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VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr.
17/002,043 , eingereicht am 25. August 2020, mit dem Titel „Robotic Tool Changer Having Debris Passages for Channeling Debris from the Ball-Locking Mechanism“, deren Offenbarung hier durch Inbezugnahme in vollem Umfang aufgenommen ist.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Roboter-Werkzeugwechsler.
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HINTERGRUND
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Industrieroboter sind ein unverzichtbarer Bestandteil der modernen Fertigung geworden. Ob beim Transfer von Halbleiterwafern von einer Prozesskammer in eine andere in einem Reinraum oder beim Schneiden und Schweißen von Stahl auf dem Boden einer Automobilfabrik, Roboter führen viele Fertigungsaufgaben unermüdlich, in feindlichen Umgebungen und mit hoher Präzision und Wiederholbarkeit aus.
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Eine Kugel-Verriegelungs-Konfiguration wird häufig in Roboterwerkzeugwechslern als Kopplungsmechanismus eingesetzt. In einer solchen Anordnung befindet sich eine Vielzahl von Rollelementen, wie z. B. Stahlkugeln, in Bohrungen oder Öffnungen, die in einem Ansatz einer Masteranordnung ausgebildet sind. Die Kugeln werden radial getrieben, z. B. durch einen vorrückenden Kolben, und bewegen sich vorwärts, um an einem Laufring in der Werkzeuganordnung anzuliegen, wodurch die Master- und die Werkzeuganordnung mechanisch miteinander gekoppelt werden. Zum Entkoppeln wird der Kolben zurückgezogen, und die Kugeln ziehen sich in den Ansatz zurück, wenn sich die Masteranordnung von der Werkzeuganordnung trennt. Verschiedene Konfigurationen, Antriebsmechanismen und Betriebsaspekte solcher Kugelverriegelungskonfigurationen sind in den US-Patenten mit den Nummern 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 wurden an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung abgetreten, und die Offenbarungen aller dieser Patente sind durch Inbezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin enthalten.
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In einem gekoppelten Zustand stehen die Stahlkugeln, während sie in dem Ansatz gehalten werden, von den Außenrändern der Bohrungen leicht nach außen vor, um sich mit dem Laufring der Werkzeuganordnung in Eingriff zu befinden. Der Außenrand der Bohrungen weist einen kleineren Durchmesser als die Stahlkugeln auf. Wenn die Kugeln in einen Eingriff mit dem Laufring gezwungen werden, werden die Außenränder der Bohrungen im Allgemeinen von den Stahlkugeln verschlossen. Das heißt, die Stahlkugeln liegen bündig an den Außenrändern der Bohrungen an, so dass es im Wesentlichen keinen zugänglichen Bereich zwischen den Stahlkugeln und den Außenrändern der Bohrungen gibt.
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Die Anordnungen von Roboterwerkzeugen sind vielfältig und werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Bei der Herstellung von Automobilen kann eine Anordnung von Roboterwerkzeugen zum Schneiden, Schleifen, Abstrahlen oder anderweitigem Formen von Metallteilen während eines Produktionslaufs verwendet werden und in einem anderen Lauf eine Reihe von Punktschweißarbeiten ausführen. Beim Schneiden, Schleifen, Abstrahlen und Schweißen entstehen Staub und Schmutz, z. B. winzige Metallpartikel. Staub und Schmutz können sich an den Kontaktflächen des Verriegelungsmechanismus ansammeln, wenn die Werkzeug- und die Masteranordnung gekoppelt sind. Schmutz-Verunreinigungen in dem Verriegelungsmechanismus entstehen häufig durch ein Ablegen des Werkzeugs, da im Werkzeugwechsler Schmutzrückstände oder Medien (z. B. Abstrahlmittel) von einem Abstrahlvorgang verbleiben können, die nach dem Ablegen des Werkzeugs und sogar während der Aufnahme des Werkzeugs in den Verriegelungsmechanismus fallen können. Darüber hinaus kann der Schmutz je nach Größe des Schmutzes auch in den Werkzeugwechsler gelangen und sich auf dem Verriegelungsmechanismus ansammeln, selbst wenn die Master- und die Werkzeuganordnung gekoppelt sind.
