DE102010032884A1

DE102010032884A1 - Method for manufacturing screw connection by robot, involves aborting rotary screwing of screw when force acting on manipulator of robot exceeds predetermined threshold value or falls below another predetermined threshold value

Info

Publication number: DE102010032884A1
Application number: DE201010032884
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Klumpp Willi; Dipl.-Ing. Luderer Andreas; Dipl.-Ing. Reichenbach Matthias; Dipl.-Ing. Schreiber Matthias; Volker Zipter; Dr. Zürn Michael
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-02

Abstract

The method involves operatively connecting a screw (10) with a component (14) having complementary screw threads (22), where the screw is held in a predetermined relative position by a manipulator of a robot, and the screw is screwed to the component by rotary screwing of the screw by the robot. Force acting on the manipulator of the robot is measured, where rotary screwing of the screw is aborted when the force exceeds a predetermined threshold value or falls below another predetermined threshold value.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mittels eines Roboters nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.The invention relates to a method for producing a screw connection by means of a robot according to the preamble of patent claims 1 and 6.

Im Zuge der Automatisierung von Fertigungsprozessen finden zunehmend Roboter zur Durchführung verschiedenster Fügeverfahren Anwendung. Auch zum Herstellen von Schraubverbindungen sind Roboter geeignet. Es ist dabei bekannt, Schraubverbindungen mit kontrollierten Anzugsmomenten herzustellen. Hierzu werden in der Regel übliche Drehmomentwerkzeuge verwendet, die robotisch geführt werden und bei Erreichen eines Maximaldrehmoments die Verschraubung beenden bzw. die Verschraubung über einen vorgegebenen Solldrehwinkel durchführen, der dem gewünschten Drehmoment entspricht.In the course of automating manufacturing processes, robots are increasingly being used to carry out a wide variety of joining processes. Robots are also suitable for producing screw connections. It is known to produce screw with controlled tightening torques. For this purpose, customary torque tools are usually used, which are guided robotic and terminate the screw when reaching a maximum torque or perform the screwing over a predetermined target rotation angle corresponding to the desired torque.

Auch Roboter mit interner Kraftsensorik sind bekannt und werden zur Durchführung verschiedener Fügeprozesse genutzt. Ein solcher Roboter, der benutzt werden kann, um Bauteile mit kontrollierter Kraft gegeneinander zu halten, ist beispielsweise aus der WO 2009/140977 A1 bekannt. Auch derartige interne Kraftsensoren können zur Drehmomentkontrolle bei der Verschraubung von Bauteilen genutzt werden.Robots with internal force sensors are also known and are used to carry out various joining processes. Such a robot that can be used to hold components with controlled force against each other, for example, from WO 2009/140977 A1 known. Also, such internal force sensors can be used for torque control in the screwing of components.

Den bekannten automatisierten Schraubmethoden ist jedoch der Nachteil gemeinsam, dass nicht erkannt werden kann, ob eine Schraube korrekt an das komplementäre Gewinde angesetzt ist. Bei fehlerhaften Ansätzen an der Schraube kann es jedoch zum Durchdrehen der Schraube bzw. zu einer Verkantung der jeweiligen Gewinde kommen. Letzteres tritt insbesondere auf, wenn beim Ansetzen der Schraube die Gewindeberge des Schraubengewindes und des komplementären Gewindes aufeinander treffen. Wird die Verschraubung aus diesem Zustand durchgeführt, können sich die Gewinde verformen, abgespant werden oder anderweitig verschleißen, sodass die Schraubverbindung in der Folge nicht die notwendige Haltbarkeit aufweist oder nicht mehr beschädigungsfrei lösbar ist.However, the known automated screwing methods have the common disadvantage that it can not be recognized whether a screw is correctly attached to the complementary thread. In the case of faulty attachments on the screw, however, the screw may slip or the thread may become jammed. The latter occurs in particular when the thread pitches of the screw thread and the complementary thread meet when fitting the screw. If the screw is carried out from this state, the threads can deform, be scavenged or otherwise wear, so that the screw connection in the sequence does not have the necessary durability or is no longer damage-free solvable.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 sowie 6 bereitzustellen, welches eine besonders prozesssichere automatische Verschraubung von Bauteilen ermöglicht.The present invention is therefore based on the object to provide a method for producing a screw according to the preamble of claims 1 and 6, which allows a particularly reliable process automatic screwing of components.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 6.

