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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Robotik
und speziell eine Sicherheitsverriegelung, die auf der Werkzeugseite
eines Roboterwerkzeugwechslers vorgesehen ist.
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Industrielle
Roboter sind ein unverzichtbarer Teil von moderner Herstellung geworden.
Sei es, dass man Halbleiterwafer von einer Prozesskammer zu einer
anderen in einem Reinraum transportiert, oder Stahl in der Fabrikhalle
eines Kraftfahrzeugherstellungswerks schneidet und schweißt, Roboter
führen
unermüdlich
viele Herstellungsaufgaben in feindlichen Umgebungen und mit hoher
Präzision
und Reproduzierbarkeit aus.
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In
vielen Roboterherstellungsanwendungen ist es kostensparend, einen
verhältnismäßig generischen
Roboter zu verwenden, um die verschiedensten Aufgabe zu bewerkstelligen.
Z.B. kann in einer Kraftfahrzeugherstellungsanwendung ein Roboter verwendet
werden, um Metallteile während
eines Fertigungslaufs zu schneiden, schleifen oder sonst zu formen,
und die verschiedensten Punktschweißaufgaben in einander auszuführen. Unterschiedliche Schweißwerkzeuggeometrien
können
vorteilhafterweise an einen speziellen Roboter angekuppelt werden,
um Schweißaufgaben
an unterschiedlichen Stellen oder in unterschiedlichen Orientierungen
auszuführen.
In diesen Anwendungen wird ein Werkzeugwechsler verwendet, um unterschiedliche
Werkzeuge an den Roboter anzukuppeln. Eine Hälfte des Werkzeugwechslers,
der als die Mastereinheit bezeichnet wird, ist dauernd am Roboterarm
befestigt. Die andere Hälfte,
die als die Werkzeugeinheit bezeichnet wird, ist an jedem Werkzeug
befestigt, das der Roboter verwenden kann. Wenn der Roboterarm die
Mastereinheit benachbart zur Werkzeugeinheit, die mit einem gewünschten
Werkzeug verbunden ist, positioniert, wird ein Koppler betätigt, der
die Mastereinheit und Werkzeugeinheit mechanisch zusammenkoppelt,
wodurch das Werkzeug am Ende des Roboterarms befestigt wird. Versorgungsmittel,
wie z.B. elektrischer Strom, Luftdruck, Hydraulikfluid, Kühlwasser,
elektronische oder optische Datensignale und dergleichen, können durch
den Roboterwechsler von der Mastereinheit zur Werkzeugeinheit über passende
Anschlüsse,
Ventilverbindungen, elektrische Verbinder und dergleichen transportiert werden,
wobei die Versorgungsmittel für
das ausgewählte
Werkzeug verfügbar
gemacht werden.
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Sicherheit
ist in jeglicher industriellen Roboteranwendung von höchster Wichtigkeit.
Um einen möglichen
Schaden oder Beschädigung
am Werkzeug zu verhindern, ist es unumgänglich, dass ein Werkzeug nicht
von einem Roboterarm entfernt wird, an dem es gekoppelt ist, bis
der Roboterarm das Werkzeug in einem Werkzeuggestell oder eine ähnliche
Aufnahme positioniert hat, die konstruiert ist, um das Werkzeug
sicher zu tragen und aufzubewahren. Da der einzige Teil des Roboterarms
und der Werkzeuganordnung, der nicht typischerweise zusammengebolst
ist, der Koppler des Werkzeugwechslers ist, sind Konstruktion und
Steuerung des Kopplers von großer
Wichtigkeit. Der Koppler eines Werkzeugwechslers, d.h. der Mechanismus,
der Mastereinheit und Werkzeugeinheiten selektiv koppelt und entkoppelt,
kann eine elektromechanische, hydrologische, pneumatische oder ähnliche
Konstruktion umfassen. Werkzeugwechsler und ihre konstituierenden
Koppler sind in der Robotertechnik wohlbekannt und sind im Handel
erhältlich,
wie z.B. von dem Rechtsnachfolger, ATI Industrial Automation of
Apex, North Carolina.
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Obwohl
er eine breite Mannigfaltigkeit von Formen, Größen und Betriebsmodi annehmen
kann, ist ein Koppler typischerweise auf einer betriebssicheren
Weise konstruiert, wobei sein Standardeinstellungszustand ist, gekoppelt
zu sein. D.h., wenn Energie oder Luftdruck unterbrochen ist oder
eine Kommando-Schnittstelle beendigt wird, bleiben die Master- und
Werkzeugeinheit zusammengekoppelt. Dies kann z.B. durch Federvorspannen
des Kopplers zur gekoppelten Position erreicht werden und die Zwangsanwendung
von elektrischer Energie, Luftdruck oder dergleichen erforderlich
machen, um ihn zur entkoppelten Position zu bewegen. Auch wird eine
Steuerung des Kopplers während
eines Betriebs sorgfältig überwacht,
wobei eine Robotersteuersoftware typischerweise unzählige Kontrollen
ausführt, wie
z.B. Abfragen von Sensoren, Abschalten von Versorgungsmitteln, Entfernen
von beaufschlagter Energie vom Werkzeug und dergleichen, bevor ein Entkopplungsbefehl
an den Werkzeugwechsler ausgegeben wird.
