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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugwechselvorrichtung für Manipulatoren mit einem Andockbereich, an dem ein oder mehrere austauschbare Werkzeuge andockbar und arretierbar sind.
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Bei den in der Praxis bekannten Werkzeugwechselvorrichtungen sind für das Arretieren oder Freigeben eines angedockten Werkzeugs Schaltmittel vorhanden, die über einen separaten Antrieb oder zusätzliche Bewegungen des Manipulators betätigt werden.
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Aus der
DE 34 26 892 A1 ist eine Werkzeugwechselvorrichtung für Roboter bekannt. Sie umfasst eine Werkzeughaltevorrichtung zum Einspannen eines Werkzeugs, die bistabil arbeitet. Die Werkzeugwechselvorrichtung umfasst einen verschieblich gelagerten Verriegelungsschlitten, der durch ein lineares Stellglied betätigt wird. Die Auslösung der Bewegung des Stellglieds ist von der Andockbewegung an einer Werkzeugablage unabhängig und wird durch Fluidleitungen verursacht. Die Bewegungsrichtung des Stellglieds ist quer zur Andockrichtung orientiert.
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DD 227 071 A1 offenbart eine Werkzeugablage mit einer Auflageplatte und nach außen vorstehenden Befestigungselementen. Die Befestigungselemente dienen ausschließlich zur Betätigung von Schaltbolzen, die seitlich an einer Werkzeugwechselvorrichtung angeordnet sind.
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Aus der
US 5,044,063 A ist eine Werkzeugwechselvorrichtung für Roboter zum Einsatz im Weltall bekannt. Diese weist einen Betätigungsmechanismus mit einem bistabil gelagerten Schaltkörper auf, welcher durch zwei Nutenräder gebildet ist. Jeweils ein Bolzen an der Unterseite der Nutenräder bildet einen Anschlag zur Begrenzung einer Drehposition, wenn er an einer Kante zur Anlage kommt. In den Nutenrädern ist jeweils eine Kerbe vorgesehen, durch die in einer der stabilen Lagen der Nutenräder ein mit Kerben versehendes Zungenstück eindringen kann. In der anderen stabilen Lage werden auf den Nutenrädern angeordnete Keile in den Kerben am Zungenstück verspannt. Die Betätigung der Nutenräder erfolgt über eine quer zu Eindringrichtung des Zungenstücks orientierte und von der Eindringbewegung separate Auslösebewegung.
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Aus der
US 5,044,063 A ist ferner eine jochförmige Werzeugablage bekannt, an der Schaltbolzen vorgesehen sind. Bei einer Entlangführung des Werkzeugs jeweils einen Bolzen an einem Nutenrad mitnehmen. Die Schaltbolzen dienen ausschließlich der Betätigung dieser Bolzen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeugwechselvorrichtung aufzuzeigen, mit der eine Arretierung des Werkzeugs schnell und ohne zusätzliche Antriebe erreichbar ist. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Kennzeichenteil des Hauptanspruchs.
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Die erfindungsgemäße Werkzeugwechselvorrichtung ermöglicht ein besonders sicheres und einfaches Andocken oder Abdocken von Werkzeugen. Sie arbeitet bevorzugt mit einer korrespondierenden Werkzeugablage zusammen.
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Das Gehäuse der Werkzeugwechselvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist zur Anbringung an einem Manipulator, insbesondere einer Manipulatorhand, ausgebildet. Die Werkzeugwechselvorrichtung verfügt ferner über einen Andockbereich zum translatorischen Aufsetzen oder Einsetzen eines Werkzeugs. Das Aufsetzen oder Einsetzen erfolgt in einer vorgegebenen linearen Andockrichtung. Die Vorgabe der Andockrichtung erfolgt bevorzugt über die geometrische Ausbildung des Andockbereichs. Alternativ oder zusätzlich kann die Andockrichtung steuerungstechnisch vorgegeben und/oder durch konstruktive Mittel an einer Werkzeugablage beschränkt sein, insbesondere durch Führungsmittel.
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Ein angedocktes Werkzeug ist durch ein oder mehrere Arretiermittel am Andockbereich fixierbar, die hierzu zwischen einer aktiven Position und einer passiven Position bewegt, insbesondere verschwenkt oder verschoben werden.
