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Die Erfindung betrifft einen Roboterarm mit einer Roboterhand-Antriebsvorrichtung, die wenigstens drei in einem Armausleger des Roboters angeordnete elektrische Motoren zum Antreiben einer mehrachsigen Roboterhand des Armauslegers aufweist, von denen jeder elektrische Motor einen elektrischen Rotor mit jeweils einer Motorwelle aufweist.
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Aus der
EP 2 024 144 B1 ist ein Roboterarm mit einer Roboterhand-Antriebsvorrichtung bekannt, die mehrere in einem Armausleger des Roboters angeordnete Antriebsmotoren mit Antriebswellen zum Antreiben einer Roboterhand des Armauslegers aufweist, wobei wenigstens einer der Antriebsmotoren gegenüber wenigstens einem weiteren der Antriebsmotoren in axialer Richtung auf die Roboterhand nach vorne zu versetzt angeordnet ist und die Antriebswellen der Antriebsmotoren als parallel zueinander verlaufende Geradwellen ausgebildet sind, die vorne im Wesentlichen auf gleicher axialer Höhe enden, wobei drei Antriebswellen vorgesehen sind, die derart angeordnet sind, dass ein Abstand der Antriebswelle eines mittleren Antriebsmotors zu einer der Antriebswellen zweier seitlicher Antriebsmotoren geringer ist, als die Summe der Radien der Motorgehäuse eines benachbarten Paars der axial gegeneinander versetzten Antriebsmotoren.
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Die
US 4,068,763 A beschreibt eine Handgelenksanordnung eines Manipulators, bei dem drei Motoren in einer gemeinsamen Kugelschale untergebracht sind.
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Die
WO 2016/020456 A1 beschreibt eine Antriebseinheit für Robotersysteme, wobei drei Motoren in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und darin mit ihren Motorwellen parallel zueinander ausgerichtet und in Längserstreckung des Gehäuses angeordnet sind.
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Die
DE 10 2012 208 448 A1 beschreibt einen Industrieroboter mit einem Roboterarm, in dessen Handgrundgehäuse drei Antriebe angeordnet sind, die Antriebswellen aufweisen, die zumindest im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Die
US 4,246,661 A beschreibt einen künstlichen Vorderarm, in dem insgesamt sieben Schrittmotoren angeordnet sind.
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Die
US 2013/0104685 A1 beschreibt einen robotischen Arm mit drei Motoren, die in einem gemeinsamen Gehäuse derart angeordnet sind, dass ihre drei Motorwellen jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Roboterarm mit einem Armausleger zu schaffen, der einen besonders kompakten Aufbau aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in einer ersten Ausführung gelöst durch einen Roboterarm mit einer Roboterhand-Antriebsvorrichtung, die wenigstens drei in einem Armausleger des Roboterarms angeordnete elektrische Motoren zum Antreiben einer mehrachsigen Roboterhand des Armauslegers aufweist, von denen jeder elektrische Motor einen elektrischen Rotor mit jeweils einer Motorwelle aufweist, wobei die wenigstens drei elektrischen Motoren im Inneren eines gemeinsamen Gehäusezylinderblocks angeordnet sind, derart, dass jeder Rotor in einem separaten Zylindersektor des Gehäusezylinderblocks liegt und zwar jeweils mit seiner Motorwelle parallel ausgerichtet zu der in Längserstreckung des Armauslegers ausgerichteten Zentrumsachse des Gehäusezylinderblocks und wobei der Gehäusezylinderblock von einem einstückigen Gussbauteil gebildet wird, in dem eine den wenigstens drei elektrischen Motoren entsprechende Anzahl von Vertiefungen eingebracht sind, in welche jeweils einer der wenigstens drei elektrischen Motoren eingesetzt ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß außerdem mit einer zweiten Ausführung gelöst und zwar durch einen Roboterarm mit einer Roboterhand-Antriebsvorrichtung, die wenigstens drei in einem Armausleger des Roboterarms angeordnete elektrische Motoren zum Antreiben einer mehrachsigen Roboterhand des Armauslegers aufweist, von denen jeder elektrische Motor einen elektrischen Rotor mit jeweils einer Motorwelle aufweist, wobei die wenigstens drei elektrischen Motoren im Inneren eines gemeinsamen Gehäusezylinderblocks angeordnet sind, derart, dass jeder Rotor in einem separaten Zylindersektor des Gehäusezylinderblocks liegt und zwar jeweils mit seiner Motorwelle parallel ausgerichtet zu der in Längserstreckung des Armauslegers ausgerichteten Zentrumsachse des Gehäusezylinderblocks, und wobei der Gehäusezylinderblock ein gemeinsames Motorgehäuse aller Rotoren der wenigstens drei elektrischen Motoren bildet, und der Gehäusezylinderblock ein Statorblechpaket aufweist, welches ein gemeinsames Statorblechpaket aller der wenigstens drei elektrischen Motoren bildet.
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Der Roboterarm kann ein Grundgestell, ein auf dem Grundgestell um eine vertikale Drehachse drehbar gelagertes Karussell und eine an dem Karussell um eine erste horizontale Drehachse drehbar gelagerte Schwinge aufweisen. An einem dem Karussell gegenüberliegendem freien Ende kann die Schwinge den Armausleger aufweisen, der an diesem freien Ende der Schwinge um eine zweite horizontale Drehachse drehbar gelagert sein kann. Das Grundgestell, das Karussell und die Schwinge können demgemäß drei Grundglieder des Roboterarms bilden. Die das Grundgestell mit dem Karussell verbindende vertikale Drehachse kann eine erste Grundachse des Roboterarms bilden. Die das Karussell mit der Schwinge verbindende erste horizontale Drehachse kann eine zweite Grundachse des Roboterarms bilden. Die die Schwinge mit dem Armausleger verbindende zweite horizontale Drehachse kann eine dritte Grundachse des Roboterarms bilden.
