专利名称：具有电开关装置的过载保护装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及过载保护装置，它设有一个壳体，该壳体被用来固定在一个操作装置上；一个用于固定工具的工具固定装置，该工具固定装置被可运动地安装在壳体上；一个预加载装置，它被构造来在壳体与工具固定装置之间产生预加载力；及一个通过壳体与工具固定装置之间的相对运动开关的开关装置。
过载保护装置已由现有技术公开及使用在外力驱动的操作装置、例如轴控制式或轨迹控制式的工业机器人上，用来避免在操作装置与操作装置周围环境中的物体之间运动范围中的撞击时的损坏。为此，过载保护装置具有一个壳体，它可被固定在操作装置上，例如固定在一个机器人臂的接收法兰上。在壳体上设有一个工具固定装置，例如为一个工具法兰的形式，它被构造用来接收操作工具，例如抓持装置、加工装置、测量装置。在此情况下，工具固定装置可运动地与壳体相连接，以致在壳体与工具固定装置之间允许一个相对运动，尤其是工具固定装置偏转形式的运动。其中根据安装在工具固定装置上的操作工具的使用范围可设置直线的和/或旋转的相对运动。该相对运动可受到壳体及安装其上的工具固定装置的结构状况的限制。为了防止不希望有的相对运动，设有一个预加载装置，它在壳体与工具固定装置之间施加一个预加载力，以使得仅在超过该预加载力时才可发生相对运动。因此在操作工具与一个物体碰撞时首先仅出现由预加载力大小确定的碰撞力。因为有时不能排除壳体与工具固定装置之间的相对运动的可利用运动间隙足以完全地截获由操作装置进行的运动，因此在壳体与工具固定装置之间设置了一个开关装置，它在工具固定装置相对壳体有一个最小偏转的情况下产生一个开关信号，该开关信号可被继续传送给操作装置的一个控制装置，以便停止操作装置的运动及需要时使其在相反方向上运动。
过载保护装置的一个公知的实施形式是本申请人的型号为OPS80的装置，它在可得到的才册中被描述。该OPS 80具有一个圆柱形的壳体，该壳体具有用于装配在工业机器人上的固定孔。在该圆柱形壳体上装有一个也为圆柱形的工具固定装置，该工具固定装置可直线移动及可转动地被固定。工具固定装置可通过一个压力活塞或通过弹簧装置加载一个预加载力及因此允许传递一个在设计上限制的转矩或相应的力，这对于安装在工具固定装置上的工具的使用是必要的。在壳体的向着工具固定装置的端面上设有各错开120°布置的接近式开关，它们在碰撞及由此引起的工具固定装置接近壳体的情况下可释放一个开关信号及由此可使操作装置的运动停止。由US 4,717,003公开了一种过载保护装置，它为了产生预加载力设有弹簧件。其中通过传感器来确定壳体与工具板之间的距离。如果超过一个预定的距离，则发出一个信号。
由DD 252 512 A3公开了一种具有碰撞防护的附件，它设有一个基本壳体。在基本壳体中设有一个压力容积，该压力容积借助一个膜片密封。在一个法兰由止动装置抬起时将通过一个传感器输出一个信号。
本发明的任务在于给出一种开始部分所述类型的过载保护装置，它可实现简化的设计结构及改善可变性。
该任务将通过具有权利要求1的特征的开关装置来解决。
由此在壳体的及工具固定装置的彼此面对着的表面区段之间引起直接的电耦合，由此，该开关装置相对现有技术可被大大简化。在此情况下，开关面可选择地配置给壳体或工具固定装置，接触元件各被设置在相应的对面表面区段上。一旦在碰撞情况下通过壳体与工具固定装置之间的相对运动使这些表面区段彼此离开，则在开关面与接触元件之间的电接触中断，由此可引起一个开关信号。