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Typischerweise
werden Befehle, um den Koppler zu betätigen, um die Werkzeugwechslereinheiten
zu koppeln oder zu entkoppeln, durch einen Kontroller erzeugt, der
typischerweise in der Mastereinheit angeordnet ist. In modernen
Roboterwerkzeugwechslern kann dieser Kontroller mit der DeviceNet-Spezifikation übereinstimmen,
die durch die Open DeviceNet Vendor Association (ODVA) öffentlich
bekanntgemacht ist, worüber
man Information von odva.org erhält.
Alternativ kann sich der Kontroller an andere Bussystemspezifikationen
halten oder kann eine kundenspezifische Einheit sein. Ungeachtet
des speziellen Kontrollers wird die Erzeugung und Übertragung
von Entkopplungsbefehlen typischerweise sorgfältig gesteuert, so dass sie
nicht unbeabsichtigt erzeugt werden, wobei ein unzeitiges Entkoppeln
des Werkzeugs vom Roboterarm hervorgerufen wird. Nichtsdestoweniger
ist es aufgrund einer Furcht vor Softwarefehler, menschlichem Versehen
und dergleichen wünschenswert,
eine Hardwaresicherheitsverriegelung in die Entkopplungsschaltung
zwischenzuschalten.
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Ein
Beispiel für
eine solche Sicherheitsverriegelung, die im Stand der Technik bekannt
ist, umfasst ein physisches Unterbrechen der Verbindung, die die
Entkopplungsschaltung auf Befehl durch den Kontroller mit Energie
beaufschlagt, und Bringen der Leerlaufschaltung zu Außenkontakten
auf dem Werkzeugwechsler. Diese Kontakte können dann mit einem Schalter,
der auf dem Äußeren der
Werkzeugeinheit oder dem Werkzeug selbst angeordnet ist, in einer
solchen Position und auf eine solche Weise verbunden werden, dass
die Schaltkontakte durch das Werkzeuggestell geschlossen werden,
wenn das Werkzeug in das Werkzeuggestell platziert wird und sicher
getragen wird. Dies schließt
die Schaltung, wobei ermöglicht
wird, dass das durch den Kontroller erzeugte Entkopplungssignal
durch den geschlossenen Schalter hindurchtritt und den Koppler erreicht, wobei
die Master- und Werkzeugeinheit entkoppelt werden und das Werkzeug
vom Roboterarm entfernt wird. Wenn sich das Werkzeug in einer beliebigen
anderen Position befindet, als sicher in seinem Werkzeuggestell
verstaut zu sein, bleiben die Schaltkontakte offen, und jegliches
durch den Kontroller erzeugte Entkopplungssignal kann den Koppler
nicht erreichen, um den Entkopplungsbetrieb zu bewerkstelligen.
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Ausführungen
nach dem Stand der Technik ordneten diese Schaltkontakte auf dem Äußeren der Mastereinheit
an (die typischerweise sowohl den Koppler als auch den Kontroller
beherbergt), wobei ein Schalter angebracht ist, der sich zur Nähe des Werkzeugs
erstreckte, um durch das Werkzeuggestell geschlossen zu werden.
In der Praxis hat man gefunden, dass dies eine unzulängliche
Lösung
ist. Z.B. hat es sich als schwierig erwiesen, einen Schalter auf der
Mastereinheit, die mit den verschiedensten Werkzeugen betreibbar
ist, zu konstruieren und auszuführen,
was auf die unterschiedlichen Geometrien, die jedes Werkzeug darbietet,
zurückzuführen ist.
Es ist entdeckt worden, dass in vielen Anwendungen Angestellte einfach
einen Kurzschlussverbinder mit den Kontakten verbinden, wodurch
der Sicherheitsvorteil der Verriegelung vereitelt wird.
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Bewegen
der Verriegelungskontakte zur Werkzeugeinheit (durch z.B. Hindurchtretenlassen des
Entarretiersignalpfads zwischen der Master- und Werkzeugeinheit über Zwischen-Werkzeugwechsler-Versorgungsmittelverbindungen)
vermindert die Notwendigkeit einer Universalwerkzeugverriegelungsschalterkonstruktion.
Da jede Werkzeugeinheit typischerweise dauernd an einem speziellen
Werkzeug angebracht ist, kann ein Schalter, der an die Geometrie
des Werkzeugs angepasst ist, leicht konstruiert und an die Werkzeugeinheit
oder an das Werkzeug selbst angebracht werden. Jedoch führt eine
solche Verlagerung ein Problem ein: wenn die Master- und Werkzeugeinheit
entkoppelt werden, wie oben beschrieben, befindet sich die Standardeinstellungsposition
des Kopplers in der gekoppelten Position. Der Koppler muss sich
zur entkoppelten Position bewegen, um imstande zu sein, um die Mastereinheit mit
einer Werkzeugeinheit zu kuppeln. Noch ist die Schaltung zur Betätigung des
Kopplers unterbrochen, und ungeachtet der Position des Werkzeug-montierten
Schalters kann die Schaltung nicht geschlossen werden, bis die Master-
und Werkzeugeinheit miteinander gekuppelt werden und die Versorgungsmittelkontakte
die Schaltung vom Kontroller in die Mastereinheit, durch den auf
dem Werkzeug montierten Schalter, zurück zum Koppler in der Mastereinheit
schließen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Roboterwerkzeugwechsler mit
einer verbesserten Sicherheitsverriegelung. Der Werkzeugwechsler
umfasst eine Mastereinheit, eine Werkzeugeinheit und einen Koppler,
der zwischen einer gekoppelten und entkoppelten Position bewegbar
ist und betreibbar ist, um die Master- und Werkzeugeinheit zu koppeln. Der
Werkzeugwechsler umfasst auch eine Schaltung zum Betätigen des
Kopplers, umfassend Kontakte, die der Werkzeugeinheit zugeordnet
sind und betreibbar sind, um zu ermöglichen, dass der Koppler die
entkoppelte Position einnimmt, wenn die Kontakte verbunden sind,
und einen Schalter, der betreibbar ist, um zu ermöglichen,
dass der Koppler die entkoppelte Position nur einnimmt, wenn die
Mastereinheit von der Werkzeugeinheit entkoppelt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein funktionelles Blockdiagramm eines Werkzeugwechslers, wobei die
Master- und Werkzeugeinheit gekoppelt sind und das Werkzeug vom
Werkzeuggestell entfernt ist.
