DE102008023813B4

DE102008023813B4 - Greifwerkzeug zum Handhaben von Bauteilen

Info

Publication number: DE102008023813B4
Application number: DE102008023813.9A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: NC-AUTOMATION GmbH
Current assignee: NC-AUTOMATION GmbH
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: WO2009143964A2; DE102008023813A1; WO2009143964A3

Abstract

Greifwerkzeug (1) zum Handhaben von Bauteilen, umfassend Greifer (7), Greiferträger (6), Greiferträgerfortsätze (6.1), ein formschlüssiges Wälzgetriebe (9), das Wälzelemente (9.2) umfasst, Wälzelementführungsbahnen (9.3), ein Gehäuse (3), einen Kolben (4) und einen Energiespeicher (8), der als ein Federspeicher ausgebildet ist, wobei der im Greifwerkzeug (1) befindliche Energiespeicher (8) mittels des Wälzgetriebes (9) mit hubvariablem Übersetzungsverhältnis mit den Greifern (7) verbunden ist und wobei die Steigung mindestens einer der in die Greiferträgerfortsätze (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) umgekehrt proportional zum Verlauf der Kraftkennlinie des Energiespeichers (8) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Greifwerkzeug, das insbesondere durch Federkraft betätigt wird und zur optimalen Nutzung der gespeicherten Energie über ein hocheffizientes Wälzgetriebe mit Kompensation der Federkennlinie zur Bereitstellung einer gleich bleibenden Greifkraft über den gesamten Greifhub verfügt.
Insbesondere bei Greifwerkzeugen in Werkzeugmaschinen ist in der Regel nur durch ein Fluid Zugang ohne Rücksprungmöglichkeit gegeben, und aufgrund des sehr begrenzten Arbeitsraumes und der geringen Magazinabmessungen für die Werkzeuge sind äußerst kompakte Werkzeuge mit hoher Greifkraft und großem Greiferhub notwendig.
Aus der DE 195 23 787 A1 sind Werkzeuge bekannt, die eine kompakte Bauweise mittels in den Kolben integriertem Keilgetriebe und Betätigung durch Fluid und Federkraft realisieren. Auf der METAV 2008 in Düsseldorf wurde von der Firma Sommer-Automatic ein Parallelgreifer mit Werkzeugaufnahme vorgestellt, der federbetätigt mittels nachgeschaltetem Keilhakengetriebe zugreift.
Allen bekannten Ausführungen von Greifwerkzeugen, insbesondere in der Parallelgreiferausführung, mit Zugriff durch Federkraft und zwischengeschaltetem Getriebe ist gemein, dass die Greifkraft über den Greiferhub absinkt. Nachteilig bei den verwendeten Keilgetrieben ist zudem der aufgrund der Reibung verursachte geringe Wirkungsgrad. Ein optimaler Wirkungsgrad ist jedoch insbesondere bei der begrenzt bereit stehenden Energie aus einem Speicher, wie z. B. Federpaket, wichtig.
Die DE 2 002 987 A offenbart ein Greifwerkzeug mit Wälzgetriebe zum Handhaben von Bauteilen, wobei ein im Greifwerkzeug befindlicher Energiespeicher mittels eines formschlüssigen Wälzgetriebes mit hubvariablem Übersetzungsverhältnis mit Greifern verbunden ist. Die Steigung der in einen Greiferträgerfortsatz eingebrachten Wälzelementführungsbahnen verläuft umgekehrt proportional zum Verlauf der Kraftlinie des Energiespeichers.
S. Hesse, G. Monkmann, R. Steinmann, H. Schunk: ”Robotergreifer Funktion, Gestaltung und Anwendung industrieller Greiftechnik”, erschienen im Hanser Verlag München 2002, Seiten 99 bis 110, offenbart ein Greifwerkzeug mit Wälzgetriebe zum Handhaben von Bauteilen, wobei ein im Greifwerkzeug befindlicher Energiespeicher mittels eines formschlüssigen Wälzgetriebes mit hubvariablem Übersetzungsverhältnis mit Greifern verbunden ist.
Die US 2004/004366 A1 , die US 4 955 653 A und die US 4 762 357 A offenbaren Greifer mit hubvariablen Übersetzungsverhältnissen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Greifwerkzeug mit über den Hub variablem Übersetzungsverhältnis eines mit hohem Wirkungsgrad arbeitenden formschlüssigen Getriebes zu realisieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Greifwerkzeug nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.
