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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Ermittlung der Position und/oder der Lage, insbesondere der Drehlage, einer an einer manuell geführten Vorrichtung angeordneten Werkzeugaufnahme und/oder eines an der Werkzeugaufnahme angeordneten Werkzeugs gemäß der Ansprüche 1 und 15.
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Stand der Technik:
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In der
EP 1 645 921 B1 ist eine Überwachung der Bewegung einer menschlichen Hand oder eines manuell geführten Bauteiles, insbesondere eines Werkzeugs, beschrieben. Hierin wird zur Verbesserung von Fertigungsprozessen die Verfolgung und Aufzeichnung von Bewegungsabläufen eines Werkzeugs, z. B. eines Schraubers, vorgeschlagen. Beispielsweise kann damit die Korrektheit einer vorgegebenen Reihenfolge von hintereinander durchzuführenden Fertigungsschritten, wie z. B. die Anbringung einer bestimmten Anzahl von Schrauben an bestimmten, vorgegebenen Positionen überwacht und dokumentiert werden.
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Aufgabe:
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den einleitend beschriebenen Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein System und ein Verfahren gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 15.
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In den Unteransprüchen sind zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
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Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung gemäß eines ersten Aspektes ein System zur Ermittlung der Position und/oder Lage, insbesondere der Drehlage eines an einer manuell geführten Halte-Vorrichtung angeordneten Werkzeugs und/oder eines an dem Werkzeug aufgenommenen Werkzeugeinsatzes, umfassend:
- – Positionsmarkierungsmittel,
- – Positionserfassungsmittel zur insbesondere berührungslosen Erfassung der durch die Positionsmarkierungsmittel angezeigten Position und/oder der Lage des Werkzeugs in einem Raum, und
- – Drehwinkelerfassungsmittel.
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Mit einem solchen System kann einerseits jeder beliebige Punkt des Werkzeugs bzw. eines an einem solchen Werkzeug, z. B. einem Schrauber und/oder einem Drehmomentschrauber, aufgenommenen Werkzeugeinsatzes, z. B. einem Schrauber-Bit oder dergleichen, in einem räumlichen Überwachungsbereich ermittelt werden, und damit auch die Position und/oder Lage eines bekannten, ausreichend fest mit dem Werkzeug verbundenen Körpers, z. B. einer Schraube. Durch die Erfassung des Drehwinkels des Werkzeugs und/oder des Werkzeugeinsatzes gegenüber der das Werkzeug aufnehmenden Halte-Vorrichtung kann ein zusätzlicher Freiheitsgrad bestimmt werden.
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Basierend auf einer dreidimensionalen Positionserfassung kann das System insgesamt vier Freiheitsgrade für das Werkzeug, den Werkzeugeinsatz und damit für einen damit verbundenen, in seinen Geometrien bekannten Körper bestimmen. Die Positionsmarkierungs- und Erfassungsmittel liefern hierzu die Grunddaten für die räumliche Position und/oder Lage des betreffenden Körpers und die Drehwinkelerfassungsmittel die Drehlagekoordinaten.
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Durch die Drehwinkelerfassungsmittel kann eine Verdrehung des Werkzeugs, also eines Schraubers oder dergleichen, gegenüber der Halte-Vorrichtung erfasst und den Positionserfassungsmitteln übermittelt werden. Der wesentliche Vorteil dieses Systems liegt darin, dass die Positionsmarkierungsmittel hierbei in Richtung Positionserfassungsmittel ausgerichtet bleiben können, auch wenn das Werkzeug beispielsweise zum stirnseitigen Einschrauben einer Schraube an einem zusammenzubauenden Werkstück um ca. 90 Grad entlang seiner Längsachse verdreht werden muss. Aufgrund einer Verdrehmöglichkeit zwischen der Halte-Vorrichtung, die z. B. an einem Seilende eines Seilzugs befestigt ist, und dem Werkzeug bzw. dessen Gehäuse bleibt die Ausrichtung (optischer Kontakt) zwischen Positionsmarkierungsmitteln und Positionserfassungsmitteln unberührt von einer axialen Drehbewegung des Werkzeugs und dennoch kann über die Winkelkodierung die exakte Position, Lage und Drehwinkelausrichtung, beispielsweise einer Schraube, die mit einem im Werkzeug montierten Bit in eine Schraubenaufnahme gedreht werden soll, ermittelt werden. Damit ist eine zuverlässige Kontrolle und/oder Dokumentation des betreffenden Fertigungsvorgangs möglich.
