DD296245A5 - Montage-ausgleichseinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Montage-Ausgleichseinrichtung, die vorzugsweise bei automatischen Montageablaeufen zum Einsatz kommt, bei denen Montageoperationen mit unterschiedlichen Werkstuecken durchzufuehren sind. In der Einrichtung sind durch Druckluftkissen fixierte Bauelemente angeordnet, die bei auftretenden Kraeften und Momenten Ausgleichsbewegungen in allen sechs Achsen ausfuehren koennen. Die konstruktive Gestaltung erlaubt eine selektive Erfassung der einzelnen Bewegungen durch geeignete Meszwertaufnehmer. Die Steifigkeit der Einrichtung ist ueber die in den Druckluftkissen erzeugten Druecke gezielt variierbar. Die Einrichtung ermoeglicht bei Montageoperationen einen gesteuerten Positions- und Winkelausgleich sowie die Einstellbarkeit und UEberwachung von Grenzkraeften und -momenten in allen sechs Achsen. Darueber hinaus lassen sich durch entsprechende Beaufschlagung der Druckluftkissen Vibrationen mit geeigneten Amplituden auch auszerhalb der Resonanzfrequenzen um die x-y-Achsen und in z-Richtung erzeugen, um z. B. Werkstuecke ohne Fase zu fuegen.{Montageautomatisierung; Manipulator; Montagehand; Positionsfehlerausgleich; Winkelfehlerausgleich; UEberwachung; Havarieschutz; Grenzkraft; Grenzmoment; Vibration; Druckluftkissen}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Montage-Ausgleichseinrichtung, die als zusätzliche Komponente an Manipulatoren bzw. Sondermaschinen eingesetzt werden kann. Sie ist vorzugsweise bei automatischen Montagevorgängen anwendbar, bei denen sowohl passiv als auch aktiv Positions- und Winkelfehler zwischen den Montageteilen gesteuert auszugleichen sind und darüber hinaus definierte Kräfte und Momente nicht überschritten werden dürfen.

Charakterisierung des bekannten Standes der Technik

Die zwischen Montageteil und Basisteil auftretenden Lageabweichungen verursachen während des Fügevorganges Kräfte und Momente, die es insbesondere bei der automatisierten Montage zj überwachen gilt, um Havariesituationen vorzubeugen und den erfolgreichen Abschluß der Montageoperation zu erkennen.

Bisher bekannte Fügemechanismen und Sensoren besitzen Nachteile, die sie in ihrer Flexibilität einschränken. Der von De Fazio, Seltzer, Whitney vorgestellte Fügemechanismus gleicht Positions- und Winkelabweichungen durch Verformung von Gummielementen aus und erkennt die Relativbewegung der Anschlußflansche durch Fotodetektoren. In Montagerichtung sind jedoch Anschläge notwendig, die die Sensorfunktion außer Kraft setzen. Taktile Sensoren sind in der Mehrzahl steife Anordnungen von Verformungskörpern, auf denen Dehnmeßstreifen aufgebracht sind. Sie erfordern gute dynamische Eigenschaften des Manipulators, insbesondere geringe Trägheitsmomente der Antriebe, um die Manipulatorachsen innerhalb kleiner Verfahrwege zu stoppen und so den Sensor nicht unzulässig zu verformen.

Andere taktile Sensoren teilen die Kraft- und Momentenkomponenten auf mehrere Module auf, wobei zwar eine rechentechnische Entkopplung der gewonnenen Signale entfällt, jedoch die Baugröße bei Benutzung aller Module erheblich zunimmt, vgl. DDWP 261549 und DDWP 223663. Darüber hinaus besitzt der in DDWP 22 3663 vorgestellte Kraft-Moment-Sensor mit Kolben eine relativ hohe innere Reibung infolge der Dichtungen zwischen Kolben und Zylinder. Diese Reibung führt zu Stick-Slip-Effekten bei der Relativbewegung.

Beim Sensor zur Montageautomatisierung (DDWP 261549) sind zwei Blaufederparallelogramme um 90° versetzt angeordnet, die einen Ausgleich in der zur Fügerichtung senkrecht stehenden Ebene gestatten. Sowohl dieser Sensor als auch andere taktilen Sensoren mit Dehnmeßstreifen sind in ihrer Steifigkeit während des Montageprozesses nicht variierbar. Negativ wirkt sich zusätzlich die Hysterese der eingesetzten Blattfedern aus, die eine exakte Justierung der Nullposition des Sensors unmöglich macht.

