Die Erfindung betrifft ein gedämpftes Roboterhandgelenk mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Aus DE 10 2005 033 733 A1 ist ein Greifwerkzeug für Roboter bekannt, das zum Aufnehmen und Positionieren eines Werkstücks mittels einer Greifvorrichtung dient und im Sinne des Anmeldungsgegenstandes ein Roboterhandgelenk darstellt.

Das Greifwerkzeug ist mit einem Gestell versehen, das in einem

Werkzeuganschlußelement angeordnet ist, das mit einem Roboter verbindbar ist. In dem Gestell ist eine Ausgleichsvorrichtung enthalten, die im wesentlichen eine Schiene und einen Antrieb aufweist. Die Greifvorrichtung ist an einem ersten Ende der Schiene angeordnet und durch die Ausgleichsvorrichtung linear bewegbar. Die

Ausgleichsvorrichtung kann mit einer Dämpfungsvorrichtung verbindbar sein, mit der Stöße in Richtung der geraden Verschiebelinie gedämpft werden.

Das bekannte Greifwerkzeug ist zum Beschicken einer

Reckwalzanordnung mit Werkstücken vorgesehen. Nach dem Zuführen des Werkstückes in die Reckwalzanordnung wird das Werkstück vom Greifwerkzeug freigegeben. Mit der Dämpfungsvorrichtung können

Stöße beim Zuführen in die Reckwalzanordnung gedämpft werden. Von der Reckwalzanordnung erzeugte Prozeßkräfte am Werkstück werden vom Greifwerkzeug nicht aufgenommen, da das Werkstück bei diesem Vorgang vom Greifwerkzeug gelöst ist. Die Länge des Greifwerkzeugs und damit die Dimensionierung des notwendigen Freiraums zwischen Roboter und Bearbeitungsmaschine wird durch die Länge der die Greifvorrichtung tragenden Schiene bestimmt. Für eine Drehung des Werkstücks um seine Längsachse muß der Roboter eine Drehung des Greifwerkzeugs durchführen. Das erfordert einen zusätzlichen

Steuervorgang beim Einrichten des Roboters.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Greifwerkzeug

anzugeben, das das Werkstück auch bei der Bearbeitung durch eine Reckwalzanlage halten kann, das dabei erzeugte Prozeßkräfte auffängt, das einen geringen Einbauraum durch kompakte Bauweise erfordert und eine vereinfachte Steuerung des Roboters ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit einem Roboterhandgelenk der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Roboterhandgelenk stellt eine kostengünstige und universelle Automatisierungslösung für Umformprozesse, im speziellen das Reckwalzen dar, die auch unter extremen

Umgebungsbedingungen, wie Schmutz und Hitze, sowie oftmals beengten Bauräumen, sicher und wartungsarm funktioniert.

Offenbart wird die Konstruktion eines mechanisch nachgiebigen Handgelenks, welches funktional als Ausgleichseinheit zwischen Roboter und Prozess montiert wird, um so die Antriebselemente des Roboters vor den stoßartigen Prozesskräften zu schützen.

In einem regulären Prozessablauf entnimmt der Roboter das glühende Walzgut aus einer Übergabestation und positioniert es für den ersten Stich vor der Walzengravur. Anschließend wird das Walzgut durch Ausfahren des Ausgleichsmechanismus zwischen den Walzen positioniert und der Walzvorgang ausgelöst. Dabei wird das Walzgut stoßartig beschleunigt und in Richtung des Handgelenks bewegt. Die Wegdifferenz zwischen dem Roboterflansch und der Greiferzange wird durch den Ausgleichsmechanismus aufgenommen. Nach diesem ersten Stich wird das Walzgut entlang seiner Längsachse um 90° gedreht und in kürzester Zeit durch den Ausgleichsmechanismus in die 2.

Walzposition gebracht. Je nach Prozesscharakteristik wiederholt sich dieser Bewegungsablauf mehrfach. Im Normalfall werden beim

Reckwalzen bis zu vier derartige Gravurstufen durchfahren.

Abschließend legt der Roboter das Walzgut in einer Übergabestation ab.

