DE102015218347A1

DE102015218347A1 - Kupplungsvorrichtung zum Kuppeln von Bauteilen

Info

Publication number: DE102015218347A1
Application number: DE102015218347.5A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Neider
Original assignee: KUKA Systems GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung zum Kuppeln von zumindest zwei Bauteilen, und insbesondere zum Ausgleich von Toleranzen bei einem Fertigungs- oder Montageprozess. Die Kupplungsvorrichtung umfasst dabei ein erstes und ein zweites Verbindungselement welche relativ zueinander auslenkbar eingerichtet sind. Ferner umfasst die Kupplungsvorrichtung ein Magnetsystem welches eingerichtet ist einer Auslenkung des ersten und zweiten Verbindungselements aus deiner Nulllage der Kupplungsvorrichtung entgegenzuwirken.

Description

1. Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung zum Kuppeln von zumindest zwei Bauteilen, und insbesondere zum Ausgleich von Toleranzen bei einem Fertigungs- oder Montageprozess.
2. Technischer Hintergrund
Bei industriellen Montage- oder Fertigungsarbeiten müssen häufig unterschiedliche Teile miteinander verbunden werden. Hierzu müssen die Teile in der Regel in einer bestimmten Weise zueinander ausgerichtet sein. Beim Fügen oder Verschrauben von Komponenten miteinander treten zudem Kräfte und Drehmomente auf, die zu Lageabweichungen zwischen den verschiedenen Komponenten bei einer Montage führen können. Insbesondere bei der Automatisierung von Montagearbeiten treten auch beim Positionieren von zu verbindenden Teilen unvermeidlich Positionsfehler auf. Bei der Verwendung von beispielsweise einem Industrieroboter zum Bearbeiten von Bauteilen, wie insbesondere dem Setzen von Verbindungselementen, müssen bestimmte unvermeidbare Toleranzen somit ausgeglichen werden.
Um das Problem der Lageabweichungen bzw. der Toleranzen zu lösen, wurden verschiedene Lösungsansätze, insbesondere in Form von Ausgleichseinrichtungen realisiert. So ist es beispielsweise bekannt, zwei mit Gummi-Metallelementen verbundene Platten zur Toleranzanpassung zu verwenden. Die Gummi-Metallelemente erlauben ein Bewegen der Platten relativ zueinander, sodass auf eine Lageabweichung reagiert werden kann. Allerdings ist die Verwendung solcher Gummi-Metallplatten mit einer Hysterese verbunden, sodass keine wiederholbare Nullstellung anfahrbar ist.
Es ist ferner bekannt Kreuzschlitten zu verwenden, die über Druckfedern wieder in die Ausgangslage gebracht werden können. Allerdings liegen bei der Verwendung solcher Kreuzschlitten hohe Reibungskräfte vor, die wiederum in hohen Verstell- bzw. Auslenkkräften und auch einer großen Hysterese resultieren.
Weiterhin ist es bekannt, zwei zueinander kugelgelagerte Platten zu verwenden, wobei eine Nullrückstellung durch eine rechtwinklig zu den Platten eingesetzte Druckfeder ermöglicht wird. Dieses System zeichnet sich jedoch durch einen hohen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand aus. Des Weiteren lassen sich die kugelgelagerten Platten zwar leicht in einer X-Y-Ebene verschieben, können jedoch keine Drehmomente aufnehmen.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ausgleichseinrichtung für Lageabweichungen bzw. Toleranzen bereitzustellen, welche zuverlässig arbeitet und nach einer Auslenkung eine Rückstellung zur Nullstellung sicher ist. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ausgleichseinrichtung bereitzustellen, mit welcher eine Auslenkung sensibel, also mit geringem Kraftaufwand erfolgen kann. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Robotersystem bereitzustellen, dass einen guten Toleranzausgleich aufweist, sowie ein verbessertes Werkzeug bereit zu stellen, dass einen verbesserten Toleranzausgleich bei Montage- und Fertigungsprozessen erlaubt.
Diese und weitere Aufgaben, die aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden, werden durch die Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 1, ein Robotersystem nach Anspruch 16 und ein Werkzeug nach Anspruch 17 gelöst.
3. Inhalt der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung zum Kuppeln von zumindest zwei Bauteilen. So können mittels der Kupplungsvorrichtung beispielsweise zwei Wellen miteinander verbunden werden, oder beispielsweise ein Werkzeug mit einem Werkzeughalter. Insbesondere eignet sich die Kupplungsvorrichtung dabei zum Ausgleich von Toleranzen bei einem Fertigungs- oder Montageprozess. Somit kann die Kupplungsvorrichtung eingesetzt werden, wenn Lageabweichungen bei einem Fertigungs- oder Montageprozess vorliegen. Die Kupplung der Bauteile muss dabei nicht zwingend lösbar sein, vielmehr kann das Kuppeln der Bauteile ein Verbinden der Bauteile mittels der Kupplungsvorrichtung umfassen, sodass mechanische Arbeit von einem Bauteil über die Kupplungsvorrichtung zum anderen Bauteil übertragen wird.
