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Title:
COUPLING SYSTEM FOR COUPLING AND DECOUPLING A ROBOT TO AND FROM A SEALING ELEMENT IN A REMOTE-CONTROLLABLE MANNER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/080666
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a coupling system for the remote-controllable coupling of a robot hand to an opening in a working chamber. According to the invention, said coupling system is provided with at least one coupling element (162) that is connected to a feed-through ring element (160) of a sealing element in the opening. Bolt elements (144) connected to the robot hand (216) can be engaged with the coupling element (162) by means of a driving element (148). Said robot hand is connected to a terminal plate (150) on which an annular actuating element (140) is rotatably mounted. Said actuating element can be rotated by an angle (a) by means of the driving element (148), and at least one guiding groove (141) is provided in the actuating element, said groove extending from a first point, which is closer to the centre of motion, to a second outer point, at least over the angle (?). A bolt element (144) is respectively guided in the guiding grooves (141), said bolt element being radially displaceable with the rotation of the actuating element (140) and to be engaged with the coupling element (162).

Inventors:
Konert, Karl-heinz (Wildgrund 22, Emsdetten, 48282, DE)
Kampen, Berthold (Falkenweg 29, Reken, 48509, DE)
Oelerich, Bernhard (Weiner 296, Ochtrup, 48607, DE)
Dropmann, Heinrich (Stadtskamp 17, Metelen, 48629, DE)
Nadicksbernd, Reinhard (Althorststrasse 9, Ochtrup, 48607, DE)
Application Number:
PCT/EP2004/002597
Publication Date:
September 23, 2004
Filing Date:
March 12, 2004
Export Citation:
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Assignee:
Schlick, Roto-jet Maschinenbau Gesellschaft Mit Beschränkter Haftung (Heinrich-Schlick-Strasse 2, Metelen, 48629, DE)
Konert, Karl-heinz (Wildgrund 22, Emsdetten, 48282, DE)
Kampen, Berthold (Falkenweg 29, Reken, 48509, DE)
Oelerich, Bernhard (Weiner 296, Ochtrup, 48607, DE)
Dropmann, Heinrich (Stadtskamp 17, Metelen, 48629, DE)
Nadicksbernd, Reinhard (Althorststrasse 9, Ochtrup, 48607, DE)
International Classes:
B25J21/00; (IPC1-7): B25J21/00
Attorney, Agent or Firm:
Tarvenkorn, Oliver (Hoffmeister & Tarvenkorn, Goldstrasse 36, Münster, 48147, DE)
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Claims:
Patentansprüche :
1. Kupplungssystem zum fernbetätigbaren Kuppeln und Entkup peln einer Roboterhand (216) mit einem Dichtungselement (20) zur Abdichtung einer Ausnehmung (120) in einer Ar beitskammerwandung (110) gegenüber der darin eingreifen den Roboterhand (216), welches umfasst : wenigstens ein Kupplungselement (162), das mit einem Durchführungsringelement (160) des Dichtungselements (20) verbunden ist, und wenigstens zwei Riegelelemente (144), die mit der Ro boterhand (216) verbunden ist und die über wenigstens ein Stellelement (148) in den Eingriff mit dem we nigstens einen Kupplungselement (162) zu bringen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Roboterhand (216) mit einer Arretierungsplatte (150) verbunden ist, auf der ein ringförmiges Betätigungselement (140) drehbar gela gert ist, das über ein Stellelement (148) um einen Win kel (a) drehbar ist, und dass in dem Betätigungselement (140) wenigstens eine Führungsnut (141) vorgesehen ist, die sich ausgehend von einem näher am Drehpunkt des Be tätigungselements liegenden Punkt wenigstens über den Winkel (a) bis hin zu einem weiter außen liegenden Punkt erstreckt und in der wenigstens ein Riegelelement (144) geführt ist, das mit der Drehung des Betätigungselements (140) radial verschiebbar und in den Eingriff mit we nigstens einem Kupplungselement (162) zu bringen ist.
2. Kupplungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (140) eine angefaste Außen kante (142) aufweist und an wenigstens drei umfänglich angeordneten Führungsrollen (154), die auf der Arretie rungsplatte (150) gelagert sind und die kompatibel zum Profil der Außenkante (142) profiliert sind, drehbar ge lagert ist.
3. Kupplungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Riegelelemente (144) als Schieberie gelelemente ausgebildet sind und eine Auflaufschräge (145) aufweisen, welche wenigstens teilweise unter eine überkragende Auflaufschräge (163) am Kupplungselement (162) einschiebbar ist.
4. Kupplungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflaufschrägen (145,163) mit zueinander kom patiblen, sich radial erstreckenden Profilierungen (145.1, 163.1) versehen sind.
5. Kupplungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Auflaufschrägen (145) einen Steg (145.1) mit trapezförmigem Querschnitt und die andere Auflauf schräge (163) eine Nut (163.1) mit trapezförmigem Quer schnitt aufweist.
6. Kupplungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (162) durch ein umlaufendes Ringelement am Durchführungsring element (160) gebildet ist.
7. Kupplungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, dass drei Kupplungselements (162) am Durchführungsringelement (160) und drei Riegelelemen te (144), die jeweils in einer Führungsnut (141) des Be tätigungselements (148) geführt sind, vorgesehen sind.
8. Kupplungssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungs element (148) kreisringförmig ist und dessen Führungsnu ten (141) kreisbogenförmig sind.
9. Arbeitskammersystem bestehend aus einer Arbeitskammer wandung (110) mit wenigstens einer Ausnehmung (120), ei ner durch die Ausnehmung (120) in die Arbeitskam mer (100) eingreifenden Roboterhand (216), und einer Ab dichtungsvorrichtung, mittels der eine Abdichtung der Ausnehmung (120) gegenüber der eingreifenden Roboter hand (216) fernbetätigbar herzustellen und zu lösen ist, mit einem Kupplungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Description:
Kupplungssystem zum fernbetätigbaren Kuppeln und Entkuppeln eines Roboters mit einer Dichtung Die Erfindung betrifft ein Kupplungssystem zum fernbetä- tigbaren Kuppeln und Entkuppeln einer Roboterhand mit ei- nem Dichtungselement zur Abdichtung einer Ausnehmung in einer Arbeitskammerwandung gegenüber der darin eingreifen- den Roboterhand, welches umfasst : - wenigstens zwei Kupplungselemente, die mit einem Durch- führungsringelement des Dichtungselements verbunden sind, und - wenigstens ein Riegelelement, das mit der Roboterhand verbunden ist und das über wenigstens ein Stellelement in den Eingriff mit wenigstens einem der Kupplungsele- mente zu bringen ist.

