工具更换系统的制作方法
专利名称：工具更换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于由多部件组成的工具的工具更换系统。
背景技术：
专利文献DD 226826 Al公开了一种这样的工具更换系统。工具被设计为具有可更换夹爪的机器人夹钳，夹爪可以由供应装置的保持器接收。工具具有与机器人手相连接的基座部件，该基座部件具有两个可行进地安装在其上的容纳件(Aufnahme)，在此，每个容纳件可与夹爪耦合，并通过弹簧加载的锁定螺栓确保这种耦合状态。为了松开锁紧装置而使容纳件互碰，在此，锁定螺栓被彼此相对挤压并被压入开启位置中，这使得夹爪能够耦合和退耦。这种类型的锁紧装置要求夹爪具有相应的造型。锁紧装置设置在容纳件上，因此将承受持久的负荷。此外，没有规定锁定螺栓在容纳件互碰时的相对位置，而这可能会导致运行故障。由专利文献DE 3705884 C2可知，在一种多部件的平行夹钳中，借助于电磁铁和简单的形状配合的插头榫接合(Steckzapfenverbindung)将可更换的夹片保持在工具基座部件的可横向运动的容纳件上。电磁铁形成一种可控的工具内部的锁紧装置。其将保护所述形状配合的榫接合并将夹片保持在其工具侧的容纳件上。料箱中包括具有直立定位销的水平载体，所放出的夹片放置在该载体上并形状配合地保持。专利文献DE 102005052627 Al提出了一种类似的由多部件组成的平行夹钳，其具
有用于可更换夹片的工具内部的磁力锁紧装置。专利文献DE 3513893 Al公开了一种平行夹钳，其在工具基座部件和可更换的夹爪之间具有由棘爪弹簧构成的锁紧装置。棘爪弹簧通过机器人的进给运动加以控制。专利文献US 4913617 A、DE 3340912 Al和DD 253971 Al也提出了类似的工具更换系统，具有可通过机器人的运动进行操作的锁紧装置，其中，通过静止的圆锥形销钉张开锁定元件
发明内容
本发明的目的在于提出一种不同的和更好的工具更换系统。本发明的目的通过一种工具更换系统得以实现，其具有由多个部件组成的工具和用于可更换工具部件的供应装置，其中，为待耦合的工具部件设置具有形状配合且自动闭合的锁紧装置的耦合装置，并在供应装置上设置用于可更换工具部件的保持器，其中，保持器具有力元件，其产生用于操作锁紧装置的、自身的力，该力作用在位于被保持的工具部件上的锁紧装置上并将其打开。根据本发明的工具更换系统的优点在于高操作安全性和可用性。其特点在于较低的制造成本和较小的重量。此外，该工具更换系统不需要外部能源供应，特别是不需要电源接口或压缩空气连接等等。控制成本也得以降低。此外，能够实现工具部件的耦合连接的无间隙化并以最优的能力来传递力和力矩。
根据本发明的工具更换系统特别适用于轻型机器人，其具有有限的和相对较低的力。并且由于其简单的结构因而也是非常经济的。特别优选将该工具更换系统与具有一个或多个力控制或力调节的机器人轴的机器人相结合，在此，机器人轴具有配属的传感装置，用于检测作用在机器人轴上的负荷。传感装置也可用于控制在耦合和退耦时的机器人运动并检测存在于此的机械负荷情况。可以检测和识别运行故障以及由此产生的机械阻力。供应装置上的保持器具有力元件，用以产生自身的用于控制锁紧装置的力。该力开放地作用于保持在供应装置上的工具部件的锁紧装置上。这种力元件可以是长期有效的。其也可以在没有外部能源供应的情况下起作用。在一种优选的实施方式中，将力元件设计为磁铁，其磁力作用于锁紧装置上并优选打开锁紧装置。磁铁例如可以是永磁铁或电磁铁。其他的力元件可以通过场、特别是电场产生作用力。这种力元件例如可以由电线圈构成，其可以与距离相关地在锁紧装置的电传导锁定元件和可能的磁性传导锁定元件上产生作用。另一种具有自身的力作用的力元件可以通过负压或超压运行。这种力元件例如可以被设计为抽吸装置。以上所述力元件优选在没有机械接触地或无接触地作用在锁紧装置上。在另一种实施方式中，位于保持器上并具有自身的力作用的力元件可以是可控的动臂机构(Aktor)，其无接触地或以机械的方式并以形状配合或力配合的接触作用在锁紧装置上。用于可更换工具部件的位于保持器上的力元件可以拥有多重功能。一方面，其可以打开位于可更换工具部件上的锁紧装置，并由此打开用于实现容易地耦合和退耦的耦合器，在此，耦合运动没有阻力或至少没有明显的阻力。此外，力元件可以在保持器上将可更换工具部件保持在静止位置上，并确保其静止位置。由此可以对可更换的工具部件进行精确地定位，以实现耦合和退耦。力元件可以拥有与距离相关的力作用，这种力作用例如在保持器上的可更换工具部件的抵接位置和接收位置上是最大的，并随着工具部件和保持器之间距离的逐渐增大而减少至为O。这种与距离相关的力作用例如存在于场中，特别是在电场和/或磁场中。通过力元件的受限的作用路径可以确保:在可更换工具部件仍然在保持器上被引导期间，耦合器和锁紧装置被闭合。在耦合和退耦时能够不失去其位置或以其它意外的方式改变其地点。用于耦合和退耦以及用于解除力元件作用的力可以通过驱动器在其它的工具部件、特别是基座部件上产生，或者通过其它工具部件借助于操控装置、特别是机器人的运动而产生。根据本发明的工具更换系统适用于各种不同类型的工具。特别是适用于夹钳，尤其是平行夹钳。夹钳可以具有两个或多个可更换的夹爪。此外也可用于其它任意的工具结构，其中，可耦合的工具部件可以是工具的支承元件。这种工具还可以具有其它的可移动部件并且可能还具有驱动器，驱动器具有外部能源供应或通过机器人实现能源供应。在一种优选的实施方式中，力元件静止地设置在保持器上并位于保持器的导向元件的附近。将导向元件以多个平行的导向螺栓以及相应的导向开口的形式设置在保持器和可更换工具部件上也是非常有利的，在此，导向螺栓优选设置在保持器上。这种布置也可以是相反的。由多部件组成的工具具有与机器人相连接的工具部件和一个或多个可更换的工具部件，这些工具部件可以彼此耦合并在耦合位置上互相锁紧。优选这种耦合连接是形状配合的连接。此外，这种耦合连接可以是无间隙的连接。在一种变形中，耦合装置可以在上述工具部件上具有多个定义了耦合位置的形状配合的耦合元件。这样的耦合元件可以设计为率禹合螺栓和I禹合开口。也可以将I禹合元件设计为取向边缘(Ausrichtkanten)。在锁紧装置的一种优选的实施方式中，锁定元件被可运动地引导进入可更换工具部件中并与力元件共同作用。优选将锁定元件设计为锁定螺栓。一工具部件上的锁定元件可以与另一工具部件上的另一锁定元件形状配合地共同作用。在一种优选的实施方式中，锁定元件被设计为锁定螺栓，并通过其锁定头(Riegelkopf)形状配合地嵌接在位于耦合元件、尤其是耦合螺栓上的锁定开口中。优选将锁定头和锁定开口构造为圆柱形的。为可更换的工具部件配置可移动的锁定元件、特别是锁定螺栓也是有利的。在此建议将螺栓类的耦合元件设置在机器人一侧的工具部件上。由多部件组成的工具可以不同的方式构成。在一种优选的实施方式中，可以将其设计为具有两个、三个或更多的平行和可更换的夹爪的平行夹钳。在一种优选的实施方式中，对于不同的可更换工具部件、特别是可更换夹爪，将供应装置设计为具有多个保持器的料箱。配备有工具更换系统的加工装置可以具有一个或多个多轴、可编程的机器人。这种机器人可以具有多个旋转和/或平移的机器人轴。这样的机器人轴可以具有可控或可切换的制动器。对机器人可以进行位置控制。在另一种实施方式中，机器人可以具有柔性调节装置(Nachgiebigkeitsregelung),特别是纯粹的力调节装置和/或位置调节装置与力调节装置的组合。可以限制机器人的承载力及其驱动器的力或功率。具有位于保持器上的力元件的工具更换系统对于这种机器人是特别有利的。
