DE102017122067A1

DE102017122067A1 - milling robot

Info

Publication number: DE102017122067A1
Application number: DE102017122067.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Hase; Florian Rengel; Robert Merk; Florian Hörmann
Original assignee: Roschiwal and Partner Ingenieur Augsburg GmbH; Roschiwal Partner Ingenieur Augsburg GmbH
Current assignee: Roschiwal and Partner Ingenieur Augsburg GmbH; Roschiwal Partner Ingenieur Augsburg GmbH
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Roboterarm (15) umfassend:- ein proximales Ende (16) zur Anbindung an einen Sockel (14),- ein distales Ende (17) zum Halten eines spanabhebenden Werkzeuges (19), und- eine das proximale Ende (16) und das distale Ende (17) miteinander eine verbindende kinematische Kette aus wenigstens einem ersten Kettenglied (20, 21) und einem zweiten Kettenglied (21, 22), die über ein Achslager (25) gegeneinander um eine Rotationsachse (24) verschwenkbar gehalten sind, gekennzeichnet durch- einen Antrieb (26, 41) zum Anlegen eines Schwenkmomentes (38) an das erste oder zweite Kettenglied (20, 21, 22) mit einem Kraftarm (39), der größer ist, als ein Lagerradius (40) des Achslagers (25).The invention relates to a robot arm (15) comprising: a proximal end (16) for connection to a pedestal (14), a distal end (17) for holding a cutting tool (19), and a proximal end (16 ) and the distal end (17) with each other a connecting kinematic chain of at least a first chain link (20, 21) and a second chain link (21, 22), which are held by an axis bearing (25) against each other about a rotation axis (24) pivotally characterized by - a drive (26, 41) for applying a pivoting moment (38) to the first or second chain link (20, 21, 22) with a force arm (39) which is larger than a bearing radius (40) of the journal bearing (25).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboterarm gemäß dem Oberbegriff des geltenden Anspruchs 1 und einen Roboter mit dem Roboterarm.The present invention relates to a robot arm according to the preamble of the current claim 1 and a robot with the robot arm.

Ein Roboterarm gemäß dem Oberbegriff des geltenden Anspruchs 1 ist aus der EP 2 407 283 B1 bekannt.A robotic arm according to the preamble of the current claim 1 is known from EP 2 407 283 B1 known.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Roboterarm zu verbessern.It is an object of the invention to improve the robot arm.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is solved by the features of the independent claim. Preferred developments are the subject of the dependent claims.

Roboter mit dem eingangs genannten Roboterarm werden in der Regel als Handlinggeräte verwendet. Für die geforderte Positionierungsgenauigkeit solcher Handlinggeräte haben sich Toleranzen im Bereich unter einem Millimeter und Steifigkeiten von 1 N/µm als ausreichend gezeigt. Auf darüber hinausgehende Positionierungsgenauigkeiten und Steifigkeiten kann bei Handlinggeräten zugunsten der Herstellungskosten verzichtet werden. Allerdings sind Roboter mit derartigen Steifigkeiten und Toleranzen zur Verwendung als Werkzeugmaschine, insbesondere als Fräsmaschine, ungeeignet. Zwar könnte den Nachteilen solcher Roboter durch eine geeignete Programmierung entgegengewirkt werden, allerdings kann die Software die grundsätzlichen strukturellen Probleme solcher Roboter nicht überwinden. Auch ist es zur Minimierung der Toleranzen bekannt, spielfreie Getriebe in Robotern einzusetzen. Allerdings weisen diese spielfreien Getriebe eine Steifigkeitsschwäche auf, wenn die Belastung auf das Betriebe die Richtung wechselt. Dieser Effekt ist als Lost Motion Effekt bekannt.Robots with the robot arm mentioned in the beginning are generally used as handling devices. Tolerances in the range below one millimeter and stiffnesses of 1 N / μm have been found to be sufficient for the required positioning accuracy of such handling devices. On beyond positioning accuracies and stiffness can be dispensed with handling equipment in favor of the manufacturing cost. However, robots with such rigidity and tolerances are unsuitable for use as a machine tool, in particular as a milling machine. Although the disadvantages of such robots could be counteracted by suitable programming, the software can not overcome the basic structural problems of such robots. It is also known to minimize the tolerances to use backlash-free gearboxes in robots. However, these backlash-free transmissions have a stiffness weakness when the load on the operation changes direction. This effect is known as the Lost Motion effect.

