DE3048067C2 - Getriebeanordnung für den Gelenkkopf eines Manipulators - Google Patents

Description

Schließlich ist durch die J P-A2-Veröffentlichung 54-1 07 060 ein Gelenkkopf für einen Manipulator bekanntgeworden, der bei konzentrischer Lage der Antriebsweilen ohne eine Zwischenwelle auskommt, weil sämtliche Getriebezüge auf der Gelenkachse verzweigt werden. Dies führ! aber notwendigerweise dazu, daß das Gelenkgehäuse eine große Aussparung benötigt, um den Getriebezug zunt Tragkörper hindurchzulegen. Da die Gehäuseaussparung keine Kapselung für eine Ölschmierung zuläßt, können die langsam laufenden Getrieberäder nur mit Fettschmierung ausgeführt werden und sind somit jeder Art von Verschmutzung ausgesetzt Bezüglich des Getriebespiels, der Bewegungsungenauigkeit des Werkzeuges und der infolge geringer Drehzahl hohen Kräfte ergeben sich wie bei den vorerwähnten bekannten Anordnungen weitere erhebliche Nachteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Getriebeanordnung für einen mit dem Ausleger eines Manipulators verbundenen Gelenkkopf zu finden, die eine wesentlich genauere Ausführung der rechnerisch vorgegebenen Bewegungen, ein kleineres Drehvnoment für die Schwenkbewegung des Gelenkgehäuses und eine schlankere Ausbildung des Gelenkkopfes zu erzielen gestattet, ohne daß ein getriebetechnischer Mehraufwand bzw. Erschwernis der Montage und Wartung in Kauf zu nehmen sind

Ausgehend von der DE-AS 24 02 829 wird die Erfindung mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst

Durch die Anordnung der Untersetzungsgetriebe für große Untersetzungen am abtriebsseitigen Ende aller Getriebezüge wird das zwischen den Antriebsmotoren und den Untersetzungsgetrieben vorhandene summierte Spiel durch die Größe der Untersetzung geteilt, was zur Folge hat, daß das Getriebespiel praktisch nicht die genaue Ausführung der rechnerisch vorgegebenen Bewegung beeinträchtigt Trotz der abtriebsseitigen Anordnung der Untersetzungsgetriebe ist es gelungen, den Gelenkkopf wesentlich schlanker und kleiner als bei den angegebenen vorbekannten Konstruktionen zu bauen. Dies wird beim Gegenstand der Erfindung auch dadurch erreicht, daß die Zwischenwelle an der dem Tragkörper abgekehrten Seite, bezogen auf die Gelenkachse, angeordnet ist. Durch diese Maßnahme kann die Gelenkachse in einer minimalen Entfernung vom Tragkörper gelagert sein, wodurch der Hebelarm, nämlich die Distanz der Gelenkachse vom Schwerpunkt des Werkzeuges verringert und das aufzubringende Drehmoment verkleinert wrcd.

Durch die Teilung der Zwischenwelle und der Antriebswelle können deren getriebliche Verbindung an die Außenseite des Basisgehäuses gelegt und öldichte Gehäuse gebildet werden, was die ölschmierung der schnellaufenden Getriebezüge ermöglicht.

Die Merkmale des Anspruches 4 bringen den Vorteil mit sich, daß der von zwei konzentrisch zueinander gelagerten Kegelrädern unterschiedlichen Durchmessers gebildete Distanzraum zwischen dem Zahnkranz des kleineren zu demjenigen des größeren Kegelrades für die Anordnung eines Doppellagers für den kürzeren Teil der Zwischenwelle ausgenutzt werden kann, deren Lagerung damit eindeutig bestimmt ist. Folglich kann das in diesem Doppellager geführte Kegelrad mit seiner Nabe den längeren Teil der Zwischenwelle stützen, d>e folglich an dem ihr zugeordneten Lagerschild nur ein einfaches, also platzsparendes Lager benötigt. Die gleichen Vorteile können für die Lagerung der Antriebswelle in der Gelenkachse ausgenutzt werden. Daraas ergibt sich eine nicht unbeträchtliche Verringerung der Gelenkkopfbreite.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Manipulators mit einem die erfindungsgemäße Getriebeanordnung enthaltenden Ausleger,

Fig.2 einen Längsschnitt entlang der Linie A-A ίο durch den Gelenkkopf des Auslegers gemäß F i g. 1 und F i g. 2a einen Längsschnitt gemäß F i g. 2 in vergrößerter Darstellung.