Bei bevorzugten Ausgestaltungen des Greifwerkzeugs ist sowohl das zentrische Innen-, als auch Außengreifen möglich und/oder das Greifwerkzeug vor Überlast geschützt und/oder ein Ausgleich in verschiedenen Achsen zwischen Maschinenspindel bzw. Werkzeugaufnahme und Werkstück möglich.
Merkmale besonderer Ausgestaltungen des Greifwerkzeugs sind die folgenden:
Die Aufnahme oder der Flansch dient zur Anbindung an die Werkzeugmaschinenspindel an einen Werkzeugrevolver oder an einen Roboter. Der hydraulische Arbeitsraum bzw. der Kolbenraum zum Vorspannen des Federpaketes bzw. zum Laden des Energiespeichers wird aufnahmeseitig zwischen dem Gehäuse und dem Kolben gebildet. Zwischen dem Kolben und dem Fix am Gehäuse angebundenen Deckel ist der Energiespeicher bzw. das Federpaket eingesetzt. Der Kolben ist deckelseitig partiell ausgehöhlt, so dass Federn zumindest teilweise darin positioniert werden können und die auf Achsen gelagerten Walzen innerhalb des Kolbens gelagert werden können sowie der Getriebefortsatz der Greiferträger eintauchen kann. Der Getriebefortsatz der Greiferträger ist mit einer Aussparung versehen, in die die Wälzlager eingreifen. Die Aussparungen des Greiferträgerfortsatzes verlaufen bei gleichförmiger Krafteinleitung, wie z. B. bei Betätigung des Greifers durch einen Pneumatikzylinder, in einem gleichförmigen Winkel bzw. gleichförmiger Steigung gegenüber der Rotationsachse. Bei Betätigung des Greifers, z. B. über ein Federpaket mit unterschiedlicher Kraft über den zurückgelegten Weg, verläuft die Wälzelementführungsbahn komplementär zur Federkennlinie. Das heißt, bei großer Federkraft wird je mm Federweg ein großer Greiferweg zurückgelegt und bei geringer Federkraft wird je mm Federweg ein kleiner Greiferweg zurückgelegt, so dass die Greifkraft stets gleich bleibt. Der Verlauf der Wälzelementführungsbahn im Getriebefortsatz der Greiferträger bestimmt nicht nur die Kompensation der Federkraft, sondern auch den Weg der Greifer, die Greifkraft aufgrund des Übersetzungsverhältnisses und die Funktion, ob das Greifwerkzeug durch Federkraft öffnet oder schließt. Zur Realisierung eines sehr großen Greifhubes überlappen sich die Greiferträgerfortsätze. Sie sind seitlich versetzt ausgebildet, so dass in radialer Bewegungsrichtung nicht nur der Raum bis zur Rotationsachse des Greifwerkzeuges bereit steht, sondern bis zur Gegenseite der Kolbenaussparung. Die Greiferträgerfortsätze können auch aufgesetzt sein, so dass sie für unterschiedliche Übersetzungen und Funktionen ausgetauscht werden können. Ergänzend zur dargestellten Aussparung in geschlossener Form kann diese auch als offene Kontur ausgeführt sein. Alternativ darf der Getriebefortsatz als Kurve oder Schräge ausgebildet sein, auf dem das Wälzelement abläuft. Der Verlauf der Wälzelementführungsbahnen in den Greiferträgerfortsätzen kann nicht nur symmetrisch, sondern auch unterschiedlich ausgebildet sein. Dies bedeutet im Extremfall, dass die Wälzelementführungsbahn des einen Greiferträgerfortsatzes axial verläuft und die des anderen mit einer radialen Komponente. Für die Funktion hat dies zur Folge, dass ein Greiffinger als Festbacke bzw. als feststehender Finger fungiert und die gesamte Kraft in den 2. Finger eingeleitet wird. Durch beliebige Gestaltung der Wälzelementführungsbahnen ist es somit dem Werkzeug auch möglich, über einen Hub hinweg Teile zu greifen, diese in Richtung der Greiferbewegung zu verschieben und gegebenenfalls wieder loszulassen. Durch den hohen Wirkungsgrad des Getriebes und die gleichmäßige Greifkraft auch bei unterschiedlicher Federkrafteinleitung ist es möglich, dieses Greifwerkzeug gleichzeitig als Innen- und Außengreifer einzusetzen. Das Außengreifen wird in diesem Fall durch die Kolbenkraft realisiert und das Innengreifen erfolgt mit Hilfe der Federkraft. Die Zuordnung ist dabei beliebig. Der Abstand der Kontur der Wälzelementführungsbahn, die für das Schließen des Greifers verantwortlich ist und der Kontur, die für das Öffnen der Greifer zuständig ist, darf unterschiedlich groß sein, muss jedoch mindestens den Abstand des Wälzelementes haben.
