-
Die
Erfindung betrifft die Positionierung eines Werkzeugs relativ zu
einem Bauteil mittels eines Sensors für die Ermittlung der Position
des Werkzeugs relativ zu dem Bauteil. Die Erfindung kann insbesondere
in der Fahrzeugindustrie und bevorzugt in der Montage von Fahrzeugkarosserien
Verwendung finden.
-
Beim
Anschweißen
von Bolzen oder Muttern besteht das Problem, dass diese Bauteile
relativ zu einem anderen Bauteil, beispielsweise einem Karosserieteil
eines Fahrzeugs, im verbundenen Zustand genau positioniert sein
müssen.
Das Problem besteht grundsätzlich überall dort,
wo Bauteile positionsgenau miteinander verbunden werden müssen oder
ein Bauteil exakt bearbeitet werden muss. In automatisierten Fügeverfahren
oder Bearbeitungsverfahren werden bewegbare Werkzeuge in Kombination
mit Sensoren verwendet, um die Position des Werkzeugs zum jeweiligen
Bauteil zu erfassen und das Werkzeug relativ zu den zu verbindenden
Bauteilen oder nur relativ zu einem dieser Bauteile oder relativ
zu dem zu bearbeitenden Bauteil positionsgenau bis zu einem Zielort
zu führen.
Falls Werkzeug und zugeordneter Sensor eng beieinander und zueinander
in fester Lagebeziehung angeordnet sind, kann das Werkzeug anhand
des Sensorsignals bis unmittelbar zu einem beliebig gelegenen Zielort
positionsgenau geführt
werden. Die Position des Werkzeugs muss nur relativ zu dem betreffenden
Bauteil vermessen werden. Die Steuerung der Bewegung und der Aktivität des Werkzeugs
wächst
mit der Anzahl der auszuwertenden Messdaten, der Anzahl der Freiheitsgrade
der Bewegung des Werkzeugs und der geforderten Positioniergenauigkeit.
Mit der Komplexität
steigen die Anschaffungskosten und im Allgemeinen auch die Störanfälligkeit
und der für
die Behebung einer Störung
zu betreibende Aufwand, was wiederum zu kostspieligen Ausfällen einer
ganzen Arbeitsstation der Fertigungslinie führen kann.
-
Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeug-Sensor-Vorrichtung
der genannten Art zu einem reduzierten Preis und mit geringerer
Störanfälligkeit,
zumindest verbesserter Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit zu
schaffen.
-
Die
Vorrichtung umfasst einen im Raum beweglichen, relativ zu einem
Bauteil in einer Sollposition positionierbaren Aktor, eine Aktorsteuerung
für die
Steuerung der Bewegungen des Aktors, ein an dem Aktor befestigbares
oder bereits befestigtes Werkzeug und einen Sensor zur Gewinnung
von Positionsdaten, die die Position des Werkzeugs relativ zu dem
Bauteil beschreiben. Das Bauteil ist die Referenz oder eine von
mehreren Referenzen für
die Positionierung und wird im Folgenden als Referenzbauteil bezeichnet.
-
Der
Sensor ist in bevorzugten Ausführungen an
dem gleichen Aktor befestigbar oder bereits befestigt, so dass er
im befestigten Zustand mit dem Werkzeug einheitlich bewegt wird,
d. h. mit dem Werkzeug eine Bewegungseinheit bildet. Werkzeug und
Sensor vollführen
in einer derartigen Ausführung mit
dem Aktor stets eine gemeinsame, einheitliche Bewegung. Dies soll
allerdings nicht ausschließen, dass
das Werkzeug oder der Sensor relativ zu dem Aktor einzeln verstellbar
ist oder sind, obgleich bevorzugt wird, wenn das Werkzeug und der
Sensor zumindest während
der Bewegung des Aktors zum Zwecke der Positionierung des Werkzeugs
relativ zu dem Aktor und somit relativ zueinander ortsfest sind. In
alternativen Ausführungen
kann ein weiterer, ebenfalls im Raum beweglicher und relativ zu
dem Referenzbauteil positionierbarer Aktor als Bewegungsplattform
des Sensors dienen. Die genannte Aktorsteuerung steuert auch die
Bewegungen des weiteren Aktors, so dass dieser synchron mit dem Werkzeug
oder zumindest genau abgestimmt mit dem Werkzeug bewegt wird. Die
Erfindung betrifft jedoch insbesondere Werkzeug-Sensor-Vorrichtungen,
bei denen das Werkzeug und der Sensor mit dem Aktor und zueinander
in nur einer vorgegebenen Position verbindbar oder permanent verbunden
sind.
-
Das
Wort "oder" wird stets im Sinne
von "und/oder" verwendet, soweit
sich aus dem jeweiligen Zusammenhang nichts anderes ergibt. Der
Begriff "Position" bezeichnet entweder
den Ort, den ein Körper
relativ zu einem anderen einnimmt, oder die Ausrichtung des Körpers relativ
zu dem anderen oder den Ort und die Ausrichtung in Kombination.
-
Soweit
keine besonderen Aussagen getroffen werden, betrifft der Begriff
der Position die Ortsbeziehung stets und die Ausrichtung nur optional.
-
Die
Vorrichtung umfasst ferner eine Datenverarbeitungseinrichtung, die
signaltechnisch sowohl mit dem Sensor als auch der Aktorsteuerung
verbunden ist und die Positionsdaten des Sensors für die Aktorsteuerung
aufbereitet. Die Aufbereitung besteht vorzugsweise darin, dass die
Datenverarbeitungseinrichtung aus den Positionsdaten des Sensors
Korrekturdaten für
die Positionierung des Aktors ermittelt, der das Werkzeug trägt. Die
Datenverarbeitungseinrichtung liefert die Korrekturdaten vorzugsweise
in Form eines Korrekturvektors. Der Korrekturvektor besteht aus
Koordinatenwerten, nämlich
Werten für die
Achskoordinaten oder Winkelkoordinaten, um die der das Werkzeug
tragende Aktor bewegt werden muss, um ihn aus seiner durch die Messung
ermittelten Istposition in die Sollposition zu bewegen oder zumindest
der Sollposition näher
zu bringen. Vorzugsweise ist der Korrekturvektor der Abstandsvektor
zwischen der Istposition und der Sollposition des Aktors und somit
des Werkzeugs nach sämtlichen Freiheitsgraden
der Bewegung des Aktors, vorzugsweise nach den drei Freiheitsgraden
der Translation und den drei Freiheitsgraden der Rotation.
-
Nach
der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung separat von
der Aktorsteuerung angeordnet, vorzugsweise in einem eigenen Gehäuse, und
mit der Aktorsteuerung per Kabel oder per Funk oder auf andere Weise
leitungslos signaltechnisch verbunden. Die Datenverarbeitungseinrichtung
ist somit nicht integrierter Bestandteil der Aktorsteuerung, sondern
eine zu der Aktorsteuerung externe Einrichtung. Aufgrund der Trennung
kann beispielsweise eine Robotersteuerung eines herkömmlichen Industrieroboters
mit geringem Aufwand und entsprechend geringen Kosten zu der Aktorsteuerung der
Erfindung weitergebildet werden. Die Eingriffe in die Aktorsteuerung
können
minimiert werden. Dies ist im Falle der ersten Entwicklung einer
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung und insbesondere für die Aufrüstung bestehender Aktor-Werkzeug-Vorrichtungen
von Vorteil. Weiterentwicklungen werden ebenfalls erleichtert. Bei
der Aktorsteuerung wird vorzugsweise lediglich eine Kommunikationsschnittstelle
für den
Empfang der Korrekturdaten eingerichtet. Die gleiche Kommunikationsschnittstelle
kann vorteilhafterweise sämtliche
Anpassungen besorgen, falls die Korrekturdaten von der Aktorsteuerung
noch nicht ohne weiteres verarbeitet werden können. Die Kommunikationsschnittstelle
kann als Einschub in der Art einer Steckkarte oder als Dongle gebildet
sein. Im Grunde kann jede herkömmliche
programmierbare Steuerung mit geringem programmtechnischen Aufwand
um den Sensor ergänzt
werden, vorzugsweise in der Art, in der Standardcomputer im PC-,
Laptop- und Notebookbereich um neue Funktionen ergänzt werden
können.
-
Das
erfindungsgemäße Konzept
der Trennung von Aktorsteuerung und Datenverarbeitungseinrichtung
für den
Sensor erleichtert auch die Verwendung von Standardausrüstung für die Datenverarbeitungseinrichtung.
In bevorzugten Ausführungen bildet
ein entsprechend programmierter Standardcomputer, vorzugsweise ein
PC, Laptop oder Notebook, die Datenverarbeitungseinrichtung, wodurch der
Preis der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weiter gesenkt werden kann. Das Standardgehäuse der Standardausrüstung kann
durch ein der jeweiligen Anwendung speziell angepasstes Gehäuse ersetzt werden,
um die Ausrüstung
vor den beispielsweise in Fertigungslinien zu erwartenden Widrigkeiten
der Umgebung besser zu schützen.
Die Hardwarekomponenten der Datenverarbeitungseinrichtung können im
Vergleich mit einem Standardcomputer schwingungsärmer gelagert werden, was durch
eine schwingungsarme Lagerung im Gehäuse oder eine schwingungsarme
Lagerung des Gehäuses
erreicht werden kann. Vorteilhaft ist auch eine bessere Abdichtung
des Gehäuses
und der Kommunikationsschnittstellen der Datenverarbeitungseinrichtung
gegen Schmutz und Feuchtigkeit.
-
Die
Datenverarbeitungseinrichtung kann an dem den Sensor tragenden Aktor
befestigt oder befestigbar sein, vorteilhafterweise als Montageeinheit mit
dem Sensor. Bevorzugter ist die Datenverarbeitungseinrichtung jedoch
von dem Sensor losgelöst, so
dass am Ort des Sensors Raum eingespart wird. Die Datenverarbeitungseinrichtung
kommuniziert in derartigen Ausführungen
auch mit dem Sensor leitungslos, beispielsweise per Funk, oder vorzugsweise
per Kabel. Die Datenverarbeitungseinrichtung sollte für Bedienpersonal
leicht zugänglich
in einer Arbeitsstation des Aktors angeordnet werden. Falls ein
Roboterarm den Aktor bildet, kann die Datenverarbeitungseinrichtung
beispielsweise an einer Basis des Roboters angeordnet sein. Falls
der Roboter in seiner Arbeitsstation insgesamt bewegbar ist, bewegt
sich die Datenverarbeitungseinrichtung in solch einer Anordnung
mit der Roboterbasis. Im Falle eines ortsfest in der Arbeitsstation
angeordneten Roboters ist auch die Datenverarbeitungseinrichtung
in der Arbeitsstation bevorzugterweise ortsfest angeordnet. Ungeachtet
der Art des Aktors sind die Aktorsteuerung und die Datenverarbeitungseinrichtung
relativ zueinander bevorzugt ortsfest angeordnet.