Der in F i g. 1 dargestellte Manipulator geht von einem um eine horizontale Schwenkachse 9 drehbaren Ausleger 1 aus, der an einem Lenker 69 gelagert ist. welcher seinerseits um die horizontale Schwenkachse 70 des Grundkörpers 71 drehbar ist. Dieser Grundkörper 71 ist um eine vertikale Schwenkachse 73 am Fundament 72 gelagert. Durch die Achsen 73, 70 und 9 ergeben sich somit drei Freiheitsgrade- denen sich weitere drei Freiheilsgrade anschließen, die mit den Bewegungspfeilen I, Il und 111 am Ausleger 1 angedeutet sind. Der Ausleger 1 weist ein Auslegermittelstück 19 und ein Ausleger-Ansatzgehäuse 14 entlang der Längsachse 10 auf, die miteinander starr verbunden und bei 9 gelagert sind und beispielsweise aus Leichtmetallguß bestehen können. Auf der einen Seite der Schwenkachse 9 ist an dem Ausleger 1 ein Antriebsgehäuse 20 angeordnet, das beim Ausführungsbeispiel so dimensioniert und beschaffen ist, daß es ein Gegengewicht zu einem an der anderen Seite des Auslegers 1 angeordneten Gelenkkopf 2 bildet. Das Antriebsgehäuse 20 kann beispielsweise aus Sphäroguß bestehen. Mit ihm sind die Antriebsmotoren 3,4,5 verbunden, welche über Kreuzgelenkwellen 6, 7, 8 zu den Antriebswellen 11, 12, 13 am Ausleger-Ansatzgehäuse 14 geführt sind. Dabei ist darauf zu achten, daß die mittlere Kreuzgelenkwelle 7 etwas außermittig verlegt ist. damit sie an der die Schwenkachse 9 bestimmenden Welle 68 mit geringem Abstand vorbeigeführt werden kann.

In dem Ausleger-Ansatzgehäuse 14 treiben die Antriebswellen 11, 13 koaxiale Hohlwellen 41, 79 (vgl. Fig.2) an. Die Antriebswelle 12 erfährt, koaxial in Hohlwellen 41 und 79 gelagert, ihre Fortsetzung in WeI-Ie 33. Da zwischen den Antriebsmotoren 3,4,5 und den Antriebswellen 11, 12,13 keine Untersetzung vorgesehen ist, können die Kreuzgelenkwellen 6,7,8 wegen des zu übertragenden geringen Drehmomentes klein und gewichtssparend ausgebildet werden, so Am Ausleger-Ansatzgehäuse 14 ist der Gelenkkopf 2 geführt. Dies geschieht beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1, 2 und 2a dadurch, daß im Ansatzgehäuse 14 ein Bavigehäuse 15 um die Längsachse 10 drehbar gelagert und über den Motor 5 und die Kreuzgelenkwelle 8 angetrieben ist, woraus sich der Freiheitsgrad entsprechend dem Pfeil I ergibt. Am Basisgehäuse 15 ist um die Gelenkachse 17 ein Gelenkgehäuse 18 schwenkbar gelagert und über den Motor 3 mit der Kreuzgelenkwslle 6 angetrieben, so daß sich ein Freiheitsgrad des Gelenkgehäuses 18 entsprechend dem Pfeil Il ergibt. Im Gelenkgehäuse 18 ist ein Tragkörper 40 um seine Längsachse gelagert und über den Motor 4 und die Kreuzgelenkwelle 7 angetrieben, was zum Freiheitsgrad gemäß Pfeil III führt.