Zwei Kettenglieder der kinematischen Kette eines herkömmlichen Roboterarms werden über eine Welle gegeneinander verdreht. Ein Antrieb trägt hier ein Drehmoment in die Welle ein, dessen Kraft- oder Hebelarm nicht größer ist, als der Radius der Welle. Dem Roboterarm gemäß dem geltenden Anspruch 1 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die zuvor genannten Nachteile hinsichtlich Steifigkeit und Positioniergenauigkeit ihre Ursache gerade in dem geringen Kraftarm haben, weil die Kettenglieder diesem Kraftarm einen vergleichsweise großen Gegenhebel entgegensetzen. Dieser Gegenhebel wird umso größer je näher das zu drehende Kettenglied am proximalen Ende und damit am Sockel des Roboters liegt. Daher wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, den Kraftarm größer auszugestalten, als ein Lagerradius des Lagers, in dem die Welle gelagert ist, und damit einem Radius der Welle, die die Kettenglieder gegeneinander verdreht.Two chain links of the kinematic chain of a conventional robot arm are rotated by a shaft against each other. A drive here enters a torque in the shaft whose force or lever arm is not greater than the radius of the shaft. The robotic arm according to the current claim 1 is based on the finding that the aforementioned disadvantages in terms of rigidity and positioning accuracy have their cause especially in the low power arm, because the chain links oppose this force arm with a comparatively large counter lever. This counter lever is the larger the closer the link to be rotated at the proximal end and thus the base of the robot. Therefore, it is proposed with the present invention to design the power arm greater than a bearing radius of the bearing in which the shaft is mounted, and thus a radius of the shaft which rotates the chain links against each other.

Anders als bei herkömmlichen Robotern müssen die beiden zuvor genannten Kettenglieder nicht zwangsläufig über eine Welle miteinander verbunden sein, weil das Schwenkmoment unmittelbar an einem der Kettenglieder angreifen kann. Daher können die beiden Kettenglieder in angegebenen Roboterarm sowohl über eine Welle als auch über eine Achse gegeneinander gelagert werden.Unlike conventional robots, the two aforementioned chain links do not necessarily have to be connected to one another via a shaft because the pivoting moment can act directly on one of the chain links. Therefore, the two chain links can be stored in specified robot arm both via a shaft and an axis against each other.

Mit den Bereichen für den Kraftarm nach Anspruch 2 konnten die Steifigkeit des Roboterarms auf mehr als 10 N/µm erhöht und die Positionierfehler des Endeffektors auf weniger als 1/10 mm reduziert werden, ohne dass ein Lost Motion Effekt auftritt. Dies kommt bereits nahe an die notwendigen Anforderungen an Werkzeugmaschinen heran.With the ranges for the force arm according to claim 2, the rigidity of the robot arm could be increased to more than 10 N / μm and the positioning error of the end effector reduced to less than 1/10 mm, without a Lost Motion effect occurs. This is already close to the necessary requirements for machine tools.

Mit dem Torquemotor als Antrieb gemäß Anspruch 3 lässt sich der Kraftarm unmittelbar an den Kettengliedern ansetzen, wodurch keine weiteren Positionierungsfehler und Steifigkeiten durch Getriebe oder dergleichen hervorgerufen werden.With the torque motor as drive according to claim 3, the power arm can be attached directly to the chain links, whereby no further positioning errors and stiffness caused by gear or the like.

Mit dem Antrieb nach Anspruch 4 kann der Grundgedanke hinter der beanspruchten Erfindung vergleichsweise kostengünstig, bauraumsparend und gewichtsarm ungesetzt werden.With the drive according to claim 4, the basic idea behind the claimed invention can be set comparatively inexpensive, space-saving and low-weight.

Mit dem Roboterarm nach Anspruch 5 lassen sich die Schwenkmomente axial versetzt zu den zu verdrehenden Kettengliedern anordnen, ohne dass die beiden Kettenglieder winklig zur Rotationsachse verkippt werden. Auf diese Weise lässt sich zwischen den Schwenkmomenten ein axialer Abstand frei halten, in dem beispielsweise Kabel, Hydraulikleitungen oder dergleichen verlegbar ist.With the robot arm according to claim 5, the pivoting moments can be axially offset from the chain links to be rotated, without the two chain links being tilted at an angle to the axis of rotation. In this way, an axial distance can be kept free between the pivoting moments, in which, for example, cables, hydraulic lines or the like can be laid.

Der Roboterarm nach Anspruch 6 bewirkt eine Verspannung, mit der ein Spiel zwischen den beiden Kettengliedern minimiert und so die Positionierungsgenauigkeit und die Steifigkeit maximiert werden.The robotic arm of claim 6 provides a tension that minimizes play between the two links to maximize positioning accuracy and rigidity.

Die Stirnradgetrieben nach Anspruch 7 sind beständig und steif.The spur gears according to claim 7 are durable and stiff.

In dem Roboterarm nach Anspruch 8 lässt sich der Winkelgeber unmittelbar an dem zu drehenden Kettenglied anbringen, ohne dass ein Antrieb dazwischen geschaltet ist, der den Winkelgeber vom Kettenglied entkoppelt und einen Messfehler in den Aufbau einbringt.In the robot arm according to claim 8, the angle encoder can be attached directly to the chain link to be rotated, without a drive is connected in between, which decouples the angle sensor from the chain link and introduces a measurement error in the structure.