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine Roboter-Werkzeugwechsler-Konstruktion, die es dem Schmutz erleichtert und ermöglicht aus dem Verriegelungsmechanismus zu entkommen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird ein Roboterwerkzeugwechsler gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 7 bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung. In einer Ausführungsform weist der Roboter-Werkzeugwechsler eine Master- und eine Werkzeuganordnung auf. Die Masteranordnung weist eine Vielzahl von Rollelementen auf, die sich in Öffnungen befinden, die in einem ringförmigen Ansatz ausgebildet sind. Die Werkzeuganordnung weist einen Laufring auf. Um die Master- und die Werkzeuganordnung zu koppeln, werden die Rollelemente der Masteranordnung in einen festen Eingriff mit dem Laufring der Werkzeuganordnung gebracht. Die Öffnungen, in denen sich die Rollelemente befinden, sind so gestaltet, dass, wenn die Rollelemente ausgefahren sind und sich mit der Lagerfläche der Werkzeuganordnung in Eingriff befinden, ein oder mehrere Schmutzkanäle zwischen jedem Rollelement und der Öffnung ausgebildet sind. Dadurch können Staub, Schmutz, Medien usw., die sich in und um die Kontaktflächen der Rollelemente und des Laufrings befinden, entweichen.
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Die Öffnungen, in denen sich die Rollelemente befinden, weisen innere und äußere Enden auf. Die äußeren Enden der Öffnungen kommen mit den Rollelementen in Eingriff und lassen die Rollelemente nur teilweise von dem äußeren Ende hervorragen. In einer Ausführungsform kommen die äußeren Enden mit in Umfangsrichtung beabstandeten Punkten oder Bereichen um die Rollelemente herum in Eingriff. Abschnitte der äußeren Enden der Öffnungen erstrecken sich nach außen über die Rollelemente hinaus und bilden die Schmutzkanäle, die sich zwischen dem äußeren Ende der Öffnungen und den darin befindlichen Rollelementen erstrecken.
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In einer anderen Ausführungsform liegen die Kontaktpunkte oder -bereiche zwischen den äußeren Enden der Öffnungen und den darin befindlichen Rollelementen auf virtuellen Kreisen.
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Weitere Gegenstände und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus dem Studium der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen, die lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung dienen, ersichtlich und offensichtlich.
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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 hierin dargestellten Ausführungsformen beschränkt zu verstehen. Vielmehr sind diese Ausführungsformen vorgesehen, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist, und dem Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig vermittelt. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchgehend auf gleiche Elemente.
- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Roboter-Werkzeugwechslers, die Master- und die Werkzeuganordnung entkoppelt zeigt.
- 2 ist eine perspektivische Ansicht eines ringförmigen Ansatzes, der in der Masteranordnung angeordnet ist und Schmutzkanäle aufweist, die zwischen Öffnungen in dem Ansatz und den darin befindlichen Rollelementen ausgebildet sind.
- 3 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration für das äußere Ende einer Öffnung, in der sich das Rollelement befindet und die so gestaltet ist, dass sie mindestens einen Schmutzkanal ausbildet.
- 4 ist eine Seitenansicht, die die Kontaktpunkte oder -bereiche zwischen einem Rollelement und der das Rollelement enthaltenden Öffnung zeigt.
- 4A ist eine ähnliche Ansicht wie 4, zeigt jedoch das Rollelement im Querschnitt.
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BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Der Einfachheit halber und zur Veranschaulichung wird die vorliegende Erfindung hauptsächlich unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform derselben beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Es ist jedoch für einen Fachmann leicht ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung auch ohne Beschränkung auf diese spezifischen Details 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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1 zeigt einen Roboter-Werkzeugwechsler 10, der einen Kugelkopf-Kopplungsmechanismus verwendet. Eine Hälfte des Roboter-Werkzeugwechslers 10, die so genannte Masteranordnung 12, ist dauerhaft an einem Roboterarm (nicht dargestellt) befestigt. Die andere Hälfte, die so genannte Werkzeuganordnung 14, wird an jedem Werkzeug (nicht abgebildet) befestigt, das der Roboter verwenden kann. Bei einer bestimmten Anwendung können diese Befestigungen umgekehrt sein. Dementsprechend werden hier die Begriffe „Master“ und „Werkzeug“ als Referenzbegriffe verwendet. Wie in 1 zu sehen ist, passen Ausrichtungsstifte 16 an der Masteranordnung 12 in Ausrichtungsbuchsen 18 an der Werkzeuganordnung 14, um eine korrekte Ausrichtung der Master- und Werkzeuganordnung 12, 14 zu gewährleisten, wenn die Anordnungen miteinander gekoppelt sind.
