CN114126812B - 用于机器人的工具更换器及其更换系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机器人的工具更换器(10)，包括：基座单元(12)、更换单元(14)、可移动的锁定元件(60，62)、接受器(80)以及旋转元件(24)，所述更换单元(14)能够锁定在所述基座单元(12)上，可移动的所述锁定元件(60，62)设置在所述基座单元(12)上，所述接受器(80)设置在所述更换单元(14)上，为了将所述更换单元(14)锁定在所述基座单元(12)上，所述锁定元件(60，62)在锁定位置与所述接受器(80)相互作用，并在解锁位置释放所述接受器(80)，所述旋转元件(24)设置在所述基座单元(12)上，并且围绕所述旋转元件(24)的纵向轴线(25)旋转安装，所述锁定元件(60，62)运动联接到所述旋转元件(24)上，从而使得所述锁定元件(60，62)在所述旋转元件(24)旋转时发生移动，其特征在于，所述旋转元件(24)与旋转固定且轴向可移动的致动元件(42)运动联接，从而使得当所述旋转元件(24)旋转时，所述致动元件(42)能够改变其在轴向方向(41)上的位置；所述致动元件(42)运动联接到垂直于所述致动元件(42)的纵向轴线(25)而延伸的枢轴销(50)，或者所述致动元件(42)形成垂直于所述致动元件(42)的纵向轴线(25)而延伸的枢轴销(50)，所述锁定元件(60，62)上设置有相应的接头销(58)；并且，所述枢轴销(50)和每个接头销(58)之间至少设置有一个杠杆臂(54，56)，从而使得当所述枢轴销(50)沿所述轴向方向(41)运动时，所述接头销(58)以及所述锁定元件(60，62)沿垂直于所述轴向方向(41)延伸的垂直方向(68)发生移动。

Description

用于机器人的工具更换器及其更换系统

发明内容

本发明涉及用于机器人的工具更换器，包括基座单元、更换单元、多个可移动的锁定元件以及多个接受器，所述更换单元能够锁定在所述基座单元上，可移动的所述锁定元件设置在所述基座单元上，所述接受器设置在所述更换单元上，所述锁定元件在锁定位置与所述接受器相互作用，以将所述更换单元锁定在所述基座单元上，并在解锁位置释放所述接受器，所述工具更换器还包括旋转元件，所述旋转元件设置在所述基座单元上并且围绕其纵向轴线可旋转地安装，所述锁定元件运动联接到所述旋转元件上，从而使得所述锁定元件在所述旋转元件旋转时移动。

所述基座单元特别设计成能够布置在机器人臂的自由端。所述更换单元特别设计成布置在工具或抓取单元上。

机器人用于工业装配线和其他制造应用，以高精度执行重复性任务。例如，机器人通常用于汽车工业以执行多种任务，例如材料处理、切割、焊接、接合等。

此外，由DE 33 46 467 A1已知一种具有工具更换装置的机器。工具更换装置具有双端更换臂，该双端更换臂布置成可绕平行于主轴轴线的轴线枢转，并且在每一端设置有工具夹持器。

从DE 40 10 070 C1已知一种用于焊接机器人的工具更换装置。提供两个闭合钩作为锁定元件。活塞以弹簧加载的方式作用在肘节接头上，使得闭合钩张开并且两个基板被定向并在锁定位置中相互支撑。为了释放连接，在活塞上施加与弹簧力相反的压力。

由DE 37 13 619 A1已知一种夹持器更换联轴。锁定机构包括转接板，在转接板上设置有两个定心销。它们被容纳在定心孔中并用可垂直移动的锁定板锁定，该锁定板具有两个凹槽，在垂直移动时，该凹槽的轮子锁定地接合在定心销上的底切中。

开头提到的工具更换器从例如DE 112009002163 T5中可以知道。所述锁定元件在这里设计为滚动体。在这种情况下，带有凸轮面的活塞，具有用于抵接滚动体的几个面，被称为旋转元件，用于激活所述锁定元件。

