KR20090008192A - 로봇식 공구 교환기 - Google Patents

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KR20090008192A
KR20090008192A KR1020087023392A KR20087023392A KR20090008192A KR 20090008192 A KR20090008192 A KR 20090008192A KR 1020087023392 A KR1020087023392 A KR 1020087023392A KR 20087023392 A KR20087023392 A KR 20087023392A KR 20090008192 A KR20090008192 A KR 20090008192A
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piston
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robotic tool
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KR1020087023392A
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마이클 엘. 글로덴
레오나드 아론 오드햄
마크 디. 보독스
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에이티아이 인더스트리얼 오토메이션, 인크.
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Abstract

본 발명의 로봇식 공구 교환기는 함께 커플링되도록 구성된 마스터 유닛과 공구 유닛을 구비한다. 로봇식 공구 교환기의 마스터 유닛에는 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 이동 가능한 피스톤이 이동 가능하게 장착된다. 피스톤은 잠금 해제 표면, 페일 세이프 표면 및 잠금 표면을 갖는 접촉 영역을 포함한다. 또한, 마스터 유닛과 공구 유닛을 잠그도록 피스톤에 의해 작동되는 보유 영역 내에 수용되는 일련의 회전 부재가 제공된다. 예컨대, 피스톤은 회전 부재와 결합하여 회전 부재를 공구 유닛의 일부를 형성하는 베어링 레이스와 잠긴 관계로 가압한다. 부주의하게 또는 의도하지 않게 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동하는 것을 방지하기 위해, 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 피스톤의 이동을 지연하도록 피스톤은 피스톤 상에 잠금 표면과 잠금 해제 표면 사이에 대체로 배치된 지연 표면을 구비한다.
Figure P1020087023392
로봇식 공구 교환기, 마스터 유닛, 공구 유닛, 잠금 위치, 잠금 해제 위치, 피스톤, 페일 세이프 표면, 회전 부재

Description

로봇식 공구 교환기 {ROBOTIC TOOL CHANGER}
본 발명은 로봇식 공구 교환기에 관한 것으로서, 특히 함께 커플링되도록 구성된 마스터 유닛과 공구 유닛을 갖는 로봇식 공구 교환기에 관한 것이다.
로봇식 공구 교환기는 일반적으로 마스터 유닛과 공구 유닛을 포함한다. 통상적으로, 마스터 유닛은 로봇식 아암으로부터 지지되는 반면에, 공구 유닛은 마스터 유닛에 커플링되어 공구를 지지한다. 일부 설계에서는 마스터 유닛과 공구 유닛을 함께 커플링하기 위해, 마스터 유닛은 통상적으로 마스터 유닛의 볼 보유 영역에 보유되는 일련의 볼과 결합하기 위한 접촉 영역을 포함하는 유체 작동식 피스톤을 구비한다. 마스터 유닛과 공구 유닛이 연결되도록 결합되면, 피스톤의 접촉 영역은 볼을 결합하고 볼이 공구 유닛 내에 형성된 베어링 레이스(bearing race)와 결합하는 곳의 외부에 볼을 위치시킨다. 베어링 레이스의 형상과 볼을 베어링 레이스 내로 가압하는 방식으로 인해 마스터 유닛과 공구 유닛은 잠금 위치로 함께 견인된다.
종종 캠으로도 지칭되는 피스톤의 접촉 영역은 특히 두 개의 개별적인 기능을 제공하도록 구성된다. 우선, 접촉 영역은 잠금 표면을 구비한다. 잠금 표면이 볼과 결합할 때, 잠금 표면의 형상으로 인해 볼은 공구 유닛의 베어링 레이스와 결 합하여, 공구 유닛은 마스터 유닛 내의 잠금 위치로 견인된다. 또한, 통상 페일 세이프(failsafe) 표면으로도 불리우는 것이 접촉 영역 상에 배치된다. 페일 세이프 표면의 기능은 볼과 결합하여, 피스톤에 대한 유체 공급 시스템의 고장이 발생하였거나, 또는 유체의 공급이 일시적으로 차단되었거나 중단되었을 때 마스터 유닛과 공구 유닛 간에 커플링 관계를 유지하는 것을 돕는다. 즉, 페일 세이프 표면은 일시적으로 피스톤과 피스톤의 접촉 표면이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 직접 이동하는 것을 방지한다. 하지만, 피스톤 상에서 발견되는 페일 세이프 표면은 원통형이며 피스톤의 종방향 축에 대체로 평행하게 연장한다. 따라서, 이러한 페일 세이프가 볼과 결합할 때, 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동하기 위해 극복해야할 대항력이 존재하지 않는다. 일부 상황에서, 피스톤이 의도치 않게 페일 세이프 위치를 지나 이동할 가능성이 있다. 예컨대, 진동이나 충격 또는 다른 외력으로 인해, 피스톤이 의도치 않게 페일 세이프 위치를 지나 잠금 해제 위치로 이동할 수도 있을 것이다.
본 발명은 함께 커플링되도록 구성된 제1 유닛과 제2 유닛을 갖는 로봇식 공구 교환기에 관한 것이다. 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 이동하는 유체 작동식 피스톤이 하나의 유닛에 장착된다. 잠금 위치에서, 피스톤은 일련의 회전 부재와 결합하고 회전 부재가 다른 부재와 결합되도록 가압하여 두 유닛을 함께 잠근다. 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 부주의에 의해 또는 의도치 않게 이동하는 것을 방지하기 위해, 피스톤은 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 피스톤의 이동을 지연시키도록 형성 또는 구성된 페일 세이프 또는 지연 표면을 포함한다.
