DE3426892C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Werkzeugwechsel­ vorrichtungen, mittels denen eine Maschine eine Vielzahl von auswechselbaren Werkzeugen benutzen kann. Speziell betrifft die Erfindung Robotersysteme, wie Industrieroboterarme, die mehrere, bezüglich der Roboterbasis verschwenkbare Teile aufweisen. Bei einem solchen Roboterarm weist das letzte Teil im System, beispielsweise das Handgelenk, im allgemeinen ein bewegliches Endstück auf, an dem ein Greifer oder ein anderes Werkzeug befestigt ist.

Da Roboter durch ihre Wiederprogrammierbarkeit für verschiedene Arbeiten eine große Anpassungsfähigkeit aufweisen, sind sie im allgemeinen mit dem einen speziellen Werkzeug bestückt, das auf die augenblicklich auszuführende Aufgabe zugeschnitten ist. Wenn die Aufgabe wechselt oder neu programmiert wird, können die Werkzeuge des Roboters durch einen Wartungsmonteur ausgewechselt werden, um eine neue Aufgabe auszuführen.

Zur Verbesserung der Produktivität eines Roboters, während des Arbeitsablaufs an einem vorgegebenen Werkstück ist es vorteilhaft verschiedene Werkzeugarten an ein und demselben Roboterarmendstück wechseln zu können. Weiterhin ist es wünschenswert, daß der Roboter eine Vielzahl von Werkzeugen aus einem austauschbarrem Werkzeugsystem ohne menschliches Eingreifen selbständig wechseln kann.

Hierzu ist aus der US-PS 42 81 447 eine Werkzeugwechselvor­ richtung für Roboter bekannt, bei der das jeweilige Werk­ zeug an dem Ende, an dem es ergriffen werden soll, einen Kegelstumpf trägt. Dieser Kegelstumpf paßt in eine eben­ falls konische Ausnehmung der Werkzeughalteeinrichtung des Roboters. Zusätzlich ist in dem Kegelstumpf senkrecht zu seiner Achse eine konische Bohrung angebracht. In diese greift im befestigten Zustand ein ebenfalls kegelstumpfför­ miges Arretierungselement ein. Bei dieser Befestigungsvor­ richtung wird das Werkzeug daher auf die Arretierungsvor­ richtung zentriert. Es ist nicht möglich, das Werkzeug so gegen den Werkzeugträger zu pressen, daß beispielsweise dichte Druckluftverbindungen zwischen Werkzeugträger und Werkzeug hergestellt werden können. Weiterhin ist die Anordnung nicht stabil genug, um große Kräfte von den Werk­ zeugen aufzunehmen.

Weiterhin ist aus der FR 11 03 112 eine Werkzeugwechselvor­ richtung allgemeiner Art (nicht speziell für Industrierobo­ ter) bekannt, die eine zentrale Öffnung aufweist, wobei ein quer zur zentralen Öffnung mittels eines Stellglieds beweg­ bares Verriegelungsteil vorgesehen ist und das Werkzeug ein Werkzeughalteteil aufweist, das durch die zentrale Öffnung durch das Gehäuse eingeführt werden kann, wobei das Werk­ zeughalteteil ein Kopfteil und einen daran angrenzenden Stiel aufweist, der einen geringeren Querschnitt aufweist, als das Kopfteil und am Werkzeug angebracht ist, und wobei das Verriegelungsteil als Verriegelungsschlitten ausgebil­ det ist, der in einer an der Grundplatte ausgebildeten li­ nearen Führung verschieblich gehalten ist und eine Öffnung aufweist, die zum Einführen des Werkzeughalteteils in das Gehäuse in fluchtender Stellung mit der zentralen Öffnung gebracht werden kann. Dieser Stand der Technik betrifft zwar nicht direkt Industrieroboter, kommt jedoch dem erfin­ dungsgemäßen Prinzip noch am nächsten. Er weist jedoch keine keilförmigen Klemmflächen auf, wodurch keine präzise Halterung des Werkzeugs in Längsrichtung, und damit auch keine Möglichkeit gegeben ist, beispielsweise einen Druckluftanschluß dicht mit dem Werkzeug zu verbinden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine si­ chere Anlage von Werkzeuggrundelement an der Frontplatte zu gewährleisten, um eine günstige Ankopplung von Energielei­ tungen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 und 3 betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen im folgenden beispielsweise nä­ her erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Roboters mit einer Werkzeugwechselvorrichtung und einem Ge­ stell, auf dem mehrere Werkzeuge gelagert sind;