Im Gelenkkopf 2 ist mix 16 eine Zwischenwellenachse bezeichnet, deren Funktion im Ausführungsbeispiel der F i g. 2 und 2a beschrieben ist.
In F i g. 2 sind die Antriebszüge für das Basisgehäuse.

das Gelenkgehäuse und den Tragkörper symbolhaft dargestellt. Eine Verdeutlichung ergibt sich aus der vergrößerten Darstellung in F i g. 2a.

Antriebszug für das BasisgehäuseiS

Die in Fig. 1 dargestellte Kreuzgelenkwelle 8 ist mit der Antriebswelle 13 verbunden, welche ihrerseits im Ausleger-Ansatzgehäuse 14 gelagert ist. Über die Zahnräder 58,59 wird die Abtriebswelle 61 des Basisgehäuses 15 angetrieben, wobei mit 60 ein Untersetzungsgetriebe bezeichnet ist. das an der Abtriebswelle 61 sitzt und eine hohe Untersetzvng zu erzeugen gestattet.

Die Untersetzung kann beispielsweise zwischen 70 :1 und 120 : I liegen. Hierfür sind herkömmliche Getriebe anwendbar, die beispielsweise als Harmonic-Drive, Cyclo-Getriebe oder dgl. bezeichnet sind. Die Abtriebswelle 61 ist im Doppellager 74 am Ansatzgehäuse 14 gci'ünft. iviii ucT AuinCuSWCiiG ut ΐ5ϊ 3Ϊ3ΓΓ uSS uaSiSgC-häuse 15 verbunden, welches im wesentlichen aus den die Seilenwände bildenden Lagcrschilden 49,51, 82,83, den Abdeckwänden 65 und 66 sowie dem Quersteg 75 besteht. Dieses Basisgehäuse 15 ist also um die Längsachse 10 des Auslegers 1 rotierfähig.

Antriebszug für das Gelenkgehäuse 18

Wie bereits zu Fig. 1 dargestellt, soll das Gclenkgchäuse 18 am Basisgehäuse 15 um die Gelcnkachse 17 schwenkbar gelagert und angetrieben werden. Hierzu wird die mit der Kreuzgelenkwelle 6 verbundene Antriebswelle 11 verwendet, die im Ausleger-Ansatzgehäuse 14 gelagert ist und über die Zahnräder 62,63 eine Hohlwelle 41 antreibt, welche ihrerseits innerhalb der Antriebswelle 61 für das Basisgehäuse 15 koaxial gelagert ist. Am Ende dieser Hohlwelle 41 sitzt ein Kegelrad 42, ds£ mit einem um die Achse 16 ^v°L Fi⁰. O rotierenden Kegelrad 43 kämmt. Das diesem Kegelrad 43 zugeordnete Wellenteil 47a der Zwischenwclle 47 ist auf der einen Seite im Lagerschild 49 des Basisgchäuscs 15 einfach gelagert. Die gegenüberliegende Lagerung wird später beschrieben. Das Wcllenteil 47a erstreckt sich durch das Einfachlager 48 des Lagcrschildcs 49 und trägt auf der Außenseite des Lagerschildes 49 ein Riemenrad 52, das über einen Zahnriementrieb 44 auf ein konzentrisch zur Gelenkachse 17 angeordnetes Riemenrad 76 antreibt Auf dem mit dem Riemenrad 76 verbundenen Antriebswellenteil 55a befindet sich ein Untersetzungsgetriebe 45. dessen Untersetzung ebenfalls vorzugsweise in der Größenordnung 70:1 bis 120 :1 sein soll. Da» Antriebsrad dieses Untersetzungsgetriebes 45 ist ortsfest mit dem Gelenkgehäuse 18 verbunden, wohingegen das Antriebswellenteil 55a im Lagerschild 81 des Gelenkgehäuses 18 im Lager 57 drehbar gelagert ist Das Gelenkgehäuse 18 ist über die Lager 46 am Basisgehäuse 15 um die Gelenkachse ^drehbar geführt Das Gelenkgehäuse 18 ragt durch eine stirnseitige Aussparung des Basisgehäuses 15 nach außen, wobei die Aussparung so beschaffen ist daß ein großer Schwenkweg des Gelenkgehäuses 18 mit seinem nach außen vorstehenden Teil um die Gelenkachse 17 ermöglicht wird.

