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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugwechselvorrichtung, die das abnehmbare Koppeln von Werkzeugen mit einem robotischen Manipulator ermöglicht.
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Auf dem Gebiet der industriellen Automatisierung ist die Verwendung von Werkzeugwechselvorrichtungen bekannt, die es einem robotisierten Manipulator, beispielsweise einem Gelenkarm, ermöglichen, das für eine gegebene maschinelle Bearbeitung benötigte Werkzeug fallweise zu nehmen und zu handhaben.
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Es wurden bereits viele Lösungen vorgeschlagen, jedoch bezieht sich die vorliegende Erfindung besonders auf die Werkzeugwechselvorrichtungen, die folgende Merkmale aufweisen:
- – einen Körper, der dazu gedacht ist, dauerhaft an dem Manipulator befestigt zu sein und mit einem männlichen Abschnitt versehen zu sein, und
- – einen weiblichen Abschnitt, der an dem zu nehmenden und zu handhabenden Werkzeug befestigt ist, wobei Ersterer dazu entworfen ist, den männlichen Abschnitt für die notwendige Zeitdauer aufzunehmen und zurückzuhalten.
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Bei dieser Topologie von Vorrichtungen sind Bauglieder, die zum reversiblen Blockieren des männlichen Abschnitts in dem weiblichen Abschnitt gedacht sind, in dem Körper untergebracht. Traditionell bedeutet „Werkzeugschnellwechselvorrichtungen” diejenigen Werkzeugwechselvorrichtungen, bei denen sich die Blockierungsbauglieder mit hoher Geschwindigkeit bewegen, um den männlichen Abschnitt und damit das Werkzeug rasch, beispielsweise in weniger als 1 Sekunde, zu ergreifen und freizugeben.
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Der Vorgang kann vom elektrischen oder pneumatischen Typ sein, je nachdem, ob die Antriebsbauglieder durch einen Elektromotor oder aber durch ein mit Druck beaufschlagtes Fluid angetrieben werden.
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Beispielsweise erzeugt das deutsche Unternehmen SCHUNK GmbH & Co KG eine Mehrzahl elektrisch oder pneumatisch betriebener Werkzeugwechselvorrichtungen. Eine elektrisch betriebene Werkzeugwechselvorrichtung wird unter dem Handelsnamen „Elektro-Werkzeugwechsler EWS” vertrieben und ist ausführlich unter dem folgenden Internet-Link in der verfügbaren technischen Form ausführlich beschrieben:
http://www.schunk.com/schunk_files/attachments/OM_AU_EWS_EN.pdf.
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Die Dokumente
US 8132816 ,
US 8209840 ,
US 8747288 und
US 2012/0277080 auf den Namen der ATI Industrial Automation beschreiben andere Beispiele von elektrisch betriebenen Werkzeugwechselvorrichtungen.
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Die
WO 2007/106662 , immer noch auf den Namen der ATI Industrial Automation, beschreibt eine pneumatisch betriebene Werkzeugwechselvorrichtung, die der Vorrichtung entspricht, die in der unter dem folgenden Internet-Link verfügbaren Bedienungsanleitung gezeigt ist:
http://pdf.directindustry.com/pdf/ati-industrial-automation/robotic-tool-changers-standard-heavy-automation-series/24443-149717.html#open.
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Eine der beliebtesten Konfigurationen ist die, bei der die Verriegelungsbauglieder Metallkugeln sind, die in dem männlichen Abschnitt untergebracht sind und selektiv zwischen Folgenden bewegbar sind:
- – einer verriegelten Position, in der die Kugeln einen entsprechenden Sitz oder eine entsprechende Auskehlung des weiblichen Abschnitts, der an dem männlichen Abschnitt angebracht ist, in Eingriff nehmen, um zu verhindern, dass der Erstere abrutscht, und
- – einer Ruheposition, in der die Kugeln den weiblichen Abschnitt nicht in Eingriff nehmen, wodurch Letzterer nicht zurückgehalten wird und von dem männlichen Abschnitt trennbar ist.
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In der Praxis sind die Kugeln in entsprechenden Sitzen in dem männlichen Abschnitt untergebracht und sind zwischen einer eingezogenen Position, d. h. der Ruheposition, in der sie nicht oder nur teilweise von, den jeweiligen Sitzen vorspringen, und einer Vorsprungsposition, d. h. der verriegelten Position, in der sie gerade genug von den jeweiligen Sitzen vorspringen, um den weiblichen Abschnitt in Eingriff zu nehmen und eine Formkopplung mit demselben zu definieren, ähnlich einer Hinterschneidung.
