CN113165165A - 用于形状配合和/或力配合的连接的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将至少一个工件(W)与至少一个连接元件形状配合和/或力配合地连接的装置(V)，该装置具有用于定位工件(W)的至少一个机器人(1)、用于将连接元件(S)与工件(W)连接的至少一个主轴(2)、用于在连接元件(S)与工件(W)连接期间稳定工件(W)的至少一个支座(31、32、33)，其中支座(33)的、在连接元件与工件(W)连接期间与工件(W)接触的接触区域基本与主轴纵轴线(SA1)对中心，并且接触区域小于0.01m2，尤其小于0.0001m2。本发明还涉及用于利用这种装置(V)将至少一个工件(W)与至少一个连接元件(S)形状配合和/或力配合地连接的方法。

Description

用于形状配合和/或力配合的连接的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于将至少一个工件与至少一个连接元件形状配合和/或力配合地连接的装置和方法。
背景技术
从现有技术中已知了在机器人的效应器处配备拧紧装置的机器人。该机器人能够将螺栓拧入位于桌上的工件中。
然而，以该方式不能加工工件的所有的面。
发明内容
因此，本发明的基本目的在于提出一种装置，其能够实现螺栓在所有的工件侧面处的拧入。
该目的通过权利要求1、即用于将至少一个工件与至少一个连接元件形状配合和/或力配合地连接的装置来实现，该装置具有用于定位工件的至少一个机器人、用于将连接元件与工件连接的至少一个主轴、用于在连接元件与工件连接期间稳定工件的至少一个支座，其中，支座的、在连接元件与工件连接期间与工件接触的接触区域基本与主轴纵轴线对中心，并且该接触区域小于0.01m2，尤其小于0.0001m2。
优选地，主轴是螺旋主轴。优选地，连接件是螺栓。
然而，装置也适用于其它的连接件、例如销钉和柳钉。
特别地，支座的接触区域基本上与主轴纵轴线对中心的限定同样包括如下情况，其中支座的接触区域与虚构的球体重叠，该球体具有5cm的半径以及作为中心的、主轴纵轴线与接触支座的工件侧面的交点。
特别地，接触区域相对于主轴纵轴线或球体的空间布置存在于接触区域与工件相接触的时刻。
特别地，支座相对于其周围环境突出。
在本发明的一个有利的实施方式中，支座具有支座纵轴线。优选地，支座纵轴线与球体相交。
优选地，支座的支座纵轴线基本上对应于主轴的主轴纵轴线。
在工件与连接元件连接期间，支座和/或支座元件优选地与工件接触。
工件在连接期间优选地利用其下侧面支承在支座的和/或支座元件的接触区域上。
因为支座的支座纵轴线优选基本上对应于主轴的主轴纵轴线，工件支撑在螺栓被拧入的位置。
在本发明的一个有利的实施方式中，支座和/或支座的至少一个包括接触区域的支座元件设计成能沿着支座纵轴线行进。
支座元件包括支座的、在连接元件与工件连接期间与工件接触的接触区域。
优选地，支座和/或支座元件能借助于气动系统行进。
支座或支座元件借助于气动系统的行进是有利的，因为能提供任意量的空气并且能够向外排放产生的废气，由此不需要例如在液压或电气系统中使用的回路(然而也能够应用其)。
此外，压缩空气能被良好地存储。此外，气动系统、特别是升降系统是特别轻的。
优选地，支座和/或支座元件设计成柱形的。
在本发明的另一个有利的实施方式中，该装置具有第一控制单元和第二控制单元。其中，第一控制单元设置用于控制机器人，并且第二控制单元设计用于控制支座、主轴和第一控制单元。
优选地，第一控制单元控制机器人的所有的运动和行为。优选地，第一控制单元集成到机器人中。
优选地，第二控制单元知道工件的位置，和/或例如设置支座和/或支座元件应当行进多远以最佳地支撑工件。
所描述的实施方式是特别便宜的。
在本发明的一个可替换的有利的实施方式中，该装置具有至少一个上级控制单元。
优选地，机器人具有至少一个机器人控制单元。
