DE102006052902B4

DE102006052902B4 - Radmontage-Industrieroboter, Endeffektor und Verfahren zur Montage eines Rades durch einen Radmontage-Industrieroboter

Info

Publication number: DE102006052902B4
Application number: DE102006052902.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Lange Friedrich
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: DE102006052902A1

Abstract

Radmontage-Industrieroboter (10) zur Montage eines Fahrzeug-Rades (12) an einer fahrzeugseitigen Radaufhängung, mit
einer Endeffektor-Basis (32) mit einem basisfesten Rad-Greifer (34) und einem basisfesten Radbolzen-Schrauber (36),
mindestens vier Greiferfingern (56, 57, 58, 59) zum Greifen einer Lauffläche (64) des Fahrzeug-Rades (12), wobei jeweils mindestens zwei Greiferfinger (56, 57, 58, 59) durch einen Greiferarm (52) in einem festen Abstand (d) zueinander gehalten sind,
einem Greiferantrieb (44), der den Abstand der beiden Greiferarme (52) zueinander einstellt, so dass mindestens vier Greiferfinger (56, 57, 58, 59) durch den Greiferantrieb (44) in mindestens zwei Bewegungsebenen (62, 63) die Lauffläche (64) des idealen Fahrzeug-Rades (12) mit einem Winkel α von maximal 20,0° schneiden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Radmontage-Industrieroboter zur Montage eines Fahrzeugrades an einer Fahrzeug-Radaufhängung, wobei der Radmontage-Industrieroboter einen Endeffektor mit einer Endeffektor-Basis, mit einem basisfesten Rad-Greifer und einem basisfesten Radbolzen-Schrauber aufweist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Montage eines von einer Radzuführung zugeführten Fahrzeugrades an einer Fahrzeug-Radaufhängung mit einem Industrieroboter, der einen Endeffektor mit einer Endeffektor-Basis, mit einem basisfesten Greifer und einem basisfesten Radbolzen-Schrauber aufweist.
Die Radmontage erfolgt in der Fahrzeugproduktion in der Regel noch weitgehend manuell. Dies hat u. a. damit zu tun, dass bei der Radmontage das Fahrzeug-Rad mit hoher Genauigkeit an die Fahrzeug-Radaufhängung angefügt werden muss, und dass mit ebenfalls sehr hoher Genauigkeit die Radbolzen durch die Bolzenlöcher in der Radfelge in die entsprechenden Gewindebohrungen der Radaufhängung eingesteckt bzw. eingeschraubt werden müssen. Zwar kann die Radmontage mit hohem technischem Aufwand, beispielsweise mit einem Industrieroboter zum Fügen des Rades an der Radaufhängung und einem zweiten Industrieroboter zum Einstecken und Einschrauben der Radbolzen vorgenommen werden, jedoch ist der technische und wirtschaftliche Aufwand hierfür sehr hoch.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2005 030 692 A1 ist ein Industrieroboter zur Montage eines Reifens an einer Felge bekannt, bei dem ein an einer Endeffektor-Basis basisfester Greifer mit mindestens drei Greiferfingern zum Greifen der Lauffläche eines Reifens vorgesehen ist, wobei die Greiferfinger radial synchron oder asynchron bewegbar sind.
Aus der DE 196 34 194 C1 ist ein Industrieroboter zur Demontage und zum Ergreifen von Fahrzeugrädern bekannt, wobei der Industrieroboter eine Teilvorrichtung mit einem basisfesten Radgreifer und einen basisfesten Radbolzen-Schrauber aufweist. Der Radgreifer weist zwei Greiferfinger mit Greiferbacken auf, die durch einen Greiferarm beweglich zueinander gehalten sind, sowie einen Greiferantrieb, der den Abstand der Greiferträger zueinander einstellt, so dass die Greiferbacken die Lauffläche eines idealen Rads mit einem Winkel von maximal 20° schneiden.
Aus der US 5 640 750 A ist ein Industrieroboter zur Montage von Fahrzeug-Rädern an fahrzeugseitigen Radaufhängungen mit bereits in den Radaufhängungen fixierten Bolzen bekannt.
Aus der US 2006/0181092 A1 ist ein Industrieroboter zum Greifen von unterschiedlichen Karosserieteilen eines Fahrzeuges bekannt.
Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist daher ein Industrieroboter, der sowohl das Fügen des Rades, als auch das Anschrauben des Rades durchführen kann. Hierzu weist der Industrieroboter einen Endeffektor mit einer Endeffektor-Basis auf, die über einen oder mehrere Manipulatorarme im Raum bewegbar ist. Der Endeffektor weist einen basisfesten Radgreifer und einen basisfesten Radbolzen-Schrauber auf, so dass sowohl das Erfassen und Fügen, als auch das Anschrauben des Rades an der Radaufhängung durch den Industrieroboter vorgenommen werden kann.