Aus der DE 101 20 473 Cl ist eine gattungsgemäße Kupp- lungsvorrichtung bei einem Arbeitskammersystem bekannt, bei dem eine Roboterhand oder ein anderer Manipulatorarm durch eine Ausnehmung hindurch in eine Arbeitskammer ein- greift. Beim Einfahren des Roboters in die Arbeitskammer wird dieser mit seiner Roboterhand automatisch mit dem flexiblen Dichtungselement der Arbeitskammerausnehmung ge-

kuppelt. Ein solches Arbeitskammersysteme hat sich be- währt. Vorteilhaft ist insbesondere, dass automatisch, al- so ohne Montagetätigkeiten oder andere manuelle Eingriffe, eine sichere Abdichtung der Roboterhand in der Durchfüh- rung hergestellt und wieder gelöst werden kann. Dabei kann die Roboterhand während des Betriebs unter Beibehaltung der Abdichtung innerhalb der Arbeitskammer in mehreren Freiheitsgraden bewegt werden. Nach Beendigung des Ar- beitsvorgangs in der Kammer kann die Abdichtung fernbetä- tigt wieder gelöst werden, so dass die Roboterhand frei beweglich ist und mit dem Werkstück aus der Kammer heraus bewegt werden kann.

Dieses Arbeitskammersystem hat sich bewährt. Es hat sich allerdings gezeigt, dass durch die punktuell angeordneten Kupplungs-und Riegelelemente eine dichtende Verriegelung der Roboterhand mit der Arbeitskammer nur in sehr genau definierten Winkelstellungen der Roboterhand in Bezug zur Arbeitskammer möglich ist und dass die erforderliche punktgenaue Rückkehr in die vorgegebenen Verriegelungs- stellungen überhaupt im Arbeitsprozess verzögernd wirkt.

