DE4109830A1 - Ueberlastbegrenzer fuer einen roboterarm - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Überlastbegrenzer für einen Roboterarm nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Roboterapplikationen werden Werkzeuge zum Greifen, Schweißen, Ent­ graten, Auftragen von Klebstoff etc. unter Verwendung eines Überlastschutzelements an die mechanische Schnittstelle eines Roboterarms angekoppelt. Be­ dingt durch die Ankopplung sollen bei Kollisionen während des Einlernvorgangs der Arbeitsabläufe und bei Programmablaufstörungen die Handhabungsgeräte mög­ lichst unbeschädigt bleiben.

Zu diesem Zweck werden beispielsweise Überlastkupplungen verwendet (Robotertechnik 1990, S. 56-58), die im Normalbetrieb eine starre und im Kolli­ sionsfall eine flexible Verbindung zwischen Werkzeug und Roboterarm darstel­ len. Diese sind je nach Belastungsart ausgeführt als trennende Überlastkupp­ lungen bei seitlicher Belastung, als federnde Überlastkupplungen bei seitli­ cher und axialer Belastung und als Z-Federelement zur Begrenzung von axialen Kräften. Die federnde Überlastkupplung ist zwar diejenige, die noch am uni­ versellsten einsetzbar ist, deckt aber nicht alle Belastungsfälle ab. Sie um­ faßt eine feststehende Scheibe, die mit einem Abstandsrohr verbunden ist. Eine bewegliche, in dem Rohr geführte Scheibe wird von bis zu zehn auf den Umfang verteilten Druckfedern an einem Bund des Abstandsrohrs gedrückt. Bei Überlast ist ein Zurückfedern der beweglichen Scheibe in axialer Richtung sowie ein seitliches Wegschwenken des Werkzeugs möglich. Die Verbindung der Kupplungs­ hälften wird durch einen induktiven Näherungsschalter überwacht, der bei Überlastung ein Signal an die Robotersteuerung abgibt. Diese Ausgestaltung ist nur für relativ geringe Auslösemomente geeignet, so daß bei schwereren Werk­ zeugen nur noch ein kleiner oder gar kein Spielraum mehr bleibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Überlastbegrenzer nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 zu schaffen, die auf alle Überlastungsarten anspricht und auch für sehr große Auslösemomente geeignet ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschrei­ bung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbil­ dungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Roboterarm mit einem Überlastbegrenzer.

Fig. 2 zeigt einen Überlastbegrenzer im Schnitt.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie III-III von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt ausschnittweise eine Draufsicht auf einen Druckflansch des Überlastbegrenzers vom Roboterarm her gesehen.

Fig. 5 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform eines Vorspannzy­ linders.

Gemäß Fig. 1 ist ein Roboterarm 1 an seinem freien Ende mit einem Handgetriebe 2 und zwei Antriebsmotoren 3, 4 versehen, von denen einer zum Schwenken um eine horizontale Achse 5 und der andere zum Drehen um eine zur ho­ rizontalen Achse 5 senkrechte Achse 6 entsprechend den Bewegungen eines Hand­ gelenks dient. Das Handgetriebe 2 trägt unter Zwischenschaltung eines Über­ lastbegrenzers 7 ein Werkzeug 8, beispielsweise einen Greifer o. dgl. Der Überlastbegrenzer 7 umfaßt ein Zylindergehäuse 9, das in seinem In­ neren eine in Axialrichtung um einen vorbestimmten Hub verschiebbare Druck­ buchse 10 aufnimmt, die ihrerseits mit einem Druckflansch 11 in Eingriff steht, wobei der Druckflansch 11 sich in einer mit dem Zylindergehäuse 9 ver­ schraubten Führungsbuchse 12 abstützt.

