WO2015110170A1 - Vorrichtung zum kuppeln und mechanischen verbinden einer ersten komponente mit einer zweiten komponente - Google Patents

Vorrichtung zum kuppeln und mechanischen verbinden einer ersten komponente mit einer zweiten komponente Download PDF

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WO2015110170A1
WO2015110170A1 PCT/EP2014/051403 EP2014051403W WO2015110170A1 WO 2015110170 A1 WO2015110170 A1 WO 2015110170A1 EP 2014051403 W EP2014051403 W EP 2014051403W WO 2015110170 A1 WO2015110170 A1 WO 2015110170A1
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WO
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component
cavity
locking
insertion area
sliding surface
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/051403
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tino SCHWARZ
Original Assignee
Stäubli Tec-Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stäubli Tec-Systems GmbH filed Critical Stäubli Tec-Systems GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00—Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/04—Gripping heads and other end effectors with provision for the remote detachment or exchange of the head or parts thereof
    • B25J15/0408—Connections means
    • B25J15/0416—Connections means having balls

Definitions

  • the invention relates to a device for coupling and mechanically connecting a first component with a second component according to the preamble of the main claim.
  • the robot learns its movements. Usually, the movements of the robot are controlled by a handheld programmer. If the robot is operated in teach-in mode, it may happen that the locking balls are pushed out while the insertion area is not inserted sufficiently deep into the cavity. In this case, it may happen that the locking balls by pressing against the wall in an area outside the
  • the tool plate is then first picked up by the robot arm as usual.
  • the tool plate is held only on the friction between the balls and the receiving recesses, the tool can be detached from the robot arm.
  • the object underlying the invention is therefore to propose a coupling device with a first and a second component, which ensures a secure locking, and in which a temporary connection of the two components is prevented.
  • the invention provides a device for coupling and mechanically connecting a first component to a second component.
  • the first component has a cavity, which with a
  • the second component comprises a plug-in region which can be inserted into the cavity in accordance with an insertion direction and which comprises locking elements for engagement in the receiving recesses in a locking position.
  • the locking elements are movable when inserting the insertion area into the cavity from a retracted position to an extended position the extended position, the locking elements and the receiving recesses form a positive connection between the first component with the second component,
  • the receiving recesses adjoins the receiving recesses at least one sliding surface which is formed such that when the insertion is not in the locking position during or after insertion, a force component opposite to the plug is generated, which is a separation of the first component of the second Component causes or a force component is generated along the insertion direction, which causes the positive connection of the first component and with the second component in the locked position.
  • the at least one sliding surface that adjoins the receiving recesses at least one collecting recess which is formed such that when the insertion is not in the Verriegelungssteliung during or after insertion, in the extended position at least one locking element and the at least one collecting recess form at least one positive connection of the first component with the second component.
  • the locking elements and the receiving recesses or the at least one collecting recess either form an at least positive connection between the two components, or the two components are separated.
  • the first component lies on a tool side having a tool
  • the second component on a robot side comprising a robot.
  • the tool is then either at least positively and securely connected to the robot arm, or the tool and the robot are not connected to one another.
  • the at least one sliding surface or the at least one collecting recess is chamfered into the cavity relative to the insertion direction of the insertion region.
  • the sliding surface is chamfered such that the force component opposite to the insertion direction is large enough to effect the separation of the two components.
  • An angle of the tapered sliding surface relative to the insertion direction is preferably greater than 0 ° in order to prevent the temporary frictional connection between the two components.
  • the angle of the tapered sliding surface relative to the insertion direction should preferably be less than 90 °, so that the force component is generated against the insertion direction.
  • the angle may for example have a value between 5 ° and 85 °.
  • the angle is advantageously less than 45 °.
  • the angle has a value of less than 20 °.
  • the sliding surface is chamfered such that the force component along the insertion direction is large enough to effect the positive connection of the two components.
  • the at least one locking element then, when extended from the retracted position to the deployed position, typically slides on the at least one sliding surface into the receiving recess such that said locking position is established.
  • An angle of the tapered sliding surface relative to the insertion direction is in this case preferably less than 180 ° in order to prevent the temporary frictional connection between the two components.
  • the angle of the tapered sliding surface relative to the insertion direction should preferably be greater than 90 °, so that the force component is generated along the insertion direction. The angle may for example be between 95 ° and 175 °.
  • the angle is preferably more than 135 °. Particularly preferably, the angle has a value between 160 ° and 175 °.
  • the tapered sliding surface may have a constant angle relative to the insertion direction. Alternatively, the angle of the tapered sliding surface may vary relative to the insertion direction.
  • the sliding surface may, for example, be formed by a part of a spherical surface. A radius of the spherical surface is typically greater than 100 mm.
  • the insertion region and the cavity can be delimited by an outer wall or an inner wall.
  • the receiving recesses and the at least one glacier surface or the at least one collecting surface are then formed in the inner wall.
  • a section of the inner wall of the cavity between the at least two sliding surfaces or the at least two collecting recesses may then have a shape corresponding to the outer wall of the insertion region.
  • the inner wall has, outside a region of the receiving recesses and the at least one sliding surface or the at least one collecting surface, a shape corresponding to the outer wall. In this way, a coaxial alignment of the Einsteckbe- retax can be ensured in the cavity.
  • each receiving recess is assigned a respective sliding surface.
  • the force component opposite or along the insertion direction have a particularly large value.
  • each receiving recess is associated with a collecting recess.
  • the positive connection between the at least one locking element and the collecting recess can be made particularly stable.
  • the coaxial alignment of the insertion region in the cavity can be ensured particularly reliable if each receiving recess is associated with a respective sliding surface or a collecting recess.
  • the number of sliding surfaces or collecting recesses may also be smaller than the number of receiving recesses. For example, there are two receiving recesses a sliding surface or a collecting recess.
  • a single sliding surface or a single collecting recess which is formed as a circumferential surface around the cavity. By surrounding the cavity surface can continue to ensure that the temporary non-positive connection does not come about.
  • a sliding around the cavity sliding surface or collecting recess can be particularly easy to produce.
  • the at least one sliding surface or the at least one collecting recess can be produced for example by drilling or milling by means of appropriate tools in the inner wall.
  • the at least one sliding surface may, for example, be formed by part of a conical recess in the first component.
  • the at least one collecting recess can be formed by a spherical cap-shaped recess in the first component.
  • a spherical radius of the spherical quill-shaped recess may be e.g. be less than 20 mm, preferably less than 10 mm.
  • the cavity and / or the insertion area may be chamfered to facilitate insertion of the insertion area into the cavity.
  • the cavity and / or the insertion region can be rotationally symmetrical. A rotational symmetry axis of the cavity and / or the insertion region can then run parallel to the insertion direction.
  • the insertion region has a cylindrical outer wall or a ring projection, wherein an outer side of the annular projection forms the outer wall of the insertion region.
  • the insertion region can also be formed, for example, by a regular polygon.
  • At least one sensor is provided in the first component and / or the second component for detecting the locking position and / or for detecting the positive connection between the at least one locking element and the at least one collecting recess.
  • the at least one sensor is preferably connected to an alarm system, which is set up for outputting a warning signal when detecting the locking position and / or the positive connection between the at least one locking element and the at least one collecting recess.
  • the positive connection between the Verrieglungsissen and the collecting recesses is hereinafter referred to as emergency position.
  • the warning signal may be, for example, an optical or an acoustic warning signal. This allows operating personnel!
  • first and second components are in the locked position or in the emergency position, that is, whether the locking elements engage in the receiving recesses or in the collecting recesses.
  • connections such as electricity connections, pressure ports or communication ports
  • the second component is typically not connected to corresponding ports of the first component.
  • a further sensor connected to the alarm system can preferably recognize that the said connections of the first and the second component are connected to one another or not.
  • openings for a penetration of Verriegeiungsetti are provided in the outer wall of the insertion preferably openings for a penetration of Verriegeiungsetti are provided.
  • the second component preferably comprises means for extending and retracting the locking elements.
  • the means are designed as extendable piston.
  • hydraulic or pneumatic pressure means are present in order to extend or retract the piston.
  • the locking elements can, for. B. be formed as Kugein or pins, wherein the pins are preferably tapered at their ends wedge-shaped.
  • the first and / or the second component can have guide elements for pre-centering the respective other component prior to inserting the insertion region into the cavity.
  • the guide elements can intervene in exceptions of the other component.
  • the guide elements and the exceptions preferably have mutually corresponding contact surfaces, which abut flat against each other to prevent a game perpendicular to the insertion game between the first and the second component in the locking position.
  • Fig. 1 is a perspective view of a locking unit and a tool plate, wherein these are not connected to each other;
  • FIG. 2 shows a cross section of the arrangement from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a perspective view of a further locking unit and a further tool plate;
  • FIG. 4 shows a cross section of the arrangement from FIG. 3; 5 shows a cross section of a partially inserted into the tool plate locking unit.