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Die Werkzeugwechselvorrichtung weist einen Betätigungsmechanismus mit einem bistabil gelagerten Schaltkörper auf. Der Schaltkörper kann eine erste stabile Lage und eine zweite stabile Lage einnehmen und zwischen diesen Lagen umgeschaltet werden. In der ersten stabilen Lage hält der Schaltkörper die ein oder mehreren Arretiermittel in der aktiven Position. In der zweiten stabilen Lage gibt er die ein oder mehreren Arretiermittel frei. Bevorzugt ist der Schaltkörper dazu ausgebildet, ein Verschwenken oder Verschieben der Arretiermittel zwischen deren aktiver Position und passiver Position herbeizuführen.
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Die bistabile Lagerung des Schaltkörpers ermöglicht eine besonders einfache Aktivierung und Deaktivierung der Werkzeugarretierung. Das Aktivieren oder Deaktivieren kann insbesondere durch eine jeweils von außen herbeigefügte Schaltbewegung herbeigeführt werden, die durch ein Zusammenwirken der Werkzeugwechselvorrichtung mit einem externen Objekt und in Überlagerung mit dem Andocken oder Abdocken eines Werkzeugs erfolgt. Mit anderen Worten wird die Auslösung der Schaltbewegung aus einer Betätigungsbewegung abgeleitet, die ein Teil der Annäherungs- bzw. Eintauchbewegung der Werkzeugwechselvorrichtung in eine Werkzeugablage ist.
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Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Betätigungsbewegung durch die der Schaltkörper umgeschaltet, d.h. zwischen seiner ersten stabilen Lage und seiner zweiten stabilen Lage hin- und her bewegt wird, parallel zur Andockrichtung ausgerichtet. Es wird also mit nur einer manipulatorgeführten Bewegung der Werkzeugwechselvorrichtung ein kombiniertes Andocken und Arretieren bzw. ein kombiniertes Freigeben und Abdocken ausgeführt. Die Hinzunahme von externen aktiven Schaltmitteln oder Schaltantrieben ist hierzu nicht erforderlich. Ferner bedarf es keiner zusätzlichen Bewegung der Werkzeugwechselvorrichtung zur separaten Betätigung der Arretierungsmittel.
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Der bistabil gelagerte Schaltkörper wird durch eine Kollision mit einer externen Schaltkontur bewegt. Die externe Schaltkontur wird bevorzugt durch einen stationären Teil der Werkzeugablage gebildet, an welche die Werkzeugwechselvorrichtung für das Andocken herangeführt wird. Die externe Schaltkontur kann gegenüber einer Werkzeug-Auflagefläche an der Werkzeugablage zur Werkzeugwechselvorrichtung hin vorspringen. Während der Andockbewegung kann die externe Schaltkontur in das Gehäuse der Werkzeugwechselvorrichtung eindringen, um die Betätigung des bistabil gelagerten Schaltkörpers herbeizuführen. Sie kann dabei insbesondere in Form einer Kollisionsfläche oder einer Stirnfläche eines vorstehenden Schaltbolzens ausgebildet sein, der in direkten oder indirekten Kontakt mit dem Schaltkörper gebracht wird.
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Der bistabil gelagerte Schaltkörper und die Arretiermittel können beliebig ausgebildet sein. Ferner können die ein oder mehreren Arretiermittel wahlweise an der Werkzeugwechselvorrichtung und insbesondere an dem Andockbereich oder an einem bzw. jedem der auswechselbaren Werkzeuge angeordnet sein.
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Alternativ können Arretiermittel sowohl an der Werkzeugwechselvorrichtung als auch an den Werkzeugen vorgesehen sein. Der Betätigungsmechanismus, der die bistabile Lagerung des Schaltkörpers erzeugt, kann beliebig ausgebildet sein. Eine erste bevorzugte Ausführungsvariante sieht eine Herzkurvenführung vor, in die eine an dem Schaltkörper angeordnete Schaltnase eingreift. Eine zweite bevorzugte Ausführungsform sieht eine Zahnprofilführung vor, in die eine entsprechende Führungsnase eingreift. Das nachfolgend zu diesen Betätigungsmechanismen erläuterte Wirkprinzip kann auf andere konstruktive Ausführungen übertragen werden.