Gegenüber den bisherigen Automatisierungslösungen besticht die neue Einheit aus Roboter und nachgiebigem Handgelenk durch eine hohe Flexibilität und kompakte Bauweise bei gleichzeitig großem

Ausgleichsweg. Dies reduziert die Anlagenkosten und das System wird damit zukünftig für Unternehmen mit kleineren Ausbringungsmengen interessant. Nicht zuletzt kann damit auch im Sonderfertigungsbereich auf die den Schmiedearbeiter physisch hoch beanspruchende

Handbedienung der Reckwalze verzichtet werden.

Durch den mobilen Einsatz am Roboter ist für das neue Handgelenk generell ein kompakte Konstruktionsausführung in Leichtbauweise erforderlich. Das Rotoberhandgelenk muß die Grundfunktionen

Stoßausgleich und -dämpfung, Schwenken und Greifen sicher erfüllen und dabei einen Ausgleichsweg von mindestens 300 mm zur Verfügung stellen, um eine ausreichende Entkopplung von den Prozesskräften zu gewährleisten. Die zum Antrieb erforderlichen aktiven Komponenten sind mit der in Schmieden generell verfügbaren Elektro- und

Druckluftversorgung zu betreiben. Ferner müssen durch die im Schmieden vorherrschenden Umgebungsbedingungen konstruktive Schutzmaßnahmen zu Abweisen von Schmutz und Wärme getroffen werden.

Der Ausgleichsmechanismus dient zum Ausgleich der Stoßvorgänge und ist somit das Kernstück des neuen Handgelenks. Basierend auf einem Variantenvergleich von klassischen Geradführungsprinzipien wurde derjenige Mechanismus in die engere Wahl gezogen, der die technologischen Anforderungen nach einer kompakten und leichten Bauweise bei möglichst großem Führungsweg erfüllt. Dabei sind die Getriebekomponenten nur durch staubgekapselte und wartungsarme Drehgelenke verbunden.

Der Erfindungsgegenstand verwendet einen

Geradführungsmechanismus, der auf dem Prinzip der„Nürnberger Schere" beruht. Dieses Funktionsprinzip wurde in eine für diesen Anwendungsfall neuartige innovative Struktur umgesetzt. Das neue Handgelenk arbeitet mit drei Teilscheren, welche parallel und in 120° versetzten Ebenen angeordnet sind. Der Antrieb erfolgt pneumatisch am mittleren Steg der drei Koppelstränge. Dadurch ergibt sich zwischen Greifer und Antriebszylinder eine Übersetzung von 2:1. Im Ergebnis entsteht eine sehr kompakte, leichte und zugleich steife Greiferführung, die hohe Flexibilität bei gleichzeitig nachhaltiger Kostensenkung gegenüber den bisherigen stationären Automatisierungslösungen gewährleistet.

Aus Raum- und Stabilitätsgründen ist eine im Querschnitt um 120° drehsymmetrische Anordnung der Teilscheren vorteilhaft. Es können aber auch mehr als drei Teilscheren in drehsymmetrischer Anordnung vorgesehen sein. Bei vier Teilscheren ergibt sich dann eine Neigung der Ebenen um 90° zueinander. Andere Querschnittssymmetrien können bei Greiferanordnungen vorteilhaft sein, die nur einen linearen Vorschub und keine Drehung des Werkstücks erfordern.

Für das Drehen des Walzgutes nach jedem Stich wurde ein im

Roboterhandgelenk integrierter Schwenkmechanismus entwickelt. Dieser dreht alternierend das Walzgut um 90° bzw. 270° entlang der Längsachse, um eine gleichmäßige und achssymmetrische

Ausformung der Schmiederohlinge während des Walzvorgangs sicherzustellen. Der Roboterarm selbst braucht keine Drehbewegung auszuführen, so dass auch einfachere Roboter mit dem Handgelenk ausgestattet werden können.

Die Drehung erfolgt prozessgesteuert durch einen pneumatischen Drehantrieb, der über eine Zahnradstufe den Ausgleichsmechanismus mit Greifer schwenkt.

Um die Winkellagepositionierung des Greifers sicherzustellen, wird der mit weitem Stützabstand gelagerte Ausgleichsmechanismus durch feste mechanische Drehanschläge begrenzt. Notwendig wird dies durch den innerhalb der Walzenleerlaufzeit von 0,3 s zu realisierende

Schwenkvorgang. Gleichzeitig entlastet der Schwenkmechanismus den Roboter von der zwar einfachen aber hochdynamischen

Drehbewegung. Dadurch wird nicht nur Prozesszeitablauf abgesichert, sondern es werden auch die Roboterantriebskomponenten nachhaltig geringer beansprucht, was letztlich einer längeren Lebensdauer zugute kommt.

