DE69600806T2

DE69600806T2 - Handhabungsgerät

Info

Publication number: DE69600806T2
Application number: DE69600806T
Authority: DE
Inventors: Ove Kullborg; Einar Myklebust
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1995-02-24
Filing date: 1996-02-22
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2016-02-23
Also published as: SE9500683D0; US6408710B1; KR100417028B1; SE515130C2; SE9500683L; JP2005329538A; EP0728559B1; KR960031076A; DE69600806D1; JPH08229862A; EP0728559A2; EP0728559A3; ES2127580T3

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Manipulator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Stand der Technik

Ein Manipulater, zum Beispiel ein Industrieroboter, wie er in der US-A-4 602 195 beschrieben wird, hat einen Ständer, der drehbar auf einem Fuß angeordnet ist, während der Fuß auf einer Basis fixiert ist. Der Ständer trägt einen ersten Roboterarm, der relativ zum Ständer drehbar ist. Am anderen Ende dieses Armes ist ein zweiter Roboterarm drehbar angebracht. Der äußere Teil dieses zweiten Armes ist um die Längsachse des zweiten Armes drehbar und trägt an seinem äußeren Ende eine Manipulatorhand. Die Manipulatorhand enthält eine Werkzeugbefestigungsvorrichtung und besteht aus zwei Handteilen, welche eine Drehung der Werkzeugbefestigungsvorrichtung in zwei Freiheitsgraden relativ zum zweiten Arm gestatten. Um eine Bewegung der genannten Roboterarme und der Handteile zu erreichen, ist jede Achse mit einer Antriebsvorrichtung versehen. Zu jeder Antriebsvorrichtung gehört ein Motor, beispielsweise ein von einem Wechselrichter gespeister Synchronmotor mit einem permanent-magnetischen Rotor, und ein Untersetzungsgetriebe mit einem hohen Untersetzungsverhältnis.
Die Stromversorgung und Steuerung eines Industrieroboters der oben beschriebenen Art erfolgt über eine Speise- und Steuerausrüstung, zu welcher ein Gleichrichter und je eine Antriebsvorrichtung für jede Antriebseinheit gehören. Der Gleichrichter wandelt eine dreiphasige Netzspannung in eine Gleichspannung um, die den Speise- und Steuervorrichtungen zugeführt wird. Die Speise- und Steuervorrichtungen werden durch Signale von der Steuerausrüstung gesteuert und wandeln dabei den Gleichstrom in einen variablen Wechselstrom zum Antrieb der Antriebsmotoren um. Der variable Wechselstrom variiert vorzugsweise im Frequenzbereich von 0 bis 400 Hz. Der Wechselstrom wird durch Zerhackung des Gleichstromes erzeugt, wodurch eine Impulsfolge aus Impulsen mit variierender Länge und Polarität entsteht. Diese Impulsfolge imitiert einen sinusförmigen Wechselstrom. Durch diese Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom durch sogenanntes Schalten (Zerhacken) werden hochfrequente (MHz) Transienten erzeugt, die sich der Grundwellenfrequenz überlagern. Diese Transienten führen dazu, daß von den Kabeln elektromagnetische Wellen ausgehen, die andere Einrichtungen stören können.
Das Prinzip eines Antriebssystems für einen Manipulator nach dem Stand der Technik zeigt das Schaltungsdiagramm der Fig. 1. Sechs Antriebsvorrichtungen 1a bis 1f, von denen jede ihren eigenen Wechselstrommotor 2a bis 2f und ihr eigenes Untersetzungsgetriebe 3a bis 3f enthält, sind am Manipulator angebracht. Jeder der Motoren (2) ist über lange Leitungen an eine Speise- und Steuervorrichtung 5a bis 5f angeschlossen, die in einem Steuerschrank untergebracht ist. Die Speise- und Steuervorrichtungen 5, deren Aufgabe darin besteht, den Gleichstrom in steuerbaren variablen Wechselstrom umzuwandeln, werden mit Gleichstrom von einem Gleichrichter (6) gespeist, der für alle Speise- und Steuervorrichtung gemeinsam ist und in dem Steuerschrank untergebracht ist.
Die Steuer- und Speiseausrüstung, zu der der Gleichrichter und die Speise- und Steuervorrichtungen gehören, ist normalerweise in einem Schrank untergebracht, der außerhalb des Arbeitsbereiches des Manipulators aufgestellt ist. Zum Antrieb des Manipulators ist ein mehradriges Kabel, welches eine Anzahl von erforderlichen Leitern für jede Antriebsvorrichtung enthält, zwischen dem Steuerschrank und dem Manipulator vorhanden. Das Kabel ist an den Fuß des Manipulators angeschlossen und verteilt sich von diesem Punkte aus zu den verschiedenen Antriebsvorrichtungen, die normalerweise an dem Ständer und am zweiten Arm angeordnet sind. Jeder der sechs Wechselstrommotoren benötigt drei Leiter, was bedeutet, daß das Kabel 18 Leiter enthält. Ein Problem bei einer solchen Stromübertragung besteht darin, daß die Gesamtlänge der Leiter groß und daher teuer ist. Ein anderes Problem besteht darin, daß die langen Leiter die Aussendung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen vergrößern, wodurch die Gefahr von Störungen vergrößert wird.
