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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Eigenschaft eines Bauteils oder einer Baugruppe mittels eines Roboters nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 4.
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Industrieroboter finden zunehmend Anwendung in automatisierten Fertigungsanlagen. Um auch komplexere Montageaufgaben erledigen zu können, werden solche Roboter zunehmend mit zusätzlichen Sensoren ausgestattet. Ein Beispiel hierfür sind Kraftsensoren, die auf Manipulatoren des Roboters wirkende Kräfte oder Momente messen und speichern können. Ein Roboter mit einem derartigen Kraftsensor ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 062 108 A1 bekannt. Der Kraftsensor wird dort als Hilfsmittel zur möglichst einfachen Programmierung des Roboters verwendet. Hierzu wird der Roboter an einem Haltemittel beispielsweise an einem Flansch manuell geführt. Die von der Bedienperson hierzu aufgewandten Kräfte werden dabei registriert und gespeichert. Auf diese Art können Kraftprofile durch einfache manuelle Demonstration im Roboter abgespeichert werden. Bei der späteren, autonomen Montage von Bauteilen durch den Roboter benutzt der Roboter die abgespeicherten Kraftprofile, um so auch komplexere Aufgaben, die zeitlich nicht konstante wechselnde Kräfte benötigen, ausführen zu können.
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Auch solche Roboter sind jedoch im eigentlichen Betrieb nicht flexibel genug für viele komplexere Aufgaben, da sie lediglich den einmaleinprogrammierten Kraft- und Bewegungsprofilen folgen können. Eine dynamische Reaktion auf Eigenschaften eines zu montierenden Bauteils oder Eigenschaften einer Baugruppe, an welcher eine Montagehandlung vorgenommen wird, ist dagegen mit bekannten Robotern und bekannten Verfahren nicht möglich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem vor, während oder nach einer Montagehandlung eines Roboters Eigenschaften eines Montagegegenstandes durch den Roboter selbst bestimmt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4 gelöst.
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Bei einem derartigen Verfahren zum Prüfen einer Eigenschaft eines Bauteils oder einer Baugruppe mittels eines Roboters wird eine auf einen Manipulator des Roboters wirkende Kraft und/oder Drehmomente an den Roboterachsen gemessen sowie eine Position des Manipulators und/oder ein vom Manipulator zurückgelegter Weg erfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Manipulator über einen vorgegebenen Weg relativ zu dem Bauteil oder der Baugruppe bewegt wird und die Bewegung beendet wird, wenn eine vorgegebene Kraftstelle über- oder unterschritten wird. Der zurückgelegte Weg des Manipulators bis zum Über- bzw. Unterschreiten der Kraftschwelle wird in der Folge als Parameter der zu charakterisierenden Eigenschaft des Bauteils oder der Baugruppe verwendet.
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Mit anderen Worten wird die Kraft-/Momentensensorik des Roboters nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, lediglich zum Training des Roboters verwendet, sondern dient dazu, im laufenden Montagebetrieb des Roboters Parameter von bearbeiteten oder zu bearbeitenden Bauteilen oder Baugruppen zu bestimmen. Die so bestimmten Eigenschaften können dann zur dynamischen Anpassung des Montageprozesses bzw. der folgenden Arbeitsschritte des Roboters verwendet werden. Auch zur Qualitätskontrolle können so gemessene Eigenschaften angewendet werden. Erreicht ein Bauteil beispielsweise nicht einen gewünschten Schwellenwert für eine gemessene Eigenschaft, so kann das Bauteil aus der Fertigungslinie ausgeschleust und manuell nachbearbeitet werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem zurückgelegten Weg bis zum Über- bzw. Unterschreiten der Kraftschwelle ein Spiel zwischen zwei Bauteilen einer Baugruppe bestimmt. Bauteile, die ein vorgegebenes Spiel besitzen sollen, sind auf einem bestimmten Pfad gegeneinander bewegbar. Nach Erreichen des Endes dieses vorgesehenen Bewegungspfades steigt die für weitere Bewegung aufzuwendende Kraft schnell an, was mittels des geschilderten Verfahrens auf einfachste Weise festgestellt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird aus dem zurückgelegten Weg eine Montagelage eines vom Manipulator während der Bewegung gehaltenen Bauteils an einer Baugruppe bestimmt. Insbesondere kann so festgestellt werden, ob Bauteile, die nur mit einer vorgegebenen Maximalkraft gefügt werden dürfen, bei Erreichen der Maximalkraft bereits ihre Soll-Montagelage