Bei einem derartigen Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung wird mittels eines Roboters ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil unter In-Wirkverbindung-Bringen jeweiliger komplementärer Gewinde verschraubt. Hierbei wird das erste Bauteil in einem Manipulator eines Roboters gehalten, in eine vorgegebene Relativlage zum zweiten Bauteil bewegt und mittels des Roboters durch eine rotatorische Einschraubbewegung mit dem zweiten Bauteil verschraubt, wobei eine auf den Manipulator des Roboters wirkende Kraft gemessen wird.In such a method for producing a screw connection, a first component is screwed by means of a robot to a second component under engagement of respective complementary threads. Here, the first component is held in a manipulator of a robot, moved in a predetermined relative position to the second component and screwed by the robot by a rotational screwing with the second component, wherein a force acting on the manipulator of the robot force is measured.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei Überschreiten eines ersten vorgegebenen Schwellenwerts für die auf den Manipulator wirkende Kraft und/oder bei Unterschreiten eines zweiten vorgegebenen Schwellenwerts für die auf den Manipulator wirkende Kraft zumindest während einer ersten Rotationsperiode der Einschraubbewegung die Einschraubbewegung abgebrochen wird.According to the invention, when a first predetermined threshold value is exceeded for the force acting on the manipulator and / or falling below a second predetermined threshold value for the force acting on the manipulator, the screwing movement is interrupted at least during a first rotation period of the screwing movement.

Mittels eines solchen Verfahrens kann also nicht nur das Einschrauben der Schraube mit einem kontrollierten Drehmoment durch konstante Kraftüberwachung erreicht werden, durch geeignete Festlegung der Schwellenwerte kann zudem überprüft werden, ob zu Beginn der Schraubbewegung – also während der ersten Rotationsperiode – die beiden Bauteile in einer korrekten Relativlage zueinander angeordnet sind. Greifen die beiden Gewinde nicht ineinander, so wird der zweite vorgegebene Schwellenwert unterschritten, wodurch der Roboter erkennt, dass der Einschraubvorgang nicht erfolgreich ist. Bei einer Verkantung der Gewinde wird dagegen der erste vorgegebene Schwellenwert überschritten, sodass die Einschraubbewegung abgebrochen werden kann, bevor es zu einer Beschädigung der Gewinde kommt. Ein solches Verfahren ermöglicht somit eine besonders prozesssichere Herstellung von Schraubverbindungen.By means of such a method not only the screwing in of the screw can be achieved with a controlled torque by constant force monitoring, by suitable definition of the thresholds can also be checked whether at the beginning of the screwing - ie during the first rotation period - the two components in a correct Relative position are arranged to each other. If the two threads do not engage in each other, the second predetermined threshold value is undershot, whereby the robot recognizes that the screwing process is unsuccessful. If the threads are tilted, on the other hand, the first predetermined threshold value is exceeded, so that the screwing-in movement can be interrupted before the threads are damaged. Such a method thus enables a particularly process-reliable production of screw connections.

Um Beschädigungen an den Gewinden zu vermeiden wird vorzugsweise bei Überschreiten des ersten vorgegebenen Schwellenwerts und/oder bei Unterschreiten des zweiten vorgegebenen Schwellenwerts während der ersten beiden Rotationsbewegungen der Einschraubbewegung die Einschraubbewegung abgebrochen.In order to avoid damage to the threads, the screwing-in movement is preferably interrupted when the first predetermined threshold value is exceeded and / or when the second predetermined threshold value is exceeded during the first two rotational movements of the screwing-in movement.

Es ist dabei besonders zweckmäßig, nach Abbrechen der Einschraubbewegung den vor dem Abbrechen durchgeführten Teil der Einschraubbewegung rückgängig zu machen und das erste Bauteil wieder in die vorgegebene Relativlage zu bewegen. Mit anderen Worten wird im Rahmen des Verfahrens eine als fehlerhaft erkannte Einschraubbewegung abgebrochen, rückgängig gemacht und neu gestartet, bis sich die beim Einschrauben auftretenden Kräfte zwischen den beiden Schwellenwerten bewegen, die beiden komplementären Gewinde also ordnungsgemäß ineinander greifen.It is particularly useful to cancel after canceling the screwing carried out before breaking off part of the screwing and to move the first component back into the predetermined relative position. In other words, in the context of the method, a screwing-in movement recognized as defective is canceled, reversed and restarted until the forces occurring during screwing in are between the two threshold values move, so the two complementary threads properly interlock.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird nach Durchführen einer vorgegebenen Anzahl von Rotationsperioden der Einschraubbewegung eine bezüglich des Gewindes des ersten Bauteils axiale Zugkraft auf das erste Bauteil durch den Roboter ausgeübt. Dies ermöglicht eine zusätzliche Überprüfung der Haltbarkeit der Schraubverbindung – nur wenn die beiden komplementären Gewinde ordnungsgemäß ineinander greifen, widersteht die Schraubverbindung der aufgebrachten Zugkraft.In a further embodiment of the invention, after performing a predetermined number of rotation periods of the screwing in an axial force with respect to the thread of the first component tensile force is exerted on the first component by the robot. This allows an additional verification of the durability of the screw - only when the two complementary threads properly interlock, the screw resists the applied tensile force.