Andere technische Lösungen sind in der Regel Kollisionsschutzeinrichtungen, wobei in DEOS 3717616 beim Überschreiten einer Grenzkraft Kugeln verschoben und Initiatoren ein Abschaltsignal auslösen, in DEOS 3701651 eine durch ein pneumatisches Regelventil gespeiste Druckkammer geöffnet wird, die Luft entweicht und der Greifer in seiner ausgelenkten Lage verbleibt oder wie in DDWP 248765 ein Werkzeugaufnahmekolben auf eine durch Membran abgedichtete Druckkammer wirkt, die Flüssigkeit darin verdrängt und somit einen Druckwollenschaltei betätigt.

Eine Reihe von Patenten stellen andersartige Detaillösungen für die Lösung der komplexen Fügeaufgabe vor, die in folgende Teilaufgaben unterteilt werden kann:

- selektiver und in seiner Steifigkeit variierbarer Ausgleich von Positionsfehlern in der zur Fügerichtung senkrecht stehenden Ebene und von Winkelfehlern der Fügeachse

- steife Übertragung der Fügekraft und des Fügemomentes bis zum Erreichen einer einstellbaren Grenzkraft und eines Grenzmomentes

- aktive Unterstützung des Positioniervorganges durch Einleitung von Schwingungen mit den selben Bauelementen, die die Steifigkeit der Einrichtung verändern können

- exakte Zentriermöglichkeit in die Nullposition

- Gewährleistung ausreichender Verfahrwege zur Vermeidung von Zerstörungen des Sensors u. a. Baugruppen Infolge von Havarien

- Kompensation von Gewichtskräften^achfolgend angeordneter Baugruppen, um ein feinfühliges Erkennen zu ermöglichen. So ist in der automatischen Positionier- und Fügevorrichtung vorzugsweise an Preßwerkzeugen (DDWP 200784) und in dem ungesteuerten Fügemechanismus mit innerem Antrieb (DDWP 229634) die Steifigkeit nicht veränderbar und über die Zentriermöglichkeit in die Nullposition wird nichts ausgesagt. Die in DDWP 200868 (Automatische Positioniervorrichtung zur Montage von Einzelteilen) dargestellte schwimmende Lagerung mit Hilfe gleichsinnig gepolter Magnetpaare ermöglicht kaum eine exakte Zentrierung und die Einstellung der Steifigkeit, überträgt kein Drehmoment und läßt keine aktiven Bewegungen infolge von Vibrationen zu. In DDWP 205373 werden an einem Kreuz befestigte Magnetkerne in Induktionsspule mit großem Spiel frei gelagert, so daß die Einrichtung bei Stromdurchfluß kaum eine exakt zentrierbare Nullage einnimmt. Es sind nur geringe Relativbewegungen möglich. Darüber hinaus lassen sich die Eigenmassen von Werkstücken kaum kompensieren und keine Vibrationen einleiten.

In Jacobl, P.: Fügemechanismen für die automatische Montage mit Industrierobotern. (Wiss. Schriftenreihe der THK 11/82) wird ein schwingungserregter Fügemechanismus vorgestellt, der aus einem ungesteuerten Fügemechanismus mit Federelementen aus Stahl besteht und zur Erregung der Schwingungen einen Kleinst-Elektromotor mit Unwucht nutzt. Es ist jedoch eine stufenlose Einstellbarkeit der Erregerfrequenz erforderlich, da nur in Bereichen der Resonanz geeignete Schwingungsamplituden erzeugt werden können und so für jedes Montageteil eine andere Erregerfrequenz notwendig ist. Insgesamt ist einzuschätzen, daß die bisher bekannten Fügemechanismen und taktile Sensoren nur für einen begrenzten Einsatzbereich ausgelegt sind.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mit einer kompakten Montage-Ausgleichseinrichtung in automatischen Montageabläufen zuverlässig Positions- und Winkelfehler zwischen den Montageteilen auszugleichen. Außerdem sollen durch die Gewährleistung von Grenzkräften und -momenten Schäden infolge von Fehlfunktlonen vermieden werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Montage-Ausgleichseinrichtung zu schaffen, die es gestattet, Positions- und Winkelfehler zwischen den Montageteilen, die bei der automatischen Montage mit Manipulatoren auftreten, günstiger als mit bisher bekannten Fügemechanismen bzw. Sensoren auszugleichen und bei Überschreitung von Grenzwerten Signale an die Manipulatorsteuerung zu übermitteln, indem eine Montage-Ausgleichseinrichtung eingesetzt wird, die einen gesteuerten und ungesteuerten Positions- und Winkelausgleich zuläßt, die Einstellbarkeit von Grenzkräften und -momenten stufenlos in einem größeren Bereich, als bei bisher bekannten Lösungen, ermöglicht, die in ihrer Steif igkeit variierbar ist und die bei Bedarf zentriert werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein zylindrisches Gehäuse, an dem an der unteren Stirnseite ein Greiferflansch befestigt ist, über eine Parallelführung gegenüber einem innenliegenden zylindrischen Zwischenstück der x-y-Ebene verschiebbar angeordnet ist. Zwischen an der äußeren Mantelfläche des Zwischenstückes anliegenden Zylindersegmenten und der inneren Mantelfläche des Gehäuses ist ein ringförmiges, radial wirkendes Druckluftkissen angeordnet. Das Zwischenstück ist über ein räumliches Gelenk gegenüber einem Zentralbolzen um die x-y-Achsen schwenkbar angeordnet. Zwischen dem Zentralbolzen und dem Zwischenstück befinden sich beidseitig, in den Bewegungsrichtungen wirkende Druckluftkissen. Der aus dem Gehäuse herausragende Zentralbolzen bildet gemeinsam mit dem obenliegenden Manipulatorflansch ein Schubgelenk. Zwischen beiden Teilen sind ebenfalls beidseitig, in den Bewegungsrichtungen wirkende Druckluftkissen angeordnet. Ein in Form einer Kreuzschoibe gestalteter Drehzylinder ist zwischen dem Gehäuse und einem Querstift, der rechtwinklig zum Zentralbolzen an diesem befestigt ist, schwimmend gelagert. Dieser Drehzylinder stützt sich um die z-Achse wiederum beidseitig über Druckluftkissen an dem Querstift ab.