erreicht haben. Ist dies der Fall, so kann das so bearbeitete Bauteil in der Fertigungslinie weiter gefördert und weiter bearbeitet werden. Ist dies nicht der Fall, können auch hier ein Ausschleusen des Bauteils und eine manuelle Nachbearbeitung erfolgen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Prüfen einer Eigenschaft eines Bauteils oder einer Baugruppe mittels eines Roboters, bei welchem eine auf einem Manipulator des Roboters wirkende Kraft gemessen sowie eine Position des Manipulators und/oder ein vom Manipulator zurückgelegter Weg erfasst wird. Erfindungsgemäß ist hier vorgesehen, dass der Manipulator über einen vorgegebenen Weg relativ zu dem Bauteil oder der Baugruppe bewegt wird und die Bewegung beendet wird, wenn der Manipulator eine vorgegebene Position erreicht, wobei die während der Bewegung gemessene Kraft als Parameter zum Charakterisieren der Eigenschaft des Bauteils oder der Baugruppe verwendet wird.
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Das Verfahren ist somit komplementär zum oben beschriebenen Verfahren, bei welchem eine Bewegung des Bauteils durch eine Maximal- oder Minimalkraft begrenzt wird, während der Weg variabel gehalten wird. Mittels eines solchen Verfahrens kann beispielsweise festgestellt werden, ob während eines Montagevorgangs zulässige, auf das montierte Bauteil wirkende Kräfte überschritten worden sind. Ist dies der Fall, so muss gegebenenfalls eine detaillierte Qualitätskontrolle durchgeführt werden. Auch weitere Bauteileigenschaften können mittels eines solchen Verfahrens bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren zur Füllstandsmessung in einem Aufnahmebehälter verwendet. Hierzu wird während der Bewegung über den vorgegebenen Weg ein vom Manipulator gehaltener Prüfkörper in einen Aufnahmebehälter für ein Fluid eingeführt, wobei aus der gemessenen Kraft ein Füllstand des Fluids bestimmt wird. Die während der Bewegung über die vorgegebene Wegstrecke auf den Prüfkörper wirkende Kraft ist von der durch den Prüfkörper verdrängten Fluidmenge abhängig, so dass aus dem derart bestimmten Kraftverlauf die Eintauchtiefe des Prüfkörpers in das Fluid bestimmt werden kann. Daraus kann wiederum die Füllhöhe des Fluids im Aufnahmebehälter bestimmt werden. Mit anderen Worten wird ein Prüfkörper in das Fluid hineingedrückt, wobei die gemessene Kraft mit dem Eintauchen des Prüfkörpers steigt. Dies geschieht, bis ein vorgegebener Kraftwert erreicht wird. Über das Messsystem des Manipulators wird dann aus der Position des Manipulators auf den Füllstand zurückgeschlossen.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird während der Bewegung über den vorgegebenen Weg ein vom Manipulator gehaltenes Dichtelement in eine Durchgangsöffnung einer Wandung eines einen Hohlraum einschließenden Gehäuses eingeführt. Aus der gemessenen Kraft wird eine Gasdichtigkeit des Gehäuses bestimmt. Unter der Voraussetzung, dass die Durchgangsöffnung die einzige Öffnung des Gehäuses ist, erhöht sich beim Einführen des Dichtelements in der Durchgangsöffnung aufgrund der vom Dichtelement verdrängten Luftmenge der Druck innerhalb des Gehäuses. Dies führt wiederum zu einer Erhöhung der auf das Dichtelement und damit auf den Manipulator wirkenden Gegenkraft. Bleibt eine derartige Erhöhung der Gegenkraft aus, so kann hieraus geschlossen werden, dass das Gehäuse nicht zureichend abgedichtet ist und Gas aus dem Hohlraum des Gehäuses andernorts austreten kann. Diese Information kann wiederum zu einer manuellen Nachbearbeitung, zu zusätzlichen Abdichtmaßnahmen oder einer intensiveren Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Durch dieses Verfahren kann der Manipulator, welcher unterschiedliche Dichtelemente halten kann, flexibel bei unterschiedlichen Varianten des Gehäuses unterschiedliche Abdichtpositionen anfahren. Es wären keine starren Aufbauten zur Prüfung mit einer Stopfenzuführung mehr notwendig.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird während der Bewegung über den vorgegebenen Weg der Manipulator zumindest zeitweise in Anlage an ein in einer Nut aufgenommenes Dichtelement gebracht, wobei aus der gemessenen Kraft eine Relativlageinformation zwischen Dichtelement und Nut bestimmt wird. Dies kann beispielsweise unmittelbar nach dem Anordnen des Dichtelements in der Nut durch denselben Roboter durchgeführt werden. Korrekt und inkorrekt positionierte Dichtelemente unterscheiden sich in der von ihnen auf den Manipulator ausgeübten Gegenkraft, so dass mittels dieser Verfahrensvariante eine Überprüfung der korrekten Montagelage der Dichtelemente in den Nuten erfolgen kann.
