Keuze van een konceptontwerp van een drie-assige robotpols
voor lasdoeleinden
Citation for published version (APA):
Huydts, P. H. H. (1985). Keuze van een konceptontwerp van een drie-assige robotpols voor lasdoeleinden. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, Vakgroep Produktietechnologie : WPB; Vol. WPB0203). Technische Hogeschool Eindhoven.
Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1985 Document Version:
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at:
openaccess@tue.nl
providing details and we will investigate your claim.
• ORIE•ASSIGE ROBOTPOLS voor l.:ASOOELEINOEN. WPB.0203. P.H.H.Huydts
Tevens bevattend een literatuuronderzoek naar de specifikaties t.a.v. robots. Verslag van de 1.1. opdracht in
het kader van het FLAIR-projekt,
Technishe Hogeschool Eindhoven afd. Werktuigbouwkunde
vakgroep w.P.s.
afstudeerhoogleraar: prof. ir. J.G.B~lkestein.
begeleiders: P.J.J.Renders. ir. P.W.I<oumans.
II
VOORWOORD
Dit is het verslag van mUn I.~. opdracht als onderdeel van mun studie aan de afdeling werktuigbouwkunde van de Te-chnische Hogeschool te Ei.ndhoven.
De opdracht is verstrekt door de vakgroep w.P.B. in nauwe samenwerking met de, projekt.groep_ FLAIR (Flexibele Automa_-:,
tisering en Industr~;le Robots}.
De opdracht was onderdeel van het Road-projekt,een
samen-werkingsverband van de T.H. met het Eindhovense bedrüf A.P_.A. b.v. Buiten een literatuuronderzoek was het een voornamelUk
konstruktieve opdracht waarbij veel aandacht is besteed aan het opstellen van en een keuze maken uit verschillende alte,-,natieven.
BU het opstellen van deze alternatieven is vooral ing. H.A. sul-ten mu erg behulpzaam geweest bü het vaststellen van de
keuzekri teria.
Bij het opzetten van de konstrukties stonden twee konstruk-teurs van A.P.A. b.v. mij terz!jde,ir. ~.~.3. Janasen en ir. H~ Marijnissen.
Behalve van mUn begeleider,P.~.~. Renders,heb ik bU het
uitwerken van de definitieve konstruktie ook steun van ir. P.w. Koumans gehad~
MUn dank gaat uit naar al deze en andere niet met naam genoemde personen die meehielpen deze voor mu zo leerzame opdracht te voltooien.
Inhoud: Blz.
voorwoord II
Samenvatting · V
Inleiding 0
H.l. Literatuuronderzoek naar de specifi:-
1.-katies t.a.v. robots.
1.1. Inleiding 1 1.2. Specifikaties,applikaties 1 en trends. 1.2.1. Specifikaties 1 1.2.2. Applikaties 4 1.2.3. Trends 5 1.3. Opgegeven specifikaties 6 1.4. De ROAD 9 1.5. Literatuur 1Q
H~a. Keuze van de konfiguratie 11
2.1. Inleiding 11
2.2. Konfiguratie 12
H.3. Keuze van de konstruktie 1.7
3.1. Kriteria 17
3.2. Alternatieven 21.
3.3. Definitieve konstruktie 23
H.4. Ui_t!'e:tki.rlg. definitiev-e konstruk~ie 25
4.1. Inleiding 25
4.2. Motorkoppels 25
. 4.3. Koppelstangen 26
IV Bülagen - Tekeningen werkgebied
..
konstruktieve alterna-tieven Nummer :1. 5- A new concept in robot wrist flexi- 10
bility
uit~ Proceedings gth International Symposium on Industrial Robots - Informatie motoren
..
harmonie drives - Berekeningen koppels-
..
koppelstangen 20 27 32 38SAMENVATTING
Dit verslag bestaat uit twee ~in of meer losstaande onderdelen.
Het eerste,een literatuuronderzoek naar de specifikaties t.a.v. robots,is voornamelUk gericht op de bewegingsmogelükheden
van jointad-arm konstrukties met las- of handling-applikaties. Een beschouwing van enkele jaren toont aan dat robots universeler en nauwkeuriger worden.Ook treedt een verschuiving op van vUf-naar zes-assige robots.
Het tweede deel bestaat uit de ontwerpfases van·een drie-assige robotpols met universele lasapplikaties.veel aandacht is besteed aan het vaststellen van de meest geschikte konfiguratie.
De Roll-Pitch-Roll is als beste naar voren gekomen,de 3-assen gaan door één punt en er zun verschillende konstrukties mogelUk die in H3 beschreven worden.Een zo diraki mogelUke aandrUving is verkozen boven een aandrüving met verschillende konische tand-wielen en naar achteren verplaatste motoren.
Voordelen zUn: -minder speling.· -eenvoudig.
-licht. -goedkoop.
In de bUlagen zun summiere tekeningen van de verschillende konstruk ties opgenomen.
De uiteindelUke konstruktie bevat als extra een stel
koppel-stangen,op deze manier kan de Se as naar voren verplaatst worden zodat de zwaai van de 6e as kleiner is.
BU dit ontwerp is aandacht besteed aan:
- lageropsluitingen en -voorspanningen. - montagemogelükheden.
- benodigde motorkoppels.
-o-INLEIDING
Deze I.1. opdracht is een onderdeel van het ROAD-projek~.
Oe vakgroep rJ.P.B. van de T.H:.E. en A/~P.A. b.v. ontwikkelen
in samenwerkingsverband een universele robot.
Deze robot zal geschikt Zün voor las- en handling-doeleinden. Om dit mogelUk te maken wordt de robot uitgevoerd met een ver-wisselbaar polsmechanisme.Het polsmechanisme bedoeld als las-arm staat centraal in dit verslag.
De keuze van de vorm~de konfiguratie,van de ~ols komt
uit-gebreid aan bod in H2.Uit de verschillende mogelUkheden wordt uiteindelUk de voordeligste gekozen.
H3 kent een gelUke opzet,alleen nu t.a.v. de konstruktie-vorm,een volgende stap in de ontwerpcyclus.Behalve de
voor-en nadelvoor-en zun hiervan ook le fase ontwerptekvoor-eningvoor-en g~maakt
en opgenomen in dit verslag.
Door de uitgebreide behandeling van de konfiguratie en kon-struktievorm en de tüd beschikbaar voor deze opdracht,400 uur, is de u:ileindelüke konstruktie niet zo volledig uitgewerkt als men dat misschien zou verwachten.Naast de koncept ontwerpteke-ning zün in H4 enkele punten·aangehaald.
Het geheel is zo opgezet dat aan een eventuele vervolgopdracht door een andere student snel en effektief begonnen kan worden na bestudering van dit verslag,büvoorbeeld het verder uitwerken van het konceptontwerp of het uitwerken van een alternatieve konstruktie.
Hl bevat een inleidend literatuuronderzoek naar de specifikaties t.a.v. robots.Men krUgt hiermee een idee van de mogelUkheden die vooral lasrobots reeds bieden en de ontwikkelingen die gaan-de zun.Men zal tenslotte met een nieuw produkt ook nieuwe moge-lUkheden moeten kreeëren wil men een plaats op de reeds drukke markt veroveren.
Hl. LrTERATUURONOERZOEK NAAR DE SPECIFIKATIES T.A.V. ROBOTS
1..1. Inleiding
Om inzicht te krijgen in de opgegeven en benodigde specifikaties van robots is een klein literatuuronder-zoek gedaan. Ook is hierbij gelet op belangrijke trends in de robottechniek.
Dit onderzoek is toegespitst op de mogelijkheden die de ROAO-robot biedt. Het is bedoeld als een houvast bij het opstellen van de richtlijnen voor de specifikaties van de ROAO. Belangrijk is het kunnen vastleggen van de markt- c.q. konkurrentiepositie van de ROAD als las- en als handlingrobot.
