WO2009097956A2 - Kuppeleinrichtung und verfahren zum automatisierten ankuppeln eines werkzeughalters an einen werkzeugaufnehmer auf einer handhabungseinrichtung - Google Patents

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conical
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sensors
coupling device
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Guoxin Shan
Suzanne Tanzer
Heinrich Thoene
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Definitions

  • Coupling device and method for automated coupling of a tool holder to a tool holder on a handling device Coupling device and method for automated coupling of a tool holder to a tool holder on a handling device.
  • the invention relates to a coupling device for the automated coupling of a tool holder carrying a tool, which comprises a taper shank and a clamping head, on a tool holder on a handling device, such as preferably a robot.
  • the toolholder is provided with a tapered sleeve and a locking mechanism comprising a gripping device cooperating with the clamping head and an axially acting clamping device.
  • the coupling device is associated with a sensor for determining the position.
  • the invention relates to a method for automated coupling of a tool-carrying tool holder on a tool holder on a handling device.
  • a conical taper shank which forms a manufacturing unit with a tool for performing certain work, preferably on a metallurgical device, such as a continuous casting or a melt container.
  • the tool holder according to a possible embodiment comprises a conical shank and a chuck, on which a tool, for example a measuring lance for determining the melt temperature in a distribution vessel or in the continuous casting mold or a free-blowing lance for opening the outlet opening of a melt vessel Positioned clamped on a storage surface in the area of action of the handling device is prepared.
  • a device of the generic type is already known from DE 32 14 025 A1.
  • a cone sleeve-carrying part of this coupling device on the implement such as a manufacturing robot, fixed fix.
  • a equipped with a conical shank tool or any implement is stored in a tool magazine and the Robots can take different tools from the magazine by appropriate control and store them there again.
  • the locking of the implement in the tapered sleeve takes place here by a hydraulically or pneumatically actuated locking bolt which engages in the locking position in a recess of the conical shank. Further details on the targeted approach of the locking position by the robot can not be found in this document.
  • DE 33 36 111 C1, DE 20 2005 013 995 U1, DE 101 41 641 A1 and DE 297 23 331 U1 are power-operated clamping and releasing devices for shank tools, known as steep taper tools, in which a tool with a conical shank and a chuck inserted into a tapered sleeve of a tool carrier or a work spindle and with an axially movable tie rod, the clamping elements are assigned, pulled into the tapered sleeve and held in it.
  • Tools equipped with these described dome devices are predominantly used in machine tools and usually require special tuning with the gripper of a tool changer, which facilitates the transport of the tool between a magazine and the e.g. Working spindle of the machine tool perceives.
  • Object of the present invention is to avoid the disadvantages of the known prior art and to propose a device and a method of the type described above, in which an automated recording a variety of tools and implements position-controlled is possible.
  • the object underlying the invention is achieved with a device of the type described above in that a number of sensors are arranged on the conical sleeve of the tool holder, and each sensor has a reference surface on the tool holder for determining its position. The sensors detect their distance from the associated reference surface, or generate a signal corresponding to this distance.
  • the conical shank of the tool holder In order to protect the conical shank of the tool holder in its area of use from external influences, such as in particular from contamination and intense thermal load, for example, liquid metal in metallurgical vessels without hindering the inclusion of a tool-carrying tool holder, it is provided that the conical shank of the tool holder of a protective cover surrounding the conical shank along its longitudinal extent with a radial spacing is surrounded.
  • a plurality of sensors For unambiguous determination of the spatial position of the tool holder relative to the spatial position of the tool holder, it is necessary for a plurality of sensors to be arranged on the inner conical surface or on the outer wall of the conical sleeve are, and that these sensors are assigned to an evaluation of the determined measurement data and the evaluation is signal-technically connected to adjusting the handling device.
  • At least two, preferably three, sensors are arranged on the inner conical surface or on the outer wall of the conical sleeve in a first plane oriented normally on the longitudinal axis of the tool holder and second in a further axial distance to the first plane and normal to the longitudinal axis of the tool holder Level at least one other sensor is arranged.
  • the arrangement of three sensors is sufficient to determine the position of the tool holder relative to the tool holder in the axial direction of the longitudinal axis of the tool holder or the tool holder and a fourth sensor is necessary to determine the tilt angle of the tool holder to the tool holder.
  • the sensors may be based on different known measuring systems. It can be used both inductive, capacitive or optical sensors for distance measurement.
  • a desired target position is already determined during the recording of the tool holder by the tool holder. This is achieved by associating the conical shank and the conical sleeve with corresponding locking elements. This desired target position is determined when the conical shank a projecting or protruding from the lateral surface locking element, such as a key, and the conical sleeve of the tool holder a corresponding, an angular position determining locking opening, for example, a groove assigned.
  • these corresponding media supply lines are separated from one another by sealing elements in the arrangement of a plurality of outlet openings on the conical sleeve and on the conical shaft.
  • a method for automated coupling of a tool-carrying tool holder on a tool holder on a handling device such as preferably a robot, which is characterized in that a mounted in a storage position in a tool holder tool selected by the control unit of the handling device and is driven or approached by the tool holder that during the pushing of the tool holder on the tool holder, the actual position of the tool holder is continuously determined and corrected for sensors with sensors and fixed that the tool holder in its reached target position of a gripping and clamping device of the tool holder in the tool holder becomes.
  • the determination of the actual position of the tool holder relative to the tool holder is carried out with a plurality of sensors distributed on the tool holder, which is a representative of the distance to a reference surface on the tool holder measurement signal is taken that from these measurement signals, the radial deviation and the tilt angle of the tool holder is determined to the tool holder and at least one control signal is generated with the alignment of the tool holder on the tool holder by adjusting means of the handling device.