Diese konstruktive Gestaltung führt dazu, daß sich jeweils zwei Bauelemente so zueinander bewegen können und daß diese Bewegungen selektiv durch geeignete Meßwertaufnehmer erfaßbar sind, um entsprechende Ausgleichsbewegungen des Manipulatorarmes auszulösen. Eine aufwendige rechentechnische Entkopplung ist somit nicht erforderlich. Neben dem möglichen passiven gesteuerten Positions- und Winkelfehlerausgleich, kann durch die Erzeugung von Vibrationen mit geeigneten Amplituden, auch außerhalb der Resonanzbereiche des Systems, ein aktiver Fehlerausgleich, z. B. beim Fügen von Werkstücken ohne Fase, erfolgen. Die Steifigkeit in den einzelnen Bewegungsrichtungen kann dabei gezielt durch eine angepaßte Beaufschlagung der Druckluftkissen variiert werden. Darüber hinaus sind durch wechselseitige Beaufschlagung der jeweiligen Druckluftkissen Vibrationen in z-Richtung und um die x-y-Achson erzeugbar. Bei gleichmäßiger Beaufschlagung aller Druckluftkissen zentriert sich die Einrichtung selbsttätig gegen die in den Bewegungsrichtungen angeordneten Anschläge. Der taktile Sensor läßt relativ große Verformungen ohne Hysterese zu und ist gleichzeitig in Fügerichtung bis zum Überschreiten von einstellbaren Grenzwerten steif. Durch den gewählten konstruktiven Aufbau können darüber hinaus Schäden infolge von Fehloperationen vermieden werden, da in allen sechs Achsen eine ausreichende Nachgiebigkeit gegeben ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel an Hand einer Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt eine Schnittdarstellung des prinzipiellen Aufbaus der Montage-Ausgleichseinrichtung.

Am Gehäuse 1 ist der Greiferflansch 2 befestigt. Gegenüber dem Zwischenstück 3 kann das Gehäuse 1 über eine Parallelführung 4 in der x-y-Ebene verschoben werden. Die dafür notwendigen Kräfte können durch entsprechende Beaufschlagung eines ringförmigen, radial wirkenden Druckluftkissens 5 stufenlos variiert werden. Bei Beaufschlagung dieses Druckluftkissens zentriert sich die Einrichtung in der x-y-Ebene, indem Zylindersegmente β gegen einen Bund des Gehäuses 1 gedrückt werden. Das Zwischenstück 3 ist über ein räumliches Gelenk 7 so mit dem Zontralbolzen 8 verbunden, daß es gegenüber diesem um die x- und y-Achse kippen kann. Die hierfür notwendigen Momente sind ebenfalls wieder durch den anliegenden Druck des Druckluftkissens 9 stufenlos einstellt r. Die Einrichtung zentriert sich um die x- und y-Achse, indem das Druckluftkissen 9 beaufschlagt wird und somit die Platte 10 gegen den Bund des Zwischenstückes 3 gedrückt wird. Das gegenüber dem Druckluftkissen 9 angeordnete Druckluftkissen 11 enthält drei 120° versetzte, einzeln beaufschlagbare Kammern, durch die bei einer entsprechenden Beau'schlagungsfolge Vibrationen der Einrichtung erzeugt werden können. Dadurch werden Fügevorgänge insbesondere bei Werkstücken ohne Fase wesentlich unterstützt.

