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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugwechselvorrichtung mit Schnellantrieb, insbesondere eine Werkzeugwechselvorrichtung, die elektrisch angetrieben wird und besonders kompakt ist.
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Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der italienischen Anmeldung BS2014A000129, die am 15. Juli 2014 eingereicht wurde.
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Stand der Technik
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Im Bereich der industriellen Automatisierung ist die Verwendung von Werkzeugwechselvorrichtungen bekannt, die einem robotergesteuerten Manipulator, zum Beispiel einem Gelenkarm, ermöglichen, jeweils das für eine bestimmte Bearbeitung benötigte Werkzeug zu entnehmen und zu bewegen.
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Die Anforderungen sind in den verschiedenen Bereichen nicht sehr unterschiedlich.
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Im medizinischen Bereich zum Beispiel sind Maschinen bekannt, die mit einer Vielzahl von Diagnoseinstrumenten versehen sind, die selektiv zwischen einer Nichtverwendungsposition und einer Verwendungsposition bewegt werden müssen.
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Um jeweils das gewünschte Werkzeug oder Instrument entnehmen zu können, sind die Manipulatoren mit einer Werkzeugwechselvorrichtung versehen; Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Werkzeugwechselvorrichtung mit elektrischem Antrieb.
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Die heutzutage verfügbaren Vorrichtungen umfassen grundsätzlich einen Steckerteil, der zur Befestigung an dem Werkzeug oder an dem Instrument vorgesehen ist, das entnommen und bewegt werden muss, und einen Hauptkörper, der zur permanenten Befestigung an dem Manipulator vorgesehen ist, zum Beispiel mit Hilfe von Schrauben, der seinerseits mit einem Einsteckteil versehen ist, das zum Aufnehmen und Festhalten des Steckerteils über den benötigten Zeitraum eingerichtet ist.
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Im Körper der Werkzeugwechselvorrichtungen sind die zum reversiblen Blockieren des Steckerteils im Einsteckteil vorgesehenen Organe aufgenommen. Herkömmlicherweise werden diejenigen Werkzeugwechselvorrichtungen als 'mit Schnellantrieb' definiert, bei denen sich die Blockierorgane mit hoher Geschwindigkeit bewegen, um schnell, zum Beispiel in weniger als 1 Sekunde, den Steckerteil, und damit das Werkzeug oder das Instrument, anzukuppeln und abzukuppeln.
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Es sind Werkzeugwechselvorrichtungen mit elektrischem oder pneumatischem Antrieb verfügbar, je nachdem, ob die Betätigungsorgane von einem elektrischen Motor oder einem unter Druck befindlichen Fluid betätigt werden.
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Die deutsche Firma SCHUNK GmbH & Co KG zum Beispiel stellt eine Vielzahl von Werkzeugwechselvorrichtungen her, mit elektrischem oder pneumatischem Antrieb.
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Unter dem Namen 'Quick Change system EWS' wird eine Werkzeugwechselvorrichtung mit elektrischem Antrieb vertrieben, die im Detail in dem Datenblatt beschrieben ist, das unter der folgenden Internetadresse zugänglich ist: http://www.schunk.com/schunk_files/attachments(EWS_Highlights_2013-11_EN.pdf.
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Das Dokument
FR 2602990 beschreibt einen elektrischen Werkzeugwechsler mit Schnellantrieb, bei dem der Steckerteil durch eine entsprechende Blockierscheibe je nach der Winkelposition, die diese letzte zu einem bestimmten Zeitpunkt einnimmt, blockiert oder freigegeben wird.
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Von der Anmelderin wurde festgestellt, dass die bekannten Werkzeugwechselvorrichtungen im Allgemeinen einen komplizierten Aufbau haben, sperrig, schwer und teuer in der Herstellung sind.
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Das Gewicht ist ein ausgesprochen relevanter Aspekt, da eine Werkzeugwechselvorrichtung üblicherweise zusammen mit dem Werkzeug oder dem Instrument bewegt wird und somit dazu beiträgt, die Trägheit der bewegten Masse zu erhöhen.
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Auch die Abmessungen der Werkzeugwechselvorrichtungen sind wichtig. Je größer der Platzbedarf, desto weniger vielseitig ist die Anwendbarkeit, da der Aktionsradius des Manipulators begrenzt wird, auf dem eine Werkzeugwechselvorrichtung montiert ist. Eine Werkzeugwechselvorrichtung mit großen Abmessungen kann eindeutig nicht verwendet werden, um Werkzeuge oder Instrumente in engen Räumen zu entnehmen.
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Ferner ist es wünschenswert, den Aufbau der Werkzeugwechselvorrichtungen weitestgehend zu vereinfachen, auch um deren Herstellungs- und Instandhaltungskosten und die für den jeweiligen Betrieb benötigte Energie zu minimieren.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen ist durch die Tatsache bedingt, dass sie allgemein nicht ermöglichen, die erfolgte Blockierung oder Lösung des Steckerteils genau festzustellen. Mit anderen Worten ermöglichen sie nicht, auf einfache und zeitlich zuverlässige Art und Weise festzustellen, ob das Werkzeug angekuppelt oder abgekuppelt ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Werkzeugwechselvorrichtung, welche die Nachteile der herkömmlichen Lösungen beseitigt und einfach ihrem Aufbau, kompakt, relativ leicht, zuverlässig und wirtschaftlich bleibt.