Die Kupplungsvorrichtung weist dabei ein erstes und ein zweites Verbindungselement auf, welche relativ zueinander auslenkbar eingerichtet sind. Das erste Verbindungselement kann dabei in einer oder in mehreren räumlichen Dimensionen relativ zu dem zweiten Verbindungselement ausgelenkt werden. Ferner können das erste Verbindungselement mit einem ersten Bauteil (wie z.B. dem Arm eines Industrieroboters), und das zweite Verbindungselement mit einem zweiten Bauteil (wie z.B. mit einem Werkzeug, das von dem Roboter geführt werden soll) verbunden sein. Da die Verbindungselemente relativ zueinander auslenkbar eingerichtet sind, kann das eine Bauteil gegenüber dem anderen Bauteil eine Bewegung ausführen. Dies erlaubt, wie unten genauer erläutert, bspw. den Ausgleich von Toleranzen.
Ferner umfasst die Kupplungsvorrichtung ein Magnetsystem, welches eingerichtet ist, einer Auslenkung des ersten und des zweiten Verbindungselements aus einer Nulllage der Kupplungsvorrichtung (tendenziell) entgegenzuwirken. Das Magnetsystem kann dabei das erste und das zweite Verbindungselement in die Nulllage der Kupplungsvorrichtung zurückdrängen, wenn ein Verbindungselement ausgelenkt wurde. Nach einer Auslenkung kann die Kupplungsvorrichtung durch das Magnetsystem wieder in die Nulllage zurückgehen.
Durch die Verwendung des Magnetsystems ist somit eine Rückführung der Kupplungsvorrichtung in die Nullstellung möglich, ohne dass eine Hysterese vorliegt. Die Nullrückstellung, bzw. die Rückstellung nach einer Auslenkung ist wiederholgenau, sicher und störungsfrei. Der konstruktive Aufwand der Kupplungsvorrichtung ist minimal, da keine technisch aufwändigen Federelemente zur Nullrückstellung eingebaut werden müssen. Die Verbindungselemente können ferner leichtgewichtige Materialien umfassen, wie z.B. glasfaserverstärkter Kunststoff. Somit weist die Kupplungsvorrichtung ein geringes Gewicht auf. Aufgrund des geringen konstruktiven Aufwands ist die Kupplungsvorrichtung mit geringen Fertigungskosten herstellbar und durch die Verwendung von Magneten praktisch wartungsfrei.
Vorzugsweise umfasst das Magnetsystem zumindest einen Magneten, wobei der Magnet dem ersten oder zweiten Verbindungselement zugeordnet ist. Das jeweils andere Verbindungselement wechselwirkt mit dem Magneten. Die Wechselwirkung erfolgt so, dass eine Kraft von dem Magneten auf das jeweils andere Verbindungselement wirkt, welche Kraft einer Auslenkung der ersten und zweiten Verbindungselemente relativ zueinander entgegenwirkt. So kann beispielsweise an dem ersten Verbindungselement ein Ferromagnet angebracht sein, und an dem zweiten Verbindungselement ein Eisenstück. Durch die magnetische Wechselwirkung zwischen dem Ferromagnet und dem Eisenstück kann einer Auslenkung des ersten und zweiten Verbindungselements aus der Nulllage der Kupplungsvorrichtung entgegengewirkt werden.
Vorzugsweise umfasst das Magnetsystem einen ersten und einen zweiten Magneten. Der erste Magnet ist dabei dem ersten Verbindungselement zugeordnet, und der zweite Magnet ist dem zweiten Verbindungselement zugeordnet. Die Magnete sind dabei derart ausgerichtet, dass sie tendenziell der Auslenkung aus der Nulllage entgegenwirken. So kann beispielsweise der Nordpol des ersten Magneten so zum Südpol des zweiten Magneten ausgerichtet sein, dass diese sich anziehen und dabei einer Auslenkung der Verbindungselemente aus der Nulllage entgegenwirken. In der Nulllage der Kupplungsvorrichtung ist der Abstand zwischen dem Nordpol und dem Südpol der Magnete vorzugsweise minimal. Nach einer Auslenkung der Verbindungselemente wird aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem ersten und zweiten Magneten bewirkt, dass die Kupplungsvorrichtung wieder in die Nulllage zurückkehren kann, nachdem eine entsprechende Auslenkungskraft nicht mehr auf die Verbindungselemente wirkt.