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Die Erfindung betrifft ferner eine mit der Werkzeugwechselvorrichtung korrespondierende Werkzeugablage sowie eine Arbeitsstation mit einem Manipulator und einer Werkzeugwechselvorrichtung sowie einer Steuerung, die dazu ausgebildet ist, den Manipulator zur Durchführung eines Werkzeugwechselvorgangs zu betätigen. Der Manipulator weist eine Kräfte- oder Momenten-Sensorik zur Erfassung von Reaktionskräften an der Werkzeugwechselvorrichtung auf. Die Steuerung ist dazu ausgebildet, aus den bei einem Werkzeugwechsel auftretenden Reaktionskräften das Umschalten des Schaltkörpers in eine, insbesondere jede seiner stabilen Lagen zu erfassen. Aus der Feststellung, in welche der stabilen Lagen umgeschaltet worden ist, kann darauf rückgeschlossen werden, ob ein angedocktes Werkzeug korrekt arretiert wurde. Bei der Erkennung einer fehlerhaften Arretierung können geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise können eine erneute Betätigung des Schaltkörpers und/oder die Ausgabe einer Fehlermeldung herbeigeführt werden.
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In den Unteransprüchen sind weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer durch einen Manipulator geführten Werkzeugwechselvorrichtung bei der Heranführung an eine Werkzeugablage;
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2–6: Ablaufskizzen zur Erläuterung der Bewegungen und Schaltvorgänge zum Andocken und Arretieren bzw. Freigeben und Abdocken eines Werkzeugs;
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7: eine perspektivische Darstellung einer Werkzeugwechselvorrichtung mit einem alternativen Betätigungsmechanismus;
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8–10: verschiedene Ansichten und eine Schnittdarstellung des Betätigungsmechanismus aus 7;
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11: Explosionsdarstellungen der mechanischen Bestandteile des Betätigungsmechanismus in geschnittener Darstellung sowie in Seitenansicht;
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12–16: Funktionsdiagramme zur Erläuterung der Bewegungen und Schaltvorgänge zum Umschalten des Betätigungsmechanismus zwischen den stabilen Lagen;
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17: eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Werkzeugwechselvorrichtung mit dem Betätigungsmechanismus aus den vorhergehenden Zeichnungen.
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Eine Werkzeugwechselvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist in den 1 bis 6 dargestellt. Eine zweite bevorzugte Ausführungsform ist in den 7 bis 16 enthalten, mit einer zusätzlichen Variante in 17. Nachfolgend wird zunächst die erste Ausführungsvariante unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erläutert.
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Die in 1 gezeigte Werkzeugwechselvorrichtung (2) weist ein Gehäuse (4) zur Anbringung an einem Manipulator (1) auf. Die Seite des Gehäuses, an welcher die Befestigung am Manipulator erfolgt, wird im Folgenden als Rückseite bezeichnet. Die Seite des Gehäuses (4), an der sich der Andockbereich (6) befindet, wird im Folgenden als Vorderseite bezeichnet. In den beigefügten Zeichnungen sind die Vorderseite und die Rückseite einander gegenüberliegende Seiten des Gehäuses (4). Alternativ können die Vorder- und die Rückseite zueinander anders ausgerichtet sein.
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In den Zeichnungen wird davon ausgegangen, dass ein Werkzeugwechsel in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung ausgeführt wird. Dies hat Vorteile, da ein Werkzeug bei Freigabe der Arretierung durch sein Eigengewicht an die Werkzeugablage übergeben werden kann. Alternativ kann die Übergabe des Werkzeugs durch konstruktive Mittel unterstützt sein, bspw. durch Magnete, die ein Werkzeug an der Werkzeugablage und/oder am Andockbereich mit einer beschränkten Kraft halten. Ferner kann die für den Werkzeugwechsel auszuführende Bewegung anders orientiert sein, bzw. horizontal. Die in der nachfolgenden Beschreibungen verwendeten Richtungsangabe „oben“ und „unten“ sind dann entsprechend abgewandelt zu interpretieren.
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An der Rückseite des Gehäuses (4) ist bevorzugt eine Flanschplatte (5) vorgesehen, über die die Werkzeugwechselvorrichtung (2) mit dem Manipulator (1), insbesondere mit einer Manipulatorhand (3) fest verbindbar ist. Im Bereich dieser Flanschplatte können ggf. Medienanschlüsse oder mechanische Koppelelemente vorgesehen sein, durch die eine Energieversorgung oder Steuerung für die anzudockenden Werkzeuge (7) bereitgestellt werden kann (nicht dargestellt). Entsprechende Medienanschlüsse oder mechanische Koppelelemente können am Andockbereich (6) vorgesehen sein.