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Ein besonderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Werkzeugwechselvorrichtung, die ermöglicht, mit der höchsten Glaubwürdigkeit und Zuverlässigkeit festzustellen, warm das Werkzeug angekuppelt oder abgekuppelt ist.
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Noch ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten Werkzeugwechselvorrichtung, die in der Lage ist, den Steckerteil mit minimaler Reibung zu blockieren.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Werkzeugwechselvorrichtung, die eine möglichst lange Lebensdauer auch in aggressiven Arbeitsumgebungen, zum Beispiel aufgrund des Vorhandenseins von aggressiven chemischen Substanzen, zu garantieren.
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Die vorliegende Erfindung betrifft daher eine Werkzeugwechselvorrichtung, mit Schnellantrieb, gemäß Anspruch 1.
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Insbesondere umfasst die Werkzeugwechselvorrichtung Folgendes:
- – einen Hauptkörper, zum Beispiel kastenförmig, der mit einem externen Bewegungssystem verbunden werden kann;
- – eine Blockierscheibe, die in dem Hauptkörper aufgenommen ist und relativ zu diesem auf einer Drehachse in beiden Richtungen, im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn, drehbar ist zwischen einer Blockierposition und einer Löseposition, die weiter unten definiert werden;
- – Antriebsmittel, welche die Blockierscheibe zur Drehung antreiben; und
- – einen Steckerteil, der zur Befestigung an einem zu bewegenden Werkzeug bestimmt ist.
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Der Hauptkörper ist mit einem Sitz zur Aufnahme des Steckerteils entlang der Drehachse dahingehend versehen, dass der Steckerteil in den entsprechenden Aufnahmesitz mit einer Translationsbewegung entlang der Drehachse der Blockierscheibe einführbar ist.
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In der Löseposition schiebt sich die Blockierscheibe nicht vor den Sitz zur Aufnahme des Steckerteils, das somit frei eingeführt und herausgezogen werden kann; in der Blockierposition hingegen schiebt sich die Blockierscheibe wenigstens teilweise vor den Aufnahmesitz, um darin den Steckerteil festzuhalten, der unter diesen Umständen nicht aus dem Hauptkörper herausgezogen und von ihm getrennt werden kann. Auf diese Weise ergibt sich eine reversible Kupplung des Steckerteils am Hauptkörper der Vorrichtung.
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Die Werkzeugwechselvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist als mit Schnellantrieb definiert, da eine minimale, und damit schnelle, Drehung der Blockierscheibe ausreicht, um den Steckerteil in dem entsprechenden Aufnahmesitz festzuhalten.
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Die von der vorgeschlagenen Lösung gebotenen Vorteile sind vielfältig.
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Zunächst ist die Werkzeugwechselvorrichtung besonders kompakt: die axiale Ausdehnung des Steckerteils und des entsprechenden Aufnahmesitzes kann dank der Tatsache, dass die Blockierscheibe ein von sich aus im Wesentlichen dünnes Teil ist, begrenzt werden. Zum Beispiel kann die Blockierscheibe eine Dicke zwischen 2 mm und 6 mm haben, und der Steckerteil kann sich axial über 1 cm bis 3 cm erstrecken. Dies ermöglicht, den axialen Platzbedarf des Hauptkörpers der Vorrichtung auf weniger als 4 cm zu begrenzen. Gegenüber dem Durchschnitt der auf dem Markt verfügbaren Werkzeugwechselvorrichtungen kann die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung als 'flach' angesehen werden. Auch der Platzbedarf in radialer Richtung kann begrenzt werden, zum Beispiel auf weniger als 12 cm.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass der Aufbau der Vorrichtung ausgesprochen einfach ist. Die Anzahl von Komponenten ist begrenzt, und die relative Anordnung ermöglicht, die Vorrichtung schnell und äußerst einfach zusammenzubauen und auseinanderzunehmen, ohne notwendigerweise dedizierte Werkzeuge verwenden zu müssen.
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Vorzugsweise ist die Blockierscheibe, zum Beispiel, im Hauptkörper nicht mit entsprechenden Lager gelagert, sondern wird entlang ihres Umfangs einfach von den Innenflächen des in diesem Körper für die Scheibe definierten Sitzes getragen.
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Da die Vorrichtung über einen einfachen Aufbau verfügt, ist sie gegenüber den herkömmlichen Lösungen auch leicht. Dies spielt eine positive Rolle bei der Beherrschung der Trägheit seitens des Bewegungssystems, mit dem die Vorrichtung verbunden ist. Zum Beispiel kann eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Blockierscheibe aus gehärtetem Stahl, dem kastenförmigen Körper aus Aluminium und den Antriebsmitteln zum Teil aus Messing realisiert werden und kann insgesamt weniger als 1 kg wiegen; mit diesen Merkmalen ist die Vorrichtung imstande, Werkzeuge oder Instrumente anzuheben, deren Gewicht 15 kg oder darüber beträgt.