Eine weitere Ausformung des formschlüssigen Federkraftkennlinienkompensationswälzgetriebes ist durch die zusätzliche Einbindung von Hebelelementen zwischen den Greiferträgern und den Wälzelementen oder dem Kolben und den Wälzelementen gegeben. Diese Hebelelemente stellen eine zusätzliche fixe oder variable Übersetzungskomponente dar. Durch die gegenseitige Verbindung der Hebelelemente mittels eines Lagerpunktes werden die Reaktionskräfte aufgehoben. Ist zudem eine radiale Fixierung mit axialer Bewegungsfreiheit des Lagerpunktes gegeben, wird ein zentrischer Bewegungsablauf der Greifer erzwungen. Durch eine gelenkig zwischen die Hebelelemente eingesetzte Verbindungsstrebe ändert sich der Hebelarm in Abhängigkeit der Winkelstellung der Hebelelemente zueinander. Ein ähnlicher Effekt wird auch durch eine ballige oder kurvenförmige Abstützung der Hebelelemente gegeneinander im Mittenbereich erzielt.
zeigt ein Greifwerkzeug mit HSK-Werkzeugaufnahme und Ausgleichselement in der Seitenansicht.
zeigt ein Greifwerkzeug mit HSK-Werkzeugaufnahme und Ausgleichselement im Schnitt durch das Getriebe.
zeigt ein Greifwerkzeug mit HSK-Werkzeugaufnahme und Ausgleichselement mit Schnitt 90° gegenüber gedreht zur .
zeigt eine nicht erfindungsgemäße Ausführung des Greifwerkzeuges in Schnittdarstellung mit linearem Verlauf der Wälzelementführungsbahn.
zeigt eine Ausführung des Greifwerkzeuges mit offener und ungleichmäßig verlaufender Kontur der Wälzelementführungsbahn.
zeigt eine nicht erfindungsgemäße Handhabungswerkzeugausführung mit sich überschneidenden Greiferträgerfortsätzen.
zeigt eine weitere Ausführung des Greifwerkzeuges im Schnitt mit Hebelelementen zwischen den Greiferträgern und den Wälzelementen.
Das Greifwerkzeug (1) ist mittels Flansch an Roboter oder mittels Werkzeugaufnahmen (2) an die Spindeln oder Revolver von Werkzeugmaschinen angebunden. Bei einfachen Ausführungen des vorgeschlagenen Greifwerkzeuges (1) ist das Gehäuse (3) zum Beispiel über einen zylindrischen Fortsatz direkt mit der Werkzeugaufnahme (2) verbunden. Bei hochwertigen Ausführungen des Greifwerkzeuges (1) sind zwischen der Anbindung bzw. der Werkzeugaufnahme (2) und dem Greifwerkzeug selbst zumindest ein Ausgleichselement (11) und/oder zumindest ein Kraftbegrenzungselement (10) zwischengeschaltet. Das Gehäuse (3) schließt der Deckel (5). Zwischen dem Gehäuse (3) und dem Deckel (5) befindet sich der Kolben (4). Der Energiespeicher (8) befindet sich zwischen dem Kolben (4) und dem Deckel (5) und wirkt auf den Kolben ein. Der vorzugsweise mit Druckfedern ausgeführte Energiespeicher (8) ist zumindest teilweise in den Deckel (5) und den Kolben (4) integriert. Der Energiespeicher (8) wird durch Einleitung eines unter Druck stehenden Fluids in den Kolbenraum geladen bzw. vorgespannt. Das Wälzgetriebe (9) wird durch ein in der Kolbenaussparung (4.1) fixiertes Wälzelement (9.2) gebildet, das in der Wälzelementführungsbahn (9.3) des Greiferträgerfortsatzes (6.1) läuft. Das Wälzgetriebe (9), welches mittels einer Achse das Wälzelement (9.2) in der Kolbenaussparung (4.1) beherbergt und in die Wälzelementführungsbahn (9.3) des am Greiferträger (6) angebundenen Greiferträgerfortsatzes (6.1) eingreift, stellt die Verbindung zwischen dem Kolben (4) als krafteinleitendes Element und dem Greifer (7) als kraftableitendes Element dar. Durch die Wälzelementführungsbahn (9.3) ist eine zwangsläufige, formschlüssige Verbindung zwischen dem Kolben (4) und dem Greiferträger (6) bzw. den