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Der Andockbereich (6) kann beliebig ausgebildet sein. Es wird nachfolgend beispielhaft davon ausgegangen, dass der Andockbereich (6) eine Ringform aufweist. Ein Werkzeug (7, 8) kann an dem Andockbereich (6) über eine innere oder äußere Zylinderwand des Rings geführt und positioniert werden. Ein aufzunehmendes Werkzeug (7, 8) kann entsprechend eine ringförmige Ausnahme aufweisen, die auf den Andockbereich an der Werkzeugwechselvorrichtung (2) aufsetzbar oder in diesen einsetzbar ist. Alternativ können beliebige andere Geometrien vorgesehen sein, insbesondere Andockbereiche mit einer vollzylindrischen, quaderförmigen, konischen oder pyramidalen Kontur.
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In der Darstellung gemäß 2 ist ein Werkzeug (7) an dem Andockbereich (6) angedockt und in dieser Stellung arretiert. Die Werkzeugwechselvorrichtung (2) wird durch den Manipulator (1) vor, insbesondere über einer Werkzeugablage (10) gehalten. Die Werkzeugablage (10) umfasst eine Auflagefläche (18), auf der das Werkzeug (7) nach dessen Freigabe abgelegt werden kann. Ferner sind an der Werkzeugablage (10) Führungsmittel vorgesehen, die ein seitliches Verrutschen oder Herausfallen des Werkzeugs (7) verhindern. In dem gezeigten Beispiel werden diese Führungsmittel durch Führungsbolzen (17) gebildet, die gleichzeitig als Schaltbolzen dienen. An dem von der Werkzeugablage (10) wegweisenden Ende der Führungsbolzen (17) ist eine Stirnfläche gebildet, die als externe Schaltkontur (14) wirkt. Alternativ kann eine Funktionstrennung für das Führen des Werkzeugs (7, 8) und das Schalten vorgesehen sein.
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Um das Abdocken des Werkzeugs (7) herbeizuführen, wird die Werkzeugwechselvorrichtung (2) durch den Manipulator (1) derart an die Werkzeugablage (10) in der Andockrichtung (A) herangeführt, dass das Werkzeug (7) zwischen den Führungsbolzen (17) positioniert wird.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 2 bis 6 wird der Vorgang einer Freigabe der Arretiermittel (9) und des Abdockens des Werkzeugs (7) sowie im Anschluss der Vorgang des Andockens eines Werkzeugs (7) und der Aktivierung der Arretiermittel (9) erläutert.
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In den 2 bis 6 sind jeweils im oberen Bereich eine perspektivische Darstellung, im unteren Bereich eine zugehörige Schnittdarstellung und im linken Bereich eine vergrößerte Ansicht der Herzkurvenführung (16) dargestellt. Die Schaltstellung des Schaltkörpers (12) wird durch die Position einer Führungsnase (20) innerhalb der Herzkurvenführung (16) illustriert. Alternativ könnte eine beliebige andere Betätigungsmechanik mit bistabiler Lagerung vorgesehen sein.
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Die Arretiermittel (9) werden im vorliegenden Beispiel durch Kugeln (15) gebildet, die in einer Ringwand des Andockbereichs (6) aufgenommen sind. Diese Kugeln (15) können sich in radialer Richtung innerhalb vorgegebener Grenzen bewegen. Sie sind gegen Herausfallen gesichert.
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Am Werkzeug (7) ist in der Aufnahmewandung eine umlaufende Nut vorgesehen, in die die Kugeln (15) eingeschoben werden können, um die Arretierung herbeizuführen. Das Einschieben der Kugeln (15) wird durch den Schaltkörper (12) indirekt oder direkt herbeigeführt.
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In dem gezeigten Beispiel weist der Schaltkörper (12) eine zylindrische Kontur auf, welche die Kugeln (15) in der Ringwandung nach außen verdrängen und hierdurch in der aktiven Position (AP) hält, während sich der Schaltkörper (12) in der ersten stabilen Lage (S1) befindet (siehe Schnittdarstellungen in 2 und 3). Angrenzend an diese zylindrische Kontur ist in Richtung zur Vorderseite hin ein angeschrägter Bereich vorgesehen. Dieser bildet eine Anlaufschräge, um die Kugeln (9, 15) aus einer passiven Position (PP) in die aktive Position (AP) zu verschieben, wenn sicher der Schaltkörper (12) zu der ersten stabilen Lage (S1) hinbewegt (siehe 5).
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Wenn der Schaltkörper (12) in der passiven Position (PP) ist, wird die innenseitige Abstützung der Kugeln (9, 15) aufgehoben, sodass sich diese von der aktiven Position (AP) in die passive Position (PP) verlagern können.