Die wesentliche Anforderung an den Greifer besteht darin, das bis zu 1.300°C heiße Walzgut sicher zu greifen, um es von der

Aufnahmestation zu den einzelnen Walzstichen bis zur Ablagestation zu transportieren. Zudem sind die Zangenbauteile erheblichen Staubund Schmutzbelastungen, vor allem durch ständig abplatzenden Zunder ausgesetzt. Deshalb wurde ein Greifer konstruiert, bei dem die bewegten Glieder vor groben Staub geschützt in einem gekapselten Gehäuse untergebracht sind. Um die geforderten großen Greifkräfte zu erzeugen, wurde die Greifermechanik als Kniehebelmechanismus ausgeführt. Der Antrieb erfolgt durch einen Pneumatikzylinder, der geschützt in einem zentral gelegenen Führungsrohr angeordnet ist.

Das Walzgut darf während des Einfahrvorganges in die Walzen nicht mit den Walzenkörpern in Kontakt geraten. Die maximale

Durchsenkung der Ausgleichsmechanismusstruktur am vorderen Walzgutende unter Eigengewichtsbelastung ist daher eine wichtige Einflußgröße für die Betriebssicherheit der Anordnung. Neben der statischen Durchsenkung sind auch dynamische Belastungen zu berücksichtigen. Durch den Transferprozeß von Stich zu Stich wirken zum Ende des Vorgangs Beschleunigungsspitzen auf die

Ausgleichsmechanismustruktur ein. Durch die Analyse des

Ausschwingverhaltens konnte nachgewiesen werden, dass die

Amplituden unterhalb der geforderten Maximalwertvorgaben liegen.

Zur Erweiterung des Belastungs- und Dynamikbereichs ist es jedoch vorteilhaft, bei schweren Werkstücken die

Ausgleichsmechanismusstruktur über eine außerhalb der Vorrichtung liegende und an der Schwenkvorrichtung im Bereich der

Werkzeuganschlußvorrichtung befestigten Stützschiene mit

Stützschlitten zusätzlich abzustützen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Roboterhandgelenks schematisch dargestellt. Dabei zeigen

Fig.1 eine Anordnung mit zusammengeschobener

Ausgleichsvorrichtung,

Fig.2 die Anordnung mit ausgefahrener Ausgleichsvorrichtung, Fig.3 einen Querschnitt durch die Ausgleichsvorrichtung im Bereich einer Koppelplatte und

Fig.4 eine Anordnung mit zusätzlicher Stützschiene.

Das in den Fig.1 , 2 dargestellte Roboterhandgelenk enthält eine

Werkstückanschlußvorrichtung 1 , die mit einer Montageplatte 2 zum Anschluß an einen nicht dargestellten Roboterarm versehen ist. In die Werkstückanschlußvorrichtung 1 integriert ist eine Schwenkvorrichtung 3, die über Zahnräder 4, 5 antreibbar ist.

An der Schwenkvorrichtung 3 befestigt ist eine Ausgleichsvorrichtung 6. Diese besteht aus drei Teilscheren 7, 8, 9, die parallel zueinander in 120° zueinander geneigten Ebenen angeordnet sind. Jede der

Teilscheren 7. 8, 9 besteht aus drei zweiarmigen Scherenhebeln 10 und zwei einarmigen Scherenhebeln 11. Die Scherenhebel 10, 11 sind an ihren Enden über Gelenke 12 miteinander verbunden, wobei ein Ende des Scherenhebels ein anderes Ende klauenförmig umgreift. Die zweiarmigen Scherenhebel 10 weisen zwei gleichlange Arme auf. Die Länge der einarmigen Scherenhebel 11 ist gleich der halben Länge der zweiarmigen Scherenhebel 10.

Die freien Enden der einarmigen Scherenhebel 11 sind zum einen an der Schwenkvorrichtung 3 der Werkzeuganschlußvorrichtung 1 angelenkt und zum anderen an einem Greifwerkzeug 13. Das

Greifwerkzeug 13 ist mit einer nicht weiter dargestellten pneumatischen Klemmvorrichtung 14 zum Einspannen eines Werkstücks 15

ausgestattet.