Der Zentralbolzen 8 und der am oberen Ende der Einrichtung angeordnete Manipulatorflansch 12 sind in z-Richtung zueinander verschiebbar gestaltet. Die notwendigen Kräfte zur Erzeugung dieser Verschiebung können wirderum durch den anliegende! Druck zweier sich gegenüberliegenden Druckluftkisson 13,14 stufenlos variiert werden. Somit sind sowohl steife als auch feinfühlige Montageoperationen möglich. Die Zentrierung der Einrichtung in z-Richtung wird bei Beaufschlagung des Druckluftkissens 13 gewährleistet, indem ein Ring 15 gegen einen Bund des Manipulatorflansches 12 gedrückt wird. Bei wechselseitiger Beaufschlagung der Druckluftkissen 13,14 kann eine Vibration der Einrichtung in z-Richtung zur Unterstützung von Montagevorgängen erreicht werden.

Zwischen der oberen Stirnseite des Gehäuses 1 und einem Querstift 16, der rechtwinklig zum Zentralbolzen 8, fest mit diesem verbunden ist, befindet sich ein schwimmend gelagerter Drehzylinder 17. Dieser Drehzylinder ist in Form einer Kreuzscheibe gestaltet. Er ist in y-Richtung und um die y-Achse gegenüber dem Gehäuse 1 sowie in x-Richtung und um die x-Achse gegenüber dem Querstift 16 bewegbar. An diesem Drehzylinder sind vier Bleche 18 befestigt, die eine mögliche Drehbewegung um die z-Achse auf vier nicht mit dargestellte, ebenfalls am Drehzylinder 17 befestigte Druckluftkissen übertragen. Durchdiese konstruktive Anordnung kann der Drehzylinder 17 unabhängig von der jeweiligen Stellung des Gehäuses 1 zur Aufnahme der Drehbewegung um die z-Achse genutzt werden. Über den an den vier Druckluftkissen anliegenden Druck ist wiederum das notwendige Moment zur Erzeugung dieser stufenlos variierbar. Die Zentrierung des Drehzylinders erfolgt durch beidseitiges Andrücken der Bleche 18 an die Stifte 19 und den Querstift 16. Die einzelnen Bewegungen der Einrichtung können jeweils durch geeignete, z.B. optoelektronische Meßwertaufnehmer erfaßt werden.

Claims (1)

1. Montage-Ausgleichseinrichtung unter Anwendung an sich bekannter, schwimmender Lagerlösungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrisches Gehäuse (1), dessen untere, zur x-y-Ebene parallele Stirnseite als Greiferflansch (2) ausgebildet ist, zu einem zylindrischen Zwischenstück (3) über eine Parallelführung (4) verschiebbar angeordnet ist, wobei zwischen der inneren Mantelfläche des Gehäuses (1) und der äußeren Mantelfläche des Zwischenstückes (3) Zylindersegmente (6) und ein ringförmiges, radial wirkendes Druckluftkissen (5) angeordnet ist; daß weiterhin das Zwischenstück (3) über ein räumliches Gelenk (7) gegenüber einem Zentralbolzen (8) um die x-y-Achsen schwenkbar gelagert ist, wobei zwischen dem Zentralbolzen (8) und dem Zwischenstück (3) in den Schwenkrichtungen beidseitig Druckluftkissen (9,11) und auf einer Seite zusätzlich eine Platte (10) angeordnet ist; daß der Zentralbolzen (8) und ein Manipulatorflansch (12) in z-Richtung zueinander verschiebbar angeordnet sind und daß zwischen dem Zentralbolzen (8) und dem Manipulatorflansch (12) zwei sich gegenüberliegende, in z-Richtung wirkende Druckluftkissen angeordnet sind; und daß darüber hinaus ein Drehzylinder (17) imGehäuse (1) schwimmend gelagert ist, der sowohl gegenüber dem Gehäuse (1) in y-Richtung und um die y-Achse als auch gegenüber einem Querstift (16), der rechtwinklig zum Zentralbolzen (8) fest mit diesem verbunden ist, in x-Richtung und um diex-Achse bewegbar ist, wobei an diesem Drehzylinder (17) Bleche (18) und Druckluftkissen so angeordnet sind, daß sie am Querstift (16) und zwei ebenfalls am Drehzylinder (17) befestigten Stifte (19) beidseitig in Umfangsrichtung um die z-Achse anliegen.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung