DE102010006617A1

DE102010006617A1 - Betätigungseinrichtung zur mehrachsigen räumlichen Positionierung eines Hilfsmittels und Verfahren zur Steuerung einer Betätigungseinrichtung

Info

Publication number: DE102010006617A1
Application number: DE201010006617
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Wilhelm Prof. Dr.-Ing. 30916 Bach; Marten 30161 Bierbaum; Thomas Dr.-Ing. 30161 Hassel
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: BACH, FRIEDRICH WILHELM, PROF. DR.-ING., DE; Bierbaum Marten Dipl-Ing De; Friedrich Wilhelm Bach De; Hassel Thomas Dr-Ing De; Marten Bierbaum De; Thomas Hassel De
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung (10) zur mehrachsigen räumlichen Positionierung eines Hilfsmittels, mit einer ersten steuerbaren Antriebseinrichtung (100) und wenigstens einer zweiten steuerbaren Antriebseinrichtung (200), die unabhängig von der ersten Antriebseinrichtung (100) steuerbar ist, wobei das Hilfsmittel oder eine Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel mittels der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung (100, 200) in wenigstens zwei Translations-, Rotations- oder daraus kombinierten Bewegungsrichtungen (A, B), die in wenigstens einer Bewegungskomponente voneinander unabhängig sind, bewegbar ist. Die erste Antriebseinrichtung (100) und die zweite Antriebseinrichtung (200) sind über eine gemeinsame Umlaufgetriebeanordnung (3, 5, 16) mit dem Hilfsmittel oder der Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel gekoppelt und das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung (9) ist für das Hilfsmittel mittels der Umlaufgetriebeanordnung (3, 5, 16) von der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung (100, 200) bewegbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung zur mehrachsigen räumlichen Positionierung eines Hilfsmittels gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Betätigungseinrichtung gemäß dem Anspruch 13. Eine solche Betätigungseinrichtung dient beispielsweise als Vorrichtung zum Führen und Versorgen von Werkzeugen.
Im Bereich der Automatisierungstechnik ist im Laufe der Zeit der Einfluss der Robotik auf Produktionsverfahren immer größer geworden und wird in Zukunft auch weiterhin steigen. Ohne die gezielte Übertragung von Media sind jedoch die meisten Produktionsverfahren nicht durchführbar. Als Media seien in diesem Zusammenhang jeglichen Medien verstanden, die einem Werkzeug oder einer Maschine zugeführt oder von diesem abgeführt werden müssen, z. B. Wärmeübertragung, elektrische Stromversorgung, hydraulische oder pneumatische Druckversorgung, mechanischer oder strömungsmechanischer Transport oder Abfuhr von Abgasen. Auch langfristig wird man Werkzeuge mit elektrischem Strom, Kühlmittel, Öldruck, Wärme, Kälte oder anderen Media versorgen müssen. Als Media seien ferner auch die für die Produktion angesetzten Materialien und Stoffe verstanden. So müssen beispielsweise Drähte oder Fäden von einem Lagerort, z. B. einer Spule, zum Bearbeitungsort transportiert werden.
Dieser Abfuhr und Zufuhr von Media ist zu eigen, dass eine gewisse Distanz überbrückt werden muss. Zugleich ist im Zuge der Automatisierungstechnik ein Maximum an Manövrierfähigkeit des jeweiligen Werkzeugs wünschenswert, was zur Konsequenz hat, dass die Abfuhr und Zufuhr der Media über die genannte Distanz im Einzelfall mit hohem Aufwand verbunden sein kann. So muss z. B. bei der Zufuhr von Media über Schläuche sichergestellt werden, dass sich diese nicht übermäßig verdrehen. Bei der Zufuhr von Drähten und Fäden ist sicherzustellen, dass sich diese nicht verheddern.
Für die Zufuhr elektrischer Energie sind aus der Praxis in der Robotertechnik z. B. Roboterköpfe bekannt, bei denen zur Übertragung des Stroms Schleifkontakte verwendet werden. Schleifkontakte sind jedoch verschmutzungsanfällig und unterliegen einem gewissen Verschleiß.
Aus der JP 2002/086381 ist z. B. eine Vorrichtung zur Kabelführung von industriellen Robotern bekannt. Diese und ähnliche Vorrichtungen haben den Nachteil, dass für die Zufuhr und Abfuhr der Media ein relativ hoher Aufwand zu betreiben ist und dass das jeweilige Werkzeug dennoch nur einen eingeschränkten Manövrierbereich aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Betätigungseinrichtung zur mehrachsigen räumlichen Positionierung eines Hilfsmittels sowie ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Betätigungseinrichtung anzugeben, das eine möglichst hohe Manövrierfähigkeit des Werkzeugs bei zugleich weniger aufwendig gestalteter Media-Zufuhr und -Abfuhr erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 13 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
Die Erfindung geht aus von einer Betätigungseinrichtung zur mehrachsigen räumlichen Positionierung eines Hilfsmittels mit einer ersten steuerbaren Antriebseinrichtung und wenigstens einer zweiten steuerbaren Antriebseinrichtung, die unabhängig von der ersten Antriebseinrichtung steuerbar ist. Die Antriebseinrichtungen können beispielsweise als Elektromotoren ausgebildet sein. Das Hilfsmittel oder eine Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel ist mittels der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung an wenigstens zwei Translations-, Rotations- oder daraus kombinierten Bewegungsrichtungen, die in wenigstens einer Bewegungskomponente voneinander unabhängig sind, bewegbar.