Das Zylindergehäuse 9 besitzt eine Reihe von beispielsweise zwölf axia­ len, gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilten Zylinderbohrungen 13, die je­ weils einen Kolben 14 aufnehmen und zum Roboterarm 1 hin durch Schrauben 15 verschlossen sind. Jeder Kolben 14 ist in seinem mittleren Teil mit Kolben­ ringen 16 versehen und trägt an seinem dem Roboterarm 1 zugewandten Ende eine Dichtungsanordnung 17. Die Zylinderbohrungen 13 sind jeweils über eine Verbin­ dungsbohrung 18 mit einem umlaufenden, nach außen offenen Ringkanal 19 des Zylindergehäuses 9 verbunden. Der Ringkanal 19 wird nach außen hin durch einen Ölanschlußring 20, der mit einer Anschlußbohrung 21 für eine Hydraulikleitung 22 versehen ist, dicht verschlossen.

Die Druckbuchse 10 besitzt einen Umfangsflansch 23, der entsprechend der Teilung der Zylinderbohrungen 13 zum Außenumfang hin offene Ausnehmungen 24 zur praktisch spielfreien Aufnahme der aus den Zylinderbohrungen 13 werkzeug­ seitig herausragenden Kolben 14 aufweist. Um bei Auftreten einer Drehmoment­ belastung eine flächige Abstützung zu erzielen, können die Kolben 14 in dem mit den Ausnehmungen 24 in Eingriff gelangenden Bereich auf gegenüberliegenden Seiten mit Anflachungen 25 versehen sein, die mit geraden Seitenflächen der Ausnehmungen 24 zusammenwirken.

Die Hydraulikleitung 22 ist an einen Druckmesser 26 angeschlossen. Wenn das geschlossene Hydraulikölsystem mit einem vorgegebenen Öldruck vorge­ spannt durch eine axiale Verschiebung der Druckbuchse 10 und eine gleichzei­ tige axiale Verschiebung der Kolben 14 einer Druckerhöhung unterliegt, wird diese durch den Druckmesser 26 festgestellt. Bei überschreiten eines vorbe­ stimmten Drucks gibt der Druckmesser 26 ein Signal an die Robotersteuerung zum sofortigen Stillsetzen dar Antriebsmotoren. Da die Zylinderbohrungen 13 sämt­ lich mit dem Ringkanal 19 verbunden sind, herrscht überall gleicher Druck.

Der Umfangsflansch 23 der Druckbuchse 10 weist auf der dem Werkzeug 8 zugewandten Seite eine Reihe von beispielsweise sechs sich in Radialrichtung erstreckenden, im wesentlichen V-förmigen, zum Werkzeug 8 hin offenen Nuten 27 auf, die symmetrisch zu einer Axialebene in einem Winkel von 45° verlaufen und gleichmäßig über den Umfang verteilt sind.

Der Druckflansch 11 weist entsprechend der Anzahl der Nuten 27 und ent­ sprechend deren Teilung sich radial erstreckende, im wesentlichen V-förmige Vorsprünge 28 korrespondierend zu den Nuten 27 auf, die jeweils mit einer Ra­ dialbohrung 29 und einer in der Nähe des Außenrandes des Druckflansches 11 befindlichen, zur Druckbuchse 10 hin offenen Ausnehmung 30 versehen sind. Die Radialbohrungen 29 nehmen jeweils einen Stift 31 auf, auf dem im Bereich der Ausnehmung 30 eine am Außenumfang leicht bombierte Rolle 32 angeordnet ist. Die Rollen 32 ragen über die Vorsprünge 28 hinaus und stehen mit den Wänden der Nuten 27 in Eingriff.

Zusätzlich ist der Druckflansch 11 außenumfänglich ebenso wie an seiner dem Werkzeug 8 zugewandten Seite leicht bombiert ausgebildet und stützt sich mit den bombierten Abstützflächen 33, 34 linienförmig auf den benachbarten Gegenflächen der Führungsbuchse 12 radial und axial ab.

Bei axialer Belastung eines mit dem Überlastbegrenzer 7 gekoppelten Werkzeugs 8 wird der Druckflansch 11 und damit die mit diesem über die Rollen 32 in Eingriff stehende Druckbuchse 10 axial unter Verschiebung der Kolben 14 und damit unter Erhöhung des Öldrucks verschoben. Überschreitet letzterer ei­ nen vorbestimmten Druckwert, erzeugt der Druckmesser 26 ein entsprechendes Signal.

