die Achse 4 im Schnittpunkt 8. Der Schnittpunkt 9 der Schwenkachsen 5,6 befindet sich jedoch radial distanziert von der Achse 4. Die Schwenkachsen 5,6 stehen zueinander in einem stumpfen Winlcelss, was zur Folge hat, dass die Trennebenen der Kopfteile 1,2 bzw. 2,3 zueinander im spitzen Winkel stehen. Vorzugsweise sind die Winkel so gewählt, dass sich Syrrgnetrie ergibt. Im Beispiel steht die schräge Ebene zwischen den einzelnen Kopfteilen 1,2 bzw. 2,3 in einem gleichen Winkel, jedoch in umgekehrter Neigung zur Längsachse 4 des Getriebekopfes 1,2,3. Allerdings beschränkt sich die Erfindung nicht auf einen stumpfen Winkel S zwischen den Schwenkachsen 5,6. Je grösser die Gesamtabwinkelung der Kopfteile 1,2,3 zueinander gewunscht ist, desto kleiner kann der Winkel,9 (sogar über den rechten Winkel hinaus) gewühlt werden. Weiterhin ist im Interesse einer Symnetrie angenommen, dass die Achsen 5 und 6 in einem gleichen Winkel d zur Längsachse 4 stehen. Am hinteren Kopfteil 3 befindet sich eine Flanschplatte 10 mit einer Anflanschfläche 12 zur Befestigung des nicht dargestellten Werkzeuges, beispielsweise eines Schweisswerkzeuges. Mit 11 ist symbolisch ein Markierungsstift bezeichnet, der die Lage des Werkzeuges in Abhungiglceit von den später beschriebenen Schwenk möglichkeiten erkennen lässt. Im Beispiel der Fig. 2 ist die erste, einfache Schwenkmöglichkeit dargestellt, wonach der hintere Kopfteil 3 um die Schwenkachse 6 0 um 180 gedreht wird. Unter der Annahme, dass die Schwenkebenen zwischen den einzelnen Kopfteilen 1,2,3 symmetrisch zueinander sind und den Winkel 90-cC zur Achse 4 bilden, ergibt sih, dass die Verdrehung des hinteren Kopfteiles 3 um seine Schwenkachse 6, und zwar um 1800 , zum Ausschlag dieses Kopfteiles 3 um den Winkel 2cC führt. Wenn man nun den Getriebekopf in der in Fig. 2 gezeigten Stellung um die Achse 4 um 1800 verdreht, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, ergibt sich die spiegelbildliche Stellung des hinteren Kopfteiles 3 gegenüber der Stellung in Fig. 2. Aus der Lage der Achsen 5,6 sieht man, dass in keiner Stellung die Schwenkachse 6 koaxial zur Achse 4 zu liegen kommt, weil in jedem Falle der Schnittpunkt 9 der Achsen 5,6 auf einer 1 < reisbahn um die Achse 4 sich bewegt. Infolgedessen ist eine Zweideutigkeit der Achsenlage ausgeschlossen. Man braucht demnach keine programm- oder steuerungstechnischen Manipulatianen wie beim Stand der Technik durchzuführen. Die Anordnung der Fig. 1 bietet aber darüber hinaus weitere Be wegungsmöglichkeiten des Gelenkkopfes, die sich über diejenigen des Standes der Technik hinaus erstrecken. Fig. 4 zeigt, dass beim Verschwenken des mittleren Kopfteiles 2 um die Schwenkachse 5 sich eine Winkellage ergibt, die derjenigen der Fig. 3 entspricht, ohne dass dabei aber der vordere Kopfteil 1 verdreht worden ist. In dieser in Fig. 4 gezeigten Stellung lässt sich der hintere Kopfteil 3 um die Schwenkachse 6 drehen, so dass sich ein Schwenkwinkel des hinteren Kopfteiles 3 gegenüber dem vorderen Kopfteil 1 um den Betrug 4eC ergibt. Verdreht man in dieser Stellung den vorderen Kopfteil 1 um die Achse 4, dann ergibt sich ein maximaler Bewegungsspielraum