BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
Industrieroboter als Ersatz und Ergänzung der menschlichen Arbeitskraft in rationalisierten, automatischen Fabriken der Massenproduktion.
Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung von Greifersystemen für Industrieroboter im Hinblick auf Erhöhung der Betriebssicherheit, Einfachheit und Übersichtlichkeit der gesamten, zu automatisierenden Fertigungsanlagen.
Insbesondere betrifft sie eine Greifvorrichtung für einen Industrieroboter bestehend aus einem Roboterarm, einem Gelenk und weiteren Elementen.
Stand der Technik
In der Fertigungstechnologie werden heute mehr und mehr Industrieroboter eingesetzt. Um die Funktionen der menschlichen Hand ersetzen zu können, werden diese Roboter mit Greifvorrichtungen ausgerüstet. Meist handelt es sich dabei um mechanische Greifer mit entsprechenden elektromechanischen Antrieben und dazugehörigen Kontroll- und Überwachungsorganen. Ausserdem sind auch pneumatische und hydraulische Antriebe bekannt. Ferner gibt es magnetische Vorrichtungen und solche, die mit Vakuum arbeiten.
Aus der Fülle der Literatur sollen die folgenden Dokumente genannt werden:
1. Christer Johansson and Nils Martensson, Linköping University, Department of Mechanical Engineering, Linköping/Sweden Grippers, Tools and Fixtures for Flexible Automated Assembling , Annals ob tee CIRP Vol. 34/1/1985.
2. A. Arnström, P. Gröndahl, The Swedish Institute of Produktion Engineering Research / The Royal Institute of Technology, A System for Automatic Assembly of Different Products , Annals of the CIRP Vol. 34/1/1985.
3. Dr. rer. nat. G. Zerweck und W. Busch, Murr, Entpalettieren von Motorblöcken , VDI Berichte.
Alle herkömmlichen Greifersysteme von Industrierobotern erfordern einen verhältnismässig komplizierten Aufbau mit aufwendigen elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Betätigungs- und Steuerleitungen. Dies führt leicht zu unübersichtlichen und störungsanfälligen Vorrichtungen.
Um grosse Greiferkräfte zu übertragen, werden derartige Vorrichtungen voluminös und schwer, was sich wieder ungünstig auf ihre Handlichkeit und Wendigkeit auswirkt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Greifvorrichtung für einen Industrieroboter vorzuschlagen, welche bei möglichst einfachem geometrischen Aufbau und einfacher, übersichtlicher Bedienung hohe Kräfte zu übertragen gestattet, eine geringe Störanfälligkeit aufweist und leicht zu unterhalten und zu überholen ist. Die Greifvorrichtung soll ohne Änderung des Prinzips ihrer Geometrie für alle Grössen über weite Lastgrenzen hin variiert werden können.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der eingangs erwähnten Greifvorrichtung am Gelenk (2) über eine Klemmbacke (34) eine aus einer zu einem Zweiwegeffekt befähigten Gedächtnislegierung bestehende, mit einer Heizund/oder Kühleinrichtung versehene Muffe (4) befestigt ist, und dass am zu greifenden Bauteil (5) in Form eines Werkstücks oder einer Palette ein Zapfen (6) vorgesehen ist.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 Eine schematische Darstellung in Seitenansicht/ Seitenriss einer Greifvorrichtung für Greifen des Bauteils von oben,
Fig. 2 eine schematische Darstellung in Seitenansicht/ Seitenriss eine Greifvorrichtung für seitliches Greifen des Bauteils,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine feste Klemmbacke und eine fest eingespannte Muffe aus Gedächtnislegierung,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine in Querrichtung elastische Klemmbacke und eine elastisch eingespannte Muffe aus Gedächtnislegierung,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Muffe aus Gedächtnislegierung mit einer Induktionsspule,
Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Muffe aus Gedächtnislegierung mit einer Widerstandsheizwicklung,
Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine Muffe aus Gedächtnislegierung mit einer Flüssigkeitsheizschlange,
Fig.
8 einen Längsschnitt durch eine Muffe aus Gedächtnislegierung mit einer Induktionsspule und einer Flüssigkeitskühlschlange,
Fig. 9 einen Längsschnitt durch eine Muffe aus Gedächtnislegierung mit einem Peltier-Element,
Fig. 10 einen Grundriss einer Muffe aus Gedächtnislegierung mit einem Peltier-Element gemäss Fig. 9.
In Fig. 1 ist eine Greifvorrichtung für Greifen des Bauteils von oben (vertikal) in Seitenansicht/Seitenriss schematisch dargestellt. 1 ist der Roboterarm der Vorrichtung, welcher gelenkig mit dem motorischen Teil der Maschine (nicht gezeichnet) verbunden ist. Am Ende des Roboterarms 1 befindet sich ein Gelenk 2, welches mit einer Klemmbacke 3 für eine Muffe 4 aus einer Gedächtnislegierung versehen ist.