Unter Last entwickeln die Speise- und Steuervorrichtungen viel Wärme. Jede der Speise- und Steuervorrichtungen enthält eine Anzahl elektronischer Komponenten, die bei zu hohen Temperaturen beschädigt werden können. Daher müssen die Speise- und Steuervorrichtungen gekühlt werden. Wenn die Speise- und Steuervorrichtungen in einem Schrank angeordnet sind, besteht ein zusätzliches Problem darin, daß in dem Schrank eine Kühlvorrichtung angeordnet werden muß.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Manipulator der oben genannten Art zu entwickeln, bei welchem die oben genannten Nachteile beseitigt sind. Der Manipulator soll die Aussendung von störenden elektromagnetischen Wellen begrenzen und die Menge der erforderlichen Kabel verkleinern. Ferner soll eine effiziente Kühlung der Speise- und Steuervorrichtung erreicht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Manipulator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vor, der durch die Merkmale des kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gekennzeichnet ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den zusätzlichen Ansprüchen genannt.
Gemäß der Erfindung sind die Speise- und Steuervorrichtungen am Roboter angebracht, wo sie vorzugsweise in der Nähe jeder einzelnen Antriebsvorrichtung plaziert sind. Die Speise- und Steuervorrichtungen sind am Manipulator in solcher Weise angebracht, daß die von der Speise- und Steuervorrichtung entwickelte Wärme über die Manipulatorstruktur und, durch Konvektion, an die umgebenden Luft abgeführt werden kann. Von dem Gleichrichter im Steuerschrank werden die am Roboter angebrachten Speise- und Steuervorrichtungen über ein einziges gemeinsames Stromversorgungskabel mit Gleichstrom gespeist. Alternativ kann auch der Gleichrichter am Manipulator angeordnet werden, in welchem Falle die Stromversorgung durch Wechselstrom von dem dreiphasigen Netz direkt an den Manipulator angeschlossen werden kann. Die Stromversorgungskabel zwischen der Speise- und Steuervorrichtung und der Antriebsvorrichtung werden extrem kurz, wodurch die Aussendung störender elektromagnetischer Wellen stark begrenzt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 ein Antriebssystem für einen Manipulator mit einem Stromversorgungssystem nach dem Stande der Technik,
Fig. 2 ein Antriebssystem für einen Manipulator mit einem Stromversorgungssystem gemäß der Erfindung,
Fig. 3 einen Industrieroboter, der mit einem Stromversorgungssystem gemäß der Erfindung ausgerüstet ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Das Schaltbild gemäß Fig. 2 zeigt ein Antriebssystem für einen Manipulator mit einem Stromversorgungssystem gemäß der Erfindung. Jedem der in Fig. 1 gezeigten sechs Antriebsvorrichtungen, von denen jede einen Motor 2 und ein Untersetzungsgetriebe enthält, ist eine Speise- und Steuervorrichtung 7a bis 7f zugeordnet, die am Manipulator angebracht ist. Ein für alle Speise- und Steuervorrichtungen gemeinsamer Gleichrichter 6 ist in einem Schaltschrank angeordnet, wobei ein nur zwei Leiter enthaltendes Leistungskabel die Speise- und Steuervorrichtungen gemeinsam mit Gleichstrom versorgt. Zwischen dem Motor und der Speise- und Steuervorrichtung für die betreffende Antriebswelle sind nur kurze, drei Leiter enthaltende Leistungskabel vorhanden, wodurch die Emission von störenden elektromagnetischen Wellen stark reduziert wird. Auch der Gleichrichter kann am Manipulator angeordnet werden, in welchem Falle ein Netzkabel direkt an den Manipulator angeschlossen werden kann.
Die Speise- und Steuervorrichtungen 7, welche die gleiche Aufgabe wie die bekannten Speise- und Steuervorrichtungen 5 in Fig. 1 haben, sind am Manipulator zu dem Zweck angebracht, um eine wirksame Kühlung durch gute Wärmeleitung an die Manipulatorstruktur und Konvektion von der Manipulatorstruktur zu erreichen. Eine niedrigere Betriebstemperatur der Speise- und Steuervorrichtungen ermöglicht die Wahl von weniger Raum beanspruchenden elektronischen Komponenten, so daß der für die Unterbringung der Speise- und Steuervorrichtung erforderliche Raum im Vergleich mit der bekannten Speise- und Steuervorrichtung verkleinert werden kann. Bei geeigneter Wahl der Komponenten und beim Fehlen von Kühlflanschen kann ein Raum für die Unterbringung der Speise- und Steuervorrichtung von etwa 60 mm · 60 mm · 40 mm ausreichen.
