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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kugelklemmgelenk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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In Automobilfabriken kommen eine Vielzahl von Halte-, Greif- und Transportsystemen zum Einsatz, welche Halte-, Greif- oder Transportarme zum Halten, Greifen bzw. Transportieren von Bauteilen aufweisen. Auch bei noch so großer Sorgfalt kann nicht völlig ausgeschlossen werden, dass Halte-, Greif- bzw. Transportarmen mit Hindernissen kollidieren. Dabei besteht stets die Gefahr, dass die Arme oder andere Komponenten beschädigt werden, sofern das betreffende Halte-, Greif- und Transportsystemen nicht eine hinreichende ”Crash-Elastizität” aufweist.
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In der Praxis werden daher, um längere Produktionsunterbrechungen zu vermeiden, für die meisten oder für alle in einer Fertigungslinie eingesetzten Halte-, Greif- und Transportsysteme „Ersatzarme” im Lager vorgehalten, die bei Bedarf kurzfristig zum Einsatz kommen. Eine derartige Lagerhaltung ist mit enormen Kosten verbunden, wohlwissend, dass viele oder die meisten der vorgehaltenen Ersatzarme niemals benötigt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine für Halte-, Greif- und Transportsysteme geeignete „Komponente” zu schaffen, die bei einer Kollision mit einem Hindernis ”nachgibt” und gleichzeitig ein Erkennen einer solchen Kollision ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Kugelklemmgelenk mit einem Kugelpfannenteil, welches eine kugelpfannenartige Ausnehmung aufweist, und einem Kugelkopfteil, welches ein in die kugelpfannenartige Ausnehmung eingesetztes kugelkopfartiges Element aufweist. Ein derartiges Kugelklemmgelenk kann Bestandteil eines Arms einer Halte-, Greif- oder Transporteinrichtung sein.
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Das Kugelklemmgelenk weist eine Klemmeinrichtung auf, mittels der das kugelkopfartige Element gegen bzw. in die kugelpfannenartige Ausnehmung gedrückt werden kann. Bei „gespannter” Klemmeinrichtung wird das Kugelkopfteil reibschlüssig in Bezug auf das Kugelpfannenteil in einer vorgegebenen, definierten, voreingestellten Relativposition gehalten. Im Normalbetrieb bildet das Klemmgelenk eine starre Verbindung zwischen dem Kugelpfannenteil und dem Kugelkopfteil.
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In einem Kollisionsfall hingegen gibt ein Arm, der ein deratiges Kugelklemmgelenk aufweist, bei Überschreiten einer vorgegebenen Kollisionskraft bzw. eines vorgegebenen Kollisionsmoments nach. Das Kugelklemmgelenk kann somit gezielt als „crashelastische” Komponente eingesetzt werden. Vergleichbar mit einer Rutschkupplung hat es die Funktion eine Überbeanspruchung zu vermeiden, d. h. zu verhindern, dass Komponenten des betreffenden Halte-, Greif- oder Transportarms plastisch deformiert werden.
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Um bei einer Kollision eine plastische Deformierung mit noch höherer Zuverlässigkeit zu verhindern, ist es nicht nur erforderlich, dass das Kugelgelenk bei Bedarf ”nachgibt”, sondern auch, dass eine derartige Kollision möglichst schnell erkannt und die entsprechende Anlage bzw. der entsprechende Roboter möglichst schnell abgeschaltet wird.
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Der Kern der Erfindung besteht in einer Sensoreinrichtung, welche – ganz allgemein gesprochen – eine Veränderung der Relativposition des Kugelkopfteils in Bezug auf das Kugelpfannenteil detektiert und ein entsprechende Signal erzeugt. Im Normalbetrieb, d. h. wenn keine Kollision auftritt, ist die Relativposition unverändert bzw. konstant. Bei einer ”Überlastung” des Kugelklemmgelenks, was als „Kollision” interpretiert werden kann, gibt das Kugelklemmgelenk nach, d. h. es tritt eine Veränderung der Relativposition ein. Dies Veränderung der Relativposition wird von der Sensoreinrichtung detektiert.