Das Greifen des Fahrzeugrades erfolgt durch mehrere Greiferfinger des Greifers, die in der Regel mit einer radialen oder annähernd radialen Bewegung auf die Lauffläche des Reifens gedrückt werden. Eine Schwierigkeit ergibt sich daraus, dass die Reifen der Fahrzeugräder nicht völlig gleich und nicht vollständig rund sind, sowie durch den Umstand, dass der Reifen elastisch ist. Dies hat zur Folge, dass die Felge des Rades eine gewisse Exzentrizität zu der Endeffektor-Basis und damit auch zu dem basisfesten Schrauber aufweisen kann. Dies kann dazu führen, dass die von dem Schrauber gehaltenen Radbolzen nicht oder nicht genau in die Bolzenlöcher der Felge eingeführt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, einen Radmontage-Industrieroboter mit einem Greifer und einem Schrauber an einer einzigen Endeffektor-Basis sowie ein Verfahren hierfür zu schaffen, mit dem die Felge des Fahrzeug-Rades mit dem Schrauber ausgerichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Radmontage-Industrieroboter mit den Merkmalen des Vorrichtungsanspruches 1, einem Endeffektor mit den Merkmalen des Anspruchs 8 bzw. durch ein Verfahren zur Rad-Montage gemäß dem Verfahrensanspruch 9 gelöst.
Der erfindungsgemäße Radmontage-Industrieroboter weist einen Endeffektor auf, der in mehreren Raumachsen verfahrbar und um mehrere Raumachsen rotierbar ist. Der Endeffektor weist einen zu der Endeffektor-Basis basisfesten Rad-Greifer mit zwei Greiferarmen und einen basisfesten Radbolzen-Schrauber auf. Der Schrauber und der Greifer sind also starr miteinander verbunden.
Der Greifer weist mindestens vier Greiferfinger zur Erfassung der Lauffläche des Rades auf. Jeweils mindestens zwei Greiferfinger werden durch einen Greiferarm in einem festen Abstand zueinander gehalten. Jeder Greiferarm weist also mindestens zwei Greiferfinger auf, die quer oder näherungsweise quer zum Greifarm und damit auch quer zur Radebene ausgerichtet sind. Die beiden Greiferarme werden durch einen Greiferantrieb bewegt, der den Abstand der beiden Greiferarme zueinander einstellen kann. Auf diese Weise werden je zwei Greiferfinger durch den Greiferantrieb in je einer Bewegungsebene weitgehend parallel zueinander bewegt. Der Greiferantrieb kann ein Linearantrieb sein. Die beiden Greiferarme können jedoch auch durch einen Greiferantrieb auf Kurvenbahnen bewegt werden. Die mindestens vier Greiferfinger werden bei ihrer Schließbewegung durch den Greiferantrieb von zwei Seiten aus auf das Rad zu bewegt.
Der lichte Abstand der Greiferfinger des selben Greiferarmes ist jeweils so groß, dass die Bewegungsebenen der Greiferfinger die Reifen-Lauffläche eines idealen Rades mit maximal 20,0° schneiden. In der Schließposition sind die Greiferfinger also nicht gleichmäßig über den Umfang des Rades verteilt angeordnet, sondern die in der Schließbewegung korrespondierenden und sich in annähernd einer Bewegungsebene bewegenden Greiferfinger liegen im Schließzustand relativ nah zusammen und schließen zwischen sich einen Winkel von weniger als 40° ein, bezogen auf den Reifenmittelpunkt.
Durch die beanspruchte Greif-Geometrie erfassen die Greiferfinger die Reifen-Lauffläche in einem sehr spitzen und tangentennahen Winkel. Erst hierdurch ergibt sich die Möglichkeit durch Variation der Ausgangsposition des Endeffektors bzw. der Endeffektor-Basis, also durch Variation der Ausgangsposition des Greifers beim Ergreifen des Rades, die Position des Fahrzeug-Rades nach dem Ergreifen gegenüber der Endeffektor-Basis bzw. gegenüber dem Schrauber zu variieren. Durch entsprechende Veränderungen der Position der Endeffektor-Basis zu dem an einer Radzuführung gehaltenen Fahrzeug-Rad kann die Position der Radfelge zu dem Endeffektor bei einem typischen PKW-Rad in einem Bereich von 1 bis 2 mm variiert werden. Dies entspricht den maximalen Unrundheiten bzw. Exzentrizitäten von Reifen von PKW's, die auf einer Radfelge montiert sind. Bei einem LKW-Reifen kann der Bereich entsprechend größer ausfallen.
Die Greiferfinger sind so gestaltet, dass sie beim Schließen des Greifers über die Lauffläche des Reifens gleiten und dabei den Reifen zusammen drücken. Durch die Reibung zwischen der Lauffläche und dem Greiferfinger bleibt die Position der Greiferfinger nach dem Lösen des Rades von der Radzuführung jedenfalls nahrungsweise erhalten. Die Position des Rades in dem Greifer während der Fixierung des Rades an der Rad-Haltevorrichtung bzw. der Radzuführung bleibt nach dem Lösen des Rades von der Haltevorrichtung jedoch nicht vollständig erhalten, da ein Teil der Eindrück-Bewegung der Greiferfinger elastisch erfolgt, und somit nach dem Lösen des Rades von der Haltevorrichtung ein geringes Zurückfedern des Rades in Richtung auf eine symmetrische Gleichgewichtsposition stattfindet. Auch eine unvermeidliche elastische Nachgiebigkeit der Greiferarme verursacht eine kleine elastische Bewegung, sobald das Rad von der Haltevorrichtung gelöst ist.
