DE102008023813A1

DE102008023813A1 - Greifwerkzeug mit Federkraftkennlinienkompensationswälzgetriebe

Info

Publication number: DE102008023813A1
Application number: DE102008023813A
Authority: DE
Original assignee: NC AUTOMATION GmbH; NC-AUTOMATION GmbH
Current assignee: NC AUTOMATION GmbH; NC-AUTOMATION GmbH
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: WO2009143964A2; WO2009143964A3; DE102008023813B4

Abstract

Greifwerkzeug mit Federkraftkennlinienkompensationswälzgetriebe, das insbesondere durch Federkraft betätigt wird und zur optimalen Nutzung der gespeicherten Energie über ein hocheffizientes formschlüssiges Wälzgetriebe mit Kompensation der Federkennlinie zur Bereitstellung einer gleichbleibenden Greifkraft über den gesamten Greifhub verfügt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Greifwerkzeug, das insbesondere durch Federkraft betätigt wird und zur optimalen Nutzung der gespeicherten Energie über ein hocheffizientes Wälzgetriebe mit Kompensation der Federkennlinie zur Bereitstellung einer gleich bleibenden Greifkraft über den gesamten Greifhub verfügt. Die Herausforderung, insbesondere für Greifwerkzeuge in Werkzeugmaschinen, besteht darin, dass in der Regel nur durch ein Fluid Zugang ohne Rücksprungmöglichkeit gegeben ist und aufgrund des sehr begrenzten Arbeitsraumes und der geringen Magazinabmessungen für die Werkzeuge äußerst kompakte Werkzeuge mit hoher Greifkraft und großem Greiferhub notwendig sind.
Aus DE 195 23 787 sind Werkzeuge bekannt, die eine kompakte Bauweise mittels in den Kolben integriertem Keilgetriebe und Betätigung durch Fluid und Federkraft realisieren. Auf der METAV 2008 in Düsseldorf wurde von der Firma Sommer-Automatic ein Parallelgreifer mit Werkzeugaufnahme (2) vorgestellt, der federbetätigt mittels nachgeschaltetem Keilhakengetriebe zugreift. Parallelgreifwerkzeuge mit dieser Funktion des Zugriffs durch Federkraft wurden von uns, entsprechend einer Ausformung, wie in DE 195 23 787 dargestellt, bereits im September 2007 an Mazak ausgeliefert.
Allen bekannten Ausführungen von Greifwerkzeugen, insbesondere in der Parallelgreiferausführung, mit Zugriff durch Federkraft und zwischengeschaltetem Getriebe ist gemein, dass die Greifkraft über den Greiferhub absinkt. Nachteilig bei den verwendeten Keilgetrieben ist zudem der aufgrund der Reibung verursachte geringe Wirkungsgrad. Ein optimaler Wirkungsgrad ist jedoch insbesondere bei der begrenzt bereit stehenden Energie aus einem Speicher, wie z. B. Federpaket, wichtig.
Der Erfindung liegt deswegen die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Greifwerkzeug mit über den Hub variablem Übersetzungsverhältnis eines mit hohem Wirkungsgrad arbeitenden formschlüssigen Getriebes zu realisieren, bei dem sowohl das zentrische Innen-, als auch Außengreifen möglich ist. Das Greifwerkzeug soll zudem vor Überlast geschützt werden können und einen Ausgleich in verschiedenen Achsen zwischen Maschinenspindel bzw. Werkzeugaufnahme (2) und Werkstück zulassen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß, wie nachfolgend beschrieben und in Anspruch 1 ff. dargestellt, gelöst.