Besitzt das Abtriebsritzel die Form eines Rings oder Ringsegmentes gemäß Anspruch 9, so lässt sich ein axialer Abstand zwischen dem Winkelgeber und dem zu drehenden Kettenglied minimieren.If the output pinion has the shape of a ring or ring segment according to claim 9, then an axial distance between the angle sensor and the chain link to be rotated can be minimized.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise wie diese erreicht werden, werden verständlicher im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines in einem Werkzeugmaschinengehäuse verbauten Roboters,
2 den Roboter aus 1 isoliert in einer perspektischen Ansicht,
3 den Roboter aus 2 ohne Schutzabdeckungen und Energieversorgungsleitungen in einer perspektivischen Ansicht,
4 eine perspektivische Schnittdarstellung des Roboters aus 3 in einem Gelenkbereich zwischen zwei Kettengliedern,
5a eine schematische Darstellung des Roboters aus 2 von der Seite,
5b eine schematische Darstellung eines alternativen Roboters von der Seite, und
6 eine perspektivische Schnittdarstellung des Roboters aus 3 in einem Gelenkbereich zwischen zwei Kettengliedern in einer alternativen Ausführung.

The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become more apparent in connection with the following description of the embodiments which will be described in connection with the accompanying drawings. Show it:

1 a perspective view of a built-in machine tool housing robot,
2 the robot off 1 isolated in a perspective view,
3 the robot off 2 without protective covers and power supply lines in a perspective view,
4 a perspective sectional view of the robot 3 in a joint area between two chain links,
5a a schematic representation of the robot 2 of the page,
5b a schematic representation of an alternative robot from the side, and
6 a perspective sectional view of the robot 3 in a joint area between two chain links in an alternative embodiment.

In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben. Die Figuren sind rein schematisch und geben vor allem nicht die tatsächlichen geometrischen Verhältnisse wieder.In the figures, the same technical elements are provided with the same reference numerals and described only once. The figures are purely schematic and above all not reflect the actual geometric conditions.

Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugmaschinengehäuses 1 zeigt, in dem ein Roboter 2 verbaut ist.It will open 1 Reference is made, which is a perspective view of a machine tool housing 1 shows in which a robot 2 is installed.

Das Werkzeugmaschinengehäuse 1 weist eine Rückwand 3 auf, die einen bodenseitigen Behälterbereich 4 mit einer Deckplatte 5 verbindet. Der Roboter 2 ist kopfüber an der Deckplatte 5 montiert und zum bodenseitigen Behälterbereich 4 hingerichtet.The machine tool housing 1 has a back wall 3 on, which has a bottom-side tank area 4 with a cover plate 5 combines. The robot 2 is upside down on the cover plate 5 mounted and to the bottom tank area 4 executed.

Auf einer der Rückwand 3 gegenüberliegenden Seite kann ein Bediener 6 stehen. Ferner werden dort die Rohteile 7 durch den Roboter 2 zu einem Werkstück 10 bearbeitet. Der Roboter 2 holt sich die Rohteile 7 selbstständig vom Bearbeitungstisch 9 und legt sie als bearbeitete Werkstücke 10 dort auch wieder ab. Der Bediener 6 ist somit nur noch für Umrüst- und Wartungsarbeiten notwendig.On one of the back wall 3 opposite side may be an operator 6 stand. Furthermore, there are the blanks 7 through the robot 2 to a workpiece 10 processed. The robot 2 gets the blanks 7 independently from the working table 9 and submit them as machined workpieces 10 there again off. The operator 6 is therefore only necessary for retooling and maintenance.

Auf einer dem Ablagetisch 8 gegenüberliegenden Seite des Werkzeugmaschinengehäuses 1 ist ein Magazin 11 angeordnet, in welchem nicht weiter dargestellte Werkzeuge aufbewahrt werden, mit denen der Roboter 2 zur Bearbeitung der Rohteile 7 bestückbar ist. Auf einer dem Behälterbereich 4 gegenüberliegenden Seite der Rückwand 3 ist ein Späne-Förderer 12 angeordnet, der bei der Bearbeitung der Rohteile 7 entstehenden Spanabfall aus dem Behälterbereich 4 abfördert und in einen Auffangbehälter 13 ausstößt.On a the storage table 8th opposite side of the machine tool housing 1 is a magazine 11 arranged in which are stored not shown tools with which the robot 2 for processing the blanks 7 can be equipped. On a tank area 4 opposite side of the rear wall 3 is a chip conveyor 12 arranged when processing the blanks 7 resulting chip waste from the container area 4 removes and into a collection container 13 ejects.

Nachstehend wird auf den Roboter 2 anhand von 2 näher eingegangen.Below is the robot 2 based on 2 discussed in more detail.