Der in Fig. 3 gezeigt Industrieroboter hat einen Ständer 10, der drehbar in einem Roboterfuß 11, der auf einer (nicht gezeigten) Basis befestigt ist, gelagert ist, wobei der Ständer mit Hilfe einer (nicht gezeigten) am Ständer angebrachten Antriebsvorrichtung um eine vertikale Achse A gedreht werden kann. Ein erster Roboterarm 12 ist um eine Achse B drehbar in dem Ständer 10 gelagert und mit Hilfe von zwei Ausgleichsfedern 13a und 13b ausbalanciert, die gelenkig zwischen dem Ständer 10 und dem oberen Ende des ersten Armes 12 angebracht sind. Das untere Ende des ersten Armes 12 ist an eine Antriebsvorrichtung 1b angeschlossen, die in den Ständer 10 integriert ist und die einen (nicht gezeigten) Motor und ein Untersetzungsgetriebe 3b enthält, an welchem eine (nicht gezeigte) Speise- und Steuervorrichtung befestigt ist. Am oberen Ende des Armes 12 ist ein zweiter Roboterarm 14 um eine Achse C drehbar gelagert. Die Drehung des Armes 14 wird über ein paralleles Verbindungsglied 15 bewirkt, dessen unteres Ende an eine Antriebsvorrichtung lc angeschlossen ist, die in den Ständer integriert ist und die einen Motor 2c und ein Untersetzungsgetriebe 3c enthält, an welchem Untersetzungsgetriebe eine Speise- und Steuervorrichtung 7c befestigt ist.
Der zweite Roboterarm 14 enthält ein hinteres Teil 14a, welches um die Achse C drehbar ist, und ein rohrförmiges vorderes Teil 14b, welches in dem hinteren Teil gelagert ist und um die Längsachse D des Armes drehbar ist. Der äu ßere Endabschnitt des vorderen Armteils besteht aus einem Handgelenk, zu welchen ein um eine Achse E drehbares Handgelenkteil 16 und eine Werkzeugbefestigungsvorrichtung in Gestalt einer Scheibe 17 gehören, die um die Längsachse F des Handgelenkteils 16 drehbar ist. Zur Drehung der Roboterteile 14b, 16 und 17 sind am hinteren Teil 14a des zweiten Roboterarms drei Antriebsvorrichtungen angeordnet. Jede der am zweiten Roboterarm 14 angeordneten Antriebsvorrichtungen enthält einen Motor und ein Untersetzungsgetriebe und eine Speise- und Steuervorrichtung, die an der Antriebsvorrichtung befestigt ist. Nur der Motor 2d, das Untersetzungsgetriebe 3d und die Speise- und Steuervorrichtung 7d, die für den Antrieb des Arms 14b um die Achse D bestimmt sind, sind in der Figur gekennzeichnet.
Die Speise- und Steuervorrichtung 7c, die für den Antrieb des ersten Armes 12 um die Achse B angeordnet ist, ist an dem Untersetzungsgetriebe 3c angebracht, welches zur Erzielung der Armbewegung vorgesehen ist. Durch diese räumliche Anordnung wird nicht nur die Wärmeabführung über die Roboterstruktur ausgenutzt, sondern auch die Wärmeleitfähigkeit des in dem Getriebegehäuse enthaltenen Öls wird zur Wärmeleitung ausgenutzt. Die in der Speise- und Steuervorrichtung 7c erzeugte Wärme kann auf diese Weise schnell an die gesamte begrenzende Oberfläche des Getriebegehäuses abgegeben werden. Von der umhüllenden Oberfläche des Getriebegehäuses wird die Wärme durch Konvektion an die umgebende Luft abgegeben.
Die Antriebsvorrichtungen, die am hinteren Teil 14a des zweiten Armes angeordnet sind, haben eine geringere Leistung, so daß die zugehörigen Speise- und Steuervorrichtungen weniger Wärme entwickeln. Die Speise- und Steuervorrichtung 7d für den Antrieb des vorderen Teils 14b des zweiten Arms 14 um die Achse D ist direkt an dem Motor 2d für die Herbeiführung dieser Bewegung angebracht. Eine ausreichende Wärmeabführung wird durch Wärmeleitung über das Gehäuse des Motors zu der Roboterstruktur erreicht, wobei überschüssige Wärme an die umgebende Luft durch Konvektion sowohl von dem Motorgehäuse als auch von der Roboterstruktur abgegeben wird.
Eine vorteilhafte Verbesserung der Erfindung besteht darin, den gemeinsamen Gleichrichter durch kleine Gleichrichter zu ersetzen, von denen jeder für eine oder für eine Gruppe von Speise- und Steuervorrichtungen vorgesehen ist. Diese kleineren Gleichrichter werden nahe der Speise- und Steuervorrichtungen plaziert. Durch diese Anordnung ist es auch möglich, die Gleichrichter wirksam durch die Roboterstruktur zu kühlen.