Insbesondere vorzugsweise ist in der Nulllage der Kupplungsvorrichtung der Abstand des ersten Magneten zu dem zweiten Magneten minimal, d.h. bei einer Auslenkung aus der Nulllage vergrößert sich der Abstand der beiden Magnete. Durch die Anordnung der Magnete kann somit bestimmt werden, wie das erste und zweite Verbindungselement zueinander in der Nulllage der Kupplungsvorrichtung angeordnet sind.
Der Fachmann versteht dabei, dass die Nulllage der Kupplungsvorrichtung entsprechend der Verwendung der Kupplungsvorrichtung unterschiedlich ausgestaltet sein kann. In der Nulllage ist die potentielle Energie, die durch das magnetische Moment des Magnetsystems hervorgerufen wird, minimal. Durch eine geeignete Anordnung des Magnetsystems kann der Fachmann eine entsprechend der Verwendung vorteilhafte Nulllage der Kupplungsvorrichtung definieren.
Ferner sind insbesondere vorzugsweise der erste Magnet in einer ersten Buchse und der zweite Magnet in einer zweiten Buchse angeordnet. Durch diese Buchsen sind die Magneten sicher abgeschirmt, und können präzise zueinander ausgerichtet und in der Kupplungsvorrichtung positioniert werden. Die Buchsen können dabei aus einem Kunststoff bestehen, und die Magneten teilweise umhüllen.
Vorzugsweise ist der Abstand von zumindest einem Magneten zum jeweils anderen Verbindungselement variabel einstellbar. Insbesondere ist der Abstand zwischen den ersten und zweiten Magneten variabel einstellbar. Durch Vergrößern des Abstandes kann die Auslenkungskraft reduziert werden, die notwendig ist um eine Auslenkung des ersten und zweiten Verbindungselements relativ zueinander aus der Nulllage der Kupplungsvorrichtung zu bewirken. Anderseits kann durch eine Verkürzung des Abstandes die Auslenkungskraft erhöht werden. Somit ist durch Einstellen des Abstandes die entsprechende Verstell- oder Auslenkungskraft einstellbar. Die Auslenkkräfte können somit den verschiedenen Bedürfnissen entsprechend individuell eingestellt werden.
Vorzugsweise kann der Abstand im Extremfall so eingestellt werden, dass praktisch kein Abstand mehr vorhanden ist. Bei Verwendung geeignet starker Magnete kann somit eine Auslenkung der Verbindungselemente relativ zueinander praktisch vollständig unterbunden werden; die Kupplung lässt sich somit quasi „feststellen“, falls dies gewünscht ist. Es ist dem Fachmann jedoch klar, dass bei ausreichend starken externen Kräften diese magnetbedingte Feststellung auch überwunden werden kann.
Vorzugsweise umfasst zumindest ein Magnet und insbesondere vorzugsweise jeder Magnet des Magnetsystems Neodym. Solche Neodym-Magnete können als Hochleistungsmagnete eine sichere und präzise Nullrückstellung ermöglichen und vorteilhaft starke Auslenkkräfte erfordern.
Vorzugsweise umfasst das Magnetsystem einen ersten, zweiten, dritten und vierten Magneten. Vorzugsweise ist der erste und dritte Magnet dem ersten Verbindungselement, und der zweite und vierte Magnet dem zweiten Verbindungselement zugeordnet und vorzugsweise verbunden. Dabei sind die Magnete derart ausgerichtet, dass sie einer Auslenkung aus der Nulllage entgegenwirken können. Durch den Einsatz von mehreren Magnetpaaren kann eine präzise und wiederholgenaue Nullrückstellung ermöglicht werden. Der Fachmann versteht dabei, dass auch mehr als zwei Magnetpaare verwendet werden können. Insbesondere vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem ersten und dritten Magneten, welche beiden dem ersten Verbindungselement zugeordnet sind, verschieden von dem Abstand zwischen dem zweiten und vierten Magneten, welche dem zweiten Verbindungselement zugeordnet sind. Durch diesen Polversatz wird eine wesentlich höhere Stabilität in der Nulllage erreicht.