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2 ist
ein funktionelles Blockdiagramm eines Werkzeugwechslers, wobei das
Werkzeug in einem Werkzeuggestell montiert ist und die Master- und
Werkzeugeinheit entkoppelt sind.
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3 ist
ein funktionelles Blockdiagramm eines Werkzeugwechslers, wobei eine
Verriegelung mit Status-Rückkopplungssignalen
wiedergegeben ist.
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4 ist
ein funktionelles Blockdiagramm eines Werkzeugwechslers gemäß der vorliegenden
Erfindung, der mit Druckluftkreisen ausgeführt ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Roboterwerkzeugwechsler mit
einer erfinderischen Werkzeugsicherheitsverriegelungsschaltung.
Die 1 und 2 geben beide in funktioneller
Blockdiagrammform eine Ausführung
des Werkzeugwechslers der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen
Konfigurationen wieder. Ähnliche
Teile sind unter den Figuren übereinstimmend
nummeriert, und auf beide Figuren sollte überall in der folgenden Erörterung
Bezug genommen werden. Es sollte erwähnt werden, dass die in den 1 und 2 wiedergegebene
Werkzeugsicherheitsverriegelung elektrische Schaltungen umfasst.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt
und kann wie unten beschrieben auf die unterschiedlichsten Weisen
ausgeführt
werden.
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Der
Werkzeugwechsler gemäß der vorliegenden
Erfindung, der allgemein durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet
ist, umfasst eine Mastereinheit 20 und eine Werkzeugeinheit 50.
Der Werkzeugwechsler 10 stellt eine Standardschnittstelle
zum phy sischen Koppeln eines Roboterarms 12 mit einem Roboterwerkzeug 14 bereit.
Der Werkzeugwechsler 10 koppelt die Mastereinheit 20 physisch selektiv
mit der Werkzeugeinheit 50 und liefert zusätzlich verschiedene
Versorgungsmittel vom Roboterarm 12 zum Werkzeug 14,
wie z.B. Hochspannungselektrizität,
Luftdruck, Fluide, elektrische Signale und dergleichen, indem Verbindungen
(nicht dargestellt) zwischen der Mastereinheit 20 und der Werkzeugeinheit 50 gekuppelt
werden. Einzelheiten des Werkzeugwechslers 10 sind hierin
nicht dargestellt, weil solche Einzelheiten nicht an sich Material für die vorliegende
Erfindung sind und weiter Werkzeugwechsler im Stand der Technik
wohlbekannt sind.
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Um
ein selektives Koppeln und Entkoppeln der Mastereinheit 20 und
Werkzeugeinheit 50 zu bewerkstelligen, umfasst die Mastereinheit 20 einen Koppler 22 (in
anderen Ausführungsformen
kann der Koppler 22 auf der Werkzeugeinheit 50 angeordnet sein).
In den funktionellen Blockdiagrammen der 1 und 2 steht
der Koppler 22 von der Mastereinheit 20 vor und
passt in eine entsprechende Aussparung 52 in der Werkzeugeinheit 50.
Wenn der Koppler 22 in der Aussparung 52 angeordnet
ist, kann ein Koppeln erzielt werden, indem rückziehbare vorstehende Teile 24 des
Kopplers 22 in entsprechende Aufnahmen 54, die
in der Aussparung 52 der Werkzeugeinheit 50 gebildet
sind, ausgefahren werden. Die ausfahrbaren vorstehenden Teile 24 können z.B.
radial um den Umfang eines kreisförmigen Kopplers 22 angeordnet
sein, wobei eine Mehrzahl von im Allgemeinen gleichmäßig beabstandeten
Arretierpunkten bereitgestellt wird. 1 gibt die
Mastereinheit 20 und Werkzeugeinheit 50, die zusammengekoppelt
sind, wieder, wobei sich der Koppler 22 in einer Aussparung 52 befindet
und die ausfahrbaren vorstehenden Teile 24 in entsprechende
Aufnahmen 54 ausgefahren sind.
