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Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinrichtung für Roboter und Werkzeuge mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Derartige Kupplungseinrichtungen, die auch als Werkzeugwechsler für Roboter bezeichnet werden, sind aus der Praxis in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Sie haben ein hohes Gewicht und sind für programmierbare Industrieroboter mit positionsgesteuerten Achsen sowie mit hoher Tragkraft ausgelegt und ausgebildet. Die Kupplungseinrichtung weist eine steuerbare und mit einem eigenen internen Antrieb versehene Verriegelung für die Kupplungsteile und deren formschlüssig ineinander greifende Kupplungselemente auf. Die Medienkupplung beinhaltet eine große Zahl von elektrischen und/oder fluidischen Kupplungsmitteln für die Werkzeugversorgung. Die zugehörigen Leitungen werden außen am Roboterarm entlanggeführt und an die Kupplungseinrichtung angeschlossen.
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Die
DE 10 2007 030 035 A1 offenbart ein Greifwerkzeug mit einem Fingerwechselsystem ohne Medienkupplung. Die Greiferfinger werden durch einen Blähkörper im roboterseitigen und als Antriebseinrichtung bezeichneten Kupplungsteil betätigt.
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Die
DE 35 22 076 A1 befasst sich mit einer Vorrichtung zum Auswechseln der Greiferbacken an Manipulatoren, wobei ebenfalls keine Medienkupplung vorhanden ist. Die Wechselvorrichtung weist ein T-Stück am Werkzeug und eine klauenförmige Aufnahme am Roboter auf, wobei eine federbelastete Manschette über die Klaue und das dort eingeführte T-Stück geschoben werden kann und deren Verbund und Lage sichert.
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Die
DE 33 40 912 A1 lehrt einen Flansch zum automatisierten Wechsel der Greifer von Industrierobotern mit einer elektromagnetischen Kupplung und einer Pneumatikkupplung. Als Notfallsicherung gegen Stromausfall sind randseitige Federklinken vorhanden.
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Die
DE 92 03 374 U1 offenbart einen Manipulator mit einer mechanischen Kupplung und einer Verriegelungsvorrichtung mit Umlenkhebeln. Eine Medienkupplung ist nicht vorhanden.
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In der
DE 10 2010 010 718 A1 ist ein Roboter mit nachgiebigen Achsen und einem Greifwerkzeug am Handflansch gezeigt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kupplungstechnik aufzuzeigen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
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Die beanspruchte Kupplungstechnik erlaubt dem Roboter ein schnelles, sicheres und automatisches Wechseln von Werkzeugen. Die Kupplungseinrichtung hat den Vorteil, dass sie ein niedriges Gewicht hat, klein baut, eine geringe Störkontur besitzt und wenig Bauaufwand erfordert. Sie ist dadurch für Leichtbauroboter besonders geeignet. Außerdem kann die Peripherie, z. B. ein Werkzeugmagazin entsprechend einfach, platzsparend und kostengünstig ausgebildet sein.
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Die Kupplungstechnik eignet sich insbesondere für programmierbare mehrachsige Roboter mit mindestens einer kraftgesteuerten oder kraftgeregelten Roboterachse und einer zugehörigen Sensorik zur Erfassung der einwirkenden Belastungen. Ein solcher Roboter kann vorteilhafterweise auch eine Nachgiebigkeitsregelung aufweisen. Dies ist günstig für den automatischen Werkzeugwechsel und für das vom Roboter ausgelöste und durch Eigenbewegung ausgeführte Betätigen der Verriegelung. Diese Robotergestaltung gestattet auch ein beschädigungsfreies Suchen und Tasten, was Vorteile bei Einsatz und Funktion des Werkzeugs und beim Werkzeugwechsel bringt.
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Der Roboter kann außerdem eine interne Leitungsführung durch die Roboterglieder haben, die am Abtriebselement endet und dort mit einer Medienkupplung verbunden sein kann. Die beanspruchte Kupplungseinrichtung kann hierfür eine besonders günstige und vorteilhafte Ausbildung haben. Im Zusammenwirken mit kraftgesteuerten oder kraftgeregelten Roboterachsen ergeben sich dabei besondere Vorteile. Insbesondere können äußere Einflüsse und Störungen durch externe Leitungsführungen, mitbewegte und unkontrolliert schwingende externe Leitungsmassen und dgl. vermieden werden.
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Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung eines Roboter-Abtriebselements als Kupplungsteil. Dies hat eigenständige erfinderische Bedeutung und spart zusätzlich Gewicht sowie Bau- und Montageaufwand. Ein Roboter, insbesondere ein Roboter der vorbeschriebenen Art, kann dadurch standardisiert werden.
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Die beanspruchte Kupplungseinrichtung baut besonders leicht und hat einen geringen Bau- und Kostenaufwand. Sie ist dadurch besonders wirtschaftlich. Für die Betätigung einer Verriegelung für die mechanische Kupplung kann auf einen kupplungseigenen Antrieb und die Zuführung von Fremdenergie verzichtet werden. Dies spart Gewicht und Bauraum. Die Betätigung der Verriegelungsbewegung kann über eine Verlagerungsbewegung des Roboters, insbesondere seines letzten Gliedes, erfolgen, wobei z. B. die Kupplungseinrichtung im Raum linear bewegt oder geschwenkt wird. Hierbei kann die Kupplungseinrichtung insbesondere eine Relativbewegung gegenüber einem Anschlag oder einem externen Betätiger ausführen, wobei hierdurch die Verriegelung betätigt bzw. ausgelöst wird. Vorteilhafterweise kann dies an einem Werkzeughalter geschehen, wobei das werkzeugseitige Kupplungsteil formschlüssig aufgenommen und gehalten wird, wobei im gleichen Zug die Verriegelung betätigt, insbesondere gelöst wird und der Roboter abkuppeln kann.