1.2. Specifikaties,applikaties en trends
1..2.1. Specifikaties
Van alle gevonden specifikaties is een lijst samengesteld. oe lijst is om de leesbaarheid te bevorderen onder~~·
verdeeld in rubrieken. Oe Engelse benaming en de
defi-nitie zijn eveneens vermel~. Alleen de specifikaties
van de robotarm zijn vermeld, die van de stuureenhied zijn niet opgenomen.
SPECIF~J<ATISS NEOi fabrikant type ENG. manufacturer model
technische gegevens van de
grondaf~- floor space
metingen
eigen'i'~
gewicht . net weight
aandrijving dr,ive.s~stem
. aanslui"'i>"'
tingen connections
DEFINITIE naam van de producent
door de fabrikant gegeven nummer of naam
werkeenheid grondafmetingen
(LxB)
van de robotvoet eigengewicht van de werkeenheid methode van energietoevoer aan de hoofdassen. Voor de pols en/of grippers kunnen andere methoden worden toegepast •
soort aansluitingen (elektrisch, luchtdruk etc.)
-2- voedings-waarden
power waarden van de aansluitingen
requirements (220 volt, 50Hz, Sbar }
omgevings- ambient
temperatuur temperature
as-lengte length of
a x es
beweging s magelij khedan en werkeenheid
bouwwijze configuration
snelheid tool
velocity
werkbereik reach
maximale temperatuur van de om-geving waaronder de robot mag funktioneren; vaak gesplitst voor bovenarm en motoren
lengte van de twee hoofdassen van gewricht tot gewricht.oe verhouding van deze twee is ook interessant.
snelheden van de gehele
verwijst naar het mechanisme van de hoofdassen,voorbeelden hiervan zijn:karthesisch 3xlin.
cylindrisch 2xlin. 1xrot.
sferisch 1xlin. 2xrot.
jointad-arm door roterende gewrichten (joints) verplaat-singen in horizontaal-en
ver-tikaalvlak
Dit wordt vaak met een lette~óm
binatie aangeduid,T voor translatie r voor rotatie (TTT,TTR maar ook TRT etc.)
De maximale snelheid van de gereed~ ·
sch~splaat aan de pols ( tool mount-ing plate; TMP )onder de
voor-geschreven belasting. Bij verschrl-lende snelheden in verschilverschrl-lende
richtingen wordt dit apart aang~
geven.
Geeft de maximale rè± !<.wijdte aan in horizontale en vertikale
rich--ting en eventueel in dwarsrichrich--ting bij karthesische robots.
aantal number of Totale aantal van zowel
hoofd-assen axes als polsassen,bij een standaard
uitvoering. beweging s moge lijkheden van de arm ( 1)
rotatie heup rotatie schouder
(1) Vaak worden de bewegingen in mm opgegeven en de snelheden in mmjs, er wordt dan ge-keken naar het tool centre point (TCP), de lengte van de assen wordt dan direkt verdiskonteerd •• Er zijn overigens meerdere methoden gebruikelijk om bewegings-moge-· lijkheden te beschrijven. Volgende is echter het duidelijkst. rotation in graden waist(sweep) rotation in graden shoulder (swivel)
elleboog hoeksnel-heid heup h:oeksnel-heid schou-der hoeksnel-heid elle-boog elbow(bend) angular velocity waist. anguler velocity shoulder angular velocity elbow
in graden per sekonde
in graden per sekonde
in graden per sekonde
bewegingsmogelijkheden van de pols (1) (2)
3.
(2) Bij de pols worden de hoeken en de hoek-snelheden meestal gekombineerd. Voor de polsgewrichten is geen N:ederlandse be-naming, men geeft de gewrichten een cij-fer of men maakt gebruik van de engelse benaming.
pitch yaw roll
in graden 1 graden per sekonde
in graden , graden per sekonde
in graden 1 graden per sekonde
verdere gegevens draag- läad vermogen capac~ty herhalings repeata~ility nauwkeurig heid Maximale !ast-opgegeven
in Kg,die de robot aan de pols kan hanteren.
Maximale afwijking die optreedt bij het herhaald terugkeren naar een opgegeven punt,volg.ens een-zelfda cyclus.
positioneer accuracy nauwkeurig-heid oplossend- resalu,ti.on vermogen levensduur life 1 .• 2 .2. Applikaties
-4-Is de maximale afwijking die op-treedt tussen het per komputer ingegeven punt en het uiteinde-lijke punt waar het robotgereed-schap terecht komt. Het opgegeven punt mag niet d.m.v. de zogn.
"teach" methode worden ingevoerd omdat er dan sprake is van
repea-tability.
Oe kleinste inkrementele stap die de robotarm in de driedimensionele ruimte kan maken. De positioneer nauwkeurigheid kan nooit beter zijn dan de hel ft van deze waarde. Met te verwachten aantal bedrijfs-uren dat de robot kan maken voor aan vervanging toe te %ijn. Dit wordt overigens door geen enkele
fabrikant opgegeven.
De gebruiks'm o.geli.jkheden van robots zijn zeer uitgebreid. uttde vele publikaties die voor dit overzicht ter hand
zijn genomen is een lijst samengesteld van applikaties. Oe volgorde waarin zij hier zijn gezet is niet direkt maatgevend voor de mate waarin zij voorkomen.
APPLIKATIES NEOi booglassen MIG-lassen TIG-lassen gevuldedraadlassen plasma-lassen puntlassen weerstandslassen teensporteren laden vullen pelletiseren stapelen assembleren bewerken boren afbramen ENG. are welding
MIG welding (GMAW) TrG welding (GTAW)
flux-core welding (FCAW) plasma welding (PAW) spot welding resistance welding handling losding feeding palletising stacking assembly machining drilling deburring
malen klinknagelen smeden spuitgieten coq~illegieten precisiegieten frezen vlamboogsnijden plasmasnijden met a 11 i sa tie hitte behandeling water-st ra len oppervlakbedekken verfspuiten afdichten keuren 1.2.3. Trends grinding rivetting forging injection moulding die casting investment moulding cutting flame cutting plasma cutting metallisation heat t rea tmen t wateriet
surface cating painting
sealing inspeetion
Bij het onderzoek is literatuur betrokken uit de periode 1973-1984. Over het begin van de periode een enkel boek, over de laatste vier jaren zijn meerdere publikaties
geraadpleegd.(Lit.1.2.3,4,5.~'Enkele trends zijn
dui-delijk naar voren gekomen:
-Een uitbreiding van het aantal assen van vijf naar zes.
-Een zeer belangrijke absolute en relativa toename van het aantal "jainted-arm" kanstrukties:
1973 1981 1983 1984
12% 30% 45% 50%
-Een betere opgegeven nauwkeurigheid{pasitianeer-en herhalings-). Iets dat zeer sterk naar vornauwkeurigheid{pasitianeer-en komt is de gelijkheid in opgegeven
herhalings-nauwkeurigheid het laatste jaar {'84). Of dit
vaart-kamt uit een inderdaad naar elkaar toegroeiende her-halingsnauwkeurigheid van de verschillende robots of dat dit kamt daardat deze opgegeven waarde nodig
-6-heid niet gehaald wordt, is niet duidelijk. Vertrouwe-lijke uitspraken van een aankomend fabrikant wijzen echter in de richting van dit laatste. Onderstaande diagrammen maken dit verschijnsel duidelijk.(Van
AANTAL ZO
t
t5
to
1973 is geen diagram getekend daar hier weinig ge-gevens van bekend zijn.)
1981 2 1983 20 1984
1S
10
s
0
0,5 1,0 1,5 ZIJ it2,5 o.s 1,0 f.S ZIJ ~~>2.5 0"1 o,2 0,3' 0,4 o.s
-HERHAL I NGS NAUWKEURiG HElD (mm )
-Een toename van het aantal applikaties. Ook per robot neemt het aantal applikaties toe , m~a.w.
robots zijn in de loop der jaren universeler inzet-baar geworden.
