DE3802838A1 - Werkzeughalter fuer roboterwerkzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkzeughalter für Roboter­ werkzeuge zur Aufnahme eines an einem Roboterarm zu befestigenden Werkzeugs.

Roboter arbeiten manchmal mit verschiedenen Werkzeugen, die in einem Werkzeughalter gehaltert sind. Diese Werkzeuge werden nacheinander von einem Roboterarm aufgenommen, nachdem vorher das bisher benutzte Werkzeug in einem Werkzeughalter abgelegt wurde. Die Werkzeuge müssen dabei in dem Werkzeughalter in genau definierter Lage gehalten werden, damit der Roboter, der zum Aufnehmen des Werkzeugs programmiert ist und mit seinem Roboterarm ebenfalls mit einer genau definierten, durch das Programm bestimmten Orientierung über das Werkzeug bewegt wird, das Werkzeug einwandfrei an dem Roboterarm befestigen kann. Dieser Befestigungsvorgang macht es erforderlich, das Werkzeug gegen Axialbewegungen zu sichern, da in dieser Richtung Kräfte wirksam sind. Es soll aber mit relativ geringen Kräften möglich sein, ein Werkzeug von der Seite, quer zu der Axialrichtung, in einen Werkzeughalter einzusetzen oder das Werkzeug nach Befestigung an dem Roboterarm aus dem Werkzeughalter herauszuziehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug, das an einem Roboterarm befestigt oder zu befestigen ist, so in einem Werkzeughalter zu haltern, daß

• -- es in einer Axialrichtung sicher gehalten ist, so daß auch axiale Kräfte aufgenommen werden,
• -- es in den Werkzeughalter durch eine radiale Bewegung einsetzbar ist, wobei die hierzu erforderlichen Radialkräfte möglichst klein sind,
• -- es aus dem Werkzeughalter durch eine radiale Bewegung herausziehbar ist, wobei ebenfalls die hierzu erforderlichen Radialkräfte möglichst klein sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

• (a) der Werkzeughalter zwei Backen mit Ausnehmungen zum Umgreifen des Werkzeugs enthält, wobei diese Backen um je einen Schwenkpunkt verschwenkbar sind,
• (b) zwischen den Backen ein geradgeführtes Gleitstück angeordnet ist, das über ein Koppelglied mit den Backen verbunden ist,
• (c) an den Backen je ein um einen gestellfesten Schwenkpunkt verschwenkbares Federelement über einen Anlenkpunkt angreift, so daß jeweils die um ihren Schwenkpunkt schwenkbare Backe und das Federelement einen Kniehebelmechanismus bilden, durch welchen die Backen über einen Totpunkt zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung bewegbar sind,
• (d) der Kniehebelmechanismus durch eine Verschiebung des Gleitstückes in Richtung von den Ausnehmungen weg über das Koppelglied in die Schließstellung und durch eine Kraft auf den Rand der Ausnehmung am äußeren Ende der Backe in die Offenstellung schaltbar ist und
• (e) die Backen zum Eingriff in eine dazu komplementäre Umfangsstruktur so ausgebildet sind, daß das Werkzeug bei geschlossenen Backen gegen axiale Bewegung gesichert ist.

Bei geschlossenen Backen ist das Werkzeug in Axial­ richtung, also in der Richtung senkrecht zur Bewegungs­ ebene der Backen formschlüssig gehalten, so daß axiale Kräfte auf das Werkzeug ausgeübt werden können.

Beim Herausziehen drückt das Werkzeug auf das Ende der Ausnehmung. Dieses kann in Kraftrichtung gesehen in relativ großem Abstand von dem Schwenkpunkt der Backe angeordnet sein. Auch kann durch geeignete Formgebung der Backe eine Keilwirkung ausgenutzt werden. Dadurch können die Backen mit geringer Kraft geöffnet werden. Nach dem Öffnen werden die Backen durch den Kniehebelmechanismus in der Offenstellung gehalten.

