DE3623391A1 - Werkzeugtraeger fuer handhabungsgeraete - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Werkzeugträger für Handhabungsge­ räte nach der Gattung des Anspruchs 1. Solche stellungsgesteuerten Handhabungsgeräte werden insbesondere für automatische Herstellungs­ und Montagearbeiten eingesetzt. Steuersysteme für die selbsttätige Steuerung und/oder den selbsttätigen Betrieb von Handhabungsgeräten können einen offenen oder geschlossenen Regelkreis haben, wobei Sys­ teme mit geschlossenem Regelkreis einen Computer verwenden, um die erforderlichen Koordinatenumwandlungen, Steuergleichungen und Voll­ zugskriterien zu verarbeiten. Zur Durchführung einer vorgegebenen Manipulationsaufgabe ist es unter anderem erforderlich, das Kräfte­ paar zwischen dem endständigen Werkzeug, beispielsweise einem Grei­ fer, und seiner Umgebung zu messen. Das Kräftepaar besteht aus einem Momentenvektor und einem Kraftvektor, die die Reaktion an dem be­ treffenden Punkt beschreiben. Das Kräftepaar am Handgelenk des Werk­ zeugträgers ist von Beschleunigungs- und Schwerbeschleunigungsbela­ stungen bestimmt, die von der Summe der Masse des Greifers und des gefaßten Gegenstandes herrühren.

Eine computergesteuerte Bewegungs­ einheit, bei dem eine Handgelenkabtastvorrichtung verwendet wird, ist beispielsweise durch die DE-OS 25 00 143 bekannt. Dort sind am Befestigungsteil für das Werkzeug elastische Kupplungselemente be­ festigt, die den Befestigungsteil mit einem an der Bewegungseinheit angebrachten Rohr verbinden. Die elastischen Kupplungselemente wer­ den bei Übertragung von Kräften verformt und neben den Kupplungsele­ menten sind separate Meßwandler zur Ermittlung von auf das Werkzeug einwirkenden Kräften und Momenten angeordnet. Dieses Meßsystem hat einen relativ komplexen Aufbau mit beweglichen Teilen und einen ver­ hältnismäßig großen Raumbedarf im Innern des Handgelenks.

Durch die DE-OS 26 28 701 ist eine Fühleranordnung für Manipulatoren bekannt geworden, die eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von starr und lösbar miteinander verbindbaren Fühlerelementen aufweist, welche je einen Satz auf den planparallelen Ebenen eines zentralen Stegs angeordneter Dehnungsmeßelemente aufweisen, wobei jedes Fühlerele­ ment durch seine Ausrichtung einer der Hauptachsen zugeordnet ist. Diese Fühleranordnung arbeitet zwar ohne bewegliche Teile, jedoch muß zur Ermittlung der Kraft- und Momentkomponenten mehrerer Koordi­ naten eine Fühlerelementengruppe eingesetzt werden, die mehrere Ein­ zelfühlerelemente enthält und dementsprechend voluminös ist.

Bei einem Greifer für Handhabungsgeräte gemäß der EP-PA 00 36 912 sind zwischen einem Werkzeug-Befestigungsflansch und einer Grund­ platte Federmittel angeordnet, welche den Befestigungsflansch in ei­ ne definierte Position bezüglich der Grundplatte bringen, sobald keine äußeren Kräfte auf die Greiferarme bzw. den Flansch einwirken. Durch die nachgiebige Halterung des Greifers sollen bei fehlpositio­ nierten Werkstücken oder Werkstücken mit Maßabweichungen Beschädi­ gungen des Werkstücks, der Werkstückaufnahme oder des Handhabungsge­ räts vermieden werden. Eine Fühleranordnung mit Meßwandlern zur Er­ mittlung von auf das Werkzeug bzw. den Befestigungsflansch einwir­ kenden Kräfte ist bei dieser Anordnung nicht vorgesehen.

