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Die Erfindung betrifft einen Kraft-Moment-Sensor für eine Robotikeinheit mit einem einteiligen Trägerkörper, der zwei zueinander parallele Anschlussscheiben und mehrere, die Anschlussscheiben einstückig miteinander verbindende Brückenelemente aufweist. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung eines Trägerkörpers für einen solchen Kraft-Moment-Sensor und einem derartigen Trägerkörper.
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Ein Kraft-Moment-Sensor zur Erfassung von Kräften und Momenten bei einer Robotikeinheit ist aus der
DE 10 2015 215 099 B3 bekannt. Der bekannte Kraft-Moment-Sensor weist einen einteiligen Trägerkörper auf, der eine zylindrische Grundform besitzt. Der Trägerkörper ist mit zwei zueinander parallelen, im Wesentlichen zylindrischen Anschlussscheiben versehen, die über mehrere Brückenelemente miteinander verbunden sind. Die Brückenelemente sind einstückig zu den Anschlussscheiben hergestellt. Der Trägerkörper einschließlich seiner Anschlussscheiben und den Brückenelementen wird aus einem massiven Metallblock hergestellt, wobei die Formung der Anschlussscheiben und der Brückenelemente durch spanende Bearbeitung dieses massiven Metallkörpers erfolgt.
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Problematisch bei bekannten Kraft-Moment-Sensoren sind starke Überlastungen des Kraft-Moment-Sensors, die durch eine Fehlfunktion und/oder einen Crash der Robotikeinheit entstehen können. Derartige Überlastungen können zu einer Zerstörung des Kraft-Moment-Sensors führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraft-Moment-Sensor, einen Trägerkörper und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die Beschädigungen oder Zerstörungen des Kraft-Moment-Sensors durch starke Überlastungen verhindern können.
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Diese Aufgabe wird für den Kraft-Moment-Sensor und den Trägerkörper dadurch gelöst, dass an einer Anschlussscheibe ein Blockierkörper angeformt ist, der in eine komplementäre Blockieraufnahme der anderen Anschlussscheibe hineinragt und der die Blockieraufnahme in Längsrichtung des Trägerkörpers mit geringem Spiel formschlüssig hintergreift. Der Blockierkörper und die komplementäre Blockieraufnahme bilden eine Überlastsicherung für den Kraft-Moment-Sensor. Das geringe Spiel ermöglicht eine normale Funktion des Kraft-Moment-Sensors und demzufolge insbesondere eine elastische Verformung der Brückenelemente, die als Messaufnehmer für den Kraft-Moment-Sensor fungieren. Sobald aufgrund einer Überlastung eine stärkere Verformung des Trägerkörpers und demzufolge der Brückenelemente erfolgt, greifen der Blockierkörper und die Blockieraufnahme formschlüssig ineinander, um eine weitergehende plastische Verformung des Trägerkörpers, die zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Brückenelemente führen könnte, zu verhindern. Der Blockierkörper ist vorteilhaft als von der einen Anschlussscheibe zur anderen Anschlussscheibe hin abragender Bolzenkörper gestaltet und die Blockieraufnahme ist komplementär ringförmig an der anderen Anschlussscheibe angeformt, um den Bolzen zu umschließen. Der in Längsrichtung wirksame Formschluss gewährleistet, dass bei Überdehnungen der Brückenelemente in Längsrichtung des Trägerkörpers eine formschlüssige Blockade erfolgt. Unter der Längsrichtung ist eine Erstreckung entlang oder parallel zu einer Mittellängsachse des Trägerkörpers zu verstehen. Die Anschlussscheiben erstrecken sich relativ zu dieser Mittellängsachse radial. Der Trägerkörper ist vorzugsweise mit einer im Wesentlichen zylindrischen Außenkontur versehen. Demzufolge sind auch die beiden Anschlussscheiben als im Wesentlichen zylindrische Scheiben oder Scheibenringe gestaltet. Der Blockierkörper ist vorzugsweise koaxial zu der Mittellängsachse an der einen Anschlussscheibe angeformt und zu der anderen Anschlussscheibe hin erstreckt. Vorteilhaft ist der Blockierkörper hohl und in Längsrichtung des Trägerkörpers zu beiden Seiten hin offen. Dies ermöglicht die Hindurchführung elektrischer Daten- und Energieversorgungsleitungen in Längsrichtung des Trägerkörpers.