또한, 본 발명은 제1 유닛, 제2 유닛 및 상기 유닛들 중 하나에 배치된 복수의 회전 부재를 구비한 로봇식 공구 교환기에 관한 것이다. 피스톤은 로봇식 공구 교환기의 상기 유닛들 중 하나에 이동 가능하게 장착되어 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이를 이동할 수 있다. 피스톤은 로봇식 공구 교환기 내의 개구를 통해 전후방으로 이동 가능한 스템을 포함한다. 피스톤의 스템과 개구는 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 피스톤 이동의 적어도 일부 동안 피스톤 이동을 적어도 약간은 제한하도록 구성된다. 이러한 제한은 부주의에 의해 또는 의도치 않게 잠금 해제 상태가 되는 것을 방지하도록 의도된다.
본 발명의 다른 목적 및 장점은 후속하는 설명과 본 발명을 단지 도시하기 위한 첨부 도면을 숙지하면 명확하게 이해될 것이다.
도1은 본 발명의 로봇식 공구 교환기의 단면도로서, 로봇식 공구 교환기의 피스톤이 잠금 위치에 있는 것을 도시한 도면이다.
도2는 도1에서 원으로 표시되고 II로 지시된 공구 교환기의 피스톤의 확대도이다.
도3은 도1과 유사하지만, 피스톤이 페일 세이프 위치에 있는 것을 도시한 도면이다.
도4는 IV로 지시된 도3의 원형 부분의 확대도이다.
도5는 도1과 유사하지만, 피스톤이 잠금 해제 위치에 있는 것을 도시한 도면이다.
도6은 도5에서 VI으로 지시된 원형 부분의 확대도이다.
도7A는 피스톤이 잠금 위치, 페일 세이프 위치 및 잠금 해제 위치 사이를 이동할 때 피스톤의 일부와 회전 부재 사이의 관계를 도시한 개략도이다.
도7B는 도7A와 유사하지만, 피스톤의 종방향 축에 대한 피스톤의 접촉 영역을 도시한 개략도이다.
도8은 피스톤의 대안 설계를 도시한 공구 교환기의 일부 확대도로서, 피스톤은 잠금 위치에 있는 것으로 도시된다.
도9는 도8과 유사하지만, 피스톤이 페일 세이프 위치에 배치된 것을 도시한 도면이다.
도10은 도8과 유사하지만, 피스톤이 잠금 해제 위치에 배치된 것을 도시한 도면이다.
도11A는 잠금 위치, 페일 세이프 위치, 및 잠금 해제 위치 사이에서 회전 부재에 대한 피스톤의 이동을 도시한 대안적 실시예의 피스톤의 개략도이다.
도11B는 도11A와 유사하지만, 피스톤의 종방향 축에 대한 피스톤의 접촉 영역을 도시한 개략도이다.
도11C는 도8 내지 도11B에서 도시된 실시예에 대해 회전 부재가 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동함으로써 발생하는 힘 성분을 개략적으로 도시한 도면이다.
도12는 피스톤의 접촉 영역에 대한 다른 대안 설계를 도시한 개략도이다.
도13은 XII로 지시된 도1의 원형 영역의 확대도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 로봇식 공구 교환기는 일반적으로 도면부호 10으로 지시되어 도시된다. 공구 교환기(10)는 기본적으로 함께 커플링되도록 구성된 제1 유닛과 제2 유닛을 포함한다. 제1 유닛은 일반적으로 도면부호 12로 지시되며 종종 마스터 유닛으로도 지칭된다. 제2 유닛은 일반적으로 도면부호 14로 지시되며 종종 공구 유닛으로 지칭된다. 사용시, 제1 또는 마스터 유닛(12)은 통상적으로 로봇식 아암(도시 생략)에 연결되는 반면에, 제2 또는 공구 유닛(14)은 통상적으로 특정 공구에 연결된다. 또한, 사용시 각각의 공구 유닛(14)이 특정 공구를 보유 또는 지지하는 일련의 공구 유닛(14)을 구비할 수 있다. 따라서, 사용중에, 각각의 공구 유닛(14)은 제1 및 마스터 유닛(12)과 커플링 및 커플링 해제될 수 있다. 본원에 개시된 로봇식 공구 교환기(10)는 참조로서 본원에 합체된 미국 특허 제5,211,501호에 개시된 다양한 양태와 유사하다.
대부분의 로봇식 시스템은 통상적으로 로봇식 아암, 마스터 유닛(12) 및 각각이 상이한 공구에 커플링된 복수의 공구 유닛(14)을 포함하기 때문에, 마스터 유닛(12) 내에 공구 교환기(10)의 능동 구성 요소를 위치시키는 것이 일반적이다. 하지만, 마스터 유닛(12) 및 공구 유닛(14) 내에서의 능동(active) 구성 요소 및 피동(passive) 구성 요소의 배치는 반대가 될 수도 있다. 통상적으로는 마스터 유닛(12)이 로봇식 아암에 연결되고 공구 유닛(14)이 로봇식 공구에 연결되지만, 이 러한 특정 배향은 임의의 주어진 용도에서 반대가 될 수도 있다.
