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Die vorliegende Erfindung betrifft eine automatische Schraubeinheit zur Integration in einer Montagelinie gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 6.
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Insbesondere bei der Montage von Fahrzeugachsen werden mit einer Schraube verbundene Bauteile in einer automatisierten Montagelinie zusammengeschraubt, wobei die vorbereitete Schraube und die vorbereitete Mutter von einer Schraubspindel und einem Gegenhalter ergriffen werden und bis auf das gewünschte Drehmoment angezogen werden. Die dementsprechend angezogene Schraube sollte in einer genau definierten Sollposition liegen und dabei die beiden Bauteile zuverlässig zusammenhalten. Gemäß dieser definierten Sollposition liegt die Schraubachse exakt auf einer imaginären X-Achse eines virtuellen Koordinatensytems.
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Vor dem Ergreifen der Mutter und der Schraube durch die Schraubspindel und den Gegenhalter wird die Schraube von einem Mitarbeiter in die gewünschte Stelle im Bauteil eingeführt und von Hand mit einer Mutter versehen. Dabei kommt die Schraube mit der aufgesetzten Mutter in der Regel aber nicht in der definierten Sollposition zum liegen, sondern weicht einige Millimeter und/oder einige Winkelgrade von der Sollposition ab. Aufgrund dieser Abweichung kann es vorkommen, dass die Schraubspindel und/oder der Gegenhalter die Schraube und/oder die Mutter nicht oder nicht richtig ergreifen kann, was zu einer unerwünschten Störung im Arbeitsprozess der Montagelinie führen kann.
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Darüber hinaus weisen die einzelnen Bauteile aufgrund fertigungsbedingter Toleranzen unterschiedlich Maße auf mit der Folge, dass die Schraube auch im angezogenen Zustand in der Regel nicht exakt in der definierten Sollposition zum Liegen kommt, sondern einige Millimeter und/oder einige Winkelgrade von der Sollposition abweichend liegt. Diese Abweichung kann dazu führen, dass die Schraubspindel und/oder der Gegenhalter die Schraube und/oder die Mutter nicht oder nicht richtig ergreifen kann, was zu einer unerwünschten Störung im Arbeitsprozess der Montagelinie führen kann.
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Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Schraubeinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der das Schraubelement in einfacher Weise und zuverlässig ergriffen werden kann, auch wenn das Schraubelement nicht exakt auf der Schraubachse ausgerichtet ist.
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Als erste technische Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Schraubeinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1 und als zweite technische Lösung dieser Aufgabe wird eine Schraubeinheit mit den Merkmalen des Anspruches 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser beiden Schraubeinheiten sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Eine nach dieser ersten technischen Lehre ausgebildete Schraubeinheit und eine nach dieser zweiten technischen Lehre ausgebildete Schraubeinheit haben den Vorteil, dass die Schraubvorrichtung um eine A-Achse verschwenkbar bzw. in Richtung der A-Achse linear verschiebbar gehalten ist, um eine Ausrichtung der Schraubvorrichtung entsprechend der tatsächlichen, aktuellen Position der Schraubelemente zu vollziehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schraubvorrichtung darüber hinaus auch um eine B-Achse verschwenkbar bzw. in Richtung der B-Achse linear verschiebbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die A-Achse einer Parallelen der Y-Achse des virtuellen Koordinatensystems und in noch einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die B-Achse der z-Achse des virtuellen Koordinatensystems.
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Eine derartige Schraubvorrichtung kann in allen Richtungen und Drehbewegungen der nicht exakten Lage der Schraubelemente angepasst werden, so dass ein exaktes und störungsfreies Erfassen des Kopfes der Schraube bzw der Mutter der Schraube durch die Schraubspindel und/oder den Gegenhalter möglich wird. Im Ergebnis wird hiermit ein Verkanten und damit eine Unterbrechung der Montage vermieden.
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In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform wird die Schraubvorrichtung mittels mindestens einer Feder in einer Ruheposition gehalten, wobei die Schraubvorrichtung nach Überwindung der Federkraft um die A-Achse verschwenkbar und vorteilhafterweise in Richtung der A-Achse verschiebbar gehalten ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist dies auch für die B-Achse vorgesehen.
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Es versteht sich, dass die Schraubvorrichtung nur vergleichsweise kleine Bewegungen aus der X-Achse heraus vollzieht, wobei beim Verschwenken bzw. Rotieren um die A- oder B-Achse ein Winkel von 6° in jede Richtung als Maximum zu verstehen sind und wobei eine Linearverschiebung in Richtung der A- oder B-Achse um 5 mm in jede Richtung (vor und zurück) ausreichend sind. Der Ausgleich in X-Richtung wird durch die Zustellbewegung von Schraubspindel und Gegenhalter erreicht.
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Durch die Möglichkeit des Verschwenkens bzw. Rotierens der Schraubvorrichtung um die A-Achse und/oder um die B-Achse und insbesondere durch die Möglichkeit einer Linearverschiebung in Richtung der A-Achse oder B-Achse, erhält die Schraubvorrichtung eine gewisse Flexibilität, um ein schnelles Zustellen und Abrücken zu gewährleisten und um ein zuverlässiges Erfassen der Schraube zu erreichen. Hiermit werden Verkantungen oder Fehlgriffe der Schraubeinheit vermieden, so dass auch Unterbrechungen der Montage vermieden werden. Dabei bietet die automatische Schraubeinheit alle notwendigen Freiheitsgrade, um die Schraubelemente zuverlässig zu erfassen, insbesondere eine Verschwenkung oder Rotation um die A-Achse, eine Rotation um die B-Achse, eine Verschiebung in A-Richtung und eine Verschiebung in B-Richtung.