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Als Brückenelemente sind sowohl kreisartige Ringelemente als auch Biegestäbe, insbesondere in Form von sechs schrägen Streben, die auch als Hexapod-Streben bezeichnet werden, vorgesehen.
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In Ausgestaltung der Erfindung weisen der Blockierkörper und die Blockieraufnahme zueinander komplementäre, in Umfangsrichtung mit geringem Spiel formschlüssige Profilierungskonturen auf. Hierdurch ist der Kraft-Moment-Sensor auch gegen Torsionsüberlastung gesichert. Falls daher die beiden Anschlussscheiben aufgrund einer Überlastung relativ zueinander in einem Maße tordiert werden, das über den elastischen Verformungsweg der Brückenelemente, die die Anschlussscheibe miteinander verbinden, hinausgeht, greifen die komplementären Profilierungskonturen des Blockierkörpers und der Blockieraufnahme formschlüssig ineinander und blockieren so eine weitergehende Torsion. Die entsprechenden Profilierungskonturen sind vorzugsweise rotationsunsymmetrisch gestaltet relativ zu einer Mittellängsachse des Trägerkörpers.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der das geringe Spiel definierende Abstand maximal gleich wie ein elastischer Verformungsweg der Brückenelemente. Dies gilt sowohl für eine Dehnung des Trägerkörpers in Längsrichtung als auch für eine Torsion der Anschlussscheiben relativ zueinander als auch für elastische Verformungen in anderen Richtungen. Damit ergibt sich ein Überlastschutz bei Bewegungen der Brückenelemente in allen Dimensionen, d. h. in allen sechs Achsrichtungen eines Raumes. Die Brückenelemente können demzufolge in allen Raumrichtungen nur innerhalb ihres elastischen Verformungsweges verformt werden, da anderenfalls die Blockierung durch die Überlastsicherung in Form des Blockierkörpers und der Blockieraufnahme erfolgt. Eine elastische Verformung der Brückenelemente ist ausgeschlossen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Trägerkörper aus einer Metalllegierung, insbesondere einer Leichtmetalllegierung, hergestellt. Der Trägerkörper kann insbesondere aus einer Stahllegierung, aus einer Titanlegierung oder aus einer Leichtmetalllegierung in Form einer Aluminiumlegierung oder Ähnlichem hergestellt sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der das geringe Spiel definierende Abstand kleiner als 0,5 mm, vorzugsweise aus einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,3 mm, gewählt. Dieser Abstand gilt insbesondere für Trägerkörper, die aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sind.
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Für das Verfahren zur Herstellung eines Trägerkörpers für einen zuvor beschriebenen Kraft-Moment-Sensor wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass der Trägerkörper einschließlich des Blockierkörpers und der Blockieraufnahme in einem 3D-Druckverfahren hergestellt wird. Die Herstellung des Trägerkörpers im 3D-Druck ermöglicht eine einstückige Herstellung mit den entsprechenden Hinterschnitten in Längsrichtung und Umfangsrichtung. Durch das Herstellverfahren sind der Blockierkörper und die Blockieraufnahme derart exakt formbar und konturierbar, dass im normalen Betriebszustand des Trägerkörpers die zueinander benachbarten Konturen des Blockierkörpers und der Blockieraufnahme berührungslos zueinander positioniert sind.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, die anhand der Zeichnungen dargestellt sind.