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Der Armausleger kann beispielsweise eine vierte, fünfte und sechste Roboterachse des Roboterarms aufweisen. Dabei kann der Armausleger einen an dem freien Ende der Schwinge drehbar gelagerten Grundarm aufweisen, an dem um die vierte Roboterachse ein Vorderarm des Armauslegers drehbar gelagert ist. Der Vorderarm kann dabei beispielsweise eine zweiachsige Roboterhand tragen. Die vierte Roboterachse und die zwei weiteren Roboterachsen der Roboterhand können drei Handachsen des Roboterarms bilden. Die drei Handachsen können zusammen mit den drei Grundachsen einen sechsachsigen Knickarmroboter darstellen. Der Roboterarm kann jedoch auch eine andere Anzahl von Grundachsen und/oder Handachsen aufweisen. Unabhängig von der Anzahl der Grundachsen und/oder Handachsen können statt drei Handachsen ggf. auch nur zwei Handachsen oder vier Handachsen oder mehr als vier Handachsen vorgesehen sein. Demgemäß kann der Roboterarm ggf. eine Roboterhand-Antriebsvorrichtung aufweisen, die wenigstens zwei in dem Armausleger des Roboterarms angeordnete elektrische Motoren zum Antreiben der Roboterhand des Armauslegers aufweist, von welchen wenigstens zwei elektrischen Motoren jeder Motor einen elektrischen Rotor mit jeweils einer Motorwelle aufweist und die wenigstens zwei elektrischen Motoren im Inneren des gemeinsamen Gehäusezylinderblocks angeordnet sind, derart, dass jeder der mindestens zwei Rotoren in einem separaten Zylindersektor des Gehäusezylinderblocks liegt und zwar jeweils mit seiner Motorwelle parallel ausgerichtet zu der in Längserstreckung des Armauslegers ausgerichteten Zentrumsachse des Gehäusezylinderblocks.
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Die Roboterhand-Antriebsvorrichtung kann ausgebildet sein, die drei Handachsen des Roboterarms, d.h. die vierte, fünfte und sechste Roboterachse des Roboterarms zu bewegen. Dazu weist die Roboterhand-Antriebsvorrichtung die wenigstens drei in dem Armausleger des Roboterarms angeordneten elektrischen Motoren zum Antreiben der mehrachsigen Roboterhand des Armauslegers auf.
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Jeder elektrische Motor weist einen elektrischen Rotor mit jeweils einer Motorwelle auf. Jeder elektrische Motor umfasst außerdem einen Stator. Sowohl Rotor und/oder Stator können generell mit einer Wicklung elektrischer Drähte versehen sein. So kann beispielsweise eine Rotorwicklung und/oder eine Statorwicklung vorgesehen sein. In Abhängigkeit der Art des elektrischen Motors können statt einer Rotorwicklung oder einer Statorwicklung auch Permanentmagnete vorgesehen sein, die entweder die Rotorwicklung oder die Statorwicklung ersetzen. Alle im Inneren des Gehäusezylinderblocks angeordneten elektrischen Motoren sind in ihren jeweiligen Drehzahlen der Motorwellen unabhängig voneinander ansteuerbar.
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Im Allgemeinen kommen bei Robotern jedoch vorzugsweise Synchronmotoren, insbesondere Servomotoren zum Einsatz, die sowohl eine Rotorwicklung als auch eine Statorwicklung aufweisen. Ein Vorteil des Synchronmotors ist die starre Kopplung der Drehzahl und der Winkellage an die Betriebsfrequenz. Meistens sind die Synchronmotoren deshalb mit einer Sensorik zur Positionsbestimmung, d.h. zur Drehlagebestimmung des Rotors versehen. Die von der Sensorik ermittelte Drehlage der Motorwelle, d.h. Drehposition der Motorwelle wird dabei an eine meist außerhalb des eigentlichen Motors angebrachte Regelelektronik übermittelt, den so genannten Servoregler, der die Bewegung des Motors entsprechend einem oder mehrerer einstellbarer Sollwerte, wie beispielsweise der Soll-Winkelposition oder der Solldrehzahl der Motorwelle regelt.
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Indem die wenigstens drei elektrischen Motoren im Inneren eines gemeinsamen Gehäusezylinderblocks angeordnet sind, derart, dass jeder Rotor in einem separaten Zylindersektor des Gehäusezylinderblocks liegt und zwar jeweils mit seiner Motorwelle parallel ausgerichtet zu der in Längserstreckung des Armauslegers ausgerichteten Zentrumsachse des Gehäusezylinderblocks, können die Motoren besonders eng aneinander gepackt werden, so dass dadurch ein Roboterarm mit einem Armausleger geschaffen werden kann, der einen besonders kompakten Aufbau aufweist.
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Der Gehäusezylinderblock kann dabei ein Aufnahmegehäuse bilden, in das die wenigstens drei elektrischen Motoren, jeweils als kompletter Einzelmotor, der jeweils sowohl einen Rotor, einen Stator und ein Motorgehäuse aufweist, eingesetzt sind. Alternativ kann der Gehäusezylinderblock ein gemeinsames Motorgehäuse bilden, in dem lediglich die wenigstens drei Rotoren drehbar gelagert sind. In der letzteren Ausführungsform kann der ein gemeinsames Motorgehäuse bildende Gehäusezylinderblock insbesondere auch die Statorbleche und/oder Statorwicklungen oder Stator-Permanentmagnete aller wenigstens drei elektrischen Motoren aufweisen.