Es ist grundsätzlich möglich, dass ein Greifarm mehr als zwei Finger aufweist. Die Zahl der Greifarme beträgt bei der Erfindung zwei. Wenn mehr als zwei Finger an einem Greifarm vorgesehen sind, kann dies entweder eine Verbesserung des Formschlusses durch mehrere eng zusammen liegende Finger sein, die unter Umständen über ein Gelenk mit einem Ende des Greifarms verbunden sind. Oder es handelt sich um Ansätze, um mit mehreren Reifendurchmessern arbeiten zu können. Dabei können sich die in einer Ebene bewegten Greiferfinger unter Umständen sogar kreuzen.
Bei zu großer Reibung zwischen den Greiferfingern und der Reifen-Lauffläche können die Greiferfinger bevorzugt auf der Fingerachse jeweils drehbare Rollen aufweisen, so dass die Greiferfinger auf der Lauffläche des Reifens aufrollen und nicht aufgleiten. Auf diese Weise wird die erforderliche Greifkraft und damit die erforderliche Leistung des Greiferantriebes reduziert. Die Drehbarkeit der drehbaren Rollen kann auf eine Rotationsrichtung beschränkt sein, um eine Rückbewegung des Rades in dem Greifer in eine symmetrische Lage zu verhindern.
Vorzugsweise ist der lichte Abstand der Greiferfinger eines Armes jeweils so groß, dass die Bewegungsebenen die Reifen-Lauffläche des idealen Rades mit maximal 10° schneiden.
Vorzugsweise sind beide Greiferarme passiv schwenkbar gegenüber dem Greiferantrieb bzw. in Bezug auf seine lineare Antriebsachse. Hierdurch können die Greiferfinger unterschiedliche Schließpositionen beim Ergreifen des Rades einnehmen. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Lauffläche des Reifens des Rades in Richtung der Greifarme exzentrisch im Bezug zu der Rad-Felge ist. Durch die Schwenkbarkeit der Greiferarme können Korrekturen des Versatzes der Radfelge im Verhältnis zu dem Schrauber senkrecht zur Schließbewegung des Greifers leichter und in höherem Maße vorgenommen werden als bei starren Greiferarmen. Dort, wo die Greiferfinger in der Schließposition auf Grund der Schwenkbarkeit näher zusammenstehen als an der gegenüberliegenden Seite des Rades, wird die Lauffläche des Reifens einen kleineren Abstand von der Greifermitte haben als bei den weiter auseinanderstehenden Greiferfingern.
Vorzugsweise werden die schwenkbaren Greiferarme durch passive federnde Rückstellelemente in einer Mittellage gehalten. Hierdurch werden die Greiferarme vor einem ersten Kontakt eines Greiferfingers mit der Reifen-Lauffläche in einer symmetrischen Ausgangsposition gehalten. Dies ist u. a. deshalb erforderlich, um während der Annäherung der Greiferfinger an das Rad zu frühe Kollisionen eines Greiferfingers mit dem Rad zu vermeiden.
Auf eine Schwenkbarkeit der Greiferarme kann verzichtet werden, wenn nur geringer Versatz senkrecht zur linearen Greifbewegung korrigiert werden soll und die Greiferarme eine gewisse Elastizität aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein dem Endeffektor bzw. ein der Endeffektor-Basis fest zugeordneter optischer Sensor zur optischen Erfassung des Versatzes zwischen dem Schrauber und der Felge des Rades vorgesehen. Nachdem das Rad erstmals durch den Greifer ergriffen wurde, wird das Rad von seiner Halterung gelöst, so dass der optische Sensor den Versatz der Felge zu dem Schrauber bzw. zu der Endeffektor-Basis optisch bestimmen kann. Dieser Versatz kann anschließend durch eine erneute Fixierung des Rades und ein korrigiertes Ergreifen mit dem Greifer des Rades korrigiert werden.
Alternativ kann der Roboter einen nachgiebigen Kraft-Momenten-Sensor zur Erfassung des Versatzes zwischen Roboterflansch und Endeffektor-Basis aufweisen. Auf diese Weise kann ein Versatz der Rad-Felge zu der Endeffektor-Basis bzw. zu dem Schrauber ermittelt werden, ohne dass das Rad hierzu von der Haltevorrichtung vorübergehend gelöst werden muss, indem die Roboterpostion bezüglich der Radfixierung so gewählt wird, dass ohne Versatz die Achsen von Rad-Felge und Schrauber übereinstimmen.
Der nachgiebige Kraft-Momenten-Sensor liegt üblicherweise zwischen dem Roboterflansch und der Befestigung des Werkzeugs. Theoretisch sind auch Fingersensoren möglich, also Nachgiebigkeiten zwischen Finger und gegriffenem Reifen. Dabei ist jedoch eine Messanordnung schlechter zu realisieren. In jedem Fall gibt es aber keinen Versatz zwischen Felge und Rad-Zuführung, solange die Halte-Vorrichtung nicht gelöst ist. Stattdessen werden durch die Kraft entweder nur die Finger ausgelenkt, oder es wird das gesamte Werkzeug inkl. Endeffektor-Basis versetzt.