후술되는 바와 같이, 로봇식 공구 교환기(10)의 주요 기능 중에 하나는 공구 유닛(14)을 마스터 유닛(12)에 빠르고 효율적으로 커플링 및 커플링 해제하는 시스템을 제공하는 것이다. 하지만, 로봇식 공구 교환기(10)는 부착된 공구에 대한 다양한 서비스 및 유용성을 제공하기 위한 추가의 설비를 포함한다. 예컨대, 일반적으로 마스터 유닛(12)과의 마스터 전기 접점이 제공된다. 이는 마스터 유닛(12)과 공구 유닛(14)을 거쳐 궁극적으로는 공구로 전기 서비스가 제공될 수 있게 한다. 예컨대, 용접 공구에 의해 사용되는 것과 같이 상대적으로 큰 전류가 전원으로부터 로봇식 시스템을 통해 공구 유닛(14)으로 전달될 수 있다. 유사한 방식으로, 공기와 같은 유체가 공구 유닛에 연결된 특정 공구에 의해 사용되기 위해 마스터 유닛(12)을 거쳐 공구 유닛(14)으로 전달될 수 있다. 통상적으로 로봇식 공구 교환기에 의해 제공되는, 또 다른 이러한 서비스 및 유용성은 유압 유체, 냉각 유체, 오일 및 데이터 전달을 포함한다. 이러한 서비스 및 유용성의 상세는 본원 발명에 본질적인 것이 아니며 본원에 개시된 일반적인 유형의 로봇식 공구 교환기는 상업적으로 공지 및 구입 가능하기 때문에 본원에서 상세하게 다루지 않는다.
이제 제1 또는 마스터 유닛(12)의 설명으로 돌아가서, 마스터 유닛은 유체 챔버(14)를 구비한다. 도1을 참조하면, 도시된 설계에서 유체 챔버(14)는 원통형이며, 원통형 벽(16)을 포함한다. 돌출된 환형 링(20)을 포함하는 수평 부재(18)를 포함하는 구조체가 유체 챔버(14)에 인접하여 배치된다. 수평 부재(18)는 유체 챔버(14)의 일 단부를 형성한다. 또한, 수평 부재(18)는 중앙 개구(18A)를 포함하 며, O-링(18B)이 중앙 개구 내에 형성된 환형 홈에 고정된다. 일련의 구멍 또는 개구(22)가 환형 링(20) 내에 형성된다. 회전 부재(24)가 구멍 또는 개구(22) 각각에 일반적으로 보유 또는 배치된다. 구멍(22) 내부 그리고 구멍 주위의 영역은 본원에서 후속하여 설명되는 바와 같이 공구 유닛(14)과 함께 마스터 유닛(12)을 잠그는데 사용되는 회전 부재(24)를 적어도 부분적으로 보유하려는 경향이 있기 때문에, 이 영역은 종종 보유 영역으로도 지칭된다.
대체로 도면부호 30에 의해 지시된 이중 작용 피스톤이 유체 챔버 내에 배치된다. 피스톤(30)은 가압된 유체원에 의해 유체 챔버(14) 내에서 전후방으로 작동한다. 일 실시예에서, 피스톤(30)은 공압에 의해 전후방으로 이동된다. 피스톤(30)은 도면부호 32로 지시된 종방향 축을 포함한다. 또한, 피스톤(30)은 유체 챔버(14) 내에 활주 가능하게 수용된 기부(34)를 포함하며, 공기 또는 다른 유체가 상기 기부를 바이패스하지 못하도록 유체 밀봉을 형성한다. 특히, 기부(34)는 유체 챔버(14)의 원통형 벽(16)에 대해 밀봉된 O-링(36)을 구비한다. 스템(38)은 기부(34)의 중앙에 위치된다. 종방향 축(32)은 스템(38)을 통해 중앙에서 연장하는 것이 바람직하다. 도1에 도시된 바와 같이, 스템(38)은 수평 부재(18) 내에 형성된 개구(18A)를 통해 연장한다. 일반적으로 도면 부호 40에 의해 지시된 통상의 원통형 헤드가 스템에 고정된다. 스크루(42)는 헤드(40)의 일부를 통해 스템(18) 내에 형성된 나사식 공동 내로 연장한다. 스크루(42)를 조여서, 피스톤(30)의 헤드(40)는 피스톤의 기부(34)에 커플링 또는 연결된다.
헤드(40)의 외주연부는 마스터 유닛(12)을 공구 유닛(14)에 대해 잠그기 위 해 회전 부재(24)와 결합되게 구성된다. 헤드의 외주연부는 특히 잠금 기능 및 잠금 해제 기능 모두를 달성하기 위해 잠금 부재(24)와 협동하도록 구성된다. 따라서, 헤드(40)의 외주연부의 외부 영역은 회전 부재(24)를 접촉하고 회전 부재(24)를 본원에서 후술될 공구 유닛(14)의 일부와 잠금 관계로 가압하기 위한 접촉 영역을 포함한다.
헤드(40)의 접촉 영역을 살펴보면, 도1 내지 도7B에 도시된 바와 같이, 헤드는 잠금 표면(50)을 포함한다. 잠금 표면(50)은 종방향 축(32)에 대해 테이퍼지거나 또는 경사지도록 배치된다. 도7A 및 도7B에 도시된 바와 같이, 잠금 표면(50)은 통상 종방향 축(32)에 대해 상측 및 내측으로 테이퍼 진다. 본원에 후술되는 바와 같이, 피스톤(30)이 잠금 위치에 있을 때, 잠금 표면(50)은 각각의 회전 부재(24)와 결합하여 회전 부재(24)를 공구 유닛(14)의 일부와 결합시키고 마스터 유닛(12)과 공구 유닛(14)을 함께 잠글 것이다.
