KR20230158421A - 로봇용 선회 조인트 - Google Patents

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KR20230158421A
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working port
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KR1020230060580A
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토마스 바이에르라인
크리슈티안 베우를레
아힘 피셔
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페스토 에스이 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 제 1 작업 포트(53)가 있는 제 1 작업 챔버(51)와 제 2 작업 포트(54)가 있는 제 2 작업 챔버(52)를 포함하는 복동 공압 선회 액추에이터(2)룰 구비하고, 제 1 작업 포트(43)를 환기 포트(14) 및 배기 포트(15)에 선택적으로 연결하도록 설계된 제 1 밸브 그룹, 제 2 작업 포트(54)를 환기 포트(14) 및 배기 포트(15)에 선택적으로 연결하도록 설계된 제 2 밸브 그룹(9) 및, 제 1 작업 포트(53)와 제 2 작업 포트(54)에 연결되고 차단 위치에서 제 1 작업 포트(43)와 제 2 작업 포트(54) 사이의 연결을 차단하도록 설계되고 해제 위치에서 제 1 작업 포트(54)와 제 2 작업 포트(54) 사이의 연결을 해제하도록 설계된 안전 밸브(11, 12)를 포함하는 밸브 배열체(7)를 구비한 로봇용 선회 조인트(1)에 관한 것이다.

Description

로봇용 선회 조인트{SWIVEL JOINT FOR A ROBOT}
본 발명은 제 1 작업 포트가 있는 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 포트가 있는 제 2 작업 챔버를 갖는 복동식으로 설계된 공압식 선회 액추에이터를 포함하고 선회 액추에이터의 안전 관련 공압 제어를 위해 설계된 밸브 배열체가 할당된, 로봇용 선회 조인트에 관한 것이다.
DE 10 2019 211 992 A1호는 제 1 압력 챔버 및 제 1 압력 챔버에 압력 유체를 제공함으로써 액추에이터 부재의 위치가 변경되도록 유체 구동력이 가해질 수 있는 액추에이터 부재를 포함하는 유체 액추에이터, 제 1 압력 챔버를 선택적으로 제 1 압력 챔버에 압력 유체를 공급하기 위해 압력 유체 공급 라인에 연결하거나 제 1 압력 챔버로부터 압력 유체를 배출하기 위해 압력 유체 싱크에 연결하도록 설계된 제어 밸브 장치, 액추에이터 부재에 유체 구동력이 가해지지 않는 안전 상태의 제공을 위한 안전장치를 포함하는 유체 시스템을 개시하며, 상기 안전장치는 제 1 압력 챔버와 압력 유체 공급 라인 사이에 제어 밸브 장치에 대해 병렬로 연결된 제 1 체크 밸브 및 안전 밸브 유닛을 포함하고, 상기 안전 밸브 유닛은, 안전 상태를 제공하기 위해, 제 1 압력 챔버에 존재하는 압력 유체가 제 1 체크 밸브와 압력 유체 공급 라인을 통해 압력 유체 싱크 내로 배출될 수 있도록, 안전 스위칭 위치에서 압력 유체 싱크와 압력 유체 공급 라인을 연결하도록 설계된다.
본 발명의 과제는 로봇과 인간의 직접적인 협력 시 준수되어야 하는 개선된 안전 요구를 실현할 수 있는 로봇용 선회 조인트를 제공하는 것이다.
상기 과제는 전술한 방식의 선회 조인트를 위해, 밸브 배열체가 제 1 작업 포트를 환기 포트 및 배기 포트에 선택적으로 연결하도록 설계된 제 1 밸브 그룹, 제 2 작업 포트를 환기 포트 및 배기 포트에 선택적으로 연결하도록 설계된 제 2 밸브 그룹 및, 제 1 작업 포트와 제 2 작업 포트에 연결되고 차단 위치에서 제 1 작업 포트와 제 2 작업 포트 사이의 연결을 차단하도록 설계되고 해제 위치에서 제 1 작업 포트와 제 2 작업 포트 사이의 연결을 해제하도록 설계된 안전 밸브를 포함함으로써 해결된다.
밸브 배열체는 공압식 선회 액추에이터의 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버의 조정된 가압 및 환기를 보장하는 데 이용되며, 상기 2개의 작업 챔버는 액추에이터 하우징 내에 선회 이동 가능하게 수용된 선회 베인에 의해 밀봉 방식으로 서로 분리되고 각각 크기 가변적으로 설계된다. 선회 베인은 출력 샤프트에 연결되어, 액추에이터 하우징에 대한 선회 레버의 선회 운동이 로봇 암의 예를 들어 후속 암 섹션과 같은 후속 구성 요소에 전달될 수 있다.
따라서 선회 액추에이터는, 선회 조인트의 정상 작동 상태에서 공압식 선회 액추에이터의 액추에이터 하우징에 결합된 로봇 암의 선행 암 섹션에 대해 로봇 암의 후속 암 섹션을 선회시키는 데 이용될 수 있다. 이러한 정상 작동 상태 동안 제 1 밸브 그룹과 제 2 밸브 그룹을 이용해서 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버 사이의 압력 차이가 야기되고, 이로써 액추에이터 하우징에 대한 선회 베인 및 여기에 연결된 출력 샤프트의 소정의 선회 이동이 생성된다. 또한, 제 1 밸브 그룹과 제 2 밸브 그룹은, 제 1 작업 챔버의 유체 압력과 제 2 작업 챔버의 유체 압력을 균등화하여, 공압식 선회 액추에이터의 정지 상태를 야기하는 데 이용될 수 있다.