Vorzugsweise wird daher bei Detektion einer Bewegung des ersten Bauteils während des Ausübens der Zugkraft die Verschraubung der Bauteile wieder gelöst und das erste Bauteil wieder in die vorgegebene Relativlage gebracht und das Einschrauben wiederholt. Auch hierdurch können fehlerhafte Schraubverbindungen, bei denen die Gewinde nicht oder nicht hinreichend ineinander greifen, frühzeitig erkannt und automatisch korrigiert werden.Preferably, therefore, upon detection of a movement of the first component during the exertion of the tensile force, the screw connection of the components is released again and the first component is brought back into the predetermined relative position and the screwing is repeated. This also allows faulty screw connections, in which the threads do not or not sufficiently interlock, are detected early and automatically corrected.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mittels eines Roboters, bei welchem ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil unter In-Wirkverbindung-Bringen jeweiliger komplementärer Gewinde verschraubt wird. Auch hier wird das erste Bauteil in einem Manipulator eines Roboters gehalten, in eine vorgegebene Relativlage zum zweiten Bauteil bewegt und mittels des Roboters durch eine rotatorische Einschraubbewegung mit dem zweiten Bauteil verschraubt, wobei eine auf den Manipulator wirkende Kraft gemessen wird.The invention further relates to a method for producing a screw connection by means of a robot, in which a first component is screwed to a second component under engagement of respective complementary threads. Again, the first component is held in a manipulator of a robot, moved in a predetermined relative position to the second component and screwed by the robot by a rotational screwing with the second component, wherein a force acting on the manipulator force is measured.

Erfindungsgemäß wird hier nach Durchführen einer vorgegebenen Anzahl von Rotationsperioden der Einschraubbewegung eine bezüglich des Gewindes des ersten Bauteils axiale Zugkraft auf das erste Bauteil durch den Roboter ausgeübt. Verglichen mit dem oben geschilderten Verfahren wird also auf eine kontinuierliche Messung der Kräfte während der Einschraubdrehung verzichtet. Der korrekte Sitz der Gewinde wird lediglich, wie bereits geschildert, durch Aufbringen einer Zugkraft überprüft. Dies ermöglicht ein besonders einfaches Überprüfen des korrekten Sitzes der Schraubverbindung.According to the invention, after a predetermined number of rotation periods of the screwing-in movement, a tensile force acting axially with respect to the thread of the first component is exerted on the first component by the robot. Compared with the above-described method is therefore dispensed with a continuous measurement of the forces during the Einschraubdrehung. The correct seat of the thread is only, as already described, checked by applying a tensile force. This allows a particularly simple check the correct fit of the screw.

Auch hier ist es zweckmäßig, bei Detektion einer Bewegung eines ersten Bauteils während des Ausübens der Zugkraft die Verschraubung der Bauteile wieder zu lösen und das erste Bauteil wieder in die vorgegebene Relativlage zu bringen, um aus dieser das Einschrauben zu wiederholen. Insgesamt wird so ein besonders einfaches Verfahren bereitgestellt, welches eine prozesssichere Verschraubung zweier Bauteile ermöglicht.Again, it is expedient, upon detection of a movement of a first component during the exertion of the tensile force to loosen the screw connection of the components and bring the first component back into the predetermined relative position to repeat from this screwing. Overall, a particularly simple method is provided, which enables a reliable screw connection of two components.

Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden.In the following, the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing.

Es zeigen:Show it:

1 Eine schematische Darstellung eines Verfahrensschrittes bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 A schematic representation of a method step in carrying out a method according to the invention,

2 zwei komplementäre Gewinde in korrekter Relativlage und 2 two complementary threads in the correct relative position and

3 zwei komplementäre Gewinde unkorrekter Relativlage. 3 two complementary threads incorrect relative position.