Die Drehachsen 16 der zweiarmigen Scherenhebel 0 sind am Umfang von senkrecht zur Verschieberichtung der Ausgleichsvorrichtung 6 stehenden Koppelplatten 17 befestigt. Die Koppelplatten 17 sind rahmenförmig mit drei am Umfang um 120° versetzt angeordneten ebenen Lagerflächen ausgebildet. Dadurch entsteht im Zentrum der Ausgleichsvorrichtung 6 längs der Verschieberichtung eine Freiraum, in dem eine von der Werkzeuganschlußvorrichtung 1 ausgehende

Hubvorrichtung eingesetzt werden kann. Die Hubvorrichtung ist nicht weiter dargestellt und greift als pneumatischer Vorschub vorzugsweise an der mittleren der Koppelplatten 17 an.

Die aus den drei Teilscheren 7, 8, 9 gebildete Ausgleichsvorrichtug 6 hat auch im gestreckten Zustand (Fig. 2) eine große Steifigkeit mit vernachlässigbarer Absenkung des Werkstücks 15.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Ausgleichsvorrichtung 6 im

Bereich einer Koppelplatte 17. Die Koppelplatte 17 ist als gleichseitiges Dreieck mit abgeflachten Spitzen ausgebildet, die die Lagerflächen für die Teilscheren 7, 8, 9 bilden. In die Lagerflächen sind die Drehachsen 16 eingesetzt. Das Zentrum der Koppelplatte 17 ist kreisförmig offen, so dass eine Rahmen entsteht, in dem nicht weiter bezeichnete

pneumatische Vorschubeinrichtungen in Längsrichtung durch die Ausgleichsvorrichtung 6 hindurchgeführt werden können.

Eine gesteigerte Steifigkeit der Ausgleichsvorrichtung 6 gegen

Absenkung des Werkstücks 15 im gestreckten Zustand kann durch eine sich dem Ausfahrzustand der Ausgleichsvorrichtung 6 anpassende

Abstützung erreicht werden. Dazu ist in Fig. 4 eine Stützschiene 18 mit der Schwenkvorrichtung 3 im Bereich der

Werkzeuganschlußvorrichtung 1 verbunden. Die Stützschiene 18 liegt außerhalb der Ausgleichsvorrichtung 6 und erstreckt sich parallel zur Streckrichtung der Ausgleichsvorrichtung 6. Auf der Stützschiene 18 ist ein Stützschlitten 19 verschiebbar gelagert. Im dargestellten

Ausführungsbeispiel ist die dem Greiferwerkzeug 13 nächstliegende der Koppelplatten 17 starr mit dem Stützschlitten 19 über ein Stützrohr 20 verbunden, das auch bei Drehung der Ausgleichsvorrichtung um 90° die Ausgleichsvorrichtung zusätzlich hält. In der Praxis wird die Abstützung vorzugsweise an der mittleren der Koppelplatten 17 vorgenommen, so dass sich eine geringere Ausladung der Stützschiene 18 ergibt. Die Verbindung des Stützrohres 20 mit der Koppelplatte 17 liegt zwischen den Lagerflächen der Scherenhebel 10 mit den Drehachsen 16. Die Ausgleichsbewegung der Teilscheren 7, 8, 9 wird dadurch bei geeigneter Dimensionierung der Koppelplatten 17 nicht behindert. Die Länge der Stützschiene 18 ist bei Unterstützung der mittleren

Koppelplatte 17 an den halben Verschiebeweg der

Ausgleichsvorrichtung 6 angepaßt. Die Kompaktheit des Handgelenks wird dadurch also nicht beeinflusst.

Bezuqszeichenliste

Werkstückanschlußvomchtung

Montageplatte

Schwenkvorrichtung

,5 Zahnräder

Ausgleichsvorrichtung ,8,9 Teilscheren

0 zweiarmige Scherenhebel

1 einarmige Scherenhebel 2 Gelenke

3 Greiferwerkzeug

4 pneumatische Klemmvorrichtung 5 Werkstück

6 Drehachsen

7 Koppelplatten 8 Stützschiene

9 Stützschlitten

0 Stützrohr