Antriebszug für den Tragkörper 40

Die in Fig. 1 dargestellte Kreuzgelenkwelle 7 ist mit der koaxial zur Längsachse 10 angeordneten Antriebswelle 12,33 verbunden, die in der Hohlwelle 41 gelagert ist. Am Ende der Welle 33, welche das Kegelrad 42 durchdringt, sitzt ein Kegelrad 34, das mit dem um die Zwiüchenwellcnachse 16 rotierenden Kegelrad 35 zusammenwirkt. Dieses Kegelrad 35 sitzt auf dem kürzeren Wellenteil 47b der Zwischenwclle 47. Dieses kürzere Wcllenteil 47 fc ist über ein Doppellager 50 im Lagerschild 51 des Basisgehäuses 15 kippfrei gelagert und trägt an der Außenseite des Lagerschildes 51 ein Riemenrad 53, welches über den Zahnriementrieb 36 auf

ίο ein um die Gclenkachse 17 rotierendes Riemenrad 77 einwirkt.

Die Nabe des auf dem kürzeren Wellenteil 47 b sitzenden Kegelrades 35 trägt ein Einfachlager 54, in dem das längere Wcllenteil 47a der Zwischenwelle 47 gelagert ist. Das Doppellager 50 kann unter voller Ausnutzung des durch den Durchmesserunterschied der Kegelräder 42,34 gebildeten freien Raumes kompakt gestaltet werden, so daß eine einwandfreie Zentrierung und Führung de:, !ängcrc.i WeüsnteHes 47a gewährleistet ist. Zugleich wird dadurch erheblicher Platz entlang der Achse 16 der Zwischenwelle 47 eingespart.

Das angetriebene Riemenrad 77 sitzt auf einem kürzeren Antriebswellenteil 55öder um die Gelenkachse 17 rotierenden Antriebswelle 55. Dieses kürzere Antriebswellenteil 556 ist wiederum über ein Doppellager 64 im Lagerschild 80 des Gelenkgehäuses 18 gelagert und trägt ein Kegelrad 38, welches mit dem auf der Antriebswelk. 57 des Tragkörpers 40 sitzenden Kegelrad 37 zusammenwirkt. Zufolge des Doppellagers 64 kann die Nabe des Kegelrades 38 als Lager 56 für den längeren Antriebswellentei! 55a (der Antriebswelle des Gelenkgehäuses 18) ausgebildet werden. Die Antriebswelle 67 des Tragkörpers 40 ist im Gelenkgehäuse 18 gelagert und trägt ein Untersetzungsgetriebe 39, an dem

J5 abtriebsscitig der Tragkörper 40 befestigt ist. Dieser Tragkörper 40 ist seinerseits in dem über das Basisgehäuse 15 hinausstehenden Teil 78 des Gelenkgehäuses 18 gelagert. Der Tragkörper 40 führt also bei der in Fig. 2 gezeigten Grundstellung eine Drehbewegung um die Längsachse 10 aus. Da aber der Tragkörper 40 bei 78 im Gelenkgehäuse 18 gelagert ist. schwenkt der Tragkörper 40 mit dem Gelenkgehäuse 18 um die Gclenkachse 17, so daß dann bei ausgeschwenkter Stellung der Tragkörper 40 zwar nach wie vor um die Antriebswelle 67, aber nicht mehr um die Längsachse 10 rotiert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 Die zugehörigen Antriebswellen werden durch den In-Patentansprüche: nenraum des Auslegers geführt Der Gelenkkopf besteht aus einem Basisgehäuse, ei-