1.3. Opgegeven specifikaties
In deze tabel zijn alleen belangrijke en te vergelijken specifikaties opgenomen. Alleen die robots zijn bekeken waarvan de applikaties en bouwwijze avereenkomen met die van de ROAD, d.w.z.:. -applikaties: are welding
handling met een load capecity tussen de 10 en 301<g •
-jointed arm konstruktie. In de meeste literatuur wordt geen onderscheid gemaakt tussen de verschillende soorten booglas processen. Toch zijn er wezenlijke verschillen tussen TIG-lassen en plasma-lassen (resp. GTAW=gas tungsten are welding en PAW=plasma are welding) enerziids en MIG-lassen en
gevuldedraadlassen (resp. GMAW=gas metal are welding en FCAW=flux core ace welding) anderzijds. De eer-ste groep
stelt zwaardere eisen aan de robot~Lit.7):
-mechanisch: betere herhalingsnauwkeurigheid (0,1 i.p.v. 0,2 mm)
-niet mechanisch: bescherming tegen hoogfrekwent geluid,
automatische voltage kontrole unit.
De tabel is samengesteld m.b.v. vakbladen (Lit~S) en
informatie folders van vele fabrikanten. Achteraan in de tabel is vermeld van welk percentage robots deze gegevens bekend zijn. Van de specifikaties die onder de loep zijn genomen is vermeld : -de laagst gevonden waarde
-de hoogst gevonden waarde -de meest voorkomende waarde -de gemiddelde waarde
-procentueel de bekendheid.
spec. are welding/handling
van tot. meest gem. proc.
aantal assen 5 6 5
5~
100% gewicht (Kg) 210 817 300 395 95% Beweging armen: waist sweep (0 ) 240 540 300 305 95% ang .. vel.(0/s) 60 160 90 96 90% shoulder swivel{0 ) 48 2:55 90 95 60% ang.vel.(0/s) 50 90 90 75 80% elbow bend {0 ) 65 270 70 122 60% ang.vel.(0/s) 60 135 90 95 80% Beweging pols pitch (0) 135 240 180 200 80% (o /s) 60 260 120 1.50 80%yaw roll (0 ) 240 (0 /S) 90 (0 ) 300 (0/s) 90 450 240 540 280
-a-260 180 360 180 are welding draagvermogen (Kg) herhalings-nauwkeurigheid levensduur prijs {103DM) lengte armen opgeteld (mm) verh.arm~
lengten ~ werk temp.(°C) draagvermogen ( 1) (Kg) herhalings-nauwkeurigheid levensduur prijs ( 1030M) lengte armen opgeteld (mm} verh. arm ~ lengten~ B werk temp .. 2,5 80 10 0,1 90 1200 850 Qrnj 0-40 0,4 150 2000 9141000
0-50 0,2 130 1500 750 7'S1! 0-40 handling 10 30 20 0,15 100 1200 800650
0-40 1,0 0,2 200 160 2000 1500 1.000 7501000
750 0-50 0-40 330 170 390 200 13 0,2 135 1500 800 '10() 0-45 2080%
80%
8096 80%90%
95% 0%40%
70%
70% 75% 90% 0,5 95% 180 1550 800 750 0-45 0%40%
70%
70% 75%(1} Di~.is niet het gemiddelde draagvermogen van
handlingrobots in het algemeen,omdat er erg grote verschillen zijn in draagvermogen is een voor-selektie gemaakt.
1.4. De ROAD
van de ROAD is d.m.v. tekeningen bepaald wat zijn werk-gebied èo reikwijdte zijn. T.o.v. andere robots is het werkgebied behoorlijk groot en is de re:ikwijdte een mooie middelmaat. Het werkgebied is voornamelijk zo groot door het kunnen doorzwaaien van de gehele arm (zie Tek.2) Het schoudergewricht kan 180° draaien. Dit geldt voornamelijk voor de ROAD als handlingrobot. Wil men de robot als lasrobot gebruiken dan is het wense-lijk dat de gereedschapsplaat (TMP) in een vaste stand t.o.v. de werkruimte gehouden kan worden (bijv. horizon-taal of vertikaal) Dit om de lastoorts een vaste hoek met het werkstuk te laten maken. Door de geringe buig-mogelijkheid van de pols (pitch} kan dan een deel van
het werkgebied niet gebruikt worden.(Tek.3en4)(~~age lt/m4).
Al met al is het een zeer ruim werkgebied met als sterkste punt het kunnen doorzwaaien van de gehele arm. Op dit
punt, het werkgebied, is de konkurrentiepositie van de ROAD dan ook zeer zeker goed.
Deze tekeningen gelden voor de .. oude" ROAD. Over het
uiteindelijke ontwerp valt nog niets te zeggen, hoogstens dat het gebaseerd zal zijn op de huidige konstruktie. Mede hierom is. dit onderzoek gedaan, het beoordelen van het huidige koncept.
-10-1.5. Literatuur
(1} Industrie Robeter
H.~. Warnecke R.o. Schraft
Krausskopf-Verlag 1973
~2) Specificatiens of Industrial Robots in
~apan 1981
Japan Industrial Robot Association (3) Industrial Robetics Handbock
v.oaniel Hunt
Industrial Press. Inc. 1981
(4) .Directory of Industrial Robots '84 Japan Industrial Robot Association
(5) Industrial Robots March 1983
"Specifications" June 1983 September 1983 December 1983 (6) Industrie Robeter '84 H.J. Warnecke R.D. Schraft Krausskopf-Verlag 1984
(7) Welding Journal November 1984
"Selecting your first are welding robot."
2.1. Inleiding
De ROAD-robot is in eerste instantie bedoeld als univer-sele lasrobot.
Het te ontwerpen polsmechanisme dient de ROAD voor deze applikatie geschikt te maken.voor een eventuele andere applikatie,zoals bUvoorbeeld handling,zal een ander pols-mechanisme. ontworpen worden.
De mechanismen kunnen dan op een flens aan het elleboog-gewricht gekoppeld worden.
Bü het ontwerpen dient dus rekening te worden gehouden met de eisen die gesteld worden aan een lasrobot.
Belangrüke punten hierbU zün:
- Bereikbaarheid van een lasnaad •
• Om in zoveel mogelUk posities te kunnen lassen is een grote beweeglükheid gewenst.
Dit leidt al snel tot een ó-assige robot,d.w.z. een 3-assige pols •
• Om ook kleine werkstukken geheel te kunnen lassen dienen de laatste 3-assen dicht na elkaar geplaatst te worden.
- De herhalingsnauwkeurigheid.
Deze dient voldoende te zUn voor de verschillende lasprocessen (de gewenste en noodzakelüke
herhalings-nauwkeurigheden staan vermeld in H~).
Het hanteren van de lasapparatuur.
Oe laskabels en het laspistool dienen mee getorst te kunnen worden,zonder dat dit de bewegingen teveel beperkt.
Van minder belang zün:
Een grote maximale belastbaarheid (dit is wel belang-rUk bU een handling robot).
- Een grote maximale snelheid.
-12-2.2. Konfiguratie
Zoals in de inleiding reeds is vermeld is voor een goede bereikbaarheid van lasplaatsen een 6-assige robot nodig. Dit wil zeggen een 3-assig polsmechanisme.
Dat een 2-assige pols te beperkt is is snel in te zien. De 3-assige hoofdarm is nodig om een bepaalde plaats
te bereiien {Waist,Shoulder,Elbow). De pols is nodig om de lastoorts te richten.Om dit in de driedimensionele ruimte te kunnen zun drie bewegingsassen nodig.
Voordat specifiek op deze laatste drie assen wordt ingegaan even iets over de naamgeving.
Nederlandse namen zün er niet voor deze assen.De meest gebruikte namen zun oude scheepvaarttermene
Het beuken van een schip in de golven veroorzaakt een be-weging die pitch wordt genoemd.ZUwaartse golven veroorzaken het rollen van een schip:roll.