  • FIG. 6 shows a cross section of a locking unit and a tool plate in the locking position.
  • Fig. 7 is an angle of a tapered sliding surface relative to a
  • Insertion direction of the locking unit in the tool plate; 8 shows a cross section of a locking unit and a tool plate, wherein the tool plate comprises a single sliding surface. a cross section of the arrangement of Figure 5, wherein the locking balls are extended too early; Fig. 10 detail A of Figure 9;
  • 11 is a cross-section of a locking unit and an alternative tool plate
  • Fig. 12 detail B of Figure 11;
  • FIG. 13 shows a cross-section of a locking unit and another alternative tool plate
  • FIG. 14 shows a cross section of a locking unit and a tool plate with collecting recesses.
  • Fig. 15 shows a further cross section of the arrangement of the figure 1 and
  • FIG. 16 shows the cross section from FIG. 14 in a locking position.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a first component 1 designed as a tool plate and of a second component 2 designed as a locking unit.
  • FIG. 2 shows a cross-section of the arrangement from FIG. In the following, reference is made both to FIG. 1 and to FIG. 2.
  • the locking unit 2 and the tool plate 1 can be attached to a robot arm or a tool; In addition, the locking unit 2 and the tool plate 1 are connectable to each other.
  • the convincedpiatte 1 has a cavity 3, which is bounded by an inner wall 4.
  • the inner wall 4 is provided with a plurality of receiving recesses 5; In the example shown, there are twelve. In a locking position (see Fig. 6), the locking unit 2 rests on the tool plate 1.
  • the locking unit 2 comprises a plug-in region 6 which can be inserted into the cavity 3 in accordance with a plug-in direction Plug-in direction marked with an arrow 6 'shown in the figure 2.
  • locking elements 7 are arranged to engage in the receiving recesses 5.
  • openings 8 are provided for a passage of the locking elements 7.
  • the insertion region 6 has a hollow cylinder whose outer side forms an outer wall 9 of the insertion region 6.
  • the locking elements 7 are formed by balls each having a radius of 6 mm; they can be formed in other embodiments, for example, by tapered pins.
  • a piston 10 is arranged in the hollow cylinder of the insertion region 6 parallel to the insertion direction and movable therein.
  • the piston 10 is shown in the hollow cylinder in its lower position, which is referred to as a locked position and in which the piston 10 is held by the force of compression springs 10 '.
  • the locking balls 7 are located in Figures 1 and 2 in an extended position in which the locking balls 7 protrude from the outer wall 9, and they are movable to a retracted position, ie in the hollow cylinder when the piston 10 against the Pfeiiplatz 6 ' is driven up.
  • each receiving recess 5 is assigned a respective sliding surface 11.
  • delimitations between the receiving recesses 5 and the sliding surfaces 11 are formed by projections 5 '.
  • the sliding surfaces 11 are designed such that when the insertion region 6 is not in the locking position during or after insertion into the cavity 3, a force component F A referred to below as the ejection force is generated counter to the insertion direction. This results in a separation of the locking unit 2 and the tool plate 1.
  • the tool plate 1 and the locking unit 2 are either firmly connected to each other via a positive connection or the ejection force F A ensures a separation of the two components 1 and 2.
  • the sliding surfaces 11 are chamfered relative to the insertion direction.
  • Each individual sliding surface 11 is formed by a part of a conical shell.
  • the conical shape of the sliding surfaces 11 results from a machining process. processing the inner wall 4 by means of a drill or a milling tool.
  • the Gleitfiumbleen 11 may be molded directly in a casting process in the inner wall 4 in another embodiment. Thus, other shapes for the sliding surfaces 11 are conceivable.
  • both the insertion region 6 and the cavity 3 are chamfered, cf. Chamfers 12 and 13. It is also apparent from FIGS. 1 and 2 that sections 14 of the inner wall 4 between the sliding surfaces 11 have a shape corresponding to the outer wall 9. This will be a
  • the tool plate 1 of Figures 3 and 4 differs from the tool plate of Figures 1 and 2 only in that the cavity 3 in the tool plate 1 'is formed. As a result, the screw 16 shown in Figure 1 can be omitted.
  • the piston 10 is held in a locked position by the compression springs 10 ', in which the piston 10 contacts the locking balls 7 and the piston 10 is located at the bottom in the hollow cylinder.
  • the compression springs 10 ' are shown by way of example only in FIG. 2, in which case it is clear that the compression springs 10' can also be present in the embodiments of the other figures. Hydraulic or pneumatic pressure means (not shown) are able to counteract the spring force of the compression springs 10 'by means of a pressure applied in a pressure chamber 17 (see Fig. 4), thus unlocking the pressure piston 10 from the locked position into an unlocked one
  • the plunger 10 is in the unlocked, upper position, in which locking balls 7 are movable from the extended position to the retracted position.
  • the locking balls 7 are moved when inserting the insertion portion 6 in the cavity 3 by pressing the inner wall 4 against the locking balls 7 in the hollow cylinder.
  • the locking unit 2 rests on the tool plate 1.
  • the locking balls 7 in the locking position by means of the pressure piston
  • an angle ⁇ of the tapered sliding surface 11 is shown relative to the insertion direction. In the example shown, this angle is 15 °.
  • the cavity 3 and the insertion region 6 have a rotational symmetry axis 21 parallel to the insertion direction.
  • the number of sliding surfaces 11 may also be smaller than the number of receiving recesses 5.
  • the tool plate 1 "shown in Figure 8 differs from the rest of the figures in that there is only one sliding surface 11 ', which is formed as a circumferential surface around the cavity, wherein the cavity 3, as in the embodiments of Figures 3 and 4, in the tool plate 1 "is formed.
  • the circumferential to the cavity 3 sliding surface 11 ' has a larger area than the sliding surfaces 11, so that the locking balls 7 can not form a frictional connection with the inner wall 4.
  • the receiving recesses 5 should increase the size of the sliding surfaces 11 so that the adhesion can still be prevented.
  • the insertion region 6 is not inserted sufficiently deep into the cavity 3; the locking unit 2 is thus not on the tool plate 1.
  • the pressure applied in the pressure chamber 17 ensures that the pressure piston 10 is moved in the direction of the arrow 6 'into the unlocked position in order to move the locking balls 7 into the extended position.
  • the locking balls 7 experience a force F D exerted by the pressure piston in a direction perpendicular to the direction of the arrow 6 '.
  • FIG. 10 shows detail A from FIG. 9, in which the most important forces which play a role for the present invention are shown.
  • the locking balls 7 are pressed by means of the pressing force FD against the sliding surface 11. In this way, they experience a Normafkraft F N perpendicular to the sliding surface 11.
  • F G F D sin ⁇ .
  • a force component opposite to the insertion direction which is referred to as the ejection force F A
  • F A F D sin et * cos ct.
  • the maximum value of the ejection force F A as a function of the angle ⁇ can be determined by determining an optimum of the function F D sin ⁇ * cos et.
  • the ejection force F A is equal to zero.
  • the angle ⁇ of the chamfered surface should not be too large ⁇ from 80 ° to 90 °). If the angle ⁇ is chosen to be greater than 90 ° (90 ° to 180 °), the function F D sin et * cos et changes its sign and the ejection force F A changes its direction.
  • Pushing the locking balls 7 into the hollow cylinder through the inner wall 4 in the region of the sliding surfaces 11 when inserting the insertion portion 6 in the cavity 3, ie the movement of the locking balls 7 from the extended position to the retracted position, can be favored if the Angle ⁇ is less than 45 °. As a result, a strength and strength of the inner wall are also ensured.
  • the angle ⁇ is less than 20 °. In the illustrated embodiment, the angle ⁇ has a value of 15 °.
  • FIG. 11 shows a cross-section of a locking unit 2 and an alternative tool plate 1.
  • the locking unit 2 of Figure 11 corresponds to the locking unit 2 of Figures 1 to 10.
  • the tool plate 1 differs from the tool plate 1 of Figure 9 only in that the angle ⁇ of the tapered sliding surface 11 is greater than 90 °.
  • the above-mentioned function F D sin et * cos ⁇ thus has an opposite sign. If the insertion region 6 is not in the locking position during or after insertion, a force component F E is thus generated parallel to the insertion direction 6 '. As a result, the locking balls 7 slide on the sliding surface 11 until they are pressed into the receiving recesses 5. Thereafter, a positive connection of the tool plate 1 is effected with the locking unit 2 in the locking position.
  • the angle ⁇ is 175 ° in the embodiment shown.
  • FIG. 12 shows detail B from FIG. 11 in analogy to detail A of FIG.
  • an angle ⁇ is here shown next to the angle, which has a value of 180 ° - et, thus in the present case is 5 °.