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Aufgrund dieser Bauweisen können die Rotoren der wenigstens drei elektrischen Motoren mit ihren Motorwellen besonders nah aneinander liegend im Armauslager des Roboterarms angeordnet werden. Dies ist insbesondere möglich, ohne dass zusätzliche Übertragungswellen, wie Gelenkwellen oder Geradwellen an die Motorwellen angeschlossen werden müssten. Da Übertragungswellen wegfallen können, können die wenigstens drei elektrischen Motoren auch axial, d.h. in Längserstreckung des Armauslegers, sehr nahe an den Vorderarm des Armauslegers heran positioniert werden. Demgemäß ergibt sich eine besonders kurze Bauweise für die Roboterhand-Antriebsvorrichtung. Die Roboterhand-Antriebsvorrichtung kann in speziellen Ausführungsformen unmittelbar, d.h. ohne Zwischenschaltung von Übertagungswellen, an ein Getriebe des Armauslegers, insbesondere an ein Stirnradgetriebe und/oder Zykloidgetriebe zur Übertragung des Drehmoments angekoppelt werden und/oder zu ihrer Befestigung an das Stirnradgetriebe und/oder Zykloidgetriebe angeflanscht werden.
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Aufgrund des erfindungsgemäßen Gehäusezylinderblocks können gegebenenfalls, d.h. je nach Ausführungsform auch elektrische Kabel und/oder elektrische Stecker eingespart werden bzw. elektrische Kabel kürzer gestaltet werden.
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Indem jeder Rotor in einem separaten Zylindersektor des Gehäusezylinderblocks liegt, können die wenigstens drei elektrischen Motoren auf gleicher oder zumindest annähernd gleicher axialer Höhe (in Längserstreckung des Armauslegers) angeordnet werden. Daraus kann sich, insbesondere bei identischen Rotoren, eine Bauart ergeben, bei der die Motorwellen mit ihren abtriebsseitigen Wellenenden auf gleicher oder zumindest annähernd gleicher axialer Höhe (in Längserstreckung des Armauslegers) enden.
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Ein jeweiliger Zylindersektor ergibt sich beispielsweise bei einem kreiszylinderförmigen Gehäusezylinderblock aus einem Kreissektor einer Stirnwand des kreiszylinderförmigen Gehäusezylinderblock und der Längserstreckung des Gehäusezylinderblocks in axialer Richtung, d.h. in Längserstreckung des Armauslegers.
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Der Gehäusezylinderblock kann aus einem einstückigen Bauteil hergestellt sein. Alternativ kann der Gehäusezylinderblock auch aus mehreren Teilen oder einer Vielzahl von Einzelteilen aufgebaut sein. So kann der Gehäusezylinderblock beispielsweise aus einer Vielzahl von gestapelten Blechlagen zusammengesetzt sein. Die gestapelten Blechlagen können insbesondere gleichzeitig ein Statorblechpaket bilden, das mit den wenigstens drei Rotoren zusammenwirkt, um die wenigstens drei elektrischen Motoren zu bilden.
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Der Gehäusezylinderblock kann eine zumindest im Wesentlichen kreiszylindrische Mantelwand aufweisen und die Rotoren der wenigstens drei elektrischen Motoren können dabei mit ihren Motorwellen gleichmäßig über einen Umfang um die Zentrumsachse des Gehäusezylinderblocks verteilt im Inneren des Gehäusezylinderblocks angeordnet sein. Der Gehäusezylinderblock kann insbesondere eine zumindest im Wesentlichen kreiszylindrische Mantelwand aufweisen, derart, dass der Gehäusezylinderblock zumindest weitegehend bündig in eine hohles Glied des Roboterarms, d.h. in den hohlen Vorderarm des Armauslegers und/oder in den hohlen Grundarm des Armauslegers eingesetzt ist. Der Gehäusezylinderblock kann in einer ersten Variante vollständig innerhalb des Grundarms des Armauslegers eingesetzt sein. Der Gehäusezylinderblock kann in einer zweiten Variante vollständig innerhalb des Vorderarms des Armauslegers eingesetzt sein. Der Gehäusezylinderblock kann in einer dritten Variante teilweise, d.h. über eine erste axiale Teillänge des Gehäusezylinderblocks innerhalb Grundarms des Armauslegers eingesetzt sein und teilweise, d.h. über eine zweite axiale Teillänge des Gehäusezylinderblocks des Vorderarms des Armauslegers eingesetzt sein. In jeder Variante kann der Gehäusezylinderblock mittels Handwerkzeugen zerstörungsfrei lösbar in dem Armausleger befestigt sein, beispielsweise festgeschraubt sein. Der Gehäusezylinderblock kann entweder an dem hohlen Grundarm oder dem hohlen Vorderarm befestigt sein oder alternativ an einem Getriebe, insbesondere an einem Stirnradgetriebe des Armauslegers und/oder an einem Zykloidgetriebe angeflanscht sein, das seinerseits an dem hohlen Grundarm oder dem hohlen Vorderarm befestigt ist.
