CN113226661A - 用于将组件无线电连接至控制器的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将搬运装置(1)所导引的组件(80)连接至控制器(100)的系统，所述组件由至少一个执行器和至少一个传感器构成。其中，所述控制器(100)包括与所述搬运装置(1)空间分离的具有至少一个发送与接收装置(111)的无线电主设备(110)。所述组件(80)具有至少一个用于与所述无线电主设备(110)进行通信的发送与接收装置(61)。所述组件(80)通过所述搬运装置(1)而被供应负荷电压。在所述组件(80)中或其上，所述负荷电压借助DC/DC或AC/DC转换器(51)而被转换成直流电流额定电压。所述直流电流额定电压供应给所述组件(80)的发送与接收装置(61)。本发明提供一种用于将组件(80)连接至控制器(100)的系统，用来使得配设有执行器和传感器的组件(80)被集成至控制性和调节性后台软硬件的系统体系结构中，而不必通过敷设在搬运设备上的信号线。

Description

用于将组件无线电连接至控制器的系统

技术领域

本发明涉及一种用于将搬运装置所导引的组件连接至控制器的系统，所述组件作为一个多组件式转接系统的一部分且由至少一个执行器和至少一个传感器构成。

连接在PLC(SPS，可编程控制器)上的这个搬运装置结合最后一节例如为多节式的6轴机械手，其载有并行抓持器。为了在PLC与并行抓持器之间进行通信，在PLC中设有总线主设备，其例如通过IO-Link端口访问并行抓持器的执行器和传感器。

背景技术

由DE 10 2017 009 319 A1已知一种用于将搬运装置的运动链的最后一节连接至这个搬运装置的转接系统，其中该最后一节具有计算与存储模块以及至少一个执行器和/或至少一个传感器。其中，在运动链的倒数第二和最后一节之间布置有多个依次定位的系统模块。一个系统模块具有电子组件，其对输入电气连接线的与预设系统体系结构进行交换的通信数据进行调整或转换，以便与最后一节的设备接口进行通信，并且可以通过转移点进行有线通信。

一个智能执行器通常也具有智能传感器。单个传感器由基础传感器、电子分析设备和至少一个通信接口组成。执行器和传感器分别具有接口，在搬运设备的自动化环境中通常必须将这些接口集成至现有的系统体系结构中。在此体系结构内，不同的硬件平台或多或少地贯穿协调自动化平面，这些硬件平台从传感器和/或执行器总线经由现场总线和工厂总线延伸至主导平面。

发明内容

本发明的课题是提供一种用于将组件连接至控制器的系统，用来使得配设有执行器和传感器的组件被集成至控制性和调节性后台软硬件的系统体系结构中，而不必通过敷设在搬运设备上的信号线。

克服这项难题的解决方案为主权利要求的特征。所述控制器包括与所述搬运装置空间分离的具有至少一个发送与接收装置的无线电主设备。所述组件具有至少一个用于与所述无线电主设备进行通信的发送与接收装置。所述组件通过所述搬运装置而被供应负荷电压。在所述组件中或其上，所述负荷电压借助DC/DC或AC/DC转换器而被转换成直流电流额定电压。所述直流电流额定电压供应给所述组件的发送与接收装置。

市售搬运装置通常具有多种供电和不同的通信方法。因此，作为搬运装置的运动链的最后一节布置的终端设备的制造商必须使其终端设备与这些供电和通信方法分别相匹配。为了避免进行复杂的硬件匹配，本发明提供一种系统，其一方面借助无线电技术、所谓的桥接技术，将控制信息从搬运装置所连接的控制器传输至相应的终端设备，如抓持器。另一方面，所述系统在该终端设备中具有通信模块，在该通信模块中，搬运装置的供能与终端设备的供能相匹配。因此，该通信模块是通过IO-Link电缆将可用能量和借助无线电所接收的信息传输给相应终端设备的接口。

该多组件式转接系统由一组多层地相继布置的系统模块构成。这些系统模块的顺序可以局部地任意交换。在所述通信模块中，作为无线IO-Link端口的替代方案，也可以装入用于多个端口的无线IO-Link主设备，这样就能提供一种系统模块，其具有多个用于承载和控制多个抓持器的分支。