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Es gibt eine Vielzahl von Messprinzipien, mit der sich eine derartige Sensoreinrichtung darstellen lässt. In Betracht kommen z. B. induktive Mess-Systeme, die auf einer Laser-Triangulation basieren, etc. Eine Veränderung der Relativposition kann sehr einfach auch mit einem „Drucksensor”, insbesondere mit einem sogenannten „Kugeldrucksensor” gemessen werden. Bei der Verwendung eines Kugeldrucksensors kann in dem kugelkopfartigen Element eine muldenartige Vertiefung vorgesehen sein, in die eine federvorgespannte Kugel oder ein andersartig gestaltetes Aufnahmeelement eines ”Verschiebesensors” gedrückt wird. Kommt es zu einer Veränderung der Relativposition, so wird das Kugelkopfteil in Bezug auf das Kugelpfannenteil verschwenkt, was dazu führt, dass das Aufnahmeelement des Sensors aus der muldenartigen Vertiefung herausgedrückt und translatorisch verschoben wird. Die translatorische Verschiebung des Aufnahmeelements kann z. B. mittels eines Wegaufnehmers detektiert werden und lässt zweifelsfrei auf eine Veränderung der Relativposition schließen. Das dabei von der Sensoreinrichtung erzeugt ”Kollisionssignal” kann als ”Abschaltsignal” zum Abschalten des betreffenden Roboters bzw. der betreffenden Anlage genutzt werden.
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Nach dem Abschalten und Beseitigen der Kollisionssituation ist es wichtig, dass der Roboter bzw. die Anlage möglichst einfach und schnell wieder in ihren betriebsbereiten Zustand versetzt werden kann. Dies setzt voraus, dass das Kugelklemmgelenk mit geringem Aufwand wieder exakt in die vordefinierte Relativposition gebracht werden kann.
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Hierzu kann eine Passausnehmung vorgesehen sein, die durch einen ersten, in dem Kugelpfannenteil vorgesehenen Passausnehmungsbereich und durch einen zweiten, in dem Kugelkopfteil, insbesondere in dem kugelkopfartigen Element, vorgesehenen Passausnehmungsbereich gebildet sein kann. Durch Lösen der Klemmeinrichtung kann das Kugelklemmgelenk zunächst annähernd in seine Relativposition gebracht werden. Anschließend erfolgt eine Feinjustierung, indem ein „Passelement” in die Passausnehmung eingebracht wird. Durch Einbringen des Passelements in die Passausnehmung wird sichergestellt, dass die beiden Passausnehmungsbereiche exakt relativ zueinander ausgerichtet sind, d. h. dass das Kugelgelenk exakt wieder die vordefinierte Relativposition einnimmt.
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Die Passausnehmung kann z. B. zylindrisch oder konisch gestaltet sein. Bei der Passausnehmung kann es sich insbesondere um eine das Kugelkopfteil durchsetzende und ein Stück weit in das Kugelkopfteil reichende Passbohrung handeln.
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Bei dem Passelement kann es sich z. B um einen zylindrischen oder konischen oder in anderer Weise komplementär in Bezug auf die Passausnehmung gestalteten Passstift handeln.
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Vorzugsweise ist die Passausnehmung so angeordnet, dass eine Längs- bzw. Symmetrieachse der Passausnehmung versetzt zu einem Mittelpunkt des kugelkopfartigen Elements ist. Bei einem derartigen Versatz der Passausnehmung würde zum exakten Einstellen der Relativposition theoretisch eine einzige Passausnehmung genügen. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass es auch bei einem Versatz der Passausnehmung in Bezug auf den Mittelpunkt von Vorteil ist, zwei derartige Passausnehmungen vorzusehen, die vorzugsweise unter einem Winkel von 90° relativ zueinander angeordnet sind. Geeignet sind aber auch andere Winkellagen. Wichtig ist, dass die beiden Passausnehmungen versetzt, insbesondere schräg oder windschief in Bezug zueinander angeordnet sind.
