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IN BEZIEHUNG STEHENDE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr.
16/899,033 , eingereicht am
11. Juni 2020, mit dem Titel „Robotic Tool Changer Coupling Mechanism with Increased Torsional Rigidity and Reduced Freeplay", deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme darauf in vollem Umfang enthalten sind.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Roboter-Werkzeugwechsler, und insbesondere einen Roboter-Werkzeugwechsler mit einem Kopplungsmechanismus, der eine erhöhte Torsionssteifigkeit und ein reduziertes Spiel erreicht.
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HINTERGRUND
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Industrieroboter sind ein unverzichtbarer Teil einer zeitgemäßen Fertigung geworden. Ob beim Übertragen von Halbleiterwafern von einer Prozesskammer in eine andere in einem Reinraum oder beim Schneiden und Schweißen von Stahl auf dem Boden einer Automobilfertigungsanlage, führen Roboter viele Fertigungsaufgaben unermüdlich, in feindlichen Umgebungen und mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit aus.
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Bei vielen Roboterfertigungsanwendungen werden die beträchtlichen Kosten eines Industrieroboters über eine Vielzahl von Aufgaben amortisiert, indem verschiedene Werkzeuge oder Endeffektoren bereitgestellt werden, die mit einem Allzweck-Roboterarm gekoppelt werden können. Beispielsweise kann ein Roboter in einer Automobilfertigungsanwendung zum Schneiden, Schleifen oder anderweitigen Formen von Metallteilen in einem Produktionslauf eingesetzt werden und in einem anderen eine Vielzahl von Punktschweißaufgaben ausführen. Weiterhin kann ein Roboter sogar bei Ausführung eines Aufgabentyps unterschiedliche Werkzeuge verwenden. Zum Beispiel können verschiedene Schweißwerkzeuggeometrien vorteilhaft an einen bestimmten Roboter gekoppelt werden, um Schweißaufgaben an verschiedenen Stellen oder in verschiedenen Ausrichtungen durchzuführen.
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Bei diesen Anwendungen wird ein Roboter-Werkzeugwechsler verwendet, um verschiedene Werkzeuge mit dem Roboter zu verbinden. Eine Hälfte des Werkzeugwechslers, die sogenannte Hauptbaugruppe, ist fest an einem Roboterarm angebracht. Die andere Hälfte, die sogenannte Werkzeugbaugruppe, wird an jedem Werkzeug befestigt, das der Roboter verwenden kann. Wenn eine Robotersteuerung die Hauptbaugruppe am Ende eines Roboterarms auf eine Werkzeugbaugruppe ausrichtet, die am gewünschten Werkzeug befestigt ist, führt sie die Hauptbaugruppe, um mechanisch an die Werkzeugbaugruppe anzukoppeln, wodurch das Werkzeug am Roboter befestigt wird. Roboter-Werkzeugwechsler erleichtern auch die Bereitstellung von Betriebsmitteln - wie z. B. elektrischer Strom, Druckluft, Hydraulikflüssigkeit, Kühlwasser und Ähnliches - für das Werkzeug und die Übertragung von Daten von einigen Werkzeugen zurück an eine Robotersteuerung.
Eine Kugelverriegelungsanordnung wird üblicherweise in Roboter-Werkzeugwechslern als Kopplungsmechanismus eingesetzt. In einer solchen Anordnung sind mehrere Rollenelemente, wie z. B. Stahlkugeln, in einem Ring der Hauptbaugruppe enthalten, der in einer Kammer einer Werkzeugbaugruppe angeordnet wird. Die Kugeln werden radial angetrieben, zum Beispiel durch einen vorrückenden Kolben, und rücken vor, um an einem Lagerring in der Werkzeugbaugruppe gelagert zu werden, wodurch die Hauptbaugruppe und die Werkzeugbaugruppe mechanisch miteinander gekoppelt werden. Zum Entkoppeln wird der Kolben zurückgezogen, und die Kugeln ziehen sich in den Ring zurück, wenn sich die Hauptbaugruppe von der Werkzeugbaugruppe trennt. Verschiedene Anordnungen, Antriebsmechanismen und Betriebsaspekte solcher Kugelverriegelungsanordnungen sind in den
US-Patenten Nr. 8,005,570 ;
8,132,816 ;
8,209,840 ;
8,500,132 ;
8,533,930 ;
8,601,667 ;
8,794,418 ;
9,151,343 ;
9,724,830 und
10,335,957 beschrieben. Alle diese Patente sind dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung zugeordnet, und die Offenbarungen aller dieser sind durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin enthalten.