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Abhängig von der Geometrie eines solchen Körpers kann im Weiteren, sofern erforderlich, für ihn eine rotatorische Vorpositionierung in Bezug auf eine zu seiner Aufnahme vorgesehene Aufnahme vorgenommen werden.
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Auch eine Erfassung und Kontrolle der Anzahl von Umdrehungen dieses mit dem Werkzeug zu bewegenden Körpers kann hierdurch realisiert werden.
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Das Werkzeug kann beispielsweise eine Antriebseinheit, insbesondere eine rotatorische Antriebseinheit wie einen Motor, aufweisen, mittels welcher eine Werkzeugeinsatzaufnahme gegenüber dem sie aufnehmenden Werkzeug bewegt werden kann, insbesondere ebenfalls rotatorisch. Besonders bevorzugt kann hierbei eine 360 Grad um eine Längsachse der Werkzeugaufnahme mögliche Drehbewegung vorgesehen sein.
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Die Halte-Vorrichtung selbst kann beispielsweise an einer Aufhängung, z. B. einem Karabiner, montiert sein, an welcher sie in kraftfreiem Betriebszustand an einem bestimmten Punkt ihres Überwachungsbereichs beweglich aufgehängt ist. Bei einer räumlichen, also dreidimensionalen Beweglichkeit der Halte-Vorrichtung, kann diese beispielsweise an einem Seilzug, vorzugsweise mit in der Länge variierbaren Aufhängeseil, z. B. im Bereich eines Montageplatzes, befestigt sein. Hierdurch kann das damit zu betreibende Werkzeug frei in diesem Montageraum von Hand geführt werden.
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Die Energieversorgung kann, je nach Art des Antriebs, entweder durch Kabel, Schläuche oder dergleichen Leitungen erfolgen. Demgegenüber möglich ist aber auch eine Energieversorgung über Batterien, Akkus oder andere Energiespeicher in leitungsfreier Weise.
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Bezüglich der Drehmittelerfassungswinkel kann in vorteilhafter Weise ein erster Teil am Werkzeug angeordnet und/oder ausgebildet sein und ein weiterer Teil an der das Werkzeug aufnehmenden Halte-Vorrichtung. Damit ist eine Relativbewegung zwischen diesen beiden, vorzugsweise gegeneinander gelagerten Teilen möglich.
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Denkbar sind hierbei verschiedene Ausführungsformen, beispielsweise mit einer groben Winkelauflösung, wie beispielsweise alle 90, 45 oder alle 10 Winkelgrade. Diese Ausführungsformen können beispielsweise mit induktiver Positionserfassung arbeiten. Denkbar sind hierbei Ausführungsformen mit einem nicht magnetischen Grundkörper, beispielsweise ein Kunststoffring oder dergleichen, in welchem magnetische und/oder magnetisierbare Positionsmarker angeordnet sind, bspw. Stifte, Kugeln, Schrauben oder dergleichen.
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In alternativen, insbesondere höherwertigen Ausführungsformen, kann auch eine eine feinere Drehwinkelauflösung aufweisende Winkelsensorik eingesetzt werden. Denkbar sind hierfür beispielsweise optisch arbeitende Winkelsensoren, die beispielsweise sogar im Winkelminuten- bzw. Winkelsekundenbereich auflösen können.
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In weiter vorteilhafter Weise kann eine Drehwinkelwert-Übertragungseinheit vorgesehen sein. Hiermit können die von den Drehwinkelerfassungsmitteln erfassten Drehwinkelwerte an eine diese Drehwinkelwerte weiter verarbeitende Einheit, z. B. eine Kontrolleinheit, übertragen werden. Diese Drehwinkelwertige können beispielsweise zur Einflussnahme auf die einem Antrieb für das Werkzeug zuzuführende Energie ausgewertet werden, vorzugsweise wiederum von einer Kontrolleinheit, die ggf. die gleiche sein kann, an welche die Drehwinkelwerte geliefert werden. Basierend auf den erfassten Drehwinkelwerten und/oder der ermittelten Position und/oder Lage des Werkzeugs, bzw. eines damit verbundenen Körpers mit bekannter Geometrie kann im Weiteren Einfluss auf die Drehposition, die aufzuprägende Drehgeschwindigkeit, das aufzuprägende Drehmoment und/oder dergleichen mehr Parameter genommen werden.