Letztere kann über einen Temperaturwechselzyklus periodisch in ihrem Durchmesser schlagartig verändert (aufgeweitet resp. verengt) werden. Das zu greifende Bauteil 5 (Werkstück, Palette) ist mit einem Zapfen 6 versehen, in welchen die Muffe 4 eingreift.
Fig. 2 zeigt eine Greifvorrichtung für seitliches Greifen des Bauteils (horizontal) in Seitenansicht/Seitenriss in schematischer Darstellung. Der Roboterarm 1 trägt über ein keilförmiges Zwischenstück ein Gelenk 2, welches mit einer Klemmbacke 3 versehen ist. In dieser ist eine Muffe 4 aus Gedächtnislegierung befestigt, die das Bauteil 5 über einen horizontalen Zapfen 6 ergreift.
In Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch eine feste Klemmbakke und eine fest eingespannte Muffe aus Gedächtnislegierung dargestellt. 3 ist die unelastische feste Klemmbacke, in welcher die Muffe 4 in ihrem oberen Teil fest (z. B. mittels Schrauben oder Stiften) eingelassen ist. 4a ist der eingespannte inaktive Teil der Muffe 4, welcher im Betrieb nicht einem Temperaturzyklus unterworfen wird. 4b ist der aktive, im Betrieb einem Temperaturzyklus unterworfene, einen Zweiweg-Gedächtniseffekt zeigende Teil der Muffe 4. Die dabei auftretenden elastischen Deformationen werden von der gestrichelt gezeichneten Übergangszone aufgenommen.
In Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch eine in Querrichtung elastische Klemmbacke und eine elastisch eingespannte Muffe aus Gedächtnislegierung dargestellt. 3 ist die kegelförmige, mit sich erweiternden Längsschlitzen 7 versehene, in der Querrichtung elastische, in der Längsrichtung steife Klemmbacke. 4 ist eine, an ihrem oberen Ende am Umfang elastisch eingespannte Muffe, welche auf ihrer Aussenseite (Mantel) eine Heizeinrichtung 8 in Form einer dicht anliegenden, in Längsschleifen angeordneten Widerstandsheizwicklung oder Flüssigkeitsheizschlange trägt.
Fig. 5 stellt einen Längsschnitt durch eine Muffe aus Gedächtnislegierung mit einer Induktionsspule dar. Die mit Mittelfrequenz betriebene Induktionsspule 9 ist in einem gewissen radialen Abstand von der Oberfläche der Muffe 4 angeordnet, so dass letztere sich frei radial dehnen und zusammenziehen kann.
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch eine Muffe aus Gedächtnislegierung mit einer Widerstandsheizwicklung. Um der radialen Bewegung der Muffe 4 im Betrieb Rechnung zu tragen, ist die Widerstandsheizwicklung 10 nicht in schraubenförmigen Windungen sondern in Form von eng am Mantel anliegenden, mit ihrer Hauptachse parallel zur Längsachse der Muffe 4 verlaufenden Schleifen angeordnet.
In Fig. 7 ist ein Längsschnitt durch eine Muffe aus Gedächtnislegierung mit einer Flüssigkeitsheizschlange dargestellt. Die Flüssigkeitsheizschlange 11 besteht aus einem dünnen Rohr und ist analog der Widerstandsheizwicklung gemäss Fig. 6 auf dem Mantel der Muffe 4 befestigt.
In Fig. 8 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Muffe aus Gedächtnislegierung mit einer Induktionsspule und einer Flüssigkeitskühlschlange dargestellt. Die Induktionsspule 9 entspricht derjenigen gemäss Fig. 5. Zur rascheren Kühlung zwecks Abkürzung des Arbeitszyklus ist auf der äusseren Mantelfläche der Muffe 4 die periodisch beaufschlagte Flüssigkeitskühlschlange 12 in Form einer dünnen Rohrleitung angebracht.
Fig. 9 stellt einen schematischen Längsschnitt/Aufriss durch eine Muffe aus Gedächtnislegierung mit einem Peltier Element dar. 13 ist das gebogene, längs einer Mantellinie geschlitzte, auf der Mantelfläche der Muffe 4 eng anliegende Peltier-Element.
Fig. 10 zeigt einen Grundriss einer Muffe aus Gedächtnislegierung mit einem Peltier-Element gemäss Fig. 9.
Ausführungsbeispiel I:
Siehe Figuren 1, 3 und 5!
Eine Greifvorrichtung für einen Industrieroboter wurde gemäss Anordnung nach Fig. 1 aufgebaut. In einer aus Cr/Ni-Vergütungsstahl bestehenden, im unteren Teil des Gelenks 2 befestigten hohlzylindrischen Klemmbacke 3, welche auf ihrer oberen Seite einen dicken, stirnseitigen Boden aufweist, war eine hohlzylindrische, ebenfalls stirnseitigen Boden aufweisende Muffe 4 fest eingespannt. Letztere war in ersterer zusätzlich durch 6 radiale, auf den Umfang gleich massiv verteilte Dehnschrauben gesichert. Derartige elastische Verbindungen lassen sich durch Pressen, Aufschrumpfen etc. in herkömmlicher Weise herstellen.
