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Die Erfindung betrifft eine Robotik-Kraftmesseinrichtung mit einem Kraftsensor, der zwischen zwei Flanschen angeordnet ist, von denen einer für die Verbindung mit einem ersten Roboterfunktionsteil und der andere für die Verbindung mit einem zweiten Roboterfunktionsteil ausgebildet sind. Robotik-Einheit
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Robotik-Kraftmesseinrichtungen sind in Form von Kraft-Moment-Sensoren allgemein bekannt. Die
EP 0 261 071 A2 offenbart einen Kraft-Moment-Sensor, der als monolithischer Metallkörper gestaltet ist. Der monolithische Metallkörper weist zwei scheibenförmige Flansche auf, die über einstückig angeformte Brücken monolithisch miteinander verbunden sind. Den Brücken sind Dehnmessstreifen zugeordnet, deren Signale mittels einer in dem Kraft-Moment-Sensor integrierten Elektronik erfasst und weitergeleitet werden an eine zentrale Steuereinheit eines Roboters. Derartige Kraft-Moment-Sensoren können sowohl Kräfte als auch Drehmomente aufnehmen und benötigen einen hohen Herstellungsaufwand.
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Es sind auch Einachskraftsensoren allgemein bekannt, die lediglich Axialkräfte in einer einzigen Achsrichtung aufnehmen und verwerten können. Ein Einsatz solcher Einachskraftsensoren für komplexe Robotik-Anwendungen ist nicht bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Robotik-Kraftmesseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die kostengünstig eine hohe Messempfindlichkeit zur Verfügung stellt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die beiden Flansche mittels einer mechanischen Linearführungseinrichtung miteinander verbunden sind, die parallel zu einer Achsrichtung des Einachskraftsensors ausgerichtet ist und eine Linearbeweglichkeit der beiden Flansche relativ zueinander auf einen Axialhub begrenzt, der maximal einer elastischen Axialdehnungsgrenze des Kraftsensors entspricht. Der Kraftsensor kann als Einachskraftsensor oder als Mehrachskraftsensor, insbesondere als Dreiachskraftsensor, ausgebildet sein, Die Erfindung ermöglicht es, den Kraftsensor entlang einer einzigen Kraftrichtung zwangszuführen, so dass die Linearführungseinrichtung alle anderen Kräfte oder Momente, die im Betrieb einer Robotik-Einheit auftreten können, aufnimmt. Verfälschungen oder Ungenauigkeiten der Messungen können so erheblich reduziert werden. Die Linearführungseinrichtung ist insbesondere als Teleskopführung oder als Schlittenführung ausgestaltet. Eine Schlittenführung umfasst vorteilhaft einen Wagen oder Schlitten, der relativ zu einer Schienenanordnung linear beweglich ist. Die elastische Axialdehnungsgrenze ist als Dehnungsgrenze sowohl in Druck- als auch in Zugrichtung zu verstehen und gewährleistet, dass eine Überlastung des Kraftsensors vermieden wird. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird für den Kraftsensor eine lineare Zwangsführung geschaffen. Die Linearführungseinrichtung nimmt im Betrieb der Robotik-Anwendung auftretende Quer- oder Gewichtskräfte oder auch Momente auf, so dass der Kraftsensor ausschließlich die auftretenden Axialkräfte in einer Axialrichtung messen kann, ohne dass das Messergebnis durch andere Kräfte oder Momente verfälscht werden kann. Der Kraftsensor ermöglicht in Verbindung mit der Linearführungseinrichtung eine Crashempfindlichkeit, die um ein Mehrfaches höher ist als bei bekannten, mehrachsig wirksamen Kraft-Moment-Sensoren, die ohne Linearführungseinrichtung eingesetzt werden. Die Begrenzung des Axialhubs verhindert eine Überlastung des Kraftsensors, indem der Axialhub der Linearführungseinrichtung entsprechend begrenzt wird. Der maximale Axialhub, der durch die Linearführungseinrichtung möglich ist, wird ausgelegt auf die maximal zulässige Dehnung des Kraftsensors, die vorzugsweise im Bereich von wenigen Zehntel Millimetern auf Zug und auf Druck liegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Axialhub 0,2 mm auf Zug und 0,2 mm auf Druck. Die erfindungsgemäße Robotik-Kraftmesseinrichtung ist zwischen zwei Robotik-Komponenten, das heißt zwei Roboterfunktionsteilen, einbaubar. Vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Robotik-Kraftmesseinrichtung zwischen einem Roboterarm und einem Werkzeug, insbesondere einem Greifer, montiert.