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Der Schaltkörper (12) wird in dem gezeigten Beispiel durch einen Spannmechanismus (13) in Form einer Feder einseitig vorgespannt. Um den Schaltkörper (12) aus der ersten stabilen Lage (S1) in die zweite stabile Lage (S2) zu überführen, kann er in einer Betätigungsbewegung entgegen der Vorspannkraft verschoben werden. Diese Betätigungsbewegung ist bevorzugt parallel zur Andockrichtung (A) ausgerichtet. Ferner kann eine elastische Vorspannung für eine Rotation des Schaltkörpers (12) vorgesehen sein (nicht dargestellt), die ein Umlaufen der Führungsnase (20) innerhalb der Herzkurvenführung (16) in einer Schleifenform unterstützt bzw. erzwingt.
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Bei dem in 3 skizzierten Zustand wurde die Werkzeugwechselvorrichtung (2) mit dem noch angedockten Werkzeug (7) soweit in der Andockrichtung (A) in die Werkzeugablage (10) hineinbewegt, dass das Werkzeug (7) zur Anlage mit der Auflagefläche (18) kommt. Die Auflagefläche (18) ist in dem gezeigten Beispiel nachgiebig gelagert, was vorliegend durch elastisch vorgespannte Lagerelemente (19) in Form von Federn erreicht wird. Die Federn sind auf die Schalt- und Führungsbolzen (17) aufgelegt, wodurch eine besonders einfache Konstruktion erreicht wird. Alternativ kann eine andere nachgiebige Lagerung vorgesehen sein.
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Die nachgiebige Lagerung der Auflagefläche (18) sorgt dafür, dass das Werkzeug (7) während der Durchführung einer Arretierung oder Freigabe in Anlage mit dem Andockbereich (6) verbleibt.
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Aus dem Übergang von 3 zu 4 ist ersichtlich, dass die Schaltbolzen (17) durch Öffnungen in der Vorderseite der Werkzeugwechselvorrichtung (2), insbesondere des Gehäuses (4), in die Werkzeugwechselvorrichtung (2) eindringen können. Die Stirnflächen der Schaltbolzen (17) bilden Kollisionsflächen, an denen der bistabil gelagerte Schaltkörper (12) angelegt wird. Wenn also im Übergang von 3 zu 4 die Werkzeugwechselvorrichtung (2) noch weiter in der Andockrichtung (A) in die Werkzeugablage (10) hineinbewegt wird, wird hierbei der Schaltkörper (12) zurückgehalten und hierdurch relativ zum weiter bewegten Gehäuse (4) zur Rückseite der Werkzeugwechselvorrichtung (2) verlagert. Hierbei wird die Vorspannkraft des Spannmechanismus (13) überwunden. Die Betätigungsbewegung des Schaltkörpers (12) ist somit parallel zur Andockrichtung (A) ausgerichtet.
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Durch die Relativbewegung zwischen dem Schaltkörper (12) und dem Andockbereich (6) werden die Arretiermittel (9) freigegeben.
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Wie aus dem Übergang von 4 zur 5 ersichtlich ist, bestimmt der Betätigungsmechanismus (11), hier in Form der Herzkurvenführung (16), wie weit die Relativbewegung des Schaltkörpers (12) zunächst zur Rückseite hin und dann in Gegenrichtung zur Vorderseite verlaufen kann, wenn sich der Schaltkörper von der ersten stabilen Lage (S1) (vgl. 3) in die zweite stabile Lage (S2) (vgl. 5) bewegt. Der Abstand zwischen den stabilen Lagen (S1, S2) in der Bewegungsrichtung bzw. Andockrichtung (A) ist so gewählt, dass der Schaltkörper (2) auch bei Erreichen der zweiten stabilen Lage (S2) die Arretiermittel (9) noch freigibt (vgl. 5).
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In dem in 4 dargestellten Zustand sind die Schaltbolzen (17) maximal in das Gehäuse (4) eingeschoben und der Schaltkörper (12) hat seine höchste Position erreicht. Beim Übergang von 4 zur 5 wird die Werkzeugwechselvorrichtung (2) wieder aus der Werkzeugablage (10) herausbewegt. Dabei wird einerseits die Rückbewegung des Schaltkörpers (12) in Folge der Vorspannkraft des Spannmechanismus ermöglicht. Die Stirnflächen der Schaltbolzen (17) bewegen sich wieder aus dem Gehäuse (4) hinaus. Andererseits wird die nachgiebige Lagerung (19) der Auflagefläche (18) entspannt, wobei das Werkzeug (7) noch ein Stück weit in Anlage mit dem Andockbereich (6) gehalten wird.
