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Die Erfindung betrifft ein Roboterwerkzeug mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Roboterwerkzeuge sind in verschiedenen Ausführungen aus der Praxis bekannt. Es handelt sich hierbei um Werkzeuge, die von einem Industrieroboter geführt und an eine Arbeitsstelle zugestellt werden. Diese Roboterwerkzeuge sind mit einem eigenen Antrieb ausgestattet und führen dann autark einen Arbeitsprozess z.B. einen Füge-, Handhabungs- oder Bearbeitungsprozess durch. Beispielsweise ist es bekannt, mit einem Industrieroboter ein Schraubwerkzeug mit einem eigenen Drehantrieb zu führen und zuzustellen.
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Bei solchen Roboterwerkzeugen ist der Industrieroboter nicht am eigentlichen Arbeitsprozess beteiligt. Bei dem in der
WO 2013/007565 A2 gezeigten Roboterwerkzeug nimmt der Industrieroboter partiell am Schraubprozess teil, wobei der Drehantrieb des Schraubwerkzeugs das umlaufende Andrehen der Schrauben mit hoher Drehzahl und niedrigem Moment besorgt und der Industrieroboter am Schluss die Schraube mit höherem Moment und begrenzten Drehwinkel festdreht. Das Festdrehmoment ist von der Tragkraft und dem maximal aufbringbaren Drehmoment des Industrieroboters begrenzt.
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Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine verbesserte Robotertechnik aufzuzeigen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
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Die beanspruchte Roboterwerkzeugtechnik, d.h. das Roboterwerkzeug und das Verfahren zu seinem Betrieb sowie die Arbeitsvorrichtung, haben den Vorteil, dass mit dem Roboterwerkzeug über den, von einem Industrieroboter betätigbaren Antriebsstrang, den sog. robotischen Antriebsstrang, auch höhere Kräfte oder Momente aufgebracht werden können, welche die Traglast bzw. das maximal aufbringbare Drehmoment des Industrieroboters übersteigen. Der beanspruchte Momentenverstärker kann dieses vom Industrieroboter aufbringbare maximale Drehmoment auf der Eingangsseite vergrößern, sodass auf der Ausgangs- oder Abtriebsseite eine wesentlich höhere Abtriebskraft oder ein höheres Abtriebsmoment für die Prozessfunktion des Werkzeugs zur Verfügung stehen.
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Der Industrieroboter kann durch den robotischen Antriebsstrang an dem mit dem Roboterwerkzeug durchgeführten Arbeitsprozess substanziell teilhaben. Dies geht über eine Führungs- oder Zustellfunktion hinaus, die zusätzlich vom Industrieroboter mit einem mobilen Roboterwerkzeug ebenfalls ausgeführt werden kann. Die Möglichkeiten der robotischen Prozessbeteiligung können dabei gegenüber dem Stand der Technik wesentlich erweitert werden.
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Die Einsatzbereiche des Roboterwerkzeugs und der Arbeitsvorrichtung können wesentlich erweitert werden. Das Roboterwerkzeug kann auch mit schwach dimensionierten und leichtgewichtigen Industrierobotern eingesetzt werden. Dies können insbesondere taktile Roboter mit einer zugeordneten Sensorik sein, die sensitive Eigenschaften besitzen. Diese Roboter haben häufig eine geringe Tragkraft. Sie können auch eine kleine Baugröße und ein geringes Gewicht haben, wobei sie als sog. Leichtbauroboter ausgestaltet sind. Derartige Industrieroboter können dank des Roboterwerkzeugs in Applikations- und Lastbereiche vorstoßen, die ihnen bisher versagt waren.
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Der Momentenverstärker kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Er kann vollständig oder teilweise in das Roboterwerkzeug integriert sein. Er kann das drehend vom Industrieroboter einbringbare Eingangs-Drehmoment in ein wesentlich höheres drehendes Ausgangsmoment übersetzen. Er kann alternativ auch eine wesentlich verstärkte lineare Abtriebskraft erzeugen. Der Momentenverstärker kann hierfür in geeigneter Weise ausgebildet sein. Er kann insbesondere ein rotatorisches Übersetzungsgetriebe aufweisen, welches z.B. als Zahnrad-, Schnecken- oder Riemengetriebe ausgebildet ist. Eine Selbsthemmung des Momentenverstärkers vermeidet Rückwirkungen von der Abtriebsseite.
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Das Roboterwerkzeug kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein, z.B. als Stellwerkzeug oder als umlaufendes Drehwerkzeug. Letzteres kann insbesondere ein Schraubwerkzeug sein.
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Bei einem Stellwerkzeug kann durch die Momentenverstärkung vom Industrieroboter auf der Abtriebsseite eine hohe Last bewegt und gegebenenfalls positioniert werden, welche die Tragkraft bzw. das maximal aufbringbare Drehmoment des Industrieroboters übersteigt. Die Last kann in beliebiger Weise ausgebildet sein, wobei es sich z.B. um ein Werkstück oder um ein Arbeitswerkzeug handeln kann. Das Stellwerkzeug kann rotatorische und/oder translatorische Stellbewegungen ausführen. Eine lösbare und vom Industrieroboter betätigbare Fixierung erlaubt ein bevorzugt formschlüssiges Arretieren der Stellposition.
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Bei der Ausbildung als Drehwerkzeug kann das Roboterwerkzeug einen weiteren Antriebsstrang mit einem motorischen Antrieb, insbesondere einem Drehantrieb, aufweisen. Die Antriebsstränge wirken bedarfsweise und bevorzugt in Parallelanordnung auf ein Abtriebselement ein. Ein Freilauf ist für die Vermeidung unerwünschter Rückkoppelungen auf den robotischen Antriebsstrang von Vorteil.