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist der Kraftsensor als Einachskraftsensor ausgebildet. Vorteilhaft wird als Einachskraftsensor ein Einachskraftsensor in S-Ausführung eingesetzt. Derartige Einachskraftsensoren sind wesentlich kostengünstiger als Mehrachskraftsensoren.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Linearführungseinrichtung wenigstens drei den Einachskraftsensor parallel umgebende Teleskopführungssäulen auf, deren Linearbeweglichkeit maximal auf wenige Zehntel Millimeter begrenzt ist. Die Teleskopführungssäulen erstrecken sich zwischen den beiden Flanschen, wobei alle Teleskopführungssäulen parallel zu der Kraftmessachse des Einachskraftsensors ausgerichtet sind. In vorteilhafter Weise weisen die Flansche jeweils eine weitgehend quadratische Grundfläche auf und es sind vier Teleskopführungssäulen vorgesehen, die gleichmäßig über den Umfang der quadratischen Grundfläche der Flansche ausgerichtet sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist jede Teleskopführungssäule durch einen an dem einen Flansch befestigten Säulenabschnitt und durch eine an dem anderen Flansch gehaltene und den Säulenabschnitt mantelförmig umschließende Kugelführung gebildet. Die Kugelführung reduziert eine Reibung bei einer linearen Relativbeweglichkeit der beiden Säulenteile jeder Teleskopführungssäule, das heißt dem Säulenabschnitt und der Kugelführung. Die Kugelführung bildet ein Führungsrohr für den Säulenabschnitt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist jede Kugelführung in einer Aufnahmebohrung des zugehörigen Flansches integriert. Dadurch bildet die Kugelführung eine stabile Rohrführung für den Säulenabschnitt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist jede Kugelführung vorgespannte Kugellager auf. Die so gebildete, vorgespannte Kugelführung bildet eine sowohl axial als auch radial spielfreie Wälzlagerführung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine mechanische Justiervorrichtung zur Einstellung des Axialhubs der Linearführungseinrichtung vorgesehen. Die mechanische Justiervorrichtung ermöglicht eine Einstellung der Wegbegrenzung für den Einachskraftsensor in wenigstens einer Richtung, vorzugsweise einer Druckrichtung, um eine Überlastung des Einachskraftsensors zu vermeiden. Der Axialhub ist sowohl in Zugrichtung als auch in Druckrichtung zu sehen, so dass eine Begrenzung eines Axialhubs in Zugrichtung in gleicher Weise erfolgt wie eine Begrenzung eines Axialhubs in Druckrichtung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Justiervorrichtung wenigstens einen Stützbolzen auf, der mit einem Flansch fest verbunden ist und zu dem anderen Flansch hin abragt, und dem anderen Flansch ist ein einstellbarer Gegenanschlag zugeordnet, der mit dem Stützbolzen zur Begrenzung des Axialhubs zusammenwirkt. Vorzugsweise ist ein einzelner Stützbolzen vorgesehen, der innerhalb eines durch die wenigstens drei Teleskopführungssäulen begrenzten Raumes des Linearführungskäfigs angeordnet ist. Bei einer solchen Ausführungsform ist auch lediglich ein einzelner, dem Stützbolzen zugeordneter Gegenanschlag vorgesehen. Diese Ausgestaltung ermöglicht insbesondere eine Hubbegrenzung und demzufolge eine Überlastsicherung für den Einachskraftsensor in Druckrichtung. In entgegengesetzter Richtung, das heißt in Zugrichtung, wird eine Überlastsicherung vorzugsweise durch eine Hubbegrenzung des Säulenabschnittes relativ zu dem die Kugelführung hausenden Flansch erzeugt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenanschlag durch einen Gewindestift gebildet. Das Vorsehen eines Gewindestifts, der vorzugsweise koaxial zu dem Stützbolzen ausgerichtet ist, ermöglicht mit einfachen Mitteln eine Verstellung des Gewindestifts. Der Gewindestift ist in einer entsprechenden Gewindebohrung des zugehörigen Flansches gehalten.