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Die vorliegende Erfindung betrifft die Robotertechnik und insbesondere einen manuell betätigten Roboterwerkzeugwechsler mit einem Schnellkopplungsmechanismus.
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Der Einsatz von Robotern in industriellen Montagelinien und bei anderen Herstellungsanwendungen, um sich wiederholende Aufgaben mit hoher Präzision und ohne Bedarf an menschlicher Arbeit, Interaktion oder Überwachung durchzuführen, ist weit verbreitet. Zum Beispiel werden Roboter gewöhnlich in der Automobilindustrie verwendet, um eine Anzahl von Aufgaben, wie zum Beispiel Materialhandhabung, Schneiden, Schweißen und dergleichen, durchzuführen.
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Um die erheblichen Kosten eines Industrieroboters über eine Vielzahl von Aufgaben zu amortisieren, ist der Roboterarm typischerweise separat von einem vielfältigen Aufgebot an Roboterwerkzeugen vorgesehen, welche auswechselbar an dem Ende des Roboterarms angebracht werden. Um diese Vielzahl an Werkzeugen zu unterstützen, kann ein Werkzeugwechsler, welcher eine „Master”-Einheit und eine „Werkzeug”-Einheit umfasst, zwischen einem Roboterarm und jedem Werkzeug, welches an ihn angebracht werden kann, angeordnet sein. Der Roboterarm endet typischerweise in einer Master-Einheit. Eine entsprechende Werkzeug-Einheit ist an jedem Werkzeug angebracht, welches an den Roboterarm angebracht werden kann. Ein mechanischer Kopplungsmechanismus in dem Werkzeugwechsler verriegelt die Master-Einheit und die Werkzeug-Einheit für die Dauer der Verwendung des Werkzeugs an dem Roboterarm formschlüssig miteinander und löst bei Vollendung der Aufgaben des Werkzeugs das Werkzeug von dem Roboterarm. In einer Produktions- bzw. Herstellungsumgebung können Roboterwerkzeugwechsler angetrieben sein, wie zum Beispiel durch einen Elektromotor, pneumatischen Druck oder dergleichen, und durch Software gesteuert sein. Die Steuersoftware für den Roboterarm wechselt dann nach Bedarf Werkzeuge, wodurch Stillstandzeit reduziert wird.
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Bei vielen Anwendungen, zum Beispiel wenn die Aufgaben des Roboters nur selten wechseln oder wenn Werkzeuge nur im Falle eines Werkzeugfehlers ausgewechselt werden, oder wenn kein Weg vorhanden ist, um Luft oder Energie zum Betrieb eines Werkzeugwechslers zuzuführen, kann jedoch ein manuell betätigter Werkzeugwechsler einfacher, zuverlässiger und weniger kostenintensiv als ein automatisierter sein. Ein manueller Werkzeugwechsler sollte einfach zu betreiben sein und für einen schnellen Wechsel mit einem minimalen manuellen Aufwand geeignet sein.
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Die Druckschrift
DE 37 06 946 A1 offenbart eine Wechselflansch-Einheit für ein Handhabungsgerät mit einem Grundteil und einem Wechselteil. Der Grundteil weist eine Kugel sowie einen Zylinder auf. Wenn der Zylinder in einer verriegelten Position ist, dann befindet sich eine Nockenoberfläche des Zylinders in Kontakt mit der Kugel, welche dann gegen eine Oberfläche des Wechselteils drängt, um zwei Einheiten miteinander zu koppeln.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, Technologien bereitzustellen, welche einen effizienten manuellen Roboterwerkzeugwechsel ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen manuell betätigten Roboterwerkzeugwechsler gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11. Die abhängigen Patentansprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Erfindungsgemäß beinhaltet der manuell betätigte Roboterwerkzeugwechsler einen Schnellkopplungsmechanismus. Der Roboterwerkzeugwechsler beinhaltet eine Master-Einheit mit einem Kolben, welcher entlang seiner Achse zwischen einer nicht verriegelten Position und einer vollständig verriegelten Position beweglich ist, und eine Werkzeug-Einheit, welche mit der Master-Einheit gekoppelt wird, wenn die Master-Einheit und die Werkzeug-Einheit benachbart sind und der Kolben in die vollständig verriegelte Position bewegt wird. Ein Kolbenbewegungssteuermechanismus ermöglicht selektiv eine freie axiale Bewegung des Kolbens zwischen der nicht verriegelten Position und einer annähernd verriegelten Position, wenn der Kolbenbewegungssteuermechanismus betätigt ist. Der Kolben kann in Richtung der verriegelten Position vorgespannt sein, was es ermöglicht, die Master-Einheit und die Werkzeug-Einheit schnell zu koppeln, indem die Einheiten benachbart zueinander positioniert werden, der Kolbenbewegungssteuermechanismus betätigt wird, um dem Kolben zu ermöglichen, sich schnell in die annähernd verriegelte Position vorzubewegen, der Kolbenbewegungssteuermechanismus freigegeben wird, um eine freie axiale Bewegung des Kolbens einzuschränken, und der Kolben manuell aus der annähernd verriegelten Position in die vollständig verriegelte Position vorbewegt wird. In der vollständig verriegelten Position verdrängt eine mehrflächige Nockenoberfläche des Kolbens Rollelemente in der Master-Einheit, wodurch diese gegen einen Vorsprung in der Werkzeug-Einheit drücken, was die Master-Einheit und die Werkzeug-Einheit miteinander koppelt.