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Wie zuvor erwähnt wurde, werden die Kugeln durch Verwendung von pneumatischen oder elektrischen Betätigungsgliedern verschoben.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch betriebene Werkzeugwechselvorrichtung.
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Die Anmelderin stellte fest, dass aktuelle elektrisch betriebene Werkzeugwechselvorrichtungen einen beträchtlichen Nachteil aufweisen: das elektrische Betätigungsglied muss aktiv bleiben – d. h. es darf nicht im Standby- oder Ruhe-Modus sein – um die Kugeln in der verriegelten Position zu halten und um zu verhindern, dass sich der weibliche Abschnitt von dem männlichen Abschnitt entkoppelt. Das versehentliche Entkoppeln kann tatsächlich das Herunterfallen des Werkzeugs, den Bruch der bearbeiteten Stücke oder sogar die Verletzung von Personen, die in der Nähe des Manipulators arbeiten, bewirken.
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Beispielsweise muss der Elektromotor über die ganze Zeit hinweg, in der es notwendig ist, den männlichen Abschnitt in dem weiblichen Abschnitt einzuspannen, mit Energie versorgt werden.
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Dieser Aspekt zwingt die Hersteller, komplizierte Sicherheitssysteme zu entwerten und zum Zweck einer Rückkopplungsregelung des Zustandes des Elektromotors an den Werkzeugwechselvorrichtungen, üblicherweise vom elektronischen Typ, zu installieren. Selbstverständlich lohnt es sich dabei, Einflüsse auf die Gestaltung, die Herstellung, den Aufbau und Instandhaltungskosten von Vorrichtungen zusätzlich dazu, das Gewicht derselben gering zu halten, zu berücksichtigen.
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Andere in der Technik bekannte Lösungen sehen zusätzlich zu Sicherheitssystemen vom elektronischen Typ die Verwendung einer Haltefeder vor. Im Fall einer Fehlfunktion des elektrischen Betätigungsglieds, beispielsweise aufgrund eines Stromausfalls oder eines Totalausfalls der Energie, verhindert die Haltefeder die versehentliche Loslösung des Werkzeugs, da sie dahin gehend entworfen ist, eine schwache Kraft auf die Kugeln auszuüben, die jedenfalls ausreichend ist, um zu verhindern, dass sich die Kugeln in die Ruheposition bewegen.
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Wenn die Feder eingreift, um die versehentliche Loslösung des männlichen Abschnitts zu verhindern, gleicht die Kopplung das elektrische Betätigungsglied nicht vollständig aus: Die Feder übt auf die Kugeln nicht die nötige Druckkraft aus, um die Kugeln in der vorspringenden verriegelten Position zu halten, sondern verhindert lediglich, dass sich die Kugeln in die eingezogene Ruheposition bewegen. Es folgt daraus, dass der männliche Abschnitt sich nicht von dem weiblichen Abschnitt löst, sondern mit großem Spielraum an demselben eingespannt bleibt. Auf jeden Fall ist das Werkzeug immer noch unbenutzbar – aufgehängt, aber nicht betriebsfähig.
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In der Praxis ist bei bekannten Lösungen die Haltefeder bezüglich der Sicherheitssysteme vom elektronischen Typ überflüssig, wenn sie jedoch alleine ist, ist sie nicht in der Lage, die effektive Kopplung des weiblichen Abschnitts an dem männlichen Abschnitt zu garantieren.
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Die
EP 1970170 beschreibt eine mit einer Haltefeder versehene pneumatisch betriebene Werkzeugwechselvorrichtung.
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Andere Lösungen gemäß der bekannten Technik, die mit einer Haltefeder versehen sind, sind auch in der
US 4636135 und in der
US 6398279 beschrieben.