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Ferner ist es günstig, die Medienkupplung an den formschlüssig ineinander greifenden Kupplungselementen, insbesondere an einem Kupplungszapfen und an einer Aufnahmeöffnung, anzuordnen. Dies spart Gewicht und Bauraum und schützt die beim Zusammenfahren der Kupplungsteile automatisch miteinander in Verbindung tretenden Kupplungsmittel. Die Kupplungsmittel und die Medienkupplung können auf eine interne Leitungsführung des Roboters adaptiert sein, was ebenfalls für Bauraum und Gewicht günstig ist.
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Für die konstruktive Ausbildung der Kupplungsteile, der formschlüssig ineinander greifenden Kupplungselemente und der Kupplungsmittel der Medienkupplung gibt es verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten, die in den Unteransprüchen angegeben sind.
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Die beschriebenen Ausführungsformen der Verriegelung mit dem Riegelelementen und den Varianten eines internen und/oder externen Betätigers sind besonders einfach, leichtgewichtig und betriebssicher. Sie eignen sich besonders für die bevorzugte Verriegelungsbetätigung durch eine Roboterbewegung und den Einsatz des Roboters als Aktor.
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Die Medienkupplung ist besonders betriebssicher und erlaubt die Unterbringung einer großen Zahl von elektrischen und/oder fluidischen oder sonstigen Kupplungsmitteln auf engstem Raum, wobei auch eine räumliche und funktionale Trennung erreichbar ist. Hierbei sind besonders günstige Kupplungs-Kinematiken möglich. Für Fluide ergibt sich ein axialer Steckkontakt und für elektrische Ströme ein in Axial- und Kupplungsrichtung schleifender Kontakt mit federnder Anpressung in Querrichtung.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigen:
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1: einen mehrachsigen programmierbaren Roboter mit einer Kupplungseinrichtung und einem Werkzeug,
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2: eine Bereitstellung mit Werkzeughaltern und mehreren Werkzeugen in Stirnansicht,
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3 und 4: eine Draufsicht und eine geklappte Seitenansicht zu 2,
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5: einen vergrößerten Querschnitt durch eine Kupplungseinrichtung gemäß Schnittlinie V-V von 3,
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6: eine Variante der geschlossenen Kupplungseinrichtung in perspektivischer Ansicht,
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7: eine Explosionsdarstellung einer geöffneten Kupplungseinrichtung und ihrer Teile gemäß 6,
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8 und 9: eine weitere Variante einer teilweise geöffneten Kupplungseinrichtung,
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10 und 11: durchsichtige Drahtmodelle einer weiteren Variante einer Kupplungseinrichtung in verschiedenen perspektivischen Ansichten und
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12: eine weitere perspektivische Ansicht einer geöffneten Variante einer Kupplungseinrichtung.
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Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinrichtung (1) für einen Roboter (3) und ein Werkzeug (2). Die Erfindung betrifft ferner ein Kupplungsverfahren sowie eine Arbeitsvorrichtung (52) sowie einen Roboter (3) mit einer Kupplungseinrichtung (1) und ein Werkzeugwechselsystem (53).
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen mehrachsigen und mehrgliedrigen Roboter (3), der an seinem Endglied (5) eine Kupplungseinrichtung (1) mit einem Werkzeug (2) trägt. Die Kupplungseinrichtung (1) wird auch als Wechselkupplung bezeichnet und dient dazu, ein Werkzeug (2) automatisch an- und abkuppeln sowie wechseln zu können. Ein Roboter (3) mit einem Werkzeug (2) und einer Kupplungseinrichtung (1) bildet eine Arbeitsvorrichtung (52).
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Roboters (3) in Form eines Leichtbauroboters mit kraftgesteuerten oder kraftgeregelten Roboterachsen (I–VII), die nachfolgend näher erläutert wird.
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Das Werkzeug (2) kann in beliebiger Weise ausgebildet und in beliebiger Zahl vorhanden sein. In 1 und 5 ist das Werkzeug (2) z. B. als Greifer mit zwei relativ zueinander beweglichen und gesteuert angetriebenen parallelen Greiffingern ausgebildet. 2 und 3 zeigen andere Ausführungen von Werkzeugen (2). Ein Werkzeug kann auch beliebige Funktionen haben. Die Arbeitsvorrichtung (52) kann entsprechend unterschiedliche Prozesse durchführen, z. B. Handhaben, Bearbeiten oder Fügen von Werkstücken (nicht dargestellt).
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Ein Werkzeug (2) kann starr oder beweglich ausgebildet sein, wobei letzteres ein oder mehrere bewegliche Teile und einen oder mehrere Antriebe oder Aktoren für deren Bewegung aufweisen kann. Das Werkzeug (2) kann vom Roboter (3) über die Kupplungseinrichtung (1) bewegt, mit Betriebsmitteln versorgt und ggf. gesteuert werden, insbesondere mittels einer Robotersteuerung (nicht dargestellt). Von der Kupplungseinrichtung (1) können dabei mittels einer Medienkupplung (16) Signal- und Steuerspannungen, elektrische Leistungsströme, fluidische Betriebsmittel, wie Druckluft, Kühlmittel oder dgl. übertragen werden. Hierfür kann der Roboter (3) die in 1 gezeigte interne Leitungsführung (55) durch seine Glieder (5, 6, 7, 8) aufweisen.
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Für die ein oder mehreren Werkzeuge (2) kann jeweils ein Werkzeughalter (48) vorgesehen sein. Dieser kann an einer Bereitstellung (54), z. B. Gestell oder dgl. eines mehrständigen Werkzeugmagazins, angeordnet sein. Die Arbeitsvorrichtung (52) kann ein Werkzeugwechselsystem (53) aufweisen, mit dem verschiedene Werkzeuge (2) bereitgehalten werden und sich in einer kupplungsgünstigen und definierten Position befinden.