-
Die
Vorrichtung umfasst vorzugsweise eine Sensorsteuerung für die Steuerung
der Aktivität
des Sensors. Die Sensorsteuerung kann zwar Bestandteil der Aktorsteuerung
sein, vorzugsweise gehört
sie jedoch unmittelbar zum Sensor, so dass der Sensor mit der Sensorsteuerung
an dem Aktor befestigt oder befestigbar ist. Die Sensorsteuerung
ist mit der Aktorsteuerung signaltechnisch verbunden, vorzugsweise über die
Datenverarbeitungseinrichtung und besonders bevorzugt nur über die
Datenverarbeitungseinrichtung. Falls ein Aufnehmer des Sensors für das Aufnehmen
aktiviert werden muss, wird dieser Aufnehmer über die Sensorsteuerung aktiviert.
Für diese Richtung
der Kommunikation kann die Datenverarbeitungseinrichtung als einfache
Durchleitstation dienen. Falls das Ausgangssignal der Aktorsteuerung, d.
h. das Kommando zum Messen, von der Sensorsteuerung nicht so ohne
weiteres verarbeitet werden kann, ist es vorteilhaft, wenn die Datenverarbeitungseinrichtung
das Messkommando der Aktorsteuerung auf die Sensorsteuerung anpasst.
Misst der Sensor rein passiv, enthält er also nur einen Aufnehmer,
so kann die Aktivierung durch die Sensorsteuerung beispielsweise
nur darin bestehen, dass an den Aufnehmer ein Aktivierungssignal
gelegt oder die Positionsdaten des Sensors in einen Datenspeicher
des Sensors eingelesen oder direkt der Aktorsteuerung übermittelt
werden.
-
Die
Aktorsteuerung steuert vorzugsweise auch die Aktivität des Werkzeugs.
Handelt es sich bei dem Werkzeug beispielsweise um eine Bolzen-
oder Mutternschweißeinrichtung,
genügt
als Aktivierung ein einfaches Fügekommando,
auf das ein Bolzen gesetzt und angeschweißt wird. Ist das Werkzeug beispielsweise
eine Klebeeinrichtung oder eine Schraubeinrichtung, kann das Steuersignal
für das Werkzeug
weitere Informationen enthalten, beispielsweise einen Stoppkommando. Ähnlich verhält es sich
bei Schweißeinrichtungen,
die nicht punktförmig
schweißen,
oder beispielsweise bei Rollfalzeinrichtungen, die zur Herstellung
einer Rollfalzverbindung mehrerer Bleche aktiviert und auch wieder deaktiviert
werden. Das Gleiche gilt für
beispielsweise mechanische oder pneumatische Greifer eines als Halteeinrichtung
gebildeten Werkzeugs und auch für ein
Bearbeitungswerkzeug. Der Gedanke, die Aktorsteuerung zu entlasten,
kann auch vorteilhaft auf einen die Werkzeugsteuerung betreffenden
Teil der Aktorsteuerung angewendet werden. Insbesondere in der Massenfertigung
führen
die Werkzeuge stets die gleichen maschinellen Tätigkeiten aus, beispielsweise
das Schweißen
je der gleichen Naht, gleicher Bolzen oder dergleichen, das Bohren
eines Lochs je der gleichen Tiefe oder beispielsweise das Rollfalzen
eines Flansches jeweils gleicher Materialbeschaffenheit, Dicke und
Form. In diesem Fall kann eine unmittelbar bei dem Werkzeug oder
vergleichbar der Datenverarbeitungseinrichtung auch bezüglich des Sensors
extern gebildete Werkzeugsteuerung nach einer Aktivierung durch
die Aktorsteuerung die Funktion der Deaktivierung nach Erfüllung der
jeweiligen Werkzeugfunktion oder auch komplexere Steuerungsfunktionen übernehmen.
-
Für die Steuerung
des Werkzeugs, die eine Aktivierung und gegebenenfalls eine Deaktivierung des
Werkzeugs beinhaltet, und die Steuerung des Sensors, die vorzugsweise
nur eine Aktivierung des Sensors beinhaltet, sind in bevorzugten
Ausführungen
zwei Steuerkreise vorgesehen. Dementsprechend zweigen von der Aktorsteuerung
zwei Signalzweige ab, von denen der eine zum Werkzeug und der andere
zum Sensor führt.
Die beiden Signalzweige sind vorzugsweise nicht nur signaltechnisch
voneinander getrennt, sondern auch physikalisch, indem im Falle
leitungsgebundener Signalübertragung
unterschiedliche Signalleitungen vorgesehen sind. Die Datenverarbeitungseinrichtung
ist vorzugsweise nur in dem Signalzweig für den Sensor angeordnet und übernimmt
für die
Steuerung des Werkzeugs keine Funktion oder allenfalls die Funktion
einer Durchleitstation.
-
Die
Signalübertagung
zwischen dem Sensor und der Datenverarbeitungseinrichtung kann leitungslos,
beispielsweise per Funk, oder zweckmäßiger elektronisch über ein
abgeschirmtes Kabel erfolgen. Vorzugsweise kommunizieren der Sensor
und die Datenverarbeitungseinrichtung jedoch per Lichtwellenleiter
miteinander. Die Aktorsteuerung und die Datenverarbeitungseinrichtung
kommunizieren andererseits bevorzugterweise über eine in der Industrie gebräuchliche
Standardverbindung, beispielsweise einen Feldbus. Die optische Signalübertragung
ist besonders störsicher,
insbesondere gegen elektromagnetische Felder, wie sie gerade beim
Schweißen,
aber auch generell in der Fertigung auftreten, und eignet sich daher
insbesondere für
die Kommunikation bis unmittelbar zu dem zu fügenden, zu bearbeitenden oder
zu haltenden Bauteil, wo die stärksten
Störungen
zu befürchten
sind. Die bevorzugt elektronischen Ausgangssignale des Sensors werden
mittels eines optoelektronischen Wandlers in die per Lichtwellenleiter
zu übertragenden
optischen Signale umgewandelt und die optischen Eingangssignale
für den
Sensor entsprechend in elektronische Signale. Der Wandler ist vorzugsweise
gemeinsam mit dem Sensor als Montageeinheit an dem Aktor befestigbar
und von dem Aktor lösbar.
Er ist vorteilhafterweise mit dem Sensor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Die Datenverarbeitungseinrichtung ist ebenfalls mit einem optoelektronischen Wandler
ausgestattet, über
den sie die optischen Positionsdaten erhält. Falls die Datenverarbeitungseinrichtung
für die
Aktivierung des Sensors eine reine Durchleitstation bildet, übernimmt
zumindest ihr Wandler die Funktion der Umwandlung der eingehenden
elektronischen Steuersignale der Aktorsteuerung in optische Steuersignale,
die anschließend von
dem Wandler des Sensors wieder in elektronische Steuersignale umgewandelt
werden.
-
Der
Sensor ist an seinem Aktor vorteilhafterweise mittels einer Kupplung
befestigt, die eine einfache Demontage des Sensors für eine Reparatur,
Um- oder Aufrüstung
oder einen Austausch ermöglicht. Nach
einer ersten Montage eines Sensors oder eines nach einem Austausch
neuen Sensors wird der Sensor in Bezug auf das Werkzeug vorteilhafterweise
kalibriert. Für
die Kalibrierung ist es vorteilhaft, wenn die Datenverarbeitungseinrichtung
die bei der Kalibrierung mit dem Sensor gewonnenen Positionsdaten
zu Kalibrierdaten verarbeitet, die bei der späteren Messung im Einsatz zur
Korrektur von Positionsfehlern verwendet werden, die der Sensor
relativ zum Werkzeug haben kann. Die Datenverarbeitungseinrichtung
verfügt
zu diesem Zweck vorzugsweise über
einen Datenspeicher für
die Kalibrierdaten. Die Kalibrierdaten können insbesondere bereits Korrekturwerte
sein, die aus den bei der Kalibrierung aufgenommenen Positionsdaten
gewonnen wurden und um die im späteren
Einsatz die jeweils aufgenommenen Positionsdaten korrigiert werden,
wobei auch diese Korrektur vorteilhafterweise von der Datenverarbeitungseinrichtung
durchgeführt
wird. Die Korrekturwerte sind vorzugsweise mathematische Transformationsvorschriften
für eine
mathematische Korrektur von Fehlern des Sensors in sich und der
Positionierung des Sensors relativ zu dem Werkzeug. Falls die Positionsdaten
Bilddaten sind, können
die Kalibrierdaten beispielsweise eine Verschiebung oder Drehung
oder Dehnung oder Stauchung des aufgenommenen Bilds bewirken. Die
beispielhaft genannten Transformationen, beispielsweise eine Dehnung, können das
gesamte Bild oder auch nur einen oder mehrere lokale Bereiche des
Bilds betreffen.
-
Die
Kalibrierung des Sensors ist vorzugsweise zweigeteilt, in eine Vorkalibrierung,
die vor der Montage des Sensors durchgeführt wird, und die genannte,
bereits mit der Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführte Endkalibrierung
nach der Montage. Bei der Vorkalibrierung wird der mit einer der
beiden Kupplungshälften
der Kupplung verbundene Sensor relativ zu dieser Kupplungshälfte positioniert, insbesondere
ausgerichtet. Im Rahmen der Vorkalibrierung wird der Sensor ferner
in sich vermessen, um Fertigungsungenauigkeiten zu kompensieren
und den Sensor zu entzerren. Die aus der Vorkalibrierung gewonnenen
Kalibrierdaten werden vorzugsweise in einem Datenspeicher des Sensors
abgelegt, der gemeinsam mit dem Sensor mittels der Kupplungshälfte an
dem Aktor befestigt wird. Hinsichtlich der Kalibrierung des Sensors,
sowohl der Vorkalibrierung als auch der Endkalibrierung, wird die
von der Anmelderin am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereichte
deutsche Patentanmeldung mit dem Titel "Werkzeug-Sensor-Einheit mit vorkalibriertem Sensor" in Bezug genommen.
-
Das
Werkzeug ist bevorzugt ein Werkzeug zum Fügen, d. h. ein Werkzeug zum
Herstellen einer Fügeverbindung
oder zum Halten eines zu fügenden Bauteils.
Es kann insbesondere eine Fügeeinrichtung
zum Herstellen einer auf Stoffschluss beruhenden Fügeverbindung
sein, beispielsweise eine Schweißeinrichtung, Löteinrichtung
oder Klebeeinrichtung. Es kann sich auch um eine Fügeeinrichtung für eine auf
Form- und Kraftschluss beruhende Verbindungsart handeln, beispielsweise
eine Nieteinrichtung, Schraubeinrichtung oder Rollfalzeinrichtung.