优选地，主轴具有至少一个主轴控制单元。
优选地，支座具有至少一个支座控制单元。
优选地，机器人控制单元、主轴控制单元和支座控制单元在可替换的实施方式中与上级控制单元连接。
该实施方式能够实现各个构件的容易的替换，因为为主轴、机器人和支座具有自己的控制单元。
在本发明的另一个有利的实施方式中，机器人是轻型机器人(Leichtbauroboter)。
轻型机器人通常轻到其能够由人搬运。此外，轻型机器人能够借助于“示教”法容易地学习定位任务。
优选地，轻型机器人包括识别冲撞的传感器。轻型机器人自动停止。该冲撞保护能够实现没有保护笼的人机合作。
在本发明的另一个有利的实施方式中，机器人分别具有小于1m、尤其小于50cm的臂部件长度。
在此，臂部件长度表示一个关节到下一个关节的长度。
优选地，臂部件长度分别长于20cm。
因此，机器人是非常紧凑的。因此，设备和根据本发明的装置同样能实施为紧凑和小巧的。
在本发明的另一个有利的实施方式中，机器人在至少一个效应器处具有至少一个工件接收单元。
众所周知，效应器是机器人的最后的臂部件。工件接收单元用于接收工件。
例如，工件放在桌上。工件接收单元能够接收工件，以使工件能够由机器人正确地定位。
优选地，效应器能沿着用于工件自由运动的至少五个运动轴线在空间中运动。以该方式能行进到每个空间点。
优选地，效应器的至少三个运动轴线是旋转轴线。
然而优选地，效应器的所有的运动轴线都是旋转轴线。
在本发明的另一个优选的实施方式中，工件接收单元包括至少一个用于接收工件的吸盘。
优选地，吸盘具有弹性材料。
优选地，吸盘压在工件上。
吸盘特别好地适用于临时固定工件，因为通过吸盘的吸力能够承载大的重量。
优选地，工件接收单元具有多个吸盘。
优选地，工件接收单元具有至少两个吸盘。
优选地，工件接收单元、特别是应安全和可靠地承载大负荷的工件接收单元具有至少四个吸盘。
在本发明的另一个有利的实施方式中，工件接收单元包括至少一个用于稳定工件的配合支架。
以该方式能够特别好地稳定接收的工件。
优选地，配合支架设计成柱形的。
优选地，配合支架设计成使得配合支架在通过至少一个吸盘接收工件的情况下接触工件。
优选地，工件接收单元具有多个配合支架。
优选地，工件接收单元具有至少两个配合支架。
优选地，工件接收单元、特别是在与连接元件连接期间应可靠地阻止接收的工件翻转的工件接收单元具有至少四个吸盘。
至少一个配合支架特别好地适合作为支持架。
在本发明的另一个有利的实施方式中，主轴是刚性的。
刚性在此表示，主轴不能运动并且固定地布置在空间中的点处。
这种主轴是很少出故障的，因为其具有较少的机械部件。此外，这种主轴能够低成本地实现。
在本发明的另一个有利的实施方式中，主轴的端部件能沿着主轴纵轴线行进。
优选地，主轴端部件承载连接元件、特别是螺栓。
在本发明的另一个有利的实施方式中，主轴的端部件能围绕主轴纵轴线旋转。
在主轴端部件围绕主轴纵轴线旋转并且同时沿着主轴纵轴线在工件的方向上进给时，特别好地实现了螺栓的拧入。
优选地，主轴端部件在每分钟10至500转的转速范围中旋转。
该实施方式能够实现螺栓到工件中的高效的拧入。
优选地，拧入速度取决于连接件、特别是螺栓的几何形状。具有M4式螺纹的螺栓例如每转一周拧入到工件中的距离在0.6mm和0.8mm之间，特别是0.7mm。
具有M6式螺纹的螺栓例如每转一周拧入的距离在0.9mm和1.1mm之间，特别是1mm。
在本发明的另一个有利的实施方式中，主轴具有用于自动供给连接元件的供给单元。
供给单元例如是漏斗或者填充有螺栓填和/或其它连接元件的其它储存容器、以及到主轴端部件的供给线路。
在本发明的另一个有利的实施方式中，该装置具有用于在连接元件与工件连接期间稳定工件的至少一个第二支座。
优选地，第二支座是刚性的。
借助于机器人能够以该方式定位工件，以在连接元件与工件连接的步骤中为了稳定而将工件放置在第一或第二支座上。