附图说明

本发明的更多细节参阅从属权利要求和下文对至少一个示意性示出的实施方式的描述。

图1为搬运装置连同通过转接系统转接的抓持器的透视图；

图2为转接系统连同图1所示抓持器的放大透视图；

图3为PLC与抓持器间的无线通信以及抓持器的供电电压的电压转换的原理图。

具体实施方式

图1示出构建为关节式机械手的具有所谓的RRR运动学的搬运装置(1)。关节式机械手(1)的串行运动结构具有三个旋转主轴和三个旋转副轴。主轴为A轴(3)、B轴(5)和C轴(7)。A轴(3)为具有竖直旋转轴的转台(4)，该转台支承在搬运装置的底板(2)上。转台(4)作为第一运动链节支承可围绕水平的B轴(5)偏转(例如210度)的脚杆(6)。C轴(7)作为具有同样水平的偏转轴的节设在脚杆(6)的自由端上，该C轴载有肘杆(8)。肘杆(8)可相对脚杆(6)偏转例如270度。

第一副轴，也就是D轴(11)，为旋转轴。该副轴由可围绕其纵轴旋转的支臂(12)构成，该支臂支承在肘杆(8)的自由端上。第二副轴为E轴(13)，手杆(14)可围绕该副轴偏转例如270度地支承。手杆(14)载有可偏转360度的转盘，该转盘可围绕F轴(16)旋转地支承。转盘为运动链的倒数第二节(15)。转接系统(19)连同抓持器(80)紧固在该节上。转接系统(19)在本实施例中包括系统模块(20，30，40，50，90)。系统模块的数目未予规定。在系统模块(30)与(90)之间可以装入更多系统模块。

通过对各轴(3，5，7，11，13，16)实施相应的协调性控制，就能近乎任意地驶过设置在关节式机械手(1)的工作腔中的直线路线或弯曲轨线。这一点也可以借助基于笛卡尔、圆柱或极坐标型机械手的搬运设备来实现。在此情形下，机械手相应地具有TTT、RTT或RRT运动学。其中，“T”代表平移式，“R”代表旋转式主轴或导引装置。

作为这些机械手的替代，同样可以分别应用某个搬运设备，其具有并行或混合结构作为串行结构的替代。可以应用三角、五角或六角作为并行结构。

图2为转接系统(19)连同抓持器(80)的放大图。转接系统(19)在实施例中包括四个相继布置的模块。这些模块的顺序为机械模块(20)、连接模块(30)、变形模块(40)和通信模块(50)。

机械模块(20)具有至少局部呈截锥形的基础模块壳体，机械模块通过该基础模块壳体刚性地紧固在转盘(15)上。为此，基础模块壳体在其顶侧上例如具有较大的方形塞，其在转盘(15)中形状配合地卡入相应的凹口。基础模块壳体的顶侧和底侧通过中心通孔相连。在此未示出的是，气动软管以及由多个芯线和绞合线制成的电缆束穿过通孔。

机械模块(20)连同后续模块，也就是连接模块(30)，形成机械接口。连接模块(30)具有同样局部呈截锥形的连接壳体。在连接壳体的顶侧中布置有用于输送加压空气的进入管道。在进入管道旁边设有电缆夹，通过该电缆夹将上述电缆束以抗拉的方式锁定在机械模块中。

在连接模块(30)的空心连接壳体中，保持在电缆夹中的电缆束的各芯线和绞合线例如紧固在居中地布置在连接壳体(30)的底侧上的连接插座上。

如图2所示，连接模块(30)紧接变形模块(40)。为了将这两个模块(30)和(40)连接在一起，变形模块(40)在其顶侧的中心具有与连接模块(30)的连接插座匹配的连接插头。

变形模块(40)大体由壳体上部、壳体下部和布置在其间的弹性体层构成。弹性体层为柔性的壳体壁。

在变形模块(40)中例如装有辐条结构的力-力矩传感器。这个传感器由配设有方形辐条的脚环构成，该脚环具有中心圆盘、头环和四个方柱。方柱将圆盘与头环连接在一起。在每个柱上和每个辐条上均布置有一个应变计对。可以通过应变计的电阻变化由柱和/或辐条的弹性变形测定出就坐标轴而言起作用的力和力矩。其中，脚环紧固在变形模块(40)的壳体上部上，而头环固定在变形模块(40)的壳体下部上。通过6×8矩阵向量乘法将传感器所发出的信号转换成用于力和力矩的值。为此，变形模块具有自有的计算模块。通过转接系统的模块的线路和接触点将计算值传输至抓持器的计算与存储单元，以便在该处根据杆长度调整计算值，视转接系统的具体结构，该杆长度在变形模块(40)与抓臂(89)之间产生。

