具有从球锁机构输送碎屑的碎屑通道的机器人工具更换器的制作方法

具有从球锁机构输送碎屑的碎屑通道的机器人工具更换器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年8月25日提交的题为“robotic tool changer having debris passages for channeling debris from the ball-locking mechanism”的美国专利申请号17/002,043的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本发明涉及机器人工具更换器。


背景技术：

4.工业机器人已经成为现代制造业不可或缺的一部分。无论是在洁净室中将半导体晶片从一个处理室转移到另一个处理室，还是在汽车制造厂的地板上切割和焊接钢材，机器人都能在恶劣的环境中不知疲倦地执行许多制造任务，并且具有高精度和可重复性。
5.球锁构造通常部署在机器人工具更换器中作为耦合机构。在一种这样的构造中，多个滚动构件(如钢球)容纳在主组件的轴环中形成的孔或开口中。球例如通过推进活塞被径向驱动，并且前进以抵靠工具组件中的轴承座圈，将主组件和工具组件机械地耦合在一起。为了解耦，活塞缩回，并且随着主组件与工具组件分离，球退回到轴环中。在美国专利号8,005,570；8,132,816；8,209,840；8,500,132；8,533,930；8,601,667；8,794,418；9,151,343；9,724,830；和10,335,957中描述了这种球锁构造的各种构造、驱动机构和操作方面。所有这些专利均已转让给本技术的受让人，并且它们的公开内容都通过引用整体并入本文。
6.在耦合状态下，钢球在保持在轴环中时，从孔的外缘略微向外突出以接合工具组件的轴承座圈。孔的外缘直径小于钢球。当球被迫与轴承座圈接合时，孔的外缘通常被钢球封闭。即，钢球与孔的外缘齐平，使得在钢球和孔的外缘之间基本上没有开放区域。
7.机器人工具组件是多种多样的并且被用于各种各样的应用中。例如，在汽车制造应用中，机器人工具组件可用于在生产运行期间切割、研磨、喷砂或以其他方式成形金属零件，并且在另一运行中执行各种点焊任务。这种切割、研磨、喷砂和焊接会产生灰尘和碎屑，例如微小的金属颗粒。当工具和主组件耦合时，灰尘和碎屑会积聚在锁定机构的接触表面上。锁定机构中的碎屑污染通常是由工具掉落造成的，因为工具更换器可能具有来自喷砂操作的残留碎屑或介质(例如喷丸)，这些碎屑或介质可能会在工具掉落后甚至在工具拾起期间落入锁定机构中。此外，根据碎屑的大小，即使在主组件和工具组件耦合时，碎屑可能也进入工具更换器并且积聚在锁定机构上。
8.本发明公开一种机器人工具更换器设计，其有助于并且能够使碎屑从锁定机构逸出。