Fig. 2 eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht eines Anschlußelements der Werkzeug­ wechselvorrichtung, die den Verriegelungs­ schlitten in geöffneter Stellung und das Werk­ zeughalteelement von dem Anschlußelement getrennt zeigt;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Anschlußele­ ments aus Fig. 2, die den Verriegelungsschlit­ ten in geschlossener Stellung und das Werkzeug­ halteelement durch den Verriegelungsschlitten verriegelt zeigt;

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung des Anschlußelements aus Fig. 2, in der dargestellt ist, daß eine trennbare elektrische Verbindung sowohl an dem Anschlußelement als auch am lösbaren Werkzeug angebracht werden kann;

Fig. 5 eine Seitenansicht des Anschlußelements aus Fig. 2;

Fig. 6 eine Schnittdarstellung der Werkzeugwechselvor­ richtung, geschnitten entlang der Linie 6-6 aus Fig. 5;

Fig. 7 eine Vorderansicht in der Richtung des Pfeils 7 aus Fig. 6, die das Werkzeughalteelement teil­ weise geschnitten darstellt;

Fig. 8 eine Schnittdarstellung durch den Anschlußele­ ment-Führungszapfen, geschnitten entlang der Linie 8-8 aus Fig. 7;

Fig. 9 einen vorderen Aufriß des Werkzeuggrundele­ mentes, wobei das Werkzeug zur besseren Über­ sichtlichkeit entfernt ist;

Fig. 10 eine Seitenansicht des Werkzeuggrundelements aus Fig. 9.

Fig. 1 zeigt einen Industrie-Roboter 10 mit einem Sockel 11, einem beweglichen Oberarm 12, einem beweglichen Unterarm 13 und einem schwenkbaren Handgelenk 14. Der Roboter 10 kann einer der vielen hergestellten Roboter sein, einschließlich der Roboter, die entlang der Koordinatenachsen verfahren und der Roboter mit gelenkigen Armen, wie der beispielsweise dargestellte, der im US-Geschmacksmuster Des. 269, 681 unter dem Namen "Roboterarm" beschriebene. Das Handgelenk 14 könnte ebenso einer von vielen Mechanismen sein, jedoch ist das dargestellte Handgelenk 14 das aus dem US-Patent Nr. 40 68 536, mit dem Namen "Manipulator". Das Endstück 15 des Handgelenks 14 kann bezüglich drei Achsen bewegt werden, so daß es einen räumlichen Weg beschreiben kann.

Das Endstück 15 trägt eine Werkzeugwechselvorrichtung 16 für einen Roboter, die im wesentlichen aus einem Anschlußelement 17, das am Endstück 15 befestigt ist, und einem trennbaren oder lösbar gehaltenen Werkzeuggrundelement 18 besteht, das, in ein gewünschtes Werkzeug integriert, befestigt ist. Ein Satz von Werkzeugen 19 ist auf einer typischen Werkzeugablage 20 gelagert dargestellt und jedes einzelne Werkzeug 19 weist ein gemeinsames Werkzeuggrundelement 18 auf, um zu ermöglichen, daß das Werkzeug 19 im Anschlußelement 17 der Werkzeugwechsel­ vorrichtung ausgerichtet und gehalten wird.

