DK201700599A1 - Automatisk værktøjsveksler til robotter - Google Patents

Abstract

Automatisk værktøjsveksler til robotter der gør det muligt for en robotarm at koble sig til eller fra et værktøj alene ved hjælp af robotarmens bevægelser. Værktøjet forbindes til robotarmen gennem en Kelvin kobling baseret på kugler og forbindelsen fastholdes ved at en krog ophængt i en krumtap trækker de to dele af koblingen sammen ved hjælp af en tværstang. En tap på siden af krogen følger et spor i koblingens hus og styrer krogens bevægelse så krogen går fri af tværpinden når krumtappen drejes til den åbne position og trækkes ind over tværpinden inden krogen trække de to dele af koblingen fast sammen. Tværpinden er svagt konisk og kan flyttes i længderetningen så trækkraften i kroge og krumtap kan justeres. Krumtappen drives rundt af en streng af kugler der, gennem et rørsystem, presses ind i en kanal, der omslutter krumtappen. Adskillelsen sker ved at koblingen føres ind i en udskæring i en gummiophængt parkeringsplade hvor koblingens værktøjsdel holdes fast af et spor omkring koblingen. Når robotarmen drejer koblingen i parkeringspladen, holdes kransen fast af udskæringen i parkeringspladen og kransen skubber kuglestrengen ind omkring krumtappen. Koblingen samles igen ved at dreje koblingen modsat rundt i holderen. Koblingen har indbygget en serie afbryder og modstande der gør det muligt at bruge udgangsspændinge fra en spændingsdeler til at aflæse koblingens tilstand og identificere det tilkoblede værktøjet

Description

Små robotter til håndtering af emner eller til udførsel af simple operationer, består typisk af en robotarm og et værktøj som f.eks. en griber. Robotarmen er styret via en computer med et styringsprogram der kan dreje de forskellige led så robotarmen udfører ønskede bevægelse eller holder en bestemt position. Robotarmen med styring er typisk en standard enhed der kan bruges til mange forskellig typer opgaver. På enden af robotarmen er der monteret et værktøj som gør det muligt for robotarmen at udføre en bestemt opgave. Værktøjet er tilpasset opgaven og hvis robotten skal udføre en anden type opgave er det nødvendigt at skifte værktøjet.

Hvis man ofte har behov for at skifte værktøj kan værktøjet skrues af robotarmen. Det er også muligt at koble værktøjet til robotarmen med en særlig skifteanordning. En operatør kan med skifteanordningen afmontere et værktøj og montere et andet værktøj uden brug af ekstra værktøj. Ofte må pneumatiske og elektriske forbindelser mellem robotarmen og værktøjer dog skiftes af operatøren ved samme lejlighed. Nogle avancerede manuelle værktøjsskifter har dog også specielle stik så elektriske og pneumatiske forbindelser omkobles samtidig med at værktøjet skiftes.

Når der skiftes frem og tilbage mellem forskellige værkøjer på en robotarm er det vigtigt at hvert værktøj kommer til at sidde i præcis samme position når det genmonteres. Ellers vil robotten miste sin præcision og skal evt. omprogrammeres for at kunne bruge værktøjet igen. Manuelle værktøjsveksler er derfor typisk udformet som præcise flangekoblinger der spændes sammen af en vrider eller med en omløber. Større robotter, der har behov for at skifte mellem forskellige værktøjer, har typisk en automatisk værktøjsveksler. Her bliver sammenspændingen af flangerne udført ved hjælp af pneumatik, hydraulik eller en elektrisk motor i koblingen.

I denne automatiske værktøjsveksler udnyttes robotarmens bevægelse til at fra koble og til koble værktøjet. Låsemekanismen drives af robotarmens bevægelse. På Fig.1 er koblingens to dele vist adskilte. (1) er den del af koblingen der er monteret på robotarmen og (2) er delen der er monteret på værktøjet.

Præcisionen i sammenkoblingen opnås ved hjælp af en Kelvin kobling hvor de to dele af koblingen går i indgreb i tre punkter. Disse indgrebspunkter danner en trekant.

På Fig. 2 vises de to koblingsdele adskilt og man ser kuglerne der danner indgrebspunkterne.

I det første indgrebspunkt låses tre frihedsgrader ved at en kugle (3), fastmonteret i den ene koblingspart, presses ned mod tre kugler (4) fastmonteret i den anden koblingspart. Disse tre kugler sider i en lille trekant med en indbyrdes afstand der gør at de tre kontaktpunkter mellem kuglerne er vinkelret på hinanden.