  • the spatial assignment of the tool holder to the tool holder clearly defining characteristics can be determined.
  • An asymmetrical arrangement of the sensors makes it possible to additionally determine the angular position of the tool holder relative to the tool holder from the measuring signals recorded by the sensors and to generate a control signal with which the spatial alignment of the tool holder takes place through the adjusting means of the handling device.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a coupling device according to the invention with a tool holder and with a tool holder
  • FIG.4 illustration of the media supply passage through tool holder and tool holder.
  • FIG. 1 shows a coupling device for the automated coupling of a tool holder 1 to a tool holder 2 of the type according to the invention in a longitudinal section through the coupling device.
  • On the tool holder 1 is not shown in detail, indicated by dash-dotted lines tool 3 frontally attached.
  • the tool holder 2 is connected to the end face 4 of a connecting flange 5 to a direction indicated by dashed lines connecting flange 6 of a boom 7 a handling device, not shown, for. B. a multi-axis robot, connected.
  • the tool holder 1 comprises a clamping head 8 with a flange 9, on which a tool 3 is fixed for performing work, and a flange 10 which is fixedly connected to a conical shank 11.
  • This conical shank 11 is found with the same dimensions on all tools used on the handling device become. This makes a simple and quick replacement of tools possible.
  • the front side of the conical shaft 11 is a draw bolt 12 associated with a mushroom-shaped head 13 and an annular groove 14.
  • the tool holder 2 comprises a housing 15a and an end face flanged to this housing, flared outwardly tapered sleeve 16 whose inner conical surface 16a has the same slope as the outer conical surface 11a of the conical shank 11.
  • the core component of the tool holder 2 is a locking mechanism 2a, the a gripping device 2b and a clamping device 2c.
  • Attached to a support flange 17 is the tensioning device 2c formed by a pressure medium cylinder unit 18, which comprises a piston 19 and a multi-part piston rod 20, which is displaceable along the longitudinal axis 21 of the tool holder.
  • a plurality of tongues designed as springs 22 are fastened with its one end and movable with its other end in the radial direction.
  • the clamping tongues 22 have locking lugs 23 at their movable ends, which allow an axial movement of the mushroom-shaped head 13 as far as the stop surface 24 of the piston rod 20 when threading the tool holder 1 into the conical sleeve 16.
  • the clamping tongues 22 are pressed on the conical surface 26 of the centering sleeve 27 inwardly, engage in the annular groove 14 of the tension bolt 12 and clamp the taper shank 11 centrally in the conical sleeve 16, so that the longitudinal axis 21 of the tool holder. 2 aligned with the longitudinal axis 28 of the tool holder.
  • the tool holder 1 is surrounded along its longitudinal extent by a tubular protective hood 29, which is fastened with its one end to the flange 9 and is open in the direction of the tool holder 2.
  • the protective cover 29 forms a cylindrical protective covering for the conical shank 11 and the draw bolt 13, as well as in the coupled position for the conical sleeve 16 of the tool holder 2 in order to protect these parts against thermal influences and contamination in the working area of the handling device.
  • a plurality of sensors 31a, 31b, 32a, 32b are arranged distributed in two normal planes E1 and E2 on the circumference, with which a representative of the distance to a reference surface 35 of the tool holder 1 measurement signal can be determined .
  • the reference surface 35 is in this case formed by the inner circumferential surface 34 of the tubular protective cover 29, such as 2, the measurement signals are fed continuously or at intervals to an evaluation unit 37 in which each sensor is assigned a minimum distance value corresponding to the measurement signal to the reference surface 35 and, taking into account the spatial positions of the sensors, the relative position of the tool holder 2 to the position of the sensor Tool holder 1, thus the parallel offset and the spatial inclination of the longitudinal axis 21 of the tool holder 2 to the longitudinal axis 28 of the tool holder 1 determined.
  • actuating signals are generated, which are supplied to the adjusting means 38 of the handling device 7, ie with the handling device, the cone sleeve 16 of the tool holder 2 sensor-aligned on the conical shaft 11 of the example provided in a magazine tool holder 1 aligned and slid.
  • the handling device 7 is assigned a control unit 46, which controls the selection of a tool mounted in a tool holder from a storage position, not shown, of a tool magazine and the movement sequence of the tool holder 2.
  • FIG. 3a and 3b show a momentary situation during the automated Ankuppelvorganges in a longitudinal section in Figure 3a and projected onto an image plane in Figure 3b in view of the longitudinal axis 21 of the tool holder 2.
  • the tapered sleeve is cut by two normal normal planes E 1 and E 2 , the in Figure 3b by the lines of intersection with the outer conical surface 30 are formed and circles (solid lines) with the radii R E1 and R E2 form, which lie on a normal to the image plane longitudinal axis 21 of the tool holder and are projected into the image plane.
  • the sensors 31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c are distributed around the circumference.
  • Intersecting points of the image planes E 1 and E 2 projected into the image plane with the longitudinal axis of the tool holder represent two points of the longitudinal axis of the tool holder and show the axial offset of the two longitudinal axes. From the longitudinal section of Figure 3a, the tilt angle a of the two longitudinal axes 21, 28 is visible to each other. With a sufficiently large number of sensors is a complete determination of all the necessary parameters for a position control by the Handling device in a mathematical model possible, which describes the geometric relationships of the spatial position of the tool holder and the tool holder to each other.