Der Roboter 2 umfasst einen Sockel 14 und einen Roboterarm 15 mit einem proximalen Ende 16, das mit dem Sockel 14 verbunden ist und einem distalen Ende 17, an dem ein Endeffektor 18 in Form eines Spannfutters zum Halten eines spanabhebenden Werkzeuges 19, hier in Form eines Fräsbohrers gehalten ist.The robot 2 includes a pedestal 14 and a robotic arm 15 with a proximal end 16 that with the pedestal 14 is connected and a distal end 17 at which an end effector 18 in the form of a chuck for holding a cutting tool 19 , held here in the form of a Fräsbohrers.

Das proximale Ende 16 und das distale Ende 17 sind durch eine kinematische Kette aus einem ersten Kettenglied 20, einem zweiten Kettenglied 21 und einem dritten Kettenglied 22 miteinander verbunden. Hierbei erstreckt sich das erste Kettenglied 20 von proximalen Ende 16 in Richtung des distalen Endes 17 und das dritte Kettenglied 22 vom distalen Ende 16 aus in Richtung des proximalen Endes 16, wobei das zweite Kettenglied 21 das erste Kettenglied 20 und das dritte Kettenglied 22 an ihrem dem jeweiligen Ende 16, 17 der kinematischen Kette gegenüberliegendem Ende miteinader verbindet.The proximal end 16 and the distal end 17 are by a kinematic chain of a first link 20 , a second chain link 21 and a third chain link 22 connected with each other. In this case, the first chain link extends 20 from the proximal end 16 towards the distal end 17 and the third chain link 22 from the distal end 16 out towards the proximal end 16 , wherein the second chain link 21 the first chain link 20 and the third chain link 22 at their respective end 16 . 17 connects the kinematic chain opposite end miteinader.

Die einzelnen Kettenglieder 20 bis 22 sind an ihren Verbindungsstellen, nachstehend Gelenke 23 genannt, gegeneinander um eine Rotationsachse 24 verschwenkbar über Achslager 25 gehalten. Mit dem Ausdruck Achslager soll dabei verdeutlicht werden, dass die jeweiligen Kettenglieder 20 bis 22 im mechanischen Sinn gegeneineinander verschwenkbar entweder über eine Welle oder eine Achse gehalten sind.The individual chain links 20 to 22 are at their joints, hereafter joints 23 called, against each other about a rotation axis 24 swiveling via axle bearings 25 held. The term axle bearing is intended to clarify that the respective chain links 20 to 22 in the mechanical sense against each other are pivotally held either about a shaft or an axis.

Die einzelnen Kettengleider 20 bis 22 werden an den Gelenken 23 über Antriebe 26 gegeneinander um die Rotationsachsen 24 gedreht. Die in 2 nicht weiter zu sehenden Kraftquellen der Antriebe 26 liegen ausgehend von der jeweiligen Rotationsachse 24 radial beabstandet zum jeweiligen Achslager 25. Ferner sind jedem Gelenk 23 zwei axial beabstandete Antriebe 26 zugeordnet, wobei die Kettenglieder 20 bis 22 axial zwischen den Antrieben 26 angeordnet sind. Sind über Energieversorgungsleitungen 27 an eine nicht weiter referenzierte Energieversorgungsquelle angeschlossen. Die Energieversorgung kann anwendungsabhängig beliebig, beispielsweise hydraulisch oder elektrisch gewählt werden, worauf der Kürze halber allerdings nicht näher eingegangen werden soll.The individual chain tracks 20 to 22 be at the joints 23 about drives 26 against each other about the axes of rotation 24 turned. In the 2 not to be seen power sources of the drives 26 lie starting from the respective axis of rotation 24 radially spaced from the respective axle bearings 25 , Furthermore, every joint 23 two axially spaced drives 26 assigned, the chain links 20 to 22 axially between the drives 26 are arranged. Are over power supply lines 27 connected to a not further referenced power source. Depending on the application, the energy supply can be selected arbitrarily, for example hydraulically or electrically, but for the sake of brevity this will not be discussed in greater detail.

Die Kettenglieder 20 bis 22 sind mit Abdeckungen 28 verschlossen, um sie insbesondere an den Gelenken 23 vor eindringendem Schmutz zu schützen. In 3 ist der Roboter 2 ohne diese Abdeckungen 28 dargestellt. Anhand dieser Darstellung soll der Aufbau der Antriebe 26 näher beschrieben werden.The chain links 20 to 22 are with covers 28 closed to them in particular the joints 23 to protect against ingress of dirt. In 3 is the robot 2 without these covers 28 shown. Based on this representation, the structure of the drives 26 be described in more detail.

