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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung zum automatischen Öffnen und Schließen eines Werkzeugwechslers für einen Werkzeugroboter, insbesondere einen Industrie-Werkzeugroboter.
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Werkzeugwechsler für Werkzeugroboter bilden eine im Wesentlichen standardisierte Schnittstelle, die es Werkzeugrobotern in der Industrie erlauben, Werkzeuge für verschiedene Arbeitsaufgaben aus Parkstationen flexibel aufzunehmen und auch wieder darin abzulegen.
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Dazu gibt es üblicherweise ein an einem Roboterarm des Werkzeugroboters montiertes Festteil mit aktiven, üblicherweise pneumatisch angetriebenen Verriegelungskomponenten einschließlich Rastkugeln, -finger, -nocken und/oder -bolzen. Zudem gibt es eine beliebige Anzahl an sogenannten Losteilen, die an jeweiligen Werkzeugen montiert sind und mit dem Werkzeugroboter bzw. dem Festteil koppelbar sind. Hierzu weisen Losteile in der Regel jeweils eine Hinterschneidung oder dergleichen auf, in welche ein Koppelmechanismus über die Verriegelungskomponenten eingreifen kann.
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Durch den Anbau von aufgabenspezifischen Mediendockmodulen an den Roboterarm des Werkzeugroboters und/oder das Festteil können die jeweiligen Werkzeuge mit den zur Erfüllung von zugehörigen Arbeitsaufgaben erforderlichen Medien versorgt werden. Die Herstellung der Medienverbindung zwischen Werkzeugroboter, Werkzeugwechsler und Werkzeug erfolgt automatisch beim mechanischen Ankoppeln des Werkzeugs in einer sicheren Parkposition in einer Parkstation. Beim Ablegen bzw. Entkoppeln des Werkzeugs vom Werkzeugroboter, d.h., Entkoppeln des Werkzeugs einschließlich des Losteils, in der Regel nach erfolgtem Abschluss eines Arbeitsvorgangs, wird die Medienverbindung wieder automatisch getrennt.
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So lange der Werkzeugroboter seine Arbeitsaufgaben im automatischen Betrieb erfüllt, befindet sich dieser in einem geschützten Bereich, beispielsweise hinter Gitter, und ist dadurch von Arbeitspersonal sicher getrennt. Unter diesen Umständen kann ein Sicherheitsrisiko für Arbeitspersonal ausgeschlossen oder zumindest stark reduziert werden.
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Unter normalen Betriebsbedingungen ist eine Sicherheitsbetrachtung des Werkzeugwechslers, d.h., des Koppelmechanismus zwischen dem Festteil und dem Losteil, grundsätzlich irrelevant, da bei geschlossenem Schutzraum keine Personalgefährdung besteht. Wenn Arbeitspersonal den Arbeitsbereich des Werkzeugroboters betritt, zum Beispiel um Schäden am Werkzeugroboter zu beheben oder Programmierarbeiten bzw. Serviceaufgaben zu erfüllen, steigt das Sicherheitsrisiko für das Arbeitspersonal hingegen stark an. Der Roboter wird bzw. ist in einer derartigen Situation zwar gestoppt, d.h., außer Betrieb gesetzt, es muss jedoch unter allen Umständen verhindert werden, dass durch externe Einflüsse oder unvorhersehbare Betriebszustände des Werkzeugroboters ein Abkoppeln des Werkzeugs erfolgt und dadurch Arbeitspersonal gefährdet, verletzt oder getötet wird.
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Neben mechanischen Sicherheitsfunktionen des Koppelmechanismus, beispielsweise eine Selbsthaltung bei einem Ausfall eines Betriebsmediums wie Druckluft, ist es insbesondere wichtig, eine Entkopplung durch Umsteuern, beispielsweise mutwilliges oder versehentliches Fehlsteuern des Koppelmechanismus durch Arbeitspersonal, zu verhindern. Im Stand der Technik sind hierzu, wie beispielsweise in der
DE 103 94 188 T5 beschrieben, Sicherheitsschaltungen bekannt, bei welchen mittels der Betätigung eines Schalters, der auf der Außenseite eines Werkzeugwechslers bzw. eines Werkzeugroboters angeordnet ist, eine Ansteuerung des Kopplungsmechanismus des Werkzeugwechslers deaktivierbar ist. Dieser Schalter kann beispielsweise durch eine Bewegung des Werkzeugroboters relativ zu einer Peripherie desselben geschlossen werden. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien der jeweiligen Werkzeuge hat sich in der Praxis jedoch gezeigt, dass diese Lösung unbefriedigend ist.