  • the force component F E along the insertion direction is therefore
  • F E F D sin ⁇ * cos ⁇ .
  • the angle ⁇ is between 5 ° and 20 °.
  • the bevelled sliding surface 11 shown in FIG. 13 describes a part of a spherical surface with a radius R of 160 mm.
  • the angle ⁇ of the tapered sliding surface 11 is therefore not constant with respect to the insertion direction 6 ', wherein the angle et between 175 ° and 160 °.
  • Also in this embodiment of the Gleitflä- che 11 slide the locking balls upon exertion of the compressive force F D on the sliding surfaces 11 in the exception recesses. 5
  • FIG. 14 shows a cross section of a further alternative embodiment.
  • the locking unit 2 shown in FIG. 14 corresponds to the locking unit 2 from FIGS. 1 to 13.
  • the tool panel 1 of FIG. 13 differs from the tool panels 1 shown in FIGS. 1 to 12 only in that instead of the sliding surfaces 11, there are catching recesses 110 adjoin the receiving recesses 5.
  • each receiving recess 5 is assigned a collecting recess 110.
  • the collecting recesses 110 are formed corresponding to the locking balls 7 by spherical cap-shaped recesses in the tool plate 1, wherein a radius of the collecting recesses 110 is 6.05 mm each. The radius of the collecting recesses 110 is thus slightly larger than the radius of the locking balls 7 of 6 mm.
  • a single collecting recess may alternatively be provided, which is designed as a surface running around the cavity 3, e.g. an annular groove.
  • the number of collecting recesses 110 can thus optionally differ from the number of receiving recesses 5.
  • the tool plate 1 and the locking unit are not in the locking position since the locking balls 7 do not engage in the receiving recesses 5. Instead, the collecting recesses 110 and the Verriegelungskugein7 form a compound of the tool plate 1 with the locking unit 2.
  • the locking balls 7 are pressed by means of the pressure piston 10 with the pressure force F D against the collecting recesses 110, which is why the connection is both positive and non-positive.
  • the connection between the locking balls 7 and the collecting recesses 110 shown in FIG. 13 is referred to below as the emergency position.
  • a sensor 112 is disposed in the catch recess 110 for detecting the emergency position.
  • this sensor 112 is a contact switch which is triggered when the locking ball 7 is pressed against the catching recess 110.
  • the contact switch 112 is connected to an alarm system 114. who issues an audible and an optical warning signal as soon as the contact switch 112 is triggered.
  • an alarm system 114 who issues an audible and an optical warning signal as soon as the contact switch 112 is triggered.
  • other sensors may be provided for detecting the emergency position, for example light barriers or conductive recognition terminals.
  • power terminals such as pressure ports, electricity connections, or communication terminals of the lock unit 2 are not connected to corresponding terminals of the tool plate 1. Due to the lack of connection of the respective terminals, the alarm system 114 can also be activated, whereupon the alarm system outputs an audible and visual warning signal.
  • FIGS. 15 and 16 cross sections of the locking unit 2 and the tool plate 1 are shown by guide elements 18.
  • the guide elements 18 are formed in the examples shown as guide columns and are located on the tool plate 1. Optionally, they can also be provided on the locking unit 2.
  • the guide columns 18 engage in corresponding exceptions 19 and 19 'of the locking unit 2 and serve for pre-centering the locking unit 2 before inserting the plug-in area 6 into the cavity 3.
  • the guide columns 18 thus ensure alignment of the locking unit 2 perpendicular to the plug-in direction.
  • the guide columns are conically shaped.
  • contact surfaces in the region of the pillar base 20 and the exceptions 19 ' lie flat against one another. This ensures that a game is minimized perpendicular to the insertion in the locked position.
  • the sliding surfaces 11 or the collecting recesses in Figures 15 and 16 are not visible.
  • the inner wall 4 in the region of the section 14 has a shape corresponding to the cylindrical outer wall 9.
  • the inner wall 4 is flat against the outer wall 9 in the region of the portion 14 between the sliding surfaces 11 or between the collecting recesses.
  • the compression springs 10 ' can support the locked, lower position of the plunger 10 and thus the extended position of the locking balls 7, If the tool plate 1 and the locking unit 2 are connected to each other in a power failure, the positive Connection of the locking balls 7 with the receiving recesses 5 by an interaction of the compression springs 10 ', the piston 10 and the locking balls 7 remain maintained.

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Abstract

Vorrichtung zum Kuppeln und mechanischen Verbinden einer ersten Komponente (1) mit einer zweiten Komponente (2), wobei die erste Komponente (1) einen Hohlraum (3) aufweist, welcher mit einer Mehrzahl von Aufnahmevertiefungen (5) versehen ist, und die zweite Komponente (2) einen in den Hohlraum (3) gemäß einer Einsteckrichtung einsteckbaren Einsteckbereich (6) umfasst, welcher Verriegelungselemente (7) zum Eingreifen in die Aufnahmevertiefungen (5) in einer Verriegelungsstellung umfasst, wobei die Verriegelungselemente (7) beim Einstecken des Einsteckbereichs (6) in den Hohlraum (3) von einer eingefahrenen Stellung in eine ausgefahrene Stellung beweglich sind, und in der ausgefahrenen Stellung die Verriegelungseiemente (7) und die Aufnahmevertiefungen (5) eine formschlüssige Verbindung zwischen der ersten Komponente (1) mit der zweiten Komponente (2) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass an die Aufnahmevertiefungen (5) mindestens eine Gleitfläche (11) angrenzt, die derart ausgebildet ist, dass, wenn sich der Einsteckbereich (6) beim oder nach dem Einstecken nicht in der Verriegelungsstellung befindet, eine Kraftkomponente (FA) entgegen oder längs der Einsteckrichtung (6') erzeugt wird, die eine Trennung oder eine Verbindung der ersten Komponente (1) von oder mit der zweiten Komponente (2) bewirkt oder dass an die Aufnahmevertiefungen (5) mindestens eine Auffangvertiefung (110) angrenzt.

Description

Vorrichtung zum Kuppeln und mechanischen Verbinden einer ersten Komponente mit einer zweiten Komponente
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kuppeln und mechanischen Verbinden einer ersten Komponente mit einer zweiten Komponente gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, ein Werkzeug mittels einer Werkzeugplatte an einem Roboterarm zu befestigen, indem ein Einsteckbereäch des Roboterarms in einen Hohlraum der Werkzeugplatte eingeschoben wird. Der Hohlraum weist eine Wandung auf, die den Einsteckbereich im verbundenen Zustand umläuft. In dieser Wandung befinden sich Aufnahmevertiefun- gen. Nach dem Einstecken des Einsteckbereichs in den Hohlraum werden aus dem Einsteckbereich z.B. Verriegelungskugeln in die Aufnahmevertiefungen geschoben. Die Verriegelungskugeln greifen in die Aufnahmevertiefungen ein und verbinden somit die Werkzeugplatte formschlüssig mit dem Roboterarm. Diese Verbindungsmethode aus dem Stand der Technik funktioniert für ein bestehendes und getestetes Roboterprogramm, das insbesondere die Einhaltung der notwendigen Einschubtiefe sicherstellt, zuverlässig.
Im sogenannten Teach-in-Modus erlernt der Roboter seine Bewegungen. Üblicherweise werden die Bewegungen des Roboters durch ein Programmierhandgerät gesteuert. Wenn der Roboter im Teach-in-Modus betrieben wird, kann es vorkommen, dass die Verriegeiungskugeln ausgeschoben werden, während der Einsteckbereich noch nicht hinreichend tief in den Hohlraum eingesteckt ist. In diesem Fall kann es vorkommen, dass die Verriegelungsku- geln durch Andrücken an der Wandung in einem Bereich außerhalb der
Aufnahmevertiefungen eine temporäre {kraftschlüssige) Verbindung erzeugen. Die Werkzeugplatte wird dann zunächst durch den Roboterarm wie üblich aufgenommen. Da jedoch statt einer formschiüssigen Verbindung eine kraftschlüssige Verbindung vorliegt und die Werkzeugplatte lediglich über die Reibung zwischen den Kugeln und den Aufnahmevertiefungen gehalten wird, kann sich das Werkzeug vom Roboterarm lösen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, eine Kupplungsvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Komponente vorzu- schlagen, die eine sichere Verriegelung gewährleistet, und bei der eine temporäre Verbindung der zwei Komponenten verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den
Merkmalen der Unteransprüche und der Ausführungsbeispiele.
