专利名称：将工具夹自动化地联接到操作装置的工具架上的联接装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将承载着工具的工具夹自动化地联接在操作装置例如优选 机器人的工具架上的联接装置，其中工具夹包括锥柄和夹头。所述工具架装备有锥形套筒 和闭锁机构，该闭锁机构包括与夹头共同作用的抓取装置和沿轴向作用的张紧装置。为联 接装置配设了用于确定位置的传感器。此外，本发明涉及一种用于将承载着工具的工具夹 自动化地联接在操作装置的工具架上的方法。承载着工具的工具夹在结构非常简单的实施方式中理解为锥形的锥柄，该锥柄与 用于进行特定作业的工具一起优选在冶金的装置上、例如连铸设备或者熔液容器中形成制 造技术方面的单元。为了在连铸设备的领域中专门使用操作装置，所述工具夹根据可能的 实施方式包括锥柄和夹头，在该夹头上位置确定地将工具夹紧地摆放在操作装置的作用区 域中的存放面上，所述工具例如是用于确定分配器容器中或者连铸结晶器中的熔液温度的 测量针或者是用于打开熔液容器的出口的自由喷针。
背景技术：
已经由DE 32 14 025 Al公开了一种所述类型的装置。在此，所述联接装置的承 载着锥形套筒的部件牢固地固定在工作器具上、例如制造机器人上。装备有锥柄的工具或 者任意的工作器具存放在工具库中，并且机器人能够通过相应的控制从库中取出不同的工 作器具并且再将其放入库中。在此，通过液压或气动操作的锁定栓将工作器具锁定在锥形 套筒中，该锁定栓在闭锁位置中卡入锥柄的凹槽中。从该文件中不能获得关于通过机器人 目标精确地驶向闭锁位置的更详细的说明。从DE 33 36 111 Cl、DE 20 2005 013 995U1、DE 101 41 641 Al 和 DE 297 23 331U1中公开了用于带柄工具例如斜锥体工具的力操作的张紧和松开装置，其中工具以锥 柄和夹头插入工具支架的或者工作主轴的锥形套筒中并且以轴向运动的配设了张紧元件 的拉杆将工具拉到锥形套筒中并且保持在其中。装配有所描述的联接装置的工具绝大多数用在机床中并且大多数要求与工具更 换器的夹具特别协调，该工具更换器将工具在库与机床的例如工作主轴之间进行运输。已经由多个文件公开了位置测量传感器在用于监控地将工具联接到工具架上的 联接装置和方法中的使用以及应用。在WO 2004/037486A1中描述了位置测量传感器在通常将工具插入工具夹中时的 应用以及其用于监控该插入过程的应用。然而由于存在的三维的运动过程，用独立于有待 联接的部件固定定位的传感器的解决方案不适合于监控在操作装置的如优选在机器人的 工具架上的联接过程。由DE 44 15 306 Al和EP 1 726 401 Al已经公开了用于检验工具在联接的状态 下关于工具的圆周运动的位置或者检验工具按规定锁定在工具垫圈中的传感器。用于检验 装配位置的装置的实施方式同样不适合于控制联接过程。
发明内容
本发明的任务是避免已知的现有技术的缺点并且提出开头所述类型的装置和方 法，其中能够控制位置地自动化地接纳各种各样的工具和工作器具。基于本发明的所述任务用开头所述类型的装置通过以下方法得到解决，即在工具 架的锥形套筒上布置一定数量的传感器，并且每个传感器为确定工具夹的位置对置于工具 夹上的参照面。用所述传感器检测其相对于配属的参照面的距离或者说产生相应于该距离 的信号。为了保护工具夹的锥柄在其使用范围内不受到外界影响、例如尤其防止污染和由 冶金容器中的例如液态金属引起的强烈的热载荷，而不妨碍承载着工具的工具夹的接纳， 建议所述工具夹的锥柄由沿着其纵向延伸方向以径向距离包裹锥柄的保护罩所包围。对于由操作装置进行的工具的接纳过程来说有利的条件是，工具夹上的参照面由 锥柄的外圆锥侧面形成。