TWI804101B

TWI804101B - 機器手臂的換刀方法

Info

Publication number: TWI804101B
Application number: TW110146631A
Authority: TW
Inventors: 許明哲; 吳軒俊
Original assignee: 直得科技股份有限公司
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2023-06-01
Also published as: TW202322961A

Abstract

一種機器手臂的換刀方法，包含下列步驟：在一機器手臂末端軸結合一第一連接板；在複數換刀座設置複數第二連接板；該機器手臂末端軸帶動該第一連接板執行一連接操作而選擇連接任一上述第二連接板，並將前述第二連接板帶離前述換刀座；該機器手臂末端軸帶動該第一連接板與所連接的前述第二連接板返回前述換刀座，並執行一分離操作使該第一連接板分離於前述第二連接板；使前述換刀座具備一自由度；前述換刀座在前述連接操作與前述分離操作中藉該自由度而自行移位，以克服該第一連接板的一位置誤差，使得第一連接板可以順利連接或分離於前述第二連接板而完成換刀。

Description

機器手臂的換刀方法

本發明係有關於一種機器手臂的換刀方法，特別是指一種換刀座具備有限行程的自由度，當機器手臂末端軸在換刀操作中存有一位置誤差的情形下，藉由換刀座的自由度克服前述位置誤差，使機器手臂所帶動的第一連接板仍能順利的連接或分離於換刀座上的一第二連接板，完成換刀操作。

PCT專利申請公開第WO2020249465A1號「TOOL CHANGER FOR COLLABORATIVE ROBOTS,A ROBOT TOOL CHANGER SYSTEM AND A METHOD FOR CONNECTING A TOOL TO A ROBOT ARM」及德國專利申請公開第GB2292365A號「automatic tool changer」等前案，上述前案使用機器手臂由換刀座的上方結合換刀座上的刀具連接板，再以水平方向帶動該刀具連接板脫離換刀座，藉此能在較小的空間進行換刀。惟上述WO2020249465A1前案，裝置支架(該案的符號44)是固定的型態，第二刀具更換部件(該案的符號14)在進入或離開裝置支架(該案的符號44)的過程中，裝置支架(該案的符號44)沒有任何自由度，因此裝置支架(該案的符號44)無法移動，一旦機器手臂的預設工作路徑存有誤差，第一刀具更換部件(該案的符號12)將無法在正確位置與第二刀具更換部件(該案的符號14)進行結合或分離，進而造成第一刀具更換部件(該案的符號12)與第二刀具更換部件(該案的符號14)在結合或分離過程中的干涉，此一狀況除了增加第一刀具更換部件(該案的符號 12)與第二刀具更換部件(該案的符號14)彼此間的磨耗，降低彼此結合的精密度，嚴重時，更會引起第一刀具更換部件(該案的符號12)與第二刀具更換部件(該案的符號14)的意外碰撞，造成損壞。

事實上，機器手臂在實際運作時，機器手臂末端軸的預設位置很容易存有一位置誤差，造成該位置誤差的原因例如溫度變化、機器手臂的零件精密度、機器手臂的零件磨耗等因素，當該位置誤差過大時，便會造成換刀失敗或夾持工具件失敗。

根據上述缺失，本發明提出一種機器手臂的換刀方法，包含下列步驟：在一機器手臂末端軸結合一第一連接板；在複數換刀座設置複數第二連接板，所述換刀座結合在固定不動的一底座；該機器手臂末端軸帶動該第一連接板執行一連接操作而選擇連接任一上述第二連接板，並將前述第二連接板帶離前述換刀座；該機器手臂末端軸帶動該第一連接板與所連接的前述第二連接板返回前述換刀座，並執行一分離操作使該第一連接板分離於前述第二連接板；使前述換刀座相對所述底座具備的一自由度；前述換刀座在前述連接操作與前述分離操作中藉該自由度而相對所述底座自行移位，以克服該第一連接板的一位置誤差，使該第一連接板可以連接或分離於前述第二連接板。

前述自由度係有限角度的一旋轉自由度或/及有限行程的一移動自由度。

前述該自由度係一一維自由度、一二維自由度或一三維自由度

前述換刀座係設有一復位力，該復位力作用於前述換刀座，該第一連接板、前述第二連接板在前述連接操作與前述分離操作中，因該位置誤差產生一操作外力，該操作外力大於該復位力而使前述換刀座偏離一預設位置，在該操作外力消失後，藉該復位力驅動前述換刀座回到該預設位置。該復位力係一彈性力。

該自由度在一第一方向上有一第一行程，該自由度在一第二方向上有一第二行程，該自由度在一第三方向上有一第三行程，其中該第一方向、該第二方向與第三方向彼此互相垂直，該第一行程、該第二行程與該第三行程中的任一或全部係為可調整。

上述自由度係可以執行一非對稱式調整。

根據上述技術特徵，本發明可達成以下功效：

1.本發明的換刀座具有自由度，使換刀座能夠在一自由空間中進行有限行程的移動，當機器手臂執行換刀或更換工具件的過程中，如果機器手臂末端軸存有一位置誤差，上述自由度可以克服該位置誤差，使機器手臂末端軸所固定或延伸的第一連接板仍然可以順利連接或分離於任一換刀座中的第二連接板，完成換刀或更換工具件的操作，有效避免第一連接板與第二連接板之間的干涉或損壞。

2.換刀座的自由度可以調整，機器手臂末端軸的位置誤差較大時，自由度也可以對應調整為較大，以充分克服該位置誤差。

3.換刀座具備復位力，換刀座為了克服上位置誤差而離開一預設位置時，當位置誤差的因素消除後，該復位力能使該換刀座回到該預設位置，使後續的換刀或更換工具件能順利進行。

A:機器手臂末端軸

1:第一連接板

2:換刀座

2A:換刀座

21:貫通孔

211:第一孔段

212:第二孔段

212A:第二孔段

213:階面

22:第一盲孔

3:第二連接板

4:底座

4A:底座

41:螺紋孔

5:螺絲

51:螺絲頭

511:螺絲頭底面

6:套筒

6A:套筒

61A:第一壁

62A:第二壁

7:彈簧

D1:第一方向

D2:第二方向

D3:第三方向

F1:第一操作外力

F2:第二操作外力

F3:第三操作外力

F4:傾斜操作外力

G11:第一上間隙

G12:第一下間隙

G2:第二間隙

G31:第三上間隙

G32:第三下間隙

G32A:第三下間隙

G33A:第三下間隙

[第一圖]係為本發明機器手臂的換刀方法的步驟流程圖。

[第二圖]係實施本發明機器手臂的換刀方法的機器手臂固定著第一連接板的外觀示意圖。

[第三圖]係為本發明機器手臂的換刀方法以機器手臂末端軸固定第一連接板，並在複數換刀座中選擇並連接任一第二連接板的示意圖。

[第四圖]係為本發明機器手臂的換刀方法的換刀座與底座的旋轉剖面圖一。

[第五圖]係為本發明機器手臂的換刀方法的換刀座與底座結合構造的剖面圖二。

[第六圖]係為本發明機器手臂的換刀方法的換刀座與底座結合構造的剖面圖三。

[第七圖]係為本發明機器手臂的換刀方法的換刀座與底座結合構造的剖面圖四，顯示第三操作外力F3作用於換刀座。

[第八圖]係為本發明機器手臂的換刀方法的換刀座與底座結合構造的剖面圖五，顯示第二操作外力F2作用於換刀座。

[第九圖]係為本發明機器手臂的換刀方法的換刀座與底座結合構造的剖面圖六，顯示第一操作外力F1作用於換刀座。

[第十圖]係為本發明機器手臂的換刀方法的換刀座與底座結合構造的剖面圖七，顯示第一操作外力F1作用於換刀座時，當時彈簧的狀態。

[第十一圖]係為本發明機器手臂的換刀方法的換刀座與底座結合構造的剖面圖八，顯示傾斜操作外力F4作用於換刀座。

[第十二圖]係為本發明機器手臂的換刀方法的換刀座與底座結合構造的剖面圖九，其中套筒具有不對稱的壁厚。

下列所述的實施例，只是輔助本說明發明機器手臂的換刀方法的具體步驟，並非用以限制本發明。實施例中列舉的第一方向、第二方向與第三方向是為了方便描述空間關係，本發明自由度的方向並不以此為限。實施例中的第一連接板沿著第二方向接近與遠離第一連接板，第一連接板並沿著第一方向將第二連接板帶離換刀座或帶返換刀座，但利用不同構造的第一連接板與第二連接板，第一連接板也可以從其他方向接近或遠離第二連接板，例如DK3681679專利案的第一連接板沿著第一方向接近與遠離第一連接板，第一連接板同樣沿著第一方向將第二連接板帶離換刀座或帶返換刀座，此種第一連接板與第二連接板的移動方式，也可以實施在本發明。

參閱第一圖所示，本發明為一種機器手臂的換刀方法，包含下列步驟：在一機器手臂末端軸結合一第一連接板；在複數換刀座設置複數第二連接板；該機器手臂末端軸帶動該第一連接板執行一連接操作而選擇連接任一上述第二連接板，並將前述第二連接板帶離前述換刀座；該機器手臂末端軸帶動該第一連接板與所連接的前述第二連接板返回前述換刀座，並執行一分離操作使該第一連接板分離於前述第二連接板；使前述換刀座具備的一自由度；前述換刀座在前述連接操作與前述分離操作中藉該自由度而自行移位，以克服該第一連接板的一位置誤差，使該第一連接板可以連接或分離於前述第二連接板。

請參閱第二圖，機器手臂末端軸A固定或延伸有一第一連接板1，機器手臂接受一程式控制，使機器手臂末端軸A沿著一預設路徑移動。

請配合第二圖與第三圖，機器手臂末端軸A帶著第一連接板1，在複數的換刀座2之間移動，每一換刀座2皆可容納一第二連接板3，不同的第二連接板3固定著不同的刀具或工具件(圖中未示出刀具或工具件)，藉由第一連接板1選擇連接任一第二連接板3，並將第二連接板3帶離或帶返換刀座2，機器手臂能在各換刀座2之間交換攜帶各種不同的刀具或工具件，以完成特定的加工程序。

第三圖中的機器手臂末端軸A帶著第一連接板1執行一連接操作，在此連接操作中，第一連接板1沿著第二方向D2接近並連接該第二連接板3，然後機器手臂末端軸A帶著第一連接板1沿著第一方向D1將所選擇的第二連接板3帶離換刀座2。

第三圖中機器手臂末端軸A帶著第一連接板1與所選擇的第二連接板3也會執行一分離操作，在此分離操作中，機器手臂末端軸A、第一連接板1與所選擇的第二連接板3三者共同沿著第二方向D2返回換刀座2，當第二連接板3固定在換刀座2後，機器手臂末端軸A帶著第一連接板1沿著第一方向D1遠離第二連接板3。

請參閱第三圖、第四圖與第五圖，換刀座2沿著第二方向D2結合在固定不動的一底座4上，換刀座2具有一自由度，可以在第一方向D1、第二方向D2與第三方向D3上相對移動於底座4或相對傾斜於底座4。第四圖是換刀座2與底座4之間的旋轉剖面，換刀座2沿著第二方向D2設有二個貫通孔21，二個貫通孔21皆包含一第一孔段211與一第二孔段212，該第一孔段211與該第二孔段212之間皆具有一階面213。底座4對應上述貫通孔21而沿著第二方向D2設有二個螺紋孔41。二螺絲5分別穿經貫通孔21而螺合於螺紋孔41，將換刀座2與底座4互相結合。上述二螺絲5分別套設有套筒6，二螺絲5的螺絲頭51位於該第一孔段211中，每一螺絲頭51與第一孔段211的孔壁之間在第三方向D3上保留有第三上間隙G31。前述套筒6位於該第二孔段212中，每一套筒6在第三方向D3的高度大於前述第二孔段212在第三方向D3的高度，套筒6與第二孔段212的孔壁在第三方向D3上保留有第三下間隙G32，在本實施例中，螺絲頭51、第一孔段211的斷面、套筒6與第二孔段212的斷面等都是圓形，第三上間隙G31與第三下間隙G32的間隙距離相同。該第三上間隙G31或是該第三下間隙G32，形成了前述自由度在第三方向D3上的一第三行程。任一螺絲頭51的一螺絲頭底面511緊抵於套筒6的端部，由於套筒6在第三方向D3的高度大於前述第二孔段212在第三方向D3的高度，因此螺絲頭底面511與階面213之間在該第二方向D2形成有一第二間隙G2，該第二間隙G2形成了前述自由度在第二方向D2上的一第二行程。第五圖是換刀座2與底座4在另一方向的剖面，同樣地，每一螺絲頭51與第一孔段211的孔壁之間在第一方向D1上具有第一上間隙G11，每一套筒6與第二孔段212的孔壁在第一方向D1上具有第一下間隙G12，在本實施例中，第一上間隙G11與第一下間隙G12的間隙距離相同，該第一上間隙G11或是第一下間隙G12，形成了前述自由度在第一方向D1上的一第一行程。在本實施例中，第四圖呈現的換刀座2的位置為一預設位置，代表換刀座2與底座4完成組裝後，換刀座2的原始位置。