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Die Kupplungseinrichtung (1) weist mehrere, z. B. zwei miteinander verbindbare Kupplungsteile (13, 14) mit einer mechanischen Kupplung (15) und einer Medienkupplung (16) auf. Die mechanische Kupplung (15) verbindet formschlüssig die Kupplungsteile (13, 14). Die mechanische Kupplung (15) und die Medienkupplung (16) werden mit der Verriegelung (20) in Schließstellung gehalten.
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Die Verriegelung (20) kann durch eine Eigenbewegung und eine Verlagerungsbewegung des Roboters (3) und der Kupplungseinrichtung (1) betätigt werden. Sie kann hierbei insbesondere geöffnet oder gelöst werden. Durch die Verlagerungsbewegung, z. B. eine Linear- oder Schwenkbewegung des Endglieds (5), wird die Kupplungseinrichtung (1) mitgenommen und bewegt, wobei durch diese vom Roboter (3) ausgelöste Bewegung die zum Betätigen der Verriegelung (20) erforderliche Energie aufgebracht wird.
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5 bis 12 zeigen verschiedene konstruktive Ausgestaltungen der Kupplungseinrichtung (1) und ihrer Kupplungsteile (13, 14). In allen Ausführungsbeispielen weisen die Kupplungsteile (13, 14) Kupplungselemente (17, 18) auf, die beim Ankuppeln formschlüssig ineinander greifen. Ein vorstehendes Kupplungselement (17) ist z. B. als Zapfen ausgebildet und befindet sich an dem roboterseitigen Kupplungsteil (13). Der Zapfen kann eine angeschrägte oder konische Spitze aufweisen. Ein aufnehmendes Kupplungsteil (18) ist z. B. als passende, insbesondere komplementäre Aufnahmeöffnung für den Zapfen (17) ausgebildet und befindet sich am werkzeugseitigen Kupplungsteil (14). Varianten dieser beispielhaften Ausgestaltung sind in verschiedener Weise möglich. Die Zuordnung der Kupplungselemente (17, 18) zu den Kupplungsteilen (13, 14) kann vertauscht sein. Die Zahl der Kupplungselemente (17, 18) kann größer sein. Auch ihre Formgebung kann variieren.
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Die Kupplungsteile (13, 14) weisen ferner einen Kupplungsflansch oder eine Kupplungsplatte (30, 31) auf, die jeweils zur Verbindung mit dem Roboter (3) oder mit dem Werkzeug (2) dient. Ein Kupplungsflansch (31), z. B. an dem werkzeugseitigen Kupplungsteil (14), kann mehrteilig ausgebildet sein. 7 zeigt dies beispielhaft in einer Explosionsdarstellung von zwei Flanschteilen (32, 33).
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Die Verriegelung (20) weist formschlüssig ineinander greifende und relativ zueinander bewegliche Riegelelemente (34, 35) auf, die an den Kupplungsteilen (13, 14) angeordnet sind. In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind unterschiedliche Varianten der Riegelemente (34, 35) angegeben.
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Die Verriegelung (20) kann ferner einen Betätiger (46, 47) aufweisen, der zum Öffnen und/oder Schließen der Verriegelung (20) dienen kann. Der Betätiger (46, 47) kann unterschiedlich ausgebildet und angeordnet sein.
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Ein interner Betätiger (46) kann in oder an einem Kupplungsteil (13, 14) angeordnet sein. Die Verriegelung (20) kann alternativ oder zusätzlich einen externen Betätiger (47) aufweisen, der z. B. an einem Werkzeughalter (48) angeordnet ist. Die Verriegelung (20) bzw. der Betätiger (46, 47) kann in der vorerwähnten Weise durch eine Relativbewegung der Kupplungseinrichtung (1) gegenüber einem Werkzeughalter (48) aktiviert werden.
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Der Werkzeughalter (48) weist eine seitlich offene und z. B. schlitzartige Aufnahmeöffnung (49) zum Einführen und formschlüssigen Aufnehmen des einen werkzeugseitigen Kupplungsteils (14) und des daran angeordneten Werkzeugs (2) auf. Am geschlossenen Ende der Aufnahmeöffnung (49) oder an anderer geeigneter Stelle kann ein Anschlag (50) für den internen Betätiger (46) vorhanden sein. An einem Werkzeughalter (48) kann im Bereich der Aufnahmeöffnung (49) alternativ oder zusätzlich ein Magnethalter (51) mit einem externen Betätiger (47) angeordnet sein, der z. B. als Magnet ausgebildet ist. Dies kann ein Permanentmagnet oder ein schalt- oder steuerbarer Elektromagnet sein.
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Die vorerwähnte Medienkupplung (16) ist bevorzugt an den formschlüssig ineinander greifenden Kupplungselementen (17, 18) angeordnet und wird bei deren Zusammenfahren automatisch geschlossen sowie beim Auseinanderfahren geöffnet. Die Medienkupplung (16) weist elektrische und/oder fluidische Kupplungsmittel (21, 22) auf, die bevorzugt an den formschlüssig ineinander greifenden Kupplungselementen (17, 18) angeordnet und entlang von deren Längsachse oder Kupplungsachse (57) ausgerichtet sind. An den Kupplungsteilen (13, 14) sind ferner externe roboter- und werkzeugseitige Leitungsanschlüsse (25, 26, 27) und interne Leitungsdurchführungen (28, 29) zu den Kupplungsmitteln (21, 22) angeordnet.
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3 und 5 zeigen in Draufsicht und teilweise geschnittener Seitenansicht eine erste Variante der Kupplungseinrichtung (1).