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Nach dem erneuten Einrichten des Kugelklemmgelenks entsprechend der vordefinierten Relativposition wird die Klemmeinrichtung angezogen, wodurch das Kugelklemmgelenk in der erneut eingestellten vorgegebenen Relativposition „eingefroren” wird. Anschließend wird das bzw. werden die Passelemente aus der Justierausnehmung bzw. aus den Justierausnehmungen herausgezogen. Das Kugelklemmgelenk ist dann wieder in betriebsbereitem Zustand.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Klemmeinrichtung eine ”Anzieheinrichtung” und eine Federeinrichtung auf. Die Federeinrichtung ist zum Aufbringen einer das Kugelkopfteil und das Kugelpfannenteil zusammendrückenden Klemmkraft vorgesehen. Die Anzieheinrichtung kann beispielsweise durch eine oder mehrere Schrauben gebildet sein. Gemäß der Erfindung kann ein Anschlag vorgesehen sein, der sicherstellt, dass bei Überschreiten einer vorgegebenen Anziehkraft, mit der die Anzieheinrichtung angezogen wird, die Klemmkraft den bei Erreichen der vorgegebenen Anziehkraft erreichten Wert beibehält. Damit wird sichergestellt, dass selbst bei zu starkem Anziehen der Anzieheinrichtung die Klemmkraft auf einen vorgegebenen Wert begrenzt ist. Wäre die Klemmkraft nicht konstruktiv begrenzt, so müsste die Anzieheinrichtung jedes Mal mit einem Drehmomentschlüssel oder einer anderen die Anziehkraft überwachenden Einrichtung angezogen werden, was aufwändig ist.
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Das oben beschriebene Kugelklemmgelenk kann, wie bereits erwähnt, insbesondere als ”Rutschkupplung” bei Halte-, Greif- oder Transport-Armen eingesetzt werden. Um sicherzustellen, dass bei jedem Kollisionsfall, d. h. unabhängig von der Richtung, in welcher der betreffende Halte-, Greif- oder Transportarm mit einem Hindernis zusammenstößt, ein ”Nachgeben” erfolgt, sollten mindestens zwei derartige Kugelklemmgelenke in den Arm integriert sein, wobei sich die Einbaulage der beiden Kugelklemmgelenke relativ zueinander unterscheiden sollte.
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Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 Ein Kugelklemmgelenk gemäß der Erfindung in einer vordefinierten Relativposition;
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2 das Kugelklemmgelenk der 1 bei veränderter Relativposition;
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3 ein Ausführungsbeispiel einer Klemmeinrichtung für ein Kugelgelenk gemäß der Erfindung;
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4 einen Ausschnitt eines Greif-, Halte- oder Transportarms mit zwei Kugelklemmgelenken gemäß der Erfindung; und
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5 den Vorgang des Einstellens einer exakt vordefinierten Relativposition.
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1 zeigt ein Kugelklemmgelenk 1, bestehend aus einem Kugelpfannenteil 2, das eine kugelpfannenartige Ausnehmung 3 aufweist, und einem Kugelkopfteil 4, welches ein kugelkopfartiges Element 5 und einen sich daran anschließenden Verbindungsabschnitt 6 aufweist. Das kugelkopfartige Element 5 ist in die kugelpfannenartige Ausnehmung 3 des Kugelpfannenteils 2 eingesetzt. Mittels einer später, insbesondere im Zusammenhang mit der 3, noch näher zu erläuternden Klemmeinrichtung 7, wird das kugelkopfartige Element 5 in die kugelpfannenartige Ausnehmung 3 gedrückt. Durch die Andrück- bzw. Klemmkraft wird das Kugelkopfteil 4 in Bezug auf das Kugelpfannenteil 2 reibschlüssig in der in 1 gezeigten, definierten, voreingestellten Relativposition gehalten.
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Die Relativposition wurde bei gelöster Klemmeinrichtung exakt eingestellt. Um sicherzustellen, dass eine vorgegebene Relativposition exakt erreicht wird, ist eine Passausnehmung 9 vorgesehen. Bei dem in den 1, 2 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Passausnehmung 9 um eine Passbohrung, die einen ersten, in dem Kugelpfannenteil 2 vorgesehenen Passausnehmungsbereich 10 und einen zweiten, in dem kugelkopfartigen Element 5 vorgesehenen Passausnehmungsbereich 11 aufweist. Um sicherzustellen, dass die vorgegebene Relativposition exakt erreicht wird, wird das Kugelkopfteil 4 bei gelöster Klemmeinrichtung so verschwenkt, dass die beiden Passausnehmungsbereiche 10, 11 fluchten. Anschließend wird, wie aus 5 ersichtlich ist, ein Passelement 6, z. B. ein Passstift, in die Passausnehmung 9 eingeschoben. Vorzugsweise sind zwei z. B. um 90° versetzt zueinander angeordnete Passausnehmungen vorgesehen, wodurch sich die Positionsgenauigkeit weiter erhöhen lässt. Dementsprechend kommen bei der in 5 gezeigten Anordnung auch zwei Passelemente 6, 6' zum Einsatz.