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Diese so ermittelten Daten können in weiter vorteilhafter Weise auch zur Überprüfung eines korrekten Prozessablaufes herangezogen werden. Z. B. durch Abgleich der erfassten Parameter mit einem bestimmten, vorgegebenen Wert, ggf. mit einem entsprechenden Toleranzbereich, wonach bei positiver Beurteilung des betreffenden Bearbeitungsschrittes der Bearbeitungsprozess weiterlaufen kann und bei negativer Beurteilung ggf. unterbrochen wird, z. B. mit einem entsprechenden Warnhinweis. Auch eine Dokumentierung der Beurteilung ist, z. B. für Statistik- oder Qualitätszwecke, möglich.
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Denkbar ist im Weiteren auch, dass der Wert, der dem Antrieb zuzuführenden Energie abhängig von der Position und/oder der Winkelstellung der Werkzeugaufnahme und/oder des darin aufgenommenen Werkzeugs ist. So kann bspw. in einem Anfangsstadium eines Schraubprozesses ein höheres Drehmoment aufgebracht werden, um in einem Materialschnitt eine entsprechende Materialverdrängung, z. B. zum Schneiden eines Gewindes oder dergleichen, zu bewerkstelligen, als dies vergleichsweise im anschließenden, weiteren Schraubprozess erforderlich ist. Andererseits kann auch eine Drehmomentsicherung dadurch realisiert werden, dass auf Grund der bekannten Positionen, z. B. einer einzuschraubenden Schraube, ab einer bestimmten Position und/oder Winkellage der Schraube die an die Vorrichtung zuzuführende Energie reduziert oder völlig unterbrochen wird. Denkbar wäre dies beispielsweise beim Zuschrauben vorgefertigter Schraubverbindungen, wie z. B. Schraubklemmen.
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Die Positionsmarkierungsmittel können in einer ersten Ausführungsform passive Marker umfassen, wie beispielsweise reflektierende Flächen und/oder Markierungen mit unterschiedlichen Mustern, wie Kreisen, Kreuzen, Rauten oder dergleichen mehr.
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Alternativ oder auch zusätzlich können auch Positionsmarkierungsmittel vorgesehen sein, die mindestens einen aktiven Marker umfassen, wie beispielsweise einen Sender. Ein solcher Sender kann beispielsweise als akustischer Sender ausgebildet sein, z. B. als Ultraschallsender oder als optischer Sender, z. B. in der Form einer LED oder auch als Funksender, wie z. B. Bluetooth oder dergleichen mehr. Die passiven Marker können auf Grund ihrer vergleichsweise günstigen Kostenstruktur preisgünstigere Ausführungsformen ermöglichen. Ausführungsformen mit aktiven Markern bieten beispielsweise den Vorteil, dass eine zuverlässige Positions- bzw. Lageermittlung, entsprechend der verwendeten Technik, auch bei verdeckter Betriebsweise zuverlässig möglich ist.
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Zur Erfassung der Position und/oder der Lage, insbesondere auch zur Erfassung des von den Drehwinkelerfassungsmitteln ermittelten Drehwinkelwertes, kann eine entsprechende Empfangseinheit im Raum in der Nähe eines distalen Aufhängungspunktes der manuell geführten Vorrichtung angeordnet sein. Dies kann beispielsweise ein über einem Montagetisch liegender Ort sein, z. B. eine Position an einem über diesen Montagetisch ragenden Montagearm. Die Anordnung einer Empfangseinheit oberhalb des Arbeitsplatzes, an welchem die das Werkzeug antreibende Vorrichtung zur Verrichtung entsprechender Montagetätigkeiten montiert ist, bietet auch den Vorteil einer vergleichsweise unverdeckten Sicht auf die Positionsmarkierungsmittel. Dies ist insbesondere bei der Positions- und Lageermittlung mittels passiver Marker von Vorteil.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform können die Positionsmarkierungsmittel und zumindest ein Teil der Drehwinkelerfassungsmittel in einer Einheit zusammengefasst sein. Dies ermöglicht eine vergleichsweise einfache Ausrüstung bereits marktüblicher Vorrichtungen zum Betreiben von Werkzeugen, wie z. B. Schrauber oder Drehmomentwerkzeuge. Eine solche Positionsmarkierungs- und Drehwinkelerfassungseinheit kann beispielsweise mit dem Gehäuse einer solchen Vorrichtung verbunden werden, indem sie beispielsweise außen aufgesetzt wird, mittels einer beispielsweise ringförmigen Aufnahme über ein rundes Gehäuse geschoben oder in ein solches integriert wird, oder dergleichen mehr. In einem solchen Anwendungsfall kann die Positionsmarkierungs- und Drehwinkelerfassungseinheit zwischen einer halte-vorrichtungsseitigen Vorrichtungsaufhängung und dem Werkzeug, insbesondere dessen Gehäuseteil, angeordnet sein.
