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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Robotik, Automation und Handhabungstechnik und insbesondere eine Antriebseinheit für einen Werkzeugwechsler zur lösbaren Kopplung von Werkzeugen an Handhabungsgeräten sowie ein Verfahren zum Wechseln von Werkzeug mittels des Werkzeugwechslers.
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Industrieroboter werden in der modernen Produktionstechnik, z. B. in der Nahrungsmittelindustrie, Medizintechnik, Elektrotechnikindustrie, Automobiltechnik udgl. eingesetzt. Sie dienen einerseits dazu, um Transportvorgänge zu beschleunigen oder werden in verschiedenen Produktionsschritten mit den unterschiedlichsten Aufgaben eingesetzt, beispielsweise zum Umsetzen und Montieren von Bauteilen, Vermessen von Werkzeugen, Greifen udgl.
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Bekannt sind Werkzeugwechsler, aufweisend ein Kupplungssystem, insbesondere für Industrieroboter mit einer Verriegelungseinrichtung zur Koppelung von miteinander in Eingriff befindlichen Kupplungselementen des Kupplungssystems. Ein Werkzeugwechsler stellt eine mechanische Standardschnittstelle zur physikalischen Kopplung einer Vielzahl von Werkzeugen an einen Roboterarm sowie zur Gewährleistung der Übertragung der Antriebsmedien für Werkzeuge zur Verfügung.
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Bekannt ist eine Greiferwechselkuppelung für Handhabungsgeräte (
DE 37 13 619 A1 ). Die Greiferwechselkuppelung weist dabei einen Greiferwechselkopf und eine Adapterplatte auf. Zwei im Abstand zueinander aus der Adapterplatte vorspringende Zentrierzapfen ragen in zwei Zentrieröffnungen des Greiferwechselkopfs und werden dort durch eine im Greiferwechselkopf quer verschiebbar geführte Riegelplatte verriegelt. Sie weist zwei Aufnehmungen auf, die mit ihren Rändern bei einer Querverschiebung der Riegelplatte in seitliche Hinterschneidungen der Zentrierzapfen verriegelt eingreifen.
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Es sind des weiteren Werkzeugwechsler bekannt, die eine automatische Greiferkopplung aufweisen (
DE 10 2009 003 516 A1 ), die eine Andruckplatte zur Aufnahme eines Greifers mittels einer Tragplatte und mindestens eine erste Klemmbacke sowie mindestens eine zweite Klemmbacke aufweisen. Eine pneumatische Hebelmechanik ist der Andruckplatte zugeordnet, welche die Klemmbacken auf einander zu bewegt, um die Tragplatte zu klemmen, oder die Klemmbacken voneinander entfernt, um die Tragplatte zu lösen. Mittels der pneumatischen Hebelmechanik wurde ein Totpunkt überschritten, welcher zu einer Selbstsicherung der Klemmung führen sollte. Um eine sichere Klemmung zu erreichen, ist es erforderlich, dass die Pneumatikzylinder derart groß dimensioniert sind, dass eine ausreichende Kraft gewährleistet ist, um den Totpunkt des Mechanismus zu erreichen oder zu überwinden.
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Die Verwendung von Pneumatik- oder Hydraulikeinrichtungen zur Kopplung und Entkopplung der Kupplungselemente erfordert einen großen Platzaufwand und ein aufwändiges Herstellungsverfahren. Das Betätigungsmedium Luft ist zudem in der Herstellung ein sehr teures Medium. Bekannte Energieversorgungseinheiten sind als Zusatzelemente wenig effizient und verbrauchen Platz am Werkzeugwechselkopf.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebseinheit für einen Werkzeugwechsler zur Verfügung zu stellen, mit der automatisch Werkzeuge gewechselt sowie in einfacher Weise gekuppelt und entkuppelt werden können und dabei sichergestellt wird, dass die Werkzeuge während des Betriebs sicher am Träger eines Handhabungssystems befestigt bleiben und dass eine sichere und effiziente sowie kostengünstige Energieversorgung gewährleistet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß weist der Werkzeugwechsler einen Werkzeugkopf, einen Werkzeugadapter sowie eine Koppelungseinheit zum automatischen Wechseln und Koppeln von Werkzeugen auf, bei der die Verriegelung und die Entriegelung über elektrische Aktuatoren erfolgt. Zur Energieversorgung wird ein elektrischer Aktuator in Form einer integrierten Antriebseinheit vorgeschlagen. Dadurch wird ein elektrisches Handhabungs-Wechselsystem zum automatischen Auswechseln und Kuppeln von Handhabungseinheiten, wie beispielsweise Greifmodulen an Robotern, zur Verfügung gestellt.
