CN102325632B - 抓夹指、抓夹工具和用于调整抓夹工具的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抓夹指(42，62，64，92，94)，其包括用于夹持的表面区域。该区域覆盖有膜片(10，20，46-48，66，68，112，114，124)，该膜片包括至少一个段，该至少一个段主要由形状记忆聚合物(SMP)制成。本发明还涉及包括这样的抓夹指的抓夹工具以及用于调整这样的抓夹工具的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括用于夹持的表面区的抓夹指、带有至少一个这样的抓夹指的抓夹工具，以及用于调整该抓夹工具的方法。
背景技术
公知的是，工业制造工艺部件(例如工件、构件或模块)通常必须成为组装为最终产品或单元。用于此的典型实例是将电气构件安装到板件上以及车身的组装。这样的组装工艺一般通过机器自动地完成，该机器包括抓夹工具，该抓夹工具用于例如从传送装置或供给箱抓持部件并使该部件相对于另一部件移动到预期位置以用于将它们安装在一起。当然，常见的是，在这样的组装过程中涉及多个机器，或者人工地完成一些生产步骤。
抓夹工具通常包括至少一个抓夹指，其可朝一个或多个其它抓夹指或例如朝抓夹工具的壁部或腕部移动，以便使待抓夹的部件或工件可夹持在例如由两个抓夹指建立的可变间隙之间。抓夹指的形状取决于待抓夹物体的大小和形状。抓夹指可成形为类似于人的手指，例如，简单的杆具有介于几厘米至50厘米和更长之间的长度，而待抓夹的部件通常被夹持在这样的抓夹指的端部处。通常，抓夹指的形状不仅是线性的，而且还包括一个或多个单独的弯曲部以使其最优化以用于单独的框架条件(例如待抓夹工件的平均尺寸)。
抓夹指或工具可被最优化以用于特定形状的大的物体(例如车门)。在这种情况下，抓夹指可仅适于这一特定形状的抓夹。
尤其是在用于较小单元的生产线(例如用于电气构件的组装线)中，要抓夹宽范围的不同形状的部件，例如电阻器、集成电路、不同形状的电容器等。为了确保正确的组装过程，通常需要使这样的部件在夹持于例如两个抓夹指之间时处于准确的限定位置。
因此，常常需要在抓夹指的表面区提供一种预期用于夹持的铸模式夹具(cast-like fixture)。因而，诸如被夹出供给箱的物体在被夹持于抓夹指的表面区的铸模夹具之间时，其处于准确的位置而没有任何较大的公差。
不利的是，在现有技术水平内，这样带有用于夹持的铸模表面区的抓夹指仅适于有限范围的形状的待抓夹工件，在最坏的情况下仅适于一种形状。因此，对于不同类型的待抓夹工件需要不同的抓夹指或抓夹工具。一方面需要额外的努力来提供相应抓夹工具的多个抓夹指。另一方面在生产过程中需要额外的时间来分别改变抓夹工具的抓夹指，以便使机器适于待抓夹的另一工件的形状。
发明内容
基于现有技术的水平，本发明的目的在于提供一种关于待抓夹工件的形状带有改进的柔性的抓夹指。
该问题通过一种抓夹指而解决，该抓夹指包括上述类型的用于夹持的表面区，其特征在于，该区域被包括膜片(membrane)覆盖，该膜片包括至少一个段，该至少一个段主要由形状记忆聚合物(SMP)制成。
形状记忆聚合物是在加热至压印温度(imprint temperature)时可成形为预期形状的材料。在加热的阶段，形状记忆聚合物具有柔性结构，该结构可例如通过压制其中带有固体结构的物体而改变，从而在形状记忆聚合物内产生该物体的铸模。在将形状记忆聚合物冷却至固化温度之后，其回到固体状态并保持在预期形状。
当加热形状记忆聚合物至恢复温度时，其回到初始形状同时具有柔性结构。通常压印温度和恢复温度是相似的或相同的，从而使得形状记忆聚合物可在回到其初始形状之后成形为预期形状。该温度也被称为玻璃态转变温度。