Die Muffe 4 bestand aus einer Ni/Ti-Legierung mit 45,4 Gew.-% Ti, Rest Ni. Die Umwandlungspunkte lagen bei folgenden Temperaturen:
Ms = 60"C
As = 70CC
Die Muffe hatte folgende Abmessungen: Aussendurchmesser = 40 mm Innendurchmesser = 30 mm Wandstärke = 5 mm Totale Höhe = 75 mm (Mass 4a + 4b) Höhe, inaktiver Teil = 25 mm (Mass 4a) Höhe, aktiver Teil = 50 mm (Mass 4b) Dicke des stirnseitigen Bodens = 5 mm
Die Muffe 4 war in ihrer martensitischen Tieftemperaturphase auf einen Innendurchmesser knapp oberhalb 30 mm aufgeweitet worden. Die Muffe 4 wies auf ihrer Innenseite eine durch Feinstbearbeitung (Schleifen) hergestellte Oberfläche auf. Die Induktionsspule 9 bestand aus Kupferdraht von 1,8 mm Durchmesser und wies 9 Windungen von 50 mm mittleren Durchmesser auf.
Sie war an einen Mittelfrequenzgenerator von 0,7 kW Leistung und 20 kHz Frequenz angeschlossen. Der Betrieb erfolgte intermittierend mit einer Zyklusdauer von 40 sec. Zur jeweiligen Abkühlung wurde die natürliche Luftkühlung der Muffe 4 herangezogen. Die Temperaturgrenzen im Betrieb betrugen wie folgt:
Obere Betriebstemperatur = 75 'C
Untere Betriebstemperatur = 50 C
Die vertikale Tragkraft des Greifer bei kraftschlüssiger Verbindung mit dem Zapfen 6 betrug ca. 20 000 N bei einer mittleren tangentialen Ringspannung in der Muffe 4 von 100 MPa.
Ausführungsbeispiel II:
Siehe Figuren 1, 4 und 6!
Die Greifvorrichtung wurde gemäss Anordnung nach Fig. 1 aufgebaut. In den unteren Teil des Gelenkes 2 wurde eine Klemmbacke 3 aus Mn/Si-Federstahl eingesetzt, welche in ihrem mittleren Teil Längsschlitze 7 aufwies. Dieser mittlere Teil der Klemmbacke 3 hatte leicht konische Form.
Die Abmessungen der Klemmbacke 3 waren wie folgt:
Aussendurchmesser des unteren Teils = 50 mm
Innendurchmesser des unteren Teils = 44 mm
Aussendurchmesser des oberen Teils = 40 mm
Innendurchmesser des oberen Teils = 34 mm
Wandstärke = 3 mm
Totaler Öffnungswinkel des konischen Teils ca. 23
Totale Höhe = 45 mm
Anzahl keilförmiger Längsschlitze = 15
Die im wesentlichen hohlzylindrische Muffe 4 aus einer Gedächtnislegierung wies an ihrem oberen stirnseitigen Ende eine Absetzung grösseren Durchmessers zur Befestigung in der Klemmbacke 3 auf. Die Befestigung erfolgte über eine ringförmige Nut und eine Stiften- bzw. Schraubensicherung (in Fig. 4 nicht gezeichnet).
Die Gedächtnislegierung der Muffe 4 hatte die nachfolgende Zusammensetzung:
Ni = 45 Gew.-%
Ti = 45 Gew.-% Cu= 10 Gew.-%
Die Umwandlungspunkte lagen bei folgenden Temperaturen:
Ms = 50"C
As = 60"C
Die Muffe hatte folgende Abmessungen:
Aussendurchmesser des Mantels = 40 mm
Innendurchmesser = 30 mm
Aussendurchmesser der Absetzung = 44 mm
Wandstärke = 5 mm
Totale Höhe = 55 mm
Die Heizeinrichtung (allgemeine Bezeichnung Bezugszeichen 8 nach Fig. 4) bestand im vorliegenden Fall aus einer zahlreiche Längsschleifen aufweisenden isolierten, mittels eines elastischen Kunststoffbinders direkt auf der Mantelfläche der Muffe 4 befestigten Widerstandsheizwicklung 10 aus Konstantandraht von 1,15 mm Durchmesser.
Die kurzzeitige Heizleistung betrug ca. 0,4 kW.
Zur Kühlung wurde die Muffe 4 periodisch von einem Kaltluftstrom angeblasen.
Die vertikale Tragkraft des Greifers bei kraftschlüssiger Verbindung mit dem Zapfen 6 betrug ca. 30 000 N bei einer mittleren tangentialen Ringspannung in der Muffe 4 von 150 MPa.
Ausführungsbeispiel III:
Siehe Figuren 1, 4 und 7!
Die Greifvorrichtung war analog Beispiel II aufgebaut.