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Eine Ausrichtung zwischen Haupt- und Werkzeugbaugruppen ist für die ordnungsgemäße mechanische Kopplung des Kugelverriegelungsmechanismus mit dem Lagerring der Werkzeugbaugruppe und für die Kopplung von an den Haupt- und Werkzeugbaugruppen befestigten nutzungsführenden Modulen erforderlich. Diese Ausrichtung wird typischerweise durch einen oder mehrere Ausrichtungsstifte an der Hauptbaugruppe erreicht, die sich mit entsprechenden Ausrichtungsbuchsen in der Werkzeugbaugruppe verbinden. Zusätzlich stellen diese Ausrichtungsstifte und -buchsen auch eine Torsionssteifigkeit des gekoppelten Werkzeugs bereit, wenn der Roboter in Betrieb ist. Um ein Festsetzen zu verhindern, ist ein geringes diametrales Spiel zwischen einem Ausrichtungsstift und seiner zugehörigen Ausrichtungsbuchse erforderlich. Dieses winzige Spiel ist die Hauptursache für das Rotationsspiel in dem Werkzeugwechsler, das eine die Lage betreffende Wiederholgenauigkeit und eine Torsionssteifigkeit negativ beeinflusst. Dieser Effekt wird bei großen Werkzeugen am Ende des Arms noch verstärkt und kann zu unerwünschten Abweichungen oder Positionsfehlern am Arbeitspunkt jedes Endeffektors führen. Spiel verursacht auch Probleme bei elektrischen Signalmodulen, die an Werkzeugwechslern angebracht sind, da ermöglicht wird, dass sich die Kontaktstifte auf der Haupt- und der Werkzeugseite gegeneinander bewegen, was möglicherweise einen intermittierenden Signalverlust bewirkt. Außerdem kann es durch das Hin- und Herschieben zu übermäßigem Verschleiß kommen, der zu einem vorzeitigen Ausfall führt.
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Um das Torsionsspiel zu reduzieren, ist es bekannt, kugelförmige oder zylindrische Taschen - hier als „Bögen“ bezeichnet - in den Werkzeuglagerring in der Werkzeugbaugruppe an der entsprechenden Stelle von jedem Rollenelement einzuarbeiten. Diese Merkmale reduzieren das Spiel, beseitigen es aber nicht. Ein Nachteil von bekannten Ausführungen ist, dass die Bögen von sich aus größere Radien haben müssen als die entsprechenden Rollenelemente, um ein Festsetzen zu verhindern. Dieses diametrale Spiel bietet den Rollenelementen einen winzigen Spielraum, um bei gegenläufigen Torsionsbelastungen in den jeweiligen Bögen hin und her zu schwanken. Zum Zweck der Kopplung steht jedes Rollenelement unter 3-Punkt-Kontakt, wobei ein Kontaktpunkt der Boden der Bohrung in dem Ring der Hauptbaugruppe ist, ein zweiter Kontaktpunkt der Boden des Bogens in dem Werkzeuglagerring ist und ein dritter Punkt an dem schrägen Kolbennocken angeordnet ist. Diese drei Kontaktpunkte befinden sich in der gleichen Ebene und sind etwa 120 Grad voneinander entfernt, obwohl der Kontaktpunkt an dem Kolben oder einem anderen Mechanismus, der die Rollenelemente vorwärts bewegt, keine signifikante Torsionskopplungslast trägt. Dieses 3-Punkt-Kontaktschema, kombiniert mit sogar Mikrospiel, reicht aus, um nachteiliges Torsionsspiel im Werkzeugwechsler zu erzeugen.
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Der Hintergrund-Abschnitt dieses Dokuments dient dazu, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einen technologischen und betrieblichen Kontext zu stellen, um dem Fachmann zu helfen, ihren Umfang und Nutzen zu verstehen. Sofern nicht ausdrücklich als solche gekennzeichnet, wird keine Aussage in diesem Dokument allein durch ihre Aufnahme in den Hintergrund-Abschnitt als Stand der Technik anerkannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Im Folgenden wird eine vereinfachte Zusammenfassung der Offenbarung gegeben, um dem Fachmann ein grundlegendes Verständnis zu vermitteln. Diese Zusammenfassung ist kein umfassender Überblick über die Offenbarung und soll nicht dazu dienen, wichtige/kritische Elemente von Ausführungsformen der Erfindung zu identifizieren oder den Umfang der Erfindung abzugrenzen. Der alleinige Zweck dieser Zusammenfassung ist es, einige hierin offenbarte Konzepte in vereinfachter Form als Auftakt zu der detaillierteren Beschreibung, die später vorgestellt wird, zu präsentieren.
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Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen, die hierin beschrieben und beansprucht werden, sind bogenartige Merkmale in Form von Querkontaktaussparungen in mindestens einer, und vorzugsweise in beiden, von dem Lagerring in der Werkzeugbaugruppe an den Kontaktpunkten der Rollenelemente und den gegenüberliegenden Innenflächen der Bohrungen in der Hauptbaugruppe ausgebildet. Die Querkontaktaussparungen sind bemessen und geformt, um ein Rollenelement aufnehmen können, haben jedoch einen zentralen Hohlraum oder Kanal, der senkrecht zu der Rollenelementbewegung bei Torsionsspiel verläuft und das Rollenelement nicht kontaktiert. Die Querkontaktaussparung kontaktiert das Rollenelement an Kontaktbereichen auf beiden Seiten des zentralen Hohlraums. Diese Kontaktbereiche üben zwei getrennte Kontaktkräfte auf das Rollenelement aus, die beide zur Mitte des Rollenelements hin gerichtet sind und somit dazu dienen, um eine Bewegung von Seite zu Seite oder ein Schwanken des Rollenelements innerhalb der Querkontaktaussparung zu verhindern, und somit das Torsionsspiel des Roboter-Werkzeugwechslers im Wesentlichen beseitigen.