請參閱第三圖與第六圖，換刀座2沿著第二方向D2設有至少一第一盲孔22，底座4沿著第二方向D2對應前述第一盲孔22而設有相同數量的第二盲孔42。前述第一盲孔22與第二盲孔42的斷面皆為圓形，彼此共同形成至少一封閉空間，該封閉空間中均容置有彈簧7，所述封閉空間在第二方向D2的兩端設成較小，用以固定彈簧7的二端，除封閉空間的上述兩端以外，封閉空間的直徑大於彈簧7的外徑，使得彈簧7不會干涉換刀座2的自由度。由於封閉空間與彈簧7的外徑皆為圓形，換刀座2在垂直於第二方向D2的任一輻射方向上的有限行程的移動，也都不會受到彈簧7的干涉。

請參閱第三圖與第七圖，當第一連接板1與第二連接板3在執行連接操作或分離操作的過程中，因為機器手臂末端軸A的路徑誤差，會使第一連接板1產生一位置誤差，該位置誤差導致有一操作外力作用於第二連接板3與換刀座2。為方便說明，本實施例將上述操作外力在第一方向D1的分力標示為第一操作外力F1，上述操作外力在第二方向D2的分力標示為第二操作外力F2，上述操作外力在第三方向D3的分力標示為第三操作外力F3。當第三操作外力F3作用於換刀座2，換刀座2將沿第三方向D3相對於底座4移動一第三行程，該第三行程為有限行程，當第一孔段211碰觸螺絲頭51或是第二孔段212碰觸套筒6時，即為該有限行程的終點，第三行程的最大距離等於第四圖所示的第三上間隙G31或第三下間隙G32。當換刀座2沿第三方向D3相對於底座4移動該第三行程時，封閉空間中的彈簧7沿著第三方向D3彎曲。當該第三操作外力F3消失時，彈簧7對換刀座2施予一復位力，使換刀座2回到如第四圖所示的位置。

請參閱第三圖與第八圖，當第二操作外力F2作用於換刀座2，換刀座2將沿第二方向D2相對於底座4移動一第二行程，該第二行程為有限行程，當階面213碰觸螺絲頭底面511時，即為該有限行程的終點，第二行程的最大距離等於第四圖所示的第二間隙G2。當換刀座2沿第二方向D2相對於底座4移動該第二行程時，封閉空間中的彈簧7沿著第二方向D2伸長。當該第二操作外力F2消失時，彈簧7對換刀座2施予一復位力，使換刀座2回到第四圖所示的位置。

請參閱第三圖、第九圖與第十圖，當第一操作外力F1作用於換刀座2，換刀座2將沿第一方向D1相對於底座4移動一第一行程，該第一行程為有限行程，當第一孔段211碰觸螺絲頭51或是第二孔段212碰觸套筒6時，即為該有限行程的終點，第一行程的最大距離等於第五圖所示的第一上間隙G11或第一下間隙G12。當換刀座2將沿第一方向D1相對於底座4移動該第一行程時，封閉空間中的彈簧7沿著第一方向D1彎曲。當該第一操作外力F1消失時，彈簧7對換刀座2施予一復位力，使換刀座2回到第五圖所示的位置。

請參閱第三圖與第十一圖，如果操作外力是多方向分力的組合，例如有第二操作外力F2與第三操作外力F3同時作用於換刀座2，則換刀座2會產生傾斜的移動。如第十一圖所示，一傾斜操作外力F4為前述第二操作外力F2與前述第三操作外力F3的結合，該傾斜操作外力F4作用於於換刀座2，使第四圖所示的第三上間隙G31或第三下間隙G32產生變化，同時第二間隙G2也產生變化，換刀座2將相對底座4傾斜一角度θ，亦即換刀座2以第一方向D1為軸心，旋轉了一角度。此時，封閉空間中的彈簧7根據換刀座2的傾斜而變形，當該傾斜操作外力F4消失時，彈簧7對換刀座2施予一復位力，使換刀座2回到第四圖所示的位置。