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dem Gewindestift eine mechanische Sicherungseinheit zur Blockierung des Gewindestifts zugeordnet. Die mechanische Sicherungseinheit gewährleistet, dass sich eine Einstellposition des Gewindestifts während des Betriebs der Robotik-Kraftmesseinrichtung nicht verändert.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die mechanische Sicherungseinheit einen Klemmbolzen auf, der quer zu dem als Gegenanschlag dienenden Gewindestift ausgerichtet ist und einen Mantelabschnitt des Gewindestifts kraftschlüssig sichert oder freigibt. Der Klemmbolzen bewirkt eine radial wirkende Klemmung des Gewindestifts.
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Der Klemmbolzen ist insbesondere als in dem anderen Flansch beweglich gehaltener Gewindebolzen gestaltet. Vorzugsweise ist dem Klemmbolzen ein lösbarer Sicherungsstift zur Positionssicherung des Klemmbolzens zugeordnet. Diese Ausgestaltungen ermöglichen eine mehrfache Sicherung der Positionierung des Gegenanschlages. Diese quasi redundante Sicherung gewährleistet eine zuverlässige Beibehaltung der eingestellten Stützposition des Gegenanschlags.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das anhand der Zeichnungen dargestellt ist.
- 1 zeigt einen Roboterarm mit einem Greifer und einer zwischen dem Greifer und dem Roboterarm positionierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Robotik-Kraftmesseinrichtung,
- 1A eine Ansicht von unten der Robotik-Kraftmesseinrichtung gemäß 1,
- 2 eine schematische Darstellung der Robotik-Kraftmesseinrichtung nach den 1 und 1A,
- 3 einen Schnitt durch die Robotik-Kraftmesseinrichtung gemäß 1A entlang der Schnittlinie III-III in 1A,
- 4 in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt IV der Robotik-Kraftmesseinrichtung gemäß 3,
- 5 eine vergrößerte Schnittdarstellung durch die Robotik-Kraftmesseinrichtung entlang der Schnittlinie V-V in 1A und
- 6 in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt VI der Robotik-Kraftmesseinrichtung gemäß 5.
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Ein Roboter weist gemäß 1 einen Roboterarm R auf, der ein Werkzeug in Form eines Greifers W steuert. Zwischen dem Roboterarm R und dem Greifer W ist eine Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 vorgesehen, die nachfolgend näher beschrieben wird.
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Die Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 weist auf einer dem Roboterarm R zugewandten Stirnfläche Befestigungsanschlüsse 5 auf, um die Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 mit einem zugeordneten Anschlussflansch des Roboterarms R lösbar zu verbinden.
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Die Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 weist einen ersten, dem Roboterarm R zugewandten Flansch 2 auf, mittels dessen die Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 mit dem Roboterarm R verbunden ist. Die Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 weist zudem einen zweiten, der Werkzeugseite und damit dem Greifer W zugewandten Flansch 3 auf. Die beiden Flansche 2, 3 sind über lösbare Befestigungsmittel mit dem jeweiligen Roboterfunktionsteil, das heißt dem Roboterarm R einerseits und dem Greifer W andererseits, jeweils über lösbare Befestigungsmittel verbunden.