对于工具的接纳过程来说特别有利的条件是，工具夹上的参照面由以径向距离包 裹锥柄的保护罩的内侧面形成。为了相对于工具架的空间位置明确地确定工具夹的空间位置，需要在锥形套筒的 内圆锥侧面或者外壁上布置多个传感器，并且为所述传感器配设用于求出的测量数据的分 析装置，并且将分析装置与操作装置的调整机构进行信号技术方面的连接。优选在锥形套筒的内圆锥侧面或者外壁上将至少两个、优选三个传感器布置在法 向于工具架的纵轴线定向的第一平面中，并且在另一个与第一平面轴向间隔开的并且法向 于工具架的纵轴线定向的第二平面中布置至少一个另外的传感器。布置三个传感器足以确定工具架的沿着工具架的或者工具夹的纵轴线的轴向方 向相对于工具夹的位置，并且需要第四传感器也用于确定工具架相对于工具夹的倾角。已知的不同的测量系统能够基于传感器。可以考虑感应的、电容的或者光学的传 感器用于测量距离。在对于相应于目标的使用来说必须占据工具架中确定的角度位置的工具中有利 的是，在此已经在由工具架接纳工具夹时确定了力求达到的目标位置。通过以下方法来实 现这一点，即为锥柄和锥形套筒分配相应的闭锁元件。在为锥柄配设了突出的或者从侧面 伸出的闭锁元件例如键时并且为工具架的锥形套筒配设了相应的确定角度位置的闭锁口 例如槽时，确定所述力求达到的目标位置。需要工具用于专门的使用情况，所述工具除了其定位或者说调整运动之外还必须 实施通过操作装置不能直接实施的功能，例如钳子的抓取运动。为了实现这一点，在工具夹 位于工具架中的锁定位置中，介质供给管道在锥形套筒的圆锥侧面上的出口对置于介质供 给管道在锥柄的圆锥侧面上的出口。只要需要多个相应的介质供给管道用于操作工具，就在锥形套筒和锥柄上布置多 个出口时通过密封元件将相应的介质供给管道相互分开。为了解决所提出的任务，还提供了一种用于将承载着工具的工具夹自动化地联接 在操作装置例如优选机器人的工具架上的方法，其特征在于，装配在工具夹的存放位置中 的工具由操作装置的控制单元选出并且由工具架触发或者说起动，在将工具架推到工具夹上时用传感器连续地求出并修正工具架相对于工具夹的实际位置，并且将工具夹在工具架 中由工具架的抓取和张紧装置固定在其到达的目标位置中。用多个分布在工具架上的传感器求得工具夹相对于工具架的实际位置，用所述传 感器接收代表到工具夹的参照面的距离的测量信号，从所述测量信号中求得工具架相对于 工具夹的径向偏差和倾角并且产生至少一个控制信号，用该控制信号通过操作装置的调整 机构实现工具架朝工具夹的对准。代替工具架相对于工具夹的径向偏差和倾角，也可以求 得明确确定工具架相对于工具夹的空间配属关系的其它特征参数。非对称地布置传感器能够从由传感器接收的测量信号中额外地求得工具夹相对 于工具架的角度位置并且产生控制信号，用该控制信号通过操作装置的调整机构实现工具 架的空间定向。
本发明的其它优点和特征从非限制性的实施例的以下描述中获得，其中参照附 图，附图示出图1是按本发明的联接装置连同工具架和工具夹的纵剖图，图2是用按本发明的联接装置自动地联接的工作原理图，图3a是在联接过程中工具夹和工具架的纵剖图中的几何关系，图3b是在联接过程中在法向于工具架纵轴线的图平面中投影时的几何关系，图4是穿过工具夹和工具架提供介质的视图。