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Die oben aufgezählten Vorteile tragen dazu bei, die Werkzeugwechselvorrichtung besonders vielseitig verwendbar und für Verwendungen nicht nur im Bereich der industriellen Automatisierung im Werk, sondern zum Beispiel auch im Bereich der Medizin-, Diagnose- und Laborvorrichtungen geeignet zu machen. Zum Beispiel ist die Werkzeugwechselvorrichtung in Augendiagnosegeräten verwendbar, die mit einer Vielzahl von Diagnoseinstrumenten versehen sind, die von einem entsprechenden System selektiv entnommen und bewegt werden müssen, um dem Benutzer zur Verfügung gestellt zu werden.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist die Blockierscheibe wenigstens im Bereich ihres Umfangs mit einer Zahnung versehen, das heißt mit einer umlaufenden Zahnung. Die Antriebsmittel greifen in diese Zahnung ein, um die Drehung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn zu erzeugen. Dieses Merkmal ist besonders vorteilhaft, was das innere Layout der Vorrichtung betrifft, da die Antriebsmittel im Wesentlichen tangential zu der Blockierscheibe angeordnet werden können, zu Gunsten der Kompaktheit der Vorrichtung in ihrer Gesamtheit.
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Im Allgemeinen ist es möglich, verschiedene Ausführungen für die Antriebsmittel vorzusehen.
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In der bevorzugten Ausführungsform umfassen die Antriebsmittel einen umkehrbaren Elektromotor, das heißt, der in der Lage ist, auf der Basis der Polarität der Versorgungsspannung alternativ in den zwei Richtungen zu drehen, und eine Spindelmutter. Der Elektromotor und die Spindelmutter sind beide im Hauptkörper aufgenommen. Die Spindelmutter ist mit der Welle des Elektromotors verbunden und greift direkt in die Zahnung der Blockierscheibe ein. In der Praxis ist die Spindelmutter auf die Welle des Elektromotors aufgepresst und greift in die umlaufende Zahnung der Blockierscheibe ein. Drehungen der Mutter im Uhrzeigersinn bewirken Drehungen der Blockierscheibe gegen den Uhrzeigersinn und umgekehrt.
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Alternativ kann der umkehrbare Elektromotor außerhalb des Hauptkörpers gelagert sein, und ein Umlenkelement, zum Beispiel ein Stahlseil, stellt die Wirkverbindung zwischen der Welle des Elektromotors und der im dem Hauptkörper aufgenommenen Spindelmutter her. Diese Lösung ist zum Beispiel einsetzbar, wenn die Werkzeugwechselvorrichtung besonders kompakt sein muss und die für die Drehung der Blockierscheibe benötigte Leistung minimal ist.
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In beiden Lösungen ist die Spindelmutter gegenüber der Blockierscheibe im Wesentlichen tangential und auf der gleichen Lageebene angeordnet.
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Vorzugsweise greift die Spindelmutter direkt in die Blockierscheibe ein und ist direkt mit dem Elektromotor verbunden, ohne dass dazwischen ein Getriebe angeordnet ist.
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Weiterhin alternativ können die Antriebsmittel eine Kolben-Zylinder-Anordnung, mit pneumatischem Antrieb, umfassen, bei welcher der Kolben mit der Blockierscheibe verbunden ist. Diese Lösung ist für Anwendungen geeignet, bei denen zur Drehung der Blockierscheibe große Leistungen benötigt werden, zum Beispiel, wenn die zu bewegenden Teile besonders schwer sind.
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In der bevorzugten Ausführungsform umfasst der Steckerteil zwei oder mehr seitliche Vorsprünge, zum Beispiel zwei oder mehr Stifte, die seitlich vorspringen, so dass, wenn der Steckerteil in den jeweiligen Aufnahmesitz eingeführt ist, sich die seitlichen Vorsprünge gegenüber der Drehachse der Blockierscheibe radial erstrecken. Der Aufnahmesitz im Hauptkörper hat eine bezüglich dem Steckerteil im Wesentlichen komplementäre Form. Dies ermöglicht, eine Vielzahl von Steckerteilen mit entsprechender Form aufzunehmen, die maßstabsgerechte Abmessungen haben.
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Vorzugsweise ist der Steckerteil im Wesentlichen zylindrisch und ist koaxial in den Aufnahmesitz einführbar, und die Vorsprünge sind Stifte, die radial angeordnet sind und deren Zentriwinkel etwa 120° betragen.
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In einer Ausführungsform sind die Blockierstifte, in den jeweiligen Sitzen, die im Steckerteil ausgebildet sind, um sich selbst drehbar, so dass die Reibung, die mit der sich drehenden Blockierscheibe erzeugt wird, vom Rollreibungstyp und nicht vom Gleitreibungstyp ist. So ergibt sich eine sanftere Funktionsweise der Vorrichtung, und dem Elektromotor wird eine geringere Anlassenergie abverlangt, oder die Antriebsmittel sind im Allgemeinen Kräften ausgesetzt, die gegenüber einer Lösung mit ortsfesten Stiften und Gleitreibung geringer sind.
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Die Blockierscheibe ist mit einer gelappten Durchgangsbohrung versehen, die mit der Drehachse koaxial ist und in die der Steckerteil einführbar ist. Durch die Lappen, das heißt, durch die Ausnehmungen, die um das Durchgangsloch vorgesehen sind, sind die Vorsprünge des Steckerteils in den Aufnahmesitz eingeführt. In der Praxis ist der Sitz zur Aufnahmesitz des Steckerteils entweder durch die Flächen des Hauptkörpers oder durch den Rand der gelappten Durchgangsbohrung der Blockierscheibe definiert.
