DE9115369U1

DE9115369U1 - Roboter-Antriebsvorrichtung nach dem kartesischen Prinzip für mehrachsige, räumlich angeordnete Transportsysteme, insbesondere für NC-Linearachsen

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Publication number: DE9115369U1
Application number: DE9115369U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-11
Filing date: 1991-12-11
Publication date: 1992-03-26
Anticipated expiration: 2001-12-12
Also published as: DE4140687C2; DE4140687A1

Description

Prof. Dr.-Ing. Werner Weinert Eichköpfelweg 9 6101 Modautal

07.12.1991

Roboter-Antriebsvorrichtung nach dem kartesischen Prinzip für mehrachsige, räumlich angeordnete Transportsysteme, insbesondere für NC-Linearachsen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Roboter-Antriebs-Vorrichtung nach dem kartesichen Prinzip, die es ermöglicht, den Steuerungsaufwand und die Anzahl der Antriebsmotoren insgesamt zu senken, die bei bekannten, entsprechend großen Anlagen sehr hoch sind. Hierbei sind Anlage-, Betriebskosten und technische Funktionalität zu berücksichtigen!

Im Rahmen der Erfindung werden rechnergesteuerte Arbeitsmaschinen für Handhabungstechniken, beispielsweise für Bestückungs-, Montage- und Sortiervorgänge betrachtet, die Transport- und/oder Greifeinrichtungen aufweisen. In allen diesen Fällen bewegt sich ein Arbeitspunkt auf einer genau festgelegten Bahn im Raum. Als Arbeitspunkt können je nach Robotereinsatz verschiedene Werkzeuge, wie Greifer, Schweiß-, Nietwerkzeuge, Schaum-, Klebe-, Sprühdüsen, etc. infrage kommen, um nur einige zu nennen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf folgenden Stand der Technik:

In Abhängigkeit von der räumlichen Bahn des Arbeitspunktes wird als Robotersteuerung eine Punkt-, Strecken- oder Bahnsteuerung gewählt, wobei das kartesiche Prinzip angewandt wird.

Bei der einfachsten Steuerung, der Punktsteuerung, sind nur die Positionen des Arbeitspunktes entscheidend, nicht die zwischen ihnen liegenden Wegstrecken. Die Punktsteuerung wird hauptsächlich bei in einer Ebenen liegenden Positionierungsaufgaben eingesetzt, wie zur Montage, Bestückung oder Kommissionierung von Teilen.

Bei der Streckensteuerung wird neben den Endpunkten der zu verfahrenden Wegstrecke auch die Führungsgenauigkeit entlang dieser Strecke verlangt. Die Strecke selbst orientiert sich hierbei am Aufbau des Roboters und ist nicht beliebig in der Arbeitsebene definiert.

Für freie Wegstrecken oder auch beliebig gekrümmte Bahnkurven im Raum setzt man Bahnsteuerungen ein. Als Beispiel einer solchen Anwendung sei die Farblackierung einer gekrümmten Karosserie genannt, bei der z.B. der Arbeitspunkt "Sprühdüse" in konstantem Abstand und immer in bestimmter Neigung zur Oberfläche bewegt werden muß.

Um die Wege des Arbeitspunktes in der beschriebenen Weise programmieren zu können, werden Roboter meist aus einzelnen Achsen modular aufgebaut. Jede Einheit besitzt einen ansteuerbaren Motor und eine Mechanik zur Ausführung der Bewegung. Die übergeordnete Steuerung der einzelnen Antriebsmotoren erfolgt durch ein Roboterprogramm, wobei die Einzelachsen kinematisch so koordiniert werden, daß letzendlich der Arbeitspunkt seine Bahn korrekt beschreibt.

Beim kartesischen Robotersystem werden die einzelnen mechanischen Achsmodule orthogonal zueinander in einer Ebene (z.B. X und Y) aufgebaut, so daß alle Positionen innerhalb dieser X-Y-Fläche mit der vertikalen Hochachse Z, die z.B. als Arbeitspunkt einen Greifer trägt, angefahren werden können. Bei der Auswahl der Einheiten setzt man hierzu Linearmodule für die Achsen X und Y ein, die miteinander konstruktiv adaptierbar sind, wobei jedes Linearmodul über einen eigenen Antriebsmotor verfügt, der ein Transportmittel (Gewindespindel oder Zahnriemen) antreibt und an dem ein Schlitten (Support) befestigt ist. Dieser wird am Führungsprofil des Achsmoduls linear, also geradlinig entlangbewegt.

Für solche mechanischen Linearbewegungsvorrichtungen werden in der Literatur auch die Bezeichnungen "Lineareinheit", "Linearachse" oder "Linear Drive" benutzt. NC-Linearachsen haben mittlerweile einen hohen technischen Stand erreicht und werden hauptsächlich im Handhabungsbereich eingesetzt. Von den vielen Patentschriften sei beispielhaft auf die DE 3839091 Al verwiesen, die den mechanischen Aufbau einer solchen Einheit beschreibt.

Befestigt man auf dem ersten Schlitten eine zweite komplette Lineareinheit, und bestückt den zweiten Schlitten der zweiten Einheit mit einem geeigneten Greifer, so kann dieser jede Position innerhalb der mit den beiden Linearmodulen (X und Y) gebildeten Ebene anfahren. Aus Festigkeitsgründen und zum Zwecke einer höheren Positioniergenauigkeit baut man kartesische Systeme symmetrisch auf, z.B. aus zwei parallel liegenden X-Linearachsen, die mit der Y-Linearachse überbrückt werden. Man gelangt so zur bekannten Portalbauweise. In der Fachzeitschrift AGT Dokumentation 2, Juni 89, ist auf Seite 34 ein solches aus Linearachsen aufgebautes dreiachsiges, kartesisches Portalsystem dargestellt. Die Aufgabe dabei ist die Ver-und Entsorgung von Werkzeugmaschinen mit Teilen.