Vorzugsweise sind das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement relativ zueinander in einer Ebene auslenkbar eingerichtet. Dies ermöglicht zumindest einen zweidimensionalen Ausgleich von Toleranzen bzw. Lagerabweichungen. Vorzugsweise ist das zweite Verbindungselement derart eingerichtet, dass es in genau einer Ebene relativ zu dem ersten Verbindungselement auslenkbar ist. Ein Kippen der Verbindungselemente zueinander ist somit nicht möglich. Es kann also präzise beispielsweise in der x-y-Ebene eine Lageabweichung ausgeglichen werden, und beispielsweise ein Achsversatz durch die Verwendung der Kupplungsvorrichtung ermöglicht werden.
Vorzugsweise sind das erste und das zweite Verbindungselement durch zumindest ein Lager miteinander verbunden. Als Lager kann hier jedes geeignete Lager verwendet werden, welches eine Auslenkung des ersten Verbindungselements relativ zum zweiten Verbindungselement ermöglicht. So können beispielsweise Rollenlager, Axialrollenlager, Axiallager oder Kombinationen hiervon eingesetzt werden. Das Lager kann ferner Kunststoff umfassen, oder als Glaskugellager ausgebildet sein, sodass die Kupplungsvorrichtung leichtgewichtig bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann das erste Verbindungselement mit Axiallagern mit dem zweiten Verbindungselement verbunden werden. So kann beispielsweise das erste Verbindungselement einen Bolzen umfassen, welches zwei Axiallager für das zweite Verbindungselement stützt. Dadurch kann eine Auslenkung des zweiten Verbindungselements relativ zum ersten Verbindungselement ermöglicht werden. Vorzugsweise kann ein solches Lager bereitgestellt werden, welches ein Parallelmechanismus der Kupplungsvorrichtung ermöglicht. Ein solcher Parallelmechanismus ermöglicht dabei eine Bewegung des ersten Verbindungselements parallel zum zweiten Verbindungselement. Somit kann mittels des Lagers eine Schmidt-Kupplung oder Oldham-Kupplung bereitgestellt werden.
Vorzugsweise weist die Kupplungsvorrichtung ferner ein Zwischenelement auf, welches zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungselement angeordnet ist. Das Zwischenelement ist dabei relativ zum dem ersten und zu dem zweiten Verbindungselement auslenkbar eingerichtet. Die Bereitstellung dieses Zwischenelements kann eine drehsteife Übertragung von Drehmomenten ermöglichen. Somit kann beispielsweise ein Achsversatz ausgeglichen werden, da das erste Verbindungselement relativ zu dem zweiten Verbindungselement beweglich auslenkbar ist, und ferner ein Drehmoment von dem ersten Verbindungselement über das Zwischenelement an das zweite Verbindungselement übertragen werden. Die Kupplungsvorrichtung eignet sich somit beispielsweise für alle Montageprozesse, bei denen das Werkzeug bspw. gedreht oder rotiert werden muss, wie etwa für das Einschrauben von Schrauben in entsprechende Bohrlöcher.
Insbesondere vorzugsweise sind das erste und das zweite Verbindungselement jeweils durch zumindest zwei Kurbeln mit dem Zwischenelement verbunden. Somit kann das zweite Verbindungselement relativ zu dem ersten Verbindungselement eine zweidimensionale Bewegung in einer Ebene ausführen. Der Einsatz solcher Kurbeln ermöglicht ein genaues und einfaches Auslenken der Verbindungselemente zueinander. Vorzugsweise sind die Kurbeln kugelgelagert und drehbar mit den Verbindungselementen verbunden. Insbesondere vorzugsweise sind die Kurbeln als Parallelkurbeln ausgebildet, analog z.B. zum Aufbau einer Schmidt-Kupplung. Dadurch kann eine beliebige zweidimensionale Bewegung des zweiten Verbindungselements relativ zum ersten Verbindungselement ermöglicht werden. Vorteilhaft können dabei Drehmomente über die Kupplungsvorrichtung übertragen werden. Durch den Einsatz des Magnetsystems kann weiterhin von jeder beliebigen Auslenkung die Nullstellung sicher wieder erreicht werden. Besonders bevorzugt sind die Verbindungselemente daher über ein Parallelkurbelsystem miteinander verbunden. Somit wird ein Optimum von Funktion, Baugröße und Herstellkosten erreicht. Die Kupplungsvorrichtung kann sinnvoll bei allen Flügel-, Einpress- und Montageprozessen eingesetzt werden.