적어도 하나의 이러한 선회 조인트가 장착된 로봇의 작동 시, 예를 들어 제 1 밸브 그룹 및/또는 제 2 밸브 그룹의 오작동으로 인해 발생할 수 있는 위험 상황 및 고장이 방지되어야 하기 때문에, 안전 밸브가 공압식 선회 액추에이터에 할당된다. 이 안전 밸브는, 공압식 선회 액추에이터를 가능한 한 빨리 안전 상태로 전환하기 위해, 예를 들어 로봇과 협력하는 사용자에 의해 비상 정지 스위치를 작동하여 트리거될 수 있다. 이러한 안전 상태는 예를 들어, 공압식 선회 액추에이터 및 이에 연결된 로봇 암의 암 부분들의 이동이 가능한 한 신속하게 저지되는 것일 수 있다.
이러한 안전 상태를 빠르게 안정적으로 보장할 수 있도록 하기 위해, 안전 밸브는 제 1 작업 포트와 제 2 작업 포트에 연결되고, 해제 위치에서 제 1 작업 포트와 제 2 작업 포트 사이의 유체 연통 방식의 연결을 해제하도록 설계된다. 안전 밸브는 예를 들어 비상 정지 스위치의 작동 후 이러한 해제 위치를 취한다. 그와 달리 정상 작동에서 안전 밸브는 제 1 작업 포트와 제 2 작업 포트 사이의 유체 연통 방식의 연결의 차단이 보장되는 차단 위치를 취한다.
공압적 관점에서 볼 때 안전 밸브의 역할은, 해제 위치에서 공압식 선회 액추에이터의 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버 사이의 빠른 압력 균등화를 유도하는 것이다. 그 결과 선회 액추에이터에 대한 임의의 선행하는 선회 이동의 연속이 저지되며, 그 이유는 추가 이동에 필요한 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버 사이의 압력 차이가 가능한 한 빨리 감소하기 때문이다.
따라서 안전 밸브의 역할은, 해제 위치에서 제 1 작업 포트와 제 2 작업 포트 사이의 유체 연통 방식의 연결을 보장하는 것과 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버 사이의 압력 차이를 제거하는 것이다. 또한, 안전 밸브는 차단 위치에서, 제 1 밸브 그룹과 제 2 밸브 그룹을 이용해서 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버 사이에 압력차가 형성될 수 있도록 구성되며, 이 경우 제 1 작업 포트와 제 2 작업 포트 사이의 유체 연통 방식의 연결은 차단된다.
바람직하게는 안전 밸브는 전환 밸브로서 설계되며, 상기 안전 밸브의 제어는 선택적으로 전기적으로 또는 유체적으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 안전 밸브는 자기 밸브로서 또는 유체 기술적 파일럿 제어식 밸브로서 설계된다. 특히 바람직하게 안전 밸브는, 가능한 한 짧은 유체 라인 길이를 통해 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버 사이의 압력 균등화를 위한 신속한 반응 시간을 보장하기 위해, 선회 액추에이터 바로 근처에 배치된다.
본 발명의 바람직한 개선예는 종속 청구항의 대상이다.
안전 밸브가 배기 포트에 연결되고 차단 위치에서 제 1 작업 포트 및 제 2 작업 포트와 배기 포트 사이의 연결을 차단하도록 설계되는 경우에 그리고 안전 밸브가 해제 위치에서 제 1 작업 포트 및 제 2 작업 포트와 배기 포트 사이의 연결을 해제하도록 설계되면 바람직하다. 제 1 작업 포트 및 제 2 작업 포트를 배기 포트와 연결함으로써, 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버 사이의 압력 균등화에 추가하여 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버에서 압력 레벨을 낮추는 것이 달성된다. 따라서, 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버 사이의 압력 균등화에 의해 이미 안전 상태를 취한 선회 액추에이터는 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버에 존재하는 과압을 주변 압력에 대해 감소시키는 데 필요한 구조적으로 미리 정해진 주기 내에 무에너지 상태로 전환되고, 결과적으로 선회 조인트를 위한 더욱 높은 안전 수준이 구현될 수 있다.
이 경우 안전 밸브는, 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버 사이의 압력 균등화 과정에서 이미 2개의 작업 챔버에서 압력 강하가 발생하도록 구성된다. 이러한 압력 강하는 2개의 작업 챔버 사이의 압력 균등화 이후에도, 2개의 작업 챔버에서 선회 조인트 주변의 주변 압력에 적어도 거의 상응하는 압력 레벨이 달성될 때까지 계속된다.
예를 들어, 안전 밸브는 차단 위치에서 총 3개의 밸브 포트 사이에 유체 연통 방식의 연결이 이루어지지 않는 한편, 해제 위치에서는 3개의 모든 밸브 포트 사이에 유체 연통 방식의 연결이 보장되는 3/2-분배 밸브로서 설계된다. 바람직하게는, 제 1 작업 포트는 안전 밸브의 제 1 밸브 포트에 연결되고, 제 2 작업 포트는 안전 밸브의 제 2 밸브 포트에 연결되며, 배기 포트는 안전 밸브의 제 3 밸브 포트에 연결되는 것이 제공된다.
안전 밸브가 해제 위치와 차단 위치 사이에서 전환을 위한 액추에이터를 갖고, 안전 밸브가 해제 위치로 안전 밸브의 예비 응력을 위해 설계된 스프링을 갖는 경우에 바람직하다. 액추에이터의 역할은, 해제 위치와 차단 위치 사이에서 안전 밸브를 전환하는 것이다. 액추에이터는 안전 밸브의 구성부이고, 안전 밸브의 밸브 하우징에 이동 가능하게 수용된 밸브 부재에 작용한다. 안전 밸브의 예를 들어 3개의 밸브 포트 사이의 유체 연통 방식 연결의 소정의 차단 또는 해제는 이러한 밸브 부재에 의해 제어된다. 예를 들어, 밸브 부재의 위치에 따라 개방되거나 폐쇄되어 밸브 포트들 사이의 유체 연통 방식의 연결의 차단 또는 해제에 영향을 미치는 밸브 시트가 밸브 하우징 내에 형성될 수 있다.
