DE102007016300A1

DE102007016300A1 - Elektrisch betätigter Werkzeugwechsler für Roboter

Info

Publication number: DE102007016300A1
Application number: DE102007016300A
Authority: DE
Inventors: Daniel Allen Norton; Michael Joseph Hill; Michael L. Gloden
Original assignee: ATI Industrial Automation Inc
Current assignee: ATI Industrial Automation Inc
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2007-10-31
Also published as: US8132816B2; US20070228670A1

Abstract

Ein Werkzeugwechsler für Roboter umfasst erste und zweite Einheiten, die funktionsfähig sind, um separat an einem Roboter und einem Roboterwerkzeug angebracht zu werden, und die weiter funktionsfähig sind, um selektiv zusammengekoppelt und entkoppelt zu werden. Die ersten und zweiten Einheiten werden durch einen Elektromotor gekoppelt und entkoppelt. Die Kraftdes Elektromotors kann aufgebracht werden, um die ersten und zweiten Einheiten in einer Vielzahl von Varianten zu koppeln und zu entkoppeln.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Robotik und insbesondere einen elektrisch betätigten Werkzeugkoppler für Roboter.
Industrieroboter sind ein unentbehrlicher Teil der modernen Produktion geworden. Ob es das Transportieren von Halbleiterwafern von einer Prozesskammer zu einer anderen in einem Reinraum oder das Schneiden und Schweißen von Stahl auf dem Boden einer Fahrzeugfabrik ist, Roboter führen viele Herstellungsaufgaben unermüdlich durch, unter rauen Umgebungsbedingungen und mit hoher Genauigkeit und Konstanz.
In vielen Herstellungsanwendungen für Roboter werden die beträchtlichen Kosten eines Industrieroboters durch eine Vielzahl von Aufgaben amortisiert, indem verschiedene Werkzeuge oder Greiforgane zur Verfügung gestellt werden, die an einen allgemein verwendbaren Roboterarm gekoppelt werden können. Zum Beispiel kann ein Roboter in einer Herstellungsanwendung für Fahrzeuge verwendet werden, um Metallteile während eines Produktionslaufes zu schneiden, zu schleifen oder auf andere Weise zu formen, und eine Vielzahl von Punktschweißaufgaben in einem anderen auszuführen. Verschiedene Schweißwerkzeuggeometrien können vorteilhaft an einen speziellen Roboter gefügt sein, um die Schweißaufgaben an verschiedenen Orten oder in verschiedenen Richtungen durchzuführen. In diesen Anwendungen wird ein Werkzeugwechsler verwendet, um verschiedene Werkzeuge an den Roboter anzufügen.
Eine Hälfte des Werkzeugwechslers, genannt das Hauptmodul, ist permanent am Roboterarm befestigt. Die andere Hälfte, genannt das Werkzeugmodul, ist an jedem Werkzeug befestigt, das der Roboter verwenden kann. Betriebsmittel wie elektrischer Strom, Druckluft, ein hydraulisches Fluid, Kühlwasser und dergleichen werden durch Kabel und Rohrleitungen den Roboterarm herunter zugeführt, der an dem Hauptmodul endet. Gleichartige Kabel und Rohrleitungen transportieren die Betriebsmittel von dem Werkzeugmodul zu dem speziellen Werkzeug. Wenn die Werkzeugwechslerhälften zusammengefügt sind, werden die Betriebsmittel über den Wechsler transportiert und an dem Werkzeug zugänglich gemacht. Ein Werkzeugwechsler stellt somit eine mechanische Standardschnittstelle zur physikalischen Kopplung einer Vielzahl von Werkzeugen an einen Roboterarm sowie zur Gewährleistung der Übertragung der Betriebsmittel zur Verfügung. Belange des Nutzens und der Sicherheit diktieren, dass die physikalische Kopplung zwischen den Haupt- und Werkzeugmodulen eines Werkzeugwechslers eines Roboters robust und sicher sein müssen, sogar angesichts eines Stromausfalls oder des Ausfalls eines Betriebsmittels wie zum Beispiel der Druckluft.
Die Verwendung von Walzenelementen, durch einen Kolben gegen eine gebogene Oberfläche gedrängt, um die Haupt- und Werkzeugmodule miteinander zu verriegeln, ist im Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel offenbart das US Patent Nr. 4,696,524 (hierin durch Bezugnahme aufgenommen) mehrere Kugelelemente, die in dem Hauptmodul enthalten sind und umfänglich um eine Mittelachse herum angeordnet sind. Entlang dieser Achse, von dem Hauptmodul her sich erstreckend, ist ein Kolbenelement vorhanden, das eine gebogene Oberfläche aufweist, die wirkt, um die Kugelelemente zu kontaktieren und sie nach außen zu drücken, wenn der Kolben axial aufsteigt. Die Kugelelemente kontaktieren eine Oberfläche in dem Werkzeugmodul, die in solch einem Winkel angeordnet ist, dass eine auf den Kugelelementen durch den Kolben hervorgerufene Auswärtskraft eine "Aufwärts" Kraftkomponente erzeugt, die die winklige Oberfläche und somit das gesamte Werkzeugmodul gegen das Hauptmodul presst.
Das US Patent Nr. 5,211,501 (hierin durch Bezugnahme aufgenommen) offenbart eine ähnliche Kolben- und Kugelanordnung, mit einer verbesserten Kolben/Kugelelemente-Kontaktoberfläche. Dieses Patent offenbart eine facettenreiche Kontaktoberfläche, die eine abgeschrägte Anfangsoberfläche aufweist zur ersten Kontaktierung der Kugelelemente, und um sie nach außen und in Kontakt mit einer winkligen Oberfläche des Werkzeugmoduls zu bewegen. Eine flache – d.h. parallel zu der Kolbenachse – betriebssichere Oberfläche ist der abgeschrägten Anfangsoberfläche benachbart. Eine abgeschrägte Verriegelungsoberfläche, in einem geringeren Winkel bezüglich der Achse als der der anfänglichen Betätigungsoberfläche, ist der betriebssicheren Oberfläche benachbart.
Für die folgende Diskussion wird angenommen, dass das Hauptmodul über dem Werkzeugmodul ausgerichtet ist, wobei die Schnittstellenebene zwischen den beiden horizontal ausgerichtet ist. Wenn sich das Kolbenelement axial (abwärts) in das Werkzeugmodul vorbewegt, kontaktiert die Anfangskontaktoberfläche die Kugelelemente und bewegt sie radial nach außen (horizontal) in das Werkzeugmodul. Entsprechend dem Ausmaß der axialen Bewegung des Kolbens presst die letzte abgeschrägte Oberfläche jedes Kugelelement nach außen gegen eine geneigte Oberfläche in dem Werkzeugmodul. Diese geneigte Oberfläche ist nach innen abgeschrägt in Richtung der Kolbenachse, wenn sie sich dem Hauptmodul nähert. Jedes Kugelelement, das durch die abgeschrägte Verriegelungsoberfläche des Kolbenelements nach außen gedrückt wird, presst gegen die geneigte Oberfläche des Werkzeugmoduls mit einer resultierenden Kraft, die in horizontale (Auswärts-) und vertikale (Aufwärts-)Komponenten zerlegt werden kann. Die vertikale Komponente der Kraft presst das Werkzeugmodul nach oben und verriegelt das Werkzeugmodul an dem Hauptmodul.
Die Kugelelemente pressen innen gegen den Kolben mit gleicher und entgegengesetzter Kraft. Da die abgeschrägte Verriegelungsoberfläche bezüglich der Kolbenachse geneigt ist, ist die Kraft, die durch jedes Kugelelement ausgeübt wird, eine resultierende Kraft, die auch in horizontale (Auswärts-) und vertikale (Aufwärts-)Komponenten zerlegt werden kann. Im Falle eines Abfalls der Kraft, die den Kolben betätigt, drückt die vertikale Komponente der Kraft, die durch die Kugelelemente ausgeübt wird, den Kolben aufwärts. Wenn sich der Kolben aufwärts bewegt, können sich die Kugeln innen frei bewegen, wobei sie mit weniger Kraft auf die geneigte Oberfläche des Werkzeugmoduls pressen und dazu neigen, das Haupt- und das Werkzeugmodul zu entkoppeln. Zur Sicherheit ist eine betriebssichere Oberfläche zwischen der Anfangskontaktoberfläche des Kolbens und der abgeschrägten Verriegelungsoberfläche, die beide abgeschrägt sind, angeordnet. Die zylindrische betriebssichere Oberfläche ist vertikal – d.h. parallel zu der Kolbenachse. Während eines Kraftabfalls kann die Kraft, die durch die Kugelelemente ausgeübt wird, den Kolben leicht aufwärts bewegen bis die Kugelelemente die betriebssichere Oberfläche kontaktieren. Da die betriebssichere Oberfläche vertikal ist, ist die resultierende Kraft, die durch die Kugelelemente ausgeübt wird, normal d.h. horizontal und umfasst keine vertikale Komponente. Dies verhindert, dass die Kraft der Kugeln auf den Kolben den Kolben weiter in das Hauptmodul zurückholt und die Module weiter entkoppelt ohne eine ausdrückliche Betätigung des Kolbens in diese Richtung. Dementsprechend bleibt das Werkzeugmodul mit dem Hauptmodul gekoppelt, wenn die Kolbenbetätigungskraft verloren gegangen ist.