本发明所解决的问题是提供一种开头所述类型的工具更换器，其中，所述锁定元件在所述锁定位置以相对高水平的力作用在所述接受器上。多个锁定元件应同时尽可能快地移动。

这个问题通过具有权利要求1的特征的工具更换器解决。在这种类型的工具更换器中，所述旋转元件特别地与旋转固定且轴向可移动的致动元件运动联接，从而使得当所述旋转元件旋转时，所述致动元件能够改变其轴向方向上的位置。这样旋转元件也可以改变其轴向位置；然而，还可以设想所述旋转元件和所述致动元件以这样的方式彼此运动联接，即，使得所述旋转元件在旋转时不改变其轴向位置。此外，所述致动元件运动联接到或形成垂直于致动元件的纵向轴线而延伸的枢轴销，每个锁定元件上设置有接头销，并且，枢轴销和每个接头销之间至少设置有一个杠杆臂(lever arm)。每个所述杠杆臂以这样的方式设计：当枢轴销沿轴向方向运动时，接头销以及锁定元件沿垂直于轴向方向延伸的垂直方向运动。枢轴销和每个接头销之间也可以在设置多个杠杆臂。为锁定元件设置这种启动机构的优点在于：通过使用杠杆臂，只要锁定元件没有处于锁定位置，那么锁定元件就能够用相对较小的力覆盖相对较长的距离。然后，当锁定元件进入锁定位置的区域时，锁定元件覆盖相对较短的距离，同时提供相对高水平的力。通过设置杠杆臂，致动元件在轴向方向上的运动也能够有利地转到锁定元件在垂直方向上的运动。总之，枢轴销和接头销的运动也能够以无相对磨损的方式来进行。

有利的是，接头销和枢轴销呈圆柱状并相互平行排列。

与DE 112009002163 T5所代表的熟知的现有技术相比，不使用由于与其运动相关的部件的相对运动而承受高负荷和高磨损的滚动体。

此外，对于旋转元件同样有利的是，包括头部和螺纹杆，头部可通过旋转工具旋转，并且，螺纹杆可旋转地安装在螺纹套筒中，螺纹套筒以旋转固定的方式布置在基座单元上。螺纹杆和螺纹套筒可直接相互作用；然后，螺纹杆的螺纹接合在螺纹套筒的螺纹中。然而，还可以考虑的是，为了使螺纹杆和螺纹套筒之间的摩擦最小化，在螺纹杆和螺纹套筒之间设置滚动体。旋转工具可以是手动操作的旋转工具或机器操作的旋转工具。设置机器操作的旋转工具的优点在于能够以自动化方式操作旋转元件。

有利的是，致动元件设置在旋转元件的远离头部的一侧，以便在轴向方向上旋转地解除联接。旋转地解除联接能够以例如这样的方式来实施：致动元件穿过并底切旋转元件的联接部分。

在另一个有利的实施例中，所述头部具有用于旋转工具的接合表面，所述基座单元上设置有固定元件，所述固定元件与所述接合表面相互作用，以固定旋转元件，防止所述旋转元件旋转。所述固定元件被设计为：当所述旋转工具放置在所述头部上或所述旋转工具旋转时，所述固定元件从固定位置脱离接合到释放位置。所述固定元件例如可以是固定楔，所述固定楔在轴向方向上被弹簧加载，并抵靠在所述头部的平坦部分，从而防止所述旋转元件旋转。在安装所示旋转工具时，所述固定楔能够在轴向方向上从所述固定位置向后移动到所述释放位置，因此，旋转元件能够旋转。

此外，两个杠杆臂优选地布置成一个在另一个之上和/或至少部分地彼此邻接。这样的布置可以节省空间。

同样有利的是，所述锁定元件被设计为以引导方式安装在所述基座单元中的滑动元件。特别地，所述滑动元件被安装成以如下的方式被引导：所述滑动元件只能在旋转方向上运动。以此方式，可以指定所述滑动元件的明确的运动方向。

特别地，所述滑动元件可以在面向相应的接受器的一侧设置楔形部分。特别地，所述接受器可以设计为互补的楔形接受器。

同样有利的是，所述接受器被设计为至少部分弹性屈服，和/或布置在所述更换单元上以至少部分弹性屈服。因此，当到达所述锁定位置时，所述接受器能够以弹性屈服的方式偏转，由此，所述锁定元件在所述锁定位置中在预加载的情况下抵接于所述接受器。设置这种预加载的优点是：可以补偿特别是由制造公差引起的间隙。有利的是，所述弹簧元件以弹簧预加载的方式作用于抵靠在所述更换单元上的接受器上。特别地，弹簧元件可以采用螺旋弹簧或碟形弹簧。

同样可以证明有利的是，在所述解锁位置，相应的接头销和枢轴销之间的连接轴线与轴向方向形成的角度α在30°至60°之间的范围内，优选在40°至50°之间的范围内，和/或如果在所述锁定位置，相应的接头销和枢轴销之间的连接轴线与轴向方向形成的角度α的范围在超过90°至低于94°之间的范围内。这确保了通过所述杠杆臂能够提供高水平的力传递，特别是在所述锁定位置；因此，锁定伴随着总体上相对高水平的力而发生。