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Um
die Mastereinheit 20 von der Werkzeugeinheit 50 zu
entkoppeln, wie beispielsweise, um ein unterschiedliches Werkzeug 14 mit
dem Roboterarm 12 zu verbinden, können die ausfahrbaren vorstehenden
Teile 24 in den Koppler 22 zurückgezogen werden, wie durch
die Bewegungspfeile von 2 wiedergegeben, wobei ermöglicht wird,
dass der Koppler 22 die Aussparung 52 verlässt.
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Es
sollte angemerkt werden, dass der Koppler 22 der 1 und 2 ein
funktionelles Blockdiagramm darstellt, das nur für Erklärungszwecke dient. In der Praxis
können
Werkzeugwechslerkoppler verzwickte und komplizierte elektromechanische oder
pneumatische Systeme umfassen und können eine Mehrzahl von Arretierelementen
umfassen, wie z.B. Kugellager, Zylinderrollen oder dergleichen,
wie sie in der Robotertechnik bekannt sind. Ungeachtet der Kompliziertheit
von jeglicher gegebenen Ausführung
eines Kopplers 22 wird jedoch der Koppler 22 typischerweise
mit einem oder zwei Befehlssignalen betätigt. Z.B. nimmt der Koppler 22,
der in den 1 und 2 wiedergegeben
ist, einen gekoppelten Zustand durch Standardeinstellung an, und
nimmt einen entkoppelten Zustand bei Bestätigung eines Entarretiersignals
von einem Kontroller 21 an (der in diesem Beispiel in oder
auf der Mastereinheit 20 angeordnet ist). D.h. die ausfahrbahren
vorstehenden Teile 24 sind zur ausgefahrenen Position federbelastet
oder sonst vorgespannt, wie in den beiden 1 und 2 wiedergegeben.
Die vorstehenden Teile 24 nehmen die rückgezogene Position nur während der
Bestätigung
eines Entarretiersignals am Entkopplungseingang 23 des
Kopplers 22 an. Das Entarretiersignal kann z.B. durch den
Kontroller 21 erzeugt werden (als "UL" bezeichnet).
Ein solcher Koppler 22 kann beispielsweise mit der Verwendung
von elektrischen Solenoiden für
rückziehbare
vorstehende Teile 24 ausgeführt werden, wie im Stand der
Technik wohlbekannt ist. Die Solenoide 24 werden bei Aufbringung
von elektrischer Energie in den Koppler 22 zurückgezogen,
d.h. für
die Dauer der Bestätigung des
Entarretiersignals. Wenn Energie entfernt ist, d.h., wenn das Entarretiersignal
nicht bestätigt
wird, erstrecken sich die Solenoide 24 zu ihren vorstehenden
Positionen, wie in den 1 und 2 wiedergegeben.
In anderen Ausführungen
kann der Koppler 22 ein separates Arretiersignal vom Kontroller 21 erfordern,
um den Koppler 22 in die gekoppelte Position zu betätigen. Tatsächlich kann
eine breite Mannigfaltigkeit von zusätzlichen Signalen in jeglicher
gegebenen Ausführung
eines Kopplers 22 ausgeführt werden; jedoch, wo ein
gewisses Signal oder eine Kombination von Signalen an den Koppler 22 angelegt
wird, um die Mastereinheit 20 von der Werkzeugeinheit 50 zu
entkoppeln, ist die Werkzeugsicherheitsverriegelung der vorliegenden
Erfindung anwendbar.
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Die
Mastereinheit 20 umfasst einen Kontroller 21 in
drahtgebundener oder drahtloser Kommunikation mit einem Robotersteuersystem
(nicht dargestellt). In einer beispielhaften Ausführungsform
umfasst der Kontroller 21 einen DeviceNet-Kontroller. In anderen
Ausführungsformen
kann der Kontroller 21 eine unterschiedliche Standard-Busschnittstelle,
einen Mikroprozessor und zugehörige
Schaltungen, eine kundenspezifische integrierte Schaltung, wie z.B.
einen ASIC oder FPGA oder dergleichen, umfassen. Um die Mastereinheit 20 von
der Werkzeugeinheit 50 zu entkoppeln, erzeugt der Kontroller 21 ein Entarretierbefehlssignal
an seinem Entarretierausgang 26. Für eine Sicherheitsverriegelung
wird, statt dass der Entarretierbefehl direkt zum Entkopplungseingang 23 des
Kopplers 22 geroutet wird, der Entarretierausgang 26 über die
Master/Werkzeug-Schnittstelle und durch die Werkzeugeinheit 50 zu
einem Außenkontakt 60 geroutet.
Ein anderer Außenkontakt 62 auf
der Werkzeugeinheit 50 leitet das Rückkehrsignal durch die Werkzeugeinheit, über die
Master/Werkzeug-Schnittstelle weiter und routet es zum Entkopplungseingang 23 des
Kopplers 22. Die Außenkontakte 60 und 62 der
Werkzeugeinheit 50 können
in einem gemeinsamen Verbinder integriert sein, möglicherweise
zusammen mit zusätzlichen
Signalen, wie im Stand der Technik wohlbekannt ist.