Im Rahmen eines automatisierten Fertigungsprozesses soll eine Schraube 10 in eine Durchschrauböffnung 12 eines weiteren Bauteils 14 eingeschraubt werden. Die Schraube umfasst einen Schraubenkopf 16 und einen Schaft 18, der ein Gewinde 20 aufweist, welches zu einem Gewinde 22 der Durchschrauböffnung 12 komplementär ausgebildet ist.As part of an automated manufacturing process is a screw 10 in a Durchschrauböffnung 12 another component 14 be screwed. The screw includes a screw head 16 and a shaft 18 that's a thread 20 which leads to a thread 22 the Durchschrauböffnung 12 is formed complementary.

Die Schraube 10 wird von einem Roboter am Kopf 16 ergriffen und, wie in 1 gezeigt, im Bereich der Druchschrauböffnung 12 vorpositioniert. Ein Manipulator des Roboters, mittels welchem die Schraube 10 gehalten wird, weist einen Kraftsensor auf, um so auf die Schraube wirkende Kräfte detektieren zu können. Dies wird im Rahmen des beschriebenen Verfahrens genutzt, um Fehlpositionierungen der Schraube 10 bzgl. der Durchschrauböffnung 12 zu vermeiden.The screw 10 gets hit by a robot on the head 16 seized and, as in 1 shown in the area of Druchschrauböffnung 12 prepositioned. A manipulator of the robot, by means of which the screw 10 is held, has a force sensor so as to detect forces acting on the screw can. This is used in the context of the described method to incorrect positioning of the screw 10 regarding the Durchschrauböffnung 12 to avoid.

Hierbei existieren zwei Fehlermöglichkeiten. Zum einen kann die Schraube 10 so positioniert werden, dass bei Beginn der Einschraubbewegung die komplementären Gewinde 20, 22 nicht ineinander greifen. Während der vom Roboter durchgeführten Einschraubbewegung dreht die Schraube also leer. Dies kann erkannt werden, indem nach ein oder zwei Rotationsperioden der Einschraubbewegung mittels des Roboters eine Zugkraft in Richtung des Pfeils 24, also axial bezüglich des Schaftes 18 der Schraube 10 ausgeübt wird. Greifen die Gewinde 20, 22 nicht ineinander, so löst sich die Schraube. Diese Bewegung kann durch den Roboter detektiert werden, so dass der Roboter erkennt, dass keine korrekte Schraubverbindung zustande gekommen ist. In diesem Fall kann der Roboter die Schraube 10 neu an der Durchschrauböffnung 12 positionieren und mit dem Schrauben von neuem beginnen.There are two possibilities for error. For one thing, the screw 10 be positioned so that at the beginning of the screwing the complementary thread 20 . 22 do not mesh. During the screwing movement carried out by the robot, the screw thus turns empty. This can be detected by a pulling force in the direction of the arrow after one or two rotation periods of the screwing by means of the robot 24 , ie axially with respect to the shaft 18 the screw 10 is exercised. Grab the threads 20 . 22 not in each other, so loosens the screw. This movement can be detected by the robot, so that the robot recognizes that no correct screw connection has been made. In this case, the robot can screw 10 new at the screw-through opening 12 position and start with the screws again.

Ein weiterer Fehler beim Einschrauben der Schraube 10 kann in einer unkorrekten Relativpositionierung der Gewinde 20, 22 zueinander begründet sein. Bei einer korrekten Positionierung der Gewinde 20, 22 zueinander, wie in 2 dargestellt, greifen die Flanken 26 des Außengewindes 20 der Schraube 10 in die Gewindegänge 28 des Innengewindes des Bauteils 14. Umgekehrt greifen die Flanken 30 des Gewindes 22 in die Gewindegänge 32 des Gewindes 20.Another mistake when screwing in the screw 10 may be in an incorrect relative positioning of the threads 20 . 22 be justified to each other. For correct positioning of the threads 20 . 22 to each other, as in 2 represented, grab the flanks 26 of external thread 20 the screw 10 into the threads 28 the internal thread of the component 14 , Conversely, the flanks attack 30 of the thread 22 into the threads 32 of the thread 20 ,