Claims

1. Manipulator, beispielsweise ein Industrieroboter, der eine Vielzahl von Antriebsvorrichtungen (1) aufweist zur Bewegung des Manipulators in seiner Vielzahl von Freiheitsgraden, wobei jede Antriebsvorrichtung (1) mindestens einen elektrischen Antriebsmotor (2) enthält, der über einen Gleichrichter (6) und eine Speise- und Steuervorrichtung (7) gespeist und gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der genannten Speise- und Steuervorrichtungen (7) am Manipulator angeordnet ist, vorzugsweise benachbart zu der zugehörigen Antriebsvorrichtung (1).

2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Gleichrichter (6) am Manipulator angeordnet ist.

3. Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der am Manipulator angeordneten Gleichrichter zur Versorgung nur einer oder nur einer Gruppe von Speise- und Steuervorrichtung(en) vorgesehen ist.

4. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Speise- und Steuervorrichtung (7) und/oder mindestens ein Gleichrichter am Manipulator in der Weise angeordnet sind/ist, daß sie/er Wärme an die Manipulatorkonstruktion abgeben/abgibt.

5. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Antriebsvorrichtung (1) eine Reduktionsgetriebe (3) enthält, welches an den Antriebsmotor angeschlossen ist, und daß die zugeordnete Speise- und Steuervorrichtung (7) und/oder der zugehörige Gleichrichter zum Zwecke der Wärmeabführung an dem das Reduktionsgetriebe (3) umgebenden Getriebegehäuse angeordnet ist.