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Die Antriebsstränge können für unterschiedliche Prozessbedürfnisse herangezogen werden. Mit dem motorischen Antriebsstrang kann z.B. eine hohe Drehzahl mit einem niedrigen Moment aufgebracht werden, wobei über den robotischen Antriebsstrang ein hohes Moment mit niedriger Drehzahl und einem gegebenenfalls auch begrenzten Drehwinkel erzeugbar ist. Dies ist vor allem bei einem Schraubwerkzeug von Vorteil. Der motorische Antriebsstrang kann zum schnellen Andrehen oder Ausdrehen einer Schraube benutzt werden, wobei mit dem robotischen Antriebsstrang das zum Festdrehen oder Losdrehen erforderliche deutlich höhere Drehmoment aufgebracht wird, welches auch wesentlich größer als beim Stand der Technik sein kann. Bei Einsatz eines taktilen Industrieroboters kann dabei das Moment erfasst und der Drehweg gesteuert oder geregelt werden.
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Das Roboterwerkzeug ermöglicht eine Aufspaltung und Optimierung des durchzuführenden Prozesses auf die robotischen und motorischen Antriebsstränge sowie eine optimale Nutzung der vorhandenen Antriebs- und Betätigungsressourcen und ihrer Eigenschaften. Über den robotischen Antriebsstrang können mittels eines entsprechend ausgebildeten und bevorzugt taktilen Industrieroboters komplexe Prozessanteile unter Nutzung der vorhandenen Robotereigenschaften, insbesondere der sensitiven Fähigkeiten, ausgeführt werden. Die einfacheren Prozessanteile können dem motorischen Antriebsstrang überlassen werden, der hierfür entsprechend einfacher und kostengünstiger ausgebildet sein kann und ggf. auch weniger Steuer- und Regelaufwand verlangt. Somit können in mehrfacher Hinsicht das Roboterwerkzeug und die Arbeitsvorrichtung vereinfacht und hinsichtlich ihres Bau-, Steuer- und Kostenaufwands reduziert werden.
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Dem Roboterwerkzeug ist vorzugsweise auch eine starre oder bewegliche Führungseinrichtung zugeordnet. Mittels einer beweglichen Führungseinrichtung kann der besagte Industrieroboter das Roboterwerkzeug führen und bewegen sowie an einer gewünschten Arbeitsstelle exakt positionieren. Eine Arretierung kann zur Sicherung der Ruhe- und Arbeitsstellung vorteilhaft sein. Der Industrieroboter kann außerdem das Roboterwerkzeug bedarfsweise an der Arbeitsstelle zustellen, ggf. in Verbindung mit einer Suchfunktion. Es kann es ggf. auch nachführen. Dies ist besonders bei einem Drehwerkzeug, z.B. einem Schraubwerkzeug, von Vorteil. Mittels einer einfachen Kupplung kann außerdem das Roboterwerkzeug vom Industrieroboter bedarfsweise und schnell aufgenommen und abgegeben werden.
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Der bevorzugt eingesetzte taktile Roboter besitzt eine zugeordnete Sensorik, die extern und z.B. zwischen seinem Abtriebselement und dem Roboterwerkzeug, oder bevorzugt roboterintern angeordnet sein kann. Für die Ausnutzung seiner sensitiven Fähigkeiten hat der taktile Industrieroboter vorzugsweise eine oder mehrere kraftgesteuerte oder kraftgeregelte Roboterachsen. Vorteilhaft ist ferner eine nachgiebige Achsausbildung mit einer Nachgiebigkeitsregelung, insbesondere einer reinen Kraftregelung oder einer Kombination aus Positions- und Kraftregelung. Dies befähigt den Industrieroboter zu taktilen Suchvorgängen mit dem Abtriebselement des Roboterwerkzeugs, z.B. einer Schraubspindel, zum sicheren Auffinden der Prozessstelle, z.B. einer Schrauböffnung oder einem Schraubbolzen. Ähnliche Vorteile ergeben sich auch bei anderen Prozessen.
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Ferner kann dank dieser sensitiven Fähigkeiten der Programmieraufwand verringert und das Teaching vereinfacht werden. In einer Leichtbauausführung ist der Industrieroboter außerdem mobil und kann schnell und einfach zu unterschiedlichen Einsatzorten gebracht und dort positioniert werden. Die sensitiven Fähigkeiten sind außerdem für den möglichen Einsatz bei einer Mensch-Roboter-Kooperation oder -Kollaboration (abgekürzt MRK) von Vorteil. Für die MRK und die Begrenzung von Unfallrisiken ist es günstig, Roboter mit einer relativ niedrigen Tragkraft einzusetzen, wobei dank der Momentenverstärkung die damit einhergehenden bisherigen Einschränkungen in den Prozess- und Einsatzmöglichkeiten aufgehoben werden können.
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Die beanspruchte Ausbildung und Funktion des Roboterwerkzeugs sowie die automatische Kupplungsmöglichkeit ermöglichen außerdem eine Optimierung der Roboterauslastung. Ein Industrieroboter kann mehrere Roboterwerkzeuge abwechselnd bedienen bzw. betätigen. Dies ermöglicht eine komplexe Ausbildung von Arbeitsvorrichtungen und einen reduzierten und zugleich optimierten Roboteraufwand.
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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigen:
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1: eine Arbeitsvorrichtung mit einem Industrieroboter und einem Roboterwerkzeug in abgebrochener Darstellung,
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2: eine Führungseinrichtung für das Roboterwerkzeug in einer Seitenansicht,
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3: eine vergrößerte Detailansicht von Roboterwerkzeug und Führungseinrichtung,
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4: eine Variante des Roboterwerkzeugs von 1 bis 3,
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5: eine abgebrochene, geschnittene und vergrößerte Detailansicht des Roboterwerkzeugs gemäß V von 4 und
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6: einen taktilen Industrieroboter.
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Die Erfindung betrifft ein Roboterwerkzeug (4) und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Die Erfindung betrifft ferner eine Arbeitsvorrichtung (1) mit einem Industrieroboter (2) und einem Roboterwerkzeug (4) nebst Arbeitsverfahren.
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Das Roboterwerkzeug (4) kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. 1 bis 3 und 4, 5 zeigen hierfür verschiedene Ausführungsformen.