Die anhängige Patentanmeldung Nr. 10/157,581 (hierin durch Bezugnahme aufgenommen) offenbart eine ähnliche Kolben- und Kugelelementanordnung mit einer Kontaktoberfläche eines Kolbenelementes, die eine abgeschrägte Verschlussoberfläche in einem Winkel bezüglich der Achse aufweist, der größer als der der Anfangsbetätigungsoberfläche ist.
Die anhängige Patentanmeldung Nr. 11/374,706 (hierin durch Bezugnahme aufgenommen) und offenbart eine ähnliche Kolben- und Kugelelementanordnung mit einer Kolbenelement-Kontaktoberfläche, die eine betriebssichere Oberfläche aufweist, die eine Lippe oder einen Vorsprung umfasst, die aktiv der Rückzugsbewegung des Kolbens entgegentritt. Wenn das Haupt- und das Werkzeugmodul zusammengekoppelt sind, – das heißt wenn die Kugelelemente vollständig durch die abgeschrägte Verschlussoberfläche ausgefahren sind und gegen die geneigte Oberfläche des Werkzeugmoduls pressen – befindet sich der Vorsprung auf der betriebssicheren Oberfläche hinter (unter) den Kugelelementen. Im Falle des Verlustes der Kolbenbetätigungskraft neigt die Kraft, die durch die Kugelelemente auf die abgeschrägte Verschlussoberfläche ausgeübt wird, dazu, wie oben beschrieben, das Haupt- und das Werkzeugmodul zu entkoppeln. Diese Tendenz wird durch die betriebssichere Oberfläche neutralisiert, die parallel zur Kolbenachse ist, wodurch keine Kraftkomponente in axialer Richtung unterstützt wird. Der Vorsprung stellt eine zusätzliche Sicherung bereit, dass der Kolben nicht in das Hauptmodul zurückfahren kann. Das Bewegen des Vorsprungs hinter die Kugelelemente erfordert eine bestimmte Rückzugskraft auf den Kolben, da die Kugeln momentan noch weiter gegen die geneigte Oberfläche des Werkzeugmoduls gepresst werden müssen, damit der Vorsprung passieren kann.
Der Vorsprung kann eine erhöhte Oberfläche oder die Lippe einer Senke in der betriebssicheren Oberfläche aufweisen, in die sich die Kugelelemente schmiegen.
In allen obigen Beispielen wird der Kolben durch Druckluft betätigt. Druckluft ist eine einfache, zuverlässige und kostengünstige Kraftquelle für Betätigungsmechanismen wie Werkzeugkoppler für Roboter. Jedoch in vielen eingesetzten Anwendungen, wie zum Beispiel auf einem Fabrikboden, ist ein System zur Erzeugung und Verteilung von komprimierter Luft zu verschiedenen Roboterarmen teuer, schwerfällig, anfällig für Fehler und kostspielig in der Erhaltung. Daher wäre ein Werkzeugkopplersystem für Roboter, das nicht von einer Quelle zugeführter Druckluft für den Betrieb abhängt, vorteilhaft.
Zusammenfassung
Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen, die hierin offenbart und beansprucht sind, umfasst ein Werkzeugwechsler für Roboter erste und zweite Einheiten, die funktionsfähig sind, um separat an einem Roboter und einem Roboterwerkzeug angebracht zu werden, und weiter funktionsfähig sind, um selektiv aneinander gekoppelt und entkoppelt zu werden. Die ersten und zweiten Einheiten werden durch einen Elektromotor gekoppelt und entkoppelt. Die Kraft des Elektromotors kann verwendet werden, um die ersten und zweiten Einheiten auf verschiedene Arten zu koppeln und zu entkoppeln.
Ein Ausführungsbeispiel betrifft einen Werkzeugwechsler für Roboter. Der Werkzeugwechsler umfasst eine erste Einheit, die funktionsfähig ist, um entweder an einem Roboter oder einem Roboterwerkzeug angebracht zu werden, und eine zweite Einheit, die funktionsfähig ist, um an dem jeweils anderen, dem Roboter oder dem Roboterwerkzeug, angebracht zu werden, und weiter funktionsfähig ist, um selektiv an die erste Einheit gekoppelt oder von ihr entkoppelt zu werden. Der Werkzeugwechsler umfasst auch einen Koppelmechanismus, der in der ersten Einheit angeordnet ist und funktionsfähig ist, um selektiv die ersten und zweiten Einheiten in einer gekoppelten Position zu koppeln, und das Entkoppeln der ersten und zweiten Einheiten in einer entkoppelten Position zu gestatten. Der Werkzeugwechsler umfasst weiter einen Elektromotor, der funktionsfähig ist, um den Koppelmechanismus zwischen den gekoppelten und entkoppelten Positionen anzutreiben.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft einen Werkzeugwechsler für Roboter. Der Werkzeugwechsler umfasst eine Werkzeugeinheit, die funktionsfähig ist, um an einem Roboterwerkzeug angebracht zu werden, und die eine im wesentlichen kreisförmige Kammer umfasst, und eine Haupteinheit, die funktionsfähig ist, um an einem Roboter angebracht zu werden und um selektiv mit der Werkzeugeinheit gekoppelt und von ihr entkoppelt zu werden. Der Werkzeugwechsler umfasst auch einen kreisförmigen Bund auf der Haupteinheit, der mehrere dort hindurch ausgebildete Löcher aufweist, und mehrere Kugelelemente, die in den Löchern angeordnet sind. Der Werkzeugwechsler umfasst weiter einen Kolben, der mindestens eine abgeschrägte Oberfläche aufweist, die in der Haupteinheit angeordnet ist, wobei der Kolben funktionsfähig ist, um die Kugelelemente von dem Bund radial nach außen zu drängen, wenn sich der Kolben von einer zurückgezogenen entkoppelten Position zu einer ausgefahrenen gekoppelten Position bewegt. Der Werkzeugwechsler umfasst weiter einen Elektromotor und einen Koppelmechanismus, der funktionsfähig ist, um selektiv den Kolben zwischen entkoppelten und gekoppelten Positionen in Reaktion auf den Elektromotor zu bewegen. Die Werkzeugeinheitskammer umfasst eine geneigte Oberfläche gegenüber jedem Bundloch, wenn die Haupt- und Werkzeugeinheiten aneinander anliegen, wobei die geneigte Oberfläche funktionsfähig ist, um eine Komponente der Kraft, die auf sie durch die Kugelelemente aufgebracht wird, in Richtung der Haupteinheit auszurichten.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zum selektiven Koppeln zweier Werkzeugkopplereinheiten für Roboter. Die zwei Einheiten liegen aneinander an und ein Elektromotor wird betätigt, um die zwei Einheiten zusammen zu koppeln.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft einen Werkzeugwechsler für Roboter. Der Werkzeugwechsler umfasst eine Werkzeugeinheit, die funktionsfähig ist, um an einem Roboterwerkzeug angebracht zu werden und die eine im wesentlichen kreisförmige Kammer umfasst, und eine Haupteinheit, die funktionsfähig ist, um an einem Roboter angebracht zu werden und selektiv an die Werkzeugeinheit gekoppelt und von ihr entkoppelt zu werden. Der Werkzeugwechsler umfasst auch eine Verriegelungswelle, die mit der Haupteinheit verbunden ist und von dieser absteht. Die Verriegelungswelle weist mehrere Gewindeabsatzflügel auf, die radial um die Welle herum angeordnet sind, wobei jeder Gewindeabsatzflügel mehrere Gewindeabsätze umfasst, die in axialer Ausrichtung auf der Verriegelungswelle angeordnet sind. Der Werkzeugwechsler umfasst weiter einen Elektromotor, der auf der Haupteinheit angeordnet ist und funktionsfähig ist, um selektiv die Verriegelungswelle zu rotieren. Die Werkzeugeinheitskammer umfasst mehrere Gewindefachsätze die radial um deren innere kreisförmige Oberfläche angeordnet sind. Jeder Gewindefachsatz umfasst mehrere Gewindefächer, die in axialer Ausrichtung angeordnet sind. Wenn die Haupt- und Werkzeugeinheiten aneinander anliegen, erstreckt sich die Verriegelungswelle in der Werkzeugeinheit, wobei sich die Gewindeabsatzflügel in Räumen zwischen den Gewindefachsätzen in einer entkoppelten Position befinden. Wenn der Elektromotor die Verriegelungswelle in eine gekoppelte Position dreht, kommen die Gewindeabsätze in Eingriff mit den entsprechenden Gewindefächern und verriegeln sie, wobei die Haupt- und Werkzeugeinheiten miteinander gekoppelt werden.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft einen Werkzeugwechsler für einen Roboter. Der Werkzeugwechsler umfasst eine erste Einheit, die funktionsfähig ist, um entweder an einem Roboter oder an einem Werkzeug für einen Roboter angebracht zu werden, und eine zweite Einheit, die funktionsfähig ist, um entsprechend an dem anderen, dem Roboter oder den Roboterwerkzeug, angebracht zu werden, und weiter funktionsfähig, um selektiv an die erste Einheit gekoppelt und von ihr entkoppelt zu werden. Der Werkzeugwechsler umfasst auch einen Elektromotor und Mittel zum selektiven Koppeln der ersten und zweiten Einheiten in einer gekoppelten Position und gestattet den ersten und zweiten Einheiten unter der Leistung des Elektromotors in einer entkoppelten Position entkoppelt zu werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Wiedergabe eines Werkzeugwechslers für einen Roboter, an dem ein Elektrosignal-Anschlussmodul ist.