Grundsätzlich wurden die gleichen Werkstoffe und die gleichen Bauteile verwendet. An die Stelle der Widerstandsheizwicklung 10 (gemäss Fig. 6) trat jedoch eine Flüssigkeitsheizschlange 11 (gemäss Fig. 7) in Form einer dünnen Rohrleitung. Letztere bestand aus einer hochelastischen Nickellegierung. Das Rohr hatte einen Innendurchmesser von 1 mm und einen Aussendurchmesser von 1,3 mm bei einer Wandstärke von 0,15 mm. Die auf den Mantellinien der Muffe 4 verlaufenden, dicht nebeneinander liegenden Schleifen der Rohrleitung waren mittels Hartlötung auf der ersteren befestigt. Die Flüssigkeitsschlange wurde intermittierend mit siedendem Wasser unter einem Druck von einigen bar beaufschlagt.
Zur periodischen Abkühlung wurde ein Kaltluftstrom herangezogen. Eine wirksamere Kühlung und damit ein zeitlich kürzerer Zyklus kann dadurch erreicht werden, dass die Flüssigkeitsschlange 11 abwechslungsweise mit siedendem Wasser oder Dampf einerseits und mit kaltem Wasser andererseits beaufschlagt wird.
Die vertikale Tragkraft des Greifers bei kraftschlüssiger Verbindung mit dem Zapfen 6 betrug ca. 25000 N bei einer mittleren tangentialen Ringspannung in der Muffe 4 von 125 MPa.
Ausführungsbeispiel IV:
Siehe Figuren 2, 3 und 8!
Eine Greifvorrichtung für einen Industrieroboter wurde gemäss Anordnung nach Fig. 2 aufgebaut. Im Kopf eines Gelenkes 2 wurde eine aus hochwertigem Vergütungsstahl bestehende Klemmbacke 3 befestigt. Im wesentlichen handelte es sich um eine Ausführung, die der Fig. 3 entsprach.
Die Klemmbacke 3 war auf das mit einem Boden versehene stirnseitige Ende einer Muffe 4 aus Gedächtnislegierung aufgeschrumpft und mit Stiften gesichert. Die Muffe 4 bestand aus einer Gedächtnislegierung der nachfolgenden Zusammensetzung mit den nachfolgenden Umwandlungspunkten:
Ni = 44 Gew.-%
Ti = 45 Gew.-%
Cu= 10 Gew.-%
Co = 1Gew.-%
Ms = 43"C
As = 52"C
Die Muffe 4 hatte folgende Abmessungen:
: Aussendurchmesser = 90 mm Innendurchmesser = 60 mm Wandstärke = 15 mm Totale Länge = 175 mm (Mass 4a + 4b) Länge, inaktiver Teil = 75 mm (Mass 4a) Länge, aktiver Teil = 100 mm (Mass 4b) Dicke des stirnseitigen Bodens = 25 mm
Die Muffe 4 war auf ihrer Mantelfläche mit einer aus einer dünnen Rohrleitung bestehenden Flüssigkeitskühlschlange 12 versehen. Diese bestand aus einer hochelastischen Nickellegierung. Das Rohr hatte folgende Abmessungen:
Innendurchmesser = 2 mm
Aussendurchmesser = 2,5 mm
Wandstärke = 0,25 mm
Die Flüssigkeitskühlschlange 12 war in Form von auf den Mantellinien der Muffe 4 verlaufenden Schleifen ausgebildet, welche mit dieser fest verlötet waren. Konzentrisch zur Muffe 4 war die Induktionsspule 9 angeordnet.
Diese bestand aus einem wassergekühlten Kupferrohr von 3 mm Innen- und 4 mm Aussendurchmesser und wies 10 Windungen von 110 mm mittleren Durchmessers auf. Sie war an einen Mittelfrequenzgenerator von 2 kW Leistung und 10 kHz Frequenz angeschlossen. Der intermittierende Betrieb konnte mit einem Zyklus von 30 sec Dauer aufrechterhalten werden.
Die horizontale Schubkraft des Greifers in Richtung der Hauptachse der Muffe 4 betrug ca. 50 000 N. Die vertikale Tragkraft im Schwerpunkt des Bauteils 5 betrugje nach seiner horizontalen Abmessung ca. 2500 bis 10 000 N.
Ausführungsbeispiel V:
Siehe Figuren 2, 3,9 und 10!
Eine Greifvorrichtung für einen Industrieroboter wurde gemäss Anordnung nach Fig. 2 aufgebaut. Der Grundaufbau entsprach ungefähr demjenigen von Beispiel IV, wobei jedoch anstelle der Heiz- und Kühleinrichtung gemäss Fig. 8 ein Peltier-Element gemäss Fig. 9 und 10 trat. Die Abmessungen der Klemmbacke 3 und der Muffe 4 aus einer Gedächtnislegierung waren die gleichen wie diejenigen unter Beispiel IV. Als Gedächtnislegierung wurde eine Legierung folgender Zusammensetzung gewählt:
Ni = 44,5 Gew.-%
Ti = 44,5 Gew.-%
Cu= 10 Gew.-%
Cr = 1 Gew.-%
Die Umwandlungspunkte lagen bei folgenden Temperaturen: M5= C As= +2CC
Dem Mantel der Muffe 4 war ein Peltier-Element 13 aufgesetzt, welches periodisch sowohl der Erwärmung wie der Kühlung diente.