Mit der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Kuppeln und mechanischen Verbinden einer ersten Komponente mit einer zweiten Komponente bereit- gestellt. Die erste Komponente weist einen Hohlraum auf, welcher mit einer
Mehrzahl von Aufnahmevertiefungen versehen ist. Die zweite Komponente umfasst einen in den Hohlraum gemäß einer Einsteckrichtung einsteckbaren Einsteckbereich, welcher Verriegelungselemente zum Eingreifen in die Aufnahmevertiefungen in einer Verriegelungsstellung umfasst. Die Verriege- lungselemente sind beim Einstecken des Einsteckbereichs in den Hohlraum von einer eingefahrenen Stellung in eine ausgefahrene Stellung beweglich, in der ausgefahrenen Stellung bilden die Verriegelungselemente und die Aufnahmevertiefungen eine formschlüssige Verbindung zwischen der ersten Komponente mit der zweiten Komponente,
Erfindungsgemäß grenzt an die Aufnahmevertiefungen mindestens eine Gleitfläche an, die derart ausgebildet ist, dass, wenn sich der Einsteckbereich beim oder nach dem Einstecken nicht in der Verriegelungsstellung befindet, eine Kraft komponente entgegen der Einsteckrichtung erzeugt wird, die eine Trennung der ersten Komponente von der zweiten Komponente bewirkt oder eine Kraftkomponente längs der Einsteckrichtung erzeugt wird, die die formschlüssige Verbindung der ersten Komponente und mit der zweiten Komponente in der Verriegelungsstellung bewirkt. Es kann statt der mindestens einen Gleitfläche auch vorgesehen sein, dass an die Aufnahmevertiefungen mindestens eine Auffangvertiefung angrenzt, die derart ausgebildet ist, dass, wenn sich der Einsteckbereich beim oder nach dem Einstecken nicht in der Verriegelungssteliung befindet, in der ausgefahrenen Stellung mindestens ein Verriegelungselement und die mindestens eine Auffangvertiefung zumindest eine formschlüssige Verbindung der ersten Komponente mit der zweiten Komponente bilden.
Durch diese erfindungsgemäße Gleitfläche oder die erfindungsgemäße Auffangvertiefung wird eine temporäre kraftschlüssige Verbindung, vermittelt durch eine Reibkraft zwischen den Verriegelungselementen und dem Hohlraum der zweiten bzw. der ersten Komponente, unterbunden. Somit bilden die Verriegelungselemente und die Aufnahmevertiefungen oder die mindestens eine Auffangvertiefung entweder eine zumindest formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Komponenten, oder die beiden Komponenten sind getrennt. Beispielsweise liegt die erste Komponente auf einer ein Werkzeug aufweisenden Werkzeugseite, und die zweite Komponente auf einer einen Roboter umfassenden Roboterseite. Im oben beschriebenen Teach-in-Modus ist dann das Werkzeug entweder mit dem Roboterarm zumindest formschlüssig und sicher verbunden, oder das Werkzeug und der Roboter sind nicht miteinander verbunden. in einer bevorzugten Ausgestaltung ist die mindestens eine Gleitfläche oder die mindestens eine Auffangvertiefung relativ zu der Einsteckrichtung des Einsteckbereichs in den Hohlraum abgeschrägt.
Typischerweise ist die Gleitfläche derart abgeschrägt, dass die Kraftkomponente entgegen der Einsteckrichtung groß genug ist, um die Trennung der beiden Komponenten zu bewirken. Ein Winkel der abgeschrägten Gleitfläche relativ zur Einsteckrichtung ist bevorzugt größer als 0°, um die temporäre kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Komponenten zu verhindern. Andererseits sollte der Winkel der abgeschrägten Gleitfläche relativ zur Einsteckrichtung vorzugsweise kleiner als 90° sein, damit die Kraftkomponente entgegen der Einsteckrichtung erzeugt wird. Der Winkel kann beispielsweise einen Wert zwischen 5° und 85° aufweisen. Um außerdem eine Festigkeit und Beanspruchbarkeit der Innenwandung zu gewährleisten, beträgt der Winkel in vorteilhafter Weise weniger als 45°. Typischerweise ist der Winke! größer als 10 °. Besonders bevorzugt weist der Winkel einen Wert von weniger als 20° auf.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Gleitfläche derart abgeschrägt, dass die Kraftkomponente längs der Einsteckrichtung groß genug ist, um die formschlüssige Verbindung der beiden Komponenten zu bewirken. Das mindestens eine Verriegelungselement gleitet dann beim Ausfahren von der eingefahrenen Stellung in die ausgefahrene Stellung typischerweise auf der mindestens einen Gleitfläche in die Aufnahmevertiefung, so dass die genannte Verriegefungsstellung zustande kommt. Ein Winkel der abgeschrägten Gleitfläche relativ zur Einsteckrichtung ist in diesem Fall bevorzugt kleiner als 180°, um die temporäre kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Komponenten zu verhindern. Andererseits sollte der Winkel der abgeschrägten Gleitfläche relativ zur Einsteckrichtung vorzugsweise größer als 90° sein, damit die Kraftkomponente längs der Einsteckrichtung erzeugt wird. Der Winkel kann beispielsweise zwischen 95° und 175° betragen. Um einen Übergang in die Verriegelungsstellung zu begünstigen, beträgt der Winkel vorzugsweise mehr als 135°. Besonders bevorzugt weist der Winkel einen Wert zwischen 160° und 175° auf. Die abgeschrägte Gleitfläche kann einen konstanten Winkel relativ zur Einsteckrichtung aufweisen. Alternativ kann der Winkel der abgeschrägten Gleitfläche relativ zur Einsteckrichtung variieren, Die Gleitfläche kann z.B. durch einen Teil einer Kugeioberfiäche gebildet sein. Ein Radius der Kugeloberfläche ist typischerweise größer als 100 mm.
Der Einsteckbereich und der Hohlraum können durch eine Außenwandung bzw. eine Innenwandung begrenzt sein. Die Aufnahmevertiefungen und die mindestens eine Glettfläche oder die mindestens eine Auffangfläche sind dann in der Innenwandung ausgebildet.
In einer Weiterbildung der Erfindung gibt es mindestens zwei Gleitflächen oder mindestens zwei Auffangvertiefungen. Ein Abschnitt der Innenwandung des Hohlraums zwischen den mindestens zwei Gleitflächen oder den mindestens zwei Auffangvertiefungen kann dann eine zur Außenwandung des Einsteckbereichs korrespondierende Form aufweisen. Durch die im Bereich des Abschnitts korrespondierende Form der Innenwandung zur Außenwandung kann der Einsteckbereich während des Einsteckens in den Hohlraum ausgerichtet werden. Hierdurch können unerwünschte Schrägstellungen oder eine Fehlmontage der Komponenten verhindert werden.
In einer Weiterbildung weist außerdem die Innenwandung außerhalb eines Bereichs der Aufnahmevertiefungen und der mindestens einen Gleitfläche oder der mindestens einen Auffangfläche eine zur Außenwandung korrespondierende Form auf. Hierdurch kann eine koaxiale Ausrichtung des Einsteckbe- retchs in den Hohlraum sichergestellt werden.
In einer Wetterbildung der Erfindung ist jeder Aufnahmevertiefung jeweils eine Gleitfläche zugeordnet. Hierdurch kann die Kraftkomponente entgegen oder längs der Einsteckrichtung einen besonders großen Wert aufweisen. Alternativ ist vorzugsweise jeder Aufnahmevertiefung eine Auffangvertiefung zugeordnet. In diesem Fall kann die formschlüssige Verbindung zwischen dem mindestens einen Verriegelungselement und der Auffangvertiefung besonders stabil ausgebildet werden. Ferner kann die koaxiale Ausrichtung des Einsteckbereichs in den Hohlraum besonders zuverlässig gewährleistet werden, wenn jeder Aufnahmevertiefung jeweils eine Gleitfläche oder eine Auffangvertiefung zugeordnet ist. Optional kann die Anzahl der Gleitflächen oder Auffangvertiefungen auch kleiner als die Zahl der Aufnahmevertiefungen sein. Beispielsweise gibt es je zwei Aufnahmevertiefungen eine Gleitfläche oder eine Auffangvertiefung.
Es kann auch eine einzige Gleitfläche oder eine einzige Auffangvertiefung vorgesehen sein, die als eine um den Hohlraum umlaufende Fläche ausgebil- det ist. Durch die um den Hohlraum umlaufende Fläche kann weiterhin sichergestellt werden, dass die temporäre kraftschlüssige Verbindung nicht zustande kommt. Eine um den Hohlraum umlaufende Gleitfläche oder Auffangvertiefung lässt sich besonders einfach hersteilen.
Die mindestens eine Gleitfläche oder die mindestens eine Auffangvertiefung kann zum Beispiel durch Bohren oder Fräsen mittels entsprechender Werkzeuge in der Innenwandung hergestellt werden. Die mindestens eine Gleitfläche kann zum Beispiel durch einen Teil einer kegelförmigen Ausnehmung in der ersten Komponente geformt sein. Die mindestens eine Auffangvertiefung kann durch eine kugelkalottenförmige Ausnehmung in der ersten Komponente geformt sein. Ein Kugelradius der kugelkaiottenförmigen Ausnehmung kann z.B. kleiner als 20 mm sein, vorzugsweise kleiner als 10 mm sein.