2 ist eine perspektivische Wiedergabe eines Motors, eines Antriebsstranges und einer Schneckenantriebsanordnung von ausgesuchten Komponenten eines Hauptmoduls eines Werkzeugwechslers für einen Roboter.
3 ist eine Teilschnittdarstellung des Antriebsstranges des Schneckenantriebs eines Hauptmoduls eines Werkzeugwechslers für einen Roboter.
4 ist eine perspektivische Wiedergabe eines Motors, eines Antriebsstranges und einer Scherenantriebsanordnung von ausgewählten Komponenten eines Hauptmoduls eines Werkzeugwechslers für einen Roboter.
5 ist eine Teilschnittdarstellung einer mit entgegengesetzt-gängigem Gewinde versehenen Welle und einem Zapfenmutterantriebsstrang eines Hauptmoduls eines Werkzeugwechslers für einen Roboter.
6 ist eine perspektivische Wiedergabe ausgewählter Komponenten des Zapfenmutterantriebsstranges der 5.
7 ist eine perspektivische Wiedergabe eines Werkzeugwechslers für einen Roboter mit angebrachten Elektrosignal- und pneumatischen Anschlussmodulen.
8 ist eine perspektivische Wiedergabe eines Werkzeugwechslers für einen Roboter mit einem durchscheinenden Gehäuse, wobei eine Motorkupplung und ein Schneckenantriebsstrang dargestellt werden.
9 ist eine Teilschnittdarstellung eines Werkzeugwechslers für einen Roboter mit einer elektrisch betätigten Verriegelungswelle.
10 ist eine Ansicht von oben eines Werkzeugwechslers für einen Roboter in einer zusammengefügten jedoch nicht gekoppelten Position.
11 ist eine perspektivische Wiedergabe eines Werkzeugwechslers für einen Roboter mit einem angebrachten pneumatischen Anschlussmodul.
12 ist eine perspektivische Explosionswiedergabe ausgewählter Komponenten eines Hauptmoduls eines Werkzeugwechslers für einen Roboter.
13 ist eine perspektivische Wiedergabe ausgewählter Komponenten eines Hauptmoduls eines Werkzeugwechslers für einen Roboter.
14 ist eine Schnittdarstellung ausgewählter Abschnitte des Werkzeugwechslers für einen Roboter aus 11 in einer gekoppelten Position.
15 ist eine perspektivische Wiedergabe eines Hauptmoduls eines Werkzeugwechslers für einen Roboter.
Detaillierte Beschreibung
Gemäß den verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird die Kopplung der Haupt- und Werkzeugmodule eines Werkzeugwechslers für einen Roboter vom Kolben/Kugelelement-Typ durch die elektrische Betätigung des Kolbens erzielt, um die Kugelelemente zu verschieben. Das heißt, dass der Kolben axial durch einen Elektromotor angetrieben wird.
1 stellt einen Werkzeugwechsler für einen Roboter dar, der im allgemeinen durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung (auch in den 2 und 3 dargestellt). Der Werkzeugwechsler 10 für einen Roboter umfasst ein Hauptmodul 12, das ausgebildet ist, um mit einem Roboterarm (nicht gezeigt) verbunden zu werden, und ein Werkzeugmodul 14, das ausgebildet ist, um mit einem Roboterwerkzeug (nicht gezeigt) verbunden zu werden. Der Werkzeugwechsler 10 für einen Roboter gestattet Anwendern durch selektives Koppeln und Entkoppeln des Hauptmoduls 12 und des Werkzeugmoduls 14 verschiedene Werkzeuge selektiv an einem Roboterarm anzubringen.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind Führungsstifte 16 auf dem Hauptmodul 12 in Führungsöffnungen 18 eingeführt, die in dem Werkzeugmodul 14 ausgebildet sind, um das Erreichen einer korrekten Ausrichtung zwischen dem Hauptmodul 12 und dem Werkzeugmodul 14 während des Kopplungsprozesses zu unterstützen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Werkzeugwechsler 10 den Übergang verschiedener Betriebsmittel, wie zum Beispiel Elektronenergie, Druckluft, Fluide, Datensignale und dergleichen zwischen einem Roboterarm und einem Roboterwerkzeug vorsehen. Zum Beispiel stellt 1 ein Werkzeug-Elektrosignalmodul 24 dar, das an dem Werkzeugmodul 14 befestigt ist. Ein Haupt-Elektrosignalmodul 24 umfasst elektrische Steckkontakte 25, die intern mit einem oder mehreren Verbindern 26 verbunden sind. Ein Haupt-Elektrosignalmodul 27 ist an dem Hauptmodul 12 befestigt. Das Haupt-Elektrosignalmodul 27 umfasst elektrische Buchsenkontakte 33, die ausgebildet und angeordnet sind, um mit den elektrischen Steckkontakten 25 zusammengefügt zu werden, wenn die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 zusammengekoppelt werden. Die elektrischen Buchsenkontakte 33 sind intern mit einem oder mehreren Verbindern (nicht gezeigt) verbunden. Die elektrischen Signale können zum Beispiel von einer Verbindung des Roboterarms (nicht gezeigt) über elektrische Buchsenkontakte 33 zu elektrischen Steckkontakten 25 strömen, wenn die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 zusammengekoppelt sind, und dann vom Verbinder 26 zu einem angebrachten Werkzeug. Signale in die entgegengesetzte Richtung können einem umgekehrten Pfad folgen.
Um die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 zusammenzukoppeln, wird ein Bund 20, der von der Oberfläche des Hauptmoduls 12 absteht, in eine zentrale Kammer 22 eingeführt, die in dem Werkzeugmodul 14 ausgebildet ist. Ein Kolben 32 wird dann betätigt, um sich entlang der Mittelachse des Bundes 20 von dem Hauptmodul 12 nach außen in Richtung des Werkzeugmoduls 14 zu bewegen. Wenn der Kolben 32 durch den zentralen Bereich des Bundes 20 tritt, kontaktieren dessen Betätigungsflächen mehrere Kugelelemente 28, wobei die Kugelelemente 28 durch Löcher 29, die in dem Bund 20 ausgebildet sind, nach außen gedrängt werden. Die Kugelelemente kontaktieren eine geneigte Oberfläche 30 in dem Werkzeugmodul 14, wobei das Werkzeugmodul 14 in eine Aufwärtsrichtung gedrängt wird, wobei es an dem Hauptmodul 12 wie oben beschrieben verriegelt wird.