Draaien aan het roer geeft het schip de derde as~aw.
Men moet hierbU het schip met de achtersteven aan de hoofd-arm bevestigd denken.
Om de toorts goed te richten zUn dus 3assen nodig die zo dicht mogelUk bU elkaar liggen.
Ga bU deze keuze voorlopig uit van 3 assen door één punt. Er is een keuze uit 3 verschillende asrichtingen.
Dit geeft een totaal van 27 mogeiUkheden (33 ).Het is
natuur-lUk Qll.zir:t om al deze variaties uit te werken ,vele ervan
zun zinloos.
Enkele voorbeelden van zinloze konfiguraties:
- 3 dezelfde evenwüdige assen (PPP etc.).
- 2 dezelfde direkt na elkaar (RRP,PRR etc.).
- minder systematisch PYP,YPY.
Erg handig is het als één van de drie assen vast l;gt. Omdat de toorts onder een hoek
van 30 of 45 graden met de 6e as
staat,kan door deze laatste as
---.... te laten rollen de lasplaats
t.o.v. de arm gekozen worden. De laatste as dient derhalve een Roll-as te zün•
Over blUven dan nog twee assen met drie keuzemogelUkheden.
Dit geeft in totaal 9 mogelükheden:
RRR PRR YRR PPR YPR RPR YYR PYR RYR
Eerder al vielen af de konfiguraties met twee dezelfde as-sen na elkaar,door één punt.Er blUven dus nog maar vier kandidaten over.
YPR PYR
RPR
J
RPR RYRTwee ervan,RPR en RYR zUn in principe dezelfde.Door de eerste as 90 graden te draaien verandert P in Y en v.v.
-1.4-De pols kan met alle drie de konfiguraties een driedimen-sionele ruimte bestrüken.Om deze ruimte inderdaad voldoen-de te bestrUken dienen voldoen-de 3 assen een minimale hoek van vrUheid te hebben.
0
-as 6~360.Daar as 6 een Roll-as is voor het richten
van de toorts,dient deze minimaal 360 te kunnen draaien. - as 5 :!
98.
+
- as 4 -
98~'
De andere twee moeten ervoor zorgen dat de 6e as minimaal een halve bol voorop de hoofdarm kan bereiken.Dit wilJdus
0
zeggen beide een hoek van vrüheid van plus en min 90·
t.o.v. de gestrekte stand.
Deze drie konfiguraties worden eens nader bekeken: -PYR: Nadelen:
·.V
' ,)<:
, /De eerste as van de pols is evenwUdig aan de assen van schouder en elleboog. D.w.z. drie evenwUdige assen na elkaar. De robot is hierdoor overbepaald,hU kan
op verschillende manieren een punt bereiken. Het overbepaald zUn is een nadeel voor de besturingseenheid.
De Pitch- en Yaw-assen gaan niet of alleen met de nodige beperkingen door één punt. Dit kruisen van deze assen geeft een vreem-de beweging van het T.C.P. (Tool Centre Point) Dit maakt berekeningen en software
moeilU-ker en dus duurder.
Een mogelUkheid om de Pitch- en Yaw-assen niet te laten kruisen maar snUden is een C-konstruktie,afgeleid van een kardan over-brenging.Helaas is het met deze konstruktie niet mogelUk om beide,zowel Pitch als Yaw,
0
een bewegingsvrüheid van 180 te geven. Wel één van beide kan dit,doch de ander
+ 0
komt dan niet verder dan - 110.(Ze zouden 0
infini-tesimaal dunne assen,zonder materiaal dus).
Er zUn ook nog andere mogelUkheden maar die zun erg onkon-ventioneel en zun specifiek voor andere bekende
robotfabri-kanten. - YPR:
Nadelen:- Evenals bU de PYR konfiguratie gaan PV niet door één punt.Oit heeft dezelfde gevolgen voor besturing en software.
- RPR:
. e
- Door het kruisen van de 1 as met de as van het ellebooggewricht liggen de 2e en 3e as van de pols uit het vlak ·van onder-en bovonder-enarm.Oit uit het vlak werkonder-en geeft problemen bU de berekening van de bewegings-mogelUkheden van de robot d.m.v. matrix-rekening.
- Doordat zowel de 2e als 3e as na de
Yaw-beweging komen,staat er na draaien om de Yaw-as
een· g~·e polslengte loodrecht op de boven-arm.Het werkgebied wordt daardoor kleiner. Oe kracht inleiding is daardoor ook minder gunstig,torsie-effekt op de hoofdarm.
, ~~Nadeelt In één bepaalde stand,gestrekt,is de pols
over-~~ bepaald.Oe 6e as en 4e as,beide Roll-assen,
.4') ,
~R liggen in elkaars verlengde.~R·
• Voordelen:.- Het grote voordeel van deze konfiguratieis dat de 3-assen van de pols zonder pro-blemen door één punt gaan.Assen 4 en 6
kunnen daarbU zelfs op verschillende plaat-sen gesitueerd worden,althans in de lengte-richting.
-16--Ook bU het gelUktUdig bewegen van 'de· pols-assen blUft het T.c.P. een voor het oog logische beweging uitvoeren.
Deze laatste konfiguratie (RPR) biedt dezelfde bewegings-mogelükheden als een PYR of YPR,waarbU PY of YP door één punt gaan.
Het voordeel van .Roll-assen is dat zU konstruktief gemak-kalUk een grote bewegingsvrUheid kunnen hebben,in principe
oneindig,alleen opnemers en randapparatuur begrenzen· äit.
Dit in tegenstelling tot Pitch- en Yaw-assen,zü halen nooit de 36cf,27cf is al erg veel.
Voor een nog uitgebreidere behandeling van verschillende
polskonfiguraties zie de bülagen 10 t/m ~9.Hierin wordt
vooral veel aandacht geschonken aan konfiguraties met meer-dere Roll-assen,zelfs alle drie,deze zUn dan haaks op elkaar gemonteerd.Er woedt ook een konstruktie beschreven die werkt d.m.v. 3 Roll-assen.
Er is voor de konfiguratie RPR gekozen aan de hand van de reeds genoemde voordelen.Maar buiten deze dirakte voordelen ook omdat met deze konfiguratie konstruktief verschillende mogelUkheden zun.Bü een RRR konstruktie komt men snel in
het vaarwater van een andere fabrikant,bUvoorbeeld Cincinnati
H3. KEUZE VAN DE KONSTRUKTIE 3 .1. l<ri te ria
au
het opstellen van de verschillende konstrukties isaan-dacht geschonken aan voor het lassen belangrüke kriteria. BelangrUk zUn: L.Bewegingsvrüheid.
2.Spatial Orientation Volume.(s.o.v.). 3.Stüfheid.
4.Speling.
Verder is ook direkt rekening gehouden met algemene konstruk-tieve eisen zoals:
;.Plaatsing van plaatsopnemers ern elektronika. 6. Koeling van motoren.
7.Aansluit- en laskabels.
Deze kriteria worden eerst nader besproken voordat de eigen-lUke konstrukties aan bod komen.
Ad 1. BewegingsvrUheid.
Zoals al in H2 beschreven is,dienen de 3 assen een minimale bewegingsvrüheid te hebjen om een halve bol te beschrüven.Bü de ROAD is hiervoor
vastgelegd: RollAs 4 180°~
Pitch As 5 180°.
RollAs 6 750°.
HierbU kan opgemerkt worden dat 360°voor de 4e as een groot voordeel biedt.Er kan dan nl. een
vol-ledige cirkel kontinu ~elast worden,terwül dit
n~ in twee stappen moet gebeuren.büvoorbeeld
een inwendige kamer.
-18-De 750° bü de 6e as zUn gekozen om deze laat-ste as vanuit ieder punt een volledige cir-kel te kunnen laten beschrUven. (twee omwen-telingen met 30°'overlap).