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Die Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 gemäß den 1 bis 6 weist einen S-förmigen Einachskraftsensor 4 auf (2), der gemäß 5 mittels jeweils einer Schraubverbindung 18 mit dem Flansch 2 einerseits und dem Flansch 3 andererseits verbunden ist. Der Einachskraftsensor 4 erstreckt sich entlang einer Mittelsymmetrieachse der Robotik-Kraftmesseinrichtung 1, die nachfolgend als Längsachse L bezeichnet wird (5). Dem Einachskraftsensor 4 sind in nicht näher dargestellter Weise im Bereich entsprechender Aussparungen Dehnmessstreifen zugeordnet, die an entsprechende Elektronikkomponenten angekoppelt sind. Die Elektronikkomponenten sind in den 3 und 5 erkennbar, jedoch nicht näher bezeichnet. Anhand der 1, 1A sowie 5 ist ein elektrischer Anschluss für die Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 erkennbar, über den eine elektrische Stromversorgung sowie die Weiterleitung elektrischer Signale der Elektronikkomponenten zu einer Robotersteuereinheit erfolgt. Der elektrische Anschluss ist nicht näher bezeichnet. Über die so gebildete elektrische Verbindung ist es möglich, abhängig von entsprechenden Messsignalen der Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 den Roboterarm R und den Greifer W stillzusetzen oder in anderer Art zu steuern. Die Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 bewirkt insbesondere in einem Crashfall des Greifers W ein sofortiges Abschalten des Roboterarms R und gegebenenfalls einer gesamten Robotik-Einheit, der der Roboterarm R zugeordnet ist.
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Der Flansch 2 der Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 ist nach Art eines Gehäuses gestaltet und weist insgesamt vier hohlzylindrische Aufnahmen 10 auf, die zu dem gegenüberliegenden Flansch 3 hin offen sind und jeweils eine hülsenförmige Kugelführung 9 aufnehmen. Die jeweilige Kugelführung 9 umgibt jeweils einen Säulenabschnitt 12, der zylindrisch ausgeführt ist und in einer hohlzylindrischen Aufnahme 12 des Flansches 3 spielfrei gehalten ist. Hierzu ist eine Schraubverbindung 11 vorgesehen, die den Säulenabschnitt 12 fest mit dem Flansch 3 verbindet. Sowohl jeder Säulenabschnitt 6 als auch die den jeweiligen Säulenabschnitt 6 radial spielfrei umschließende Kugelführung 9 sind exakt parallel zu der Längsachse L der Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 ausgerichtet. Die insgesamt vier Säulenabschnitte 6 sowie die jeden Säulenabschnitt 6 linearbeweglich führenden Kugelführungen 9 bilden gemeinsam eine Linearführungseinrichtung, um über einen begrenzten Axialhub A in Druckrichtung und in Zugrichtung des Einachskraftsensors 4 entlang der Längsachse L eine Relativbeweglichkeit zwischen den beiden Flanschen 2 und 3 zu ermöglichen. Anhand der 4 ist erkennbar, dass der Flansch 2 relativ zu den Säulenabschnitten 6 einen begrenzten Axialhub A durchführen kann. Hierzu ist stirnseitig jedes Säulenabschnittes 6 in einer nicht näher bezeichneten Aussparung einer Stirnfläche des Flansches 2 jeweils eine Unterlegscheibe 7 vorgesehen, die über eine Senkkopfschraube 8 auf der Stirnfläche des jeweiligen Säulenabschnittes 6 befestigt ist. Die Unterseite der Unterlegscheibe 7 liegt auf mehreren dünnen Plättchen auf, die auf einer Stirnfläche des Säulenabschnitts abgestützt sind. Die Anzahl und eine Höhe der Plättchen definieren den Axialhub A in Zugrichtung. Die Unterlegscheibe 7 ist mit einer konischen Öffnung (siehe 4) versehen, die ein Eintauchen eines Senkkopfes der Senkkopfschraube 8 ermöglicht. Das entlang der Längsachse L vorhandene Spiel zwischen einer Unterseite der jeweiligen Unterlegscheibe 7 und einem Boden der Aussparung des Flansches 2 begrenzt den Axialhub A in Zugrichtung, den der Flansch 2 relativ zu dem Flansch 3 durchführen kann.