Wird die Streckensteuerung für kartesische Roboter eingesetzt, liegt die definierte Fahrstrecke immer entlang einer Linearachse, und die restlichen Achsen (z.B. Y-Achse) sind während dieser Bewegung blockiert.

Auf alle Robotertypen, auch auf kartesiche, sind alle NC-Steuerungen anwendbar, wobei die universelle Bahnsteuerung die Strecken- und Punktsteuerung enthält. NC steht für "Numerically Controlled" und bedeuted die rechnerunterstützte Anbindung der Achsen.

Für spezielle und komplizierte Roboteraufgaben genügt meist die reine Positioniersteuerung des Arbeitspunktes nicht; oft kommen weitere Achsen als Hilfs- und Hauptachsen hinzu, die zur Steuerung der Roboter-Peripherie oder komplexer Greifersysteme benötigt werden. Man spricht deshalb je nach Anzahl (n) ansteuerbarer Achsen von n-achsigen Systemen; im Falle zweier Achsen von zweiachsigen Robotersteuerungen.

Für den einachsigen Fall einer NC-Steuerung teilt der Benutzer dem internen Steuerungsrechner (CPU) die erforderlichen Parameter (Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Genauigkeit und periphere Ein/Ausgänge> mit. Die CPU (Central Processing Unit) veranlaßt den Servoregler der Steuerung, codierte Datensignale für die Fahrgeschwindigkeit zu erzeugen. Ein zum Leistungsteil zählender Servoverstärker verstärkt das analoge Reglersignal und gibt es an den Antriebsmotor z.B. einer Linearachse weiter. Im

Servomotor wird die Drehgeschwindigkeit von einem integrierten Tacho und die Anzahl der Umdrehung und damit die Position des Arbeitspunktes von einem integrierten Drehgeber erfaßt und an den Servoregler für einen Soil/Ist-Abgleich zurückgemeldet. Ferner liefern Endschalter ihre Signale an die Ein/Ausgangskarte der Steuerung, wenn der Schlitten seinen erlaubten Verfahrbereich verläßt. Mit einem Referenzschalter, der als spezieller Endschalter zu verstehen ist, wird die Lineareinheit "genullt", d.h. die Positionsmarke des Arbeitspunktes auf Null geeicht. Alle modernen Prozeßsteuerungen können schließlich noch mit Rechnernetzen gekoppelt werden, so daß die lokalen Robotersteuerungen (Slaves) ihre Signale direkt von einem übergeordneten Leitrechner (Host) empfangen können. Auch dies setzt ein weiteres Steuerungsmodul voraus. Wie beim Aufbau der hierzu gehörigen Mechanik gibt es für Steuerungen modular aufgebaute Strukturen mit Begriffen, wie "einachsige Positioniersteuerung", "dreiachsige Streckensteuerung". Für einfache Handhabungsaufgaben setzt man bevorzugt entsprechend der Anzahl an Achsen sogenannte Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) ein, die für jede Achse alle zuvor genannten Komponenten aufweisen.

Den erläuterten Vorteilen moderner NC-Steuerungen zum Antrieb von Roboterachsen muß man aber auch die wirtschaftliche Seite und die nachfolgend aufgeführten Nachteile gegenüberstellen.

Wie eine in der Praxis durchgeführte Analyse zeigt, entfallen beim Einsatz einer Speicherprogrammierbaren Steuerung zur Positionierung einer Lineareinheit an Kosten; auf:

Positioniersteuerung (SPS)	50 %
Mechanik (Zahnriementrieb)	20 '/.
Adaption (anteilig)	10 %
Antriebsmotor (DC-Servomotor, Drehgeber, Tacho)	20 %
Gesamtkosten	100 '/.

Für jede NC-Lineareinheit entfallen damit 70'/. auf die Steuerung, incl. Antriebsmotor und nur 30*/. auf den mechanischen Bewegungsteil. Da - wie beschrieben - Robotersysteme zumindest zweiachsig aufgebaut werden, summieren sich die Anteile entsprechend.

Zur Zeit müssen bei zweiachsigen Systemen die schweren Antriebsmotoren allesamt mitbewegt werden. Dies bedeutet ein Mehraufwand an Antriebsenergie und eine steifere und damit schwerere Roboterbauweise. In der EP 0 329 642 Al wird deshalb für ein dreiachsiges Regalbediengerät (X,Y und Z) zur Reduzierung mitfahrender Massen der Antriebsmotor für die zweite (Y-) Achse stationär angeordnet und deren Schlitten über einen zweiten Antriebsriemen bewegt. Jede Lineareinheit besitzt dabei jedoch nach wie vor ihren eigenen Motor und ihre eigene Antriebssteuerung. Diese bekannten Anordnungen sind konstruktiv und steuerungstechnisch aufwendig und damit sehr teuer.

Um diese Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Roboter-Antriebsvorrichtung nach dem kartesischen Prinzip für mehrachsige, räumlich angeordnete Transportsysteme, insbesondere NC-Linearachsen zu schaffen, bei der modular aufgebaute Robotersysteme jeweils nur einem Antriebsmotor und eine Antriebssteuerung benötigen.

Die Erfindung betrifft Robotersysteme nach dem kartesichen Prinzip, wobei die bekannten, zahnriemengetriebenen Linearachsen eingesetzt werden und die erfindungsgemäße Roboter-Antriebsvorrichtung an die bekannten Linearachsen adaptiert werden können, so daß die Bewegung durch nur einen Antriebsmotor intermittierend möglich ist.

Ferner sollen neben der Punkt- und Streckensteuerung auch Diagonalfahrten des Arbeitspunktes als "Quasi-Bahnsteuerung" simuliert werden können. Dies geht aus den Zeichnungen im Zusammenhang mit den Tabellen 1 und 2 hervor.