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Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsform anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Prüfung eines Restspiels von Lamellenpaketen einer Lamellenkupplung mittels eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 das Einsetzen eines Kolbens in eine zugeordnete Aufnahmeöffnung mittels eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine schematische Darstellung eines Füllstands eines Flüssigkeitsbehälters mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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4 eine schematische Darstellung der Dichtheitsprüfung eines Gehäuses mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Industrieroboter 10, deren Manipulatoren 12 mit Kraftsensoren oder mit Drehmomentensensoren und einer internen Kraftberechnung ausgestattet sind, können auf vielfältige Weise zum kraftkontrollierten Fügen von Bauteilen, zum Überwachen von Fügeprozessen sowie zum Messen unterschiedlicher Bauteileigenschaften Anwendung finden. Mittels eines solchen im Manipulator 12 des Roboters 10 angeordneten Kraftsensors können während aller Handlungen des Roboters die auftretenden Kräfte auf den Manipulator und damit auf ein von diesem Manipulator manipuliertes Bauteil überprüft werden.
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Damit kann im einfachsten Fall die Identität eines ergriffenen Bauteils geprüft werden, indem ein Gewicht mit einer Liste von unterschiedlichen Bauteiltypen zugeordneten Gewichten verglichen wird. Dies kann bei der Entnahme von Werkstücken von Werkstückträgern, die unterschiedliche Werkstücke tragen, zur Kontrolle verwendet werden, ob das richtige Werkstück gegriffen wurde.
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Auch nach Fügeoperationen kann der Kraftsensor Einsatz finden, um den Erfolg des Fügeprozesses zu überwachen. In 1 ist ein Lamellenpaket 14 einer ausschnittsweise dargestellten Lamellenkupplung gezeigt. Das Lamellenpaket 14 ist mit einem Gehäuse 16 sowie mit einem Wellenkörper 18 der Lamellenkupplung verbunden. Um den Kupplungsvorgang zwischen den Lamellen des Lamellenpaketes 14 zu ermöglichen, müssen diese im montierten Zustand ein Restspiel d1 aufweisen. Nach der Montage der Lamellenpakete 14 kann dies überprüft werden, indem mittels eines mit einem Kraftsensor ausgestatteten Roboters 10 eine Kraft in Richtung des Pfeils 20 auf das Lamellenpaket 14 ausgeübt wird.
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Der Manipulator 12 wird hierzu entweder mit einer festen Kraft an in Richtung des Pfeils 20 angedrückt, wobei gemessen wird, wie weit sich die Lamellenpakete 14 unter dieser Kraft bewegen, oder aber um einen vorbestimmten Weg bewegt und dieser dabei auftretende Kraft gemessen. In der Regel ist es zweckmäßig eine Kraft vorzugeben, die bei der Überprüfung von Lamellenkupplungen in etwa 10 Newton betragen wird. Aus der gemessenen Verschiebung der Lamellenpakete 14 unter Aufwendung dieser Kraft wird dann das Restspiel zwischen den Lamellenpaketen 14 bestimmt. Entspricht das Restspiel d1 den Vorgaben, so kann die Montage der Lamellenkupplung weitergeführt werden. Entspricht das Restspiel d1 nicht den Vorgaben, so kann die Lamellenkupplung aus der Fertigungslinie ausgeschleust, nachkontrolliert und gegebenenfalls manuell korrigiert werden.