具体实施例方式在图1中示出了按本发明所述类型的用于将工具夹1自动化地联接到工具架2上 的联接装置的纵剖面。在端侧将没有详细示出的通过点划线示出的工具3固定在工具夹1 上。工具架2以连接法兰5的端侧的连接面4连接到没有详细示出的操作装置的、例如多 轴机器人的悬臂7的用点划线示出的连接法兰6上。所述工具夹1包括带有法兰9的夹头8以及法兰10，在法兰9上固定着用于实施 作业的工具3，法兰10与锥柄11牢固地连接。该锥柄11以相同的尺寸配合所有用在操作 装置上的工具。由此能够简单并且快速地更换工具。在端侧为锥柄11配设了具有蘑菇状 的头部13和环形槽14的牵引栓12。所述工具架2包括壳体15a和在端侧用法兰连接在该壳体上的向外扩展的锥形套 筒16，该锥形套筒的内圆锥侧面16a具有与锥柄11的外圆锥侧面Ila相同的坡度。工具架 2的核心组件是闭锁机构2a，该闭锁机构包括抓取装置2b和张紧装置2c。在支撑法兰17 上固定着由压力介质缸单元18形成的张紧装置2c，该张紧装置包括活塞19和多构件的活 塞杆20，该活塞杆能够沿着工具架的纵轴线21移动。多个构造成弹簧的张紧舌22以其一 个端部固定在活塞杆20上并且以其另一个端部能够沿径向运动。所述张紧舌22在其运动 的端部上具有闭锁突起23，所述闭锁突起在工具夹1穿入锥形套筒16中时允许蘑菇状的头 部13沿轴向一直运动到活塞杆20的止挡面24。在活塞19沿轴向进行闭锁运动时，张紧舌 22在定心套筒27的锥形面26上被向内挤压、嵌入牵引栓12的环形槽14中并且将锥柄11 中心地夹紧在锥形套筒16中，使得工具架2的纵轴线21与工具夹的纵轴线28对齐。
所述工具夹1沿着其纵向延伸方向由管状的保护罩29包围，该保护罩以其一个端 部固定在法兰9上并且朝工具架2的方向敞开。该保护罩29形成了用于锥柄11和牵引栓 13的柱形的保护套，并且在耦合的位置中也用于工具架2的锥形套筒16，从而保护这些部 件防止受到热影响以及防止操作装置的工作区域中受到污染。在工具架2的锥形套筒16的外壁30中，多个传感器31a、31b、32a、32b在两个法 平面El和E2中分布地布置在圆周上，用所述传感器能够求得代表与工具夹1的参照面35 之间的距离的测量信号。在此，该参照面35由管状的保护罩29的内侧面34形成，如图2中 示意性地示出，所述测量信号连续地或者具有时间间隔地输入分析单元37，在该分析单元 中为每个传感器分配了相应于所述测量信号的到参照面35的最小距离值，并且此外在考 虑传感器的空间位置的情况下求得工具架2的相对于工具夹1的位置的相对位置，由此求 得工具架2的纵轴线21与工具夹1的纵轴线28之间的平行偏差以及空间上的倾斜位置。 从求得的实际值中产生调整信号，所述调整信号输入操作装置7的调整机构38，也就是说 用操作装置将工具架2的锥形套筒16受传感器控制地轴线对齐地对准并且推到例如在库 中提供的工具夹1的锥柄11上。为操作装置7分配了控制单元46，该控制单元控制从工具 库的没有示出的存放位置中选出装配在工具夹中的工具，并且控制工具架2的运动过程。图3a和3b示出了在自动化的联接过程中的瞬间情况，在图3a中示出了纵剖图， 并且沿着工具架2的纵轴线21的视线投影到图3b的图平面上。所述锥形套筒由两个轴线 法向的法平面E1和E2切开，所述法平面在图3b中通过与外圆锥侧面30的相交线画出，并且 形成了具有半径Rei和Re2的圆(实线)，其处于工具架的法向于图平面的纵轴线21上并且 投影到图平面中。传感器31a、31b、31C、32a、32b、32C以所述半径分布地布置在圆周上。在 锥形套筒推到锥柄上的瞬间位置中，通过所述两个法平面El和E2获得了与保护罩29的内 侧面34的相交线el、e2，所述相交线形成了椭圆(虚线)。各个传感器31a、31b、31c、32a、 32b、32c与保护罩的内侧面34的各个相交线ei、e2之间的径向距离I^1Jei,2、rE1,3^e2i1Je2, 2、rE2,3相应于由传感器检测的与参照面35之间的距离。图平面E1和E2与工具架的纵轴线 的投影到图平面中的交点是工具夹的纵轴线的两个点并且示出了两个纵轴线的轴向偏差。 从图3a的纵剖图中可以看出两个纵轴线21、28相互间的倾角a。