darin eingesetzten Greifern (7) vorgegeben. Form, Lage und Größe der Wälzelementführungsbahn (9.3) bestimmen das Übersetzungsverhältnis an jedem Punkt des Kolben- bzw. Greiferhubes. Als besondere Ausführung des Wälzgetriebes (9) ist die Anbindung der Wälzelemente (9.2) an den Kolben (4) oder an den Greiferträger (6) zu sehen. Sind die Hebelelemente (9.1) dieser Werkzeugausführung nicht direkt mittels eines gemeinsamen Lagers miteinander verbunden, so dass der passive und der aktive Hebelarm fixiert ist und sich nicht nur aufgrund der Winkelfunktion verändert, sondern mit Hilfe einer drehbar gelagerten Verbindungsstrebe, so ergeben sich in Abhängigkeit von der Länge der Strebe und der Position ihrer Anbindung an die Hebelelemente (9.1) je nach Position des Kolbens (4) bzw. Position der Greiferträger (6) unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse. Bei geeigneter Auslegung lässt sich durch Variabilität der Übersetzung über den Hub eine Kompensation des Federkraftverlaufes erreichen, so dass eine nahezu gleich bleibende Kraft an den Greifern (7) über den gesamten Hub ansteht, obwohl der Energiespeicher (8) die zur Verfügung stehende Kraft um ein Mehrfaches reduziert. Die Kontur der Wälzelementführungsbahn (9.3) bei der zuerst vorgeschlagenen Variante lässt unterschiedliche Bahnen des Wälzelementes (9.2), das vorzugsweise als Wälzlager, z. B. als Nadelrollenlager ausgebildet ist, zu. Dies bedeutet, dass beim Schließen der Greifer (7) die Wälzelemente (9.2) einer anderen Kontur der Wälzelementführungsbahn (9.3) entlang fahren als beim Öffnen. Ist die Wälzelementführungsbahn (9.3) linear für den von der Kolbenkraft initiierten Bewegungsablauf ausgeführt und mit variabler, umgekehrt proportional zur Energiespeicherkraftkennlinienverlauf ausgeführt, so lässt sich sowohl bei gleichmäßiger Krafteinleitung durch den Kolben (4), als auch ungleichmäßiger Krafteinleitung durch den Energiespeicher (8) eine lineare bzw. gleich bleibende Kraft an den Greifern (7) erzeugen. Beträgt die vom Energiespeicher (8) über den Hub des Kolbens (4) gespeicherte Energie in etwa die Hälfte der Energie, die durch das Einleiten des Fluids in den Kolbenraum über den Kolbenweg hinweg eingeleitet wird, so lässt sich sogar eine gleich bleibende und ausgeglichene Öffnungs- und Schließkraft des Greifers (7) realisieren. Derartige Greifwerkzeuge (1) lassen sich ohne Umrüstung in gleicher Weise als Außen- und Innengreifer einsetzen.
Bezugszeichenliste

1: Greifwerkzeug
2: Werkzeugaufnahme
3: Gehäuse
4: Kolben
4.1: Kolbenaussparung
5: Deckel
6: Greiferträger
6.1: Greiferträgerfortsätze
7: Greifer
8: Energiespeicher
9: Wälzgetriebe
9.1: Hebelelement
9.2: Wälzelement
9.3: Wälzelementführungsbahn
10: Kraftbegrenzungselement
11: Ausgleichselement

Claims

Greifwerkzeug (1) zum Handhaben von Bauteilen, umfassend Greifer (7), Greiferträger (6), Greiferträgerfortsätze (6.1), ein formschlüssiges Wälzgetriebe (9), das Wälzelemente (9.2) umfasst, Wälzelementführungsbahnen (9.3), ein Gehäuse (3), einen Kolben (4) und einen Energiespeicher (8), der als ein Federspeicher ausgebildet ist, wobei der im Greifwerkzeug (1) befindliche Energiespeicher (8) mittels des Wälzgetriebes (9) mit hubvariablem Übersetzungsverhältnis mit den Greifern (7) verbunden ist und wobei die Steigung mindestens einer der in die Greiferträgerfortsätze (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) umgekehrt proportional zum Verlauf der Kraftkennlinie des Energiespeichers (8) verläuft.
Greifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Greifwerkzeug (1) als Parallelgreifer ausgebildet ist.
Greifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das formschlüssige Wälzgetriebe (9) in den Kolben (4) integriert ist.
Greifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (9.2) in einer Kolbenaussparung (4.1) fixiert sind und dass das formschlüssige Wälzgetriebe (9) durch die Wälzelemente (9.2) und die zumindest teilweise in diese Kolbenaussparung (4.1) einragenden, mit den Greiferträgern (6) verbundenen und mit den Wälzelementführungsbahnen (9.3) versehenen Greiferträgerfortsätze (6.1) der Greiferträger (6) gebildet ist.
Greifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der in die Greiferträgerfortsätze (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) linear verläuft.
Greifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der in die Greiferträgerfortsätze (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) beliebig kurvenförmig verläuft.
Greifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Greiferträgerfortsätze (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) eine geschlossene Kontur aufweisen.
Greifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Greiferträgerfortsätze (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) eine offene Kontur haben.
Greifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Greiferträgerfortsätze (6.1) eingebrachten Wälzelementführungsbahnen (9.3) des Greifwerkzeuges (1) unterschiedlichen Verlauf oder unterschiedliche Steigung aufweisen.
Greifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Greiferträgerfortsätze (6.1) überlappen und die Wälzelemente (9.2) nur einseitig angebunden sind.
Greifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das formschlüssige Wälzgetriebe (9) in umgekehrter Weise mit der Wälzelementanbindung am Greiferträger (6) in das Greifwerkzeug (1) integriert ist.
Greifwerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (9.2) des formschlüssigen Wälzgetriebes (9) mittels Hebelelementen (9.1), die axial verschieblich in dem Gehäuse (3) oder in dem Kolben (4) des Greifwerkzeugs (1) gelagert und beweglich an die Greiferträger (6) oder an den Kolben (4) angebunden sind, an die Greifträger (6) oder an den Kolben (4) angebunden sind.
Greifwerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 und 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beweglich an die Greiferträger (6) oder an den Kolben (4) angebundene Hebelelemente (9.1) zur Anbindung der Wälzelemente (9.2) beweglich miteinander verbunden sind.
Greifwerkzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelelemente (9.1) zur Anbindung der Wälzelemente (9.2) beweglich durch eine Verbindungsstrebe mit axial veränderlicher und radial vorzugsweise mittig fixierter Position verbunden sind.
Greifwerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelelemente (9.1) zur Anbindung der Wälzelemente (9.2) sich gegenseitig durch eine Ablaufkontur abstützen, die die Hebelverhältnisse entsprechend der Winkel zwischen den Hebelelementen (9.1) verändert.
Greifwerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Greifwerkzeug (1) eine Werkzeugaufnahme (2) umfasst.
Greifwerkzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse (3) des Greifwerkzeuges (1) und der Werkzeugaufnahme (2) zumindest ein Ausgleichselement (11) mit Rückstellung eingebunden ist.
Greifwerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine verschiebliche und verdrehbare Verbindung zwischen der Werkzeugaufnahme (2) und dem Gehäuse (3) des Greifwerkzeugs (1) über eine selbsttätige Rückstellung in die Null-Punkt-Position verfügt.
Greifwerkzeug nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugaufnahme (2) des Greifwerkzeugs (1) über Kraftbegrenzungselemente (10), vorzugsweise Sollbruchstifte, verfügt.
Greifwerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Greifwerkzeug (1) über Kraftbegrenzungselemente (10), vorzugsweise Sollbruchstifte, verfügt.
Greifwerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) des Greifwerkzeugs (1) über einen zylindrischen Fortsatz mit Dichtung und Bypass-Bohrung verfügt, der zumindest teilweise in dem Gehäuse (3) des Greifwerkzeugs (1) gelagert ist und eine Endlagendämpfung des Kolbens (4) ist.
Greifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (8) zumindest teilweise in den Kolben (4) und in einen Deckel (5) des Greifwerkzeuges (1) integriert ist.
Greifwerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (9.2) mittels Gleitlager auf einer Achse gelagert sind.
Greifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Greiferträgerfortsätze (6.1) mittels Verbindungselementen und/oder Stellelementen mit den Greiferträgern (6) verbunden sind und zur Realisierung unterschiedlicher Hübe und Übersetzungsverhältnisse in unterschiedlichen Lagen justierbar sind.