Side 1/17

DK 2017 00599 A1

I det andet indgrebspunkt presse en kugle på samme måde ned mellem to kugler. Også her er afstanden mellem kuglerne valgt så de to kontaktpunkter bliver vinkelret på hinanden. Desuden er centerlinjen mellem de to kugler i det andet indgrebspunk vinkelret på linen mellem centeret af de tre kugler i det første indgrebspunkt og centeret af de to kugler i andet indgrebspunkt.

I det tredje indgrebspunkt presse en kugle i den ene koblingspart direkte mod en enkelt kugle i den anden koblingspart. Her er kontaktfladen mellem de to kugler parallel med planet for sammenkoblingen af de to koblingsdele.

Dette koblingsprincip svarer til en Kelvin kobling hvor de klassiske koniske huller, v-spor og plane anlægsflader er afløst af tre, to og en kugle.

Kelvin koblingen er kendt for at give en ekstrem høj gentagelsesnøjagtighed og bruges derfor ofte i optiske opstillinger. Maxwell koblingen, som ligner Kelvin koblingen men bygger på kugler der hviler i v-spor, bliver brugt til præcis manuel montering af instrumenter på robotter som beskrevet i US 8,500,132 B2.

De to koblingsdele holdes sammen ved at en krog (5) i den ene koblingsdel griber fat i en tværstang (6) i den anden koblingsdel. Krogen er placeret ca. midt mellem de tre koblingspunkter.

Krogen der trækker de to koblingsdele sammen er monteret på en krumtap, sådan at krumtappen netop kan drejes over toppunktet når koblingen er samlet. Krumtappen drejes lidt forbi toppunktet og op mod et stop og bliver på denne måde låst i den sammenkoblede position. Fig. 3 viser et snit gennem en let adskilt kobling hvor krogen (5) i den fri position. Tværstangen (6) ses i værktøjsdelen af koblingen (2). På Fig. 4 er koblingen samlet og krogen (5) griber om tværstangen (6).

Tværstangen er en svag konisk stift der er anbragt i et tilsvarende svagt konisk hul i den ene koblingsdel. Det koniske hul har en svag hældning sådan af den side af stiften som krogen trækker i netop er parallel med planen for sammenkoblingen. Et snit gennem en låst kobling er vist på Fig. 6. Krogen (5) griber om den koniske tværpind (19). Krogen hænger på rumtappen (18) der er ophængt i kuglelejer.

Ved at flytte den koniske stift frem og tilbage i det koniske hul kan placeringen af fladen krogen griber i varieres. Denne mulighed for variere afstanden mellem krumtap (18) og tværstang (19) bruges til at justere trækket i krogen og til at kompensere for variationer fra fremstillingen af koblingsdelene.

Krogens bevægelse styres af en stift (16) på siden af krogen. Denne stift følger et spor (17) i koblingspladen og sammen med krumtappens bevægelse får det spidsen af krogen til at følge en bane hvor krogen drejer væk fra tværstangen (16) når koblingen frigøres. Tilsvarende drejes krogen ind over tværstangen når krumtappen begynder på lukke

Side 2/17

DK 2017 00599 A1 bevægelsen. Spidsen af krogen trækkes derefter ret frem mod tværstangen og først lige før krumtappen (18) når sin topstilling bliver krogen fri til selv at tilpasse sig mellem krumtap og tværstangen. Et snit gennem koblingen på Fig. 5 viser krogen (5) med tappen (16) der følger sporet (17).

Krumtappen aktiveres af en streng af kugler (19) presses ind i en vinge pumpe på enden af krumtappen. Ved at trykke kuglerne ind i den ene eller anden side af kanalen rundt om krumtappen (18) vil vingen (24) dreje krumtappen rundt. På Fig. 7 er krumtappen (18) med krogen (5) vist fra enden så man kan se den ringformede kanal med vingen (24) som udgør en fast del af krumtappen. En streng af kugler (19) presses ind i hver side af kanalen og kan derved drive krumtappen rundt. Når kuglerne presses ind i den ene side skubbes kuglerne samtidig retur i den anden side. På Fig. 8 vises de samme komponenter fra den anden side. Her ser man enden af krumtappen (18) og krogen (5) med tappen (16).

Kuglerne ledes ind i den ringformede kanal fra to rørkanaler i koblingspladen. En krans (9) omkring koblingspladen kan drejes rund om koblingspladen og trykker derved kuglerne ind i den ene eller anden kanal til krumtappens vingepumpe. På Fig. 9 er krumtapmekanismen med kuglestrengene (19) vist sammen med kransen (9).