Die Aufnahme oder der Flansch dient zur Anbindung an die Werkzeugmaschinenspindel an einen Werkzeugrevolver oder an einen Roboter. Der hydraulische Arbeitsraum bzw. der Kolbenraum zum Vorspannen des Federpaketes bzw. zum Laden des Energiespeichers wird aufnahmeseitig zwischen dem Gehäuse und dem Kolben gebildet. Zwischen dem Kolben und dem Fix am Gehäuse angebundenen Deckel ist der Energiespeicher bzw. das Federpaket eingesetzt. Der Kolben ist deckelseitig partiell ausgehöhlt, so dass Federn zumindest teilweise darin positioniert werden können und die auf Achsen gelagerten Walzen innerhalb des Kolbens gelagert werden können sowie der Getriebefortsatz der Greiferträger eintauchen kann. Der Getriebefortsatz der Greiferträger ist mit einer Aussparung versehen, in die die Wälzlager eingreifen. Die Aussparungen des Greiferträgerfortsatzes verlaufen bei gleichförmiger Krafteinleitung, wie z. B. bei Betätigung des Greifers durch einen Pneumatikzylinder, in einem gleichförmigen Winkel bzw. gleichförmiger Steigung gegenüber der Rotationsachse. Bei Betätigung des Greifers, z. B. über ein Federpaket mit unterschiedlicher Kraft über den zurückgelegten Weg, verläuft die Wälzelementführungsbahn komplementär zur Federkennlinie. Das heisst, bei großer Federkraft wird je mm Federweg ein großer Greiferweg zurückgelegt und bei geringer Federkraft wird je mm Federweg ein kleiner Greiferweg zurückgelegt, so dass die Greifkraft stets gleich bleibt. Der Verlauf der Wälzelementführungsbahn im Getriebefortsatz der Greiferträger bestimmt nicht nur die Kompensation der Federkraft, sondern auch den Weg der Greifer, die Greifkraft aufgrund des Übersetzungsverhältnisses und die Funktion, ob das Greifwerkzeug durch Federkraft öffnet oder schließt. Zur Realisierung eines sehr großen Greifhubes überlappen sich die Greiferträgerfortsätze. Sie sind seitlich versetzt ausgebildet, so dass in radialer Bewegungsrichtung nicht nur der Raum bis zur Rotationsachse des Greifwerkzeuges bereit steht, sondern bis zur Gegenseite der Kolbenaussparung. Die Greiferträgerfortsätze können auch aufgesetzt sein, so dass sie für unterschiedliche Übersetzungen und Funktionen ausgetauscht werden können. Ergänzend zur dargestellten Aussparung in geschlossener Form kann diese auch als offene Kontur ausgeführt sein. Alternativ darf der Getriebefortsatz als Kurve oder Schräge ausgebildet sein, auf dem das Wälzelement abläuft. Der Verlauf der Wälzelementführungsbahnen in den Greiferträgerfortsätzen kann nicht nur symmetrisch, sondern auch unterschiedlich ausgebildet sein. Dies bedeutet im Extremfall, dass die Wälzelementführungsbahn des einen Greiferträgerfortsatzes axial verläuft und die des anderen mit einer radialen Komponente. Für die Funktion hat dies zur Folge, dass ein Greiffinger als Festbacke bzw. als feststehender Finger fungiert und die gesamte Kraft in den 2. Finger eingeleitet wird. Durch beliebige Gestaltung der Wälzelementführungsbahnen ist es somit dem Werkzeug auch möglich, über einen Hub hinweg Teile zu greifen, diese in Richtung der Greiferbewegung zu verschieben und gegebenenfalls wieder loszulassen. Durch den hohen Wirkungsgrad des Getriebes und die gleichmäßige Greifkraft auch bei unterschiedlicher Federkrafteinleitung ist es möglich, dieses Greifwerkzeug gleichzeitig als Innen- und Außengreifer einzusetzen. Das Außengreifen wird in diesem Fall durch die Kolbenkraft realisiert und das Innengreifen erfolgt mit Hilfe der Federkraft. Die Zuordnung ist dabei beliebig. Der Abstand der Kontur der Wälzelementführungsbahn, die für das Schließen des Greifers verantwortlich ist und der Kontur, die für das Öffnen der Greifer zuständig ist, darf unterschiedlich groß sein, muss jedoch mindestens den Abstand des Wälzelementes haben.