Diese Aufgabe wird durch eine Roboter-Antriebsvorrichtung nach dem kartesischen Prinzip gelöst entsprechend der Beschreibung, den Zeichnungen und den Schutzansprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert, wobei eine Ausführung gezeigt wird, bei der zwei Linearachsen eines kartesischen Systems in der X-Y-Ebene von nur einem Antriebsmotor bewegt werden.

Es zeigt:

Fig. la: eine Darstellung eines kartesischen Robotersystems in der X-Y-Ebene für orthogonale Fahrtrichtungen; sowie die dazugehörende Schaltmatrix nach Tab. 1,

Fig.Ib: einen Schnitt I-I gemäß Fig. la,

Fig. 2: eine perspektivische Darstellung in teilweise aufgeschnittenem Zustand einer zahnriemengetriebenen Linear-Einzelachse nach dem Stande der Technik mit angeflanschtem Bremselement,

Fig. 3 : eine Darstellung eines kartesischen Robotersystems in der X-Y-Ebene für orthogonale und diagonale Fahrtrichtungen; sowie die dazugehörende Schaltmatrix nach Tab. 2 und

Fig. 4 : einen Teilschnitt II-II gemäß Fig. 3 in vergößerter Darstellung.

Erfindungsgemäß wird die kartesische Roboter-Antriebsvorrichtung von nur einem Antriebsmotor mit seinen Drehrichtungen gemäß dem Doppelpfeil 1.1 angetrieben, der die Bewegungssignale und Fahrbefehle von nur einer Antriebssteuerung bezieht. Bei der kartesischen Anwendung, die nach wie vor aus bekannten Lineareinheiten aufgebaut werden kann, sind die Einzelachsen so ausgebildet, daß ein Antriebsriemen innerhalb der Einzelachsen bewegt werden kann. Dies setzt in den Schlitten geeignete Zahnriemenumlenkscheiben und Funktionselemente voraus, die als Kupplung oder Bremse ausgeführt, die Mitnahme oder Blockierung der Schlitten bewirken, wie in den Zeichnungen dargestellt. Die Antriebssteuerung arbeitet dabei intermittierend, da entsprechend den gesendeten Fahrbefehlen die einzelnen Fahrstrecken (X und Y) nacheinander zurückgelegt werden.

Bei einer Fahrt des Arbeitspunktes 4.4 entlang der X-Achse werden entsprechend einer erstellten Schaltmatrix die Koppelelemente K_x bzw. Kv und die Bemselemente B_x bzw. Bv über die Ein/-Ausgangssignale der Steuerung so angesteuert, daß vom doppelseitigen Zahnriemen 5.2 nur der erste Schlitten 3 in X-Richtung bewegt werden kann, und der zweite Schlitten 4, der den Arbeitspunkt 4.4, z.B. in Form eines Greifers aufweist, abgebremst wird. Analog dazu werden für die Bewegung des zweiten Schlittens in Y-Richtung die Koppelelemente K und die Bremselemente B anders geschaltet, so daß jetzt die dem Antriebsmotor mitgeteilte Wegstrecke zur Veränderung der Y-Position des Arbeitspunktes dient. Auf diese Weise beschreibt der Arbeitspunkt 4.4 eine orthogonale treppenförmige Linie, \»obei die Treppenform natürlich vom Roboterprogramm vorgewählt werden kann.

Für Diagonalfahrten des Arbeitspunktes 4.4 wird der kartesische Aufbau erfindungsgemäß durch einem zweiten Zahnriemen 5.3 ergänzt, der parallel zur ersten Lineareinheit 1 liegt und wie der erste doppelseitige Zahnriemen 5.2 ständig mitbewegt wird. Durch weitere Koppelelemente ist damit auch die synchrone Mitnahme des ersten Schlitten 3 und des zweiten Schlittens 4 in verschiedene Richtungen zur Erzielung einer polygonförmigen Quasi-Bahnsteuerung möglich.

In Fig. la ist ein System gezeigt, das aus der horizontal verlaufenden ersten Lineareinheit 1 für die X-Bewegung des ersten Schlittens 3 und aus einer senkrecht am ersten Schlitten 3 befestigten zweiten Lineareinheit 2 für die Y-Bewegung des zweiten Schlittens 4 und damit des Arbeitspunktes 4.4 besteht. Der Antriebsmotor dreht eine erste Zahnriemenscheibe 1.2 an. Ein doppelseitiger Zahnriemen 5.2, der in der ersten Lineareinheit und in der zweiten Lineareinheit 2 verlegt ist, treibt die weiteren Zahnriemenscheiben an, nämlich die zweite Zahnriemenscheibe 1.3, die fünfte Zahnriemenscheibe 2.2 und die sechste Zahnriemenscheibe 4.3 und wird umgelenkt mittels der ersten Zahnriemenumlenkscheibe 3.1 , der zweiten Zahnriemenumlenkschebe 3.2, der dritten Zahnriemenumlenkscheibe 4.1 und der vierten Zahnriemenumlenkscheibe 4.2. Der Arbeitspunkt 4.4 bewegt sich in der X-Y-Ebene innerhalb seiner Arbeitsfläche

— O _

4.5 nur dann, wenn der erste Schlitten 3 oder der zweite Schlitten 4 über bestimmte Funktionselemente, nämlich K (Kupplung) und B (Bremse) entsprechend den Zeichnungen und den Tabellen 1 und 2 an den doppelseitigen Zahnriemen 5.2 gekoppelt bzw. an dem ersten Führungsprofil 1.4 oder an dem zweiten Führungsprofil 2.4 arretiert wird.

Bei den Funktionselementen (K oder B) handelt es sich gemäß Fig. Ib und Fig. 2 um handelsübliche, einfach wirkende, pneumatische Kurzhubzylinder 6, die von einem Magnetventil angesteuert werden, bei denen ein Kolben 6.1 in einem Gehäuse 6.2 bei Druckluftbeaufschlagung über die Druckluftbohrung 6.3 gegen eine Druckfeder 6.4 gedrückt wird. Zur Verstärkung der Koppel/-Bremswirkung kann die Kolbenstange des Kolbens 6.1 mit einem Belag

6.5 versehen werden.