Die Betätigungsoberflächen des Kolbens 32 sind deutlich in 3 dargestellt und umfassen eine Anfangsbetätigungsoberfläche 34, eine betriebssichere Oberfläche 36 und eine abgeschrägte Verriegelungsoberfläche 38. Wenn der Kolben 32 axial in dem Bund 20 in Richtung des Werkzeugmoduls 14 vorrückt, kontaktiert die Anfangsbetätigungsoberfläche 34, die bezüglich der Achse des Kolbens geneigt ist, anfänglich die Kugelelemente 28, wodurch sie radiale nach außen gedrängt werden, wenn der Kolben 32 axial vorrückt. Eine betriebssichere Oberfläche 36, die parallel zu der Achse des Kolbens 32 ist, verhindert, dass die Kraft, die durch die Kugelelemente 28 auf den Kolben 32 ausgeübt wird, den Kolben 32 in Richtung des Hauptmoduls 12 bewegt und somit die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 entkoppelt. Eine abgeschrägte Verriegelungsoberfläche 38 drängt die Kugelelemente 28 vollständig in einer radialen Richtung nach außen, wobei die maximale Kraft auf die geneigte Oberfläche 30 in dem Werkzeugmodul 14 ausgeübt wird und das Werkzeugmodul 14 mit dem Hauptmodul 12 verriegelt wird.
Wenn die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 entkoppelt sind und der Bund 20 aus der Kammer 22 entfernt worden ist, werden die Kugelelemente 28 in den Löchern 29 aufgrund des Außendurchmessers des Lochs 29 aufgenommen (das heißt, der Durchmesser des Lochs 29 an der Außenfläche des Bundes 20), der etwas kleiner als der Durchmesser der Kugelelemente 28 ist. Wie in 3 dargestellt ist, werden die Kugelelemente 28 auf der Innenseite des Bundes 20 durch den Kolben 32 gehalten.
In einigen Anwendungen ist es vorteilhaft, den Kolben 32 elektrisch zu betätigen. 2 stellt einen Elektromotor 40 und eine Anordnung von Zahnrädern dar, die wirken, um den Kolben 33 zu betätigen, um die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 zu koppeln und zu entkoppeln. 2 stellt nur den Bund 20 und die zugehörige Abdeckkappe 21 des Hauptmoduls 12 zusammen mit dem Motor 40 und dem Getriebe zur Klarheit dar.
Der Elektromotor 40 treibt selektiv eine Welle 42 an, die mit der Abtriebswelle des Motors 40 über einen Wellenkupplungsmechanismus 44 gekoppelt ist. An der Welle 42 ist ein Schneckengewinde 46 angebracht. Das Schneckengewinde 46 steht in Eingriff mit einem Schneckenrad 48, das die Drehbewegung der Welle 42 in eine Drehbewegung des Schneckenrades 48 um ungefähr 90° überträgt.
Wie in der Teilschnittansicht von 3 dargestellt ist, umfasst das Schneckenrad 48 einen ringförmigen Bund 50, der in dessen Innenoberfläche ausgebildete Gewindegänge 52 aufweist. Die Gewindegänge 52 stehen mit einem Schraubengewinde 54 einer Kolbenwelle 56 in Verbindung, die mit den Kolben 32 verbunden ist. Ringförmige Abstandshalter 49, 51 halten das Schneckenrad 48 in einer festen axialen Position bezüglich des Kolbens 32 (d.h. in einer festen vertikalen Position, wie in 3 dargestellt). Dementsprechend wird, wenn das Schneckenrad 48 durch das Schneckengewinde 46 auf der Welle 42 rotiert wird, die Kolbenwelle 56 in einer axialen (vertikalen) Richtung durch die Interaktion des Innengewindes 52 des Schneckenrades und des Außengewindes 54 der Welle betätigt.
Die Kolbenwelle 56 ist an dem Kolben 32 befestigt. Wenn der Kolben 32 axial durch den Bund 20 in Richtung des Werkzeugmoduls 14 vorrückt (abwärts, wie in 3 dargestellt), tritt die Anfangsbetätigungsoberfläche 34 mit den Kugelelementen 28 in Eingriff, wobei sie radial nach außen verschoben werden. Eine weitere Bewegung des Kolbens 32 bringt die abgeschrägte Verriegelungsoberfläche 38 in Kontakt mit den Kugelelementen 28, wodurch sie nach außen und in festen Kontakt mit der geneigten Oberfläche des Werkzeugmoduls 14 gedrückt werden, wodurch das Werkzeugmodul 14 mit dem Hauptmodul 12 verriegelt wird.
Um die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 zu entkoppeln, wird der Motor 40 in die entgegengesetzte Richtung angetrieben. In gleicher Weise dreht die Welle 42 das Schneckengewinde 46, wobei das Schneckenrad 48 um die Kolbenwelle 56 rotiert. Da die Position des Schneckenrades 48 in axialer Richtung fest ist, zieht die Interaktion des Innengewindes 52 des Schneckenrades und des Kolbenwellen-Innengewindes 54 die Kolbenwelle 52 und damit den Kolben 32 von dem Werkzeugmodul 14 weg und in den Bund 20 hinein. Dies gestattet es den Kugelelementen 28, sich von der geneigten Oberfläche 30 des Werkzeugmoduls 14 zu lösen, wobei sie sich in das Innere des Bundes 20 des Hauptmoduls 12 bewegen, und wobei es den Haupt- und Werkzeugmodulen 12, 14 gestattet wird, sich vollständig zu entkoppeln.
4 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel einer elektrisch betätigten Haupteinheit 12 eines Werkzeugwechslers 10 dar. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst eine Welle 62, die durch einen Elektromotor 60 angetrieben wird, ein Schraubengewinde 64, das entlang ihrer wesentlichen Länge ausgebildet ist. Auf die Welle 62 aufgeschraubt ist eine Mutter 66, die ein Innengewinde aufweist, das mit dem Schraubengewinde 64 zusammenpasst. Die Mutter 66 ist mit einer Scherenverbindung 68 verbunden, die obere und untere Abschnitte 69, 70 umfasst, die schwenkbar miteinander und der Mutter am Drehzapfen 71 verbunden sind. Der untere Abschnitt 70 der Scherenverbindung 68 ist schwenkbar mit einem Gehäuse 72 verbunden, welches wiederum mit dem Kolben 32 verbunden ist, der in dem Bund 20 der Haupteinheit 12 angeordnet ist (nur der Bund 20, die Bundabdeckkappe 21, der Motor 60 und das Getriebe des Hauptmoduls 12 sind zur Klarheit in 4 dargestellt).
Die Verbindung des unteren Abschnitts 70 der Scherenverbindung 68 mit der Mutter und dem Bügel 72 verhindert, dass sich die Mutter 66 dreht, wenn sich die Welle 62 dreht. Dementsprechend, wenn der Motor 60 die Welle 62 antreibt – wie zum Beispiel im Uhrzeigersinn in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel – treibt die Aktion des Gewindes 64 und des Innengewindes der Mutter 66 die Mutter 66 die Welle 62 herunter in Richtung des Motors 60 an. Dies bewegt den unteren Abschnitt 70 der Scherenverbindung 68 aus der in 4 dargestellten geneigten Position in eine vertikalere Position über dem Bügel 72. Da der Motor 60, und dementsprechend die Welle 62, fest angebracht sind, zwingt diese Bewegung des unteren Abschnitts 70 der Scherenverbindung 68 den Bügel 72 und damit den angebrachten Kolben 32 in eine axialer Richtung (abwärts, wie in 4 dargestellt). Diese axiale Bewegung des Kolbens 32 in Richtung des Werkzeugmoduls 14 verschiebt die Kugelelemente 28 (nicht dargestellt in 4) nach außen, um mit der geneigten Oberfläche 30 des Werkzeugmoduls 14 in Eingriff zu treten, wie zuvor beschrieben wurde.
Die Rotation der Welle 62 durch den Motor 60 gegen Uhrzeigersinn hat den entgegengesetzten Effekt. Das heißt, die Mutter 66 bewegt sich entlang der Welle 62 in einer Richtung weg von dem Motor 60, wodurch der untere Abschnitt 70 der Scherenverbindung 68 in eine geneigte Ausrichtung verschoben wird, wodurch der Bügel 72 und damit der angebrachte Kolben 32 in eine axiale Richtung (aufwärts, wie in 4 dargestellt) gezogen werden, wodurch der Druck von den Kugelelementen 28 abgelassen wird und die Haupt- und Werkzeugeinheiten 12, 14 entkoppelt werden. Der Motor kann an der Haupteinheit 12 auf vielerlei Weise, wie im Stand der Technik bekannt ist, angebracht werden.
Durch das axiale Verschieben des Kolbenbügels 72 durch Veränderung des relativen Winkels des unteren Abschnitts 70 der Scherenverbindung 68 kann das Ausführungsbeispiel der in 4 dargestellten Haupteinheit 12 positive und negative radiale Kräfte erzeugen, die entlang der Richtung der Welle 62 auf dem Bügel 72 und dementsprechend auf dem Kolben 32 ausgerichtet sind. Diese Kräfte können dazu neigen, ungleichmäßige Kräfte auf die Kugelelemente 38 auszuüben, die um den Kolben 32 herum aufgereiht sind. Die Seitenkräfte können zusätzlich den Verschleiß auf dem Kolben 38 und der Innenfläche des Bundes 20 in den radialen Positionen, die mit der Welle 62 ausgerichtet sind, unterstützen.