Der Hohlraum und/oder der Einsteckbereich können zum Erleichtern des Einsteckens des Einsteckbereichs in den Hohlraum angefast sein. Weiterhin können der Hohlraum und/oder der Einsteckbereich drehsymmetrisch ausgebildet sein. Eine Drehsymmetrieachse des Hohlraums und/oder des Einsteckbereichs kann dann parallel zur Einsteckrichtung verlaufen. Zum Beispiel weist der Einsteckbereich eine zylindrische Außenwandung oder einen Ringansatz auf, wobei eine Außenseite des Ringansatzes die Außenwandung des Etn- steckbereichs bildet. Stattdessen kann der Einsteckbereich auch beispielsweise durch ein regelmäßiges Vieleck gebildet sein.
In einer Weiterbildung ist in der ersten Komponente und/oder der zweiten Komponente mindestens ein Sensor vorgesehen zum Erkennen der Verriege- lungsstel!ung und/oder zum Erkennen der formschlüssigen Verbindung zwischen dem mindestens einen Verriegelungselement und der mindestens einen Auffangvertiefung. Der mindestens eine Sensor ist vorzugsweise mit einer Alarmanlage verbunden, die eingerichtet ist zum Abgeben eines Warnsignals beim Erkennen der Verriegelungsstellung und/oder der formschlüssi- gen Verbindung zwischen dem mindestens einen Verriegelungselement und der mindestens einen Auffangvertiefung. Die formschlüssige Verbindung zwischen den Verrieglungselementen und den Auffangvertiefungen wird nachfolgend als Notstellung bezeichnet. Das Warnsignal kann zum Beispiel ein optisches oder ein akustisches Warnsignal sein. Hierdurch kann Bedienungs- persona! leicht identifizieren, ob sich die erste und die zweite Komponente in der Verriegelungsstellung oder in der Notstellung befinden, d.h. ob die Verriegelungselemente in die Aufnahmevertiefungen oder in die Auffangvertiefungen eingreifen. In der Notstellung sind Anschlüsse, wie z.B. Elektrizitätsanschlüsse, Druckanschlüsse oder Kommunikationsanschlüsse, der zweiten Komponente typrscherweise nicht mit entsprechenden Anschlüssen der ersten Komponente verbunden. Ein weiterer mit der Alarmanlage verbundener Sensor kann vorzugsweise erkennen, dass die genannten Anschlüsse der ersten und der zweiten Komponente miteinander verbunden sind oder nicht. In der Außenwandung des Einsteckbereichs sind vorzugsweise Öffnungen für einen Durchgriff der Verriegeiungselemente vorgesehen.
Die zweite Komponente umfasst bevorzugt Mittel zum Ein- und Ausfahren der Verriegelungselemente. Beispielsweise sind die Mittel als ausfahrbarer Kolben ausgebildet. In der zweiten Komponente sind ferner bevorzugt hydraulische oder pneumatische Druckmittel vorhanden, um den Kolben Ein- oder Auszufahren. Die Verriegelungselemente können z. B. als Kugein oder Stifte ausgebildet sein, wobei die Stifte an ihren Enden vorzugsweise keilförmig zugespitzt sind.
In einer Weiterbildung können die erste und/oder die zweite Komponente Führungselemente zum Vorzentrieren der jeweils anderen Komponente vor dem Einstecken des Einsteckbereichs in den Hohlraum aufweisen. Mittels der Führungseiemente kann eine Ausrichtung senkrecht zur Einsteckrichtung erfolgen. Hierbei können die Führungselemente in Ausnahmen der jeweils anderen Komponente eingreifen. Die Führungselemente und die Ausnahmen weisen bevorzugt zueinander korrespondierende Kontaktflächen auf, die zum Verhindern eines zur Einsteckrichtung senkrechten Spiels zwischen der ersten und der zweiten Komponente in der Verriegelungsstellung flächig aneinander anliegen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand beigefügter Figuren erläutert. In den Figuren zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Verriegelungseinheit und einer Werkzeugplatte, wobei diese nicht miteinander verbunden sind;
Fig. 2 einen Querschnitt der Anordnung aus der Figur 1; Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Verriegelungseinheit und einer weiteren Werkzeugplatte;
Fig. 4 einen Querschnitt der Anordnung aus der Figur 3; Fig. 5 einen Querschnitt einer teilweise in die Werkzeugplatte eingesteckten Verriegelungseinheit;
Fig. 6 einen Querschnitt einer Verriegelungseinheit und einer Werkzeugplatte in der Verriegelungsstellung;
Fig. 7 einen Winkel einer abgeschrägten Gleitfläche relativ zu einer
Einsteckrichtung der Verriegelungseinheit in die Werkzeugplatte; Fig. 8 einen Querschnitt einer Verriegelungseinheit und einer Werkzeugplatte, wobei die Werkzeugplatte eine einzige Gleitfläche umfasst; einen Querschnitt der Anordnung aus der Figur 5, wobei die Verriegelungskugeln zu früh ausgefahren sind; Fig. 10 Detail A aus der Figur 9;
Fig. 11 einen Querschnitt einer Verriegelungseinheit und einer alternativen Werkzeugplatte;
Fig. 12 Detail B aus der Figur 11;
Fig. 13 einen Querschnitt einer Verriegelungseinheit und einer weiteren alternativen Werkzeugplatte;
Fig. 14 einen Querschnitt einer Verriegelungseinheit und einer Werkzeugplatte mit Auffangvertiefungen;
Fig. 15 einen weiteren Querschnitt der Anordnung aus der Figur 1 und
Fig. 16 den Querschnitt aus der Figur 14 in einer Verriegelungsstellung.
In den gezeigten Figuren sind Elemente gleicher Funktion figurenübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer als Werkzeugplatte ausgebildeten ersten Komponente 1 sowie einer als Verriegelungseinheit ausgebildeten zweiten Komponente 2. in Figur 2 ist ein Querschnitt der Anordnung aus Figur 1 gezeigt. Im Folgenden wird sowohl auf Figur 1 als auch auf Figur 2 Bezug genommen.
Die Verriegelungseinheit 2 und die Werkzeugplatte 1 sind an einem Roboterarm bzw. einem Werkzeug befestigbar; außerdem sind die Verriegelungsein- heit 2 und die Werkzeugplatte 1 miteinander verbindbar. Die Werkzeugpiatte 1 weist einen Hohlraum 3 auf, welcher von einer Innenwandung 4 umgrenzt wird. Die Innenwandung 4 ist mit einer Mehrzahl von Aufnahmevertiefungen 5 versehen; im gezeigten Beispiel sind es zwölf. In einer Verriegelungsstellung (vgl. Fig. 6) liegt die Verriegelungseinheit 2 auf der Werkzeugplatte 1 auf.
Die Verriegelungseinheit 2 umfasst einen in den Hohlraum 3 gemäß einer Einsteckrichtung einsteckbaren Einsteckbereich 6. Zur Deutlichkeit ist die Einsteckrichtung mit einem in der Figur 2 gezeigten Pfeil 6' gekennzeichnet. In dem Einsteckbereich 6 sind Verriegelungselemente 7 angeordnet zum Eingreifen in die Aufnahmevertiefungen 5. Ferner sind im Einsteckbereich 6 Öffnungen 8 für einen Durchgriff der Verriegelungselemente 7 vorgesehen. Der Einsteckbereich 6 weist einen Hohlzylinder auf, dessen Außenseite eine Außenwandung 9 des Einsteckbereichs 6 bildet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Verriegelungselemente 7 durch Kugeln mit jeweils einem Radius von 6 mm gebildet; sie können in anderen Ausführungsformen beispielsweise auch durch spitz zulaufende Stifte gebildet werden. Ein Kolben 10 ist im Hohlzylinder des Einsteckbereichs 6 parallel zur Einsteckrichtung und in diesem beweglich angeordnet. In der Figur 2 ist der Kolben 10 im Hohlzylinder in seiner unteren Stellung dargestellt, die als verriegelte Position bezeichnet wird und in der der Kolben 10 durch die Kraft von Druckfedern 10' gehalten wird. Die Verriegelungskugeln 7 befinden sich in den Figuren 1 und 2 in einer ausgefahrenen Stellung, in der die Verriegelungskugeln 7 aus der Außenwandung 9 herausragen, und sie sind in eine eingefahrene Stellung beweglich, d.h. in den Hohlzylinder, wenn der Kolben 10 entgegen der Pfeiirichtung 6' nach oben gefahren wird.