Gemäß dem nebengeordneten Verfahrensanspruch weist das Verfahren zur Montage eines von einer Haltevorrichtung gehaltenen, beispielsweise von einer Radzuführung zugeführten, bzw. gehaltenen Fahrzeug-Rades die Verfahrensschritte auf:

– Ergreifen des felgenseitig fixierten Fahrzeug-Rades mit dem Greifer,
– Ermitteln des räumlichen Versatzes der Felge des Rades im Verhältnis zu dem Schrauber,
– Ermitteln der erforderlichen Lage-Korrektur der Endeffektor-Basis,
– Öffnen des Greifers,
– Korrektur der Lage der Endeffektor-Basis um die ermittelte Lage-Korrektur,
– Ergreifen des Rades mit dem Greifer, und
– Lösen des Rades von der Rad-Haltvorrichtung.

Das Rad kann anschließend an der Fahrzeugaufhängung eines Fahrzeuges montiert werden, wobei der Schrauber exakt mit den Radbolzen-Löchern in der Felge ausgerichtet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Erfassung des Versatzes die Verfahrensschritte umfassen:

– Lösen des Rades von der Rad-Haltevorrichtung,
– Optisches Ermitteln des Versatzes zwischen der Felge und dem Schrauber bzw. der Endeffektor-Basis, und
– Fixieren des Rades an der Rad-Haltevorrichtung.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine teilweise schematische Darstellung eines Radmontage-Industrieroboters mit einem Endeffektor, der einen Rad-Greifer und einen Radbolzen-Schrauber aufweist,
2 ein Fahrzeug-Rad, das mit dem Industrieroboter der 1 an einer fahrzeugseitigen Radaufhängung montiert werden kann,
3 eine schematische Darstellung der geometrischen Beziehungen zwischen dem Reifen und der Felge des Rades und der Schraubermitte,
4 eine vereinfachte Darstellung des Greifers und des ergriffenen Rades vor einer Korrektur eines Versatzes zwischen dem Reifen und der Felge,
5 den Greifer und das Rad nach einer Korrektur eines horizontalen Versatzes, und
6 eine Darstellung des Greifers und des Rades nach einer Korrektur eines vertikalen Versatzes.
In der 1 ist schematisch ein Radmontage-Industrieroboter 10 dargestellt, der der Montage eines Fahrzeugs-Rades 12 an einer nicht dargestellten Radaufhängung eines Fahrzeuges bei der Fahrzeug-Montage dient.
Der Industrieroboter 10 weist mehrere Manipulatorarme 14, 15, 16 auf, die durch entsprechende Gelenke 18, 19 miteinander und durch ein weiteres Gelenk 20 mit einem um eine Vertikalachse drehbaren Basisturm 22 um horizontale Drehachsen schwenkbar verbunden sind. An den dem Basisturm abgewandten Ende hält der betreffende Manipulatorarm 14 über entsprechende Gelenke 25, 26 einen Endeffektor 30 mit einer Endeffektor-Basis 32.
Der Endeffektor 30 weist im Wesentlichen einen Rad-Greifer 34 und einen Radbolzen-Schrauber 36 auf. Sowohl der Greifer 34 als auch der Schrauber 36 sind basisfest, d. h. fest auf der Endeffektor-Basis 32 montiert.
Der Schrauber 36 besteht im Wesentlichen aus einem rotierbaren Schrauber-Teller 38, auf dem konzentrisch fünf elektrische Schrauberelemente 40 angeordnet sind. Die Schrauberelemente 40 weisen jeweils einen elektrischen Dreh-Antrieb auf, der mit einem axialen Vorschub gekoppelt ist, so dass entsprechende Radbolzen in entsprechende Bolzenlöcher 86 einer Rad-Felge 80 und entsprechende Gewindebohrungen an einer fahrzeugseitigen Radaufhängung eingeschraubt werden können. Durch die Rotierbarkeit des Schrauber-Tellers 38 können die Schrauberelemente 40 genau mit der rotatorischen Position der felgenseitigen Bolzenlöcher 86 und der Gewindebohrungen der Radaufhängung ausgerichtet werden.
Der rotierbare Schrauber-Teller 38 kann entfallen, wenn das von einer Radzuführung zugeführte Rad an seiner Haltevorrichtung oder der vom Roboter geführte Endeffektor zur Ausrichtung der Bolzenlöcher 86 bzw. der Radbolzen entsprechend rotiert werden kann.