Aus der DE 101 62 780 Cl ist eine weitere gattungsgemäße Kupplungsvorrichtung bekannt, bei der die Kupplungselemen- te durch Kragrandelemente gebildet sind, die am Umfang des Durchführungsringelements befestigt sind und eine zum Mit- telpunkt des Durchführungsringelements ausgerichtete Krag- kante aufweisen. Die Riegelelemente sind jeweils durch Einschieben mittels Stellelementen unter die Kragkante in den Eingriff mit dem wenigstens einen Kragrandelement zu bringen. Damit ist eine abdichtende Verriegelung der Robo- terhand mit der Arbeitskammer in beliebigen rotatorischen Winkelstellungen möglich, bezogen auf die Ebene der Aus-

nehmung in der Arbeitskammer. Allerdings hat sich hier ge- zeigt, dass die separate Ansteuerung jedes Riegelelements durch ein eigenes Antriebselement, beispielsweise einen Pneumatikzylinder, schwierig zu koordinieren ist. Aufgrund von unterschiedlichen Charakteristiken der Pneumatikzylin- der, von Druckdifferenzen innerhalb des Systems etc. kann es dazu kommen, dass die Riegelelemente nicht gleichzeitig in Eingriff mit den Kupplungselementen kommen, so dass Verspannungen auftreten, die dazu führen, dass eine Ein- kupplung der etwas später bewegten Riegelelementen nicht mehr möglich ist. Es müssen in diesem Fehlerfall alle Ver- riegelungen wieder gelöst und der Kupplungsvorgang wieder- holt werden. Hierdurch kommt es zu Stillstandszeiten des Roboters und einer geringeren Produktivität der Anlage insgesamt.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Kupplungssystem der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass eine schnel- le und sichere Kupplung der Roboterhand mit der Dichtung ermöglicht wird.

Dies Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Roboterhand mit einer Arretierungsplatte verbunden ist, auf der ein ringförmiges Betätigungselement drehbar gela- gert ist, das über ein Stellelement um einen Winkel dreh- bar ist, und dass in dem Betätigungselement Führungsnuten vorgesehen sind, die sich ausgehend von einem näher am Zentrum des Betätigungselements liegenden Punkt wenigstens über den Winkel bis hin zu einem weiter außen liegenden Punkt erstrecken und in denen jeweils ein Riegelelement geführt sind, das mit Drehung des Betätigungselements die Riegelelemente radial verschiebbar und in den Eingriff mit dem Kupplungselement zu bringen ist.

Mit Roboterhand sind diejenigen Endachsen von Industriero- botern und anderen Manipulatoren bezeichnet, an denen bei- spielsweise ein Werkstückgreifer oder ein Bearbeitungs- werkzeug anzubringen ist.

Durch die gemeinsame und gleichzeitige Betätigung aller Riegelelemente durch die Drehung des ringförmigen Betäti- gungselements fahren alle Riegelelemente genau gleichzei- tig in die Ihnen zugeordneten Kupplungselemente. Fehlfunk- tionen bei der Verriegelung werden damit weitgehend ausge- schlossen. Die Prozesssicherheit und-geschwindigkeit wer- den erhöht. Vorteilhaft ist auch, dass nur noch ein Stellelement, beispielsweise ein Pneumatikylinder, für das Betätigungselement notwendig ist, wodurch das Kupplungs- system kostengünstiger herzustellen ist.

Vorzugsweise sind die Riegelelemente als Schieberiegelele- mente ausgebildet und weisen eine Auflaufschräge auf. Sie schieben sich dann unter eine überkragende Kante der Kupp- lungselemente, die ebenfalls eine Auflaufschräge am Kupp- lungselement aufweist, so dass ein Formschluss hergestellt wird.