Vorzugsweise ist es in der Lage, die Bauteile automatisch zu verbinden.
Es kann eine Zuführeinrichtung
für zweite
Bauteile, beispielsweise Bolzen, Muttern, Schrauben, Niete, Scharniere
und dergleichen umfassen. In alternativen Ausführungen handelt es sich um
eine Halteeinrichtung für
das zweite Bauteil, beispielsweise eine Spanneinrichtung oder Greifeinrichtung
für ein
Anbauteil einer Fahrzeugkarosserie, die das jeweilige Anbauteil
bei der Montage hält.
Das zweite Bauteil kann in derartigen Anwendungen beispielsweise
eine Fahrzeugtür,
eine Klappe, Haube, ein der Befestigung dienendes Scharnier oder
eine Fahrzeugleuchte sein. Das Werkzeug kann alternativ ein Bearbeitungswerkzeug
sein, vorzugsweise für
eine spanende Bearbeitung wie insbesondere Fräsen oder Bohren. Es können auch
mehrere Werkzeuge über
den Träger
mit dem Sensor verbunden sein, so dass der Sensor der Positionierung
von jedem dieser Werkzeuge dient. In solchen Ausführungen
sind mittels des Sensors die Positionsdaten für eines dieser Werkzeuge gewinnbar,
das für
die Positionierung einer derart erweiterten Werkzeug-Sensor-Vorrichtung
als Referenzwerkzeug dient. Das andere oder die mehreren anderen
Werkzeuge sind in derartigen Ausführungen mit dem Träger in vorgegebener
Weise beweglich verbunden, so dass die Positionierung des Referenzwerkzeugs auch
für die
Positionierung des oder der weiteren Werkzeuge ausreicht. Alternativ
kann jedes der mittels des Trägers
miteinander kombinierten Werkzeuge nacheinander selbst das Referenzwerkzeug
für den
Sensor bilden, wenn die betreffenden Werkzeuge zeitlich nacheinander
oder gleichzeitig an unterschiedlichen Zielorten am Referenzbauteil
zum Einsatz gelangen. Vorteilhaft ist die Kombination einer Halteeinrichtung
für ein
zweites Bauteil, etwa ein Fahrzeuganbauteil oder ein Scharnier für eine gelenkige
Befestigung des Anbauteils, mit einem Fügewerkzeug für die Befestigung
des zweiten Bauteils am Referenzbauteil. Beispiele sind die Kombination einer
Halteeinrichtung für
eine Fahrzeugleuchte mit einem Schweiß- oder Nietwerkzeug zur Befestigung der
Fahrzeugleuchte oder eine Halteeinrichtung für eine Fahrzeugtür mit einem
Schweiß-
oder Schraubwerkzeug. Alternativ zu der Anordnung mehrerer Werkzeuge
am gleichen Träger
kann auch für
jedes der mehreren Werkzeuge je ein eigener Sensor vorgesehen sein.
Die in diesem Falle der Art nach gleich aufgebauten Werkzeug-Sensor-Vorrichtungen
werden steuerungstechnisch aufeinander abgestimmt bewegt und aktiviert.
-
Der
Sensor kann zwar grundsätzlich
ungerichtet sein, d. h. aus allen Richtungen aufnehmen, bevorzugt
handelt es sich jedoch um einen gerichteten Sensor mit einer Messfläche, vorzugsweise
Messebene, die in eine Messrichtung gerichtet ist und nur Signale
aufnimmt, die aus einer Richtung auf die Messfläche treffen, die zumindest
eine gegen die Messrichtung weisende Richtungskomponente aufweist.
Der Sensor hat entsprechend eine Messachse parallel zu der Messrichtung.
Die Messachse ist eine Flächennormale
auf die Messfläche
und erstreckt sich durch einen zentralen Bereich der Messfläche. Die
Messrichtung kann mit einer Arbeitsrichtung des Werkzeugs zusammenfallen
oder winkelig zu der Arbeitsrichtung weisen. Bevorzugt sind die
Arbeitsrichtung des Werkzeugs und die Messrichtung des Sensors parallel
voneinander beabstandet, wobei ein zwischen der Messachse und einer
zentralen Arbeitsachse des Werkzeugs gemessener Abstand über etwa
30 cm nicht hinausgehen sollte. Ein solch geringer Abstand von Werkzeug
und Sensor ist auch für eine
zur Arbeitsrichtung des Werkzeugs winkelige Anordnung des Sensors
vorteilhaft. Als Arbeitsrichtung wird bei einem Werkzeug zum Setzen
von beispielsweise Muttern, Bolzen, Nieten oder Schrauben die Längsrichtung
derartiger zweiter Bauteile verstanden. Bei einem Klebewerkzeug
wäre es
entsprechend die Austrittsrichtung des Klebers, bei einer Halteeinrichtung
beispielsweise eine Richtung, in die das gehaltene Bauteil gegen
das Referenzbauteil beispielsweise gedrückt wird. Die Kalibrierdaten
der Vorkalibrierung umfassen vorzugsweise solche Kalibrierdaten,
mittels denen ein etwaiger Geometriefehler der Messfläche, beispielsweise
ein Wölbungsfehler,
korrigiert werden kann.
-
Der
Sensor ist vorzugsweise ein optischer Sensor, obgleich die Verwendung
eines anderen Sensors, beispielsweise eines anderen elektromagnetischen
Sensors oder eines Ultraschallsensors, nicht ausgeschlossen werden
soll. Besonders bevorzugt bildet eine Bilderfassungseinrichtung
den Sensor. Der Sensor kann ein 3D-Sensor oder in bevorzugten, einfacheren
Ausführungen
ein 2D-Sensor sein. Denkbar ist auch eine Kombination von wenigstens
zwei 1D-Sensoren, mittels denen der Zielort in einer Ansichtsebene
desjenigen Bauteils ermittelbar ist, relativ zu dem das Werkzeug
positioniert werden muss. In sehr einfachen Ausführungen kann der Sensor auch
nur ein 1D-Sensor sein, beispielsweise ein Abstandssensor, mit dem
nur der Abstand des Werkzeugs zu dem betreffenden Bauteil längs einer
einzigen Achse ermittelt wird. Insbesondere kann eine CCD-Kamera
den Sensor bilden. Für
einen der Bilderfassung dienenden Sensor ist die Datenverarbeitungseinrichtung
eine Bildverarbeitungseinrichtung.
-
Zum
Schutz vor schädlichen
Umgebungseinflüssen
wie beispielsweise Schmutz und Feuchte ist vorzugsweise eine Schutzeinrichtung
vorgesehen, die zwischen einem Schutzzustand, in dem sie den Sensor
gegen die Umgebung abschirmt, und einem Freigabezustand, in dem
sie den Sensor freigibt, umsteuerbar ist. Die Schutzeinrichtung
kann insbesondere als beweglicher oder sonstwie veränderbarer Verschluss
eines Gehäuses
für den
Sensor gebildet sein, um den Aufnahmebereich des Sensors abzuschirmen,
wenn der Sensor nicht misst. Vorteilhafterweise steuert die Sensorsteuerung
nicht nur die Aktivität
des Sensors, sondern in Zweitfunktion auch die Schutzeinrichtung,
zweckmäßigerweise
synchronisiert mit der Aktivität
des Sensors. Es ist grundsätzlich
von Vorteil, wenn die Sensorsteuerung in Zusatzfunktion zur Steuerung
der Aktivität
des Sensors eine oder mehrere Zusatzeinrichtungen steuert, um die Aktorsteuerung
von derartigen Zusatzfunktionen zu entlasten. Zweckmäßigerweise
handelt es sich bei den Zusatzeinrichtungen um solche, die eine
Funktion unmittelbar für
die Messung haben, wie beispielsweise die genannte Schutzeinrichtung.
Ein weiteres Beispiel einer Zusatzeinrichtung ist eine Strahlungseinrichtung,
die dazu dienen kann, das aufzunehmende Bauteil beispielsweise anzuleuchten,
wenn die Helligkeit vor Ort für
eine aussagekräftige
Aufnahme nicht ausreicht. Die Strahlungseinrichtung kann anstatt
einer solchen, eher nur unterstützenden Funktion
auch eine primäre
Messfunktion übernehmen.
Zu denken ist hier beispielsweise an das Lichtschnittverfahren,
bei dem ein oder mehrere Laser auf dem zu vermessenden Bauteil oder
Bauteilverbund schmale Lichtstreifen erzeugen, aus denen die Lage von
zwei Bauteilen entlang von Kanten relativ zueinander ermittelt werden
kann. Auch für
die Ausführung des
Lichtschnittverfahrens kommt vorteilhafterweise als Messwertaufnehmer
eine Kamera in Betracht, die die Laserstreifen als Bild aufnimmt,
das anschließend
mittels der Datenverarbeitungseinrichtung ausgewertet wird. Das
Lichtschnittverfahren eignet sich insbesondere dazu, die Spaltgüte zwischen
zwei zu fügenden
Bauteilen zu ermitteln, um die betreffenden Bauteile mit hoher Spaltgüte miteinander
zu fügen. Das
Lichtschnittverfahren eignet sich beispielsweise für den Einbau
von Fahrzeugtüren,
Hauben oder Deckeln in eine Fahrzeugkarosserie, insbesondere im Automobilbau,
oder von Anbauteilen in andere Strukturen des Fahrzeugsbaus. Mit
dem Lichtschnittverfahren können
insbesondere die Spaltbreite und die Fallung zwischen zwei einen
Spalt zwischen sich bildenden Bauteilkanten ermittelt werden.
-
In
Ausführungen,
in denen der Sensor mit diffusem Licht auskommt, umfasst die Strahlungseinrichtung
vorzugsweise mehrere Leuchtdioden, die vorteilhafterweise um eine Öffnung des
genannten Gehäuses
verteilt angeordnet sind. Um in der Umgebung der Vorrichtung arbeitendes
Personal nicht zu blenden, strahlt die Strahlungseinrichtung vorzugsweise
mit IR-Licht oder Rotlicht. Eine Strahlungseinrichtung, die weißes Licht
abstrahlt, wird nicht zuletzt im Hinblick auf den günstigen
Preis in alternativen Ausführungen
bevorzugt. Denkbar ist auch der Einsatz einer UV-Strahlungseinrichtung.
Eine bevorzugt verwendete Kamera oder ein sonstiger optischer Sensor
kann mit einem passenden Filter für das Licht der Strahlungseinrichtung
ausgestattet sein.
-
Die
Strahlungseinrichtung ist am Gehäuse vorzugsweise
leicht austauschbar befestigt, um in Anpassung an die jeweilige
Messaufgabe den Sensor mit unterschiedlichen Strahlungseinrichtungen kombinieren
zu können.