根据本发明，预加载装置被构造成活塞装置及可由一种介质加载。该壳体在这里构成一个圆柱缸体，在其中可运动地安装构造成活塞装置的预加载装置并且在该圆柱缸体中可加入液态的和/或气态的介质。通过该介质可在缸体中施加一个压力，该压力将导致在活塞装置上的预加载，其中活塞尤其可直接地与工具固定装置连接，以致通过介质的压力可实现对工具固定装置的可变的预加载力。
在此，工具固定装置通过压力活塞可被施加预加载力，其中接触元件被构造成密封压力活塞的密封件。由此可进行预加载力对该过载保护装置的应用领域的适配。如果在工具固定装置上安装了一个例如特别敏感的工具，则可通过对压力活塞小的压力加载来设置一个小的预加载力，以便在低的碰撞力时可保证过载保护装置的释放。通过将接触元件构造成密封压力活塞的密封件，可取消一个附加的密封，由此可得到过载保护装置结构上的简化。在一个优选实施形式中，接触元件对压力活塞的密封作用被这样地设计，使得在工具固定装置偏转(移)时达到对压力活塞密封作用的取消。由此可引起过载保护装置特别快速的响应。
在本发明的一个优选实施形式中，接触元件由弹性的导电材料制成。通过弹性的导电材料可保证相对开关面的可靠电接触，因为该导电材料能够补偿这些表面区段的机械公差。作为弹性的导电材料尤其可涉及弹簧弹性的材料如铜-铍、镍-钛合金或弹簧钢。在本发明的一个特别优选的实施形式中接触元件由导电的弹性体材料构成，它尤其在困难的环境条件如高温和/或强振动时具有大的长期稳定性。作为导电的弹性体材料尤其可使用金属、石墨或炭黑填充的或涂层的材料，如硅、丁腈橡胶或维通橡胶(Viton)。
在本发明的一个构型中，接触元件在与开关面接触的接触状态中通过预加载力弹性地变形及面接触在开关面上。通过接触元件的弹性变形及面接触可保证它与开关面的可靠电接触。根据接触元件的几何构型及材料选择，可根据预加载力预给定用于接触元件的变形行程。因此可导致开关装置不同的开关特性，这些开关特性对用于释放开关信号所需的壳体与工具固定装置之间的相对运动有显著的影响。一个高弹性、可强变形的接触元件具有大的变形行程及由此需要壳体与工具固定装置之间更大的相对运动，而一个具有小变形行程的刚性更强的接触元件可被设置来用于短的开关行程及由此用于速动的开关特性。
在本发明的一个优选实施形式中，为了防护环境的影响，所述设有开关装置的表面区段被设置在一个由壳体和/或工具固定装置构成的开关区域中。由此不仅可减小及防止对开关装置的开关特性有不利影响的湿气和/或脏颗粒的侵入，而且可减小及防止外部干扰的入侵，尤其是电磁波的干扰。因此开关装置的工作即使在不利的环境条件下也可保证长的寿命。
在本发明的另一构型中，开关面被构造成具有多个导电面的导体板。由于作为导体板的构型，开关面可与壳体无关地制造及接着安装到壳体中及由此可实现对开关装置要求的个别适配。作为用于开关面的材料尤其可使用具有金属涂层的纤维增强的层压人造树脂，例如铜覆层的电路板。多个导电面可这样地设置在开关面上，即根据壳体与工具固定装置之间出现的相对运动可实现不同的开关功能。由此在导电面合适布置的情况下除纯识别碰撞外还可进行碰撞方向的识别，由此可实现操作装置的有针对性的响应。
在本发明的一个优选实施形式中，这些表面区段相对一个释放轴线基本上正交地定向，该释放轴线由壳体与工具固定装置的作用连接来确定。由此可实现开关装置特别有利的开关特性，因为不仅在通过过载保护装置在释放轴线方向上的运动引起的、并且导致工具固定装置相对壳体直线运动的碰撞时，而且在与释放轴线正交地发生的、并且导致工具固定装置相对壳体的摆动运动的运动时，均能保证开关装置的可靠释放。