Eine weitere Ausformung des formschlüssigen Federkraftkennlinienkompensationswälzgetriebes ist durch die zusätzliche Einbindung von Hebelelementen zwischen den Greiferträgern und den Wälzelementen oder dem Kolben und den Wälzelementen gegeben. Diese Hebelelemente stellen eine zusätzliche fixe oder variable Übersetzungskomponente dar. Durch die gegenseitige Verbindung der Hebelelemente mittels eines Lagerpunktes werden die Reaktionskräfte aufgehoben. Ist zudem eine radiale Fixierung mit axialer Bewegungsfreiheit des Lagerpunktes gegeben, wird ein zentrischer Bewegungsablauf der Greifer erzwungen. Durch eine gelenkig zwischen die Hebelelemente eingesetzte Verbindungsstrebe ändert sich der Hebelarm in Abhängigkeit der Winkelstellung der Hebelelemente zueinander. Ein ähnlicher Effekt wird auch durch eine ballige oder kurvenförmige Abstützung der Hebelelemente gegeneinander im Mittenbereich erzielt.
1 zeigt ein Greifwerkzeug mit HSK-Werkzeugaufnahme und Ausgleichselement in der Seitenansicht.
2 zeigt ein Greifwerkzeug mit HSK-Werkzeugaufnahme und Ausgleichselement im Schnitt durch das Getriebe.
3 zeigt ein Greifwerkzeug mit HSK-Werkzeugaufnahme und Ausgleichselement mit Schnitt 90° gegenüber 2 gedreht zur 2.
4 zeigt eine Ausführung des Greifwerkzeuges in Schnittdarstellung mit linearem Verlauf der Wälzelementführungsbahn.
5 zeigt eine Ausführung des Greifwerkzeuges mit offener und ungleichmäßig verlaufender Kontur der Wälzelementführungsbahn.
6 zeigt ein Handhabungswerkzeugausführung mit sich überschneidenden Greiferträgerfortsätzen.
7 zeigt eine weitere Ausführung des Greifwerkzeuges im Schnitt mit Hebelelementen zwischen den Greiferträgern und den Wälzelementen.
Das Greifwerkzeug (1) ist mittels Flansch an Roboter oder mittels Werkzeugaufnahmen (2) an die Spindeln oder Revolver von Werkzeugmaschinen angebunden. Bei einfachen Ausführungen des vorgeschlagenen Greifwerkzeuges (1) ist das Gehäuse (3) zum Beispiel über einen zylindrischen Fortsatz direkt mit der Werkzeugaufnahme (2) verbunden. Bei hochwertigen Ausführungen des Greifwerkzeuges (1) sind zwischen der Anbindung bzw. der Werkzeugaufnahme (2) und dem Greifwerkzeug selbst zumindest ein Ausgleichselement (11) und/oder zumindest ein Kraftbegrenzungselement (10) zwischengeschaltet. Am Gehäuse (3) schließt der Deckel (5). Zwischen dem Gehäuse (3) und dem Deckel (5) befindet sich der Kolben (4). Der Energiespeicher (8) befindet sich zwischen dem Kolben (4) und dem Deckel (5) und wirkt auf den Kolben ein. Der vorzugsweise mit Druckfedern ausgeführte Energiespeicher (8) ist zumindest teilweise in den Deckel (5) und den Kolben (4) integriert. Der Energiespeicher (8) wird durch Einleitung eines unter Druck stehenden Fluids in den Kolbenraum geladen bzw. vorgespannt. Das Wälzgetriebe (9) wird durch ein in der Kolbenaussparung (4.1) fixiertes Wälzelement (9.2) gebildet, das in der Wälzelementführungsbahn (9.3) des Greiferträgerfortsatzes (6.1) läuft. Das Wälzgetriebe (9), welches mittels einer Achse das Wälzelement (9.2) in der Kolbenaussparung (4.1) beherbergt und in die Wälzelementführungsbahn (9.3) des am Greiferträger (6) angebundenen Greiferträgerfortsatzes (6.1) eingreift, stellt die Verbindung zwischen dem Kolben (4) als krafteinleitendes Element und dem Greifer (7) als kraftableitendes Element dar. Durch die Wälzelementführungsbahn (9.3) ist eine zwangsläufige, formschlüssige Verbindung zwischen dem Kolben (4) und dem Greiferträger (6) bzw. den darin eingesetzten Greifern (7) vorgegeben. Form, Lage und Größe der Wälzelementführungsbahn (9.3) bestimmen das Übersetzungsverhältnis an jedem Punkt des Kolben- bzw. Greiferhubes. Als