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Der die wenigstens drei elektrischen Motoren aufweisende Gehäusezylinderblock kann demgemäß innerhalb eines hohlen Armgehäuses des Armauslegers des Roboterarms angeordnet sein. Das hohle Armgehäuse, insbesondere der hohle Grundarm und/oder der hohle Vorderarm können tragende Bauteil, d.h. Glieder des Roboterarms bilden. Das hohle Armgehäuse, insbesondere der hohle Grundarm und/oder der hohle Vorderarm nehmen in dieser Ausführungsform insoweit eine tragende Funktion wahr, um die Glieder des Roboterarms zu bilden und diese in einer bestimmten Konfiguration, d.h. Gelenkstellungen zu halten. Dies bedeutet, dass sämtliche Kräfte und Momente, die erforderlich sind, um eine vom Roboterarm getragene Last zu halten und/oder zu bewegen, und die Eigengewichtsanteile des Roboterarms zu halten und/oder zu bewegen, über die das hohle Armgehäuse, insbesondere den hohlen Grundarm und/oder den hohlen Vorderarm übertragen werden.
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Der die wenigstens drei elektrischen Motoren aufweisende Gehäusezylinderblock kann ein tragendes Strukturteil des Armauslegers des Roboters bilden. Dies bedeutet, dass der Gehäusezylinderblock ausgebildet ist, sämtliche Kräfte und Momente, die erforderlich sind, um eine vom Roboterarm getragene Last zu halten und/oder zu bewegen, und die Eigengewichtsanteile des Roboterarms zu halten und/oder zu bewegen, zumindest teilweise auch oder sogar vollständig über den Gehäusezylinderblock zu übertragen. In einer speziellen Ausführungsvariante liegt die Mantelwand des Gehäusezylinderblocks frei, d.h. der Gehäusezylinderblock ist nicht im Inneren des Vorderarms oder Grundarms angeordnet. Der Gehäusezylinderblocks kann insoweit ein lasttragendes Zwischenverbindungsstück zwischen dem Vorderarm und dem Grundarm bilden. Der Gehäusezylinderblock kann in einem solchen Falle entweder an dem Grundarm angeflanscht sein und sich relativ zum Vorderarm drehen oder der Gehäusezylinderblock kann an dem Vorderarm angeflanscht sein und sich relativ zum Grundarm drehen.
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Der Gehäusezylinderblock wird in der ersten Ausführung von einem einstückigen Gussbauteil gebildet werden, in dem eine den wenigstens drei elektrischen Motoren entsprechende Anzahl von Vertiefungen eingebraucht sind, in welche jeweils einer der wenigstens drei elektrischen Motoren eingesetzt ist. Der Gehäusezylinderblock kann in dieser Ausführungsform gewissermaßen analog eines Revolvermagazins ausgebildet sein, mit kreiszylindrischen, sich axial erstreckenden Bohrungen oder Zylindertaschen, in die die wenigstens drei elektrischen Motoren, wie Patronen eingesetzt sind.
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In der zweiten Ausführung insbesondere bildet der Gehäusezylinderblock ein gemeinsames Motorgehäuse aller Rotoren der wenigstens drei elektrischen Motoren.
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Beispielsweise werden Motorgehäuse elektrischer Motoren oftmals mit außenliegenden Kühlrippen versehen. Im Falle eines erfindungsgemäßen Gehäusezylinderblocks können demgemäß die Kühlrippen an der außenliegenden Mantelwand des Gehäusezylinderblocks angebracht sein, und die wenigstens drei elektrischen Motoren, die einzeln dann keine Kühlrippen tragen, in den Gehäusezylinderblock eingesetzt sein, so dass die Kühlrippen des Gehäusezylinderblocks gemeinsam die Kühlrippen aller eingesetzten Motoren bilden. Alternativ kann der Gehäusezylinderblocks jedoch auch ohne Kühlrippen ausgebildet sein und demgemäß generell die Mantelwand des Gehäusezylinderblocks glattwandig ausgeführt sein.
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In der zweiten Ausführung weist der Gehäusezylinderblock ein Statorblechpaket auf, welches ein gemeinsames Statorblechpaket aller der wenigstens drei elektrischen Motoren bildet. Der Gehäusezylinderblock muss demgemäß nicht notwendigerweise einstückig sein. Vielmehr kann der Gehäusezylinderblock aus einer Vielzahl von Einzelteilen zusammengesetzt sein. So kann der Gehäusezylinderblock beispielsweise aus einer Vielzahl von gestapelten Blechlagen zusammengesetzt sein. Die gestapelten Blechlagen bilden dabei gleichzeitig ein Statorblechpaket, das mit den wenigstens drei Rotoren zusammenwirkt, um die wenigstens drei elektrischen Motoren zu bilden. Die Ausnehmungen, welche in einem gestapelten Zustand der Statorbleche die Aufnahmetaschen für die Rotoren bilden, können in den einzelnen Statorblechen demgemäß auf einfache Weise durch Stanzen der Statorbleche hergestellt werden.
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Die Motorwellen der wenigstens drei elektrischen Motoren können auf einem gemeinsamen Teilkreis um die in Längserstreckung des Armauslegers ausgerichtete Zentrumsachse des Armauslegers liegend in dem Gehäusezylinderblock angeordnet sein. Dies bedeutet, dass die Achsen der Motorwellen alle dieselben radialen Abstände von der Zentrumsachse des Armauslegers und des Gehäusezylinderblocks aufweisen. Vorzugsweise sind die Motorwellen der wenigstens drei elektrischen Motoren auf dem gemeinsamen Teilkreis in gleichen Abständen voneinander angeordnet. Dies bedeutet, dass alle Motorwellen auf dem Teilkreis gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind. Der Gehäusezylinderblock erstreckt sich mit seiner Zentrumsachse somit grundsätzlich in Richtung der Längserstreckung des Armauslegers, d.h. des Grundarms und des Vorderarms.