用足够多的传感器能够 完全求出所有需要的特征参数用于通过操作装置以数学模型来调节位置，该数学模型描述 了工具夹和工具架的空间位置相互间的几何关系。对于为工具夹分配了例如必须进行抓取运动、夹紧运动和保持运动的工具这样的 特殊情况来说，如在使用钳子时，介质供给管道40 (压缩空气、信号线路)穿过工具夹和工 具架的接触区域。在图4中示出了适合于此的布置情况。在工具夹1在工具架2中的闭锁 位置中，介质供给管道40的在锥形套筒16的圆锥侧面16a中的出口 41对置于介质供给管 道40的在锥柄11的圆锥侧面Ila中的出口 42。在锥形套筒16和锥柄11上的多个并排定位的相对应的出41、42、41a、42a通过密 封元件43相互分开。所述密封元件43由置入锥柄11的环形槽44中的0形环构成。作为 替代方案，也可以将0形环置入锥形套筒上的环形槽中。附图标记列表1 工具夹2 工具架
2a闭锁机构2b抓取装置2c张紧装置3工具4、5、6连接法兰7操作装置的悬臂8夹头9、10法兰11锥柄Ila锥柄11的圆锥侧面12牵引栓13牵引栓12的蘑菇状的头部14环形槽15a壳体16锥形套筒16a锥形套筒16的内圆锥侧面17支撑法兰18压力介质缸单元19活塞20多构件的活塞杆21工具架2的纵轴线22张紧舌23张紧舌22的闭锁突起24活塞杆20上的止挡面26锥形面27定心套筒28具夹1的纵轴线29保护罩30锥形套筒的外壁31a、31b、31c传感器32a、32b、32c传感器34保护罩29的内侧面35参照面37分析单元38操作装置的调整机构40介质供给管道41、41a、42、42a 介质供给管道40的出口43密封元件44用于密封元件43的环形槽
46
α
Ε”E2
REI-Λ
ei、e2
Γει,1、
ΓΕ2,1、
控制单元
倾角
法平面
法平面中的半径 相交线
传感器-相交线的径向距离
权利要求
用于将承载着工具的工具夹(1)自动化地联接在操作装置(7)例如机器人的工具架(2)上的联接装置，其中所述工具夹包括锥柄(11)和夹头(8)，所述工具架具有锥形套筒(16)和闭锁机构(2a)，该闭锁机构包括与夹头(8)共同作用的抓取装置(2b)以及沿轴向作用的张紧装置(2c)，以及具有用于确定位置的传感器，其特征在于，在所述工具架(2)的锥形套筒(16)上布置一定数量的传感器(31a、31b、31c、32a、32b、32c)并且每个传感器为了确定所述工具夹的位置而对置于所述工具夹(1)上的参照面(35)。
2.按权利要求1所述的联接装置，其特征在于，所述工具夹(1)的锥柄(11)由沿着其 纵向延伸方向以径向距离包裹所述锥柄(11)的保护罩(29)所包围。
3.按权利要求1或2所述的联接装置，其特征在于，所述工具夹(1)上的参照面(35) 由所述锥柄(11)的外圆锥侧面(Ila)形成。
4.按权利要求1或2所述的联接装置，其特征在于，所述工具夹(1)上的参照面(35) 由以径向距离包裹锥柄(11)的保护罩(29)的内侧面(34)形成。
5.按上述权利要求中任一项所述的联接装置，其特征在于，在所述锥形套筒(16)的内 圆锥侧面(16a)或者外壁(30)上布置多个传感器(31a、31b、31C、32a、32b、32C)用于相对 于所述工具架(2)的空间位置确定所述工具夹(1)的空间位置，为所述传感器(31a、31b、 31c、32a、32b、32c)分配了用于求出的测量数据的分析单元(37)并且将所述分析单元(37) 与所述操作装置(7)的调整机构(38)进行信号技术方面的连接。
