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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Robotik und insbesondere auf ein pneumatisch angetriebenes Roboterbearbeitungswerkzeug mit zahlreichen mechanischen Merkmalen.
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HINTERGRUND
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Industrieroboter sind aus der modernen Fertigung nicht mehr wegzudenken. Roboter führen viele Fertigungsaufgaben unermüdlich, in feindlichen Umgebungen und mit hoher Präzision und Wiederholbarkeit aus.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 006 679 B4 offenbart eine Handhabungsvorrichtung für ein automatisiertes Kontaktieren eines Gegenstands, die eine mechanische Schnittstelle für eine lösbare oder feste Verbindung der Handhabungsvorrichtung mit einem Manipulator und eine relativ zu der Schnittstelle bewegbare Halterung zur Aufnahme eines Werkzeugs aufweist. Dabei wird eine Kraft, mit der die Halterung relativ zu der mechanischen Schnittstelle positioniert wird, bis auf eine Sollkraft erhöht, sobald ein Kontakt zwischen der Handhabungsvorrichtung und der Oberfläche des Gegenstands detektiert wurde.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 104 164 B4 beschreibt eine robotergestützte Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks. Dabei wird eine Kontaktkraft zwischen einem rotierenden Werkzeug, welches von einem Motor angetrieben wird, und dem Werkstück erzeugt. Der Motor wird abhängig von einem die Kontaktkraft repräsentierenden Messwert angesteuert.
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Die Druckschrift
US 2019/0111570 A1 offenbart ein robotergestütztes Schleifen. Dabei ist eine Schleifmaschine mit einem rotierenden Schleifwerkzeug mit einem Manipulator mittels eines Aktuators gekoppelt. Ein Endhalt definiert eine maximale Biegung des Aktuators.
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Die Druckschrift
DE 10 2014 204 531 A1 beschreibt einen Kugelarretierungs-Kompensator, welcher einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist, welche ausgestaltet sind, um zwischen einem Werkzeug und einem Roboter verbunden zu sein. Dabei wird Kraft auf Kolben in dem ersten Abschnitt in einen Kontakt mit dem zweiten Abschnitt ausgeübt und der erste Abschnitt relativ zu dem zweiten Abschnitt fixiert.
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Die Druckschrift
DE 695 02 926 T2 betrifft ein roboterverbundenes Werkzeug zur automatischen Montage von Dichtungsstreifen einer Fahrzeugtür. Dabei ist ein wirksamer Teil des Werkzeugs an einem Stift eines Rahmens des Werkzeugs, der zur Befestigung an einem Handgelenk eines Roboters bestimmt ist, gelenkig angeordnet. Der Stift verläuft senkrecht zu der Richtung der auf den Dichtungsstreifen ausgeübten Kraft zur Anordnung desselben.
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Die Druckschrift
DE 10 2019 105 022 B3 offenbart die Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem an einer Werkzeughalterung eines Kontaktflansches gehaltenen Werkzeug. Die Werkzeughalterung wird relativ zu einer Roboterschnittstelle, die der Werkzeughalterung gegenüber vorgesehen ist, mit einem Pneumatikzylinder bewegt. Zwei im Inneren des Pneumatikzylinders vorgesehene Zylinderkammern werden separat mit Druckluft versorgt, so dass von dem Kontaktflansch eine konstante Kontaktkraft auf das Werkstück ausgeübt wird.
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Viele Komponenten von Robotersystemen, wie z.B. Roboterwerkzeuge und Roboterwerkzeugwechsler, die Roboterwerkzeuge mit Roboterarmen verbinden, werden pneumatisch angetrieben. Mit einer Grundausrüstung können große Mengen Druckluft mit den erforderlichen Drücken, Feuchtigkeit und dergleichen zuverlässig und kostengünstig bereitgestellt werden. Druckluft ist nicht brennbar oder giftig, birgt keine Schockgefahr und erzeugt keine Abfallprodukte. Herkömmliche pneumatische Roboterwerkzeuge weisen jedoch zahlreiche Mängel auf.
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Einer der programmierbaren Parameter, mit denen ein Roboter ein Werkstück formt oder bearbeitet, ist der Grad der aufgebrachten Kraft. Beispielsweise ist beim Schleifen, Schmirgeln, Polieren, Entgraten und ähnlichen Materialabtragungsvorgängen die Kraft, mit der der Roboter ein Werkzeug, wie eine Schleif- oder Polierscheibe, in das Werkstück drückt, ein wichtiger Parameter für den ordnungsgemäßen Betrieb. Darüber hinaus benötigt das Roboterwerkzeug eine gewisse Nachgiebigkeit bzw. Auslenkung oder Bewegungsfreiheit über einen begrenzten Bereich, um sich an die Topologie einer Werkstückoberfläche anzupassen. Obwohl komplexe, aktive Kraftsteuerungssysteme nach dem Stand der Technik bekannt sind, ist eine solche präzise Steuerung für viele (Nach)Bearbeitungsvorgänge nicht erforderlich - eine angemessene Leistung kann durch passive Kraftsteuerung erreicht werden. Wie es hier verwendet wird, versucht ein passives Kraftsteuerungssystem, einen voreingestellten Druck oder eine voreingestellte Kraft, mit der ein Werkzeug auf ein Werkstück aufgebracht wird, während einem Roboterbearbeitungsvorgang aufrechtzuerhalten. In vielen Fällen besteht eines der Hauptziele eines passiven Kraftsteuerungssystems einfach darin, dem Gewicht des Werkzeugs entgegenzuwirken oder es zu halten.