Vorzugsweise sind die Verbindungselemente und insbesondere vorzugsweise auch das Zwischenelement als flächig ausgedehnte Elemente, oder als im Wesentlichen zweidimensional ausgedehnte Elemente ausgebildet. Entlang ihrer flächigen oder zweidimensionalen Ausdehnung können sie sich dabei vorzugsweise parallel zueinander bewegen. Ein flächig ausgedehntes Element ist dabei ein im Wesentlichen zweidimensionales Element. Der Fachmann versteht dabei, dass sich das flächig ausgedehnte Element in alle drei Raumrichtungen ausdehnen kann, die zweidimensionale Ausdehnung dabei jedoch die wesentliche Ausgestaltung des Elements bestimmen kann. Insbesondere vorzugsweise sind die Verbindungselemente als Platten ausgebildet. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, so dass auch Scheiben, Dreiecke, kreuzförmige oder propellerförmige Verbindungselemente verwendet werden können, welche sich entlang ihrer flächigen oder im Wesentlichen zweidimensionalen Ausdehnung parallel zueinander bewegen können. Insbesondere vorzugsweise sind die flächig ausgedehnten Elemente parallel zueinander angeordnet. Folglich ist der benötigte Bauraum der Kupplungsvorrichtung minimal, die Kupplungsvorrichtung weist also eine geringe Baugröße auf. Ferner zeichnet sich die Kupplungsvorrichtung durch ein geringes Gewicht aus, da nur eine geringe Anzahl an Komponenten notwendig ist.
Vorzugsweise kann ferner ein aktives Antriebssystem bereitgestellt werden, welches Einflüsse ausgleicht, die durch die Schwerkraft bedingt sind. Zur Regelung des elektrischen Antriebssystems kann beispielsweise ein Lagesensor bereitgestellt werden. Das aktive Antriebssystem kann beispielsweise einen elektrischen Linearzylinder umfassen, welcher beispielsweise an einen Kurbelhebel der Kupplungsvorrichtung angreift.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung der oben beschriebenen Kupplungsvorrichtung in einem automatisierten Fertigungs- oder Montageprozess mit einem Manipulator. Dabei können mittels der Kupplungsvorrichtung insbesondere Lageabweichungen und Toleranzen ausgeglichen werden.
Ferner betrifft die Erfindung ein Robotersystem umfassend einen Manipulator und die oben beschriebene Kupplungsvorrichtung. Dabei kann die Kupplungsvorrichtung vorzugsweise zwischen einem Handflansch des Manipulators und einem Werkzeug angeordnet sein, welches durch den Manipulator geführt wird. Somit können mittels der Kupplungsvorrichtung weitere Achsen für den Manipulator bereitgestellt werden und die Anzahl der Freiheitsgrade des Robotersystems somit erhöht werden. Insbesondere vorzugsweise weist der Manipulator Achsen und Gelenke auf, welche mit Kraft- und/oder Drehmomentsensoren versehen sind. Dadurch kann der Manipulator als sensibler Manipulator taktil arbeiten. In Kombination mit der Kupplungsvorrichtung sind keine zeitaufwendigen Suchfunktionen z.B. beim Stopfensetzen benötigt, wobei vorzugsweise die tatsächlichen Toleranzen der Bauteile zueinander kleiner sind als entsprechende Einweisungsschrägen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Werkzeug für einen automatisierten Fertigungs- oder Montageprozess. Insbesondere eignet sich das Werkzeug dabei zum automatisierten Setzen von stiftförmigen Verbindungselementen wie Schrauben oder Nieten. Das Werkzeug weist dabei die oben beschriebene Kupplungsvorrichtung zum Ausgleich von Toleranzen auf. Vorzugsweise kann das Werkzeug durch einen Manipulator geführt werden.
4. Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein Werkzeug mit einer Kupplungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
2 einen Querschnitt durch die Kupplungsvorrichtung der 1;
3 ein Werkzeug mit einer Kupplungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4 einen Querschnitt durch die Kupplungsvorrichtung der 3, und
5 ein Robotersystem gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In der 1 ist ein Werkzeug 10 dargestellt, welches einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht. Dieses Werkzeug 10 kann mittels einer Konsole 11 an beispielsweise einem Manipulator befestigt werden. Das Werkzeug 10 weist eine Werkzeugspitze 12 auf, welche über eine Kupplungsvorrichtung 100 mit der Konsole 11 verbunden ist. Aufgrund der Kupplungsvorrichtung 100, welche unten bezugnehmend auf 2 näher erläutert wird, kann die Werkzeugspitze 12 eine beliebige Auslenkung in zwei räumlichen Dimensionen (x-y-Richtung) ausführen, um Toleranzen bei einem Fertigungs- oder Montageprozess auszugleichen.
In 2 ist ein Querschnitt durch die Kupplungsvorrichtung 100 der 1 dargestellt. Die Kupplungsvorrichtung 100 umfasst eine Grundplatte 101, welche fest mit der Konsole 11 des Werkzeugs 10 verbunden ist und das erste Verbindungselement im Sinne der vorliegenden Erfindung bildet. Ferner weist die Kopplungsvorrichtung 100 eine Schwimmplatte 103 auf, welche mit der Werkzeugspitze 12 verbunden ist und das zweite Verbindungselement im Sinne der vorliegenden Erfindung bildet.