典型的形状记忆聚合物例如为CRG工业的“Verifex形状记忆聚合物树脂”，其特征在于玻璃态转变温度为大约62℃。膜片的厚度可取决于待抓夹工件的大小和类型总计为例如1毫米、10毫米或更大。
覆盖用于夹持抓夹指的表面区的膜片通常包括至少一些段，这些段至少主要由这样的形状记忆聚合物制成。其它段例如可由在加热至形状记忆聚合物的玻璃态转变温度时保持固态的其它材料制成。那些材料即使在加热时也使整个膜片有一定刚度。另外，通过这样可减少所需的形状记忆聚合物的量。膜片的实例可为金属网状物，其被一层或多层形状记忆聚合物覆盖或与一层或多层形状记忆聚合物连接。但是，当然也可能具有仅由形状记忆聚合物组成的膜片。
使用这样的膜片来覆盖用于夹持的抓夹指的表面区，变得可能以有利的方式使表面区的形状适合待抓夹物体的形状，这通过在膜片内形成物体的至少一部分的铸模而实现。
在本发明的一种变型中，膜片包括内中空部。那些内中空部可为由于膜片的多孔状结构而造成的一些气泡状嵌入物，但内中空部也可为一些几何中空空间(例如立方体或球体)，其在各方面被膜片的平面限界。
这样的内中空部通常填充有空气或另一种气体，并且在压印铸模时使膜片能压缩而使膜片不在另一外边缘上膨胀。膜片的处理以及连接至抓夹指通过这样而变得被改进，因为在压印铸模时膜片面对抓夹指的一侧不会变化。
在本发明的还有一实施例中，膜片的至少一侧包括多个距离元件的形状，从而在这些距离元件之间形成外腔。
距离元件例如可具有树节、立方体或条的形状。距离元件可由形状记忆聚合物制成，但也可由其它材料制成。优选地，那些距离元件具有相同的高度。包括这样的距离元件的膜片的顶视图可类似于迷宫的顶视图。那些外腔的用途类似于之前提到的内中空部的用途。
在膜片的优选形式中，桁架结构通过距离元件的其中至少一些而形成。桁架结构可例如为栅格的类型，但也可为沿膜片段的杆条形状。这样的结构使整个膜片具有一定的刚度(即使在被加热时)。
在本发明的变型中，膜片以至少90°的角度包封抓夹指的截面。 抓夹指例如可被成180°的角度的U形形式的膜片包封，或者其可以360°的角度被完全包封。由此以有利的方式减少了将膜片附连到抓夹指上的努力。
用于将膜片附连到抓夹指上的努力还可因为膜片包括模制形状而减少，从而使得膜片的截面例如具有T形或I形的形状，该形状适配抓夹指的附属对应形状。
在本发明的另一变型中，膜片包括用于将其与抓夹指的对应喷嘴式元件连接的一些切出部(block out)，以便使膜片可固定到抓夹指上。
在本发明的优选实施例中，至少一个加热装置布置在膜片与抓夹指之间。该加热装置允许将膜片或膜片的部分加热至玻璃态转变温度或更高，从而可能在膜片内产生新铸模之前使形状记忆聚合物回到其初始形状。加热装置例如可为平的电加热元件。这具有这样的优点，即，膜片在短时间(例如几秒)内被均匀地加热。这样的加热装置的电功率例如对于很小的膜片而言总计为几瓦特，并且对于较大的膜片而言高达几百瓦特或更大。
可通过利用可压缩和可导热的材料填充内中空部和/或外腔的其中至少一个来改善加热过程。该材料增加从加热装置至膜片的所有区域的热传递并且减少用于加热过程的时间。例如，合适的材料为来自Bergquist公司的“Gap Pad VO Ultra Soft”材料或来自Dow Corning的“Thermal Gap Pads”材料。当然，其它材料(还包括流体)也适于该目的。
在本发明的优选实施例中，抓夹指的未被膜片覆盖的至少一个段主要由形状记忆聚合物(SMP)组成。抓夹指通常具有例如20厘米的伸长结构。用形状记忆聚合物制成该抓夹指的段(例如其长度在5厘米至10厘米之间)，可能在该段内产生可变弯曲。弯曲过程可与如之前所述的膜片的改变相比较：加热带有形状记忆聚合物的段，自动回到其初始形状，使其达到预期形状并冷却。抓夹指的柔性以有利的方式再次提高。