- 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Trägerkörpers mit Brückenelementen in Form von kreisartigen Ringelementen für eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraft-M oment -Sensors,
- 2 eine Seitenansicht des Trägerkörpers nach 1,
- 3 einen Querschnitt durch den Trägerkörper nach 2 entlang der Schnittlinie III-III in 2 und in vergrößerter Darstellung,
- 4 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie IV-IV in 2 des Trägerkörpers nach 2 und
- 5. eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Trägerkörpers ähnlich 1, aber mit Biegestäben als Brückenelemente.
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Ein Trägerkörper 1 nach den 1 bis 4 ist zur Bildung eines Kraft-Moment-Sensors vorgesehen, der im Betriebszustand zwischen zwei Teile einer Robotikeinheit eingebaut ist, um Kräfte und Momente, die von dem einen Teil der Robotikeinheit auf den anderen Teil der Robotikeinheit wirken, zu messen, um insbesondere Überlastungen der Robotikeinheit erkennen und signalisieren zu können. Der Trägerkörper 1 ist einstückig und massiv aus Metall hergestellt, vorliegend aus einer Aluminiumlegierung.
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Der Trägerkörper 1 weist eine erste Anschlussscheibe 2 sowie eine zweite Anschlussscheibe 3 auf, die in den Darstellungen gemäß den 1 bis 3 oben (Anschlussscheibe 2) und unten (Anschlussscheibe 3) positioniert sind. Beide Anschlussscheiben 2 und 3 weisen eine rotationssymmetrische, im Wesentlichen zylindrische Außenkontur auf. Die eine Anschlussscheibe 2 ist mit einem einstückig ausgebildeten Anschlussflansch 5 und die andere, untere Anschlussscheibe 3 mit einem weiteren Anschlussflansch 9 versehen. Die Anschlussflansche 5 und 9 dienen zur lösbaren Verbindung mit dem jeweils benachbarten Teil der Robotikeinheit, vorzugsweise einem Roboterarm, auf der einen Seite und einem Robotikwerkzeugträger auf der anderen Seite.
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Die beiden Anschlussscheiben 2 und 3 sind über mehrere Brückenelemente 4 einstückig miteinander verbunden. Die Brückenelemente 4 sind - wie die Anschlussscheiben 2 und 3 - einstückiger Teil des Trägerkörpers 1. Die drei Brückenelemente 4 sind in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen über den Umfang der beiden Anschlussscheiben 2, 3 verteilt angeordnet und in gleichen radialen Abständen zu einer Mittellängsachse L des Trägerkörpers 1 positioniert, die gleichzeitig eine Rotationsachse für die Rotationssymmetrie der Anschlussscheiben 2 und 3 bilden. Jedes Brückenelement 4 ist als polygonales Plattenelement ausgeführt, das orthogonal zu Radialebenen der Anschlussscheiben 2 und 3 ausgerichtet ist, wobei eine hochkante Ausrichtung der Brückenelemente 4 in Umfangsrichtung vorgesehen ist.
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Die Brückenelemente
4 dienen als Messaufnehmer des Kraft-Moment-Sensors. Hierzu sind in nicht näher dargestellter Weise Dehnmessstreifensysteme an verschiedenen Konturbereichen jedes Brückenelements
4 befestigt. Die Dehnmessstreifensysteme sind in ebenfalls nicht näher dargestellter Weise elektrisch angeschlossen an Elektronikplatinen, die in hochkanter Ausrichtung, d.h. orthogonal zu den Radialebenen der Anschlussscheiben
2 und
3, zwischen den beiden Anschlussscheiben
2 und
3 positioniert und an einem Befestigungsblock
6 der Anschlussscheibe
3 befestigt sind. Der Befestigungsblock
6 ist, wie den
1 und
4 gut zu entnehmen ist, mit einer Grundform eines gleichmäßigen Sechsecks versehen. Der Befestigungsblock
6 ist einstückiger Teil der Anschlussscheibe
3. Seitenkanten des Befestigungsblocks
6 sind relativ zu einer der Anschlussscheibe
2 zugewandten und in einer Radialebene zur Mittellängsachse L erstreckten Oberfläche der Anschlussscheibe
3 rechtwinklig ausgerichtet und bilden so Stütz- und Befestigungskanten, an denen die hochkant ausgerichteten Elektronikplatinen durch Schraubverbindungen zu befestigen sind. Die Dehnmessstreifensysteme und die zugehörige Messelektronik, die die zuvor beschriebenen Elektronikplatinen umfasst, sind gemäß dem Kraft-Moment-Sensor der
DE 10 2015 215 099 B3 angeordnet und aufgebaut, so dass zur ergänzenden Offenbarung auf diese Patentschrift verwiesen wird.