  • a media supply line 40 (compressed air, signal lines) through a contact area of the tool holder and the Tool receiver led.
  • a suitable arrangement is shown in Figure 4.
  • In the locked position of the tool holder 1 in the tool holder 2 is an outlet opening 41 of the media supply line 40 in the conical surface 16 a of the cone sleeve 16 an outlet opening 42 of the media supply line 40 in the conical surface 11 a of the conical shank 11 opposite.
  • a plurality of juxtaposed, corresponding outlet openings 41, 42, 41a, 42a on the conical sleeve 16 and the conical shaft 11 are separated from each other by sealing elements 43.
  • the sealing elements 43 are formed by O-rings, which are inserted in annular grooves 44 of the conical shank 11. It is alternatively also possible that the O-rings are inserted in annular grooves on the tapered sleeve.
  • Tool receiver a Locking mechanism b Gripping device c Clamping device
  • Clamping head 10 Flange 1 Taper shank 1a Tapered surface of conical shank 112 Tension bolt 3 mushroom-shaped head of tensile bolt 124 Ring groove 5a Housing 6 Taper sleeve 6a Inner conical surface of tapered sleeve 167 Support flange 8 Pressure medium cylinder unit 9 Pistons 0 Multi-part piston rod 1 Longitudinal axis of tool holder 22 Tensioning tongue 3 Locking nose of tensioning tongue 22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kuppeleinrichtung zum automatisierten Ankuppeln eines ein Werkzeug tragenden Werkzeughalters (1), der einen Kegelschaft (11) und einen Spannkopf (8) umfasst, an einen Werkzeugaufnehmer (2) auf einer Handhabungseinrichtung (7), mit einer Kegelhülse (16) und einem Verriegelungsmechanismus (2a), der eine mit dem Spannkopf (8) zusammenwirkende Greifeinrichtung (2b) und eine in axialer Richtung wirkende Spanneinrichtung (2c) umfasst. Damit eine automatisierte Aufnahme unterschiedlichster Werkzeuge und Arbeitsgeräte positionskontrolliert möglich ist, sind an der Kegelhülse (16) des Werkzeugaufnehmers (2) eine Anzahl von Sensoren (31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c) angeordnet und jedem Sensor liegt eine Referenzfläche (35) am Werkzeughalter (1) zu dessen Lagebestimmung gegenüber.

Description

Beschreibung
Kuppeleinrichtung und Verfahren zum automatisierten Ankuppeln eines Werkzeughalters an einen Werkzeugaufnehmer auf einer Handhabungseinrichtung.
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kuppeleinrichtung zum automatisierten Ankuppeln eines ein Werkzeug tragenden Werkzeughalters, der einen Kegelschaft und einen Spannkopf umfasst, an einem Werkzeugaufnehmer auf einer Handhabungseinrichtung, wie vorzugsweise einem Roboter. Der Werkzeugaufnehmer ist mit einer Kegelhülse und einem Verriegelungsmechanismus ausgestattet, der eine mit dem Spannkopf zusammenwirkende Greifeinrichtung und eine in axialer Richtung wirkende Spanneinrichtung umfasst. Der Kuppeleinrichtung ist ein Sensor zur Lagebestimmung zugeordnet. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum automatisierten Ankoppeln eines ein Werkzeug tragenden Werkzeughalters an einem Werkzeugaufnehmer auf einer Handhabungseinrichtung.
Unter einem ein Werkzeug tragenden Werkzeughalter ist in einer baulich sehr einfachen Ausführungsform ein konusförmiger Kegelschaft zu verstehen, der mit einem Werkzeug zur Durchführung bestimmter Arbeiten, vorzugsweise an einer metallurgischen Einrichtung, beispielsweise einer Stranggießanlage oder einem Schmelzenbehälter, eine fertigungstechnische Einheit bildet. Für spezielle Anwendung einer Handhabungseinrichtung im Bereich einer Stranggießanlage umfasst der Werkzeughalter gemäß einer möglichen Ausführungsform einen Kegelschaft und einen Spannkopf, an dem ein Werkzeug, beispielsweise eine Messlanze zur Bestimmung der Schmelzentemperatur in einem Verteilergefäß oder in der Stranggießkokille oder eine Freiblaselanze zum Öffnen der Auslassöffnung eines Schmelzengefäßes lagedefiniert eingespannt auf einer Ablagefläche im Wirkungsbereich der Handhabungseinrichtung bereitgelegt ist.
Stand der Technik
Eine Einrichtung der gattungsbildenden Art ist bereits aus der DE 32 14 025 A1 bekannt. Hier ist ein die Kegelhülse tragender Teil dieser Kuppeleinrichtung auf dem Arbeitsgerät, z.B. einem Fertigungsroboter, fix befestigt. Ein mit einem Kegelschaft ausgestattetes Werkzeug oder beliebiges Arbeitsgerät ist in einem Werkzeugmagazin abgelegt und der Roboter kann durch entsprechende Steuerung unterschiedliche Arbeitsgeräte aus dem Magazin aufnehmen und diese wieder dort ablegen. Die Verriegelung des Arbeitsgerätes in der Kegelhülse erfolgt hierbei durch einen hydraulisch oder pneumatisch zu betätigenden Verriegelungsbolzen, der in der Verriegelungsposition in eine Ausnehmung des Kegelschaftes einrastet. Nähere Angaben zum zielgenauen Anfahren der Verriegelungsposition durch den Roboter sind diesem Dokument nicht zu entnehmen.