Fluid-Druckleitungen 21, 22 werden von einer Fluidquelle zu einer Anschlußsteckerleiste (nicht dargestellt) an der Seite des Roboter-Unterarms geführt. Dehnbare Fluid-Leitungen 23, 24 führen von der Anschlußsteckerleiste zum Anschlußelement 17, um ein lineares Stellglied zum Ver- und Entkeilen der Werkzeuggrundelemente 18 anzutreiben. Eine zusätzliche Fluidleitung 25 wird zur Frontplatte 26 des Anschlußelements 17 geführt, als Druckleitung für diejenigen Werkzeuge, die mittels eines Fluids betätigt werden müssen.

Fig. 2 stellt eine perspektivische Ansicht des Anschlußelements 17 dar, das aus einem Paar von einen Abstand zueinander aufweisenden kreisförmigen Platten 26, 27 besteht, die durch ebenfalls einen Abstand zueinander aufweisenden rechteckigen Blöcken 28, 29, die zwei Wände des Elements 17 bilden, fest miteinander verbunden sind. Ein fluidbetätigtes, lineares Stellglied 60 (siehe Fig. 3) befindet sich an der rückwärtigen Grundplatte 27 der Vorrichtung. Die vordere Platte 26 des Anschlußelements 17 weist eine zentrale Öffnung 30 auf sowie parallele Nuten 31, 32, die sich quer durch die Platte 26 erstrecken, um einen Verriegelungsschlitten 33 zu führen, der durch das Stellglied 60 radial in der Platte 26 bewegt wird. Der Verriegelungsschlitten 33 hat eine quadratische Mittelöffnung 34, die in der dargestellten Stellung mit der Öffnung 30 der Platte 26 fluchtet, um ein T-förmiges Halteteil 35 aufzunehmen, das am Werkzeug­ grundelement 18 befestigt ist. Die Grundfläche 36 des T-förmigen Teils 35, das heißt das untere Ende des Stiels 37 des T-förmigen Teils, ist am Werkzeug­ grundelement 18 mittels Schrauben befestigt (siehe Fig. 6), die sich längs durch den Stiel 37 erstrecken. Der Querbalken 38 des T-förmigen Teils 35 erstreckt sich zu dem Anschlußelement 17 hin und ist an seiner Unterseite abgeschrägt, um Klemmflächen 39 zu schaffen, die mit dem Verriegelungsschlitten 33 zusammenwirken. Der Verriegelungsschlitten 33 weist einen zentralen Schlitz 40 auf, in den der Stiel 37 des T-förmigen Teils 35 paßt, und desweiteren sind Klemmflächen 41 im mittleren Bereich des Verriegelungsschlittens 33 vorgesehen, um in die Klemmfächen 39 des Querbalkens 38 in einer U-förmig gegabelten Weise verkeilend einzugreifen. Im Falle einer Störung des Antriebs des linearen Stellglieds 60 wird das Werkzeug 19 auf Grund der im wesentlichen selbsthemmenden Art des Eingriffs zwischen dem Verriegelungsschlitten 33 und dem T-förmigen Teil 35 in seiner verriegelten oder verkeilten Stellung verharren. Das Werkzeuggrundelement 18 weist ein Paar von Hülsen 42 aus gehärtetem Stahl auf, die im Werkzeuggrundelement 18 exakt ausgerichtet sind und die ein Paar von Führungsbolzen 43, 44 aufnehmen, die sich aus der Frontplatte 26 des Anschlußelements 17 heraus erstrecken und an diesem befestigt sind. Die Aufnahme der Bolzen 43, 44 in den Hülsen 42 gewährleistet eine genaue Aufnahme des Werkzeugs 19, bevor der Verriegelungsschlitten 33 in seine verkeilende Stellung bewegt wird.