Bei seitlicher Belastung kippt der Druckflansch 11 innerhalb der Füh­ rungsbuchse 12 entsprechend der Bombierung seiner Anlageflächen 33, 34, wo­ durch über die Rollen 32 die Druckbuchse 10 aufgrund ihrer axialen Führung in dem Zylindergehäuse 9 axial verschoben wird. Hierdurch werden wiederum die Kolben 14 verschoben und der Öldruck erhöht, so daß der Druckmesser 26 bei Erreichen eines vorbestimmten Grenzwertes ein entsprechendes Signal abgeben kann.

Bei einer in Umfangsrichtung wirkenden Drehmomentbelastung drücken die Rollen 32 gegen die entsprechenden Wandungen der Nuten 27, wodurch die Druck­ buchse 10 in axialer Richtung ausweicht, wodurch wiederum die Kolben 14 axial verschoben und damit der Öldruck erhöht wird, so daß der Druckmesser 26 bei Überschreiten eines vorbestimmten Druckwertes ein entsprechendes Signal abge­ ben kann.

Ersichtlich kommt es nicht darauf an, daß eine der vorgenannten Bela­ stungen auftritt, auch bei kombinierten Belastungen ist der Überlastbegrenzer 7 wirksam und spricht somit auf alle möglichen Überlastfälle an.

Nach Wegfall der Überlastung führt der im System herrschende Öldruck dazu, daß der Überlastbegrenzer 7 wieder seine Ausgangsposition annimmt, ohne daß irgendwelche Manipulationen notwendig wären.

Um beim Auftreten einer Überlastung einen starken Druckanstieg zu ver­ meiden, ist ein Vorspannzylinder 35 vorgesehen, der einen Druckraum 36 auf­ weist, der an die Hydraulikleitung 22 angeschlossen ist. Das Hydrauliköl be­ aufschlagt einen Kolben 37 gegen die Vorspannung einer Schraubenfeder 38. Die Schraubenfeder 38 hat eine solche Federcharakteristik, daß der Druck nur ganz flach linear im Bereich des Druckgrenzwertes ansteigen kann.

Im Vorspannzylinder 35 läßt sich auch ein radial elastisch dehnbarer, in Umfangsrichtung gewellt ausgebildeter Rohrkörper 39, wie er im Schnitt in Fig. 5 dargestellt ist, als Feder verwenden. Dies kann insbesondere gewichtsmäßige Vorteile haben. Ein derartiger Rohrkörper 39 besitzt die oben erwähnte, ge­ wünschte Federcharakteristik.

Der Druckflansch 11 ist mit einer zentralen Bohrung 40 zur Aufnahme ei­ nes Zentrierzapfens 41 eines Werkzeugs 8 sowie mit Gewindebohrungen 42 zum Befestigen des Werkzeugs 8 versehen und trägt außenseitig einen den Spalt 43 zur Führungsbuchse 12 abdeckenden scheibenförmigen Ring 44 aus elastischem Material, etwa Schaumstoff, als Schutz gegen das Eindringen von Verschmutzun­ gen.

Das Zylindergehäuse 9 ist mit einer zentralen Bohrung 45 sowie mit einer Zentrierbohrung 46 und/oder mit Bohrungen 47 zur Aufnahme von Befestigungs­ schrauben zum Befestigen am Handgetriebe 2 versehen. Außerdem ist außen­ umfänglich ein Schwalbenschwanz 48 zur Aufnahme von Nocken zur Endabschaltung zweckmäßigerweise vorhanden.

Zwar kann ein derartiger Überlastbegrenzer 7 mit relativ geringem Ge­ wicht hergestellt werden, jedoch kann es zusätzlich noch zweckmäßig sein, die Führungsbuchse 12 als Aluminium herzustellen und gegebenenfalls Verschleiß­ ringe an den mit den Anlageflächen 33, 34 in Eingriff stehenden Bereichen vorzusehen.