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Die Masteranordnung 12 weist ein Gehäuse 20 und einen ringförmigen Ansatz 22 auf, der aus diesem herausragt und sich über die Ebene der Oberfläche des Gehäuses 20 hinaus erstreckt. Die Werkzeuganordnung 14 weist ein Gehäuse 24 und eine darin ausgebildete kreisförmige Kammer 26 auf. In der Kammer 26 befindet sich ein Laufring 38. Wenn die Master- und die Werkzeuganordnung 12, 14 gekoppelt sind, befindet sich der Ansatz 22 innerhalb der Kammer 26 und ist nach innen von dem Laufring 38 beabstandet.
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In dem Ansatz 22 sind mehrere Öffnungen 28 ausgebildet. Die Öffnungen 28 erstrecken sich zwischen äußeren und inneren Seiten des Ansatzes 22 und weisen äußere und innere Enden auf. In jeder der Öffnungen befindet sich ein bewegliches Rollelement 30. Wie es im Folgenden näher erläutert ist, sind die Rollelemente 30 zwischen einer eingefahrenen bzw. zurückgezogenen und einer ausgefahrenen Position bewegbar. In der ausgefahrenen Position ragen die Rollelemente 30 durch die äußeren Enden der Öffnungen und befinden sich mit dem Laufring 38 in Eingriff und koppeln die Master- und Werkzeuganordnung 12 und 14.
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In einer Ausführungsform ist ein Nocken 32, der an dem Ende eines pneumatischen Kolbens befestigt ist, in dem durch den Ansatz 22 definierten Innenraum angeordnet. Der Nocken 32 weist zumindest eine konische Fläche 34 auf, die die Rollelemente 30 während der Kopplung der Master- und Werkzeuganordnung berührt. Der Nocken 32 bewegt sich zwischen einer eingefahrenen bzw. zurückgezogenen und einer ausgefahrenen Position. Die Bewegung des Nocken 32 wird von einer Robotersteuerung (nicht dargestellt) gesteuert. Wenn sich der Nocken 32 von der eingefahrenen in die ausgefahrene Position bewegt, kommt die konische Fläche 34 mit den Rollelementen 30 in Eingriff und drückt sie nach außen durch die Öffnungen 28. In der vollständig ausgefahrenen Stellung bewegt der Nocken 32 die Rollelemente 30 in einen festsitzenden Kontakt mit dem in der Werkzeuganordnung 14 ausgebildeten Laufring 38. In diesem Fall sind die Master- und die Werkzeuganordnung 12, 14 gekoppelt. Bei einigen Ausführungsformen können die Rollelemente 30 durch einen anderen Mechanismus als einen an einem Pneumatikkolben angebrachten Nocken vorgeschoben werden, wie es in den
US-Patenten 8.132.816 und
8.209.840 beschrieben ist, deren Offenbarungen hier ausdrücklich durch Inbezugnahme aufgenommen sind.
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Die Öffnungen 28 sind so ausgestaltet, dass Schmutzkanäle 50 durch die Öffnungen ausgebildet sind, wenn die Master- und Werkzeuganordnung 12, 14 gekoppelt sind. Unter Schmutz versteht man im weitesten Sinne Staub, kleine und kleinste Partikel, Abstrahlmittel und jegliches loses Material, das sich in und um den Roboterwerkzeugwechsler 10 befindet. Auf diese Weise kann Schmutz in und um die Rollelemente 30 und den Laufring 38 durch die Schmutzkanäle 50 entweichen, wenn die Master- und Werkzeuganordnung 12, 14 gekoppelt sind.
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Grundsätzlich muss die Querschnittsfläche der Öffnungen 28 größer sein als die Querschnittsfläche der Rollelemente 30, um diese Schmutzkanäle auszubilden. Die äußeren Enden der Öffnungen müssen jedoch ausreichend an den Rollelementen 30 anliegen, um diese in der ausgefahrenen Position zu halten, wenn die Anordnung 12, 14 entkoppelt sind. Um dies zu erreichen, können die Öffnungen 28 verschiedene Formen und Abmessungen annehmen und die Kontaktpunkte zwischen den Rollelementen 30 und den Öffnungen 28 können variieren.