该问题还通过抓夹工具解决，根据本发明，该抓夹工具包括至少一个框架以及一个抓夹指。优选地，抓夹工具的至少一个抓夹指可通过至少一个促动器对着抓夹工具的另一抓夹指移动。因而，宽范围的不同形状的待抓夹工件或物体可容易被夹持在抓夹指之间。
由于根据本发明的抓夹指的使用，抓夹工具关于待抓夹物体的形状而言极为柔性。当然，还可构思具有较大数目(例如6个)的抓夹指的抓夹工具。还可构思出的是，各抓夹指可通过专用促动器移动。
在本发明的优选实施例中，抓夹工具被安装到机器人上。机器人是在运动中带有优选地六个或七个自由度以及例如0.5米至4米的操作半径(取决于机器人类型)的机械手。机器人适于在其工作范围内以非常柔性的方式并沿不同定向移动抓夹工具，从而使得根据本发明的抓夹工具以及机器人的组合导致非常柔性的系统，该系统可用作工业生产线的部分，例如出于将宽范围的不同形状的部件安装在一起的目的。
在本发明的一种变型中，至少一个促动器由机器人控制器控制，该机器人控制器还控制附属机器人的运动。因而，用于这样的柔性系统的控制设备的努力可大大减少，并且改进了机器人运动与抓夹运动的协调。
该问题还通过一种方法而解决，该方法用于在限定类型的工件的第一次抓夹之前调整抓夹工具，其特征在于，使用了根据本发明的抓夹工具，膜片的至少一部分被加热至恢复温度，从而使得膜片的至少加热的部分回到初始形状，膜片的至少一部分的温度暂时变得变为压印温度，带有待抓夹工件的形状的物体对着加热的膜片移动，从而在膜片中产生该物体的至少一部分的铸模，在物体相对于膜片保持在相同位置时膜片被冷却至固化温度，从而在膜片中产生该物体的持久铸模。
前文已经描述了对于这种情形的技术背景。恢复温度和压印温度通常是相同的并且对应于形状记忆聚合物的玻璃态转变温度。当然，可能仅仅加热膜片的一部分。取决于膜片和加热装置，该过程将花费例如大约10秒至40秒。膜片的冷却可基于自然冷却，从而使得除此之外不进行用于冷却的额外努力(其中环境温度低于加热的膜片的温度)。还可构思特定的冷却装置。这具有这样的优点，即，调整抓夹工具的整个过程变得加速。
在本发明的还有一实施例中，膜片通过外部加热装置加热，该外部加热装置未附连到抓夹工具上。如果根据本发明的抓夹工具被安装到例如机器人上，该机器人可使抓夹工具在烘箱中在其工作范围内移动。烘箱可为标准加热烘箱，但还可构思出的是，膜片包括例如一些金属薄片或其它颗粒，其通过外部装置而引至共振频率，从而通过这样来加热膜片。
根据本发明的另一实施例，带有不同类型的待抓夹工件的形状的物体的至少两个铸模在膜片中同时产生，从而使得在膜片冷却之后，附属类型的工件可被抓夹而不重新调整抓夹工具。所需的重新调整过程的数量可以这种方式减少。
优选地，待抓夹的类型的工件自身被用作在膜片中产生铸模的物体。
在本发明的另一实施例中，抓夹指的主要由形状记忆聚合物组成并且未被膜片覆盖的段被加热到改性温度，该段的形状在限定类型的工件的第一次抓夹之前被调整，并且该段在保持在调整位置时被冷却至固化温度，从而调整抓夹指的工作范围。
通常抓夹指的运动范围(例如，+/-2厘米)限于驱动该指的促动器的运动范围。通过调整抓夹指自身，变得可能抓夹较大的工件以及较小的工件。因此，可能在两个抓夹指的第一调整阶段中使它们之间的距离为10厘米+/-2厘米，并且在第二调整阶段中为4厘米+/-2厘米。通过这样使抓夹过程变得更加柔性。
本发明的进一步的有利实施例在从属权利要求中提到。
附图说明
现在将通过示例性实施例并参考附图来进一步说明本发明，在附图中：
图1以3D视图示出了第一膜片；
图2以3D视图示出了第二膜片；
图3示出了带有附连膜片的抓夹指的截面，
图4从顶视图示出了第一抓夹工具和第二抓夹工具，以及
图5示出了用于调整抓夹工具的方法的一个实例。
具体实施方式