下面根据附图对本发明做示意性地举例说明。图1以透视图示出了在不同操作位置上的工具更换系统，其具有可耦合的工具部件、耦合装置、锁紧装置和力元件，图2示出了如图1所示的工具更换系统的部分截面前视图，图3和图4示出了系统沿图2中的箭头III和箭头IV的工具更换的俯视图和侧视图，图5示出了具有轻型机器人和如图1至图4所示的工具更换系统的加工装置。其中，附图标记说明如下:I工具更换系统2工具，夹钳3加工装置4可更换的工具部件，手指5工具部件，基座部件6耦合装置7锁紧装置，闭合机构8供应装置，料箱
9操控装置，机器人，轻型机器人10从动元件，从动法兰，转动法兰11控制器，机器人控制器12节肢，末端节肢，手13节肢，中间节肢14节肢，中间节肢15节肢，基座节肢16转动轴17传感装置18 架子19用于工具部件的保持器20导向元件，导向螺栓21力发生器，磁铁22锁定元件，锁定螺栓23锁定元件，锁定开口24驱动元件，弹簧元件25锁定头，螺栓头26机身，壳体27驱动器28容纳件，适配器29容纳件，适配器30耦合元件，取向边缘31耦合元件，耦合螺栓，止动螺栓32耦合元件，耦合开口33导向兀件,导向开口1-Vn机器人的轴。
具体实施例方式本发明涉及一种工具更换系统I和一种用于更换工具部件4的方法。本发明还涉及一种配备有工具更换系统I的加工装置3。图1至图4示出了具有例如两个多部件的工具2的工具更换系统1，工具2例如被设计为夹钳、特别是平行夹钳。每个工具2分别由工具部件5组成，一个或多个可更换工具部件4借助于耦合装置6和所属形状配合的锁紧装置7耦合在工具部件5上。在图中示出了两个相同类型的工具2，用于说明不同的操作位置。替代地，工具2在工具更换系统I中的数量可以多于或少于两个。工具2可以设计为相同类型的并例如具有相同或类似的工具部件5，其可以与必要时为所有的可更换工具部件4耦合。替代地，所述多部件工具2也可以是完全不同且彼此不兼容的。工具2可以由操控装置9控制，例如在图5中示出的机器人9或任何其它的多轴操纵器。为此，例如根据相应的接口将工具部件5通过接口与操控装置9的从动元件10相连接。可以由机器人9或从外部通过导线(未示出)提供运行资源、特别是能源。机器人9具有机器人控制器11，如图5所示。所述一工具部件5可以被设计为基座部件并具有壳体26，在壳体26上设置一个或多个突出的容纳件28、29，其以下面所描述的方式分别与至少一个可更换工具部件4耦合。工具部件5可以具有用于一个或多个容纳件28、29的驱动器27，其能够对容纳件进行相对调整。这种相对调整例如可以是用于打开或闭合夹钳2的侧向运动。限位开关和/或计程仪可用于控制和定位所述一个或多个可运动的容纳件28、29。工具2可以是可控的。为此将其与对应的控制器相连接。控制器可以是前面所述的机器人控制器11或其它的控制器。控制器可以控制前面所述的驱动器27和/或其他可能的工具功能和对应的驱动器。相应的信号连接和控制连接可以通过外部线路或工具部件4关于机器人9的内部导线线路建立。机器人控制器11可以具有计算单元、一个或多个用于数据或程序的存储器以及输入输出单元。工具2例如可以作为机器人控制器11中的可控轴。机器人控制器11可以存储与过程相关的数据(例如传感器数据)并记录下来用于质量控制和质量保护。可更换工具部件4例如可以被设计为夹爪，并且可以为了适应各种不同的工件和抓取目标而具有几何形状不同的夹片。在所示出的实施方式中，平行夹钳具有两个容纳件28、29和两个夹爪4，这两个夹爪4平行地取向并可以在打开和闭合时垂直于其纵向延伸运动。在另一种未示出的实施方式中，平行夹钳可以具有三个或更多的容纳件28、29和夹爪4，它们在俯视图中被设计和设置为三角形、矩形等，以便在外周侧抓取位于不同位置上的工件。此外，工具更换系统I具有用于一个或多个可更换工具部件4的供应装置8。可以将供应装置8设计为料箱并具有多个不同的可更换工具部件4，工具部件4针对不同的工件和抓取目标具有不同的几何形状。供应装置8具有一个或多个用于可更换工具部件4的容纳件的保持器19。每个工具部件4都可以拥有自己的保持器19。一个或多个保持器19可以设置在预先给定的位置上，例如在架子18上。替代地，保持器19可以在多侧起作用，并在不同侧上容纳两个或两个以上的可更换工具部件4。一个或多个保持器19具有规定的位置，在此，所容纳的工具部件4在容纳位置和静止位置上也采取规定的位置。所述一个或多个保持器19可以设置在架子18上。保持器19和可更换工具部件4具有形状配合的导向元件20、33。可以有多个导向元件20、33。在所示出的实施方式中，设置在保持器19上的导向元件20被设计为平行的导向螺栓，而位于可更换工具部件4上的导向元件33被设计为平行的并与螺栓相对应的导向开口。导向螺栓20可以设置在相同的高度上并水平取向，在此，导向螺栓20在必要时垂直于可更换工具部件4的纵向延伸取向。在保持器19上设置至少一个力元件21。对于每个待接收的工具部件4存在至少一个自身的力元件21。在可在多侧容纳的保持器19中，根据工具部件4的数量可以设置两个或两个以上的力元件21。力元件21产生自身的、向外作用的力，该力可以作用在锁紧装置7上。力输送(Kraftentfaltung)可以是长期或暂时存在的。在必要时还可以对其进行控制。力元件21的力作用可以用于各种不同的目的，特别是用于操作锁紧装置7。力元件21作用在位于被保持或被容纳的工具部件4上的锁紧装置7上并将其打开。为此，力元件21具有适当的位置和取向。在此，力元件21还可以打开耦合连接并使得能够退耦。此外，力元件21可以利用有限的力将在保持器19上所接收或保持的可更换工具部件4抓紧。这种抓紧作用可以被解除。力元件21可以在锁紧装置7上施加拉力，并也因此而抓紧工具部件4。力元件21特别是可以牵引锁紧装置7的可移动部分并使其运动。去往锁紧装置7上的力传递可以是无接触的或仅在牵引运动结束时形成抵接。替代地，可以由力元件21施加推斥力并使锁紧运动反向进行。力元件21可以不同的方式构成。优选其没有外部能源供应。其还可以是长期有效的。力元件21特别可以具有与距离相关的效应，并通过移开可更换的工具部件4而使其失效或不起作用。在此，随着距离的逐渐增加，力作用可以减少至O。在工具部件4在保持器19上的抵接和接收位置上，力元件的力是最大的。在所示出的实施例中，力元件21被设计为磁铁，优选设计为永磁铁。在一种变形中，也可以设计为长期有效的或可切换的电磁铁。如图1和图2所示，耦合装置6在容纳件28、29和可更换工具部件4之间具有多个耦合元件30、31、32和锁紧装置7。这些彼此形状配合地接合的耦合元件30、31、32定义了耦合位置并能够结合锁紧装置7实现与一个或多个可更换工具部件4的可能的无间隙耦
入