Falls das Gehäuse
im Aufnahmebereich des Sensors eine Öffnung und eine die Öffnung verschließende Schutzscheibe
aufweist, kann die Strahlungseinrichtung vorteilhafterweise Bestandteil
der Schutzscheibe sein, beispielsweise in die Schutzscheibe eingebettet
oder auf der Schutzscheibe befestigt sein. In solch einer Ausbildung
ist die Schutzscheibe vorteilhafterweise leicht austauschbar am
Gehäuse
des Sensors befestigt.
-
Die
Strahlungseinrichtung ist vorzugsweise ein- und ausschaltbar. In
Weiterbildungen ist sie bezüglich
der Strahlungsintensität
verstellbar. In diesem Fall übernimmt
die Sensorsteuerung vorteilhafterweise auch die Einstellung der
Strahlungsintensität.
-
Die
Vorrichtung ist vorzugsweise auch mit einer Anzeige ausgestattet,
die anzeigt, ob die Signalverbindung zwischen dem Sensor und der
Datenverarbeitungseinrichtung besteht und ordnungsgemäß funktioniert.
Eine entsprechende Kontrolleinrichtung kann Bestandteil der Sensorsteuerung
oder bevorzugter der Datenverarbeitungseinrichtung sein. Die Anzeige
ist vorzugsweise bei dem Sensor, zweckmäßigerweise an dessen Gehäuse von
außen
gut sichtbar angeordnet. Die Anzeige sollte insbesondere vom Ort
der Datenverarbeitungseinrichtung aus gut sichtbar angebracht sein.
Die Anzeige ist vorteilhafterweise eine einfache Leuchte, beispielsweise
eine LED und kann als solche Bestandteil der Strahlungseinrichtung
oder vorzugsweise separat nur für
die Anzeige des Status der Signalverbindung vorgesehen sein. Die
Kontrolle der Signalverbindung wird von der Datenverarbeitungseinrichtung
aus gesehen vorzugsweise hinter der Sensorsteuerung vorgenommen,
d. h. zwischen der Sensorsteuerung und dem Aufnehmer des Sensors.
-
Gleichzeitig
kann mit der Kontrolle der Signalverbindung auch die weitere Kontrolle
erfolgen, ob die Energieversorgung gewährleistet ist, indem die Anzeige
ansonsten nicht anzeigt. Die Anzeige kann in einfachen Ausführungen
auch nur anzeigen, ob die Energieversorgung für den Sensor funktioniert.
In derartigen Ausführungen
verbindet die Anzeige die Funktionen des Anzeigens und der Kontrolle
in einem. In solch einer einfachen Ausgestaltung, aber auch in der
Funktion als Anzeige des Status der Signalverbindung, wird die Energie
für die
Anzeige vorzugsweise zwischen der Sensorsteuerung und dem Aufnehmer
des Sensors abgezweigt.
-
Vorteilhafte
Merkmale der Erfindung werden auch in den Unteransprüchen und
deren Kombinationen beschrieben. In den Unteransprüchen offenbarte Merkmale
und die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen können einander
wechselseitig ergänzend
kombiniert werden. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die Erfindung
nach Anspruch 1 zwar mit den Merkmalen e) und f) darauf abzielt,
dass eine Datenverarbeitungseinrichtung für die Aufbereitung der Positionsdaten
in Bezug auf die Aktorsteuerung extern angeordnet ist, dass es sich
die Anmelderin jedoch vorbehält,
auf eine Vorrichtung nur mit den Merkmalen a) bis d) von Anspruch
1, optional ergänzt um
die bevorzugt externe Datenverarbeitungseinrichtung, eine Teilungsanmeldung
zu richten, die die Integration von Zusatzfunktionen in die Sensorsteuerung
betrifft, wie beispielsweise die Steuerung der Schutzeinrichtung
oder der Strahlungseinrichtung. Sinngemäß das Gleiche gilt in Bezug
auf konstruktive Merkmale der offenbarten Zusatzeinrichtungen, beispielsweise
die Haubenform der Schutzeinrichtung oder die Integration einer
Beleuchtungseinrichtung in eine Schutzscheibe. Vorteilhaft ist des
Weiteren die Kommunikation per Lichtwellenleiter und auch die Anordnung
eines optoelektronischen Wandlers auf der Kupplungshälfte des
Sensors. Schließlich
ist auch vorteilhaft die Integration eines Werkzeugs, insbesondere
eines Schweiß-
oder Nietkopfs, und des Sensors auf einem gemeinsamen Träger in einer
unmittelbaren räumlichen
Nähe zueinander
oder die Montage des Sensors mittels Schnellwechselkupplung.
-
Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand von Figuren erläutert.
An dem Ausführungsbeispiel
offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Merkmalskombination die
Gegenstände
der Ansprüche
und auch die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft
weiter. Es zeigen:
-
1 eine
Werkzeug-Sensor-Einheit zum positionsgenauen Verbinden von Bauteilen
in einer perspektivischen Sicht,
-
2 eine
Sensoreinheit der Werkzeug-Sensor-Einheit in einer Seitenansicht,
-
3 die
Sensoreinheit mit durchsichtiger Seitenwand,
-
4 eine
Arbeitsstation und eine Steuerung der Werkzeug-Sensor-Einheit in
schematischer Darstellung,
-
5 eine
Kalibriereinrichtung,
-
6 eine
Sensoreinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen
Sicht und
-
7 die
Sensoreinheit des zweiten Ausführungsbeispiels
mit montiertem Lichtschutz.
-
1 zeigt
eine Werkzeug-Sensor-Einheit zum positionsgenauen Verbinden von
Bauteilen, die ein Werkzeug 1, einen Sensor 10 und
einen Träger 2 umfasst.
Der Träger 2 dient
der mechanischen Befestigung der Werkzeug-Sensor-Einheit auf einem
im Raum beweglichen Aktor, vorzugsweise einem Roboterarm. Das Werkzeug 1 ist
auf dem Träger 2 ortsfest
und unbeweglich montiert. Der Sensor 10 ist in einem Gehäuse 20 aufgenommen,
das ebenfalls ortsfest und unbeweglich auf dem Träger 2 angeordnet
ist. Der Träger 2 und
das Sensorgehäuse 20 sind mittels
einer Kupplung lösbar
miteinander verbunden. Die Kupplung ist für einen raschen Austausch des
Sensors 10 als Schnellwechselkupplung gebildet. Die Kupplung
umfasst eine erste Kupplungshälfte 4,
die fest mit dem Träger 2 verbunden
ist, und eine zweite Kupplungshälfte 5,
die fest mit dem Gehäuse 20 verbunden
ist. Die Kupplung 4, 5 ist als Linearführung, im
Ausführungsbeispiel
als Schwalbenschwanzführung,
ausgeführt.
Die Fixierung längs den
beiden Führungen
der ersten Kupplungshälfte 4 erfolgt
mittels einer einzigen Schraubverbindung oder für einen noch rascheren Austausch
mittels einer lösbaren
Rastverbindung.
-
Die
erste Kupplungshälfte 4 ist
längs in
zwei Kupplungsteile 4a und 4b geteilt. Die Kupplungsteile 4a und 4b bilden
je eine der zwei Führungen
der ersten Kupplungshälfte 4.
-
Sie
sind quer zu der Führungsrichtung
elastisch aufeinander zu gespannt und entsprechend gegen die elastische
Rückstellkraft
voneinander weg bewegbar, so dass die erste Kupplungshälfte 4 in
ihrer Führungsebene
quer zu ihrer Führungsrichtung aufweitbar
ist. Das Kupplungsteil 4b ist mit dem Träger 2 nicht
beweglich verbunden. Das Kupplungsteil 4a ist mit dem Kupplungsteil 4b quer
zu der Führungsrichtung
beweglich verbunden. Die Querbewegbarkeit erleichtert das Einsetzen
der zweiten Kupplungshälfte 5 in
Richtung einer Achse senkrecht auf die Führungsebene, indem die Kupplungshälfte 5 unter
die Führung
des beweglichen Kupplungsteils 4a geneigt zu der Führungsebene
eingeführt
wird, die Kupplungsteile 4a und 4b durch Druck
gegen das Kupplungsteil 4a auseinander bewegt und anschließend die
Kupplungshälfte 5 auf
die Führungsebene gekippt
wird. Sobald der Druck auf das bewegliche Kupplungsteil 4a nachlässt, schnappen
die Kupplungsteile 4a und 4b unter der elastischen
Rückstellkraft
wieder aufeinander zu und fassen die Kupplungshälfte 5 an beiden Führungsseiten
ein. Falls die elastische Spannkraft einen ausreichend festen Sitz noch
nicht gewährleistet,
ist eine zusätzliche
Einpunktverbindung vorgesehen, mittels der die Kupplungsteile 4a und 4b quer
zur Führungsrichtung
relativ zueinander, vorzugsweise aneinander, festgelegt werden.
-
Das
Werkzeug 1 ist eine Schweißeinrichtung, mittels der an
einem Referenzbauteil, beispielsweise einem Karosserieteil oder
einer Rohkarosse eines Fahrzeugs, ein zweites Bauteil, beispielsweise eine
Mutter oder ein Bolzen, mittels Schweißverbindung befestigbar ist.
Einem vorderen Ende des Werkzeugs 1 werden derartige zweite
Bauteile jeweils einzeln zugeführt,
an dem vorderen Ende von dem Werkzeug 1 gehalten, das hinsichtlich
dieser Funktion gleichzeitig auch als Halteeinrichtung dient, und
nach genauer Positionierung relativ zum ersten Bauteil an diesem
angeschweißt.
Alternativ wird das betreffende zweite Bauteil erst nach der exakten
Positionierung des Werkzeugs 1 zum vorderen Ende des Werkzeugs
gefördert.
Handelt es sich bei den zweiten Bauteilen beispielsweise um Muttern,
werden diese positionsgenau jeweils auf ein Loch des ersten Bauteils
aufgesetzt und festgeschweißt.
-
Der
mit der Werkzeug-Sensor-Einheit bestückte Aktor kann insbesondere
in einer Arbeitsstation an einer Fertigungslinie angeordnet sein,
längs der
die Referenzbauteile eines nach dem anderen in die Arbeitsstation
und nach dem Fügen
aus der Arbeitsstation gefördert
werden. In bevorzugten Verwendungen handelt es sich um eine Fertigungslinie für die Serienfertigung
von Automobilkarossen.
-
Das
erste Bauteil ruht bevorzugt während das
Werkzeug 1 positioniert wird. In einer Weiterbildung wäre es jedoch
auch möglich,
dass der Aktor mittels der Aktorregelung einem sich bei dem Positionieren
und gegebenenfalls auch bei dem Verbinden bewegenden ersten Bauteil
nachgeführt
wird.