Das Peltier-Element 13 war auf der Basis eines Ag/Bi-Tellurids gefertigt und wies eine in Längsrichtung geschlitzte, hohlzylindrische Gestalt auf. Nach aussen hin war das Peltier-Element 13 durch eine wärmeisolierende Schutzhülle (nicht gezeichnet) abgeschlossen.
Die Muffe 4 war zuvor im Tieftemperaturbereich (Martensit) um 0,8 % im Durchmesser zusammengedrückt worden, so dass sie sich im Normalzustand bei Raumtemperatur im aufgeweiteten Zustand (Austenit) befand. Der Greifzyklus war hier gerade umgekehrt gewählt worden als in den vorangegangen Beispielen: Höhere Temperatur: Normalzustand, Leerzustand:
Aufgeweitet (Austenit) Tiefere Temperatur: Betriebszustand, Greifzustand:
Zusammengezogen (Martensit).
Das Peltier-Element 13 hatte eine elektrische Leistung von ca. 100 W und eine totale thermische Leistung in der Kühlphase von ca. 300 W.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Als Werkstoff für die Muffe 4 kann irgend eine geeignete Gedächtnislegierung dienen, die einen namhaften Zweiwegeffekt zeigt. Es solltejedoch darauf geachtet werden, dass die Umwandlungspunkte gut definiert sind und im Verlauf des Betriebs konstant bleiben. Wegen dem natürlichen Wärmeabfluss oder Zufluss gegenüber der Umgebung ist es vorteilhaft, die Umwandlungspunkte nicht zu hoch, aber auch nicht zu niedrig zu wählen.
Die Muffe 4 kann grundsätzlich auch einen anderen als einen kreisrunden Querschnitt haben. Aus fabrikationstechnischen Gründen istjedoch die Kreisform vorzuziehen.
Als Heiz- bzw. Kühleinrichtung der Muffe 4 können auch geeignete Kombinationen der Figuren 3 bis 10 dienen. Insbesondere kann eine Kühlschlange derart angeordnet sein, dass ihre Schleifen zwischen denjenigen einer Heizschlange bzw.
Heizwicklung liegen. Wird eine Flüssigkeit oder ein Gas zur Temperaturbeeinflussung der Muffe 4 verwendet, so können dieselben Kanäle sowohl für das Aufheiz- wie für das Abkühlmedium verwendet werden. In diesem Fall wird der Temperaturzyklus durch periodisches Umstellen der Beaufschlagung mit dem einen oder anderen Medium bewerkstelligt. Das gleiche gilt für die Verwendung von Peltier-Elementen, welche durch elektrische Umpolung gesteuert werden können.
Die Anordnungen der Muffe 4 gemäss Fig. 1 (vertikal) und Fig. 2 (horizontal) stellen nur die Extremfälle dar. Selbstverständlich kann die Längsachse der Muffe 4 im Raum beliebig stehen und jeden geeigneten Winkel zur Horizontalebene haben.
Die Vorteile der neuen Greifvorrichtung sind folgende: - Ausserordentlich einfache geometrische Konstruktion.
- Wegfall schwerer und voluminöser mechanischer, elektrischer, elektromechanischer, elektromagnetischer, pneumatischer oder hydraulischer Antriebsorgane.
- Wegfall von zusätzlichen Steuer-, Kontroll-, Überwachungs- und Regelorganen (Leitungen) für die Antriebsorgane.
- Hohe mechanische Belastbarkeit auf kleinem Raum.
- Beibehaltung des Greiferprinzips für alle Gerätegrössen.
- Einfacher übersichtlicher Unterhalt und geringer Wartungsaufwand.
DESCRIPTION
Technical field
Industrial robots to replace and supplement human labor in streamlined, automated mass production factories.
The invention relates to the further development of gripper systems for industrial robots with a view to increasing the operational safety, simplicity and clarity of the entire production systems to be automated.
In particular, it relates to a gripping device for an industrial robot consisting of a robot arm, a joint and other elements.
State of the art
More and more industrial robots are used in manufacturing technology today. To replace the functions of the human hand, these robots are equipped with gripping devices. Most of these are mechanical grippers with appropriate electromechanical drives and associated control and monitoring devices. Pneumatic and hydraulic drives are also known. There are also magnetic and vacuum devices.
From the abundance of literature, the following documents should be mentioned:
1. Christer Johansson and Nils Martensson, Linköping University, Department of Mechanical Engineering, Linköping / Sweden Grippers, Tools and Fixtures for Flexible Automated Assembling, Annals ob tee CIRP Vol. 34/1/1985.
2. A. Arnström, P. Grondahl, The Swedish Institute of Production Engineering Research / The Royal Institute of Technology, A System for Automatic Assembly of Different Products, Annals of the CIRP Vol. 34/1/1985.
3. Dr. rer. nat. G. Zerweck and W. Busch, Murr, depalletizing engine blocks, VDI reports.
All conventional gripper systems of industrial robots require a relatively complicated structure with complex electrical, hydraulic or pneumatic actuation and control lines. This easily leads to confusing and failure-prone devices.