同理，第一操作外力F1、第二操作外力F2與第三操作外力F3的任意組合，換刀座2都能在各維度相對移動於底座4或相對傾斜於底座4，這些移動或傾斜即是換刀座2的移動自由度與旋轉自由度。當換刀座2相對移動於底座4或相對傾斜於底座4，彈簧7都能根據換刀座2的移動或傾斜而適當在各維度變形，彈簧7的變形賦予一復位力給換刀座2，使得第一操作外力F1、第二操作外力F2、第三操作外力F3或傾斜操作外力F4消失時，換刀座2都能回到第四圖與第五圖所示的位置。

請參閱第四圖與第五圖，本發明的第一上間隙G11、第一下間隙G12、第二間隙G2、第三上間隙G31與第三下間隙G32都是可調整的。藉由更換不同壁厚的套筒6，可以改變第三下間隙G32與第一下間隙G12的大小。藉由更換不同高度的套筒6，可以改變第二間隙G2的大小，藉由更換不同尺寸的螺絲5，改變螺絲頭51的直徑，可以改變第三上間隙G31與第一上間隙G11的大小。透過第一上間隙G11、第一下間隙G12、第二間隙G2、第三上間隙G31與第三下間隙G32的調整，使得前述第一行程、第二行程與第三行程也獲得調整，亦即換刀座2的自由度是可以改變的。在第四圖與第五圖所示的狀態，上述更換不同壁厚的套筒6，指的是將壁厚較小的套筒6更換為壁厚較大的套筒6，或是將壁厚較大的套筒6更換為壁厚較小的套筒6，無論如何更換，套筒6的壁厚是對稱的，藉此方式，換刀座2的自由度可以進行對稱式調整。以第四圖為例，換刀座2位於預設位置，藉由更換不同壁厚的套筒6，換刀座2所獲得的自由度改變在第三方向D3上將是對稱的。

請參閱第十二圖，上述實施例所示的套筒6也可以是一偏心套筒6A，亦即偏心套筒6A的內徑軸心與外徑軸心互相平行但不在同一軸線上，偏心套筒6A具有厚度不相等的一第一壁61A與一第二壁62A，該第一壁61A的外緣與第二孔段212A的孔壁形成一第三下間隙G32A，該第二壁62A的外緣與第二孔段212A的孔壁形成另一第三下間隙G33A，前述二個第三下間隙G32A、G32A不相等，當換刀座2A沿著第三方向D3相對移動於底座4A時，換刀座2A所獲得的自由度改變在第三方向D3上將是不對稱的，藉此使換刀座2A的自由度獲得非對稱式調整。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims

一種機器手臂的換刀方法，包含下列步驟：在一機器手臂末端軸結合一第一連接板；在複數換刀座設置複數第二連接板，所述換刀座結合在固定不動的一底座；該機器手臂末端軸帶動該第一連接板執行一連接操作而選擇連接任一上述第二連接板，並將前述第二連接板帶離前述換刀座；該機器手臂末端軸帶動該第一連接板與所連接的前述第二連接板返回前述換刀座，並執行一分離操作使該第一連接板分離於前述第二連接板；其特徵在於：使前述換刀座相對所述底座具備的一自由度；前述換刀座在前述連接操作與前述分離操作中藉該自由度而相對所述底座自行移位，以克服該第一連接板的一位置誤差，使該第一連接板可以連接或分離於前述第二連接板。
如請求項1所述機器手臂的換刀方法，其中該自由度係有限角度的一旋轉自由度或/及有限行程的一移動自由度。
如請求項1所述機器手臂的換刀方法，其中該自由度係一一維自由度、一二維自由度或一三維自由度。
如請求項1所述機器手臂的換刀方法，其中前述換刀座係設有一復位力，該復位力作用於前述換刀座，該第一連接板、前述第二連接板在前述連接操作與前述分離操作中，因該位置誤差產生一操作外力，該操作外力大於該復位力而使前述換刀座偏離一預設位置，在該操作外力消失後，藉該復位力驅動前述換刀座回到該預設位置。
如請求項4所述機器手臂的換刀方法，其中該復位力係一彈性力。
如請求項1所述機器手臂的換刀方法，其中該自由度在一第一方向上有一第一行程，該自由度在一第二方向上有一第二行程，該自由度在一第三方向上有一第三行程，其中該第一方向、該第二方向與第三方向彼此互相垂直，該第一行程、該第二行程與該第三行程中的任一或全部係為可調整。
如請求項1所述機器手臂的換刀方法，其中該自由度係可以執行一非對稱式調整。