Schließlich ist durch die DE-OS 28 35 712 eine Einrichtung zum Aus­ richten von Teilen zueinander bekannt geworden, bei welcher eine Ab­ tastvorrichtung über mindestens ein biegsames Verbindungsteil paral­ lel verschiebbar mit einem auszurichtenden Teil, beispielsweise ei­ nem Werkzeug, in Verbindung steht, wobei die Verschiebung zwischen der Abtastvorrichtung und dem auszurichtenden Teil mittels Meßwand­ lern berührungslos gemessen wird. Diese Einrichtung erlaubt, je nach Ausbau, die Abtastung in höchstens zwei Richtungen. Sie benutzt op­ tische Meßwandler, welche auf besonderen, in sich starren Platten sitzen, an denen die biegsamen Verbindungsteile befestigt sind.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Werkzeugträger mit den kennzeichnenden Merkma­ len des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil eines sehr ein­ fachen, raum- und teilesparenden Aufbaus. Das flächige Federelement, welches die Verbindung zwischen den beiden Abschnitten herstellt ist zugleich Träger der Meßwandler, so daß die Anordnung ohne bewegliche Teile auskommt. Das Federelement ermöglicht Schwenkbewegungen des Werkzeug-Befestigungsabschnitts, aus denen eine kreisförmige Aus­ schwingfläche des Werkzeugs resultiert. Die erfindungsgemäße Anord­ nung bietet weiterhin den Vorteil, daß flächige Federelemente, bei­ spielsweise in Form von Federscheiben, mit darauf befindlichen Meß­ wandlern einfach und kostengünstig herstellbar sind und ihre Unter­ bringung innerhalb des Werkzeugträgers keine nennenswerten zusätz­ lichen Platzbedarf erfordert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Werkzeugträgers möglich. Ausreichend starke, definierte Signale ohne wesentliche Schwächung der Rückstellkraft des Federele­ ments lassen sich dadurch erzielen, daß das Federelement mit Schlit­ zen versehen ist, die ein Federkreuz einschließen, auf dessen Armen die Meßwandler angeordnet sind. Als Meßwandler werden bevorzugt im Druckverfahren aufgebrachte piezoresistive Widerstände oder aufge­ klebte Dehnungsmeßelemente verwendet. Vorteile im Zusammenbau des Werkzeugträgers ergeben sich dadurch, daß das Federelement am Mit­ telteil des einen Abschnitts durch einen Spannklotz gehalten wird, welcher ein zentrisches Loch des Federelements sowie eine im Ab­ schnitt ausgebildete Bohrung durchgreift und mittels Verschraubung mit dem Abschnitt verspannt ist. Zur Vereinfachung des Zusammenbaus trägt weiter bei, daß das Federelement im Bereich der Randzone des anderen Abschnitts durch einen Spannring gehalten wird, welcher mit dem Abschnitt verschraubt ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 den Werkzeugträger in einem Längsschnitt, Fig. 2 eine Draufsicht auf das Federelement mit den darauf angebrachten, schematisch dargestellten Meßwandler- und Verstärkerschaltungen, Fig. 3 einen Querschnitt durch die Anordnung entlang der Linie I-I von Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in Fig. 1 dargestellte Werkzeugträger für Handhabungsgeräte hat einen mit einer Bewegungseinheit 1 des Geräts verbundenen Abschnitt 2, nachstehend Flansch genannt, sowie einen Abschnitt in Form eines Flansches 3, an dem ein Werkzeug 4, beispielsweise ein Greifer, an­ bringbar ist. Zwischen Flansch und Werkzeug befindet sich eine Adap­ terplatte 5 mit Befestigungsschrauben 6 für das Werkzeug 4.

Die Flansche 2 und 3 und die Adapterplatte 5 haben im Ausführungs­ beispiel gleichen Durchmesser. Der Flansch 3 hat einen erhöhten Mit­ telteil in Form eines Zapfens 7 als Auflage für eine Federscheibe 8. Diese Scheibe ist einerseits mit dem Zapfen 7 und andererseits mit einer ringförmigen Randzone 9 des Flansches 2 verspannt, die durch Ausdrehung im Flansch gebildet ist. Die Federscheibe 8 verbindet die Teile 2 und 3 miteinander und sorgt dafür, daß der Flansch 3 mit dem Werkzeug 4 eine definierte Mittellage bezüglich des Flansches 2 ein­ nimmt, solange keine äußeren Kräfte auf den Greifer 4 einwirken.

Zum Befestigen der Federscheibe 8 am Mittelzapfen 7 dient ein Spann­ klotz 10 in Form eines mit einem Kopf versehenen Gewindebolzens. Dieser durchgreift ein zentrisches Loch 11 der Federscheibe sowie eine im Flansch 3 ausgebildete Mittenbohrung 12. Auf sein freies Ende ist eine Mutter aufgeschraubt, die den Klotz 10 und die Feder­ scheibe 8 am Zapfen 7 verspannt. Am Flansch 2 wird die Federscheibe 8 im Bereich der Randzone 9 durch einen Spannring 14 gehalten, der mit dem Flansch verschraubt ist. Die hierzu dienenden Schrauben sind mit 15 bezeichnet.