技术实现要素：

9.在一个实施例中，机器人工具更换器包括主组件和工具组件。主组件包括多个滚
动构件，这些滚动构件包含在形成于环形轴环中的开口中。工具组件包括轴承座圈。为了耦合主组件和工具组件，迫使主组件的滚动构件与工具组件的轴承座圈紧密接合。包含滚动构件的开口被设计成使得当滚动构件延伸并与工具组件的轴承表面接合时，在每个滚动构件和开口之间形成一个或多个碎屑通道。这使得存在于滚动构件和轴承座圈的接触表面中和周围的灰尘、碎屑、介质等能够逸出。
10.包含滚动构件的开口包括内端和外端。开口的外端接合滚动构件并且仅允许滚动构件部分地从外端突出。在一个实施例中，外端接合围绕滚动构件的周向间隔开的点或区域。开口的外端的部分向外延伸超过滚动构件并且形成在开口的外端和在其中的滚动构件之间延伸的碎屑通道。
11.在另一个实施例中，开口的外端与包含在其中的滚动构件之间的接触点或接触区域位于虚拟圆上。
12.通过对以下仅用于说明本发明的描述和附图的研究，本发明的其他目的和优点将变得明显。
附图说明
13.下面将参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的实施例。然而，本发明不应被解释为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同的数字始终指代相同的元件。
14.图1是机器人工具更换器的立体图，其示出主组件和工具组件未耦合。
15.图2是环形轴环的立体图，其布置在主组件中并且包括在轴环中的开口和包含在其中的滚动构件之间形成的碎屑通道。
16.图3示出开口的外端的示例性构造，该开口包含滚动构件并且被设计为形成至少一个碎屑通道。
17.图4是侧视图，其示出滚动构件和包含滚动构件的开口之间的接触点或接触区域。
18.图4a是类似于图4的视图，但以截面示出滚动构件。
具体实施方式
19.为了简化和说明的目的，主要通过参考其示例性实施例来描述本发明。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说很容易明白，可以在不限于这些具体细节的情况下实践本发明。在本描述中，没有详细描述众所周知的方法和结构，以免不必要地混淆本发明。
20.图1示出采用球锁耦合机构的机器人工具更换器10。机器人工具更换器10的一半(称为主组件12)永久固定到机器人臂(未示出)。另一半(称为工具组件14)固定到机器人可以使用的每个工具(未示出)。在任何特定应用中，这些安装可以颠倒。因此，如本文所用的术语“主”和“工具”是参考术语。如图1中所见，主组件12上的对准销16与工具组件14上的对准套管18配合以确保当组件耦合在一起时主组件12和工具组件14正确对准。
21.主组件12包括外壳20和从外壳20突出并延伸超出外壳20的面的平面的环形轴环22。工具组件14包括外壳24和形成在其中的圆形腔室26。轴承座圈38布置在腔室26中。当主组件12和工具组件14耦合时，轴环22布置在腔室26内并且向内与轴承座圈38间隔开。
22.在轴环22中形成有多个开口28。开口28在轴环22的外侧和内侧之间延伸并且包括外端和内端。在每个开口中包含可移动的滚动构件30。如下文更充分地讨论的，滚动构件30可在缩回位置和伸出位置之间移动。在伸出位置，滚动构件30从开口的外端伸出并与轴承座圈38接合，并起到将主组件12和工具组件14耦合的作用。
23.在一个实施例中，固定到气动活塞的端部的凸轮32布置在由轴环22限定的内部空间内。凸轮32具有至少一个锥形表面34，该锥形表面34在主组件和工具组件耦合期间接触滚动构件30。凸轮32在缩回位置和伸出位置之间移动。凸轮32的移动由机器人控制器(未示出)控制。当凸轮32从缩回位置移动到伸出位置时，锥形表面34接合滚动构件30并向外推动它们穿过开口28。在完全伸出位置，凸轮32移动滚动构件30以与形成在工具组件14中的轴承座圈38紧密接触。当这发生时，主组件12和工具组件14耦合。在一些实施例中，滚动构件30可以被附接到气动活塞的凸轮以外的机构推进，如美国专利8,132,816和美国专利8,209,840中所述，其公开内容通过引用明确地并入本文。
24.开口28被构造成当主组件12和工具组件14耦合时形成穿过开口的碎屑通道50。碎屑泛指在机器人工具更换器10中和周围发现的灰尘、细小颗粒、喷砂介质和任何松散材料。这使得当主组件12和工具组件14耦合时滚动构件30和轴承座圈38中和周围的碎屑能够通过碎屑通道50逸出。
25.从根本上说，开口28的横截面积必须大于滚动构件30的横截面积，以便形成这些碎屑通道。然而，开口的外端必须充分接触滚动构件30以在主组件12和工具组件14解耦时将它们保持在伸出位置。为了实现这一点，开口28可以呈现各种形状和尺寸并且滚动构件30和开口28之间的接触点可以变化。
26.图2-图4a示出开口28的示例性设计。每个开口28呈现大致四叶草叶子的构造。开口28的横截面积通常从轴环22的内侧朝向轴环的外侧减小。在该设计中，开口28的外端构造成：(1)当主组件12和工具组件14耦合在一起时，允许滚动构件30从开口向外部分地突出为足以接触工具组件14的轴承座圈38；(2)当主组件12和工具组件14解耦时，充分接触滚动构件，以防止它们被推出到开口外端之外；(3)在开口和其中的滚动构件之间形成碎屑通道50。
27.图3是示出四叶草叶子开口28的外端的正视图。如图3所示，开口28的周界包括四个弧形段28a。各对弧形段28a相遇以形成图4中由cp1、cp2、cp3和cp4所指的滚动构件接触点或接触区域。因此，当滚动构件处于伸出位置并与轴承座圈38接触时，在滚动构件周围有限定的四个间隔开的碎屑通道50。注意，各个碎屑通道50对滚动构件30内侧上整个开口28是开放的。
28.当主组件12和工具组件12解耦，并且机器人将主组件12移离工具组件14(例如，以附接到不同的机器人工具)时，滚动构件30必须保持在它们相应的开口28的内部。在现有技术中，这是通过开口28的外端为圆形并且每个开口的直径至少略小于滚动构件30的直径来实现的。根据本发明的实施例，由于碎屑通道50，开口28不是圆形的，但仍然必须保持滚动构件30。如果接触点或接触区域cp1、cp2、cp3、cp4中的至少一些位于或限定直径小于滚动构件30的直径的虚拟圆，同时碎屑通道50向外延伸超过该虚拟圆，则这是有保证的。
29.因此，当主组件12和工具组件14耦合并且甚至同时工具组件正在执行工作时，滚动构件30和轴承座圈38中和周围的碎屑可以通过碎屑通道逸出并向内移动。通过为碎屑提
供从轴承座圈38和滚动构件30排出的途径，锁定机构保持更清洁，操作更平稳，并且干扰滚动构件和轴承座圈之间接触的碎屑更少。
30.在图3-图4a中所示的实施例的这种情况下，接触点和碎屑通道围绕滚动构件30均匀地间隔开。然而，开口28可以呈现各种形状和尺寸，设计用于保持滚动构件30在开口中，但在每个滚动构件和包含该滚动构件的开口之间仍然形成至少一个碎屑通道50。
31.当然，在不脱离本发明的范围和基本特征的情况下，本发明可以以不同于这里阐述的那些方式的其他特定方式实施。因此，本实施例在所有方面都被解释为说明性的而非限制性的，并且在所附权利要求的含义和等效范围内的所有变化都旨在包含于其中。