Die Beläge 6.5 aller Brems- und Koppeleinheiten können je nach Anwendung für Reib- oder Formschluß ausgelegt werden. Während man einen reibschlüssigen Belag durch Aufvulkanisieren von profiliiertem Hartgummi herstellt, erreicht man einen Formschluß bei den Zahnriemenumlenkscheiben durch entsprechende radiale Mikroverzahnung an der dritten Wirkfläche 3.1.1 der ersten Zahnriemenumlenkscheibe 3.1 und an der vierten Wirkfläche 4.1.1 der dritten Zahnriemenumlenkscheibe 4.1. Bei den linearen Bremsflächen können die erste Wirkfläche 1.4.1 des ersten Führungsprofils 1.4 und die zweite Wirkfläche 2.4.1 des zweiten Führungsprofils 2.4 mit entsprechender linearer Mikroverzahnung ausgestattet werden, auf denen die Gegenprofile des Belages 6.5 arretiert werden können. Der Belag 6.5 kann als Reibbelag oder mit Mikroverzahnung ausgeführt werden. Die Auswahl der verschiedenen Wirkflächenpaarungen verursachen dann beim Arretieren entweder einen positionsgenauen Formschluß oder einen für niedrigere Belange zweckmäßigeren Reibschluß.
In drucklosem Zustand wirkt die Federkraft und übt die mit Pfeil

6.6 eingezeichnete Federkraft zum Koppeln (K) oder Bremsen (B) auf die entsprechend zugeordnete Wirkfläche aus.

Der erste Schlitten 3 und der zweite Schlitten 4 besitzen je zwei solcher Funktionselemente, je ein Koppelelement K und je ein Bremselement B. Bezogen auf die beiden Achsen X und Y erhält man entsprechend die Funktioneslemente K_x, K_v, B_x, B_v.

Während mit den Bremselementen B (B_x und B_v) der erste Schlitten und der zweite Schlitten 4 wahlweise an die erste Wirkfläche 1.4.1 des Führungsprofils 1.4 bzw. an die zweite Wirkfläche 2.4.1 des zweiten Führungsprofils 2.4 arretiert werden, lassen sich mit den Koppelelementen K (K_x und K_Y) die erste Zahnriemenumlenkscheibe 3.1 bzw. die dritte Zahnriemenumlenkscheibe 4.1 koppeln; d.h. gegenüber dem ersten Schlitten 3 bzw. gegenüber dem zweiten Schlitten 4 blockieren.

Dies hat die Wirkung, daß sich der doppelseitige Zahnriemen 5.2 durch die blockierte erste Zahnriemenumlenkscheibe 3.1 bzw. durch die blockierte dritte Zahnriemenumlenkscheibe 4.1 an dieser Stelle nicht mehr bewegen kann (dritte Wirkflächen 3.1.1 mit Belag 6.5 bzw. vierte Wirkfläche 4.1.1 mit Belag 6.5), und der entsprechende Schlitten 3 bzw. 4 vom doppeltseitigen Zahnriemen 5.2 mitgenommen wird.

Je nach Schaltzustand (1 = gekoppelt/gebremst, 0 = nicht gekoppelt/nicht gebremst) der Kurzhubzylinder 6 (Funktionselemente K oder B) ergeben sich nach Tab. 1 auf Fig. 1 bezogen, verschiedene Bewegungsmöglichkeiten des Arbeitspunktes 4.4. Von den insgesamt 2.'* = 16 Kombinationsmöglichkeiten kommen für den widerspruchsfreien Betrieb des Robotersystems nur wenige ausgewählte infrage.

In den Tabellen 1 und 2 der Zeichnungen 1 und 3 bedeuten jeweils in der Vertikalen:

Nr.

K:

Ki

8 : Schaltkombinations-Nummer ,— K: Koppelelement
B: Bremselement
Indizes: X : X-Richtung Y : Y-Richtung

1 : X-Richtung vorwärts

2 : X-Richtung rückwärts

und die Ziffern "0" bzw ^Ml

Hin

0 : Kupplung ist nicht gesetzt (nicht gekoppelt)

oder

Bremse ist nicht gesetzt (nicht arretiert)

1 : Kupplung ist gesetzt (gekoppelt)

oder

Bremse ist gesetzt (arretiert)

Im Falle einer Fahrt entlang der X-Achse für konstantes Y muß (Nr. 1 der Tab. 1) zur Mitnahme des ersten Schlittens 3 die erste Zahnriemenumlenkscheibe 3.1 mit Hilfe des Koppelelementes K_x gekoppelt und die Bremse B_x des ersten Schlittens 3 gelöst werden. Der zweite Schlitten 4 muß zur Positionierung des Arbeitspunktes 4.4 bezüglich Y über die Bremse B_v am zweiten Führungsprofil 2.4 der zweiten Lineareinheit 2 blockiert werden. Da sich wegen der Kopplung der ersten Zahnriemenumlenkscheibe 3.1 der doppelseitige Zahnriemen 5.2 im Bereich der dritten Zahnriemenumlenkscheibe 4.1, der sechsten Zahnriemenscheibe 4.3, der vierten Zahnriemenumlenkscheibe 4.2, der fünften Zahnriemenscheibe 2.2 und der zweiten Zahnriemenumlenkscheibe 3.2 nicht bewegt, braucht die Koppeleinheit K_v nicht in Eingriff gebracht zu werden. Für die Bewegung des Arbeitspunktes 4.4 entlang der Y-Achse bei konstantem X gilt nach Tab. 1 der Schaltzustand Nr. 2; d.h. Koppeleinheit K_x gelöst, Bremse B_x gesetzt, Koppeleinheit K_v zur Mitnahme des zweiten Schlittens 4 arretiert dritte Zahnriemenumlenkscheibe 4. 1, Bremse B_v gelöst.