또한, 잠금 해제 표면으로도 지칭되는 접촉 표면(56)이 피스톤 헤드(40)의 접촉 영역 상에 형성된다. 도2, 도4 및 도6에 도시된 바와 같이, 접촉 표면(56)은 종방향 축(32)을 향해 상측 및 내측으로 테이퍼진다. 접촉 표면(56)은 두 가지 기능을 제공한다. 피스톤(30)이 잠금 해제 위치로부터 잠금 위치로 이동할 때, 피스톤의 헤드(40)를 둘러싸는 접촉 표면(56)은 회전 부재(24)와 접촉하여 환형 링(20) 내에 형성된 개구 또는 구멍(22)을 통해 회전 부재를 외측으로 가압할 것이다. 따라서, 표면(56)은 접촉 표면으로 지칭될 수 있다. 또한, 피스톤(30)이 잠금 해제 위치에 있을 때, 접촉 표면(56)은 도6에 도시된 바와 같이 회전 부재(24)에 인접하 여 놓이게 될 것이다. 구멍(22)의 형상과 접촉 표면(56)의 위치 및 형상으로 인해, 회전 부재(24)는 도6에 도시된 바와 같이 구멍(22)의 일측으로 이동될 수 있다. 피스톤(30)의 접촉 표면(56)은 회전 부재(24)가 구멍(22)에서 떨어지는 것을 방지할 것이다. 동시에, 회전 부재(24)의 위치는 공구 유닛(14)이 회전 부재(24)로부터 간섭받지 않고 마스터 유닛(12)으로부터 커플링 해제될 수 있게 한다. 따라서, 표면(56)은 잠금 해제 표면으로도 지칭된다.
페일 세이프 표면(52)이 잠금 표면(50)에 인접하여 배치된다. 이 실시예에서, 페일 세이프 표면(52)의 일부는 피스톤(30)의 종방향 축(32)에 대체로 평행하게 연장하는 일반적인 원통형 표면을 포함한다. 페일 세이프 표면(52)은 또한 지연 표면(52A)으로도 지칭되는 다른 부분을 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이, 페일 세이프 표면(52)은 잠금 표면(50)과 잠금 해제 표면(56) 사이에서 대체로 연장한다. 페일 세이프 표면(52)의 원통형 부분은 잠금 표면(50)에 인접하여 배치된다. 잠금 표면의 지연 부분(52A)은 잠금 해제 표면(56)에 인접하여 배치된다. 페일 세이프 표면(52)의 목적은 피스톤(30)이 도1에 도시된 잠금 위치로부터 도5 및 도6에 도시된 잠금 해제 위치로 부주의에 의해 또는 의도치 않게 이동하는 것을 방지하는 것이다. 특히, 도1에 도시된 잠금 위치에서는, 회전 부재(24)는 피스톤 헤드(40)에 대항하여 힘을 배향시켜, 잠금 위치로 피스톤을 가압하는 작동력이 중단된 경우에 피스톤을 잠금 해제 위치로 구동한다. 피스톤(30) 상에 작용하는 작동력이 의도치 않게 중단되면, 피스톤은 도1에 도시된 잠금 위치로부터 도3 및 도4에 도시된 페일 세이프 위치로 이동하려 할 것이다. 많은 경우에, 페일 세이프 표 면(52)의 원통형 부분은 마스터 유닛(12)과 공구 유닛(14) 사이에 커플링된 관계를 유지하는 것을 돕는다. 하지만, 페일 세이프 표면(52)의 원통형 부분에 의해 회전 부재(24)에 대항하여 배향된 수직력은 축방향으로 상당한 힘 성분을 생성하지는 않을 것이다. 하지만, 페일 세이프 표면(52)의 일부를 형성하는 지연 표면(52A)은 페일 세이프 표면의 원통형 부분으로부터 적어도 약간은 외측으로 돌출한다. 지연 표면(52A)과 회전 부재(24)의 결합에 의해 잠금 해제 위치를 향한 피스톤의 추가적인 이동에 대해 적어도 약간의 저항이 발생할 것이다.
도1 내지 도7B에 도시된 실시예의 경우, 지연 표면(52A)은 융기(ridge) 형태를 취한다. 지연 표면(52A)을 형성하는 융기는 접촉 또는 잠금 해제 표면(56)과 페일 세이프 표면(52)의 원통형 부분 사이에 대체로 배치된다. 융기의 치수는 가변적이지만, 융기는 페일 세이프 표면의 원통형 부분을 지나 대략 0.254㎜ 내지 1.016㎜(0.010인치 내지 0.040인치) 외측으로 돌출할 수 있다. 지연 표면(52A)의 관계는 도7A 및 도7B에 도시된다. 여기서 지연 표면(52A)을 형성하는 융기는 페일 세이프 표면(52)의 원통형 부분과 잠금 해제 표면(56) 사이에 대체로 놓인다. 이 설계에서는, 페일 세이프 표면(52)의 원통형 부분 바로 위의 헤드의 접촉 영역에 약간의 오목부가 제공된다. 따라서, 회전 부재(24)가 공정 중 융기를 통과할 필요가 있어, 피스톤(30)이 융기를 지나 잠금 해제 위치로 이동될 때, 회전 부재(24)는 잠금 레이스(60, locking race)의 잠금 표면(62)과 융기 사이에서 적어도 약간 압축될 것이다.
공구 유닛(14)으로 돌아가서, 상술된 바와 같이 마스터 유닛(12)은 공구 유 닛에 커플링되도록 구성된다. 마스터 유닛(12)과 함께 잠그기 위해, 공구 유닛(14)은 잠금 레이스(60, locking race)를 구비한다. 공구 유닛(14)의 일부를 형성하는 잠금 레이스(60)는 마스터 유닛(12) 내로 삽입되어 회전 부재(24)에 인접하여 회전 부재의 외측에 위치되도록 설계된다. 도1 내지 도6을 참조하면, 잠금 레이스(60)는 잠금 표면(62)을 포함한다. 공구 유닛(14)을 마스터 유닛(12)과 함께 잠그기 위해, 피스톤(30)은 도1에 도시된 바와 같이 상측으로 작동 및 구동된다. 피스톤(30)의 잠금 표면(50)은 회전 부재(24)와 결합하여, 회전 부재를 환형 링(20)의 구멍(22)을 통해 외측으로 가압할 것이다. 회전 부재(24)는 공구 유닛(14)의 일부를 형성하는 잠금 표면(62)과 결합하여, 잠금 레이스(60)를 도1에 도시된 잠금 위치로 하방으로 가압할 것이다.