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Vorzugsweise weist die Seite der Blockierscheibe, die von dem dem Steckerteil entgegengesetzten Teil abgewandt ist, wenn dieser in den Aufnahmesitz eingeführt ist, wenigstens eine umlaufende Verjüngung, oder eine geneigte Ebene, in der Nähe jedes Lappens auf, so dass:
- – die Drehung der Blockierscheibe in die Blockierposition bewirkt, dass die Verjüngungen oder die geneigten Ebenen sich vor die jeweiligen Vorsprünge (die Stifte) des Steckerteils schieben und auf diese einen axialen Schub erzeugen, der den Steckerteil auf dem Hauptkörper blockiert, und
- – die Drehung der Blockierscheibe in die Löseposition bewirkt, dass die Verjüngungen oder die geneigten Ebenen sich nicht vor die jeweiligen Vorsprünge des Steckerteils schieben, wodurch dieser frei aus dem Aufnahmesitz treten kann.
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Vorzugsweise definieren der Steckerteil und die Blockierscheibe zusammen eine im Wesentlichen bajonettartige Kupplung, auch wenn in diesem Fall sich nicht der Steckerteil im Aufnahmesitz dreht, sondern sich die Blockierscheibe um den in den Sitz eingeführten Steckerteil dreht.
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Vorzugsweise ist die Blockierscheibe in dem Hauptkörper im Bereich der Mittelebene des Sitzes zur Aufnahme des Steckerteils angeordnet. Wenn der Steckerteil in den Aufnahmesitz eingeführt ist, befindet sich die Blockierscheibe auf einer Zwischenebene zwischen den Vorsprüngen des Steckerteils und dem Teil des Steckerteils, der zur Befestigung an dem Werkzeug oder dem Instrument vorgesehen ist.
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In der bevorzugten Ausführungsform umfasst die Werkzeugwechselvorrichtung ferner einen magnetischen Näherungssensor, der eingerichtet, um ein Signal zu erzeugen, wenn der Steckerteil korrekt in den Aufnahmesitz eingeführt ist. Eine, auch auf Entfernung angeordnete, Steuereinheit empfängt das vom Sensor erzeugte Signal und verhindert die Betätigung der Blockierscheibe, wenn der Steckerteil nicht korrekt in den Aufnahmesitz eingeführt ist.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner einen Encoder, der in dem Hauptkörper aufgenommen ist und eingerichtet ist, um jeweils das Ausmaß der tatsächlich von der Blockierscheibe vollzogenen Drehung zu erfassen. Zum Beispiel erfasst (zählt) der Encoder die Anzahl der Zähne der Blockierscheibe, die vor diesem Encoder vorbeilaufen, wenn die Blockierscheibe zur Drehung angetrieben ist.
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In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen von dem vorstehenden Encoder verschiedenen Encoder, der einen Sensor umfasst, der die Stärke des Magnetfelds erfasst, das von einem oder mehreren Permanentmagneten erzeugt wird, die am Rand der Blockierscheibe gelagert sind. Die Stärke verändert sich mit dem sich verändernden Abstand zwischen dem Sensor und den Magneten auf der Blockierscheibe. Dadurch bestimmt die Drehung der Blockierscheibe eine entsprechende Veränderung der vom Sensor erfassbaren Stärke des Magnetfelds. Jeder Wert der Stärke des Magnetfelds zeigt die Winkelposition der Blockierscheibe an.
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In einer Ausführungsform sind die zwei Permanentmagneten an der Blockierscheibe im Bereich einer Ausnehmung befestigt, die entlang ihres Umfangs ausgebildet ist. Die Magneten sind zueinander ausgerichtet und in einer zu der Tangente der Blockierscheibe tangentialen Richtung angeordnet. Der Sensor ist stationär in dem kastenförmigen Körper gelagert und bewacht den Rand der Blockierscheibe. In dieser Ausführung hat die vom Sensor erfassbare Stärke des Magnetfelds, wenn sich die Blockierscheibe dreht, einen Verlauf mit mindestens drei Schwellen, die der Scheibe in Blockierposition, der Scheibe in Blockierposition und der Scheibe in einer Zwischenposition entsprechen.
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Eine mit dem Encoder und den elektrischen Antriebsmitteln verbundene elektronische Schaltung, zum Beispiel die oben beschriebene Steuereinheit, ist programmiert, um einen etwaigen Strompeak in den Antriebsmitteln zu erfassen und um ein vom Encoder erzeugtes Signal zu erfassen, welches das Ausmaß der von der Blockierscheibe vollzogenen Drehung anzeigt. Bei Bedarf, das heißt, wenn die Drehung der Blockierscheibe ausreichend war, um ein effizientes Einspannen der Vorsprünge des Steckerteils zu erreichen, unterbricht die elektronische Schaltung die Stromversorgung zu den Antriebsmitteln.
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Im Allgemeinen ist die vorgeschlagene Lösung somit effizient und garantiert das Einspannen des Steckerteils in dem jeweiligen Sitz ohne Verschwendung elektrischer Energie, da die Antriebsmittel nur über den Zeitraum versorgt werden, der zur Drehung der Blockierscheibe benötigt wird. Mit anderen Worten nimmt die Vorrichtung keinen Strom auf, wenn der Steckerteil in dem jeweiligen Sitz blockiert ist.
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In Anbetracht der obigen Ausführung ist klar, dass die Vorrichtung den Steckerteil und die auf diesen aufgebrachte Last auch im Falle eines Stromausfalls effizient trägt.