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Die integrierte Antriebseinheit ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Niederspannungseinheit mit hoher Energieeffizienz. Um die Spannkraft zu erhalten, ist kein zusätzliches Element notwendig. Die Antriebseinheit ist in den Werkzeugwechsler integriert. Die Spannung der Niederspannungseinheit beträgt dabei insbesondere max. 60 V.
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Die Niederspannungseinheit ist als Hohlwelleneinheit, insbesondere als Hohlwellenmotor ausgebildet. Der Hohlwellenmotor weist eine Spindel auf, die durch den Hohlwellenmotor in Richtung Betätigungsachse ausgerichtet ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Spindel als Gewindespindel ausgebildet. Dies ist eine Spindel mit einer gewendelten Nut. Über die Steigung der Gewindespindel erfolgt eine Selbsthemmung (Selbsthaltung des Adapters), so dass die Verriegelung des Werkzeugwechslers auch nach Abschalten der Stromzuführung sicher gehalten wird.
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Die Energie wird nur zur kurzzeitigen Betätigung des Werkzeugwechslers eingesetzt, danach kann die Energie abgeschaltet werden. Die Spannkraft wird durch die Gewindespindel gehalten. Die mechanische Verriegelung erfolgt durch die Selbsthemmung bzw. Selbsthaltung der Gewindespindel. Die Abschaltung kann beispielsweise über einen eingebauten Sensor zur Robotersteuerung oder einen Touch-Sensor durch den Bediener des Roboterarms erfolgen.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann der elektrische Aktuator als Elektromagnet ausgebildet sein. Dieser Elektromagnet ist integriert in den Wechselkopf ausgebildet. Er bildet beispielsweise den Kern eines Stößels.
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Die sichere Koppelung der Koppelungseinheit kann also elektrisch oder mechanisch, aber auch über Federelemente oder mechanische Selbsthemmung erfolgen.
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Der Werkzeugwechsler ist dabei so ausgestaltet, dass der Wechselvorgang über den elektrischen Aktuator, der eine Betätigungsstange bzw. Spindel in Bewegung setzt, auf den Verriegelungs- und Betätigungskonus übertragen wird. Der Verriegelungs- und Betätigungskonus bewegt sich in Axialrichtung, in Richtung eines Wechseladapters oder in Richtung einer Bodenplatte. Durch diese Bewegung wird ein oder mehrere Verriegelungsbolzen radial in Richtung der Verriegelungskontur für den Wechseladapter bewegt und dadurch in eine Verriegelungskontur verschoben. Damit ist ein Verriegeln oder Öffnen der Verriegelung möglich. Die Verriegelungskontur ist dabei in einer radialen Ausnehmung im Wechselkopf geführt.
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Dabei sind die Betätigungsstange und der Verriegelungs- und Betätigungskonus über ein lösbares Kuppelelement miteinander verbunden, das erforderlichenfalls auch die Verdrehsicherung übernehmen kann.
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Ein Verdreh- und Zentrierbolzen wird in einer axialen Ausnehmung im Gehäuse des Wechselkopfs geführt und über ein Federelement in eine Kontur in den Wechseladapter gedrückt.
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Die Bewegung der Verriegelungsbolzen werden auf die Bewegung des Verriegelungs- und Betätigungskonus umgesetzt, wobei die Zwangsbewegung der Verriegelungsbolzen und des Verriegelungs- und Betätigungskonus durch eine Ausnehmung auf deren Konusflächen gewährleistet wird und durch das genaue Zusammenlaufen eine Zwangssynchronisation vorliegt.