口 ο耦合元件31例如被设计为耦合螺栓并位于容纳件28、29上。耦合螺栓31与设置在可更换工具部件4上、特别是设置在其表面上的耦合开口 32形状配合地共同起作用。耦合元件31、32可以在保持器19和工具部件4上垂直指向前述导向元件20、33的延伸和引导方向。为了实现耦合，耦合元件31插入耦合开口 32中，并在那里与下面将要说明的锁紧装置7—起起作用。一个或多个其它的耦合元件30可以被设计为取向边缘等其它适合的成型元件，并例如位于容纳件28、29和可更换的耦合件4上的在耦合时相遇的接触面的边缘上。一个或多个共同作用的取向边缘30例如可用作转动保护装置，其定义了容纳件28、29和工具部件4的角位置，并可以防止围绕耦合螺栓轴线的意外的转动运动。此外，通过取向边缘30或其它的取向元件可以实现无间隙地抵接和夹紧功能。锁紧装置7具有形状配合地彼此接合的锁定元件22、23和相对于力元件21反作用的驱动元件24。驱动元件24负责使锁紧装置7自动闭合并例如可以设计为弹簧元件。在所示出的实施方式中将锁定元件22设计为锁定螺栓，其可运动地、尤其是可推移地引导到可更换的工具部件4中。锁定螺栓22与外部的力元件共同作用并优选被该力元件牵引进入容纳位置或保持位置中。锁定螺栓22由相应的反应性材料组成，这种材料例如是磁性反应的并且特别是可磁化的。在这种实施方式中，弹簧元件24朝着螺栓杆被拉开，并且一侧支承在螺栓环(Bolzenbund)上，而另一侧支承在位于在接收位置上面向力元件21的螺栓接收口的端部上的环形盖上。锁定螺栓22在容纳位置或保持位置上平行于导向元件20、33的作用方向和导向方向以及平行于力元件21的作用方向。此外，弹簧元件24的作用方向同样是平行的。锁定螺栓22可以完全沉没地容纳于可更换工具部件4中，在此，锁定螺栓22在闭合位置上从尾部结束于可更换工具部件4的外表面之前，并在打开位置上在力元件21的作用下只被向外拉出至外表面或临近在外表面之前。另一个锁定元件23被设计为锁定开口 23，并位于对应的耦合元件31的护套上。耦合螺栓31由此起到止动螺栓的作用。锁定开口 23在耦合位置上相对于锁定螺栓22定中心，并与锁定螺栓22的前端锁定头25共同作用。在闭合位置上，锁定头25形状配合地接合在锁定开口 23中。锁定开口 23和锁定螺栓22、特别是其锁定头25可以具有圆柱形形状并具有环形、棱柱形或其它适合的截面形状。它们可以具有平坦的前面并在闭合位置上配合精确地与护套侧的覆盖物和设备相互接合。替代地，锁定头25和锁定开口 23可以具有圆锥形的且彼此相协调的形状。此外，还可以使锁定头25和锁定开口 23只在背对容纳件28、29的一侧具有相应的楔形面，该楔形面用于在闭合或耦合状态中的夹紧作用以及无间隙性，特别是在与其他的耦合元件30相连接时。力元件21的最大力大于驱动元件或弹簧元件24的指向相反方向的力。在工具部件4在保持器19上的接收位置或固定位置上，力元件21拉紧锁定元件22，特别是所示出的锁定螺栓，并打开锁紧装置7。锁定元件22在此可以被拉回这样的距离:使其不再耸立在耦合开口 32中。耦合螺栓31由此可以为了耦合和退耦而毫无阻碍地进入和退出耦合开口32。如图1至图4所示，在每幅图中左边的工具2处于退耦状态，而右边的工具2处于耦合状态。为了进行耦合，容纳件28、29离开驱动器27向相反方向运动，并与耦合元件31一起沿进给方向和耦合方向定中心地通过耦合元件32定位于在供应装置中位于各个保持器19上的可更换工具部件4上。为了实现耦合，耦合元件31、32通过操控装置进给并实现形状配合的接合，在此，容纳件28、29随后彼此相向运动。最后提到的运动方向平行于导向元件20、33的取向，在此，可更换工具部件4在目前仍然打开的锁紧装置7中被容纳件28、29带动并沿着导向螺栓20移动。在这样的运动中，可更换工具部件4逐渐远离相应的力元件21。其力作用由此而降低，在此，从一定的距离或间隔开始，驱动元件24或弹簧元件的力将变大，并由此使锁紧装置7闭合并使锁定元件22、23进入形状配合地接合。优选根据与距离相关的力作用协调导向元件20、33的长度，从而在导向元件20、33仍然处于接合中时使锁紧装置7闭合。随着锁紧装置7的闭合，耦合进程结束。然后，驱动器27使容纳件28、29和已耦合的工具部件4继续运动，直至导向元件20、33被解除接合。然后，已耦合的工具2从供应装置8或料箱松开。在图1至图4中的各个右边的工具2说明了这种状态。完成耦合的工具2可以通过操控装置9继续运动并使用在各个过程中。在退耦时会发生相反的过程。工具2被操控装置9带到供应装置8上的传输位置上，其中，导向元件20、33定中心地彼此对齐。随后容纳件28、29被移开，在此，导向元件20,33开始接合。力元件21开始发挥作用，其中，其最后在位于各个保持器19上的工具部件4的止动位置上打开锁紧装置7。然后，操控装置9举起工具部件5并使耦合元件31、32解除接合。最后可以前面所述的方式使其他的可更换工具部件4耦合，以实现工具更换的目的。在所示出的实施方式中，工具部件4悬挂地设置在保持器19上。替代地，工具部件4可以竖立地设置或在其它适当的地点和取向上设置。相应地还可以在耦合和退耦时改变进给运动的方向。如图5所示，上述类型的更换装置I可以与操控装置9、特别是所示出的多轴机器人一起构成加工装置3。操控装置9的数量还可以增加。特别是可以使多个操控装置9使用相同类型的工具2，在此，所述多个操控装置9例如控制相同的工具部件并操纵共有的不同的可更换工具部件4。此外，一个或多个操控装置9还可以操纵和控制不同的工具2。优选操控装置9被设计为多轴的并且是可编程的。优选将操控装置9设计为多轴的可编程机器人，其具有多个旋转轴和/或平移轴。图5示出了机器人9的一种特别优选的实施方式，其在此被设计为轻型机器人。该轻型机器人由重量较轻的材料制成，例如轻金属和合成材料，并具有较小的结构尺寸。其具有较低的重量和例如至20kg的、相对有限的承载力。机器人9和工具2的重量例如低于50kg、特别是约为30kg，这种轻型机器人可以是可移动的，并能够手动地从一个使用地点运输到另一个使用地点。对于这样的轻型机器人，前面所述的具有较小工具重量的工具更换系统I是特别有利的。图5还示出了机器人9的另一种可能的设计方案，其具有一个或多个力控制或力调节的机器人轴1-VL包括对应的用于检测作用负荷的传感装置17。此外，机器人9还可以具有至少一个柔性机器人轴1-VL该机器人轴具有柔性调节装置，特别是纯粹的力调节装置或位置调节装置和力调节装置的组合。所示出的机器人是关节臂机器人并具有例如七个机器人轴。每个机器人轴具有转动轴承和在此所属的可控或可调节的具有传感装置17的驱动器。此外，机器人轴1-YD还具有可控或可切换的制动器。所示出的机器人9具有多个可运动且彼此连接的节肢12、13、14、15。优选这些节肢是铰接的并通过上述的转动的机器人轴1-Vn相互连接。此外，每个节肢13、14可以是多部分组成的并被设计为可运动的。机器人轴1-νπ及其轴驱动器，特别是转动驱动器以及传感装置17，与机器人控制器11相连接，机器人控制器17可以控制和调节驱动器或轴驱动器。机器人9的从动侧的末端节肢12例如被构造为机器人手，并具有可围绕转动轴16转动的从动元件10,例如从动法兰。转动轴16构成最后的机器人轴νπ。在从动元件17上安装工具部件15。一个或多个用于运行资源(例如功率流或信号流、流体等)的导线可以被引导通过必要时是中空的从动元件10以及其他可能的机器人节肢13、14、15，并在法兰10上向外伸出及连接在工具部件5上。以上所述对机器人轴1- VII的力控制或力调节涉及到向外在末端节肢12的从动元件17上的作用以及在那里起作用的反作用力。机器人内部在转动轴或轴驱动器上实行转矩控制或转矩调节。优选机器人9具有三个或更多可运动的节肢12、13、14、15。在所示出的实施例中，机器人9具有与地面相连接的基座节肢15和前面所述的末端节肢12以及两个中间节肢