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Das Halten des Gewichts eines Werkzeugs mittels eines Pneumatikkolbens ist nach dem Stand der Technik bekannt. Bei dieser Konfiguration kann die auf ein Werkstück ausgeübte Kraft durch Einstellen des Drucks in dem Kolben eingestellt werden. Zusätzlich ist die Luft hinter dem Kolben komprimierbar und bietet einen gewissen Umfang einer natürlichen Nachgiebigkeit. Herkömmliche Pneumatikkolben sind jedoch groß und vergrößern die „Stapelhöhe“ bzw. die Länge des Roboterwerkzeugs zwischen dem Roboterarm und dem Werkstück.
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Zusätzlich haben Roboterwerkzeuge, die einen Pneumatikkolben zur passiven Kraftsteuerung und Auslenkung verwenden, notwendigerweise eine „teleskopische“ Wirkung, bei der sich die Länge des Werkzeugs ändert, wenn es nachgiebig bzw. ausgelenkt wird. Aufgrund der sehr großen Menge an Staub und anderen Partikeln in der Luft um eine Schleif- oder Schmirgelmaschine herum wird das Werkzeug oft abgedichtet, z.B. durch die Verwendung von O-Ringen oder nachgiebigen Dichtungselementen. Dadurch entsteht jedoch ein effektiver zweiter Kolben, der der gewünschten Auslenkbewegung aufgrund eines Drucks oder Vakuums, das sich innerhalb des Werkzeuggehäuses relativ zur umgebenden Luft entwickelt, entgegenwirkt. Auf der anderen Seite ermöglicht ein nicht abgedichteter Werkzeugkörper, der diese Gegenkraft weitgehend eliminiert, das Eindringen von Staub und Verunreinigungen in das Werkzeuggehäuse, was Reinigungs- und Wartungsprobleme mit sich bringt und den Werkzeugbetrieb stören oder den Verschleiß beschleunigen kann.
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Ein weiteres bekanntes Problem bei pneumatisch angetriebenen Motoren ist die Druckluftzufuhr, während Stöße, Drehmomente, Zugkräfte oder Ähnliches durch die Zu- und Ableitungen der pneumatischen Flüssigkeit isoliert werden. In den 1A und 1B sind zwei Beispiele für nach dem Stand der Technik bekannte pneumatische Roboterwerkzeuge dargestellt. 1A stellt ein Entgratungswerkzeug 10 dar. Wie in der perspektivischen Schnittansicht dargestellt ist, umfasst das Entgratungswerkzeug 10 ein Gehäuse 12, in dem ein Pneumatikmotor 14 untergebracht ist. Der Pneumatikmotor 14 treibt eine Welle 16 an, die eine Schleifscheibe oder ein anderes Werkzeug dreht, das in ein Spannfutter 18 an dem Ende der Welle 16 eingesetzt werden kann. Ein Pneumatikfluid wird dem Motor 14 über eine Kopplung 20 zugeführt, die starr an dem Motor 14 angebracht ist.
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1 B stellt eine Bohrmaschine 30 dar. Ähnlich wie das Entgratungswerkzeug 10 in 1A umfasst der Bohrer 30 ein Gehäuse 32, in dem ein Pneumatikmotor 34 untergebracht ist. Der Pneumatikmotor 34 treibt eine Welle 36 an, die einen Bohrer oder ein anderes Werkzeug dreht, das in ein Spannfutter 38 an dem Ende der Welle 36 eingesetzt werden kann. Der Bohrer 30 weist eine axiale Nachgiebigkeit auf, indem der Motor 34, die Welle 36 und das Spannfutter 38 sich in axialer Richtung (näher zu einem Werkstück oder weiter von diesem weg) bewegen können, während das Gehäuse 32 an dem Ende eines Roboterarms in einer festen Position verbleibt. Zwei Führungsstifte 31 ermöglichen diese Nachgiebigkeit, während der Motor 34 innerhalb des Gehäuses 32 zentriert bleibt. Eine flexible Manschette 33 verbindet eine Endplatte 35, die sich mit dem Motor 34 bewegt, mit dem Gehäuse 32, um das Eindringen von Staub, Spänen und dergleichen in das Innere des Gehäuses 32 zu verhindern. Ein Pneumatikfluid wird dem Motor 34 über eine Kopplung 40 zugeführt, die starr mit dem Motor 34 verbunden ist. Die Luft wird über einen Schalldämpfer 42 abgeführt. Es sei angemerkt, dass zwei Führungsstifte 31 parallel zu dem Motor 34 verlaufen und eine gewisse axiale Bewegung des Bohrers 30 ermöglichen; diese Führungsstifte 31 sind keine Pneumatikkolben.
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In diesen beiden Fällen sind die Pneumatikfluid-Zufuhrkopplungen 20, 40 starr mit den jeweiligen Pneumatikmotoren 14, 34 verbunden. Wenn die Kopplung 20, 40 oder die daran angeschlossene Pneumatikfluidleitung während des Gebrauchs Stöße oder ein Zerren erfährt, kann sie diese Kraft über den Motor 14, 34 auf den Werkzeugabschnitt übertragen, der ein Werkstück berührt (z.B. eine Schleifmaschine oder einen Bohrer). Dies kann den programmierten Betrieb des Roboters stören und zu Rillen oder anderen Störstellen in der Werkstückoberfläche führen.