同样有利的是，设置可替换的轴向止动件用于在轴向方向上调整所述致动元件的端部位置。在调整所述端部位置时，最终也可以在锁定位置调整角度α。

根据本发明进一步的实施例，可以设想的是，通过定位凹槽或定位杆，能够将更换单元精确地定位在更换站上，所述更换站设置在所述更换单元上。这样可以确保更换单元——特别是当所述更换单元从所述基座单元被拆卸时——能够安装在更换站处。

上述问题还通过包括根据本发明的工具更换器的更换系统得以解决，所述更换系统还包括更换站，其中，所述更换站具有用于旋转所述旋转元件的旋转工具，并且其中，所述更换站具有定位杆或定位凹槽，所述更换单元能够通过定位杆或定位凹槽而定位在所述更换站。因此，通过这种更换系统可以实现所述工具更换器的全自动启动。

本发明的进一步细节和有利实施例可在以下描述中找到，在此基础上将更详细地描述和解释本发明的一个实施例。

附图说明

附图中：

图1示出了包括工具更换器和更换站的更换系统。

图2示出了图1中的工具更换器。

图3示出了图2中的更换单元锁定的更换系统。

图4示出了当将工具更换器移动到更换站时的图1中的更换系统的一部分。

图5示出了图4中工具更换器布置在更换站的视图。

图6是穿过图3中的更换系统的纵截面。

图7是穿过图8中的更换系统的横截面。

图8是在锁定位置与图7相对应的截面图。

图9是去掉壳体的基座单元的平面图的局部。

图10示出了在解锁位置的具有相关的移动机构的基座单元的锁定元件。

图11是在锁定位置相对应于图10的视图。

具体实施方式

附图中示出了工具更换器10，工具更换器10包括基座单元12和更换单元14。图中，特别是在图1-5中，还示出了更换站16，工具更换器10可以对接在更换站16处，以便从基座单元12释放更换单元14。工具更换器10和更换站一起形成了更换系统18。

基座单元12可以布置在机器人臂的自由端。使用图中未示出的机器人臂，基座单元12可以在空间中自由移动，并且，尤其还能够朝向更换站16移动。在操作期间，特别是工具或处理系统，例如夹持装置，布置在更换单元14上以便处理或操纵部件。更换单元14可以从基座单元12拆卸以便更换工具或处理单元。为此目的，如图2所示，工具更换器10，即基座单元12连同更换单元14，被移动到更换站16。为了实现工具更换器10在更换站16的精确定位对接，更换站16上设有三个定位杆20，如图6所示，定位杆20能够进入设置在更换单元14上的定位凹槽22。

如图1-5所示，旋转元件24设置在基座单元12上，旋转元件24被安装为可以绕其纵向轴线25旋转。图4-5用虚线示出了基座单元12的壳体，仅为使基座单元12内的部件可视化。

特别是，从图6中的截面可以看出，旋转元件24包括头部26和螺纹杆28。头部26在两个相对侧上具有以平坦部分30形式的接合表面，用于可旋转可驱动的旋转工具32。特别是从图1-5可以看出，旋转工具32具有叉状设计并且布置在更换站16上，以便使旋转工具32可旋转可驱动。旋转工具32具有平行于平坦部分30而形成的接合表面34。从图2和图5中可以看出，当工具更换器10接合在更换站16处时，旋转工具32的接合表面34抵靠在头部26的平坦部分30。

特别是，从图4和图5中可以看出，固定元件36也设置在基座单元12上，固定元件与其中一个平坦部分30相互作用，从而固定旋转元件24以防止旋转。固定元件36通过弹簧元件38在轴向方向上，即在纵向轴线25的方向上朝向更换站16而被预加载。因此，当工具更换器10未在更换站16处接合时，旋转元件24不可能旋转。如果工具更换器10位于更换站16，如图5所示，旋转工具32以这样的方式与固定元件36相互作用：即，使得当旋转工具32旋转时，其从图4中所示的固定元件36的固定位置脱离，进入图5中所示的释放位置。为了安全脱离弹簧元件38的预加载的力，固定元件36和旋转工具32的每个相互面对的侧皆是楔形的。

特别是，从图6的横截面可以看出，旋转元件24的螺纹杆28可旋转地安装在螺纹套筒40中。为了实现旋转元件24在螺纹套筒40中的尽可能平滑地旋转，在螺纹杆28和螺纹套筒40之间设置滚动体。然而，也可以设想螺纹杆28直接作用在螺纹套筒40上。通过设置螺纹套筒40，当旋转元件24绕其纵向轴线25旋转时，旋转元件24可以改变其在轴向方向上的位置，即在沿纵向轴线25的方向上的位置。轴向方向如双箭头41所示。