도4 및 도7A에 도시된 페일 세이프 위치에서, 페일 세이프 표면(52)은 계속 회전 부재(24)와 결합한다. 페일 세이프 표면(52)의 원통형 부분이 회전 부재(24)와 결합하면, 페일 세이프 표면은 큰 축방향 대항력이 발생하지 않아도 마스터 유닛(12)과 공구 유닛(14) 사이에 커플링 관계를 유지하는 것을 돕는다. 하지만, 피스톤(30)이 융기 또는 지연 표면(52A)을 지나 이동하려고 하면, 융기와 회전 부재(24)의 결합에 의해 생성된 축방향 대항력이 존재하게 될 것이다. 이로 인해, 피스톤(30)이 잠금 해제 위치로 이동하기 위해 극복해야 하는 적어도 약간의 정저항(positive resistance)이 발생할 것이다. 즉, 회전 부재가 융기를 통과하려고 할 때, 적어도 약간의 축방향 대항력이 생성될 것이다.
피스톤(30)이 잠금 해제 위치를 취하면, 잠금 레이스(60)는 커플링된 위치로 부터 자유롭게 이동한다. 특히, 잠금 해제 표면(56)으로 인해 회전 부재(24)는 도6에 도시된 위치를 취하여, 잠금 레이스(60)가 자유로워지며, 이는 공구 유닛(14)이 마스터 유닛(12)으로부터 커플링 해제될 수 있다는 것을 의미한다.
도8 내지 도11C에, 피스톤(30)의 헤드(40)의 접촉 영역에 대한 제2 실시예가 도시된다. 도1에 도시된 실시예에서, 페일 세이프 표면(52)은 접촉 또는 잠금 해제 표면(56)과 잠금 표면(50) 사이에 배치된 융기를 포함하였다. 이 실시예에서, 페일 세이프 표면(52)은 접촉 또는 잠금 해제 표면(56)과 잠금 표면(50) 사이에 대체로 원뿔형상의 표면을 형성한다. 즉, 도11A 및 도11B에 도시된 바와 같이, 페일 세이프 표면(52)은 접촉 또는 잠금 해제 표면(56)과 결합하는 지점까지 상향하여 그리고 약간 외측으로 연장한다. 페일 세이프 표면(52)이 피스톤(30) 주위에서 하향 돌출되면, 돌출된 선은 원뿔을 형성할 것이다. 도11A에 도시된 바와 같이, 피스톤이 도8에 도시된 잠금 위치로부터 도10에 도시된 잠금 해제 위치로 이동할 때, 원뿔형 표면(52)은 피스톤의 이동을 지연시키고 피스톤의 이동에 대한 적어도 약간의 저항을 생성할 것이다. 사실상, 회전 부재(24)는 잠금 레이스(60)의 잠금 표면(62)과 원뿔형 표면(52) 사이에서 약간 압축된다.
원뿔형 표면(52)의 각도는 작은 것이 바람직하다. 도11B에 도시된 바와 같이, 피스톤의 종방향 축(32)에 평행한 기준선(RF)에 대한 원뿔형 표면(52)의 각도는 약 2°인 것이 바람직하지만, 대략 1°내지 5°일 수도 있다. 원뿔형 표면(52)의 각도는 원뿔형 또는 지연 표면(52)의 연장선인 무한선(construction line)(CL)과 기준선(RF)에 의해 형성된 각(A)(도11B)에 의해 나타내어진다.
도8 내지 도11B에 도시된 제2 실시예를 간략하게 검토해보면, 도8에서 피스톤(30)은 잠금 위치를 취한다. 여기서 잠금 표면(50)은 회전 부재(24)와 결합하여, 회전 부재를 공구 유닛(14)의 잠금 레이스(60)의 잠금 표면(62)과 결합하는 곳으로 회전 부재(24)를 외측으로 가압한다. 이로 인해, 잠금 레이스(60)가 잠금 위치 내로 하방으로 당겨진다.
피스톤(30)에 대한 작동력에 문제가 발생하면, 피스톤(30)은 도9에 도시된 바와 같이, 회전 부재(24)가 페일 세이프 표면(52)과 결합하는 곳으로 하방으로 이동하려 할 것이다. 페일 세이프 표면(52)이 원뿔형이거나 피스톤의 종방향 축(32)에 대해 경사졌기 때문에, 회전 부재(24)는 피스톤(30)이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때, 적어도 약간 외측으로 가압될 것이다. 즉, 원뿔형이거나 또는 경사진 페일 세이프 표면(52)은 피스톤이 의도치 않게 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동하는 것을 사실상 방지한다. 이는 표면(52)의 원뿔 형상이 피스톤에 능동적인 잠금 해제력이 가해지지 않는다면, 도9에 도시된 바와 같이 하방으로의 피스톤의 이동을 효과적으로 지연시키는 지연 표면을 형성하기 때문이다.
도11C를 참조하면, 피스톤(30)이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 초래되거나 생성되는 축방향 대항력이 개략적으로 도시된다. 회전 부재(24)는 수직력(F1)이 생성된 원뿔형 표면(52)과 결합한다. 이 힘은 원뿔형 표면(52)에 수직하게 작용하며 도11C에 도시된 바와 같이, 대체로 수평으로 그리고 약간 상향으로 배향된다. 힘(F1)은 수평 힘 성분(F2)과 수직 또는 축방향 상향 힘 성분(F3)을 포함한다. 피스톤(30)이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동하기 위해 극복해야 하는 힘은 축력 성분(F3)이다.