图1以3D视图示出了第一膜片10。多个树节状距离元件14布置在膜片的平基部12上，该膜片例如由形状记忆聚合物(例如来自CRG工业的“Verifex形状记忆聚合物树脂”)制成。在该实例中，距离元件14不作为单独的部件附连，因为整个膜片10由单块形状记忆聚合物制成。但还可构思附连另外由不同材料制成的其中至少一些距离元件14。
在距离元件之间形成了外腔，外腔可填充有可压缩和可导热的材料，例如来自Bergquist公司的“Gap Pad VO Ultra Soft”或另一材料，其例如可具有匹配的衬垫的形状。
这样的膜片的厚度取决于待夹持物体所需的铸模所要求的深度。考虑到像集成电路或电阻器这样较小的电气部件，例如几毫米的膜片厚度就足够了，从而使铸模的深度总计例如为1毫米。对于较大的部件，还可构思大得多的膜片厚度。
图2以3D视图示出了第二膜片20。类似于第一膜片10，其包括带有第二树节状距离元件24的平基部32。另外，可看到第一侧26和第二侧28，其在相对侧两侧限制膜片20，从而创建膜片20的U形形状。这样带有U形形状的膜片容易附连在带有例如矩形截面的抓夹指上。三个条形距离元件22预期使膜片20有更脊状(ridged)的结构(即使在其被加热时)。还可构思其它桁架结构，例如栅格。因而可能在不松开相对两侧26和28的平行结构的情况下使铸模压印到膜片20的加热的基部32中。切出部30预期用以将膜片20固定在带有相应喷嘴式元件的抓夹指上。
图3示出了带有附连膜片的抓夹指42的截面40，其包括元件的第一侧46、第二侧48、平基部50以及第三树节状距离元件54。可以构思所有那些元件都由同一块形状记忆聚合物制成。可构思额外的稳定元件，其未在该截面40中示出。在距离元件54与侧部46、48之间形成了外腔52，其位于平的加热装置44与膜片的平基部50之间。优选地，那些外腔52填充有可热压的可导热材料，以便改进加热装置44与平基部50之间的热传递来加速膜片的改变过程。优选地，侧部46和48不预期用以实现铸模的压印，因而它们不必包括形状记忆聚合物。示出了第一工件56，其沿方向58对着平基部50移动，从而在加热的膜片内导致第一工件50的压印的铸模。工件的铸模的合适深度总计为平基部50的总厚度的10%至50%加上距离元件54的厚度。
图4从顶视图示出了第一抓夹工具60和第二抓夹工具90。第一抓夹工具60包括第一抓夹指62和第二抓夹指64。抓夹指62、64分别包括主要由形状聚合物材料制成的相关的段70、72，而抓夹指的形状分别沿附属段70、72弯曲。那些弯曲对于在两个抓夹指之间限定间隙而言是有用的。在各抓夹指62、64的末端可看到附属膜片66、68，其覆盖用于夹持的表面区。每个抓夹指是抓夹工具60的部分，并且可通过促动器74而分别沿方向80、82移动。因为促动器74的运动范围有限，所以通常不可能使抓夹指在其最大距离到零之间移动，而是仅在一定范围84内。抓夹工具60还包括框架元件76(例如壳体)以及用于将其与未示出的机器人连接的接口78。
第二抓夹工具90十分类似于第一抓夹工具60，但第一抓夹指92和第二抓夹指94包括实际上也由形状记忆聚合物制成的附属段96和98，但其具有不同于第一抓夹工具60的附属段70和72的形状。这在第一抓夹指92与第二抓夹指94之间导致较大的间隙，从而使得利用第二抓夹工具90比利用第一抓夹工具60可抓夹更大的物体。抓夹指之间的间隙可在用箭头100标记的范围内调整。
通过加热第一工具60的段70和72，使其成为第二抓夹工具的段96、98的形状并将它们冷却，可能使第一工具60具有与第二工具90相同的特征。因而，带有由形状记忆聚合物制成的附属段70、72、96、98的抓夹指关于要用它们抓夹的物体的尺寸而言是非常柔性的。
图5示出了用于调整抓夹工具的方法的实例，该抓夹工具类似于图4中所示的抓夹工具60和90。