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Mit dem Roboterwerkzeug (4) können je nach Werkzeugausbildung unterschiedliche Prozesse ausgeführt werden, z.B. an einem in 1 angedeuteten Werkstück (3). Ein solcher Prozess kann z.B. ein Fügen, Montieren, Beschichten, Greifen bzw. Handhaben, Messen oder dgl. betreffen. In der einen Variante von 1 bis 3 ist das Roboterwerkzeug (4) z.B. als umlaufendes Drehwerkzeug (14), insbesondere Schraubwerkzeug, ausgebildet. Die zweite Variante von 4 und 5 zeigt ein Roboterwerkzeug (4) in einer Ausbildung als Stellwerkzeug (15).
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Der Industrieroboter (2) kann das Roboterwerkzeug (4) bedienen bzw. betätigen, wobei eine Antriebsbewegung des Industrieroboters (2) in eine Abtriebsbewegung des Prozesswerkzeugs (4) umgesetzt wird. Über diese Bewegungsumsetzung kann der Industrieroboter (2) an dem mit dem Roboterwerkzeug (4) ausgeführten Prozess aktiv und substanziell teilnehmen und mit seiner Bewegung einen oder mehrere Prozessschritte ausführen.
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Der Industrieroboter (2) kann außerdem das Roboterwerkzeug (4) bewegen und führen. Er kann es dabei z.B. von einer Ruhestellung (37) zu einer Arbeitsstellung (38) bewegen und dort in einer vorgegebenen Lage und/oder Ausrichtung positionieren. Der Industrieroboter (2) kann außerdem ggf. das Roboterwerkzeug (4), insbesondere sein Abtriebsteil an den Prozessort zustellen sowie ggf. beim Prozess, z.B. bei einem Schraubprozess, bedarfsweise nachführen. Der Industrieroboter (2) kann bei der Zustellung auch eine Suchfunktion ausführen.
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Das Roboterwerkzeug (4) kann an einer starren oder beweglichen Führungseinrichtung (13) angeordnet sein. Die Führungseinrichtung (13) kann Bestandteil des Roboterwerkzeugs (4) und/oder der Arbeitsvorrichtung (1) sein.
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Der Industrieroboter (2) weist mehrere Roboterachsen I–VII und mehrere beweglich, bevorzugt schwenkbar, miteinander verbundene Glieder (43–46) auf. Das Endglied (46) weist ein Abtriebselement (47) auf, welches der Verbindung mit dem Roboterwerkzeug (4) dient und um eine angetriebene Abtriebsachse (48) drehbar angeordnet sein kann. Der Industrieroboter (2) ist bevorzugt als taktiler Roboter ausgebildet, der sensitive Eigenschaften hat. Er ist mit einer Robotersteuerung (nicht dargestellt) verbunden. Mit dieser kann ggf. auch das Roboterwerkzeug (4) verbunden sein. Eine bevorzugte Ausführungsform des Industrieroboters (2) ist in 6 dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Das Roboterwerkzeug (4), z.B. das Drehwerkzeug (14), kann eine oder mehrere eigene Zusatzachsen mit entsprechenden Antrieben aufweisen. Das Roboterwerkzeug (4) kann bedarfsweise mit ein oder mehreren Betriebsmedien, z.B. Fluiden, elektrischen Signal- und/oder Leistungsströmen oder dgl. von einer mitgeführten oder einer externen Medienversorgung gespeist werden. Hierfür kann ggf. der Industrieroboter (2) eine integrierte Medienzuführung (51) und eine Medienkupplung aufweisen.
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Das Prozesswerkzeug (4) hat in den verschiedenen Ausführungsbeispielen jeweils einen integrierten Antriebsstrang (6) zum Bewegen eines Abtriebsteils (9). Hierbei ist auch eine Mehrfachanordnung von Antriebssträngen (6) und/oder Abtriebsteilen (9) möglich. Der Antriebsstrang (6) kann von dem Industrieroboter (2) betätigt werden und wird nachfolgend als robotischer Antriebsstrang (6) bezeichnet.
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Das Roboterwerkzeug (4) kann außerdem einen oder mehrere weitere Antriebsstränge (39) mit einem eigenen Antrieb (40) aufweisen, was z.B. beim Drehwerkzeug (14) realisiert ist und worauf nachfolgend noch näher eingegangen wird. Die ein oder mehreren weiteren Antriebsstränge (39) werden nachfolgend als motorische Antriebsstränge bezeichnet. Sie können die vorerwähnten ein oder mehreren Zusatzachsen bilden. Das Roboterwerkzeug (4), z.B. das Stellwerkzeug (15), kann auch ohne Zusatzachse(n) und ohne weiteren Antriebsstrang (39) auskommen.
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Der robotische Antriebsstrang (6) weist einen Momentenverstärker (7) auf, der in den gezeigten Ausführungsbeispielen vollständig in das Roboterwerkzeug (4) integriert ist. Der Momentenverstärker (7) ist eingangsseitig mit einem Drehanschluss (8) und ausgangsseitig mit dem Abtriebsteil (9) verbunden. An dem Drehanschluss (8) kann der Industrieroboter (2) angreifen und eine Drehbewegung ausführen. Der Drehanschluss (8) weist ein Kupplungselement (11) auf, das zum automatischen und lösbaren Kuppeln mit einem Kupplungselement (12) am Industrieroboter (2) vorgesehen und ausgebildet ist. Die Kupplungselemente (11, 12) bilden eine Kupplung (10), welche das eingeleitete Drehmoment überträgt und bevorzugt formschlüssig ausgebildet ist. Zum einfachen und automatischen An- und Abkuppeln ist die Kupplung (10) z.B. als Steckkupplung ausgebildet, wobei auch andere Gestaltungen möglich sind.
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Das Roboterwerkzeug (4) kann einzeln hergestellt und vertrieben werden, wobei es mit dem besagten Kupplungselement (11) ausgerüstet sein kann. Es kann ferner mit dem Industrieroboter (2) eine Arbeitsvorrichtung (1) bilden. Dies kann im Rahmen einer Erstausrüstung oder einer Nachrüstung an vorhandenen Industrierobotern (2) geschehen.