Die 5 und 6 stellen ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, das eine elektrisch angetriebene Welle und eine schwenkbare Verbindung verwendet, um den Kolben 32 in einer axialen Richtung zu betätigen. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Welle 80 durch einen Elektromotor (nicht gezeigt) angetrieben. Die Welle 80 umfasst entgegengesetzt ausgerichtete ACME Gewinde 82 und 84. Das heißt, wenn das Gewinde 82 rechtsgängig ist, ist das Gewinde 84 linksgängig und umgekehrt. Ein Nadellager 86, das zwischen den Schraubengewinden 82 und 84 angeordnet ist, sichert die Welle 80 gegenüber einem Wellenklemmbügel 88.
Zapfenmuttern 90, von denen jede ein Innengewinde aufweist, das zu den entsprechenden ACME Gewinden 82, 84 passt, sind auf entgegengesetzte Seiten der Welle 80 aufgeschraubt. Die Zapfenmuttern 90 sind von Zapfenaußenhülsen 92 umschlossen. Die Zapfenmuttern 90 sind in den Zapfenaußenhülsen 92 durch Gewindestifte (nicht gezeigt) gesichert, die in Gewindeöffnungen 93 (6) angeordnet sind. Die Zapfenaußenhülsen 92 weisen eine Innengeometrie auf, die mit der Außengeometrie der Zapfenmuttern 90 zusammenpasst, zum Beispiel achteckig. Dementsprechend verhindern die Zapfenaußenhülsen 92 die Rotation der Muttern 90, wenn sich die Welle 80 dreht. Demzufolge bewirkt die Interaktion zwischen den Schraubengewinden 82, 84 und den entsprechenden Innengewinden der Zapfenmuttern 90 eine seitliche Bewegung der Zapfenmuttern 90, – beide in Richtung der Mitte oder jede in Richtung der gegenüberliegenden Enden der Welle 80 – wenn sich die Welle 80 dreht. Die Zapfenaußenhülsen 92 sind an Schwenkverbindungen 94 an Drehpunkten 95 befestigt (6). Die Schwenkverbindungen 94 sind an ihren gegenüberliegenden Enden durch Drehpunkte 96 an einem Kolbenmontagebügel 98 befestigt, der an dem Kolben 32 befestigt ist.
Wenn sich die Welle 80 dreht, bewegen sich die Zapfenmuttern 90 und die Zapfenaußenhülsen 92 entlang den Schraubengewinden 82, 84 in Richtung entweder des Zentrums der Welle 80 oder in Richtung der gegenüberliegenden Enden der Welle 80 in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Welle 80. Diese Verschiebung bewegt den oberen Abschnitt jeder Schwenkverbindung 94, wodurch bewirkt wird, dass jede Schwenkverbindung 94 ihren Verschiebungswinkel bezüglich der Achse des Kolbens 32 ändert. Dadurch wird der Kolben 32 axial in Richtung des Werkzeugmoduls 14 bewegt (abwärts, wie in 5 dargestellt), wobei die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 zusammengekoppelt werden, wenn die Zapfenmuttern 90 in Richtung des Zentrums der Welle 80 durch die Rotation der Welle 80 bewegt werden. Dementsprechend, wenn sich die Welle 80 in die entgegengesetzte Richtung dreht, wobei die Zapfenmuttern 90 in Richtung der entgegengesetzten Enden der Welle 80 bewegt werden, steigt der Winkel jeder Schwenkverbindung 94 bezüglich der Achse des Kolbens 32 an, wodurch der Kolben 32 axial von dem Werkzeugmodul 14 weg betätigt wird (aufwärts in der in 5 dargestellten Ausrichtung), und wodurch das Hauptmodul 12 von dem Werkzeugmodul 14 entkoppelt wird.
Eine Ausrichtungswelle 100, die in einem in dem Kolben 32 ausgebildeten Ausrichtungsloch 102 angeordnet ist, stellt sicher, dass die Bewegung des Kolbens 32 auf eine axiale Richtung beschränkt ist. Das heißt, die Ausrichtungswelle 100 verhindert jede Drehung des Kolbens 32 um seine Achse. Lager 104, die in Abschlusskappen 106 angeordnet sind, behalten zusammen mit dem Nadellager 86 die Ausrichtung der Welle 8 bei und sorgen für deren freie Rotation. Eine Keilnut 108 (6), die in einem hervorstehenden Ende der Welle 80 ausgebildet ist, gestattet das Anbringen an einen Elektromotor (nicht gezeigt), um ein Drehmoment zur Rotation der Welle 80 bereitzustellen.
Die 7-10 stellen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrisch betätigten Werkzeugwechslers 10 dar. 7 stellt ein Hauptmodul 12 und ein Werkzeugmodul 14 dar. Das Haupt-Elektrosignalmodul 27 und das Werkzeug-Elektrosignalmodul 24 stellen den Durchgang von elektrischen Signalen zwischen einem Roboterarm und einem Roboterwerkzeug, wie zuvor beschrieben, zur Verfügung.
Der Werkzeugwechsler 10 der 7 stellt zusätzlich ein an dem Hauptmodul 12 befestigten Haupt-Pneumatikmodul 120 dar, das selbstabdichtende pneumatische Anschlüsse 122 aufweist, die jeder in Verbindung mit entsprechenden externen pneumatischen Anschlüssen 124 stehen. Ein Werkzeug-Pneumatik Modul 126, das pneumatische Anschlüsse 128 aufweist und mit entsprechenden externen pneumatischen Anschlüssen 130 verbunden ist, ist an dem Werkzeugmodul 14 befestigt. Die Haupt- und Werkzeug-Pneumatikmodule 120, 126 gestatten den Durchtritt eines komprimierten pneumatischen Fluids von einem Roboterarm zu einem Roboterwerkzeug. Im Allgemeinen kann jedes Ausführungsbeispiel eines Werkzeugwechslers 10, das hierin offenbart ist, Betriebsmittel passierende Module wie Elektrosignalmodule 27, 24, Pneumatikmodule 120, 126 oder andere Betriebsmittel passierende Module wie im Stand der Technik bekannt, umfassen.
Führungsstifte 16 auf dem Hauptmodul 12 passen mit Führungsöffnungen 18 auf dem Werkzeugmodul 14 zusammen, um eine korrekte Ausrichtung der Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 zuzusichern, wenn die Einheiten aneinander gekoppelt werden.
Das in 7 dargestellte Hauptwerkzeugmodul 12 umfasst in Richtung des Werkzeugmoduls 14 eine Verriegelungswelle 146, die davon absteht. Die Verriegelungswelle 146 um fast mehrere Gewindeabsätze 150, die in einer axialen Ausrichtung angeordnet sind, um Gewindeabsatzflügel auszubilden, wobei mehrere solcher Flügel radial um die Welle 146 herum angeordnet sind. Um die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 zusammenzukoppeln, ist die Verriegelungswelle 146 in einem Hohlraum 148 angeordnet, der in dem Werkzeugmodul 14 ausgebildet ist. Mehrere Gewindefächer 152 sind axial angeordnet, um einen Gewindefachsatz auszubilden, und mehrere solcher Sätze sind radial um die ringförmige Innenfläche des Hohlraums 148 herum angeordnet. Wenn die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 gekoppelt und entkoppelt werden, erstreckt sich die Verriegelungswelle 146 in den Hohlraum 148, wobei jeder Flügel von Gewindeabsätzen 150 zwischen Sätzen freuen Gewindefächern 152 eingepasst wird. Dem entsprechend sind die Sätze von Gewindefächern mit den Abschnitten der Verriegelungswelle 146 zwischen den Flügeln von Gewindeabsätzen ausgerichtet. Sobald die Haupt- und Werkzeugmodule anliegend positioniert sind, wird die Verriegelungswelle 146 durch den Elektromotor 160 rotiert, wodurch die Gewindeflügel 150 mit den Gewindefächern 152 in Eingriff treten, um die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 miteinander zu verriegeln.
8 stellt ausgewählte Abschnitte der Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 dar, um das Getriebe zu zeigen, das den Motor 160 mit der Verriegelungswelle 146 verbindet. Eine Abtriebswelle des Motors 160 ist mit einer Welle 164 über einen Wellenkupplungsmechanismus 162 gekoppelt. Auf der Welle 164 ist ein Schneckengewinde 166 angeordnet. Das Schneckengewinde 166 steht mit einem Schneckenrad 168 in Eingriff, das funktionsfähig ist, um die Drehung der Welle 164 in eine Drehung des Schneckenrades 168 um ungefähr 90° zu übersetzen.