Der Werkzeug-Befestigungsflansch 3 ist am Flansch 2 pendelnd gela­ gert. Das Pendellager hat eine Kugel 16, die zwischen dem Spannklotz 10 und einem in eine zentrische Bohrung 17 des Flansches 2 einge­ setzten Stützkopf 18 angeordnet ist. Zur Aufnahme der Kugel 16 ist im Kopf des Spannklotzes 10 eine trichterförmige Vertiefung 19 ausge­ bildet, während der Stützkopf 18 einen kegelstumpfförmigen Fortsatz 20 hat, welcher in die Vertiefung 19 hineinragt und mit seiner nach innen gewölbten Stirnfläche an der Kugel 16 anliegt.

Um den Stützkopf 18 möglichst reibungsarm zentrieren und die Vor­ spannung der Federscheibe 8 regulieren zu können ist der Stützkopf durch einen federnden Niederhalter in Form einer Segmentfeder 21 unter Zwischenlage von Kugeln 22 an die Lagerkugel 16 angelegt. Die Segmentfeder 21 ist in einer Ausdrehung 23 an der Oberseite des Flansches 2 untergebracht und liegt mit ihren Armen 24 auf einem Distanzring 25 auf. Ein auf die Federarme wirkender, mit dem Flansch 2 verschraubter Spannring 26 drückt den Innenring 27 der Feder gegen die Kugeln 22, welche in Vertiefungen des Stützkopfes 18 gelagert sind.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist zwischen den beiden Flanschen 2 und 3 ein Abstand vorhanden, welcher in Verbindung mit der Federscheibe 8 und dem zentrisch angeordneten Kugellager 16, 19, 20 dem Flansch 3 und dem Greifer 4 einen Auslenkung in zwei Koordinatenrichtungen x, y erlauben. Je nach Abstand der Teile 2, 3 ergibt sich eine mehr oder weniger große kreisförmige Ausschwingfläche für den Greifer, wobei diese im unbelasteten Zustand, d.h., wenn keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken, unter Wirkung der Federscheibe 8 im Zentrum der Ausschwingfläche gehalten wird.

Zur Ermittlung der auf den Greifer 4 einwirkenden Kräfte ist die Fe­ derscheibe 8 mit Meßwandlern oder Meßaufnehmern 28 bestückt, deren Signale zur Steuerung des Handhabungsgeräts ausgewertet werden. Als Meßwandler dienen vorzugsweise piezoresistive Widerstände, die im Druckverfahren auf die dem Flansch 2 zugekehrte Fläche der Feder­ scheibe 8 aufgebracht werden und bei Biegeverformungen der Scheibe Signale liefern, die Größe und Richtung des Biegemoments wiederge­ ben. Diese Signale werden nach Verstärkung in den Regelkreis des Handhabungsgeräts eingespeist.

Einzelheiten der Anordnung sind aus Fig. 2 ersichtlich. Die runde Federscheibe 8 ist mit vier nicht bis zum Rand reichenden Schlitzen 29 versehen, von denen jeder einen Winkel von 90° einschließt. Diese Schlitze begrenzen ein Kreuz mit vier rechtwinkelig zueinander stehenden Blattfederarmen 30, in dessen Zentrum das Loch 11 liegt. Auf jedem Arm 30 ist ein Meßwandlerpaar 28 angeordnet. Über Leiter­ bahnen 31 sind die Meßwandlerpaare mit je einer gedruckten Verstär­ kerschaltung verbunden, die außerhalb des Kreuzes auf der Feder­ scheibe 8 untergebracht ist. Diskrete Bauelemente der Schaltungen können durchkontaktiert und an der Unterseite der Federscheibe 8 in dem vom Zapfen 7 und dem Spannring 14 eingeschlossenen Ringraum un­ tergebracht sein. Die Meßwandler 28 sind in der Nähe des Zentrums außerhalb des Spannklotzes 10 angebracht, weil dort Verformungen der Scheibe 8 bzw. der Blattfederarme 30 am größten sind. Entsprechend der Zahl der Blattfederarme 30 sind insgesamt vier Meßwandlerpaare vorgesehen. Dies reicht aus, um alle auftretenden Kräfte und Momente in den Koordinatenrichtungen x, y zu erfassen und in proportionale Signale umzuwandeln.

Anstelle einer runden Federscheibe könnte auch ein Blattfederkreuz mit mindestens drei Armen verwendet werden, auf denen die Meßwandler angeordnet sind. Die Rückstellkraft eines solchen Federkreuzes wäre jedoch geringer als diejenige einer geschlossenen Federscheibe.

Die Größe der Auslenkbewegung des Flansches 3 ist aus sicherheits­ technischen Gründen begrenzt. Hierzu sind mehrere, in gleichen Win­ kelabständen voneinander angeordnete Gewindebolzen 33 vorgesehen, welche je eine Bohrung 34 des Flansches 3 durchgreifen und in den Spannring 14 eingeschraubt sind. Die Köpfe dieser Bolzen wirken als Anschläge für den Flansch 3 und lassen nur eine größenmäßig begrenz­ te Auslenk- oder Pendelbewegung desselben zu.