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Ein Ausführungsbeispiel betrifft einen manuell betätigten Roboterwerkzeugwechsler. Der Roboterwerkzeugwechsler beinhaltet eine erste Einheit, welche dazu ausgestaltet ist, mit einem vom einem Roboterarm oder einen Roboterwerkzeug verbunden zu werden, und eine zweite Einheit, welche dazu ausgestaltet ist, mit dem anderen von dem Roboterarm oder dem Roboterwerkzeug verbunden zu werden. Eine Vielzahl von Rollelementen ist in einer der Einheiten enthalten. Ein Kolben ist in einer der Einheiten angebracht, wobei der Kolben entlang seiner Achse zwischen einer nicht verriegelten und einer verriegelten Position beweglich ist, wobei der Kolben eine mehrflächige Nockenoberfläche aufweist. Ein Kolbenbewegungssteuermechanismus ist dazu betreibbar, selektiv eine freie axiale Bewegung des Kolbens durch manuelle Betätigung des Kolbenbewegungssteuermechanismus zu ermöglichen. Wenn der Kolben in der verriegelten Position ist, ist die Nockenoberfläche im Kontakt mit den Rollelementen in einer der Einheiten, sodass jedes der Rollelemente gegen eine Oberfläche der anderen Einheit gedrängt wird, um die zwei Einheiten miteinander zu koppeln.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zur Kopplung eines Werkzeugs, an welchem eines von einer Master-Einheit oder einer Werkzeug-Einheit einer Roboterwerkzeugkupplung befestigt ist, an einem Roboter, an welchem das andere von der Master-Einheit oder Werkzeug-Einheit befestigt ist. Die Master-Einheit weist einen Kolben auf, welcher entlang seiner Achse beweglich ist zwischen einer nicht verriegelten Position, welche einen entkoppelten Zustand definiert, und einer vollständig verriegelten Position, welche einen gekoppelten Zustand definiert. Der Roboter, das Werkzeug oder beides werden positioniert, sodass die Werkzeug-Einheit benachbart zu der Master-Einheit positioniert wird, während die Master-Einheit in dem entkoppelten Zustand ist. Ein Kolbenbewegungssteuermechanismus wird betätigt, um dem Kolben zu ermöglichen, sich frei von der nicht verriegelten Position in eine annähernd verriegelte Position zu bewegen. Der Kolbenbewegungssteuermechanismus wird freigegeben, um eine freie axiale Bewegung des Kolbens zu unterbinden. Der Kolben wird manuell aus der annähernd verriegelten Position in die vollständig verriegelte Position vorbewegt, um die Master-Einheit in den gekoppelten Zustand zu bringen, in welcher sie mechanisch mit der Werkzeug-Einheit gekoppelt ist.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Figuren ersichtlich sein.
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines manuell betätigten Roboterwerkzeugwechslers.
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2 ist eine perspektivische Ansicht der Master-Einheit und Werkzeug-Einheit, welche den manuell betätigten Roboterwerkzeugwechsler bilden.
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3 ist eine Draufsicht der Master-Einheit des manuell betätigten Roboterwerkzeugwechslers mit dem Kolben in der nicht verriegelten Position.
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4 ist eine Draufsicht der Master-Einheit des manuell betätigten Roboterwerkzeugwechslers mit dem Kolben in der verriegelten Position.
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5 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer mehrflächigen Nockenoberfläche.
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6 ist eine perspektivische Ansicht der Master-Einheit und Werkzeug-Einheit eines manuell betätigten Roboterwerkzeugwechslers mit einer Vielzahl von Rollelementen und einem Kolben mit mehreren Nockenoberflächen.
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7 ist eine perspektivische Ansicht eines manuell betätigten Roboterwerkzeugwechslers mit einem Schnellkopplungsmechanismus.
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8 ist eine perspektivische Ansicht der Master-Einheit und Werkzeug-Einheit, welche den Roboterwerkzeugwechsler von 7 bilden.
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9 ist eine Draufsicht der Master-Einheit des Roboterwerkzeugwechslers von 7 in einer entkoppelten Position.
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10 ist eine Draufsicht der Master-Einheit des Roboterwerkzeugwechslers von 7 in einer annähernd vollständig gekoppelten Position.