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Der Momentenverstärker (7) verstärkt das vom Industrieroboter (2) am Drehanschluss (8) eingeleitete eingangsseitige Drehmoment und erzeugt ein ausgangsseitiges höheres Abtriebsmoment oder eine höhere Abtriebskraft am Abtriebsteil (9). Der Momentenverstärker (7) kann hierfür in beliebig geeigneter Weise ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist der Momentenverstärker (7) als rotatorisches Übersetzungsgetriebe (20) ausgebildet oder weist ein solches auf. Das Übersetzungsgetriebe (20) ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen als Zahnradgetriebe ausgebildet, das z.B. parallelachsige Stirnräder aufweist. Es kann auch als Kegelradgetriebe oder zur Erzielung höherer Übersetzungen alternativ als Schneckenradgetriebe ausgebildet sein. Ferner ist eine Ausgestaltung als Riemengetriebe oder beliebig anderes Getriebe, z.B. Lenkergetriebe, möglich. Der Übersetzungsfaktor des Momentenverstärkers (7), insbesondere des Übersetzungsgetriebes (20), beträgt vorzugsweise 2:1 oder mehr.
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Der Momentenverstärker (7), insbesondere das rotatorische Übersetzungsgetriebe (20), kann eine Selbsthemmung besitzen, wodurch an der Abtriebsseite eingeleitete Momente oder Kräfte nicht oder zumindest nicht in signifikanter Weise zu einer Rotation des Drehanschlusses (8) führen.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird eine eingangsseitige Antriebsdrehung vom Momentenverstärker (7) in eine Abtriebsdrehung umgesetzt. In einer nicht dargestellten Abwandlung kann bei entsprechender Getriebeausbildung auch eine Umsetzung in eine translatorische, insbesondere lineare, Abtriebsbewegung erfolgen. In weiterer Abwandlung kann eine Umsetzung in eine kombinierte rotatorische und translatorische Abtriebsbewegung stattfinden.
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Das Roboterwerkzeug (4) weist in den verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Gestell (5) auf, welches die ein oder mehreren Antriebsstränge (6, 39) aufnimmt. Das Gestell (5) kann außerdem mit der Führungseinrichtung (13) verbunden sein. Das Gestell (5) kann für die verschiedenen Funktionen eine geeignete konstruktive Ausbildung haben. Es kann gegebenenfalls auch von einem Gehäuse umgeben sein.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist der Drehanschluss (8) jeweils eine am Gestell (5) gelagerte (18) Welle (16) auf. Die Wellenlagerung (18) kann eine reine Drehlagerung sein. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist sie als kombinierte Dreh- und Schiebelagerung ausgebildet. Die drehbare Welle (16) kann dabei gegen eine Rückstellkraft, insbesondere eine Feder (17) axial verschieblich gelagert sein. Diese Ausbildung und Funktion wird nachstehend näher erläutert.
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Die Welle (16) ist ferner mit einem Eingangselement des Momentenverstärkers (7), z.B. einem Antriebsrad (21) des Übersetzungsgetriebes (20), drehfest verbunden. Das Antriebsrad (21) kann das antreibende Ritzel des Übersetzungsgetriebes (20) darstellen.
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Der Momentenverstärker (7) weist ein Ausgangselement (22) auf, das z.B. als Abtriebsrad (22) des bevorzugten rotatorischen Übersetzungsgetriebes (20) ausgebildet ist. Das Übersetzungsgetriebe (20) kann eine oder mehrere Stufen haben. In den gezeigten einstufigen Ausführungsbeispielen kämmt das kleinere Ritzel (21) mit dem größeren Abtriebsrad (22). Bei einer alternativen Ausbildung als Schneckenradgetriebe ist das Eingangselement (21) z.B. als Schneckenwelle und das Ausgangselement (22) als Schneckenrad oder Großrad ausgebildet.
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Das Ausgangselement (22), insbesondere das Abtriebsrad, ist mit dem Abtriebsteil (9) des Roboterwerkzeugs (4) drehfest verbunden. Das Abtriebsteil (9) ist am Gestell (5) beweglich gelagert (26). In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist dies eine Drehlagerung (26), wobei das Abtriebsteil (9) Rotationsbewegungen ausführt.
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Ein Antriebsstrang (6,39), insbesondere der robotische Antriebsstrang (6), kann einen Freilauf (23) aufweisen. Im Ausführungsbeispiel von 1 bis 3 ist der Freilauf (23) zwischen dem Ausgangselement bzw. Abtriebsrad (22) und dem Abtriebsteil (9) angeordnet.
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Im Ausführungsbeispiel von 4 und 5 ist das Abtriebsteil (9) als Stellarm (24) ausgebildet. Der Stellarm (24) kann beweglich, insbesondere schwenkbar, an der Führungseinrichtung (13) mittels der Lagerung (26) gelagert sein. Die Führungseinrichtung (13) ist in dieser Ausführungsform als stationärer Lagerbock (29) ausgebildet, der das Ausgangsmoment abstützt. Der Stellarm (24) ist an einem Ende mit dem Ausgangselement bzw. Abtriebsrad (22) verbunden und trägt am anderen Ende eine Last. Dies kann z.B. ein Arbeitswerkzeug (28), ein Werkstück oder dgl. sein. Über den Industrieroboter (2) und mit dessen Eingangsmoment wird der Schwenkarm (24) gedreht, wobei die besagte Last sehr groß sein kann und der Momentenverstärker (7) das Eingangsmoment des Industrieroboters (2) entsprechend verstärkt.
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Wie 4 und 5 verdeutlichen, kann der Drehanschluss (8) eine lösbare Fixierung (19) für die Welle (16) aufweisen, mit welcher die vom Industrieroboter (2) erzeugte Drehstellung des Stellarms (24) fixiert und gegebenenfalls abgestützt werden kann. Diese selbsthaltende Funktion erlaubt ein Abkuppeln des Industrieroboters (2).