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Die Kugelführungen 9 sind als vorgespannte Kugelführungen mit radial und axial vorgespannten Kugellagern gestaltet, die auf einer Mantelfläche des jeweiligen Säulenabschnittes 6 aufliegen. Hierdurch wird eine hochgenaue, spielfreie Linearführung zwischen den Kugelführungen 9 und den Säulenabschnitten 6 erzielt.
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Zur Einstellung des für die Robotik-Kraftmesseinrichtung 1 in Druckrichtung maximal möglichen Axialhubs A ist eine anhand der 5 und 6 gut erkennbare Justiereinrichtung vorgesehen. Innerhalb des gehäuseförmigen Flansches 2 erstreckt sich ein Stützbolzen 13 parallel zur Längsachse L zu dem Flansch 3 hin. Der Stützbolzen 13 ist mittels eines an seiner Stirnseite in Verlängerung nach oben ragenden Gewindefortsatzes 14 in eine Gewindebohrung des Flansches 2 eingeschraubt, wie der 5 entnommen werden kann. Der Stützbolzen 13 ist zylindrisch ausgeführt und weist gegenüberliegend zu dem Gewindefortsatz eine plane, radial zur Längsachse L verlaufende Stirnfläche auf, die als Anschlagfläche für einen Gegenanschlag 15 dient, der in dem gegenüberliegenden Flansch 3 gehalten ist. Der Gegenanschlag 15 ist als Gewindestift ausgeführt, der in eine nicht näher bezeichnete Gewindebohrung in dem Flansch 3 eingeschraubt ist. Die Gewindebohrung für den Gewindestift 15 erstreckt sich durchgängig über eine gesamte Höhe des Flansches 3 und ist koaxial zu einer Mittellängsachse des Stützbolzens 13 ausgerichtet. Der Gewindestift 15 ragt mit seiner dem Stützbolzen 13 zugewandten, ebenfalls planen Stirnfläche über eine in einer Radialebene zur Längsachse L erstreckte Innenfläche des Flansches 3 hinaus, wie den 5 und 6 entnommen werden kann. Der als Gegenanschlag 15 dienende Gewindestift wird so weit eingeschraubt, dass im unbelasteten Ausgangszustand der Robotik-Kraftmesseinrichtung zwischen der Anschlagfläche des Stützbolzens 13 und der Stirnfläche des Gegenanschlags 15 ein Spalt verbleibt, dessen Höhe dem Axialhub A in Druckrichtung entspricht. Der Axialhub A definiert sich durch die maximale elastische Dehnbarkeit des Einachskraftsensors 4 in Zug- sowie in Druckrichtung. Bei dem anhand der 1 bis 6 dargestellten Einachskraftsensor 4 beträgt der Hub sowohl in Zugrichtung als auch in Hubrichtung jeweils 0,2 mm. Der Stützbolzen 13 in Verbindung mit dem Gegenanschlag 15 definieren eine Überlastsicherung für eine entsprechende Druckbelastung des Einachskraftsensors 4. In entgegengesetzter Richtung, das heißt in Zugrichtung, ergibt sich die Überlastsicherung durch den Anschlag der Stirnfläche der Aussparung des Flansches 2 an die Unterseite der jeweiligen Unterlegscheibe 7.
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Der Gegenanschlag 15 wird durch eine Sicherungseinheit in der entsprechend justierten Endposition gesichert. Hierzu ist in dem Flansch 3 eine radial ausgerichtete Durchgangsbohrung vorgesehen, die seitlich nach außen und in die Gewindebohrung des Gegenanschlages 15 hinein offen ist. In dieser Gewindebohrung sind ein als Gewindestift ausgeführter Klemmbolzen 16 sowie ein Sicherungsstift 17 gehalten. Der Klemmbolzen 16 wirkt radial auf den Gegenanschlag 15 und klemmt den Gegenanschlag 15 in seiner eingestellten Endposition. Der Sicherungsstift 17 wiederum verhindert ein Lösen des Klemmbolzens 16, indem er den Klemmbolzen 16 rückseitig stirnflächig abstützt.