Zwischen der Grundplatte 101 und der Schwimmplatte 103 befindet sich eine Zwischenplatte 102, welche das Zwischenelement im Sinne der vorliegenden Erfindung bildet. Die Grundplatte 101 ist über zwei Kurbeln 111, 112 mit der Zwischenplatte 102 verbunden, und die Schwimmplatte 103 ist wiederum über zwei Kurbeln 113, 114 mit der Zwischenplatte 102 verbunden. Jedes Kurbelpaar 111, 112 bzw. 113, 114 ist als Parallelkurbel-System ausgebildet. Durch diese Anordnung kann die Schwimmplatte 102 eine zweidimensionale Bewegung relativ zu der Grundplatte 101 ausführen. Somit kann letztendlich die Werkzeugspitze 12 durch die Kupplungsvorrichtung 100 versetzt werden, um eine Toleranz auszugleichen. Diese dargestellte Anordnung ist vom Prinzip her auch als Schmidt-Kupplung bekannt.
Weiterhin weist die Kupplungsvorrichtung 100 eine obere und untere Buchse 121, 122 auf, welche jeweils einen Magneten 131, 132 halten. Die obere Buchse 122 ist dabei mit der Schwimmplatte 103 verbunden, und die untere Buchse 121 ist mit der Grundplatte 101 verbunden. Die untere Buchse 121 kann beweglich relativ zu der oberen Buchse 122 bereitgestellt sein, wobei die beiden Magneten 131, 132 durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind. Die untere Buchse 121 und der entsprechende Magnet 131 kann also relativ zu der oberen Buchse 122 und dem entsprechenden Magneten 132 bewegt werden bzw. umgekehrt. Die Magnete 131, 132 sind dabei Teil des erfindungsgemäßen Magnetsystems.
Beispielweise kann die vertikale Position der unteren Buchse 121, also die Position entlang der zentralen Achse 104, variabel eingestellt werden. Somit kann der Abstand zwischen den Magneten 131, 132 verändert werden, und damit die Auslenkkräfte eingestellt werden, die erforderlich sind, um die Grundplatte 101 und die Schwimmplatte 103 relativ zueinander zu bewegen.
Wenn die Schwimmplatte 103 relativ zu der Grundplatte 101 ausgelenkt wird, wird auch der obere Magnet 132 relativ zu dem unteren Magneten 131 ausgelenkt. Durch die magnetische Wechselwirkung zwischen den beiden Magneten 131, 132 wird einer solchen Auslenkung der Schwimmplatte 103 relativ zu der Grundplatte 101 entgegengewirkt. Die Magnete 131, 132 sind dabei derart angeordnet, dass in der Nullstellung der Kupplungsvorrichtung 100 alle Platten 101, 102, 103 zentrisch angeordnet sind, bezogen auf die zentrale Achse 104 der Kupplungsvorrichtung 100.
In 3 ist ein weiteres Werkzeug in Form einer Schrauberkonsole 20 dargestellt. Die Schrauberkonsole 20 umfasst Schraubspindeln 22, 23, und eine Konsole 21 zum Befestigen der Schrauberkonsole 20 beispielsweise am Handflansch eines Industrieroboters. Die Schraubspindeln 22, 23 verfügen jeweils über eine Arbeitsspitze 22‘ und 23‘ und die beiden Schraubspindeln 22, 23 sind über eine Kupplungsvorrichtung 200 mit der Konsole 21 verbunden. Die Kupplungsvorrichtung 200 wird aufgrund eines Magneten in einer Magnetbuchse 220 in die Nulllage gedrängt bzw. in der Nulllage gehalten. Die Details derartiger Schrauberkonsolen sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und für das Verständnis der vorliegenden Erfindung unerheblich, so dass auf eine Beschreibung derselben hier verzichtet wird.
In der 4 ist ein Querschnitt durch die Kupplungsvorrichtung 200 der 3 dargestellt. Die Konsole 21 ist fest mit einer Grundplatte 201 verbunden, welche unter anderem über Axiallager 231, 232, eine Zwischenplatte 202, Rillenkugellager 230 und Hebel 211, 213 mit einer Schwimmplatte 203 verbunden ist, sodass die Schwimmplatte 203 relativ zu der Grundplatte 201 (und damit der Konsole 21) auslenkbar ist. Die Kurbeln 211, 213 sind dabei gebogen ausgebildet, so dass eine vergrößerte Durchgangsbohrung zwischen diesen bereitgestellt werden kann. Die Schwimmplatte 203 selbst ist mit den Schraubspindeln 22, 23 verbunden, sodass diese gemeinsam mit der Schwimmplatte 203 relativ zu der Konsole 21 auslenkbar sind. Dabei bildet die Grundplatte 201 das erste Verbindungselement, die Schwimmplatte 203 das zweite Verbindungselement, und die Zwischenplatte 202 das Zwischenelement der vorliegenden Erfindung. Die Magnetbuchse 220 ist Teil des Magnetsystems.