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1 gibt
die Mastereinheit 20 und die Werkzeugeinheit 50 wieder,
die zusammengekoppelt sind, was das Werkzeug 14 mit dem
Roboterarm 12 verbindet. Um ein unbeabsichtigtes Entkop peln
der Mastereinheit 20 von der Werkzeugeinheit 50 zu
verhindern (wobei möglicherweise
veranlasst wird, dass der Roboterarm 12 das Werkzeug 14 fallenlässt), ist ein
Verriegelungsschalter 70 auf dem Werkzeug 14 montiert,
und seine Schaltkontakte sind mit einer Schaltung in der Werkzeugeinheit 50 verbunden,
die die Außenkontakte 60 und 62 umfasst.
Diese Schaltung stellt eine Verbindung mit dem Entarretierausgang 26 des
Kontrollers 21 und dem Entkopplungseingang 23 des
Kopplers 22 auf der Mastereinheit 20 her, wenn
die Mastereinheit 20 und die Werkzeugeinheit 50 zusammengekoppelt
sind. Der Verriegelungsschalter 70 umfasst normalerweise
offene elektrische Kontakte 72 und einen Tauchkern 74,
der zur ausgefahren Position vorgespannt ist. Wie in 1 wiedergegeben,
kann während
eines normalen Betriebs des Roboters das Werkzeug 14 nicht
unbeabsichtigt vom Roboterarm 12 entkoppelt werden. Selbst
in dem Fall, dass ein Softwarefehler, Kommunikationsfehler, eine
irrtümliche
manuelle Eingabe oder dergleichen veranlasst, dass der Kontroller 21 irrtümlicheweise
einen Entarretierbefehl 26 ausgibt, breitet sich das entsprechende
elektrische Signale über
die Master/Werkzeug-Schnittstelle zum Außenkontakt 60 und
zum Verriegelungsschalter 70 aus. Wenn die Verriegelungsschaltkontakte 72 in
einem Leerlaufschaltungszustand gehalten werden, ist das Entarretiersignal 26 nicht
imstande, um den Rückkehrpfad (d.h.
zum Außenkontakt 62, über die
Master/Werkzeug-Schnittstelle und zum Koppler-Entarretiereingang 23)
zu durchqueren.
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Auch
in 1 wiedergegeben ist ein Werkzeuggestell 80,
das so geformt und konfiguriert ist, dass das Werkzeug 14 aufgenommen
und sicher gehalten wird, wenn das Werkzeug 14 vom Roboterarm 12 durch
den Werkzeugwechsler 10 entkoppelt ist. Wie hierin verwendet,
bezeichnet der Term "Werkzeuggestell" eine breite Menge
von Werkzeugaufbewahrungsstellen. In der Praxis kann das Werkzeuggestell 80 jeglichen
geeigneten Aufnahme- oder Haltemechanismus für das Werkzeug 14 umfassen,
wie z.B. ein Gestell, einen Ständer,
Haken oder andere Aufhängegerät oder dergleichen.
In dem funktionellen Diagramm, das in 1 wiedergegeben
ist, umfasst das Werkzeuggestell 80 eine Betätigungsoberfläche 82,
die so positioniert ist, dass sie den Verriegelungsschalter 70 in
Eingriff nimmt und betätigt, wenn
das Werkzeug 14 in das Werkzeuggestell 80 platziert
wird. Wie in 2 wiedergegeben, drückt die
Betätigungsoberfläche 82 den
Tauchkern 74 nieder, wobei die elektrischen Kontakte 72 geschlossen werden.
Dies schließt
die elektrische Schaltung zwischen dem Entarretiersignal 26 am
Kontroller 21 und dem Entarretiersignal 23 am
Koppler 22. Wenn der Sicherheitsverriegelungsschalter 70 geschlossen
ist, erreicht ein durch den Kontroller 21 erzeugter Entarretierbefehl
den Koppler 22, wobei die Tauchkerne 24 zurückgezogen
werden und ermöglicht
wird, dass die Mastereinheit 20 von der Werkzeugeinheit 50 entkoppelt
wird.
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Man
beachte, dass der Verriegelungsschalter 70 nur ein funktionelles
Blockdiagramm darstellt. In der Praxis kann der Verriegelungsschalter 70 einen
elektromechanischen Schalter umfassen, wie dargestellt ist, oder
alternativ kann er ein bei Annäherung
arbeitendes Relais umfassen oder irgendeinen aus einer breiten Menge
von Sensoren und Schaltern, wie im Stand der Technik bekannt, wie
z.B. Ultraschall-, magnetische, optische, Radiofrequenz-, kapazitive
oder andere Näherungssensoren.
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Ein
Anordnen der Außenkontakte 60, 62 auf der
Werkzeugeinheit ermöglicht,
dass ein Verriegelungsschalter 70 zur Geometrie eines speziellen Werkzeugs 14 konstruiert
wird. Der Verriegelungsschalter 70 kann auf dem Werkzeug 14 angeordnet sein,
wie dargestellt, oder kann alternativ auf der Werkzeugeinheit 50 angeordnet
sein, wie z.B. direkt mit den Außenkontakten 60, 62 verbunden,
mit einem geeigneten Fortsatz, der den Tauchkern 74 oder ein
anderes Betätigungselement
in eine Position platziert, um durch die Oberfläche 82 des Werkzeuggestells 80 in
Eingriff genommen zu werden, wenn das Werkzeug 14 im Werkzeuggestell 80 sicher
beherbergt ist.