Beim Einsetzen des Werkzeugs sind die Backen zunächst vom vorhergehenden Herausziehen her geöffnet. Das Werkzeug kann also ohne Kraftaufwand zwischen die Backen bewegt werden. Dann stößt das Werkzeug gegen das Gleitstück. Das Gleitstück wird nach hinten geschoben und zieht über das Koppelglied die Backen über den Totpunkt des Kniehebel­ mechanismus in die Schließstellung. Das Koppelglied kann dabei in einem relativ großen Abstand von dem Schwenkpunkt jeder Backe angreifen, so daß zur Überwindung des Totpunktes nur eine relativ geringe Kraft erforderlich ist. Der Kniehebelmechanismus kann dagegen sehr gestreckt ausgebildet sein, so daß nur ein relativ geringes Drehmoment aufgewandt zu werden braucht, um den Kniehebelmechanismus umzuschalten.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert, die eine Draufsicht auf einen Werkzeughalter für Roboterwerkzeuge zeigt, wobei die Backen dieses Werkzeughalters im linken Teil der Zeichnung im geschlossenen Zustand und im rechten Teil der Zeichnung im geöffneten Zustand gezeigt sind.

Der Werkzeughalter weist zwei Backen 10 und 12 auf die um Schwenkpunkte 14 und 16 in Form von Schwenkzapfen verschwenkbar gelagert sind. Die Backen 10 und 12 weisen auf den einander zugekehrten Seiten bogenförmige Ausnehmungen 18 bzw. 20 auf. Im geschlossenen Zustand der Backen 10 und 12 bilden die beiden Ausnehmungen 18 und 20 einen kreisförmigen, nach vorn (unten in der Figur) offenen Ausschnitt, in welchem ein Werkzeug gehalten wird.

Zwischen den beiden Backen 10 und 12 ist längs der Symmetrielinie 22 der Schwenkpunkte 14 und 16 ein Gleitsück 24 geradgeführt. Das Gleitstück 24 ist über je ein Koppelglied 26 bzw. 28 mit den Backen 10 und 12 verbunden. Ein Federelement 30 ist um einen gestellfesten Schwenkpunkt 32 in Form eines Schwenkzapfens verschwenk­ bar. Das Federelement 30 greift an der Backe 10 über eine gelenkige Verbindung 34 an. Entsprechend ist ein gestellfestes Federelement 36 um einen gestellfesten Schwenkpunkt 38 verschwenkbar. Das Federelement 36 greift an der Backe 12 über eine gelenkige Verbindung 40 an. Die Anordnung ist symmetrisch zu der Symmetrielinie 22. Die Federelemente 30 und 36 bilden zusammen mit den Backen 10 bzw. 12 Kniehebelmechanismen, durch welche die Backen 10 und 12 über einen Totpunkt zwischen einer Schließstellung, wie sie im linken Teil der Figur gezeigt ist, und einer Offenstellung, wie sie im rechten Teil der Figur gezeigt ist, bewegbar sind. Die Backen 10 und 12 sind im Bereich der Ausnehmungen 18, 20 mit vorstehenden Rändern 42, 44 versehen. Diese Ränder greifen in eine Umfangsnut des Werkzeugs ein, so daß das Werkzeug formschlüssig gegen axiale Kräfte gehalten wird. Die Backen 10 und 12 greifen somit eine dazu komplementäre Umfangsstruktur des Werkzeugs ein.

Um sicherzustellen, daß das Werkzeug in dem Werkzeughalter eine definierte Winkellage einnimmt, ist an dem Gleitstück 24 ein aus der Ebene der Backen 10, 12 vorstehender Stift 46 angebracht. An dem Werkzeug ist eine nach innen sich verengende Ausnehmung angebracht, welche beim Einsetzen des Werkzeugs über den Stift 46 greift und über die Seitenwände der Ausnehmung das Werkzeug in einer genau definierten Lage in dem Werkzeughalter zentriert.