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Der in den Wechselkopf integrierte elektrische Aktuator kann eine Dreh- oder Linearbewegung erzeugen, die über die Wendelkontur einer Umsetz- und Betätigungsspindel in eine lineare Bewegung umgewandelt wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zur Lagerung der verschiedenen Werkzeugadapter unterschiedlicher oder gleichartiger Werkzeuge ein Adapterablagesystem vorgesehen, das den jeweiligen Wechseladapter aufnimmt und lagert.
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Die Verriegelungsmittel zur lösbaren Koppelung der Werkzeuge an den Handhabungsgeräten sind beispielsweise mechanisch ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann ein weiterer elektrischer Aktuator, der eine Dreh- oder Linearbewegung erzeugt, für eine lineare Bewegung eingesetzt werden.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann eine Umsetz- und Betätigungsstange zum Lösen der Verriegelung zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann zur Erzeugung der Verriegelungskraft auch ein Federelement Verwendung finden.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können Magnete zum Einsatz kommen, die als Verriegelungs- und/oder Entriegelungsmittel dienen, wobei die Spannkraft über Federelemente erzielt wird.
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Durch die Ausgestaltung des Werkzeugwechslers mit der integrierten Antriebseinheit ist es möglich, einen Werkzeugwechsler zur Verfügung zu stellen, mit dem automatisch Werkzeuge gewechselt sowie in einfacher Weise gekuppelt und entkuppelt werden können und dabei sichergestellt wird, dass die Werkzeuge sicher während des Betriebs am Träger eines Handhabungssystems befestigt bleiben sowie eine sichere und effiziente Energieversorgung während des Betriebs gewährleistet ist.
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Die Effizienz ergibt sich insbesondere daraus, dass nur so lange Strom angelegt werden muss, bis die für die Verriegelung erforderliche Spannkraft bzw. Haltekraft aufgebaut ist. Danach ist die Verriegelung mechanisch durch die Selbsthemmung bzw. Selbsthaltung gewährleistet und die Energieversorgung kann abgeschaltet werden.
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Zum Antrieb des Werkzeugwechslers ist keine Hydraulik und keine Pneumatik notwendig. Das Antriebssystem ist rein elektrisch, energieeffizient und platzsparend ausgebildet.
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Auf der Außenseite des Werkzeugwechslers sind keine Kabelführungen notwendig, es müssen keine Stecker angeordnet werden. Alle notwendigen Energieverbindungen können intern durch den Roboter und den Wechsler geführt werden. Dies erhöht die Sicherheit des Roboterarms sowie des Bedieners. Im Sinne des Systems Mensch/Maschine bietet diese Ausgestaltung der Erfindung eine bessere Bedienbarkeit und eine erhöhte Sicherheit.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, den Zeichnungen sowie den Ansprüchen entnehmbar.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen Wechselkopf und
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2 einen Querschnitt durch den Wechselkopf nach 1,
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3 einen Längsschnitt durch einen Wechselkopf,
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4 einen Wechselkopf mit einem Werkzeug,
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5 eine Ansicht des Wechselkopfs nach 4 von oben,
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6 eine Schrägansicht auf den Wechselkopfs,
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7 einen Längsschnitt durch den Wechselkopf mit Energieversorgungseinheiten sowie
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8 einen Längsschnitt durch den Wechselkopf nach 7,
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9 zeigt einen Roboterarm mit dem Wechselkopf nach 4 und
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10 zeigt den Roboterarm nach 9.
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In 1 ist ein Werzeugwechsler 100 mit einer integrierten Antriebseinheit im Längsschnitt dargestellt.
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Ein Wechselkopf 1 weist einen Wechseladapter 2 sowie eine Verriegelungskontur 3 für den Wechseladapter 2 auf.
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Des weiteren weist der Werkzeugwechsler 100 eine Betätigungsstange 4 und einen Zentrierkonus 5 auf. Die Betätigungsstange 4 kann als Gewindespindel, also als Spindel mit einer gewendelten Nut, ausgebildet sein.