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Alle Rotoren der wenigstens drei elektrischen Motoren können bezogen auf die in Längserstreckung des Armauslegers ausgerichtete Zentrumsachse des Armauslegers auf derselben axialen Höhe in dem Gehäusezylinderblock angeordnet sein. Dies bedeutet, dass die elektrischen Motoren, insbesondere die Rotoren aller wenigstens drei elektrischen Motoren nicht axial zueinander versetzt in dem Gehäusezylinderblock angeordnet sind. Vielmehr liegen alle Rotoren seitlich, d.h. in radialer Richtung nebeneinander. Der Gehäusezylinderblock erstreckt sich auch hierbei mit seiner Zentrumsachse grundsätzlich in Richtung der Längserstreckung des Armauslegers, d.h. des Grundarms und des Vorderarms.
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Die mehrachsige Roboterhand kann wenigstens ein Getriebe mit einem Getriebegehäuse aufweisen, an das der Gehäusezylinderblock angeflanscht ist.
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Das wenigstens eine Getriebe ist ausgebildet zum Übersetzen und/oder Verteilen der von den elektrischen Motoren erzeugten Drehmomente auf die vierte, fünfte und sechse Achse des Roboterarms, d.h. auf die Roboterhandachsen. Dabei kann der Armausleger einen an dem freien Ende der Schwinge drehbar gelagerten Grundarm aufweisen, an dem um die vierte Roboterachse ein Vorderarm des Armauslegers drehbar gelagert ist. Der Vorderarm kann dabei beispielsweise eine zweiachsige Roboterhand tragen. Die vierte Roboterachse und die zwei weiteren Roboterachsen der Roboterhand können drei Handachsen des Roboterarms bilden. Die drei Handachsen können zusammen mit den drei Grundachsen einen sechsachsigen Knickarmroboter darstellen.
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Die Rotoren der wenigstens drei elektrischen Motoren können mit ihren Motorwellen jeweils mittels Wälzlagern in dem Gehäusezylinderblock drehbar gelagert sein.
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Jeder Rotor kann mittels wenigstens einem dem abtriebsseitigen Ende der jeweiligen Motorwelle zugewandtem, vorderen Wälzlager in dem Gehäusezylinderblock drehbar gelagert sein und jeder Rotor kann dabei mittels wenigstens einem dem abtriebsseitigen Ende der jeweiligen Motorwelle abgewandtem, hinteren Wälzlager in dem Gehäusezylinderblock drehbar gelagert sein. In dieser Ausführungsform sind die Rotoren jeweils komplett in dem Gehäusezylinderblock drehbar gelagert.
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Alternativ kann jeder Rotor mittels wenigstens einem dem abtriebsseitigen Ende der jeweiligen Motorwelle zugewandtem, vorderen Wälzlager an dem Getriebegehäuse des Getriebes drehbar gelagert sein und jeder Rotor kann dabei mittels wenigstens einem dem abtriebsseitigen Ende der jeweiligen Motorwelle abgewandtem, hinteren Wälzlager in dem Gehäusezylinderblock drehbar gelagert sein. In dieser Ausführungsform sind die Rotoren jeweils nicht komplett in dem Gehäusezylinderblock drehbar gelagert. In dieser Ausführungsform sind die Rotoren jeweils an einer Seite in dem Gehäusezylinderblock gelagert und an der anderen Seite an dem Getriebegehäuse des Getriebes drehbar gelagert, an das der Gehäusezylinderblock angeflanscht ist. So kann die komplette Lagerung der einzelnen Rotoren auf den Gehäusezylinderblock und das Getriebegehäuse verteilt werden, was die Baulänge der gesamten Anordnung verkürzen kann.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Motorwelle auch vollständig in dem Gehäusezylinderblock gelagert sein. Bei einer Ausführungsvariante, bei der die Motorwelle ein Stirnrad aufweist, das sich im Getriebe abstützt, kann eine separate Lagerung der Motorwelle an diesem Wellenende ggf. entfallen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn ein ansonsten vorgesehenes vorderes Motorwellenlager sehr nahe an dem Stirnrad anzuordnen wäre. Wenn das vordere Motorwellenlager wegfällt, ist die Motorwelle nur durch ein hinteres Motorwellenlager gelagert und das vordere Wellenende der Motorwelle stützt sich mittels des Stirnrades in dem Getriebe ab.
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Das Getriebe kann als ein erstes Getriebe wenigstens eine Stirnradstufe aufweisen, die wenigstens ein auf wenigstens einer Getriebewelle angeordnetes Stirnrad umfasst, wobei die wenigstens eine Getriebewelle jeweils auf das abtriebsseitige Ende einer der wenigstens einen Motorwelle angesteckt ist, und der Armausleger kann dabei ein zweites Getriebe aufweisen, das an das erste Getriebe angeflanscht ist, wobei das wenigstens eine abtriebsseitige Ende der Getriebewelle mittels wenigstens einem Wälzlager in dem Getriebegehäuse des zweiten Getriebes gelagert ist.
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Das zweite Getriebe kann ein Zykloidgetriebe sein, das drei gleichmäßig über einen Umfang verteilt angeordnete Exzenterwellen umfasst, wobei die Motorwellen der wenigstens drei in dem Gehäusezylinderblock drehbar gelagerten Motoren auf demselben Umfang in dem Gehäusezylinderblock angeordnet sind, wie die Exzenterwellen in dem Zykloidgetriebe. Das Zykloidgetriebe kann insbesondere ausgebildet sein, die vierte Roboterachse zu bewegen, d.h. den Vorderarm des Armauslegers relativ zum Grundarm des Armauslegers zu drehen.