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Um zu vermeiden, dass der Trägerkörper 1 bei Fehlbedienungen der Robotikeinheit im Einsatz als Kraft-Moment-Sensor innerhalb einer solchen Robotikeinheit im Bereich der Brückenelemente 4 über die elastische Verformbarkeit der Brückenelemente 4 hinaus belastet wird, ist der Trägerkörper 1 mit einer nachfolgend näher beschriebenen Überlastsicherung versehen. Die Überlastsicherung weist einen Blockierkörper 7 auf, der einstückig an der einen Anschlussscheibe 2 angeformt ist und nach Art eines glockenähnlichen Bolzens konzentrisch zur Mittellängsachse L in Richtung der anderen Anschlussscheibe 3 hin abragt. Der Blockierkörper 7 ist als aus der Anschlussscheibe 2 nach unten ausgeformter Hohlkörper ausgeführt, der sowohl nach oben als auch nach unten hin offen ist. Die andere Anschlussscheibe 3 weist im Bereich des Befestigungsblocks 6 eine ebenfalls im Wesentlichen konzentrisch zur Mittellängsachse L angeordnete Blockieraufnahme 8 auf, die sowohl als zur Anschlussscheibe 2 als auch zu einer gegenüberliegenden Stirnseite der Anschlussscheibe 3 hin offener Durchtritt ausgeführt ist. Der Blockierkörper 7 ist an seinem in die Blockieraufnahme 8 hineinragenden, freien Endbereich mit einer pilzkopfartigen Aufweitung 10 versehen. Die Blockieraufnahme 8 ist mit einer einer Außenkontur der Aufweitung 10 etwa parallel nachgeführten Ringnut 11 versehen, die einen Hinterschnitt für die Aufweitung 10 in Richtung der Mittellängsachse L bildet. In unbelastetem Ausgangszustand des Trägerkörpers 1 sind der Blockierkörper 7 und die Blockieraufnahme 8 berührungslos zueinander ausgerichtet, so dass zwischen der Aufweitung 10 und der Ringnut 11 der Blockieraufnahme 8 umlaufend ein geringer Abstand von 0,1 bis 0,3 mm besteht.
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Anhand der 4 ist zudem erkennbar, dass eine Außenkontur des Blockierkörpers 7 und eine Innenkontur der Blockieraufnahme 8 rotationsunsymmetrisch zu der Mittellängsachse L ausgeführt sind. Dabei ergeben sich an der Außenkontur des Blockierkörpers 7 im Bereich der Aufweitung 10 vier radial nach innen geführte Einschnürungen 13. Die Blockieraufnahme 8 weist komplementär zu den Einschnürungen 13 radial zum Blockierkörper 7 hin gerichtete Auswölbungen 14 auf. Die Einschnürungen 13 und die Auswölbungen 14 ergeben die rotationsunsymmetrische Gestaltung des Blockierkörpers 7 und der Blockieraufnahme 8. Hierdurch ergeben sich bei Verdrehung der beiden Anschlussscheiben 2 und 3 relativ zueinander um die die Drehachse definierende Mittellängsachse L Abstützfunktionen zwischen dem Blockierkörper 7 und der Blockieraufnahme 8, so dass durch die Überlastsicherung aus Blockierkörper 7 und Blockieraufnahme 8 auch Torsionen des Trägerkörpers 1 um die Mittellängsachse L blockiert und damit abgestützt werden können. Anhand der 4 ist erkennbar, dass der Blockierkörper 7 mit seiner Außenkontur und die Blockieraufnahme 8 mit ihrer Innenkontur auch im Bereich der rotationsunsymmetrischen Einschnürungen 13 und Auswölbungen 14 geringfügig zueinander beabstandet sind. Der Abstand sowohl in Längsrichtung, d.h. entlang der Mittellängsachse L, als auch in Umfangsrichtung, d.h. bei Relativdrehungen um die Mittellängsachse