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Vorzugsweise ist der kastenförmige Körper gegenüber Flüssigkeiten dicht oder so gut wie dicht, so dass die Vorrichtung häufigen Waschvorgängen mit Reinigungsmitteln oder desinfizierenden Substanzen unterzogen werden kann, ohne Schaden zu nehmen. Dieser Aspekt, der im ersten Moment für eine Verwendung der Vorrichtung im industriellen Bereich unerheblich scheint, wird im medizinischen Bereich wichtig, um zu verhindern, dass sich in der Vorrichtung Schmutz ansammeln kann, der die Ansammlung von bakteriellen Belastungen und damit potentiellen Infektionsquellen für die Patienten, die mit dieser Vorrichtung bewegte medizinische Vorrichtungen verwenden, begünstigt.
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Liste der Figuren
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung treten besser beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten nicht ausschließlichen, beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform unter Stützung der beigefügten Zeichnungen hervor, in denen:
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1 eine Rückansicht, im Aufriss, eines Teils der Werkzeugwechselvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine Seitenansicht, im Aufriss, der in 1 veranschaulichten Vorrichtung ist;
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3 eine Draufsicht der in 1 veranschaulichten Vorrichtung ist;
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4 eine Explosionsansicht der in 1 veranschaulichten Vorrichtung mit ihren sämtlichen Teilen ist;
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5 eine vertikale Schnittansicht der in 1 veranschaulichten Vorrichtung ist;
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6 eine Vorderansicht einer Komponente der in 1 veranschaulichten Vorrichtung ist;
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7 eine Seitenansicht 1 der in 4 veranschaulichten Vorrichtung ist;
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8 eine Aufrissansicht eines Teils der in 4 veranschaulichten Vorrichtung ist, die teilweise zerlegt ist;
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9 eine achsensymmetrische Schnittansicht der in 4 veranschaulichten Vorrichtung ist;
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10 eine Explosionsansicht einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, ohne den Steckerteil, ist;
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11 eine vertikale Schnittansicht der in 10 veranschaulichten Vorrichtung ist;
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12 eine Vergrößerung eines Teils aus 11 ist;
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13 eine qualitative graphische Darstellung zu der in 10 veranschaulichten Vorrichtung ist.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die 1 bis 9 zeigen eine Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine erste Anordnung 200 und eine zweite getrennte Anordnung 300 umfasst. Die Anordnung 200 ist zur Befestigung an einem Manipulator oder einem gleichwertigen Bewegungssystem bestimmt, und die Anordnung 300 ist zur Befestigung an dem Werkzeug oder an dem Objekt oder an dem Instrument bestimmt, das entnommen und bewegt werden soll.
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In der Praxis wird die Anordnung 300 – und mit ihr das verbundene Werkzeug oder Instrument – angekuppelt und von der Anordnung 200 und von dem jeweiligen Manipulator angehoben.
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Unter besonderer Einbeziehung der 1 bis 3 umfasst die erste Anordnung 200 einen kastenförmigen Hauptkörper 201, der einen Innenraum definiert, in dem einige Komponenten der Vorrichtung aufgenommen sind.
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Insbesondere ist der Hauptkörper 201 durch zwei Abdeckungen 201' und 201'' definiert, die mit Hilfe der Schrauben 202 miteinander verschraubt sind.
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Auf einer Seite des Hauptkörpers 201 ist ein elektrischer Stecker 203 vorhanden.
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Von der Vorderseite 204 des Hauptkörpers 201 springen drei Ausrichtungs- und Zentrierstifte 205 hervor. Die Rückseite 205 ist zur Befestigung an einem Manipulator oder an einem gleichwertigen Bewegungssystem bestimmt.
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Durch den Hauptkörper 201 ist ein Aufnahmesitz 207 definiert, in der Praxis ein Durchgangsloch, das entsprechend geformt ist, um ein Element mit komplementärer Form aufzunehmen.
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4 ist eine Explosionsansicht der vollständigen Vorrichtung 100. Im Hauptkörper 201 sind eine Blockierscheibe 208, ein umkehrbarer Elektromotor M und eine Spindelmutter 209, die von entsprechenden Lagern 210 getragen wird, aufgenommen.
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Die, kreisförmige, Blockierscheibe 208 ist in dem Hauptkörper 201 um die Drehachse X-X drehbar aufgenommen. Insbesondere bewegt sich die Blockierscheibe 208 auf entsprechenden Bahnen 211, die innerhalb der Deckel 201' und 201'' ausgebildet sind. Am umlaufenden Rand der Blockierscheibe 208 ist eine Zahnung 212 vorhanden.
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Der Motor M und die Spindelmutter 209 sind in einem entsprechenden Sitz 213 so aufgenommen, dass sie zu der Blockierscheibe 208 ausgerichtet und im Wesentlichen tangential sind. Die Spindelmutter 209 ist auf die Welle des Elektromotors M aufgepresst, so dass die Drehungen des Motors im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn direkt auf die Spindelmutter 209 übertragen werden.
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Zwischen dem Motor M und der Spindelmutter 209 ist kein Getriebe vorhanden. Alternativ kann, sofern dies je nach den Merkmalen des Elektromotors notwendig ist, ein Getriebe zwischen dem Motor und der Spindelmutter angeordnet sein.
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Die Spindelmutter 209 greift ihrerseits direkt in die umfängliche Zahnung 212 der Blockierscheibe 208 ein, um sie zur Drehung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn auf der Achse X-X anzutreiben.
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Wie dies in 4 deutlich zu sehen ist, ist der Aufnahmesitz 207 von entsprechenden Durchgangsbohrungen gebildet, die durch die Abdeckungen 201' und 201'' hindurch und durch die Blockierscheibe 208 hindurch ausgebildet sind.