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Ein Ablassen von Luft von einem Pneumatikmotor 14, 34 kann ebenfalls problematisch sein. Ein Ablassen sollte keine Kraft oder Drehmoment auf den Motor 14, 34 ausüben, was durch das Werkzeug 10, 30 auf das Werkstück übertragen werden kann. Wenn die Abluft abgeführt wird, gelten darüber hinaus die gleichen Probleme in Bezug auf die Isolierung der Pneumatikleitungen gegen Berührung oder Zerren.
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Der Abschnitt „Hintergrund“ dieses Dokuments dient dazu, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in den technologischen und betrieblichen Kontext zu bringen, um den Fachmann zu unterstützen, ihren Umfang und ihren Nutzen zu verstehen. Ansätze, die im Abschnitt „Hintergrund“ beschrieben werden, könnten verfolgt werden, sind aber nicht notwendigerweise Ansätze, die bereits zuvor erdacht oder verfolgt wurden. Sofern sie nicht ausdrücklich als solche gekennzeichnet sind, wird keine Aussage hierin lediglich durch ihre Aufnahme in den Abschnitt „Hintergrund“ als Stand der Technik anerkannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Erfindungsgemäß werden ein pneumatisches Roboterwerkzeug, wie es in Anspruch 1 definiert ist, und ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Roboters unter Verwendung eines pneumatischen Roboterbearbeitungswerkzeugs bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung. Im Folgenden wird eine vereinfachte Zusammenfassung der Offenbarung gegeben, um dem Fachmann ein grundlegendes Verständnis zu vermitteln. Diese Zusammenfassung ist kein ausführlicher Überblick über die Offenbarung und dient nicht dazu, wichtige/kritische Elemente von Ausführungsformen der Erfindung zu identifizieren oder den Umfang der Erfindung abzugrenzen. Der einzige Zweck dieser Zusammenfassung besteht darin, einige hierin offengelegte Konzepte in vereinfachter Form als Auftakt zu der später präsentierten ausführlicheren Beschreibung darzustellen.
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Gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen und beanspruchten Ausführungsformen realisiert ein pneumatisches Roboterwerkzeug, wie z.B. ein Schleifer, ein Schmirgeler oder ähnliches, eine passive Kraftsteuerung und Nachgiebigkeit, indem es zwei oder mehr doppeltwirkende Pneumatikkolben verwendet, die über den Umfang des Werkzeuggehäuses verteilt sind. Die mehreren Kolben ermöglichen ein kompaktes Design, wodurch die Höhe des Werkzeugstapels im Vergleich zu Entwürfen mit einem Kolben nach dem Stand der Technik reduziert wird. Bei einer Ausführung halten gefilterte Lüftungsöffnungen und ein Luftdruckausgleichskanal einen Umgebungsluftdruck im gesamten Werkzeug aufrecht und verhindern gleichzeitig das Eindringen von Staub und anderen Partikeln. Bei einer Ausführung ist ein starr an dem Werkzeuggehäuse befestigter harter Anschluss für zumindest die Versorgung eines Motors mit einem Pneumatikfluid vorgesehen. Die Luftzufuhr des Motors wird über einen flexiblen Schlauch für das Pneumatikfluid innerhalb des Werkzeuggehäuses vom harten Anschluss zu dem Pneumatikmotor übertragen. Auf diese Weise werden versehentlich auf die Versorgungsleitung für das Pneumatikfluid ausgeübte Kontakte, Zugkräfte, Drehmomente und dergleichen nicht auf den Motor oder die bearbeitende Werkzeugoberfläche, wie z.B. den Schleifkopf, übertragen. Bei einer Ausführung wird die Abluft des Pneumatikmotors aus dem Werkzeuggehäuse in einem abgedichteten Durchgang entlüftet, der die nachgebende Bewegung des Werkzeugs aufnimmt und das Eindringen von Staub verhindert.
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Eine Ausführungsform bezieht sich auf ein pneumatisches Roboterwerkzeug, das an einem Roboterarm zu befestigen ist. Das Werkzeug umfasst ein Gehäuse und einen Pneumatikmotor, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Ein erster Hohlraum ist innerhalb des Gehäuses zwischen dem Pneumatikmotor und einem Ende des Gehäuses, das am Roboterarm befestigt ist, definiert. Das Werkzeug umfasst ferner eine Vielzahl von doppeltwirkenden Pneumatikkolben. Jeder Kolben weist eine Pneumatikkammer vor und hinter einem Kolbenelement auf. Die Kolben sind um den Motor herum angeordnet und halten den Motor beweglich innerhalb des Gehäuses, so dass der Motor über einen vorbestimmten Bereich eine Auslenkbewegung zum Roboterarm hin oder von diesem weg aufweist.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, ausführlicher beschrieben. Diese Erfindung ist jedoch nicht so auszulegen, dass sie auf die hier aufgeführten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr werden diese Ausführungsformen so bereitgestellt, dass diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und den Fachleuten den Umfang der Erfindung vollständig vermittelt. Gleiche Zahlen beziehen sich durchgehend auf gleiche Elemente.
- 1 A ist eine partielle perspektivische Schnittansicht eines pneumatischen Roboter-Entgratungswerkzeugs nach dem Stand der Technik.
- 1 B ist ein perspektivischer Teilausschnitt eines pneumatischen Roboter-Bohrwerkzeugs nach dem Stand der Technik.