für den symbolisch dargestellten Markierungsstift 11 (Fig. 5). Dieser Bewegungsspielraum ist grösser als derjenige des nächstliegenden Standes der Technik. Ausserdem ergibt sich durch die erfindungsgemässe Anordnung der Vorteil, dass die Unfallgefahr beim Verschwenken der Teile 1,2,3 relativ zueinander durch Vermeidung von Eng- und Klemmstellen wesentlich reduziert werden konnte. Andererseits ist der Gegenstand der Erfindung in der Lage, das Werkstück in der gestreckten Lage des Getriebekopfes um die Achse 4 der Antriebswellen zu verschwenken, wie dies Fig. 1zeigt. Zu diesem Zweck braucht lediglich die Flanschplatte 10 senkrecht zur Achse 4 am hinteren Kopfteil 3 angeordnet zu werden. Wünscht man diese Koaxialitat des Stiftes 11 zur Achse 4 der Antriebswellen nicht, bleibt es unbenommen, die Lage der Flanschplatte 10 in einem anderen Winkel zu wählen. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 zeigt den konstruktiven Aufbau des erfindungsgemässen Getriebekopfes in der Strecklage seiner Teile. Danach ist eine innere Antriebswelle 13 über die Kegelräder 14,15 mit einer Hohlwelle 16 verbunden, welche Uber ein Untersetzungsgetriebe 17 mit dem mittleren Kopfteil 2 drehschlüssig verbunden ist. Dieser mittlere Kopfteil 2 wird über diese Kegelradanordnung 14, 15 um die Schwenkachse 5 gedreht. Er ist über geeignete Lagerungen am vorderen Kopfteil 1 um eine zur Schwenkachse 5 senkrechte Ebene geführt. Die mittlere Antriebswelle 18 wirkt über die Kegelräder 19,20 auf die Zwischenwelle 21 ein, die mit der Schwenkachse 5 übereinstimmt. Am Ende der Zwischenwelle 21 sind Kegelräder 22, 23 zum Antrieb der Abtriebswelle 24 vorgesehen, welche sich im hinteren Kopfteil 3 befindet, der seinerseits gegenUber dem mittleren Kopfteil 2 drehbar gelagert ist und zwar um die Schwenkachse 6. Auch hier ist zwischen der Abtriebswelle 24 und dem hinteren Kopfteil 3 ein Untersetzungsgetriebe 25 vorgesehen. Die äussere Antriebswelle 26 wirkt Uber das Untersetzungsgetriebe 27 direkt auf den vorderen Kopfteil 1 ein, der koaxial zum Auslegerarm 28 angeordnet und an diesem drehbar gelagert ist Sämtliche Untersetzungsgetriebe 17,25,27 sind folglich abtriebsseitig angeordnet, was eine weitgehend spielfreie, räumlich kompakte und damit kleinbauende Getriebekopfkonstruktion zur Folge hat. Diese Untersetzungsgetriebe 17,25,27 sind für hohe Untersetzungen vorgesehen. Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 6 liegt der Schnittpunkt 9' der Achse 5 der Zwischenwelle 21 mit der Achse 6 der Abtriebswelle 24 koaxial zur gemeinsamen Achse 4 der Antriebswellen 13, 18, 26. Zu diesem Zweck ist das Kopfteil 1 beim Beispiel in die Flanschteile 30,31 zerlegt, von denen das Flonschteil 30 am Auslegerarm 28 drehbar gelagert ist und das Flanschteil 31 das Lager für den mittleren Kopfteil 2 trägt. Mit dem seitlichen Versatz des Flanschteiles 31 wird die Lage der Achse 5 quer zur Achse 4 versetzt, so dass der Schnittpunkt 9' der Achsen 5 und 6 in die gewünschte koaxiale Lage zur Achse 4 kommt. Die Anflanschfläche 12 ist beim Ausführungsbeispiel radial zur Achse 4 ausgerichtet. Will man das Werkzeug koaxial zur Achse 4 rotieren lassen, braucht man es nur