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Eine Ausführungsform betrifft einen Roboter-Werkzeugwechsler. Der Roboter-Werkzeugwechsler umfasst eine Werkzeugbaugruppe, die einen Lagerring aufweist. Der Roboter-Werkzeugwechsler umfasst auch eine Hauptbaugruppe, welche mehrere Bohrungen aufweist. Jede Bohrung ist ausgestaltet, um ein Rollenelement zu enthalten. Die Hauptbaugruppe weist auch einen Antriebsmechanismus auf, der ausgestaltet ist, um die Rollenelemente gegen eine Fläche des Lagerrings zu drängen, um die Haupt- und Werkzeugbaugruppen zu koppeln, und um den Rollenelementen zu ermöglichen, sich zurückzuziehen, um die Haupt- und Werkzeugbaugruppen zu entkoppeln. Mindestens eine von einer Innenfläche einer jeden Bohrung und mehrerer Positionen auf dem Lagerring umfassen eine Querkontaktaussparung, die ausgestaltet ist, um ein Rollenelement zu lagern, wenn die Haupt- und Werkzeugbaugruppen gekoppelt sind. Jede Querkontaktaussparung umfasst eine Aussparung, die bemessen und geformt ist, um ein Rollenelement aufzunehmen, und einen zentralen Hohlraum, der das Rollenelement nicht kontaktiert. Die Querkontaktaussparung kontaktiert das Rollenelement in zwei Kontaktbereichen, einer auf jeder Seite des zentralen Hohlraums.
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Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Koppeln von Haupt- und Werkzeugbaugruppen eines Roboter-Werkzeugwechslers. Die Hauptbaugruppe wird in Anschlag mit der Werkzeugbaugruppe bewegt. Mehrere Rollenelemente, die in Bohrungen in der Hauptbaugruppe angeordnet sind, werden in Kontakt mit einem Lagerring in der Werkzeugbaugruppe gebracht. Jedes Rollenelement ist in einer Querkontaktaussparung gelagert, die in mindestens einer Innenfläche einer jeden Bohrung und an mehreren entsprechenden Positionen auf dem Lagerring ausgestaltet sind. Jede Querkontaktaussparung umfasst eine Aussparung, die bemessen und geformt ist, um ein Rollenelement aufzunehmen, und einen zentralen Hohlraum, der das Rollenelement nicht kontaktiert, so dass die Querkontaktaussparung das Rollenelement in zwei Kontaktbereichen kontaktiert, einen auf jeder Seite des zentralen Hohlraums.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, ausführlicher beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht als auf die hier dargestellten Ausführungsformen beschränkt auszulegen. Vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, so dass diese Offenbarung umfassend und vollständig ist und den Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung den Umfang der Erfindung vollständig vermittelt. Gleiche Nummern beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente.
- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Roboter-Werkzeugwechslers.
- 2 ist eine Schnittansicht des Roboter-Werkzeugwechslers in einer eingepassten Position, aber in entkoppeltem Zustand.
- 3 ist eine Schnittansicht des Roboter-Werkzeugwechslers in einem gekoppelten Zustand.
- 4 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Rollenelements des Roboter-Werkzeugwechslers in einem gekoppelten Zustand.
- 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Lagerrings und eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer in einer Kopplungsfläche des Lagerrings ausgestalteten Querkontaktaussparung.
- 6 ist eine Schnittansicht eines Rollenelements, das in einer Querkontaktaussparung eines Lagerrings sitzt.
- 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Rollenelements in einer Bohrung eines Rings, wobei eine Schnittansicht das Rollenelement zeigt, das in einer Querkontaktaussparung gelagert ist.
- 8 ist eine Schnittansicht eines Rollenelements, das in zwei Querkontaktaussparungen gelagert ist, eine in einer Hauptbaugruppenbohrung und eine in einem Lagerring.
- 9 ist ein Diagramm einer Winkelabweichung gegenüber einem aufgebrachten Moment für drei Konfigurationen von Roboter-Werkzeugwechslern.
- 10A-10D sind Schnittansichten eines Rollenelements, das in verschiedenen Konfigurationen von Querkontaktaussparungen gelagert ist.