도12는 피스톤 헤드(40)의 접촉 영역의 제3 실시예를 도시한다. 이 경우, 페일 세이프 표면(52)은 두 부분을 포함한다. 우선, 일반적인 원통형 부분(52B)과 제2 원뿔형 부분(52A)이 존재한다. 이 설계는 원뿔형 표면(52B)이 도1 내지 도7B의 실시예에서 융기의 위치를 취하는 것을 제외하면, 도1 내지 도7B에 도시된 실시예와 유사하다. 이 실시예에서는 어떠한 경우에도, 피스톤(30)이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때, 회전 부재는 우선 페일 세이프 표면의 원통형 부분(52B)과 우선 결합한 후, 원뿔형 또는 경사진 표면(52B)과 결합할 것이다. 즉, 원뿔형 또는 경사진 표면(52B)은 피스톤(30)의 이동을 지연시키고, 피스톤(30)이 원뿔형 또는 경사진 표면(52B)을 지나 잠금 해제 위치로 부주의하게 또는 의도치 않게 이동하는 것을 방지한다.
피스톤이 페일 세이프 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동하는 것을 지연시키는 다른 방법이 존재한다. 도13에서, 피스톤(30)의 스템(38)의 일부는 수평 부재(18)에 인접하여 도시된다. 스템(38)은 단차(38A)를 구비한다. 단차의 치수는 가변적이다. 일 실시예에서, 단차(38A)는 스템(38)으로부터 대략 0.127㎜ 내지 0.254㎜(0.005인치 내지 0.010인치) 외측으로 돌출할 것이다. 도12에 도시된 바와 같이 스템(38)이 하방으로 이동할 때, 단차(38A)는 개구(18A)와 수평 부재(18)를 통과할 것이다. 개구(18A)를 통과할 때, 단차(38A)는 O-링(18B)과 결합할 것이다. 단차(38A)와 O-링(18B)의 결합으로 인해, 스템(38)의 추가적인 하방 이동이 적어도 약간 지연될 것이다. 단차(38A)와 O-링(18B)의 결합으로 인해, 단차(38A)가 개구를 통과할 때 O-링(18B)은 압축되거나 약간 변형될 것이다.
단차(38A)는 페일 세이프 위치로부터 잠금 해제 위치로의 피스톤의 부주의 하거나 의도치 않은 이동에 대해 보호하기 위해, 스템(38) 상에 전략적으로 배치된다. 따라서, 피스톤(30)이 페일 세이프 위치를 취할 때, 단차(38A)는 O-링(18B) 바로 위에 놓일 수 있다. 진동 또는 다른 외력으로 인해, 피스톤(30)이 잠금 해제 위치로 이동하려고 하는 경향이 있었다면, 단차(38A)는 O-링(18B)과 결합하여 스템(38)의 추가적인 하방 이동을 적어도 약간 지연하였을 것이다. 이로 인해, 피스톤은 페일 세이프 위치에 효과적으로 유지될 수 있다. 하지만, 단차(38A)가 상대적으로 작기 때문에, 스템과 피스톤이 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 이동할 때, 스템(38) 상에 단차가 존재하는 것이 스템(38)의 정상적인 상하 작동을 방해 또는 간섭하지 않을 것이다.
물론, 본 발명은 본 발명의 범주와 근본적인 특징 내에서 본원에 개시된 방법 이외의 방법으로도 수행될 수 있다. 따라서, 본 실시예들은 모든 측면에서 도시적으로서 제한적인 것이 아닌 것으로 해석되어야 하며, 첨부된 청구항의 의미 및 균등한 범위 내에서의 모든 변형이 포함된 것으로 의도되었다.

Claims (44)

  1. 로봇식 공구 교환기이며,
    a. 제1 유닛과,
    b. 제2 유닛과,
    c. 상기 유닛들 중 하나의 보유 영역에 배치된 복수의 회전 부재와,
    d. 로봇식 공구 교환기의 상기 유닛들 중 하나에 이동 가능하게 장착되어 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 이동 가능한 피스톤을 포함하고,
    e. 잠금 위치에서 피스톤은 상기 유닛들 중 하나에서 회전 부재와 결합하고 상기 두 개의 유닛을 함께 잠그도록 다른 유닛의 표면에 대해 회전 부재를 가압하도록 작동하고,
    f. 피스톤은 로봇식 공구 교환기 내의 개구를 통해 전후방으로 이동 가능한 스템을 포함하고,
    g. 피스톤의 스템과 개구는 피스톤이 잠금 위치에서 잠금 해제 위치로 이동할 때 피스톤의 이동 중 적어도 일부 동안 피스톤의 이동을 적어도 약간 억제하도록 구성된 로봇식 공구 교환기.
  2. 제1항에 있어서, 피스톤의 스템은 개구의 일부와 결합하기 위한 단차를 포함하고, 개구의 일부와 피스톤 단차의 결합은 잠금 해제 위치로의 피스톤의 추가 이동을 제한하는 로봇식 공구 교환기.
  3. 제1항에 있어서, 스템은 단차가 형성된 외부 표면을 포함하고, 개구는 O-링을 포함하고, 단차와 O-링은 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 단차가 O-링과 결합하도록 서로에 대해 이격된 로봇식 공구 교환기.
  4. 제3항에 있어서, 단차와 O-링은 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 단차와 O-링의 결합으로 인해 O-링이 적어도 약간 변형되고 O-링이 피스톤의 이동을 적어도 약간 지연시키도록 구성된 로봇식 공구 교환기.
  5. 제1항에 있어서, 피스톤은 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 페일 세이프 위치를 취할 수 있고, 스템과 개구는 잠금 위치와 페일 세이프 위치 사이에서보다 페일 세이프 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 피스톤 이동에 대해 더 큰 저항을 가하도록 구성된 로봇식 공구 교환기.