Je nach Ausführung der Betätigungseinrichtung kann das Hilfsmittel direkt daran angebracht oder einstückig mit der Betätigungsrichtung ausgebildet sein oder in einer Aufnahmevorrichtung der Betätigungseinrichtung befestigt sein. Als Hilfsmittel seien grundsätzlich beliebige Gegenstände verstanden, die räumlich positioniert werden sollen, insbesondere Werkmittel. Im Bereich der industriellen Fertigung kommen z. B. Werkzeuge aller Art als Werkmittel in Frage. Das Werkmittel kann beispielsweise ein Fräskopf oder ein Plasmaschneidbrenner sein. Selbstverständlich eignet sich die Betätigungseinrichtung auch für sonstige Werkmittel aller Art.
Das Hilfsmittel bzw. die Aufnahme für das Hilfsmittel ist über die wenigstens zwei Antriebseinrichtungen in wenigstens zwei Bewegungsrichtungen bewegbar, z. B. in einer Drehbewegung und in einer Translationsbewegung.
Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung weist eine gemeinsame Umlaufgetriebeanordnung auf, über die die erste Antriebseinrichtung und die zweite Antriebseinrichtung mit dem Hilfsmittel oder der Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel gekoppelt sind. Das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel ist mittels der Umlaufgetriebeanordnung von der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung in den wenigstens zwei Bewegungsrichtungen bewegbar. Eine solche Kopplung des Hilfsmittels mit den Antriebseinrichtungen über eine Umlaufgetriebeanordnung hat den Vorteil, dass sich die Zufuhr und Abfuhr der Media zu und von dem Hilfsmittel erheblich vereinfachen lässt. Die gesamte Leitungsverlegung von Versorgungsleitungen kann direkter erfolgen, z. B. durch das Innere der Umlaufgetriebeanordnung hindurch. Zudem erlaubt die Kopplung über die Umlaufgetriebeanordnung eine günstigere Positionierung der Antriebseinrichtungen im Vergleich zu bekannten Betätigungseinrichtungen.
Die Ansprüche 14 und 15 geben vorteilhafte Verwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung an. Eine vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung liegt im Bereich mechanischer Trennverfahren in der Fertigungstechnik. Unter solchen Trennverfahren werden beispielsweise Verfahren verstanden, bei denen die Form eines Werkstücks verändert wird, z. B. in dem ein Teil eines Ausgangswerkstücks abgetrennt wird. Die Trennverfahren sind beispielsweise in der Hauptgruppe 3 der DIN 8580 beschrieben. Eine weitere vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung liegt im Bereich thermischer Trenn- und/oder Fügeverfahren. Fügeverfahren sind beispielsweise in der DIN 8593 beschrieben. Thermische Trennverfahren werden beispielsweise mit Hilfe eines Schneidbrenners, eines Lasers oder eines Plasmaschneiders ausgeführt. Zu den thermischen Fügeverfahren zählen beispielsweise das Schweißen und das Löten. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die universelle Einsetzbarkeit der Betätigungseinrichtung in den zuvor erwähnten Anwendungsgebieten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Antriebseinrichtung an einer festen Position bezüglich der ersten Antriebseinrichtung angeordnet. Beispielsweise können die erste und die zweite Antriebseinrichtung zusammen mit der Umlaufgetriebeanordnung auf einer gemeinsamen Basisplatte montiert sein. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass zumindest die Antriebseinrichtungen über eine feste Leitungsführung mit der für den Betrieb erforderlichen Energie versorgt werden Betrieb erforderlichen Energie versorgt werden können, da sie an festen Positionen zueinander angeordnet sind, im Gegensatz z. B. zu Roboterarmen, bei denen an verschiedenen Gelenken verteilt Antriebseinrichtungen angeordnet sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass aufgrund der festen Anordnung der Antriebseinrichtungen zueinander nicht die eine Antriebseinrichtung die andere Antriebseinrichtung bewegen muss, wie etwa bei den bekannten Roboterarmen. Dies hat den Vorteil, dass robuste und kostengünstige Motoren als Antriebseinrichtungen eingesetzt werden können und nicht besonders leichte und teuere Spezialmotoren. Insbesondere spielt das Gewicht einer Antriebseinrichtung dann eine weniger wesentliche Rolle als in Fällen, in denen eine Antriebseinrichtung mitbewegt werden muss. Im Vergleich zu bekannten Roboterarmen ist die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung konzeptbedingt zur Übertragung größerer Momente und Kräfte geeignet. Ein weiterer Vorteil der festen Anordnung der Antriebseinrichtungen besteht darin, dass Schleifkontakte vermieden werden können.