밸브 부재의 이동에 사용될 수 있는 액추에이터는 예를 들어 전자기 드라이브이므로, 안전 밸브는 자기 밸브로서 설계되거나, 상기 액추에이터는 유체 드라이브이므로, 안전 밸브는 유체 기술적 파일럿 제어식 밸브로서 설계된다. 따라서 액추에이터의 전기적 또는 유체 기술적 제어가 제공되어야 한다. 예를 들어 압전 벤더, 압전 스택 또는 다른 능동형 밸브 부재를 사용하는 다른 밸브 설계도 고려할 수 있다.
예를 들어, 밸브 부재는 스프링 탄성으로 설계되고 해제 위치로 예비 응력을 받는다. 대안으로서 밸브 부재에는 해제 위치로 밸브 부재의 예비 응력을 보장하는 별도로 설계된 스프링이 할당된다.
어떤 경우든, 안전 밸브는 액추에이터의 전기적 또는 공압적 제어가 제공되지 않는 무에너지 상태에서 해제 위치를 취하는 것이 제공된다. 그 결과, 예를 들어 공압 공급부의 정전 및/또는 고장 시와 같은 경우일 수 있는, 예를 들어 액추에이터의 목표한 제어가 불가능한 경우에, 선회 액추에이터를 위한 안전 상태는 안전 밸브의 구성에 의해 미리 지원된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 안전 밸브와 배기 포트 사이에 스로틀이 배치되는 것이 제공된다. 스로틀의 역할은, 압력 균등화의 수행 중에 미리 그리고 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버 사이의 압력 균등화의 수행 후에도 제 1 작업 챔버 및 제 2 작업 챔버 내의 규정된 압력 감소를 보장하는 것이다.
바람직하게, 스로틀의 스로틀 횡단면이 제 1 밸브 그룹의 공급 황단면보다 크게, 그리고 제 2 밸브 그룹의 공급 횡단면보다 크게 선택된다. 이러한 조치에 의해, 제 1 밸브 그룹 및/또는 제 2 밸브 그룹에서 오작동이 발생하는 경우, 안전 밸브가 해제 위치에 있을 때, 제 1 작업 챔버 또는 제 2 작업 챔버의 압축 공기 공급의 유지로 인해 기본적으로 2개의 작업 챔버에서 대칭의 압력 증가가 야기되는 것이 방지된다. 오히려 이러한 경우에도 제 1 작업 포트 및 제 2 작업 포트를 배기 포트와 연결함으로써 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버 사이의 압력 균등화뿐만 아니라 제 1 작업 챔버와 제 2 작업 챔버에서 소정의 압력 감소도 보장된다.
유체가 통하도록 병렬 연결된 2개의 전환 밸브가 제공되면 바람직하다. 안전 밸브의 오작동도 고려해야 하는 제 1 오류의 경우만이 선회 조인트에 대해 고려될 경우, 유체가 통하도록 병렬 연결된 2개의 안전 밸브의 사용에 의해 이러한 제 1 오류의 경우 선회 조인트에 의한 위험 상황이 배제될 수 있다. 특히 바람직하게는 유체가 통하도록 병렬 연결된 2개의 안전 밸브는 상이한 제어부 및/또는 상이한 밸브 기술로 구현되어, 안전 밸브의 다양한 가외성(redundancy)이 보장될 수 있다.
2개의 안전 밸브 중 하나의 안전 밸브에 별도로 설계된 제 1 제어 장치가 할당되고, 상기 제어 장치는 이러한 안전 밸브의 액추에이터를 제어하도록 설계되면 그리고 2개의 안전 밸브 중 다른 하나의 안전 밸브에 별도로 설계된 제 2 제어 장치가 할당되고, 상기 제어 장치는 이러한 안전 밸브의 액추에이터를 제어하도록 설계되면 바람직하다. 2개의 안전 밸브의 2개의 액추에이터에 대해 제어 장치의 각각 별도의 설계에 의해, 경우에 따라서 하나의 공통 제어 장치에서 발생할 수 있는 경우와 같이, 하나의 제어 장치의 결함이 2개의 안전 밸브의 고장을 야기하는 것이 방지되어야 한다. 또한 2개의 제어 장치의 별도의 설계에 의해 필요한 유형의 에너지(전기, 압축 공기)로 각각 할당된 액추에이터의 개별 제어가 간단하게 가능해진다.
본 발명의 바람직한 개선예에서, 제 1 작업 포트 또는 제 1 작업 챔버에는 제 1 압력 신호를 제 1 제어 장치에 제공하도록 설계된 제 1 압력 센서가 할당되고, 제 2 작업 포트 또는 제 2 작업 챔버에는 제 2 압력 신호를 제 2 제어 장치에 제공하도록 설계된 제 2 압력 센서가 할당된다. 따라서 제 1 압력 센서 및 제 2 압력 센서에 의해 각각의 작업 포트 또는 각각의 작업 챔버에서 압력 레벨이 결정될 수 있고, 이는 안전 밸브 및 경우에 따라서 각각 하류에 배치된 스로틀의 기능을 점검하는 데 특히 중요하다. 예를 들어, 안전 기능의 트리거 후 및 이와 동시에 차단 위치에서 해제 위치로 안전 밸브의 전환 후에 각각의 작업 챔버에 대한 압력 변화가 결정될 수 있으며, 경우에 따라서 안전 밸브 또는 스로틀의 손상이 존재하는지에 대한 여부의 확인을 가능하게 하기 위해, 상기 압력 변화는 미리 정해진 압력 변화와 비교될 수 있다.