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11 ist eine Schnittansicht des Roboterwerkzeugwechslers von 7.
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12A und 12B sind teilweise explodierte perspektivische Ansichten von Abschnitten der Master-Einheit des Roboterwerkzeugwechslers von 7.
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13 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Kopplung eines Werkzeugs mit einem Roboter.
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1 zeigt einen manuell betätigten Roboterwerkzeugwechsler 10, im Folgenden auch als Werkzeugwechsler bezeichnet, in einem gekoppelten Zustand. Der Werkzeugwechsler 10 umfasst eine Werkzeug-Einheit 12, welche dazu ausgestaltet ist, mit einem Roboterwerkzeug verbunden zu werden, und eine Master-Einheit 14, welche dazu ausgestaltet ist, mit einem Roboterarm verbunden zu werden. Ein Kolben 16 ist beweglich innerhalb der Master-Einheit 14 angebracht und in 1 in einer verriegelten Position dargestellt.
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2 zeigt den Roboterwerkzeugwechsler 10 in einem entkoppelten Zustand, wobei der Kolben 16 in einer nicht verriegelten Position und die Werkzeug-Einheit 12 von der Master-Einheit 14 getrennt ist. Die Master-Einheit 14 umfasst eine Basisplatte 18 und ein Gehäuse 20, welches mit der Basisplatte 18 verbunden ist. Der Kolben 16 ist über eine Gewindespindel 30, welche mit einer entsprechendem Gewindebohrung 22 zusammenwirkt, in dem Gehäuse 20 angebracht. Indem der Kolben 16 um seine Achse gedreht wird – entweder mit der Hand, einen Kopf 32 greifend, oder durch Verwendung eines Werkzeugs, wie zum Beispiel ein in eine Öffnung 34 eingesetzter Sechskantschlüssel –, bewegt sich der Kolben 16 durch Wirkung des Gewindes 30 und Gewindelochs 22 linear entlang seiner Achse bezüglich des Gehäuses 20. Das Gehäuse 20 beinhaltet zusätzlich eine oder mehrere Öffnungen 24, durch welche Rollelemente (in 2 nicht dargestellt) teilweise hervorstehen, wenn der Kolben 16 in einer verriegelten Position ist, um die Werkzeug-Einheit 12 mit der Master-Einheit 14 zu koppeln. Diese Kopplung geschieht, indem die Rollelemente gegen einen Vorsprung 13 in der Werkzeug-Einheit 12 gedrückt werden. Ein oder mehrere Ausrichtungselemente 36 auf der Basisplatte 18 werden von entsprechenden Ausrichtungselementhohlräumen (in 2 nicht dargestellt) in der Werkzeug-Einheit 12 aufgenommen, um eine Ausrichtung zwischen der Master-Einheit 14 und Werkzeug-Einheit 12 sicherzustellen.
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3 zeigt die Master-Einheit 14 mit dem Kolben 16 in einer nicht verriegelten Position und Rollelemente 26 – hier Kugeln –, welche in das Gehäuse 20 zurückgezogen sind. Anstelle der Kugeln können die Rollelemente 26 Zylinder oder andere zum Rollen geeignete Formen umfassen. In der nicht verriegelten Position kann die Werkzeug-Einheit 12 sich frei auf die oder von der Master-Einheit 14 bewegen.
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4 zeigt die Master-Einheit 14 mit dem Kolben 16 in einer verriegelten Position und Rollelemente 26, welche teilweise aus den Öffnungen 24 in den Seiten des Gehäuses 20 hervorstehen. Die Rollelemente 26 werden von einer mehrflächigen Nockenoberfläche 40 durch die Öffnungen 24 nach außen gedrängt, wenn sich der Kolben 16 von einer nicht verriegelten in eine verriegelte Position vorbewegt (bei der Darstellung von 3 und 4 nach links). Die Öffnungen 24, zumindest deren äußerste Oberfläche, sind vorzugsweise geringfügig kleiner bemessen als der Durchmesser der Rollelemente 26, sodass die Rollelemente 26 innerhalb des Gehäuses 20 zurückgehalten werden. Die Öffnungen 24 können konkav sein, passend zu der Krümmung der Rollelemente 26. Während sich jedes der Rollelemente 26 nach außen aus dem Gehäuse 20 herausbewegt, berührt es einen Vorsprung 13 in der Werkzeug-Einheit 12 und wird dagegen gedrückt (am Besten zu erkennen in 2), was die Werkzeug-Einheit 12 mit der Master-Einheit 14 koppelt.