9 stellt eine Perspektivansicht der Verriegelungswelle 146 dar und eine Schnittansicht von ausgewählten Komponenten des Werkzeugwechslers 10. Die Gewindeabsätze 150 auf der Verriegelungswelle 146 und die Gewindefächer 152 in der Kammer 148 stehen in Eingriff – eine Bedingung, die nur nach einer mindestens teilweisen Drehung der Verriegelungswelle 146 erzielt wird, nach dem die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 zusammengebracht worden sind.
10 stellt die zusammengefügten Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 dar, jedoch vor der Kopplung durch Drehung der Verriegelungswelle 146. Die Ansicht der 10 ist von unterhalb des Werkzeugmoduls 14, wie es in den 7, 8 und 9 dargestellt ist. Die Verriegelungswelle 146 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel drei Flügel von axial ausgerichteten Gewindeabsätzen 150, die gleichmäßig radial um die Verriegelungswelle 146 herum angeordnet sind. Die Verriegelungswelle 146 ist so ausgerichtet, dass jeder axial ausgerichtete Flügel von Gewindeabsätzen 150 in einen axialen Raum passt, der in dem Hohlraum 148 zwischen entsprechenden Sätzen von Gewindefächern 152 ausgebildet ist.
In dieser Position können die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 voneinander getrennt werden.
Um die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 zusammenzukoppeln, wird die Verriegelungswelle 146 in die Kammer 148 eingeführt, wobei die in 10 dargestellte Position angenommen wird. Die Verriegelungswelle 146 wird dann gedreht; um zusammenwirkend die Gewindeabsätze 150 und die Gewindefächer 152 einzukoppeln, wie in 9 dargestellt. Wie in den 7-10 dargestellt ist und wie von einem Fachmann verstanden wird, umfassen die Gewindeabsätze 150 und entsprechenden Gewindefächer 152 beide eine Neigung oder Abweichung von einer horizontalen Ausrichtung (wobei horizontal als rechtwinklig zu der Achse der Verriegelungswelle 146 definiert ist). Der Grad und die Ausrichtung dieser Steigung ist so, dass wenn die Verriegelungswelle 146 um einen ausreichenden Winkel gedreht wird, um die Gewindeabsätze 150 mit den Gewindefächern 152 einzukuppeln, eine Kraft erzeugt und beibehalten wird, die ausreicht, um die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 miteinander zu verriegeln.
Um die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 zu Entkoppeln, wird die Verriegelungswelle 146 von einer verriegelten Position, in der die Gewindeabsätze 150 und die Gewindefächer 152 in Eingriff stehen, in eine nicht verriegelte Position – dargestellt in 10 – gedreht, wobei die Gewindeabsätze 150 und die Gewindefächer 152 vollständig auskoppeln. Das Hauptmodul 12 kann dann von dem Werkzeugmodul 14 wegbewegt werden.
Die 11-15 stellen einen elektrisch betätigten Werkzeugwechsler gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, worin der Kolben 32 axial angetrieben wird, um die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 über eine variable Spiralkurvennut 210, die in einer Kolbenwelle 209 ausgebildet ist, zu koppeln und zu entkoppeln. 11 stellt einen Werkzeugwechsler 10 mit pneumatischen Anschlussmodulen 120, 126 dar, die an den Haupt- und Werkzeugmodulen 12, 14 angebracht sind, wie zuvor diskutiert.
12 ist eine Explosionsperspektivansicht relevanter Abschnitte des Hauptmoduls 12. Der Kolben 32 ist fest an einer Kolbenwelle 209 angebracht. In der Kolbenwelle 209 ausgebildet sind eine oder mehrere variable Spiralkurvennuten 210. Der Kolben 32 ist in einem Bund 20 angeordnet, wobei der Bund 20 Kugelelemente 28 trägt, die in Löchern 29 angeordnet sind, die radial um dessen Umfang herum aufgereiht sind. Die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 werden zusammengekoppelt durch geneigte Oberflächen des Kolbens 32 die mit Kugelelementen 28 in Eingriff stehen und sie radial nach außen bewegen, wobei sie eine geneigte Oberfläche 30 in dem Werkzeugmodul 14 kontaktieren, wie ausführlich hierin diskutiert wurde.
Die Kolbenwelle 209 ist in der Bohrung eines angetriebenen Zahnrades 211 angeordnet, das die Zähne 213 um dessen Umfang herum ausgebildet hat. In dem angetriebenen Zahnrad 211 angeordnet und sich in dessen innere Bohrung erstreckend sind einer oder mehrere Nockenstößel 212. Jeder Nockenstößel 212 ist mit einem Nockenstößelblock 214 verbunden, der an dem angetriebenen Zahnrad 211 durch ein Befestigungselement 216 befestigt ist.
Ein Keilpfosten 220, der einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweist (ein im Allgemeinen rechteckiger Querschnitt in dem in den 11-15 dargestellten Ausführungsbeispiel) ist drehfest an einem Gehäuse 222 des Hauptmoduls 12 befestigt. Der Keilpfosten 220 ist in einer zentralen Bohrung der Kolbenwelle 209 angeordnet, die einen passenden Querschnitt aufweist, um die Rotation der Kolbenwelle 209 zu verhindern, wenn sie sich in einer axialen Richtung bewegt.
13 stellt den Kolben 32, die Kolbenwelle 209, den Keilpfosten 220 und ein angetriebenes Zahnrad 211 in einer zusammengebauten Konfiguration dar. Nockenstößel 212 sind in variablen Spiralkurvennuten 210 angeordnet, die in der Kolbenwelle 209 ausgebildet sind. Wenn das angetriebenes Zahnrad 211 gedreht wird, bewirken die Nockenstößel 212, die mit den variablen Spiralkurvennuten 210 zusammenwirken, die Bewegung der Kolbenwelle 209, und damit des Kolbens 32, in einer axialen Richtung (vertikal, wie in 13 dargestellt). Der Keilpfosten 220 verhindert die Rotation der Kolbenwelle 209, wodurch die Rotationsbewegung des angetriebenen Zahnrades 211 in eine axiale Bewegung über das Zusammenwirken zwischen den Nockenstößeln 212 und den variablen Spiralkurvennuten 210 übertragen wird.
14 stellt eine Schnittansicht des Werkzeugwechslers 10 dar, wobei das Zusammenwirken verschiedener Komponenten davon dargestellt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird das angetriebene Zahnrad über ein Band 218 durch ein antreibendes Zahnrad 224 angetrieben. Ein Fachmann wird schnell erkennen, dass der Antriebsstrang, der das antreibende Zahnrad 224 und das Band 218 umfasst, nur eine von vielen möglichen Arten des Antriebs des angetriebenen Zahnrades 211 ist. Zum Beispiel kann das angetriebenes Zahnrad 211 direkt angetrieben werden, wie zum Beispiel durch Ineingriffnahme von dessen Zähnen 213 durch entsprechende Zähne mechanischer Zahnräder.
Die geneigten Oberflächen 30 in dem Werkzeugmodul 14, das in 14 dargestellt ist, sind zu beachten. Wenn Kugelelemente 28 durch die axiale Bewegung des Kolbens von dem Bund 20 nach außen gedrängt werden, kontaktieren die Kugelelemente die geneigten Oberflächen 30. Eine weitere radial aufgebrachte Kraft, wie sie aufgebracht wird, wenn die geneigte Verriegelungsoberfläche 38 des Kolbens 32 (siehe 13) die Kugelelemente 28 kontaktiert, presst die Kugelelemente 28 gegen die geneigte Oberfläche 30. Die Aufwärtskomponente dieser Kraft (in der in 14 dargestellten Ausrichtung) presst das Werkzeugmodul 14 gegen das Hauptmodul 12, wodurch die Haupt- und Werkzeugmodule 12, 14 zusammen verriegelt werden.
15 stellt eine Ansicht des Hauptmoduls 12 dar, die einen Elektromotor 200 zeigt, der das angetriebene Zahnrad 22 über eine Getriebeanordnung 226 antreibt. Die Getriebeanordnung 226 kann zum Beispiel eine Schneckengetriebeanordnung umfassen, die gleich der oben offenbarten ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung hierin mit Bezug auf die speziellen Merkmale, Aspekte und deren Ausführungsbeispiele geschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass zahlreiche Variationen Modifikationen und andere Ausführungsbeispiele in dem breiten Umfang der vorliegenden Erfindung möglich sind und dementsprechend alle Variationen, Modifikationen und Ausführungsbeispiele als in den Umfang der Erfindung fallend betrachtet werden. Die vorliegenden Ausführungsbeispiele sind daher in allen Aspekten als veranschaulichend auszulegen und nicht als beschränkend, und alle Veränderungen, die in der Bedeutung und in einem äquivalenten Bereich der zugehörigen Ansprüche auftreten, werden als darin eingeschlossen angesehen.