제동 위치로 예비 응력을 받는 브레이크 및 브레이크 제어부가 선회 액추에이터에 할당되고, 상기 브레이크 제어부는 선회 액추에이터에 대한 제동 위치와 선회 액추에이터에 대한 해제 위치 사이에서 브레이크를 전환하도록 설계되면 바람직하다. 브레이크 및 관련 브레이크 제어부의 역할은, 선회 액추에이터의 선회 이동을 제동하거나 완전히 저지하는 것이다. 이를 위해, 제동 위치에서 특히 선회 액추에이터의 이동된 구성 요소에 대한 마찰 결합식 및/또는 형상 끼워 맞춤 결합 방식 접촉을 위해 제공되는 브레이크는 제동 위치로 향하는 내부 예비 응력을 가지므로, 브레이크는 전기 또는 공압 에너지의 공급 없이 브레이크 제어부에 의해 제동 위치에서 유지된다. 따라서 브레이크 제어부는, 브레이크를 제동 위치로부터 해제 위치로 전환하도록 및 전기 또는 유체 에너지를 브레이크에 제공함으로써 이러한 전환을 일으키도록 설계된다. 바람직하게, 브레이크는 스프링 장치, 특히 나사선 코일 스프링, 판 스프링 장치 또는 공기 스프링을 포함하고, 스프링 장치에 저장된 이러한 스프링 에너지에 의해 제동 위치로 예비 응력을 받는 것이 제공된다.
또한, 브레이크는 유체 밀봉 작업 챔버를 가지며, 상기 챔버의 크기는, 브레이크와 관련된 브레이크 부재가 선회 액추에이터의 제동 위치로부터 선회 액추에이터의 해제 위치로 전환되도록 가압에 의해 변경될 수 있는 것이 제공된다. 대안으로서 브레이크에 자기 드라이브 또는 다른 전기 드라이브가 할당되고, 브레이크 제어부에 의해 전기 에너지가 이용될 수 있는 한, 상기 드라이브에 의해 제동 위치가 해제될 수 있다.
브레이크 제어부, 제 1 밸브 그룹, 제 2 밸브 그룹, 제 1 제어 장치 및 제 2 제어 장치가 각각 전기적으로 밸브 제어부에 연결되고, 밸브 제어부는 테스트 프로세스의 수행을 위해, 브레이크 제어부가 선회 액추에이터에 대해 제동 상태를 야기하는 방식으로 및 제 1 밸브 그룹 및/또는 제 2 밸브 그룹에 의해 선회 액추에이터의 비대칭 가압이 야기되는 방식으로 및 차단 위치로부터 해제 위치로 적어도 하나의 안전 밸브의 전환이 수행되는 방식으로 및 제 1 작업 포트 및/또는 제 2 작업 포트에서 압력 변화의 모니터링이 수행되는 방식으로 설계되면 바람직하다.
이러한 테스트 프로세스에 의해, 선회 조인트의 안전한 작동을 보장하기 위해 필요한 2개의 안전 밸브 중 적어도 하나의 밸브의 기능이 보장되는지 여부, 특히 2개의 안전 밸브의 기능이 보장되는지 여부가 확인될 수 있다. 이러한 경우에만 선회 조인트의 지속적인 작동이 허용되어야 한다. 테스트 프로세스의 수행 시 제 1 작업 포트 및/또는 제 2 작업 포트에서의 실제 압력 변화와 미리 정해진, 특히 밸브 제어부에 저장된 압력 변화 사이에 임계값을 초과하는 편차가 나타나는 경우, 밸브 제어부에 의해 선회 조인트의 추가 작동이 저지되고 오류 메시지가 출력된다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 도면에 도시된다.
도 1은 선회 액추에이터 및 밸브 배열체를 구비한 선회 조인트의 개략도.
도 1에 개략적으로 도시된 선회 조인트(1)는 산업용 로봇의 도시되지 않은 로봇 암에서 사용을 위해 제공되며, 거기에서 산업용 로봇의 도시되지 않은 2개의 암 섹션 사이의 선회 이동 가능하고 구동 가능한 결합을 위해 이용된다.
이 경우 선회 조인트(1)는 바람직하게는 완전히 독립적으로 로봇 암의 선행 암 섹션과 후속 암 섹션에 연결될 수 있는 콤팩트한 어셈블리를 형성하고, 소정의 선회 이동을 수행할 수 있도록 하기 위해, 공압 에너지 공급 및 전기 제어 신호의 공급만을 필요로 한다.
선회 조인트(1)는 선회 액추에이터(2)를 포함하고, 상기 액추에이터는 공압식 선회 베인 드라이브로서 설계되고, 선회 베인(4)이 내부에 선회 이동 가능하게 장착된 개략적으로 도시된 원형 실린더형 액추에이터 하우징(3) 및 액추에이터 하우징(3) 내에 고정 배치된 분리기(5)를 갖는다. 선회 베인(4)은 액추에이터 하우징(3) 내에 동축으로 배치된 출력 샤프트(6)에 연결되고, 상기 출력 샤프트는 도시되지 않은 방식으로 액추에이터 하우징(3)을 통과하고 액추에이터 하우징(3)의 외부에서, 예를 들어 로봇 암의 도시되지 않은 암 부분에 연결될 수 있다. 또한, 액추에이터 하우징(3)이 로봇 암의 마찬가지로 도시되지 않은 추가 암 부분에 연결되는 것이 제공될 수도 있다. 따라서 출력 샤프트(6)에 선회 이동의 도입에 의해 액추에이터 하우징(3)과 출력 샤프트(6)에 연결된, 로봇 암의 도시되지 않은 암 부분들 사이에서 선회가 구현될 수 있다.
선회 베인(4)은 분리기(5)와 함께 액추에이터 하우징(3)에 의해 둘러싸인 체적을 가변 크기의 제 1 작업 챔버(51)와 가변 크기의 제 2 작업 챔버(52)로 나누고, 2개의 작업 챔버(51, 52)의 크기는 선회 베인(4)의 각각의 선회 위치에 의존한다. 제 1 작업 챔버(51)에는 제 1 작업 포트(53)가 할당되고, 상기 작업 포트를 통해 제 1 작업 챔버(51)의 환기 및 배기가 실행될 수 있다. 제 2 작업 챔버(52)에는 제 2 작업 포트(54)가 할당되고, 상기 작업 포트를 통해 제 2 작업 챔버(52)의 환기 및 배기가 실행될 수 있다.