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Im Gegensatz dazu ist es wünschenswert, die Struktur der Werkzeugwechselvorrichtungen so stark wie möglich zu vereinfachen und gleichzeitig ein effizientes Funktionieren zu garantieren, ohne die Möglichkeit eines versehentlichen Loslösens des weiblichen Abschnitts von dem männlichen Abschnitt, und bei minimaler Vergeudung elektrischer Energie.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Werkzeugwechselvorrichtung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Werkzeugwechselvorrichtung bereitzustellen, die die Nachteile der herkömmlichen Lösungen überwindet, die strukturell einfach und kompakt ist, ein relativ geringes Gewicht aufweist sowie zuverlässig und kostengünstig ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Werkzeugwechselvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Insbesondere weist die Vorrichtung folgende Merkmale auf:
- – einen Hauptkörper, der an einem externen Handhabungssystem, beispielsweise an einem industriellen Manipulator, einspannbar ist;
- – einen männlichen Abschnitt, der in dem Hauptkörper untergebracht ist oder einstückig mit dem Hauptkörper gebildet ist;
- – einen weiblichen Abschnitt, der an einem zu handhabenden Werkzeug eingespannt und an dem männlichen Abschnitt abnehmbar angebracht werden kann;
- – eine Verriegelungseinrichtung, um den weiblichen Abschnitt an dem männlichen Abschnitt zu verriegeln, und
- – ein elektrisches Betätigungsglied der Verriegelungseinrichtung,
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Die Verriegelungseinrichtung ist selektiv zwischen einer verriegelten Position, in der sie den weiblichen Abschnitt in Eingriff nimmt, wenn derselbe an dem männlichen Abschnitt angebracht ist, und somit verhindert, dass derselbe sich von dem männlichen Abschnitt löst, und einer unverriegelten Position, in der sie den weiblichen Abschnitt nicht in Eingriff nimmt, wenn derselbe an dem männlichen Abschnitt angebracht ist, und somit dessen Loslösung ermöglicht, bewegbar.
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Anders als die Lösungen gemäß dem Stand der Technik ist bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Aktivierung der Verriegelungseinrichtung vorteilhafterweise nicht dem Elektromotor des Betätigungsglieds zugewiesen, der lediglich die Aufgabe hat, die Verriegelungseinrichtung lediglich in die unverriegelte Position zu bewegen.
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Das Betätigungsglied der Verriegelungseinrichtung weist zumindest ein elastisches Element, beispielsweise eine oder mehrere Federn, und einen Elektromotor auf. Das elastische Element übt kontinuierlich eine Kraft auf die Verriegelungseinrichtung aus, die ausreichend ist, sie in die verriegelte Position zu bewegen und darin zu halten, und der Elektromotor greift falls nötig ein, um einer derartigen Kraft entgegenzuwirken und die Verriegelungseinrichtung in die unverriegelte Position zu bewegen.
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In der Praxis ist das elastische Element dahin gehend kalibriert, die Verriegelungseinrichtung kontinuierlich verriegelt zu halten; der Elektromotor greift lediglich ein, um den männlichen Abschnitt zu entriegeln.
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Die vorgeschlagene Lösung bietet deutliche Vorteile. Zu allererst wird der Elektromotor nicht unbedingt aktiv gehalten, um den männlichen Abschnitt mit dem weiblichen Abschnitt gekoppelt zu halten; diese Aufgabe wird in der Tat dem elastischen Element zugewiesen, das sie ohne einen Verbrauch elektrischer Energie auf inhärente Weise ausführt.
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Deshalb kann die Vorrichtungsstruktur besonders einfach werden und ein besonders geringes Gewicht aufweisen: Es müssen keine komplexen Steuersysteme zum Zweck einer Rückkopplungsregelung des Elektromotors an der Vorrichtung installiert werden. Das elastische Element garantiert das korrekte Koppeln des männlichen und des weiblichen Abschnitts auch im Fall eines Stromausfalls, d. h. in allen Fällen, in denen die herkömmlichen Vorrichtungen versagen könnten.
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Der Elektromotor wird lediglich aktiviert, um den weiblichen Abschnitt von dem männlichen Abschnitt zu entkoppeln, um das Werkzeug zu wechseln – im Gegensatz dazu, was der Stand der Technik bereitstellt.
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Die abhängigen Ansprüche geben die bevorzugten Aspekte der vorliegenden Erfindung an.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Verriegelungseinrichtung eine Mehrzahl von Kugeln, beispielsweise Metallkugeln oder aus einem Keramikmaterial hergestellte Kugeln, auf, die – beispielsweise in Umfangsrichtung auf der jeweiligen Außenoberfläche – in entsprechenden Sitzen untergebracht sind, die in dem männlichen Abschnitt erhalten werden. In der verriegelten Position springen die Kugeln zumindest teilweise von den jeweiligen Sitzen gerade genug vor, um eine Auskehlung oder entsprechende Nischen, die in dem weiblichen Abschnitt erhalten werden, wenn Letzterer an dem männlichen Abschnitt angebracht wird, in Eingriff zu nehmen. Dadurch wird eine Hinterschneidung definiert, die verhindert, dass der weibliche Abschnitt nur deshalb abrutscht, weil die Auskehlung oder die Nischen durch die Kugeln zurückgehalten wird bzw. werden. Im Gegenteil, in der unverriegelten Position nehmen die Kugeln, auch wenn sie von dem männlichen Abschnitt vorspringen, die Auskehlung oder die Nischen des weiblichen Abschnitts nicht in Eingriff, die deshalb von dem männlichen Abschnitt wegbewegt werden können, so dass ein Werkzeugwechsel bewerkstelligt werden kann.