Ein weiterer Vorteil in der Verwendung einer Umlaufgetriebeanordnung liegt darin, dass Bewegungen, insbesondere Drehbewegungen, unbegrenzt durchgeführt werden können. Zudem erlaubt eine Umlaufgetriebeanordnung eine vergleichsweise hohe Übersetzung, so dass weitere Getriebeelemente an den Antriebseinrichtungen in vielen Fällen eingespart werden können. Die hohe Übersetzung der Umlaufgetriebeanordnung erlaubt bei vergleichsweise geringen Antriebsdrehmomenten relativ hohe Haltemomente und Abtriebsmomente.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sämtliche Antriebseinrichtungen gekapselt an der Betätigungseinrichtung angebracht werden können. Hierdurch ist die Betätigungseinrichtung beispielsweise auch für einen Unterwassereinsatz von Bohrern mit Absaugvorrichtungen oder für Unterwasserschweiß- und -trennanlagen besonders geeignet.
Wie erwähnt, können die Versorgungsleitungen für die Media mittig durch die Umlaufgetriebeanordnung hindurchgeführt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Hilfsmittel bzw. die Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel über ein Radiallager mit der Betätigungseinrichtung verbunden. Dies erlaubt vorteilhaft in Verbindung mit der zentrischen Hindurchführung der Versorgungsleitungen durch die Umlaufgetriebeanordnung, dass das Hilfsmittel Endlosdrehungen ausführen kann, ohne dass es zu einem Verdrehen oder Verheddern der Versorgungsleitungen kommt. Vorteilhaft ist in diesem Fall eine aus der Umlaufgetriebeanordnung herausgeführte Abtriebswelle zur Bewegung des Hilfsmittels exzentrisch bzgl. der Betätigungseinrichtung platziert, so dass die Versorgungsleitungen zentral durch die Umlaufgetriebeanordnung hindurchgeführt werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Umlaufgetriebeanordnung wenigstens ein äußeres von der ersten Antriebseinrichtung bewegbares Getriebeübertragungsteil und ein darin konzentrisch angeordnetes inneres von der zweiten Antriebseinrichtung bewegbares Getriebeübertragungsteil auf. Die konzentrische Anordnung der Getriebeübertragungsteile unterstützt vorteilhaft die Möglichkeit, die Versorgungsleitungen zentral durch die Umlaufgetriebeanordnung hindurchzuführen.
Die Umlaufgetriebeanordnung kann in verschiedenen Arten ausgeführt werden. Beispielsweise ist eine Ausführung als Reibradgetriebeanordnung möglich. Die Antriebs- und Abtriebsräder der Umlaufgetriebeanordnung stehen dann in einem reibschlüssigen Eingriff miteinander. Vorteilhaft ist auch eine Ausführung der Umlaufgetriebeanordnung als Zahnradgetriebe. Mit einem Zahnradgetriebe lassen sich höhere Stellgenauigkeiten und eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Positionierung des Hilfsmittels realisieren. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die erste und die zweite Antriebseinrichtung zusätzlich als Schrittmotor ausgebildet. Die Verwendung von Schrittmotoren hat den Vorteil, dass die Positioniergenauigkeit des Hilfsmittels weiter verbessert wird. Zudem kann die Positionierung des Hilfsmittels anhand der schrittweisen Betätigung der Schrittmotoren auch ohne weitere Weg- oder Positionssensoren mit geringem Aufwand erfasst werden.