Der Greifer 34 weist einen linearen Greifer-Antrieb 44 auf, der aus einem elektrischen Antriebsmotor 46, einer Antriebsspindel 48 und linearen Führungen zum Führen von zwei Greifer-Auslegern 50 besteht. Der Antrieb kann auch von zwei gekoppelten Druckluftzylindern gebildet werden. Die Greifer-Ausleger 50 halten jeweils einen Greiferarm 52 in seiner Mitte. Die beiden Greiferarme 52 sind jeweils gelenkig und passiv schwenkbar an den betreffenden Greifer-Auslegern 50 angelenkt. Ein Ende eines Greiferarmes 52 ist jeweils durch ein passives Rückstellelement 54 mit dem betreffenden Greifer-Ausleger 50 verbunden. Das Rückstellelement 54 kann beispielsweise als zweiseitige wirkende Gasfeder ausgebildet sein und sorgt dafür, dass der Greiferarm 52 jeweils ungefähr senkrecht in einer Mittellage steht, wenn keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken.
Die Greifarme brauchen nicht in der Mitte geführt werden, wie in 1 dargestellt. Stattdessen kann es sinnvoll sein, auf Ausleger 50 zu verzichten, da diese ein Moment auf die Spindel des Greifer-Antriebs 44 ausüben
An den Längsenden der beiden Greiferarme sind jeweils axiale Greiferfinger 56, 57, 58, 59 vorgesehen, die in einer in 1 angedeuteten Schließposition das Rad 12 halten.
Die beiden Greiferfinger 56, 57, 58, 59 eines Greiferarms 52 sind jeweils durch den konstanten Abstand d voneinander beabstandet. Die Greiferfinger 56 bis 59 bewegen sich bis zum Auftreffen des ersten Greiferfingers 56 bis 59 auf das Rad 12 linear in horizontaler Richtung in einer horizontalen Bewegungsebene 62, 63. Wenn alle vier Greiferfinger 56 bis 59 an einem idealen Rad 12 anliegen, schneiden die Bewegungsebenen 62, 63 die Reifen-Lauffläche 64 jeweils unter einem Greifwinkel α zwischen 1° und 20°.
In der geometrischen Mitte des Schrauber-Tellers 38 ist eine Öffnung vorgesehen, in der basisfest ein optischer Sensor 66 in Form einer Digitalkamera angeordnet ist.
Die geometrische Mitte des Schraubers 36 fällt zusammen mit der geometrischen Mitte des Greifers 34 und wird mit „Schraubermittelpunkt” 70 bzw. „Greifermittelpunkt” 70 bezeichnet. Der Schrauber- und Greifermittelpunkt 70 wird auch als Tool Center Point (TCP) bezeichnet.
In der 2 ist der Deutlichkeit halber ein Fahrzeug-Rad 12 separat dargestellt. Das Rad 12 besteht im Wesentlichen aus einer Rad-Felge 80 mit einem Felgenmittelpunkt 82, einem genau felgenmittigen Achsloch 84 sowie fünf konzentrischen Bolzenlöchern 86. Auf der Felge 80 sitzt außen ein Reifen 88, der zwei Reifenflanken 89 und dazwischen eine Lauffläche 64 aufweist. Der Reifen 88 hat einen Reifenmittelpunkt 90, der sich nicht mit dem Felgenmittelpunkt 82 decken muss, jedoch sich mit diesem decken kann.
Mit dem optischen Sensor 66 kann u. a. die rotatorische Orientierung der Bolzenlöcher 86 der Felge 80 ermittelt und der Schrauber-Teller 38 oder der gesamte Endeffektor in eine entsprechende rotatorische Position gebracht werden.
Beim Greifen des Reifens 12 durch den Greifer 34 kann nicht in jedem Fall davon ausgegangen werden, dass der Felgenmittelpunkt 82 des ergriffenen Rades 12 genau fluchtet mit dem Schraubermittelpunkt 70. Dies ist jedoch erforderlich, wenn der Schrauber 36 die von ihm gehaltenen Radbolzen genau in die Bolzenlöcher 86 einführen und anschließend in die Gewindebohrungen der fahrzeugseitigen Radaufhängung einschrauben können soll. Hierbei können Abweichungen von mehr als 0,5 mm bereits zu Schwierigkeiten bei der Radmontage führen.
Es ist daher erforderlich, eine Möglichkeit vorzusehen, eine Korrektur eines Versatzes zwischen dem Felgenmittelpunkt 82 und dem Schraubermittelpunkt 70 vorzunehmen.
Hierzu wird das Rad 12 zunächst von der Haltevorrichtung, beispielsweise der Radzuführung, gelöst. Anschließend kann mit dem optischen Sensor 66 der Versatz zwischen dem Schrauber 36 und der Felge 80 optisch erfasst werden. Anschließend wird das Rad 12 wieder an der Haltevorrichtung fixiert und der Greifer 34 wieder geöffnet. Anschließend wird die Lage des Endeffektors 30 bzw. der Endeffektor-Basis 32 entsprechend des ermittelten Versatzes und der hieraus ermittelten erforderlichen Lage-Korrektur des Endeffektors 30 durch die Manipulator-Seite des Industrieroboters 10 korrigiert. Anschließend schließt der Greifer 34 wieder und ergreift das Rad 12 erneut.