Claims

Werkzeugwechsler für Roboter, umfassend: eine erste Einheit, die funktionsfähig ist, um an einem Roboter oder einem Roboterwerkzeug angebracht zu werden; eine zweite Einheit, die funktionsfähig ist, um an dem jeweils anderen, dem Roboter oder dem Roboterwerkzeug, angebracht zu werden, und weiter funktionsfähig ist, um selektiv an die erste Einheit gekoppelt oder von ihr entkoppelt zu werden; einen Koppelmechanismus, der in der ersten Einheit angeordnet ist und funktionsfähig ist, um selektiv die ersten und zweiten Einheiten in einer gekoppelten Position zu koppeln, und das Entkoppeln der ersten und zweiten Einheiten in einer entkoppelten Position zu gestatten, und einen Elektromotor, der funktionsfähig ist, um den Koppelmechanismus zwischen den gekoppelten und entkoppelten Positionen anzutreiben.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 1, wobei der Koppelmechanismus umfasst: mehrere rollende Elemente, die in einer der Einheiten angeordnet sind; einen Kolben, der in der ersten Einheit angeordnet ist, wobei der Kolben selektiv entlang einer Längsachse zwischen einer zurückgezogenen, entkoppelten Position und einer ausgefahrenen, gekoppelten Position beweglich ist, wobei der Kolben mindestens eine abgeschrägte Oberfläche aufweist, die funktionsfähig ist, um die rollenden Elemente von der Kolbenachse auswärts zu verschieben, wenn sich der Kolben von der entkoppelten zu der gekoppelten Position bewegt; und mindestens eine geneigte Oberfläche in der zweiten Einheit, die funktionsfähig ist, die ersten und zweiten Einheiten zusammen zu verriegeln, wenn die rollenden Elemente gegen die geneigte Oberfläche durch eine abgeschrägte Kolbenoberfläche gedrückt werden.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 2, wobei die rollenden Elemente im Allgemeinen umfänglich um die Kolbenachse herum angeordnet sind.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 3, wobei die rollenden Elemente funktionsfähig sind, um in einer im Allgemeinen radialen Richtung bezüglich der Kolbenachse zu rollen.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 4, wobei die rollenden Elemente Kugeln umfassen.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 4, wobei die rollenden Elemente Zylinder umfassen.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine abgeschrägte Oberfläche umfasst: eine abgeschrägte Verriegelungsoberfläche; eine Anfangsbetätigungsoberfläche; und eine betriebssichere Oberfläche, die zwischen der abgeschrägten Verriegelungsoberfläche und der Anfangsbetätigungsoberfläche angeordnet ist.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 7, wobei die Anfangsbetätigungsoberfläche einen Winkel bezüglich der Kolbenachse aufweist, der nicht größer als der Winkel der abgeschrägten Verriegelungsoberfläche ist.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 7, wobei die Anfangsbetätigungsoberfläche einen Winkel bezüglich der Kolbenachse aufweist, der gleich oder größer als der Winkel der abgeschrägten Verriegelungsoberfläche ist.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 2, weiter umfassend einen Kopplungsmechanismus, der den Elektromotor mit dem Kolben koppelt und der funktionsfähig ist, um den Kolben zwischen einer zurückgezogenen, entkoppelten Position und einer ausgefahrenen, gekoppelten Position zu bewegen.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 10, wobei der Kopplungsmechanismus umfasst: eine Motorabtriebswelle, die mit dem Elektromotor verbunden ist, wobei die Motorabtriebswelle ein Schneckengewinde umfasst; ein Schneckenrad, das koaxial mit dem Kolben angeordnet ist und eine innere Gewindefläche aufweist, wobei das Schneckenrad mit dem Schneckengewinde der Motorabtriebswelle gekoppelt ist; und eine Gewindewelle, die mit dem Kolben verbunden ist, wobei die Gewindewelle mit der inneren Gewindefläche des Schneckenrades gekoppelt ist.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 11, wobei das Schneckenrad in axialer Richtung festgelegt ist und eine axiale Kraft auf die Gewindewelle über die innere Gewindefläche übermittelt, wenn es durch das Schneckengewinde der Abtriebswelle des Elektromotors gedreht wird.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 10, wobei der Kopplungsmechanismus umfasst: eine Gewindemotorabtriebswelle, die mit dem Elektromotor verbunden ist; eine Gewindemutter, die auf die Gewindewelle aufgeschraubt ist; und eine Scherenverbindung, die mit der Gewindemutter verbunden ist und funktionsfähig ist, um den Kolben zwischen einer zurückgezogenen, entkoppelten Position und einer ausgefahrenen, gekoppelten Position zu verschieben, wenn sich die Gewindemutter entlang der Gewindewelle bewegt, wenn die Gewindewelle durch den Elektromotor angetrieben wird.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 10, wobei der Kopplungsmechanismus umfasst: eine Welle, die durch den Elektromotor angetrieben wird, wobei die Welle zwei entgegengesetzt-gängige Gewindeabschnitte aufweist; eine Gewindemutter, die auf jeden Wellenabschnitt geschraubt ist; und eine mit jeder Gewindemutter verbundenen Verbindungsstange, die schwenkbar mit dem Kolben verbunden ist, wobei die Verbindungsstangen funktionsfähig sind, um den Kolben zwischen einer zurückgezogenen, entkoppelten Position und einer ausgefahrenen, gekoppelten Position zu verschieben, wenn sich die Welle dreht.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 14, wobei, wenn der Elektromotor die Welle in eine Richtung dreht, sich jede Gewindemutter nach außen in Richtung des entsprechenden Endes der Welle bewegt und die Verbindungsstangen den Kolben in Richtung der zurückgezogenen, entkoppelten Position bewegen, und wenn der Elektromotor die Welle in die entgegengesetzte Richtung dreht, sich jede Gewindemutter nach innen in Richtung der Mitte der Welle bewegt, und die Verbindungsstangen den Kolben in Richtung der ausgefahrenen, gekoppelten Position bewegen.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 10, wobei der Kopplungsmechanismus umfasst: ein Zahnrad, das durch den Elektromotor angetrieben wird und mehrere Nockenstößel aufweist, die von der Innenfläche abstehen; und eine Kolbenwelle, die mit dem Kolben verbunden ist, und entsprechend mehrere variable Spiralkurvennuten aufweist, die in deren Außenfläche ausgebildet sind, wobei die Welle eine nicht kreisförmige zentrale Bohrung aufweist, die axial darin ausgebildet ist; und ein nicht kreisförmiger Keilpfosten, der fest an der ersten Einheit angebracht ist und geformt ist, um mit der Kolbenwellenbohrung zusammen zu passen, und funktionsfähig ist, um die Drehbewegung der Kolbenwelle zu verhindern; wobei die Welle über dem Keilpfosten und in dem angetriebenen Zahnrad angeordnet ist, wobei ein Nockenstößel in jeder Spiralkurvennut angeordnet ist, um den Kolben zwischen einer zurückgezogenen, entkoppelten Position und einer ausgefahrenen, gekoppelten Position zu verschieben, wenn sich das angetriebene Zahnrad dreht.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 16 weiter umfassend eine Motorabtriebswelle, die ein Schneckengewinde aufweist, das mit dem angetriebenen Zahnrad in Eingriff steht, und wobei das Zahnrad durch den Elektromotor über die Motorabtriebswelle angetrieben ist.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 16, wobei das angetriebene Zahnrad durch den Elektromotor über ein Bandelement angetrieben ist.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 1: wobei der Kopplungsmechanismus eine Verriegelungswelle aufweist, die mehrere Gewindeabsatzflügel aufweist, die radial um die Welle herum angeordnet sind, wobei jeder Gewindeabsatzflügel mehrere Gewindeabsätze umfasst, die in einer axialen Ausrichtung auf der Verriegelungswelle angeordnet sind; und weiter umfassend entsprechend mehrere Gewindefachsätze, die radial um eine kreisförmige Innenfläche eines Hohlraums herum angeordnet sind, der in der zweiten Einheit ausgebildet ist, wobei Gewindefachsatz mehrere Gewindefächer aufweist, die in einer axialen Ausrichtung angeordnet sind.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 19, wobei in der entkoppelten Position der Verriegelungswelle die Gewindeabsatzflügel mit den Räumen zwischen den Gewindefachsätzen ausgerichtet sind, wodurch die ersten und zweiten Einheiten entkoppelt werden können, und in der gekoppelten Position der Verriegelungswelle die Gewindeabsätze mit den Gewindefächern in Eingriff stehen, wobei die ersten und zweiten Einheiten zusammengekoppelt werden.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 20, wobei die Verriegelungswelle drei Gewindeabsatzflügel umfasst, die im Wesentlichen gleichmäßig um den Umfang der Verriegelungswelle herum angeordnet sind.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 20, weiter umfassend: eine Motorabtriebswelle, die ein Schneckengewinde aufweist, wobei die Motorabtriebswelle durch den Elektromotor angetrieben wird; ein Schneckenrad, das mit der Verriegelungswelle gekoppelt ist und mit dem Schneckengewinde der Motorabtriebswelle in Eingriff steht, so dass, wenn der Motor die Motorabtriebswelle antreibt, das Schneckenrad die Verriegelungswelle dreht.