Als Zylindergehäuse 9 kann auch ein Gehäuse verwendet werden, das die Druckbuchse 10 über eine praktisch spielfreie Vielkeilverbindung axial führt, so daß auf die Kolben 14 verzichtet werden kann. In diesem Fall ist dann ein ringförmiger Druckölraum zwischen der Stirnseite der Druckbuchse 10 und dem Boden eines die Druckbuchse 10 aufnehmenden Ringzylinders des Zylindergehäuses 9 vorhanden.

Claims (16)

1. Überlastbegrenzer für einen Roboterarm (1) mit einem Gehäuse (9) und einer gegenüber diesem beweglichen, auf Überlast ansprechenden Einrichtung sowie einem auf deren Bewegung ansprechenden Fühler (26) zur Abgabe eines Steuersignals, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Einrichtung eine gegenüber dem Gehäuse (1) praktisch spielfrei axial bewegliche Druck­ buchse (10), deren Bewegung ein an einen als Druckmesser (26) ausgebildeten Fühler angeschlossenes Druckölvolumen beaufschlagt, und einen hiermit in Ein­ griff stehenden Druckflansch (11) umfaßt, der über eine bombierte Umfangsflä­ che (33) und eine bombierte Stirnfläche (34) kugelgelenkartig beweglich abge­ stützt ist und an seiner der Druckbuchse (10) zugewandten Seite in Umfangs­ richtung verteilte, um radiale Achsen drehbare Rollen (32) aufweist, die mit im wesentlichen V-förmigen Radialnuten (27) in der dem Druckflansch (11) zu­ gewandten Stirnseite der Druckbuchse (10) in Eingriff steht.

2. Überlastbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (32) eine bombierte Lauffläche haben, mit der sie mit den Nuten (27) in Eingriff stehen.

3. Überlastbegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckring (11) von einer am Gehäuse (9) befestigten Führungsbuchse (12) gegenüber dieser beweglich aufgenommen wird.

4. Überlastbegrenzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbuchse (12) aus Aluminium besteht.

5. Überlastbegrenzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbuchse (12) mit Verschleißringen versehen ist.

6. Überlastbegrenzer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spalt (43) zwischen Führungsbuchse (12) und Druckflansch (11) durch einen scheibenförmigen Ring (44) aus elastischem Material, vor­ zugsweise Schaumstoff, abgedeckt ist.

7. Überlastbegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (9) wenigstens einen axialen Zylinder (13) für das darin zusammendrückbare Druckölvolumen aufweist.

8. Überlastbegrenzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (9) eine Vielzahl von axialen Zylinderbohrungen (13) aufweist, die jeweils einen Kolben (14) aufnehmen, die endseitig mit der Druckbuchse (10) in Eingriff stehen.

9. Überlastbegrenzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbuchse (10) Ausnehmungen (24) aufweist, die die Kolben (14) endseitig aufnehmen.

10. Überlastbegrenzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (14) über Anflachungen (24) flächig mit den Ausnehmungen (24) in Ein­ griff stehen.

11. Überlastbegrenzer nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kolben (14) die Zylinderbohrungen (13) zur Druckbuchse (10) durch Dichtanordnungen (17) abdichten.

12. Überlastbegrenzer nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein mit allen Zylinderbohrungen (13) in Verbindung stehender Ringkanal (19) am Gehäuse (9) vorgesehen ist.

13. Überlastbegrenzer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (19) nach außen hin durch einen Ölanschlußring (20) verschlossen ist.

14. Überlastbegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Druckölvolumen einen Ölraum (36) in einem Vorspannzy­ linder (35) umfaßt, wobei der Ölraum (36) von einem federvorgespannten Kolben (37) beaufschlagt ist.

15. Überlastbegrenzer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (38, 39) eine Charakteristik derart aufweist, daß der Druck im Bereich des Druckgrenzwertes, auf den der Druckmesser (26) anspricht, nur linear und flach ansteigt.

16. Überlastbegrenzer nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (39) aus einem in Axialrichtung gewellten Rohrkörper gebildet wird.