Mit dem optischen Sensor 66 wird nach dem Lösen des Rades 12 von der Haltevorrichtung die konzentrische Lage der Felge 80 überprüft. Wenn der Felgenmittelpunkt 82 nunmehr konzentrisch ausgerichtet ist mit dem Schraubermittelpunkt 70 wird das Rad 12 durch den Industrieroboter 10 zu der betreffenden Radaufhängung des Fahrzeuges verbracht, durch die Schrauberelemente 40 die fünf Radbolzen durch die Bolzenöffnungen 86 hindurch gesteckt und in die fünf entsprechenden Gewindebohrungen der Radaufhängung eingeschraubt. Zunächst wird das Rad 12 an der Radaufhängung geheftet. Anschließend öffnet der Greifer 34 und die Schrauberelemente 40 ziehen die Radbolzen mit dem End-Drehmoment an und fixieren auf diese Weise das Rad 12 endgültig an der Radaufhängung.
Bei der folgenden Betrachtung der Geometrie gemäß 3 wird angenommen, dass der Greifer 34 symmetrisch schließt, bis die Gegenkraft bei einem der beiden Greiferarme 52 gerade der systembedingt vorgegebenen Greifkraft entspricht. Bei einem asymmetrischen Ergreifen des Rades 12 ist die Gegenkraft bei dem später das Rad 12 ergreifenden Greiferarm 52 etwas kleiner. Beim schnellen Schließen des Greifers 34 ist die Greifkraft an beiden Greiferarmen 52 auf Grund der Bewegungsenergie der Greiferarme 52 kurzzeitig erhöht. Bei Greiferfingern 56 mit in einer Richtung drehbaren Rollen wird dadurch statisch eine höhere Greifkraft erreicht.
Es wird ferner angenommen, dass der Kraftunterschied zwischen den beiden Greiferarmen 52 beim Lösen des Rades von der Haltevorrichtung zwar zu einer Verschiebung des Rades 12 führt, nicht aber zu einem weiteren Schließen des Greifers 34. Hierdurch wird vermieden, dass das Rad 12 stets eine gleiche symmetrische Lage innerhalb der Greiferfinger 56 bis 59 einnimmt. Auf Grund der Reibung und des Stillstandes des Greifers 34 kann davon ausgegangen werden, dass eine asymmetrische Lage im Bezug auf den Reifen 88, wie sie beispielsweise in der 5 dargestellt ist, auch nach dem Öffnen der Haltevorrichtung erhalten bleibt.
In der 3 wird exemplarisch die Geometrie im Bezug auf die beiden oberen Greiferfinger 56, 58, die miteinander bei der Schließ- und Öffnungsbewegung korrespondieren, dargestellt. Die Raumachsen x und z werden ab dem Felgenmittelpunkt 82 bestimmt, nämlich positiv nach rechts bzw. nach oben.
Zunächst wird der minimale Außen-Radius r des Rades 12 bzw. der Reifen-Lauffläche 64 ermittelt. Dabei gehen sowohl mögliche vertikale Exzentrizitäten Z_R als auch unterschiedlich nominelle Reifengrößen ein. Die Höhe z der Greiferfinger zu dem nominellen Felgenmittelpunkt 82 wird bei einer Eindrucktiefe von Δ z so festgelegt, dass das Rad 12 mit dem Radius r in jedem Fall um mehr als Δ z höher als die Fingerhöhe z ist, da das Rad sonst nicht ergriffen werden kann: z < r_min – z_Rmax z (1)
Die Schließposition Z_Rmax des Greifers 34 ergibt sich durch die Schließkraft und den Widerstand, den der Reifen 88 entgegensetzt. Sofern die Schließkraft so groß ist, dass der Reifen 88 um Δz eingedrückt wird, ergibt sich bei einer horizontalen Exzentrizität x_R für die Positionen x₁ und x₂ der Greiferfinger 56, 58
Der für den Greifer 34 erforderliche Hub h = 2(x_max – x_min) (3) ergibt sich aus dem Fall ohne Exzentrizität x_R, mit maximaler negativer Exzentrizität z_R und minimalem Radius
und dem Fall mit maximaler Exzentrizität x_R, mit maximaler positiver Exzentrizität z_R und maximalem Radius, ohne Eindruck, also bei Δz = 0,
Bei dieser Abschätzung ist vernachlässigt, dass bei z_R ≠ 0 die oberen und unteren Greiferfinger 56, 57, 58, 59 unterschiedliche Schließwinkel haben und dadurch die Greiferarme 52 leicht gedreht sind, was theoretisch zu einer geringeren Kontakthöhe z führt.
Bei der Berechnung des Hubs muss natürlich noch ein Sicherheitsabstand hinzugerechnet werden.
Die Eindrucktiefen sind
Bei positivem x_R ergibt sich daraus nach (2) Δz₁ = Δz (7) und
muss erfüllt sein, weil das Rad 12 verrutschen kann, wenn nicht alle Greiferfinger 56, 57, 58, 59 einen festen Kontakt haben.
Der Schnittwinkel α der Bewegungsebene der Greiferfinger mit der Lauffläche eines idealen Rades kann aus: cosα = z/(r – Δz) ermittelt werden.