- 2 ist eine perspektivische Teilschnittansicht eines pneumatischen Roboter-Bohrwerkzeugs mit mehreren Kolben.
- 3 ist eine vergrößerte perspektivische Teilschnittansicht, die die Luftführung zu und von einem doppeltwirkenden Pneumatikkolben zeigt.
- 4A ist ein perspektivischer Teilausschnitt eines pneumatischen Roboterwerkzeugs mit einem oberen und einem unteren Hohlraum.
- 4B ist eine perspektivische Ansicht eines pneumatischen Roboterwerkzeugs mit Lüftungsöffnungen.
- Bei den 5A und 5B handelt es sich um perspektivische Teil-/Schnittansichten des pneumatischen Roboterwerkzeugs, die die Arbeitsweise der Lüftungsöffnungen zeigen.
- 6 ist eine perspektivische Teilschnittansicht des pneumatischen Roboterwerkzeugs, die das Luftzufuhrrohr des Motors in der unteren Kammer des Werkzeuggehäuses zeigt.
- 7 ist ein perspektivischer Teilausschnitt des pneumatischen Roboterwerkzeugs, der die Luftauslassöffnung des Motors zeigt.
- 8A ist eine vergrößerte Schnittansicht der Luftauslassöffnung des Motors mit dem pneumatischen Roboterwerkzeug in einer ausgefahrenen Position.
- 8B ist eine vergrößerte Schnittdarstellung der Luftauslassöffnung des Motors mit dem pneumatischen Roboterwerkzeug in einer zurückgezogenen Position.
- 9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur robotergestützten Bearbeitung eines Werkstücks unter Verwendung eines an einem Roboterarm befestigten pneumatischen Roboterwerkzeugs.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Der Einfachheit und Veranschaulichung halber wird die vorliegende Erfindung beschrieben, indem hauptsächlich auf eine beispielhafte Ausführungsform derselben Bezug genommen wird. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Es ist jedoch für einen Fachmann leicht ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung ohne Einschränkung auf diese spezifischen Einzelheiten ausgeführt werden kann. In dieser Beschreibung wurden bekannte Verfahren und Strukturen nicht im Detail beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sorgen zwei oder mehr doppeltwirkende Pneumatikkolben für die passive Kraftkontrolle und Nachgiebigkeit eines pneumatischen Roboterwerkzeugs, wie z.B. eines Schleifers/Schmirglers/Polierers. Wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist, weist ein doppeltwirkender Pneumatikkolben sowohl vor als auch hinter einem Kolben Luftanschlüsse auf. Daher können die Kraft und die Nachgiebigkeit, die das Werkzeug in beiden Richtungen entlang einer Achse parallel zu den Kolbenachsen erfährt, separat gesteuert werden.
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2 zeigt ein repräsentatives Beispiel für ein pneumatisches Roboterwerkzeug 50 mit einem Gehäuse 52, in dem ein Pneumatikmotor 54 aufgenommen ist (das Gehäuse ist in den Ansichten der 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggeschnitten). Der Pneumatikmotor 54 treibt eine rotierende Fläche 57 an, an der eine Schleifscheibe, Polierscheibe o.ä. befestigt werden kann. Der Pneumatikmotor 54 wird innerhalb des Gehäuses 52 durch zwei doppeltwirkende Pneumatikkolben 56a, 56b schwebend gehalten. Der Motor kann, muss aber nicht, gegen die Innenfläche des Gehäuses abgedichtet sein, z.B. durch einen O-Ring oder eine ähnliche Dichtung. Wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist, umfasst ein doppeltwirkender Pneumatikkolben ein in einem Zylinder angeordnetes Kolbenelement, wobei auf beiden Seiten des Kolbenelements Kammern definiert sind. Die Pneumatikkolben 56 ermöglichen es dem Motor 54, der Endplatte 55 und der rotierenden Oberfläche 57, sich innerhalb des Gehäuses 52 über einen vorbestimmten Bereich entlang einer Achse auf den Roboterarm, an dem das Gehäuse 52 befestigt ist, zu oder von diesem weg zu bewegen (vertikal, wie es in den Figuren dargestellt ist). Diese Bewegung wird hier als Auslenkbewegung in einer axialen Richtung bezeichnet (da sie entlang der Drehachse des Motors 54 erfolgt). Die Auslenkbewegung ermöglicht es dem pneumatischen Roboterwerkzeug 50, Variationen in der räumlichen Struktur eines Werkstücks auszugleichen, wenn sich ein Roboterarm, der das Werkzeug 50 hält, z.B. in einer geraden Linie bewegt. In diesem gesamten Bereich der Auslenkbewegung steuern die Pneumatikkolben 56 die von der rotierenden Fläche 57 auf ein Werkstück ausgeübte Kraft, die hier als Auslenkkraft bezeichnet wird.
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Eine flexible Manschette 66 zwischen der Endplatte 55 und dem Gehäuse 52 dichtet das Innere des Gehäuses 52 gegen das Eindringen von Staub, Spänen und dergleichen ab. Diese Konfiguration mit zwei Kolben 52 - bei der die doppeltwirkenden Pneumatikkolben 56a, 56b neben (oder um) den Motor 52 herum angeordnet sind - verringert die „Stapelhöhe“ des Werkzeugs 50 bzw. die Ausdehnung der Verlängerung des Werkzeugs 50 von dem Ende eines Roboterarms, im Gegensatz zur Verwendung eines einzelnen Kolbens, der im Allgemeinen axial hinter dem Motor 54 zentriert werden muss.
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Ein Zweck der mehrfachen, doppeltwirkenden Pneumatikkolben 56 ist es, das Gewicht des Werkzeugs 50 vorzuspannen. Bei einer Anwendung, bei der z.B. ein Roboterarm über einem Werkstück schwebt und eine obere Fläche des Werkstücks schleift oder poliert, muss dem Gewicht des Werkzeugs 50 entgegengewirkt werden, indem die Kammern des Kolbens 56 auf der Werkstückseite (hier als die vorderen Kammern bezeichnet) unter Druck gesetzt werden- dies „eliminiert“ das Werkzeuggewicht bzw. setzt dieses auf null. Die gewünschte Kraft, die auf das Werkstück ausgeübt werden soll, wird dann eingestellt, indem diese „Null“-Kraft um das gewünschte Delta verändert wird.
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3 ist eine vergrößerte, ausgeschnittene Schnittansicht eines doppeltwirkenden Pneumatikkolbens 56. An der Basis des Kolbens 56 ist in pneumatischer Fluidströmungsbeziehung eine pneumatische Fluidleitungskopplung 58 für „Ausfahrluft“ angeschlossen. Ein Pneumatikfluid, das über eine angeschlossene Pneumatikfluidleitung (nicht dargestellt) von der Ausfahrluftkopplung 58 einströmt, wird in die „hintere“ Kammer des doppeltwirkenden Pneumatikkolbens 56 eingepresst, wodurch das Werkzeug 50 in eine ausgefahrene Position vorgespannt wird, d.h. weg von dem Ende des Roboterarms. Bei einer Konfiguration, in der der Roboterarm direkt unter einem Werkstück positioniert ist, kann die hintere Kammer mit Druck beaufschlagt werden, um das Gewicht des Werkzeugs 50 im Wesentlichen zu halten, zuzüglich eines leichten zusätzlichen Drucks, um eine gewünschte Kontaktkraft mit dem Werkstück zu erzeugen.
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Eine „Rückziehluft“-Pneumatikfluid-Leitungskopplung 60 ist mit einer „vorderen“ Kammer des doppeltwirkenden Pneumatikkolbens 56 verbunden. Die Rückziehluftkopplung 60 kommuniziert mit der vorderen Kammer des Kolbens 56 in pneumatischer Strömungsverbindung über einen Durchgang 61 innerhalb des Gehäuses 52. Ein Pneumatikfluid, das über eine angeschlossene Pneumatikfluidleitung (nicht abgebildet) in die Rückziehluftkopplung 60 eintritt, wird in die vordere Kammer des doppeltwirkenden Pneumatikkolbens 56 eingepresst, wodurch das Werkzeug 50 in eine zurückgezogene Position vorgespannt wird, d.h. in Richtung des Endes des Roboterarms und weg von dem Werkstück. Bei einer Konfiguration, in der der Roboterarm direkt über einem Werkstück positioniert ist, kann die vordere Kammer unter Druck gesetzt werden, um das Gewicht des Werkzeugs 50 im Wesentlichen zu halten, abzüglich eines geringen Drucks, um eine gewünschte Kontaktkraft mit dem Werkstück zu erzielen.
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Wie es in 3 dargestellt ist, sind sowohl eine Ausfahrluftkopplung 58 als auch eine Rückziehluftkopplung 60 bereitgestellt. Diese leiten ein Pneumatikfluid von den jeweils angeschlossenen Pneumatikfluidleitungen (nicht dargestellt) in die hintere bzw. vordere Kammer jedes Kolbens 56. Bei einer Ausführung hat jeder einzelne Kolben 56a, 56b jeweils eine separat zugeordnete Ausfahrluft- und Rückziehluftkopplung 58, 60. Bei einer anderen Ausführungsform versorgt ein Satz aus einer Ausfahr- und einer Rückziehkopplung 58, 60 die entsprechenden Kammern von zwei oder mehr Kolben 56a, 56b mit dem Pneumatikfluid, z.B. über Kanäle im Werkzeuggehäuse 52 oder über Leitungen oder Kanäle für das Pneumatikfluid (nicht dargestellt).
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Wie vorab beschrieben ist, haben einige Roboterwerkzeuge 30 nach dem Stand der Technik (siehe 1B), die eine axiale Nachgiebigkeit aufweisen, eine „Teleskop“-Konstruktion, die es Teilen des Werkzeugs 30 - wie z.B. dem Motor 34, der Endplatte 35, der Welle 36 und dem Spannfutter 38 - ermöglicht, sich näher an ein Werkstück heran oder von einem Werkstück weg zu bewegen, während das Gehäuse 32 an dem Ende eines Roboterarms in einer festen Position verbleibt. Eine Manschette 33 oder eine ähnliche Vorrichtung dichtet das Innere des Gehäuses 32 gegen das Eindringen von Staub, Spänen und ähnlichem ab. Wenn sich jedoch der Motor 34 und andere Teile innerhalb des Gehäuses 32 bewegen, ändert sich der Druck im Inneren, das durch die Manschette 33 abgedichtet wird. Dieser sich ändernde Druck beeinflusst die Auslenkkraft des Werkzeugs.