Die Betätigungseinrichtung kann in einer vorteilhaften Ausführung zusätzlich einen oder mehrere Positionssensoren für die Bestimmung der Lage des Hilfsmittels aufweisen. Der Positionssensor kann z. B. für eine Eichung der Lage verwendet werden, indem das Hilfsmittel mittels der Antriebseinrichtungen in eine Referenzposition gefahren wird, in der die Eichung erfolgt. Ein Positionssensor kann vorteilhaft als drahtloser Sensor, z. B. in RFID-Technologie, ausgeführt sein und am beweglichen Hilfsmittel bzw. der Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel angeordnet sein. Auf diese Weise wird eine gesonderte Führung von Versorgungsleitungen für den Positionssensor vermieden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das innere Getriebeübertragungsteil sowohl eine Innenverzahnung als auch eine Außenverzahnung auf. Das Getriebeübertragungsteil kann damit als ringförmiges Bauteil mit Zähnen am Innenumfang und am Außenumfang ausgebildet sein. Entsprechend kann alternativ oder zusätzlich auch das äußere Getriebeübertragungsteil sowohl eine Innenverzahnung als auch eine Außenverzahnung aufweisen. Hierdurch lässt sich die Umlaufgetriebeanordnung vorteilhaft als Zahnradgetriebe ausbilden, was einer hohen Positioniergenauigkeit des Hilfsmittels zugute kommt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die erste Antriebseinrichtung über ein Ritzel mit der Außenverzahnung des äußeren Getriebeübertragungsteils gekoppelt. Alternativ oder zusätzlich ist die zweite Antriebseinrichtung über ein Ritzel mit der Innenverzahnung des inneren Getriebeübertragungsteils gekoppelt. Dies erlaubt eine günstige Anordnung der Antriebseinrichtungen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel mit wenigstens einem zwischen dem inneren und dem äußeren Getriebeübertragungsteil vorgesehenen Planetenrad gekoppelt. Das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel ist über eine Translationsbewegung des Planetenrads in einer ersten Bewegungsrichtung bewegbar. Die Verwendung eines Planetenrads zwischen dem inneren und dem äußeren Getriebeübertragungsteil entkoppelt vorteilhaft die erste Antriebseinrichtung von der zweiten Antriebseinrichtung, wobei ein zusätzlicher Bewegungsfreiheitsgrad ermöglicht wird, der für die zweite Bewegungsrichtung des Hilfsmittels genutzt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel mit wenigstens einem zwischen dem inneren und dem äußeren Getriebeübertragungsteil vorgesehenen Planetenrad gekoppelt. Das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel ist über eine Rotationsbewegung des Planetenrads in einer zweiten Bewegungsrichtung bewegbar. Vorteilhaft kann die Bewegung des Planetenrads somit für eine zweite Bewegungsrichtung des Hilfsmittels verwendet werden. Insofern unterscheidet sich die Umlaufgetriebeanordnung gemäß der Erfindung auch beispielsweise von üblichen Planetengetrieben, bei denen Planetenräder lediglich für die mit einer gewissen Drehzahlübersetzung übertragene Drehbewegung in einer einzigen Bewegungsrichtung verwendet werden.
Die Rotationsbewegung des Planetenrads kann grundsätzlich auf verschiedene Arten dem Hilfsmittel zugeführt werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Lagerwelle des wenigstens einen Planetenrads zugleich eine mit dem Hilfsmittel oder der Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel gekoppelte Abtriebswelle. Das Hilfsmittel oder Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel ist über die Drehung der Abtriebswelle in der zweiten Bewegungsrichtung bewegbar. Dies erlaubt in eleganter Weise, die zwei Bewegungsrichtungen aus dem wenigstens einem Planetenrad auszukoppeln und dem Hilfsmittel zuzuführen. Insgesamt erlaubt dies einen einfachen und robusten Aufbau der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung.
Zur Lagerung der Umlaufgetriebeanordnung, insbesondere zur Lagerung des inneren und des äußeren Getriebeübertragungsteils, können grundsätzlich alle üblichen Lagerelemente, wie z. B. Kugellager, verwendet werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Umlaufgetriebeanordnung oder Teile der Umlaufgetriebeanordnung über freilaufende Räder gelagert. So können beispielsweise über den Umfang des inneren und/oder des äußeren Getriebeübertragungsteils verteilt Zahnräder vorgesehen sein, die ähnlich dem Ritzel der Antriebseinrichtungen ausgebildet sind, jedoch freilaufend sind und nur zu Lagerzwecken vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung kann nach den zuvor beschriebenen Prinzipien auch auf Bewegungen des Hilfsmittels in mehr als zwei Bewegungsrichtungen erweitert werden. Dies kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung derart erfolgen, dass eine weitere Antriebseinrichtung vorgesehen ist, die unabhängig von der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung steuerbar ist. Das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel ist mittels der weiteren Antriebseinrichtung in einer weiteren Bewegungsrichtung, die in wenigstens einer Bewegungskomponente unabhängig von der ersten und der zweiten Bewegungsrichtung ist, bewegbar. Die weitere Antriebseinrichtung ist über die gemeinsame Umlaufgetriebeanordnung mit dem Hilfsmittel oder der Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel gekoppelt. Das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel ist mittels der Umlaufgetriebeanordnung von der weiteren Antriebseinrichtung bewegbar. Vorteilhaft ist zudem die weitere Antriebseinrichtung an einer festen Position bezüglich der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung angeordnet. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines dritten Getriebeübertragungsteils realisiert sein, das konzentrisch um das äußere Getriebeübertragungsteil herum angeordnet ist. Das äußere Getriebeübertragungsteil ist dann konzentrisch innerhalb des dritten Getriebeübertragungsteils angeordnet. Die weitere Antriebseinrichtung kann über einen Ritzel mit dem dritten Getriebeübertragungsteil gekoppelt sein. Die entsprechende Bewegung eines Planetenrads zwischen dem dritten Getriebeübertragungsteil und dem äußeren Getriebeübertragungsteil kann beispielsweise über eine Hohlwelle, die um die bereits erwähnte Abtriebswelle herumgeführt ist, mit dem Hilfsmittel gekoppelt sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel über einen Ausleger mit der Umlaufgetriebeanordnung verbunden. Durch den Ausleger ist eine Drehwelle geführt. An dem der Umlaufgetriebeanordnung abgewandten Ende des Auslegers ist eine Umlenkanordnung zur Änderung der Bewegungsrichtung der Drehwelle angeordnet. Beispielsweise kann ein Kegelradumlenkgetriebe mit einer Drehrichtungsänderung von 90° verwendet werden. Hierdurch können in flexibler Weise verschiedene Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung realisiert werden, z. B. in der industriellen Automations- und Fertigungstechnik. So kann mit der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung in vorteilhafter Weise ein Fasenaggregat realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zur Steuerung der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung ein programmgesteuertes Steuergerät mit einem Mikroprozessor verwendet. Das Steuergerät steuert dabei die erste und die zweite Antriebseinrichtung (und ggf. die weitere Antriebseinrichtung) in der Weise, dass das Hilfsmittel die gewünschte Bewegung ausführt.