特别地，第二支座不在第一支座的纵轴线上。
由此，能够根据工件的几何形状参照开口的位置为工件上的连接元件选择第一或第二支座。
因此，当在工件的朝向支座的侧面处与主轴对中心地设有仅承受小机械负荷的敏感的结构体时，在连接元件与工件连接时同样能够通过第二支座实现配合支架。
优选地，第二支座平行于支座地设计并且具有支撑功能。
优选地，该装置具有设计相同的第三支座。
在本发明的另一个有利的实施方式中，在沿至少基本正交于主轴纵轴线的轴线支承工件的状态中，支座的支承面处于与第二支座的支承面不同的平面中。
优选地，在沿至少基本正交于主轴纵轴线的轴线支承工件的状态中，支座的支承面处于与第三支座的支承面不同的平面中。
优选地，在沿至少基本正交于主轴纵轴线的轴线支承工件的状态中，第二支座的支承面处于与第三支座的支承面相同的平面中。
在本发明的另一个有利的实施方式中，该装置具有至少一个相机和/或至少一个视觉传感器。
因此例如记录利用哪些值将螺栓拧入到工件中。尤其检测拧紧力矩、拧紧角和深度。
已经描述的配合支架在准确测定深度的情况中是有帮助的。没有配合支架会使机器人发生偏差并且使测量值失真。
检测的数据优选存储在数据库中，尤其用于装置处的追踪能力和优化。
该装置适用于工件与连接元件、特别是螺栓的连接。
该装置同样适用于两个工件通过连接元件相互连接。
上述目的还通过权利要求16、即用于利用这种装置将至少一个工件与至少一个连接元件形状配合和/或力配合地连接的方法来实现，该方法具有以下步骤：
-通过工件接收单元接收工件，
-通过机器人定位工件，
-将支座的接触区域与工件接触，
-使主轴的端部件沿主轴纵轴线的方向行进，
-通过主轴的转动将连接元件与工件连接。
优选地，支座的接触区域与工件的第一次接触在接收工件之后由工件接收单元实现。在能行进的支座的情况中，支座的接触区域与工件的第一次接触优选地在定位工件之后由机器人实现。
在本发明的一个有利的实施方式中，支座和/或支座元件沿支座纵轴线的方向行进，直到支座/支座元件的接触区域与工件接触为止。
优选地，工件在空间中自由地定位，并且支座和/或支座元件沿着对应于主轴纵轴线的支座纵轴线行进，直到与工件接触为止。
在此逐点地支撑工件。
该方法通过轴向进给和旋转以高效的方式实现了工件与连接元件的连接。此外，工件受到支撑并因此被精确地引入连接元件。
优选地，工件定位成使得工件处的连接通道的纵轴线对应于主轴纵轴线。
优选地，连接通道已经存在，尤其通过已经完成的孔存在。优选地，工件在连接通道中已经具有螺纹。
在本发明的另一个有利的实施方式中，工件放在第二和/或第三支座上。
优选地，第二和第三支座是刚性的，该实施方式特别好地适用于大和/或重的工件。
附图说明
接下来根据附图所示的实施例详细描述和阐述本发明。附图示出：
图1示出根据本发明的、用于将至少一个工件与至少一个连接元件形状配合和/或力配合地连接的装置的可行实施方案，
图2示出根据本发明的、用于利用这种装置将至少一个工件与至少一个连接元件形状配合和/或力配合地连接的方法的可行的流程，
图3示出根据本发明的用于将至少一个工件与至少一个连接元件形状配合和/或力配合地连接的装置的另一个可行实施方案。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的、用于将至少一个工件W与至少一个连接元件S形状配合和/或力配合地连接的装置V的可行实施方案，该装置具有用于定位工件的机器人1、用于将连接元件S与工件W连接的主轴2、以及用于在连接元件S与工件连接期间稳定工件W的两种不同类型的支座31、32、33。
该图示出了机器人1、特别是轻型机器人。机器人具有五个运动轴线RA1、RA2、RA3、RA4、RA5。运动轴线RA1…RA5是旋转轴线。这些运动轴线能够实现的是，由机器人1利用工件接收单元11在机器人的效应器处接收的工件能够到达每个空间点。
在图3中，工件接收单元11具有吸盘12以及配合支架13。配合支架13用于稳定接收的工件W。