Als Meßwandler oder Meßwertaufnehmer können alle auf mechanische Längenänderungen oder Verformungen ansprechenden Schaltungen benutzt werden. Hierzu gehören beispielsweise Schaltungen mit Dehnungsmeß­ streifen in Brückenschaltung mit Temperaturkompensation. Bevorzugt werden jedoch wegen des linearen Signalverlaufs und der Hysterese­ freiheit gedruckte Schaltungen mit piezoresistiven Widerständen. Da­ bei erfüllt die Federscheibe 8 mehrere Funktionen. Sie dient als Träger der Meßwandler- und Verstärkerschaltungen, als Kraftübertra­ gungsglied und schließlich als federndes Verbindungsteil der beiden Flansche 2 und 3. Das Federelement und die im Masken-Druckverfahren aufgebrachten Schaltungen lassen sich in der Großserie preiswert herstellen und beanspruchten keinen nennenswerten zusätzlichen Raum innerhalb des Werkzeugträgers.

Claims (13)

1. Werkzeugträger für Handhabungsgeräte mit einem ersten Abschnitt, insbesondere einem Flansch, zum Anbringen des Trägers an einer Bewe­ gungseinheit und mit einem zweiten Abschnitt zum Befestigen des Werkzeugs, welcher gegenüber dem ersten Abschnitt in wenigstens ei­ ner Koordinatenrichtung beweglich angeordnet ist, sowie mit minde­ stens einem federnden Verbindungsteil, dem wenigstens ein Meßwandler zur Ermittlung von auf das Werkzeug bzw. dessen Befestigungsab­ schnitt einwirkenden Kräften zur Steuerung des Geräts unter Auswer­ tung der ermittelten Signale zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als federndes Verbindungsteil ein mit wenigstens einem Meßwand­ ler (28) bestücktes flächiges Federelement (8) dient, das in einen Mittelteil (7) des einen Abschnitts und in eine Randzone (9) des an­ deren Abschnitts eingespannt ist.

2. Werkzeugträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (8) mit Schlitzen (29) versehen ist, die ein Federkreuz einschließen, auf dessen Armen (30) die Meßwandler (28) angeordnet sind.

3. Werkzeugträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (8) mit Schaltungen (32) zur Verstärkung und/oder Auswertung der von den Meßwandlern (28) erzeugten Signale bestückt ist.

4. Werkzeugträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (8) am Mittelteil (7) des einen Abschnitts (3) durch einen Spannklotz (10) gehalten wird, welcher ein zentrisches Loch (11) des Federelements sowie eine im Abschnitt ausgebildete Bohrung (12) durchgreift und mittels Verschraubung mit dem Abschnitt verspannt ist.

5. Werkzeugträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (8) im Bereich der Randzone (9) des anderen Abschnitts (2) durch einen Spannring (14) gehalten wird, welcher mit dem Abschnitt verschraubt ist.

6. Werkzeugträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (3) am ersten Abschnitt (2) pendelnd gelagert ist.

7. Werkzeugträger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pendellager eine zentrisch fixierte Kugel (16) hat, die zwischen ge­ geneinander gerichteten Flächen der beiden Abschnitte (2, 3) ange­ ordnet ist.

8. Werkzeugträger nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kugel (16) zwischen dem Spannklotz (10) und einem in eine zentrische Bohrung des ersten Abschnitts (2) eingesetzten Stützkopf (18) angeordnet ist.

9. Werkzeugträger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkopf (18) mit einem kegelstumpfförmigen Fortsatz (20) an der in einer trichterförmigen Vertiefung (19) des Spannklotzes (10) zen­ trierten Kugel (16) anliegt.

10. Werkzeugträger nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkopf (18) durch einen am ersten Abschnitt (2) befestig­ ten federnden Niederhalter (21) an die Kugel (16) angelegt ist.

11. Werkzeugträger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederhalter (21) aus einer mit dem ersten Abschnitt (2) verschraub­ ten Federscheibe besteht, und daß zwischen der Federscheibe und dem Stützkopf (18) mehrere Kugeln (22) als Abstandshalter angeordnet sind.

12. Werkzeugträger nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Größe der Pendelbewegung des zweiten Ab­ schnitts (3) durch Anschläge (33) begrenzt ist, die mit dem ersten Abschnitt (2) verbunden sind.

13. Werkzeugträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federscheibe (8) in ein Mittelteil (7) des Werkzeugbefestigungsabschnitts (3) und in eine Randzone (9) des Ab­ schnitts (2) zum Anbringen des Trägers an einer Bewegungseinheit (1) eingespannt ist.