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Zur Verringerung des Sicherheitsrisikos für Arbeitspersonal gibt es deshalb Ansätze, mit großem steuerungstechnischen Aufwand die gesamte Befehlskette des Werkzeugroboters zweikanalig auszuführen. Hierbei wird beispielsweise ein sogenannter sicherer Sensor am Festteil des Werkzeugwechslers angeordnet, der ein kodiertes Zielwerkzeug in einer zugehörigen Parkstation erkennt. Die Betätigungsventile zur Umsteuerung der Werkzeugwechsler-Mechanik sind ebenfalls zweikanalig ausgeführt, wodurch immer zwei Befehle übermittelt werden müssen. Die Pneumatik-Pfade zum Entkoppeln eines Werkzeugs bzw. des Losteils vom Festteil werden dabei in Reihe ausgeführt. Alle Sensoren und Aktoren sind hierbei gegeneinander verriegelt und abgefragt. Ein übermittelter Befehl zum Entkoppeln des Werkzeugs wird nur dann umgesetzt, wenn sich das Werkzeug in einer sicheren Position in der Parkstation befindet und alle Diagnoseglieder ein ordnungsgemäß funktionierendes System melden.
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Die Entkoppelbefehle werden nacheinander oder gleichzeitig zweikanalig an zwei in Reihe geschalteten Ventile übermittelt, wodurch die Ventile entsprechend nacheinander umschalten. Der Koppelmechanismus wird nur freigegeben bzw. ein Entkoppeln wird nur dann erlaubt, wenn alle Bedingungen erfüllt sind. Bereits geringste Abweichungen von einem Soll-Zustand führen zu einem Sperren des Systems und dadurch zu einem Stopp des Werkzeugroboters.
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In der Praxis hat sich gezeigt, dass derartige Ansteuersysteme aufwendig und teuer sind. Außerdem hat sich herausgestellt, dass eine Vielzahl von unvorhersehbaren Einflüssen zum Stopp des Werkzeugroboters führen können, deren Ursachen anschließend nicht auf den ersten Blick erkennbar und somit nur langsam behebbar sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum automatischen Öffnen und Schließen eines Werkzeugwechslers für einen Werkzeugroboter bereitzustellen, durch welche in Gefahrensituationen auf einfache und kostengünstige Weise ein sicherer Halt eines Werkzeugs im Werkzeugwechsler gewährleistet werden kann.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch die Schutzansprüche gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Ventilvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkzeugwechsler, dem erfindungsgemäßen Werkzeugroboter und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ventilvorrichtung zum automatischen Öffnen und Schließen eines Werkzeugwechslers für einen Werkzeugroboter bereitgestellt, aufweisend ein Pneumatikventil mit einem Kolben, eine Stellvorrichtung für den Kolben sowie eine Arretiervorrichtung. Die Stellvorrichtung weist einen Stellantrieb und ein durch den Stellantrieb antreibbares Stellmittel auf, wobei der Kolben durch das Stellmittel in eine erste Kolbenposition und eine zweite Kolbenposition verstellbar ist. Das Stellmittel ist dabei derart mit dem Kolben verbunden ist, dass der Kolben in die erste Kolbenposition verstellt wird, wenn das Stellmittel in eine erste Stellmittelposition verstellt wird und der Kolben in die zweite Kolbenposition verstellt wird, wenn das Stellmittel in eine zweite Stellmittelposition verstellt wird. Zudem ist das Stellmittel in der ersten Stellmittelposition und der zweiten Stellmittelposition bzw. jeweils in der ersten Stellmittelposition und der zweiten Stellmittelposition durch die Arretiervorrichtung arretierbar.