Die Gelenke 23 sind als Gabelgelenke ausgeführt. Hierzu weist das erste Kettenglied 20 an seinem dem proximalen Ende 16 gegenüberliegenden Ende einen Gabelkopf 29 auf, in das ein Gabelkopfgegenstück 30 am zweiten Kettengliedes 21 eingreift. In gleicher Weise weist das zweite Kettenglied 21 dem Gabelkopfgegenstück 30 einen Gabelkopf 29 auf, in das ein Gabelkopfgegenstück 30 am dritten Kettenglied 22 eingreift.The joints 23 are designed as fork joints. For this purpose, the first chain link 20 at its proximal end 16 opposite end of a clevis 29 into which a clevis counterpart 30 on the second chain link 21 intervenes. In the same way, the second chain link 21 the clevis counterpart 30 a clevis 29 into which a clevis counterpart 30 on the third chain link 22 intervenes.

Jeder Antrieb 26 weist als Kraftquelle einen Antriebsmotor 31 auf. Die einzelnen Antriebsmotoren 31 sind auf die einzelnen Gabelköpfe 29 ausgehend von den Rotationsachsen 24 gesehen axial außenseitig derart aufgesetzt, dass sich an jedem Gabelkopf 29 zwei Antriebsmotoren 31 koaxial gegenüberliegen. Jeder Antriebsmotor 31 weist eine nicht weiter gezeigte Antriebswelle auf, die durch die Gabelköpfe 29 hindurch axial ins Innere des jeweiligen Gabelkopes 29 geführt und mit einem Antriebsritzel 32 bestückt sind.Every drive 26 has as a power source a drive motor 31 on. The individual drive motors 31 are on the individual clevises 29 starting from the axes of rotation 24 seen axially on the outside so placed that on each clevis 29 two drive motors 31 coaxially opposed. Every drive motor 31 has a drive shaft, not shown, through the clevises 29 axially into the interior of the respective fork head 29 guided and with a drive pinion 32 are equipped.

Jedes Antriebsritzel 32 treibt einen Abtriebszahnring 33, wobei die einzelnen Abtriebszahnringe 33 an den axialen Außenflächen der Gabelkopfgegenstücke 30 befestigt sind. Jedes Antriebsritzel 32 bildet zusammen mit Abtriebszahnring 33, den es antreibt, ein Stirnradgetriebe. Die Abtriebszahnringe 33 können als geschlossene Ringe ausgeführt sein. Je nach Anwendungsfall reichen allerdings Ringsegmente, wie sie in 3 dargestellt sind, mit einer bestimmten Winkellänge aus. Auf diese Weise können mit den Antriebsmotoren 31 über die Stirnradgetriebe 32, 33 die einzelnen Kettenglieder 20 bis 22 in ihrer relativen Winkellage zueinander verstellt werden.Each drive pinion 32 drives a driven toothed ring 33 , wherein the individual output toothed rings 33 on the axial outer surfaces of the fork head counterparts 30 are attached. Each drive pinion 32 forms together with output gear ring 33 It drives a spur gear. The output gear rings 33 can be designed as closed rings. Depending on the application, however ring segments are sufficient, as they are in 3 are shown with a certain angle length. In this way, with the drive motors 31 over the spur gear 32 . 33 the individual chain links 20 to 22 be adjusted in their relative angular position to each other.

Am Sockel 14 ist analog zu den Gelenken 23 ein Stirnradgetriebe 32, 33 angeordnet, um den Roboterarm 15 über zwei Antriebsmotoren 31 um eine nicht weitere referenzierte Höhenachse zu drehen.At the base 14 is analogous to the joints 23 a spur gear 32 . 33 arranged to the robot arm 15 via two drive motors 31 to rotate a not referenced elevation axis.

Die Funktionsweise der Antriebe 26 wird nachstehend anhand der 4 näher beschrieben, in der ein Schnitt durch das Gelenk 23 zwischen dem ersten Kettenglied 20 und dem zweiten Kettenglied 21 in einem Ausschnitt dargestellt ist. Alle nachstehend getroffenen Aussagen treffen auf alle Achslager 25 und alle Antriebe 26 zu.The functioning of the drives 26 will be described below on the basis of 4 described in more detail in which a section through the joint 23 between the first chain link 20 and the second chain link 21 is shown in a section. All statements made below apply to all axle bearings 25 and all drives 26 to.

Das in 4 gezeigte Achslager 25 besitzt ein Achselement 34, welches durch das Gabelkopfgegenstück 30 getrieben ist. Es ist in der 4 als mit dem Gabelkopfgegenstück 30 verpresst dargestellt. Es kann allerdings auch mit dem Gabelkopfgegenstück 30 einstückig ausgebildet oder am Gabelkopfgegenstück 30 über Drehlager drehend gelagert sein.This in 4 axle bearings shown 25 owns an axle element 34 passing through the clevis counterpart 30 is driven. It is in the 4 as with the clevis counterpart 30 shown pressed. It can, however, also with the Gabelkopfgegenstück 30 integrally formed or on the Gabelkopfgegenstück 30 be mounted rotating about pivot.