在本发明的另一构型中，这些导电面分别被构造成相对释放轴线圆环扇段形状。由此可实现碰撞的位置分辨，它将以特别有利的方式导致操作装置的有针对性的反应。当在释放轴线的方向上碰撞时所有导电面基本上同时地失去与接触元件的电接触，由此引起了一个专门的开关信号，在与释放轴线垂直的碰撞时导致工具固定装置相对壳体的倾翻，则仅是一部分导电面，尤其是一个导电面失去与接触元件的接触，由此也形成了一个专门的开关信号。在一个特别优选的实施形式中，这些圆环扇段形式构成的导电面具有一个120°的扇形角，由此可实现在可靠的电接触与对于通常应用情况足够的位置分辨之间的有利协调。
在本发明的另一构型中，接触元件被构造成环形件。由此可实现接触元件的特别简单的构型，该构型对于开关面也可同时地实现均匀的及相同形状的支承。这里该环形件可为圆形的、椭圆形的或多角形的，由此在与开关面作用连接时可实现不同的开关特性。在本发明的一个特别优选的实施形式中接触元件被构造成圆形的及与释放轴线同心地设置。
在本发明的另一构型中，接触元件被安装在工具固定装置的一个至少区段地环绕释放轴线的端侧的槽中。由此即使当工具固定装置与壳体之间倾翻运动时也可保证接触元件的可靠夹持，此外该槽防止了接触元件的过大变形。
在本发明的一个优选实施形式中，接触元件被设置来用于在一个工具固定装置的静态位置中形成导体板的导电面之间的电接触及被构造用于产生用于故障检测的静止电流。由此能以简单的方式实现开关装置功能状态的监测。该开关装置被供给电压，其中这些导电面通过接触元件的触点接通这样地设置，即通过一些或所有的导电面产生电流。只要工具固定装置处于静态位置、即无将导致超过接触元件变形行程的相对运动的外力作用在工具固定装置或壳体上，将由此流过一个静态电流，该静态电流可由连接在其后的分析处理单元来检测。该静态电流对于开关装置的正常功能尽管不是充分的条件，但为一个必要的条件，如果在这样构造的及供给电压的开关装置中出现了电流的中断，则可推断出一个故障。在本发明的一个优选实施形式中，开关装置的一个直流电阻或交流电阻被用作接触元件或导电面状态的质量标准。
在本发明的另一构型中，设有用于监测静态电流及用于故障检测的监测装置。所述监测装置能够对开关装置进行有目的的及个别适配的监测。所述监测装置供给开关装置一个可被设置为恒定的或脉动的直流电压或交流电压的静态电压，并且检验通过该静态电压引起的通过开关装置的电流。如果该电流尤其在诸如电流强度或相移这样的判据方面偏离了可预给定的给定值，则所述监测装置产生出一个故障信号，该故障信号可被继续传送给一个分析处理单元。通过所述监测装置能以简单的方式实现不同开关装置的模块式的可互换性，因为可与开关装置的构型无关地设置一个相对分析处理单元的标准接口。在本发明的一个优选实施形式中，设置来监测静态电流及用于故障检测的监测装置包括对此必要的电子元件在内尤其被集成在开关装置中，以致仅需要一个电源和/或至少一个信号线，以便实现开关装置的全面的功能和/或状态监测。
在本发明的另一构型中，开关装置在工具固定装置相对壳体的轴向上的开关行程被设置为s＜2mm和/或在工具固定装置相对壳体摆动运动时一个开关角度被设置为α＜10度。由此可保证开关装置特别速动的响应，以致当与周围环境中的物体碰撞时可保证操作装置的快速关断或直接的运动反向以避免损坏。在此，开关装置的开关行程基本上由接触元件的变形行程来确定。在开关角度方面导电面的几何构型附加地具有意义，因为当工具固定装置相对壳体摆动运动时将在小的限制在窄角度范围中的导电面上发生接触元件的快速抬起。在本发明的一个特别优选的实施形式中，接触元件和/或开关面被弹性地悬置，由此可实现开关行程或开关角度的增大，尤其当主要与软物体发生碰撞时这是特别有益的，在该碰撞时首先不会出现损坏的危险。
