Узел автоматического крепления съемного элемента
DETACHABLE ELEMENT AUTOMATIC ATTACHMENT UNIT

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для автоматического крепления исполнительного устройства или заготовки на исполнительный механизм (например манипулятор робота).
Известно механическое устройство для замены концевого элемента, содержащее активную часть, снабженную элементом геометрического запирания, внутри которой с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень со штоком, и ответную часть, выполненную с возможностью сопряжения со штоком поршня и элементом геометрического запирания (см. патент TWI593525, МПК B25J15/04, дата публикации 01.08.2017 г.).
В качестве ближайшего аналога принято устройство для автоматической смены съемного элемента, содержащее активную часть, снабженную элементом геометрического запирания, внутри которой с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень со штоком, и ответную часть, выполненную с возможностью сопряжения со штоком поршня и элементом геометрического запирания, для чего снабжена отверстием (см. патент US8005570, МПК G06F 19/00, дата публикации 23.08.2011 г.).
Недостатками аналогов являются относительно высокая удельная нагрузка на элементы геометрического запирания, выполненные в виде шариков, что ведет к уменьшению общей грузоподъемности устройства, зависимость жесткости соединения от давления в пневмосистеме и необходимость определять наличие нагрузки при помощи логических вычислений на основе показаний индуктивных датчиков.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемое изобретение, является разработка узла автоматического крепления съемного элемента с повышенной надежностью и жесткостью соединения.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в увеличении удельной нагрузки и жесткости крепления при повышении надежности и расширении области применения.
Поставленная задача решается тем, что узел автоматического крепления съемного элемента, содержащий активную часть, снабженную элементом геометрического запирания, внутри которой с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень со штоком, и ответную часть, выполненную с возможностью сопряжения со штоком поршня и элементом геометрического запирания, для чего снабжена отверстием, отличается тем, что в качестве элемента геометрического запирания используют втулку-цангу, неразрезная часть которой жестко закреплена в активной части, соосно с поршнем и с возможностью перемещения штока поршня внутри втулки-цанги, а разрезная часть выполнена в форме усеченного конуса, расширяющегося наружу, кроме того, ответная часть выполнена с возможностью сопряжения с разрезной частью втулки-цанги, для чего боковая поверхность отверстия выполнена в форме усеченного конуса, расширяющегося внутрь, кроме того, узел дополнительно содержит датчики для контроля положения частей и штока.
Кроме того, узел содержит датчики для контроля положения активной и ответной части относительно друг друга и положения штока поршня относительно активной части.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «в качестве элемента геометрического запирания используют втулку-цангу» позволяет увеличить площадь контакта между элементом геометрического запирания и ответной частью, поскольку сопряжение между указанными частями происходит не отдельными пятнами контакта, а распределяется по всей сопрягаемой поверхности элемента геометрического запирания, в результате чего уменьшается удельная нагрузка на элемент геометрического запирания и становится возможно дополнительное нагружение устройства.
Признак «неразрезная часть [втулки-цанги] жестко закреплена в активной части» исключает перемещение втулки-цанги относительно активной части.
Признаки «[втулка-цанга закреплена] соосно с поршнем и с возможностью перемещения штока поршня внутри [нее]» позволяют зафиксировать положение разрезной части втулки-цанги в отверстии ответной части путем выдвигания штока поршня и тем самым завершить геометрическое замыкание скрепляемых частей даже при отключении подачи воздуха.
Признаки «разрезная часть [втулки-цанги] выполнена в форме усеченного конуса, расширяющегося наружу, позволяют контролируемо изменять жесткость втулки-цанги в радиальном направлении и вводить втулку-цангу в отверстие, которое меньше ее радиального габарита.
Признаки «ответная часть выполнена с возможностью сопряжения с разрезной частью втулки-цанги, для чего боковая поверхность отверстия выполнена в форме усеченного конуса, расширяющегося внутрь» обеспечивает возможность геометрического замыкания втулки-цанги в отверстии при условии выдвижения штока.