순전히 개략적으로 제 2 작업 챔버(52) 내에 브레이크(42)가 도시되며, 상기 브레이크는 직선 이동 가능하게 내부에 수용된 브레이크 피스톤(44)과 브레이크 피스톤(44)에 연결된 커플링 로드(45)를 가진 순전히 예시적으로 원형 실린더형으로 설계된 브레이크 하우징(43), 커플링 로드(45)에 연결된 브레이크 블록(46) 및, 브레이크 피스톤(44)과 브레이크 하우징(43) 사이에 수용된 예비 응력 스프링(47)을 포함한다. 브레이크 하우징(43)은 브레이크 피스톤(44) 및 브레이크 하우징(43)에 대해 밀봉 방식으로 장착된 커플링 로드와 함께 가변 크기 유체 작업 챔버(48)를 제한하며, 상기 작업 챔버는 브레이크 제어부(41)에 의해 제 3 유체 라인을 통해 선택적으로 환기되거나 배기될 수 있고, 그 결과 브레이크 피스톤(44), 여기에 연결된 커플링 로드(45) 및 브레이크 블록(46)의 선형 상대 이동이 야기될 수 있다. 예비 응력 스프링(47)은, 유체 작업 챔버(48)가 배기될 때 브레이크 블록(46)을 출력 샤프트(6)에 대해 가압함으로써 출력 샤프트(6)에 형상 끼워 맞춤 결합 및/또는 마찰력을 가하도록 설계된다. 유체 작업 챔버(48)의 환기 시 예비 응력 스프링(47)이 압축되고, 커플링 로드(45) 및 브레이크 블록(46)과 함께 브레이크 피스톤(44)의 선형 변위가 발생하여, 출력 샤프트(6)에 대한 형상 끼워 맞춤 결합 및/또는 마찰력이 제거된다.
제 1 작업 챔버(51)의 환기 및 배기를 위해, 제 1 작업 포트(53)는 제 1 유체 라인(71)에 연결되고, 상기 유체 라인은 제 1 라인 섹션(81)에 연결된다. 제 2 작업 챔버(52)의 환기 및 배기를 위해, 제 2 작업 포트(54)는 제 2 유체 라인(72)에 연결되고, 상기 유체 라인은 제 2 라인 섹션(82)에 연결된다.
제 1 라인 섹션(81)은 제 1 밸브 그룹(8)을 형성하는 제 1 제어 밸브(31) 및 제 2 제어 밸브(32) 모두에 연결된다. 제 2 라인 섹션(82)은 제 2 밸브 그룹(9)을 형성하는 제 3 제어 밸브(33) 및 제 4 제어 밸브(34) 모두에 연결된다. 제어 밸브(31 내지 34)는 순전히 예시적으로 2/2-분배 전환 밸브로서 설계된다. 제어 밸브(31 및 33)는 제 3 라인 섹션(83) 및 제 5 라인 섹션(85)을 통해 제 1 스톱 밸브(35)에 연결되며, 상기 스톱 밸브는 제 7 라인 섹션(87)을 통해 제 4 라인 섹션(84)에 연결된다. 또한, 제 1 스톱 밸브(35)는 제 8 라인 섹션(88)을 통해 제 2 스톱 밸브(36)에 연결되고, 상기 스톱 밸브는 제 6 라인 섹션(86)을 통해 환기 포트(14)에 할당된 압축 공기 소스(16)에 연결되고 제 9 라인 섹션(89)을 통해 제 7 라인 섹션(87)에 연결된다. 예를 들어 제 1 스톱 밸브(35)와 제 2 스톱 밸브(36)는 각각 3/2-분배 전환 밸브로서 설계된다.
제 1 스톱 밸브(35)와 제 2 스톱 밸브(36)의 전술한 유체가 통하는 상호 연결을 통해, 제 5 라인 섹션(85)은 선택적으로 제 4 라인 섹션(84)과 유체 연통 방식으로 연결되고, 이로써 제 5 라인 섹션(85)의 배기가 발생한다. 대안으로서 제 1 스톱 밸브(35)와 제 2 스톱 밸브(36)가 모두 도 1에 도시된 배기 위치로부터 도시되지 않은 환기 위치로 전환되는 경우, 제 5 라인 섹션(85)은 압축 공기 소스(16)와 유체 연통 방식으로 연결될 수 있다. 따라서 2개의 스톱 밸브(35, 36)는 선회 액추에이터(2)를 위한 안전 관련 압축 공기 공급부의 구성부인데, 그 이유는 선회 액추에이터(2)의 작동을 위해 먼저, 중복 배치된 스톱 밸브(35, 36)가 올바르게 기능하는 것이 보장되어야 하기 때문이다.
제 1 제어 밸브(31)가 도 1에 도시된 차단 위치로부터 도시되지 않은 해제 위치로 전환될 경우, 제 1 제어 밸브(31)에 의해 제 3 라인 섹션(83)과 제 1 라인 섹션(81) 사이의 유체 연통 방식의 연결이 형성될 수 있다. 이러한 경우에 해당하고 2개의 스톱 밸브(35, 36)도 도시되지 않은 환기 위치로 전환될 경우, 이로 인해 제 1 라인 섹션(81) 및 제 1 유체 라인(71)을 통한 제 1 작업 챔버(51)의 환기가 가능해진다. 유사한 방식으로 이는 제 2 라인 섹션(82) 및 제 2 유체 라인(72)을 통한 제 2 작업 챔버(52)의 환기와 관련해서 제 3 제어 밸브(33)의 기능에도 적용된다.
제 2 제어 밸브(32)가 도 1에 도시된 차단 위치로부터 도시되지 않은 해제 위치로 전환될 경우, 제 2 제어 밸브(32)에 의해 압력 유체 싱크로써 이용되고 소음기(17)를 가진 압축 공기 배출구에 제 10 라인 섹션(90)을 통해 연결된 제 4 라인 섹션(84)과 제 1 라인 섹션(81) 사이에 유체 연통 방식의 연결이 형성될 수 있다. 그 결과 제 1 라인 섹션(81)과 제 1 유체 라인(71)을 통한 제 1 작업 챔버(51)의 배기가 가능해진다. 유사한 방식으로 이는 제 2 라인 섹션(82) 및 제 2 유체 라인(72)을 통한 제 2 작업 챔버(52)의 배기와 관련해서 제 4 제어 밸브(34)의 기능에도 적용된다.