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Vorzugsweise weist der männliche Abschnitt eine Längsachse auf und sind die Kugeln radial zu der Achse in den jeweiligen Sitzen bewegbar.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Kugelbetätigungsglied ferner ein Druckkraftelement auf, das in dem männlichen Abschnitt untergebracht ist und zwischen einer Vorwärtsposition und einer Rückwärtsposition gleitet, was dem Verriegeln bzw. Entriegeln der Verriegelungseinrichtung und somit des weiblichen Abschnitts entspricht. Im Einklang mit der zugrundeliegenden Idee der Erfindung verbleibt das Druckkraftelement aufgrund der Druckkraft, die durch das elastische Element ausgeübt wird, normalerweise in der Vorwärtsposition und wird durch den Elektromotor, an dem es eingespannt ist, in die Rückwärtsposition bewegt, lediglich um die Loslösung des weiblichen Abschnitts zu ermöglichen, d. h. lediglich nur über die Zeitdauer hinweg, die notwendig ist, um die Loslösung zu ermöglichen, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
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Vorzugsweise ist der männliche Abschnitt zylindrisch oder konisch und weist der weibliche Abschnitt ein Loch auf, dessen Form komplementär zu dem männlichen Abschnitt ist, der somit an dem Ersteren angebracht werden kann, beispielsweise mit minimalem Spielraum.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel definiert das Druckkraftelement eine Zylinderkolbenkopplung mit dem männlichen Abschnitt. Die Gehäusesitze der Kugeln sind Löcher, die durch die Seitenwand des männlichen Abschnitts hindurch erhalten werden; vorzugsweise sind die Sitze dahin gehend geformt, zu verhindern, dass die Kugeln vollständig heraus gerlangen und herunterfallen. Beispielsweise sind die Sitze verjüngt, so dass lediglich ein Teil der Kugeln radial zur Außenseite der jeweiligen Sitze hin vorspringen könnte. Das Druckkraftelement in der jeweiligen Vorwärtsposition berührt den Teil der Kugeln, der der Innenseite des männlichen Abschnitts zugewandt ist: lediglich das Druckkraftelement übt auf die Kugeln, vom Inneren des männlichen Abschnitts aus, die Druckkraft aus, die notwendig ist, um sie zur Ineingriffnahme mit dem weiblichen Abschnitt zu bewegen.
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Vorzugsweise ist die Außenseitenoberfläche des Druckkraftelements, das heißt die Oberfläche, die den Kugeln und der Innenoberfläche des männlichen Abschnitts zugewandt ist, zumindest neben jeder Kugel verjüngt. Dieses Merkmal ermöglicht es, die Kugeln allmählich zu drücken, wenn sich das Druckkraftelement von der Rückwärtsposition in die Vorwärtsposition bewegt, um die Kugeln so stark wie möglich zu drücken, bis die verriegelte Position erreicht ist.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist das elastische Element eine Feder oder eine Gruppe von Federn, die zwischen dem Vorrichtungskörper und dem Druckkraftelement angeordnet ist bzw. sind. Jede Feder ist vorgespannt und dazu konfiguriert, eine derartige Druckkraft auf das Druckkraftelement auszuüben, um es in seine Vorwärtsposition zu bewegen, wobei es durch die Innenoberfläche des männlichen Abschnitts geführt wird.
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Vorzugsweise wird die Kopplung zwischen dem Elektromotor und dem Druckkraftelement anhand eines kinematischen Systems, eines Nockens, einer Kopplung oder eines Gelenks, die beide exzentrisch sind, d. h. die auf eine Achse einwirken, die parallel zu der Achse ist, auf der der Elektromotor arbeitet, erhalten. Falls nötig kann zumindest eine Rille auf dem Nocken oder dem kinematischen System/der Kopplung/dem Gelenk in einer stabilen Position des Druckkraftelements, beispielsweise in der relativen Vorwärtsposition, vorgesehen sein.