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In dem in den Figuren veranschaulichten Beispiel ist der Aufnahmesitz 207 eine kreisförmige, dreilappige Durchgangsbohrung, das heißt, die mit drei Lappen 207' versehen ist, die so orientiert sind, dass sie entsprechende Zentriwinkel von 120° bilden.
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Die Funktion des Aufnahmesitzes 207 ist die Aufnahme wenigstens eines Teils der Anordnung 300.
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Die Anordnung 300 umfasst einen Steckerteil 301 und einen entsprechenden Flansch 302 zur Ankupplung an das zu bewegende Werkzeug/Instrument. In dem in den Figuren veranschaulichten Beispiel ist der Steckerteil 301 im Wesentlichen zylindrisch und hat einen Durchmesser, der dem Durchmesser des Aufnahmesitzes 207 entspricht. Drei Stifte 303 sind radial in entsprechende Bohrungen, die im Steckerteil 301 ausgebildet sind, eingeführt, in Richtungen, die einen Zentriwinkel von 120° bilden.
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In der Praxis ist der Steckerteil 301 mit den korrekt montierten Stiften 303 in den Aufnahmesitz 207 mit einer Translationsbewegung entlang der Achse X-X vollkommen einführbar, wobei darauf geachtet wird, dass die Stifte 303 mit den Lappen 207' dahingehend ausgerichtet sind, dass die Stifte 303 die entsprechenden Lappen 208', die durch die Blockierscheibe 208 hindurch ausgebildet sind, durchqueren müssen.
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5 zeigt die Anordnung 200 im vertikalen Schnitt. Es ist offensichtlich, dass die Spindelmutter 209 auf die Welle M' des Elektromotors M aufgepresst ist und direkt in die Zahnung 212 der Blockierscheibe eingreift. Ein Anschlag 214, der eine Öse und einen Stift umfasst, begrenzt die Drehungen der Blockierscheibe im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn innerhalb eines vordefinierten Winkels.
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In 5 ist die Blockierscheibe 208 in der Löseposition gezeigt, in der sie sich nicht vor die Lappen 207' des Aufnahmesitzes schiebt, wodurch sie das Einführen des Steckerteils 301 gestattet.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung 100 ist einfach: sobald der Steckerteil 301 in den Aufnahmesitz 207 eingeführt ist, wird der Motor M betätigt und erzeugt, über die Spindelmutter 209, eine Drehung der Blockierscheibe 208. Indem die Blockierscheibe 208 sich dreht, bewegt sie sich in die in 8 gezeigte Blockierstellung: die Scheibe schiebt sich nun vor die Lappen 207' und verhindert, dass der Steckerteil 301 aus dem Sitz 207 austritt.
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7 entspricht 2, zeigt im Unterschied zu dieser jedoch die Anordnung 300, die funktional in die Anordnung 200 eingeführt ist.
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8 ist eine Aufrissansicht der Vorrichtung 100, wobei der Steckerteil 301 in den Aufnahmesitz 207 eingeführt ist und die Stifte 303 von der Blockierscheibe 208 eingespannt sind.
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Der Vergleich zwischen 5 und 8 erleichtert das Verständnis, dass die Drehung (bei Betrachtung der Figur gegen den Uhrzeigersinn) der Blockierscheibe 208 ermöglicht, dass sie sich vor die Lappen 207' des Aufnahmesitzes 207 schiebt, derart, dass die Stifte 303 des Steckerteils 301 nicht aus diesem Sitz 207 austreten können.
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Unter Berücksichtigung der relativen Bewegung zwischen der Blockierscheibe 208 und dem Steckerteil 301 mit seinen Stiften 303 kann die oben beschriebene Kupplung als Bajonett-Kupplung definiert werden.
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In einer Variante der vorliegenden Erfindung, die insbesondere zur Minimierung der Anlassenergie des Motors M effizient ist, ist vorgesehen, dass die Stifte 303 sich in den jeweiligen Sitzen des Flansches 302 um sich selbst drehen können. Dieses Merkmal ermöglicht, Reibung vom Typ Rollreibung, und nicht Gleitreibung, zwischen den Stiften 302 und der Blockierscheibe 208 zu haben. Man erhält eine 'weiche' Funktionsweise der Vorrichtung 100 und reduziert den Verschleiß der Teile auf ein Minimum. Um das Austreten der Stifte 302 aus den Sitzen des Flansches 302 zu verhindern, ist die Verwendung von Rückhalteringen vom Typ Seegerring oder anderen gleichwertigen Rückhaltesystemen möglich.
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4 und 8 zeigen ein weiteres Detail: im Bereich der Durchgangslappen 208', die in der Blockierscheibe 208 ausgebildet sind, sind Verjüngungen 215 vorhanden, die auch als geneigte Ebenen definiert werden können. In der Praxis sind die geneigten Ebenen 215 als Rampen für die Stifte 301 ausgebildet, wenn die Blockierscheibe 208 sich dreht, um in die Blockierposition zu gelangen. Die Drehung bewirkt nämlich die Aufhebung der gegebenenfalls zwischen den Stiften 301 und den entsprechenden geneigten Ebenen 215 vorhandenen Spiele. Zusätzlich üben die geneigten Ebenen 215 auf die entsprechenden Stifte 301 einen im Wesentlichen axialen Schub aus, der dazu dient, die Anordnung 300 auf der Anordnung 200 festzuhalten, das heißt, dazu dient, die Kupplung stabil zu machen, um das mit der Anordnung 300 verbundene Werkzeug oder Instrument effizient bewegen zu können.