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Wie aus 6 ersichtlich ist, wird bei einem weiteren Wegbewegen der Werkzeugwechselvorrichtung (2) von der Werkzeugablage (10) die Verbindung zwischen dem Andockbereich (6) und dem Werkzeug (7) getrennt. Mit anderen Worten wird der Andockbereich (6) aus dem Werkzeug (7) herausgezogen. Die Werkzeugwechselvorrichtung (2) kann nun zu einer anderen Werkzeugablage (10) mit einem anderen Werkzeug (7) bewegt werden, um dieses aufzunehmen. Alternativ kann auf derselben Werkzeugablage (10) ein anderes Werkzeug (8) zur Aufnahme bereitgestellt werden.
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Der Vorgang des erneuten Andockens und Arretierens eines Werkzeugs (7) an der Werkzeugwechselvorrichtung (2) erfolgt im Wesentlichen nach denselben oben beschriebenen Prinzipien und ist daher nicht mit separaten Figuren erläutert.
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Zum Aufnehmen eines auf der Werkzeugablage (10) bereitgestellten Werkzeugs (7) wird erneut der Andockbereich (6) in den korrespondierenden Bereich am Werkzeug (7) eingeführt. Die Werkzeugwechselvorrichtung (2) wird soweit in die Werkzeugablage (10) hineinbewegt, dass die Schaltbolzen (17) bis zum Schaltkörper (12) eindringen und diesen relativ zum Gehäuse (4) verlagern. Dabei wird die Führungsnase (20) entlang der rechten Hälfte der Herzführungskurve (16) nach oben bewegt. Wenn der höchste Punkt erreicht ist, stoppt die Eintauchbewegung. Bei einer nachfolgenden Rückbewegung, d.h. bei einem erneuten Herausziehen der Werkzeugwechselvorrichtung (2), wird das Werkzeug (7) über die Auflagefläche (18) und deren nachgiebige Lagerung (19) im anliegenden Kontakt mit dem Andockbereich (6) gehalten.
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Beim anschließenden Herausbewegen der Werkzeugwechselvorrichtung (2) aus der Werkzeugablage (10) bewegt sich der Schaltkörper (12) wieder relativ zur Vorderseite des Gehäuses (4), wobei die Führungsnase (20) im rechten äußeren Ast der Herzkurvenführung (16) nach unten läuft, bis die zweite stabile Schaltlage (S2) erreicht ist.
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Durch die Betätigungsbewegung des Schaltkörpers (12) drängen die Anlaufschrägen unterhalb des zylindrischen Bereichs die Kugeln (9, 15) in der Ringwandung nach außen, sodass diese in die korrespondierende Nut im Werkzeug (7) eintauchen und eine feste Arretierung herbeiführen.
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Bei einer Entfernung der Werkzeugwechselvorrichtung (2) von der Werkzeugablage (10) treten die Schaltbolzen (17) wieder aus dem Gehäuse (4) aus und das an der Werkzeugwechselvorrichtung (2) fest angedockte Werkzeug (7) kann nun frei für weitere Bearbeitungen verwendet werden.
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In 7 bis 17 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform für den Betätigungsmechanismus (11) der Werkzeugwechselvorrichtung (2) dargestellt. 7 zeigt dabei den an der Manipulatorhand (3) des Manipulators (1) befestigten Anteil der Werkzeugwechselvorrichtung (2). Dieser wird für die Ausführung der Betätigungsbewegung des Schaltkörpers (12) zwischen einer ersten stabilen Lage (S1) und einer zweiten stabilen Lage (S2) umgeschaltet. Die restlichen Bestandteile der Werkzeugwechselvorrichtung (2) können beliebig ausgebildet sein. Insbesondere kann das in 7 dargestellte Gehäuse (4) gleichzeitig als Andockbereich (6) fungieren, auf den ein Werkzeug (7) aufsetzbar ist.
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An dem Werkzeug (7) können dann Arretiermittel (9) in beliebiger geometrischer Ausführung, insbesondere in Hebelform, angeordnet sein, welche über den Schaltkörper (12) in seiner ersten stabilen Lage (S1) in der aktiven Position gehalten und in der zweiten stabilen Lage (S2) freigegeben werden. Die Arretiermittel (9) können hierzu in die Nut auf der Außenseite des Gehäuses (4) eingreifen.