L, ist so bemessen, dass entsprechende Dehnungs- und Stauchbelastungen des Trägerkörpers 1 längs der Mittellängsachse L und Torsionsbelastungen um die Mittellängsachse L im Rahmen des maximalen elastischen Verformungswegs der Brückenelemente 4 ausgeführt werden können, ohne dass der Blockierkörper 7 und die Blockieraufnahme 8 aneinander zur Anlage kommen. Der normale Funktionsbetrieb des Kraft-Moment-Sensors wird daher durch diese Überlastsicherung nicht beeinflusst. Lediglich starke Überlastungen, die auf den Trägerkörper 1 wirken, führen zu den gewünschten Abstützfunktionen zwischen Blockierkörper 7 und Blockieraufnahme 8. Die so gebildete Überlastsicherung verhindert eine Beschädigung oder Zerstörung des Trägerkörpers 1 und damit des Kraft-Moment-Sensors im Betrieb der Robotikeinheit, falls Fehlfunktionen oder Fehlbedienungen der Robotikeinheit auftreten.
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Um die beschriebenen Hinterschnitte sowohl in Längsrichtung der Mittellängsachse L als auch in Umfangsrichtung, d.h. in Drehrichtung um die Mittellängsachse L, bei dem einteiligen Trägerkörper 1 herstellen zu können, ist der Trägerkörper 1 in einem 3D-Druckverfahren aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Bei nicht dargestellten Ausführungsformen wird der Trägerkörper ebenfalls im 3D-Druckverfahren, jedoch nicht aus einer Aluminiumlegierung, sondern aus einer Titanlegierung oder aus einer Stahllegierung hergestellt.
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Der Kraftmomentsensor gemäß 5 ist - statt mit ringförmigen Brückenelementen - mit mehreren Brückenelementen 4a in Form von Biegestäben versehen, die nach Art eines Hexapod schräg verlaufend zwischen einer oberen Anschlussscheibe 2a und einer unteren Anschlussscheibe 3a erstreckt sind. Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 4 sind die Brückenelemente 4a einstückiger Teil eines Trägerkörpers 1a des Kraft-Moment-Sensors. Der Trägerkörper 1a ist in gleicher Weise mit einem Blockierkörper 7a und einer Blockieraufnahme 8a versehen, wie es beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist. Auch eine Aufweitung 10a des Blockierkörpers 7a und eine Ringnut 11a der Blockieraufnahme 8a entsprechen von Funktion und Gestaltung her der Aufweitung 10 und der Ringnut 11 des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels. Funktionsgleiche Teile und Abschnitte des Trägerkörpers 1a sind demzufolge mit gleichen Bezugszeichen, unter Hinzufügung des Buchstabens a versehen.
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Anhand der 5 ist erkennbar, dass der Trägerkörper 1a im Bereich der oberen Anschlussscheibe 2a mit einem Anschlussteil A über Schraubverbindungen verbunden ist. Bis auf die Gestaltung der Brückenelemente 4 als Hexapod-Biegestäbe entsprechen Aufbau, Funktion und Gestaltung des Trägerkörpers 1a und des hieraus gebildeten Kraft-Moment-Sensors der anhand der I 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsform. Entsprechende Dehnungsstreifen sind demzufolge im Bereich der als Hexapod-Biegestäbe gestalteten Brückenelemente 4a vorgesehen. Die Anordnung der Elektronik kann analog der Ausführungsform nach den 1 bis 4 oder analog bekannter Hexapod-Kraft-Moment-Sensoren ausgeführt sein.