Ad 2. Spatial Orientation Volume~
Deze term wordt gebruikt door Cincinnati(bülaga 10).
ZU prUzen hiermee hun uiterst kompakt pols-mechanisme aan (een bolkonstruktie).
Met
s.o.v.
wordt bedoeld: De ruimte die de ge-reedschapsplaat bestrUkt bü het richtenvan de pols als de hoofdarm niet beweegt. Deze ruimte dient zo klein mogelUk te zun. De robot is dan in staat in kleine ruimten
(kamers van een onderdeel) volledige assen te l~ggen.
BU
deze RPR konfiguratie is in dit opzicht,buiten de slankheid van de assen, alleen de leng-te van de 6e as van belang,d.w.z. de afstand
van de TMP tot de hartlün van de 5e as(Pitch/Yaw). Ad 3. Stüfheid.
Oe stüfheid van de pols is van minder belang
dan de stUfheid van de hoofdarm.De hoofdarm dient voldoende stUf te zün om de eigenfrekwentie hoog
genoeg te krUgen en amplitudes klein te houden, dit in verband met natrillen na een abrupte· be-weging.Daar de lengte van de pols veel .kleiner is
dan de lengte van de hoofdarm is ook de ampli-tude van de resttrilling kleiner.
Toch dient natuurlUk een redelUke stUfheid ge-garandeerd te zun.Door een te slappe pols
zou de stüfheid van de hoofdarm teniet gedaan worden.
Ad 4 .• -.speling.
~Speling :Ls nog funester voor een robot dan een onvoldoende stüfheid.
Deze laatste is eventueel op te vangen met
een aangepast bewegingspatroon.Speling daa~en
tegen geeft een oneenduidigheid in de plaa~s
van de T.M.P. Speling dient daarom zeker gemi-nimaliseerd te worden.Maatregelen die getroffen kunnen worden zun:
-Zo weinig mogelUk overbrengingen.
Overbrengingen die noodzakelUk zün in het snelle gedeelte van de aandrUvingsplaatsen. Hun speling wordt zo,net als de snelheid, verkleind met de overbrengingsverhouding i •. - Het voorspannen van overbrengingen en lagers.
Ad
s.
Plaatsing van plaatsopnemers en elektronika.Voor de plaatsopnemers is bU de ROAD gekozen
voor een kombinatie van potmeters en encoders. De potmeters in het trage gedeelte van een as voor een grove plaatsbepaling,de eneaders op
de snelle as voor een nauwkeurige plaatsbepaling.
Samen bepalen zu voor de besturingse~nheid de
plaats van de as.
Deze opnemers dienen geplaatst te kunnen worden in de aandrüving van de versebillende assen.
De elektronika die in de robotarm geplaatst dient te worden bestaat uit drives en controllers
voor de motoren.De control units dienen zo dicht mogelUk bü de desbetreffende motoren geplaatst te worden,dit in verband met de storingsgevoe-ligheid van de aansluitkabels tussen controller en motor.De drive mag verder verwüderd van de mo-tor geplaatst worden.
Ad &.~Koeling van de motoren.
Indien mogelUk dienen de motoren zo geplaatst te worden dat geen geforceerde koeling,d.w.z.
-20-ventilator,nodig is.De motoren moeten dan zo vrU mogelUk gemonteerd worden.Wordt een motor volledig ingesloten dan kan een koeling nood-zakelUk zun.Dit kunnen dan of koelribben zun,
eventueel het frame,of het kan een ventilator zun. Ad 7. Aansluit- en laskabels.
Aansluitkabels van motoren en elektronika
le-veren meestal geen problemen op.Wel problematisch zun de laskabels.
Dit is vooral van belang voor de 6e as,
deze wordt belast door de lastoorts en de laskabels. De invloeden van de lastoorts zün goed te bepalen, gewicht en plaats t.o.v. de hartlUn van de 6e as zUn bekend.Van de laskabels daarentegen
ont-breken deze gegevens.Punten die het uitgeoefende koppel op de 6e as bernvloeden zun:
-Soort laskabels.Voor de verschillende soor-ten las- en snUprocessen zun ook verschil-lende soorten geleide kabels nodig.
Lucht- of watergeioeld is btlvoorbeeld een groot verschil.
-Stand van de 6e as.oaar de 6e as een Roll-as is zal de geleide bundel zich als een
soort boa om de arm heen wikkelen bü het draaien van de laatste as.
-Stand van de rest van de robot.Door het ver-stellen van de robot-arm treden er variaties op in de benodigde lengte van de geleide bundel. Er is nooit een fundamenteel onderzoek gedaan
naar deze invloeden.het is dus eigenlUk niet mogelUk
~ - .
-gefundeerd het benodigde Rqp.pel voor de laatste as
vast te leggen.Dit onbekend zUn van het uitgeoefende koppel door de geleide bundel op de pols geeft ook problemen ;bU een eventuele veiligheidskoppeling tegen overbelasting.
Het in te stellen koppem is onbekend.
De vorm van de konstruktie dient aangepast te zUn aan de laskabels,te grote oneffenheden belemmeren een goede beweeglUkheid van de kabels.
3.2. Alternatieven
Na het vaststellen van het aantal assen en de volgorde van de verschillende assen bleven er nog een aantal alternatieven mogelUk.Deze alternatieven zun bekeken aan de hand van de in H3.1 besproken kriteria.
De alternatieven zUn voornamelUk ontstaan voor het anders op-stellen van de motoren.oe twee uitgangsposit:bas waren:
1. Een dirakte aandrüving
of
2. Een indirekte aandrUving
Ad 1. Dirakte aandrüving. (BUlage 5).
Oe voordelen van deze dirakte aandrüving zun: -Weinig overbrengingen waardoor:
• geringe speling • • licht •
• eenvoudig • • goedkoop. De nadelen Zün:
- Een grote zwaai van de 6e as om de Se as (lengte A in de
tekening van de bülage).Oit geeft een grote
s.o.v ••
-Geen plaats voor een potmeter in de 6e as.
Hierdoor is het niet mogelUk de robot in ieder punt
op te starten.Oe 69 as zal eerst een middenstand of
een eindstand moeten opzoeken voordat de besturing de absolute stand van deze as kent.
De potmeter kan alleen gemonteerd worden indien een grote oneffenheid in de laatste as getolereerd wordt. Dit is weer nadelig voor de slankheid van deze as.
-22--Ad 2. Indirekte aandrijving. (B[jlage 6).
Deze konstruktie,een idee van N. van D[jk en ing. H.A. Bulten,
beiden werkzaam aan de T.H. te Eindhoven,steunt voornamelUk op een aantal konische tandwielen voor in de pols.
De motoren van de Se as en de 6e as zijn naar achteren geplaatst en parallel aan elkaar geplaatst.De Se as wordt aangedreven door een aandrijving bestaande uit:
twee rechte en twee konische tandwielen. De overbrenging van de 6e as bestaat uit:
twee rechte en drie konische tandwielen.
Het essentiële punt in deze konstruktie is de hartlün van de Se as,en het tweede konisohe tandwiel van de 6e as dat·deze zelfde hartlün heeft.
voordelen z[jn:
- Een korte 6e as.Hierdoor een kleine
s.o.v.
- Plaats voor de potmeter in de aandrüving van de 6e as, waardoor de robot kan starten zonder eerst te hoeven zoeken naar een bepaalde stand van de laatste as. Nadelen zün:
-Een grote hoeveelheid aan overbrengingen.Dit leidt tot: • Spelingen.Zeker de konische tandwielen in het trage
deel van de overbrenging zorgen voor de nodige speling • • Uitlünproblemen bü de montage.Dit wordt ook
veroor-zaakt door de konische tandwielen.
-Groter totaal·gewicht door de vele onderdelen. -Duurdere konstruktie.
-Minder plaats voor elektronika.
-Kort na de slanke 6e as een grote verbreding door de naast elkaar geplaatste motoren.