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Die lösbare Fixierung (19) wird z.B. gemäß 5 von einer Scheibe auf dem Ende der Welle (16) und von einer am Gestell (5) oder an der Führungseinrichtung (13) angeordneten Gegenscheibe gebildet. Die beiden Scheiben sind konzentrisch zur Wellenachse angeordnet und können durch eine Axialverschiebung der Welle (16) mittels der Feder (17) in Fixierkontakt miteinander gebracht werden. Die Scheiben weisen hierzu an den einander zugekehrten Kontaktflächen jeweils eine geeignete Haltestruktur, z.B. eine Ringverzahnung oder dgl. auf, die eine bevorzugt formflüssige Scheibenverbindung in einer Vielzahl von Drehstellungen des Eingangselements (21) bzw. des Stellarms (24) ermöglicht. Das z.B. als Ritzel ausgebildete Eingangselement (21) kann mit der Welle (16) gegen die Feder (17) verschoben werden. Das Ausgangselement (22) bzw. eine Zwischenstufe des Übersetzungsgetriebes (20) erlaubt die Schiebebewegung und ist entsprechend ausgebildet.
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Im Ausführungsbeispiel von 4 und 5 haben die z.B. kreisscheibenförmigen Kupplungselemente einander zugekehrte Kupplungsflächen mit einer Planverzahnung für die Momenteneinleitung. Die Kupplungselemente (11, 12) werden in Axialrichtung der Welle (16) durch die Roboterbewegung in formschlüssigen Eingriff miteinander gebracht, wobei auch die Fixierung (19) gelöst werden kann und die Kupplung (10) durch die Gegenkraft der Feder (17) geschlossen bleibt.
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Das Kupplungselement (12) ist am Abtriebselement (47) des Industrieroboters (2) und wird zur Momenteneinleitung in geeigneter Weise vom Industrieroboter (2) gedreht, z.B. durch eine Antriebsbewegung um die Abtriebsachse (48) bzw. die Roboterachse (VII).
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Wenn die gewünschte Stellposition des Stellwerkzeugs (15) gefunden ist, führt der Industrieroboter (2) bei geschlossener Kupplung (10) eine Rückwärtsbewegung entlang der Wellenachse (16) aus, wobei die Fixierung (19) geschlossen wird und die Stellposition sichert sowie das Lastmoment abstützt. Der Industrieroboter (2) kann dann Abkuppeln und die Steckkupplung (10) lösen. Er kann anschließend für andere Aufgaben eingesetzt werden, wobei er sein mitgeführtes Kupplungselement (12) benutzt oder dieses gegen ein anderes Werkzeug oder degl. austauscht. Zu diesem Zweck kann zwischen dem Kupplungselement (12) und dem Abtriebselement (46) eine automatische Wechselkupplung (nicht dargestellt) angeordnet sein.
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In 1 bis 3 ist die vorerwähnte Werkzeugvariante eines Drehwerkzeugs (14), insbesondere eines Schraubwerkzeugs, dargestellt. Es weist mindestens einen vorerwähnten motorischen Antriebsstrang (39) auf, der am Gestell (5) angeordnet ist und einen drehenden Antrieb (40) sowie ein Getriebe (41) aufweist und der abtriebsseitig mit dem Abtriebsteil (9) verbunden ist. Das Abtriebsteil (9) kann bei einem Drehwerkzeug (14) als umlaufend drehende Spindel (25), insbesondere als Schraubspindel, ausgebildet sein. Die Spindel (25) ist über ein Spindellager (26) am Gestell (5) gelagert und abgestützt. Sie weist am freien Ende ein für den jeweiligen Prozess vorgesehenes Werkzeugelement, z.B. einen Halter (27) auf. Dieser kann als Schraubernuss zur Aufnahme einer Schraube oder einer Mutter gemäß 1 ausgebildet sein.
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Der Drehantrieb (40) kann mit der Robotersteuerung oder einer anderen Steuerung verbunden sein. Er kann steuerbar oder regelbar ausgebildet sein. In einer vereinfachten Ausführungsform kann er auch lediglich schaltbar ausgeführt sein. Der motorische Antrieb, insbesondere Dreh- oder Schraubantrieb (40), weist vorzugsweise einen Elektromotor auf. Alternativ sind beliebige andere Antriebsmittel einsetzbar, wobei unter einem motorischen Antrieb allgemein jegliche Art von nicht-manueller Antriebstechnik unter Nutzung von Fremdenergie verstanden wird. Dies schließt fluidische Antriebe, insbesondere auch Zylinder oder dgl., ein.
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Der motorische Antriebsstrang (39) kann außerdem eine Sensorik (42) aufweisen. Diese kann je nach Prozesserfordernissen ausgebildet und angeordnet sein. Bei einem Dreh- oder Schraubprozess kann sie z.B. als Aufnehmer für Drehweg und/oder Drehmoment ausgebildet sein. Sie kann sich z.B. im Antrieb (40) oder an anderer geeigneter Stelle befinden.
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Bei Einsatz eines taktilen Industrieroboters (2) kann ggf. auf eine solche Sensorik (42) verzichtet oder eine vereinfachte Sensorik eingesetzt werden. In diesem Fall werden die sensitiven Eigenschaften des Industrieroboters (2) zur Detektion, z.B. des Reaktionsmomentes beim Drehen, insbesondere Schrauben, benutzt. Hierüber kann z.B. durch Momentenanstieg ein Erreichen der Schraubendstellung, eine evtl. auftretende Störung im Dreh- oder Schraubprozess oder dgl. detektiert werden. Der Drehprozess kann außer einem Schrauben auch andere rotatorische Prozesse, z.B. ein Schließen einer Bajonettverbindung, einen Abwälzprozess, ein Drehen eines Sprühkopfes oder dgl. betreffen.