Bei dieser Ausführungsform ist der Magnet nicht zentrisch bereitgestellt, also nicht mittig in der zentralen Achse 204. Die Magnetbuchse 220 ist vielmehr als Kragen oder Vorsprung bereitgestellt, und wirkt einer Auslenkung der Kupplungsvorrichtung 200 aus der Nulllage entgegen. Die Magnetbuchse 220 ist dabei, wie die Grundplatte 201, fest mit der Konsole 21 verbunden, sodass die Schwimmplatte 203 relativ zu dieser Magnetbuchse 220 beweglich ist. Ein in der Magnetbuchse 220 bereitgestellter Magnet wechselwirkt dabei mit der Schwimmplatte 203, um einer Auslenkung dieser relativ zu der Grundplatte 201 entgegenzuwirken. Wenn eine externe Kraft auf die Schwimmplatte 203 wirkt und diese relativ zur Grundplatte 201 (und damit zur Magnetbuchse 220) auslenkt, bewirkt die Magnetkraft ein Rückstellmoment bzw. eine Rückstellkraft. Sobald die externe Kraft wegfällt, kehrt die Kupplungsvorrichtung 200 aufgrund der Magnetkraft automatisch wieder in die Ausgangslage, also die Nulllage, zurück.
Im Betrieb ist die Schrauberkonsole 20 bspw. am Handflansch eines Industrieroboters befestigt, um ein automatisiertes Setzen von Schrauben in entsprechende Bohrungen auszuführen. Wenn der Roboter die Schrauberkonsole 20 zur Position einer Bohrung führt, kann es vorkommen, dass die Bohrung aufgrund von z.B. Fertigungstoleranzen nicht genau an der Soll-Position ist, die der Roboter ansteuert. Beispielsweise kann die Ist-Position der Bohrung um 3 mm von der Soll-Position versetzt sein. Ohne eine geeignete Kupplungs- bzw. Ausgleichseinrichtung ist ein Setzen einer Schraube dann normalerweise nicht möglich. Aufgrund der Ausgleichsmöglichkeit der Kupplungsvorrichtung 20 können sich die Arbeitsspitzen 22‘, 23‘ der Schrauberkonsole 20 jedoch im Vergleich zur Konsole 21 etwas bewegen, so dass eine Schraube automatisch in die Bohrung eingefädelt werden kann, jedenfalls solange die Abweichung von der Soll-Position einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet. Diese Bewegung erfolgt bei der gezeigten Ausführungsform in (genau) einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Schraubspindeln 22, 23. Nach Abschluss des Setzvorgangs wird die Schrauberkonsole 20 wieder von der Bohrung wegbewegt und die Kupplung führt die Arbeitsspitzen 22‘, 23‘ automatisch wieder in die vorgegebene Nulllage oder Ausgangslage.
In der 5 ist ein Robotersystem dargestellt, welches einen Manipulator 1 umfasst, an dessen Handflansch 2 ein erstes Verbindungsteil 3 befestigt ist. Dieses erste Verbindungsteil 3 ist über eine Kupplungsvorrichtung mit einem zweiten Verbindungsteil 5 verbunden. Das zweite Verbindungsteil 5 wiederum ist mit einem Werkzeug 6 versehen, mit welchem Fertigungs- oder Montageprozesse durchgeführt werden können. Aufgrund der Kupplungsvorrichtung 4 kann ein axialer Versatz zwischen den Verbindungsteilen 3, 5 ermöglicht werden, sodass Toleranzen bei dem Fertigungs- oder Montageprozess ausgeglichen werden können. Ein mit der Kupplungsvorrichtung 4 bereitgestelltes Magnetsystem erlaubt dabei eine sichere Nullrückführung der Kupplungsvorrichtung 4.