Soll der Arbeitspunkt 4.4 in seiner X-Y-Arbeitsfläche 4.5 zwischen zwei Punkten (Xi,Yi) und (X₂,Y_£) von nur einem Antriebsmotor bewegt werden, kann dies treppenförmig über ein Steuerprogramm, z.B. einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) geschehen, wobei die Geometrie der Treppenstufen beliebig gewählt werden kann.

Kommt es - wie für Punktsteuerungen üblich - nur auf die Endposition an, wird man den Antriebsmotor "mit einer Treppe" wie folgt ansteuern:

alte Koordinaten (Start): X₁, Y₁

neue Koordinate (Ziel) : X,=.· = DX + X₁ für Y₁ = konst.

Ya> = DY * Y₁ für X_£: = konst.

mit den relativen Fahrstrecken: DX = X₁^ - X₁

DY = Ys - Y₁.

Vor dem nächsten Fahrbefehl werden die erreichten Zielkoordinaten (Xe, Ye.) zum Startwert (X₁, Y₁) erklärt, die relativen Fahrstrecken (DX, DY) neu berechnet und die neuen absoluten Koordinaten X₂ und Y₁^- angefahren.

Die Berechnung bzw. Gestaltung des Fahrkkurses (auch entlang kleiner Einzeltreppen) übernehmen Steuerprogramme, die eine individuelle Anpassung an die jeweilige Anwendung erlauben. Die Ansteuerung der Funktionselemente K und B wird programmintern durch Setzen von SPS-Ausgängen erreicht, mit der Wirkung, daß die verschiedenen Magnetventile für die hier benötigten vier pneumatischen Kurzhubzylinder 6 nach der Schaltmatrix der Tab. 1 angezogen werden.

Im Falle der beschriebenen Punktsteuerung ist der kinematische Bewegungsablauf des ersten Schlittens 3 und des zweiten Schlittens 4 intermittierend, da es ja nur einen Antriebsmotor gibt, der erst mit der Befehlsfolge für X unter Berücksichtigung des Schaltzustandes Nr.1 nach Tab. 1 und danach mit der entsprechenden Befehlsfolge für Y nach Nr. 2 der Tab. 1 angesteuert wird. Beim Wechsel des Schaltzustandes müssen programmintern die alten Positionsregister für X und Y abgespeichert werden, da diese zur Errechnung einer neuen Position kurz darauf wieder abrufbar sein müssen.

Der in Fig. la und Fig. Ib gezeigte Aufbau eines kartesischen zweiachsigen Robotersystems basiert auf Lineareinheiten nach Fig. 2, die der geänderten Riemenführung wegen modifiziert werden müssen.

In nicht modifizierter, beispielhafter Form besteht gemäß Fig. 2 jede erste Lineareinheit 1 aus einem Antriebsmotor, der die erste Zahnriemenscheibe 1.2 dreht. Diese treibt einen ersten Zahnriemen 5.1, welcher mittels Klemmschraube 1.5 und Klemmstück 1.6 an einem Support 1.7 befestigt ist. Die für den Riemenrücklauf benötigte zweite Zahnriemenscheibe 1.3 ist wie die erste Zahnriemenscheibe 1.2 im ersten Führungsprofil 1.4 gelagert, auf dem auch der Support 1.7 linear hin- und herbewegt werden kann. In Fig. 2 umschließt der Support 1.7 U-förmig das erste Führungsprofil 1.4; auf die Darstellung einer für diese Anwendung üblichen Wälzlagerung zwischen dem Support 1.7 und dem ersten Führungsprofil 1.4 nach dem Stande der Technik ist verzichtet worden.

Fig. 2 zeigt zur besseren Verdeutlichung ein angeflanschtes Bremselement B_x auf der Grundlage eines handelsüblichen pneumatischen Kurzhubzylinders 6 mit Kolben 6.1, Gehäuse 6.2, Druckluftbohrung 6.3, Druckfeder 6.4 und Reibbelag 6.5. Wird die Bremse B_x gesetzt, tritt - wie oben beschrieben - Reib- oder Formschluß mit der ersten Wirkfläche 1.4.1 des ersten Führungsprofils 1.4 auf.

Im Rahmen der Erfindung wird nun der Support 1.7 konstruktiv zum ersten Schlitten 3 oder zum zweiten Schlitten 4 abgeändert, indem gemäß Fig. 1 (bzw. Fig. 4) eine obere Schlittenführung 3.3 und eine untere Schlittenführung 3.4 an einer Verbindungsplatte 3. 5 befestigt ist, an der beim eindimensionalen Fall Werkstückträgeraufbauten, Greifer oder eine zweite Lineareinheit nach Fig. la bzw. Fig. Ib montiert werden können.

In Kombination mit einer zweiten Lineareinheit 2 wird ferner der erste Schlitten 3 der ersten Lineareinheit 1 gemäß Fig. la und Fig. Ib so modifiziert, daß eine erste Zahnriemenumlenkscheibe 3. und eine zweite Zahnriemenumlenkscheibe 3.2 gelagert werden, über die die geänderte Führung des doppelseitigen Zahnriemens 5.2 vorgenommen wird. Ferner werden am ersten Schlitten 3 adaptiert: die senkrecht zur ersten stehende, zweite Lineareinheit 2 und die Funktionselemente zum Koppeln K_x und Bremsen B_x. Der Aufbau der zweiten Lineareinheit 2 entspricht dem der ersten Lineareinheit Der zweite Schlitten 4 dieser zweiten Lineareinheit 2 beinhaltet neben der dritten Zahnriemenumienkscheiben 4.1 und der vierten Zahnriemenumlenkscheibe 4. 2 eine weitere sechste Zahnriemenscheibe 4.3 zum Antrieb weiterer Achsen (z.B. Z-Achse).

Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Tab. 1 und Fig. la und Fig. Ib müssen zur Realisierung der Nr. 3 der erste Schlitten 3 und der zweite Schlitten 4 über ihre Bremsen B_x und B_Y arretiert werden. Der Antrieb 1. 1 treibt nun den doppelseitigen Zahnriemen 5.2 ungehindert durch, mit der Folge, daß sich auch die sechste Zahnriemenscheibe 4.3 dreht. Aus dieser Drehung lassen sich weitere Bewegungen zum Antrieb einer dritten Achse, sowie weiterer Riemen- oder Gewindespindeltriebe ableiten. Dieses sind jedoch dem Fachmann geläufige Maßnahmen und sind in den Zeichnungen nicht dargestellt.

Wie die Schaltmatrix Tab. 1 und die vorherigen Erläuterungen zeigen, kann der Arbeitspunkt 4.4 nur orthogonal entlang der X- oder Y-Achse innerhalb seiner Arbeitsfläche 4.5 bewegt werden. Dies repräsentiert die klassische Streckensteuerung. Eine Diagonalfahrt des Arbeitspunktes 4.4 entlang X und Y gleichzeitig ist hierbei nicht möglich.

Um dies zu erreichen, muß nach Fig. 3 und Fig. 4 ein weiterer Riementrieb an die erste Lineareinheit 1 ergänzt werden, der aus einer dritten Zahnriemenscheiben 1.8, einer vierten Zahnriemenscheibe 1.9 und einem zweiten Zahnriemen 5.3 besteht. Dieser zweite Riementrieb ist gemäß Fig. 4 (=Seitenansicht von Fig. 3) parallel zum Riementrieb gemäß Fig. 1 (bestehend aus erster Zahnriemenscheibe 1.2, zweiter Zahnriemenscheibe 1.3 und doppelseitigem Zahnriemen 5.2) angeordnet und über eine erste Paßfedern 1.10 und eine zweite Paßfeder 1.11 formschlüssig mit diesem verbunden.

Der Antriebsmotor treibt also auch den zweiten Zahnriemen 5.3, dessen oberes und unteres Trum entgegengesetzte Richtungen haben. Wird nun der erste Schlitten 3 an eines dieser Trums gekoppelt, wird er in die entsprechende Richtung mitgenommen. Die Mitnahme besorgen zwei weitere Funktionselement Ki und K^, die wie alle als Kurzhubzylinder 6 aufgebaut sind. Der Belag 6.5 der Kolbenstange des Kolbens 6.1 klemmt den zweiten Zahnriemen 5.3 und stellt so reibschlüssig die notwendige Kopplung mit dem ersten Schlitten (3) her. Der erste Schlitten 3 weist eine obere Schlittenführung 3. und eine untere Schlittenführung 3.4 auf, die an einer Verbindungsplatte 3.5 befestigt sind, an der das Gehäuse 6.2 eines Bremselementes B_x angeflanscht ist. In Fig. 4 dienen die Bremsschienen 3. 6 bei der modifizierten Verbindungsplatte 3.5 zum Ankoppeln an den zweiten Zahnriemens 5.3 durch die beiden Koppelelemente Ki und K&. Die Nr. 4 der Tab. 2 zeigt die Realisierung einer Diagonalfahrt von links unten nach rechts oben und zurück (mathematisch positiver Gradient), wenn die Koppelelemente Ki und K_v gesetzt sind. Demgegenüber ist mit Nr. die andere Diagonalenrichtung von links oben nach rechts unten und zurück (mathematisch negativer Gradient) eingestellt, wenn die Koppelelemente K_fc: und K_v gesetzt sind.

Durch die Erweiterung auf zwei Transportriemen, den doppelseitigen Zahnriemen 5.2 und den zweiten Zahnriemen 5.3, kann der doppelseitige Zahnriemen 5. 2 funktionsmäßig entlastet bzw. für eine zusätzliche Funktion Z benutzt werden. Die Nr. 6 bis 8 in Tab. 2 zeigen, wie während der Fahrt (X oder Y) zusätzliche Bewegungen der sechsten Zahnriemenscheibe 4.3, z.B. zum Antrieb einer Z-Spindel (nicht dargestellt) senkrecht zur Zeichnungsebene erzeugt werden können.

Mit den 6 Funktionselementen (K_x, B_x, K_Y, B_v, K₁, K_a) sind logischerweise 2^& = 64 Schaltzustände einzustellen, von denen jedoch viele Kombinationen denkbar sind, aber für den Betrieb nicht infrage kommen. Die günstigsten Paarungen sind die bis Nr. gekennzeichneten.

Der programmierte Bewegungsablauf ist wieder intermittierend. Die vorliegende quasi-dreidimensionale Bahnkurve des Arbeitskunktes 4.4 ist aus kleinen Streckenelementen polygonartig in der Arbeitsfläche 4.5 aufgebaut. Nach jedem Polygonstück erfolgt programmintern die Umschaltung auf einen neuen Schaltzustand gemäß Tab. 2.

Als besonderer Vorteil bei Einsatz der vorliegenden Erfindung ist die Reduzierung der Antriebssteuerung von mindestens zwei auf nur eine komplette NC-Steuerung samt Antriebsmotor zu nennen. Für dreiachsige Robotersysteme ergibt dies eine Halbierung der Systemkosten. Ein weiterer Vorteil führt wegen Verzichts auf mitfahrende Motormassen und Verwendung eines stationären Antriebsmotors zu erheblichen Energieeinsparungen und wesentlich leichteren Roboterbauweisen.