Het eerste alternatief zag er door z[jn eenvoud erg aanlokkelijk uit doch de zwaai van de 6e as was echt ontoelaatbaar.
Een derde alternatief (Bülage 7) verbeterde op dit punt de eer-ste versie.Er werd een overbrenging toegevoegd,koppelstangen in
Het volgende probleem was de ver uitstekende motor van de Se as, deze motor is ook nog groot in diameter doordat het een schUt-ankermotor is.
Om dit uitsteken te beperken zUn twee oplossingen bedacht:
1. Nog een overbrenging aanbrengen.Dit maal in het snelle deel van de aandrüving van de S9 as. (BUlage 8).
De schUtankermotor is daar vervangen door een staaf-ankermotor die naast de harmonie drive geplaatst is. Deze oplossing heeft als bükomend voordeel dat er drie motoren van hetzelfde type gebruikt kunnen worden. 2. De HDUC harmonie driva vervangen door de smallere HDUR
en de schUtankermotor verder naar binnen plaatsen. (Niet in de bUlagen opgenomen).
De HDUR vergt een nauwkeurmge uitlüning bü montage. De ruimtebesparing is ! 2 cm.
Om de totale lengte te verkleinen is nog een alternatief op-gezet,de motor van de 4e as parallel aan de motor van de Se as. (BUlage 9).HierbU is een overbrenging met konische tandwielen in het snelle deel van de 49 as geplaatst.Hierdo6r wordt het na-deel van de speling sterk verminderd (1:160 overbrenging harmonie drive).Een nieuw nadeel is het "rammelende" geluid van de snel draaiende konische wielen.Het uitlUnen blUft een probleem.
3.3. Keuze van een kon~truktie
Na net naast elkaar leggen van de genoemde alternatieven is geen echt definitieve keuze gemaakt.Wel is gekozen voor de dirakte
oplossihgen.Het voo~deel van de indirekte konstruktie,een korte
6e as,weegt niet op tegen de vele nadelen.Overigens .wordt dit voordeel grotendeels benaderd door de dirakte oplossingen met
koppelstangen ..
Het eerste alternatief. (Bülage S) is niet geschikt geacht vanwege de te grote zwaai van de 6e as om de ·Se as.Het 1dwars
plaatsen van de motor van de 4 e as is overbodig ( su·lage 9) 1
-24-Het geringe plaatsvoordeel van het toepassen van een HDUR weegt ook niet op tegen het nadeel van de extra
uitlün-nauwkeurigheid bü de montage.
Over blüven dan twee alternatieven (Bülagen 7 en 8). Een keuze tussen deze twee valt niet zomaar te maken.
Het eenvoudigst is het alternatief met de schUfankermotor, één overbrenging.een tandriem,minder.
Maar deze motor steekt wel erg ver uit.Er is een model nodig om te bepalen of dit erg nadelig is voor de bewegingsvrUheid van de pols i.v.m. de laskabels.
Het andere alternatief,met drie staafankermotoren zal hier min-der last van hebben maar bevat weer een overbrenging meer.
Er is in eerste instantie gekozen voor de eenvoudigste oplos-sing (BUlage 7) de andere oplosoplos-sing wordt waarschUnlUk ook
uitgewerkt door 6f het bedrüf dat aan de ROAD werkt,A.P.A. b.v.
H4 UITv'JERI<ING DEFINITIEVE KONSTRUKTIE 4.1. Inleiding
Zoals eerder vermeld is aan de definitieve konstruktie relatief weinig aandacht besteed.Niet ieder detail is volledig bekeken en uitgewerktr.De gemaakte tekening is dan ook zeker geen
kant en klaar ontwerp.Het is een gefundeerde konceptontwerp tekening waar nog de nodige konstruktieve details uitwerking · behoeven. (Tek nr 1S8-oo)
Oe algemene opbouw van de drie assen is praktisch gel[k: - Motor
Harmonie drive - Aangedreven as
De motoren Zün snel draaiende motoren,! 3000 rpm,waardoor maar geringe koppels nodig zun.Er worden namelUk grote over-brengingsverhoudingen toegepast.Voor deze overbrengingen,
i = 100 en i
=
160,zUn harmonie drives toegepast.Deze zunkom-pakt en erg licht,zie bülage 27 e.v • • 4.2. Motorkoppels
De koppels die de motoren moeten kunnen leveren zUn berekend aan de hand van de gestelde eisen t.a.v. versnellingen en
belas-ting (bülage 32 e.v.).Voor de versnellingen is gesteld 240°/s 2
=
4,19 r;s2,dit geldt voor de hele robot.voor de belasting ~s
ge-rekend met een hanteergewicht van 2kg,van de lastoorts en
een kracht ingeleid in hetzelfde punt,door de laskabels,van 30 N. Deze kracht is konstant verondersteld.Bü de optradaride
houdkop-pels door - zwaartekracht
versnelling in de sbhouder en versnelling in de elleboog
is dus alleen gerekend met het hanteergewicht.
De kracht ingeleid door de laskabels wordt ver~ndersteld
alleen invloed uit te oefenen op de 69 as.
De bere~ende koppels,de gekozen motoren en hun maximale koppels
-26-As-4 As-5 As-a
Maximaal houdkoppel (Ncm) 9,60 11.,00 9,36
Maximaal koppel (Ncm) 14,90 15,50 10,70
Motor MOORE REED PMI V9M4 MOORE REED
55M015/016. 55M013/014
Nominaal koppel (Ncm) 20 36: 10
Maximaal koppeL (Ncm), 96. 337 48
De motor van de Se as is eigenlUlt te groot,helaas is er geen kleinere schüfankermotor te krUgen.Dit is nog een argument om het andere alternatief uit te werken.
De motor van de 6e as is aan de krappe kant.Door de motor van as-4 ook in as-6 te plaatsen is het koppel wel ruim genoeg, dit is alleen nadelig voor de lengte van as-a.
4.3. Koppelstangen
In de bülagen 38 e.v. is de stüfheid van de koppelstangen berekend~ Daaruit blUkt dat de invloed van het buigendmoment op de koppel-stangen veel groter is (faktor 10) dan de invloed van trekdruk-krachten-Helaas is een konstruktie met rechte koppelstangen
niet toepasbaar.Dit komt doordat de overbrenging minimaal 2 x 90° moet kunnen draaien.Een alternatief,een krukmechanisme,biedt ook geen elegante oplossing,erg hoog en grote diameter van de kruk-verbinding .•
Er is gekozen voor een rechthoekige doorsnede omdat deze gunstig is t .a.v. de buig st Ufheid- eppe rvlak teverho.uding. Een ronde kop-pelstang zou,voor een gelüke buigstüfheid,een diameter van 10,4 mm moeten hebben (I== 576 =V/4 x r4 ).
Om de speling uit de lageringen te halen dienen de koppelstangen voorgespannen te worden.Omdat de aandrüving een exakt parallello-gram moet blüven is het niet verstandig dit voorspannen in de stangen zelf te doen,ook al moeilUk omdat rechthoekige stangen zun toegepast.Het handigste is waarschOnlUk om de vlerken,
tussen motor-as en draai-as variabel te maken.
De stUfheid van de koppelstangen is ongeveer de helft van de stüf-heid van de harmonie drive.
De vervangende stüfheid is:
1/Cv •1/Ck + 1/Chd = 1/7366.
1/Cv
=
7366 Nm/rad.De stüfheid berekend naar het as-uiteinde is~
Cas-6 • F/x
=
(T/r)/(g x r )=
cv;r2• Oitt geeft een eigenfrekwentie van: f =· 1/21ï x V'Cas-6/m = 20,4 Hz.Hierbü is dan gerekend met het in eerste instantie aangenomen hanteergewicht van 5 kg.Later is dit aangepast tot 2 kg en een
kracht van 3 kgf.Oit laatste zou een eigenfrekwentie geven van 32,2 Hz. 4.4. Algemene konstruktieve punten
- Lagers.
sg de lageringen is vooral aandacht besteed aan de gerntro-duceerde spelingen.Oeze zgn beperkt door het aanbrengen van voorspanningen.Hiervoor zgn schotelveren gebruikt,bU as-5 en 6 inkkombinatie met gewone kogellagers,bü as-4 in kombinatie met hoekkontakt-lagers,de arm is hier namelUk veel langer waar-door de speling een groter effekt zou hebben.oe voorspannipg bU as-~ dient beperkt te zun daar anders de vlerken uit elkaar worden gedrukt.