  6. 제1항에 있어서, 피스톤은 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 페일 세이프 위치를 취할 수 있고, 피스톤은 접촉 영역을 포함하고, 접촉 영역의 일부는 회전 부재와 결합하고, 접촉 영역은 접촉 또는 잠금 해제 표면, 잠금 표면, 및 접촉 또는 잠금 해제 표면과 잠금 표면 사이에 배치된 페일 세이프 표면을 포함하고, 접촉 영역은 대체로 페일 세이프 표면과 접촉 또는 잠금 해제 표면 사이에 배치되어, 피스톤이 페일 세이프 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 피스톤의 이동을 적 어도 약간 지연시키는 지연 표면을 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  7. 제6항에 있어서, 지연 표면의 적어도 일부는 페일 세이프 표면을 지나 외측으로 연장하는 로봇식 공구 교환기.
  8. 제6항에 있어서, 지연 표면은 대체로 페일 세이프 표면과 접촉 또는 잠금 해제 표면 사이에 배치된 융기를 포함하고, 이때 융기는 피스톤의 접촉 영역 주위에 연장된 로봇식 공구 교환기.
  9. 제6항에 있어서, 지연 표면은 대체로 페일 세이프 표면과 접촉 또는 잠금 해제 표면 사이에 배치된 원뿔형 표면을 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  10. 로봇식 공구 교환기이며,
    a. 제1 유닛과,
    b. 제2 유닛과,
    c. 로봇식 공구 교환기의 상기 유닛들 중 하나 내에 이동 가능하게 장착되어 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 이동 가능한 피스톤을 포함하고,
    d. 피스톤은 로봇식 공구 교환기 내의 개구를 통해 전후방으로 이동 가능한 스템을 포함하고,
    e. 피스톤과 개구는 피스톤이 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 전후로 이동할 때 피스톤의 이동 중 단지 일부 동안만 피스톤의 이동을 적어도 약간 억제하도록 구성된 로봇식 공구 교환기.
  11. 제10항에 있어서, 피스톤의 스템은 개구의 일부와 결합하기 위한 단차를 포함하고, 개구의 일부와 피스톤의 단차의 결합은 잠금 해제 위치로의 피스톤의 추가 이동을 제한하는 로봇식 공구 교환기.
  12. 제10항에 있어서, 스템은 단차가 형성된 외부 표면을 포함하고, 개구는 O-링을 포함하고, 단차와 O-링은 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 단차가 O-링과 결합하도록 서로에 대해 이격된 로봇식 공구 교환기.
  13. 제12항에 있어서, 단차와 O-링은 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 단차와 O-링의 결합으로 인해 O-링이 약간 변형되고 O-링이 피스톤의 이동을 적어도 약간 지연시키도록 구성된 로봇식 공구 교환기.
  14. 로봇식 공구 교환기이며,
    a. 제1 유닛과,
    b. 제2 유닛과,
    c. 상기 유닛들 중 하나의 보유 영역에 배치된 복수의 회전 부재와,
    d. 로봇식 공구 교환기의 상기 유닛들 중 하나 내에 이동 가능하게 장착되어 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 이동 가능한 피스톤을 포함하고,
    e. 피스톤은 잠금 표면과 접촉 표면을 포함하고,
    f. 피스톤은 회전 부재와 결합하도록 대체로 잠금 표면과 접촉 표면 사이에 배치되어, 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 피스톤의 이동을 적어도 약간 지연시키는 페일 세이프 표면을 더 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  15. 제14항에 있어서, 페일 세이프 표면은 원뿔형 표면을 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  16. 제15항에 있어서, 원뿔형 표면은 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 회전 부재가 원뿔형 표면과 상기 유닛들 중 하나와 결합된 잠금 표면 사이에서 압축되도록 피스톤 상에 배향된 로봇식 공구 교환기.
  17. 제16항에 있어서, 원뿔형 표면은 피스톤의 종방향 축과 대체로 평행하게 연장하는 기준선과 약 1°내지 5°의 각을 형성하는 로봇식 공구 교환기.
  18. 제14항에 있어서, 페일 세이프 표면의 적어도 일부는 피스톤이 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 이동할 때 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동하기 위해 극복해야 하는 적어도 약간의 대항력이 페일 세이프 표면과 회전 부재가 결합에 의해 발생되도록 외측으로 충분히 돌출된 로봇식 공구 교환기.
  19. 제14항에 있어서, 페일 세이프 표면은 융기를 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  20. 제14항에 있어서, 페일 세이프 표면은 피스톤으로부터 적어도 약간 외측으로 돌출하여 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 피스톤의 이동에 대한 적어도 약간의 저항을 제공하는 경사진 표면을 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  21. 제19항에 있어서, 페일 세이프 표면의 적어도 일부를 형성하는 융기는 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 회전 부재와 결합하도록 피스톤으로부터 돌출된 로봇식 공구 교환기.
  22. 제14항에 있어서, 페일 세이프 표면은 원통형 표면과, 원통형 표면으로부터 외측으로 돌출한 융기를 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  23. 제22항에 있어서, 원통형 표면은 잠금 표면과 융기 사이에 놓인 로봇식 공구 교환기.
  24. 제22항에 있어서, 융기는 대체로 잠금 해제 표면과 원통형 표면 사이에 놓인 로봇식 공구 교환기.
  25. 제22항에 있어서, 융기는 대체로 잠금 해제 표면에 인접하게 놓이고, 원통형 표면은 대체로 잠금 표면에 인접하게 놓인 로봇식 공구 교환기.