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Beispielsweise kann der Elektromotor ein Motor sein, dessen Welle mit einem Exzenternocken mit dem Druckkraftelement verbunden ist; die Achse der Welle des Elektromotors ist orthogonal zu der Längsachse des männlichen Abschnitts.
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Die Vorrichtung kann Schalter – beispielsweise Mikroschalter – oder Codierer oder eine Schaltung aufweisen, die den Strombedarf des Leistungsbauelements erfassen und die zum automatischen Abschalten des Elektromotors verwendet werden und ihn ausgeschaltet lassen, bis die Loslösung des weiblichen Abschnitts erforderlich ist.
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Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist das elastische Element eine Feder oder eine Gruppe von Federn, die zwischen dem Druckkraftelement und einem Läufer (engl.: cursor), der in dem Vorrichtungskörper parallel zu der Achse des männlichen Abschnitts gleitet, angeordnet ist bzw. sind. Jede Feder ist vorgespannt und dahin gehend kalibriert, eine derartige Druckkraft auf das Druckkraftelement auszuüben, um es in seine Vorwärtsposition zu bewegen, wobei es durch die Innenoberfläche des männlichen Abschnitts geführt wird.
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Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel greift der Elektromotor ein, um die vertikale Läuferposition, d. h. die Höhe, die der Läufer bei dem Vorrichtungskörper zu einem gegebenen Zeitpunkt einnimmt, zu modifizieren, um die Verschiebung des Druckkraftelements zu bewirken. Anders als bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel arbeitet der Elektromotor somit nicht direkt an dem Druckkraftelement, sondern arbeitet an dem Läufer, der wiederum mit der Feder bzw. den Federn zusammenwirkt, um dem Druckkraftelement die vertikalen Verschiebungen zu verleihen, parallel zu der Achse des männlichen Abschnitts.
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Weitere Charakteristika und Vorteile der Erfindung werden durch die Betrachtung der folgenden Spezifikation eines bevorzugten, jedoch nicht ausschließlichen, Ausführungsbeispiels, das lediglich zu Veranschaulichungszwecken und ohne Einschränkung dargestellt ist, mithilfe der angehängten Zeichnungen offensichtlicher. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Werkzeugwechselvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Konfiguration, bei der der weibliche Abschnitt von dem männlichen Abschnitt getrennt ist;
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2 eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung in einer Konfiguration, bei der der weibliche Abschnitt mit dem männlichen Abschnitt gekoppelt ist;
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3 eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung in derselben Konfiguration, jedoch mit elektrischen Verbindungen ausgestattet;
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4 eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung in einer Konfiguration ist, in der der weibliche Abschnitt mit dem männlichen Abschnitt gekoppelt und mit elektrischen Verbindungen ausgestattet ist;
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5 eine auseinandergezogene Ansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung ohne den weiblichen Abschnitt;
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6 eine vertikale Schnittansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung;
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7 eine vertikale Schnittansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung;
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8 eine auseinandergezogene Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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9 eine vertikale Schnitt- und perspektivische Ansicht der in 8 gezeigten zusammengebauten Vorrichtung in einer ersten Konfiguration;
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10 eine vertikale Schnitt- und perspektivische Ansicht der in 8 gezeigten zusammengebauten Vorrichtung in einer zweiten Konfiguration;
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11 eine vertikale Schnittansicht und Aufrissansicht der in 8 gezeigten zusammengebauten Vorrichtung in einer ersten Konfiguration; und
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12 eine vertikale Schnitt- und perspektivische Ansicht der in 8 gezeigten zusammengebauten Vorrichtung in einer zweiten Konfiguration.
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1 ist eine perspektivische Draufsicht auf eine Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen kastenförmigen Körper 2 aufweist. Auf dem Körper 2 ist eine Platte 3 installiert und umfasst einen männlichen Abschnitt 4, der bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen konischen Abschnitt 4 gebildet ist, der sich in der Art eines Auslegers von dem Körper 2 weg erstreckt. Die Vorrichtung 1 weist ferner einen weiblichen Abschnitt 5 auf, der auf abnehmbare Weise mit dem männlichen Abschnitt 4 koppelbar ist.
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Insbesondere weist der weibliche Abschnitt 5 ein mittiges Loch 6 auf, dessen Form komplementär zu dem männlichen Abschnitt 4 ist, so dass der männliche Abschnitt 4 mit minimalem Spielraum in den weiblichen Abschnitt 5 eingefügt werden kann.