- Plaatsen harmonie drives.
Oe plaatsing van de harmonie drives t.o.v. de motoren dient erg nauwkeurig te gebeuren.BU as-5 is dit geen probleem. Oe motor en harmonie drive worden in een huis geplaatst dat in áên \Op spanning te bewerken is
.au
as-4 en 6. is gebruikge-maakt van een centreerrand.Qe nauwkeurigheid van een draaibank is hoog genoeg om zo•n koppeling toe te staan.
-28-In de tekeningen is verder de mogelUkheid aangegeven, gestip-peld,de harmonie drives te beveiligen tegen overbelasting. BU as-4 maakt dit de fabrikage zelfs eenvoudiger.
- Montage.
Omdat iedere deling van assen of huizen uitlUnproblemen en/of spelingen kan introduceren dient dit zoveel mogelUk beperkt te worden.AnderzUds kan een deling noodzakelUk zun om mon-tage Oberhaupt mogelUk te maken.Alleen het huis van as-5 be-staat uit één deel,de andere huizen bestaan uit meerdere delen, deze zun uitgelünd d.m.v. aan de huisdelen gedraaide centreer-ringen.
Horizontaa~ (Bovenaanzicht) ROAD 5-assig model
waist sweep 320°
ma in arm movement
-500 mm 10 mm a 200 mm
Vertikaal {Zijaanzicht) ROAD 5-assig model
~houlder swivel ~90°
elbow bend +135°
wrist bend +go~
·
-main arm movement---T.M.P. movement
Billage 2.
500mm 10mm Q 200mm
Vertikaal (Zijaanzicht)
I
I
I
\
met T.M.P. in vertikale stand main arm movement _ -T.M.P. movement---,
/
/I
II
I
~
\
' -....(/
... -500mm 10mm a 200mm/
/<
'"" _ _J
Vertikaal (Zijaanzicht) T.M.P. in horizontale stand
\
---ma in arm movement - - · T.M.P. movement--B !jlage 4. SOOmm 10mms
200mm'
I
/--
Es-m
~
E 4-5-6
=
encoder van resp. as 4,5 en 6. ... Q)(Q M
=
motor ••..
• ••..
...
('I) 4-5-6 • IJl H04~5-6., = harmonie drive ••..
..
..
•• • p = potmeter ••..
...
.
..
..
4-5-6 •l'lç
--
-II
!:":~
~
3
T'//I I////, [X)
lXI \
Ir><
E4 ~ :;, 1(/)~ :.t.~
--i...a ~"----
.".-
-
-
--,-I-~
/.
I lt/ls- :r
//'////// XI f><l'\ Xrî
.IIX1[\ '\.'
XI I ·'- ~I I\.XJ
fX1 \ \ IX1 ··- - E,-112:Ç
['., "- "- "- "'- "'- "- "- "-IXL-j jl?<f\ l \ / /,;:.x
['--, . 86 "'6 I ""
--
.
-""'
" I IX "'·· 11 •1 A ~I :--, " , , "\. """\."""' '\[><J//l><l
(Pr I IX""'
/ I / / / / / / / / I ~/), !IX1
IXJ
.,
,..
--I
lXI
IX1
' / / / / / / l / A ., (iJ t=: 1-' Q) 1.0 CD OJABSTRACT
A NEW CONCEPT IN ROBOT WRIST FLEXIBILITY Ted Stackhouse
Cincinnati Milacron Inc. (U.S.A.)
Bülage 10
- ""'''<;.:--
cof'lt:tccnt ,.~. •r.,·.:- A NEV [!-/lU: f.' ~ !:?i.L. ~ ... ~~:· r:·r
As new application areas for industria1 robots are being evaluated, more robot wrist flexibility beyond what is currently available on some
machines is aften required to perfarm these tasks efficiently. These appl ications typically involve relatively small tooling and restricted work space. Thus, the wrist size and dexterity are very important. A
few such applications are wire are welding, spray coating, sealant
application, aerospace panel drilling, parts assembly, and other complex handling tasks. In response to this requirement for small size and dexterity, a new concept in robot wrist design has been developed having three degrees of freedom in an envelope which is very small for its payload. In this paper, some of the wrist capabilities required to perfarm these advanced applications are discussed. This new wrist design is then compared to the capabilities of other configuration concepts and described in detail.·
INTRODUCTION
The application of computer based control and easily modified software eperating systems have added a new level of flexibility and universality to robots .. Applications previously beyond consideration are now being performed. Prominent among these applications are are welding, aerospace panel drilling and routing, and spraying operations invalving paint,
special sealants, and other coatings. These tool handling applications, in contrast with part handling, require greater operating range, greater precision, a small and constant payload, and greater payload dexterity. This paper focuses on the problems of achieving greater payload dexterity tagether with greater mechanical stiffness for accuracy and a compact, lightweight mechanical. structure adjacent to the payload. A small structure is needed near the tool so that work may be performed in confined areas in auto bodies and weldments.
The area that provides this tool handling dexterity is referred to as the wrist attached to the robot arm. A new wrist design concept that incorporates high flexibility, compactness, and design simplicity has been developed and is presented in this paper. This wrist offers a new alternative for achieving a truly flexible robot system.
For the ~complex tasks in the aerospace,. the are welding, and the spraying applications, the wrist design requirements are very similar.
This suggests that a similar wrist configuration would be applicable for each area. The common wrist configuratfon would have the fo11owing set of characteristiés:
.Three degrees of freedom
.Large angular range of orientation .Payload mounted onto roll axis
.Drive system and structure designed for servo control ·.Accurate posftioning capabil ity
.Sma11 and medium payload capacities - The wrist contiguration must be capable of being easily scaled to handle either size of payl oads.
.Small spatial orientation volume of payload, SOV - (SOV of the payload is a maasurement of the volume of space that the payload can sweep through for a given range of orientation while the arm remains in a fixed position.} A small SOV
implies wrist compactness, the use of remote drives, and intersecting wrist axes •
• Cost effective design .Rugged and reliable design WRIST CONFIGURATIONS
Before an explanation of the various wrist configurations can be given, a distinction should be made between the terms roll axis and bend axis. In kinematics, a body has a motion of rotation if each point of a rigid body having plane motion remains at a constant distance from a fixed axis which is perpendicular to the plane of motion. Both the roll and
bend type axes have rotation. However, a roll axis is an axis comprised of two separate structural members or links joined together by a common axis or shaft where the one structure has the potential for continuous unobstructed rotation relative to the other. · A bend axis is an axis comprised of two separate structural members ar links joined tagether by a common axis or shaft where the one structure as it rotates relative to the other will try to pass through the other structure. In other words at a wrist bend axis, the one structure can rotate into the other and cause interference.
There are three terms used to describe the.payload orientation: pitch, yaw, and roll. It is assumed that the payload is mounted onto the end of the wrist. Pitching of the payload is a rotation of the payload
about a horizontal axis on the end of the robot ann that is perpendicular to the longitudinal axis of the arm. The pitch axh is an orientational axis, not a wrist axis. In most wrist configurations, however, the pitch axis coincides with a wrist axis. Pitching gives the payload an
~:
up and down rotation. Yawing of the payload is a rotation of the payload ·
0
about a vertical axis that is perpendicular to the pitch axis. Yawing ~rt\~ -· gives the payload a side to side rotation. Rolling of the payload is .. ~""+.r.
si'!lply a rotatien of the payload about the longitudinal axis of the ~~~~} ~.f.EL.
