DE4109830C2 - Überlastbegrenzer für 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, Entgraten, Auftragen von Klebstoff etc. unter Verwendung eines Überlastschutzelements an die mechanische Schnittstelle eines Roboter­ arms angekoppelt. Bedingt durch die Ankopplung sollen bei Kollisionen während des Einlernvorgangs der Arbeitsabläufe und bei Programmablauf­ störungen die Handhabungsgeräte möglichst unbeschädigt bleiben.

Zu diesem Zweck werden beispielsweise Überlastkupplungen ver­ wendet (ROBOTERtechnik 1990, S. 56-58), die im Normalbetrieb eine starre und im Kollisionsfall eine flexible Verbindung zwischen Werkzeug und Ro­ boterarm darstellen. Diese sind je nach Belastungsart ausgeführt als trennende Überlastkupplungen bei seitlicher Belastung, als federnde Überlastkupplungen bei seitlicher und axialer Belastung und als Z-Feder­ element zur Begrenzung von axialen Kräften. Die federnde Überlastkupp­ lung ist zwar diejenige, die noch am universellsten einsetzbar ist, deckt aber nicht alle Belastungsfälle ab. Sie umfaßt 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 Kupp­ lungshälften 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 Werkzeugen nur noch ein kleiner oder gar kein Spiel­ raum mehr bleibt.

Ein Überlastbegrenzer der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 36 05 505 bekannt und umfaßt einen Puffer- bzw. Dämpfungsmechani­ mus, der die während des Betriebs auf den Arbeitsarm wirkende Stoßkraft in Form einer axialen, exzentrischen oder Momentkraft absorbiert, wobei darüber hinaus diese Kräfte bei Überschreiten eines vorbestimmten Wertes durch einen Fühlerschalter erfaßt werden, um den Betrieb des Roboters unverzüglich zu unterbrechen. Hierzu ist ein Zylinder vorgesehen, in dem ein Kolben verschiebbar angeordnet ist, der druckluft- und federbeauf­ schlagt über mit dem Kolben verbundene Zapfen mit Rastausnehmungen in einer Aufspannplatte in Eingriff steht. Die Aufspannplatte ihrerseits trägt einen zentralen, auf den Kolben einwirkenden Führungskonus, der von einer entsprechenden Öffnung in einer den Zylinder zur Aufspannplat­ te hin abschließenden und die Zapfen führenden Platte aufgenommen wird. Hierbei ist für den Normalbetrieb keine starre Verbindung zwischen Werk­ zeug und Roboterarm vorgesehen, vielmehr soll die Verbindung so flexibel sein, daß eine Verschiebung ohne jeglichen Widerstand schon bei gerin­ ster Belastung erfolgt. Erst wenn diese Verschiebung einen vorbestimmten Wert überschreitet, spricht der Fühler an. Aufgrund der Federvorspannung des Kolbens ist eine derartige Einrichtung nur für relativ kleine Bela­ stungen und Bewegungen geeignet. Bei größeren Belastungen und Bewegungen wird die Beweglichkeit eingeschränkt, und es besteht die Gefahr von Be­ schädigungen, abgesehen davon, daß die Möglichkeit, selbsttätig wieder die Normalposition zu erreichen, nicht gegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Überlastbegrenzer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei dem eine starre und praktisch spielfreie Verbindung des Normalbetriebs erst bei Errei­ chen eines gegebenenfalls sehr großen Auslösemoments flexibel wird und eine selbsttätige Rückstellung in die Ausgangsstellung bei Wegfall des Auslösemoments gewährleistet ist.

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

Die starre und praktisch spielfreie Verbindung des Normalbe­ triebs wird erst bei Erreichen eines entsprechenden Auslösemoments flex­ ibel, und bei Wegfall des Auslösemoments erfolgt eine selbsttätige Rück­ stellung, wobei zudem durch die Ausbildung des axial beweglichen Teils als Hohlzylinder neben dem gewichtsmäßigen Vorteil ein freier Durchgang zum Werkzeug ermöglicht wird.

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 einen in Axialrichtung um einen vorbestimmten Hub verschiebbaren Hohl­ zylinder 10 aufnimmt, der seinerseits 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.

Der Hohlzylinder 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 des Hohlzylinders 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 der Antriebsmotoren. Da die Zylinderbohrungen 13 sämt­ lich mit dem Ringkanal 19 verbunden sind, herrscht überall gleicher Druck.

Der Umfangsflansch 23 des Hohlzylinders 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, zum Hohlzylinder 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 der mit diesem über die Rollen 32 in Eingriff stehende Hohlzylinder 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 der Hohlzylinder 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 der Hohl­ zylinder 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 den Hohlzylinder 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 des Hohlzylinders 10 und dem Boden eines den Hohlzylinder 10 aufnehmenden Ringzylinders des Zylindergehäuses 9 vorhanden.

Claims (17)

1. Überlastbegrenzer für einen Roboterarm (1) mit einem Gehäu­ se (9) und einer gegenüber dem Gehäuse (9) praktisch spielfrei axial be­ weglichen Teil (10), das eine auf Überlast ansprechende Einrichtung so­ wie einen auf deren Bewegung ansprechenden Fühler (26) zur Abgabe eines Steuersignals betätigt, wobei das bewegliche Teil (10) druckölbeauf­ schlagt auf einen Druckflansch (11) zum Tragen eines Werkzeugs einwirkt, der beweglich im Gehäuse (9) abgestützt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das axial bewegliche Teil ein Hohlzylinder (10) ist, dessen Bewegung ein an einen als Druckmesser (26) ausgebildeten Fühler angeschlossenes Druckölvolumen beaufschlagt, wobei der Druck­ flansch (11) über eine bombierte Umfangsfläche (33) und eine bombierte Stirnfläche (34) kugelgelenkartig beweglich und drehbar abgestützt ist und an seiner dem Hohlzylinder (10) zugewandten Seite in Umfangsrichtung verteilte, um radiale Achsen drehbare Rollen (32) aufweist, die mit im wesentlichen V-förmigen Radialnuten (27) in der dem Druckflansch (11) zugewandten Stirnseite des Hohlzylinders (10) in Eingriff stehen.

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 dem Hohlzylinder (10) in Eingriff stehen.

9. Überlastbegrenzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (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 gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (10) einen Umfangsflansch (23) aufweist, an dem die Kolben (14) angreifen.

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

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

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

15. Überlastbegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 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.

16. Überlastbegrenzer nach Anspruch 15, 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.

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