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In weiter vorteilhafter Weise kann diese Positionsmarkierungs- und Drehwinkelerfassungseinheit selbst eine Vorrichtungsaufhängung aufweisen, mittels welcher das Werkzeug beispielsweise an einem Zugseil aufgehängt werden kann. Hierdurch kann eine sehr kompakt aufgebaute Einheit zur Verfügung gestellt werden.
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Der komplementäre Teil der Winkelsensorik kann, wie bereits oben beschrieben, an einer gegenüber der Halte-Vorrichtung relativ beweglichen Position angeordnet werden, z. B. dem Werkzeug selbst. Die Anordnung am Werkzeug bietet den Vorteil, dass die Drehwinkelsensorik durch das Vorsehen entsprechender Gehäuseteile gegen äußere Einwirkung geschützt werden kann, insbesondere unabhängig von dem jeweils durch die Halte-Vorrichtung anzutreibenden Werkzeug.
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Ausführungsformen:
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Mögliche Ausführungsformen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren rein beispielhaft und schematisch beschrieben.
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Im Detail zeigt die
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1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes System und die
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2 eine Seitenansicht.
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Dem gemäß zeigt die 1 eine Draufsicht auf ein System 1 zur Ermittlung der Positionen und/oder der Lage, insbesondere der Drehlage eines an einer manuell geführten Halte-Vorrichtung angeordneten Werkzeugs 9 und/oder eines an dem Werkzeug aufgenommenen Werkzeugeinsatzes 3. Durch Positionsmarkierungsmittel 4–6 kann die Position und/oder die Lage eines damit versehenen Werkzeugs 9, z. B. in der Form eines Schraubers oder eines Drehmomentschlüssels oder dergleichen, insoweit bestimmt werden, dass die geometrischen Positionen der Positionsmarkierungsmittel sowie deren geometrischer Bezug zum Werkzeug 9 und deren Komponenten, wie Werkzeugaufnahme und ein daran befestigtes Werkzeug bekannt sind. Durch das Vorsehen dreier Positionsmarkierungsmittel ist eine räumliche Positions- bzw. Lageermittlung möglich.
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Die Position 7 stellt eine alternative Anordnungsposition für eines der erstgenannten Positionsmarkierungsmittel 4–6 dar. Denkbar ist aber auch die Anordnung eines vierten Positionsmarkierungsmittels 7. Dies kann beispielsweise dann von Vorteil sein, wenn zum Teil passive Markierungsmittel verwendet werden, sodass abhängig von der Ausrichtung und/oder der Drehlage des Werkzeugs 9 auch dann eine Positions- und/oder Lageermittlung möglich ist, wenn eines der übrigen Positionsmarkierungsmittel nicht ausreichend genau detektiert werden kann.
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Drehwinkelerfassungsmittel 10, 11 ermöglichen die exakte Bestimmung jedes beliebigen Punktes eines mit dem Werkzeugeinsatzes ausreichend fest verbundenen Körpers mit bekannten geometrischen Abmaßen im Raum.
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Durch die Positions- und/oder Lageermittlung in Kombination mit der Drehwinkelerfassung des Werkzeugs 9 in Bezug auf die Halte-Vorrichtung 20 kann auch die Ausrichtung einer am Körper 12 vorhandenen, geometrischen Struktur 12.1 in Bezug auf eine hierfür beispielsweise an einem zusammenzubauenden Werkstück vorgesehene Aufnahme ermittelt werden. Der Körper 12 und die Struktur 12.1 sind hier beispielhaft in gestrichelten Linien am Werkzeug 3 angeordnet dargestellt. Im Weiteren ist als Bezugslinie eine Achse 13 durch die Vorrichtung 9 dargestellt.
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Die Drehwinkelerfassungsmittel 10, 11 können vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten einer Lagerung zwischen der Halte-Vorrichtung 20 und dem Werkzeug 9 angeordnet sein. In der in 1 dargestellten Ausführungsform kann das Drehwinkelerfassungsmittel 10 z. B. einen Sensor darstellen und das Drehwinkelerfassungsmittel 11 z. B. eine Winkelscheibe mit am Umfang verteilt angeordneten Winkelmarkern. In einer groben Auflösung können diese Winkelmarker beispielsweise in einem Raster von 90 Winkelgraden oder 45 Winkelgraden verteilt angeordnet sein. Falls erforderlich, können aber durchaus auch feinere Auflösungen realisiert werden, wie beispielsweise 30 Winkelgrade, 10 Winkelgrade oder dergleichen.