Im einzelnen hat jede der Backen 10 und 12 rechtwinklig, dreieckige Grundform, wie durch die drei Eckpunkte A, B, C bei der Backe 10 angedeutet ist. Das ist natürlich nur die grobe Form. Tatsächlich weist die Backe 10 die Ausnehmung 18 und verschiedene gekrümmte und mit Vorsprüngen versehene Ränder auf. Das Dreieck mit den Eckpunkten A, B und C hat eine Hypothenuse AB und eine relativ kurze Kathete BC sowie eine relativ lange Kathete AC. Der "rechte Winkel" liegt dementsprechend bei C. In der der längeren Kathete AC entsprechenden Kante der Backe 10 ist anschließend an die von dieser Kathete und der Hypothenuse gebildeten Ecke A die Ausnehmung 18 vorgesehen. Die der Kathete AC entsprechende Kante 48 erstreckt sich dann längs des Gleitstücks 24. Das Gleitstück 24 ist mit der Backe 10 über einen das Koppelglied 26 bildenden Lenker verbunden, der in der Nähe der zwischen den Katheten gebildeten Ecke C an der Backe 10 angelenkt ist und sich im wesentlichen in Längsrichtung des Gleitstücks 24 erstreckt. Das Koppelglied 26 ist zu diesem Zweck an einem Block 50 angelenkt, der seitlich an dem Gleitstück 24 sitzt. Der Schwenkpunkt 14 der Backe 10 liegt in dem Winkel zwischen Hypothenuse AB und kürzerer Kathete BC, also in der Nähe der Ecke B. Auf diese Weise greift das Koppelglied 26 an einem möglichst langen Hebelarm an.

Das Federelement 30 ist ein Lenker mit zwei in Längsrichtung gegeneinander verschiebbaren Lenkerteilen 52 und 54 und einer zwischen den Lenkerteilen 52, 54 angeordneten Schraubenfeder 56. Der eine Lenkerteil 52 ist an dem gehäusefesten Schwenkpunkt 32 schwenkbar gelagert. Der andere Lenkerteil ist an der Backe 10 in dem Anlenkpunkt 34 angelenkt. Der Anlenkpunkt 34 sitzt an einer Nase 58 der Backe 10. Bei geöffneten Backen liegt der Anlenkpunkt 34 auf der inneren Seite der Verbindungs­ linie 60 zwischen dem gehäusefesten Schwenkpunkt 32 des Federelements 30 und dem Schwenkpunkt 14 der Backe 10. In diesem Fall wird die Backe 10 von dem Federelement 30 im Uhrzeigersinn nach außen, also in die Offenstellung gedrückt. Das ist die Situation, wie sie im rechten Teil der Figur hinsichtlich der Backe 12 dargestellt ist, wobei dort wegen der spiegelbildlichen Anordnung die Backe 12 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt wird. Bei geschlossenen Backen liegt der Anlenkpunkt 34, wie im linken Teil der Figur dargestellt ist, auf der äußeren Seite der Verbindungslinie 60. In diesem Fall wird die Backe 10 von dem Federelement 30 entgegen dem Uhrzeigersinn nach innen, also in die Schließstellung gedrückt. Die Bewegung der Backe 10 ist in beiden Richtungen durch einen gehäusefesten Anschlag 62 begrenzt, der in einem um den Schwenkpunkt 14 gekrümmten Langloch 64 der Backe 10 geführt ist. Der Winkel von dem Schwenkpunkt 32 zum Anlenkpunkt 34 und von dort wieder zum Schwenkpunkt 14 ist sehr stumpf. Der Anlenkpunkt 34 liegt nur wenig außerhalb oder innerhalb der geraden Verbindungslinie 60 zwischen den Schwenkpunkten 32 und 14. Es sind daher relativ geringe Kräfte zu überwinden, um die Backen 10, 12 aus einer Endstellung in die andere zu bewegen. Die auf die Backen 10, 12 wirkenden Federkräfte reichen aber aus, um das Werkzeug sicher gegen axiale Kräfte in dem Formschluß zu halten. Die Schwenkpunkte 32, 38 können zu Justagezwecken über Stellschrauben 66 bzw. 68 verstellt werden.

Ein Näherungssensor 70 spricht auf die Bewegung der Backe 10 an und liefert ein Signal, welches die Offen- und Schließstellung der Backen 10, 12 signalisiert.

Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:

Wenn ein Werkzeug in dem Werkzeughalter bei geschlossenen Backen gehaltert ist, dann hat das Werkzeug, wie geschildert, eine genau definierte Orientierung. Ein Roboter ist so programmiert, daß er seinen Roboterarm ebenfalls mit einer genau definierten Orientierung, wie sie zur Befestigung des Werkzeugs an dem Roboterarm erforderlich ist, über das Werkzeug in der Werkzeug­ halterung bewegt. Der Roboter ist dann so programmiert, daß er automatisch das Werkzeug an dem Roboterarm befestigt. Das kann so geschehen, wie es in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung "Einrichtung zum Verbinden eines Werkzeugs mit einem Roboterarm" (Anwaltsakte D2815.00) beschrieben ist. Dabei wird im allgemeinen eine axiale Kraft auf das Werkzeug ausgeübt. Gegen solche axialen Kräfte ist das Werkzeug, wie geschildert, formschlüssig in der Werkzeugkalterung gehalten. Nach dem Befestigen des Werkzeugs an dem Roboterarm bewegt sich der Roboterarm mit dem Werkzeug nach vorn, also nach unten in der Figur, um das Werkzeug aus der Werkzeughalterung herauszuziehen. Das Werkzeug drückt dann auf die Spitzen der Backen 10, 12, wie durch Pfeil 72 angedeutet ist. Die dabei quer zur Bewegungs­ richtung wirksame Kraft wird durch Keilwirkung noch erhöht und wirkt an einem langen Hebelarm. Das von dem Kniehebelmechanismus auf die Backe 10 ausgeübte Drehmoment kann daher mit einer relativ geringen radialen Zugkraft an dem Werkzeug überwunden werden, so daß die Backen 10, 12 über den Totpunkt gedrückt werden und in die Offenstellung springen. In dieser Offenstellung bleiben sie, solange der Roboter mit dem aufgenommenen Werkzeug arbeitet.

Wenn der Roboter das Werkzeug wieder ablegen will, bewegt er das Werkzeug, entsprechend programmiert, zwischen die offenen Backen 10, 12. Das Werkzeug findet dabei keinen Widerstand. Die an dem Werkzeug vorgesehene, sich verengende Ausnehmung bewegt sich dabei über den Stift 46. Dabei wird das Werkzeug von dem Stift noch mechanisch zu der Werkzeugaufnahme ausgerichtet, so daß es in einer definierten Winkellage abgelegt wird. Das Werkzeug stößt dann an das Gleitstück 24 und schiebt dieses zurück (nach oben in der Figur). Dadurch ziehen die Koppelglieder 26 und 28 an den Backen 10 bzw. 12 und suchen die Backe 10 entgegen dem Uhrzeigersinn und die Backe 12 im Uhrzeigersinn zu verschwenken. Die Totpunkte der Kniehebelmechanismen werden überschritten, und die Backen springen in die Schließstellung. Auch hierzu ist eine relativ geringe Kraft erforderlich, weil die Koppelglieder 26, 28 an einem relativ langen Hebelarm angreifen. Das Werkzeug ist dann formschlüssig gegenaxiale Kräfte gehalten. Das Werkzeug wird durch eine zur Befestigung am Roboterarm inverse Prozedur von dem Roboterarm gelöst. Der Roboter kann ein anderes Werkzeug aufnehmen. Das gelöste Werkzeug ist in definierter Lage in der Werkzeughalterung bereit für den nächsten Einsatz. Dieser Werkzeugwechsel kann vollautomatisch aufgrund des in den Roboter eingegebenen Programmes erfolgen. Die Querbelastung an dem Roboterarm durch den Werkzeughalter beim Einsetzen und Herausziehen des Werkzeuges kann gering gehalten werden.