-
2 zeigt
die Werkzeug-Sensor-Einheit in einer weiteren Sicht auf das Gehäuse 20.
In 2 ist auch ein Positionierstift 3 erkennbar,
der an einer von dem Werkzeug 1 und dem Sensor 10 abgewandten Unterseite
von dem Träger 2 abragt
und Teil einer Verbindungseinrichtung ist, mittels der der Träger 2 an
dem Aktor befestigt wird.
-
Das
Gehäuse 20 schützt den
Sensor 10 vor widrigen Einflüssen der Umgebung, wie beispielsweise
Wasser, Wasserdampf, Staub und sonstigem Schmutz. Insbesondere schirmt
es den Sensor 10 aber auch vom Schweißprozess ab.
-
3 zeigt
den mittels der Kupplung 4, 5 an dem Träger 2 montierbaren
und von dem Träger 2 wieder
lösbaren
Teil der Werkzeug-Sensor-Einheit. Dieser Teil umfasst das Gehäuse 20 mit
dem darin angeordneten Sensor 10 und die Kupplungshälfte 5. Die
dem Betrachter zugewandte Seitenwand des Gehäuses 20 ist als durchsichtig
dargestellt, so dass der Blick in den Innenraum des Gehäuses 20 frei
ist. Die zum Träger 2 gehörende erste
Kupplungshälfte 4 ist nur
zwecks Darstellung des Kupplungseingriffs ebenfalls gezeigt, gehört aber
nicht zur Sensoreinheit.
-
Der
Sensor 10 dient der genauen Positionierung des Werkzeugs 1 relativ
zum jeweiligen ersten Bauteil. Für
diese Aufgabe ist der Sensor 10 als zweidimensional messender,
optischer Sensor, im Ausführungsbeispiel
als 2D-CCD-Kamera gebildet. Er besteht aus einem lichtempfindlichen
Aufnehmer 11 und einem Objektiv 12. Der lichtempfindliche
Aufnehmer 11 ist ein photosensitives, zweidimensionales
Pixelarray. Der Sensor 10 ist einschließlich seines Objektivs 12 in
dem Gehäuse 20 angeordnet.
Der Aufnehmer 11 bildet eine Messfläche, im Ausführungsbeispiel
eine Messebene, mit einer zu der Flächennormalen der Messebene
parallelen Messrichtung M. Die Messrichtung M ist zu der Arbeitsrichtung
des Werkzeugs 1 parallel. In den 2 und 3 ist
die in Messrichtung M weisende, in Bezug auf den Aufnehmer 11 zentrale
Messachse eingezeichnet.
-
Das
Gehäuse 20 ist
mit einer Öffnung 21 versehen,
durch die der Sensor 10 das für die Messung erforderliche
Licht aufnimmt. Eine lichtdurchlässige Schutzscheibe 22 überdeckt
die Öffnung 21.
Die Schutzscheibe 22 ist an der Außenseite des Gehäuses 20 lösbar befestigt
und kann rasch ausgetauscht werden. Von der Öffnung 21 abgesehen,
bildet das Gehäuse 20 ein
geschlossenes Behältnis.
Das Gehäuse 20 ist
aus Leichtmetall gefertigt.
-
Während des
Schweißens
wird die Schutzscheibe 22 von einem Verschluss 26 vor
Schweißspritzern,
Funken und dergleichen geschützt.
Der Verschluss 26 ist ein metallischer Klappverschluss. Der
Verschluss 26 ist in den 2 und 3 dargestellt,
in 3 jedoch abgenommen, um den Blick auf den Sensor
freizugeben. Für
die Erfassung des Referenzbauteils, worunter auch die Erfassung
nur eines Teilbereichs des Referenzbauteils verstanden wird, wird
der Verschluss 26 von der Öffnung 21 abgeklappt,
so dass er die Öffnung 21 freigibt.
Nach der Erfassung des Referenzbauteils wird der Verschluss 26 wieder
gegen die Öffnung 21 geklappt
und verschließt
in einem Schutzzustand das Gehäuse 20 an dessen
beim Fügen
dem ersten Bauteil zugewandten Vorderseite. Der Verschluss 26 ist
zwischen dem in 1 und 2 dargestellten
Freigabezustand und dem Schutzzustand umsteuerbar, d.h. hin und
her bewegbar gelagert.
-
Zusätzlich oder
anstatt des Verschlusses 26 kann die Schutzscheibe 22 mit
einem Cross-Jet beaufschlagt werden, d.h. einem mit hoher Geschwindigkeit über die äußere Oberfläche der
Schutzscheibe 22 strömenden
Gasstrom. Der Cross-Jet wirkt in der Art einer Schleuse und verhindert,
dass kleinere Teile oder beim Schweißen erzeugte Funken gegen die
Schutzscheibe 22 prallen können. Der Cross-Jet wird bevorzugt
pneumatisch erzeugt, d.h. es handelt sich um einen Luftstrom. Eine
zur Erzeugung auf dem Träger 2 angeordnete,
vorzugsweise am Gehäuse 20 befestigte
Düse ist
in bevorzugten Ausführungen
als Lavall-Düse gebildet.
-
Der
Sensor 10 und auch das Werkzeug 1 kommunizieren über eine
Signalleitung 31 mit einer Aktorsteuerung, welche die Bewegungen
des Aktors steuert. Der Aktorsteuerung wird in einem ersten Schritt
als Führungsgröße die Sollposition
des ersten Bauteils aufgegeben. Mittels des Sensors 10 werden die
Istposition des Werkzeugs 1 und daraus ein Korrekturvektor
ermittelt und der Aktorsteuerung als neue Führungsgröße aufgegeben. Nachdem der
Aktor und damit gemeinsam die daran befestigte Werkzeug-Sensor-Einheit
entsprechend dem Korrekturvektor näher zum Zielort bewegt worden
ist, werden die Istposition und daraus ein neuer Korrekturvektor ermittelt,
welcher der Aktorsteuerung wieder als neue Führungsgröße aufgegeben wird. Auf diese
Weise wird die Positionierung des Aktors in diskreten Schritten
sukzessive verbessert, bis der Zielort mit ausreichender Genauigkeit
erreicht ist. Die Signalleitung 31 überträgt die vom Sensor 10 ermittelten
Positionsdaten des Aktors und somit des Werkzeugs 1. Wenn das
Werkzeug 1 im Hinblick auf den Ort der Verbindung, den
Zielort, genau positioniert ist, wird das Werkzeug 1 aktiviert,
so dass an dem Zielort ein zweites Bauteil, beispielsweise ein Bolzen
oder eine Mutter, angeschweißt
wird.
-
Die
Signalleitung 31 ist ein Lichtwellenleiter und ist mittels
eines Kabelverbinders 30, der vorzugsweise als Harting-Stecker
gebildet ist, mit der Werkzeug-Sensor-Einheit verbunden. Das Verbindungsgegenstück des Kabelverbinders 30 ragt
von einem Kabelanschluss 25 ab, der an der von der Öffnung 21 abgewandten
Rückseite
des Gehäuses 20 angeordnet
ist.
-
In
dem Gehäuse 20 ist
ein optoelektronischer Wandler 15 angeordnet. Der Wandler 15 wandelt
die elektrischen Ausgangssignale des Sensors 10, d.h. die
Positionsdaten, in optische Signale um, die anschließend über den
Lichtwellenleiter 31 übertragen
werden. Die Werkzeug-Sensor-Einheit wird über den Kabelverbinder 30 und
eine davon abgehende Energieversorgungsleitung 32 mit elektrischer Energie
versorgt. Es wird somit der gesamte Signal- und Energiefluss des
Sensors 10 über
den gleichen Kabelverbinder 30 geleitet. Die Steuersignale
für das Werkzeug 1 und
auch dessen Energie werden über eine
andere Leitungsverbindung geführt,
wodurch die Einbettung des Sensors 10 in das System aus
Aktor und Werkzeug 1 erleichtert wird.
-
In
dem Gehäuse 20 ist
eine Sensorsteuerung 16 aufgenommen, welche die Aktivität des Sensors 10 steuert,
wobei die Sensorsteuerung 16 im wesentlichen darin besteht,
dass sie die von dem Aufnehmer 11 erhaltenen Signale als
Positiansdaten in einem internen Bildspeicher oder einem Registerspeicher
ablegt oder unmittelbar über
den Wandler 15 weiterleitet. Die Sensorsteuerung 16 verfügt des Weiteren über einen
Datenspeicher 17, in dem die Kalibrierdaten des Sensors 10 in
Form von Sensorkorrekturwerten abgelegt sind. Der Datenspeicher 17 kann
Bestandteil des Bildspeichers sein, falls ein solcher im Gehäuse 20 aufgenommen
ist. Falls die Sensorsteuerung 16 bereits selbst über einen
Bildspeicher verfügt,
d.h. auf einen in dem Gehäuse 20 aufgenommenen
Bildspeicher Zugriff hat, kann die Sensorsteuerung 16 die
Positionsdaten bereits unter Berücksichtigung
der im Datenspeicher 17 abgelegten Kalibrierdaten korrigieren
und als korrigierte Positionsdaten im Bildspeicher ablegen. Die
Positionsdaten, nämlich
die aufgenommenen Positionsdaten oder bereits korrigierten Positionsdaten,
werden über den
optoelektronischen Wandler 15 und den Lichtwellenleiter 31 an
eine Datenverarbeitungseinrichtung weitergeleitet und dort ausgewertet
und für
die Aktorsteuerung aufbereitet.
-
Über die
Aktivität
des Sensors 10 hinaus steuert die Sensorsteuerung 16 auch
noch eine Beleuchtungseinrichtung 23 und den Verschluss 26.
Die Beleuchtungseinrichtung 23 umfasst eine Mehrzahl von
Leuchtdioden, die um die Öffnung 21 gleichmäßig verteilt
angeordnet und in der Schutzscheibe 22 eingebettet sind.
Die Beleuchtungseinrichtung 23 ist lediglich ein- und ausschaltbar.
Entsprechend schaltet die Sensorsteuerung 16 die Beleuchtungseinrichtung 23 ein,
wenn der Zielort erfasst werden soll, und schaltet sie nach der
Erfassung wieder aus. Synchron steuert sie den Verschluss 26 zwischen
dem Schutzzustand und dem Freigabezustand um. Für das Umsteuern des Verschlusses 26 ist
in einem separaten Aufnahmefach des Gehäuses 20 ein Stellglied 27 angeordnet,
das im Ausführungsbeispiel
als elektrischer Schrittmotor ausgeführt ist. Das Stellglied 27 schwenkt
den Verschluss 26 über
ein Getriebe 28, das im Ausführungsbeispiel als Kurbel gebildet
ist.