Anstelle von Schieberiegelelementen können auch die aus der DE 101 62 780 Cl bekannten sichelförmigen Schwenkrie- gelelemente bei dem erfindungsgemäßen Kupplungssystem an das Betätigungselement angekuppelt sein, insbesondere über Pleuelstangen. Zur näheren Darstellung der Ausbildung und der Funktionsweise der Schwenkriegelelemente und der zuge- hörigen Kupplungselemente wird diese Schrift vollinhalt- lich in Bezug genommen.

Da eine zentrische Ausnehmung in der Arretierungsplatte einen relativ großen Durchmesser für die Aufnahme der Ro- boterhand aufweisen muss, und das ringförmige Betätigungs-

element noch außerhalb dieser Ausnehmung anzuordnen ist, wäre eine Lagerung über entsprechend groß dimensionierte Wälzlager zwar möglich, aber kostspielig. Vorzugsweise weist das Betätigungselement deshalb eine angefaste Außen- kante auf und ist an wenigstens drei umfänglich angeordne- ten Führungsrollen, die auf der Arretierungsplatte gela- gert sind und die kompatibel zum Profil der Außenkante profiliert sind, drehbar gelagert. Dies stellt eine einfa- che, leicht zugängliche und ausreichend präzise Lagerung dar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kupplungssystems sind den weiteren Unteransprüchen zu ent- nehmen und werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung näher be- schrieben. Es zeigen im einzelnen : Fig. 1 eine Vorderansicht auf ein erfindungsgemäßes Kupplungssystem ; Fig. 2 ein Detail am Außenrand des Kupplungssystem aus Fig. 1 ; Fig. 3 je ein profiliertes Riegel-und Kupplungsele- ment in Ansicht von vorn ; und Fig. 4 einen Ausschnitt einer Strahlkammer mit einem von außen eingreifenden Industrieroboter in seitlicher Schnittansicht.

In Fig. 4 ist eine an sich bekannte Arbeitskammer 100 dar- gestellt. Ein Industrieroboter 200 ist außerhalb der Ar- beitskammer 100 angeordnet. Der Industrieroboter 200 weist sechs Rotationsachsen 201... 206 und damit sechs Freiheits- grade auf. Die 6-Achsen-Kinematik ermöglicht, innerhalb

des Arbeitsbereichs jeden Punkt im Raum in beliebiger Ori- entierung des letzten Robotergliedes, beispielsweise der Roboterhand 216 mit einem Werkstückgreifer 220, anzufah- ren.

Die Hochachse 201 ist eine Rotationsachse, um die der ge- samte Industrieroboter 200 gegenüber einem Fundament 130 rotierbar ist. Aufeinander folgend sind zwei Knickachsen 202,203 angeordnet, mit denen der so genannte Oberarm 212 und der Unterarm 213 geneigt werden können. Hierüber ist das so genannte Handgelenk 205, das ein weiteres Knickge- lenk ist, im Raum positionierbar. Die Orientierung des Handgelenks 205 in Bezug auf den Unterarm 213 kann noch durch eine Rotationsachse 204 geändert werden.

Über die Rotationshandachse 206 ist die Roboterhand 216 mit dem daran angebrachten Bearbeitungs-oder Spannwerk- zeug, beispielsweise dem Werkstückgreifer 220, rotierbar.

Das Handgelenk 205 und die Roboterhand 216 mit dem Werk- stückgreifer 220 befinden sich bei der in Figur 1 darge- stellten Arbeitssituation innerhalb eines durch die Ar- beitskammerwandung 110 hindurch geführten Durchführungs- ringelements 160, das den starren Abschlussrand des Dich- tungselements 20 darstellt, und sind an dieses starr ange- kuppelt. Das Durchführungsringelement 160 ist an der zent- ralen Dichtung des endlosen, flexiblen Dichtungselement 20 als steifer Adapter angeordnet und somit über Dichtungs- element 20 mit der Arbeitskammerwandung 110 verbunden.

Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Kupplungssystem in einer Ansicht von vorne. Es besteht im wesentlichen aus - einer Arretierungsplatte 150 ; - einem Betätigungselement 140 mit Riegelelementen 144, - einem Stellelement 148, und

- einem Durchführungsringelement 160 mit Kupplungselemen- ten 162.