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Durch die erfindungsgemäße Verbindung des Kolbens des Pneumatikventils mit der Stellvorrichtung sowie die Möglichkeit der Arretierung der Stellvorrichtung durch die Arretiervorrichtung kann ein sich am Werkzeugwechsler befindlicher Aktor-Zylinder derart gezielt und sicher pneumatisch angesteuert werden, dass ein Werkzeug in einer Gefahrensituation stets sicher im Werkzeugwechsler bzw. im Festteil des Werkzeugwechslers gehalten werden kann. Selbst bei dem Versuch eines mutwilligen oder versehentlichen Umsteuerns des Pneumatikventils durch ein entsprechendes Ansteuern des Stellantriebs kann der Kolben nicht verstellt werden, so lange das Stellmittel durch die Arretiervorrichtung arretiert bzw. entsprechend gesichert ist. Das heißt, außerhalb einer sicheren Parkposition, wenn sich das Werkzeug außerhalb der Parkstation befindet, kann die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung mittels der Arretier- und Stellvorrichtung derart arretiert sein bzw. werden, dass das Pneumatikventil zum Ansteuern des Koppelmechanismus zum Koppeln und Entkoppeln des Werkzeugs auf keinerlei Steuerbefehle reagieren kann, gleichgültig ob diese bewusst oder durch Fehlbedienung, oder störungsbedingt durch Kurzschlüsse oder sonstige Ausfälle in der Ansteuerlogik übermittelt werden.
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Unter dem automatischen Öffnen und Schließen des Werkzeugwechslers ist im Sinne der vorliegenden Anmeldung ein automatisches Öffnen und Schließen eines Koppelmechanismus des Werkzeugwechslers zu verstehen. Durch das automatische Öffnen kann ein automatisches Entkoppeln eines Werkzeugs bzw. eines Losteils, das an dem Werkzeug befestigt ist, von einem Festteil, das an einem Roboterarm des Werkzeugroboters befestigt ist, realisiert werden. Durch das automatische Schließen kann ein automatisches Koppeln des Werkzeugs bzw. des Losteils mit dem Festteil des Werkzeugroboters über einen geeigneten Koppelmechanismus zwischen dem Festteil und dem Losteil realisiert werden. Der Koppelmechanismus ist bevorzugt Bestandteil des Werkzeugwechslers.
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Das erfindungsgemäße Pneumatikventil ist bevorzugt ein metallisch dichtendes, überschneidungsfreies Ventil mit einer Lebensdauer im Bereich mehrerer 100 Millionen Lastspiele. Das Pneumatikventil ist bevorzugt als 5/2 Wegeventil ausgestaltet. Die Ventilanordnung ist bevorzugt ohne Vorsteuerluft und auch ohne eigene elektrische Betätigung für das Pneumatikventil ausgestaltet. D.h., in der Ventilanordnung ist dem Pneumatikventil beispielsweise kein Vorsteuerventil zugeordnet. Kosten hierfür können entsprechend eingespart werden. Ferner kann das Pneumatikventil hierdurch ausschließlich über die erfindungsgemäße Stellvorrichtung angetrieben werden.
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Das Stellmittel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt form- und/oder kraftschlüssig mit dem Kolben verbunden. So kann das Stellmittel zwei Aufnahmeabschnitte, beispielsweise in Form von zwei Sack- oder Durchgangslöchern, aufweisen, mittels welcher der Kolben am Stellmittel gelagert oder befestigt ist. Dadurch kann eine zuverlässige mechanische Verbindung zwischen dem Kolben und dem Stellmittel gewährleistet werden, die von Steuersignalen oder dergleichen unabhängig ist.