阶段A示出了带有两个膜片112的抓夹工具，而它们的第一形状包括工件的铸模(其未示出)。在阶段B中，那些膜片已被加热到玻璃态转变温度(例如70℃)并且它们回到其初始形状。膜片现在处于柔性结构。在阶段C中，抓夹工具在第二工件116上移动，第二工件116现有处于两个抓夹指的膜片之间的间隙中。现在在阶段D中，促动器使两个抓夹指朝彼此移动从而使间隙变得更小。第二工件120在膜片内的压印铸模是结果。在阶段E中，抓夹指和第二工件保持在相同位置上并冷却至固化温度，从而使膜片的结构变为固态。现在抓夹指在阶段F中打开，并且第二工件的持久压印铸模已经在膜片内产生。抓夹指现在准备好抓夹过程。
参考标号列表
10 第一膜片
12 第一膜片的平基部
14 第一树节状距离元件
20 第二膜片
22 条形距离元件
24 第二树节状距离元件
26 第一膜片的U状形式的第一侧
28 第二膜片的U状形式的第二侧
30 切出部
32 第二膜片的平基部
40 带有附连膜片的抓夹指
42 抓夹指
44 加热装置
46 附连膜片的U形形式的第一侧
48 附连膜片的U形形式的第二侧
50 附连膜片的平基部
52 腔
54 第三树节状距离元件
56 第一工件
58 第一工件的运动方向
60 第一抓夹工具
62 第一抓夹工具的第一抓夹指
64 第一抓夹工具的第二抓夹指
66 附连到第一抓夹工具的第一抓夹指上的膜片
68 附连到第一抓夹工具的第二抓夹指上的膜片
70 由形状记忆聚合物(SMP)组成的第一段
72 由形状记忆聚合物(SMP)组成的第二段
74 第一促动器
76 第一抓夹工具的框架
78 第一抓夹工具到机器人的接口
80 第一抓夹工具的第一抓夹指的运动方向
82 第一抓夹工具的第二抓夹指的运动方向
84 第一抓夹工具的抓夹指工作范围
90 第二抓夹工具
92 第二抓夹工具的第一抓夹指
94 第二抓夹工具的第二抓夹指
96 由形状记忆聚合物(SMP)组成的第一段
98 由形状记忆聚合物(SMP)组成的第二段
100 第二抓夹工具的抓夹指工作范围
110 用于调整抓夹工具的方法的实例
112 第一形状下的膜片
114 初始形状下的膜片
116 第二工件
118 抓夹指的关闭运动方向
120 加热的膜片中的第二工件
122 抓夹指的打开运动方向
124带有物体的铸模的处于第二形状下的膜片
A-F 抓夹工具的调整期间的不同阶段
Claims (20)
1.抓夹指(42,62,64,92,94)，所述抓夹指(42,62,64,92,94)包括用于夹持的表面区域，其特征在于，所述区域覆盖有包括至少一个段的膜片(10,20,46-48,66,68,112, 114,124)，所述至少一个段主要由形状记忆聚合物(SMP)制成，其中，所述膜片(10,20,46-48,66,68,112,114,124)的至少一侧包括多个距离元件(14,22,24,54)的形状，从而在那些距离元件之间形成外腔(52)。
2.根据权利要求1所述的抓夹指，其特征在于，所述膜片(10,20,46-48,66,68,112,114,124)包括内中空部。
3.根据权利要求1所述的抓夹指，其特征在于，至少一个桁架结构通过所述距离元件(14,22,24,54)的其中至少一些形成。
4.根据权利要求1或2所述的抓夹指，其特征在于，所述膜片(10,20,46-48,66,68,112,114,124)以至少90°的角度包封所述抓夹指(42,62,64,92,94)的截面。
5.根据权利要求1或2所述的抓夹指，其特征在于，所述膜片包括至少一种模制形状，所述模制形状适配所述抓夹指的对应部分形状。
6.根据权利要求1或2所述的抓夹指，其特征在于，所述膜片(10,20,46-48,66,68,112,114,124)包括一些切出部(30)以用于使其与所述抓夹指(42,62,64,92,94)的相应喷嘴式元件连接。