Weiterhin ist in den Figuren 1 und 2 zu erkennen, dass an die Aufnahmevertiefungen 5 jeweils eine Gleitfläche 11 angrenzt, d. h., jeder Aufnahmevertiefung 5 ist jeweils eine Gleitfläche 11 zugeordnet. Hierbei werden Abgrenzungen zwischen den Aufnahmevertiefungen 5 und den Gleitflächen 11 durch Vorsprünge 5' gebildet. Die Gleitflächen 11 sind derart ausgebildet, dass, wenn sich der Einsteckbereich 6 beim oder nach dem Einstecken in den Hohlraum 3 nicht in der Verriegelungsstellung befindet, eine im Folgenden als Auswurfkraft bezeichnete Kraftkomponente FA entgegen der Einsteckrichtung erzeugt wird. Hierdurch erfolgt eine Trennung der Verriegelungseinheit 2 und der Werkzeugplatte 1. Somit sind die Werkzeugplatte 1 und die Verriegelungseinheit 2 entweder fest über einen Formschluss miteinander verbunden oder die Auswurfkraft FA sorgt für eine Trennung der beiden Komponenten 1 und 2.
Die Gleitflächen 11 sind relativ zur Einsteckrichtung abgeschrägt. Dabei ist jede einzelne Gleitfläche 11 durch einen Teil eines Kegelmantels geformt. Die konische Form der Gleitflächen 11 ergibt sich durch eine zerspanende Bear- beitung der innenwandung 4 mittels eines Bohrers oder eines Fräswerkzeuges. Die Gleitfiächen 11 können in einer anderen Ausführungsform direkt in einem Gießprozess in der Innenwandung 4 geformt sein. Somit sind auch andere Formen für die Gleitflächen 11 denkbar.
Um das Einführen des Einsteckbereichs 6 in den Hohlraum 3 zu erleichtern, sind sowohl der Einsteckbereich 6 als auch der Hohlraum 3 angefast, vgl. Fasen 12 bzw. 13. Aus den Figuren 1 und 2 geht außerdem hervor, dass Abschnitte 14 der Innenwandung 4 zwischen den Gleitflächen 11 eine zur Außenwandung 9 korrespondierende Form aufweisen. Hierdurch wird eine
Ausrichtung der beiden Komponenten 1 und 2 senkrecht zur Einsteckrichtung erleichtert, und Fehlstellungen bzw. eine Fehlmontage der beiden Komponenten 1 und 2 werden dadurch verhindert. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Innenwandung 4 außerhalb eines Bereichs der Aufnahmevertiefungen 5 und der Gleitflächen 11 eine zur Außenwandung 9 korrespondierende Form aufweist. In dieser Ausführungsform korrespondieren neben den Abschnitten
14 auch Abschnitte 14' zwischen den Aufnahmevertiefungen 5 zur zylindrischen Form der Außenwandung 9. In den Figuren 1 und 2 wird der Hohlraum 3 durch einen ringförmigen Einsatz
15 gebildet, der mittels Schraubverbindungen 16 an der Werkzeugplatte 1 befestigt ist. Die Werkzeugplatte 1 aus den Figuren 3 und 4 unterscheidet sich von der Werkzeugplatte aus den Figuren 1 und 2 lediglich dadurch, dass der Hohlraum 3 in der Werkzeugplatte 1' gebildet ist. Dadurch können die in der Figur 1 gezeigten Schraubverbindungen 16 entfallen.
Wie der Figur 2 zu entnehmen ist, wird der Kolben 10 durch die Druckfedern 10' in einer verriegelten Position gehalten, in der der Kolben 10 die Verriegelungskugeln 7 berührt und sich der Kolben 10 unten im Hohlzylinder befindet. Die Druckfedern 10' sind nur in der Figur 2 exemplarisch dargestellt, hierbei ist klar dass die Druckfedern 10' auch in den Ausführungsformen der übrigen Figuren vorhanden sein können. Hydraulische oder pneumatische Druckmittel (nicht gezeigt) vermögen der Federkraft der Druckfedern 10' mitteis eines in einem Druckraum 17 angelegten Drucks entgegenzuwirken (vgl. Fig. 4), um somit den Druckkolben 10 von der verriegelten Position in eine entriegelte
Position zu bringen, in der der Kolben 10 oben im Hohlzylinder angeordnet ist und vom Druck im Druckraum 17 gegen die Kraft der Druckfedern 10' gehalten wird. Erst wenn der Druckkolben 10 sich in der entriegelten Position befindet (vgl. Figur 4), können die Verriegelungseinheit 2 und die Werkzeugplatte 1 zusammengefügt werden. Für das Verbinden der Werkzeugplatte 1 mit der Verriegelungseinheit wird also zunächst ein Druck im Druckraum 17 durch die Druckmittel angelegt.
In der Figur 5 befindet sich der Druckkolben 10 in der entriegelten, oberen Position, in der Verriegelungskugeln 7 von der ausgefahrenen Stellung in die eingefahrene Stellung beweglich sind. In der Figur 5 werden die Verriegelungskugeln 7 beim Einstecken des Einsteckbereichs 6 in den Hohlraum 3 durch Drücken der Innenwandung 4 gegen die Verriegelungskugeln 7 in den Hohlzylinder bewegt. In der Verriegelungsstellung liegt die Verriegelungseinheit 2 auf der Werkzeugplatte 1 auf. Wie in der Figur 6 gezeigt ist, werden die Verriegelungskugeln 7 in der Verriegelungsstellung mittels des Druckkolbens
10 aus dem Hohlzylinder des Einsteckbereichs 6 herausgefahren. Da der Kolben 10 noch nicht ganz nach unten gedrückt ist, greifen die Verriegelungs- kugeln 7 in der Figur 6 noch nicht vollständig in die Aufnahmevertiefungen 5 ein. in der Figur 7 ist ein Winkel α der abgeschrägten Gleitfläche 11 relativ zur Einsteckrichtung gezeigt. Im gezeigten Beispiel beträgt dieser Winkel 15°. Der Hohlraum 3 und der Einsteckbereich 6 weisen eine Drehsymmetrieachse 21 parallel zur Einsteckrichtung auf.
Optional kann die Anzahl der Gleitflächen 11 auch kleiner als die Zahl der Aufnahmevertiefungen 5 sein. Beispielsweise gibt es je zwei Aufnahmevertiefungen 5 eine Gleitfläche 11. Die in der Figur 8 gezeigte Werkzeugplatte 1" unterscheidet sich von den übrigen Figuren dadurch, dass es nur eine Gleitflä- che 11' gibt, die als eine um den Hohlraum umlaufende Fläche ausgebildet ist, wobei der Hohlraum 3, wie in den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 und 4, in der Werkzeugplatte 1" geformt ist. Die um den Hohlraum 3 umlaufende Gleitfläche 11' weist eine größere Fläche auf als die Gleitflächen 11, damit die Verriegelungskugeln 7 keinen Kraftschluss mit der Innenwandung 4 bilden können. Bei einer geringeren Anzahl der Gleitflächen 11 bezüglich der Anzahl der Aufnahmevertiefungen 5 sollte die Größe der Gleitflächen 11 also zunehmen, damit der Kraftschluss weiterhin verhindert werden kann.
In der Figur 9 ist der Einsteckbereich 6 nicht hinreichend tief in den Hohlraum 3 eingesteckt; die Verriegelungseinheit 2 liegt somit nicht auf der Werkzeugplatte 1 auf. Der im Druckraum 17 angelegte Druck sorgt dafür, dass der Druckkolben 10 in Pfeilrichtung 6' in die entriegelte Position gefahren wird, um die Verriegelungskugeln 7 in die ausgefahrene Stellung zu bewegen. Die Verriegelungskugeln 7 erfahren eine durch den Druckkolben ausgeübte Kraft FD in eine Richtung senkrecht zur Pfeilrichtung 6'.