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Wie dies in den Figuren gezeigt ist, erstrecken sich die geneigten Ebenen 215 von dem entsprechenden Lappen 208' aus vorzugsweise entlang eines Umfangsbogens.
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9 ist eine Schnittansicht, welche die Einwirkung der geneigten Ebenen 215 auf die Stifte 301 verdeutlicht. Wie sich feststellen lässt, schiebt sich die Blockierscheibe 208 zwischen die Stifte 303 des Steckerteils 301 und den Ausgang aus dem Aufnahmesitz 207. Vorzugsweise ist die Blockierscheibe 208 relativ zu der Tiefe des Aufnahmesitzes 207 auf einer Mittelebene angeordnet.
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In 4, 5 und 8 ist mit dem Bezugszeichen 216 ein magnetischer oder kapazitativer, induktiver usw. Encoder bezeichnet, der eingerichtet ist, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die Anzahl der Zähne anzeigt, die vor diesem Encoder vorbeilaufen, wenn sich die Blockierscheibe 208 dreht. Eine kleine gedruckte Schaltung CB, die in 4 im Bereich des Steckers 203 zu sehen ist, ist eingerichtet, um das vom Encoder erzeugte Signal – zur Berechnung des Ausmaßes der Drehung, die von der Blockierscheibe 208 effektiv vollzogen wird – und den Wert des vom Motor M zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgenommenen Stroms zu verarbeiten. Die Schaltung CB ist vorzugsweise programmiert, um das Ausmaß der soeben beschriebenen Drehung (das heißt den von der Scheibe 208 zurückgelegten Winkel) mit dem Wert des momentan vom Motor M aufgenommenen Stroms zu vergleichen. Bei Vorliegen eines Aufnahmepeaks unterbricht sie die Versorgung zum Motor M, um Funktionsstörungen, Überhitzung und Schäden zu verhindern.
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Die von der Schaltung CB erzeugten elektrischen Signale werden ihrerseits zur externen Steuereinheit gesendet, die mit dem Stecker 203 verbunden ist.
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In jedem Fall kann sich die Blockierscheibe 208 in der Löseposition selbständig nicht gegenläufig drehen. Dieser Umstand kann nur dann eingetreten, wenn der Motor M die Drehung der Welle M' umkehrt, zum Vorteil der Sicherheit der Kupplung.
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Die 1 bis 9 zeigen deutlich, dass die Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung einen äußerst einfachen Aufbau hat und daher kompakt realisiert werden kann. Diese führt zu einer sehr vielseitigen Verwendbarkeit und der Möglichkeit der Verwendungen in verschiedensten Anwendungsgebieten, nicht zuletzt dem der Bewegung von empfindlichen Diagnoseinstrumenten.
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Alternativ zum Antrieb mit dem Motor M, der in den Hauptkörper 201 eingeführt ist, kann die Vorrichtung 100 mit dem sich außerhalb befindlichen Motor M realisiert werden, der zum Beispiel auf einem Roboterarm positioniert ist, mit dem diese Vorrichtung 100 verbunden ist. Unter diesen Umständen wird die Drehbewegung der Welle M' mittels eines (nicht gezeigten) Umlenkseils auf die Spindelmutter übertragen.
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Wiederum als Alternative kann an Stelle des Elektromotors M die Vorrichtung 100 mit einem (nicht gezeigten) pneumatischen Antrieb realisiert sein, zum Beispiel mit Druckluft, und in diesem Fall wird in dem Sitz 213 eine Kolben-Zylinder-Anordnung vorgesehen, wo der Kolben mit der Blockierscheibe 208 verbunden ist. Diese Lösung kann bevorzugt sein, wenn hohe Leistungen benötigt werden.
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Auch wenn dies in den Figuren nicht gezeigt ist, umfasst die Vorrichtung 100 vorzugsweise einen Näherungssensor, zum Beispiel des magnetischen oder kapazitativen Typs, der im Hauptkörper 201 positioniert ist, um zu erfassen, wann der Steckerteil 301 korrekt in den Aufnahmesitz 207 eingeführt ist, und ein entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen, das von der Steuereinheit verarbeitet wird.
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10 ist eine Explosionsansicht einer zweiten Ausführungsform, die der ersten ähnlich ist (Bezugszeichen, die mit den in den vorhergehenden Figuren verwendeten gleich sind, bezeichnen gleichwertige Elemente), unterscheidet sich gegenüber dieser jedoch durch die Tatsache, dass der Sensor 216', der in der gedruckten Schaltung CB montiert ist, nicht dafür vorgesehen ist, die Anzahl der Zähne der Blockierscheibe 208 zu zählen. Auf dieser Blockierscheibe ist ein Magnetaggregat 217 montiert. Im Wesentlichen befindet sich das Magnetaggregat 217 am Rand der Blockierscheibe 208 und bewegt sich zusammen mit dieser. Der Sensor 216' und das Magnetaggregat 217 definieren einen magnetischen Encoder.
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Das Magnetaggregat umfasst ein Gehäuse 218, in dessen Innerem zwei Permanentmagneten 219 Platz finden, die entlang einer geometrischen Achse ausgerichtet sind, die relativ zu dem umfänglichen Rand der Blockierscheibe 208 so gut wie tangential ist.