Gemäß der Erfindung ist als Verfahren zur Steuerung der Betätigungseinrichtung vorgesehen, dass zur Erzeugung einer Bewegung des Hilfsmittels oder der Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel in einer ersten Bewegungsrichtung die erste und die zweite Antriebseinrichtung mit gegenläufigem Drehsinn betätigt werden. Zur Erzeugung einer Bewegung des Hilfsmittels oder der Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel in einer zweiten Bewegungsrichtung werden die erste und die zweite Antriebseinrichtung mit gleichem Drehsinn bewegt.
Hierbei kann durch entsprechende Drehzahlsteuerung der Antriebseinrichtungen eine wahlfreie Positionierung des Hilfsmittels vorgenommen werden. Insbesondere ist es möglich, das Hilfsmittel nur in der einen Bewegungsrichtung zu bewegen und in der anderen Bewegungsrichtung unbewegt zu lassen, was eine entsprechende Drehzahlsteuerung der Antriebseinrichtungen erfordert. So kann in der ersten Bewegungsrichtung das Hilfsmittel rotatorisch bewegt werden, d. h. es dreht sich um eine Drehachse. In der zweiten Bewegungsrichtung wird eine Komplettdrehung des exzentrisch angeordneten Auslegers durchgeführt, was zu einer Translationsbewegung um die gegenüber dem Ausleger versetzte Drehachse führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann z. B. in dem Steuerprogramm des Steuergeräts softwaremäßig realisiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Verwendung von Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen
1 – eine Betätigungseinrichtung in einer Draufsicht auf eine Umlenkgetriebeanordnung und
2 – eine seitliche Ansicht einer Schnittdarstellung einer Betätigungseinrichtung in stark schematisierter Darstellung und
3 – die Umlaufgetriebeanordnung gemäß 1 in perspektivischer Ansicht und
4 – die Betätigungseinrichtung in perspektivischer Ansicht.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die 1 zeigt eine Betätigungseinrichtung 10 in einer Draufsicht, in der eine Umlaufgetriebeanordnung 3, 5, 16 ersichtlich ist. Erste und zweite Antriebseinrichtungen 100, 200 sind in der 1 zur übersichtlicheren Darstellung nicht wiedergegeben und werden später anhand der 2 beschrieben. Die Umlaufgetriebeanordnung weist als äußeres Getriebeübertragungsteil 3 einen Zahnkranz mit einer Außenverzahnung 4 und einer Innenverzahnung 7 auf. Als inneres Getriebeübertragungsteil 5 ist ein weiterer Zahnkranz mit geringerem Durchmesser vorgesehen, der eine äußere Verzahnung 8 und eine innere Verzahnung 6 aufweist. Der innere Zahnkranz 5 ist konzentrisch innerhalb des äußeren Zahnkranzes 3 angeordnet. Die Zahnkränze 3, 5 sind frei drehbar von einer Mehrzahl von über den Umfang der Umlaufgetriebeanordnung verteilten Zahnrädern gelagert. Der äußere Zahnkranz 3 ist an seiner Außenseite durch Zahnräder 1, 11, 12, 13, 14 und 15 gelagert. Der innere Zahnkranz 5 ist an seiner Innenseite durch Zahnräder 2, 24, 25, 26, 27 und 28 gelagert. Hierbei sind die Zahnräder 11, 12, 13, 14, 15, 24, 25, 26, 27, 28 als freilaufende Zahnräder ausgebildet, die nur zu Lagerzwecken dienen. Die freilaufenden Zahnräder sind beispielsweise über Kugellager auf entsprechenden Achsen gelagert. Das äußere Zahnrad 1 ist als Ritzel ausgebildet, das mit einer Abtriebswelle der ersten Antriebseinrichtung 100 gekoppelt ist. Die erste Antriebseinrichtung 100 kann bei entsprechender Betätigung durch Drehung des Ritzels 1 den äußeren Zahnkranz 3 rotieren. Analog dazu ist das innere Zahnrad 2 als Ritzel ausgebildet, das mit einer Abtriebswelle der zweiten Antriebseinrichtung 200 gekoppelt ist. Die zweite Antriebseinrichtung 200 kann bei entsprechender Betätigung über das Ritzel 2 den inneren Zahnkranz 5 rotieren. Die Zahnräder 1, 2 haben somit, im Gegensatz zu den freilaufenden Zahnrädern 11, 12, 13, 14, 15, 24, 25, 26, 27, 28, eine aktive Funktion für die Steuerung der Betätigungseinrichtung; sie können daher auch als Steuerzahnräder bezeichnet werden.