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Der Körper 2 und mit demselben der männliche Abschnitt 4 können beide an einem Manipulator, beispielsweise einem robotischen Arm oder einer numerischen gesteuerten Maschine, befestigt werden, und der weibliche Abschnitt 5 kann an einem zu handhabenden Werkzeug oder Stück befestigt werden.
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2 zeigt den weiblichen Abschnitt 5 an dem männlichen Abschnitt 4 angebracht und daran verriegelt. Der konische Abschnitt 4 ist in das Loch 6 eingefügt.
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Verbinder für mit Druck beaufschlagte Fluide sind mit dem Bezugszeichen 10 gezeigt.
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3 und 4 entsprechen den 1 und 2, wobei der Unterschied darin liegt, dass die Vorrichtung 1 als mit elektrischen Verbindern 7, 7' und 8, 8' und mit einer Befestigungshalterung 9, um den Körper 2 an einem Manipulator zu befestigen, versehen gezeigt ist.
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Wie in 1 und 3 zu sehen ist, liegt an dem konischen Teil 4 des männlichen Abschnitts 4 eine Mehrzahl von Kugeln vor, die mit gleichem Abstand in derselben Höhe in Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Kugeln 11 sind in entsprechenden Sitzen untergebracht, die in der Wand des konischen Teils 4 erhalten werden.
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Die Kugeln 11 sind als Verriegelungseinrichtung konfiguriert, um den weiblichen Abschnitt 5 an dem männlichen Abschnitt 4 zu verriegeln. In der Tat sind die Kugeln 11 selektiv und auf Befehl zwischen einer unverriegelten Position, die radial näher bei der vertikalen Symmetrieachse X des konischen Teils 4 liegt, und einer verriegelten Position, die radial weiter von dieser Achse X entfernt ist, bewegbar.
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An dem Loch 6 des weiblichen Abschnitts 5 wird eine Auskehlung erhalten, oder genauer gesagt wird eine Mehrzahl von Nischen oder Rillen 12 erhalten, in die eine Kugel 11 zumindest teilweise eingefügt werden kann, wenn sie sich in der verriegelten Position befindet. Die Nischen 12 sind verjüngt, um eine Hinterschneidung mit den Kugeln 11 zu definieren und um zu verhindern, dass sich der weibliche Abschnitt 5 von dem männlichen Abschnitt 4 löst. 2 und 4 zeigen lediglich den an dem männlichen Abschnitt 4 verriegelten weiblichen Abschnitt 5, wobei die Kugeln 11 mit den Nischen 12 in Eingriff stehen. Der weibliche Abschnitt 5 kann lediglich dadurch getrennt werden, dass die Kugeln 11 in die unverriegelte Position bewegt werden; hiernach wird erläutert, wie die Kugeln 11 bewegt werden.
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Bei dem in den Figuren gezeigten Beispiel weist die Vorrichtung 1 vier Kugeln 11 und ebenso viele Nischen 12 auf.
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5 ist eine auseinandergezogene Ansicht der Vorrichtung 1. Mit dem Bezugszeichen 13 ist allgemein ein Elektrische-Leistung-Bauelement gezeigt, das einen Elektromotor 15 aufweist, dessen Welle 16 sich auf einer zu der Achse X orthogonalen Achse Y erstreckt und dreht. Mit dem Bezugszeichen 17 ist ein Nocken gezeigt, der exzentrisch mit der Welle 16 des Elektromotors 15 verbunden ist, um eine zu der Achse Y parallele zweite Achse Y' zu definieren.
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Mit dem Bezugszeichen 14 ist allgemein eine Anordnung gezeigt, die ein Element 18 aufweist, das den Kugeln 11 von der Innenseite des konischen Abschnitts 4 her eine Druckkraft verleihen soll, eine Trageplatte 19, um das Druckkraftelement 18 zu tragen, und eine Gruppe vertikal angeordneter Schraubenfedern 20, d. h. die parallel zu der Achse X sind.
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Wie zu sehen ist, werden vier Durchgangslöcher 21 durch die Seitenwand des konischen Teils 4 des männlichen Abschnitts hindurch erhalten. Die Durchgangslöcher 21 bilden den Gehäusesitz der Kugeln 11 und sind dahin gehend geformt, zu verhindern, dass die Kugeln 11 übermäßig nach außen hin vorspringen und somit herunterfallen; mit anderen Worten müssen die Kugeln 11 in den Löchern 21 bewegbar sein, aber jedenfalls dürfen sie nicht nach außen heraus gelangen. In 7 ist es möglich, nachzuvollziehen, dass die Löcher 21 nicht kreisförmig, sondern konisch sind, nur um das unerwünschte Herausfallen der Kugeln 11 nach außen zu verhindern.