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Über den Zentrierkonus 5 erfolgt eine Zwangsführung, so dass durch die Selbsthaltung der Gewindespindel eine Energieversorgung nur zur Betätigung erfolgen muss, danach kann eine Abschaltung der Stromzufuhr erfolgen. Ein Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 hat zwei Anschläge 7. Ein Verdreh- und Zentrierbolzen 8 dient der sicheren Verbindung. Ein elektrischer Aktuator 9 dient der Betätigung einer Verriegelungsmechanik. Der elektrische Aktuator 9 ist in den Wechselkopf 1 integriert ausgebildet. Er ist in diesem ersten Ausführungsbeispiel als Niederspannungseinheit bis 60 V mit hoher Energieeffizienz ausgebildet. Er kann beispielsweise ein Hohlwellenmotor sein, durch den die Gewindespindel 4 geführt ist. Dieser Hohlwellenmotor ist in Richtung der Betätigungsachse integriert in die Einheit eingesetzt.
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Die Betätigungsstange 4 und der Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 sind über ein lösbares Kuppelelement miteinander verbunden. Wenn es erforderlich ist, kann das Kuppelelement auch die Verdrehsicherung übernehmen.
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Der Verdreh- und Zentrierbolzen 8 (Schwert) verhindert das Verdrehen des Wechseladapters 2 in gespanntem Zustand, wenn durch fremdeinwirkende Kräfte ein Drehmoment am Wechseladapter entsteht. Des weiteren weist der Wechselkopf 1 Verriegelungsbolzen 11, insbesondere drei solcher Verriegelungsbolzen 11, auf.
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Der Zentrierkonus 5 ist nach der Verriegelung des Wechselkopfs 1 sowie des Wechseladapters 2 mit den Verriegelungsbolzen 11 dargestellt.
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Eine Bodenplatte 12 kann einem Roboterbefestigungsflansch angepasst werden oder aber an einen Standardboden angebaut werden.
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Die Verriegelungsbolzen 11 und der Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 haben eine Ausnehmung als Führung auf ihren Konusflächen, um eine Zwangsbewegung (Einfahren, Ausfahren) der beiden Einrichtungen 11 und 6 zu gewährleisten.
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Der Wechselkopf 1 weist zwei Anschläge 7 auf, die sowohl als Befestigung des elektrischen Aktuators 9 als auch als Anschlag für den Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 dienen. Der Anschlag 7 wird als Hubbegrenzung des Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 eingesetzt um zu verhindern, dass der Verriegelungsbolzen 11 aus der radialen Führung 51 im Wechselkopf 1 und seiner axialen Führung im Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 wandern könnte.
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Das Gehäuse des Wechselkopfs 1 weist eine axiale Ausnehmung 52, eine Kontur 53 sowie einen Führungsstift für ein Federelement 54 auf.
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2 zeigt einen Querschnitt durch den Wechselkopf 1 nach 1. Dabei sind Ausnehmungen 50, die auf den Konusflächen des Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 und den Verriegelungsbolzen 11 angeordnet sind und die als radiale Führung für den Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 dienen, dargestellt. Es sind drei Verriegelungsbolzen 11 mit derartigen Ausnehmungen 50 dargestellt.
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3 stellt einen Längsschnitt durch den Wechselkopf 1 dar. Dabei kommt als alternatives Ausführungsbeispiel ein alternativer elektrischer Aktuator 18, insbesondere in einer Ausbildung als Elektromagnet, zum Einsatz. Dieser löst eine lineare Bewegung aus. Dabei dient eine Umsetz- und Betätigungsstange 19 dem Lösen oder Spannen der Verriegelung. Der Elektromagnet 18 ist integriert in den Wechselkopf 1 ausgebildet. Er bildet beispielsweise den Kern eines Stößels bzw. eines Federelements 20 zur Erzeugung der Verriegelungskraft.
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4 zeigt einen Wechselkopf 1 des Werkzeugwechslers 100 mit einem Werkzeug 13,
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5 eine Ansicht des Wechselkopfs 1 nach 4 mit der Bodenplatte 12 von oben,
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6 eine Schrägansicht auf den Wechselkopf 1 nach 5 mit Energieübertragungseinheiten 26, die beispielsweise schwimmend am Wechselkopf 1 angeordnet werden können.
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7 zeigt einen Längsschnitt durch den Wechselkopf 1 mit Energieversorgungseinheiten 30 sowie Leitungen bzw. Elektrokabel 10. Alle notwendigen Energieverbindungen 10 werden intern durch den Roboter und den Wechsler geführt. Somit sind außerhalb keine störenden Elektroleitungen mehr notwendig.