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4A zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht des pneumatischen Roboterwerkzeugs 50. Eine flexible Manschette 66 verbindet eine obere Endplatte 55 mit der Oberseite des Gehäuses 52, um das Eindringen von Staub, Spänen und Ähnlichem zu verhindern. Das Gehäuse 52 (über dem Motor 54), die Endkappe 55 und die Manschette 66 definieren einen oberen Hohlraum 64. Wie vorab beschrieben ist, sind der Motor 54 und die rotierende Fläche 57 in axialer Richtung relativ zum Werkzeuggehäuse 52 beweglich, indem der pneumatische Druck in der vorderen und hinteren Kammer der doppeltwirkenden Pneumatikkolben 56 verändert wird (siehe 2, 3). Wenn sich der Motor 54 innerhalb des Gehäuses 52 in eine ausgefahrene Position bewegt, bildet sich im Inneren des Gehäuses 52 ein unterer Hohlraum 62. In ähnlicher Weise bildet sich, wenn sich der Motor 54 in eine zurückgezogene Position innerhalb des Gehäuses 52 bewegt, eine obere Kammer 64 zwischen dem Gehäuse 52 und der Endplatte 55 innerhalb der Manschette 66.
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Um zu verhindern, dass Druckänderungen z.B. im unteren Hohlraum 62 des Gehäuses 52, die durch die axiale Bewegung des Motors 54 verursacht werden, die Auslenkkraft des Werkzeugs beeinflussen, verbinden eine oder mehrere gefilterte Öffnungen bzw. Anschlüsse oder „Lüftungsöffnungen“ 67 den unteren Hohlraum 62 mit der Außenseite des Gehäuses 52. Die Luft kann sich durch die Lüftungsöffnungen 67 in beide Richtungen frei bewegen, und daher wird der untere Hohlraum 62 des Gehäuses 52 über den gesamten Bereich der Auslenkbewegung des Pneumatikmotors 54 auf Umgebungsluftdruck gehalten. Wie in der Schnittansicht in 5A dargestellt ist, enthält jede Lüftungsöffnung 67 ein Sieb 68, das den Durchgang von Staub, Spänen oder ähnlichem verhindert, aber den freien Luftstrom in die Lüftungsöffnung 67 hinein und aus ihr heraus ermöglicht. Bei einer Ausführungsform sorgt ein Filtermedium 71 für zusätzliche Filterung (z.B. für Partikel, die feiner sind als das Sieb 68 stoppen kann). Das Filter 71 und das Sieb 68 können bei einer Ausführungsform durch einen Sprengring 69 gesichert sein. Selbstverständlich sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Konfigurationen der Lüftungsöffnung 67 möglich. Eine beliebige Anzahl von Lüftungsöffnungen 67 kann an beliebiger Stelle am Gehäuse 52 angebracht sein, so dass unabhängig von der Auslenkbewegung des Motors 54 und anderer Teile ein konstanter, atmosphärischer Druck im Inneren des Gehäuses 52 aufrechterhalten wird.
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Darüber hinaus verbindet, wie es in den 5A und 5B dargestellt ist, mindestens ein Luftdruckausgleichskanal 70, der zum Beispiel in der Wand des Gehäuses 52 ausgebildet ist, den unteren Hohlraum 62 mit dem oberen Hohlraum 64. Dadurch wird sichergestellt, dass der atmosphärische Druck auch im oberen Hohlraum 64 aufrechterhalten wird, unabhängig von der Auslenkbewegung des Motors 54 u.a. Wie es durch fettgedruckte Pfeile in 5A dargestellt ist, strömt die Luft, wenn der Motor 54 und andere Teile eine ausgefahrene Position einnehmen (d.h. wenn der pneumatische Druck in den hinteren Kammern der doppeltwirkenden Pneumatikkolben 56 erhöht wird), durch eine oder mehrere Lüftungsöffnungen 67, durch den unteren Hohlraum 62, nach oben durch einen oder mehrere Luftdruckausgleichskanäle 70 und in den oberen Hohlraum 64. Umgekehrt strömt, wie es durch fettgedruckte Pfeile in 5B dargestellt ist, wenn der Motor 54 und andere Teile eine zurückgezogene Position einnehmen (d.h. wenn der pneumatische Druck in den vorderen Kammern der doppeltwirkenden Pneumatikkolben 56 erhöht wird), Luft aus dem kollabierenden oberen Hohlraum 64 durch einen oder mehrere Luftdruckausgleichskanäle 70 durch den unteren Hohlraum 62 und tritt aus einer oder mehreren Lüftungsöffnungen 67 zur Außenseite des Gehäuses 52 aus. Auf diese Weise wird der gleiche (atmosphärische) Druck sowohl im unteren als auch im oberen Hohlraum 62, 64 während der gesamten axialen Auslenkbewegung des Motors 54 und anderer Teile aufrechterhalten. Dementsprechend wird die Auslenkkraft des Werkzeugs 50 durch die Auslenkbewegung des Motors 54 nicht beeinflusst.