1. Getriebeanordnung für den Gelenkkopf eines nem Gelenkgehäuse und einem Tragkörper. Das Basis-Manipulators, der mit einem Basisgehäuse am Ende 5 gehäuse ist um die Längsachse des Auslegers an diesem eines Auslegers um dessen Längsachse drehbar ge- gelagert. Um eine quer zu dieser Längsachse sich erlagert ist und der ein quer zur Längsachse gelagertes streckende Gelenkachse ist das Gelenkgehäuse im Ba-Gelenkgehäuse aufnimmt, in dem ein bei Streckstei- sisgehäuse schwenkbar gelagert Der Tragkörper ist lung des Gelenkkopfes koaxial zur Längsachse gela- wiederum im Gelenkgehäuse drehbar gelagert Be? gegerter Tragkörper zur Aufnahme des Werkzeuges 10 streckter Stellung der Baugruppen des Gelenkkopfes ist angeordnet ist, wobei das Basisgehäuse, das Gelenk- die Rotationsachse des Tragkörpers koaxial zur Rotagehäuse und der Tragkörper durch konzentrisch zu- tionsachse des Basisgehäuses.

einander im Ausleger angeordnete Wellen unter Die Antriebswellen für diese Baugruppen werden in

Einbeziehung von Untersetzungsgetrieben angetrie- zueinander konzentrischer Lage bis an bzw. in das Baben, sowie Zwischengetriebe mit Kegelrädern zum 15 sisgehäuse und von dort mit Hilfe von Kegelräder auf-Antrieb des Gelenkgehäuses und des Tragkörpers weisenden Zwischengetrieben über die Gelenkachse bis vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, an das Gelenkgehäuse bzw. den Tragkörper geführt
daß die Untersetzungsgetriebe als solche für hohe Bei dieser bekannten Anordnung sind Getriebe für

Untersetzungen (z. B. 70 :1 bis 120 :1) ausgebildet verhältnismäßig geringe Untersetzungen antriebsseitig und am abtriebiseitigen Ende aller Getriebezüge im 20 angeordnet, was notwendigerweise zu sehr groß zu di-Gelenkkopf angeordnet sind und daß die Zwischen- mensionierenden Getriebewellen innerhalb des Gelenkgetriebe für den Antrieb des Gelenkgehäuses (18) kopfes führt Da die Zwischengetriebe außerdem paral- und des Tragkörpers (40) auf einer geteilten Zwi- IeI zur Längsachse des Auslegers angeordnete Zwischenwelle (47) verzweigt sind, die sich parallel zur schenwellen benötigen, wird der Querschnitt des Ge-Gelenkachse (17) an der dem Tragkörper (40) abge- 25 lenkkopfes zusätzlich vergrößert, was sich besonders kehrten Seite befindet deren Teile (47a, 47b) in als bei schwer zugänglichen Arbeitsstellen außerordentlich Lagerschilde (49, 51) ausgebildeten Seitenwänden nachteilig bemerkbar macht Die Zwischengetriebe fühdes Basisgehäuses (15) gelagert und außerhalb die- ren wegen ihres unvermeidlichen Zahnspieles zu beser Seitenwände mit entsprechenden Wellenteilen trächtlichen Ungenauigkeiten der Werkzeugbewegung. (55a, 55b) der konzentrisch zur Gelenkachse (17) an- 30 Bei einem aus der DE-AS 26 19 336 bekannten Manigeordneten Antriebswelle (55) für den Antrieb des pulator ist ein die Anlriebsmotoren und Untersetzungs-Gelenkgehäuses (18) und des Tragkörpers (40) ge- getriebe für geringfügige Untersetzungen aufnehmentrieblich verbunden sind. des Gehäuse im rechten Winkel zur Längsachse des