besondere Ausführung des Wälzgetriebes (9) ist die Anbindung der Wälzelemente (9.2) an den Kolben (4) oder an den Greiferträger (6) zu sehen. Sind die Hebelelemente (9.1) dieser Werkzeugausführung nicht direkt mittels eines gemeinsamen Lagers miteinander verbunden, so dass der passive und der aktive Hebelarm fixiert ist und sich nicht nur aufgrund der Winkelfunktion verändert, sondern mit Hilfe einer drehbar gelagerten Verbindungsstrebe, so ergeben sich in Abhängigkeit von der Länge der Strebe und der Position ihrer Anbindung an die Hebelelemente (9.1) je nach Position des Kolbens (4) bzw. Position der Greiferträger (6) unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse. Bei geeigneter Auslegung lässt sich durch Variabilität der Übersetzung über den Hub eine Kompensation des Federkraftverlaufes erreichen, so dass eine nahezu gleich bleibende Kraft an den Greifern (7) über den gesamten Hub ansteht, obwohl der Energiespeicher (8) die zur Verfügung stehende Kraft um ein Mehrfaches reduziert. Die Kontur der Wälzelementführungsbahn (9.3) bei der zuerst vorgeschlagenen Variante lässt unterschiedliche Bahnen des Wälzelementes (9.2), das vorzugsweise als Wälzlager, z. B. als Nadelrollenlager ausgebildet ist, zu. Dies bedeutet, dass beim Schließen der Greifer (7) die Wälzelemente (9.2) einer anderen Kontur der Wälzelementführungsbahn (9.3) entlang fahren als beim Öffnen. Ist die Wälzelementführungsbahn (9.3) linear für den von der Kolbenkraft initiierten Bewegungsablauf ausgeführt und mit variabler, umgekehrt proportional zur Energiespeicherkraftkennlinienverlauf ausgeführt, so lässt sich sowohl bei gleichmäßiger Krafteinleitung durch den Kolben (4), als auch ungleichmäßiger Krafteinleitung durch den Energiespeicher (8) eine lineare bzw. gleich bleibende Kraft an den Greifern (7) erzeugen. Beträgt die vom Energiespeicher (8) über den Hub des Kolbens (4) gespeicherte Energie in etwa die Hälfte der Energie, die durch das Einleiten des Fluids in den Kolbenraum über den Kolbenweg hinweg eingeleitet wird, so lässt sich sogar eine gleich bleibende und ausgeglichene Öffnungs- und Schließkraft des Greifers (7) realisieren. Derartige Greifwerkzeuge (1) lassen sich ohne Umrüstung in gleicher Weise als Außen- und Innengreifer einsetzen.

1: Greifwerkzeug
2: Werkzeugaufnahme
3: Gehäuse
4: Kolben
4.1: Kolbenaussparung
5: Deckel
6: Greiferträger
6.1: Greiferträgerfortsätze
7: Greifer
8: Energiespeicher
9: Wälzgetriebe
9.1: Hebelelement
9.2: Wälzelement
9.3: Wälzelementführungsbahn
10: Kraftbegrenzungselement
11: Ausgleichselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19523787 [0002, 0002]

Claims

(Parallel)-Greifwerkzeug (1) mit Wälzgetriebe (9) (und Federspeicher) zum Handhaben von Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass der im Greifwerkzeug (1) befindliche Energiespeicher (8) mittels eines formschlüssigen Wälzgetriebes (9) mit hubvariablem Übersetzungsverhältnis mit den Greifern (7) verbunden ist.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Greifwerkzeug (1) als Parallelgreifer ausgebildet ist.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das formschlüssige Wälzgetriebe (9) mit hubvariablem Übersetzungsverhältnis in den Kolben (4) integriert ist.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das formschlüssige Wälzgetriebe (9) mit hubvariablem Übersetzungsverhältnis durch in der Kolbenaussparung (4.1) fixierte Wälzelemente (9.2) und zumindest teilweise in diese Kolbenaussparung (4.1) einragende mit den Greiferträgern (6) verbundenen und mit den Wälzelementführungsbahnen (9.3) versehenen Greiferträgerfortsätzen (6.1) der Greiferträger (6) gebildet ist.