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Das Druckkraftelement 18 weist eine Form auf, die im Wesentlichen komplementär zu dem konischen Abschnitt 4 ist, um abwechselnd in einer Innenseite desselben zu gleiten, wie es ein Kolben in dem jeweiligen Zylinder tun würde. Die radiale Verschiebung der Kugeln 11 in den Löchern 21 auf die zwei Arten wird durch die abwechselnde vertikale Bewegung des Druckkraftelements 18 gesteuert.
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Wenn sich das Druckkraftelement 18 in die vollständig angehobene Position bewegt, die dem oberen Totpunkt entspricht, falls man auf die Analogie eines Kolbens in einem Zylinder Bezug nehmen will, werden die Kugeln 11 so stark wie möglich in die Löcher 21 gedrückt, bis die verriegelte Position erreicht ist, d. h. bis ein Teil der Kugeln 11 außerhalb der Löcher 21 vorspringt, um den weiblichen Abschnitt in Eingriff zu nehmen (der Einfachheit halber in 5 nicht gezeigt).
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Wenn sich das Druckkraftelement 18 in die vollständig abgesenkte Position bewegt, d. h. zur Innenseite des Körpers 2 hin, die dem unteren Totpunkt entspricht, falls man auf die Analogie eines Kolbens in einem Zylinder Bezug nehmen will, sind die Kugeln 11 frei, in die Löcher 21 zurückzukehren, bis die unverriegelte Position erreicht ist.
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Auf der Außenoberfläche des Druckkraftelements 18 werden vier Verjüngungen 22 erhalten, die als Führungsrampen der Kugeln 11 dienen: Wenn sich das Druckkraftelement 18 in die vollständig angehobene Position bewegt, drücken die Verjüngungen 22 die Kugeln 11 allmählich in die verriegelte Position, und wenn sich das Druckkraftelement 18 in die vollständig abgesenkte Position bewegt, fungieren die Verjüngungen 22 als Grenzen, die verhindern, dass die Kugeln in den männlichen Abschnitt 4 hineinfallen.
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Wenn die Vorrichtung 1 zusammengebaut ist, werden die Federn 20 komprimiert, d. h. vorgespannt, und sie üben kontinuierlich eine Druckkraft auf die Trageplatte 19 aus, die wiederum dazu tendiert, das Druckkraftelement 18 stetig in der angehobenen Position zu halten. Deshalb wirken die Federn 20 dahin gehend, die Kugeln 11 kontinuierlich in der verriegelten Position des weiblichen Abschnitts 5 zu halten.
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6 und 7 zeigen dieses Konzept auf die beste Art und Weise. Insbesondere ist in diesen Figuren die Vorrichtung 1 mit den Kugeln 11 in der verriegelten Position gezeigt, d. h. sie werden durch das Druckkraftelement 18, das durch die Kraft, die die Federn 20 ausüben, vollständig angehoben ist, radial zur Außenseite der jeweiligen Löcher 21 an die Grenze gedrückt.
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Um die Loslösung des weiblichen Abschnitts 5 zu erzielen, wird der Elektromotor 15 dahin gehend aktiviert, die jeweilige Welle 16 mit einer halben Umdrehung zu drehen und durch den Nocken 17 das Druckkraftelement 18 nach unten zu drücken, wodurch die Kugeln 11 freigegeben werden, die teilweise in die Löcher 21 zurückkehren, zum Zweck der Außer-Eingriff-Bringung der in 1 sichtbaren Nischen 12. Die unverriegelte Position ist in den angehängten Figuren nicht gezeigt.
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Der Nocken 17 befindet sich in einem Schlitz 24, der in dem Druckkraftelement 18 erhalten wird und in den 5, 6 und 7 sichtbar ist. Die Innenoberfläche des Schlitzes 24 ist lokal dahin gehend geformt, eine leichte Rille zu erhalten, die bei dem Bezugszeichen 23 gezeigt ist. Die Rille 23, die nur ein wenig hohl ist, dient zum Definieren einer stabilen Gleichgewichtsposition des Nockens 17. Da der Nocken 17 bezüglich der Welle 16 des Elektromotors exzentrisch montiert ist, ist das Vorhandensein der Rille 23 nützlich bezüglich eines Haltens des Nockens 17 in einer stabilen Position, wenn der Motor nicht aktiv ist.