变形模块(40)在壳体上部中具有居中布置的连接插头，而壳体下部在其中心具有连接插座，此前已从连接模块(30)上了解过该连接插座。

变形模块(40)在两个相互垂直的平面内对由至少一个系统模块与该最后一节(80)组成的组合的弯曲进行测量，其中这两个平面的相交线为系统模块(20，30，40，50)的中心线(16)。所测定的弯曲例如为装载的抓持器(80)的负荷的尺度。

通信模块(50)通过同样居中布置的连接插头而连接变形模块(40)，通过该连接插头(在其间设有DC/DC转换器的情况下)同样从顶侧出发为布置在底侧中的连接插座供能。通信模块(50)局部地具有通信壳体，该通信壳体具有至少局部呈圆柱形的外壁。

在通信壳体的内腔中布置有作为电源接口的DC/DC转换器(51)，参阅图3。该DC/DC转换器将通过搬运装置(1)从控制器(100)借助负荷线路(101)提供的供电电压(例如为48伏直流电压)转换成直流电流额定电压。在本实施例中，需要24V的直流电流额定电压，其通过负荷线路(53)被传输至抓持器(80)或者紧接通信模块(50)的系统模块。

例如在机械手(1)提供交流电压的情况下，则使用AC/DC转换器而非DC/DC转换器(51)。在机械手(1)提供的是低于该直流电流额定电压的电压的情况下，则装入将机械手电压提高至所需直流电流额定电压的转换器。

作为补充方案，可以将作为所谓升压器的电容器(55)与DC/DC转换器(51)并联，参阅图3。作为附加的储能器，该电容器能够截取较短的电流峰值，因而与搬运设备(1)持续性地提供相比，能够在相对较小的时间段内为组件(80)提供更多能量。该时间段介于数毫秒与一秒之间，具体视耗电量而定。电容器的电容例如可以达到100mF。

在通信模块(50)中或其上布置有至少一个发送与接收装置(61，63)，其上连接有至少一个天线(62，64)。这个发送与接收装置(61)和/或(63)双向地与在图3中通过负荷线路(102)和信号线(103)连接在控制器(100)上的无线电主设备(110)的对应发送与接收装置(111)进行通信。在本实施例中，无线电主设备(110)是IO-Link无线主设备。每个图2所示发送与接收装置(61，63)均在无线电主设备(110)中具有一个对应的发送与接收装置。

IO-Link无线主设备例如用2.4GHz进行通信。其在申请时间点上的常见无线电作用距离例如为10m。

发送与接收装置(61，63)，也称IO-Link桥，是一个电子装置的部分，该电子装置属于一个例如构建在多个线路板上的电子组件。当然，该IO-Link桥也可以与这个或这些天线(62，64)一起用作独立于电子组件的模块。

该电子组件在转接系统(19)内有线或玻璃纤维辅助地与抓持器(80)并且至少与组装后的系统模块(20，30，40，50，90)的一部分存在连接。发送与接收装置(61，63)和电子组件通过供电线(65)连接在DC/DC转换器(51)的输出端上，参阅图3。

因而在该系统中，抓持器(80)从机械手(1)的供能获得其能量。而抓持器(80)并非通过沿机械手(1)敷设的电缆束，而是通过无线电在通信模块(50)的发送与接收装置(61，63)与布置在控制器区域内的无线电主设备(110)之间获得其控制信号。

在图2中，通信模块(50)的壳体侧向地具有至少近似立方形的凸起(73)作为摄像头壳体。在该凸起中视情况放置有摄像头(74)。其摄像镜头布置在凸起(73)的底侧中的凹口之后。摄像镜头的光轴与设在抓持器(80)的抓臂(89)之间的夹紧空间大约在中心相交。因此，摄像头(74)的可见范围包括需要抓持的工件和抓臂(89)。在凸起(73)的底侧上环绕摄像镜头地布置有例如四个照亮夹紧空间的照明发光二极管(75)。

在凸起(73)的侧向上，在两侧上作为发送与接收装置(61，63)而例如布置有两个无线IO-Link转接器。每个发送与接收装置(61，63)上均布置有一个天线(62，64)。两个天线(62，64)彼此偏转90°以改善发送与接收特性。天线(64)例如平行于转接系统(19)的中心线。当然，两个天线(62，64)也可以相互平行。