Greifwerkzeug mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der in den Greiferträgerfortsatz (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) umgekehrt proportional zum Verlauf der Kraftkennlinie des Energiespeichers (8) verläuft.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Greiferträgerfortsatz (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) linear verlaufen.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Greiferträgerfortsatz (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) beliebig kurvenförmig verlaufen.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Greiferträgerfortsatz (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) eine geschlossene Kontur aufweisen.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Greiferträgerfortsatz (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) eine offene Kontur haben.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Greiferträgerfortsatz (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) eines Greifwerkzeuges (1) unterschiedlichen Verlauf oder unterschiedliche Steigung aufweisen.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Greiferträgerfortsätze (6.1) überlappen und die Wälzelemente (9.2) nur einseitig angebunden sind.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das formschlüssige Wälzgetriebe (9) mit hubvariablem Übersetzungsverhältnis in umgekehrter Weise mit der Wälzelementanbindung am Greiferträger (6) in das Greifwerkzeug (1) integriert ist.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (9.2) des formschlüssigen Wälzgetriebes (9) mittels Hebelelemente (9.1), die axial verschieblich im Gehäuse (3) oder im Kolben (4) gelagert und beweglich an die Greiferträger (6) oder an den Kolben (4) angebunden sind.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 und 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglich an die Greiferträger (6) oder an den Kolben (4) angebundenen Hebelelemente (9.1) zur Anbindung der Wälzelemente (9.2) beweglich miteinander verbunden sind.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 und 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelelemente (9.1) zur Anbindung der Wälzelemente (9.2) beweglich durch eine Verbindungsstrebe mit axial veränderlicher und radial vorzugsweise mittig fixierter Position verbunden sind.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 und 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelelemente (9.1) zur Anbindung der Wälzelemente (9.2) sich gegenseitig durch eine Ablaufkontur abstützen, die die Hebelverhältnisse entsprechend der Winkel zwischen den Hebelelementen (9.1) verändert.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen dem Gehäuse (3) des Greifwerkzeuges (1) und der Werkzeugaufnahme (2) zumindest ein Ausgleichselement (11) mit Rückstellung eingebunden ist.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiebliche und verdrehbare Verbindung zwischen Werkzeugaufnahme (2) und Greifwerkzeuggehäuse (3) über eine selbsttätige Rückstellung in die Null-Punkt-Position verfügt.
Greifwerkzeug (1) mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Greifwerkzeug (1) und/oder die Werkzeugaufnahme (2) über Kraftbegrenzungselemente, (10) vorzugsweise Sollbruchstifte, verfügt.
Greifwerkzeug mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) über einen zylindrischen Fortsatz mit Dichtung und Bypass-Bohrung verfügt, der zumindest teilweise im Gehäuse (3) gelagert ist und eine Endlagendämpfung des Kolbens (4) ist.
Greifwerkzeug mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (8) zumindest teilweise in den Kolben und in den Deckel (5) des Greifwerkzeuges integriert ist.
Greifwerkzeug mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (9.2) mittels Gleitlager auf einer Achse gelagert sind.
Greifwerkzeug mit Übersetzungsgetriebe zum Handhaben von Bauteilen nach den Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Greiferträgerfortsatz (6.1) mittels Verbindungselementen und/oder Stellelementen mit dem Greiferträger (6) verbunden ist und zur Realisierung unterschiedlicher Hübe und Übersetzungsverhältnisse in unterschiedlichen Lagen justierbar ist.