Am Gabelkopf 29 ist das Achslagerelement 34 über Wälzlager 35 gelagert, die auf beiden axialen Seiten des Gabelkopfgegenstücks 30 angeordnet sind. Die Wälzlager 35 sind bevorzugt als Kegelrollenlager in O-Anordnung ausgebildet, um den Gabelkopf 29 gegen das Gabelkopfgegenstück 30 axial zu verspannen. Zur axialen Sicherung des Achselementes 34 am Gabelkopf 29 sind auf die axialen Enden des Achselementes 34 Sicherungselemente 37 aufgesetzt.At the fork head 29 is the axle bearing element 34 over rolling bearings 35 mounted on both axial sides of the clevis counterpart 30 are arranged. The rolling bearings 35 are preferably designed as a tapered roller bearing in O arrangement to the clevis 29 against the clevis counterpart 30 to be clamped axially. For axial securing of the axle element 34 on the clevis 29 are on the axial ends of the axle 34 fuse elements 37 placed.

Das in der 4 dargestellte Achselement 34 dient im Gegensatz zu herkömmlichen Robotern als reine Achse, welche eine Trag- und Lagerfunktion der beiden in 4 abgebildeten Kettenglieder 20, 21 gegeneinander erfüllt. Es werden keine Schwenkmomente über das Achslagerelement 34 an eine der beiden Kettenglieder 20, 21 übertragen, die notwendig sind, um die Kettenglieder 20, 21 gegeneinander zu verdrehen.That in the 4 illustrated axle element 34 serves in contrast to conventional robots as a pure axis, which has a bearing and bearing function of the two in 4 pictured chain links 20 . 21 met against each other. There are no pivoting moments over the axle bearing element 34 to one of the two chain links 20 . 21 transferred, which are necessary to the chain links 20 . 21 to turn against each other.

Zum Verschwenken der Kettenglieder 20, 21 legt der Antriebsmotor 31 über das Antriebsritzel 32 an das Abtriebszahnring 33 ein Schwenkmoment 38 mit einem Kraftarm 39 an. Durch die Anordnung des in 4 zu sehenden Antriebsritzels 32 und des dazu gehörigen Abtriebszahnrings 33 ist der Kraftarm 39 größer, als ein Lagerradius 40 des Achslagers 25. Der Lagerradius 40 gibt dabei den radialen Abstand eines Umfangsbereiches um die Rotationsachse 24 von dieser an, in der sich die zum Gabelkopf 29 ruhenden Teile des Achslagers 25 gegenüber dem Gabelkopfgegenstück 30 ruhenden Teile des Achslagers 25 drehen. In einem Gleitlager wäre dieser Umfangsbereich abgesehen von einer toleranzbedingt stets vorhandenen Lagerluft eine Fläche, während in einem Wälzlager der Umfangsbereich ein radialer Raum wäre, in dem die Wälzelemente angeordnet sind.For pivoting the chain links 20 . 21 sets the drive motor 31 over the drive pinion 32 to the output gear ring 33 a swivel moment 38 with a power arm 39 at. Due to the arrangement of in 4 to see drive pinion 32 and the associated output gear ring 33 is the power arm 39 greater than a bearing radius 40 of the axlebox 25 , The bearing radius 40 gives the radial distance of a peripheral area around the axis of rotation 24 from this, in which the fork head 29 stationary parts of the axlebox 25 opposite the fork head counterpart 30 stationary parts of the axlebox 25 rotate. In a sliding bearing this peripheral area would be apart from a tolerant conditional always existing bearing clearance a surface, while in a rolling bearing of the peripheral region would be a radial space in which the rolling elements are arranged.

Aufgrund des vergleichsweise großen Kraftarmes 39 ist ein geringerer Kraftaufwand durch das Antriebsritzel 32 notwendig, um den Abtriebszahring 33 zu bewegen. Auf diese Weise werden die beiden Getriebepartner 32, 33 weniger mechanisch belastet, wodurch die Steifigkeit des Roboterarmes 15 des spanabhebenden Werkzeuges 19 deutlich gesteigert wird. Gute Ergebnisse, mit denen ein optimaler Ausgleich zwischen Bauraumbedarf und hoher Steifigkeit gewährleistet ist, konnten erreicht werden, wenn der Kraftarm 39 ungefähr 3,5 mal größer gewählt ist, als der Lagerradius 40.Due to the comparatively large power arm 39 is a lower effort by the drive pinion 32 necessary to the driving force 33 to move. In this way, the two transmission partners 32 . 33 less mechanically loaded, reducing the rigidity of the robot arm 15 of the cutting tool 19 is significantly increased. Good results, with which an optimal balance between space requirement and high rigidity is guaranteed, could be achieved, if the power arm 39 approximately 3.5 times larger than the bearing radius 40 ,