6.按权利要求5所述的联接装置，其特征在于，在所述锥形套筒(16)的内圆锥侧面 (16a)或者外壁(30)上将至少两个、优选三个传感器(31a、31b、31c)布置在法向于所述工 具架(2)的纵轴线(21)定向的第一平面(El)中，并且在另一个与第一平面(El)轴向间隔 开的并且法向于所述工具架(2)的纵轴线(21)定向的第二平面(E2)中布置至少一个另外 的传感器(32a、32b、32c)。
7.按上述权利要求中任一项所述的联接装置，其特征在于，所述传感器(31a、31b、 31c、32a、32b、32c)由感应的、电容的或者光学的传感器形成。
8.按上述权利要求中任一项所述的联接装置，其特征在于，为所述锥柄(11)和所述锥 形套筒(16)配设了相对应的闭锁元件。
9.按权利要求8所述的联接装置，其特征在于，为所述锥柄(11)分配了键，并且为所述 锥形套筒(16)分配了相对应的槽用于确定所述工具夹在所述工具架中的角度位置。
10.按上述权利要求中任一项所述的联接装置，其特征在于，在所述工具夹(1)位于所 述工具架(2)中的锁定位置中，介质供给管道(40)在所述锥形套筒(16)的圆锥侧面(16a) 上的出口(41)对置于介质供给管道(40)在所述锥柄(11)的圆锥侧面(Ila)上的出口 (42)。
11.按权利要求10所述的联接装置，其特征在于，在所述锥形套筒(16)和所述锥柄 (11)上布置多个出口(41、42、41a、42a)时通过密封元件(43)将相对应的介质供给管道 (40、40a)相互分开。
12.用于将承载着工具的工具夹(1)自动化地联接在操作装置(7)例如机器人的工具 架(2)上的方法，其特征在于，装配在工具夹(1)的存放位置中的工具由操作装置(7)的控 制单元(46)选出并且由所述工具架(2)触发，在将所述工具架推到所述工具夹上时用传感 器(31a、31b、31C、32a、32b、32C)连续地求出并且修正所述工具架相对于所述工具夹的实际位置，并且将所述工具夹在所述工具架中由所述工具架的抓取和张紧装置(2b、2c)固定 在其达到的目标位置中。
13.按权利要求12所述的方法，其特征在于，为了求得所述工具夹(1)相对于所述工具 架(2)的实际位置，用多个分布地布置在所述工具架上的传感器(31a、31b、31c、32a、32b、 32c)接收代表到所述工具夹(1)的参照面(35)的距离的测量信号，从所述测量信号中求得 所述工具架相对于所述工具夹的径向偏差和倾角(α)并且产生至少一个控制信号，用该 控制信号通过所述操作装置(7)的调整机构(38)实现所述工具架朝所述工具夹的对准。
14.按权利要求12或13所述的方法，其特征在于，从由所述传感器(31a、31b、31c、 32a.32b.32c)接收的测量信号中额外地求出所述工具夹(1)相对于所述工具架(2)的角度 位置并且产生控制信号，用该控制信号通过所述操作装置(7)的调整机构(38)实现所述工 具架(2)的空间定向。
全文摘要
本发明涉及一种用于将承载着工具的工具夹(1)自动化地联接在操作装置(7)的工具架(2)上的联接装置，其中所述工具夹包括锥柄(11)和夹头(8)，所述工具架具有锥形套筒(16)和闭锁机构(2a)，该闭锁机构包括与所述夹头(8)共同作用的抓取装置(2b)以及沿轴向作用的张紧装置(2c)。为了能够控制位置地自动化地接纳各种各样的工具和工作器具，在所述工具架(2)的锥形套筒(16)上布置一定数量的传感器(31a、31b、31c、32a、32b、32c)并且每个传感器为确定工具夹的位置而对置于所述工具夹(1)上的参照面(35)。
文档编号B23Q1/00GK101939135SQ200980104391
公开日2011年1月5日 申请日期2009年1月16日 优先权日2008年2月6日
发明者C·朔恩, F·维默尔, H·埃布纳, H·特内, J·佩恩, J·珀普尔, S·坦策, 单国新 申请人:西门子Vai金属技术两合公司