Den del af koblingen der sidder på værktøjet (2) er forsynet med et spor (14) omkring koblingen. Dette spor passer med udskæringen (23) i den holder(20) hvor værktøjet placeres når det ikke bruges.

Der er en åbning i parkeringspladen ind til den position hvor værktøjet parkeres. Denne åbning er dog lidt smallere en diameteren i parkeringspositionen. Et par udskæringer i bunden af sporet (14) på værktøjets koblingsplade tillader netop koblingen at passere ind i udskæringen i parkeringspladen.

Når koblingen er i parkeringspositionen kan koblingen drejes så koblingen ikke kan føres tilbage ud af holderen.

Kransen omkring koblingen har en forhøjning (15) der passer i brede med passagen ind i parkeringspladen (20). Når koblingen føres ind i parkeringspladen bliver denne forhøjning fanget i indløbet. Når koblingen drejes i parkeringspositionen vil forhøjning fastholde kransen så kransen (9) kommer til at dreje rundt om koblingen.

Parkeringen af et værktøj foregår ved at robotarmen fører koblingen ind i parkeringspladen (20) og drejer koblingen rundt hvorved kransen (9) drejes i forhold til koblingspladen med krumtappen. Kransen skubber kuglerne gennem kanalerne og ind i krumtappens vingepumpe. Krumtappen drejes og krogen gøres fri af tværstangen. Nu kan robotarmen trække den faste del af kobling ud af koblingens værktøjsdel og koblingen er adskilt. Den parkerede kobling er vist på Fig. 12

Side 3/17

DK 2017 00599 A1

Når robotarmen skal koble sig på et værktøj føres armen med koblingspladen ind i den koblingsplade der sidder i holderen med værktøjet.

Koblingen på robotarmen har nogle forhøjede sider der danner et konisk indgang ned mod fladen med Kelvin koblingen. Koblingspladen på værktøjet er tilsvarende konisk på ydersiden og disse to koniske flader hjælper robotarmen med at ramme rigtig ned i koblingen.

De koniske sider har desuden nogle tapper (8) og spor (7) der kun tillader koblingen at blive samlet hvis de to koblingsdele er drejet rigtig i forhold til hinanden.

Parkeringspladen (20) med værktøjet er fleksibelt ophængt (22) og tillader en lille bevægelse hvis robotarmen ikke rammer helt rigtig eller hvis den bevæger sig lidt for langt. Når robotarmens koblingsplade kommer så langt ind i værktøjets koblingsplade at kuglerne i Kelvin koblingen får kontakt vil kuglerne dreje de to dele i den rigtige position i forhold til hinanden. Når Kelvin koblingen bliver holdt sammen vil der ingen kontakt være mellem de to koniske indføringssider på koblingspladerne.

Forhøjningen (15) på kransen på robotarmens koblingsplade vil i denne situation være placeret i parkeringspladens indløb. Når robotarmen drejer koblingen rundt vil parkeringspladen(20) holde kransen (9) tilbage og kransen vil skubbe kuglerne rund i kredsløbet og derved aktivere krumtappen (18) og krogen (5). Til sidst i denne drejebevægelse vil krumtappen passere toppunktet og krogen vil fastholde værktøjets koblingsplade. Nu kan robotarmen føre armen med den sammenlåste kobling og værktøjet ud af holderen (20).

Imellem kuglerne i Kelvin koblingen er der anbragt et sæt kontaktenheder, (10) og (11) på Fig. 2, der overfører el og signaler mellem robotarm og værktøj. Desuden er der en også et sæt pneumatisk koblinger der slutter to pneumatiske forbindelser når koblingen låses, (12) og (13) på Fig. 2.

De elektriske kontakter i begge dele af koblingen er udført som selvstændige enheder der kan udskiftes eller helt undlades. Den pneumatiske kobling er på samme måde en selvstændig enhed der kan udskiftes eller udelades.

Koblingen på robotarmen har tre indbyggede elektriske kontakter der aktiveres under sammenkoblingen. Den første kontakt (S1) aktiveres af en stift mellem gruppen af tre kugler i Kelvin koblingen. Når kuglen i den modstående koblingspart presse op mod de tre kugler aktiveres denne kontakt (S1). De to andre kontakter aktiveres af krogen henholdsvis når krogen er fri af tværpinden (S3) og når krumtappen er passeret over toppunkter og krogen derfor er i en låst position(S2).