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Das Stirnradgetriebe kann ausgebildet sein, die von den insbesondere zwei elektrischen Motoren erzeugten Drehmomente auf die beiden Handachsen (fünfte und sechste Roboterachse) zu übertragen.
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Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieses exemplarischen Ausführungsbeispiels können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder auch in anderen Kombinationen der Merkmale betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
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Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines beispielhaften Industrieroboters in Art eines Sechsachs-Knickarmroboters, der einen erfindungsgemäßen Armausleger aufweist;
- 2 eine explodierte perspektivische Darstellung eines konkreten Ausführungsbeispiels eines Armauslegers mit einem erfindungsgemäßen Gehäusezylinderblock und beispielhaften drei elektrischen Motoren;
- 3 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Gehäusezylinderblocks im Bereich einer der drei elektrischen Motoren, eines Stirnradgetriebes und eines Zykloidgetriebes des Armauslegers; und
- 4 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Gehäusezylinderblocks mit den drei elektrischen Motoren im Zusammenbau.
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Die 1 zeigt einen Roboter 1 in der beispielhaften Bauart eines Sechsachs-Knickarmroboters 1a, der einen Roboterarm 2 und eine Robotersteuervorrichtung 10 aufweist. Der Roboterarm 2 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mehrere, nacheinander angeordnete und mittels Gelenke drehbar miteinander verbundene Glieder L1 bis L7.
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Die Robotersteuervorrichtung 10 des Roboters 1 ist ausgebildet bzw. eingerichtet, ein Roboterprogramm auszuführen, durch welches die Gelenke (Roboterachse A1 bis A6) des Roboterarms 2 gemäß des Roboterprogramms automatisiert oder in einem Handfahrbetrieb automatisch verstellt bzw. drehbewegt werden können. Dazu ist die Robotersteuervorrichtung 10 mit ansteuerbaren elektrischen Motoren M1 bis M6 des Roboters 1 verbunden, die ausgebildet sind, die Gelenke (Roboterachse A1 bis A6) des Roboters 1 zu verstellen.
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Bei den Gliedern L1 bis L7 handelt es sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eines Industrieroboters 1a um ein Gestell 3 und ein relativ zum Gestell 3 um eine vertikal verlaufende Roboterachse A1 drehbar gelagertes Karussell 4. Weitere Glieder des Roboterarms 2 sind eine Schwinge 5, ein Armausleger 6 und eine vorzugsweise mehrachsige Roboterhand 7 mit einer als Werkzeugflansch 8 ausgeführten Befestigungsvorrichtung zum Befestigen beispielsweise eines Robotergreifers. Die Schwinge 5 ist am unteren Ende, d.h. an dem Gelenk der Schwinge 5 auf dem Karussell 4 um eine vorzugsweise horizontale Roboterachse A2 schwenkbar gelagert.
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Am oberen Ende der Schwinge 5 ist an dem Gelenk der Schwinge 5 wiederum um eine ebenfalls vorzugsweise horizontale Achse A3 der Armausleger 6 schwenkbar gelagert. Dieser trägt endseitig die Roboterhand 7 mit ihren vorzugsweise drei Roboter(hand)achsen A4, A5, A6. Die Roboterachsen A1 bis A6 sind durch jeweils einen der elektrischen Motoren M1 bis M6 über die Robotersteuervorrichtung 10 programmgesteuert antreibbar. Generell kann dazu zwischen jedem der Glieder L1 bis L7 und dem jeweils zugeordneten elektrischen Motoren M1 bis M6 ein Getriebe vorgesehen sein.
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Der Armausleger 6 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen erfindungsgemäßen Gehäusezylinderblock mit genau drei elektrischen Motoren (M4 bis M6) auf.
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Der Armausleger 6 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels somit die vierte Roboterachse A4, die fünfte Roboterachse A5 und die sechste Roboterachse A6 des Roboterarms 2 auf. Dabei weist der Armausleger 6 einen an dem freien Ende der Schwinge 5 drehbar gelagerten Grundarm 6.1 auf, an dem um die vierte Roboterachse A4 ein Vorderarm 6.2 des Armauslegers 6 drehbar gelagert ist. Der Vorderarm 6.2 trägt dabei die zweiachsige Roboterhand 7. Die vierte Roboterachse A4 und die zwei weiteren Roboterachsen A5 und A6 der Roboterhand 7 bilden drei Handachsen des Roboterarms 2. Die drei Handachsen bilden zusammen mit den drei Grundachsen A1, A2 und A3 den sechsachsigen Knickarmroboter 1a.
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Der Roboterarm 2 bzw. der Armausleger 6 gemäß 2 bis 4 weist eine Roboterhand-Antriebsvorrichtung 11 auf. Die Roboterhand-Antriebsvorrichtung 11 umfasst wenigstens drei in dem Armausleger 6 des Roboterarms 2 angeordnete elektrische Motoren M4, M5, M6 zum Antreiben der mehrachsigen Roboterhand 7 des Armauslegers 6 auf. Jeder der elektrischen Motoren M4, M5, M6 weist einen elektrischen Rotor M4.1, M5.1 und M6.1 mit jeweils einer Motorwelle M4.2, M5.2 und M6.2 auf.