从图4-8还可以看出，旋转元件24在轴向方向41上运动联接到旋转固定且轴向可移动的致动元件42。致动元件42在旋转元件24远离头部26的一侧邻接旋转元件24，以便在轴向方向41上旋转解除联接。为了将旋转解除联接和同时进行轴向运动相耦合，如图6所示，旋转元件24具有底切44，底切44接合在致动元件42的开口46的后面，开口46面向旋转元件24。这确保了旋转元件24的旋转能使致动元件在轴向方向41上运动，同时使致动元件42不围绕纵向轴线25旋转。

特别是，从图6中还可以看出，致动元件42具有孔48，孔48垂直于纵向轴线25延伸并且其中设置有枢转销50。因此，枢轴销50垂直于纵向轴线25或垂直于轴向方向41延伸。

从图6中还可以看出，枢轴销50不仅延伸穿过致动元件42的孔48，而且延伸穿过设置在相应杠杆臂54，56上的两个另外的孔52。特别是，从图9-11中可以看到两个杠杆臂54，56中的每一个都与各自的接头销58相互作用，接头销58又设置在各自的锁定元件60，62上。

图3、图6和图7中的更换单元上示出了用于将更换单元14锁定到基座单元12上的接受器80。这些接受器设计为设置在桥接部分82中的楔形槽84。锁定元件60，62与接受器80相互作用，锁定元件60、62设置在基座单元12上，并且每个锁定元件都具有楔形部分86，楔形部分86被设计为在其自由端处与楔形槽84互补。特别地，在图9和图10中看可以到具有楔形部分86的锁定元件60、62。

如图10所示，通过沿轴向移动致动元件42，两个锁定元件60、62可以从图10所示的解锁位置移动到图11所示的锁定位置。为此，锁定元件60、62沿着垂直轴线64移动，垂直轴线64在箭头68所指示的垂直方向上垂直于纵向轴线25而延伸。根据图10，如果致动元件42在沿轴向方向41的纵向轴线25的箭头66的方向上移动，由于杠杆臂54、56的机械作用，锁定元件60、62在垂直方向68上沿着垂直轴线64移动。

在图10所示的锁定元件60、62的解锁位置，在连接销58的中心和枢转销50的中心之间延伸的连接轴线70各自与纵向轴线25形成45°的角α。在图11所示的锁定位置，轴线70与纵向轴线25形成大约88°的角β。这意味着，从图10开始，锁定元件60、62首先用相对较小的力在箭头68的方向上相对较快地移动。当到达如图11所示的锁定位置时，锁定元件60、62的运动由于所设置的动力学而减慢，但锁定力相应地增加。角度β选择为小于90°。

为了确保角度β小于90°，图11中示出了可沿轴向方向41移动的轴向止动件72。如图9所示，轴向止动件72在这里设计为可以拧入基座单元12的壳体的螺纹销。

为了确保当致动元件42移动时，锁定元件60、62沿垂直轴线64移动，图9中所示的引导槽74设置在更换单元14的壳体中，其中，锁定元件60、62可滑动地布置在引导槽74中。

从图11开始，如果通过旋转元件24在另一个方向上的旋转，致动元件42向后移动，即向右移动，锁定元件60、62从图11所示的锁定位置沿垂直轴线64上与图10中的箭头68的方向相反的方向移动回到图10所示的解锁位置。

为了确保在锁定位置有足够的预紧力，桥接部分82与接受器80一起以部分弹性屈服的方式布置在更换单元14上。特别地，桥接部分82可以设置在更换单元14上，从而使得桥接部分82可以通过弹簧元件而被偏转。如图8所示，如果锁定元件60、62在锁定位置沿箭头68作用在接受器80上，则所述接受器偏转到图8中虚线所示的偏转位置82'。这样做的优点是可以可靠地补偿例如由于公差而产生的间隙。桥接部分82或接受器80的偏转大于总公差。

Claims (12)