Werkzeugwechsler für einen Roboter, umfassend: eine Werkzeugeinheit, die funktionsfähig ist, um an einem Roboterwerkzeug angebracht zu werden, und die eine im Allgemeinen kreisförmige Kammer einschließt; eine Haupteinheit, die funktionsfähig ist, um an einem Roboter angebracht zu werden und um selektiv an die Werkzeugeinheit gekoppelt und von ihr entkoppelt zu werden; einen ringförmigen Bund auf der Haupteinheit, der mehrere dorthindurch ausgebildete Löcher aufweist; mehrere Kugelelemente, die in den Löchern angeordnet sind; einen Kolben, der mindestens eine abgeschrägte Oberfläche aufweist und in der Haupteinheit angeordnet ist, wobei der Kolben funktionsfähig ist, um die Kugelelemente von dem Bund radial nach außen zu drücken, wenn sich der Kolben von einer zurückgezogenen, entkoppelten Position zu einer ausgefahrenen, gekoppelten Position bewegt; einen Elektromotor; einen Kopplungsmechanismus, der funktionsfähig ist, um selektiv den Kolben zwischen entkoppelten und gekoppelten Positionen in Reaktion auf den Elektromotor zu bewegen; und eine geneigte Oberfläche in der Kammer der Werkzeugeinheit gegenüber jedem Bundloch, wobei, wenn die Haupt- und Werkzeugeinheiten aneinander stoßen, die geneigte Oberfläche funktionsfähig ist, um eine Kraftkomponente, die auf sie ausgeübt wird, durch die Kugelelemente in Richtung der Haupteinheit zu richten.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 23, wobei die mindestens eine abgeschrägte Oberfläche umfasst: eine abgeschrägte Verriegelungsoberfläche; eine Anfangsbetätigungsoberfläche; und eine betriebssichere Oberfläche, die zwischen der abgeschrägten Verriegelungsoberfläche und der Anfangsbetätigungsoberfläche angeordnet ist.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 23, wobei der Kopplungsmechanismus umfasst: eine Motorabtriebswelle, die mit dem Elektromotor verbunden ist, wobei die Motorabtriebswelle ein Schneckengewinde umfasst; ein Schneckenrad, das, festgelegt in axialer Richtung, koaxial mit dem Kolben angeordnet ist und eine innere Gewindefläche aufweist, wobei das Schneckenrad mit dem Schneckengewinde der Motorabtriebswelle gekoppelt ist; und eine Gewindewelle, die mit dem Kolben verbunden ist, wobei die Gewindewelle mit der inneren Gewindefläche des Schneckenrades gekoppelt ist.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 23, wobei der Kopplungsmechanismus umfasst: eine Gewindemotorabtriebswelle, die mit dem Elektromotor verbunden ist; eine Gewindemutter, die auf die Gewindewelle aufgeschraubt ist; und eine Scherenverbindung, die mit der Gewindemutter verbunden ist und funktionsfähig ist, um den Kolben zwischen einer zurückgezogenen, entkoppelten Position und einer ausgefahrenen, gekoppelten Position zu verschieben, wenn sich die Gewindemutter entlang der Gewindewelle bewegt, wenn die Gewindewelle durch den Elektromotor angetrieben wird.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 23, wobei der Kopplungsmechanismus umfasst: eine Welle, die durch den Elektromotor angetrieben wird, wobei die Welle zwei entgegengesetzt-gängige Gewindeabschnitte aufweist; eine Gewindemutter, die auf jeden Wellenabschnitt geschraubt ist; und eine mit jeder Gewindemutter verbundenen Verbindungsstange, die schwenkbar mit dem Kolben verbunden ist, wobei die Verbindungsstangen funktionsfähig sind, um den Kolben zwischen einer zurückgezogenen, entkoppelten Position und einer ausgefahrenen, gekoppelten Position zu verschieben, wenn sich die Welle dreht.
Werkzeugwechsler nach Anspruch 23, wobei der Kopplungsmechanismus umfasst: ein Zahnrad, das durch den Elektromotor angetrieben wird und mehrere Nockenstößel aufweist, die von der Innenfläche abstehen; und eine Kolbenwelle, die mit dem Kolben verbunden ist, und entsprechend mehrere variable Spiralkurvennuten aufweist, die in deren Außenfläche ausgebildet sind, wobei die Welle eine nicht kreisförmige zentrale Bohrung aufweist, die axial darin ausgebildet ist; und ein nicht kreisförmiger Keilpfosten, der fest an der ersten Einheit angebracht ist und geformt ist, um mit der Kolbenwellenbohrung zusammen zu passen, und funktionsfähig ist, um die Drehbewegung der Kolbenwelle zu verhindern; wobei die Welle über dem Keilpfosten und in dem angetriebenen Zahnrad angeordnet ist, wobei ein Nockenstößel in jeder Spiralkurvennut angeordnet ist, um den Kolben zwischen einer zurückgezogenen, entkoppelten Position und einer ausgefahrenen, gekoppelten Position zu verschieben, wenn sich das angetriebene Zahnrad dreht.
Verfahren zum selektiven Koppeln zweier Werkzeugkopplereinheiten für einen Roboter, umfassend: Anstoßen der zwei Einheiten; und Betätigen eines Elektromotors, um die zwei Einheiten zusammenzukoppeln.
Werkzeugwechsler für einen Roboter, umfassend: eine Werkzeugeinheit, die funktionsfähig ist, um an einem Roboterwerkzeug angebracht zu werden, und die eine im Allgemeinen kreisförmige Kammer einschließt; eine Haupteinheit, die funktionsfähig ist, um an einem Roboter angebracht zu werden und um selektiv an die Werkzeugeinheit gekoppelt und von ihr entkoppelt zu werden; eine Verriegelungswelle, die mit der Haupteinheit verbunden ist und davon absteht, wobei die Verriegelungswelle mehrere Gewindeabsatzflügel aufweist, die radial um die Welle herum angeordnet sind, wobei jeder Gewindeabsatzflügel mehrere Gewindeabsätze aufweist, die in einer axialen Ausrichtung auf der Verriegelungswelle angeordnet sind; einen Elektromotor, der auf der Haupteinheit angeordnet ist und funktionsfähig ist, um die Verriegelungswelle selektiv zu drehen; und mehrere Gewindefachsätze, die radial um eine kreisförmige Innenfläche der Werkzeugeinheitkammer herum angeordnet sind, wobei jeder Gewindefachsatz mehrere Gewindefächer aufweist, die in einer axialen Ausrichtung angeordnet sind; wobei sich, wenn die Haupt- und Werkzeugeinheiten aneinander grenzen, die Verriegelungswelle in der Werkzeugeinheitkammer erstreckt, wobei die Gewindeabsatzflügel in Räumen zwischen den Gewindefachsätzen in einer entkoppelten Position sind; und wobei, wenn der Elektromotor die Verriegelungswelle in eine gekoppelte Position dreht, die Gewindeabsätze in Eingriff mit entsprechenden Gewindefächern treten und verriegeln, wobei die Haupt- und Werkzeugeinheiten miteinander gekoppelt werden.
Werkzeugwechsler für einen Roboter, umfassend: eine erste Einheit, die funktionsfähig ist, um an einem Roboter oder einem Roboterwerkzeug angebracht zu werden; eine zweite Einheit, die funktionsfähig ist, um an dem jeweils anderen, dem Roboter oder dem Roboterwerkzeug, angebracht zu werden, und weiter funktionsfähig ist, um selektiv an die erste Einheit gekoppelt oder von ihr entkoppelt zu werden; einen Elektromotor; Mittel zum selektiven Koppeln der ersten und zweiten Einheiten in einer gekoppelten Position und um die Entkopplung der ersten und zweiten Einheiten in einer entkoppelten Position unter der Kraft des Elektromotors zu gestatten.