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5 zeigt Details der mehrflächigen Nockenoberfläche 40 und ihre Wechselwirkung mit den Rollelementen 26. Während sich der Kolben 16 von der nicht verriegelten Position (siehe 3) in Richtung der verriegelten Position (siehe 4) bewegt, berührt eine Anfangskontaktfläche 42 die Rollelemente 26. Die Anfangskontaktfläche 42 ist konisch, bzw. bezüglich der Achse des Kolbens 16 geneigt, in einer Richtung, welche die Rollelemente 26 radial nach außen (und aus dem Gehäuse 20 heraus) drängt, wenn der Kolben 16 sich in Richtung der verriegelten Position vorbewegt. An dem anderen Ende der mehrflächigen Nockenoberfläche 40 drückt eine Verriegelungsfläche 46 die Rollelemente 26 fest gegen den Vorsprung 13 in der Werkzeug-Einheit 12, um die Werkzeug-Einheit 12 mit der Master-Einheit 14 zu koppeln, wenn der Kolben 16 in der verriegelten Position ist. Die Verriegelungsfläche 46 ist konisch und ist in derselben Richtung bezüglich der Achse des Kolbens 16 geneigt wie die Anfangskontaktfläche 42, wobei sie einen anderen Neigungswinkel aufweisen kann. Es ist jedoch zu beachten, dass zur einfacheren Erläuterung 5 eine Nockenoberfläche 40 und drei verschiedene Rollelementpositionen darstellt, jedoch tatsächlich die Rollelemente 26 gegenüber einer Bewegung in der axialen Richtung des Kolbens 16 fest sind. 5 zeigt somit tatsächlich relative Positionen der Nockenoberfläche 40 (und die radiale Position der Rollelemente 26), wenn sich der Kolben 16 zwischen verschiedenen Positionen bewegt.
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Zwischen der Anfangskontaktfläche 42 und der Verriegelungsfläche 46 angeordnet ist eine Sicherungsfläche 44. Wenn der Kolben 16 derart positioniert ist, dass die Rollelemente 26 die Sicherungsoberfläche 44 berühren, wird dies folglich als Sicherungsposition bezeichnet. Die Sicherungsposition des Kolbens 16 liegt zwischen der verriegelten und der nicht verriegelten Position und ist, wie nachfolgend erläutert, sehr nah an der verriegelten Position. Die Sicherungsfläche 44 ist nicht in derselben Richtung wie die Anfangskontaktfläche 42 und die Verriegelungsfläche 46 bezüglich der Achse des Kolbens 16 geneigt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Sicherungsfläche 44 zylindrisch um die Achse des Kolbens 16. Das heißt, dass die Sicherungsfläche 44 parallel zu der Achse des Kolbens 16 ist und in keine Richtung bezüglich der Achse des Kolbens 16 geneigt ist. Der Zweck der Sicherungsfläche 44 ist, ein unbeabsichtigtes Entkoppeln des Werkzeugwechslers 10 zu verhindern.
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Wenn der Kolben 16 in der verriegelten Position ist, übt die Verriegelungsfläche 46 eine nach außen gerichtete radiale Kraft auf jedes Rollelement 26 aus, was durch einen Kraftvektor senkrecht zu der Verriegelungsfläche 46 dargestellt werden kann. Umgekehrt übt jedes Rollelement 26 eine nach innen gerichtete radiale Kraft auf den Kolben 16 aus, ebenfalls in einer Richtung senkrecht zu der Verriegelungsfläche 46. Weil die Verriegelungsfläche 46 bezüglich der Achse des Kolbens 16 geneigt ist, wirkt eine Komponente dieser nach innen gerichteten radialen Kraft entlang der Achse des Kolbens 16, was den Kolben 16 in Richtung der nicht verriegelten Position drängt (d. h. bei der Darstellung von 5 nach unten). Wenn der Kolben 16 nicht in der verriegelten Position fixiert ist, können Bewegung und Vibration des Werkzeugwechslers 10 ermöglichen, dass diese Kraftkomponente bewirkt, dass der Kolben 16 sich dreht und in Richtung der nicht verriegelten Position bewegt. Dies würde die Kraft reduzieren, mit welcher die Rollelemente 26 gegen den Vorsprung 13 in der Werkzeug-Einheit 12 gedrückt werden, was ein unerwünschtes „Spiel” oder eine Relativbewegung zwischen der Werkzeug-Einheit 12 und der Master-Einheit 14 herbeiführt. Schließlich kann die Kraft den Kolben 16 so weit in Richtung der nicht verriegelten Position drängen, dass es der Werkzeug-Einheit 12 ermöglicht wird, sich von der Master-Einheit 14 zu lösen – ein nicht akzeptables Sicherheitsrisiko.