Weiterhin sind zwischen der äußeren Verzahnung 8 des inneren Zahnkranzes 5 und der inneren Verzahnung 7 des äußeren Zahnkranzes 3 als Zahnräder ausgebildete Planetenräder 16, 19, 20, 21, 22, 23 vorgesehen. Von diesen Planetenrädern hat das Planetenrad 16 wiederum eine aktive Funktion für die Übertragung einer Bewegung auf das Hilfsmittel. Die übrigen Planetenräder 19, 20, 21, 22, 23 dienen vorwiegend einer symmetrischen Verteilung der Kräfte und der Kraftübertragung in der Betätigungseinrichtung. Die Planetenräder 16, 19, 20, 21, 22, 23 sind jeweils auf Achsen gelagert, z. B. durch Kugellager. Die Lagerachse des aktiven Planetenrads 16 dient dabei zusätzlich als Abtriebswelle zur Bewegung des Hilfsmittels.
Die Zahnräder 1, 11, 12, 13, 14, 15, 2, 24, 25, 26, 27, 28 sind auf einer gemeinsamen Basisplatte 17 angeordnet und daran befestigt. Die Steuerzahnräder 1, 2 sind damit an festen Positionen zueinander angeordnet, so dass auch die damit verbundenen Antriebseinrichtungen 100, 200 an festen Positionen zueinander angeordnet sind. Die Umlaufgetriebeanordnung 3, 5, 16 weist innerhalb des inneren Zahnkranzes 5 eine konzentrische Öffnung 18 auf.
In der 2 ist in stark schematisierter Darstellung ein seitlicher Schnitt durch die Umlaufgetriebeanordnung 3, 5, 16 dargestellt. Ferner ist die Anordnung der Antriebseinrichtungen 100, 200 dargestellt. Die erste Antriebseinrichtung 100 ist über entsprechende Befestigungsmittel, z. B. einen Befestigungsflansch, mit der Basisplatte 17 verbunden. Die Antriebseinrichtung 100, die z. B. als Elektromotor ausgebildet sein kann, ist über eine Abtriebswelle mit der Dreh- und Lagerachse 30 des Ritzels 1 gekoppelt. Das Ritzel 1 steht im Bereich 31 im Eingriff mit der äußeren Verzahnung 4 des äußeren Zahnkranzes 3. Die innere Verzahnung 7 des äußeren Zahnkranzes 3 steht in einem Bereich 36 mit dem Planetenrad 16 im Eingriff. Das Planetenrad 16 steht wiederum in einem Bereich 35 mit der äußeren Verzahnung 8 des inneren Zahnkranzes 5 im Eingriff. Die innere Verzahnung 6 des inneren Zahnkranzes 5 steht in einem Bereich 33 mit dem Ritzel 2 im Eingriff. Das Ritzel 2 wird über seine mit einer Abtriebswelle der zweiten Antriebseinrichtung 200 verbundene Dreh- und Lagerachse 32 von der Antriebseinrichtung 200 angetrieben. Die Antriebseinrichtung 200 kann z. B. als Elektromotor ausgebildet sein. Die Antriebseinrichtung 200 ist wie die Antriebseinrichtung 100 über entsprechende Befestigungsmittel auf der Basisplatte 17 befestigt.
Zwischen dem Ritzel 2 und dem gegenüberliegenden Zahnrad 26 ist die Öffnung 18 vorgesehen. Jenseits der Öffnung 18 schließen sich an das Zahnrad 26 wiederum der innere Zahnkranz 5, ein dem Planetenrad 16 gegenüberliegendes Planetenrad 21, der äußere Zahnkranz 3 und ein dem Ritzel 1 gegenüberliegendes Zahnrad 13 an.
Die Abtriebsseite der Betätigungseinrichtung 10 ist in der 2 links von der Umlaufgetriebeanordnung 3, 5, 16 dargestellt. Ein Planetenradträger 38 ist über ein Lager 40 mit einer Abtriebswelle 34, die zugleich Lagerwelle des Planetenrads 16 ist, und über ein Lager 39 mit einer Lagerwelle 37 des Planetenrads 21 verbunden. Hierdurch wird eine ringförmige Translationsbewegung der Planetenräder 16, 21 innerhalb des Raums zwischen dem inneren Zahnkranz 5 und dem äußeren Zahnkranz 3 in Form einer Drehbewegung auf den Planetenradträger 38 übertragen. Der Planetenradträger 38 kann über weitere Lager auch mit den Lagerwellen der weiteren Planetenräder 19, 20, 22, 23 verbunden sein.