7.根据权利要求1或2所述的抓夹指，其特征在于，至少一个加热装置(44)布置在所述膜片(10,20,46-48,66,68,112,114,124)与所述抓夹指(42)之间。
8.根据权利要求2所述的抓夹指，其特征在于，所述内中空部和/或外腔(52)的其中至少一个填充有可压缩和可导热的材料。
9.根据权利要求2所述的抓夹指，其特征在于，所述内中空部和/或外腔(52)的其中至少一个填充有流体。
10.根据权利要求1或2所述的抓夹指，其特征在于，所述抓夹指(42,62,64,92,94)的未被所述膜片(10,20,46-48,66, 68,112,114,124)覆盖的至少一个段(70,72,96,98)主要由形状记忆聚合物(SMP)组成。
11.抓夹工具(60,90)，其特征在于，其包括至少一个框架(76)以及根据权利要求1到10中任一项所述的一个抓夹指。
12.根据权利要求11所述的抓夹工具，其特征在于，所述至少一个抓夹指(42,62,64,92,94)可通过至少一个促动器(74)对着所述抓夹工具的另一抓夹指(42,62,64,92,94)移动。
13.根据权利要求11所述的抓夹工具，其特征在于，所述抓夹工具被安装在机器人上。
14.根据权利要求12所述的抓夹工具，其特征在于，所述抓夹工具被安装在机器人上。
15.根据权利要求14所述的抓夹工具，其特征在于，所述至少一个促动器(74)被机器人控制器控制，所述机器人控制器还控制附属机器人的运动。
16.用于在限定类型的工件的第一次抓夹之前调整抓夹工具的方法，其特征在于，使用根据权利要求11到15中任一项所述的抓夹工具(60,90)，所述膜片(10,20,46-48,66,68,112,114,124)的至少一部分被加热至恢复温度，从而使所述膜片的至少加热的部分回到初始形状，所述膜片的至少一部分的温度暂时变为压印温度，带有待抓夹的工件(56,116)的形状的物体对着所述加热的膜片移动，从而在所述膜片中产生所述物体的至少一部分的铸模，所述膜片在所述物体相对于所述膜片保持在相同位置时被冷却至固化温度(E)，从而在所述膜片中产生所述物体的持久铸模(F,124)。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述膜片(10,20,46-48,66,68,112,114,124)通过未附连到所述抓夹工具(60,90)上的外部加热装置加热。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，带有所述待抓夹的工件(56,116)的形状的物体的至少两个铸模在所述膜片(10,20,46-48,66,68,112,114,124)中同时产生，从而使得在所述膜片冷却之后可抓夹所述待抓夹的工件(56,116)而不重新调整所述抓夹工具(60,90)。
19.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述待抓夹的工件(56,116)自身被用作在所述膜片中产生所述铸模的物体。
20.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，抓夹指的主要由形状记忆聚合物组成并且未被所述膜片(10,20,46-48, 66,68,112,114,124)覆盖的段(70,72,96,98)还被加热至改性温度，所述段(70,72,96,98)的形状在待抓夹的工件(56,116)的第一次抓夹之前被调整，并且所述段(70,72,96,98)在保持在所述调整位置时被冷却至固化温度，从而调整所述抓夹指(42,62,64,92,94)的工作范围(84,100)。
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