Insgesamt kann die Wirkungsweise der Erfindung anhand folgender Aufstellung klargemacht werden:

B_x bremst Verbindungsplatte 3.5 an erstem Führungsprofil 1.4, damit steht der erste Schlitten 3 fest an der ersten Lineareinheit 1;

Bv bremst zweiten Schlitten 4 an zweitem Führungsprofil 2.4, damit steht der zweite Schlitten 4 fest an der zweiten Lineareinheit 2;

Kx koppelt die erste Zahnriemenumlenkscheibe 3.1, damit bewegt sich der erste Schlitten 3 entlang des ersten Führungsprofils 1.4 infolge Mitnahme durch den doppeltseitigen Zahnriemen 5.2;

&Kgr;&ggr; koppelt die dritte Zahnriemenumlenkscheibe 4.1, damit bewegt sich der zweite Schlitten 4 entlang des zweiten Führungsprofils 2.4 infolge Mitnahme durch den doppeltseitigen Zahnriemen 5.2;

Ki koppelt obere Bremsschiene 3.6 der Verbindungsplatte, damit bewegt sich der ersten Schlitten 3 entlang des ersten Führungsprofils 1.4 infolge Mitnahme durch den zweiten Zahnriemen 5.3 in die eine X-Richtung;

Ks; koppelt untere Bremsschiene 3. 6 der Verbindungsplatte, damit bewegt sich der ersten Schlitten 3 entlang des ersten Führungsprofils 1.4 infolge Mitnahme durch den zweiten Zahnriemen 5.3 in die gegenläufige X-Richtung.

Im Rahmen der Erfindung werden somit zwei Ausführungsbeispiele der Roboterantriebsvorrichtung vorgeschlagen. Bei beiden Ausführungen sind die erste Lineareinheit 1 für die X-Bewegung und die zweite Lineareinheit 2 für die Y-Bewegung senkrecht zueinander angeordnet, wobei die zweite Lineareinheit 2 am ersten Schlitten befestigt ist. Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungen gemäß Fig.1 a und Fig. Ib einerseits und dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und Fig. 4 andererseits besteht lediglich darin, daß beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und Fig. 4 ein zusätzlicher zweiter Zahnriemen 5.3 angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt lediglich die Funktionsweise einer NC-Lineareinheit mit Bremse, bei der ein erster Zahnriemen 5.1 mittels einer Klemmschraube 1.5 mit dem Support 1.7 verbunden ist und ein auf dem Support 1.7 montiertes Bremselements B_x den Support 1.7 selbst auf der ersten Wirkfläche 1.4.1 abDremsen kann.

\&agr; racy

1 erste Lineareinheit für die X-Bevegung

1.1 Pfeil für Drehrichtung des Antriebsmotor

1.2 erste Zahnriemenscheibe

1.3 zweite Zahnriemenscheibe

1.4 erstes Führungsprofil

1.4.1 erste Wirkfläche für Reib/Formschluß

1.5 Klemmschraube

1.6 Klemmstück

1.7 Support

1.8 dritte Zahnriemenscheibe

1.9 vierte Zahnriemenscheibe

1.10 erste Paßfeder

1.11 zweite Paßfeder

2 zweite Lineareinheit für die Y-Bewegung

2.2 fünfte Zahnriemenscheibe

2. 4 zweites Führungsprofil

2.4.1 zweite Wirkfläche für Reib/Formschluß

3 erster Schlitten

3.1 erste Zahnriemenumlenkscheibe

3.1.1 dritte Wirkfläche für Reib/Formschluß

3.2 zweite Zahnriemenumlenkscheibe

3.3 obere Schlittenführung

3.4 untere Schlittenführung

3.5 Verbindungsplatte

3.6 Bremsschienen der modifizierten Verbindungsplatte

4 zweiter Schlitten

4.1 dritte Zahnriemenumlenkscheibe

4.1.1 vierte Wirkfläche für Reib/Formschluß

4.2 vierte Zahnriemenumlenkscheibe

4.3 sechste Zahnriemenscheibe

4.4 Arbeitspunkt

4.5 Arbeitsfläche des Arbeitspunkte

5.1 erster Zahnriemen

5.2 doppelseitiger Zahnriemen

5.3 zweiter Zahnriemen

&bgr; Kurzhubzylinder

6.1 Kolben

6.2 Gehäuse

6.3 Druckluftbohrung

6.4 Druckfeder

5.5 Belag für Reib/Formschluß

6.6 Pfeil für Kraftwirkung

Koppel- und Brennelemente

K_w Koppelelement zur Mitnahme des ersten Schlittens Ky Koppelelement zur Mitnahme des zweiten Schlittens Ki Koppelelement zur Mitnahme des ersten Schlittens

in positive X-Richtung Ks Koppelelement zur Mitnahme des ersten Schlittens in negative X-Richtung

B,< Bremselement zur Arretierung des ersten Schlittens B_y Bremselement zur Arretierung des zweiten Schlittens

Claims

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1. Roboter-Antriebsvorrichtung nach dem kartesischen Prinzip für mehrachsige, räumlich angeordnete Transportsysteme, insbesondere für NC-Linearachsen dadurch .gekennzeicjinet, daß sie folgende Merkmale aufweist:

eine erste Lineareinheit (1), auf der ein erster Schlitten (3) längs verfahrbar geführt ist, an dem eine zweite Lineareinheit (2) befestigt ist, auf der ein zweiter Schlitten (4) längs verfahrbar ist, wobei die zweite Lineareinheit (2) senkrecht zur ersten Lineareinheit (1) ausgerichtet ist, einen Antriebsmotor, der an der ersten Lineareinheit (1) angebracht ist und gemäß Pfeil (1.1) die erste Zahnriemenscheibe (1.2) in beiden Richtungen antreibt, wobei die erste Zahnriemenscheibe (1.2) drehbar an einem Ende der ersten Lineareinheit (1) gelagert und deren Welle mit der des Antriebsmotors formschlüssig verbunden ist, einen doppelseitigen Zahnriemen (5.2), der um die erste Zahnriemenscheibe (1.2), um die am anderen Ende der ersten Lineareinheit (1) drehbar gelagerte zweite Zahnriemenscheibe (1.3), um die am ersten Schlitten (3) drehbar gelagerte zweite Zahnriemenumlenkscheibe (3.2), um die am Ende der zweiten Lineareinheit (2) drehbar gelagerte fünfte Zahnriemenscheibe (2.2), um die am zweiten Schlitten (4) drehbar gelagerte vierte Zahnriemenumlenkscheibe (4.2), um die ebenfalls am zweiten Schlitten (4) drehbar gelagerte sechste Zahnriemenscheibe (4.3), um die gleichfalls am zweiten Schlitten (4) drehbar gelagerte dritte Zahnriemenumlenkscheibe (4.1) und um die am ersten Schlitten (3) drehbar gelagerte erste Zahnriemenumlenkscheibe (3.1) geführt ist, wobei der Arbeitspunkt (4.4) auf dem zweiten Schlitten (4) im Mittelpunkt der sechsten Zahnriemenscheibe (4.3) angeordnet ist,