Claims (8)

1. Werkzeughalter für Roboterwerkzeuge zur Aufnahme eines an einem Roboterarm zu befestigenden Werkzeugs. dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) der Werkzeughalter zwei Backen (10, 12) mit Ausnehmungen (18, 20) zum Umgreifen des Werkzeugs enthält, wobei diese Backen (10, 12) um je einen Schwenkpunkt (14, 16) verschwenkbar sind,
• (b) zwischen den Backen (10, 12) ein geradgeführtes Gleitstück (24) angeordnet ist, das über ein Koppelglied (26, 28) mit den Backen (10, 12) verbunden ist,
• (c) an den Backen (10, 12) je ein um einen gestellfesten Schwenkpunkt (32, 38) verschwenk­ bares Federelement (30, 36) über einen Anlenkpunkt (34, 40) angreift, so daß jeweils die um ihren Schwenkpunkt (14, 16) schwenkbare Backe (10, 12) und das Federelement (30, 36) einen Kniehebel­ mechanismus bilden, durch welchen die Backen (10, 12) über einen Totpunkt zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung bewegbar sind,
• (d) der Kniehebelmechanismus durch eine Verschiebung des Gleitstückes (24) in Richtung von den Ausnehmungen (18, 20) weg über das Koppelglied (26, 28) in die Schließstellung und durch eine Kraft (72) auf den Rand der Ausnehmung (18, 20) am äußeren Ende der Backe (10, 12) in die Offenstellung schaltbar ist und
• (e) die Backen (10, 12) zum Eingriff in eine dazu komplementäre Umfangsstruktur so ausgebildet sind, daß das Werkzeug bei geschlossenen Backen gegen axiale Bewegung formschlüssig gehalten ist.

2. Werkzeughalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausnehmungen (18, 20) bogenförmig sind und sich in geschlossenem Zustand der Backen (10, 12) zu einem kreisförmigen, nicht-geschlossenen Ausschnitt ergänzen.

3. Werkzeughalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Backen (10, 12) zum Eingriff in eine Umfangsnut des Werkzeugs ausgebildet sind.

4. Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geradgeführte Gleitstück (24) längs der Symmetrielinie (22) der Schwenkpunkte (14, 16) beweglich ist.

5. Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) an dem Gleitstück (24) ein aus der Ebene der Backen (10, 12) vorstehender Stift (46) angebracht ist und
• (b) an dem Werkzeug eine nach innen sich verengende Ausnehmung angebracht ist, welche beim Einsetzen des Werkzeugs über den Stift (46) des Gleitstückes (24) greift und über die Seitenwände der Ausnehmung das Werkzeug in einer genau definierten Lage in dem Werkzeughalter zentriert.

6. Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) jede der Backen (10, 12) rechtwinklig-dreieckige Grundform mit einer Hypothenuse (AB) und einer relativ langen und einer relativ kurzen Kathete (AC bzw. BC) besitzt,
• (b) in der längeren Kathete (AC) anschließend an die von dieser Kathete (AC) und der Hypothenuse (AB) gebildeten Ecke (A) die Ausnehmung (18) vorgesehen ist,
• (c) diese längere Kathete (AC) sich anschließend an die Ausnehmung (18) längs des Gleitstücks (24) erstreckt,
• (d) das Gleitstück (24) mit der Backe (10) über ein Koppelglied (26) in Form eines Lenkers verbunden ist, das in der Nähe der zwischen den Katheten gebildeten Ecke (C) an der Backe (10) angelenkt ist und sich im wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Gleitstückes (24) erstreckt, und
• (e) der Schwenkpunkt (14) der Backe (10) in dem Winkel zwischen Hypothenuse (AB) und kürzerer Kathete (BC) liegt.

7. Werkzeughalter nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• (a) das Federelement (30) ein Lenker mit zwei in Längsrichtung gegeneinander verschiebbaren Lenkerteilen (52, 54) und einer zwischen den Lenkerteilen (52, 54) angeordneten Schraubenfeder (56) ist,
• (b) der eine Lenkerteil (52) an dem gehäusefesten Schwenkpunkt (32) und der andere (54) an der Backe (10) in einem Anlenkpunkt (34) angelenkt ist und
• (c) der Anlenkpunkt (34) bei geöffneten Backen (10, 12) auf der einen und bei geschlossenen Backen auf der anderen Seite der Verbindungslinie (60) zwischen dem gehäusefesten Schwenkpunkt (32) des Federelements (30) und dem Schwenkpunkt (14) der Backe (10) liegt.

8. Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Näherungssensor (70) vorgesehen ist, der auf die Bewegung einer der Backen (10) anspricht und ein Signal liefert, welches die Offen- und die Schließstellung der Backen (10) signalisiert.