1.一种用于机器人的工具更换器(10)，包括：基座单元(12)、更换单元(14)、可移动的锁定元件(60，62)以及接受器(80)，所述更换单元(14)能够锁定在所述基座单元(12)上，可移动的所述锁定元件(60，62)设置在所述基座单元(12)上，所述接受器(80)设置在所述更换单元(14)上，为了将所述更换单元(14)锁定在所述基座单元(12)上，所述锁定元件(60，62)在锁定位置与所述接受器(80)相互作用，并在解锁位置释放所述接受器(80)，所述工具更换器还包括旋转元件(24)，所述旋转元件(24)设置在所述基座单元(12)上并且围绕其纵向轴线(25)可旋转地安装，所述锁定元件(60，62)运动联接到所述旋转元件(24)，从而使得所述锁定元件(60，62)在所述旋转元件(24)旋转时发生移动，其特征在于，所述旋转元件(24)与旋转固定且轴向可移动的致动元件(42)运动联接，从而使得当所述旋转元件(24)旋转时，所述致动元件(42)改变其在轴向方向(41)上的位置；所述致动元件(42)运动联接到垂直于所述致动元件(42)的纵向轴线(25)延伸的枢轴销(50)，或者所述致动元件(42)形成垂直于所述致动元件(42)的纵向轴线(25)延伸的枢轴销(50)；每个所述锁定元件(60，62)上设置有接头销(58)；并且，所述枢轴销(50)和每个所述接头销(58)之间至少设置有一个杠杆臂(54，56)，从而使得当所述枢轴销(50)沿所述轴向方向(41)运动时，所述接头销(58)以及所述锁定元件(60，62)沿垂直于所述轴向方向(41)延伸的垂直方向(68)发生移动。

2.根据权利要求1所述的工具更换器(10)，其特征在于，所述旋转元件(24)包括头部(26)和螺纹杆(28)，所述头部(26)能够通过旋转工具(32)而旋转，并且，所述螺纹杆(28)可旋转地安装在螺纹套筒(40)中，所述螺纹套筒(40)以旋转固定的方式布置在所述基座单元(12)上。

3.根据权利要求2所述的工具更换器(10)，其特征在于，所述致动元件(42)在所述旋转元件(24)的远离所述头部(26)的一侧接合于所述旋转元件(24)，以便在所述轴向方向(41)上旋转地解除联接。

4.根据权利要求2或3所述的工具更换器(10)，其特征在于，所述头部(26)具有用于所述旋转工具(32)的接合表面(30)，所述基座单元(12)上设置有固定元件(36)，所述固定元件(36)与所述接合表面(30)相互作用，从而防止所述旋转元件(24)发生旋转；所述固定元件(36)被设计为使得：当所述旋转工具(32)放置在所述头部(26)或所述旋转工具(32)旋转时，所述固定元件(36)从固定位置脱离并到达释放位置。

5.根据权利要求1或2所述的工具更换器(10)，其特征在于，两个所述杠杆臂(54，56)布置成一个在另一个之上和/或至少部分地彼此邻接。

6.根据权利要求1或2所述的工具更换器(10)，其特征在于，所述锁定元件(60，62)被设计为滑动元件而被安装，从而在所述基座单元(12)中的槽(74)中被引导。

7.根据权利要求6所述的工具更换器(10)，其特征在于，所述滑动元件在面向相应的接受器(80)的一侧具有楔形部分(86)，并且，所述接受器被设计为楔形接受器(84)。

8.根据权利要求1或2所述的工具更换器(10)，其特征在于，所述接受器(80)被设计为至少部分弹性屈服，和/或布置在所述更换单元(14)上以至少部分弹性屈服。

9.根据权利要求1或2所述的工具更换器(10)，其特征在于，在所述解锁位置，相应的所述接头销(58)和所述枢轴销(50)之间的连接轴线(70)与所述轴向方向(41)形成的角度α在30°至60°之间的范围内，和/或，在所述锁定位置，相应的所述接头销(58)和所述枢轴销(50)之间的连接轴线(70)与所述轴向方向(41)形成的角度α在超过90°至低于94°之间的范围内。

10.根据权利要求1或2所述的工具更换器(10)，其特征在于，设置可替换的轴向止动件(72)用于在所述轴向方向(41)上调整所述致动元件(42)的端部位置。

11.根据权利要求1或2所述的工具更换器(10)，其特征在于，通过定位凹槽(22)或定位杆(20)，能够将所述更换单元(14)定位在更换站(16)处，所述定位凹槽(22)或定位杆(20)设置在所述更换单元上。

12.一种更换系统(18)，包括根据前述权利要求的任一项所述的工具更换器(10)，还包括更换站(16)，其中，所述更换站(16)具有用于旋转所述旋转元件(24)的旋转工具(32)，并且其中，所述更换站(16)具有定位杆(28)或定位凹槽(22)，所述更换单元(14)能够通过所述定位杆(28)或所述定位凹槽(22)而定位在所述更换站(16)。

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