-
Der
Verschluss 26 ist so geformt, dass er den Aufnehmer 11 des
Sensors 10 auch im Freigabezustand an drei Seiten gegen
die Umgebung abschirmt, auch an der dem Werkzeug 1 zugewandten
Seite, indem der Verschluss 26 dort eine Trennwand bildet. Um
die Schutzfunktion auch im Freigabezustand zu erfüllen, ist
der Verschluss 26 als Haube geformt, die einen in Messrichtung
M erstreckten Messkanal bildet mit Wandungen, die den Messkanal
an drei zueinander rechtwinkligen Seiten umgeben. An der verbleibenden
vierten Seite ist der Messkanal allerdings offen. Auf diese Weise
können
Schmutzpartikel und beispielsweise auch Schweißspritzer nur dann in die Nähe des Sensors 10 gelangen,
wenn sie sich in Längsrichtung
des Messkanals bewegen oder durch die offene Seite eintreffen. Der
haubenartige Verschluss 26 besteht aus zwei Seitenwänden, die
zu den Seitenwänden
des Gehäuses 20 parallel
und an die Seitenwände
des Gehäuses 20 eng
angelegt sind, und einer verbindenden Abdeckwand, die in der Freigabestellung
parallel zu einer von dem Aktor abgewandten Oberseite des Gehäuses 20 weist.
Die beiden Seitenwände
des Verschlusses 26 sind zueinander parallel und die Abdeckwand
weist zu diesen Seitenwänden
im rechten Winkel. Die drei Wände sind
jeweils plan. Wenn der Verschluss 26 in die Schutzstellung
geschwenkt wird, schwenkt seine Abdeckwand vor die Öffnung 21,
und die beiden Seitenwände
schwenken in eine weitgehende Überdeckung
mit den Seitenwänden
des Gehäuses 20.
Die Schwenkachse erstreckt sich quer zu der Messrichtung M, im Ausführungsbeispiel
parallel zu der die Öffnung 21 überdeckenden
Abdeckwand, und durch einen in der Freigabestellung in Überdeckung
mit dem Gehäuse 20 befindlichen
hintersten Bereich der Seitenwände
des Verschlusses 26.
-
Da
das Getriebe 28 für
die Beweglichkeit des Verschlusses 26 das Gehäuse 20 durchgreift,
ist der Innenraum des Gehäuses 20,
in dem insbesondere der Sensor 10 und die Sensorsteuerung 16 mit
dem Datenspeicher 17 und ferner auch der Wandler 15 angeordnet
sind, nochmals besonders gekapselt. Die Kapselung wird mit einer
Dichtung 24 hergestellt, welche die genannten Komponenten
wasser- und staubdicht und vorzugsweise auch gegen Wasserdampf abdichtet.
Die Dichtung 24 umgibt auch die Öffnung 21. Die Schutzscheibe 22 ist
am Gehäuse 20 so
befestigt, dass sie sich an die Dichtung 24 presst und
für die Öffnung 21 ein
lichtdurchlässiger, aber
ansonsten dichter Schutz erhalten wird. Das Stellglied 27 und
das Getriebe 28 befinden sich außerhalb der so erhaltenen Kapselung.
Die Dichtung 24 dichtet den Innenraum des Gehäuses 20 auch
gegen den am Gehäuse 20 befestigten
Kabelanschluss 25 ab.
-
4 zeigt
eine Arbeitsstation zum Fügen von
Bauteilen. Das skizzierte Automobil steht stellvertretend für ein Referenzbauteil 13,
beispielsweise eine Rohkarosse eines Automobils, an dem in der Arbeitsstation
ein oder mehrere zweite Bauteile, beispielsweise Bolzen oder Muttern,
positioniert und angeschweißt
werden. Als ortsfestes Referenzsystem und Messkoordinatensystem
der Arbeitsstation dient das im Fahrzeugbau übliche kartesische X,Y,Z-Koordinatensystem
mit der gegen die Fahrtrichtung des Fahrzeugs weisenden X-Achse,
der Z-Hochachse und der in Fahrzeugachsrichtung weisenden Y-Achse. In der Arbeitsstation
ist ein Roboter ortsfest angeordnet. Der Roboter weist einen einzigen
Roboterarm auf, dessen freies Ende den Aktor 6 bildet.
Der Aktor 6 ist über
Schwenkarme und Schubstangen dreh- und schubbeweglich mit der ortsfesten
Basis des Roboters verbunden und relativ zu dieser und dem X,Y,Z-Referenzsystem
sowohl nach den drei Freiheitsgraden der Translation als auch nach
den drei Freiheitsgraden der Rotation beweglich. In dem so genannten
Tool Center Point TCP des Aktors 6 ist das zum Aktor 6 feste
X',Y',Z'-Koordinatensystem des
Roboters lokalisiert. Die losgelöst
dargestellte Werkzeug-Sensor-Einheit ist mittels ihres Trägers 2 an
dem Aktor 6 befestigt, so dass dessen X',Y',Z'-System gleichzeitig
auch das feste Koordinatensystem der Werkzeug-Sensor-Einheit ist.
-
4 zeigt
schematisch die Aktorsteuerung 7 und die ebenfalls bereits
genannte Datenverarbeitungseinrichtung 8, die von der Aktorsteuerung 7 und auch
von der Werkzeug-Sensor-Einheit abgerückt und vorzugsweise in der
Arbeitsstation ortsfest angeordnet ist. Die Aktorsteuerung 7 ist
in oder an der Basis des Roboters angeordnet, wo auch die Datenverarbeitungseinrichtung 8 angeordnet
sein kann.
-
4 zeigt
ferner den Signalfluss für
die Positionierung des Aktors 6 und der mitbewegten Werkzeug-Sensor-Einheit
und die Aktivierung des Werkzeugs 1. Die Aktorsteuerung 7 und
die Datenverarbeitungseinrichtung 8 sind über einen
elektronischen Datenbus 33 miteinander verbunden. Bei dem
Datenbus 33 handelt es sich um einen Standard-Datenbus
wie beispielsweise den in Industrieanwendungen üblichen Feldbus. Die Werkzeug-Sensor-Einheit
und die Datenverarbeitungseinrichtung 8 sind über die bereits
beschriebene optische Signalleitung 31 signaltechnisch
miteinander verbunden. Die Datenverarbeitungseinrichtung 8 ist
für diese
Kommunikation mit einem optoelektronischen Wandler 14 ausgestattet.
Der gesamte Signalfluss zwischen der Aktorsteuerung 7 und
dem Sensor 10 läuft über die
Datenverarbeitungseinrichtung 8. Mit dem Werkzeug 1 ist
die Aktorsteuerung 7 hingegen direkt verbunden, insbesondere
ohne Zwischenschaltung der Datenverarbeitungseinrichtung 8,
die somit ausschließlich
für den Sensor 10 vorgesehen
ist. Die Aktorsteuerung 7 verfügt über Anschlüsse für externe Geräte. An einen dieser
Anschlüsse
ist die Datenverarbeitungseinrichtung 8 über den
Datenbus 33 angeschlossen. Über einen weiteren der Anschlüsse ist
das Werkzeug 1 angeschlossen. Über einen dritten Anschluss
werden die Stellglieder des Roboters, beispielsweise Elektromotoren,
mit Steuersignalen A gesteuert, wobei dieses Steuern zweckmäßigerweise
auch ein Regeln der Stellglieder beinhaltet. Über noch einen Anschluss ist
die Aktorsteuerung 7 mit einer übergeordneten Stations- oder
Anlagensteuerung 9 verbunden, die den Roboter mit weiteren
Robotern oder anderen Einrichtungen der gleichen Arbeitsstation
oder mehrere Arbeitsstationen der Fertigungslinie miteinander koordiniert.
-
In 4 nimmt
der Aktor 6 relativ zu dem Bauteil 13 eine Ausgangsposition
ein. Das Bauteil 1 ist in dem X,Y,Z-Referenzsystem der
Arbeitsstation positioniert und bereit für die Durchführung des
Fügeprozesses.
Der Aktorsteuerung 7 ist die Bauteil-Sollposition, in der
das Bauteil 1 sich im Idealfall befindet, bekannt, d. h.
vorgegeben. Die Stations- oder Anlagensteuerung 9 übermittelt
der Aktorsteuerung 7 ein Startsignal, nach dessen Erhalt
die Aktorsteuerung 7 mittels Steuersignalen A die Bewegung
des Aktors 6 in Richtung auf die Sollposition unmittelbar
oder zuvor einen Messvorgang initiiert. Auf jeden Fall wird die
Istposition, die der Aktor 6 relativ zu dem Bauteil 13 einnimmt,
vor Erreichen der vorgegebenen Sollposition durch Messung ermittelt.
Dies ist angesichts der an die Genauigkeit der Positionierung des
zweiten Bauteils oder der mehreren zweiten Bauteile gestellten Anforderungen
erforderlich, da zum einen nicht gewährleistet ist, dass das Referenzbauteil 13 die
vorgegebene Sollposition auch tatsächlich einnimmt, und zum anderen
die Toleranzen und Elastizitäten
der beweglichen Elemente des Roboters für Ungenauigkeiten in der Position
des Aktors 6 sorgen. Bei dem Referenzbauteil 13 ist
es möglich,
dass es im Ganzen nicht die Sollposition einnimmt oder aufgrund
von Formungsungenauigkeiten oder nachträglichem Verzug ein Zielort
am Bauteil 13 sich nicht in der Sollposition befindet.
-
Nach
Erhalt des Steuersignals von der Stations- oder Anlagensteuerung 9 erzeugt
die Aktorsteuerung 7 ein Messkommando S, um den Sensor 10 zu aktivieren.
Das Messkommando S wird über
den Datenbus 33 und die Datenverarbeitungseinrichtung 8, nämlich deren
Wandler 14, in die Signalleitung 31 eingespeist
und gelangt als optisches Messkommando S zum sensornahen Wandler 15,
der das Messkommando S wieder in ein elektronisches Signal umwandelt,
das die Sensorsteuerung 16 erhält. Die Sensorsteuerung 16 steuert
das Stellglied 27 des Verschlusses 26 an, woraufhin
der Verschluss 26 in die Freigabestellung bewegt wird.
Sollten die Lichtverhältnisse
vor Ort es erfordern, steuert die Sensorsteuerung 16 des
weiteren auch die Beleuchtungseinrichtung 23 an, um den
Zielort auszuleuchten. Das vom Zielort reflektierte Licht tritt
durch die Öffnnung 21 und
wird über
das Objektiv 12 auf den Aufnehmer 11 geleitet,
wo es photoelektrisch ein zweidimensionales Abbild des Zielorts
erzeugt. Die Pixelladungen des Aufnehmers 11 werden in
dem im Gehäuse 20 angeordneten
Bildspeicher oder dort nur vorhandenen Registerspeichern zwischengespeichert.