Side 4/17

DK 2017 00599 A1

De tre kontakter indgår i et kredsløb med nogle elektriske modstande. Udefra kan dette kredsløb påtrykkes en forsyningsspænding (Power samt GND) og modstandene vil danne en spændingsdeler. Målespænding (M) fra spændingsdeleren vil afhænger af modstandene i kredsløbet og af hvilke modstande de tre kontakter har koblet ind eller ud af kredsløbet.

Et diagram for kredsløbet er vist på Fig. 13.

Ved at aflæse denne målespænding kan man skelne mellem tre tilstande af koblingen. Koblingen kan være med krogen i den åbne position og uden værktøj monteret dvs. at koblingen er klar til at koble ind på et værktøj.

Spænding kan også indikere at koblingen er i en mellem position hvor krogen er aktiveret og en samlingen af kobling er i gang. I den tredje tilstand indikere spændingen at robotarmens kobling er koblet til et værktøj og at krogen er i den låste position.

Hvis der er en elektrisk koblingsenhed monteret i værktøjets koblingsplade og denne elektriske koblingsenhed er udstyret med en passende modstand (Rid) vil denne modstand også blive koblet ind i spændingsdeleren. På Fig. 13 er forbindelsen til koblingens værktøjsdel vist som en elektrisk kobling med Pogo pins.

Hvis der kobles en modstand fra værktøjsdelen (Rid) ind på kredsløbet vil det give en spænding på spændingsdelerns udgang (M) som er afhænig af denne modstand (Rid). Ved at aflæse målespændingen i denne situation kan man ikke blot konstatere at koblingen er lukket og låst men man kan desuden identificere værktøjet ud fra den aktuelle spændingen.

Hvis der ikke er nogen modstand i værktøjets elektriske koblingsenhed vil man blot få en spænding der indikere at koblingen er lukket og låst men man vil ikke have nogen identifikation af værktøjet.

Spændingsdeleren har en ekstra modstand (R3) hvis formål er at begrænse strømmen hvis der skulle opstå en fejltilstand hvor flere kontakter bliver aktiveret samtidig. Desuden er der en ensretter (D1) i indgangen fra modstanden fra værktøjet. Denne ensrette forhindre at strømmen kan løbe den forkerte vej gennem kredsløbet f.eks. under sammen koblingen af de fjedre påvirkede kontaktpinde (Pogo Pin).

Claims (10)

1. PATENTKRAV

   1. Kobling til fastgørelse af et værktøj på en robotarm på en sådan måde at robotarmen ved at udføre en serie bevægelser kan tilkoble og frakoble værktøjet kendetegnet ved, at kontaktfladen mellem robotarm og værktøj udgøres af en Kelvin kobling hvor tre

   5 kontaktelementer, arrangeret på kontaktfladen så de udgør en trekant bestående af et kontaktelement hvor en kugle på koblingens ene halvdel har kontakt med tre kugler på koblingens anden halvdel sådan at de trekontaktflader er vinkelrette på hinanden samt et kontaktelement hvor en kugle har kontakt med to kugler sådan at de to kontaktflader er

   10 vinkelrette på hinanden samtidig med at aksen mellem de to kugler i dette kontaktelement er vinkelret på aksen mellem dette kontaktelement og kontaktelemente med tre kugler desuden består det tredje kontaktelement af to kugler hvor kontaktfladen er parallel med koblingens kontaktflade
2. 2. Kobling ifølge krav 1, kendetegnet ved at en krog placeret mellem de tre kontaktelementer kan trække de to dele af koblingen samme med

   20 en kraft stor nok til at fastholde kontakten i alle kontaktpunkter medens koblingen udsættes fra belastninger fra robotarmen og værktøjet

   25
3. 3. Kobling ifølge krav 1 og krav 2, kendetegnet ved at krogen der holder de to koblingsdele sammen er ophængt på en krumtap sådan at krumtappen ved en drejebevægelse den ene vej kan frigøre krogen fra sit indgreb i den modstående koblingsdel og ved en drejning den anden vej kan trække den modstående koblingspart til sig så der bliver fuld

   30 kontakt i alle Kelvin koblingens kontaktflader
4. 4. Kobling ifølge krav 1, krav 2 og krav 3, kendetegnet ved

   35 krumtappen der bevæger krogen drives rundt ved at en streng af kugler presses ind i en kanal omkring krumtappen og her presser mod krumtappen ved hjælp af en vinge eller tap der er en del af krumtappen og som også kan drive krumtappen i den modsatte omdrejningsretning ved at en streng af kugler presses ind i kanalen fra den anden side