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Die Sicherungsfläche 44, welche zwischen der Verriegelungsfläche 46 und der Anfangskontaktfläche 42 angeordnet ist, ist nicht in derselben Richtung wie die anderen zwei Flächen bezüglich der Achse des Kolbens 16 geneigt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Sicherungsfläche 44 zylindrisch oder parallel zu der Achse des Kolbens 16. Wenn der Kolben 16 sich in die Sicherungsposition bewegt, sind die Rollelemente 26 im Kontakt mit der Sicherungsfläche 44 und nicht mit der Verriegelungsfläche 46. In dieser Position ist die Kraft, welche von jedem Rollelement 26 gegen den Kolben 16 ausgeübt wird, senkrecht zu der Sicherungsfläche 44. Da die Sicherungsfläche 44 parallel zu der Achse des Kolbens 16 ist, kann die nach innen gerichtete radiale Kraft den Kolben 16 in keiner Richtung entlang seiner Achse drängen. Folglich wird die Werkzeug-Einheit 12 mit der Master-Einheit 14 gekoppelt bleiben, bis der Kolben 16 manuell in die nicht verriegelte Position gebracht wird.
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Bei einem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Sicherungsfläche 44 eine Kante oder Verzögerungsfläche 44A, welche gegenüber der Verrieglungsfläche 46 angeordnet ist, d. h. benachbart zu der Anfangskontaktfläche 42. Die Verzögerungsfläche 44A bewirkt eine weitere Sicherung des Kolbens 16 in der Sicherungsposition. Um die Verzögerungsfläche 44A freizugeben, müssen die Rollelemente 26 sich leicht nach außen bewegen, was eine aktive Betätigung des Kolbens 16 erfordert, um ihn weiter in Richtung der nicht verriegelten Position zu bewegen. Bei einem Ausführungsbeispiel (nicht in den Zeichnungen dargestellt) kann die Sicherungsfläche 44 eine konische Fläche umfassen, welche leicht bezüglich der Achse des Kolbens 16 geneigt ist, jedoch in einer Richtung, welche entgegengesetzt zu der Neigung der Anfangskontaktfläche 42 und der Verriegelungsfläche 46 ist. Bei all diesen Ausführungsbeispielen ist die Sicherungsfläche 44 bevorzugt benachbart zu einer im Vergleich zu der Anfangskontaktfläche 42 relativ kurzen Verriegelungsfläche 46 positioniert – mit anderen Worten die Sicherungsposition des Kolbens 16 ist vorzugsweise nahe an der verriegelten Position – so dass die Rollelemente 26 sich aus ihrer Position in der verriegelten Position nur leicht in das Gehäuse zurückziehen.
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Der manuell betätigte Werkzeugwechsler der vorliegenden Erfindung ist skalierbar. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Werkzeugwechslers 100 zur Kopplung eines Roboterarms an ein größeres und/oder schwereres Roboterwerkzeug als bei dem Werkzeugwechsler 10 von 1–4. Der Werkzeugwechsler 100 umfasst eine Werkzeug-Einheit 112 und eine Master-Einheit 114. Die Master-Einheit 114 beinhaltet eine Basisplatte 118 und ein Gehäuse 120. Ein Kolben 116 ist beweglich innerhalb des Gehäuses 120 angebracht und über Gewinde 130 in einer axialen Richtung beweglich. Eine Vielzahl (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei) von mehrflächigen Nockenoberflächen 140 auf dem Kolben 116 sind mit einer entsprechenden Vielzahl von Rollelementen 126 im Eingriff. Die Rollelemente 126 werden gezwungen, sich durch entsprechende Öffnungen 124 teilweise aus dem Gehäuse 120 heraus zu erstrecken, wenn der Kolben 116 sich aus einer nicht verriegelten Position in die in 6 dargestellte verriegelte Position bewegt. In der verriegelten Position sind die Rollelemente 126 im Eingriff mit Vorsprüngen 113 und drücken dagegen, was die Werkzeug-Einheit 112 mit der Master-Einheit 114 verriegelt. Jede der mehrflächigen Nockenoberflächen 140 umfasst eine Anfangskontaktfläche 142, eine Sicherungsfläche 144 und eine Verriegelungsfläche 146 wie sie oben mit Bezug auf 5 diskutiert wurden.
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Der Werkzeugwechsler 100 von 6 beinhaltet darüber hinaus einen Verriegelungsmechanismus 150, um zu verhindern, dass der Kolben 116 sich unbeabsichtigt aus der verriegelten Position „zurückzieht”. Eine gefederte Klinke 152 wird in das Gehäuse des Verriegelungsmechanismus 150 gedrückt, wenn sich der Kolben 116 aus einer nicht verriegelten Position in die verriegelte Position vorbewegt. Wenn der Kolben 116 in der verriegelten Position ist, wird die Klinke 152 gelöst und hebt sich benachbart zu dem Kopf 132. In dieser Position blockiert die Klinke 152 eine weitere Bewegung des Kolbens 116 in Richtung der nicht verriegelten Position (d. h. bei der Darstellung von 6 nach rechts).