13、14，中间节肢13、14被设计为多部件的并可借助于轴III和轴V转动。替代地可以增加或减少中间节肢13、14的数量。在另一种变形中，将单个或所有的中间节肢13、14设计为抗扭地且没有附加的轴。传感装置17例如可以具有位于一个或多个轴1- YD上的一个或多个传感器。这些传感器可以具有相同或不同的功能。它们特别可以是力传感器或转矩传感器，并设计用于检测负荷，特别是从外部通过从动元件10作用于机器人上的转矩。此外，这些传感器可以探测转动运动和可能的转动位置。借助于传感装置17可以利用控制器11实现前面所说的柔性调节。由此，一方面机器人9可以有弹性地和交替地保持并引导工具2，在此，例如可以避免碰撞以及特别是人员事故。该特征还可用于人工示教和编程，其优势在于能够快速、简单地编程，调试以及对不同的工具2以及因此对待执行的过程和工作的适应性。此外，通过传感装置17的负荷检测，可以帮助并容易地寻找和发现加工位置和耦合位置。还可以探测在节肢12、13、14、15的相对位置中的角度误差并根据要求进行校正。另外，传感装置17可用于检查工具2的形状稳定性和功能。机器人9例如可以将工具2与位于位置已知的参考点上的待检查的元件、特别是可更换的工具部件4轻轻地接触，在此，监控机器人运动和机器人位置，并借助于传感装置17对接触进行探测。通过柔性调节将避免伤害严重的〔schadensutiduigc)碰撞,并在超过预先设定的负荷阈值时停止和关闭机器人运动。当利用传感装置17探测到接触时，通过比较机器人的规定位置和实际位置可以确定:工具I是完好无缺的还是已损坏，特别是工具2的可编程的工具中心点(TCP)是否仍然位于给定的位置上。另外，在耦合和退耦时，可以通过监测出现的负荷来控制耦合装置的正确功能和可更换工具部件4在其保持器19上的正确位置。还可以通过负荷检测监测力元件21的作用。所示出和描述的实施方式的变形可以不同的方式实现。所示出的两个容纳件28、29中，可以一个是刚性的，而另一个是可运动和可驱动的。这相应地也适用于容纳件28、29的多重设置。耦合元件30、31、32和导向元件20、33的设计和分配可以改变。特别是可以交换其相对于容纳件28、29、保持器19和可更换工具部件4的配属。由多部分组成的工具2可以其他的方式构成并运行。其特别可以被设计为用于接合、材料涂覆、成型或其他目的的加工工具。其例如可以由基座部件5和各个可更换的工具部件4组成，工具部件4例如是工具元件，例如喷嘴、刀具、涂覆头、焊头等等。在此可以将工具部件4、5设计为支承元件。工具部件4、5相对于保持器19的往复进给运动可以通过操控装置9的运动实现。也可以改变锁定元件22、23的结构。特别是与力元件21共同作用的锁定元件22可以具有不同的运动学特征。特别是可以将其设计为摆动件，例如摆动杠杆。驱动元件24可以其他的方式构成，例如可以由磁铁构成，该磁铁可能弱于力元件21。力元件21也可以其他的方式构成，在此，其向锁定元件22上施加拉力或推斥力，优选是无接触地施加。通过推斥力，可以另一种方式实现在保持器19上的保持效果。这样的效果例如可以基于负压和抽吸力实现。
权利要求
1.一种工具更换系统，具有由多部件组成的工具(2)和用于可更换工具部件(4)的供应装置(8)，其中，为待耦合的工具部件(4，5)设置具有形状配合且自动闭合的锁紧装置(7 )的耦合装置(6 )，并在所述供应装置(8 )上设置用于可更换工具部件(4 )的保持器(19 )，其特征在于，所述保持器(19)具有力元件(21)，其产生用于操作所述锁紧装置(7)的、自身的力，该力作用在位于被保持的工具部件(4)上的所述锁紧装置(7)上并将其打开。
2.如权利要求1所述的工具更换系统，其特征在于，所述力元件(21)将所述可更换工具部件(4)固定地保持在所述供应装置(8)的保持位置上，并打开所述耦合装置(6)。
3.如权利要求1或2所述的工具更换系统，其特征在于，所述保持器(19)和所述可更换工具部件(4)具有形状配合的导向元件(20，33)，特别是平行的导向螺栓(20)和相对应的导向开口(33)。
4.如权利要求1、2或3所述的工具更换系统，其特征在于，所述力元件(21)在所述可更换工具部件(4)的保持位置上在所述锁紧装置(7)上施加基本上为非接触的力，特别是拉力。
5.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，所述力元件(21)具有与距离相关的效应，并且可以通过将所述可更换工具部件(4)从所述保持器(19)移去而失效。
6.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，使所述导向元件(20，33)的导向路径与所述力元件(21)的作用路径彼此相协调，使得在所述力元件(21)失效时关闭所述锁紧装置(7)和所述耦合装置(6)，在此，所述可更换工具部件(4)仍然在所述保持器(19)上被引导。
7.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，所述力元件(21)构成为磁铁、特别是永磁铁 。
8.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，所述工具(2)具有可连接操控装置(9)、特别是机器人的工具部件(5)和多个可更换的、特别是可形状配合并无间隙地耦合和锁紧的工具部件(4 )。
9.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，所述锁紧装置(7)具有彼此形状配合地相接合的锁定元件(22，23)和与所述力元件(21)相反作用的驱动元件(24)，特别是弹簧元件。
10.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，将一个工具部件(5)设计为基座部件并具有机身(26)，该机身具有至少一个突出的容纳件(28，29)和用于可更换工具部件(4)、特别是夹爪的可控驱动器(27)。
11.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，一个可更换工具部件(4)可由所述工具(2)的驱动器(27)或与所述工具(2)相连接的操控装置(9)、特别是机器人移动，用于使所述力元件(21)失效以及锁紧所述耦合装置(6 )。
12.—种加工装置，具有多轴、可编程的机器人(9)和工具更换系统(1)，其特征在于，所述工具更换系统(I)根据权利要求1至11中任一项构成。
13.如权利要求12所述的加工装置，其特征在于，所述机器人(9)具有一个或多个力控制或力调节的机器人轴(1-νπ)，所述机器人轴(1-νπ)具有对应的用于检测作用的负荷的传感装置(17)。
14.如权利要求12或13所述的加工装置，其特征在于，所述机器人(9)具有至少一个柔性机器人轴(1-VD)，该柔性机器人轴(1-VD具有柔性调节装置，特别是纯粹的力调节装置或位置调节装置和力调节装置的组合。
15.如权利要求12、13或14所述的加工装置，其特征在于，所述机器人(9)具有多个可运动地、特别是可转动地彼此连接的节肢(12，13，14，15)，其中，每个所述机器人轴(1-W)具有轴承、特别是转动轴承和在此对应的可控的或可调节的、具有传感装置(17)的轴驱动器，特别是 转动驱动器。
全文摘要
公开了一种工具更换系统，其具有由多部件组成的工具(2)和用于可更换工具部件(4)的供应装置(8)，其中，为待耦合的工具部件(4，5)设置具有形状配合且自动闭合的锁紧装置(7)的耦合装置(6)，并在供应装置(8)上设置用于可更换工具部件(4)的保持器(19)，其中，保持器(19)具有力元件(21)，其产生用于操作所述锁紧装置(7)的自身的力，该力作用在位于所述被保持的工具部件(4)上的所述锁紧装置(7)上将其打开。本发明还涉及一种具有多轴、可编程的机器人(9)和工具更换系统(1)的加工装置。
文档编号B25J15/04GK103170981SQ20121056818
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月24日 优先权日2011年12月22日