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Auch während des Fügens von Bauteilen ist der Einsatz eines derartigen kraftsensitiven Roboters 10 sinnvoll. In 2 ist schematisch das Einsetzen eines Kolbens 22 in eine Aufnahmeöffnung 24 eines zugehörigen Gehäuses 26, beispielsweise einer Schaltschiebeplatte für ein Automatikgetriebe dargestellt. Beim Fügen eines solchen Kolbens 22 in seine Aufnahmeöffnung 24 darf eine Maximalkraft nicht überschritten werden. Dies kann durch ständige Kraftüberwachung während des Fügeprozesses sichergestellt werden. Überschreitet die vom Roboter 10 gemessene Kraft den vorgegebenen Schwellwert, so wird zunächst geprüft, ob der vom Roboter 10 zurückgelegte Weg, also die Tiefe, mit der der Kolben 22 in die Aufnahmeöffnung 24 eingeführt wurde, bereits einem maximal vorgegebenen Weg entspricht. Ist dies der Fall, so ist der Kolben 22 mit seiner Kolbenplatte 28 in Anlage an dem Boden 30 der zugeordneten Aufnahmeöffnung 24, der Fügeprozess ist erfolgreich. Wird die Sollkraft bereits vor Erreichen des maximalen Weges überschritten, so liegt eine Fehlpositionierung vor, die korrigiert werden muss. Je nach aufzubringender Kraft muss der Roboter 10 gegebenenfalls um einen Schneckentrieb ergänzt werden, der als Kraftverstärker wirken kann und eine höhere Kraftausübung ermöglicht.
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Auch unabhängig von Fügeprozessen kann ein kraftsensitiver Roboter 10 zum Messen unterschiedlicher Bauteileigenschaften verwendet werden. Wie in 3 gezeigt, kann beispielsweise mittels des Roboters 10 ein Prüfkörper 22 in eine in einem Aufnahmebehälter 34 aufgenommene Flüssigkeit eingesenkt werden. Der Prüfkörper 32 wird dabei in Richtung des Pfeils 38 vorwärts bewegt. Die Bewegung wird über eine vorgegebene Wegstrecke durchgeführt und die dabei auf dem Prüfkörper 32 und damit indirekt auf den Manipulator 12 wirkende Kraft aufgezeichnet. Da diese Kraft von der durch den Prüfkörper 32 verdrängten Flüssigkeitsmenge abhängt, kann so festgestellt werden, wie weit bei der vorgegebenen Bewegung der Prüfkörper 32 in die Flüssigkeit eingetaucht wurde. Hierdurch kann der Füllstand des Behälters 34 ermittelt werden.
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4 zeigt eine weitere alternative Anwendung des Verfahrens, nämlich die Prüfung der Dichtigkeit eines hier unvollständig dargestellten Gehäuses 40, welches einen Hohlraum 42 umschließt. Im Gehäuse 40 ist eine Aufnahmeöffnung 44 vorgesehen, in welche mittels des Roboters 10 ein Dichtungselement 46 in Richtung des Pfeils 48 eingeführt wird. Ist das Gehäuse vollständig dicht, so wird die im Hohlraum 42 befindliche Luft durch Einführen des Dichtungselements 46 in die Aufnahmeöffnung 44 komprimiert, wodurch während des Einführens eines Dichtelements 46 die auf das Dichtelement 46 und damit indirekt auf den Manipulator 12 wirkende Kraft erhöht wird. Ist eine solche Erhöhung der Gegenkraft nicht messbar, so kann die Luft im Hohlraum 42 durch eine weitere Öffnung des Gehäuses 40 entweichen, das Gehäuse 40 ist also nicht dicht und muss gegebenenfalls nachbearbeitet werden.
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Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die geschilderten Anwendungen des beschriebenen Verfahrens, das Verfahren kann vielmehr Anwendung auf beliebige Montage, Demontage und Kontrollschritte finden, bei denen eine Kraftmessung zur Bestimmung einer beliebigen Eigenschaft eines beliebigen Gegenstandes durchgeführt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062108 A1 [0002]