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Servicetransfermodule (nicht dargestellt) können an den Werkzeug-Einheiten
12,
112 und Master-Einheiten
14,
114 angebracht sein, so dass die Servicetransfermodule sich verbinden, wenn die Master-Einheiten
14,
114 und Werkzeug-Einheiten
12,
112 miteinander gekoppelt werden, um die Übertragung von Versorgungsmitteln, wie z. B. Elektrizität, Datensignale, Druckluft, Fluid und dergleichen zu ermöglichen. Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, können die Master-Einheiten
14,
114 und Werkzeug-Einheiten
12,
112 alternativ oder zusätzlich Servicetransfereinrichtungen innerhalb ihres jeweiligen Gehäuses beinhalten. Zum Beispiel beschreibt die
US 5 211 501 A (Nakamura et al.) eine Roboterwerkzeugkupplung mit einer integralen Pneumatikfluidtransfereinrichtung.
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Bei einem Ausführungsbeispiel beinhaltet ein manuell betätigter Werkzeugwechsler 10 einen Kolbenbewegungssteuermechanismus, um einen Nutzer dabei zu unterstützen, die Werkzeug-Einheit 12 und Master-Einheit 14 schnell und einfach miteinander zu koppeln, indem selektiv eine freie axiale Bewegung des Kolbens 16 ermöglicht wird. 7 zeigt einen Werkzeugwechsler 10, bei welchem das Gehäuse 20 der Master-Einheit 14 einen verlängerten Abschnitt 48 beinhaltet. Innerhalb einer Bohrung in dem verlängerten Abschnitt 48, und beweglich innerhalb der Bohrung, ist ein Betätigungsknopf 50 angeordnet. Wie hierin beschrieben, ist bei einem Ausführungsbeispiel der Kolben 16 mechanisch in Richtung der verriegelten Position vorgespannt. Drücken des Betätigungsknopfes 50 ermöglicht eine freie axiale Bewegung des Kolbens 16, was es ihm ermöglicht, sich unter dieser Vorspannung schnell in Richtung der verriegelten Position zu bewegen. Der Werkzeugwechsler 10 wird dann vollständig gekoppelt, indem der Betätigungsknopf 50 freigegeben wird und der Knopf 32 manuell gedreht wird, was den Kolben 16 in die vollständig verriegelte Position vorbewegt.
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8 zeigt den Werkzeugwechsler 10, wenn die Werkzeug-Einheit 12 von der Master-Einheit 14 entkoppelt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel erleichtern Versorgungsmittelports 52, 56 und Versorgungsmittelkopplungen 54 eine Überführung von beispielsweise Pneumatikfluid zwischen der Master-Einheit 14 und der Werkzeug-Einheit 12. Insbesondere sind Versorgungsmittelports 52 in dem Gehäuse 18 der Master-Einheit 14 und Versorgungsmittelports 56 in der Werkzeug-Einheit 12 jeweils dazu ausgestaltet, mit einer Quelle oder einem Abfluss für Pneumatikfluid verbunden zu sein. Wenn die Einheiten gekoppelt sind, wird das Pneumatikfluid über selbstabdichtende Kopplungen 54 zwischen der Master-Einheit 14 und Werkzeug-Einheit 12 weitergegeben. Das Versorgungsmittel in Form von Pneumatikfluid ist lediglich beispielhaft. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Master-Einheit 14 und Werkzeug-Einheit 12 mit Einrichtungen versehen sein, um elektrischen Strom, elektrische oder optische Datensignale oder andere Versorgungsmittel weiterzugeben.
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13 zeigt ein Verfahren 200 zur Kopplung eines Werkzeugs an einen Roboter, wobei eine Werkzeug-Einheit 12 an dem Werkzeug befestigt ist und eine Master-Einheit 14 an dem Roboter befestigt ist. Die Master-Einheit 14 wird zunächst in einen entkoppelten Zustand gebracht (Block 202). 9 zeigt die Master-Einheit 14 des Werkzeugwechslers 10 in dem entkoppelten Zustand, wobei der Kolben 16 in der entriegelten Position ist und die Rollelemente 26 sich innerhalb des Gehäuses 20 befinden. Das Gewinde 30 an wenigstens einem Abschnitt des Kolbens 16 ist selektiv im Eingriff mit einer entsprechenden Gewindefläche (nicht dargestellt), welche zu dem Betätigungsknopf 50 gehört, welcher innerhalb des verlängerten Abschnitts 48 des Gehäuses 20 angeordnet ist. Der Betätigungsknopf 50 ist in Richtung einer nicht betätigten Position vorgespannt (bei der Darstellung von 9 nach unten), wie z. B. durch eine Feder 60 (siehe 12). Die Gewindefläche ist im Eingriff mit dem Gewinde 30, wenn der Betätigungsknopf 50 in der nicht betätigten Position ist (d. h. standardmäßig) und gibt das Gewinde 30 frei, wenn der Betätigungsknopf 50 gedrückt wird.