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11 und 12 zeigen diesen Aspekt deutlicher. In der Praxis wird im Bereich des umfänglichen Rands der Blockierscheibe 208 ein Teil der jeweiligen Zähne entfernt, um eine Ausnehmung zu erzeugen, in der das Magnetaggregat 217 aufgenommen wird. Das Gehäuse 218 bleibt im Wesentlichen bündig mit der Blockierscheibe 208, um deren Platzbedarf nicht zu verändern.
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Die zwei Magneten 219 sind so ausgerichtet, dass sie ein einziges Magnetfeld bilden. Natürlich kann alternativ ein einziger Magnet verwendet werden, der die Länge der zwei Magneten 219 hat. Mit den Buchstaben N und S sind der magnetische Nordpol bzw. Südpol bezeichnet.
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Der Sensor 216', der als Drehsensor definierbar ist, erfasst die Stärke des von dem Magnetaggregat 217 erzeugten Magnetfelds B. Die erfasste Stärke B hängt von der gegenseitigen Distanz zwischen diesem Sensor 216' und dem Magnetaggregat 217 ab, und diese Distanz verändert sich mit der Drehung der Blockierscheibe 208.
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13 ist eine qualitative graphische Darstellung der Stärke des vom Sensor 216' erfassten Magnetfelds B, die zum Beispiel in Tesla oder in Wb/m2 messbar ist, gegenüber der Winkelposition, die in Grad oder in Radiant gemessen wird und von der Blockierscheibe 208 gegenüber einem Nullpunkt eingenommen wird.
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In der beschriebenen Ausführung sieht der Verlauf der Stärke des Magnetfelds B eine anfängliche Zunahme (area 1st) vor, gefolgt von einer Zunahme mit geringerer Steigung (area 2nd), der ihrerseits eine weitere Zunahme mit einer der ersten Zunahme ähnlichen Steigung folgt.
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Dies ermöglicht der mit der gedruckten Schaltung CB verbundenen Kontrolleinheit, wenigstens drei Winkelpositionen der Blockierscheibe 208 zu unterscheiden, die Folgendem entsprechen:
- – Anordnung 300 gelöst;
- – Anordnung 300 blockiert;
- – Blockierscheibe 208 in Zwischenposition.
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Wenn die Blockierscheibe 208 trotz Anweisung an die Vorrichtung 100, die Anordnung 300 zu lösen oder zu blockieren, in der Zwischenposition bleibt, bedeutet dies, dass sich die Blockierscheibe 208 verklemmt hat oder dass der Motor M nicht korrekt funktioniert. Die Steuereinheit erzeugt ein Alarmsignal mit Serviceanforderung oder aktiviert eine Selbstdiagnoseprozedur.
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Im Wesentlichen ist das vom Sensor 216' erfassbare Magnetfeld eine bekannte Funktion der Winkelposition der Blockierscheibe 208.
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Die Erfindung ist auch durchführbar, indem ein stufenweises, diskretisiertes B/rad-Diagramm vorgesehen wird. Es reicht aus, mehrere von einander beabstandete Magneten 219 in Reihe anzuordnen.
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Vorzugsweise ist der Hauptkörper 201 in beiden oben beschriebenen Varianten hermetisch oder fast hermetisch verschlossen, so dass er Reinigungsmitteln standhält. Zum Beispiel ist zwischen den zwei miteinander verschraubten Abdeckungen 201' und 201'' eine Dichtung einsetzbar. Die Vorrichtung 100 kann so häufigen Waschvorgängen mit desinfizierenden und aggressiven Substanzen unterzogen werden kann, wie diese im medizinischen Bereich gewöhnlich verwendet werden.
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Dieses Merkmal ist von erheblicher Bedeutung, wenn man bedenkt, dass die Vorrichtung 100 dazu verwendet werden kann, Labor- und Diagnoseinstrumente automatisch zu bewegen, in jedem Fall jedoch in Bereichen, die häufigen Sanifikationen unterzogen werden müssen, um Infektionen bei den Patienten zu vermeiden.
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Ein weiteres wichtiges Merkmal der oben beschriebenen Vorrichtungen
100 ist die Leichtigkeit. Wie aus der obigen Beschreibung und aus der Betrachtung der beigefügten Figuren hervorgeht, ist der Platzbedarf der Vorrichtung
100 auf ein Minimum reduziert. Zum Beispiel ist die Tiefe geringfügig größer als der Außendurchmesser des Motors M; Länge und Breite sind geringfügig größer als der Durchmesser der Blockierscheibe
208. Dies wird durch die Tatsache ermöglicht, dass der Aufbau der Vorrichtung
100 ausgesprochen einfach ist im Vergleich zu den Lösungen nach dem Stand der Technik, wie zum Beispiel die in
FR 2602990 beschriebene.
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Zum Beispiel wird in der Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung die Blockierscheibe 208 nicht notwendigerweise von entsprechenden Lager getragen. Wie in den Figuren zu sehen ist, kann die Blockierscheibe 208 nämlich einfach entlang des jeweiligen Umfangs des in der Aufnahme 201 der verbundenen Teile 201 und 201'' definierten Sitzes getragen sein. Der Verzicht auf die Lager ermöglicht ferner, das Gewicht zu minimieren und den Aufbau zu vereinfachen.
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Daraus ergibt sich, dass das Gewicht innerhalb von Werten liegt, die um einiges kleiner sind als die Lösungen nach dem Stand der Technik, und zwar zum Vorteil des dynamischen Verhaltens des Roboters, der die Vorrichtung 100 zur Bewegung von Objekten verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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