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Beim gezeigten Schraubprozess dient der motorische Antriebsstrang (39) zum schnellen Andrehen oder Ausdrehen einer Schraube mit hoher Drehzahl und relativ niedrigem Moment. Das zum Festdrehen oder Losdrehen einer Schraube benötigte höhere Drehmoment wird dann vom robotischen Antriebsstrang (6) und vom Industrieroboters (2) aufgebracht. Die Prozessschritte Andrehen und anschließendes Festdrehen beim Setzen einer Schraube bzw. Losdrehen und anschließendes Ausdrehen einer Schraube beim Lösen einer Schraubverbindung werden auf die Antriebsstränge (6, 39) verteilt. Der Freilauf (23) erlaubt dabei ein Andrehen oder Ausdrehen ohne Rückwirkung auf den Industrieroboter (2) bzw. auf den Drehanschluss (8).
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Der bevorzugt taktile Industrieroboter (2) kann eine geringe Tragkraft und ein niedriges maximales Drehmoment von z.B. ca. 30–40 Nm haben. Durch den Momentenverstärker (7) und eine Übersetzung von z.B. 2,5:1 kann ein auf die Spindel (25) einwirkendes Abtriebsmoment von 75–100 Nm erzeugt werden. Das entsprechend hohe Reaktionsmoment kann von der Führungseinrichtung (13) abgestützt werden.
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Ein taktiler Industrieroboter (2) mit einer zugeordneten Sensorik (49) hat sensitive Fähigkeiten. Er kann dabei das Antriebsmoment oder das Reaktionsmoment erfassen und ein bestimmtes Festdreh- oder Losdrehmoment erzeugen. Er kann alternativ oder zusätzlich über eine Wegerfassung einen bestimmten Weg, insbesondere Drehwinkel, des Abtriebsteils (9) generieren.
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Der Industrieroboter (2) kann außerdem das Roboterwerkzeug (4), insbesondere das Abtriebselement (9) bzw. die Spindel (25), an den Prozessort zustellen und ggf. beim Drehprozess auch entsprechend des Dreh- oder Schraubvorschubs nachführen. Ein taktiler Industrieroboter (2) kann mit seinen sensitiven Fähigkeiten auch einen Suchvorgang ausführen, um z.B. die Schraubernuss (26) mit der aufgenommenen Schraube in eine Schrauböffnung einzuführen und auszurichten, sodass anschließend das Andrehen mit dem motorischen Antriebsstrang (39) erfolgen kann.
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1 bis 3 zeigen außerdem eine Variante der Führungseinrichtung (13), die hier beweglich ausgebildet und z.B. als Schlittenführung (30) gestaltet ist. Alternativ kann es sich um eine Lenkerführung oder dgl. andere antriebsfreie Führungseinrichtung handeln. Bei einer solchen Ausführungsform wird der Industrieroboter (2) zum Bewegen und Positionieren des an der Führung (13) angeordneten Roboterwerkzeugs (4), insbesondere Drehwerkzeugs (14), benutzt.
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Die gezeigte Schlittenführung (30) hat z.B. gemäß 1 und 2 drei translatorische Bewegungsachsen. Hierfür ist z.B. das Gestell (5) des Roboterwerkzeugs (4) an einem Führungsteil (33), insbesondere einem Schlitten, befestigt. Der Schlitten (33) kann an einem z.B. horizontalen Tragarm (32) in x-Richtung längsverfahrbar angeordnet sein, wobei der Tragarm (32) seinerseits an einer vertikalen Stütze (31) höhenverstellbar in y-Richtung geführt ist. 2 zeigt gestrichelt eine untere Tragarmstellung. Der Schlitten (33) kann seinerseits gegenüber dem Tragarm (32) zusätzlich in der Höhe bzw. in y-Richtung verstellbar sein, ggf. gegen die Wirkung einer Feder (34). Diese zusätzliche Beweglichkeit ermöglicht z.B. ein Nachführen des Drehwerkzeugs (14) bzw. der Spindel (25) beim Schraubprozess in der Zustellrichtung (50). Das Abtriebselement (9) ist dazu parallel zur besagten Bewegungsachse und der Zustellrichtung (50) ausgerichtet.
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Für die Bewegung und Positionierung des Roboterwerkzeugs (4), insbesondere des Drehwerkzeugs (14), kuppelt der Industrieroboter (2) am Roboterwerkzeug (4), insbesondere am Drehanschluss (8) an und nimmt das Roboterwerkzeug (4) bei seiner Verlagerungsbewegung mit. Die Werkzeugspositionierung, insbesondere eine eventuelle Vorpositionierung vor einem anschließenden Suchvorgang, findet über die Robotesteuerung statt, die dem Industrieroboter (2) eine vorprogrammierte und mit seinem Tool Center Point (abgekürzt TCP) anzufahrende Raumposition vorgibt. Von hier aus kann ein taktiler Industrieroboter (2) auch die vorerwähnte Suchfahrt unter Nutzung der Führungseinrichtung (13) starten, wobei er die korrekte Prozessstellung tastend erfasst.
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Der Industrieroboter (2) kann das Roboterwerkzeug (4) von einer in 2 dargestellten Ruhestellung (37) bis zu einer Arbeitsstellung (38) und der Prozessstelle bewegen und dort positionieren. Er kann dabei unterschiedliche Arbeitsstellung (38) nacheinander anfahren.
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Der Industrieroboter (2) kann während des gesamten Prozesses angekuppelt bleiben. Er kann alternativ im Prozess zeitweise vom Roboterwerkzeug (4) abkuppeln und verschiedene Roboterwerkzeuge (4) nacheinander betätigen bzw. bedienen.
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In der Ruhestellung (37) kann das Roboterwerkzeug (4) mittels einer steuerbaren Arretierung (36) temporär fixiert werden. Hierfür weist z.B. die Führungseinrichtung (13) eine stationäre Halterung (35) auf, die mit einer Arretierung (36) zusammenwirkt. Die Arretierung (36) wird z.B. von einem kegelförmigen Kragen an der drehbaren und gegen eine Feder (17) längs verschieblichen Welle (16) und einer korrespondierenden kegelförmigen Aufnahmeöffnung an der Halterung (35) gebildet. Die Arretierung (36) kann durch Niederdrücken der Welle (16) durch den angekuppelten Industrieroboter (2) gelöst werden, wobei die Welle (16) unter Mitnahme des Roboterwerkzeugs (4) dann durch einen an die Kegelöffnung anschließenden verengten Schlitz von der Halterung (35) entfernt werden kann. Das Eingangsteil (21), insbesondere Ritzel, am Wellenende ist für diese Schiebebewegung entsprechend breit ausgebildet und bleibt dabei mit dem Ausgangselement (22) bzw. Abtriebsrad im Eingriff.
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Eine andere, nicht dargestellte steuerbare Arretierung kann das Roboterwerkzeug (4) in der Arbeitsstellung temporär und ggf. unabhängig vom Industrieroboter (2) fixieren.
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Die Kupplung (10) ist im Ausführungsbeispiel von 1 bis 3 ebenfalls als formschlüssige Steckkupplung ausgebildet, wobei hier eine Variante als Klauenkupplung dargestellt ist. Das roboterseitige Kupplungselement (12) ist als Drehklaue mit einem Schlitz ausgebildet, der mit einer entsprechenden Rippe am werkzeugseitigen Kupplungselement (11) formschlüssig verbindbar ist. Alternativ sind andere Kupplungsformen möglich.
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Die eingangs erwähnte bevorzugte Ausführungsform des bevorzugt taktilen und ggf. MRK-tauglichen Industrieroboters (2) ist in 6 dargestellt.
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Er ist als Gelenkarm- oder Knickarmroboter ausgebildet und weist mehrere, z.B. vier, bewegliche und miteinander verbundene Glieder (43–46) auf. Die Glieder (43–46) sind vorzugsweise gelenkig und über drehende Roboterachsen (I - VII) miteinander und mit einem Sockel verbunden. Es ist ferner möglich, dass einzelne Glieder (44, 45) mehrteilig und in sich beweglich, insbesondere um die Längsachse verdrehbar, ausgebildet sind. Der Industrieroboter (2) weist sieben angetriebene Achsen bzw. Bewegungsachsen (I–VII) auf. Die Roboterachsen (I–VII) sind mit der Robotersteuerung verbunden und können gesteuert und ggf. geregelt werden. Die Glieder- und Achsenzahl kann alternativ kleiner oder größer sein. Auch die Achsenanordnung kann variieren, wobei rotatorische und/oder translatorische Roboterachsen in beliebiger Zahl und Kombination vorhanden sein können.
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Das abtriebsseitige Endglied (46) des Roboters (2) ist z.B. als Roboterhand ausgebildet und weist ein um eine Drehachse (48) drehbares Abtriebselement (47), z.B. einen Abtriebsflansch, auf. Die Drehachse (48) bildet die letzte Roboterachse (VII). Durch ein ggf. hohles Abtriebselement (47) und ggf. andere Roboterglieder (43–46) kann eine Medienzuführung (51) mit einer oder mehreren Leitungen für Betriebsmittel, z.B. elektrische Leistungs- und Signalströme, Fluide etc. von einem Anschluss am Sockel ausgehend geführt sein und am Flansch (47) nach außen treten.
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Am Flansch (47) kann die vorerwähnte Medien- und/oder Wechselkupplung angebaut sein. Die Kupplung (10) kann entsprechend modifiziert sein, um eine Medienversorgung des Roboterwerkzeugs (4), insbesondere des Antriebs (40) und ggf. der Sensorik (42) zu ermöglichen. Alternativ kann das Roboterwerkzeugs (4) von einer externen Medienversorgung gespeist werden.
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Der taktile Industrieroboter (2) besitzt eine oder mehrere kraftgesteuerte oder kraftgeregelte Roboterachsen (I–VII). Die Roboterachsen (I–VII) weisen jeweils ein Achslager, z.B. Drehlager bzw. ein Gelenk, und einen hier zugeordneten und integrierten steuerbaren, ggf. regelbaren Achsantrieb, z.B. Drehantrieb, auf. Außerdem können die Roboterachsen (I–VII) eine steuer- oder schaltbare Bremse haben.
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Der taktile Industrieroboter (2) weist eine zugeordnete Sensorik (49) auf, die von außen einwirkende Belastungen erfasst. Die Sensorik (49) ist vorzugsweise in den taktilen Industrieroboter (2) integriert. Sie weist einen oder mehrere Sensoren auf, die an einer oder mehreren Roboterachsen (I–VII) angeordnet ist/sind. Diese Sensoren können gleiche oder unterschiedliche Funktionen haben. Sie können insbesondere als Kraft- oder Momentensensoren zum Erfassen von einwirkenden Belastungen, insbesondere von Momenten, ausgebildet sein. Sie können ferner Drehbewegungen und ggf. Drehpositionen detektieren.
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Er kann für die MRK-Tauglichkeit und für die taktile Prozessfunktion eine oder mehrere nachgiebige Achsen (I–VII) bzw. nachgiebige Achsantriebe mit einer Nachgiebigkeitsregelung haben. Dies kann eine reine Kraftregelung oder eine Kombination aus einer Positions- und Kraftregelung sein.
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Eine solche nachgiebige Achse vermeidet Unfälle mit Personen und Crashs mit Gegenständen im Arbeitsbereich durch Kraftbegrenzung und ggf. Stillstand oder federndes Ausweichen im Fall unverhergesehener Kollisionen. Sie kann andererseits in verschiedener Hinsicht für den Arbeitsprozess vorteilhaft genutzt werden. Einerseits kann die federnde Ausweichfähigkeit des Roboters (2) zum manuellen Teachen und Programmieren benutzt werden. Über eine Belastungserfassung mit der Robotersensorik (49) an den Achsen (I–VII) kann außerdem das Suchen und Finden der Prozessstelle unterstützt und erleichtert werden. Auch Winkelfehler in der Relativstellung der Glieder (43–46) können detektiert und bedarfsweise korrigiert werden. Eine oder mehrere nachgiebige Achsen sind außerdem zum Nachführen des Roboterwerkzeugs (4) entsprechend des Vorschubs vorteilhaft. Der taktile Industrieroboter (2) kann außerdem bedarfsweise eine definierte Andrück- oder Zugkraft aufbringen.