Bezugszeichenliste

1: Manipulator
2: Handflansch
3, 5: Verbindungsteile
4, 100, 200: Kupplungsvorrichtung
6, 10, 20: Werkzeug (Schrauberkonsole)
12: Werkzeugspitze
11, 21: Konsole
101, 201: Grundplatte
102, 202: Zwischenplatte
103, 203: Schwimmplatte
104, 204: zentrale Achse
111, 112, 113, 114, 211, 213: Kurbeln
121, 122, 220: Buchsen
131, 132: Magnete
230: Rillenkugellager
231, 232: Axiallager

Claims

Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) zum Kuppeln von zumindest zwei Bauteilen (3, 5), insbesondere zum Ausgleich von Toleranzen bei einem Fertigungs- oder Montageprozess, die Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) aufweisend: Ein erstes und ein zweites Verbindungselement (101, 103; 201, 203) welche relativ zueinander auslenkbar eingerichtet sind, und ein Magnetsystem, welches eingerichtet ist einer Auslenkung des ersten und zweiten Verbindungselements (101, 103; 201, 203) aus einer Nulllage der Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) entgegenzuwirken.
Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach Anspruch 1, wobei das Magnetsystem zumindest einen Magneten (131, 132) umfasst, wobei der Magnet (131, 132) dem ersten oder zweiten Verbindungselement (101, 103; 201, 203) zugeordnet ist, und wobei das jeweils andere Verbindungselement (101, 103; 201, 203) mit dem Magneten (131, 132) wechselwirkt.
Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Magnetsystem einen ersten und einen zweiten Magneten (131, 132) umfasst, wobei der erste Magnet (131) dem ersten Verbindungselement (101; 201) und der zweite Magnet (132) dem zweiten Verbindungselement (103; 203) zugeordnet ist, und wobei die Magneten (131, 132) derart zueinander ausgerichtet sind, das sie der Auslenkung aus der Nulllage entgegenwirken.
Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei in der Nulllage der Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) der Abstand des ersten Magneten (131) zum zweiten Magneten (132) minimal ist.
Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Magnet (131) in einer ersten Buchse (121; 220) und der zweite Magnet (132) in einer zweiten Buchse (122; 220) angeordnet sind.
Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Abstand von zumindest einem Magneten (131, 132) zum jeweils anderen Verbindungselement (101, 103; 201, 203) variabel einstellbar ist.
Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest ein Magnet (131, 132) und vorzugsweise jeder Magnet (131, 132) des Magnetsystems Neodym umfasst.
Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste und zweite Verbindungselement (101, 103; 201, 203) relativ zueinander in einer Ebene auslenkbar eingerichtet sind.
Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das zweite Verbindungselement (103; 203) derart eingerichtet ist, dass es in genau einer Ebene relativ zum ersten Verbindungselement (101; 201) auslenkbar ist.
Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste und zweite Verbindungselement (101, 103; 201, 203) durch zumindest ein Lager (111, 112, 113, 114, 211, 213, 230, 231, 232) miteinander verbunden sind.
Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend ein Zwischenelement (102; 202), welches zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungselement (101, 103; 201, 203) angeordnet ist und relativ zu dem ersten und zu dem zweiten Verbindungselement (101, 103; 201, 203) auslenkbar eingerichtet ist.
Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach Anspruch 11, wobei das erste und das zweite Verbindungselement (101, 103; 201, 203) jeweils durch zumindest zwei Kurbeln (111, 112, 113, 114; 211, 213) mit dem Zwischenelement (102; 202) verbunden sind, sodass das zweite Verbindungselement (103; 203) relativ zum ersten Verbindungselement (101; 201) eine zweidimensionale Bewegung in einer Ebene ausführen kann, wobei die Kurbeln (111, 112, 113, 114; 211, 213) vorzugsweise als Parallelkurbeln ausgebildet sind.
Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Verbindungselemente (101, 103; 201, 203) als flächig ausgedehnte Elemente und vorzugsweise als Platten ausgebildet sind, wobei die flächig ausgedehnten Elemente oder Platten vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind.
Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Verbindungselemente (101, 103; 201, 203) über ein Parallelkurbel-System miteinander verbunden sind.
Verwendung der Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem automatisierten Fertigungs- oder Montageprozess mit einem Manipulator (1), wobei mittels der Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) insbesondere Toleranzen ausgeglichen werden.
Robotersystem umfassend einen Manipulator (1) und eine Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) vorzugsweise zwischen einem Handflansch (2) des Manipulators (1) und einem durch den Manipulator (1) geführten Werkzeug (6, 10, 20) angeordnet ist.
Werkzeug (6, 10, 20) für einen automatisierten Fertigungs- oder Montageprozess, und insbesondere zum automatisierten Setzen von stiftförmigen Verbindungselementen wie Schrauben oder Nieten, wobei das Werkzeug (6, 10, 20) eine Kupplungsvorrichtung (100, 200, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Ausgleich von Toleranzen aufweist.