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Der Roboter, das Werkzeug oder beide werden dann bewegt, um die Master-Einheit 14 und Werkzeug-Einheit 12 benachbart zueinander zu positionieren, wie es in 7 dargestellt ist (13, Block 204). Der Betätigungsknopf 50 wird dann gedrückt, oder betätigt, um den Eingriff der Gewindefläche und des Gewindes 30 zu lösen, was es dem Kolben 16 ermöglicht, sich frei in der axialen Richtung des Kolbens zu bewegen (13, Block 206). Eine Feder 58 ist zwischen der Innenseite des verlängerten Abschnitts 48 des Gehäuses 20 und der Nockenoberfläche 40 um den Kolben 16 herum angeordnet. Die Feder 58 spannt den Kolben 16 in Richtung der verriegelten Position (in der Darstellung von 9 nach links). Wenn der Betätigungsknopf 50 dann gedrückt wird, bewegt sich der Kolben 16 somit durch die Spannung der Feder 58 in eine annähernd verriegelte Position.
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10 zeigt die Master-Einheit 14 des Werkzeugwechslers 10 in einem annähernd vollständig gekoppelten Zustand, wobei der Kolben 16 nahe der vollständig verriegelten Position ist und die Rollelemente 26 wie oben beschrieben durch Eingriff mit der mehrflächigen Nockenoberfläche 40 aus dem Gehäuse 20 herausgedrückt sind. Dies ist die Position des Kolbens 16 nach Drücken des Betätigungsknopfes 50.
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Während der Kolben 16 sich in Richtung dieser Position bewegt, kommt die Anfangskontaktfläche 42 in Eingriff mit den Rollelementen 26 und drückt sie nach außen. Wie oben mit Bezug auf 5 beschrieben, kommt die Sicherungsfläche 44 und dann die Verriegelungsfläche 46 in Kontakt mit den Rollelementen 26, während sich der Kolben 16 weiter in Richtung der verriegelten Position bewegt. In der in 10 dargestellten annähernd verriegelten Position drückt die Verriegelungsfläche 46 die Rollelemente 26 nach außen und gegen entsprechende Vorsprünge in der Werkzeug-Einheit 12 (siehe 11).
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Wenn der Betätigungsknopf 50 losgelassen oder freigegeben wird, kommt die Gewindefläche wieder in Eingriff mit dem Gewinde 30 des Kolbens 16, was eine freie axiale Bewegung des Kolbens 16 unterbindet (13, Block 208). Der Kolben 16 wird dann in die vollständig verriegelte Position vorbewegt, indem der Knopf 32 gedreht wird (13, Block 210). Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Knopf 32 um ungefähr eine halbe Umdrehung festgezogen, um den Kolben 16 in die vollständig verriegelte Position vorzubewegen. Dies drückt die Rollelemente 26 durch die Verriegelungsfläche 46 stärker gegen den Vorsprung 13 der Werkzeug-Einheit 12.
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11 ist eine Schnittansicht entlang der in 10 dargestellten Linie XI-XI. 11 zeigt die Rollelemente 26 vollständig aus dem Gehäuse 20 der Master-Einheit 14 heraus verlagert und im Eingriff mit den Vorsprüngen 13 in der Werkzeug-Einheit 12. Jedes Rollelement 26 übt eine Kraft auf einen entsprechenden Vorsprung 13 aus, was die Werkzeug-Einheit 12 in Richtung der Master-Einheit 14 drängt (bei der Darstellung von 11 nach unten), wodurch die Master-Einheit 14 und die Werkzeug-Einheit 12 miteinander gekoppelt werden.
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12A und 12B sind teilweise explodierte perspektivische Ansichten, welche den Kolben 16, eine mehrflächige Nockenoberfläche 40 und zugehörige Rollelemente 26, die Kolbenvorspannungsfeder 58 und den Kolbenbewegungssteuermechanismus 65 zeigen. Der Kolbenbewegungssteuermechanismus 65 beinhaltet den Betätigungsknopf 50, welcher ein Langloch 62 aufweist, bei welchem wenigstens ein Teil seiner Innenfläche mit einem Gewinde versehen ist, und eine Betätigungsknopfvorspannungsfeder 60. Der Kolben 16 erstreckt sich durch das Langloch 62 in dem Betätigungsknopf 50, welches in einer longitudinalen Richtung (entlang der Betätigungsachse des Knopfes 50) größer als der Durchmesser des Kolbens 16 ist. Eine Gewindefläche ist wenigstens an der Innenfläche des Langlochs 62 in der Nähe der Betätigungsknopfvorspannungsfeder 60 ausgebildet.