在图2中，抓持器(80)作为运动链的最后一节对接在通信模块(50)上。

抓持器(80)由电子部件和机械部件构成。抓持器通过其壳体紧固在通信模块(50)上。抓持器以其连接插头插接在通信模块(50)的连接插座上。

为了使得模块(30，40，50)与抓持器(80)能够可靠、简单且快速地相连，这些模块与抓持器(80)分别例如通过一个卡口连接而机械地联接。为此，所有各模块壳体和抓持器壳体在相应顶侧的边缘区域内具有多个分布在周边上的卡口舌片。模块壳体和抓持器壳体在其相应底侧的边缘区域内具有若干卡口环，其支承在此处的细螺纹上。这些卡口环在其底侧上具有环绕式的卡口连接片，其沿周边至少具有与模块壳体所具有的卡口舌片一样多的中断部。

为了使得模块壳体相连，将需要连接的模块的连接插头与连接插座插接在一起，其中卡口舌片以一定的间隙与卡口环的中断部相匹配。通过螺接卡口环，各卡口连接片在轴向上抵靠在相邻的卡口舌片上，从而通过细螺纹将模块壳体拉向彼此。为了预设定义的保持力，卡口环可以具有扭转止挡。

在旋紧卡口环后，通过手动作用力(在不使用工具的情况下)将模块(30，40，50)与抓持器(80)形状稳定地相连。在此过程中，全部的电接触均在相接触的转接头几何形状之间产生。

在联接时也将模块气动地相连。为此，分别有一个装入各连接插座的中心的进入管道以定心且气密的方式沉入布置在相应连接插头的中心的进入孔。

模块(30，40，50)以及抓持器(80)借助定位销-定位销孔组合来防止围绕中心线(16)相互扭转。

当然，这些模块(30，40，50)和抓持器(80)也可以通过其他方式彼此固定在一起。

在抓持器(80)中，抓持器壳体连接基础壳体，该抓持器壳体例如通过未予绘示的支撑插入部装在基础壳体中。支撑插入部借助后方卡合来固定抓持器壳体。在抓持器壳体中仅示例性地布置有一个气缸-活塞单元作为抓臂(89)的调节驱动器。该气缸-活塞单元的活塞借助双楔形钩传动装置来移动安装在滑座上的抓臂(89)。在活塞杆的每个行程运动中，滑座均在其导引件中横向于中心线(16)地在强制导引下运动。活塞的最终位置可以借助至少两个传感器进行编排。压力传感器视情况在楔形钩上对在保持工件时存在于抓臂上的夹紧力进行测量。

此外，在基础壳体中布置有至少一个气动阀，以便以电子控制的方式为气缸-活塞单元的气缸的压力室输送加压空气或将加压空气吹走。

作为图2所示抓持器(80)的替代，也可以使用具有机电驱动器的抓持器，参阅DE10 2015 012 779 A1的并行抓持器。

在这种抓持器的壳体中装有完整的伺服调节器或伺服轴调节器连同附属的计算与存储模块。伺服调节器由厂方如此地编程，使得最终使用者或机器操作者不需要任何特别的专业知识来将抓持装置调节至相应的抓持物品或工件上。其中，抓持物品形状稳定且具有弹性。

除例如抓持行程以及弹性相关和抓持宽度相关的抓持行程补充等简单的参数外，可以在计算与存储模块中针对例如客户指定的某些特定的抓持物品保存特殊分类的抓持方案，机器操作者可以通过抓持物品编号调取这些抓持方案。以这种方式就能在两个已知的不同抓持任务间进行快速转换。

为此，伺服调节器和附属的计算与存储模块直接设在抓持器的壳体中。由制造商将所有抓持装置专用的值和调节设定直接编写进抓持装置软件。用于新的抓持任务的抓持方案由客户方的机器操作者以手动控制的方式学会，并且例如连同新的抓持物品编号一起直接且永久地保存在装置的计算与存储模块中。要么自动选择下一个自由编号作为新的抓持物品编号，要么通过PLC的输入键盘进行数字输入。其他设置或学习过程通常也通过这个键盘预设。