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Die Energieübertragungseinheit 30 ist dabei fest am Wechseladapter 2 angebaut. Sie weist ein Übertragungselement 31 für ein Energiemedium, beispielsweise die Elektrik, auf.
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8 zeigt einen Längsschnitt durch den Wechselkopf 1 nach 7 in der um 90° gedrehten Schnittrichtung.
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9 zeigt einen Roboterarm 55 mit dem Wechselkopf 1 des Werkzeugwechslers sowie dem Werkzeug 13,
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10 zeigt den Roboterarm 55 nach 9.
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Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels
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Der Werkzeugwechsler 100 ist so ausgestaltet, dass der Wechselvorgang über den integriert angeordneten elektrischen Aktuator 9, der eine Betätigungsstange 4 in Bewegung setzt, auf den Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 übertragen wird. Der Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 bewegt sich in Axialrichtung, in Richtung des Wechseladapters 2 oder in Richtung der Bodenplatte 12. Durch diese Bewegung wird der Verriegelungsbolzen 11 radial in Richtung der Verriegelungskontur für den Wechseladapter 2 bewegt und dadurch in die Verriegelungskontur 3 verschoben. Damit ist ein Verriegeln oder Öffnen der Verriegelung möglich. Die Verriegelungskontur 3 ist dabei in einer radialen Ausnehmung im Wechselkopf 1 geführt.
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Dabei sind die Betätigungsstange 4 und der Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 über ein lösbares Kuppelelement miteinander verbunden, das erforderlichenfalls auch die Verdrehsicherung übernehmen kann.
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Der Verdreh- und Zentrierbolzen 8 wird in einer axialen Ausnehmung 52 im Gehäuse des Wechselkopfs 1 geführt und über ein Federelement 54 in die Kontur 53 in den Wechseladapter 2 gedrückt.
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Die Bewegung der Verriegelungsbolzen 11 wird auf die Bewegung des Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 umgesetzt, wobei die Zwangsbewegung der Verriegelungsbolzen 11 und des Verriegelungs- und Betätigungskonus 6 durch die Ausnehmung 50 als erste radiale Führung auf deren Konusflächen gewährleistet wird.
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Der elektrische Aktuator 9 kann in einem anderen Ausführungsbeispiel eine Drehbewegung erzeugen, die beispielsweise über eine Wendelkontur einer Umsetz- und Betätigungsstange in eine lineare Bewegung umgewandelt wird.
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Alternativ kann ein elektrischer Aktuator, der als Elektromagnet 18 ausgebildet ist, beispielsweise für Dreh- oder lineare Bewegungen eingesetzt werden. Des weiteren kann alternativ ein Federelement 20 bzw. ein Stößel zur Erzeugung der Verriegelungskraft verwendet werden. Der Elektromagnet 18 kann dabei innerhalb des Stößels 20 als dessen Kern angeordnet werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Werkzeugwechsler 1 können Werkzeuge 13 unterschiedlichster Größe und mit unterschiedlichem Gewicht gewechselt werden und so die Bedienbarkeit und die Energieeffizienz des Roboterarms 55 optimieren.
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Alle in der Beschreibung, den Zeichnungen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wechselkopf
- 2
- Wechseladapter
- 3
- Verriegelungskontur für Wechseladapter
- 4
- Betätigungsstange
- 5
- Zentrierkonus
- 6
- Verriegelungs- und Betätigungskonus
- 7
- Anschlag
- 8
- Verdreh- und Zentrierbolzen
- 9
- Hohlwellenmotor
- 10
- Leitung
- 11
- Verriegelungsbolzen
- 12
- Bodenplatte
- 13
- Werkzeug
- 18
- Elektromagnetmotor
- 19
- Umsetz- und Betätigungsstange
- 20
- Federelement/Stößel
- 26
- schwimmend angebaute Energieübertragungseinheit
- 30
- fest angebaute Energieübertragungseinheit
- 31
- Übertragungselement
- 50
- erste radiale Führung
- 51
- zweite radiale Führung
- 52
- axiale Ausnehmung
- 53
- Kontur
- 54
- Federelement
- 55
- Roboterarm
- 100
- Werkzeugwechsler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3713619 A1 [0004]
- DE 102009003516 A1 [0005]