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Die longitudinale Abmessung des Langlochs 62 ist ausreichend, um es dem Kolben 16 zu ermöglichen, sich frei durch das Langloch 62 zu bewegen – d. h. ohne Eingriff des Gewindes 30 mit der Gewindefläche –, wenn der Betätigungsknopf 50 gedrückt und in einer Richtung zur Kompression der Betätigungsknopfvorspannungsfeder 60 bewegt wird (d. h. bei der Darstellung von 12B nach rechts). Dies ermöglicht es dem Kolben 16, sich schnell in eine annähernd verriegelte Position vorzubewegen, wie z. B. durch die Spannung der Feder 58. Selbstverständlich ist die Kolbenvorspannungsfeder 58 nicht notwendig, da der Kolben 16 auch schnell vorbewegt wird, während der Betätigungsknopf 50 gedrückt wird, indem er einfach in Richtung der verriegelten Position geschoben wird.
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Sobald der Betätigungsknopf 50 losgelassen wird, bewegt er sich unter der Spannung der Feder 60, wodurch die Gewindefläche innerhalb des Langlochs 62 wieder in Eingriff mit dem an dem Kolben 30 ausgebildeten Gewinde kommt. Der Kolben 16 kann dann durch ein relativ begrenztes Drehen des Kolbens 16 in die vollständig verriegelte Position gebracht werden.
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Der Werkzeugwechsler 10 kann entkoppelt werden, indem der Kolben 16 manuell gedreht wird, so dass der Kolben 16 aus der vollständig gekoppelten Position bewegt wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Betätigungsknopf 50 gedrückt werden und der Kolben 16 in die nicht verriegelte Position gezogen werden. Bei Ausführungsbeispielen, in welchen die Kolbenvorspannungsfeder 58 eine erhebliche Kraft in Richtung der verriegelten Position ausübt, wird der Kolben 16 jedoch durch Drehen des Knopfes 32 in die nicht verriegelte Position bewegt. Das Gewinde 30, welches mit der Gewindefläche in dem Langloch 62 des Betätigungsknopfes 50 im Eingriff ist, beweget den Kolben 16 entlang seiner Achse in die nicht verriegelte Position (wodurch die Kolbenvorspannungsfeder 58 wieder zusammengedrückt wird).
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Diejenigen mit Kenntnissen der Technik werden erkennen, dass das Gewinde 30 und die mit einem Gewinde versehene Innenfläche des Langlochs 62 lediglich ein Mittel sind, um selektiv eine freie axiale Bewegung des Kolbens 16 zu ermöglichen und einzuschränken. Zum Beispiel kann bei einem Ausführungsbeispiel der Kolben 16 auf wenigstens einer Seite ausgebildete Zähne aufweisen, wobei ein entsprechendes Zahnrad in dem Langloch 62 angeordnet ist, um abhängig von der Position des Betätigungsknopfes 50 selektiv mit den Zähnen in Eingriff zu kommen bzw. den Eingriff mit diesen zu lösen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Zahnrad durch einen Knarrenmechanismus zur manuellen Bewegung des Kolbens angetrieben sein. Die Funktionsweise wäre ähnlich zu derjenigen, welche oben mit Bezug auf das Gewindeausführungsbeispiel beschrieben wurde. Andere Implementierungsdetails können von denjenigen mit Kenntnissen der Technik für bestimmte Anwendungen mit Hilfe der Lehren der vorliegenden Offenbarung auf einfache Weise bestimmt werden.
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Bei dem in 7–10 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Flansch 64 an dem Ende des Kolbens 16, nahe dem Knopf 32 ausgebildet. Der Flansch 64 ist derart bemessen, dass er das Langloch 62 des Betätigungsknopfes 50 vollständig bedeckt, und seine Position an dem Kolben 16 ist derart ausgewählt, dass der Flansch 64 bündig oder annähernd bündig mit dem vorstehenden Ende 48 des Gehäuses 20 ist, wenn der Kolben 16 in der vollständig verriegelten Position ist (siehe 7). Dies verhindert das Eintreten von Staub oder Fremdkörpern in das Innere des Gehäuses 20, wenn ein Werkzeug an einen Roboter gekoppelt ist und in Verwendung ist.
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Diejenigen mit Kenntnissen der Technik können unmittelbar erkennen, dass die automatische Bewegung des Kolbens 16 in eine annähernd vollständig gekoppelte Position auch bei dem Ausführungsbeispiel von 6 angewendet werden kann, bei welchem mehrere mehrflächige Nockenoberflächen 140 und entsprechende Rollelemente 126 an einem einzigen Kolben 116 eingesetzt werden. Darüber hinaus kann der Kolbenverriegelungsmechanismus 150, welcher in 6 dargestellt ist, auf einfache Weise bei dem in 7–12 dargestellten Ausführungsbeispielen angewendet werden.
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Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlich auf andere Weise implementiert werden als zuvor dargestellt, ohne von den wesentlichen Eigenschaften der Erfindung abzuweichen. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht als beispielhaft zu verstehen, und es ist beabsichtigt, dass alle Modifikationen innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzumfangs der nachfolgenden Ansprüche von der vorliegenden Offenbarung mit umfasst sind.