在本发明的一个特别优选的实施形式中，设置了开关行程与预加载力的关系，在此情况下既可考虑预加载力与开关行程之间的正比关系也可考虑反比的关系。开关行程与预加载力的这种关系尤其可通过开关面和/或接触元件的柔性悬置来实现，其中预加载力的提高会导致工具固定装置相对壳体的移动及由此导致开关行程的变长。
由以下借助附图中所示的一个优选实施例的说明将得到本发明的其它特征及优点。附图表示
图1一个过载保护装置在一个静态位置中的透视图，图2用于根据图1的过载保护装置的一个开关面的透视图，图3根据图1的过载装置的概要视图。
在图1及图3中所示的过载保护装置1具有一个壳体2，该壳体被设置来用于固定到一个未示出的操作装置、尤其是工业机器人上；及一个安装在壳体2上的工具固定装置3，它用于固定一个未示出的工具，尤其是抓持工具或一个加工工具，其中刀具夹3可运动地被安装在壳体2上。在壳体2与工具固定装置3之间设有一个预加载装置4，该预加载装置被构成来用于在壳体2与工具固定装置3之间施加一个预加载力。为了产生一个-尤其可用来影响操作装置的-电开关信号，设有一个通过壳体2与工具固定装置3之间的相对运动进行开关的开关装置5。该开关装置5具有至少一个导电的开关面6及至少一个可与该开关面6形成电接触的导电的接触元件7。开关面6及接触元件7被构造在彼此面对着的、工具固定装置3的表面区段8a及壳体2的表面区段8b上。
接触元件7由弹性的导电材料、尤其是用导电颗粒填充和/或涂层的并且由此导电的弹性体材料来制造，及在图1及图3中所示的接触状态中通过一个由预加载装置4施加的预加载力被压在开关面6上及由此弹性地变形。在此，接触元件7面接触在开关面6上及在接触状态-相应于过载保护装置的一个静态状态-中保证了在接触元件7与导电面9之间的稳定的电接触，这些导电面在图1及图2中被详细地示出。接触元件7至少部分地被装在工具固定装置3的一个端侧的环形槽11中及由此被保持在一个预定义的位置中并且被保护防止通过过强的变形造成的过载。
壳体2及工具固定装置3构成一个基本上封闭的开关区域18，以便可保护开关装置5的表面区段8a，8b及接触元件7免于环境的影响。壳体2的开关区域18及工具固定装置3的与它适配的基本上活塞状的区段允许在释放轴线10的方向上的直线相对运动，其中释放轴线10相应于壳体2中基本上圆柱形的孔的、或工具固定装置3的接收在壳体2中的活塞状区段的基本上圆柱形的轮廓的纵向中心轴线。开关区域18被构造成圆柱形的压力室，在其中通过用具有压力的尤其气态或液态介质的压力加载，在工具固定装置3的活塞状区段上可施加一个压力，该压力作为用于过载保护装置1的预加载力起作用。
在壳体2及工具固定装置3的一个合适的实施形式中，也可以是，一个摆动运动来作为壳体2与工具固定装置3之间的相对运动，该摆动运动尤其可与直线的相对运动叠加。该摆动运动基本上绕一个摆动轴线进行，该摆动轴线被设置一个在与释放轴线10正交的平面内。