Die Figur 10 zeigt Detail A aus der Figur 9, wobei die die wichtigsten Kräfte eingezeichnet sind, die für die vorliegende Erfindung eine Rolle spielen. Die Verriegelungskugeln 7 werden mittels der Druckkraft FD gegen die Gleitfläche 11 gedrückt. Hierdurch erfahren sie eine Normafkraft FN senkrecht zur Gleitfläche 11. Die Normalkraft FN hängt von der Druckkraft FD und dem Winkel α über die Beziehung FN = FD cos α ab. Durch eine vektorielle Addition der Druckkraft FD und der Normalkraft FN erfährt die Verriegelungskugel 7 eine Gleitkraft FG parallel zur Gleitfläche 11, hierbei ist die Gleitkraft FG durch die Relation FG = FD sin α gegeben. Statt in die Aufnahmevertiefungen 5 zu greifen, gleiten die Verriegelungskugeln 7 somit auf der Gleitfläche 11. Eine Kraftkomponente entgegen der Einsteckrichtung, welche als Auswurfkraft FA bezeichnet wird, beträgt somit FA = FD sin et * cos ct. Der Maximalwert der Auswurfkraft FA in Abhängigkeit vom Winkel et kann durch Bestimmen eines Optimums der Funktion FD sin α * cos et ermittelt werden. Der Winkel, bei dem die Auswurfkraft FA am größten ist, beträgt demnach α = 45°. Bei einem Winkel α = 0° ist die Auswurfkraft FA gleich null. Der Winkel α sollte somit nicht zu klein (et = 0° bis 10°) gewählt werden, in diesem Fall wird nämlich die oben genannte kraftschlüssige Verbindung über eine Reibkraft zwischen den Verriegelungskugein 7 und der Innenwandung 4 hergestellt. Bei einem Winkel et = 90° verschwindet die Auswurfkraft FA. Deshalb sollte der Winkel α der abgeschrägten Fläche auch nicht zu groß {von 80° bis 90°) gewählt werden. Wenn der Winkel α größer als 90° (90° bis 180°) gewählt wird, ändert die Funktion FD sin et * cos et ihr Vorzeichen und die Auswurfkraft FA ändert ihre Richtung. Ein Hineindrücken der Verriegelungskugeln 7 in den Hohlzylinder durch die Innenwandung 4 im Bereich der Gleitflächen 11 beim Einstecken des Einsteckbereichs 6 in den Hohlraum 3, d.h. das Bewegen der Verriegelungskugeln 7 von der ausgefahrenen Stellung in die eingefahrene Stellung, kann begüns- tigt werden, wenn der Winkel α kleiner als 45° ist. Hierdurch werden zudem eine Festigkeit und Beanspruchbarkeit der Innenwandung gewährleistet. Typischerweise beträgt der Winkel α weniger als 20°. Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Winkel α einen Wert von 15°.
In der Figur 11 ist ein Querschnitt einer Verriegelungseinheit 2 und einer alternativen Werkzeugplatte 1 gezeigt. Die Verriegelungseinheit 2 der Figur 11 entspricht der Verriegelungseinheit 2 aus den Figuren 1 bis 10. Die Werkzeugplatte 1 unterscheidet sich von der Werkzeugplatte 1 der Figur 9 lediglich dadurch, dass der Winkel α der abgeschrägten Gleitfläche 11 größer als 90° ist. Die oben genannte Funktion FD sin et * cos α hat somit ein entgegengesetztes Vorzeichen. Wenn der Einsteckbereich 6 sich beim oder nach dem Einstecken nicht in der Verriegelungsstellung befindet, wird also eine Kraftkomponente FE parallel zur Einsteckrichtung 6' erzeugt. Hierdurch gleiten die Verriegelungskugeln 7 auf der Gleitfläche 11 bis sie in die Aufnahmevertiefungen 5 gedrückt werden. Danach wird eine formschlüssige Verbindung der Werkzeugplatte 1 mit der Verriegelungseinheit 2 in der Verriegelungsstellung bewirkt. Der Winkel α beträgt in der gezeigten Ausführungsform 175°.
In der Figur 12 ist Detail B aus der Figur 11 in Analogie zum Detail A der Figur 10 gezeigt. Zur besseren Darstellung ist hier neben dem Winkel ein Winkel ß gezeigt, der einen Wert von 180° - et hat, vorliegend also 5° beträgt. Die Kraftkomponente FE längs der Einsteckrichtung beträgt also
FE = FD sin ß * cos ß. Entsprechend hat die Kraftkomponente FE bei einem Winkel ß von 45°, d.h. ct = 135°, ihr Maximum. Typischerweise beträgt der Winkel ß zwischen 5° und 20°.
Im Unterschied zur Anordnung der Figur 11 beschreibt die in der Figur 13 gezeigte abgeschrägte Gleitfläche 11 einen Teil einer Kugeloberfläche mit einem Radius R von 160 mm. Der Winkel α der abgeschrägten Gleitfläche 11 ist also gegenüber der Einsteckrichtung 6' nicht konstant, wobei der Winkel et zwischen 175° und 160° beträgt. Auch bei dieser Ausgestaltung der Gleitflä- che 11 gleiten die Verriegelungskugeln bei Ausüben der Druckkraft FD auf den Gleitflächen 11 in die Ausnahmevertiefungen 5.
In der Figur 14 ist ein Querschnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform gezeigt. Hierbei entspricht die in der Figur 14 gezeigte Verriegelungseinheit 2 der Verriegelungseinheit 2 aus den Figuren 1 bis 13. Die Werkzeugpiatte 1 der Figur 13 unterscheidet sich von den in den Figuren 1 bis 12 gezeigten Werkzeugplatten 1 lediglich dadurch, dass statt der Gleitflächen 11 Auffangvertiefungen 110 an die Aufnahmevertiefungen 5 angrenzen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeder Aufnahmevertiefung 5 eine Auffangvertiefung 110 zugeordnet. Die Auffangvertiefungen 110 sind entsprechend den Verriegelungskugeln 7 durch kugelkalottenförmige Ausnehmungen in der Werkzeugplatte 1 geformt, wobei ein Radius der Auffangvertiefungen 110 jeweils 6,05 mm beträgt. Der Radius der Auffangvertiefungen 110 ist somit geringfügig größer als der Radius der Verriegelungskugeln 7 von 6 mm.
Analog zur Figur 8 kann alternativ auch eine einzige Auffangvertiefung vorgesehen sein, die als eine um den Hohlraum 3 umlaufende Fläche ausgebildet ist, z.B. eine Ringnut. Die Anzahl der Auffangvertiefungen 110 kann sich somit optional von der Anzahl der Aufnahmevertiefungen 5 unterscheiden.
Wie aus der Figur 14 ersichtlich, befinden sich die Werkzeugplatte 1 und die Verriegelungseinheit nicht in der Verriegelungsstellung, da die Verriegelungskugeln 7 nicht in die Aufnahmevertiefungen 5 eingreifen. Stattdessen bilden die Auffangvertiefungen 110 und die Verriegelungskugein7 eine Verbindung der Werkzeugplatte 1 mit der Verriegelungseinheit 2. Die Verriegelungskugeln 7 werden mittels des Druckkolbens 10 mit der Druckkraft FD gegen die Auffangvertiefungen 110 gedrückt, weshalb die Verbindung sowohl formschlüssig als auch kraftschlüssig ist. Die in der Figur 13 gezeigte Verbindung zwischen den Verriegelungskugeln 7 und den Auffangvertiefungen 110 wird im Folgenden als Notstellung bezeichnet.
Ein Sensor 112 ist in der Auffangvertiefung 110 angeordnet zum Erkennen der Notstellung. Dieser Sensor 112 ist im gezeigten Beispiel ein Kontaktschalter, der beim Drücken der Verriegelungskugel 7 gegen die Auffangvertiefung 110 ausgelöst wird. Der Kontaktschalter 112 ist mit einer Alarmanlage 114 ver- bunden, die ein akustisches und ein optisches Warnsignal ausgibt, sobald der Kontaktschalter 112 ausgelöst wird. Hierdurch kann Bedienungspersonal erkennen, dass die Verriegelungseinheit 2 und die Werkzeugplatte 1 in der Notstellung miteinander verbunden sind, und entsprechende Maßnahmen ergreifen. Statt des gezeigten Kontaktschalters 112 können auch andere Sensoren zum Erkennen der Notstellung vorgesehen sein, z.B. Lichtschranken oder leitende Erkennungsanschlüsse.
In der Notstellung sind Energieanschlüsse (nicht gezeigt), wie beispielsweise Druckanschlüsse, Elektrizitätsanschlüsse oder Kommunikationsanschlüsse, der Verriegelungseinheit 2 nicht mit entsprechenden Anschlüssen der Werkzeugplatte 1 verbunden. Durch die fehlende Verbindung der jeweiligen Anschlüsse kann die Alarmanlage 114 ebenfalls aktiviert werden, woraufhin die Alarmanlage ein akustisches und optisches Warnsignal ausgibt.
In den Figuren 15 und 16 sind Querschnitte der Verriegelungseinheit 2 und der Werkzeugplatte 1 durch Führungselemente 18 gezeigt. Die Führungselemente 18 sind in den gezeigten Beispielen als Führungssäulen ausgebildet und befinden sich auf der Werkzeugplatte 1. Optional können sie auch auf der Verriegelungseinheit 2 vorgesehen sein. Die Führungssäulen 18 greifen in entsprechende Ausnahmen 19 und 19' der Verriegelungseinheit 2 ein und dienen einer Vorzentrierung der Verriegelungseinheit 2 vor dem Einstecken des Einsteckbereichs 6 in den Hohlraum 3. Durch die Führungssäulen 18 kann somit eine Ausrichtung der Verriegelungseinheit 2 senkrecht zur Einsteckrichtung gewährleistet werden. An ihrer Basis 20 sind die Führungssäulen konisch geformt. In der Figur 12 liegen Kontaktflächen im Bereich der Säulenbasis 20 und der Ausnahmen 19' flächig aneinander an. Hierdurch wird sichergestellt, dass ein Spiel senkrecht zur Einsteckrichtung in der Verriegelungsstellung minimiert ist.