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Der roboterseitige, ggf. kombinierte elektrische und fluidische, insbesondere pneumatische Leitungsanschluss (25) ist zentral am Kupplungsteil (13) angeordnet. Hier sind z. B. eine oder mehrere elektrische Leitungen (10) und eine oder mehrere fluidische, insbesondere pneumatische Leitung (11) der internen Leitungsführung (55) angeschlossen. Vom Leitungsanschluss (25) gehen z. B. drei elektrische und zwei fluidische Leitungsdurchführungen (28) aus, die sich entlang der Zentralachse (57) der Kupplungseinrichtung (1) und des zapfenförmigen Kupplungselements (17) erstrecken.
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Ein elektrisches Kupplungsmittel (21) kann z. B. als Schleifkontakt ausgebildet sein und kann sich am Mantel der Kupplungselemente (17, 18) befinden. Der Schleifkontakt (21) ist längs der Kupplungsachse ausgerichtet und besteht aus elektrischen Kontaktstreifen am Mantel des Zapfens (17) und der Aufnahmeöffnung (18), die beim Ankuppeln in elektrisch leitenden Berührungskontakt gebracht werden. Ein Federelement (24) kann den stromleitenden Kontakt sichern. Der Schleifkontakt (21) kann mehrfach und mit umfangseitiger Verteilung an den Kupplungselementen (17, 18) vorhanden sein.
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Die mechanische Kupplung (15) kann eine Drehsicherung (19) gegen Verdrehen um die Kupplungsachse (57) aufweisen. Diese kann z. B. aus einer oder mehreren axialen Nuten (23) am vorstehenden Kupplungselement (17) und entsprechenden Vorsprüngen oder axialen Rippen am aufnehmenden Kupplungselement (18) bestehen, die beim Ankuppeln formschlüssig ineinander greifen. Die Nuten- und Rippenzuordnung kann auch vertauscht sein.
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Die Drehsicherung (19) kann ggf. mit dem Schleifkontakt (21) zusammenwirken. Ein am werkzeugseitigen Kupplungsteil (14) angeordneter Kontaktstreifen kann z. B. eine in 5 gezeigte vorgewölbte Formgebung mit Federeigenschaften haben und kann in Kupplungsstellung formschlüssig in die Nut (23) greifen. Dieser Kontaktstreifen kann an einer Rippe der Drehsicherung (19) angeordnet sein oder diese ersetzen. Er kann an einem am Nutengrund befindlichen Kontaktstreifen anliegen.
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Ein fluidisches Kupplungsmittel (22) kann z. B. als steckbare Rohrkupplung(en) ausgebildet sein und kann sich in den gezeigten Ausführungsbeispielen an der Stirnseite des Zapfens (17) sowie am Boden der sacklochartigen Aufnahmeöffnung (18) befinden. Die Stirnseite und der Boden können eben ausgebildet und quer zur Kupplungsachse (57) ausgerichtet sein. Die fluidische Leitungsdurchführung (28) ist im Inneren des Zapfens (17) angeordnet und axial ausgerichtet. Die Rohrkupplungen sind mit Dichtungen versehen und werden beim Ankuppeln automatisch zusammengesteckt. Die Rohrkupplungen können Verschlüsse (nicht dargestellt) aufweisen, die beim Ankuppeln automatisch geöffnet und beim Abkuppeln automatisch geschlossen werden.
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Im Ausführungsbeispiel von 2 bis 5 ist am werkzeugseitigen Kupplungsteil (14) und z. B. an dessen Kupplungsflansch (31), bevorzugt randseitig, ein elektrischer und/oder fluidischer Leitungsanschluss (26, 27) vorhanden. Mehrere Leitungsanschlüsse (26, 27) können funktional und örtlich getrennt ausgebildet und angeordnet sein. Sie sind über die werkzeugseitigen Leitungsdurchführungen (29) mit den besagten Kupplungsmitteln (21, 22) verbunden. An dem oder den Leitungsanschlüssen (26, 27) können weiterführende Leitungen zum Werkzeug (2) lösbar angeschlossen werden.
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Aus 5 ist außerdem ersichtlich, dass das werkzeugseitige Kupplungsteil (14) an geeigneter Stelle eine Nut oder dgl. für einen formschlüssigen Eingriff mit dem Werkzeughalter (48) aufweisen kann. Eine solche Nut ist z. B. an einem Außenmantel eines rohrförmigen und die Aufnahmeöffnung (18) umgebenden Ansatzes am Kupplungsflansch (31) angeordnet und korrespondiert mit der Aufnahmeöffnung (49) bzw. den Halterarmen. Das Werkzeug (2) und das werkzeugseitige Kupplungsteil (14) können hierüber hängend gehalten werden, wobei die Aufnahmeöffnung (18) nach oben offen ist und ein Einstecken des Zapfens (17) ermöglicht. In 2 und 3 sind ein angekuppelter Greifer (2) und zwei weitere abgekuppelte andere Werkzeuge (2) dargestellt.
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5 verdeutlicht außerdem eine Ausführungsform der Verriegelung (20) mit einem externen Betätiger (47). Das aufnehmende Riegelelement (34) bzw. die Riegelöffnung ist in diesem Ausführungsbeispiel als Querbohrung (37) im Zapfen (17) ausgebildet. Das bewegliche Riegelelement (35) ist hier als ebenfalls quer oder schräg zur Kupplungsachse (57) ausgerichteter Bolzen (45) ausgebildet und wird von einer endseitig aufsteckten Feder (43) in die Riegelstellung in Eingriff mit der Querbohrung (37) gedrückt. Der Bolzen (45) ist am werkzeugseitigen Kupplungsteil (14) geführt und gelagert. Die Führung (41) wird von einer quer oder schräg liegenden Bohrung im Kupplungsteil (14) gebildet, die auch das Federelement (43) aufnimmt und die außenseitig mit einer Abdeckung verschlossen ist, an der sich die Feder (43) abstützt.
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Der externe Betätiger (47) am Halter (48) weist ein Kraftelement auf, welches das Riegelelement (35) bzw. den Bolzen (45) gegen die Kraft des Federelements (43) vorzugsweise berührungsfrei anzieht und dadurch die Verriegelung (20) löst und öffnet. Das Kraftelement kann hierfür in beliebig geeigneter Weise ausgebildet sein. Vorzugsweise handelt es sich um den vorerwähnten Magneten. Der externe Betätiger (47) ist am Halter (48) bzw. am Magnethalter (21) im Bereich der Endposition des aufgenommenen Werkzeugs (2) angeordnet und befindet sich dann in der Nähe des Riegelelements (35), z. B. im rückwärtigen Projektionsbereich des Bolzens (45).
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Der externe Betätiger (47) wird aktiv bzw. entfaltet seine Wirkung, wenn das werkzeugseitige Kupplungsteil (14) vom Roboter (3) in die Aufnahmeöffnung (49) eingeführt und der Bolzen (45) dem Betätiger (47) angenähert wird. Am Ende des Einführwegs bzw. in der Endposition des Kupplungsteils (14) zieht der Betätiger (47) den Bolzen (45) zurück und öffnet die Verriegelung (20), sodass der Roboter (3) abkuppeln und das Kupplungsteil (13) abziehen kann. Der Betätiger (47) sichert auch durch Magnetkraft die Werkzeuglage am Halter (48).
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Die Verriegelung (20) bleibt solange gelöst, bis der Roboter (3) wieder ankuppelt und den Formschluss der mechanischen Kupplung (15) herstellt. Anschließend bewegt der Roboter (3) die zwar formschlüssig verbundenen, aber noch nicht verriegelten Kupplungsteile (13, 14) entlang des Halters (48) und der Aufnahmeöffnung (49), bis die Wirkung des externen Betätigers (47) nachlässt und das Federelement (43) den Bolzen (45) in die Querbohrung (37) schiebt sowie die Verriegelung (20) schließt.
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6 und 7 zeigen eine Variante der Kupplungseinrichtung (1), wobei 6 die Zusammenbaustellung und 7 eine Explosionsdarstellung zeigt. Das bewegliche Riegelelement (35) ist in dieser Ausführungsform als bewegliche Riegelplatte, insbesondere als Schieber, ausgebildet, der in dem werkzeugseitigen Kupplungsteil (14) angeordnet ist und aus diesem einseitig oder beidseitig herausragt. Der werkzeugseitige Kupplungsflansch (31) ist hier mehrteilig ausgebildet, wobei der Schieber (35) zwischen den Flanschteilen (32, 33) angeordnet und mittels einer Führung (41) gehalten und z. B. linear geführt ist.
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Wie 7 verdeutlicht, weist der Schieber (35) einen Ausschnitt (38) auf, der eine variierende Weite besitzt und z. B. eine schlüssellochartige Form hat. Der erweiterte Ausschnittsbereich hat eine der Aufnahmeöffnung (18) entsprechende Form und kann mit dieser in geöffneter Verriegelungsstellung fluchten. Die Aufnahmeöffnung (18) ist zweigeteilt, wobei die Flanschteile (32, 33) entsprechende Öffnungsabschnitte aufweisen. Der schmalere Bereich des Ausschnitts (38) und insbesondere der dortige umgebende Rand (39) des Riegelelements (35) dient zum Schließen der Verriegelung (20). Die aufnehmende Riegelöffnung (34) befindet sich am Zapfen (17). Sie wird z. B. durch zwei tangentiale und quer zur Achse (57) gerichtete Nuten (36) am Zapfenmantel gebildet, in welche die Ränder (39) formschlüssig bei einer Verschiebung des Riegelelements (35) eingreifen können.
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Die Verriegelung (20) hat in diesem Ausführungsbeispiel einen internen Betätiger (46). Dieser wird von dem nach außen ragenden Überstand oder Vorsprung des Riegelelements (35) gebildet. 6 und 7 zeigen hierbei die Öffnungsstellung, in der der größere Bereich des Ausschnitts (38) fluchtend zur Aufnahmeöffnung (18) angeordnet ist bzw. einen Teil dieser Aufnahmeöffnung bildet. Der interne Betätiger (46) kann mit einem Anschlag (50) in formschlüssige Verbindung gebracht werden, der an geeigneter Stelle, z. B. an einem Werkzeughalter (48), angeordnet ist. Der Betätiger (46) kann z. B. eine abgewinkelte Form haben, wobei die Riegelplatte (35) hierfür am freien Ende entsprechend abgekantet ist. Diese Abkantung kann in formschlüssigen Eingriff mit einem nutenförmigen Anschlag (50) gebracht werden, der das Riegelelement (35) quer zu seiner Längserstreckung beidseits festhält. Der vorstehende Betätiger (46) erlaubt auch eine manuelle Bedienung.
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Zum Abkuppeln bringt der Roboter (3) die Kupplungseinrichtung (1) mit diesem Betätiger (46) in die besagte Anschlagstellung, wodurch das Riegelelement (35) arretiert wird. Mit einer anschließenden und vom Roboter (3) ausgeführten Verlagerungsbewegung werden dann die Kupplungsteile (13, 14) gemeinsam entlang des arretierten Riegelelements (35) und des länglichen Ausschnitts (38) bewegt, bis die Ränder (39) außer Eingriff mit den tangentialen Nuten (36) treten und die Verriegelung (20) gelöst wird. Der Roboter (3) kann dann abkuppeln und das Kupplungsteil (13) abziehen.
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Zum Ankuppeln wird das Kupplungsteil (13) wieder eingesteckt, die mechanische Kupplung (15) geschlossen und dann eine gemeinsame Verlagerung der Kupplungsteile (13, 14) in Gegenrichtung ausgeführt, wobei über Eingriff der Ränder (39) an den Nuten (36) die Verriegelung (20) wieder geschlossen wird. Zur Sicherung der Öffnungs- und Schließstellung der Verriegelung (20) können geeignete Sicherungsmittel (40), z. B. federnde Rasten oder dgl. vorhanden sein.
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7 verdeutlicht außerdem die vorbeschriebene Ausführung der Medienkupplung (16) mit den Kupplungsmitteln (21, 22), den Leitungsdurchführungen (28, 29) sowie den werkzeugseitigen Leitungsanschlüssen (26, 27) und auch den Nuten (23). Die Leitungsdurchführungen (29) und die Leitungsanschlüsse (26, 27) können unterschiedlich verteilt an den Flanschteilen (32, 33) angeordnet sein.
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8 und 9 zeigen eine weitere Variante der Verriegelung (20). Das bewegliche Riegelelement (35) ist hier als Riegelstift und insbesondere als Federarm (42) ausgebildet. Der Federarm (42) kann an dem einen Flanschteil (32) des hier wiederum mehrteilig ausgebildeten Kupplungsflansches (31) angeordnet sein und wirkt mit einer Riegelöffnung (34) am Zapfen (17) des roboterseitigen Kupplungsteils (13) zusammen. Die Riegelöffnung (34) kann von einer tangentialen oder ringartig umlaufenden Nut (36) am Zapfenmantel gebildet sein. Der Federarm (42) hat hier eine z. B. gerade stangenartige Form und ist am einen Ende an seinem Kupplungsteil (14) fixiert. Am anderen Ende ragt er aus dem Kupplungsteil (14) heraus und bildet mit seinem Vorsprung oder Überstand einen internen Betätiger (46), der mit einem entsprechend gestalteten Anschlag (50) zusammenwirken kann. Der Federarm (42) ist derart ausgebildet und angeordnet, dass er durch seine eigene Federkraft bei eingestecktem Zapfen (17) mit der Riegelöffnung (34) in Eingriff tritt. Der Eingriff wird durch die Federwirkung des Riegelelements (35) gesichert und die Verriegelung (20) geschlossen.
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Zum Öffnen der Verriegelung (20) wird der Betätiger (46) in formschlüssigen Eingriff mit einem geeigneten Anschlag (50) gebracht. Bei einer anschließenden und quer oder schräg zur Erstreckung des Federarms (42) gerichteten Verlagerungsbewegung des Roboters (3) und der Kupplungsteile (13, 14) wird der am Anschlag gehaltene Federarm (42) gebogen und außer Eingriff mit der Riegelöffnung (34) gebracht. Der Roboter (3) kann dann das Kupplungsteil (13) abziehen. Der Federarm (42) kann bei entsprechender Ausbildung eines Werkzeughalters (48) in der Biegestellung verharren. Nach Öffnen der mechanischen Kupplung (15) kann ggf. das werkzeugseitige Kupplungsteil (14) sich etwas zur Seite bewegen, wobei der Federarm (42) in seine gestreckte Ausgangsstellung zurückkehrt.
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Zum Ankuppeln kann der Roboter (3) sein Kupplungsteil (13) mit dem Zapfen (17) in die Aufnahmeöffnung (18) einführen, wobei der konische oder angeschrägte Zapfen (17) den in die Aufnahmeöffnung (18) ragenden Federarm (42) verdrängt und danach in die Riegelöffnung (34) einschnappen lässt. Alternativ kann der Zapfen (17) teilweise in die Aufnahmeöffnung (18) eintauchen, wodurch Formschluss zwischen den Kupplungsteilen (13, 14) hergestellt wird und diese dann zum Öffnen der Verriegelung (20) verlagert werden können.
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10 und 11 zeigen eine weitere Abwandlung der Verriegelung (20), wobei in diesem Ausführungsbeispiel das bewegliche Riegelelement (35) wieder als Riegelstift, insbesondere als Federarm (42), ausgebildet ist. Die rückstellende Federkraft zum Schließen und Sichern der Verriegelung (20) wird in diesem Fall durch ein spezielles Federelement (43) hergestellt, welches als mäanderförmige Verformung am rückwärtigen Ende des Federarms (42) ausgebildet ist. 10 und 11 zeigen hierzu auch die Ausbildung der Führung (41) in der mehrteiligen Kupplungsplatte (31). Sie verdeutlichen die Kupplungseinrichtung (1) in der Darstellung eines durchsichtigen Drahtmodells, bei dem die innenliegenden Teile, insbesondere auch die Leitungsdurchführungen (28, 29) und die anderen Bestandteile der Medienkupplung (16) sowie der mechanischen Kupplung (15) sichtbar sind.
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Im Ausführungsbeispiel von 12 weist die Verriegelung (20) ein anderes bewegliches Riegelelement (35) auf. Es ist als Schwenkarm (44) ausgebildet, der drehbar am einen Kupplungsteil (14) gelagert ist und mit einem hakenartigen oder gebogenen vorderen Ende mit einem aufnehmenden Riegelelement (34), z. B. einer ringartigen oder tangentialen Nut (36), einer Querbohrung oder dgl. am anderen Kupplungsteil (13) in formschlüssigen Eingriff tritt. Der Betätiger (46) kann hier ähnlich wie in der Variante des auslenkbaren Federarms (42) als rückwärtiger Überstand oder Vorsprung ausgebildet sein und durch Roboterbewegung in Eingriff mit einem geeigneten Anschlag gebracht werden, über dessen Widerstand ein Drehen und Auslenken des Schwenkarms (44) erzielt werden kann. Die der Schließ- und Öffnungsstellung entsprechenden Endpositionen des Schwenkarms (44) können durch geeignete Sicherungsmittel definiert und arretiert werden. Außerdem kann ein Federelement auf den Schwenkarm (44) einwirken.
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1 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Roboters (3), der hier als Leichtbauroboter ausgebildet ist. Er besteht aus leichtgewichtigen Materialien, z. B. Leichtmetallen und Kunststoff und hat auch eine kleine Baugröße. Er hat ein niedriges Gewicht und eine entsprechend begrenzte Tragkraft, die z. B. bis zu 20 kg beträgt. Ein solcher Leichtbauroboter mit einem Gewicht von Roboter (3) und Werkzeug (2) von z. B. unter 50 kg, insbesondere von ca. 30 kg, kann mobil sein und kann sich manuell von einem Einsatzort zu einem anderen transportieren lassen. Für einen solchen Leichtbauroboter ist die vorbeschriebene Ausbildung des Werkzeugwechselsystems (1) mit dem geringen Werkzeuggewicht besonders vorteilhaft.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführung des Roboters (3), der eine oder mehrere kraftgesteuerte oder kraftgeregelte Roboterachsen (I–VII) nebst einer zugeordneten und einwirkende Belastungen erfassenden Sensorik (12) aufweist. Der Roboter (3) kann außerdem mindestens eine nachgiebige Roboterachse (I–VII) mit einer Nachgiebigkeitsregelung, insbesondere einer reinen Kraftregelung oder einer Kombination aus Positions- und Kraftregelung aufweisen. Der gezeigte Roboter (3) ist als Gelenkarmroboter ausgebildet und hat z. B. sieben Roboterachsen (I–VII). Diese weisen jeweils ein Drehlager und einen hier zugeordneten steuerbaren oder regelbaren Antrieb nebst einer integrierten und durch einen Pfeil symbolierten Sensorik (12) auf. Die Roboterachsen (I–VII) können außerdem eine steuer- oder schaltbare Bremse aufweisen.
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Der gezeigte Roboter (3) hat mehrere bewegliche und miteinander verbundene Glieder (5, 6, 7, 8). Diese sind vorzugsweise gelenkig und über die besagten drehenden Roboterachsen (I–VII) miteinander verbunden. Ferner können einzelne Glieder (6, 7) mehrteilig und in sich beweglich ausgebildet sein. Die Roboterachsen (I–VII) und ihre Achsantriebe, insbesondere Drehantriebe sowie die Sensorik (12), sind über eine Anschlussbox (56) mit einer Robotersteuerung (nicht dargestellt) verbunden, welche die Antriebe bzw. Achsantriebe steuern und regeln kann. Das abtriebseitige Endglied (5) des Roboters (3) ist z. B. als Roboterhand ausgebildet und weist ein um eine Drehachse (9) drehbares Abtriebselement (4), z. B. einen Abtriebsflansch, auf. Die Drehachse (9) bildet die letzte Roboterachse (VII).
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Am Abtriebselement (4) kann das Kupplungsteil (13) montiert sein. Alternativ kann das Abtriebselement (4) als Kupplungsteil (13) ausgebildet sein. Das Kupplungsteil (13) mit den zugehörigen Teilen der mechanischen Kupplung (15) und der Medienkupplung (16) kann dadurch als Bestandteil der Handachse oder abtreibenden Roboterachse (VII) ausgebildet sein.
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Durch ein hohles Abtriebselement (4) und ggf. andere Roboterglieder (5, 6, 7, 8) können eine oder mehrere vorerwähnte Leitungen (10, 11) für Betriebsmittel in gestrichelt dargestellten internen Leitungsführung (55) von der Anschlussbox (56) aus geführt sein und am Abtriebselement (4) nach außen treten. Sie können an dem zentralen und ggf. vom Abtriebselement (4) umgebenen Leitungsanschluss (25) angeschlossen werden.
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Die vorgenannte Kraftsteuerung oder Kraftregelung der Roboterachsen (I–VII) bezieht sich auf die Wirkung nach außen am Abtriebselement (4) des Endglieds (5) sowie auf die dort einwirkenden Reaktionskräfte. Roboterintern findet an den drehenden Achsen oder Achsantrieben eine Momentensteuerung oder Momentenregelung statt.
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Der Roboter (3) hat vorzugsweise drei oder mehr bewegliche Glieder (5, 6, 7, 8). Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist er ein mit einem Untergrund verbundenes Basisglied (8) und das vorerwähnte Endglied (5) sowie zwei Zwischenglieder (6, 7) auf, welche mehrteilig und in sich verdrehbar mittels Achsen III und V ausgebildet sind. Die Zahl der Zwischenglieder (6, 7) kann alternativ kleiner oder größer sein. In weiterer Abwandlung können einzelne oder alle Zwischenglieder (6, 7) in sich drehfest und ohne zusätzliche Achse ausgebildet sein.
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Die Sensorik (12) kann z. B. einen oder mehreren Sensoren an einer oder mehreren Achsen (I–VII) aufweisen. Diese Sensoren können die gleiche oder unterschiedliche Funktionen haben. Sie können insbesondere als Kraft- oder Momentensensoren ausgebildet sein und zum Erfassen von Belastungen, insbesondere Momenten, ausgebildet sein, die von außen auf den Roboter über das Abtriebselement (4) einwirken. Die Sensoren können ferner Drehbewegungen und ggf. Drehpositionen detektieren.
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Mittels der Sensorik (12) kann von der Steuerung die vorgenannte Nachgiebigkeitsregelung realisiert werden. Hierdurch kann einerseits der Roboter (3) das Werkzeug (2) federnd und ausweichfähig halten und führen, wobei z. B. Crashs und insbesondere Unfälle mit Personen vermieden werden können. Die Eigenschaft kann auch zum manuellen Teachen und Programmieren benutzt werden mit dem Vorteil einer schnellen und einfachen Programmierung, Inbetriebnahme sowie Anpassbarkeit an unterschiedliche Werkzeuge (2) und damit auszuführende Prozesse und Jobs. Über eine Belastungserfassung der Sensorik (12) kann außerdem das Suchen und Finden von Arbeitspositionen und auch von der Kuppelstellung unterstützt und erleichtert werden. Auch Winkelfehler in der Relativstellung der Glieder (5, 6, 7, 8) können detektiert und bedarfsweise korrigiert werden.
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Die Sensorik (12) kann ferner zur Überprüfung der Formhaltigkeit und Funktionsfähigkeit der Werkzeuge (2) benutzt werden. Der Roboter (3) kann z. B. das Werkzeug (2) mit den zu überprüfenden Elementen, z. B. den Greiffingern, an einem Referenzpunkt mit bekannter Position in einen leichten Berührungskontakt bringen, wobei die Roboterbewegung und -position überwacht und eine Berührung mittels der Sensorik (12) detektiert wird. Durch die Nachgiebigkeitsregelung werden schadensträchtige Kollisionen vermieden und die Roboterbewegung bei Überschreiten einer vorgegebenen Belastungsschwelle gestoppt oder abgeschaltet. Durch Vergleich der Soll- und Istposition des Roboters bei mittels Sensorik (12) detektiertem Kontakt kann festgestellt werden, ob ein Werkzeug (2) intakt oder beschädigt ist und ob insbesondere der programmierte Tool-Center-Point (TCP) des Werkzeugs (2) sich noch an der vorgesehenen Position befindet.
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Ferner kann beim An- und Abkuppeln durch Überwachung der aufgetretenen Belastungen die korrekte Funktion der Kupplungseinrichtung (1) und die korrekte Lage des Kupplungsteils (14) am Halter (48) kontrolliert werden. Auch die Wirkung des externen Betätigers bzw. Kraftelements (47) kann über eine Belastungsdetektion überwacht werden.
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Abwandlungen der gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind in verschiedener Weise möglich. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert und auch gegenseitig vertauscht werden. Insbesondere kann die Zuordnung der Kupplungsteile (13, 14) am Roboter (3) und zum Werkzeug (2) verändert werden. Auch die Zuordnung des beweglichen und eingreifenden Riegelelements (35) sowie des aufnehmenden Riegelelements (34) zu den Kupplungsteilen (13, 14) und deren Kupplungselementen (17, 18) kann verändert, insbesondere vertauscht werden. Die Verriegelung (20) der Kupplungseinrichtung (1) kann, insbesondere mittels des internen Betätigers (46), auch bedarfsweise manuell betätigt werden.
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Auch der Roboter (3) kann eine beliebige andere Ausbildung haben. Er kann positionsgesteuerte Achsen aufweisen. Die Roboterachsen können translatorische und/oder rotatorische Achsen in beliebiger Zahl und Kombinationen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplungseinrichtung, Wechselkupplung
- 2
- Werkzeug, Greifer
- 3
- Roboter, Leichtbauroboter
- 4
- Abtriebselement, Abtriebsflansch, Drehflansch
- 5
- Glied, Endglied, Hand
- 6
- Glied, Zwischenglied
- 7
- Glied, Zwischenglied
- 8
- Glied, Basisglied
- 9
- Drehachse
- 10
- Leitung roboterseitig, elektrisch
- 11
- Leitung roboterseitig, fluidisch
- 12
- Sensorik
- 13
- Kupplungsteil roboterseitig
- 14
- Kupplungsteil werkzeugseitig
- 15
- mechanische Kupplung
- 16
- Medienkupplung
- 17
- Kupplungselement formschlüssig, Zapfen
- 18
- Kupplungselement formschlüssig, Aufnahmeöffnung
- 19
- Drehsicherung
- 20
- Verriegelung
- 21
- Kupplungsmittel elektrisch, Schleifkontakt
- 22
- Kupplungsmittel fluidisch, Rohrkupplung
- 23
- Nut
- 24
- Federelement
- 25
- Leitungsanschluss roboterseitig
- 26
- Leitungsanschluss werkzeugseitig, elektrisch
- 27
- Leitungsanschluss werkzeugseitig, fluidisch
- 28
- Leitungsdurchführung roboterseitig
- 29
- Leitungsdurchführung werkzeugseitig
- 30
- Kupplungsflansch, Kupplungsplatte roboterseitig
- 31
- Kupplungsflansch, Kupplungsplatte werkzeugseitig
- 32
- Flanschteil
- 33
- Flanschteil
- 34
- Riegelelement, Riegelöffnung
- 35
- Riegelelement, Riegelstift, Riegelplatte
- 36
- Nut tangential
- 37
- Querbohrung
- 38
- Ausschnitt
- 39
- Rand
- 40
- Sicherungselement, Raste
- 41
- Führung für Riegelelement
- 42
- Federarm
- 43
- Federelement
- 44
- Schwenkarm
- 45
- Bolzen
- 46
- Betätiger, Vorsprung
- 47
- Betätiger, Magnet
- 48
- Halter, Werkzeughalter
- 49
- Aufnahmeöffnung
- 50
- Anschlag
- 51
- Magnethalter
- 52
- Arbeitsvorrichtung
- 53
- Werkzeugwechselsystem
- 54
- Bereitstellung, Magazin
- 55
- interne Leitungsführung
- 56
- Basisanschluss, Anschlussbox
- 57
- Kupplungsachse, Zentralachse, Zapfenachse
- I–III
- Achse von Roboter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 9313310 U1 [0003]
- DE 4321691 A1 [0003]
- WO 99/60667 A1 [0003]
- WO 99/19121 A1 [0003]
- DE 20208060 U1 [0003]
- DE 102007030035 A1 [0004]
- DE 3522076 A1 [0005]
- DE 3340912 A1 [0006]
- DE 9203374 U1 [0007]
- DE 102010010718 A1 [0008]