   40 samtidig med at vingen eller tappen skubber kuglerne ud af kanalen i den modsatte side

   Side 6/17

   DK 2017 00599 A1
5. 5. Kobling ifølge krav 1, krav 2, krav 3 og krav 4, kendetegnet ved at de to strenge af kugler der driver krumtappen rundt føres frem til kanalerne omkring krumtappen gennem to kanaler eller rør som begge munder ud i et spor der omslutter den koblingsdel som rummer krumtappen og kuglerne fastholdes i dette spor ved en drejelig krans som har to endestop der begrænser kuglernes bevægelse på en sådan måde at en drejning af kransen vil presse kuglerne frem gennem henholdsvis den ene eller den anden kanal alt efter hvilken retning kransen drejes i dog kan kuglerne i det sidste stykke af sporet op mod endestoppet være erstattet af en spiral eller en bøjelig stang
6. 6. Kobling ifølge krav 1, krav 2, krav 3, krav 4 og krav 5, kendetegnet ved at bevægelsen af krogen der ved drejning af krumtappen fastholder eller frigiver den modstående koblingspart er styret af en tap på siden af krogen der ledes gennem et spor langs siden af krogen og som derved styrer bevægelsen af krogen sådan at spidsen af krogen drejes væk fra indgrebspunktet når krumtappen drejes til den position hvor krogen frigiver koblingens modepart og tilsvarende fører spidsen af krogen ind over angrebspunktet når krumtappen drejes over mod den den position hvor krogen går i indgreb med koblingens modpart desuden tillader sporet til tappen på krumtappen krogen en større bevægelsfrihed på det sidste stykke af krumtappens bevægelse hvor krogen er i indgreb med modparten og hvor krogens bevægelse derfor styres af kontakten i indgrebspunktet og krumtappens bevægelse
7. 7. Kobling ifølge krav 1, krav 2, krav 3, krav 4, krav 5 og krav 6, kendetegnet ved at krogen der holder de to dele af koblingen sammen griber om en let konisk tværstang der er indskudt i et tilsvarende let konisk hul på tværs af koblingsdelen sådan at den har en lille hældning i forhold til fladen mellem de to koblingselementer og sådan at den flade krogen griber mod tangerer en flade parallel med fladen mellem de to koblingsdele samtidig med at tværstangen er begrænset i bevægelsen i længdeaksen af et justerbart stop ved hver ende af tværstangen
8. 8. Kobling ifølge krav 1, krav 2, krav 3, krav 4, krav 5, krav 6 og krav 7, kendetegnet ved at pladen koblingens værktøjsdel føres ind i og fastholdes i når værktøjet er frakoblet er ophængt i fjederelementer af fortrinsvis gummi på en sådan måde at de tillader pladen både at flytte og dreje sig lidt for at give robotarmen plads til at presse pladen lidt ud af position under ind- og udførsel samt under låsning og frigørelse af låsefunktionen

   Side 7/17

   DK 2017 00599 A1
9. 9. Kobling ifølge krav 1, krav 2, krav 3, krav 4, krav 5, krav 6, krav 7 og krav 8, kendetegnet ved at koblingen er udstyret med en afbryder der aktiveres når de to koblingselementer er samlet samt en serie afbryder der aktiveres af krogens bevægelser eller krumtappens drejning på en sådan måde at disse afbryder indgår i et elektrisk kredsløb men en serie modstande på en sådan måde at modstandene danner en spændingsdeler hvor en udgangs spænding kan måles når kredsløbet er koblet ind mellem en 0-leder og en spændingsforsyning dog sådan at de forskellige afbryder kan ind og udkoble dele af kredsløber og derved ændre udgangsspændingen efter hvilke afbryderer der er aktiveret
10. 10. Kobling ifølge krav 1, krav 2, krav 3, krav 4, krav 5, krav 6, krav 7, krav 8 og krav 9, kendetegnet ved at modstandskredsløbet ved hjælp af en elektrisk forbindelse mellem koblingsdelene kan tilkobles en modstand placeret i værktøjsdelen af koblinger og hvor denne modstand er valgt sådan at udgangsspændingen fra spændingsdeleren antager en forud valgt værdi der således kan bruges til at identificere værktøjet dog således at strømmen gennem modstanden i værktøjsdelen passerer genne en dioder der forhindre at strømmen kan løbe gennem kredsløbet på en ikke hensigtsmæssig måde under tilkoblingen eller frakoblingen

    Side 8/17