Durch den gewählten Schnitt sind die Gleitflächen 11 oder die Auffangvertiefungen in den Figuren 15 und 16 nicht erkennbar. Hingegen ist zu erkennen, dass die innenwandung 4 im Bereich des Abschnitts 14 eine zur zylindrischen Außenwandung 9 korrespondierende Form aufweist. Somit liegt die Innenwandung 4 an der Außenwandung 9 im Bereich des Abschnitts 14 zwischen den Gleitflächen 11 oder zwischen den Auffangvertiefungen flächig an. Beim Entkuppeln der Verriegiungseinheit 2 von der Werkzeugplatte 1 wird zunächst der Kolben 10 durch Anlegen eines Drucks im Druckraum 17 durch die hydraulischen oder pneumatischen Druckmittel in die entriegelte Position gefahren. Die Verriegelungseinheit 2 wird danach entgegen der Einsteckrichtung 6' von der Werkzeugplatte 1 wegbewegt. Die Innenwandung 4 drückt im Bereich der Aufnahmevertiefungen 5 die Verriegelungskugeln 7 in den Hohlraum, wonach die beiden Komponenten getrennt werden. Anschließend wird der Kolben 10 durch die Druckfedern 10' in seine untere Stellung gedrückt, wobei die Verriegelungskugeln mittels des Kolbens 10 wieder aus der Außenwandung 9 des Einsteckbereichs 6 herausragen.
Bei einem plötzlichen Energieausfall der hydraulischen oder pneumatischen Druckmittel können die Druckfedern 10' die verriegelte, untere Position des Druckkolbens 10 und somit die ausgefahrene Stellung der Verriegelungskugeln 7 unterstützen, Falls die Werkzeugplatte 1 und die Verriegelungseinheit 2 bei einem Energieausfall miteinander verbunden sind, kann die formschlüssige Verbindung der Verriegelungskugeln 7 mit den Aufnahmevertiefungen 5 durch ein Zusammenspiel der Druckfedern 10', des Kolbens 10 und der Verriegelungskugeln 7aufrechterhalten bleiben.
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.

Claims

Stäubli Tec-Systems GmbH 137PCT 2005 Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Kuppeln und mechanischen Verbinden einer ersten Komponente (1) mit einer zweiten Komponente (2), wobei die erste Komponente (1) einen Hohlraum (3) aufweist, welcher mit einer Mehrzahl von Aufnahmevertiefungen (5) versehen ist, und die zweite Komponente (2) einen in den Hohlraum (3) gemäß einer Einsteckrichtung einsteckbaren Einsteckbereich (6) umfasst, welcher Verriegelungselemente (7) zum Eingreifen in die Aufnahmevertiefungen (5} in einer Verriegelungsstellung umfasst, wobei die Verriegelungselemente (7) beim Einstecken des Einsteckbereichs (6) in den Hohlraum (3) von einer eingefahrenen Stellung in eine ausgefahrene Stellung beweglich sind, und in der ausgefahrenen Stellung die Verriegelungselemente (7) und die Aufnahmevertiefungen (5} eine formschlüssige Verbindung zwischen der ersten Komponente (1) mit der zweiten Komponente (2) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass an die Aufnahmevertiefungen (5} mindestens eine Gleitfläche (11) angrenzt, die derart ausgebildet ist, dass, wenn sich der Einsteckbereich (6) beim oder nach dem Einstecken nicht in der Verriegelungsstellung befindet, eine Kraftkomponente {FA} entgegen der Einsteckrichtung {6') erzeugt wird, die eine Trennung der ersten Komponente (1) von der zweiten Komponente (2) bewirkt oder eine Kraftkomponente (FE) längs der Einsteckrichtung (6') erzeugt wird, die die formschiüssige Verbindung der ersten Komponente (1) und mit der zweiten Komponente (2) in der Verriegelungsstellung bewirkt oder dass an die Aufnahmevertiefungen (5) mindestens eine Auffangvertiefung (110) angrenzt, die derart ausgebildet ist, dass, wenn sich der Einsteckbereich (6) beim oder nach dem Einstecken nicht in der Verriegelungsstellung befindet, in der ausgefahrenen Stellung mindestens ein Verriegelungselement (7) und die mindestens eine Auffangvertiefung zumindest eine formschlüssige Verbindung der ersten Komponente (1) mit der zweiten Komponente
(2) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gieitfläche (11) oder die mindestens eine Auffangvertiefung (110) relativ zu der Einsteckrichtung (6') des Einsteckbereichs (6) in den Hohlraum (3) abgeschrägt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel (a) der abgeschrägten Gleitfläche (11) relativ zu der Einsteckrichtung (6') des Einsteckbereichs (6) in den Hohlraum (3) einen Wert zwischen 5° und 85° aufweist oder dass ein Winkel (et) der abgeschrägten Gleitfläche relativ zu der Einsteckrichtung (6') der Einsteckbereichs (6) in den Hohlraum (3) einen Wert zwischen 95° und 175° aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsteckbereich (6) durch eine Außenwandung (9) begrenzt wird und der Hohlraum
(3) durch eine innenwandung
(4) begrenzt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 gekennzeichnet durch mindestens zwei Gleitflächen (11) oder mindestens zwei Auffangvertiefungen (110), wobei ein Abschnitt (14) der innenwandung (4) des Hohlraums (3) zwischen den mindestens zwei Gleitflächen (11) oder mindestens zwei Auffangvertiefungen (110) eine zur Außenwandung (9) des Einsteckbereichs
(6) korrespondierende Form aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung (4) außerhalb eines Bereichs der Aufnahmevertiefungen (5) und der mindestens einen Gleitfläche (11) oder der mindestens einen Auffangvertiefung (110) eine zur Außenwandung (9) korrespondierende Form aufweist.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergenenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Aufnahmevertiefung (5) jeweils eine Gleitfläche (11) oder jeweils eine Auffangvertiefung (110) zugeordnet ist.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 gekennzeichnet durch eine einzige Gleitfläche (11') oder eine einzige Auffangvertiefung (110), die als eine um den Hohlraum (3) umlaufende Fläche ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die mindestens eine Gleitfläche (11) durch einen Teil eines Kegelmantels geformt ist oder die mindestens eine Auffangvertiefung (110) durch eine kugelkalottenförmige Ausnehmung geformt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsteckbereich (6) eine zylindrische Außenwandung (9) oder einen Ringansatz aufweist, wobei eine Außenseite des Ringansatzes die Außenwandung (9) des Einsteckbereichs (6) bildet.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Komponente und/oder der zweiten Komponente mindestens ein Sensor (112) vorgesehen ist zum Erkennen der Verriegeiungsstellung und/oder zum Erkennen der formschlüssigen Verbindung zwischen dem mindestens einen Verriegelungselement (7) und der mindestens einen Auffangvertiefung (110), wobei der mindestens eine Sensor (112) mit einer Alarmanlage (114) verbunden ist, die eingerichtet ist zum Abgeben eines Warnsignals beim Erkennen der Verriegeiungsstellung und/oder der formschlüssigen Verbindung zwischen dem mindestens einen Verriegelungselement (7) und der mindestens einen Auffangvertiefung (110).
12. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Einsteckbereich (6) Öffnungen (8) für einen Durchgriff der Verriegelungselemente (7) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (3) und/oder der Einsteckbereich (6) angefast sind zum Erleichtern des Einsteckens des Einsteckbereichs (6) in den Hohlraum (3).
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (3) und/oder der Einsteckbereich (6) drehsymmetrisch ausgebildet sind, wobei eine Drehsymmetrieachse (21) des Hohlraums (3) und/oder des Einsteckbereichs (6) parallel zur Einsteckrichtung (6') verläuft.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (2) Mittel zum Ein- und Ausfahren der Verriegelungselemente (7) umfasst, wobei die Mittel vorzugsweise als ausfahrbarer Kolben (10) ausgebildet sind
und/oder die Verriegelungselemente (7) Kugeln oder Stifte sind und/oder die erste (1) und/oder die zweite (2) Komponente Führungselemente (18) zum Vorzentrieren der jeweils anderen Komponente vor dem Einstecken des Einsteckbereichs (6) in den Hohlraum (3) aufweisen, wobei die Führungselemente (18) in Ausnahmen (19, 19') der jeweils anderen Komponente eingreifen, wobei insbesondere die Führungselemente (18) und die Ausnahmen (19, 19') zueinander korrespondierende Kontaktflächen aufweisen, die in der Verriegelungsstellung flächig aneinander anliegen, zum Verhindern eines zur Einsteckrichtung (6') senkrechten Spiels zwischen der ersten (1) und der zweiten (2) Komponente.
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