Sobald die Sensorsteuerung 16 erkannt hat, dass die vollständige Bildinformation
aufgenommen worden ist, schaltet sie die Beleuchtungseinrichtung 23 ab,
falls diese aktiviert wurde, und steuert das Stellglied 27 um,
so dass der Verschluss 2b wieder in die Schutzposition
bewegt wird. Die Positionsdaten P werden über die beiden Wandler 14 und 15 und
die Signalleitung 31 zu der Datenverarbeitungseinrichtung 8 übertragen.
-
Die
Sensorsteuerung 16 kann mit der Fähigkeit ausgestattet sein,
aus den aufgenommenen Positionsdaten und den gespeicherten Kalibrierdaten korrigierte
Positionsdaten zu berechnen. In einer bevorzugten Alternative verfügt jedoch
nicht die Sensorsteuerung 16 über die Fähigkeit, vielmehr korrigiert
erst die Datenverarbeitungseinrichtung 8 die aufgenommenen
Positionsdaten P. Denkbar ist beispielsweise, dass pro Messung bzw.
Aufnahme jeweils die aufgenommenen Positionsdaten P und die beim
Sensor 10 gespeicherten Kalibrierdaten zu der Datenverarbeitungseinrichtung 8 übertragen
und dort miteinander verrechnet werden. Bevorzugter werden die beim
Sensor 10 gespeicherten Kalibrierdaten jedoch nur einmalig
bei der Montage des Sensors 10 aus dessen Datenspeicher 17 ausgelesen
und in einen Datenspeicher der Datenverarbeitungseinrichtung 8 übertragen,
wo sie für
die weitere Verrechnung zur Verfügung
stehen.
-
Die
Datenverarbeitungseinrichtung 8 verfügt über einen Datenspeicher, in
dem mit den Positionsdaten P korrespondierende Solldaten gespeichert sind,
die das Bild repräsentieren,
das der Sensor 10 aufnimmt, wenn der Aktor 6 relativ
zu dem Referenzbauteil 13 die Sollposition einnimmt. Die
Solldaten spezifizieren somit das Sollbild. Die Datenverarbeitungseinrichtung 8 verfügt über eine
Vergleichseinrichtung, die die Positionsdaten P nach Erhalt automatisch
mit den Solldaten vergleicht und anhand des Vergleichs die Istposition
errechnet, die der Aktor 6 im Zeitpunkt der Messung relativ
zu dem Bauteil 13 einnimmt. Aus dem Unterschied zwischen
Soll und Ist errechnet die Datenverarbeitungseinrichtung 8 vorzugsweise
unmittelbar einen Korrekturvektor K, der aus insgesamt sechs Koordinatenwerten
besteht, nämlich
drei Translationkoordinaten und drei Winkelkoordinaten, um die der
Aktor 6 aus seiner momentanen Istposition weiterbewegt
werden muss, um relativ zu dem Referenzbauteil 13 die Sollposition
zu erreichen. Die Aktorsteuerung 7 erhält von der Datenverarbeitungseinrichtung 8 den
Korrekturvektor K über
den Datenbus 33. Der Korrekturvektor K wird zweckmäßigerweise
in dem X',Y',Z'-Koordinatensystem
des Aktors 6 angegeben. Die Aktorsteuerung 7 steuert
die Stellglieder des Roboters so, dass der Aktor 6 um den
Korrekturvektor K weiterbewegt wird. Zweckmäßigerweise wird der Aktor 6 nicht
um den gesamten Korrekturvektor K weiterbewegt, sondern nur um einen
Teil des Korrekturvektors K. Bevorzugter ist die Datenverarbeitungseinrichtung 8 in
einer alternativen Ausführung
so eingerichtet, dass sie der Aktorsteuerung 7 nur einen
hinsichtlich zumindest des translatorischen Anteils verkürzten Korrekturvektor
K übermittelt,
den die Aktorsteuerung 7 dann vollständig ausführt. Nach Ausführung der
dem Korrekturvektor K oder einem Teil des Korrekturvektors K entsprechenden
Bewegung übermittelt
die Aktorsteuerung 7 erneut ein Messkommando S, das über die
Wandler 14 und 15 zur Sensorsteuerung 16 gelangt,
die daraufhin erneut einen Messvorgang initiiert. Der erneute Messvorgang
und die weitere Datenverarbeitung und Steuerungsvorgänge entsprechen
dem beschriebenen Zyklus.
-
Bei
jedem Messvorgang errechnet die Datenverarbeitungseinrichtung 8 nicht
nur den Korrekturvektor K des jeweiligen Messvorgangs, sondern ermittelt
auch anhand eines Gütekriteriums,
ob die zum Zeitpunkt der letzten Messung vom Aktor 6 eingenommene
Istposition mit ausreichender Genauigkeit der auf den tatsächlichen
Ort und Zustand des Bauteils 13 bezogenen Sollposition
entspricht. Als Gütekriterium
kann insbesondere ein quadratisches Abstandsmaß dienen, beispielsweise die
Länge des translatorischen
Anteils des Korrekturvektors K und ein entsprechendes Maß für die Winkelposition. Wenn
die Datenverarbeitungseinrichtung 8 feststellt, dass das
Gütekriterium
nicht erfüllt
ist, erzeugt sie einen neuen Korrekturvektor K, den die Aktorsteuerung 7 abarbeitet.
Falls das Gütekriterium
erfüllt
ist, sendet sie der Aktorsteuerung 7 ein entsprechendes Ausgangssignal.
-
Wenn
die Aktorsteuerung 7 von der Datenverarbeitungseinrichtung 8 die
Information erhält, dass
der Aktor 6 bereits mit vorgegebener Genauigkeit zum Bauteil 1 positioniert
ist oder in einer alternativen Ausführung die Überprüfung des Gütekriteriums von der Aktorsteuerung 7 durchgeführt wird
und diese die Erfüllung
des Gütekriteriums
festgestellt hat, erzeugt die Aktorsteuerung 7 ein Steuersignal
T, wodurch das Werkzeug 1 aktiviert wird. Die als Werkzeug 1 beispielhaft
gewählte
Schweißeinrichtung drückt einen
Bolzen oder eine Mutter am Zielort gegen das Bauteil 13 und
schweißt
dieses zweite Bauteil am Zielort an. Anschließend übermittelt die Aktorsteuerung 7 den
Stellgliedern des Roboters Steuersignale A, so dass der Aktor 6 wieder
in die Ausgangsposition bewegt wird. Falls mit dem Bauteil 13 ein weiteres
zweiten Bauteil gefügt
werden muss, kann der Aktor 6 auch unmittelbar in eine
neue Sollposition oder eine von der Ausgangsposition abweichende, beispielsweise
näher beim
Bauteil 13 gelegene Zwischenposition bewegt werden, aus
der heraus die neue Sollposition wie beschrieben angesteuert wird.
-
Der
Sensor 10 bildet mit der Sensorsteuerung 16, den
Zusatzeinrichtungen 23 und 26 und dem Wandler 15 eine
Sensoreinheit. Sollte eine der auf dem Träger 2 angeordneten
Komponenten der Sensoreinheit defekt sein, wird die Sensoreinheit
im Ganzen ausgetauscht. Für
den Austausch müssen
lediglich die beiden Schnittstellen, nämlich die Kupplung 4, 5 und
der Kabelverbinder 30 gelöst werden. Die bereits vorkalibrierte,
neue Sensoreinheit wird mittels der Kupplung 4, 5 auf
dem Träger 2 montiert
und mittels des Kabelverbinders 30 wieder an die Datenverarbeitungseinrichtung 8 angeschlossen.
-
Vor
der Montage wird die neue Sensoreinheit wie bereits erwähnt vorkalibriert.
Im Rahmen der Vorkalibrierung wird der Sensor 10 bezüglich seiner
Ausrichtung relativ zu der zweiten Kupplungshälfte 5 vermessen.
Ein durch die Vermessung festgestellter Positionsfehler zwischen
Sensor 10 und Kupplungshälfte 5 wird korrigiert.
Die Korrektur besteht in einem mechanischen Positionieren des neuen
Sensors 10 relativ zu der zweiten Kupplungshälfte 5,
indem die Messachse des neuen Sensors 10 mit der Messachse
der zweiten Kupplungshälfte 5 in
die Flucht gebracht wird. Der neue Sensor 10 wird in Bezug
auf seine Messachse mechanisch zentriert und ausgerichtet. Bei dem
Sensor 10 des Ausführungsbeispiels weist
die Messachse des Sensors 10 senkrecht zu und zentral durch
die Messfläche
des Aufnehmers 11, die Ebene des Pixelarrays. Die Messachse
der zweiten Kupplungshälfte 5 ist
parallel zu der Arbeitsrichtung des Werkzeugs 1 und verläuft zentral
durch die Öffnung 21 des
Gehäuses 20.
-
Der
mechanisch in Bezug auf Ort und Ausrichtung auf der Kupplungshälfte positionierte
Sensor 10 wird anschließend in sich vermessen, indem
ein Kalibrierfeld mit Marken vorgegebener Position aus mehreren
unterschiedlichen, aber vorgegebenen Entfernungen bei stets gleicher
Winkelstellung des Sensors 10 zum Kalibrierfeld aufgenommen
und die Aufnahmen mittels Bildverarbeitung ausgewertet werden. Bei
dem Kalibrierfeld handelt es sich vorzugsweise um eine Kalibrierschablone
in Form eines vorgegebenen Rasterfelds aus Farbpunkten, Löchern oder
Leuchtpunkten, die beispielsweise je von einer LED gebildet werden
oder einer Kombination derartiger Marken. Durch Vergleich der aufgenommenen
Bilddaten mit den bekannten Bilddaten des Kalibrierfelds werden
die Bildfehler des Sensors 10 errechnet. Die Bildfehler
und möglicherweise
nach der mechanischen Positionierung noch vorhandene Positionsfehler
oder vorzugsweise ein daraus errechneter Korrekturwert oder mehrere
Korrekturwerte wird oder werden als Kalibrierdaten der Vorkalibrierung
in dem sensoreigenen Datenspeicher 17 abgelegt. Durch den
zweiten Kalibrierschritt werden bei dem Sensor 10 des Ausführungsbeispiels
insbesondere Fertigungsungenauigkeiten des Aufnehmers 11 und
des Objektivs 12 ausgeglichen. Die Sensoreinheit gelangt
auf diese Weise vorkalibriert zum Anwender, entweder als Austauscheinheit
zum Ersatz einer beschädigten
Sensoreinheit oder für
einen ersten Zusammenbau einer neuen Werkzeug-Sensor-Einheit. Alternativ
kann der Anwender auch erst die gesamte Werkzeug-Sensor-Einheit
nach deren Zusammenbau erhalten.