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Der dargestellte taktile Industrieroboter (2) kann als Leichtbauroboter ausgebildet sein und aus leichtgewichtigen Materialien, z.B. Leichtmetallen und Kunststoff bestehen. Er hat auch eine kleine Baugröße und kann ohne größeren Aufwand transportiert und von einem Einsatzort zum anderen verlegt werden. Das Gewicht des Roboters (2) kann unter 50 kg, insbesondere bei ca. 30 kg, liegen. Durch die Möglichkeit des manuellen Teachens kann die Arbeitseinrichtung (1) schnell und einfach programmiert, in Betrieb genommen und an unterschiedliche Arbeitsprozesse und -jobs angepasst werden.
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Der taktile Industrieroboter (2) ist programmierbar, wobei die Robotersteuerung eine Recheneinheit, einen oder mehrere Speicher für Daten oder Programme sowie Eingabe- und Ausgabeeinheiten aufweist. Das Roboterwerkzeug (4), insbesondere der Antrieb (40) kann mit der Robotersteuerung oder einer anderen gemeinsamen Steuerung verbunden und kann z.B. als gesteuerte Achse in der Robotersteuerung implementiert sein. Die Robotersteuerung kann prozessrelevante Daten, z.B. Sensordaten, speichern und für eine Qualitätskontrolle und -sicherung protokollieren.
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Abwandlungen der gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind in verschiedener Weise möglich. Zum einen können die Merkmale der Ausführungsbeispiele und Ihrer Abwandlungen beliebig miteinander kombiniert und auch ausgetauscht werden.
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Zum anderen sind konstruktive und funktionale Abwandlungen des Roboterwerkzeugs (4) und des Industrieroboters (2) möglich. Die Sensorik (49) kann extern am taktilen Roboter (2) angebaut sein. Sie kann sich z.B. zwischen dem Abtriebselement (47) und dem Kupplungselement (12) oder an letzterem befinden. Die rotatorische Antriebsbewegung des Industrieroboters (2) kann über ein anderes Roboterglied z.B. ein Zwischenglied (44, 45), und ggf. über eine andere Roboterachse erfolgen. Das Abtriebselement (47) kann auch starr am Endglied (46) angeordnet sein.
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Die Führungseinrichtung (13) kann z.B. einen oder mehrere eigene Antriebe aufweisen. Beispielsweise kann ein weiterer Industrieroboter als Führungseinrichtung eingesetzt werden.
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Ferner kann der in den Ausführungsbeispielen gezeigte Momentenverstärker (7) abgewandelt werden. Am Roboterwerkzeug (4) ist dabei nur ein Teil des Momentenverstärkers (7) angeordnet, wobei der andere Teil dem Industrieroboter (2) zugeordnet ist und von diesem gehalten und geführt wird. Die Kupplung (10) wird ebenfalls geändert und in den Momentenverstärker (7) integriert, wobei Teile des Momentenverstärkers (7) als trennbare Kupplungselemente (11,12) ausgebildet sind. Beispielsweise ist im Roboterwerkzeug (4) nur das Ausgangselement (22), insbesondere Abtriebsrad oder auch eine Zwischenstufe angeordnet. Das Eingangselement (21), insbesondere Ritzel, kann dem Industrieroboter (2) zugeordnet sein und von diesem zusammen mit der Welle (16) gehalten und geführt werden. Das Eingangselement (21) bildet dann z.B. das roboterseitige Kupplungselement (12), das zum Ankuppeln mit dem werkzeugseitigen Kupplungselement (11), z.B. dem Abtriebsrad (22) in Treibeingriff gebracht wird und zum Abkuppeln auch wieder gelöst werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Arbeitsvorrichtung
- 2
- Industrieroboter, taktiler Roboter, Leichtbauroboter
- 3
- Werkstück
- 4
- Roboterwerkzeug
- 5
- Gestell, Werkzeuggestell
- 6
- Antriebsstrang robotisch
- 7
- Momentenverstärker
- 8
- Drehanschluss eingangseitig
- 9
- Abtriebsteil ausgangseitig
- 10
- Kupplung
- 11
- Kupplungselement am Werkzeug
- 12
- Kupplungselement, Mitnehmer, Drehklaue
- 13
- Führungseinrichtung
- 14
- Drehwerkzeug, Schraubwerkzeug
- 15
- Stellwerkzeug
- 16
- Welle, Schiebewelle
- 17
- Feder
- 18
- Wellenlagerung
- 19
- Fixierung lösbar
- 20
- Übersetzungsgetriebe rotatorisch
- 21
- Eingangselement, Antriebsrad, Ritzel
- 22
- Ausgangselement, Abtriebsrad
- 23
- Freilauf
- 24
- Stellarm, Schwenkarm
- 25
- Spindel, Schraubspindel
- 26
- Lagerung
- 27
- Halter, Schraubernuss
- 28
- Arbeitswerkzeug
- 29
- Lagerbock
- 30
- Schlittenführung, Lenkerführung
- 31
- Stütze
- 32
- Tragarm
- 33
- Führungsteil, Schlitten
- 34
- Feder
- 35
- Halterung
- 36
- Arretierung
- 37
- Ruhestellung
- 38
- Arbeitsstellung
- 39
- Antriebsstrang motorisch zum Andrehen
- 40
- Drehantrieb, Schraubantrieb
- 41
- Getriebe
- 42
- Sensorik
- 43
- Glied, Basisglied
- 44
- Glied, Zwischenglied
- 45
- Glied, Zwischenglied
- 46
- Glied, Endglied, Hand
- 47
- Abtriebselement
- 48
- Drehachse, Abtriebsachse
- 49
- Sensorik
- 50
- Zustellrichtung
- 51
- Medienzuführung
- I–VII
- Achse von Roboter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/007565 A2 [0003]
- DE 102007063099 A1 [0077]
- DE 102007014023 A1 [0077]
- DE 102007028758 B4 [0077]