In order to transmit large gripper forces, such devices become bulky and heavy, which again has an adverse effect on their maneuverability and maneuverability.
Presentation of the invention
The invention is based on the object of proposing a gripping device for an industrial robot which, with the simplest possible geometric structure and simple, clear operation, allows high forces to be transmitted, has a low susceptibility to malfunction and is easy to maintain and to overhaul. The gripping device should be able to be varied for all sizes over wide load limits without changing the principle of its geometry.
This object is achieved in that in the gripping device mentioned at the joint (2) via a clamping jaw (34), a sleeve (4) which is made of a memory alloy capable of a two-way effect and is provided with a heating and / or cooling device, and that to be gripped component (5) in the form of a workpiece or a pallet a pin (6) is provided.
Way of carrying out the invention
The invention is explained in more detail below with reference to embodiments shown in the drawings.
It shows:
1 is a schematic representation in side view / side elevation of a gripping device for gripping the component from above,
2 shows a schematic illustration in side view / side elevation of a gripping device for gripping the component from the side,
3 shows a longitudinal section through a fixed clamping jaw and a firmly clamped sleeve made of memory alloy,
4 shows a longitudinal section through a crosswise elastic clamping jaw and an elastically clamped sleeve made of memory alloy,
5 shows a longitudinal section through a sleeve made of memory alloy with an induction coil,
6 shows a longitudinal section through a sleeve made of memory alloy with a resistance heating winding,
7 shows a longitudinal section through a sleeve made of memory alloy with a liquid heating coil,
Fig.
8 shows a longitudinal section through a sleeve made of memory alloy with an induction coil and a liquid cooling coil,
9 shows a longitudinal section through a sleeve made of memory alloy with a Peltier element,
10 is a plan view of a sleeve made of memory alloy with a Peltier element according to FIG. 9.
In Fig. 1, a gripping device for gripping the component from above (vertically) in side view / side view is shown schematically. 1 is the robot arm of the device, which is articulated to the motor part of the machine (not shown). At the end of the robot arm 1 there is a joint 2, which is provided with a clamping jaw 3 for a sleeve 4 made of a memory alloy.
The diameter of the latter can be suddenly changed (widened or narrowed) periodically over a temperature change cycle. The component 5 to be gripped (workpiece, pallet) is provided with a pin 6, in which the sleeve 4 engages.
Fig. 2 shows a gripping device for lateral gripping of the component (horizontal) in side view / side view in a schematic representation. The robot arm 1 carries a joint 2, which is provided with a clamping jaw 3, via a wedge-shaped intermediate piece. In this, a sleeve 4 made of memory alloy is attached, which grips the component 5 via a horizontal pin 6.
3 shows a longitudinal section through a fixed clamping jaw and a firmly clamped sleeve made of memory alloy. 3 is the inelastic fixed clamping jaw, in which the sleeve 4 is embedded in its upper part (e.g. by means of screws or pins). 4a is the clamped inactive part of the sleeve 4, which is not subjected to a temperature cycle during operation. 4b is the active part of the sleeve 4, which is subjected to a temperature cycle during operation and shows a two-way memory effect. The elastic deformations occurring in this process are absorbed by the transition zone shown in broken lines.
FIG. 4 shows a longitudinal section through a clamping jaw which is elastic in the transverse direction and an elastically clamped sleeve made of memory alloy. 3 is the conical clamping jaw provided with widening longitudinal slots 7, which is elastic in the transverse direction and rigid in the longitudinal direction. 4 is a sleeve which is elastically clamped at its upper end on the circumference and which carries on its outside (jacket) a heating device 8 in the form of a tightly fitting resistance heating winding or liquid heating coil arranged in longitudinal loops.
Fig. 5 shows a longitudinal section through a sleeve made of memory alloy with an induction coil. The induction coil 9 operated at medium frequency is arranged at a certain radial distance from the surface of the sleeve 4, so that the latter can freely expand and contract radially.
Fig. 6 shows a longitudinal section through a sleeve made of memory alloy with a resistance heating winding. In order to take into account the radial movement of the sleeve 4 during operation, the resistance heating winding 10 is not arranged in helical windings but in the form of loops which lie closely against the jacket and whose main axis runs parallel to the longitudinal axis of the sleeve 4.
7 shows a longitudinal section through a sleeve made of memory alloy with a liquid heating coil. The liquid heating coil 11 consists of a thin tube and is fastened to the jacket of the sleeve 4 analogously to the resistance heating winding according to FIG. 6.
8 shows a schematic longitudinal section through a sleeve made of memory alloy with an induction coil and a liquid cooling coil. The induction coil 9 corresponds to that according to FIG. 5. For faster cooling in order to shorten the working cycle, the periodically applied liquid cooling coil 12 in the form of a thin pipe is attached to the outer surface of the sleeve 4.