Fig. 3 zeigt, daß der Verriegelungsschlitten 33 mit einer Jochplatte 45 versehen ist, die sich quer von seiner hinteren Fläche zur hinteren Platte 27 erstreckt und die an der Kolbenstange 46 des linearen Stellglieds 60 befestigt ist (siehe Fig. 5 und 6). Der Zylinder 47 des Stellglieds 60 ist an der hinteren Platte 27 des Anschlußelements 17 befestigt. Wenn das Werkzeuggrund­ element 18 von der Frontplatte 26 des Anschluß­ elements 17 aufgenommen wurde und der Querbalken 38 des T-förmigen Teils 35 durch die Mittelöffnung 34 des Verriegelungschlittens 33 hindurchragt, wird der Schlitten 33 in radialer Richtung bezüglich der Frontplatte 26 bewegt und das Werkzeug 19 wird in seiner Stellung auf dem Anschlußelement 17 festgehalten. Ein Paar von Rohren 48 erstreckt sich aus dem Zylinder 47 des linearen Stellglieds 60 und ist mit den Fluidleitungen 23, 24 verbunden (siehe Fig. 1). Eine Fluid-Armatur 49 wird von der Frontplatte 26 aufgenommen, und durch Einschrauben ist die Armatur 49 mit einer vorderen Öffnung 50 verbunden, die mit einem mit ihr zusammenwirkenden Fluidkanal (nicht dargestellt) im Werkzeuggrundelement 18 fluchtet, um, falls erwünscht, einen Fluid- Antrieb für ein Werkzeug zu liefern.

Fig. 4 stellt die Teile der Fig. 2 dar, mit der Ausnahme, daß die Fluid-Armatur 49 durch ein elek­ trisches Verbindungsteil 51 an der Frontplatte 26 des Anschlußelements 17 ersetzt wurde, und ein darin eingreifendes elektrisches Verbindungsteil 52 am Werkzeuggrundelement 18 vorgesehen ist, um, falls erwünscht, elektrische Signale dem Werkzeug 19 zuzuleiten, wenn das Werkzeuggrundelement 18 in korrekter Lage im Anschlußelement 17 verkeilt ist.

Die Seitenansicht aus Fig. 5 stellt den zusammen­ gesetzten Zustand des Anschlußelements 17 und des Werkzeuggrundelements 18 dar. Die hintere Platte 27 des Anschlußelements 17 wird durch eine Führungsbohrung 53 ausgerichtet und mittels Schrauben 54 am Endstück 15 befestigt. Die vordere und hintere Platte 26, 27 der Vorrichtung werden durch Schrauben 55 zusammengehalten, die sich durch die parallel in einem gewissen Abstand zueinander angeordneten Blöcke 28, 29 erstrecken, um ein festes Gefüge zu bilden. Das lineare Stellglied 60 ist mittig zwischen den Blöcken 28, 29 angeordnet und auf einem Dämpfungskissen 55a auf der hinteren Platte 27 befestigt. Der Verriegelungsschlitten 33 ist im wesentlichen von rechteckigem Querschnitt mit scharfen Kanten, die zur genauen Passung in den Führungsnuten 31, 32 der Frontplatte 26 bearbeitet sind. Die Jochplatte 45 ist am Verriegelungsschlitten 33 mittels eines Paares von Schrauben 56 befestigt, so daß eine Bewegung des linearen Stellglieds 60 eine Bewegung der Jochplatte 45 und des Schlittens 33 in gleicher Richtung, radial bezüglich der kreisförmigen Frontplatte 26, bewirkt. Die festen Fluid-Rohre 48 erstrecken sich vom linearen Stellglied 60 weg, wobei sich ein Rohr 48 durch eine Durchsteckbohrung 57 im oberen Block 28 erstreckt. Das Werkzeuggrundelement 18 ist verkeilt mit der Frontplatte 26 des Anschluß­ elements 17 dargestellt und trägt irgendeines aus der Vielzahl der Werkzeuge 19. Ein Annäherungsschalter 58 ist durch die hintere Seite 59 der Frontplatte 26 eingeschraubt und mittels einer Kontermutter 61 befestigt. Die Spitze 62 des Annäherungsschalters 58 ist ein klein wenig in die Frontplatte 26 eingelassen und kann die An- oder Abwesenheit des Werkzeuggrundelements 18 fühlen.