Der maximale Winkel β_max der Greiferarme 52 aufgrund einer Exzentrizität z_R beträgt nach (2)
Aufgrund der unterschiedlichen Eindrucktiefen ergibt sich eine Verschiebung um Δx, wobei |Δx| << |x_R|.
Bei Verwendung eines nachgiebigen Kraft-Momenten-Sensors mit vernachlässigbarer Steifigkeit wird bei x_R > 0 zunächst der Greifer um Δx > 0 verschoben. Nach Lösen der Radfixierung der Haltevorrichtung wird der Greifer 34 wieder die Nominalposition einnehmen und das Rad 12 wird um –Δx verschoben.
Beispiel:
Bei Reifenradien zwischen r_min = 310 mm und r_max = 320 mm, einer vertikalen Exzentrizität von |Z_Rmax| = 2 mm und einer Eindrucktiefe von Δz = 1 mm ist bei einer Greiferhöhe von z = 305 mm das Rad mindestens um 2 mm höher, kann also nach (1) immer gegriffen werden. Dabei schließt der Greifer bis x_1/2min = +/–35,1 mm bei r_min, x_R = 0 und z_R = –z_Rmax bzw. muss bis x_1/2min = +/–104,9 mm bei r_max, |x_R| = 2 mm und z_R = z_Rmax öffnen. Die minimale Eindrucktiefe beträgt Δz_min = –0,3 mm. Da dies keinen stabilen Griff erlaubt, muss man Δz erhöhen. Dies bedeutet unter Umständen, dass die Greiferfinger 56, 57, 58, 59 mit Rollen ausgestattet werden müssen, da durch die Reibung ein Gleiten auf der Oberfläche bei großen Normalkräften nicht mehr möglich ist. Bei Δz = 2 mm ergibt sich x_1/2min = +/–24,8 mm und Δz_min = 0,8 mm. Die Schnittwinkel α der Bewegungsebene mit der Lauffläche eines idealen Rades beträgt 16° bei r_max und 8° bei r_min. Der Winkel der Greiferarme gegenüber der Nominallage beträgt maximal β_max = 2,4°.
Bei dem in der 4 gezeigten Ausgangsbeispiel wird der Greifer 34 nach dem Öffnen um den gemessenen Versatz nach links bewegt. Dort wird der Greifer 34 wieder geschlossen, wie in 5 dargestellt. Bei einer geringen Verschiebung des Greifers 34 treten ähnliche Kräfte auf, wie beim vorangegangenen Greifvorgang, das Rad 12 wird also, wie im Ausgangsfall und 4, nach links versetzt. Wenn der Versatz genauso groß wie die Korrekturbewegung des Roboters ist, fluchten der Felgenmittelpunkt 82 und der Schraubermittelpunkt 70 bei nicht an der Haltevorrichtung fixiertem Rad 12.
Sofern die Kräfte bei den beiden durchgeführten Ergreifungs-Vorgängen sich leicht unterscheiden, werden die Felge 80 und der Schrauber 36 nicht genau miteinander fluchten, jedoch besser als beim ersten Ergreifen. Alle Schritte zum Ermitteln des Versatzes und eines erneuten, korrigierten Ergreifens des Rades 12 können iterativ wiederholt werden, bis die erforderliche Konzentrizität erreicht ist. Die Anzahl der Iterationsschritte kann durch Adaption der Verstärkung der Versatzkorrektur reduziert werden. Dadurch wird schließlich nur noch ein Korrekturvorgang realisiert.
Beim Verfahren mit einem nachgiebigem Kraft-Momentsensor oder einer Nachgiebigkeit mit einem Weg-Messsystem muss die Fixierung des Rades an der Haltevorrichtung nicht gelöst werden. Die Ausweichbewegung Δx erfolgt, abgesehen von der adaptierten Verstärkung, um die Wegmessung bzw. die mit der Steifigkeitsmatrix E der Anordnung nach Δx = E^–1·f (10) umgerechnete Kraft f. Dabei beschreiben Δx und f Vektoren mit 6 Freiheitsgraden für Position und Orientierung bzw. Kraft und Moment. Sofern die Steifigkeitsmatrix der Anordnung nicht bekannt ist, kann ersatzweise die bekannte Steifigkeitsmatrix des Sensors verwendet werden.
Bei einem erneuten um –Δx verschobenen Griff, also einem Griff von der Mittelposition –Δx statt Null, ergibt sich entsprechend (2)
Die maximale Greiferöffnung bzgl. des Greifermittelpunkts bei –Δx ist also um Δx größer als beim ersten Griff, während die minimale Greiferöffnung bei x_R = 0 identisch ist.
Bei positivem x_R ergibt sich weiterhin entsprechend (6) bis (8)
weil der Kontaktpunkt identisch mit dem ersten Griff ist, und
Die minimale Eindrucktiefe ist also kleiner als im ersten Griff und muss somit überprüft werden. Für die Zahlenwerte des Beispiels und Δx = 0,5 mm ist Δz_min, = 0,4 mm.
Mit den dargestellten Vorrichtungen und Verfahren lassen sich kleine Korrekturen des Rades in dem Greifer vornehmen, ohne dass hierfür weitere Freiheitsgrade an dem Industrieroboter vorgesehen werden müssen.