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Die 2-4A zeigen eine beispielhafte Ausführung für die Öffnungen 28. Jede Öffnung 28 nimmt im Allgemeinen die Form eines Kleeblatts an. Die Querschnittsfläche der Öffnung 28 nimmt typischerweise von der Innenseite des Ansatzes 22 in Richtung der Außenseite des Ansatzes ab. Bei dieser Ausführung sind die äußeren Enden der Öffnungen 28 so ausgestaltet, dass: (1) es den Rollelementen 30 möglich ist, teilweise nach außen aus den Öffnungen herauszuragen, so dass sie den Laufring 38 der Werkzeuganordnung 14 berühren, wenn die Master- und die Werkzeuganordnung 12, 14 miteinander gekoppelt sind; (2) sie die Rollelemente ausreichend berühren, um zu verhindern, dass sie aus den äußeren Enden der Öffnungen herausgedrückt werden, wenn die Master- und die Werkzeuganordnung 12, 14 entkoppelt sind; und (3) Schmutzkanäle 50 zwischen den Öffnungen und den darin befindlichen Rollelementen ausgebildet werden.
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3 ist eine Draufsicht, die das äußere Ende der Kleeblattöffnung 28 zeigt. Der Umfang der Öffnung 28, wie es in 3 dargestellt ist, weist vier bogenförmige Segmente 28A auf. Jeweilige Paare der bogenförmigen Segmente 28A treffen aufeinander und bilden Rollelement-Kontaktpunkte oder Bereiche, die in 4 mit CP1, CP2, CP3 und CP4 bezeichnet sind. Somit sind vier Schmutzkanäle 50 definiert, die um das Rollelement herum beabstandet sind, wenn sich das Rollelement in der ausgefahrenen Position und in Kontakt mit dem Laufring 38 befindet. Es sei angemerkt, dass die einzelnen Schmutzkanäle 50 zu der gesamten Öffnung 28 auf der Innenseite des Rollelementes 30 offen sind.
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Wenn die Master- und Werkzeuganordnung 12, 14 entkoppelt sind und ein Roboter die Master-Anordnung 12 von der Werkzeuganordnung 14 wegbewegt (z. B. um sie an einem anderen Roboterwerkzeug anzubringen), müssen die Rollelemente 30 in ihren jeweiligen Öffnungen 28 gehalten werden. Im bisherigen Stand der Technik wurde dies dadurch erreicht, dass das äußere Ende der Öffnungen 28 kreisförmig ist und jeweils einen Durchmesser aufweist, der zumindest geringfügig kleiner ist als der Durchmesser eines Rollelements 30. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Öffnungen 28 aufgrund der Schmutzkanäle 50 nicht kreisrund, müssen aber dennoch die Rollelemente 30 zurückhalten. Dies ist gewährleistet, wenn zumindest einige der Kontaktpunkte oder -bereiche CP1, CP2, CP3, CP4 entlang eines virtuellen Kreises liegen oder diesen definieren, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Rollelementes 30, während sich die Schmutzkanäle 50 über diesen virtuellen Kreis hinaus nach außen erstrecken.
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Wenn die Master- und die Werkzeuganordnung 12, 14 gekoppelt sind und sogar während die Werkzeuganordnung Arbeiten ausführt, kann daher Schmutz in und um die Rollelemente 30 und den Laufring 38 entweichen und sich durch die Schmutzkanäle nach innen bewegen. Durch die Bereitstellung eines Weges für den Schmutz von dem Laufring 38 und den Rollelementen 30 wird der Verriegelungsmechanismus sauberer gehalten, funktioniert reibungsloser und es gibt weniger Schmutz, der den Kontakt zwischen den Rollelementen und dem Laufring stört.
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In dem Fall der in den 3-4A gezeigten Ausführungsform sind die Kontaktpunkte und die Schmutzkanäle gleichmäßig um das Rollelement 30 herum angeordnet. Die Öffnungen 28 können jedoch verschiedene Formen und Größen annehmen, die so gestaltet sind, dass die Rollelemente 30 in den Öffnungen gehalten werden, aber dennoch mindestens einen Schmutzkanal 50 zwischen jedem Rollelement und der Öffnung, in der sich das Rollelement befindet, ausbilden.
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Die vorliegende Erfindung kann natürlich auch auf andere als die hier dargelegten Weisen ausgeführt werden, ohne dass dies von dem Anwendungsbereich und den wesentlichen Merkmalen der Erfindung abweicht. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht einschränkend zu verstehen, 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 17/002043 [0001]
- US 8132816 [0017]
- US 8209840 [0017]