发明者莱茵霍尔德·奈德 申请人:库卡系统有限责任公司
技术领域：
本发明涉及一种用于由多部件组成的工具的工具更换系统。
背景技术：
专利文献DD 226826 Al公开了一种这样的工具更换系统。工具被设计为具有可更换夹爪的机器人夹钳，夹爪可以由供应装置的保持器接收。工具具有与机器人手相连接的基座部件，该基座部件具有两个可行进地安装在其上的容纳件(Aufnahme)，在此，每个容纳件可与夹爪耦合，并通过弹簧加载的锁定螺栓确保这种耦合状态。为了松开锁紧装置而使容纳件互碰，在此，锁定螺栓被彼此相对挤压并被压入开启位置中，这使得夹爪能够耦合和退耦。这种类型的锁紧装置要求夹爪具有相应的造型。锁紧装置设置在容纳件上，因此将承受持久的负荷。此外，没有规定锁定螺栓在容纳件互碰时的相对位置，而这可能会导致运行故障。由专利文献DE 3705884 C2可知，在一种多部件的平行夹钳中，借助于电磁铁和简单的形状配合的插头榫接合(Steckzapfenverbindung)将可更换的夹片保持在工具基座部件的可横向运动的容纳件上。电磁铁形成一种可控的工具内部的锁紧装置。其将保护所述形状配合的榫接合并将夹片保持在其工具侧的容纳件上。料箱中包括具有直立定位销的水平载体，所放出的夹片放置在该载体上并形状配合地保持。专利文献DE 102005052627 Al提出了一种类似的由多部件组成的平行夹钳，其具
有用于可更换夹片的工具内部的磁力锁紧装置。专利文献DE 3513893 Al公开了一种平行夹钳，其在工具基座部件和可更换的夹爪之间具有由棘爪弹簧构成的锁紧装置。棘爪弹簧通过机器人的进给运动加以控制。专利文献US 4913617 A、DE 3340912 Al和DD 253971 Al也提出了类似的工具更换系统，具有可通过机器人的运动进行操作的锁紧装置，其中，通过静止的圆锥形销钉张开锁定元件
发明内容
本发明的目的在于提出一种不同的和更好的工具更换系统。本发明的目的通过一种工具更换系统得以实现，其具有由多个部件组成的工具和用于可更换工具部件的供应装置，其中，为待耦合的工具部件设置具有形状配合且自动闭合的锁紧装置的耦合装置，并在供应装置上设置用于可更换工具部件的保持器，其中，保持器具有力元件，其产生用于操作锁紧装置的、自身的力，该力作用在位于被保持的工具部件上的锁紧装置上并将其打开。根据本发明的工具更换系统的优点在于高操作安全性和可用性。其特点在于较低的制造成本和较小的重量。此外，该工具更换系统不需要外部能源供应，特别是不需要电源接口或压缩空气连接等等。控制成本也得以降低。此外，能够实现工具部件的耦合连接的无间隙化并以最优的能力来传递力和力矩。
根据本发明的工具更换系统特别适用于轻型机器人，其具有有限的和相对较低的力。并且由于其简单的结构因而也是非常经济的。特别优选将该工具更换系统与具有一个或多个力控制或力调节的机器人轴的机器人相结合，在此，机器人轴具有配属的传感装置，用于检测作用在机器人轴上的负荷。传感装置也可用于控制在耦合和退耦时的机器人运动并检测存在于此的机械负荷情况。可以检测和识别运行故障以及由此产生的机械阻力。供应装置上的保持器具有力元件，用以产生自身的用于控制锁紧装置的力。该力开放地作用于保持在供应装置上的工具部件的锁紧装置上。这种力元件可以是长期有效的。其也可以在没有外部能源供应的情况下起作用。在一种优选的实施方式中，将力元件设计为磁铁，其磁力作用于锁紧装置上并优选打开锁紧装置。磁铁例如可以是永磁铁或电磁铁。其他的力元件可以通过场、特别是电场产生作用力。这种力元件例如可以由电线圈构成，其可以与距离相关地在锁紧装置的电传导锁定元件和可能的磁性传导锁定元件上产生作用。另一种具有自身的力作用的力元件可以通过负压或超压运行。这种力元件例如可以被设计为抽吸装置。以上所述力元件优选在没有机械接触地或无接触地作用在锁紧装置上。在另一种实施方式中，位于保持器上并具有自身的力作用的力元件可以是可控的动臂机构(Aktor)，其无接触地或以机械的方式并以形状配合或力配合的接触作用在锁紧装置上。用于可更换工具部件的位于保持器上的力元件可以拥有多重功能。一方面，其可以打开位于可更换工具部件上的锁紧装置，并由此打开用于实现容易地耦合和退耦的耦合器，在此，耦合运动没有阻力或至少没有明显的阻力。此外，力元件可以在保持器上将可更换工具部件保持在静止位置上，并确保其静止位置。由此可以对可更换的工具部件进行精确地定位，以实现耦合和退耦。力元件可以拥有与距离相关的力作用，这种力作用例如在保持器上的可更换工具部件的抵接位置和接收位置上是最大的，并随着工具部件和保持器之间距离的逐渐增大而减少至为O。这种与距离相关的力作用例如存在于场中，特别是在电场和/或磁场中。通过力元件的受限的作用路径可以确保:在可更换工具部件仍然在保持器上被引导期间，耦合器和锁紧装置被闭合。在耦合和退耦时能够不失去其位置或以其它意外的方式改变其地点。用于耦合和退耦以及用于解除力元件作用的力可以通过驱动器在其它的工具部件、特别是基座部件上产生，或者通过其它工具部件借助于操控装置、特别是机器人的运动而产生。根据本发明的工具更换系统适用于各种不同类型的工具。特别是适用于夹钳，尤其是平行夹钳。夹钳可以具有两个或多个可更换的夹爪。此外也可用于其它任意的工具结构，其中，可耦合的工具部件可以是工具的支承元件。这种工具还可以具有其它的可移动部件并且可能还具有驱动器，驱动器具有外部能源供应或通过机器人实现能源供应。在一种优选的实施方式中，力元件静止地设置在保持器上并位于保持器的导向元件的附近。将导向元件以多个平行的导向螺栓以及相应的导向开口的形式设置在保持器和可更换工具部件上也是非常有利的，在此，导向螺栓优选设置在保持器上。这种布置也可以是相反的。由多部件组成的工具具有与机器人相连接的工具部件和一个或多个可更换的工具部件，这些工具部件可以彼此耦合并在耦合位置上互相锁紧。优选这种耦合连接是形状配合的连接。此外，这种耦合连接可以是无间隙的连接。在一种变形中，耦合装置可以在上述工具部件上具有多个定义了耦合位置的形状配合的耦合元件。这样的耦合元件可以设计为率禹合螺栓和I禹合开口。也可以将I禹合元件设计为取向边缘(Ausrichtkanten)。在锁紧装置的一种优选的实施方式中，锁定元件被可运动地引导进入可更换工具部件中并与力元件共同作用。优选将锁定元件设计为锁定螺栓。一工具部件上的锁定元件可以与另一工具部件上的另一锁定元件形状配合地共同作用。在一种优选的实施方式中，锁定元件被设计为锁定螺栓，并通过其锁定头(Riegelkopf)形状配合地嵌接在位于耦合元件、尤其是耦合螺栓上的锁定开口中。优选将锁定头和锁定开口构造为圆柱形的。为可更换的工具部件配置可移动的锁定元件、特别是锁定螺栓也是有利的。在此建议将螺栓类的耦合元件设置在机器人一侧的工具部件上。由多部件组成的工具可以不同的方式构成。在一种优选的实施方式中，可以将其设计为具有两个、三个或更多的平行和可更换的夹爪的平行夹钳。在一种优选的实施方式中，对于不同的可更换工具部件、特别是可更换夹爪，将供应装置设计为具有多个保持器的料箱。配备有工具更换系统的加工装置可以具有一个或多个多轴、可编程的机器人。这种机器人可以具有多个旋转和/或平移的机器人轴。这样的机器人轴可以具有可控或可切换的制动器。对机器人可以进行位置控制。在另一种实施方式中，机器人可以具有柔性调节装置(Nachgiebigkeitsregelung),特别是纯粹的力调节装置和/或位置调节装置与力调节装置的组合。可以限制机器人的承载力及其驱动器的力或功率。具有位于保持器上的力元件的工具更换系统对于这种机器人是特别有利的。