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Unter der Arretierungsvorrichtung ist vorliegend insbesondere eine mechanische Vorrichtung zum Feststellen und Sichern beweglicher Teile, vorliegend zum Feststellen und Sichern des Stellmittels, zu verstehen. Die Arretiervorrichtung ist selbstverständlich derart ausgelegt, dass die Kraft, welche die Arretiervorrichtung auf das Stellmittel aufbringen kann bzw. welche durch eine versuchte Verstellung des Stellmittels gegen die Arretierungsvorrichtung auf das Stellmittel ausgeübt werden kann, größer ist als die Kraft, welche der Stellantrieb auf das Stellmittel aufbringen kann. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Kolben des Pneumatikventils nicht mehr durch die Stellvorrichtung verstellbar ist, sobald das Stellmittel durch die Arretierungsvorrichtung arretiert ist.
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Der Stellantrieb ist gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt als elektromagnetischer Stellantrieb ausgebildet und weist entsprechend wenigstens einen als Elektromagnet ausgebildeten Betätigungsmagnet auf. Bevorzugt weist der Stellantrieb zwei einzeln ansteuerbare Betätigungsmagnete zum Antreiben des Stellmittels auf, wobei die zwei Betätigungsmagnete jeweils einem Ende des Kolbens zugeordnet sind. Dadurch kann der Kolben auf besonders einfache Weise verstellt bzw. hin und her bewegt werden, vorausgesetzt natürlich, dass das Stellmittel nicht durch die Arretiervorrichtung arretiert ist. Neben dem elektromagnetischen Stellantrieb sind auch ein pneumatischer Stellantrieb sowie ein Stellantrieb mit einer Spindelanordnung denkbar. Durch die Spindelanordnung kann ein weiterer mechanischer Rast- bzw. Verriegelungsmechanismus bereitgestellt werden.
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Die erste Kolbenposition und die zweite Kolbenposition sind bezüglich einer möglichen Linearbewegung des Kolbens bevorzugt Kolbenendpositionen und korrespondieren mit entsprechenden ersten und zweiten Stellmittelendpositionen. In der jeweiligen Kolbenendposition kann das Pneumatikventil Druckluft zum gewünschten Ansteuern des Aktor-Zylinders zum Koppeln oder Entkoppeln des Werkzeugs im Werkzeugwechsler freigeben.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Pneumatikventil bistabil ausgestaltet. D.h., das Pneumatikventil kann die erste Kolbenstellung bzw. die eine Kolbenendstellung sowie die zweite Kolbenstellung bzw. die anderen Kolbenendstellung so lange beibehalten, bis die Stellvorrichtung entsprechend umschaltet. Das erfindungsgemäße Pneumatikventil weist keine Rückstellmechanismus wie eine Rückstellfeder oder dergleichen auf. Dadurch kann das Pneumatikventil besonders einfach und kostensparend hergestellt werden. Der Kolben bzw. das Stellmittel können insbesondere nach einer Arretierung durch die Arretiervorrichtung in beiden Endlagen ohne Steuersignal zuverlässig gehalten werden.
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Ferner ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Arretiervorrichtung einen Arretierbolzen aufweist, der mit dem Stellmittel wenigstens abschnittsweise formschlüssig verbindbar ist. Der Arretierbolzen stellt eine besonders einfache, kostengünstige und dabei überaus zuverlässige Möglichkeit dar, das Stellmittel zu arretieren. Der Arretierbolzen kann dabei gemäß dem Sperrbolzenprinzip gegen das Stellmittel wirken. Für eine besonders sichere Arretierung des Stellmittels sind im Stellmittel zwei Arretierlager, bevorzugt zwei Durchgangsöffnungen ausgebildet, in welche der Arretierbolzen für eine Arretierung des Stellmittels bewegbar bzw. einschiebbar ist. Genauer gesagt sind die Durchgangsöffnungen bzw. das zugehörige Stellmittel derart ausgebildet und angeordnet, dass der Arretierbolzen in der ersten Stellmittelposition durch eine erste Durchgangsöffnung und in der zweiten Stellmittelposition durch eine zweite Durchgangsöffnung bewegbar ist. An Stelle der Durchgangsöffnungen sind beispielsweise auch C-förmig ausgebildete Rastlager oder teilkreisförmig ausgebildete Durchgangsöffnungen denkbar. Für einen besonders wirkungsvollen Formschluss sind Arretierbolzen und Arretierlager bzw. Durchgangsöffnung komplementär oder im Wesentlichen komplementär ausgebildet.