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Wie es in den 1A und 1B dargestellt ist, sind bei vielen pneumatischen Roboterwerkzeugen 10, 30 nach dem Stand der Technik die Pneumatikfluidversorgungs- (und optional Entlüftungs-) Leitungen direkt mit dem Pneumatikmotor 14, 34 verbunden, z.B. über die Kopplungen 20, 40. Aufgrund dieser Anordnung könnte jeder Kontakt mit den Pneumatikfluidleitungen oder den Kopplungen 20, 40 oder das unbeabsichtigte Aufbringen eines Zerrens oder eines Drehmoments auf die Pneumatikfluidleitungen oder Kopplungen 20, 40 die Wirkung des Werkzeugs auf die Werkstückoberfläche stören und Defekte verursachen. 6 zeigt ein pneumatisches Roboterwerkzeug 50 mit einer starren Motorantriebs-Pneumatikfluid-Leitungskopplung 72, die an dem Gehäuse 52 befestigt ist. Im Inneren des Gehäuses 52 wird das Motorantriebs-Pneumatikfluid von der Kopplung 72 über einen flexiblen Pneumatikversorgungsschlauch 73 dem Motor 54 zugeführt. Bei diesem Werkzeug 50 endet jeder Kontakt, jedes Ziehen, jedes Drehmoment oder Ähnliches, das auf eine externe Motorantriebs-Pneumatikfluid-Versorgungsleitung (nicht dargestellt) ausgeübt wird, an der starren Kopplung 72, die an dem Gehäuse 52 befestigt ist, das wiederum an dem Roboterarm befestigt ist. Der flexible Pneumatikversorgungsschlauch 74 im Inneren des Werkzeuggehäuses 52 führt das Motorantriebs-Pneumatikfluid von der starren Motorantriebs-Kopplung 72 zu dem Pneumatikmotor 54, ohne auf den Motor 54 irgendeine mechanische Kraft zu übertragen, die auf die starre Motorantriebs-Kopplung 72 übertragen (und von ihr aufgenommen) werden kann. Auf diese Weise sind der Pneumatikmotor 54 und die rotierende Fläche 57 mechanisch und schwingungstechnisch von der Pneumatikfluid-Versorgungsleitung isoliert. Für große Pneumatikmotoren 54 mit mehr als einem Motorantriebs-Pneumatikfluid-Versorgungsanschluss können mehrere starre Motorantriebs-Kopplungen 72 und entsprechende flexible Pneumatikversorgungsschläuche 74 vorhanden sein. Bei Ausführungsformen (nicht dargestellt), bei denen die Abluft des Motors 54 in eine Pneumatikfluidleitung abgeführt wird, können ein oder mehrere flexible Pneumatikversorgungsschläuche 74 die Abluftanschlüsse an dem Motor 54 mit einer oder mehreren fest montierten starren Kopplungen 72 verbinden, an die die externe(n) Pneumatikfluidabführleitung(en) angeschlossen werden.
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Bei Ausführungsformen ohne dedizierte Abluftleitungen kann das einfache Entlüften der Abluft von dem Motor 54 das Eindringen von Staub oder anderen Verunreinigungen in das Innere des Gehäuses 52 ermöglichen. Selbst in Ausführungsformen mit einer oder mehreren gefilterten Lüftungsöffnungen 67, die das Eindringen von Staub verhindern, kann das einfache Abführen der Abluft in die Atmosphäre die Auslenkbewegung des Werkzeugs 50 stören. So kann z.B. selbst bei gefilterten Lüftungsöffnungen 67 durch die Entlüftung eines großen Luftvolumens aus dem Motor 54 ein Überdruck gegenüber der Umgebungsluft am Werkzeuggehäuse 52 erzeugt werden, der die Auslenkbewegung des Werkzeugs oder die Vorspannung (z.B. bezüglich des Gewichts des Werkzeugs 50) durch die doppeltwirkenden Pneumatikkolben 56 stören kann. Außerdem würde dieser Druck zwischen dem Ein- und Ausschalten des Motors 54 und auch bei unterschiedlichen Betriebsgeschwindigkeiten des Motors 54 variieren.
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In 7 ist ein Auslasssystem 74 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Auslasssystem 74 ist in vergrößerten Schnittbildern von 8A, die den Motor 54 in einer ausgefahrener Position zeigt, und 8B, die den Motor 54 in einer zurückgezogener Position zeigt, detaillierter dargestellt. Die Abluft verlässt den Pneumatikmotor 54 über ein erstes starres Auslassrohr 76, das einen Außendurchmesser (OD) aufweist. Das erste starre Auslassrohr 76 ist an dem Pneumatikmotor 54 befestigt und bewegt sich in axialer Richtung, wenn der Motor 54 eine Auslenkbewegung innerhalb des Werkzeuggehäuses 52 erfährt. Ein zweites starres Auslassrohr 78, dessen Innendurchmesser (ID) etwas größer ist als der Außendurchmesser des ersten starren Auslassrohrs 76, nimmt an einem ersten Ende das erste starre Auslassrohr 76 auf und ist an einem zweiten Ende fest mit dem Werkzeuggehäuse 52 verbunden. Das zweite starre Auslassrohr 78 leitet die von dem ersten starren Auslassrohr 76 empfangene Luft zu einem Auslassanschluss bzw. einer Auslassöffnung 82, die in dem Gehäuse 52 ausgebildet ist. Die Auslassöffnung 82 weist ein Sieb 84 auf, das das Eindringen von Staub, Spänen oder anderen Partikeln verhindert, aber den freien Luftstrom aus der Auslassöffnung 82 ermöglicht. Bei einer Ausführung bieten zwei Stufen von Filtermedien 88a, 88b eine akustische Dämpfung zur Reduzierung des Abluftgeräuschs sowie eine effizientere Filterung als das Sieb 84. Die Filter 88 und das Sieb 84 können bei einer Ausführungsform mit einem Sprengring 86 befestigt sein. Selbstverständlich sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Konfigurationen der Auslassöffnung 82 möglich.