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Erfindungsgemäß sind die wenigstens drei elektrischen Motoren M4, M5, M6 im Inneren eines gemeinsamen Gehäusezylinderblocks 12 angeordnet, derart, dass jeder Rotor M4.1, M5.1 und M6.1 in einem separaten Zylindersektor des Gehäusezylinderblocks 12 liegt und zwar jeweils mit seiner Motorwelle M4.2, M5.2 und M6.2 parallel ausgerichtet zu der in Längserstreckung des Armauslegers 6 ausgerichteten Zentrumsachse Z des Gehäusezylinderblocks 12.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist der Gehäusezylinderblock 12 eine zumindest im Wesentlichen kreiszylindrische Mantelwand auf und die Rotoren M4.1, M5.1 und M6.1 der wenigstens drei elektrischen Motoren M4, M5, M6 sind mit ihren Motorwellen M4.2, M5.2 und M6.2 gleichmäßig über einen Umfang um die Zentrumsachse Z des Gehäusezylinderblocks 12 verteilt im Inneren des Gehäusezylinderblocks 12 angeordnet.
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Der die wenigstens drei elektrischen Motoren M4, M5, M6 aufweisende Gehäusezylinderblock 12 ist dabei innerhalb eines hohlen Armgehäuses, d.h. im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels innerhalb des Grundarms 6.1 des Armauslegers 6 des Roboterarms 2 angeordnet.
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Der Gehäusezylinderblock 12 bildet ein gemeinsames Motorgehäuse aller Rotoren M4.1, M5.1 und M6.1 der drei elektrischen Motoren M4, M5, M6.
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Die Motorwellen M4.2, M5.2 und M6.2 der drei elektrischen Motoren M4, M5, M6 sind auf einem gemeinsamen Teilkreis um die in Längserstreckung des Armauslegers 6 ausgerichtete Zentrumsachse Z des Armauslegers 6 liegend in dem Gehäusezylinderblock 12 angeordnet. Dies bedeutet dass im Falle der drei elektrischen Motoren M4, M5, M6 diese um eine Teilung von 120 Grad zueinander versetzt angeordnet sind.
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Alle Rotoren M4.1, M5.1 und M6.1 der drei elektrischen Motoren M4, M5, M6 sind bezogen auf die in Längserstreckung des Armauslegers 6 ausgerichtete Zentrumsachse Z des Armauslegers 6 auf derselben axialen Höhe in dem Gehäusezylinderblock 12 angeordnet.
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Die mehrachsige Roboterhand 7 bzw. der Grundarms 6.1 und/oder der Vorderarm 6.2 weist wenigstens ein Getriebe 13 mit einem Getriebegehäuse 14 auf, an das der Gehäusezylinderblock 12 angeflanscht ist.
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Die Rotoren M4.1, M5.1 und M6.1 der drei elektrischen Motoren M4, M5, M6 sind mit ihren Motorwellen M4.2, M5.2 und M6.2 jeweils mittels Wälzlagern 15 in dem Gehäusezylinderblock 12 bzw. in dem ersten Getriebegehäuse 14.1 drehbar gelagert, wie dies insbesondere in 3 dargestellt ist.
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Jeder Rotor M4.1, M5.1 und M6.1 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mittels wenigstens einem dem abtriebsseitigen Ende der jeweiligen Motorwelle M4.2, M5.2 und M6.2 zugewandtem, vorderen Wälzlager 15.1 an dem Getriebegehäuse 14.1 des ersten Getriebes 13.1 drehbar gelagert und jeder Rotor M4.1, M5.1 und M6.1 ist mittels wenigstens einem dem abtriebsseitigen Ende der jeweiligen Motorwelle M4.2, M5.2 und M6.2 abgewandtem, hinteren Wälzlager 15.2 in dem Gehäusezylinderblock 12 drehbar gelagert.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der 3 weist der Armausleger 6 somit ein erstes Getriebe 13.1 auf, das wenigstens eine Stirnradstufe umfasst. Die Stirnradstufe umfasst wenigstens ein auf einer Getriebewelle 13.1a angeordnetes Stirnrad 13.1b und die wenigstens eine Getriebewelle 13.1a ist auf das abtriebsseitige Ende der Motorwelle M5.2 angesteckt. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der 3 weist der der Armausleger 6 außerdem ein zweites Getriebe 13.2 auf, das an das erste Getriebe 13.1 angeflanscht ist, wobei das wenigstens eine abtriebsseitige Ende der Getriebewelle 13.1a mittels wenigstens einem Wälzlager 15.3 in dem zweiten Getriebegehäuse 14.2 des zweiten Getriebes 13.2 gelagert ist.
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Wie speziell in der 3 dargestellt ist, sind der Gehäusezylinderblock 12, das erste Getriebe 13.1 und das zweite Getriebe 13.2 in Richtung der Zentrumsachse Z seriell hintereinander im Armausleger 6 angeordnet.
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In der Schnittdarstellung der 3 ist beispielhaft der elektrische Motor M5 zum Antrieb der fünften Roboterachse A5 geschnitten dargestellt. Die beiden anderen Motoren M4 und M6 können in gleicher Weise ausgebildet sein, wobei dann die Motorwellen M4.2 und M6.2 jedoch in anderer Weise an das erste Getriebe 13.1 bzw. das zweite Getriebe 13.2 angekoppelt sind. Soweit nicht ausdrücklich erwähnt, sind jedoch die zum elektrischen Motor M5 beschriebene Merkmale in analoger Weise auch bei den beiden anderen Motoren M4 und M6 vorhanden.