下面根据附图对本发明做示意性地举例说明。图1以透视图示出了在不同操作位置上的工具更换系统，其具有可耦合的工具部件、耦合装置、锁紧装置和力元件，图2示出了如图1所示的工具更换系统的部分截面前视图，图3和图4示出了系统沿图2中的箭头III和箭头IV的工具更换的俯视图和侧视图，图5示出了具有轻型机器人和如图1至图4所示的工具更换系统的加工装置。其中，附图标记说明如下:I工具更换系统2工具，夹钳3加工装置4可更换的工具部件，手指5工具部件，基座部件6耦合装置7锁紧装置，闭合机构8供应装置，料箱
9操控装置，机器人，轻型机器人10从动元件，从动法兰，转动法兰11控制器，机器人控制器12节肢，末端节肢，手13节肢，中间节肢14节肢，中间节肢15节肢，基座节肢16转动轴17传感装置18 架子19用于工具部件的保持器20导向元件，导向螺栓21力发生器，磁铁22锁定元件，锁定螺栓23锁定元件，锁定开口24驱动元件，弹簧元件25锁定头，螺栓头26机身，壳体27驱动器28容纳件，适配器29容纳件，适配器30耦合元件，取向边缘31耦合元件，耦合螺栓，止动螺栓32耦合元件，耦合开口33导向兀件,导向开口1-Vn机器人的轴。
具体实施例方式本发明涉及一种工具更换系统I和一种用于更换工具部件4的方法。本发明还涉及一种配备有工具更换系统I的加工装置3。图1至图4示出了具有例如两个多部件的工具2的工具更换系统1，工具2例如被设计为夹钳、特别是平行夹钳。每个工具2分别由工具部件5组成，一个或多个可更换工具部件4借助于耦合装置6和所属形状配合的锁紧装置7耦合在工具部件5上。在图中示出了两个相同类型的工具2，用于说明不同的操作位置。替代地，工具2在工具更换系统I中的数量可以多于或少于两个。工具2可以设计为相同类型的并例如具有相同或类似的工具部件5，其可以与必要时为所有的可更换工具部件4耦合。替代地，所述多部件工具2也可以是完全不同且彼此不兼容的。工具2可以由操控装置9控制，例如在图5中示出的机器人9或任何其它的多轴操纵器。为此，例如根据相应的接口将工具部件5通过接口与操控装置9的从动元件10相连接。可以由机器人9或从外部通过导线(未示出)提供运行资源、特别是能源。机器人9具有机器人控制器11，如图5所示。所述一工具部件5可以被设计为基座部件并具有壳体26，在壳体26上设置一个或多个突出的容纳件28、29，其以下面所描述的方式分别与至少一个可更换工具部件4耦合。工具部件5可以具有用于一个或多个容纳件28、29的驱动器27，其能够对容纳件进行相对调整。这种相对调整例如可以是用于打开或闭合夹钳2的侧向运动。限位开关和/或计程仪可用于控制和定位所述一个或多个可运动的容纳件28、29。工具2可以是可控的。为此将其与对应的控制器相连接。控制器可以是前面所述的机器人控制器11或其它的控制器。控制器可以控制前面所述的驱动器27和/或其他可能的工具功能和对应的驱动器。相应的信号连接和控制连接可以通过外部线路或工具部件4关于机器人9的内部导线线路建立。机器人控制器11可以具有计算单元、一个或多个用于数据或程序的存储器以及输入输出单元。工具2例如可以作为机器人控制器11中的可控轴。机器人控制器11可以存储与过程相关的数据(例如传感器数据)并记录下来用于质量控制和质量保护。可更换工具部件4例如可以被设计为夹爪，并且可以为了适应各种不同的工件和抓取目标而具有几何形状不同的夹片。在所示出的实施方式中，平行夹钳具有两个容纳件28、29和两个夹爪4，这两个夹爪4平行地取向并可以在打开和闭合时垂直于其纵向延伸运动。在另一种未示出的实施方式中，平行夹钳可以具有三个或更多的容纳件28、29和夹爪4，它们在俯视图中被设计和设置为三角形、矩形等，以便在外周侧抓取位于不同位置上的工件。此外，工具更换系统I具有用于一个或多个可更换工具部件4的供应装置8。可以将供应装置8设计为料箱并具有多个不同的可更换工具部件4，工具部件4针对不同的工件和抓取目标具有不同的几何形状。供应装置8具有一个或多个用于可更换工具部件4的容纳件的保持器19。每个工具部件4都可以拥有自己的保持器19。一个或多个保持器19可以设置在预先给定的位置上，例如在架子18上。替代地，保持器19可以在多侧起作用，并在不同侧上容纳两个或两个以上的可更换工具部件4。一个或多个保持器19具有规定的位置，在此，所容纳的工具部件4在容纳位置和静止位置上也采取规定的位置。所述一个或多个保持器19可以设置在架子18上。保持器19和可更换工具部件4具有形状配合的导向元件20、33。可以有多个导向元件20、33。在所示出的实施方式中，设置在保持器19上的导向元件20被设计为平行的导向螺栓，而位于可更换工具部件4上的导向元件33被设计为平行的并与螺栓相对应的导向开口。导向螺栓20可以设置在相同的高度上并水平取向，在此，导向螺栓20在必要时垂直于可更换工具部件4的纵向延伸取向。在保持器19上设置至少一个力元件21。对于每个待接收的工具部件4存在至少一个自身的力元件21。在可在多侧容纳的保持器19中，根据工具部件4的数量可以设置两个或两个以上的力元件21。力元件21产生自身的、向外作用的力，该力可以作用在锁紧装置7上。力输送(Kraftentfaltung)可以是长期或暂时存在的。在必要时还可以对其进行控制。力元件21的力作用可以用于各种不同的目的，特别是用于操作锁紧装置7。力元件21作用在位于被保持或被容纳的工具部件4上的锁紧装置7上并将其打开。为此，力元件21具有适当的位置和取向。在此，力元件21还可以打开耦合连接并使得能够退耦。此外，力元件21可以利用有限的力将在保持器19上所接收或保持的可更换工具部件4抓紧。这种抓紧作用可以被解除。力元件21可以在锁紧装置7上施加拉力，并也因此而抓紧工具部件4。力元件21特别是可以牵引锁紧装置7的可移动部分并使其运动。去往锁紧装置7上的力传递可以是无接触的或仅在牵引运动结束时形成抵接。替代地，可以由力元件21施加推斥力并使锁紧运动反向进行。力元件21可以不同的方式构成。优选其没有外部能源供应。其还可以是长期有效的。力元件21特别可以具有与距离相关的效应，并通过移开可更换的工具部件4而使其失效或不起作用。在此，随着距离的逐渐增加，力作用可以减少至O。在工具部件4在保持器19上的抵接和接收位置上，力元件的力是最大的。在所示出的实施例中，力元件21被设计为磁铁，优选设计为永磁铁。在一种变形中，也可以设计为长期有效的或可切换的电磁铁。如图1和图2所示，耦合装置6在容纳件28、29和可更换工具部件4之间具有多个耦合元件30、31、32和锁紧装置7。这些彼此形状配合地接合的耦合元件30、31、32定义了耦合位置并能够结合锁紧装置7实现与一个或多个可更换工具部件4的可能的无间隙耦
入