  26. 제14항에 있어서, 페일 세이프 표면은 원통형 표면과, 원통형 표면으로부터 적어도 약간 외측으로 돌출된 원뿔형 표면을 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  27. 제26항에 있어서, 원통형 표면은 잠금 표면과 원뿔형 표면 사이에 놓인 로봇식 공구 교환기.
  28. 제26항에 있어서, 원뿔형 표면은 대체로 잠금 해제 표면과 원통형 표면 사이에 놓인 로봇식 공구 교환기.
  29. 제26항에 있어서, 원통형 표면은 대체로 잠금 표면에 인접하게 놓이고, 원뿔형 표면은 잠금 해제 표면에 인접하게 놓인 로봇식 공구 교환기.
  30. 제14항에 있어서, 페일 세이프 표면은 잠금 표면과 잠금 해제 표면 사이에 배치된 원뿔형 표면을 포함하고, 원뿔형 표면이 잠금 해제 표면을 향해 연장함에 따라 적어도 일부분이 외측으로 돌출되는 로봇식 공구 교환기.
  31. 로봇식 공구 교환기이며,
    a. 제1 유닛과,
    b. 제2 유닛과,
    c. 상기 유닛들 중 하나의 보유 영역에 배치된 복수의 회전 부재와,
    d. 상대 유닛과 결합하는 잠금 표면으로서, 회전 부재와 잠금 표면이 결합하여 제1 및 제2 유닛을 함께 잠그도록 회전 부재에 의해 결합되게 구성된 잠금 표면과,
    e. 로봇식 공구 교환기의 상기 유닛들 중 하나 내에 이동 가능하게 장착되어 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 이동 가능한 피스톤을 포함하고,
    f. 피스톤은 잠금 표면과 접촉 표면을 포함하고,
    g. 피스톤은 잠금 표면과 접촉 표면 사이에 배치된 페일 세이프 표면을 더 포함하며, 상기 페일 세이프 표면은 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 페일 세이프 표면이 회전 부재와 결합하여 회전 부재를 잠금 표면을 향해 가압하고 피스톤의 이동을 지연시키도록, 회전 부재의 적어도 일부의 경로로 피스톤으로부터 외측으로 돌출되며,
    h. 페일 세이프 표면은 피스톤이 잠금 위치에서 잠금 해제 위치로 이동할 때 페일 세이프 표면이 회전 부재와 결합하여 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동하기 위해 극복해야 하는 대항력이 발생하도록 구성된 로봇식 공구 교환기.
  32. 제31항에 있어서, 페일 세이프 표면은 원뿔형 표면을 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  33. 제32항에 있어서, 원뿔형 표면은 피스톤의 종방향 축에 대체로 평행하게 연장하는 기준선에 대해 각을 형성하는 로봇식 공구 교환기.
  34. 제33항에 있어서, 원뿔형 표면은 피스톤의 종방향 축에 대체로 평행하게 연장하는 기준선에 대해 약 1°내지 5°의 각을 형성하는 로봇식 공구 교환기.
  35. 제31항에 있어서, 페일 세이프 표면은 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 회전 부재를 결합하기 위한 융기를 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  36. 제35항에 있어서, 페일 세이프 표면은 피스톤의 종방향 축에 대해 대체로 평행하게 연장하는 원통형 표면을 더 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  37. 제36항에 있어서, 원통형 표면은 대체로 잠금 표면에 인접하게 배치되고 융기는 대체로 잠금 해제 표면에 인접하게 배치되는 로봇식 공구 교환기.
  38. 제31항에 있어서, 페일 세이프 표면은, 피스톤이 잠금 표면으로부터 잠금 해제 위치로 멀리 이동할 때, 페일 세이프 표면이 충분히 외측으로 돌출되어 회전 부 재를 적어도 약간 외측으로 이동시킴으로써, 피스톤이 잠금 해제 위치로 이동할 때 피스톤에 지연력이 가해지도록 구성된 로봇식 공구 교환기.
  39. 제38항에 있어서, 페일 세이프 표면은 융기를 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  40. 제38항에 있어서, 페일 세이프 표면은 원뿔형 표면을 포함하는 로봇식 공구 교환기.
  41. 마스터 유닛과 공구 유닛을 함께 잠그도록 회전 부재와 결합하고 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 이동 가능한 피스톤을 구비한 로봇식 공구 교환기의 마스터 유닛과 공구 유닛의 의도하지 않은 커플링 해제를 방지하는 방법이며,
    대체로 피스톤 상의 잠금 표면과 잠금 해제 표면 사이에서 피스톤 상에 지연 표면을 제공하여 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로의 피스톤의 이동을 지연하는 단계를 포함하며,
    상기 지연 표면은 피스톤으로부터 외측으로 돌출하여 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동할 때 회전 부재와 적어도 약간 결합하는 커플링 해제 방지 방법.
  42. 제41항에 있어서, 피스톤으로부터 융기를 돌출시키는 단계를 포함하며, 융기는 지연 표면의 적어도 일부를 형성하고 대체로 잠금 표면과 잠금 해제 표면 사이 에 놓인 커플링 해제 방지 방법.
  43. 제41항에 있어서, 대체로 잠금 표면과 지연 표면 사이에 놓인 피스톤 상의 원뿔형 표면과 합체하는 단계를 포함하는 커플링 해제 방지 방법.
  44. 제41항에 있어서, 피스톤이 잠금 위치와 잠금 해제 위치 사이에서 이동할 때 지연 표면이 회전 부재와 결합하고 대항력이 발생하도록 지연 표면을 구성하는 단계를 포함하며, 상기 대항력은 피스톤이 잠금 위치로부터 잠금 해제 위치로 이동하기 위해서 극복되어야 하는 커플링 해제 방지 방법.
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