Aus der DE 33 36 111 C1 , der DE 20 2005 013 995 U1 , der DE 101 41 641 A1 und der DE 297 23 331 U1 sind kraftbetätigte Spann- und Lösevorrichtungen für Schaftwerkzeuge, wie Steilkegelwerkzeuge bekannt, bei denen ein Werkzeug mit einem Kegelschaft und einem Spannkopf in eine Kegelhülse eines Werkzeugträgers oder einer Arbeitsspindel eingesetzt und mit einer axial beweglichen Zugstange, der Spannelemente zugeordnet sind, in die Kegelhülse gezogen und in ihr gehalten werden.
Werkzeuge, die mit diesen beschriebenen Kuppeleinrichtungen ausgestattet sind, werden überwiegend bei Werkzeugmaschinen eingesetzt und erfordern zumeist eine besondere Abstimmung mit dem Greifer eines Werkzeugwechslers, der den Transport des Werkzeuges zwischen einem Magazin und der z.B. Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine wahrnimmt.
Der Einsatz und die Anwendung von Positionsmesssensoren bei Kuppeleinrichtungen und bei einem Verfahren zum überwachten Ankuppeln eines Werkzeuges an einen Werkzeugaufnehmer sind aus mehreren Dokumenten bereits bekannt.
Die Anwendung eines Positionsmesssensors beim üblichen Einsetzen eines Werkzeuges in einen Werkzeughalter und seine Verwendung zum Überwachen dieses Einsetzvorganges ist in der WO 2004/037486 A1 beschrieben. Diese Lösung mit einem von den zu kuppelnden Teilen unabhängig fest positionierten Sensor ist jedoch für die Überwachung eines Ankuppelvorganges an einem Werkzeugaufnehmer einer Handhabungseinrichtung, wie vorzugsweise einem Roboter, wegen der vorherrschenden dreidimensionalen Bewegungsabläufe nicht geeignet.
Sensoren zur Überprüfung der Position eines Werkzeuges im eingenommenen gekuppelten Zustand in Hinblick auf den Rundlauf des Werkzeuges oder einer ordnungsgemäßen Verriegelung des Werkzeuges in einem Werkzeugfutter sind aus der DE 44 15 306 A1 und der EP 1 726 401 A1 bereits bekannt. Diese Ausführungsformen einer Einrichtung zur Überprüfung einer Montageposition sind ebenfalls nicht geeignet, einen Kuppelvorgang zu steuern.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu vermeiden und eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorzuschlagen, bei der eine automatisierte Aufnahme unterschiedlichster Werkzeuge und Arbeitsgeräte positionskontrolliert möglich ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass an der Kegelhülse des Werkzeugaufnehmers eine Anzahl von Sensoren angeordnet sind, und jedem Sensor eine Referenzfläche am Werkzeughalter zu dessen Lagebestimmung gegenüber liegt. Mit den Sensoren wird deren Abstand zur zugeordneten Referenzfläche detektiert, bzw. ein diesem Abstand entsprechendes Signal generiert.
Um den Kegelschaft des Werkzeughalters in seinem Einsatzbereich vor äußeren Einflüssen, wie insbesondere vor Verschmutzung und intensiver thermischen Belastung durch beispielsweise flüssiges Metall in metallurgischen Gefäßen, zu schützen ohne die Aufnahme des ein Werkzeug tragenden Werkzeughalters zu behindern, ist vorgesehen, dass der Kegelschaft des Werkzeughalters von einer den Kegelschaft entlang seiner Längserstreckung mit radialem Abstand umhüllenden Schutzhaube umgeben ist.
Günstige Bedingungen für den Aufnahmevorgang eines Werkzeugs durch eine Handhabungseinrichtung ist gegeben, wenn die Referenzfläche am Werkzeughalter von der äußeren Kegelmantelfläche des Kegelschaftes gebildet ist.
Besonders günstige Bedingungen für den Aufnahmevorgang eines Werkzeuges sind gegeben, wenn die Referenzfläche am Werkzeughalter von der Innenmantelfläche einer den Kegelschaft mit radialem Abstand umhüllenden Schutzhaube gebildet ist.
Zur eindeutigen Bestimmung der räumlichen Lage des Werkzeughalters relativ zur räumlichen Lage des Werkzeugaufnehmers ist es notwendig, dass an der inneren Kegelmantelfläche oder der Außenwand der Kegelhülse mehrere Sensoren angeordnet sind, und dass diesen Sensoren eine Auswerteeinrichtung für die ermittelten Messdaten zugeordnet und die Auswerteeinrichtung mit Stellmittel der Handhabungseinrichtung signaltechnisch verbunden ist.
Vorzugsweise sind an der inneren Kegelmantelfläche oder an der Außenwand der Kegelhülse mindestens zwei, vorzugsweise drei, Sensoren in einer normal auf die Längsachse des Werkzeugaufnehmers ausgerichteten ersten Ebene angeordnet und in einer weiteren mit axialem Abstand zur ersten Ebene und normal auf die Längsachse des Werkzeugaufnehmers ausgerichteten zweiten Ebene mindestens ein weiterer Sensor angeordnet ist.
Die Anordnung von drei Sensoren reicht aus, um die Position des Werkzeugaufnehmers relativ zum Werkzeughalter in Axialrichtung der Längsachse des Werkzeugaufnehmers oder des Werkzeughalters zu bestimmen und ein vierter Sensor ist notwendig, um auch den Kippwinkel des Werkzeugaufnehmers zum Werkzeughalter zu bestimmen.
Den Sensoren können unterschiedliche bekannte Messsysteme zugrunde liegen. Es können sowohl induktive, kapazitive oder optische Sensoren zur Abstandsmessung herangezogen werden.