口 ο耦合元件31例如被设计为耦合螺栓并位于容纳件28、29上。耦合螺栓31与设置在可更换工具部件4上、特别是设置在其表面上的耦合开口 32形状配合地共同起作用。耦合元件31、32可以在保持器19和工具部件4上垂直指向前述导向元件20、33的延伸和引导方向。为了实现耦合，耦合元件31插入耦合开口 32中，并在那里与下面将要说明的锁紧装置7—起起作用。一个或多个其它的耦合元件30可以被设计为取向边缘等其它适合的成型元件，并例如位于容纳件28、29和可更换的耦合件4上的在耦合时相遇的接触面的边缘上。一个或多个共同作用的取向边缘30例如可用作转动保护装置，其定义了容纳件28、29和工具部件4的角位置，并可以防止围绕耦合螺栓轴线的意外的转动运动。此外，通过取向边缘30或其它的取向元件可以实现无间隙地抵接和夹紧功能。锁紧装置7具有形状配合地彼此接合的锁定元件22、23和相对于力元件21反作用的驱动元件24。驱动元件24负责使锁紧装置7自动闭合并例如可以设计为弹簧元件。在所示出的实施方式中将锁定元件22设计为锁定螺栓，其可运动地、尤其是可推移地引导到可更换的工具部件4中。锁定螺栓22与外部的力元件共同作用并优选被该力元件牵引进入容纳位置或保持位置中。锁定螺栓22由相应的反应性材料组成，这种材料例如是磁性反应的并且特别是可磁化的。在这种实施方式中，弹簧元件24朝着螺栓杆被拉开，并且一侧支承在螺栓环(Bolzenbund)上，而另一侧支承在位于在接收位置上面向力元件21的螺栓接收口的端部上的环形盖上。锁定螺栓22在容纳位置或保持位置上平行于导向元件20、33的作用方向和导向方向以及平行于力元件21的作用方向。此外，弹簧元件24的作用方向同样是平行的。锁定螺栓22可以完全沉没地容纳于可更换工具部件4中，在此，锁定螺栓22在闭合位置上从尾部结束于可更换工具部件4的外表面之前，并在打开位置上在力元件21的作用下只被向外拉出至外表面或临近在外表面之前。另一个锁定元件23被设计为锁定开口 23，并位于对应的耦合元件31的护套上。耦合螺栓31由此起到止动螺栓的作用。锁定开口 23在耦合位置上相对于锁定螺栓22定中心，并与锁定螺栓22的前端锁定头25共同作用。在闭合位置上，锁定头25形状配合地接合在锁定开口 23中。锁定开口 23和锁定螺栓22、特别是其锁定头25可以具有圆柱形形状并具有环形、棱柱形或其它适合的截面形状。它们可以具有平坦的前面并在闭合位置上配合精确地与护套侧的覆盖物和设备相互接合。替代地，锁定头25和锁定开口 23可以具有圆锥形的且彼此相协调的形状。此外，还可以使锁定头25和锁定开口 23只在背对容纳件28、29的一侧具有相应的楔形面，该楔形面用于在闭合或耦合状态中的夹紧作用以及无间隙性，特别是在与其他的耦合元件30相连接时。力元件21的最大力大于驱动元件或弹簧元件24的指向相反方向的力。在工具部件4在保持器19上的接收位置或固定位置上，力元件21拉紧锁定元件22，特别是所示出的锁定螺栓，并打开锁紧装置7。锁定元件22在此可以被拉回这样的距离:使其不再耸立在耦合开口 32中。耦合螺栓31由此可以为了耦合和退耦而毫无阻碍地进入和退出耦合开口32。如图1至图4所示，在每幅图中左边的工具2处于退耦状态，而右边的工具2处于耦合状态。为了进行耦合，容纳件28、29离开驱动器27向相反方向运动，并与耦合元件31一起沿进给方向和耦合方向定中心地通过耦合元件32定位于在供应装置中位于各个保持器19上的可更换工具部件4上。为了实现耦合，耦合元件31、32通过操控装置进给并实现形状配合的接合，在此，容纳件28、29随后彼此相向运动。最后提到的运动方向平行于导向元件20、33的取向，在此，可更换工具部件4在目前仍然打开的锁紧装置7中被容纳件28、29带动并沿着导向螺栓20移动。在这样的运动中，可更换工具部件4逐渐远离相应的力元件21。其力作用由此而降低，在此，从一定的距离或间隔开始，驱动元件24或弹簧元件的力将变大，并由此使锁紧装置7闭合并使锁定元件22、23进入形状配合地接合。优选根据与距离相关的力作用协调导向元件20、33的长度，从而在导向元件20、33仍然处于接合中时使锁紧装置7闭合。随着锁紧装置7的闭合，耦合进程结束。然后，驱动器27使容纳件28、29和已耦合的工具部件4继续运动，直至导向元件20、33被解除接合。然后，已耦合的工具2从供应装置8或料箱松开。在图1至图4中的各个右边的工具2说明了这种状态。完成耦合的工具2可以通过操控装置9继续运动并使用在各个过程中。在退耦时会发生相反的过程。工具2被操控装置9带到供应装置8上的传输位置上，其中，导向元件20、33定中心地彼此对齐。随后容纳件28、29被移开，在此，导向元件20,33开始接合。力元件21开始发挥作用，其中，其最后在位于各个保持器19上的工具部件4的止动位置上打开锁紧装置7。然后，操控装置9举起工具部件5并使耦合元件31、32解除接合。最后可以前面所述的方式使其他的可更换工具部件4耦合，以实现工具更换的目的。在所示出的实施方式中，工具部件4悬挂地设置在保持器19上。替代地，工具部件4可以竖立地设置或在其它适当的地点和取向上设置。相应地还可以在耦合和退耦时改变进给运动的方向。如图5所示，上述类型的更换装置I可以与操控装置9、特别是所示出的多轴机器人一起构成加工装置3。操控装置9的数量还可以增加。特别是可以使多个操控装置9使用相同类型的工具2，在此，所述多个操控装置9例如控制相同的工具部件并操纵共有的不同的可更换工具部件4。此外，一个或多个操控装置9还可以操纵和控制不同的工具2。优选操控装置9被设计为多轴的并且是可编程的。优选将操控装置9设计为多轴的可编程机器人，其具有多个旋转轴和/或平移轴。图5示出了机器人9的一种特别优选的实施方式，其在此被设计为轻型机器人。该轻型机器人由重量较轻的材料制成，例如轻金属和合成材料，并具有较小的结构尺寸。其具有较低的重量和例如至20kg的、相对有限的承载力。机器人9和工具2的重量例如低于50kg、特别是约为30kg，这种轻型机器人可以是可移动的，并能够手动地从一个使用地点运输到另一个使用地点。对于这样的轻型机器人，前面所述的具有较小工具重量的工具更换系统I是特别有利的。图5还示出了机器人9的另一种可能的设计方案，其具有一个或多个力控制或力调节的机器人轴1-VL包括对应的用于检测作用负荷的传感装置17。此外，机器人9还可以具有至少一个柔性机器人轴1-VL该机器人轴具有柔性调节装置，特别是纯粹的力调节装置或位置调节装置和力调节装置的组合。所示出的机器人是关节臂机器人并具有例如七个机器人轴。每个机器人轴具有转动轴承和在此所属的可控或可调节的具有传感装置17的驱动器。此外，机器人轴1-YD还具有可控或可切换的制动器。所示出的机器人9具有多个可运动且彼此连接的节肢12、13、14、15。优选这些节肢是铰接的并通过上述的转动的机器人轴1-Vn相互连接。此外，每个节肢13、14可以是多部分组成的并被设计为可运动的。机器人轴1-νπ及其轴驱动器，特别是转动驱动器以及传感装置17，与机器人控制器11相连接，机器人控制器17可以控制和调节驱动器或轴驱动器。机器人9的从动侧的末端节肢12例如被构造为机器人手，并具有可围绕转动轴16转动的从动元件10,例如从动法兰。转动轴16构成最后的机器人轴νπ。在从动元件17上安装工具部件15。一个或多个用于运行资源(例如功率流或信号流、流体等)的导线可以被引导通过必要时是中空的从动元件10以及其他可能的机器人节肢13、14、15，并在法兰10上向外伸出及连接在工具部件5上。以上所述对机器人轴1- VII的力控制或力调节涉及到向外在末端节肢12的从动元件17上的作用以及在那里起作用的反作用力。机器人内部在转动轴或轴驱动器上实行转矩控制或转矩调节。优选机器人9具有三个或更多可运动的节肢12、13、14、15。在所示出的实施例中，机器人9具有与地面相连接的基座节肢15和前面所述的末端节肢12以及两个中间节肢