Die Schnittdarstellung aus Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf das Anschlußelement 17 mit deren Verriege­ lungsschlitten 33 in verriegelter Stellung. In dieser Stellung wird das T-förmige Teil 35 in der Mittelöffnung 30 der Frontplatte 26 durch ein Verkeilen des Querbalkens 38 festgehalten. Das Werkzeuggrund­ element 18 wird von der Frontplatte 26 des Anschluß­ elements 17 aufgenommen. Das T-förmige Teil 35 erstreckt sich durch die Mittelöffnung 30 der Platte 26, und die Öffnung 34 des Verriegelungsschlittens 33 wird aus der fluchtenden Anordnung bezüglich der Öffnung 30 verschoben. Der Verriegelungsschlitten 33 ist mittels einer Spannhülse 63, die sich in den Verriegelungsschlitten 33 und die Jochplatte 45 erstreckt, an der Jochplatte 45 befestigt. Das lineare Stellglied 60 weist einen Zylinder 47 auf, der mittels Kopfschrauben 64 an der hinteren Platte 27 befestigt ist, und die Kolbenstange 46, die sich aus dem Zylinder 47 erstreckt, weist an ihrem Ende eine Gewindebohrung 65 auf, in die ein Stangen-Anschlußstück 66 geschraubt ist. Das Anschlußstück 66 weist ein Gewinde 67 auf und einen zylindrischen Bereich 68, in den Eingriffs­ flächen 69 für einen Schraubenschlüssel eingearbeitet sind. Ein integrierter Führungsbolzen 70 erstreckt sich durch eine Bohrung 71 der Jochplatte 45, wobei das Anschlußstück 66 mittels einer Kopfschraube 72 und einer Unterlegscheibe 73 an der Jochplatte 45 befestigt ist. Die Führungsbuchse 53 der Rückplatte 27 ist ein zylindrischer Ring, der in eine Sackbohrung 74 in der Platte 27 eingepresst ist. Der Stiel 37 des T-förmigen Teils 35 ist in einer in das Werkzeuggrundelement 18 eingearbeiteten Ausnehmung 75 angeordnet und wird von Kopfschrauben 76 am Grundelement 18 gehalten. In der dargestellten Stellung sind die Klemmflächen 41 des Verriegelungsschlittens 33 in Eingriff mit den Klemmflächen 39 des T-förmigen Teils 35, so daß das Werkzeuggrundelement 18 vom Anschlußelement 17 nicht zurückgezogen oder getrennt werden kann.

Gemäß Fig. 7 muß der Verriegelungsschlitten 33 in die gestrichelt dargestellte Stellung verschoben werden, um die Öffnung 34 des Schlittens zum Entfernen des Werkzeugs mit dem T-förmigen Teil 35 fluchtend auszurichten. Der Annäherungsschalter 58 (siehe Fig. 5) erstreckt sich, wie dargestellt, in eine Aussparung 77 de Frontplatte 26 und wird durch eine Kontermutter 61 in seiner Stellung gehalten. Die Fluidarmatur 49 wird von einer mit Rohrgewinde versehenen Bohrung 78 im Umfang der Frontplatte 26 aufgenommen, die in eine vordere Bohrung 50 mit einer Ansenkung 79, die einen O-Ring 80 zu Dichtzwecken trägt (siehe Fig. 10), führt.

Das Paar von Führungsbolzen 43, 44 befindet sich an der Frontplatte 26, wobei der eine Führungsbolzen 43 zylind­ risch ist, während der andere Führungsbolzen 44 einen rautenförmigen Querschnitt aufweist. Der in Fig. 8 dargestellte Querschnitt zeigt, in für beide Stifte 43, 44 kennzeichnender Weise, wie beide von einer Hülse 42 aus gehärtetem Stahl im Werkzeuggrundelement 18 aufgenommen werden. Wie in Fig. 8 dargestellt, weist der Führungsbolzen 43 einen Bund 81 auf, der in einer ausgefrästen Versenkung 82 gelagert ist, wobei ein Führungsbolzen 83 des Bolzens 43 sich in eine Führungsbohrung 84 der Frontplatte 26 erstreckt. Der Führungsbolzen 43 wird gegen Verdrehung durch eine Fixierschraube 83 gesichert, die eine am Bund 81 des Führungszapfens anliegende Schulter 86 aufweist, wobei der größere Kopf 87 der Schraube 85 von einer Ausnehmung 88 des Bundes 81 aufgenommen wird. Die Schraube 85 ist zum Halten des Führungsbolzens 43 in die Frontplatte 26 geschraubt.