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Wie dargestellt ist, passt das erste starre Auslassrohr 76 in das erste Ende des zweiten starren Auslassrohrs 78 und gleitet teleskopartig, ähnlich einem Posaunenzug, hinein und hinaus, wenn sich der Motor 54 zwischen ausgefahrener und zurückzogener Position oder zu einer beliebigen Zwischenposition bewegt. Ein oder mehrere O-Ringe 80 oder ein ähnliches verformbares Element bilden eine Dichtung zwischen einer Außenfläche des ersten starren Auslassrohrs 76 und der Innenfläche des zweiten starren Auslassrohrs 78 in der Nähe des ersten Endes des zweiten starren Auslassrohrs 78. Die Rohre 76, 78 sind so dimensioniert und positioniert und der O-Ring 80 ist so angeordnet, dass mindestens ein Teil des ersten starren Auslassrohrs 76 innerhalb des zweiten starren Auslassrohrs 78 über den gesamten Bereich der Auslenkbewegung des Werkzeugs abgedichtet ist. Zum Beispiel kann der O-Ring 80 in einer ringförmigen Nut sitzen, die in der Innenfläche des zweiten starren Auslassrohrs ausgebildet ist. Da das zweite starre Auslassrohr 78 (und die Auslassöffnung 82) starr an dem Werkzeuggehäuse 52 (das an einem Roboterarm befestigt ist) befestigt sind, hat das Volumen der Abluft, das zu einem bestimmten Zeitpunkt austritt, keine mechanische Auswirkung auf das Werkzeug 50. Da die Abluft zur Außenseite des Gehäuses 52 geführt wird, verändert die Anwesenheit oder das Volumen der Abluft nicht den Luftdruck im Inneren des Gehäuses 52 und hat daher keine Auswirkung auf die Auslenkbewegung oder Kraft des Werkzeugs.
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9 stellt ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem pneumatischen Roboter-Bearbeitungswerkzeug 50 dar, das an einem Roboterarm befestigt ist. Das Werkzeug 50 umfasst ein Gehäuse 52, einen Pneumatikmotor 54 und mehrere doppeltwirkende Pneumatikkolben 56, die den Motor 54 innerhalb des Gehäuses 52 aufhängen bzw. schwebend halten und es dem Motor 54 ermöglichen, sich innerhalb des Gehäuses 52 entlang einer Auslenkungsachse zu bewegen. Eine Auslenkkraft, mit der das Werkzeug 50 auf das Werkstück aufgebracht wird, wird durch Aufrechterhaltung vorbestimmter pneumatischer Drücke in den vorderen und hinteren Kammern jedes doppeltwirkenden Pneumatikkolbens 56 gesteuert. Ein Pneumatikfluid zum Antrieb des Pneumatikmotors 54 ist vorhanden. Der Roboterarm wird bewegt, um das Werkzeug 50 über das Werkstück zu bewegen, wobei der Pneumatikmotor 54 eine Auslenkbewegung innerhalb des Gehäuses 52, unabhängig von der Bewegung des Roboterarms, entlang der Auslenkungsachse aufweist.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen zahlreiche Vorteile gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten pneumatischen Roboterwerkzeugen auf. Durch die Verwendung mehrerer doppeltwirkender Pneumatikkolben 56, die über den Umfang des Werkzeuggehäuses 52 verteilt sind, wird eine kompakte Gesamtkonstruktion realisiert, die die Stapelhöhe des Werkzeugs 50 im Vergleich zu den Einkolbenkonstruktionen 10, 30 nach dem Stand der Technik verringert. Die volle Empfindlichkeit der passiven Kraftsteuerung und der Nachgiebigkeit des Werkzeugs wird durch die Verwendung von gefilterten Lüftungsöffnungen 67 in dem Werkzeuggehäuse und mindestens einem Luftdruckausgleichskanal 70 bewahrt, um den Umgebungsluftdruck im gesamten Werkzeug 50 aufrechtzuerhalten, während es im Rahmen einer Nachgiebigkeit bzw. Auslenkung ausgefahren und zurückgezogen wird. Durch das Vorhandensein einer starren Kopplung 72, die am Werkzeuggehäuse 52 befestigt ist, und eines flexiblen Pneumatikfluidschlauchs 74 innerhalb des Gehäuses 52 zum Luftzufuhranschluss des Motors 54 werden Kontakte, Zerren, Drehmoment und dergleichen, die versehentlich auf die Pneumatikfluid-Zufuhrleitung(en) ausgeübt werden, nicht auf den Motor 54 oder die wirksame Werkzeugoberfläche 57, wie z.B. einen Schleifkopf, übertragen. Das Motorabluftsystem 74 leitet die Abluft von dem Motor 54 über den gesamten Bereich der Auslenkbewegung des Werkzeugs ab, ohne die Nachgiebigkeit des Werkzeugs durch eine Druckänderung zu beeinträchtigen und ohne das Eindringen von Staub oder anderen Partikeln zu ermöglichen.
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Wie es hier verwendet wird, bedeutet der Begriff „konfiguriert, um“ eingerichtet, ausgestaltet, angepasst oder angeordnet, um auf eine bestimmte Weise zu arbeiten; der Begriff ist gleichbedeutend mit „entworfen, um“.
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Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlich auch auf andere als die hier speziell dargelegten Arten ausgeführt werden, ohne von wesentlichen Merkmalen der Erfindung abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht einschränkend zu betrachten, und alle Änderungen, die in den Bedeutungs- und Äquivalenzbereich der beigefügten Ansprüche fallen, sollen darin aufgenommen sein.