도 1로부터 추가로 알 수 있는 바와 같이, 제 1 안전 밸브(11)의 제 1 밸브 포트(61)는 제 11 라인 섹션(91)을 통해 제 1 유체 라인(71)에 연결된다. 또한, 제 1 안전 밸브(11)의 제 2 밸브 포트(62)는 제 13 라인 섹션(93)을 통해 제 2 유체 라인(72)에 연결된다. 제 1 안전 밸브(11)의 제 3 밸브 포트(63)는 제 14 라인 섹션(94)을 통해 제 1 스로틀(25)에 연결되고, 상기 스로틀은 제 15 라인 섹션을 통해 제 10 라인 섹션(90)에 및 배기 포트(15)에 유체 연통 방식으로 연결된다.
유사한 방식으로 제 2 안전 밸브(12)의 제 1 밸브 포트(64)는 제 12 라인 섹션(92)을 통해 제 1 유체 라인(72)에 연결되고, 제 2 밸브 포트(65)는 제 16 라인 섹션(96) 및 제 13 라인 섹션(93)을 통해 제 2 유체 라인(72)에 연결되고, 제 3 밸브 포트(66)는 제 17 라인 섹션(97)을 통해 제 2 스로틀(26)에 연결된다. 제 2 스로틀(26)은 제 18 라인 섹션(98) 및 제 15 라인 섹션(95)을 통해 배기 포트(15)에 연결된다.
순전히 예시적으로 제 1 안전 밸브(11)와 제 2 안전 밸브(12)는 각각 3/2-분배 전환 밸브로서 설계된다. 안전 밸브(11)에 제 1 액추에이터(23)가 할당되며, 상기 액추에이터는 순전히 예시적으로 자기 밸브 및 이에 결합된 유체 기술적 파일럿 제어부에 의한 제 1 안전 밸브(11)의 결합된 작동을 가능하게 한다. 제 1 액추에이터(23)는 제 1 제어 라인(74)을 통해 제 1 제어 장치(21)에 전기적으로 연결되며, 상기 제어 장치는 제 1 액추에이터(23)에 전기 제어 신호를 제공하도록 설계된다. 유사한 방식으로 제 2 안전 밸브(12)에 제 2 액추에이터(24)가 할당되며, 상기 액추에이터는 순전히 예시적으로 자기 밸브 및 여기에 결합된 유체 기술적 파일럿 제어부에 의한 제 2 안전 밸브(12)의 결합된 작동을 가능하게 한다. 제 2 액추에이터(24)는 제 2 제어 라인(75)을 통해 제 2 제어 장치(22)에 전기적으로 연결되며, 상기 제어 장치는 제 2 액추에이터(24)에 전기 제어 신호를 제공하도록 설계된다. 제 1 안전 밸브(11)에 제 1 리턴 스프링(67)이 할당되고, 상기 리턴 스프링은, 제 1 액추에이터(23)의 제어를 할 수 없게 되는 즉시, 제 1 안전 밸브(11)를 도 1에 도시된 차단 위치로부터 도시되지 않은 해제 위치로 전환한다. 제 2 안전 밸브(12)에 제 2 리턴 스프링(68)이 할당되고, 상기 리턴 스프링은, 제 2 액추에이터(24)의 제어를 할 수 없게 되는 즉시, 제 2 안전 밸브(12)를 도 1에 도시된 차단 위치로부터 도시되지 않은 해제 위치로 전환한다.
또한, 제 1 제어 장치(21)에 전기 센서 신호를 제공하기 위해, 제 1 압력 센서(27)는 제 1 센서 라인(29)을 통해 제 1 제어 장치(21)에 전기적으로 연결된다. 제 1 압력 센서(27)는 제 1 유체 라인(71)에 유체가 통하도록 연결되고 따라서 제 1 작업 포트(53)에서 압력 검출을 가능하게 한다. 제 2 제어 장치(22)에 전기 센서 신호를 제공하기 위해, 제 2 압력 센서(28)는 제 2 센서 라인(30)을 통해 제 2 제어 장치(22)에 전기적으로 연결된다. 제 2 압력 센서(28)는 제 2 유체 라인(72)에 유체가 통하도록 연결되고 제 2 작업 포트(54)에서 압력 검출을 가능하게 한다.
제 1 제어 장치(21)는 제 3 제어 라인(76)을 통해 밸브 제어부(10)에 전기적으로 연결되며, 상기 밸브 제어부는 제 5 제어 라인(78)을 통해 접속된, 제어 밸브(31 내지 34) 및 스톱 밸브(35 및 36)를 포함하는 밸브 그룹(19)의 제 1 제어 장치(21), 제 4 제어 라인(77)을 통해 연결된 제 2 제어 장치 및 제 6 제어 라인(79)을 통해 연결된 브레이크 제어부(41)의 조정된 제어를 위해 설계된다. 밸브 그룹(19)은 안전 밸브(11 및 12)와 함께 밸브 배열체(7)를 형성한다.
밸브 제어부(10)는 예를 들어 도시되지 않은 로봇 제어부 및 별도로 설계된 안전 제어부에 연결될 수 있다. 이 경우, 로봇 제어부는 선회 조인트(1)의 정상 작동을 위한 제어 명령을 밸브 제어부(10)에 제공하는 한편, 안전 제어부는 예를 들어 밸브 제어부(10)에 비상 정지 신호를 제공할 수 있는 것이 고려될 수 있다. 제어 명령은, 선회 액추에이터(2)의 이동 및 선회 액추에이터(2)의 정지 상태를, 특히 브레이크(42)를 사용하여 지시할 수 있다. 비상 정지 신호는 선회 액추에이터(2)에 대한 비상 정지를 지시하며, 이에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명된다.