-
Die
Sensoreinheit mit dem bereits zur zweiten Kupplungshälfte 5 und
in sich kalibrierten Sensor 10 wird anschließend auf
dem Träger 2 montiert
und mittels Kabelverbinder 30 angeschlossen. Die Kupplung 4, 5 ermöglicht eine
einfache und rasche mechanische Montage auf dem Träger 2.
Im montierten Zustand wird der Sensor 10 relativ zu dem
Werkzeug 1 kalibriert. Die aus dieser Endkalibrierung gewonnenen
Kalibrierdaten werden in einer ersten Variante ebenfalls im Datenspeicher 17 in
Form von Korrekturwerten abgelegt. Alternativ können die Kalibrierdaten der
Vorkalibrierung und die Kalibrierdaten der Endkalibrierung auch
von der Sensorsteuerung 16 zu neuen Kalibrierdaten verarbeitet
und zusätzlich
gespeichert werden, oder es werden die Kalibrierdaten der Vorkalibrierung
mit den neuen Kalibrierdaten überschrieben.
In einer bevorzugten zweiten Variante werden die Kalibrierdaten
der Endkalibrierung nicht in einem Datenspeicher des Sensors 10,
d. h. einem auf der zweiten Kupplungshälfte 5 befindlichen
Datenspeicher gespeichert, sondern in einem Datenspeicher der Datenverarbeitungseinrichtung 8.
Im Rahmen der zweiten Variante wird es ferner bevorzugt, wenn die
Datenverarbeitungseinrichtung 8 nach Montage der Sensoreinheit
in einem ersten Schritt die Kalibrierdaten der Vorkalibrierung übernimmt
und mit den Kalibrierdaten der Endkalibrierung verrechnet, um daraus
einen einzigen Satz von Kalibrierdaten zu erzeugen, die im nachfolgenden
Einsatz für
die Korrektur sämtlicher
Fertigungs- und Positionsungenauigkeiten des Sensors 10 verwendet werden.
Die in diesem Fall von der Datenverarbeitungseinrichtung 8 erzeugten
neuen Kalibrierdaten werden in einem Datenspeicher der Datenverarbeitungseinrichtung 8 als
einheitlicher Datensatz für
die Korrektur der im Einsatzbetrieb gewonnenen Positionsdaten verwendet.
-
Für die Endkalibrierung
wird eine weitere Kalibriereinrichtung verwendet, die zwecks rascher Austauschbarkeit
in der Arbeitsstation der Werkzeug-Sensor-Einheit vorgesehen sein
sollte und dort vorzugsweise ortsfest angeordnet ist.
-
5 zeigt
ein Beispiel einer Kalibriereinrichtung 35 für die Kalibrierung
des montierten Sensors 10. Die Kalibriereinrichtung 35 umfasst
ein Gestell 36 mit einem Kalibrierfeld aus mehreren, regelmäßig in Spalten
und Zeilen angeordneten Marken 37 und 38. Eine
der Marken unterscheidet sich von den anderen Marken 38 durch
ihre Größe. Die
betreffende Marke ist mit 37 bezeichnet und ist im Ausführungsbeispiel
die zentrale Marke des aus den sonst gleichen Marken 38 gebildeten
Rasterfelds. Als Gestell 36 wird beispielhaft eine plane
Scheibe verwendet, und die Marken 37 und 38 sind
beispielhaft als Bohrungen in der Scheibe gebildet. Die Marken 37 und 38 könnten alternativ
auch als Farbpunkte oder Leuchtpunkte oder in einer anderen geeigneten
Weise gebildet sein, sie müssen
lediglich von dem Sensor 10 als voneinander unterscheidbare
Marken erkennbar aufgenommen werden können.
-
Über die
Marken 37 und 38 hinaus umfasst die Kalibriereinrichtung 35 ein
Kontaktelement 39, das zu den Marken 37 und 38 ortsfest
angeordnet ist. Das Kontaktelement 39 ragt stiftförmig von
dem Gestell 36 vor.
-
Für die Endkalibrierung
wird das Werkzeug 1 der am Aktor 6 befestigten
Werkzeug-Sensor-Einheit mit
seinem vorderen Ende, genauer gesagt die Ausstoßstelle für die zweiten Bauteile, gegen
das freie vordere Ende des Kontaktelements 39 bewegt. Die Kalibriereinrichtung 35,
d. h. deren Gestellt 36, ist in der Ebene des Rasterfelds
der Marken 37 und 38 gegen elastische Rückstellkräfte schwimmend
beweglich gelagert. Das Kontaktelement 39 ist der Form nach
ferner an das Werkzeug 1 so angepasst, dass es sich mittels
der schwimmenden Lagerung des Gestells 36 durch die Kontaktierung
mit dem Werkzeug 1 zu diesem zentriert. Die Lagerung des
Gestells 36 ist ferner auch senkrecht zu der Ebene der
Marken 37 und 38 elastisch nachgiebig, so dass
sich die Kalibriereinrichtung 35 über die Zentrierung hinaus durch
die Kontaktierung auch noch rechtwinklig zu der Arbeitsrichtung
des Werkzeugs 1 und somit zu der Messrichtung M des Sensors 10 ausrichtet.
Unumgänglich
erforderlich ist das rechtwinkelige Ausrichten jedoch nicht, da
der Sensor 10 in sich bereits kalibriert ist und der Datenverarbeitungseinrichtung 8 die
Positionen der Marken 37 und 38 relativ zueinander
und insbesondere zu dem Kontaktelement 39 bekannt sind.
-
Für die Endkalibrierung
genügt
eine einzige Aufnahme des aus den Marken 37 und 38 bestehenden
Rasterfelds. Die Datenverarbeitungseinrichtung 8 errechnet
wie bereits beschrieben die Kalibrierdaten der Endkalibrierung und
verrechnet diese vorzugsweise gleich mit den Kalibrierdaten der
Vorkalibrierung zu den im Weiteren verwendeten Kalibrierdaten.
-
In
einer vereinfachten Variante ist die Kalibriereinrichtung 35 nicht
schwimmend beweglich und in der Arbeitsstation ortsfest angeordnet,
obgleich diese Variante bevorzugt wird, sondern wird an einer optional
an der Werkzeug-Sensor-Einheit gebildeten Verbindungsschnittstelle
in vorgegebener Position relativ zu dem Werkzeug 1 befestigt,
beispielsweise mittels einer Steckverbindung, um dann die Endkalibrierung
in ansonsten gleicher Weise wie beschrieben durchzuführen.
-
Die 6 und 7 zeigen
eine Sensoreinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Sensoreinheit
umfasst einen Sensor 10, der wie der Sensor 10 des
ersten Ausführungsbeispiel
gebildet sein kann. Der Sensor 10 ist in einem Gehäuse 20 angeordnet,
an dem wie im ersten Ausführungsbeispiel die
Kupplungshälfte 5 befestigt
oder angeformt ist. In den 6 und 7 ist
auch die erste Kupplungshälfte 4 dargestellt,
die allerdings wie im ersten Ausführungsbeispiel am Träger befestigt
ist und der schnellen Montage der Sensoreinheit dient. Die Sensoreinheit
des zweiten Ausführungbeispiels
arbeitet nach dem Lichtschnittverfahren. In dem Gehäuse 20 ist
nicht nur der Sensor 10 angeordnet, sondern auch ein Laser
zum Aussenden eines Laserstrahls, der auf einer von dem Sensor 10 aufzunehmenden
Messfläche
einen langgestreckten, schmalen Lichtstreifen erzeugt. Vorzugsweise
sind mehrere solche Laser vorgesehen. Die Sensoreinheit des zweiten
Ausführungbeispiels
eignet sich insbesondere für
die Montage eines zweiten Bauteils an einem Referenzbauteil mit
hoher Spaltgüte,
beispielsweise einer Tür, Haube
oder Klappe an einer Fahrzeugrohkarosse. Die Sensoreinheit des zweiten
Ausführungsbeispiels ist
vorteilhafterweise mittels der Kupplung 4, 5 an
einem Träger
befestigt, der eine Halteeinrichtung für das zweite Bauteil bildet,
indem er für
mehrere Greifer oder Spanner als gemeinsame Plattform dient. Die
Strahlungsrichtung L des Lasers oder der mehreren, vorzugsweise
parallel zueinander abstrahlenden Laser weist winkelig, d. h. schräg zu der
Messrichtung M des Sensors 10.
-
Die
Sensoreinheit ist über
eine Signalleitung 31 und eine Versorgungsleitung 32 wie
unter dem ersten Ausführungsbeispiel
beschrieben mit einer Datenverarbeitungseinrichtung und der Energieversorgung
verbunden. Zur Signalleitung 31 gilt das zum ersten Ausführungsbeispiel
Gesagte und ebenso für die
Datenverarbeitungseinrichtung, die im zweiten Ausführungsbeispiel
allerdings entsprechend den Besonderheiten des Lichtschnittverfahrens
arbeitet.
-
7 zeigt
die Sensoreinheit des zweiten Ausführungsbeispiels aus einer anderen
Sicht und mit einem montierten Lichtschutz 29, der trichterförmig geformt
ist und sich in Messrichtung M öffnet.
Der Lichtschutz 29 schirmt den Sensor 10 vor seitlich
einfallendem Fremdlicht ab.
-
- 1
- Werkzeug
- 2
- Träger
- 3
- Verbindungseinrichtung
- 4
- erste
Kupplungshälfte
- 4a
- Kupplungsteil
- 4b
- Kupplungsteil
- 5
- zweite
Kupplungshälfte
- 6
- Aktor
- 7
- Aktorsteuerung
- 8
- Datenverarbeitungseinrichtung
- 9
- Stations-
oder Anlagensteuerung
- 10
- Sensor
- 11
- Aufnehmer
- 12
- Objektiv
- 13
- Referenzbauteil
- 14
- Wandler
- 15
- Wandler
- 16
- Sensorsteuerung
- 17
- Datenspeicher
- 18
-
- 19
-
- 20
- Gehäuse
- 21
- Öffnung
- 22
- Schutzscheibe
- 23
- Beleuchtungseinrichtung
- 24
- Dichtung
- 25
- Kabelanschluss
- 26
- Verschluss
- 27
- Stellglied
- 28
- Getriebe
- 29
- Lichtschutz
- 30
- Kabelverbinder
- 31
- Signalleitung
- 32
- Energieversorgungsleitung
- 33
- Datenbus
- 34
-
- 35
- Kalibriereinrichtung
- 36
- Gestell
- 37
- Marke
- 38
- Marke
- 39
- Kontaktelement
- A
- Steuersignale
Aktor
- K
- Korrekturvektor
- M
- Messrichtung
- P
- Positionsdaten
- S
- Steuersignal
Sensor
- T
- Steuersignal
Werkzeug