2. Getriebeanordr.ung m>cb Anspruch 1, dadurch Auslegers an diesem angeflanscht In diesem Gehäuse gekennzeichnet, daß die getriebiche Verbindung 35 ist das Basisgehäuse drehbar um eine zur Längsachse der Wellenteile (47a, 55a und 47fc, 55b) als Zahnrie- des Auslegers senkrecht stehende Achse gelagert, welmenantrjeb (36,44) ausgebildet ist ches vom Gelenkgehäuse umgriffen wird. Die zueinan-

3. Getriebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch der konzentrischen Antriebe für das Gelenkgehäuse gekennzeichnet, daß das Basisgehäuse (15) als in und für den darin gelagerten Tragkörper werden auf der Längsachsenrichtung (10) sich erstreckender, schlan- 40 Gelenkachse mit Kegelrädern verzweigt, was bezüglich ker Körper, der das Gelenkgehäuse (18) mit gabel- des Antriebes des Tragkörpers eine Zwischenwelle mit förmig vorstehenden Lagerschilden (82, 83) um- Winkelgetriebe erforderlich macht, die zwischen der greift, ausgebildet ist. Gelenkachse und dem Tragkörper parallel zur Gelenk-

4. Getriebeanordnung nach Anspruch I oder fol- achse im Gelenkgehäuse gelagert ist. Dadurch ergibt genden, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils 45 sich eine wesentliche Vergrößerung des Abstandes des kürzere Wellenteil {47b, 55b)der Zwischenwelle (47) Schwerpunktes des das Werkzeug führenden Tragkör- und der Antriebswelle (55) in einem Lagerschild (51, pers von der Gelenkachse mit der Folge der erheblichen 80) des Basisgehäuses (15) bzw. des Gelenkgehäuses Steigerung der dynamischen und statischen Kräfte beim (18) über ein Doppellager (50, 64) geführt und daß Beschleunigen und Verzögern der Werkzeugbewegung, der jeweils längere Wellenteil (47a) im Lagerschild 50 Wegen des im Gclenkkopf unweigerlich auftretenden (49) des Basisgehäuses (15) und der Wellenteil (55a) Getriebespiels ist eine erhebliche Ungenauigkeit der im Lagerschild (81) des Gelenkgehäuses (18) einfach Werkzeugbewegung die Folge.

gelagert sowie in der Nabe des jeweils auf dem kür- Mit der DE-OS 22 26 407 wird zwar angedeutet, das

zeren Wellenteil (476, 55ο; sitzenden Kegelrades Getriebespiel dadurch zu verringern, daß man Unter-PS, 38) abgestützt ist. 55 Setzungsgetriebe für große Untersetzungen mehr ab-

triebsscitig anordnet. Dies gelingt aber nur beim An-

trieb des Basisgehäuses, wohingegen wesentliche Teile

der Antriebe des Gelenkgehäuses und des Tragkörpers abtriebsscitig noch hinter den Untersetzungsgetrieben

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gctriebeanord- t>o zu liegen kommen und mithin ein zu großes Getriebenungfür den Gelenkkopf eines Manipulators mit den im spiel bedingen. Überdies sind die Bauelemente dieses Oberbegriff des Hauptanspruches aufgeführten Merk- vorbekannten Getriebekopfes nicht koaxial, sondern malen. rechtwinklig zueinander angeordnet, wodurch sich un-

Eine solche Anordnung ist aus der DE-AS 24 02 829 günstige Hebelarme bei Belastung des Werkzeuges bekannt Danach trägt ein um eine horizontale Achse b5 längs der Tragkörperachsc und eine besonders schwieschwenkbarer Ausleger an seinem einen Ende den Gc- rige Transformation der im Koordinatensystem vorgelenkkopf und an seinem anderen Ende die Antriebsmo- gebenen Bewegungsbahn auf die Steuerung der Handtoren für die den Gelenkkopf bildenden Baugruppen. achsen des Gelenkkopfes ergeben.