Wr1 St. f'O.~ 1 , .,.,_, -~ ... ;",.1··
Each wrist axis may be considered as a building block. There are many combinations in which these building bleeks may be added to the end of the arm. The sequence of these bend and roll axes gives the wrist
different capabilities. For example, if in a two axis wrist a roll axis precedes a bend axis to the payload, then the payload will have pitch and yaw orientations. However, if a (horizontal) bend axis precedes a roll axis to the payload, then the payload has pitch and roll orientations. The most commonly used two and three axis wrist configurations can be
classified into six basic groups as given in the following list and as shown schematically in Figure 1.
-590-i Group 1 2 3 4 5 6 Wrist Axes Roll-Roll Bend·Roll Bend-Bend-Roll Bend·Roll-Rol 1 Roll-Bend-Roll Roll-Roll-Roll Bülage 12 Wrist Orientations of Payload Obtained Pitch
&
Yaw or Pitch&
RollPitch & Roll
Pitch, Yaw,
&
Roll Pitch, Yaw,&
Roll Pitch, Yaw,&
Roll Pitcb, Yaw,&
RollBy indexing the wrists in each group by 90° about the longitudinal axis of the arm, the pitch and yaw axes of orientation will become yaw and pitch axes respectively.
In the INTRODUCTION, a common set of wrist characteristics required by each of the tool handling applications was presented. In the following discussion, this common set of wrist characteristics will be compared to the set of characteristics for each wrist in the six groups.
Wrist characteristics such as accurate positioning capability, drive system and structure designed for servo control, rugged and reliable .. design, cost effective design, and payload mounted onto roll axis can be
satisfactorily achieved in all six wrist groups.
The Group lA wrist uses two roll axes to obtain pitch and yaw orientations.
~The tooling is usually mounted perpendicularly to the yaw orientation ·
axis. Wrist 18 uses two roll axes to obtain pitch and roll orientaticn. The tooling is mounted in line with the roll orientation axis. All wrist axes in the Group 1 wrists are capable of continuous rotation. Thus they offer large angular orientation capability. The wrist in
Group 2 uses a bend axis and a roll axis to obtain pitch and roll orienta-tions. The bend axis prevents the wrist from having the orientation capability of the Group 1 wrists.
In Groups 1 and 2, the wrist designs which are used for the simple, more 1imited tasks are the most compact wrists and are easily adaptable to small payload handling. These two axis wrists can have a very small SOV of the payload when remote drives are used, and the cast of the two axis wrists is less than the three axis configurations. The critical difference between these wrists and the set of characteristics required by the tool handling applications is that these wrists have only two degrees of freedom.
There are four wrist Groups (3,4,5,&6) into which the three axi's wrists fall. In each group the payload can be given pitch, yaw, and roll orientations. Also in each group, the axis to which the payload is mounted is roll. It gives the payload roll orientation.
In Group 3 there are two commonly used configurations which make use of bend, bend, and roll axes. Wrist 3A uses first a bend axis to obtain pitch orientation, then a bend axis to obtain yaw orientation, and finally a roll axis onto which the payload is mounted to obtain roll
-591-GROUP 1 (RR)
rR
(A}~
py GROUP 2 (BR)~
pR
(A) p GROUP 4 (BRR) ~ GROUP 5 (RBR) PYRJ
-9t-~l-f:€
p V R GROUP 6 (ARA) pV
(8) (8) pyFigure 1 SCHEMATICS OF WRIST CONFIGURATIONS
orientation. This design is difficu1t to drive remotely. Direct
drives for this 3A design probably yie1d the most cost effective design for the three axis wrist configurations. This wrist offers the least compactrress and has a comparatively large SOV of the payload. It is well suited for medium to large payload capacities and is capable of giving large angular orientation.
Bülage 14
The Group 38 wrist makes use of two intersecting bend axes to obtain pitch and yaw orientations and a roll axis for roll orientation. The two bend axes are configured similarly to a universal joint. The total
pitch and yaw orientation for this wrist is the most restricted of the
three axis designs. This wrist is hard to package compactly and: effectively with remote drives. Even though all three axes intersect, the overall
wrist size and length needed for the roll axis result in a fairly large SOV of the payload.
A bend axis for the wrist in Group 4 gives the pitch orientation. Mounted perpendicularly onto it is a roll axis which gives the yaw
orientation. A second roll axis is mounted perpendicularly onto the end of the first roll axis to give roll orientation. This wrist does not have three intersecting axes. This prevents it from being as compact in size as other wrist configurations (see Groups 5 and 6) and from having a small SOV of the payload. When using remote drives, this wrist is awkward to compactly package. It is normally more suitable for medium to large payloads, and it has very good orientation capability.
The Group 5 wrist configuration uses the combination of a roll axis and · then a bend axis to accomplish pitch and yaw orientations. A second roll
· ·axis is mounted onto the other structural link of the bend axis to give the payload its roll orientation. All three axes interseet and can be compactly packaged for remote drives. The SOV of the payload for this
~design can be smaller than for any of the other three axis wrists. This wrist can b~ easily sized to handle small and medium payloads, and it has large angular orientation capabilities.
In Group 6, the wrist is comprised of three roll axes, each axis mounted at a right angle to the next. The combination of the first two roll axes yields the pitch and yaw orientations. The third axis gives ro11 orientation. The three roll axes of this wrist give more orientation to the payload than any of the oth~r wrist configurations. These three roll axes can give continuous rotation and are easily driven by remote drives. Although this wrist does not have three intersecting axes, it is very compact and it gives a small SOV to the payload. This wrist and the wrist in Group 5 are the two most compact designs. It is also well suited for small and medium payload handling.
The wrists in Groups 5 and 6 appear to have the best characteristics to meet the application requirements.
A NEW THQEE ROLL WRIST CONCEPT A. Description
As the name impli~s. this new wrist concept uses three roll axes for orientation. Figure 2 shows a typical Three Roll Wrist profile with the various rotations used. The Rl axis is called a wrist
ro11 axis. It rotates the wrist assembly comprised of the R2 and R3 axes. The R2 axis which rotates the R3 axis structure about itself (R2} is called a conical roll axis. The R3 axis traces a
-593-conical surface in space as it is rotated about the R2 axis. The
three axes are coïncident at point A and each is capable of co~uous ana reversible rotation. Noother three axis wrist design can
claim these features.
R1
R3
~:tl
(
~~·: i·"~f~-~ ~;~: ~:,~:
1
~~ /rel?a·",.,., : r((•",. ,. ~ ~ .!:.-,r.r': .It. "' !..., I .11 , . i . iJ<t:J•·:·:,..!Jfl~ ,..:;-·,~· ·1 éf ,6,-,.,,rf ! ltr ft~ ~,.,.' _.,._....,. -·--
--- - --"Figure 2 THREE ROLL WAlST PROFILE
The first two axes from the robot arm give the payload pi~ch and yaw orientations. The third axis rotates the payload9 giving it a roll orientation. Each wrist axis is serially connected to the next, and each axis is obliquely oriented with respect to the next. This is unique from the other wrist designs which have axes that are mounted in either perpendicular or parallel alignments to one another. The three axes interseet at point A. This is the pivot point about which the payload roll axis is given pitch and yaw orientations. The three ro11 axes do nothave the pinch points that the bend axes have9 and therefore do not require mechanical stops.
In many instances it is desirable to orient the payload about a point where the payload axis must stay in a given plane. Perhaps a pure pitching or yawing is desired. By properly coordinating the rotations of axis Rl and axis R2, the R3 axis can be given rotation about point A while remaining in a plane. The R3 axis can, in fact,_ sweep a planar path o.f any plane containing the point A. A detailed explanation of how the planar rotation of axis R3 is achieved can be made with the use of Figure 3. Suppose that point B on axis R3 is to be moved to another location at point B' and that point B must stay within the plane of the paper at al) times.