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Außerdem ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Arretiervorrichtung einen Rückstellmagnet und eine Vorspanneinheit aufweist, wobei der Rückstellmagnet durch die Vorspanneinheit vorgespannt ist und der Arretierbolzen mittels der Vorspanneinheit eine Kraft in Richtung eines Kraftsensors ausübt. Über eine Abfrage des Kraftsensors ist es möglich, die Position des Arretierbolzens und somit das Vorliegen einer wirksamen Arretierung zu überwachen. Hierbei kann ferner der Automatisierungsgrad bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung weiter gesteigert werden. Unter dem Kraftsensor ist insbesondere ein Kraftaufnehmer zu verstehen, mittels welchem eine Kraft gemessen werden kann, die auf den Sensor bzw. eine entsprechende Sensorfläche wirkt. Der Kraftsensor bzw. -aufnehmer kann als mechanischer, elektrischer oder elektromagnetischer Kraftsensor ausgebildet sein. Der Rückstellmagnet ist bevorzugt als Elektromagnet ausgebildet. Der Rückstellmagnet ist zum Rückstellen der Vorspanneinheit und damit des Arretierbolzens bereitgestellt, wobei an Stelle des Rückstellmagneten im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein Spindelmechanismus oder eine pneumatische Rückstelleinheit möglich sind.
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Darüber hinaus ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Vorspanneinheit zwei Federelemente, insbesondere zwei konzentrisch angeordnete Schraubenfedern, aufweist, die beide druckbeaufschlagend auf den Rückstellmagnet wirken. Im Falle eines Federbruchs einer der beiden Federelemente kann dadurch weiterhin ein sicherer Rückstell- bzw. Vorspannmechanismus für den Rückstellmagnet und/oder den Arretierbolzen gewährleistet werden. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Kraftsensor und die Vorspanneinheit derart aufeinander eingestellt sind, dass im Falle eines Federbruchs eines der beiden Federelemente die entsprechend verringerte Kraft auf den Kraftsensor zu einem Fehlersignal und/oder einem Signal zum Stoppen des Werkzeugroboters führt. Die beiden Federelemente sind bevorzugt in einem Kraft- bzw. Vorspannverhältnis von 1:1 ausgestaltet. D.h., die beiden Federelemente können beispielsweise derart ausgestaltet und angeordnet sein, dass über sie eine Kraft von jeweils 0,8 N, also insgesamt 1,6 N auf den Kraftsensor ausgeübt wird. Bricht nun eines der beiden Federelemente, wird nur noch eine Kraft von 0,8 N auf den Kraftsensor ausgeübt. Diese Kraft reicht zwar noch aus, um die Arretiervorrichtung in der gewünschten Position zu halten, löst aber das Fehlersignal und/oder das Signal zum Stoppen des Werkzeugroboters aus.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass das Stellmittel ein Kolbenstellelement und ein mit dem Kolbenstellelement verbundenes Übersetzungselement aufweist, wobei das Übersetzungselement eine Linearbewegung des Kolbenstellelements übersetzt und durch die Arretiervorrichtung arretierbar ist. Unter der erfindungsgemäßen Übersetzung ist insbesondere eine positive Übersetzung, also keine „Untersetzung“ zu verstehen. D.h., durch das Übersetzungselement kann der Weg, den das Kolbenelement bzw. das Stellmittel zurücklegen, verlängert werden. Ein Arretierbereich des Übersetzungselements, an welchem der Arretierbolzen angreift, kann dadurch größer dimensioniert werden. Außerdem ist es dadurch möglich, das Übersetzungselement in den beiden Stellmittelpositionen bzw. Stellmittelendpositionen durch einen entsprechend größer dimensionierbaren Arretierbolzen sicherer zu arretieren, ohne dabei die Baugröße des Pneumatikventils oder des Stellantriebs zu erhöhen. Das Übersetzungselement kann in Form eines Getriebes oder eines Hebels ausgestaltet sein. Bevorzugt ist das Übersetzungselement abschnittsweise formschlüssig mit dem Kolbenstellelement verbunden, wobei das Übersetzungselement an einem Lagerpunkt beabstandet vom Kolbenstellelement angelenkt ist. Je nach Ausgestaltungen des Übersetzungselements ist es ferner möglich, dass der Bauraum in oder an der Ventilvorrichtung besser ausgenutzt werden kann, da die Arretiervorrichtung entsprechend verlagerbar ist.