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Ein
Anordnen der Verbinder 60, 62 auf der Werkzeugeinheit 50 führt ein
Problem ein. Mit Bezug auf 2 wird,
wenn das Werkzeug 14 im Werkzeuggestell 80 gesichert
ist und die Mastereinheit 20 von der Werkzeugeinheit 50 entkoppelt
worden ist, die elektrische Verbindbarkeit zwischen dem Entarretiersignal 26 am
Kontroller 21 und dem Entarretiersignal 23 am
Koppler 22 (erstellt durch den Verriegelungsschalter 70)
unterbrochen. Da der Koppler 22 von einer betriebssicheren
Konstruktion ist, dessen Standardeinstellungsposition die gekoppelte
Position ist, bewirkt dies, dass sich die rückziehbaren Tauchkerne 24 zu
der gekoppelten Position erstrecken. Wenn der Roboterarm 12 manövriert,
um sich an ein anderes Werkzeug 14 anbringen zu lassen,
kann der Koppler 22 nicht mit der Aussparung 52 der
gewünschten Werkzeugeinheit 50 kuppeln,
ohne dass das Entarretiersignal 23 mit Energie beaufschlagt
wird, um den Koppler 22 zu betätigen, um die Tauchkerne 24 zurückzuziehen,
wobei die entkoppelte Position eingenommen wird. Um einen alternativen
Pfad für
das Entarretiersignal 26 bereitzustellen, umfasst die Mastereinheit 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Schalter 30, der in den 1 und 2 als
ein Relais wiedergegeben ist. In der normalerweise geschlossenen
Position, die der Schalter 30 einnimmt, wenn die Mastereinheit 20 und
die Werkzeugeinheit 50 entkoppelt sind, wie in 2 wiedergegeben,
verbindet das Relais 30 das Entarretiersignal 26 vom Kontroller 21 mit
dem Entarretiereingang 23 des Kopplers 22. Dies
ermöglicht,
dass der Koppler 22 die entkoppelte Position einnimmt,
immer wenn ein Entarretierbefehl durch den Kontroller 21 erzeugt wird,
solange die Mastereinheit 20 und die Werkzeugeinheit 50 entkoppelt
sind.
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1 gibt
das Relais 30 wieder, wenn die Mastereinheit 20 mit
der Werkzeugeinheit 50 gekoppelt ist. Das Relais 30 wird
durch ein "Werkzeug
anwesend"-Signal
vom Detektor 28 mit Energie beaufschlagt. Der Detektor 28 ist
ein Näherungs detektor, der
z.B. auf einen Näherungsanzeiger 58 ansprechen
kann, der auf der Werkzeugeinheit 50 angeordnet ist. Der
Näherungsdetektor 28 (und
fakultativ der Näherungsanzeiger 58)
können
jegliches Näherungssensorsystem
umfassen, wie im Stand der Technik wohlbekannt, z.B. einen Magneten 58 und
einen Zungenschalter oder einen Hall-Effekt-Sensor 28;
einen optischen Sender 58 und Empfänger 28; ein Element
hoher Dichte 58 und einen Ultraschallgebietsucher 28;
oder dergleichen. Bei Detektieren der Anwesenheit der Werkzeugeinheit 50 (wobei
angezeigt wird, dass die Mastereinheit 20 und die Werkzeugeinheit 50 zusammengekoppelt
sind) beaufschlagt der Näherungsdetektor 28 das
Relais 30 mit Energie. Dies bewirkt, dass das Relais 30 zu
seiner normalerweise offenen Position schaltet, wobei die Schaltung
zwischen dem Entarretierausgang 26 des Kontrollers 21 und
dem Entkopplungseingang 23 des Kopplers 22 geöffnet wird.
In diesem Zustand kann kein durch den Kontroller 21 erzeugtes
Entarretiersignal den Koppler 22 betätigen, ohne durch den Verriegelungsschalter 70 hindurchzutreten,
der nur geschlossen ist, wenn das Werkzeug 14 sicher im Werkzeuggestell 80 positioniert
ist.
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Wenn
die Mastereinheit 20 und die Werkzeugeinheit 50 zusammengekoppelt
sind, und das Relais 30 durch den Näherungsdetektor 28 mit
Energie beaufschlagt ist, ist nicht nur der elektrische Pfad vom
Kontroller 21 zum Koppler 22 in Leerlauf geschaltet,
sondern der Koppler-Entkopplungseingang 23 wird zusätzlich zurück zum Kontroller 21 über den normalerweise
offenen Kontakt des Relais 30 rückgeroutet. Dies liefert ein
Rückkopplungssignal
zum Kontroller 21, um den Betrieb von sowohl dem Relais 30 als
auch dem Koppler 22 zu verifizieren. Ähnlich und mit Bezug auf 2,
wenn die Mastereinheit 20 und die Werkzeugeinheit 50 entkoppelt
sind, erfasst der Kontroller 21 nicht den Zustand des Entkopplungseingangs 23.
Auf diese Weise kann der Kontroller 21 den Zustand des
Relais 30 überwachen
und kann durch Vergleich mit anderen Sensoren seinen richtigen Betrieb
verifizieren (z.B. kann der Näherungssensor 28 zusätzlich das "Werkzeug verbunden"-Signal zum Kontroller 21 senden;
der Koppler 22 kann Status-Signale zum Kontroller 21 senden und
dergleichen, wovon keine in den 1 oder 2 wiedergegeben
sind).
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Der
Verriegelungsschalter 70 kann in einer beispielhaften Ausführungsform
als ein doppelpoliger Schalter, Relais, pneumatisches Ventil oder
andere Schaltung ausgeführt
sein, die ein oder mehrere zusätzliche
Rückkopplungssignale
bereitstellt. Dies ist in 3 wiedergegeben,
wobei die Verriegelungsschaltungen als elektrische Signale dargestellt
sind. 3 gibt außerdem
den Verriegelungsschalter 70 wieder, der an der Werkzeugeinheit 50 montiert
ist, statt dem Werkzeug 14. In dem doppelpoligen Schalter 70 wird
der Tauchkern 74 oder ein anderer Aktuator durch die Oberfläche 82 des
Werkzeuggestells 80 aktiviert, wenn das Werkzeug 14 sicher
im Werkzeuggestell 80 verstaut ist. Der Tauchkern 74 schließt gleichzeitig
die Schaltkontakte 71 und 72. Die Schaltkontakte 72 routen
den Kontroller 21-Entarretierausgang 26 zum Koppler 22-Entkopplungseingang 23, wie
oben und mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben.
Die Schaltkontakte 71 werden durch Außenkontakte 64, 66 (die
z.B. mit den Kontakten 60, 62 örtlich gleich angeordnet sind),
durch die Master/Werkzeug-Grenzfläche und
zu zusätzlichen Rückkopplungseingängen des
Kontrollers 21 geroutet. Auf diese Weise kann der Kontroller 21 den
Status des Verriegelungsschalters 70 unabhängig von seiner
Wirkung beim Freigeben des Kopplers 22 überwachen. Ein Überwachen
des Status von sowohl dem Relais 30 als auch dem Sicherheitsverriegelungsschalter 70 ist
aufgrund der kritischen Sicherheitsfunktion wünschenswert, die durch die
Verriegelungsschaltungen ausgeführt
wird. Wenn der Schalter 30 oder 70 in der Kurzschlussposition
versagen würde,
würde die
wesentliche Funktion der Verriegelungsschaltung zunichte gemacht.
In dieser Situation sollte der Kontroller 21 oder ein Systemroboterkontroller
oder Masterprogramm in Verbindung mit dem Kontroller 21 den
Zustand detektieren und ein Abschalten, ein Triggern einer sicherheitskritischen
Gerätefehleranzeige
initiieren oder eine andere Maßnahme
ergreifen, wenn zweckdienlich.
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Die
vorliegende Erfindung ist oben durch Bezug auf verschiedene Ausführungsformen
beschrieben worden, die die Verriegelungsfunktion über elektrische
Schaltungen ausführen.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine elektrische
Schaltungsausführung
beschränkt.
Die Verriegelungsschaltungen könnten
pneumatisch, über
mechanische Verbindungen oder auf die verschiedensten anderen Weisen
sein, die sämtlich
in den Bereich der vorliegenden Erfindung, wie hierin beansprucht,
fallen. Z.B. gibt 4 eine Ausführungsform wieder, bei der
die Verriegelungsschaltungen der vorliegenden Erfindung als Luftdruckleitungen
ausgeführt
sind. Im Allgemeinen, wie hierin verwendet, ist eine "Schaltung" breit als eine Zweckdienlichkeit
oder ein Aggregat von Zweckdienlichkeiten definiert, die eine Übertragung
einer Betriebssteuerung eines Entkopplungsbefehls von einem Kontroller 21 zu
einem Koppler 22 bewerkstelligen. Gemäß der vorliegenden Erfindung
liefert eine Schaltung, die der Werkzeugeinheit 50 zugeordnet
ist, eine Werkzeugverriegelungsfunktionalität, so dass jeglicher durch
den Kontroller 21 erzeugte Entarretierbefehl wirkungsvoll
zum Koppler 22 befördert
wird, wenn die Mastereinheit 20 und die Werkzeugeinheit 50 entkoppelt
sind, und nur, falls das Werkzeug 14 in einem Werkzeuggestell 80 aufbewahrt
wird, wenn die Mastereinheit 20 und die Werkzeugeinheit 50 zusammengekoppelt
sind.
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Mit
Bezug auf 4 umfasst die Mastereinheit 20 einen
Lufteinlass 90, der mit einer Quelle von Luftdruck verbunden
ist (nicht dargestellt). Der Luftdruck bei dem Druckluftkreis 93 betätigt einen
Nocken 94, der wiederum bewirkt, dass der Koppler 22 eine
entkoppelte Position einnimmt. Der Koppler 22 ist zu einer
gekoppelten Position vorgespannt, die er in der Abwesenheit von
Druckluft am Nocken 94 einnimmt. Die Aufbringung von Luftdruck
auf den Nocken 94 wird durch ein Ventil 92, das
mit dem Lufteingang 90 verbunden ist, gesteuert. Das Ventil 92 arbeitet
unter der Steuerung des Kontrollers 22 (was über ein
elektrisches Signal oder andere Mittel, wenn zweckdienlich, erfolgen
kann). Der Druckluftkreis 93 verlässt die Mastereinheit 20 bei
einem normalerweise geschlossenen Ventilschalter 96. Der
Ventilschalter 96 ist auf eine geschlossene Position vorgespannt,
in der Luftdruck nicht über
ihn befördert
wird. Der Ventilschalter 96 wird durch einen Aktuator 97 betrieben,
der zu einer ausgefahrenen Position vorgespannt ist. Wenn der Aktuator 97 zu
einer rückgezogenen
Position bewegt wird, wie z.B. durch Kontakt mit der Werkzeugeinheit 50, öffnet sich
der Ventilschalter 96, wobei ermöglicht wird, dass Luftdruck über den
Schalter 96 und in den Druckluftkreis 68 der Werkzeugeinheit 50 strömt. Luftdruck
wird durch den Kreis 68, der der Werkzeugeinheit 50 zugeordnet
ist, und durch eine Sicherheitsverriegelung 70 gefördert. Auf
einer Gegenoberfläche 82 des
Werkzeuggestells 80 ist ein Verschlussteil 83 angeordnet,
der positioniert ist, um mit dem Druckluftkreis im Verriegelungsschalter 70 zu
kuppeln.