由机器操作者输入的抓持物品编号相关数据集可以更改或删除，而无需为此对机床的可编程控制器进行干预。

在抓持装置自有的计算与存储模块中可选地编入测量与分析算法，其可以在常规的抓持功能期间测量和记录环境参数，如壳体温度、壳体振动、结构声等等。将这些数据转换成磨损统计数据，以便由此测定出下一次维护或设备检修的时间点，并且例如在装置上例如以声音或光学的方式显示出到达这个时间点。也可以将环境参数以及/或者其分析和注释从计算与存储模块经由抓持装置自有的数据接口，也就是通信模块(50)，通过无线电传输回搬运装置(1)或设备的可编程控制器。

在图2中，在抓持器壳体上例如布置有两个分别形式为FSR传感器(96)的电阻式力传感器。借助这些传感器，就能由机器操作者现场打开或闭合抓持器(80)。

附图标记说明

1 搬运装置，关节式机械手，6轴机械手

2 底板

3 A轴

4 转台，第一节

5 B轴

6 脚杆

7 C轴

8 肘杆

11 D轴

12 支臂

13 E轴

14 手杆

15 倒数第二节；转盘

16 F轴，偏转轴，中心线

19 转接系统(模块的总和)

20 机械模块，第一系统模块

30 连接模块，第二系统模块

40 变形模块，第四模块

50 通信模块，第三模块

51 DC/DC转换器

53 (80)的负荷线路

55 电容器，储能器，升压器，可选的

61，63 发送与接收装置，桥模块

62，64 天线

65 (61，63)的供电线

67 (80)的信号线

73 凸起，摄像头壳体，可选的

74 摄像头，可选的

75 照明发光二极管，可选的

80 组件，最后一节；抓持器

89 抓臂

90 抓持器基础模块，系统模块，基础壳体

96 FSR传感器

100 控制器(PLC)

101 (51)的负荷线路，可变的

102 (110)的负荷线路

103 (110)的信号线

110 无线电主设备

111 (110)的发送与接收装置。

Claims (9)

1.一种用于将搬运装置(1)所导引的组件(80)连接至控制器的系统，所述组件作为一个多组件式转接系统(19)的一部分且由至少一个执行器和至少一个传感器构成，其特征在于，

-所述控制器包括与所述搬运装置(1)空间分离的具有至少一个发送与接收装置(111)的无线电主设备(110)，

-所述组件(80)具有至少一个用于与所述无线电主设备(110)进行通信的发送与接收装置(61，63)，

-所述组件(80)通过所述搬运装置(1)而被供应负荷电压，

-在所述组件(80)中或其上，所述负荷电压借助DC/DC或AC/DC转换器(51)而被转换成直流电流额定电压，以及

-所述直流电流额定电压供应给所述组件(80)的发送与接收装置(61，63)。

2.根据权利要求1所述的用于将组件连接至控制器的系统，其特征在于，所述组件(80)是搬运装置(1)的运动链的最后一节(80)，其中所述组件(80)除了至少一个执行器和/或至少一个传感器以外还包括计算与存储模块。

3.根据权利要求1所述的用于将组件连接至控制器的系统，其特征在于，在所述DC/DC转换器(51)的输出端上装有储能用电容器(55)。

4.根据权利要求1所述的用于将组件连接至控制器的系统，其特征在于，所述组件(80)是由多个系统模块(20，30，40，50，90)构成的多组件式转接系统(19)的一部分。

5.根据权利要求1所述的用于将组件连接至控制器的系统，其特征在于，所述系统模块(50)在所述模块壳体上具有凸起(73)，在所述凸起中布置有用于观察设在所述抓臂(89)之间的空间的摄像头(74)。

6.根据权利要求5所述的用于将组件连接至控制器的系统，其特征在于，在所述系统模块(50)的凸起(73)的两侧上布置有所述发送与接收装置(61，63)的各天线(62，64)。

7.根据权利要求1所述的用于将组件连接至控制器的系统，其特征在于，所述系统模块(50)的各一个天线(62，64)与所述无线电主设备(110)的一个天线进行通信。

8.根据权利要求1所述的用于将组件连接至控制器的系统，其特征在于，在所述无线电主设备(110)的发送与接收装置(111)与所述抓持器(80)的发送与接收装置(61，63)之间通过无线电来传输控制所述执行器的信号以及所述传感器的经分析的信息。

9.根据权利要求8所述的用于将组件连接至控制器的系统，其特征在于，所述信号传输以加密的方式实施。

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