längs der Anflanschflöche 12 radial zu verschieben, bis Koaxialitöt gegeben ist. In diesem Fall wird der Antrieb der Zwischenwelle 21 und der Abtriebswelle 24 blockiert. Unter der Voraussetzung, dass die Anflanschfläche 12 radial zur Achse 4 steht, gelingt es auf diese Weise, das mit der An flansch- fläche 12 verbundene Werkzeug koaxial zur Achse 4 (oder achsparallel verschoben) zu bewegen, was besonders Bedeutung für solche Manipulatoren hat, deren einzelne Glieder entsprechend den rechtwinkeligen Raumkoordinaten beweglich geführt sind und einen erfindungsgemöss ausgebildeten Getriebekopf tragen. StUckliste 1 vorderer Kopfteil 2 mittlerer Kopfteil 3 hinterer Kopfteil 4 Achse der Antriebswellen (4. Achse') 5 Schwenkachse des mittleren Kopfteiles 6 Schwenkachse des hinteren Kopfteiles 7 Schnittpunkt 8 Schnittpunkt 9 Schnittpunkt 9' Schnittpunkt 10 Flanschplatte 11 Markierungsstift 12 Anflanschfläche 13 innere Antriebswelle 14 Kegelrad 15 Kegelrad 16 Hohlwelle 17 Untersetzungsgetriebe 18 mittlere Antriebswelle 19 Kegelrad 20 Kegelrad 21 Zwischenwelle 22 Kegelrad 23 Kegelrad 24 Abtriebswelle (6. Achse) 25 Untersetzungsgetriebe 26 äussere Antriebswelle 27 Untersetzungsgetriebe 28 Auslegerarm 30 Flanschteil 31 Flanschteil

Claims: PatentansprUche 1. Getriebekopf für Manipulatoren, bestehend aus drei hinterein ander angeordneten und um zueinander schräge Achsen gelagerten kopfteilen mit drei konzentrisch zueinander angeordneten An triebswellen, von denen eine der inneren Antriebswellen über Kegelradpaare und eine schräge Zwischenwelle, welche die Schwenk achse für den mittleren Kopfteil bildet, mit dem das Werkzeug tragenden hinteren Kopfteil verbunden und die andere der inneren Antriebswellen mit einem Kegelradpaar, dessen Abtriebsrad die Zwischenwelle konzentrisch mit Spiel umgreift, mit dem mitt leren Kopfteil drehschlüssig gekoppelt ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schwenkachse (6) des hinteren Kopfteiles (3) gegenüber der Anflanschfläche (12) für das Werk 0 zeug in einem 90 ausschliessenden Winkel (oC) und gegenüber der Achse (4) der Antriebswellen in einem 1800 ausschliessenden Winkel (z.B. 180 -d:) liegt und dass im mittleren Kopfteil (2) mindestens ein hochuntersetzendes Untersetzungsgetriebe (25) für den Antrieb des hinteren Getriebekopfes (3), bevorzugt auch ein solches Untersetzungsgetriebe (17) für den Antrieb des mittleren Getriebekopfes (2) angeordnet ist. 2. Getriebekopf nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass sich die Schwenkachse (6) des hinteren opf- teiles (3) mit der Achse (5) der Zwischenwelle (21) in einem koaxial zur Achse (4) der Antriebswellen (13,18,26) befind lichen Punkt (9') schneidet. 3. Getriebekopf nach Anspruch 2 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der vordere Kopfteil (1) aus zwei miteinander seitlich versetzt verbundenen Flanschteilen (30, 31) besteht, wodurch die Achsen (5,6) der Zwischenwelle (21) und der Abtriebswelle (24) quer zur Achse (4) der Antriebs wellen (13, 18, 26) versetzt sind.

Inventors: ZIMMER, ERNST
Applicants: KUKA SCHWEISSANLAGEN & ROBOTER GMBH
Application year: 1984
Main classification: B25J17
IPC codes: B25J17