该图示出，机器人固定在优选平行于地面取向的面5上。
此外，支座31、32和33也固定在该面5上。
该图所示的是，两个支座31和32是刚性的支座。它们不能行进。
支座33是能行进的支座，其具有刚性的支座元件34和能行进的支座元件35。该图示出，能行进的支座元件35是细长的并且是柱形的。有利地，支座元件35借助于气动系统行进。然而，用于支座元件35的行进的机械工作也能够借助于液压或电驱动器实施。
如附图所示，主轴2是刚性的，即其不能运动并且固定地布置在空间中的点处。
主轴2具有用于连接元件、特别是螺栓的供给件21。供给件21在端部与用于连接元件的储存装置22连接。储存装置在附图中是漏斗。漏斗中的连接件通过供给件21引导至主轴端部件23。
主轴端部件23能沿着主轴纵轴线SA1行进。这是必要的，以便能够将连接件置入工件W中。特别地，这在螺栓以及例如针的情况中是必要的。为了能够使螺栓通过主轴2和主轴端部件23拧入到工件W中，主轴围绕主轴纵轴线FA1旋转。
主轴端部件23如图所示位于能行进的支座元件35的能行进的部件的直接的延长部中，即主轴纵轴线对应于支座元件35的纵轴线(也就是支座纵轴线)。这是有利的，因为例如在螺栓拧入到工件W中时需要保障支座元件35的逐点的稳定。
主轴2固定在轨道4上并且不能行进。主轴2是刚性的。仅主轴端部件23如已描述的那样能沿着主轴纵轴线行进并且能围绕主轴纵轴线旋转。
轨道4通过两个侧面支撑部6进行支承。
此外，附图示出了具有人机界面110的上级控制单元100。此外，附图示出的是，机器人1由控制单元101驱控，主轴2由控制单元102驱控，并且能行进的支座33由控制单元103驱控。
控制单元101、102、103的布置、分布和显示以及上级控制单元100是可选的。也能够实现的是，控制单元实现用于机器人、主轴和支座的所有的控制功能。
描述的装置能够布置在腔室、例如具有玻璃板的腔室中。腔室用于保护操作者。
然而，该装置也能够无腔室地实施，要求当技术装备、特别是机器人、主轴和能行进的支座是触敏的并且因此不存在对操作者的危害时。
图2示出了根据本发明的、用于利用这种装置将至少一个工件与至少一个连接件形状配合和/或力配合地连接的可行的流程。
在方法步骤S1中，通过工件接收单元接收工件。
优选地，工件通过吸盘接收并且保持。
在方法步骤S2中，通过机器人定位工件。
优选地，工件定位为使得连接通道在工件上的纵轴对应于主轴纵轴线。
在方法步骤S3中，支座和/或支座元件在支座纵轴线的方向上行进到与工件接触为止。
在方法步骤S4中，主轴的端部件在主轴纵轴线的方向上行进。
在方法步骤S5中，连接元件与工件通过主轴的转动连接。
优选地，方法步骤S3、S4和S5同时进行。
优选地，在成功连接之后，主轴端部件返回到其优选初始位置上。优选地，支座和/或支座元件也返回到其优选初始位置上。优选地，这在方法步骤S6中实现。
能够重新定位工件(S2)，以便装入另一个连接件，特别是拧入另一个螺栓。
图3示出了根据本发明的、用于将至少一个工件W与至少一个连接元件S形状配合和/或力配合地连接的装置V的另一个可行实施方案。
所示的实施方案与图1描述的实施方案类似。然而，其在构件的驱控方面不同。
附图示出了控制机器人1的第一控制单元121。优选地，第一控制单元121集成到机器人中。
为了控制支座(33)、主轴(2)和第一控制单元(121)，设置具有人机界面110的第二控制单元120。

Claims (16)

1.一种用于将至少一个工件(W)与至少一个连接元件形状配合和/或力配合地连接的装置(V)，所述装置具有：
-用于定位所述工件(W)的至少一个机器人(1)，
-用于将所述连接元件(S)与所述工件(W)连接的至少一个主轴(2)，
-用于在所述连接元件(S)与所述工件(W)连接期间稳定所述工件(W)的至少一个支座(31、32、33)，