Bei Werkzeugen, die für ihren zweckentsprechenden Einsatz eine bestimmte Winkellage im Werkzeugaufnehmer einnehmen müssen, ist es vorteilhaft, wenn hierfür eine angestrebte Zielposition bereits bei der Aufnahme des Werkzeughalters durch den Werkzeugaufnehmer festgelegt wird. Dies wird erreicht, indem dem Kegelschaft und der Kegelhülse korrespondierende Verriegelungselemente zugeordnet sind. Diese angestrebte Zielposition ist bestimmt, wenn dem Kegelschaft ein vorstehendes oder aus der Mantelfläche herausragendes Verriegelungselement, beispielsweise eine Passfeder, und der Kegelhülse des Werkzeugaufnehmers eine korrespondierende, eine Winkellage bestimmende Verriegelungsöffnung, beispielsweise eine Nut, zugeordnet ist.
Für spezielle Einsätze werden Werkzeuge benötigt, die zusätzlich zu ihrer Positionierung bzw. Anstellbewegung Funktionen ausführen müssen, die durch die Handhabungseinrichtung unmittelbar nicht durchgeführt werden können wie z.B. die Greifbewegungen einer Zange. Um dies zu ermöglichen, liegt in einer verriegelten Position des Werkzeughalters im Werkzeugaufnehmer eine Austrittsöffnung einer Medienversorgungsleitung an der Kegelmantelfläche der Kegelhülse einer Austrittsöffnung einer Medienversorgungsleitung an der Kegelmantelfläche des Kegelschaftes gegenüber.
Sofern mehrere korrespondierende Medienversorgungsleitungen für die Betätigung des Werkzeuges notwendig sind, sind diese korrespondierenden Medienversorgungsleitungen bei der Anordnung mehrerer Austrittsöffnungen an der Kegelhülse und am Kegelschaft durch Dichtelemente voneinander getrennt.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird weiters ein Verfahren zum automatisierten Ankuppeln eines ein Werkzeug tragenden Werkzeughalters an einem Werkzeugaufnehmer auf einer Handhabungseinrichtung, wie vorzugsweise einem Roboter, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass ein in einer Ablageposition in einem Werkzeughalter montiertes Werkzeug von der Steuereinheit der Handhabungseinrichtung ausgewählt und von Werkzeugaufnehmer angesteuert bzw. angefahren wird, dass während des Aufschiebens des Werkzeugaufnehmers auf den Werkzeughalter die Istposition des Werkzeugaufnehmers zum Werkzeughalter mit Sensoren kontinuierlich ermittelt und korrigiert wird und dass der Werkzeughalter in seiner erreichten Zielposition von einer Greif- und Spanneinrichtung des Werkzeugaufnehmers im Werkzeugaufnehmer fixiert wird.
Die Ermittlung der Istposition des Werkzeughalters relativ zum Werkzeugaufnehmer erfolgt mit mehreren am Werkzeugaufnehmer verteilten Sensoren, mit denen ein für den Abstand zu einer Referenzfläche am Werkzeughalter repräsentatives Messsignal aufgenommen wird, dass aus diesen Messsignalen die radiale Abweichung und der Kippwinkel des Werkzeugaufnehmers zum Werkzeughalter ermittelt wird und mindestens ein Steuersignal generiert wird mit dem die Ausrichtung des Werkzeugaufnehmers auf den Werkzeughalter durch Stellmittel der Handhabungseinrichtung erfolgt. An Stelle der radialen Abweichung und des Kippwinkels des Werkzeugaufnehmers zum Werkzeughalter können auch andere, die räumliche Zuordnung des Werkzeugaufnehmers zum Werkzeughalter eindeutig festlegende Kenngrößen ermittelt werden.
Eine unsymmetrische Anordnung der Sensoren ermöglicht, dass aus den von den Sensoren aufgenommenen Messsignalen zusätzlich die Winkellage des Werkzeughalters zum Werkzeugaufnehmer ermittelt und ein Steuersignal generiert wird, mit dem die räumliche Ausrichtung des Werkzeugaufnehmers durch die Stellmittel der Handhabungseinrichtung erfolgt. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen wird, die folgendes zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kuppeleinrichtung mit einem Werkzeugaufnehmer und mit einem Werkzeughalter,
Fig. 2 ein Funktionsschema zum automatischen Ankuppeln mit der erfindungsgemäßen Kuppeleinrichtung,
Fig. 3a die geometrischen Zusammenhänge während des Kuppelvorganges in einer
Längsschnitt-Darstellung durch den Werkzeughalter und den Werkzeugaufnehmer,
Fig. 3b die geometrischen Zusammenhänge während des Kuppelvorganges in einer
Projektion in eine Bildebene normal zur Längsachse des Werkzeugaufnehmers,
Fig.4 Darstellung der Medienversorgungsdurchführung durch Werkzeughalter und Werkzeugaufnehmer.
Ausführung der Erfindung
In Figur 1 ist eine Kuppeleinrichtung zum automatisierten Ankuppeln eines Werkzeughaltes 1 an einen Werkzeugaufnehmer 2 der erfindungsgemäßen Art in einem Längsschnitt durch die Kuppeleinrichtung dargestellt. Am Werkzeughalter 1 ist ein nicht näher dargestelltes, durch strichpunktierte Linien angedeutetes Werkzeug 3 stirnseitig befestigt. Der Werkzeugaufnehmer 2 ist mit der stirnseitigen Anschlussfläche 4 eines Anschlussflansches 5 an einen mit strichpunktierten Linien angedeuteten Anschlussflansch 6 eines Auslegers 7 einer nicht näher dargestellten Handhabungseinrichtung, z. B. einem Mehrachsenroboter, angeschlossen.