Um gesehen von der Rotationsachse 24 aus ein Verkippen der Kettenglieder 20, 21 gegeneinander zu vermeiden, ist das Schwenkmoment 38 axial beidseitig an die Abtriebszahnringe 33 des Gabelkopf 29 angelegt. Allerdings können die beiden axial voneinander beabstandeten Schwenkmomente 38 mit einem Versatzwinkel 41 an die Abtriebszahnringe 33 des Gabelkopf 29 angelegt werden, um das zuvor genannte Verkippen zu einem bestimmten Grad herbeizuführen und ein Spiel zwischen den beiden Kettengliedern 20, 21 im Falle einer Lastmomentenumkehr zu vermeiden.To see from the axis of rotation 24 from a tilting of the chain links 20 . 21 to avoid each other, is the pivoting moment 38 axially on both sides of the output gear rings 33 of clevis 29 created. However, the two axially spaced pivoting moments 38 with an offset angle 41 to the output gear rings 33 the clevis 29 be created to cause the aforementioned tilting to a certain degree and a game between the two chain links 20 . 21 in case of load torque reversal.

Eine grundsätzliche alternative Ausführung wäre es, einen einzigen Abtriebszahnring 33 auf einer der beiden axialen Seiten anzuordnen und an diesen zwei Antriebsritzel 32 an zwei verschiedenen Umfangspositionen angreifen zu lassen. Werden die Antriebszahnritzel 32 zum Antrieb des Abtriebszahnringes 33 ohne Versatzwinkel 41 betrieben, entsteht dass zuvor genannte Verkippen aufgrund der unsymmetrischen Anordnung der Getriebepartner 32, 33 bezogen auf einen Mittelpunkt der Welle 34. Allerdings hat das Verkippen hierbei keinen Einfluss, es ließen sich wirtschaftliche Vorteile herbeiführen, weil beispielsweise auf ein Abtriebszahnring 33 verzichtet werden kann. Soll in dieser alternativen Ausführung das oben genannte Spiel bei der Lastmomentenumkehr vermieden werden, müssten die beiden Antriebsritzel 32 ebenfalls mit dem Versatzwinkel 41 betrieben werden.A fundamental alternative embodiment would be a single output sprocket 33 to arrange on one of the two axial sides and these two drive pinion 32 to attack at two different circumferential positions. Be the drive pinion 32 for driving the driven toothed ring 33 without offset angle 41 operated, arises that aforementioned tilting due to the asymmetrical arrangement of the gear partners 32 . 33 relative to a center of the shaft 34 , However, the tilting has no influence, it could bring about economic benefits, because, for example, a driven toothed ring 33 can be waived. Should be avoided in this alternative embodiment, the above-mentioned game in the load torque reversal, would have the two drive pinion 32 also with the offset angle 41 operate.

Auf eines der axialen Enden der Achselementes 34 ist ein Drehwinkelgeber 42 aufgesetzt, so dass sich die Winkellage der beiden Kettenglieder 20, 21 zueinander erfassen und über eine geeignete Ansteuerung der Antriebsmotoren 31 basierend auf der erfassten Winkellage gemäß einem Sollwert lageregeln lässt. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass das Achselement 34 an einem der beiden Kettenglieder 20, 21 ortfest befestigt ist. Der Drehwinkelgeber 42 ist daher unmittelbar auf das Achselement 34 aufgesetzt, wodurch Messfehler minimiert werden und die Güte des Lageregelkreises maximiert wird.On one of the axial ends of the axle element 34 is a rotary encoder 42 put on, so that the angular position of the two chain links 20 . 21 capture each other and via a suitable control of the drive motors 31 based on the detected angular position according to a setpoint position rules. Condition for this, however, is that the axle element 34 on one of the two chain links 20 . 21 fixed in place. The rotary encoder 42 is therefore directly on the axle 34 which minimizes measurement errors and maximizes the quality of the position control loop.

In 4 sind ferner ab den axialen Außenseiten des Gabelkopfes 29 Labyrintnuten 43 zu sehen, mit denen sich beim Aufsetzen der oben erwähnten Abdeckungen 28 Labyrinthspalte bilden lassen, um eindringenden Schmutz fernzuhalten.In 4 are also from the axial outer sides of the clevis 29 Labyrintnuten 43 to see, with which when putting on the covers mentioned above 28 Make labyrinth gaps to keep out incoming dirt.