其中，所述支座(33)的、在所述连接元件与所述工件(W)连接期间与所述工件(W)接触的接触区域基本与主轴纵轴线(SA1)对中心，并且所述接触区域小于0.01m2，尤其小于0.0001m2。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述支座(33)和/或所述支座的至少一个包括所述接触区域的支座元件(35)设计成能沿着支座纵轴线行进。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置具有第一控制单元(121)和第二控制单元(120)，其中，所述第一控制单元(121)设置用于控制所述机器人(1)，并且所述第二控制单元(120)设置用于控制所述支座(33)、所述主轴(2)和所述第一控制单元(121)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述机器人(1)是轻型机器人。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述机器人(1)分别具有小于1m、尤其小于50cm的臂部件长度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述机器人(1)在至少一个效应器处具有至少一个工件接收单元(11)。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述工件接收单元(11)包括至少一个用于接收所述工件(W)的吸盘(12)。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，所述工件接收单元(11)包括至少一个用于稳定所述工件(W)的配合支架(13)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述主轴(2)是刚性的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述主轴(2)的端部件(23)能沿着所述主轴纵轴线(SA1)行进。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述主轴(2)的所述端部件(23)能围绕所述主轴纵轴线(SA1)旋转。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述主轴(2)具有用于自动供给所述连接元件(S)的供给单元(21)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置具有用于在所述连接元件(S)与所述工件(W)连接期间稳定所述工件(W)的至少一个第二支座(31、32)。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，在沿至少基本正交于所述主轴纵轴线(SA1)的轴线支承所述工件(W)的状态中，所述支座(33)的支承面处于与所述第二支座(31、32)的支承面不同的平面中。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置具有至少一个相机和/或至少一个视觉传感器。
16.一种利用根据权利要求1至15中任一项所述的装置将至少一个工件(W)与至少一个连接元件(S)形状配合和/或力配合地连接的方法，所述方法具有以下步骤：
-通过工件接收单元(11)接收所述工件(W)，
-通过所述机器人(1)定位所述工件(W)，
-将所述支座(33)的所述接触区域与所述工件(W)接触，
-使所述主轴(2)的端部件(23)沿所述主轴纵轴线(SA1)的方向行进，
-通过所述主轴(2)的转动将所述连接元件(S)与所述工件(W)连接。
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