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Außerdem kann es erfindungsgemäß von Vorteil sein, wenn das Stellmittel ein U-förmig ausgebildetes Joch aufweist, das den Stellantriebs lagert. Dadurch kann der Stellantrieb besonders Platzsparend am Stellmittel gelagert werden, wodurch die Ventilvorrichtung entsprechend kompakt gebaut werden kann. Das Kolbenstellelement ist in diesem Fall bevorzugt mehrteilig ausgestaltet, wobei das U-förmige Joch wenigstens einen Stellmagnet für den Stellantrieb lagert und am Verbindungssteg zwischen den beiden Schenkeln des Jochs rückseitig von den Schenkeln wegweisend zwei Verbindungselemente ausgebildet sind, welche jeweils an den beiden Enden des Kolbens angeordnet sind. D.h., in einer derartigen Ausgestaltung ist der Verbindungssteg des U-förmigen Jochs zwischen dem wenigstens einen Stellmagnet und dem Pneumatikventil angeordnet, wobei sich die beiden Verbindungselemente bevorzugt orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal zum Verbindungssteg und parallel oder im Wesentlichen parallel zu den beiden Schenkeln des Jochs erstrecken. Hierbei kann es von besonderem Vorteil sein, wenn das Joch über eine Joch-Vorspanneinheit, beispielsweise eine Vorspannfeder, in einer definierten Position gehalten wird. Die Joch-Vorspanneinheit wirkt bei einer linearen Verstellung des Jochs mittels des Stellmagneten gegen die Kraft des Stellmagneten und dient somit als Sicherungsmechanismus für ein Versagen des Stellmagneten. An Stelle der Vorspannfeder für die Joch-Vorspanneinheit ist auch ein pneumatisches oder elektromagnetisches Vorspannsystem denkbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Werkzeugwechsler für einen Werkzeugroboter bereitgestellt, aufweisend ein Festteil, das an einem Roboterarm des Werkzeugroboters befestigbar ist und ein Losteil, das an einem Werkzeug befestigbar ist, wobei das Festteil und das Losteil über einen Koppelmechanismus miteinander koppelbar und voneinander entkoppelbar sind, wobei am Festteil die vorstehend im Detail dargestellte Ventilvorrichtung angeordnet ist, mittels welcher bzw. mit Hilfe welcher das Festteil mit dem Losteil koppelbar oder das Festteils von dem Losteil entkoppelbar ist. Ferner ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Werkzeugroboter mit dem vorstehend dargestellten Werkzeugwechsler bereitgestellt.
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Damit bringen der erfindungsgemäße Werkzeugwechsler sowie der erfindungsgemäße Werkzeugroboter die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung beschrieben worden sind.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen jeweils schematisch:
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1 eine perspektivische Darstellung einer zusammengebauten Ventilvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine perspektivische Darstellung einer gehäuselosen Ventilvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine perspektivische Darstellung einer gehäuselosen Ventilvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4 eine perspektivische Darstellung eines Teils der Ventilvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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5 eine geschnittene Draufsicht auf eine Vorspanneinheit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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6 eine geschnittene Draufsicht auf eine Vorspanneinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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7 eine Seitenansicht eines Werkzeugroboters mit einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung,
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8 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Pneumatikventil in einer ersten Kolbenposition, und
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9 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Pneumatikventil in einer zweiten Kolbenposition.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 9 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch eine Ventilvorrichtung 10 mit einem Ventilgehäuse 50 dargestellt. Für eine bessere Erläuterung der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 10 wurde in 2 auf die Darstellung des Ventilgehäuses 50 verzichtet.