- 11 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Kopplung von Haupt- und Werkzeugbaugruppen eines Roboter-Werkzeugwechslers.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Aus Gründen der Einfachheit und Veranschaulichung wird die vorliegende Erfindung hauptsächlich unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform davon beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Es wird jedoch für einen Fachmann leicht ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung ohne Beschränkung auf diese spezifischen Details ausgeführt werden kann. In dieser Beschreibung wurden bekannte Methoden und Strukturen nicht im Detail beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
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In 1 ist ein typischer Roboter-Werkzeugwechsler 10 dargestellt, der einen Kugelverriegelungs-Kopplungsmechanismus verwendet. Eine Hälfte des Roboter-Werkzeugwechslers 10, welche die Hauptbaugruppe 12 genannt wird, ist fest mit einem (nicht gezeigten) Roboterarm verbunden. Die andere Hälfte, welche die Werkzeugbaugruppe 14 genannt wird, ist an jedem (nicht dargestellten) Werkzeug befestigt, das der Roboter verwenden kann. In einer speziellen Anwendung können diese Befestigungen vertauscht werden. Dementsprechend werden die Begriffe „Haupt-” und „Werkzeug-“ hier nur als Referenz verwendet. Ausrichtungsstifte 16 an der Hauptbaugruppe 12 passen mit Ausrichtungsbuchsen 18 an der Werkzeugbaugruppe 14 zusammen, um eine korrekte Ausrichtung der Haupt- und Werkzeugbaugruppen 12, 14 zu gewährleisten, wenn die Baugruppen miteinander gekoppelt sind.
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Die Hauptwerkzeugbaugruppe 12 weist ein Gehäuse 20 und einen ringförmigen Ring 22 auf, der aus diesem herausragt und sich über die Ebene der Fläche des Gehäuses 20 hinaus erstreckt. Die Werkzeugbaugruppe 14 weist ein Gehäuse 24 auf, in dem eine kreisförmige Kammer 26 ausgebildet ist. Wie in der Schnittansicht von 2 dargestellt, ist der Ring 22 in der Kammer 26 angeordnet, wenn sich die Haupt- und die Werkzeugbaugruppe 12, 14 in Vorbereitung auf das Zusammenkoppeln auf Anschlag bewegen.
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Mehrere Bohrungen 28 sind in dem Ring 22 ausgebildet und erstrecken sich durch diesen hindurch, wobei die Bohrungen 28 im Allgemeinen einen gleichmäßigen radialen Abstand um den Umfang des Rings 22 aufweisen. Die Bohrungen 28 können schräg sein, wobei sie an der Innenfläche des Rings 22 einen etwas größeren Durchmesser haben als an der Außenfläche des Rings 22. In jeder Bohrung 28 ist ein Rollenelement 30 angeordnet, wie zum Beispiel eine kugelförmige Kugel. Die Rollenelemente 30 werden innerhalb des Rings 22 durch eine jeweilige schräge Bohrung 28 gehalten, die an der Außenfläche des Rings 22 einen Durchmesser aufweist, der geringfügig kleiner als der Durchmesser des entsprechenden Rollenelements 30 ist. Dementsprechend können sich die Rollenelemente 30 zwischen einer zurückgezogenen Position, in der die äußerste Fläche jedes Rollenelements 30 bündig mit oder innerhalb der Außenfläche des Rings 22 ist, und einer ausgefahrenen Position bewegen, in der sich jedes Rollenelement 30 über die Außenfläche des Rings 22 hinaus um einen Betrag erstreckt, der geringfügig kleiner als der Radius des Rollenelements 30 ist.
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In dieser Ausführungsform ist ein Nocken
32, der am Ende eines pneumatischen Kolbens befestigt ist, innerhalb des durch den Ring
22 definierten Innenraums angeordnet. Der Nocken
32 hat mindestens eine schräge Fläche
34, die die Rollenelemente
30 kontaktiert. Die schräge Fläche
34 ist so gerichtet, dass sie die Rollenelemente radial nach außen durch die Bohrungen
28 versetzt, wenn der Nocken
32 in Richtung der Werkzeugbaugruppe
14 vorrückt, um mit ihr zu koppeln. Zum Entkoppeln erzeugt der Nocken
32 beim Zurückziehen in die Hauptbaugruppe
12 einen Raum, der es den Rollenelementen
30 ermöglicht, sich in den Ring
28 zurückzuziehen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die schräge Fläche
34 eine mehrfach facettierte Fläche mit Ausfallsicherungsmerkmalen umfassen, die dazu dienen, einen gekoppelten Zustand im Falle eines Energieverlusts beim Vorrücken des Nocken
32 beizubehalten. Diese Merkmale sind in dem oben erwähnten
US-Patent Nr. 8,005,570 beschrieben. In anderen Ausführungsformen können die Rollenelemente
30 durch einen anderen Mechanismus als einen an einem pneumatischen Kolben angebrachten Nocken
32 vorgerückt und zurückgezogen werden, wie in den oben einbezogenen
US-Patenten Nr. 8,132,816 und
8,209,840 beschrieben.
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2 ist eine Schnittansicht relevanter Teile eines herkömmlichen Roboter-Werkzeugwechslers 10, wenn die Hauptbaugruppe 12 an der Werkzeugbaugruppe 14 angrenzt oder mit dieser verbunden ist, aber der Kugelverriegelungs-Kopplungsmechanismus noch nicht betätigt wurde - das heißt, der Roboter-Werkzeugwechsler 10 befindet sich in einem entkoppelten Zustand. Die Rollenelemente 30 werden noch in den Bohrungen 28 gehalten, da sich der Nocken 32 in der vollständig zurückgezogenen Position befindet. Wenn sich der Nocken 32 unter der Steuerung einer Robotersteuerung in Richtung der Werkzeugbaugruppe 14 bewegt, befördert die schräge Fläche 34 des Nocken 32 die Rollenelemente 30 radial nach außen und in Kontakt mit einem Lagerring 38 in der Werkzeugbaugruppe 14, um die Haupt- 12 und die Werkzeugbaugruppe 14 miteinander zu verbinden.
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3 ist eine Schnittansicht relevanter Teile des Werkzeugwechslers 10, wenn die Hauptbaugruppe 12 vollständig mit der Werkzeugbaugruppe 14 gekoppelt ist. Der Nocken 32 ist vollständig vorgerückt und drückt die Rollenelemente 30 teilweise aus den Bohrungen 28 heraus und in Kontakt mit dem Lagerring 38 in der Werkzeugbaugruppe 14.
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4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 3, die ein Rollenelement 30 zeigt, wenn die Haupt- 12 und Werkzeug- 14 Baugruppen gekoppelt sind, wobei Kraftvektoren die Kräfte auf das Rollenelement 30 anzeigen. Die primären Kräfte kommen von dem Lagerring 38, der gegenüberliegenden Innenfläche der Bohrung 28 und der schrägen Fläche des Nockens 32. Der Nocken 32 übt eine Kraft aus, die das Rollenelement 30 nach außen und in Kontakt mit dem Lagerring 38 drückt; diese Kraft entsteht jedoch nicht direkt durch das Koppeln (z. B. durch das Gewicht des Werkzeugs oder eine Kraft oder ein Drehmoment, die bzw. das durch das Werkzeug bei seiner Verwendung auf den Roboter-Werkzeugkoppler 10 ausgeübt wird). Wie bereits erörtert, leidet die Kopplung unter Torsionsspiel, das eine schädlich Wirkung auf die Leistung hat, selbst wenn in den Lagerflächen an den Kontaktpunkten dieser Kräfte Bögen ausgebildet sind, aufgrund des 3-Punkt-Kopplungskontakts und der Tatsache, dass die Bögen notwendigerweise einen etwas größeren Durchmesser als der des Rollenelements 30 aufweisen, um ein Festsetzen zu verhindern.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und wie in 5 gezeigt, sind in dem Lagerring 38 an den Kontaktpunkten der Rollenelemente 30 bogenähnliche Merkmale in Form von Querkontaktaussparungen 40 ausgebildet. Querkontaktaussparungen 40 sind auch in den gegenüberliegenden Innenflächen der Bohrungen 28 ausgestaltet, wie unten in Bezug auf 6 erörtert. Jede Querkontaktaussparung 40 umfasst eine Aussparung, die bemessen und geformt ist, um ein Rollenelement 30 aufzunehmen, und einen zentralen Hohlraum 44 oder Kanal, der das Rollenelement 30 nicht kontaktiert. Aufgrund des zentralen Hohlraums 44 kontaktiert die Querkontaktaussparung 40 das Rollenelement in Kontaktbereichen 42 - einer auf jeder Seite des zentralen Hohlraums 44. Wie weiter unten erläutert, üben diese Kontaktbereiche 42 zwei separate Kräfte auf das Rollenelement 30 aus, die beide zur Mitte des Rollenelements 30 hin gerichtet sind und somit eine Bewegung des Rollenelements 30 von Seite zu Seite oder ein Schwanken innerhalb der Querkontaktaussparung 40 im wirksam verhindern. Dies beseitigt das Torsionsspiel des Roboter-Werkzeugwechslers 10 wesentlich. Zumindest ist eine Querkontaktaussparung 40 entweder in einer Innenfläche einer Bohrung 28 in der Hauptbaugruppe 12 für jedes Rollenelement 30 oder an einer entsprechenden Position an dem Lagerring 38 in der Werkzeugbaugruppe 14 ausgebildet. Vorzugsweise sind Querkontaktaussparungen 40 sowohl in den Bohrungen 28 als auch an dem Lagerring 38 ausgebildet, so dass jedes Rollenelement in zwei Querkontaktaussparungen 40 sitzt, wenn der Roboter-Werkzeugwechsler 10 die gekoppelte Position einnimmt.
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Wie in 5 dargestellt, sind die Kontaktbereiche 42 Teile einer konkaven zylindrischen Fläche, die bemessen und geformt ist, um das Rollenelement 30 aufzunehmen, und der zentrale Hohlraum 44 ist ein vertikaler Kanal. In anderen Ausführungsformen können die Kontaktbereiche 42 jedoch auch Abschnitte einer konkaven zylindrischen Fläche sein, die bemessen und geformt ist, um das Rollenelement 30 aufzunehmen. Darüber hinaus kann in anderen Ausführungsformen der zentrale Hohlraum 44 eine sekundäre Aussparung oder Bohrung mit einer kreisförmigen oder ähnlichen Form umfassen, und die Kontaktbereiche 42 würden einen „Ring“ aus einer bogenförmigen Fläche umfassen, die sich um den zentralen Hohlraum 44 herum erstreckt und das Rollenelement 30 auf gegenüberliegenden Seiten davon über seinen gesamten Umfang kontaktiert.
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Da der zentrale Hohlraum 44 das Rollenelement 30 nicht kontaktiert, besteht keine Gefahr des Festsetzens; somit müssen die beiden Kontaktbereiche 42 nicht notwendigerweise ein diametrales Spiel über dem Durchmesser des Rollenelements 30 aufweisen (obwohl in einer gegebenen Ausführungsform ein solches Spiel wünschenswert sein kann, um Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen). Dies allein hilft, das Spiel zu reduzieren, da die Querkontaktaussparungen 40 die Rollenelemente 30 genauer in Position halten können. Spiel wird jedoch hauptsächlich durch die unterschiedlichen Kräfte beseitigt, die auf jedes Rollenelement 30 durch die gegenüberliegenden Querkontaktaussparungen 40 in der Bohrung 28 und dem Lagerring 38 wirken.
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6 zeigt eine Schnittansicht eines Rollenelements 30, das in einer in dem Lagerring 38 ausgebildeten Querkontaktaussparung 40 gelagert ist. Da der zentrale Hohlraum 44 das Rollenelement 30 nicht kontaktiert, wirken zwei separate Kontaktkräfte auf das Rollenelement 30. Wie durch die Kraftvektoren in 6 angezeigt, sind beide Kräfte senkrecht zu der Fläche des Rollenelements 30 und in Richtung der Mitte des Rollenelements 30 gerichtet. Dementsprechend drückt jede Kraft das Rollenelement 30 teilweise in eine andere Richtung - d.h. sowohl nach rechts als auch nach links. Diese entgegengesetzten Kräfte beseitigen im Wesentlichen die Möglichkeit des Rollenelements 30, innerhalb der Querkontaktaussparung 40 zu „kippen“ oder sich vor und zurück zu bewegen, was die Torsionsfestigkeit in hohem Maße verstärkt und das Torsionsspiel im Wesentlichen beseitigt.
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7 zeigt den Ring 22 der Haupteinheit 12 mit den Bohrungen 22, die jeweils ein Rollenelement 30 enthalten. Eine vergrößerte Teilschnittansicht zeigt die in den Bohrungen 22 ausgebildeten Querkontaktaussparungen 40. Wenn die Haupt- und die Werkzeugeinheit 12, 14 miteinander gekoppelt sind und die Rollenelemente 30 teilweise aus den Bohrungen 22 und in Kontakt mit dem Lagerring 38 vorgerückt sind, werden die Rollenelemente in den Querkontaktaussparungen 40 gelagert. Wie in 6 dargestellt, ist die Querkontaktaussparung 40 eine konvexe zylindrische Aussparung (die sich senkrecht zur Papierebene erstreckt), wobei ein zentraler Hohlraum 44 darin als Nut oder Kanal ausgebildet ist. Jedes Rollenelement kontaktiert die Querkontaktaussparungen 40 an Kontaktbereichen 42 zu beiden Seiten des zentralen Hohlraums 44. Wie durch Kraftvektoren angedeutet, drückt jeder Kontaktbereich 42 auf das Rollenelement 30, wobei die Kräfte auf die Mitte des Rollenelements 30 gerichtet sind. Somit wirkt eine Komponente jedes dieser Kraftvektoren in entgegengesetzte Richtungen und drängt das Rollenelement gleichzeitig nach links und nach rechts und arretiert es somit am Ort.
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In 8 ist das Rollenelement 30 dargestellt, wenn sich der Werkzeugwechsler 10 in der vollständig gekoppelten Position befindet. Das Rollenelement 30 liegt gleichzeitig an zwei Querkontaktaussparungen 40 an - eine in der Bohrung 28 in der Hauptbaugruppe 12 und die andere in dem Lagerring 38 in der Werkzeugbaugruppe 14. Jede Querkontaktaussparung 40 übt die beiden oben beschriebenen Kräfte auf das Rollenelement 40 aus und arretiert es noch fester gegen jede Bewegung. Man beachte, dass tatsächlich ein fünfter Kraftvektor auf das Rollenelement 30 wirkt - der von dem Nocken 32, der das Rollenelement 30 gegen den Lagerring 38 drückt.
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9 zeigt das Ergebnis vergleichender Tests eines Roboter-Werkzeugwechslers, bei dem nur ein Lagerring 38 verwendet wird; einer, bei dem ein Lagerring 38 mit herkömmlichen (nach dem Stand der Technik) darin ausgestalteten Bögen verwendet wird; und einer, bei dem Querkontaktaussparungen 40 sowohl in dem Lagerring 38 als auch in der Bohrung 28 ausgebildet sind. Es wurden wechselnde Torsionslasten angewandt und die Abweichung der Werkzeugbaugruppe 14 in Bezug auf die Hauptbaugruppe 12 wurde gemessen. Wie 9 zeigt, wurde die geringste Gesamtabweichung sowie die geringste aufgetretene Abweichungsrate bei dem Werkzeugwechsler erreicht, der die Querkontaktaussparungen 40 verwendet. Zusätzlich ist die Kurve, die die Daten für die Ausführungsform aufzeichnet, die Querkontaktaussparungen 40 verwendet, wesentlich linearer als die Ausführungsformen, die eine der Technologien des Standes der Technik verwenden. Dies resultiert aus einer geringeren Gegenbewegung und einem geringeren Spiel über das gesamte Spektrum der angewandten Lasten.
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Die in den 5-8 dargestellte und für die oben beschriebenen Vergleichstests verwendete Querkontaktaussparung 40 umfasst eine im Wesentlichen zylindrische konkave Aussparung, die bemessen und geformt ist, um ein Rollenelement 30 aufzunehmen, wobei ein zentraler Hohlraum 44 das Rollenelement nicht kontaktiert. Bei dieser Ausführung kontaktiert die Querkontaktaussparung 40 das Rollenelement 30 an zwei Kontaktbereichen 42, einer auf jeder Seite des zentralen Hohlraums 44. Jeder Kontaktbereich 42 ist somit eine teilzylindrische, konkave Fläche mit im Wesentlichen dem gleichen Radius wie das Rollenelement 30. Diese Ausführung ist in 10A in einer Schnittansicht dargestellt. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf diese spezielle Ausführung beschränkt. Zum Beispiel zeigt 10B im Wesentlichen die gleiche Ausführung, wobei jedoch der zentrale Hohlraum 44 ein quadratischer Kanal ist, anstatt eines gebogenen. Die Fachleute auf dem Gebiet der Technik werden leicht verstehen, dass der zentrale Hohlraum 44 eine beliebige Querschnittsform haben kann, wie z. B. eine U-Form, V-Form oder dergleichen.
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10C und 10D zeigen alternative Ausführungsformen, bei denen die Kontaktbereiche 42 der Querkontaktaussparung 40 keine teilzylindrischen Flächen sind, sondern vielmehr Kontaktpunkte oder -linien auf dem Rollenelement 30. Zum Beispiel umfasst in der Ausführungsform von 10C die Querkontaktaussparung 40 eine kugelförmige oder zylindrische konkave Aussparung, wobei der Radius davon größer als das Rollenelement 30 ist. In dieser Ausführungsform ist der zentrale Hohlraum 44 kein ausgeprägtes Merkmal, sondern vielmehr der Hauptteil der Querkontaktaussparung 40, und die Kontaktbereiche 42 zu beiden Seiten des zentralen Hohlraums 44 umfassen eine Kontaktlinie, die sich um das Rollenelement herum erstreckt (in der Schnittansicht von 10C als Kontaktpunkte gesehen). Diese Ausführungsform hat den Vorteil von nur einem einzigen Fertigungsschritt, um die Querkontaktaussparung 40 auszubilden, ohne dass die separate Herstellung eines zentralen Hohlraums 44 erforderlich ist. In ähnlicher Weise zeigt 10D eine Ausführungsform, bei der die Querkontaktaussparung 40 einen U-förmigen oder V-förmigen Kanal (d. h., der sich senkrecht zu der Ebene des Papiers erstreckt) anstelle einer zylindrischen oder kugelförmigen konkaven Aussparung umfasst. In dieser Ausführungsform umfassen die Kontaktbereiche 42 der Querkontaktaussparung 40 Kontaktpunkte auf jeder Seite des Rollenelements 30. Der Fachmann wird leicht verstehen, dass eine Vielzahl von anderen Formen für eine Querkontaktaussparung 40, die den Vorteil der Kontaktbereiche 42 zu beiden Seiten eines zentralen Hohlraums 44 und damit spielaufhebende Kraftvektoren bei der Kopplung erreichen, angesichts der Lehren der vorliegenden Offenbarung innerhalb des breiten Umfangs der vorliegenden Erfindung möglich sind.
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11 zeigt die Schritte in einem Verfahren 100 zum Koppeln der Haupt-12 und der Werkzeug- 14 Baugruppe eines Roboter-Werkzeugwechslers 10. Die Werkzeugbaugruppe 14 weist einen Lagerring 38 auf. Die Hauptbaugruppe 12 weist mehrere Bohrungen 28, die jeweils ausgestaltet sind, um ein Rollenelement 30 aufzunehmen, und einen Antriebsmechanismus 32 auf, der ausgestaltet ist, um die Rollenelemente 30 gegen den Lagerring 38 zu drücken, um die Haupt- 12 und die Werkzeug- 14 Baugruppe zu koppeln, und um dem Rollenelementen 30 zu ermöglichen, sich zurückzuziehen, um die Haupt- 12 und die Werkzeug- 14 Baugruppe zu entkoppeln. Mindestens eine der Innenflächen jeder Bohrung 28 und mehrerer Positionen auf dem Lagerring 38 weisen eine Querkontaktaussparung 40 auf, die ausgestaltet ist, um ein Rollenelement 30 zu lagern, wenn die Haupt-12- und Werkzeug- 14 Baugruppe gekoppelt sind. Um die Haupt- 12 und Werkzeug- 14 Baugruppe zu koppeln, wird die Hauptbaugruppe 12 in Anschlag mit der Werkzeugbaugruppe 14 bewegt - die in 2 dargestellte Position (Block 102). Mehrere Rollenelemente 30, die in Bohrungen 28 in der Hauptbaugruppe 12 angeordnet sind, werden in Kontakt mit dem Lagerring 38 in der Werkzeugbaugruppe 14 bewegt - die in 3 dargestellte Position (Block 104). Jedes Rollenelement 30 ist in einer Querkontaktaussparung 40 gelagert, die in mindestens einer der Innenflächen jeder Bohrung 28 und an mehreren entsprechenden Positionen auf dem Lagerring 38 ausgebildet ist, wie in den 6 und 7 dargestellt (Block 104). Jede Querkontaktaussparung 40 umfasst eine Aussparung, die bemessen und geformt ist, um ein Rollenelement 30 aufzunehmen, und einen zentralen Hohlraum 44, der das Rollenelement nicht kontaktiert, so dass die Querkontaktaussparung 40 das Rollenelement 30 an zwei Kontaktbereichen 42 kontaktiert, einen auf jeder Seite des zentralen Hohlraums 44, wie in 5 dargestellt.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten zahlreiche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Durch Lagern jedes Rollenelements 30 in mindestens einer, vorzugsweise zwei, Querkontaktaussparungen 40, werden mindestens ein, vorzugsweise zwei, Paare von Kontaktkräften auf das Rollenelement 30 angewandt. Jede Kraft des Paares ist beabstandet angeordnet (dadurch, dass die Kontaktbereiche 42 durch einen zentralen Hohlraum 44 getrennt sind) und in Richtung der Mitte des Rollenelements 30 gerichtet. Dementsprechend ist eine Komponente einer jeden Kraft entgegengesetzt und hält jedes Rollenelement 30 kinematisch von einer Seite zu Seite Bewegung zurück. Die Anwendung von zwei Kräftepaaren verstärkt diesen Effekt. Im Vergleich zu Ausführungen nach dem Stand der Technik, bei denen vergrößerte Bögen nur einen Kontaktpunkt zu jedem Rollenelement 30 bereitstellen, beseitigen die Querkontaktaussparungen 40 praktisch das Torsionsspiel in einem Roboter-Werkzeugwechsler 10.
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Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Kontaktbereich“ auf den Teil einer Querkontaktaussparung 40, der ein darin sitzendes Rollenelement 30 kontaktiert. Der „Bereich“ kann eine Fläche, eine Linie oder einen Punkt umfassen. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „zentraler Hohlraum“ auf den Teil einer Querkontaktaussparung 40 zwischen den Kontaktbereichen 42, der nicht mit einem darin gelagerten Rollenelement 40 in Kontakt steht. Der „Hohlraum“ kann eine konkave Aussparung, einen Kanal, eine Nut oder dergleichen umfassen. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „ausgestaltet, um“ aufgebaut, organisiert, angepasst oder angeordnet, um auf eine bestimmte Art und Weise zu wirken; der Begriff ist gleichbedeutend mit „ausgeführt, um“. Wie hierin verwendet, umfasst und berücksichtigt der Begriff „im Wesentlichen“ mechanische Toleranzen, Messfehler, eine zufällige Variation und ähnliche Quellen von Ungenauigkeit.
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Die vorliegende Erfindung kann natürlich auch auf andere Arten und Weisen als die hierin ausdrücklich beschriebenen ausgeführt werden, ohne von den wesentlichen Eigenschaften der Erfindung abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind in allen Belangen als veranschaulichend und nicht einschränkend zu betrachten, und alle Änderungen, die in den Bedeutungs- und Äquivalenzbereich der beigefügten Ansprüche fallen, sollen darin eingeschlossen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 16/899033 [0001]
- US 8005570 [0005, 0018]
- US 8132816 [0005, 0018]
- US 8209840 [0005, 0018]
- US 8500132 [0005]
- US 8533930 [0005]
- US 8601667 [0005]
- US 8794418 [0005]
- US 9151343 [0005]
- US 9724830 [0005]
- US 10335957 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- 11. Juni 2020, mit dem Titel „Robotic Tool Changer Coupling Mechanism with Increased Torsional Rigidity and Reduced Freeplay” [0001]