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In der 3 auf linker Hand ist das von dem ersten Getriebe 13.1 und von dem zweiten Getriebe 13.2 abgewandte Ende der Motorwelle M5.2 gezeigt. Dieses von dem ersten Getriebe 13.1 und von dem zweiten Getriebe 13.2 abgewandte Ende der Motorwelle M5.2 ist mittels des zweiten Wälzlagers 15.2 in einem Sitz des Gehäusezylinderblocks 12 gelagert. Durch das zweite Wälzlager 15.2 hindurch erstreckt sich ein verjüngter Fortsatz dieses Endes der Motorwelle M5.2. An diesem verjüngten Fortsatz ist ein Sensor 17 angeordnet, welcher die Drehposition der Motorwelle M5.2 erfasst. Der Sensor 17 kann beispielsweise ein Resolver oder ein Inkrementalgeber sein. Mittels des Sensors 17 kann der Motor M5 in seiner Drehstellung, Drehgeschwindigkeit und/oder Drehbeschleunigung geregelt werden. Der elektrische Motor M5 und der Sensors 17 bilden im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels insoweit einen Servomotor.
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An einem dem Sensor 17 gegenüberliegendem anderen Ende der Motorwelle M5.2 ist die Motorwelle M5.2 mittels eines ersten Wälzlagers 15.1 gelagert. Das erste Wälzlager 15.1 ist insoweit an einem dem ersten Getriebe 13.1 und dem zweiten Getriebe 13.2 zugewandten anderen Ende der Motorwelle M5.2 angeordnet. Das erste Wälzlager 15.1 und das zweite Wälzlager 15.2 können eine Fest-Los-Lageranordnung für die Motorwelle M5.2 bilden.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der 3 ist das zweite Wälzlager 15.2 in einem Sitz des Gehäusezylinderblocks 12 gelagert und das erste Wälzlager 15.1 in einem Sitz des ersten Getriebes 13.1 gelagert. Dazu kann, wie dargestellt, der Sitz für das erste Wälzlager 15.1 an einer dem Gehäusezylinderblock 12 zugewandten Stirnseite des ersten Getriebes 13.1 angeordnet sein.
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Durch das erste Wälzlager 15.1 hindurch erstreckt sich ebenfalls ein verjüngter Fortsatz dieses Endes der Motorwelle M5.2. An diesem verjüngten Fortsatz ist beispielsweise mittels einer Keilwellenverbindung eine Getriebewelle 13.1a drehfest aufgesteckt. Die Getriebewelle 13.1a des ersten Getriebes 13.1 trägt im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der 3 ein Antriebsstirnrad 13.1b. Das Antriebsstirnrad 13.1b kämmt mit einem Abtriebsstirnrad 13.1c des ersten Getriebes 13.1. Das Abtriebsstirnrad 13.1c seinerseits ist mit einer Hohlwelle 18 verbunden, welche die fünfte Roboterachse A5 der Roboterhand 7 antreibt, d.h. bewegt. Die Hohlwelle 18 ist mittels eines eigenen ersten Wälzlagers in dem zweiten Getriebe 13.2 gelagert und stützt sich über ein zweites Wälzlager an einer Zentralwelle 19 ab.
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Innerhalb der Hohlwelle 18 ist koaxial zu dieser die Zentralwelle 19 drehbar angeordnet. Die Zentralwelle 19 stützt sich einerseits gegen die Hohlwelle 18 und andererseits gegen das erste Getriebe 13.1 mittels Wälzlagern ab. Zwischen den beiden Wälzlagern trägt die Zentralwelle 19 ein Abtriebsstirnrad, das seinerseits mit einem Antriebsstirnrad kämmt, welches in analoger Weise wie beim Motor M5 über eine zweite Getriebewelle des ersten Getriebes 13.1 durch den Motor M6 angetrieben wird. Die Zentralwelle 19 treibt somit im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels die sechste Roboterachse A6 der Roboterhand 7 an.
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Der Motor M4 dient zum Antreiben, d.h. Drehen der vierten Roboterachse A4 und bewirkt demgemäß eine Drehung des Vorderarms 6.2 relativ zum Grundarm 6.1.
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Eine Drehung des Vorderarms 6.2 relativ zum Grundarm 6.1 erfolgt mittels des Motors M4 über das zweite Getriebe 13.2.
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Das zweite Getriebe 13.2 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Zykloidgetriebe, das drei gleichmäßig über einen Umfang verteilt angeordnete Exzenterwellen 13.2a umfasst, wobei die Motorwellen M4.2, M5.2 und M6.2 der drei in dem Gehäusezylinderblock 12 drehbar gelagerten Motoren M4, M5 und M6 auf demselben Umfang in dem Gehäusezylinderblock 12 angeordnet sind, wie die Exzenterwellen 13.2a in dem Zykloidgetriebe.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels treibt der Motor M4 eine der drei Exzenterwellen 13.2a des Zykloidgetriebes an. Da die Motorwelle M4.2 unmittelbar an die eine Exzenterwelle 13.2a angekoppelt, insbesondere drehfest angesteckt ist, muss zumindest der Motor M4 auf demselben Teilkreis liegen, wie die Exzenterwelle 13.2a, an die die Motorwelle M4.2 direkt angeschlossen ist. Ein Außengehäuse des Zykloidgetriebes kann dabei mit dem Vorderarm 6.2 fest verbunden sein und ein relativ zum Außengehäuse des Zykloidgetriebes drehbares Innengehäuse des Zykloidgetriebes kann dabei mit dem Gehäuse des ersten Getriebes 13.1 oder dem Grundarm 6.1 fest verbunden sein.
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Ergänzend können der Gehäusezylinderblock 12 und das Getriebegehäuse des ersten Getriebes 13.1 als ein einstückiges Antriebsgehäuse ausgebildet sein. Statt eines ersten Getriebes 13.1 mit Stirnverzahnungen, kann die Drehmomentenübertragung in dem ersten Getriebe auch mittels Antriebsriemen erfolgen.