ein Koppelelement K_x im Bereich der ersten Zahnriemenumlenkscheibe (3.1), dessen Gehäuse (6.2) an der Verbindungsplatte (3.5) des ersten Schlittens (3) befestigt ist und das einen Kolben (6.1) mit einer Kolbenstange, eine Druckfeder (6.4) und eine Druckluftbohrung (6.3) aufweist, wobei das Ende der Kolbenstange mit einem Belag (6.5) versehen ist, der als reibschlüssiger Belag oder als oberflächige, radiale Mikroverzahnung ausgebildet ist, die mit der an der ersten Zahnriemenumlenkscheibe (3.1) angebrachten dritten Wirkfläche (3.1.1) zusammenarbeitet, die ebenfalls eine radiale Mikroverzahnung bzw. einen Reibbelag aufweist, ein Bremselement B_x, dessen Gehäuse (6.2) mittig an der Verbindungsplatte (3.5) des ersten Schlittens (3) befestigt ist und das einen Kolben (6.1) mit einer Kolbenstange, eine Druckfeder (6.4) und eine Druckluftbohrung (6.3) aufweist, wobei die Kolbenstange mit ihrem reib- bzw. formschlüssigen Belag (6.5) auf eine ebenfalls reib- bzw. formschlüssige erste Wirkfläche (1.4.1) einwirkt, die an der Außenseite des ersten Führungsprofil (1.4) angeordnet ist und das Zusammenarbeiten des Belages (6.5) mit der ersten Wirkfläche (1.4.1) eine abbremsende Wirkung gemäß Pfeil (6.6) des ersten Schlittens (3) an der ersten Lineareinheit (1) zeigt,

ein Koppelelement K_v, dessen Gehäuse (6.2) am zweiten Schlitten (4) im Bereich der dritten Zahnriemenumlenkscheibe (4.1) befestigt ist und das einen Kolben (6.1) mit einer Kolbenstange, eine Druckfeder (6.4) und eine Druckluftbohrung (6.3) aufweist, wobei das Ende der Kolbenstange mit einem Belag (6.5) versehen ist, der als reibschlüssiger Belag oder als oberflächige, radiale Mikroverzahnung ausgebildet ist, die reib- oder formschlüssig mit der dritten Zahnriemenumlenkscheibe (4.1) zusammenarbeitet, wobei beim Zusammenarbeiten die dritte Zahnriemenumlenkscheibe (4.1) eine gleichfalls geartete vierte Wirkfläche (4.1.1) mit radialer Mikroverzahnung bzw. einen Reibbelag aufweist,

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ein Bremselement B_v, dessen Gehäuse (6.2) mittig am zweiten Schlittens (4) befestigt ist und das einen Kolben (6.1) mit einer Kolbenstange, eine Druckfeder (6.4) und eine Druckluftbohrung (6.3) aufweist, wobei die Kolbenstange mit ihrem reib- bzw. formschlüssigen Belag (6.5) auf eine ebenfalls reib- bzw. formschlüssige zweite Wirkfläche (2.4.1) einwirkt, die an der Außenseite des zweiten Führungsprofil (2.4) angeordnet ist und das Zusammenarbeiten des Belages (6.5) mit der zweiten Wirkfläche (2.4.1) eine abbremsende Wirkung des zweiten Schlittens (4) an der zweiten Lineareinheit (2) zeigt.

2. Roboter-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 nach einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich folgende Merkmale aufweist: einen parallel zum doppelseitigen Zahnriemen (5.2) angeordneten zweiten Zahnriemen (5.3) an der ersten Lineareinheit (1), der über die dritte Zahnriemenscheibe (1.8) und die vierte Zahnriemenscheibe (1.9) geführt ist, wobei die erste Zahnriemenscheibe (1.2) mittels der ersten Paßfeder (1.10) mit der dritten Zahnriemenscheibe (1.8) und die zweite Zahnriemenscheibe (1.3) mittels der zweiten Paßfeder (1.11) mit der vierten Zahnriemenscheibe (1.9) formschlüssig verbunden sind,

ein Koppelelement Ki auf der modifizierten Verbindungsplatte (3.5) des ersten Schlittens (1), das den zweiten Zahnriemen (5.3) von oben auf die obere der beiden Bremsschienen (3.6) gemäß der Wirkung von Pfeil (6.6) klemmt und das wie die zuvor beschriebenen Koppelelemente K_x, K_v und die Bremselemente B_x, Bv aus einem Kolben (6.1), einem Gehäuse (6.2), einer Druckluftbohrung (6.3) und einer Druckfeder (6.4) besteht und ein Koppelelement Ks:, das wie das Koppelelement K_t auf der modifizierten Verbindungsplatte (3.5) des ersten Schlittens (1), jedoch spiegelbildlich zum Koppelelement K₁ angeordnet ist und das untere Trum des zweiten Zahnriemens (5.3) gemäß der Wirkung von Pfeil (6.6) von unten auf die untere der beiden Bremsschienen (3.6) klemmt, wobei die Beläge (6.5) der beiden Koppelelemente K_x und K^ wegen dem Zusammenwirken mit dem Zahnriemen (5.3) reibschlüssig ausgeführt sind.