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8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel 1', das sich von dem ersten 1 darin unterscheidet, dass es einen Läufer 25 aufweist, der in einem geeigneten Sitz 27 untergebracht ist, der in dem Körper 2 erhalten wird. Der Läufer 25 gleitet in dem Sitz 27 parallel zur Achse X, die die Längsachse des männlichen Abschnitts 4 ist. Die vertikalen Bewegungen des Läufers 25 in seinem Sitz 27 werden durch das Leistungsbauelement 15, bei diesem Beispiel ein Elektromotor, durch einen Nockenmechanismus 17', der zu dem oben beschriebenen äquivalent ist, gesteuert.
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Der Läufer 25 weist einen Sitz 26 für jede Feder 20 auf, bei dem gezeigten Beispiel vier, die buchsenförmig sind. Bei dem Schritt des Zusammenbauens werden die Federn 20 in die Sitze 26 des Läufers 25 eingefügt und drücken auf das oben befindliche Druckkraftelement 18.
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9 und 10 fördern das Verständnis der Funktionsweise der Vorrichtung 1'. Sie sind vertikale Schnittansichten, jeweils in einer Ebene, die die Achse X nicht enthält, und in einer Ebene, die die Achse X enthält, jedenfalls orthogonal zu der Achse Y des Elektromotors 15.
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Insbesondere ist in 9 die Vorrichtung 1' in der verriegelten Position der Kugeln 11 gezeigt, und in 10 ist sie in der unverriegelten Position gezeigt. In 9 ist das Druckkraftelement 18 vollständig angehoben, da der Nocken 17' den Läufer 25 in der Position der maximalen Höhe in dem Sitz 27 hält. Deshalb ist der Läufer 25 zu dem männlichen Abschnitt 4 angehoben, und die Federn 20 halten das Druckkraftelement 18 gegen den männlichen Abschnitt 4 gedrückt, in einer Vorwärtsposition, die dem Blockieren der Kugeln 11 entspricht. In 10 ist das Druckkraftelement 18 abgesenkt, da der Nocken 17' den Läufer 25 in der Position der minimalen Höhe in dem Sitz 27, fast ganz unten, hält. Deshalb wird der Läufer 25 zum unteren Ende des Sitzes 27 hin abgesenkt, und die Federn 20 sind, obwohl sie gedehnt sind, nicht in der Lage, das Druckkraftelement 18 in der Vorwärtsposition und gegen den männlichen Abschnitt 4 gedrückt zu halten; im Gegenteil, das Druckkraftelement 18 befindet sich in der eingezogenen Position, wobei die Kugeln 11 frei sind, in die jeweiligen Sitze 21 zurückzukehren, um den weiblichen Abschnitt zu entriegeln.
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11 zeigt die Vorrichtung 1' in der verriegelten Position, wobei die Kugeln 11 durch das Druckkraftelement 18 nach außen gedrückt sind. In dieser Figur kann man nachvollziehen, dass die Wegstrecke D, die für den Läufer 25 zur Verfügung steht, größer als die oder gleich der Längendifferenz zwischen den komprimierten und gedehnten Federn 20 ist, wie in 9 bzw. 10 gezeigt ist. Die Wegstrecke D muss in der Tat ausreichend sein, um es dem Läufer 25 zu ermöglichen, das Druckkraftelement 18 in eine eingezogene Position zu bewegen, obwohl sich die Federn dehnen oder zu der anfänglichen nichtvorgespannten Länge zurückkehren können.
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12 zeigt ein vertikales Segment, das in einer Ebene genommen ist, die die Achse Y der Welle des Elektromotors 15 enthält. In dieser Figur kann man erkennen, dass der Läufer 25 mit zumindest einer Rille 23 versehen ist, an der sich der Nocken 17' in einem stabilen Gleichgewicht befindet, entsprechend der Vorrichtung 1' in verriegelter Position.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8132816 [0007]
- US 8209840 [0007]
- US 8747288 [0007]
- US 2012/0277080 [0007]
- WO 2007/106662 [0008]
- EP 1970170 [0019]
- US 4636135 [0020]
- US 6398279 [0020]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.schunk.com/schunk_files/attachments/OM_AU_EWS_EN.pdf. [0006]
- http://pdf.directindustry.com/pdf/ati-industrial-automation/robotic-tool-changers-standard-heavy-automation-series/24443-149717.html#open [0008]