선회 조인트(1)의 정상 작동 상태에서, 밸브 제어부(10)는 상위 로봇 제어부로부터 제어 명령을 받고 이러한 제어 명령을 예를 들어 제 1 작업 챔버(51) 및 제 2 작업 챔버(52)를 위한 압력 설정값으로 변환하고, 상기 압력 설정값은 제 5 제어 라인을 통해 밸브 그룹(19)에 제공된다. 미리 정해진 압력 설정값을 모니터링하기 위해, 밸브 제어부(10)는 각각의 제어 장치(21 및 22)로부터 제 1 압력 센서(21) 및 제 2 압력 센서(28)의 센서 신호를 조사하고, 그 결과 제 1 작업 챔버(51) 내의 작동 압력 및 제 2 작업 챔버(52) 내의 작동 압력에 대한 압력 제어를 수행하는 것이 제공될 수 있다. 제 1 작업 챔버(51)와 제 2 작업 챔버(52) 사이에 적절한 압력 차이가 제공되면, 선회 베인(4)의 선회 이동이 이루어지고, 따라서 액추에이터 하우징(3)에 결합된 로봇 암의 도시되지 않은 다른 암 부분에 대해 출력 샤프트에 결합된 로봇 암의 도시되지 않은 암 부분의 선회 상대 이동이 이루어진다.
로봇 제어부에 의해 선회 조인트의 정지 상태가 요구될 경우, 밸브 제어부(10)는 선택적으로 2개의 작업 챔버(51, 52) 중 하나에서 압력 증가 또는 압력 감소를 야기하여, 선회 베인(4)의 추가 이동이 발생하지 않는 한, 2개의 작업 챔버(51 및 52) 사이의 압력 차이가 감소할 수 있다. 보완적으로, 밸브 제어부(10)는 제 6 제어 라인(79)을 통해 브레이크 제어부(41)에 제어 신호를 제공하고, 상기 브레이크 제어부는 유체 작업 챔버(48)의 배기를 야기할 수 있어서, 브레이크 블록(46)이 구동 샤프트(6)와 형상 끼워 맞춤 결합식 및/또는 마찰 결합식으로 접촉하게 되는 것이 제공될 수 있다.
로봇 제어부에 의해 비상 정지 신호가 밸브 제어부(10)에 제공되는 경우에, 밸브 그룹(19)의 모든 밸브, 즉 제어 밸브(31 내지 34) 및 제어 밸브(35 및 36)는 도 1에 도시된 위치로 이동된다. 따라서 라인 섹션(81 및 82)에서의 유체 흐름이 더 이상 불가능하고, 밸브 그룹(19)으로부터 2개의 유체 라인(71 및 72)으로의 유체의 유입 또는 유출이 이루어지지 않는다.
또한, 밸브 제어부(10)는 비상 정지 신호의 도달 즉시 제 1 제어 장치(21) 및 제 2 제어 장치(22)의 제어를 수행하여, 제 1 안전 밸브(11) 및 제 2 안전 밸브(12)는 각각 도 1에 도시된 차단 위치로부터 도시되지 않은 해제 위치로 전환될 수 있다. 2개의 안전 밸브(11, 12) 중 적어도 하나가 해제 위치에 있는 즉시, 제 1 작업 챔버(51)와 제 2 작업 챔버(52) 사이에 유체 연통 방식의 연결이 존재하고, 결과적으로 2개의 작업 챔버(51, 52) 사이의 압력 균등화가 달성된다. 이러한 압력 균등화에 의해 선회 베인(4)의 추가 선회 이동이 저지된다. 또한, 각각 할당된 스로틀(25, 26)을 통해 유체 연통 방식으로 서로 연결된 2개의 작업 챔버(51 및 52)에서 압력 감소가 이루어지며, 결과적으로 2개의 작업 챔버(51, 52)에서 압력 에너지의 감소가 이루어진다.
보완적으로, 밸브 제어부(10)는 비상 정지 신호의 도달 시 상응하는 제어 신호를 브레이크 제어부(41)에 제공하여, 브레이크(42)의 유체 작업 챔버(48)의 배기가 야기될 수 있고 따라서 출력 샤프트(6)에 제동력이 도입될 수 있는 것이 제공될 수 있다.
선회 조인트(1)의 작동 시 그리고 추가로 일정한 간격으로 테스트 프로세스의 수행이 제공될 수 있고, 이러한 테스트 프로세스에서 밸브 제어부(10)는 먼저 브레이크 제어부(41)의 적절한 제어에 의해 출력 샤프트(6)에 대한 제동 작용을 일으킨 다음, 밸브 그룹(19)의 적절한 제어에 의해 제 1 작업 챔버(51) 및 제 2 작업 챔버(52)를 위한 비대칭 가압을 일으킨다. 다음 단계에서 밸브 그룹(19)은 도 1에 도시된 바와 같이 차단 상태로 전환된다. 그런 다음 2개의 안전 밸브(11 및 12)는 제 1 제어 장치(21) 및 제 2 제어 장치(22)의 적절한 제어에 의해 트리거되고, 이 경우 밸브 제어부(10)는 제 1 압력 센서(27) 및 제 2 압력 센서(28)의 압력 신호에 기초하여 제 1 작업 챔버(51)와 제 2 작업 챔버(52) 사이의 압력 균등화의 변화를 검출할 수 있고 저장된 변화 곡선과 비교할 수 있다. 압력 균등화의 실제 변화가 저장된 변화 곡선과 대체로 일치할 경우, 테스트 프로세스는 긍정으로 종료되고 선회 조인트(1)의 추가 작동에 문제가 없다. 그와 달리 실제 변화와 저장된 변화 곡선 사이에 저장된 임계값을 초과하는 편차가 있는 경우, 밸브 제어부(10)는 오류 메시지를 출력하고 선회 조인트(1)를 차단한다.