Die Arretierungsplatte 150 ist in einem Flanschbereich 152 mit der hier nicht dargestellten Roboterhand verbunden und ist gegenüber dem außenliegenden Durchführungsringele- ment 160 um einen Luftspalt 2 beabstandet.

Das Betätigungselement 140 ist drehbar auf der Arretie- rungsplatte 150 gelagert. Hierzu weist es vorzugsweise ei- ne beidseitig angefast, V-förmige Kante auf, die zwischen wenigstens drei mit einer entsprechenden V-förmigen Ein- kerbung versehenen Führungsrollen 154 geführt und drehbar gelagert ist.

Das Betätigungselement 140 weist mehrere Führungsnuten 141 auf, die sich ausgehend von einem Punkt auf einem kleinen Radius wenigstens über den Winkel a bis hin zu einem Punkt auf einem größeren Radius erstrecken, d. h. die Nut ist schräg zu einer gedachten Sekante oder einer Tangente am Kreisbogen des Betätigungselement 140 angestellt. Mit an- deren Worten : die Führungsnuten 141 erstrecken sich je- weils ausgehend von einem näher am Zentrum des Betäti- gungselements liegenden Punkt wenigstens über einen Winkel wenigstens entsprechend dem notwendigen Drehwinkel a des Betätigungselements 140 bis hin zu einem weiter außen liegenden Punkt, wodurch eine Radialbewegung des darin gleitend gelagerten Riegelelements 144 erzeugt wird. Die in den Nuten 141 geführten Riegelelemente 144 werden bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform durch eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn, radial nach außen bewegt und in die entsprechenden Kupplungselemente 162 am Durch- führungsringelement 160 eingeschoben, so dass ein Form- schluss von Arretierungsplatte 150 und Durchführungsring-

element 160 hergestellt wird, wodurch zugleich die Robo- terhand 216 mit der Dichtung 20 gekuppelt ist. Die Drehung des Betätigungselements 140 wird über ein'exzentrisch an- greifendes Stellelement 148, beispielsweise einen Pneuma- tikzylinder, bewirkt.

Wie insbesondere Fig. 2 zeigt, sind die Riegelelemente 144 vorzugsweise in einer mit der Arretierungsplatte 150 fest verbundenen Schiebeführung 156 geführt, um lagegenau in die gegenüber am Durchführungsringelement 160 befindlichen Kupplungselemente 162 eingreifen zu können. Dies ist ins- besondere wichtig, damit sich radial erstreckende Profi- lierungen an Riegel-und Kupplungselementen, die eine drehfeste Verriegelung bewirken, ineinander greifen.

Um mit der Kupplung auch eine Verdrehsicherheit zu bewir- ken, kann nämlich vorgesehen sein, dass die Auflaufschrä- gen 145,163 mit zueinander kompatiblen, sich radial erstreckenden Profilierungen versehen sind. Fig. 3 zeigt in einem Blick von der Schmalseite des Riegelelements 144 her, dass dieses auf seiner Auflaufschräge 145 einen Steg 145.1, hier mit trapezförmigem Querschnitt, aufweist.

Die Auflaufschräge 163 des Kupplungselements 162 weist ei- ne hierzu kompatible, insbesondere ebenfalls trapezförmige Nut 163.1 auf.

Die Rückseite 151 der Arretierungsplatte 150 ist auch die Trennebene der beweglichen Einheit aus Roboterhand, Arre- tierungsplatte 150 und Betätigungselement 140 mit den zu- gehörigen Anbauteilen und der mit der Arbeitskammerwandung fest verbundenen Einheit aus Dichtungselement 20 und Durchführungsringelement 160.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind an den Riegel- elementen 144 und an den Kupplungselementen 162 Auflauf-

schrägen 145,163 vorgesehen, um das Ineinandergreifen der Elemente zu erleichtern und eine zusätzliche reibschlüssi- ge Verspannung der miteinander gekuppelten Bauteile zu er- reichen. Mit dem Einkuppeln wird so die Arretierungsplatte 150 mit ihrer Rückseite 151 gegen einen elastomeren Dicht- streifen 21 am Durchführungsringelement 160 des Dichtungs- element 20 gepresst.