过载保护装置1被安装在一个未示出的操作装置上、在该操作装置的一个尤其是外力操作的支架与一个安装在操作装置上工具之间，该工具尤其为一个抓持工具或加工工具，并且该过载保护装置与一个压力介质供给源以及与一个控制电缆相连接，该压力介质供给源尤其为一个压力空气供给源或液压介质供给源。过载保护装置1在操作装置上的安装及工具在过载保护装置上的安装可借助螺钉连接来实现，其中在过载保护装置1上设有用于相对操作装置唯一地定位的多个定位销。通过压力介质供给源对构成压力室的开关区域18加载介质压力，由此在壳体与工具固定装置的活塞状区段之间出现一个预加载力。因此该预加载力可视过载保护装置1的工作状态而定通过介质压力的变化来改变。通过该预加载力可使所述在端侧安装在活塞状区段的槽11中的接触元件7压在开关面6上及弹性地变形，其中接触元件7与开关面6的导电面9之间产生电接触及接触元件7作为所述活塞状区段与开关面6之间的密封件起作用。开关面6通过一个在图1中详细表示的对中销19相对一个设在工具固定装置3中的对中锥面20来定位。相对外界环境的密封也通过设置在壳体2上的O型密封圈21来实现，该密封圈与开关面6的底面形成作用连接。在工具固定装置3相对壳体2的静态位置中可设置一个通过接触元件7流到导电面9中的电流，其中通过所有导电面9的电流的存在可被估价为开关装置5功能正常的指示。为此，一个未示出的分析处理单元与开关装置5相连接，它引起开关装置5的电压施加及检测由此导致的静态电流。
在操作装置运动时，加速度作用在安装在工具固定装置3上的工具上，所述加速度通常不会导致过载保护装置1的释放。因此施加预加载力，该预加载力需要在工具固定装置3上作用一个可预给定的最小力作用，以便可在工具固定装置3与壳体2之间导致相对运动。这种相对运动例如可在安装于工具固定装置3上的工具与操作装置环境中的一个物体的碰撞时出现。在此，一个力根据碰撞方向作用在释放轴线10的方向上或至少在分量上与释放轴线10正交。由此相对壳体2或者发生一个直线的开关运动，它通过图3中概要及示范表示的开关行程12来表示；或发生工具固定装置3的一个可能叠加的摆动运动，它通过图3中概要及示范表示的开关角13来表示。通过壳体2与工具固定装置3之间的相对运动，使图1及图3中所示的彼此位于对面的且彼此面对着的表面区段8a，8b相互离开，以致可导致接触元件7从开关面6上部分地或完全地抬起，由此将使接触元件7与至少一个导电面9之间的电流中断。此外通过接触元件7的抬起也使与开关面6的密封作用取消，由此在预加载装置中建立的内部压力可被降低及可在工具固定装置3与壳体2之间发生特别快的相对运动，因为压力被至少几乎完全地降低。该电流中断由分析处理单元检测出来及例如可作为开关信号被继续传送给操作装置的控制装置。通过具有三个圆环扇段形状的导电面的开关面构型，在工具固定装置3的摆动运动时，接触元件7首先仅从一个导电面9上抬起，由此可产生表示特征的开关信号。而在释放轴线方向上的直线相对运动时，所有导电面9基本上同时地失去与接触元件7的接触，由此出现另一也表示特征的开关信号。分析处理装置可这样地构成，即它能够区分这些不同的表示特征的开关信号及由此将一个方向信息输出给操作装置的控制装置，该控制装置则可导致操作装置逆着碰撞方向的一个有目的的回程运动。
开关面6被作成具有多个导电面9的导体板，如图2中详细表示的。该导体板具有一个基本上圆环形的轮廓及在其表面上设有三个各作成圆环扇段形状的导电面9。从每个导电面9通出一个由绝缘材料覆盖的导体线14到导体板底面上的一个接触部位15，在该接触部位上可设有一个未示出的电缆端子或插接连接部分。开关面6在其外轮廓上适配于壳体2，其中心孔16被设置用于穿过工具固定装置3，而这些对中孔17被构适用于与设在壳体2中的、图2中未示出的配合销作用连接，用于导体板的定位。
权利要求