Die Abtriebswelle 34 des Planetenrads 16 ist durch das Lager 40 hindurchgeführt und in einem Ausleger 41, an dem das Hilfsmittel oder eine Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel befestigt ist, bis zum Hilfsmittel hin fortgeführt. Hier- über kann eine von der Drehbewegung des Planetenradträgers 38 unabhängige Drehbewegung der Abtriebswelle 34 zu dem Hilfsmittel hin übertragen werden.
Die 3 zeigt die Umlaufgetriebeanordnung gemäß den 1 bzw. 2 in perspektivischer Darstellung. Zur besseren Übersicht sind in 3 nur die aktiven Elemente mit Bezugszeichen, die den 1 und 2 entsprechen, versehen. Wie erkennbar ist, befindet sich im mittleren Bereich der Umlaufgetriebeanordnung die Öffnung 18, durch die Versorgungsleitungen zu dem Hilfsmittel geführt werden können. Die Versorgungsleitungen unterliegen dabei nicht in vollem Umfang den Drehbewegung, die die Antriebseinrichtungen 100, 200 auf das Hilfsmittel übertragen.
Die 4 zeigt die Betätigungseinrichtung 10 mit dem Ausleger 41 in perspektivischer Darstellung. Wiederum sind, analog zu 3, der besseren Übersicht halber nur bestimmte aktive Elemente mit Bezugszeichen versehen. Der Aufbau entspricht im Übrigen dem zuvor beschriebenen Aufbau. An dem der Umlaufgetriebeanordnung 3, 5, 16 abgewandten Ende des Auslegers 41 ist eine Umlenkanordnung 42 vorgesehen, z. B. in Form eines einen Winkelversatz von 90° erzeugenden Kegelradgetriebes. Die Ausgangswelle des Kegelradgetriebes 42 ist mit einer Aufnahmevorrichtung 9 für das Hilfsmittel verbunden. Die 4 zeigt außerdem die Abtriebswelle 34, die innerhalb des Auslegers 41 verläuft, in gestrichelter Darstellung.
Durch entsprechende Betätigung der Antriebseinrichtungen 100, 200 kann eine Bewegung des Hilfsmittels bzw. der Aufnahmevorrichtung für das Hilfsmittel in einer ersten Bewegungsrichtung B, die einer Drehbewegung der gesamten Anordnung auf der Abtriebsseite entspricht, oder unabhängig davon in Form einer Bewegung in der zweiten Bewegungsrichtung A, die einer Drehbewegung um die Längsachse der Aufnahmevorrichtung 9 entspricht, bewegt werden. Für eine ausschließliche Bewegung in der ersten Bewegungsrichtung B sind die Antriebseinrichtungen 100, 200 derart zu steuern, dass der innere und der äußere Zahnkranz 3, 5 Drehbewegungen mit Winkelgeschwindigkeiten ausführen, die vom Betrag und vom Vorzeichen her gleich sind. So ist somit eine gleichsinnige Drehung mit betragsmäßig gleicher Winkelgeschwindigkeit erforderlich. Soll das Hilfsmittel hingegen ausschließlich in der zweiten Bewegungsrichtung A bewegt werden, so sind der innere und der äußere Zahnkranz über die Antriebseinrichtungen 100, 200 derart zu steuern, dass ihre Winkelgeschwindigkeit betragsmäßig gleich ist, jedoch vom Vorzeichen her unterschiedlich ist. Es ist somit eine gegensinnige Bewegung des inneren und des äußeren Zahnkranzes erforderlich. Entsprechend kann durch angepasste Steuerung der Antriebseinrichtungen auch eine Kombination einer Bewegung in den Bewegungsrichtungen A und B erfolgen.
Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung eignet sich für verschiedenste Anwendungen, z. B. auch als Kopf eines sich in drei Koordinatenrichtungen bewegenden Roboters. Denkbar ist auch ein Einsatz im Bereich der Fördertechnik. Transportbänder können mit der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung entsprechend geführt werden, ohne dass sie in Mitleidenschaft gezogen werden. In der Näh- und Webtechnik können Fäden durch die Öffnung 18 der Betätigungseinrichtung 10 zu Werkzeugen geführt werden. Im Bereich der Schweißtechnik können Stromversorgungskabel und weitere Elemente, wie z. B. der Schweißdraht, durch die Betätigungseinrichtung hindurchgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2002/086381 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 8580 [0012]
DIN 8593 [0012]

Claims

Betätigungseinrichtung (10) zur mehrachsigen räumlichen Positionierung eines Hilfsmittels, mit einer ersten steuerbaren Antriebseinrichtung (100) und wenigstens einer zweiten steuerbaren Antriebseinrichtung (200), die unabhängig von der ersten Antriebseinrichtung (100) steuerbar ist, wobei das Hilfsmittel oder eine Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel mittels der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung (100, 200) in wenigstens zwei Translations-, Rotations- oder daraus kombinierten Bewegungsrichtungen (A, B), die in wenigstens einer Bewegungskomponente voneinander unabhängig sind, bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antriebseinrichtung (100) und die zweite Antriebseinrichtung (200) über eine gemeinsame Umlaufgetriebeanordnung (3, 5, 16) mit dem Hilfsmittel oder der Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel gekoppelt sind und das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel mittels der Umlaufgetriebeanordnung (3, 5, 16) von der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung (100, 200) bewegbar ist.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Antriebseinrichtung (200) an einer festen Position bezüglich der ersten Antriebseinrichtung (100) angeordnet ist.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufgetriebeanordnung (3, 5, 16) wenigstens ein äußeres von der ersten Antriebseinrichtung (100) bewegbares Getriebeübertragungsteil (3) und ein darin konzentrisch angeordnetes inneres von der zweiten Antriebseinrichtung (200) bewegbares Getriebeübertragungsteil (5) aufweist.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere und/oder der innere Getriebeübertragungsteil (3, 5) sowohl eine Innenverzahnung (6, 7) als auch eine Außenverzahnung (4, 8) aufweist.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antriebseinrichtung (100) über ein Ritzel (1) mit der Außenverzahnung (4) des äußeren Getriebeübertragungsteils (3) gekoppelt ist und/oder die zweite Antriebseinrichtung (200) über ein Ritzel (2) mit der Innenverzahnung (6) des inneren Getriebeübertragungsteils (5) gekoppelt ist.
Betätigungseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel mit wenigstens einem zwischen dem inneren und dem äußeren Getriebeübertragungsteil (3, 5) vorgesehenen Planetenrad (16) gekoppelt ist, wobei das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel über eine Translationsbewegung des Planetenrads (16) in einer ersten Bewegungsrichtung (B) bewegbar ist.
Betätigungseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel mit wenigstens einem zwischen dem inneren und dem äußeren Getriebeübertragungsteil (3, 5) vorgesehenen Planetenrad (16) gekoppelt ist, wobei das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel über eine Rotationsbewegung des Planetenrads (16) in einer zweiten Bewegungsrichtung (A) bewegbar ist.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerwelle (34) des wenigstens einen Planetenrads (16) zugleich eine mit dem Hilfsmittel oder der Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel gekoppelte Abtriebswelle ist, wobei das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel über die Drehung der Abtriebswelle (34) in der zweiten Bewegungsrichtung (A) bewegbar ist.
Betätigungseinrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufgetriebeanordnung (3, 5, 16) oder Teile der Umlaufgetriebeanordnung über freilaufende Räder (11, 12, 13, 14, 15, 24, 25, 26, 27, 28) gelagert ist.
Betätigungseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufgetriebeanordnung (3, 5, 16) eine zentrale Öffnung (18) zur Durchführung von Versorgungsleitungen aufweist, die innerhalb des inneren Getriebeübertragungsteils (5) angeordnet ist.
Betätigungseinrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Antriebseinrichtung vorgesehen ist, die unabhängig von der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung (100, 200) steuerbar ist, wobei das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel mittels der weiteren Antriebseinrichtung in einer weiteren Bewegungsrichtung, die in wenigstens einer Bewegungskomponente unabhängig von der ersten und der zweiten Bewegungsrichtung (A, B) ist, bewegbar ist, wobei die weitere Antriebseinrichtung über die gemeinsame Umlaufgetriebeanordnung (3, 5, 16) mit dem Hilfsmittel oder der Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel gekoppelt ist und das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel mittels der Umlaufgetriebeanordnung (3, 5, 16) von der weiteren Antriebseinrichtung bewegbar ist, und wobei die weitere Antriebseinrichtung (100, 200) an einer festen Position bezüglich der ersten und der zweiten Antriebseinrichtung angeordnet ist.
Betätigungseinrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsmittel oder die Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel über einen Ausleger (41) mit der Umlaufgetriebeanordnung (3, 5, 16) verbunden ist, wobei durch den Ausleger (41) eine Drehwelle (34) geführt ist und an dem der Umlaufgetriebeanordnung (3, 5, 16) abgewandten Ende des Auslegers (41) eine Umlenkanordnung (42) zur Änderung der Bewegungsrichtung der Drehwelle (34) angeordnet ist.
Verfahren zur Steuerung einer Betätigungseinrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer Bewegung des Hilfsmittels oder der Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel in einer ersten Bewegungsrichtung (B) die erste und die zweite Antriebseinrichtung (100, 200) mit gegenläufigem Drehsinn betätigt werden und zur Erzeugung einer Bewegung des Hilfsmittels oder der Aufnahmevorrichtung (9) für das Hilfsmittel in einer zweiten Bewegungsrichtung (A) die erste und die zweite Antriebseinrichtung (100, 200) mit gleichem Drehsinn bewegt werden.
Verwendung einer Betätigungseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12 für ein mechanisches Trennverfahren.
Verwendung einer Betätigungseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12 für ein thermisches Trennverfahren und/oder ein thermisches Fügeverfahren.