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Alternativ kann eine Ausbildung der Werkzeugwechselvorrichtung (2) gemäß 17 vorgesehen sein, bei welcher der Betätigungsmechanismus (11) einen inneren Bestandteil bildet, um den sich herum ein Gehäuse (4) mit einem daran an der Vorderseite angeordneten Andockbereich (6) sowie einem im inneren aufgenommenen zusätzlichen Teil des Schaltkörpers (12) befindet.
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Nachfolgend wird zuerst mit Bezug auf die 8 bis 16 die Funktionsweise des Betätigungsmechanismus (11) erläutert.
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8, 9 und 10 zeigen eine Draufsicht, eine gekippte Seitenansicht (9) sowie eine Halbschnittdarstellung (10) gemäß Schnittlinien X-X in 8. Die Nut auf der Außenseite des Gehäuses (4) ist zur Vereinfachung der Zeichnungen nicht dargestellt.
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Der Betätigungsmechanismus (11) weist eine Zahnprofilführung (21) auf, in die eine oder mehrere an dem Schaltkörper (12) angeordnete Führungsnasen (20) eingreifen. Bei einer Hin- und Herbewegung des Schaltkörpers (12) in dessen Axialrichtung (= Andockrichtung A) werden die ein oder mehreren Führungsnasen (20) abwechselnd oder gleichzeitig von Anlaufschrägen an einem oberen Zahnkranz (22) und einem unteren Zahnkranz (23) geführt. Mit anderen Worten definieren die Zahnkränze (22, 23) die Zahnprofilführung.
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Der Aufbau der Zahnkränze und das Zusammenwirken mit den Führungsnasen am Schaltkörper (12) werden noch besser aus der 11 ersichtlich. Dort sind der obere Zahnkranz (22), der untere Zahnkranz (23) sowie der zwischen diesen aufgenommene obere Teil des Schaltkörpers (12) mit den Führungsnasen (20) in Explosionsdarstellung gezeigt. Die linke Seite von 11 zeigt dabei eine Schnittdarstellung, während die rechte Seite eine Außenansicht zeigt. Der obere Zahnkranz (22) und der untere Zahnkranz (23) werden bevorzugt fest miteinander verbunden. Der Schaltkörper (12) kann zwischen den Zahnkränzen (22, 23) ein seiner Axialrichtung begrenzt verlagert werden. Ferner ist eine Relativdrehung des Schaltkörpers (12) gegenüber den Zahnkränzen (22, 23) gemäß der Zahnprofilführung (21) vorgesehen.
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In den 12 bis 14 ist ein Übergang des Schaltkörpers (12) aus einer ersten stabilen Lage (S1) in eine zweite stabile Lage (S2) dargestellt. In der ersten stabilen Lage (S1) befindet sich die Führungsnase (20) des Schaltkörpers (12) in einer Ausnehmung zwischen zwei Zahngruppen des unteren Zahnkranzes (23). Dies stellt die unterste Position dar, welche der Schaltkörper (12) erreichen kann.
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Wenn der Schaltkörper (12) im Übergang von 12 zu 13 nach oben hin verschoben wird, gleitet die Führungsnase (20) gegen eine darüber angeordnete schräge Führungskante am oberen Zahnkranz (22). Hierdurch wird eine rotatorische Relativbewegung zwischen dem Schaltkörper (12) einerseits und dem oberen sowie dem unteren Zahnkranz (22, 23) andererseits herbeigeführt. In dem Zustand gemäß 13 hat der Schaltkörper (12) seine höchste Position erreicht. Mit anderen Worten ist er maximal eingeschoben.
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Beim Übergang von 13 zu 14 bewegt sich der Schaltkörper (12) wieder nach unten. Dabei läuft die Führungsnase (20) gegen eine darunter liegende Anlaufschräge am unteren Zahnkranz (23). Durch diese Anlaufschräge wird die Führungsnase (20) relativ zu den Zahnkränzen (22, 23) verdreht und in eine weitere Ausnehmung innerhalb einer Zahngruppe am unteren Zahnkranz (23) geführt. Der Schaltkörper wird somit in die zweite stabile Lage (S2) befördert, die in 14 dargestellt ist.
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In den 14 bis 16 ist ein erneutes Umschalten des Schaltkörpers (12) aus der zweiten stabilen Lage (S2) in die erste stabile Lage (S1) dargestellt. Hierbei wird erneut zunächst der Schaltkörper (12) nach oben verschoben, wobei die Führungsnase (20) mit einer Anlaufschräge am oberen Zahnkranz (22) zusammenwirkt und eine Relativdrehung herbeiführt. Wenn sich anschließend der Schaltkörper (12) wieder nach unten bewegt, kontaktiert er eine entsprechend darunter liegende Anlaufschräge am unteren Zahnkranz (23), so dass es zu einer weiteren Relativdrehung kommt und die Führungsnase (20) wieder in die erste stabile Lage (S1) gelangt.