Der Werkzeughalter 1 umfasst einen Spannkopf 8 mit einem Flansch 9, an dem ein Werkzeug 3 zur Durchführung von Arbeiten befestigt ist, und einen Flansch 10, der mit einem Kegelschaft 11 fest verbunden ist. Dieser Kegelschaft 11 findet sich mit gleichen Dimensionen an allen Werkzeugen, die auf der Handhabungseinrichtung eingesetzt werden. Damit ist ein einfaches und schnelles Auswechseln von Werkzeugen möglich. Stirnseitig ist dem Kegelschaft 11 ein Zugbolzen 12 mit einem pilzförmigen Kopf 13 und einer Ringnut 14 zugeordnet.
Der Werkzeugaufnehmer 2 umfasst ein Gehäuse 15a und eine an diesem Gehäuse stirnseitig angeflanschte, sich nach außen erweiternde Kegelhülse 16, deren innere Kegelmantelfläche 16a dieselbe Steigung aufweist, wie die äußere Kegelmantelfläche 11a des Kegelschaftes 11. Die Kernkomponente des Werkzeugaufnehmers 2 ist ein Verriegelungsmechanismus 2a, der eine Greifeinrichtung 2b und eine Spanneinrichtung 2c umfasst. An einem Stützflansch 17 ist die von einer Druckmittelzylindereinheit 18 gebildete Spanneinrichtung 2c befestigt, die einen Kolben 19 und eine mehrteilige Kolbenstange 20 umfasst, die entlang der Längsachse 21 des Werkzeugaufnehmers verschiebbar ist. An der Kolbenstange 20 sind mehrere als Federn ausgebildete Spannzungen 22 mit ihrem einen Ende befestigt und mit ihrem anderen Ende in radialer Richtung beweglich. Die Spannzungen 22 weisen an ihren beweglichen Enden Verriegelungsnasen 23 auf, die beim Einfädeln des Werkzeughalters 1 in die Kegelhülse 16 ein axiales Vorbeibewegen des pilzförmigen Kopfes 13 bis zur Anschlagfläche 24 der Kolbenstange 20 zulassen. Bei der axialen Verriegelungsbewegung des Kolbens 19 werden die Spannzungen 22 an der Kegelfläche 26 der Zentrierhülse 27 nach innen gedrückt, greifen in die Ringnut 14 des Zugbolzens 12 ein und klemmen den Kegelschaft 11 in der Kegelhülse 16 zentrisch, so dass die Längsachse 21 des Werkzeugaufnehmers 2 mit der Längsachse 28 des Werkzeughalters fluchtet.
Der Werkzeughalter 1 ist entlang seiner Längserstreckung von einer rohrförmigen Schutzhaube 29 umgeben, die mit ihrem einen Ende am Flansch 9 befestigt und in Richtung zum Werkzeugaufnehmer 2 offen ist. Die Schutzhaube 29 bildet eine zylindrische Schutzhülle für den Kegelschaft 11 und den Zugbolzen 13, sowie in der gekoppelten Position auch für die Kegelhülse 16 des Werkzeugaufnehmers 2, um diese Teile vor thermischen Einflüssen und Verschmutzung im Arbeitsbereich der Handhabungseinrichtung zu schützen.
In die Außenwand 30 der Kegelhülse 16 des Werkzeugaufnehmers 2 sind in zwei Normalebenen E1 und E2 mehrere Sensoren 31a, 31 b, 32a, 32b am Umfang verteilt angeordnet, mit denen ein für den Abstand zu einer Referenzfläche 35 des Werkzeughalters 1 repräsentatives Messsignal ermittelt werden kann. Die Referenzfläche 35 ist hierbei von der Innenmantelfläche 34 der rohrförmigen Schutzhaube 29 gebildet, wie in Figur 2 schematisch veranschaulicht werden die Messsignale kontinuierlich oder in Zeitabständen einer Auswerteeinheit 37 zugeführt, in der jedem Sensor ein dem Messsignal entsprechender minimaler Abstandswert zur Referenzfläche 35 zugeordnet wird und im Weiteren unter Berücksichtigung der Raumpositionen der Sensoren die relative Position des Werkzeugaufnehmers 2 zur Position des Werkzeughalters 1 , somit der Parallelversatz und die räumliche Schräglage der Längsachse 21 des Werkzeugaufnehmers 2 zur Längsachse 28 des Werkzeughalter 1 ermittelt. Aus diesen ermittelten Istwerten werden Stellsignale generiert, die den Stellmitteln 38 der Handhabungseinrichtung 7 zugeführt werden, d.h. mit der Handhabungseinrichtung wird die Kegelhülse 16 des Werkzeugaufnehmer 2 sensorgesteuert auf den Kegelschaft 11 des beispielsweise in einem Magazin bereitgestellten Werkzeughalters 1 achsfluchtend ausgerichtet und aufgeschoben. Der Handhabungseinrichtung 7 ist eine Steuereinheit 46 zugeordnet, die die Auswahl eines in einem Werkzeughalter montierten Werkzeuges aus einer nicht dargestellten Ablageposition eines Werkzeugmagazins und den Bewegungsablauf des Werkzeugaufnehmers 2 steuert.