3 zeigt eine Fehlpositionierung der Gewinde 20, 22 zueinander. Die Flanken 26 des Gewindes 20 stoßen hier auf die Flanken 30 des Gewindes 22, zwischen den Gewindegängen 28 und 32 der beiden Gewinde 32, 22 entstehen Hohlräume 34. Die Gewinde 20 und 22 sind im gezeigten Zustand also verkantet. Wird in diesem Zustand also eine Einschraubbewegung durchgeführt, so kann es zu Beschädigungen der Gewinde 20, 22 kommen, da zwischen den jeweiligen Flanken 26, 30 hohe Pressungen auftreten, die zum Abspanen von Material führen können. Um eine derartige Fehlpositionierung der Gewinde 20, 22 gegeneinander erkennen zu können, wird durch einen Kraftsensor des Roboters während der ersten bzw. den ersten beiden Rotationsperioden der Einschraubbewegung die Kraftrückwirkung von der Schraube auf den Manipulator des Roboters gemessen. Bei einer derartigen Verkantung der Gewinde 20, 22 überschreitet die gemessene Kraft einen vorgegebenen Schwellenwert. Aufgrund dieser Kraftüberschreitung kann der Roboter feststellen, dass eine Verkantung vorliegt. In diesem Fall wird die bereits durchgeführte Einschraubbewegung rückgängig gemacht und die Schraube 10 wieder entfernt. Anschließend kann die Schraube 10 neu positioniert und die Einschraubbewegung wiederholt werden. Hierdurch werden Beschädigungen an den Gewinden 20, 22 vermieden. 3 shows a mispositioning of the threads 20 . 22 to each other. The flanks 26 of the thread 20 encounter the flanks here 30 of the thread 22 , between the threads 28 and 32 the two threads 32 . 22 arise cavities 34 , The threads 20 and 22 are thus tilted in the state shown. If a screwing movement is carried out in this state, it can damage the threads 20 . 22 come, as between the respective flanks 26 . 30 high pressures occur, which can lead to stock removal of material. To such a mispositioning of the thread 20 . 22 to recognize each other, is measured by a force sensor of the robot during the first and the first two rotation periods of the screwing the force feedback from the screw on the manipulator of the robot. In such a tilting of the thread 20 . 22 the measured force exceeds a predetermined threshold. Due to this excess force, the robot can determine that a tilting is present. In this case, the already performed screwing is undone and the screw 10 removed again. Then the screw can 10 repositioned and the screwing be repeated. This will damage the threads 20 . 22 avoided.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2009/140977 A1 [0003]

Claims

Method for producing a screw connection by means of a robot, in which a first component ( 10 ) with a second component ( 14 ) in operative engagement with respective complementary threads ( 20 . 22 ) is screwed, and wherein the first component ( 10 ) is held in a manipulator of a robot, in a predetermined relative position to the second component ( 14 ) is moved and screwed by the robot by a rotary screwing with the second component, wherein a force acting on the manipulator force is measured, characterized in that when exceeding a first predetermined threshold value for acting on the manipulator force and / or falls below a second predetermined threshold value for the force acting on the manipulator at least during a first rotation period of the screwing the screwing is canceled.

A method according to claim 1, characterized in that when exceeding the first predetermined threshold value and / or falls below the second predetermined threshold during the first two rotation periods of the screwing the screwing is canceled.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that canceled after canceling the screwing the performed before canceling part of the screwing and the first component is moved back into the predetermined relative position.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that after performing a predetermined number of rotation periods of the screwing one with respect to the thread ( 20 ) of the first component ( 10 ) axial tensile force is exerted on the first component by the robot.

Method according to claim 4, characterized in that upon detection of a movement of the first component ( 10 ) during the application of the tensile force, the screwing of the components ( 10 . 14 ) and the first component ( 10 ) is brought back into the predetermined relative position and the screwing is repeated.

Method for producing a screw connection by means of a robot, in which a first component ( 10 ) with a second component ( 14 ) in operative engagement with respective complementary threads ( 20 . 22 ) is screwed, wherein the first component ( 10 ) is held in a manipulator of a robot, in a predetermined relative position to the second component ( 14 ) is moved and by means of the robot by a rotational screwing with the second component ( 14 ) is screwed, wherein a force acting on the manipulator is measured, characterized in that after performing a predetermined number of rotation periods of the screwing one with respect to the thread ( 20 ) of the first component ( 10 ) axial tensile force on the first component ( 10 ) is exercised by the robot.

Method according to claim 6, characterized in that upon detection of a movement of the first component ( 10 ) during the application of the tensile force, the screwing of the components ( 10 . 14 ) and the first component ( 10 ) is brought back into the predetermined relative position and the screwing is repeated.