DE3812527A1 - Werkzeugwechselvorrichtung fuer industrieroboter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugwechselvorrichtung für Industrieroboter mit einem ersten und einem zweiten Grund­ körper, die über Halteteile aneinander fixierbar sind und zueinander komplementäre Anschlüsse für die Energie- und/oder Signalübertragung aufweisen. Der eine Grundkörper der Wechselvorrichtung ist hierbei am Industrieroboter be­ festigt, während der andere Grundkörper beispielsweise Werkzeuge, Greifer, Schweißbrenner und andere mit In­ dustrierobotern antreibbare Vorrichtungen trägt.

Die Wechselvorrichtung stellt damit eine Verbindungsstelle zwischen den genannten Vorrichtungen und dem Industrie­ roboterarm dar.

Eine solche Wechselvorrichtung ist beispielsweise aus der EP-A 8 51 08 706.4 bekannt. Die Halteteile zum Fixieren der Grundkörper aneinander können nach sämtlichen bekannten Spannprinzipien arbeiten.

Bei den bisher bekannten Werkzeugwechselvorrichtungen sind an den beiden Grundkörpern Steckverbinder angebracht, die eine Übertragung von Energie und/oder Signalen erlauben.

Je nachdem, welche Art von antreibbarer Vorrichtung von dem Industrieroboter gehandhabt werden soll, sind unter­ schiedliche Anforderungen an Energie- und Signalüber­ tragungswege der Wechselvorrichtung zu stellen. Bisher war es notwendig, für jeden einzelnen Werkzeugtypus eine gesonderte Werkzeugwechselvorrichtung vorzusehen, um diesen unterschiedlichen Erfordernissen an Energie- und/oder Signalübertragungswege gerecht zu werden. Eine solche Einzelanfertigung ist jedoch unwirtschaftlich und erlaubt auch keine Lagerhaltung.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Werkzeugwech­ selvorrichtung so zu verbessern, daß diese an individuelle Anforderungen bezüglich der Energie- und/oder Signalüber­ tragungswege für bestimmte von Industrierobotern zu hand­ habende Vorrichtungen anpaßbar sind.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Wechsel­ vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die An­ schlüsse an auf den Grundkörpern befestigbaren Modulen an­ geordnet sind, wobei jeweils ein am ersten Grundkörper be­ festigtes Modul mit einem am zweiten Grundkörper befestig­ ten Modul ein Modulpaar mit zusammenwirkenden Anschlüssen bilden.

Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion der Werkzeug­ wechselvorrichtung ist es nun erstmals möglich, die Wech­ selvorrichtungen als Serienerzeugnisse zu bauen und eine Lagerhaltung zu betreiben, so daß wesentlich kosten­ günstiger und rascher auf spezielle Abnehmeranforderungen reagiert werden kann.

So lassen sich beispielsweise elektrische und Druckluft­ übertragungselemente als Modulpaare standardisieren und bevorraten, so daß je nach Anforderung eine Auswahl an Modulpaaren getroffen werden kann, um die geforderte Wech­ selvorrichtung zu konfigurieren.

Hierbei besteht nicht nur die Möglichkeit die Module fest auf den Grundkörpern anzuordnen, sondern auch lösbar zu befestigen, so daß der Abnehmer und Anwender der Wechsel­ vorrichtung - ausgestattet mit einem kompletten Modul­ satz - diese selbst an die geänderten Erfordernisse neuer antreibbarer Vorrichtungen anpassen kann.

Vorteile beim Zusammenfügen der beiden Grundkörper ergeben sich dadurch, wenn an den Grundkörpern komplementäre Führungselemente angeordnet sind.

Zweckmäßigerweise können die ohnehin auf den Grundkörpern vorhandenen Halteteile als Führungselement ausgestaltet werden oder letztere mit umfassen.

Um sicherzustellen, daß die beiden Grundkörper der Werk­ zeugwechselvorrichtung korrekt zusammengefügt und aneinander fixiert sind, bevor der Industrieroboter mit dem neu aufgenommenen Werkzeug einen Bearbeitungsvorgang beginnt, empfiehlt es sich, dem einen Grundkörper einen Signalgeber und dem anderen Grundkörper einen Signal­ detektor zuzuordnen, die so ausgebildet sind, daß sie nur im korrekt fixierten Zustand der beiden Grundkörper ein Freigabesignal erzeugen. Hierdurch wird sichergestellt, daß nur nach einem erfolgreichen Andocken des werkzeug­ tragenden Grundkörpers an dem am Roboterarm gehaltenen Grundkörper ein Bearbeitungsvorgang gestartet werden kann, so daß eine im nicht korrekt fixierten Zustand der Grund­ körper mögliche Beschädigung von Werkzeug und zu bear­ beitendem Werkstück sicher vermieden wird. Signalgeber und Signaldetektor können auch an einem gesonderten Modulpaar angeordnet sein.

Bevorzugt werden die Grundkörper aus kreisförmigen Träger­ platten gebildet.

Die Halteteile werden bevorzugt als Hülse und komple­ mentärer Kern ausgebildet, die bei einer kreisförmigen Trägerplatte zentrisch angeordnet sind. In zusammen­ gebautem Zustand sind hierbei die Trägerplatten in axialer Richtung auf Deckung angeordnet und tragen die Modulpaare, die bevorzugt als Kreissegmente ausgebildet sind. Bei dieser Bauweise ergibt sich eine maximale Kompaktheit der Vorrichtung, so daß diese auch bei beengten räumlichen Verhältnissen Verwendung finden kann.

Die Befestigung der Module auf den Grundkörpern kann mit jeder beliebigen, dem Fachmann geläufigen Weise geschehen. Bevorzugt werden die Module jedoch auf dem Grundkörper rastbar befestigt. Eine Verschraubung der Module auf den Grundkörpern ist vor allem in den Fällen nicht notwendig, in denen die Modulpaare durch die Trägerplatten im fixierten Zustand in einer sandwichartigen Bauweise von oben und unten her umfaßt sind. Es muß lediglich darauf geachtet werden, daß die Abziehkräfte für die Module von den Grundkörpern größer sind als die Haltekräfte der Steckverbindungen. Damit ist sichergestellt, daß bei einer Trennung der beiden Teile oder Grundkörper mit zugehörigen Modulen der Werkzeugwechselvorrichtung die Modulpaare in der vorgesehenen Weise getrennt werden.

Die zwischen Trägerplatten anzuordnenden Modulpaare müssen selbstverständlich gleiche Bauhöhe aufweisen, um sicherzu­ stellen, daß jeder Modultyp eine korrekte Verbindung der gewünschten Art herstellen kann. Die Einzelmodule werden allerdings bevorzugt je nach Typ mit einer unterschied­ lichen Bauhöhe ausgebildet, so daß die zueinander passenden Grundkörper mit den montierten Modulen gewisser­ maßen codiert sind und nur in einer einzigen möglichen Orientierung zueinander zusammengesteckt werden können.

Zudem sind bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung die Anschlüsse so angeordnet, daß ungewollte Kurzschlüsse bei elektrischen Kontakten beim Zusammenfügen der die Module tragenden Grundkörper ausgeschlossen sind. Dies ge­ schieht vorzugsweise dadurch, daß die Anschlüsse außermittig angeordnet werden, wobei insbesondere bei Modulen, die als Kreissegemente bzw. als Teile hiervon ausgebildet werden, je nach Modultyp unterschiedliche radiale Abstände der Kontakte zur Trägerplattenmitte ein­ gehalten werden.

Vorzugsweise werden die Zuleitungen für Energie und/oder Signale zu den einzelnen Modulen an einer Fläche ange­ ordnet, die senkrecht zu den Flächen stehen, die die Anschlüsse für die Weitergabe der Energie und/oder Signale an das komplementäre Modul umfassen.

Diese und weitere Vorteile werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer in Modulbauweise aufgebauten Wechsel­ vorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittansicht längs Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 bis 5 verschiedene Module zur Energie- und/oder Signalübertragung, wobei die Teilfiguren a und b jeweils eine Drauf- bzw. eine Seitenansicht des Oberteils eines Modul­ paares zeigen, und die Teilfiguren b und c die entsprechenden Seiten- und Draufsichten der Unterteil-Module.

Fig. 1 zeigt eine Werkzeugwechselvorrichtung 10, die aus einem Ober- und einem Unterteil 12, 14 aufgebaut ist. Das Oberteil 12 ist hierbei zur Montage an einen Industrie­ roboterarm (in den Figuren nur angedeutet) gedacht, während das Unterteil 14 die von dem Industrieroboter zu handhabende Vorrichtung, d.h. ein Werkzeug, einen Greifer oder ähnliches trägt.

Das Oberteil 12 und das Unterteil 14 sind jeweils auf einer kreisrunden Trägerplatte 16, 17 aufgebaut, die hohl­ zylindrische Halteteile 18, 19 zentrisch tragen. Um diese Hohlzylinder 18, 19 gruppieren sich in einer ringförmigen Anordnung die kreissegmentartig ausgebildeten Module 20 bis 24 bzw. 20′ bis 24′.

Die Module werden mittels Schraubverbindungen 26 an den jeweiligen Trägerplatten befestigt, wobei Stifte 28 für eine korrekte Orientierung der Module gegenüber den Trägerplatten sorgen. Es sei hier noch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die dargestellte Befestigung der Module auf den Trägerplatten nur beispielshaft ist und prinzipiell jede mögliche Art zur Befestigung der Module auf den Trägerplatten gewählt werden kann.

Der Hohlzylinder 19 trägt etwa in halber Höhe quer zu seiner Längsachse einen durchgehenden Bolzen 30, der in Fig. 1 nur mit durchbrochenen Linien dargestellt ist. Das am Oberteil befestigte zylindrische Halteteil 18 weist in seinem unteren, dem Hohlzylinder 19 zugewandten Ende einen verjüngten Teil 32 auf, der mit seinem Außendurchmesser ungefähr dem Innendurchmesser des Hohlzylinders 19 ent­ spricht. In dem verjüngten Teil 32 sind Schlitze 34 vor­ gesehen, die bis zum freien Ende des Hohlzylinders 18 ver­ laufen und den Bolzen 30 in zusammengestecktem Zustand der Wechselvorrichtung aufnehmen.

An dieser Stelle soll nur kurz auf die Ausbildung der einzelnen Module 20 bis 24 bzw. 20′ bis 24′ eingegangen werden, da dies anhand der Fig. 3 bis 5 weiter unten noch ausführlicher geschehen wird.

Es sei hier nur auf das Modul 22 bzw. 22′ hingewiesen, das zusätzlich zu den zylindrischen Halteelementen 18 und 19 eine Führungsfunktion beim Zusammenfügen des Ober- und Unterteils 12, 14 der Werkzeugwechselvorrichtung 10 be­ sitzt.

Das Modul 22 trägt einen Zentrierstift 36, der in eine entsprechende Buchse 37 im Modul 22′ eingreift. Dieser Zentrierstift 36 legt die relative Lage des Ober- zum Unterteil 12, 14 fest. Zusätzlich trägt das Modul 22 noch einen Signalaufnehmer oder Detektor 38, der in eine Bohrung 39 im komplementären Modul 22′ im zusammenge­ setzten Zustand der Werkzeugwechselvorrichtung eingreift. Am geschlossenen Ende der Bohrung 39 ist ein Signalgeber 41 angeordnet, der in korrekt montiertem Zustand der Werk­ zeugwechselvorrichtung ein Freigabesignal im Detektor 38 auslöst. Als Detektor kann beispielsweise ein üblicher induktiver Näherungsschalter verwendet werden. Möglich sind jedoch auch beliebige andere Detektoren, die eine genaue Überwachung des korrekten Montagesitzes von Ober­ teil und Unterteil erlauben, wie z. B. optische oder magnetische Signalgeber.

Innerhalb des hohlzylindrischen Halteteils 18 des Ober­ teils 12 ist ein Haken 40 schwenkbar angebracht, der im auseinandergebauten Zustand der Werkzeugwechselvorrichtung 10 in Richtung zum Umfang des Hohlzylinders 18 ausweicht und dort in einen Schlitz 42 eingreift. Der gesamte Fixiermechanismus, der im Hohlzylinder 18 untergebracht ist, ist nach oben, d. h. zum Anschluß am Roboterarm hin, durch eine Abdeckplatte 44 verschlossen.

Anhand der Schnittansicht in Fig. 2 wird der Fixier­ mechanismus im folgenden näher erläutert.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht durch die zusammenge­ setzte Werkzeugvorrichtung 10, wobei der im Hohlzylinder 18 in Längsrichtung verschieblich und quer zur Längs­ richtung schwenkbar gehaltene Haken 40 um den in Hohl­ zylinder 19 gehaltenen Bolzen 30 greift.

Der Hohlzylinder 18 weist an seinem unteren Ende eine nach innen vorspringende Schulter 46 auf, an der sich eine Kulissenführung 48 abstützt. An seinem unteren, der Trägerplatte 16 zugewandten Ende führt der Hohlzylinder 18 einen Kolben 50, der auf seinem der Abdeckplatte 44 zu­ gewandten Ende mit Druck beaufschlagbar ist. An seinem entgegengesetzten Ende trägt der Kolben 50 ein zylin­ drisches Teil 52, an dem der Haken 40 schwenkbar gehalten ist. In einer Bohrung des Zylinders 52 ist eine Druckfeder 54 angebracht, die auf ein freies Ende des Hakens 40 wirkt und diesen gegen die Wandung der Kulisse 48 bzw. in den Schlitz 42 des Hohlzylinders 18 drückt (siehe Pfeil 56).

Der Kolben 50 wird auf seiner der Abdeckplatte 44 abge­ wandten Seite durch eine vorgespannte Feder 58, die sich mit ihrem anderen Ende an der Kulissenführung 48 abstützt, verschieblich innerhalb des durch den Hohlzylinder 18 gebildeten Hohlraums gehalten.

Wird über den Anschluß 60 (siehe Fig. 1) Druckluft oder eine Hydraulikflüssigkeit eingepreßt, bewegt sich der Kolben 50 in Richtung des Pfeiles 62 nach unten, wobei gleichzeitig der Haken 40 durch die Druckfeder 54 zu einer Ausweichbewegung in Richtung des Pfeiles 56 gezwungen wird. Dadurch wird der Bolzen 30 des Unterteils 14 freige­ geben. Der Kolben 50 bewegt sich gegen die Federkraft der vorgespannten Feder 58 weiter nach unten und stößt mit dem unteren Ende 53 des zylindrischen Teils 52 gegen den Bolzen 30, und führt somit zu einem Lösen der Steckver­ bindungen zwischen dem Oberteil 12 und dem Unterteil 14 bzw. der entsprechenden Ober- und Unterteile der Module.

Im unbelasteten Zustand des Kolbens 50 wird dieser durch die vorgespannte Feder 58 wieder entgegen der Richtung des Pfeiles 62 nach oben gegen die Abdeckplatte 44 gedrückt, wobei der Haken 40 diesmal entgegen der Richtung des Pfeiles 56 zur Mittelachse des Hohlzylinders 18 durch die Einwirkung der Kulissenführung 48 hin verschwenkt wird. Ist das Unterteil 14 korrekt auf dem Oberteil 12 aufge­ setzt, so ergibt sich wiederum die in Fig. 2 dargestellte Verbindung von Haken 40 und Bolzen 30, wodurch die beiden Teile der Werkzeugwechselvorrichtung gegeneinander fixiert sind.

Im folgenden soll nun noch näher auf einige beispielhafte Ausführungsformen für die Module 20 bis 24 bzw. 20′ bis 24′ eingegangen werden.

In Fig. 3 mit den Teilfiguren 3 a bis 3 d sind das Ober- und das Unterteil eines elektrischen Signalmoduls 23 und 23′ dargestellt. Beide Module 23, 23′ tragen an ihren radial außen liegenden Flächen Kabeldurchführungen 64, 64′, durch die die Signalkabel (nicht dargestellt) ins Innere der Module 23 bzw. 23′ geführt sind. Senkrecht zu den Kabel­ durchführungen 64, 64′ sind an den Modulen 23, 23′ Buchsen bzw. Stecker 66, 66′ angeordnet, wobei bei diesem Modul die Buchsen soweit als möglich in Richtung zum Zentrum der Wechselvorrichtung hin angeordnet sind.

In Fig. 4 ist ein Druckluftsignal-Modulpaar mit Unter- und Oberteil 20, 20′ dargestellt, wobei hier an den radial außen liegenden Flächen der Module die Schlauchanschlüsse 68, 68′ angeordnet sind, während auf den im zusammenge­ bauten Zustand gegenüberliegenden Fläche der Module 20, 20′ entsprechende Druckluftsteckverbindungen 70, 70′ montiert sind.

In Fig. 5 schließlich ist ein Druckluftenergie-Modulpaar 21, 21′ dargestellt, bei dem ebenfalls wieder an der radial außen liegenden Fläche der Module ein Schlauch­ anschluß 72, 72′ angeordnet ist, während auf den im zusammengebauten Zustand einander zugewandten Flächen der Module 21, 21′ Druckluftsteckverbindungen 74, 74′ montiert sind.

Aus dem Vergleich dieser drei typischen Module wird die erfindungsgemäße Anordnung der jeweils einander zuge­ wandten Steckverbindungen der Unter- und Oberteile der Modulpaare ersichtlich. Für jedes einzelne Modul ist eine verschiedene Anordnung auf den im zusammengebauten Zustand einander gegenüberliegenden Flächen ersichtlich, so daß auch bei unkorrekter Orientierung von Unterteil und Ober­ teil 12, 14 zueinander keine Kurzschlüsse in den jeweiligen elektrischen Steckverbindern erzeugt werden können.

Ebenfalls ist aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich, daß für jeden Modultyp bei konstanter Gesamthöhe der Modulpaare eine unterschiedliche Höhe der Einzelmodule eingehalten wird, so daß sich dadurch zusätzlich eine Codierung von Unterteil und Oberteil 12, 14 ergibt, die nur in einer einzigen Stellung den korrekten Zusammenbau von Oberteil und Unterteil erlaubt.

Des weiteren sei hier noch angemerkt, daß die in den Fig. 3, 4 und 5 bzw. in Fig. 1 dargestellten Module lediglich beispielhaft sind und daß sich je nach Anwendungszweck und Anforderungen beliebige Variationen in den Steckver­ bindungen und außen liegenden Anschlüsse der Module durch­ führen lassen.

Die Modulbauweise ist auch nicht nur auf die gezeigten elektrischen und Druckluftmodule beschränkt, sondern könnte beispielsweise ebenso Hydraulikverbindungen oder auch optische Signalleitungen umfassen.

Selbstverständlich können in beliebiger Weise häufig vor­ kommende Kombinationen von elektrischen, optischen Druck­ luftanschlüssen auf einem Modul untergebracht werden.

Claims (12)

1. Werkzeugwechselvorrichtung für Industrieroboter mit einem ersten und einem zweiten Grundkörper, die über Halteteile aneinander fixierbar sind und zueinander komplementäre Anschlüsse für die Energie- und/oder Signalübertragung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse an auf den Grundkörpern befestig­ baren Modulen (20, 21, 22, 23, 24; 20′, 21′, 22′, 23′, 24′) angeordnet sind, wobei jeweils ein am ersten Grund­ körper befestigtes Modul mit einem am zweiten Grund­ körper befestigten Modul ein Modulpaar (20, 20′; 21, 21′; 22, 22′; 23, 23′; 24, 24′) mit zusammenwirkenden Anschlüssen (66, 66′; 70, 70′; 74, 74′) bilden.

2. Werkzeugwechselvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Grundkörpern (16, 17) komplementäre Führungselemente (18, 19) angeordnet sind.

3. Werkzeugwechselvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Halteteile gleichzeitig Führungselemente (18, 19) umfassen.

4. Werkzeugwechselvorrichtung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Grundkörper (17) einen Signalgeber (41) und der andere Grundkörper (16) einen Signaldetektor (38) umfassen, die so ausgebildet sind, daß in korrekt fixiertem Zustand der beiden Grundkörper (16, 17) ein Freigabesignal erzeugbar ist.

5. Werkzeugwechselvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Signalgeber (41) und Signaldetek­ tor (38) an Modulen (22′, 22) angeordnet sind.

6. Werkzeugwechselvorrichtung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundkörper kreisförmige Trägerplatten (16, 17) sind.

7. Werkzeugwechselvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatten im korrekt fixierten Zustand in axialer Richtung auf Deckung zu­ einander angeordnet sind.

8. Werkzeugwechselvorrichtung nach einem der voranstehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halte­ teile als Hülse und komplementärer Kern ausgebildet und zentrisch auf den Trägerplatten angeordnet sind.

9. Werkzeugwechselvorrichtung nach einem der voranstehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Module als Teile von Kreissegmenten (20, 21, 22, 23, 24; 20′, 21′, 22′, 23′, 24′) ausgebildet sind.

10. Werkzeugwechselvorrichtung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Module auf den Grundkörpern (16, 17) rastbar befestigbar sind.

11. Werkzeugwechselvorrichtung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Module je nach Typ unterschiedliche Bauhöhe bei konstanter Bauhöhe der Modulpaare aufweisen.

12. Werkzeugwechselvorrichtung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander komplementär ausgebildeten Anschlüsse der Module zur Übertragung der Energie und/oder der Signale auf den einander zugewandten Flächen der Module so angeordnet sind, daß ein elektrischer Kontakt zwischen nicht zusammengehörigen Anschlüssen unterschiedlicher Module ausgeschlossen ist.