Die Figuren 3a und 3b zeigen eine Momentansituation während des automatisierten Ankuppelvorganges in einem Längsschnitt in Figur 3a und projiziert auf eine Bildebene in Figur 3b in Blicksichtung der Längsachse 21 des Werkzeugaufnehmers 2. Die Kegelhülse ist durch zwei achsnormale Normalebenen E1 und E2 geschnitten, die in Figur 3b durch die Schnittlinien mit der äußeren Kegelmantelfläche 30 abgebildet sind und Kreise (durchgehende Linien) mit den Radien RE1 und RE2 bilden, die auf einer normal zur Bildebene stehenden Längsachse 21 des Werkzeugaufnehmers liegen und in die Bildebene projiziert sind. Auf diesen Radien sind die Sensoren 31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c am Umfang verteilt angeordnet. In einer Momentanposition während des Aufschiebens der Kegelhülse auf den Kegelschaft ergeben sich durch die beiden Normalebenen E1 und E2 Schnittlinien e^ e2 mit der Innenmantelfläche 34 der Schutzhaube 29, die Ellipsen bilden (strichlierte Linien). Der radiale Abstand rE1 1, rE1 2, rE1 3, rE2 u rE22, rE23 von den jeweiligen Sensoren 31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c zu der jeweiligen Schnittlinie eu e2 der Innenmantelfläche 34 der Schutzhaube entspricht dem von den Sensoren detektierten Abstand zur Referenzfläche 35. In die Bildebene projizierte Schnittpunkte der Bildebenen E1 und E2 mit der Längsachse der Werkzeugaufnahme stellen zwei Punkte der Längsachse des Werkzeughalters dar und zeigen den axialen Versatz der beiden Längsachsen. Aus dem Längsschnitt der Figur 3a ist der Kippwinkel a der beiden Längsachsen 21 , 28 zueinander ersichtlich. Mit einer genügend großen Anzahl von Sensoren ist eine vollständige Ermittlung aller notwendigen Kenngrößen für eine Positionsregelung durch die Handhabungseinrichtung in einem mathematischen Modell möglich, welches die geometrischen Zusammenhänge der räumlichen Lage des Werkzeughalters und des Werkzeugaufnehmers zueinander beschreibt.
Für den speziellen Fall, dass dem Werkzeughalter ein Werkzeug zugeordnet ist, welches beispielsweise Greif-, Klemm- und Haltebewegungen durchführen muss, wie dies bei einer Zange der Fall ist, ist eine Medienversorgungsleitung 40 (Pressluft, Signalleitungen) durch einen Kontaktbereich des Werkzeughalters und des Werkzeugaufnehmers geführt. Eine dafür geeignete Anordnung ist in Figur 4 dargestellt. In der verriegelten Position des Werkzeughalters 1 im Werkzeugaufnehmer 2 liegt eine Austrittsöffnung 41 der Medienversorgungsleitung 40 in der Kegelmantelfläche 16a der Kegelhülse 16 einer Austrittsöffnung 42 der Medienversorgungsleitung 40 in der Kegelmantelfläche 11 a des Kegelschaftes 11 gegenüber.
Mehrere nebeneinander positionierte, korrespondierende Austrittsöffnungen 41 , 42, 41a, 42a an der Kegelhülse 16 und dem Kegelschaft 11 sind durch Dichtelemente 43 voneinander getrennt. Die Dichtelemente 43 werden von O-Ringen gebildet, die in Ringnuten 44 des Kegelschaftes 11 eingelegt sind. Es ist alternativ auch möglich, dass die O-Ringe in Ringnuten an der Kegelhülse eingelegt sind.
Bezugszeichenliste:
Werkzeughalter
Werkzeugaufnehmer a Verriegelungsmechanismus b Greifeinrichtung c Spanneinrichtung
Werkzeug , 5, 6 Anschlussflansch
Ausleger einer Handhabungseinrichtung
Spannkopf , 10 Flansch 1 Kegelschaft 1a Kegelmantelfläche des Kegelschaftes 112 Zugbolzen 3 pilzförmiger Kopf des Zugbolzens 124 Ringnut 5a Gehäuse 6 Kegelhülse 6a innere Kegelmantelfläche der Kegelhülse 167 Stützflansch 8 Druckmittelzylindereinheit 9 Kolben 0 mehrteilige Kolbenstange 1 Längsachse des Werkzeugaufnehmers 22 Spannzunge 3 Verriegelungsnase der Spannzunge 22
Anschlagfläche an der Kolbenstange 206 Kegelfläche 7 Zentrierhülse 8 Längsachse des Werkzeughalters 1
Schutzhaube
Außenwand der Kegelhülse 1a, 31 b, 31c Sensoren a, 32b, 32c Sensoren 34 Innenmantelfläche der Schutzhaube 29
35 Referenzfläche
37 Auswerteeinheit
38 Stellmittel der Handhabungseinrichtung
40 Medienversorgungsleitung
41 , 41a, 42, 42a Austrittsöffnung der Medienversorgungsleitung 40
43 Dichtelement
44 Ringnut für Dichtelement 43
46 Steuereinheit
a Kippwinkel
Ei, E2 Normalebenen
REI > RE2 Radien in der Normalebene βi , ' e2 Schnittlinien
("El 3,
I"E2 1 i I"E2 2> I*E2 3 radialer Abstand Sensor - S

Claims

Ansprüche:
1. Kuppeleinrichtung zum automatisierten Ankuppeln eines ein Werkzeug tragenden Werkzeughalters (1), der einen Kegelschaft (11) und einen Spannkopf (8) umfasst, an einen Werkzeugaufnehmer (2) auf einer Handhabungseinrichtung (7), wie einem Roboter, mit einer Kegelhülse (16) und einem Verriegelungsmechanismus (2a), der eine mit dem Spannkopf (8) zusammenwirkende Greifeinrichtung (2b) und eine in axialer Richtung wirkende Spanneinrichtung (2c) umfasst, sowie einen Sensor zur Lagebestimmung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kegelhülse (16) des Werkzeugaufnehmers (2) eine Anzahl von Sensoren (31a, 31 b, 31c, 32a, 32b, 32c) angeordnet sind und jedem Sensor eine Referenzfläche (35) am Werkzeughalter (1) zu dessen Lagebestimmung gegenüberliegt.
2. Kuppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelschaft (11) des Werkzeughalters (1) von einer den Kegelschaft (11) entlang seiner Längserstreckung mit radialem Abstand umhüllenden Schutzhaube (29) umgeben ist.
3. Kuppeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (35) am Werkzeughalter (1) von der äußeren Kegelmantelfläche (11a) des Kegelschaftes (11) gebildet ist.
4. Kuppelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (35) am Werkzeughalter (1) von der Innenmantelfläche (34) einer den Kegelschaft (11) mit radialem Abstand umhüllenden Schutzhaube (29) gebildet ist.
5. Kuppelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der inneren Kegelmantelfläche (16a) oder an der Außenwand (30) der Kegelhülse (16) mehrere Sensoren (31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c) zur Bestimmung der räumlichen Lage des Werkzeughalters (1) relativ zur räumlichen Lage des Werkzeugaufnehmers (2) angeordnet sind, dass den Sensoren (31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c) einer Auswerteeinheit (37) für die ermittelten Messdaten zugeordnet ist und die Auswerteeinheit (37) mit Stellmittel (38) der Handhabungseinrichtung (7) signaltechnisch verbunden ist.
6. Kuppelvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der inneren Kegelmantelfläche (16a) oder an der Außenwand (30) der Kegelhülse (16) mindestens zwei, vorzugsweise drei, Sensoren (31a, 31b, 31c) in einer normal auf die Längsachse (21) des Werkzeugaufnehmers (2) ausgerichteten ersten Ebene (E1) angeordnet sind und in einer weiteren mit axialem Abstand zur ersten Ebene (E1) und normal auf die Längsachse (21) des Werkzeugaufnehmers (2) ausgerichteten zweiten Ebene (E2) mindestens ein weiterer Sensor (32a, 32b, 32c) angeordnet ist.
7. Kuppelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c) von induktiven, kapazitiven oder optischen Sensoren gebildet sind.
8. Kuppelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kegelschaft (11) und der Kegelhülse (16) korrespondierende Verriegelungselemente zugeordnet sind.
9. Kuppelvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kegelschaft (11) eine Passfeder und der Kegelhülse (16) eine korrespondierende Nut zur Festlegung der Winkellage des Werkzeughalters im Werkzeugaufnehmer zugeordnet ist.
10. Kuppelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer verriegelten Position des Werkzeughalters (1) im Werkzeugaufnehmer (2) eine Austrittsöffnung (41) einer Medienversorgungsleitung (40) an der Kegelmantelfläche (16a) der Kegelhülse (16) einer Austrittsöffnung (42) einer Medienversorgungsleitung (40) an der Kegelmantelfläche (11a) des Kegelschaftes (11) gegenüberliegt.
11. Kuppelvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass korrespondierenden Medienversorgungsleitungen (40, 40a) bei der Anordnung mehrerer Austrittsöffnungen (41, 42, 41a, 42a) an der Kegelhülse (16) und am Kegelschaft (11) durch Dichtelemente (43) voneinander getrennt sind.
12. Verfahren zum automatisierten Ankuppeln eines ein Werkzeug tragenden Werkzeughalters (1) an einem Werkzeugaufnehmer (2) auf einer Handhabungseinrichtung (7), wie einen Roboter, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einer Ablageposition in einem Werkzeughalter (1) montiertes Werkzeug von der Steuereinheit (46) der Handhabungseinrichtung (7) ausgewählt und vom Werkzeugaufnehmer (2) angesteuert wird, dass während des Aufschiebens des Werkzeugaufnehmers auf den Werkzeughalter die Istposition des Werkzeugaufnehmers zum Werkzeughalter mit Sensoren (31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c) kontinuierlich ermittelt und korrigiert wird und dass der Werkzeughalter in seiner erreichten Zielposition von einer Greif- und Spanneinrichtung (2b, 2c) des Werkzeugaufnehmers im Werkzeugaufnehmer fixiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Istposition des Werkzeughalters (1) relativ zum Werkzeugaufnehmer (2) mit mehreren am Werkzeugaufnehmer verteilt angeordneten Sensoren (31a, 31 b, 31 c, 32a, 32b, 32c) ein für den Abstand zu einer Referenzfläche (35) am Werkzeughalter (1) repräsentatives Messsignal aufgenommen wird, dass aus diesen Messsignalen die radiale Abweichung und der Kippwinkel (« ) des Werkzeugaufnehmers zum Werkzeughalter ermittelt wird und mindestens ein Steuersignal generiert wird mit dem die Ausrichtung des Werkzeugaufnehmers auf den Werkzeughalter durch Stellmittel (38) der Handhabungseinrichtung (7) erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus den von den Sensoren (31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c) aufgenommenen Messsignalen zusätzlich die Winkellage des Werkzeughalters (1) zum Werkzeugaufnehmer (2) ermittelt und ein Steuersignal generiert wird, mit dem die räumliche Ausrichtung des Werkzeugaufnehmers (2) durch die Stellmittel (38) der Handhabungseinrichtung (7) erfolgt.
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