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Nach dem Einrichten der vordefinierten Relativposition wird die Klemmeinrichtung 7 angezogen, wodurch das Kugelklemmgelenk 1 in der Relativposition fixiert wird. Nach dem Anziehen der Klemmeinrichtung 7 wird das verwendete Passelement 6 bzw. werden die verwendeten Passelemente 6, 6' aus der bzw. den Passausnehmungen 9 herausgezogen.
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Vollständigkeitshalber sei noch erwähnt, dass bei dem in den 1, 2 gezeigten Ausführungsbeispiel das Kugelpfannenteil eine halbzylindrische Ausnehmung 12 aufweist. Das Kugelpfannenteil kann beispielsweise auf eine zu der Ausnehmung 12 komplementäre Stange montiert und mittels eines Schellenelements bereits daran fixiert werden.
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Tritt während des Betriebs des Kugelklemmgelenks 1 eine ”Überlast” auf, so gibt das Kugelklemmgelenk 1 nach, was zu einem Verschwenken des Kugelkopfteils 4 in Bezug auf das Kugelpfannenteil 2 führt. Durch das Verschwenken wird ein Aufnehmer 14 (bei dem es sich um eine Kugel handeln kann) der Sensoreinrichtung aus einer Vertiefung 15, die in dem kugelkopfartigen Element 5 vorgesehen ist, herausgedrückt. Dieses Herausdrücken wird durch eine Sensoreinrichtung 8 detektiert. Ein von der Sensoreinrichtung 8 geliefertes Signal kann als Überlast- bzw. Kollisionssignal und zum Abschalten einer Anlage bzw. eines Roboters, in die bzw. in den das Kugelklemmgelenk 1 integriert ist oder mit der bzw. mit dem das Kugelklemmgelenk 1 zusammenwirkt verwendet werden.
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3 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Klemmeinrichtung 7. Die Klemmeinrichtung 7 weist eine Lochplatte 16 auf, deren Loch einen zumindest etwas geringeren Durchmesser als das kugelkopfartige Element 5 hat. Die Lochplatte 16 wird durch mindestens eine Feder 17 nach unten gedrückt. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel stützt sich die Feder 17 zum einen an der Oberseite der Lochplatte 16 und zum anderen an einer Unterseite eines Schraubenkopfs 18 einer Schraube 19 ab. Die Schraube 19 weist einen ersten Schaftabschnitt 20 und einen zweiten Schaftabschnitt 21 auf. Der erste Schaftabschnitt 20 hat einen größeren Durchmesser als der zweite Schaftabschnitt 21. Der zweite Schaftabschnitt 21 ist in eine Gewindebohrung eingeschraubt, die in dem Kugelpfannenteil 2 vorgesehen ist. Durch den durch die beiden Schaftabschnitte 20, 21 gebildeten ”Absatz” wird erreicht, dass die Lochplatte 16 unabhängig vom Anzugsmoment der Schraube 19 stets mit einer konstruktiv durch die Feder 17 vorgegebenen Andrückkraft gegen das kugelkopfartige Element 5 gedrückt wird. Die Klemmkraft der Klemmeinrichtung 7 ist somit unabhängig vom Anzugsmoment der Schraube 19. Selbstverständlich können entlang des Umfangs der Lochplatte 16 mehrere derartige Schrauben 19 vorgesehen sein.
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4 zeigt einen Greif- bzw. Halte- oder Transportarm 22, der einen ersten stangenartigen Armabschnitt 23 aufweist, der über ein erstes Kugelklemmgelenk 1 mit einem Zwischenstück 23 verbunden ist. Das Zwischenstück 23 wiederum ist über ein zweites Kugelklemmgelenk 1' mit einem Armabschnitt 24 verbunden. Wie aus 4 ersichtlich ist, sind die beiden Kugelklemmgelenke 1, 1' um ca. 90° verdreht zueinander angeordnet. Dadurch wird sichergestellt, dass unabhängig von der Richtung einer Kollisionskraft der Arm 22 oder genauer gesagt, mindestens eines der beiden Kugelklemmgelenke 1, 1' bei Überschreiten eines vorgegebenen Kollisionsmoments nachgibt bzw. nachgeben.