안전성을 더욱 높이기 위해, 제 1 제어 장치(21)와 제 2 제어 장치(22)는 선택적인 따라서 파선으로 도시된 통신 라인(38)을 통해 전기적으로 서로 연결되고 밸브 제어부(10)의 도달하는 제어 신호들을 서로 비교할 수 있다. 이러한 경우에 제 1 제어 장치(21)와 제 2 제어 장치(22)는, 밸브 제어부(10)의 도달하는 제어 신호들 사이에 편차가 있을 경우 자동으로 제 1 안전 밸브(11)와 제 2 안전 밸브(12)의 트리거가 수행되어, 선회 조인트(1)를 안전 상태로 전환하도록 구성될 수 있다.

Claims (10)

  1. 로봇용 선회 조인트(1)로서,
    제 1 작업 포트(53)가 있는 제 1 작업 챔버(51)와 제 2 작업 포트(54)가 있는 제 2 작업 챔버(52)를 갖는 복동식으로 설계된 공압식 선회 액추에이터(2)를 구비하고, 상기 제 1 작업 포트(43)를 환기 포트(14) 및 배기 포트(15)에 선택적으로 연결하도록 설계된 제 1 밸브 그룹(8), 상기 제 2 작업 포트(54)를 상기 환기 포트(14) 및 상기 배기 포트(15)에 선택적으로 연결하도록 설계된 제 2 밸브 그룹(9) 및, 상기 제 1 작업 포트(53)와 상기 제 2 작업 포트(54)에 연결되고 차단 위치에서 상기 제 1 작업 포트(43)와 상기 제 2 작업 포트(54) 사이의 연결을 차단하도록 설계되고 해제 위치에서 상기 제 1 작업 포트(54)와 상기 제 2 작업 포트(54) 사이의 연결을 해제하도록 설계된 안전 밸브(11, 12)를 포함하는, 상기 선회 액추에이터(2)의 안전 관련 공압 제어를 위해 설계된 밸브 배열체(7)를 구비한 선회 조인트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전 밸브(11, 12)는 상기 배기 포트(15)에 연결되고 차단 위치에서 상기 제 1 작업 포트(53) 및 상기 제 2 작업 포트(54)와 상기 배기 포트(15) 사이의 연결을 차단하도록 설계되고, 해제 위치에서 상기 제 1 작업 포트(53) 및 상기 제 2 작업 포트(54)와 상기 배기 포트(15) 사이의 연결을 해제하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 선회 조인트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 안전 밸브(11, 12)는 해제 위치와 차단 위치 사이에서 전환을 위한 액추에이터(23, 24)를 갖고, 상기 안전 밸브(11, 12)는 해제 위치로 상기 안전 밸브(11, 12)의 예비 응력을 위해 설계된 스프링(67, 68)을 갖는 것을 특징으로 하는 선회 조인트.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 안전 밸브(11, 12)와 상기 배기 포트(15) 사이에 스로틀(25, 26)이 배치되는 것을 특징으로 하는 선회 조인트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    스로틀(25)의 스로틀 횡단면이 상기 제 1 밸브 그룹(8)의 공급 횡단면보다 크게, 그리고 상기 제 2 밸브 그룹(9)의 공급 횡단면보다 크게 선택되는 것을 특징으로 하는 선회 조인트.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유체가 통하도록 병렬 연결된 2개의 안전 밸브(11, 12)가 제공되는 것을 특징으로 하는 선회 조인트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    2개의 안전 밸브 중 하나의 안전 밸브(11)에 별도로 설계된 제 1 제어 장치(21)가 할당되고, 상기 제어 장치는 상기 안전 밸브(11)의 액추에이터(23)를 제어하도록 설계되고, 2개의 안전 밸브 중 다른 하나의 안전 밸브(12)에 별도로 설계된 제 2 제어 장치(22)가 할당되고, 상기 제어 장치는 상기 안전 밸브(12)의 액추에이터(24)를 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 선회 조인트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 작업 포트(53) 또는 상기 제 1 작업 챔버(51)에 제 1 압력 신호를 상기 제 1 제어 장치(21)에 제공하도록 설계된 제 1 압력 센서(27)가 할당되고, 상기 제 2 작업 포트(54) 또는 상기 제 2 작업 챔버(52)에 제 2 압력 신호를 상기 제 2 제어 장치(22)에 제공하도록 설계된 제 2 압력 센서(28)가 할당되는 것을 특징으로 하는 선회 조인트.
  9. 제 8 항에 있어서,
    제동 위치로 예비 응력을 받는 브레이크(42) 및 브레이크 제어부(41)가 상기 선회 액추에이터(2)에 할당되고, 상기 브레이크 제어부(41)는 상기 선회 액추에이터(2)에 대한 제동 위치와 상기 선회 액추에이터(2)에 대한 해제 위치 사이에서 상기 브레이크(42)를 전환하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 선회 조인트.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 브레이크 제어부(41), 상기 제 1 밸브 그룹(8), 상기 제 2 밸브 그룹(8), 상기 제 1 제어 장치(21) 및 상기 제 2 제어 장치(22)는 각각 전기적으로 밸브 제어부(10)에 연결되고, 상기 밸브 제어부(10)는 테스트 프로세스의 수행을 위해, 상기 브레이크 제어부(41)가 상기 선회 액추에이터(2)에 대해 제동 상태를 야기하는 방식으로 및 상기 제 1 밸브 그룹(8) 및/또는 상기 제 2 밸브 그룹(9)에 의해 상기 선회 액추에이터(2)의 비대칭 가압이 야기되는 방식으로 및 차단 위치로부터 해제 위치로 적어도 하나의 안전 밸브(11, 12)의 전환이 수행되는 방식으로 및 상기 제 1 작업 포트(51) 및/또는 상기 제 2 작업 포트(52)에서 압력 변화의 모니터링이 수행되는 방식으로 설계되는 것을 특징으로 하는 선회 조인트.
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