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Aus einem Vergleich der 17 mit den 1 bis 6 ist ersichtlich, dass die in 17 dargestellte Werkzeugwechselvorrichtung (2) mit einem Betätigungsmechanismus (11) nach Art der 7 bis 14 in derselben Weise zur Durchführung eines Werkzeugwechsels benutzt werden kann, wie oben in Bezug auf den Betätigungsmechanismus mit der Herzkurvenführung (16) erläutert worden ist.
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In Abwandlung zu den 1 bis 6 kann hier jedoch ein einzelner zentraler Schaltbolzen an der Werkzeugablage (10) angeordnet sein. Dieser kann gleichzeitig als zentraler Führungsbolzen zur Aufnahme eines Werkzeugs (8) dienen.
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Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können die beschriebenen, gezeigten sowie beanspruchten Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder weggelassen werden.
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Anstelle der gezeigten Betätigungsmechaniken mit einer Herzkurvenführung (16) oder einer Zahnprofilführung (21) kann eine beliebige andere Mechanik zur bistabilen Lagerung eines Schaltkörpers (12) vorgesehen sein. Die Anordnung von Führungskurve und Führungsnase kann umgekehrt sein. Es kann also am Gehäuse (4) eine stationäre und gegebenenfalls federnd gelagerte Führungsnase (20) angeordnet sein, die in eine am Schaltkörper (12) vorgesehene Führungskurve (16, 21) eingreift. Die Führungskurve kann dabei entweder eine Herzkurvenführung oder eine Zahnprofilführung oder eine beliebige andere Führung zur Schaffung von zwei stabilen Lagen sein.
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Der Schaltkörper (12) kann einteilig (vgl. 1 bis 6) oder mehrteilig (vgl. 17) ausgebildet sein. Eine Spannvorrichtung (13) kann in beliebiger anderer Weise ausgebildet sein und beispielsweise zur Vorspannung Magnetkräfte oder elektrostatische Kräfte einsetzen.
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Die Arretiermittel (9) können in beliebiger Form vorliegen und auf beliebige Weise die Stützkraft von dem Schaltkörper (12) auf die zu arretierende Kontur des Werkzeugs bzw. des Andockbereichs (6) übertragen. Die Arretiermittel (9) können insbesondere in Form von Gelenkhebeln oder verschieblichen Stiften bzw. Arretierbolzen ausgebildet sein. Die Arretiermittel können gegebenenfalls in Richtung der passiven Position elastisch vorgespannt sein, insbesondere durch Federelemente, so dass sie von dem Schaltkörper (12) entgegen dieser Vorspannung in die aktive Position (AP) bewegt werden. Wenn der Schaltkörper (12) in die andere stabile Lage (S2) wechselt, können die Arretiermittel (9) freigegeben und über die Vorspannungskraft in die passive Position (PP) zurückbewegt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Manipulator / Industrieroboter / Leichtbauroboter
- 2
- Werkzeugwechselvorrichtung
- 3
- Manipulatorhand
- 4
- Gehäuse
- 5
- Flanschplatte
- 6
- Andockbereich
- 7
- Werkzeug
- 8
- Werkzeug
- 9
- Arretiermittel /Kugel / Hebel / Bolzen
- 10
- Werkzeugablage
- 11
- Betätigungsmechanismus
- 12
- Schaltkörper mit bistabiler Lagerung
- 13
- Spannmechanismus / Feder
- 14
- Externe Schaltkontur
- 15
- Kugel
- 16
- Herzkurvenführung
- 17
- Schaltbolzen / Führungsbolzen
- 18
- Auflagefläche
- 19
- Elastisch vorgespanntes Lagerelement / Feder
- 20
- Führungsnase
- 21
- Zahnprofilführung
- 22
- Oberer Zahnkranz
- 23
- Unterer Zahnkranz
- A
- Andockrichtung / Betätigungsbewegung
- S1
- Erste stabile Lage
- S2
- Zweite stabile Lage
- AP
- Aktive Position
- PP
- Passive Position
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3426892 A1 [0003]
- DD 227071 A1 [0004]
- US 5044063 A [0005, 0006]