Die Fig. 9 und 10 stellen das Werkzeuggrundelement 18 dar, wobei das Werkzeug 19 zur besseren Übersicht entfernt wurde. Das Werkzeuggrundelement 18 ist eine zylindrische Platte, mit einem T-förmigen Teil 35, das durch Kopfschrauben 76 daran befestigt ist, und einem durch die Platte gebohrten Fluidkanal 89, der mit dem O-Ring 80 und der vorderen Öffnung 50 der Frontplatte 26 des Anschlußelements fluchtet. Das Werkzeuggrundele­ ment 18 weist ein Paar von gehärteten Hülsen 42 mit Anschlagschultern auf, die in Bohrungen 90 und Ein­ senkungen 91 eingepaßt sind, so daß das Grundelement 18 mittels der Führungsbolzen 43, 44 des Anschlußelements 17 ausgerichtet werden kann (siehe Fig. 7 und 8). Im Werkzeuggrundelement 18 sind Gewindebohrungen 92 in einer bestimmten Anordnung vorgesehen, so daß ein bestimmtes Werkzeug 19 daran befestigt werden kann.

Wie bereits erwähnt, sind die Fluidkanäle 50 des Anschlußelements 17 und des Werkzeuggrundelements 18 nur für die Werkzeuge 19 vorgesehen, die als Antriebs­ quelle ein unter Druck stehendes Fluid benötigen. Fig. 4 stellt beispielsweise elektrische Verbindungsstücke 51, 52 dar, die eingesetzt werden können, wenn zum Antrieb elektrische Energie benötigt wird. Bestimmte Werkzeuge benötigen keinen Antrieb, so daß man in solchen Fällen die dargestellten elektrischen und Fluid-Verbindungselemente weglassen kann.

Claims (3)

1. Werkzeugwechselvorrichtung für Industrieroboter mit
einem beweglichen Endstück zum Handhaben von Werkzeugen,
mit einem Gehäuse, das eine Frontplatte und eine Rückplatte aufweist,
einer zentralen Öffnung in der Frontplatte,
einem quer zur zentralen Öffnung mittels eines Stellgliedes bewegbaren Verriegelungsteil,
einem Werkzeuggrundelement, an dem ein Werkzeughalteteil befestigt ist, das durch die zentrale Öffnung in das Gehäu­ se eingeführt werden kann,
wobei das Werkzeughalteteil ein Kopfteil und einen daran angrenzenden Stiel aufweist, der einen geringeren Quer­ schnitt aufweist als der Kopfteil und am Werkzeuggrundele­ ment angebracht ist,
und das Verriegelungsteil als Verriegelungsschlitten ausge­ bildet ist, der in einer an der Grundplatte ausgebildeten linearen Führung verschieblich gehalten ist und eine Öff­ nung aufweist, die zum Einführen des Werkzeughalteteils in das Gehäuse in fluchtender Stellung mit der zentralen Öff­ nung gebracht werden kann,
dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeughalteteil (35) aus einem T-förmigen Teil besteht, an dessen Querbalken (38) Klemmflächen (39) ausgebildet sind, die mit entsprechenden Klemmflächen (41) des Verriegelungsschlittens (33) zur Ver­ keilung von Querbalken (38) und Verriegelungsschlitten (33) zusammenwirken.

2. Werkzeugwechselvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an der Rückplatte (27) ein lineares Stellglied (60) befestigt ist, welches eine Kolbenstange aufweist, die zwischen einer ausgestreckten und einer ein­ gezogenen Endstellung verfahrbar ist.

3. Werkzeugwechselvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß Zentriereinrichtungen (42, 43, 44) zum Ausrichten des Werkzeuggrundelementes (18) bezüg­ lich des Gehäuses vor dem Zusammenfügen vorgesehen sind.