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Die Ventilvorrichtung 10 in 2 zeigt ein bistabiles Pneumatikventil 20 mit einem Kolben 21 sowie eine Stellvorrichtung 30 für den Kolben 21, mittels welcher der Kolben 21 im Pneumatikventil 20 hin und her bewegbar ist bzw. in eine erste Kolbenposition K1 und eine zweite Kolbenposition K2 verstellbar ist. Die Stellvorrichtung 30 weist einen elektromagnetischen Stellantrieb 31 mit einem Stellmagnet 31a auf, wobei der Stellmagnet 31a zwei einzeln ansteuerbare Elektromagnete (nicht dargestellt) zum Ansteuern des jeweiligen Endes des Kolbens 21 aufweist. Die Stellvorrichtung 30 weist ferner ein Stellmittel 32 mit einem Kolbenstellelement 32a und einem Übersetzungselement 32b auf. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform weist das Kolbenstellelement 32a ein U-förmiges Joch 37 und zwei damit verbundene Verbindungselemente 38 auf, die mit dem Kolben 21 in Verbindung stehen bzw. an diesem angeordnet sind. Zwischen den beiden Schenkeln des U-förmigen Jochs 37 ist der Stellmagnet 31a des Stellantriebs 31 gelagert. Das Übersetzungselement 32b ist an einem Lagerpunkt über einen Lagerbolzen 33, der in einem Lager 34, beispielsweise einem Kugellager, gelagert ist, beabstandet vom Kolbenstellelement 32 angelenkt. Das Übersetzungselement 32b ist ferner formschlüssig mit dem Kolbenstellelement 32a verbunden, indem es entsprechend in einer Nut des Kolbenstellelements 32a angeordnet ist.
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Wie ferner in 2 gezeigt, ist das Stellmittel 32 derart mit dem Kolben 21 verbunden, dass der Kolben 21 in die erste Kolbenposition K1 verstellt wird, wenn das Stellmittel 32 in eine erste Stellmittelposition verstellt wird und der Kolben 21 in die zweite Kolbenposition K2 verstellt wird, wenn das Stellmittel 32 in eine zweite Stellmittelposition verstellt wird. Die verschiedenen Kolbenpositionen werden in 8 und 9 dargestellt.
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Weitere Elemente und die Funktion der Ventilvorrichtung 10 werden mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben. Gemäß 3 weist das Übersetzungselement 32b ferner eine erste Durchgangsöffnung 35 und eine zweite Durchgangsöffnung 36 auf. Außerdem weist die Ventilvorrichtung 10 eine Arretiervorrichtung 40 mit einem Arretierbolzen 41, einem Rückstellmagnet 42, einer Vorspanneinheit 43 und einem Kraftsensor 44 auf. Das Übersetzungselement 32b ist dabei als Bestandteil des Stellmittels 32 in einer ersten Stellmittelposition über die erste Durchgangsöffnung 35 arretierbar und in einer zweiten Stellmittelposition über die zweite Durchgangsöffnung 36 arretierbar. Gemäß 3 und 4 ist das Übersetzungselement 32b in einer ersten Stellmittelposition dargestellt, in welcher der Arretierbolzen 41 zum Arretieren des Stellmittels 32 bzw. des Übersetzungselements 32b mittels der Vorspanneinheit 43 durch die erste Durchgangsöffnung 35 geschoben und abschnittsweise formschlüssig darin angeordnet ist. Würde man das Stellmittel 32 bzw. das Kolbenstellelement 32a nun in Richtung des gestrichelten Pfeils in 3 und 4 bewegen, nachdem der Arretierbolzen 41 aus der ersten Durchgangsöffnung 35 gezogen wurde, würde sich das Übersetzungselement 32b derart in Pfeilrichtung bewegen, dass der Arretierbolzen 41 in einer zweiten Stellmittelposition durch die zweite Durchgangsöffnung bewegt werden könnte.
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Das mit dem Kolbenstellelement 32a verbundene Übersetzungselement 32b übersetzt eine Linearbewegung des Kolbenstellelements 32a beispielsweise mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1 oder mehr. D.h., bei einer Linearbewegung des Kolbenstellelements über eine Strecke von beispielsweise 3 mm bewegen sich die Durchgangsöffnungen 35, 36 jeweils über eine Strecke von beispielsweise 8 mm.