Claims

Radmontage-Industrieroboter (10) zur Montage eines Fahrzeug-Rades (12) an einer fahrzeugseitigen Radaufhängung, mit einer Endeffektor-Basis (32) mit einem basisfesten Rad-Greifer (34) und einem basisfesten Radbolzen-Schrauber (36), mindestens vier Greiferfingern (56, 57, 58, 59) zum Greifen einer Lauffläche (64) des Fahrzeug-Rades (12), wobei jeweils mindestens zwei Greiferfinger (56, 57, 58, 59) durch einen Greiferarm (52) in einem festen Abstand (d) zueinander gehalten sind, einem Greiferantrieb (44), der den Abstand der beiden Greiferarme (52) zueinander einstellt, so dass mindestens vier Greiferfinger (56, 57, 58, 59) durch den Greiferantrieb (44) in mindestens zwei Bewegungsebenen (62, 63) die Lauffläche (64) des idealen Fahrzeug-Rades (12) mit einem Winkel α von maximal 20,0° schneiden.
Radmontage-Industrieroboter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bewegungsebenen (62, 63) die Lauffläche (64) des idealen Fahrzeug-Rades (12) mit einem Winkel α von maximal 10° schneiden.
Radmontage-Industrieroboter (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens vier Greiferfinger (56, 57, 58, 59) auf einer Fingerachse jeweils drehbare Rollen aufweisen.
Radmontage-Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Greiferarme (52) passiv schwenkbar ausgebildet sind.
Radmontage-Industrieroboter (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbaren Greiferarme (52) durch passive Rückstellelemente (54) in einer Mittellage gehalten werden.
Radmontage-Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Endeffektor-Basis (32) fest zugeordneter optischer Sensor (66) zur optischen Erfassung des Versatzes zwischen dem Radbolzen-Schrauber (36) und einer Felge (80) des Fahrzeug-Rades (12) vorgesehen ist.
Radmontage-Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rad-Greifer (34) einen nachgiebigen Kraft-Momenten-Sensor zur mechanischen Erfassung des Versatzes zwischen dem Radbolzen-Schrauber (36) und der Felge (80) des Fahrzeug-Rades (12) aufweist.
Endeffektor (30) mit einer Endeffektor-Basis (32) mit den Merkmalen der Endeffektorbasis (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Montage eines von einer Rad-Haltevorrichtung gehaltenen Fahrzeug-Rades (12) an einer Fahrzeug-Radaufhängung durch einen Radmontage-Industrieroboter (10), der aufweist: – eine Endeffektor-Basis (32) mit einem basisfesten Rad-Greifer (34) und einem basisfesten Radbolzen-Schrauber (36), – mindestens vier Greiferfinger (56, 57, 58, 59) zum Greifen einer Lauffläche (64) des Fahrzeug-Rades (12), wobei jeweils mindestens zwei Greiferfinger (56, 57, 58, 59) durch einen Greiferarm (52) in einem festen Abstand (d) zueinander gehalten sind, – einen Greiferantrieb (44), der den Abstand der beiden Greiferarme (52) zueinander einstellt, so dass die mindestens vier Greiferfinger (56, 57, 58, 59) durch den Greiferantrieb (44) in mindestens zwei Bewegungsebenen (62, 63) zueinander parallel bewegt werden, mit den Verfahrensschritten: – Ergreifen des an einer Rad-Haltevorrichtung fixierten Fahrzeug-Rades (12) mit dem Rad-Greifer (34), – Ermitteln des Versatzes einer Felge (80) des Fahrzeug-Rades (12) im Verhältnis zu dem Radbolzen-Schrauber (36), – Ermitteln der erforderlichen Lage-Korrektur der Endeffektor-Basis (32), – Öffnen des Rad-Greifers (34), – Korrektur der Lage der Endeffektor-Basis (32), – Ergreifen des Fahrzeug-Rades (12) mit dem Rad-Greifer (34), und – Lösen des Fahrzeug-Rades (12) von der Rad-Haltevorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Versatzes folgende Verfahrensschritte umfasst: – Lösen des Fahrzeug-Rades (12) von der Rad-Haltevorrichtung, – Optisches Erfassen des Versatzes zwischen der Felge (80) des Fahrzeug-Rades (12) und dem Radbolzen-Schrauber (36), und – Fixieren des Fahrzeug-Rades (12) an der Rad-Haltevorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Versatzes umfasst: – Erfassen der auf den Rad-Greifer (34) wirkenden Kräfte durch einen nachgiebigen Kraft-Momenten-Sensor.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Abstand (d) der mindestens zwei Greiferfinger (56, 57, 58, 59) eines der beiden Greifarme (52) jeweils mindestens so groß ist, dass mindestens zwei Greiferfinger (56, 57, 58, 59) des einen der beiden Greifarme (52) sich in mindestens zwei Bewegungsebenen (62, 63) bewegen, die die Lauffläche (64) des idealen Fahrzeug-Rades (12) mit einem Winkel α von maximal 20,0° schneiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem ein Rad-Montage-Industrieroboter (10) mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.