13、14，中间节肢13、14被设计为多部件的并可借助于轴III和轴V转动。替代地可以增加或减少中间节肢13、14的数量。在另一种变形中，将单个或所有的中间节肢13、14设计为抗扭地且没有附加的轴。传感装置17例如可以具有位于一个或多个轴1- YD上的一个或多个传感器。这些传感器可以具有相同或不同的功能。它们特别可以是力传感器或转矩传感器，并设计用于检测负荷，特别是从外部通过从动元件10作用于机器人上的转矩。此外，这些传感器可以探测转动运动和可能的转动位置。借助于传感装置17可以利用控制器11实现前面所说的柔性调节。由此，一方面机器人9可以有弹性地和交替地保持并引导工具2，在此，例如可以避免碰撞以及特别是人员事故。该特征还可用于人工示教和编程，其优势在于能够快速、简单地编程，调试以及对不同的工具2以及因此对待执行的过程和工作的适应性。此外，通过传感装置17的负荷检测，可以帮助并容易地寻找和发现加工位置和耦合位置。还可以探测在节肢12、13、14、15的相对位置中的角度误差并根据要求进行校正。另外，传感装置17可用于检查工具2的形状稳定性和功能。机器人9例如可以将工具2与位于位置已知的参考点上的待检查的元件、特别是可更换的工具部件4轻轻地接触，在此，监控机器人运动和机器人位置，并借助于传感装置17对接触进行探测。通过柔性调节将避免伤害严重的〔schadensutiduigc)碰撞,并在超过预先设定的负荷阈值时停止和关闭机器人运动。当利用传感装置17探测到接触时，通过比较机器人的规定位置和实际位置可以确定:工具I是完好无缺的还是已损坏，特别是工具2的可编程的工具中心点(TCP)是否仍然位于给定的位置上。另外，在耦合和退耦时，可以通过监测出现的负荷来控制耦合装置的正确功能和可更换工具部件4在其保持器19上的正确位置。还可以通过负荷检测监测力元件21的作用。所示出和描述的实施方式的变形可以不同的方式实现。所示出的两个容纳件28、29中，可以一个是刚性的，而另一个是可运动和可驱动的。这相应地也适用于容纳件28、29的多重设置。耦合元件30、31、32和导向元件20、33的设计和分配可以改变。特别是可以交换其相对于容纳件28、29、保持器19和可更换工具部件4的配属。由多部分组成的工具2可以其他的方式构成并运行。其特别可以被设计为用于接合、材料涂覆、成型或其他目的的加工工具。其例如可以由基座部件5和各个可更换的工具部件4组成，工具部件4例如是工具元件，例如喷嘴、刀具、涂覆头、焊头等等。在此可以将工具部件4、5设计为支承元件。工具部件4、5相对于保持器19的往复进给运动可以通过操控装置9的运动实现。也可以改变锁定元件22、23的结构。特别是与力元件21共同作用的锁定元件22可以具有不同的运动学特征。特别是可以将其设计为摆动件，例如摆动杠杆。驱动元件24可以其他的方式构成，例如可以由磁铁构成，该磁铁可能弱于力元件21。力元件21也可以其他的方式构成，在此，其向锁定元件22上施加拉力或推斥力，优选是无接触地施加。通过推斥力，可以另一种方式实现在保持器19上的保持效果。这样的效果例如可以基于负压和抽吸力实现。
权利要求
1.一种工具更换系统，具有由多部件组成的工具(2)和用于可更换工具部件(4)的供应装置(8)，其中，为待耦合的工具部件(4，5)设置具有形状配合且自动闭合的锁紧装置(7 )的耦合装置(6 )，并在所述供应装置(8 )上设置用于可更换工具部件(4 )的保持器(19 )，其特征在于，所述保持器(19)具有力元件(21)，其产生用于操作所述锁紧装置(7)的、自身的力，该力作用在位于被保持的工具部件(4)上的所述锁紧装置(7)上并将其打开。
2.如权利要求1所述的工具更换系统，其特征在于，所述力元件(21)将所述可更换工具部件(4)固定地保持在所述供应装置(8)的保持位置上，并打开所述耦合装置(6)。
3.如权利要求1或2所述的工具更换系统，其特征在于，所述保持器(19)和所述可更换工具部件(4)具有形状配合的导向元件(20，33)，特别是平行的导向螺栓(20)和相对应的导向开口(33)。
4.如权利要求1、2或3所述的工具更换系统，其特征在于，所述力元件(21)在所述可更换工具部件(4)的保持位置上在所述锁紧装置(7)上施加基本上为非接触的力，特别是拉力。
5.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，所述力元件(21)具有与距离相关的效应，并且可以通过将所述可更换工具部件(4)从所述保持器(19)移去而失效。
6.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，使所述导向元件(20，33)的导向路径与所述力元件(21)的作用路径彼此相协调，使得在所述力元件(21)失效时关闭所述锁紧装置(7)和所述耦合装置(6)，在此，所述可更换工具部件(4)仍然在所述保持器(19)上被引导。
7.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，所述力元件(21)构成为磁铁、特别是永磁铁 。
8.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，所述工具(2)具有可连接操控装置(9)、特别是机器人的工具部件(5)和多个可更换的、特别是可形状配合并无间隙地耦合和锁紧的工具部件(4 )。
9.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，所述锁紧装置(7)具有彼此形状配合地相接合的锁定元件(22，23)和与所述力元件(21)相反作用的驱动元件(24)，特别是弹簧元件。
10.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，将一个工具部件(5)设计为基座部件并具有机身(26)，该机身具有至少一个突出的容纳件(28，29)和用于可更换工具部件(4)、特别是夹爪的可控驱动器(27)。
11.如前面任一项权利要求所述的工具更换系统，其特征在于，一个可更换工具部件(4)可由所述工具(2)的驱动器(27)或与所述工具(2)相连接的操控装置(9)、特别是机器人移动，用于使所述力元件(21)失效以及锁紧所述耦合装置(6 )。
12.—种加工装置，具有多轴、可编程的机器人(9)和工具更换系统(1)，其特征在于，所述工具更换系统(I)根据权利要求1至11中任一项构成。
13.如权利要求12所述的加工装置，其特征在于，所述机器人(9)具有一个或多个力控制或力调节的机器人轴(1-νπ)，所述机器人轴(1-νπ)具有对应的用于检测作用的负荷的传感装置(17)。
14.如权利要求12或13所述的加工装置，其特征在于，所述机器人(9)具有至少一个柔性机器人轴(1-VD)，该柔性机器人轴(1-VD具有柔性调节装置，特别是纯粹的力调节装置或位置调节装置和力调节装置的组合。
15.如权利要求12、13或14所述的加工装置，其特征在于，所述机器人(9)具有多个可运动地、特别是可转动地彼此连接的节肢(12，13，14，15)，其中，每个所述机器人轴(1-W)具有轴承、特别是转动轴承和在此对应的可控的或可调节的、具有传感装置(17)的轴驱动器，特别是 转动驱动器。
全文摘要
公开了一种工具更换系统，其具有由多部件组成的工具(2)和用于可更换工具部件(4)的供应装置(8)，其中，为待耦合的工具部件(4，5)设置具有形状配合且自动闭合的锁紧装置(7)的耦合装置(6)，并在供应装置(8)上设置用于可更换工具部件(4)的保持器(19)，其中，保持器(19)具有力元件(21)，其产生用于操作所述锁紧装置(7)的自身的力，该力作用在位于所述被保持的工具部件(4)上的所述锁紧装置(7)上将其打开。本发明还涉及一种具有多轴、可编程的机器人(9)和工具更换系统(1)的加工装置。
文档编号B25J15/04GK103170981SQ20121056818
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月24日 优先权日2011年12月22日
发明者莱茵霍尔德·奈德 申请人:库卡系统有限责任公司
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