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Der Rückstellmagnet 42 ist durch die Vorspanneinheit 43 vorgespannt, wobei der Arretierbolzen 41 mittels der Vorspanneinheit 43 direkt oder über den Rückstellmagnet 42 eine Kraft auf den Kraftsensors 44 ausübt.
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Mit Bezug auf 5 und 6 wird anschließend die Vorspanneinheit 43 im Detail erläutert. Wie in 5 dargestellt weist die zylinderförmige Vorspanneinheit 43 gemäß einer ersten Ausführungsform zwei konzentrisch angeordnete Schraubenfedern 43a, 43b auf, die beide druckbeaufschlagend auf den Rückstellmagnet 42 wirken. Gemäß der in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform ist es auch denkbar, die beiden Schraubenfedern 43a‘, 43b‘ nebeneinander anzuordnen. Die Schraubenfedern 43a, 43b, 43a‘, 43b‘ sind hierbei als Druckfedern ausgebildet, die in einem Kraftverhältnis von 1:1 stehen. Alternativ ist jedoch auch ein anderes Kraftverhältnis denkbar, beispielsweise im Falle einer Hauptfeder und einer Notfeder, wobei die Notfeder eine geringere Vorspannkraft aufbringen könnte als die Hauptfeder. Die Vorspannkraft der Notfeder würde jedoch noch ausreichen, um den Arretierbolzen 41 in eine der Durchgangsöffnungen 35, 36 zu drücken.
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7 zeigt einen Werkzeugroboter 1000 mit einem Werkzeugwechsler 100 auf. Der Werkzeugwechsler 100 weist ein Festteil 110, das an einem Roboterarm 1010 des Werkzeugroboters 1000 befestigt ist und ein Losteil 120, das an einem Werkzeug 1 befestigt ist, auf. Der Werkzeugwechsler 100 weist ferner einen Koppelmechanismus 130 auf, über welchen das Festteil 110 und das Losteil 120 miteinander koppelbar und voneinander entkoppelbar sind. Gemäß 7 ist am Festteil 110 ferner eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung 10 zum automatischen Öffnen und Schließen des Werkzeugwechslers 100 angeordnet. D.h., mittels der Ventilvorrichtung 10 bzw. mit Hilfe der Ventilvorrichtung 10 ist das Festteil 110 mit dem Losteil 120 koppelbar oder das Festteils 110 von dem Losteil 120 entkoppelbar. In 7 ist außerdem eine Parkstation 2000 mit einem Werkzeuglager 2010 dargestellt, von welchem der Werkzeugroboter 1000 ein Werkzeug 1 einschließlich des Losteils 120 entnehmen oder an welchem der Werkzeugroboter 1000 das Werkzeug 1 einschließlich des Losteils 120 ablegen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeug
- 10
- Ventilvorrichtung
- 20
- Pneumatikventil
- 21
- Kolben
- 30
- Stellvorrichtung
- 31
- Stellantrieb
- 31a
- Stellmagnet
- 32
- Stellmittel
- 32a
- Kolbenstellelement
- 32b
- Übersetzungselement
- 33
- Lagerbolzen
- 34
- Lager
- 35
- erste Durchgangsöffnung
- 36
- zweite Durchgangsöffnung
- 37
- Joch
- 38
- Verbindungselement
- 40
- Arretiervorrichtung
- 41
- Arretierbolzen
- 42
- Rückstellmagnet
- 43, 43‘
- Vorspanneinheit
- 43a, 43a‘
- erstes Federelement
- 43b, 43b‘
- zweites Federelement
- 44
- Kraftsensor
- 50
- Ventilgehäuse
- 100
- Werkzeugwechsler
- 110
- Festteil
- 120
- Losteil
- 130
- Koppelmechanismus
- 1000
- Werkzeugroboter
- 1010
- Roboterarm
- 2000
- Parkstation
- 2010
- Werkzeuglager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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