FIG. 9 shows a schematic longitudinal section / elevation through a sleeve made of memory alloy with a Peltier element. FIG. 13 is the curved Peltier element, which is slotted along a jacket line and lies closely against the jacket surface of the sleeve 4.
10 shows a plan view of a sleeve made of memory alloy with a Peltier element according to FIG. 9.
Embodiment I:
See Figures 1, 3 and 5!
A gripping device for an industrial robot was constructed in accordance with the arrangement according to FIG. 1. In a hollow cylindrical clamping jaw 3 made of Cr / Ni-tempered steel and fastened in the lower part of the joint 2, which has a thick front face on its upper side, a hollow cylindrical sleeve 4 also having a front face was firmly clamped. The latter was additionally secured in the former by 6 radial expansion screws that were equally distributed over the circumference. Such elastic connections can be made in a conventional manner by pressing, shrinking, etc.
The sleeve 4 consisted of a Ni / Ti alloy with 45.4% by weight of Ti, the remainder being Ni. The transition points were at the following temperatures:
Ms = 60 "C
As = 70CC
The sleeve had the following dimensions: outer diameter = 40 mm inner diameter = 30 mm wall thickness = 5 mm total height = 75 mm (dimensions 4a + 4b) height, inactive part = 25 mm (dimension 4a) height, active part = 50 mm (dimension 4b ) Thickness of the front bottom = 5 mm
In its martensitic low-temperature phase, the sleeve 4 had been widened to an inner diameter just above 30 mm. The sleeve 4 had on its inside a surface produced by fine machining (grinding). The induction coil 9 consisted of copper wire 1.8 mm in diameter and had 9 turns of 50 mm in average diameter.
It was connected to a medium frequency generator with a power of 0.7 kW and a frequency of 20 kHz. The operation took place intermittently with a cycle time of 40 seconds. The natural air cooling of the sleeve 4 was used for the respective cooling. The temperature limits during operation were as follows:
Upper operating temperature = 75 'C
Lower operating temperature = 50 C.
The vertical load-bearing capacity of the gripper in the case of a non-positive connection with the pin 6 was approximately 20,000 N with an average tangential ring tension in the sleeve 4 of 100 MPa.
Working example II:
See Figures 1, 4 and 6!
The gripping device was constructed in accordance with the arrangement according to FIG. 1. In the lower part of the joint 2, a jaw 3 made of Mn / Si spring steel was used, which had longitudinal slots 7 in its central part. This middle part of the jaw 3 had a slightly conical shape.
The dimensions of the jaw 3 were as follows:
Outside diameter of the lower part = 50 mm
Inner diameter of the lower part = 44 mm
Outer diameter of the upper part = 40 mm
Inner diameter of the upper part = 34 mm
Wall thickness = 3 mm
Total opening angle of the conical part approx. 23
Total height = 45 mm
Number of wedge-shaped longitudinal slots = 15
The essentially hollow cylindrical sleeve 4 made of a memory alloy had a larger diameter shoulder at its upper end for fastening in the clamping jaw 3. The attachment was made via an annular groove and a pin or screw lock (not shown in Fig. 4).
The memory alloy of sleeve 4 had the following composition:
Ni = 45% by weight
Ti = 45% by weight Cu = 10% by weight
The transition points were at the following temperatures:
Ms = 50 "C
As = 60 "C
The sleeve had the following dimensions:
Outside diameter of the jacket = 40 mm
Inner diameter = 30 mm
Outside diameter of the shoulder = 44 mm
Wall thickness = 5 mm
Total height = 55 mm
In the present case, the heating device (general designation reference number 8 according to FIG. 4) consisted of an insulated resistance heating winding 10 made of constanta wire with a diameter of 1.15 mm, which had numerous longitudinal loops and was insulated by means of an elastic plastic binder and fastened directly to the outer surface of the sleeve 4.
The brief heating output was approximately 0.4 kW.
For cooling, the sleeve 4 was blown periodically by a stream of cold air.
The vertical load-bearing capacity of the gripper with a non-positive connection to the pin 6 was approximately 30,000 N with an average tangential ring tension in the sleeve 4 of 150 MPa.
Working example III:
See Figures 1, 4 and 7!
The gripping device was constructed analogously to Example II.
Basically, the same materials and the same components were used. Instead of the resistance heating winding 10 (according to FIG. 6), however, there was a liquid heating coil 11 (according to FIG. 7) in the form of a thin pipe. The latter consisted of a highly elastic nickel alloy. The tube had an inner diameter of 1 mm and an outer diameter of 1.3 mm with a wall thickness of 0.15 mm. The closely spaced loops of the pipeline running on the surface lines of the sleeve 4 were fastened to the former by means of brazing. The liquid coil was intermittently pressurized with boiling water under a pressure of a few bar.
A cold air stream was used for periodic cooling. A more effective cooling and thus a shorter cycle can be achieved in that the liquid coil 11 is alternately acted upon with boiling water or steam on the one hand and with cold water on the other.
The vertical load-bearing capacity of the gripper in the case of a non-positive connection with the pin 6 was approximately 25000 N with an average tangential ring tension in the sleeve 4 of 125 MPa.