Признаки «узел дополнительно содержит датчики для контроля положения частей и штока» и признаки зависимого пункта формулы позволяют определять наличие нагрузки (ответной части) и ее приближение к активной части без логической обработки предыдущих действий, при этом нештатная потеря или ослабление крепления нагрузки определяется в течение всего времени замкнутого состояния соединения.
На фиг.1 изображен продольный разрез узла автоматического крепления съемного элемента в разомкнутом состоянии.
На фиг.2 изображен продольный разрез узла съемного элемента в замкнутом состоянии.
На фиг.3 изображен опытный образец узла автоматического крепления съемного элемента:
а - в разомкнутом состоянии с активной частью, установленной на плавающей платформе;
б - в замкнутом состоянии с активной частью, установленной на фланце робота.
На чертежах показаны активная часть 1, шток 2 поршня, ответная часть 3 и ее отверстие 4, неразрезная 5 и разрезная 6 части втулки-цанги, датчики 7 для контроля положения активной 1 и ответной 3 частей относительно друг друга и положения штока 2 поршня относительно активной части 1.
В активной части 1 жестко закреплена неразрезная часть 5 втулки-цанги, соосно с внутри втулки-цанги.
Разрезная часть 6 втулки-цанги выполнена в форме усеченного конуса, расширяющегося наружу.
Ответная часть 3 выполнена с возможностью сопряжения с разрезной частью 6 втулки-цанги, для чего боковая поверхность отверстия 4 выполнена в форме усеченного конуса, расширяющегося внутрь.
Узел дополнительно содержит датчики 7 для контроля положения активной 1 и ответной 3 частей относительно друг друга и положения штока 2 поршня относительно активной части 1.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В разомкнутом состоянии (фиг.1) шток 2 поршня расположен внутри активной части 1 и лепестки разрезной части 6 втулки-цанги находятся в свободном состоянии.
При приближении активной части 1 к ответной части 3 под контролем датчиков 7 лепестки разрезной части 6 втулки-цанги поджимаются к центру и проходят в отверстие 4 ответной части 3.
После смыкания активной 1 и ответной 3 частей выдвигают (с помощью воздуха) шток 2 поршня, лепестки разрезной части 6 втулки-цанги расходятся в радиальном направлении и распираются (причем обратная конусность отверстия 4 создает составляющую силы, смыкающей обе части устройства) в отверстии 4 ответной части 3.
Таким образом, в замкнутом состоянии (фиг.2) части узла закреплены относительно друг друга посредством штока 2 поршня, который останется за счет сил трения в положении, фиксирующем втулку-цангу, даже при потере давления сжатого воздуха, тем самым не позволяя лепесткам разрезной части 6 втулки-цанги сжаться и выйти из отверстия 4 ответной части 3.
Чтобы отсоединить ответную часть 3 от активной части 1, процедуру проводят в обратном порядке.
В качестве съемного элемента может выступать как активная, так и ответная часть.
Использование элемента геометрического запирания с развитой поверхностью допускает применение разных материалов (пластик, композит, металлы), что позволяет в широком диапазоне менять технологию производства и цену (например, литье пластиковой цанги под давлением - технология массового производства, а изготовление стальной инструментальной цанги - специальное или прецизионное).
Авторами создан опытный образец со следующими характеристиками
1. Материалы:
активная часть - алюминиевый сплав Д16;
ответная часть и поршень - сталь 40Х13;
втулка-цанга - капролон ПА6 марка А.
2. Размеры:
габаритные размеры образца: диаметр 100 мм, длина 98 мм;
габаритные размеры втулки-цанги: диаметр 40 мм, длина 41 мм, внутренний диаметр (под шток поршня) 20 мм;
диаметры разрезной части втулки-цанги: минимальный 30 мм (в сжатом состоянии, когда лепестки сомкнуты), максимальный 32,8 мм (в свободном состоянии), деформация на радиус 1,4 мм.
Проведены испытания - нагружали опытный образец вдоль оси весом не менее 31 кг в течение 5 минут статистически значимое количество раз до и после ресурсных испытаний, при этом соединение не разблокировалось, что подтверждалось информацией с индуктивного датчика смыкания и данными измерений зазора между смыкаемыми частями образца.