1.过载保护装置(1)，设有一个壳体(2)，该壳体被用来固定在一个操作装置上；一个用于固定工具的工具固定装置(3)，该工具固定装置被可运动地安装在壳体上；一个预加载装置(4)，用于在壳体与工具固定装置之间产生预加载力，其中该预加载装置被构造为具有一个压力活塞的活塞装置，该压力活塞可由一种介质加载；及一个通过壳体与工具固定装置之间的相对运动开关的开关装置(5)，其特征在于开关装置具有至少一个导电的开关面(6)及至少一个可与该开关面形成电接触的导电的接触元件(7)，其中开关面(6)及接触元件(7)被设置在工具固定装置与壳体的彼此面对着的表面区段(8)上，其中接触元件(7)被构造成一个使压力活塞相对开关面(6)至少区段地密封的密封件。
2.根据权利要求1的过载保护装置，其特征在于接触元件(7)由一种弹性导电材料、尤其是导电的弹性体材料制造。
3.根据权利要求1或2的过载保护装置，其特征在于接触元件(7)在与开关面的接触状态中通过预加载力弹性地变形及面靠触在开关面上。
4.根据以上权利要求中一项的过载保护装置，其特征在于为了防护环境的影响，这些设有所述开关装置的表面区段被设置在一个由壳体和/或工具固定装置构成的开关区域(18)中。
5.根据以上权利要求中一项的过载保护装置，其特征在于所述开关面被构造成具有多个导电面(9)的导体板。
6.根据以上权利要求中一项的过载保护装置，其特征在于这些表面区段相对一个释放轴线(10)基本上正交地定向，该释放轴线由该壳体与工具固定装置的作用连接来确定。
7.根据权利要求4或5的过载保护装置，其特征在于这些导电面各被构造成圆环扇段形状，尤其相对释放轴线具有120度的扇形角。
8.根据以上权利要求中一项的过载保护装置，其特征在于接触元件(7)被构造成环形密封件及尤其相对释放轴线同心地设置。
9.根据以上权利要求中一项的过载保护装置，其特征在于接触元件(7)被安装在工具固定装置的一个至少区段地环绕释放轴线的端侧的槽(11)中。
10.根据以上权利要求中一项的过载保护装置，其特征在于接触元件被设置来在工具固定装置的一个静态位置中形成导体板的导电面之间的电接触及被构造用于产生用于故障检测的静态电流。
11.根据权利要求10的过载保护装置，其特征在于设有用于监测静态电流及用于故障检测的监测装置。
12.根据以上权利要求中一项的过载保护装置，其特征在于开关装置在工具固定装置相对壳体的轴向上的开关行程被设置为s＜2mm和/或在工具固定装置相对壳体的翻转运动时开关角被设置为α＜10度。
全文摘要
本发明涉及一种过载保护装置(1)，设有一个壳体(2)，该壳体被用来固定在一个操作装置上；一个用于固定工具的工具固定装置(3)，该工具固定装置被可运动地安装在壳体上；一个预加载装置(4)，用于在壳体与工具固定装置之间产生预加载力，其中该预加载装置被构造为具有一个压力活塞的活塞装置，该压力活塞可由一种介质加载；及一个通过壳体与工具固定装置之间的相对运动开关的开关装置(5)，其特征在于开关装置具有至少一个导电的开关面(6)及至少一个可与该开关面形成电接触的导电的接触元件(7)，其中开关面(6)及接触元件(7)被设置在工具固定装置与壳体的彼此面对着的表面区段(8)上，其中接触元件(7)被构造成一个使压力活塞相对开关面(6)至少区段地密封的密封件。
文档编号B23Q11/04GK1968790SQ200580020175
公开日2007年5月23日 申请日期2005年4月18日 优先权日2004年4月19日
发明者拉尔夫·温克勒, 布鲁诺·费尔豪尔, 弗里德里克·库尔茨 申请人:顺克股份两合公司