Working example IV:
See Figures 2, 3 and 8!
A gripping device for an industrial robot was constructed in accordance with the arrangement according to FIG. 2. In the head of a joint 2, a clamping jaw 3 consisting of high-quality tempering steel was fastened. It was essentially an embodiment which corresponded to FIG. 3.
The clamping jaw 3 was shrunk onto the end of a sleeve 4 made of memory alloy and provided with a base and secured with pins. The sleeve 4 consisted of a memory alloy with the following composition with the following conversion points:
Ni = 44% by weight
Ti = 45% by weight
Cu = 10% by weight
Co = 1% by weight
Ms = 43 "C
As = 52 "C
The sleeve 4 had the following dimensions:
: Outer diameter = 90 mm inner diameter = 60 mm wall thickness = 15 mm total length = 175 mm (size 4a + 4b) length, inactive part = 75 mm (size 4a) length, active part = 100 mm (size 4b) thickness of the frontal bottom = 25 mm
The sleeve 4 was provided on its outer surface with a liquid cooling coil 12 consisting of a thin pipe. This consisted of a highly elastic nickel alloy. The pipe had the following dimensions:
Inner diameter = 2 mm
Outside diameter = 2.5 mm
Wall thickness = 0.25 mm
The liquid cooling coil 12 was designed in the form of loops running on the surface lines of the sleeve 4, which were firmly soldered to it. The induction coil 9 was arranged concentrically with the sleeve 4.
This consisted of a water-cooled copper tube of 3 mm inside and 4 mm outside diameter and had 10 turns of 110 mm average diameter. It was connected to a medium frequency generator with a power of 2 kW and a frequency of 10 kHz. The intermittent operation could be maintained with a cycle of 30 seconds.
The horizontal thrust of the gripper in the direction of the main axis of the sleeve 4 was approximately 50,000 N. The vertical load capacity in the center of gravity of the component 5 was approximately 2500 to 10,000 N. depending on its horizontal dimension.
Embodiment V:
See Figures 2, 3,9 and 10!
A gripping device for an industrial robot was constructed in accordance with the arrangement according to FIG. 2. The basic structure corresponded approximately to that of Example IV, but instead of the heating and cooling device according to FIG. 8, a Peltier element according to FIGS. 9 and 10 was used. The dimensions of the clamping jaw 3 and the sleeve 4 made of a memory alloy were the same as those under Example IV. An alloy of the following composition was selected as the memory alloy:
Ni = 44.5% by weight
Ti = 44.5% by weight
Cu = 10% by weight
Cr = 1% by weight
The transition points were at the following temperatures: M5 = C As = + 2CC
A Peltier element 13 was placed on the jacket of the sleeve 4, which periodically served both for heating and cooling.
The Peltier element 13 was manufactured on the basis of an Ag / Bi telluride and had a hollow cylindrical shape slotted in the longitudinal direction. To the outside, the Peltier element 13 was closed off by a heat-insulating protective cover (not shown).
The sleeve 4 had previously been compressed in the low temperature range (martensite) by 0.8% in diameter, so that it was in the expanded state (austenite) in the normal state at room temperature. The gripping cycle had just been reversed here than in the previous examples: higher temperature: normal state, empty state:
Expanded (austenite) Lower temperature: operating condition, gripping condition:
Contracted (martensite).
The Peltier element 13 had an electrical power of approx. 100 W and a total thermal power in the cooling phase of approx. 300 W.
The invention is not restricted to the exemplary embodiments. Any suitable memory alloy that shows a well-known two-way effect can serve as the material for the sleeve 4. However, care should be taken to ensure that the conversion points are well defined and remain constant over the course of operation. Because of the natural heat flow or inflow from the environment, it is advantageous not to choose the conversion points too high, but also not too low.
In principle, the sleeve 4 can also have a cross-section other than circular. However, the circular shape is preferred for manufacturing reasons.
Suitable combinations of FIGS. 3 to 10 can also serve as the heating or cooling device of the sleeve 4. In particular, a cooling coil can be arranged such that its loops between those of a heating coil or
Heating coil. If a liquid or a gas is used to influence the temperature of the sleeve 4, the same channels can be used for both the heating and the cooling medium. In this case, the temperature cycle is accomplished by periodically changing the exposure to one or the other medium. The same applies to the use of Peltier elements, which can be controlled by electrical polarity reversal.
The arrangements of the sleeve 4 according to FIG. 1 (vertical) and FIG. 2 (horizontal) represent only the extreme cases. Of course, the longitudinal axis of the sleeve 4 can be in any position in space and have any suitable angle to the horizontal plane.
The advantages of the new gripping device are as follows: - Exceptionally simple geometric construction.
- Elimination of heavy and voluminous mechanical, electrical, electromechanical, electromagnetic, pneumatic or hydraulic drive elements.
- Elimination of additional control, monitoring, monitoring and regulating elements (lines) for the drive elements.
- High mechanical resilience in a small space.
- Retention of the gripper principle for all device sizes.
- Simple, clear maintenance and low maintenance.