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Im
Betrieb, wenn die Mastereinheit 20 und die Werkzeugeinheit 50 entkoppelt
werden, kann der Koppler 22 die entkoppelte Position bei
Befehl durch den Kontroller 21 einnehmen. Luftdruck, der
durch den Lufteingang 90 zugeführt wird, und durch ein Ventil 92 hindurchtritt,
wird am geschlossenen Ventilschalter 96 aufgehalten, wobei
Druck bereitgestellt wird, um den Nocken 94 zu betätigen und
den Koppler 22 in Vorbereitung zum Kuppeln mit einer Werkzeugeinheit 50 zu
entkoppeln.
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Sobald
die Mastereinheit 20 und die Werkzeugeinheit 50 zusammengekoppelt
sind, wird jedoch der Ventilschalter 96 durch den Aktuator 97 zwangsgeöffnet, der
sich aufgrund von Kontakt mit der Werkzeugeinheit 50 zur
rückgezogenen
Position bewegt. Dies entlüftet
sämtlichen
Luftdruck im Druckluftkreis 93 und verhindert eine Betätigung des
Nockens 94, wobei folglich verhindert wird, dass der Koppler 22 die
entkoppelte Position einnimmt (selbst, wenn der Kontroller 21 das
Ventil 92 öffnet,
um den Koppler 22 zu entkoppeln). Nur, wenn das Werkzeug 14 im
Werkzeuggestell 80 sicher gekuppelt ist und der Verschlussteil 83 mit
dem Verriegelungsschalter 70 gekuppelt ist, ist der Druckluftkreis 68 der
Werkzeugeinheit 50 geschlossen, wobei ermöglicht wird, dass
sich Druck im Druckluftkreis 93 der Mastereinheit 20 aufbaut
und den Nocken 94 betätigt,
um den Koppler 22 zu entkoppeln. Die verschiedenen Elemente
der pneumatischen Verriegelungsschaltungen der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 4 wiedergegeben
ist, können
in der Praxis verschiedene Sensoren und Überwachungseinrichtungen umfassen,
wie notwendig oder gewünscht,
um eine geeignete Rückkopplung
zum Kontroller 21 oder externen Kontroller oder Masterprogramm
bereitzustellen, wie vorsichtige Sicherheitserwägungen vorschreiben können. Man
beachte, dass die Elemente, die in 4 wiedergegeben
und hierin beschrieben sind, idealisierte schematische/funktionelle
Blöcke sind,
und eine tatsächliche
Ausführung
nicht darstellen sollen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung hierin mit Bezug auf spezielle Merkmale,
Aspekte und Ausführungsformen
derselben beschrieben worden ist, ist es ersichtlich, dass zahlreiche
Variationen, Modifikationen und andere Ausführungsformen im breiten Bereich
der vorliegenden Erfindung möglich
sind und demgemäß alle Variationen,
Modifikationen und Ausführungsformen
so betrachtet werden sollen, dass sie in den Bereich der vorliegenden
Erfindung fallen. Die vorliegenden Ausführungsformen sollen deshalb in
allen Aspekten als veranschaulichend und nicht als beschränkend aufgefasst
werden, und alle Änderungen,
die in den Bedeutungs- und Äquivalenzbereich der
angefügten
Ansprüche
fallen, sollen hierin eingeschlossen sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Roboterwerkzeugwechsler mit einer verbesserten Sicherheitsverriegelung
umfasst eine Mastereinheit, eine Werkzeugeinheit und einen Koppler,
der zwischen einer gekoppelten und entkoppelten Position bewegbar
ist und betreibbar ist, um die Master- und Werkzeugeinheit zu koppeln.
Eine Schaltung zur Betätigung
des Kopplers ist der Werkzeugeinheit zur Verbindung mit einer Verriegelung zugeordnet,
die schließt,
wenn das Werkzeug sicher in einem Werkzeuggestell geparkt ist. Die
Schaltung ermöglicht,
dass der Koppler die entkoppelte Position einnimmt, wenn die Master-
und Werkzeugeinheit gekoppelt sind und die Schaltung geschlossen
ist. Der Roboterwerkzeugwechsler umfasst zusätzlich eine Schaltung, die
betreibbar ist, um zu ermöglichen, dass
der Koppler die entkoppelte Position einnimmt, wenn die Mastereinheit
von der Werkzeugeinheit entkoppelt ist.