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Bei solchen vergleichsweise groben Auflösungen können die Drehwinkelerfassungsmittel auf elektromagnetischer Erkennung basierend realisiert werden, beispielsweise durch einen induktiven Drehwinkelkleber.
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Für Fälle, bei denen eine genauere Winkelauflösung erforderlich ist, z. B. im Winkelminutenbereich oder im Winkelsekundenbereich, können bevorzugt optisch arbeitende Drehwinkelerfassungsmittel Verwendung finden.
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Mittels einer Drehwinkelwert-Übertragungseinheit 14 kann der erfasste Drehwinkel an eine entsprechende, distal angeordnete Empfangseinheit 15 leitungsungebunden übermittelt werden. In vorteilhafter Weise kann diese Empfangseinheit 15 mit der Empfangseinheit für die Positionserfassungsmittel 8 kombiniert und/oder in dieser integriert sein. Insbesondere können sie einer gemeinsamen Kontrolleinheit 16 zugeordnet sein.
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Die Kontrolleinheit 16 kann im Weiteren beispielsweise auch zur Einflussnahme auf die dem Antrieb 17 der Vorrichtung 9 zuzuführenden Energie vorgesehen sein, z. B. unter anderem in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung des im Werkzeugeinsatz 3 aufgenommenen Körpers.
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Bei einer Ausführungsform, bei der die Positionsmarkierungsmittel aktive Marker 4–7 umfassen, können diese bei leitungsungebundener Signalübertragung entsprechend der hierzu vorgesehenen Technik, akustisch, optisch und/oder elektromagnetisch, mit der Empfangseinheit 8 kommunizieren. Diese kann in vorteilhafter Weise über dem Arbeitsplatz, mit dem das erfindungsgemäße System bestückt ist, angeordnet sein, beispielsweise an einem darüber befindlichen Träger, Montagearm oder dergleichen.
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Um eine besonders einfache Bestückung entsprechender Werkzeugs 9 mit einer derartigen Sensorik zu ermöglichen, können die Positionsmarkierungsmittel und die Drehwinkelerfassungsmittel zu einer Einheit 18 zusammengefasst werden (siehe auch 2). In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist beispielhaft ein Montagemittel 19 für die Positions- und Drehwinkelerfassungseinheit 18 in der Form eines Ringes dargestellt, welcher um das Gehäuse des Werkzeugs 9 herum und/oder axial zwischen zwei Gehäuseteilen eines solchen Werkzeugs angeordnet werden kann, z. B. in klemmender Weise.
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Zur weiteren mechanischen Befestigung des Werkzeugs 9 können diese Montagemittel 19 direkt mit der Halte-Vorrichtung 20 verbunden sein, die ihrerseits beispielsweise über ein Seil 21 mit einer ebenfalls oberhalb des Arbeitsplatzes befindlichen Seilrolle 22 verbunden werden kann. Hierdurch kann das Werkzeug 9 im vorgesehenen Bewegungsraum des Arbeitsplatzes entsprechend der durch das Seil und die Seilrolle vorgegebene Bewegungsfreiheit bewegt werden.
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Im Unterschied zur 1 ist in der 2 eine Leitung 23 symbolisch für eine leitungsgebundene Datenübertragung und/oder zur Energieübertragung an den Antrieb 17 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System
- 2
- Werkzeugeinsatzaufnahme
- 3
- Werkzeugeinsatz
- 4
- Positionsmarkierungsmittel
- 5–6
- Positionsmarkierungsmittel
- 8
- Positionserfassungsmittel
- 9
- Werkzeug
- 10
- Schwenkwinkelerfassungsmittel
- 11
- Schwenkwinkelerfassungsmittel
- 12
- Körper
- 13
- Achse
- 14
- Drehwinkel-Übertragungseinheit
- 15
- Drehwinkel-Empfangseinheit
- 16
- Kontrolleinheit
- 17
- Antrieb
- 18
- Positions- und Drehwinkelerfassungseinheit
- 19
- Montagemittel
- 20
- Halte-Vorrichtung
- 21
- Seil
- 22
- Seilrolle
- 23
- Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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