In 5a und 5b sind der zuvor beschriebenen Ausführung (5a) eine alternative Ausführung (5b) gegenübergestellt, denn der hinter der zuvor beschriebenen Ausführung stehende Gedanke, die Kettenglieder 20 bis 22 des Roboterarms 15 mit einem möglichst großen Kraftarm 39 gegeneinander zu bewegen, lässt sich auch mit einem koaxial in der Rotationsachse 24 wirkenden Antriebsmotor erreichen, wenn dieser ein Antriebsmoment mit einem ausreichend großen Kraftarm ausgibt. Derartige Voraussetzungen erfüllen beispielsweise Torquemotoren, die in 5b zur Abgrenzung gegen den beliebig verwendbaren Antriebsmotor 31 der vorangegangenen Ausführung mit dem Bezugszeichen 44 gekennzeichnet sind. Bei der Verwendung der Torquemotoren 44 dienen die Achselemente 34 in den Gelenken23 dann allerdings als Wellen und nicht als Achsen.In 5a and 5b are the previously described embodiment ( 5a) an alternative embodiment ( 5b) compared, because of the standing behind the previously described execution thought, the chain links 20 to 22 of the robot arm 15 with as large a power arm as possible 39 moving against each other can also be done with a coaxial in the axis of rotation 24 reach acting drive motor when it outputs a drive torque with a sufficiently large force arm. Such requirements meet, for example, torque motors that in 5b for differentiation against the arbitrarily usable drive motor 31 the previous embodiment with the reference numeral 44 Marked are. When using the torque motors 44 serve the axle elements 34 in the joints 23 but then as waves and not as axes.

Selbstverständlich lassen sich die Torquemotoren 44 jedoch auch als die oben beschriebenen Antriebsmotoren 31 in Kombination mit den Getrieben 32, 33 verwenden.Of course, the torque motors can be 44 but also as the drive motors described above 31 in combination with the gearboxes 32 . 33 use.

In 6 ist eine alternative Ausführung zur Anlegung zweier um dem Versatzwinkel 41 verdrehten Antriebsmomente 38 an die Achselemente 34 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Antriebsmomente 38 durch entsprechende, sich axial gegenüberliegende Antriebsmotoren 31 unmittelbar und ohne weiteren Hebelarm in das Achselement 34 eingetragen.In 6 is an alternative embodiment for applying two to the offset angle 41 twisted drive torques 38 to the axle elements 34 shown. In this embodiment, the drive torque 38 by corresponding, axially opposed drive motors 31 Immediately and without further lever arm in the axle 34 entered.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2407283 B1 [0002]

Claims

A robotic arm (15) comprising: - a proximal end (16) for attachment to a pedestal (14), - a distal end (17) for holding a cutting tool (19), and - a proximal end (16) and distal End (17) with each other a connecting kinematic chain of at least a first chain link (20, 21) and a second chain link (21, 22), which are held by an axle bearing (25) against each other about a rotational axis (24) pivotally, characterized a drive (26, 41) for applying a pivoting moment (38) to the first or second chain link (20, 21, 22) with a force arm (39) that is greater than a bearing radius (40) of the journal bearing (25).

Robot arm (15) after Claim 1 wherein the force arm (39) is between 1.5 times to 10 times, preferably 2 times to 7.5 times, more preferably 3 times to 5 times larger than the bearing radius (40).

Robot arm (15) after Claim 1 or 2 wherein the drive (26, 41) comprises a torque motor (41) which is arranged rotatably about the rotation axis (24).

Robot arm (15) according to one of the preceding claims, wherein the drive (26, 41) comprises a transmission (32, 33) and a drive motor (31) having a rotation axis which is arranged axially parallel to the axis of rotation (24) with an axis spacing, and wherein the transmission (32, 33) is arranged to receive an output torque of the drive motor (31) and output as the swing torque (38).

Robot arm (15) according to one of the preceding claims, comprising a further drive (26, 41) for applying a further pivoting moment (38) to the first or second chain link (20, 21, 22) to the power arm (39), wherein the pivoting moment (38) and the further pivoting moment (38) are axially spaced apart and the kinematic chain is arranged axially between the two drives (26, 41).

Robot arm (15) after Claim 5 , wherein the two drives (26, 41) are arranged to output the pivoting moments (38) offset in the direction of rotation (41).

Robot arm (15) according to one of the preceding Claims 4 to 6 wherein the gearbox (32, 33) comprises a spur gear with a drive pinion (32) driven by the output torque of the drive motor (31) and an output element (33) driven by the drive pinion (32) for applying the pivoting moment (38) to the first or second chain link (20, 21, 22).

Robot arm (15) after Claim 7 comprising a rotary encoder (42) arranged coaxially with the driven element (33) for detecting an angular position between the first and the second chain link (20, 21, 22).

Robot arm (15) after Claim 8 , wherein the output member (33) has the shape of a ring or ring segment.

A robotic arm (15) comprising: - a proximal end (16) for attachment to a pedestal (14), - a distal end (17) for holding a cutting tool (19), and - a proximal end (16) and distal End (17) with each other a connecting kinematic chain of at least a first chain link (20, 21) and a second chain link (21, 22), which are held by an axle member (34) against each other about a rotation axis (24) pivotally, characterized two drives (26, 41) axially spaced from one another each pivot moment (38) in the axle element (34) to the axle (34), wherein the two pivoting moments (38) with an offset angle (41) are offset from one another.

Robot (2), comprising: a pedestal (14), - A robot arm (15) according to any one of the preceding claims, whose proximal end (16) is fixed to the base (14), and - A cutting tool (19) which is held at the distal end (17) of the robot arm (15).