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Es versteht sich, dass die A-Achse eine Parallele der Y-Achse des virtuellen Koordinatensystems sein kann und dass die A-Achse auch mit der Y-Achse identisch sein kann. Es versteht sich ebenso, dass die B-Achse mit der Z-Achse des virtuellen Koordinatensystems identisch sein kann.
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Durch den Einsatz von Federn wird erreicht, dass die Schraubvorrichtung in einer definierten Ausgangslage gehalten wird, die vorzugsweise auf die X-Achse ausgerichtet ist. Durch die Wahl geeigneter Federn oder durch die Einstellmöglichkeit der Federn kann das jeweils aktuelle Gewicht der Schraubvorrichtung derart kompensiert werden, dass die Schraubvorrichtung im Ruhezustand in Richtung der X-Achse ausgerichtet ist.
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Weitere Vorteile der beiden erfindungsgemäßen Schraubeinheit ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung und den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schraubeinheit ohne Schraubspindel;
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2 die Schraubeinheit gemäß 1 mit einer Winkelkopf-Schraubspindel;
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3 die Schraubeinheit gemäß 1 mit einer geraden Schraubspindel;
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4 eine Seitenansicht der Haltevorrichtung der Schraubeinheit gemäß 1;
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5 eine geschnitten dargestellte Draufsicht auf die Verschiebevorrichtung der Schraubeinheit gemäß 1, geschnitten entlang Linie V-V in 7a;
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6 eine geschnitten dargestellte Draufsicht auf die Haltevorrichtung der Schraubeinheit gemäß 1, geschnitten entlang Linie VI-VI in 4 bzw. 7a, mit einem Teilschnitt durch die Federvorrichtung 40;
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7a eine Frontansicht auf einen Teil der Schraubeinheit gemäß 1, mit einem Teilschnitt durch die Federvorrichtung 40'';
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7b eine geschnitten dargestellte Perspektivansicht auf einen Teil der Schraubeinheit gemäß 1, geschnitten entlang Linie VIIb-VIIb in 7a.
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In den 1, 2 und 3 ist eine erfindungsgemäße Schraubeinheit dargestellt, wobei die 1 eine Schraubeinheit ohne Schraubspindel und nur mit Gegenhalter 10 zeigt, während 2 eine Schraubeinheit mit gewinkelter Schraubspindel 12 zeigt und wobei 3 eine Schraubeinheit mit einer gradlinigen Schraubspindel 14 zeigt.
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Die in den 1 bis 3 dargestellte Schraubeinheit umfasst einen Anschlussflansch 16 zur Anbringung der Schraubeinheit an eine automatisierte Montageeinheit einer Montagelinie, insbesondere zum Verschrauben von Achsteilen eines Pkw's.
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An dem Anschlussflansch 16 ist eine Schraubvorrichtung gehalten, die eine Schraubspindel 12, 14 und einen Gegenhalter 10 umfasst, wobei ein erstes Schraubelement, hier eine Mutter 18, von der Schraubspindel 12, 14 aufgenommen wird, und wobei ein zweites Schraubelement, hier der Schraubenkopf 20, vom Gegenhalter 10 aufgenommen wird. Sowohl die Schraubspindel 12, 14 als auch der Gegenhalter 10 sind axial verschieblich an den Teleskopstangen 22 derart gehalten, dass das erste und das zweite Schraubelement 18, 20 mit der Schraubspindel 12, 14 und dem Gegenhalter 10 fluchtet, wobei die virtuelle Mittelachse des ersten und zweiten Schraubelementes 18, 20 mit der Mittelachse der Schraubspindel 12, 14 und des Gegenhalters 10 derart fluchtet, dass alle genannten Bauteile auf einer sogenannten gemeinsamen Schraubachse 24 angeordnet sind. Diese Schraubachse 24 bildet auch eine virtuelle X-Achse eines virtuellen Koordinatensystems.
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Die die Schraubspindel 12, 14 und den Gegenhalter 10 haltenden Teleskopstangen 22 werden in einer Verschiebevorrichtung 26 derart gehalten, dass die Teleskopstangen 22 zusammen mit der daran angebrachten Schraubspindel 12, 14 und den Gegenhalter 10 in Richtung einer A2-Achse 34 linear verschiebbar sind. Der maximal möglicher Verschiebeweg der Verschiebevorrichtung 26 beträgt 5 mm in die eine und 5 mm in der andere Richtung der A2-Achse 34. In den in den 1a bis 3a dargestellten Ausführungsformen ist die A2-Achse 34 parallel zur Y-Achse des virtuellen Koordinatensystems angeordnet.
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In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsform kann die A2-Achse auch mit der Y-Achse identisch sein.
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Die Verschiebevorrichtung 26 ist zusammen mit den Teleskopstangen 22 und der daran gehaltenen Schraubspindel 12, 14 und dem Gegenhalter 10 an einer Haltevorrichtung 28 angebracht, die wiederum an den Anschlussflansch 16 montiert ist.
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Die Haltervorrichtung 28 umfasst eine Rotationswelle 30, die zumindest einseitig aus der Haltervorrichtung 28 herausragt und wobei am herausragenden Teil der Rotationswelle 30 die Verschiebevorrichtung 26 samt der Teleskopstangen 22 mit der Schraubspindel 12, 14 und dem Gegenhalter 10 angebracht sind. Die Rotationswelle 30 ist in der Verschiebevorrichtung 26 rotationsfest montiert, in der Haltevorrichtung 28 jedoch um ihre Längsachse, die sogenannte B-Achse 32, rotierbar gehalten. Dabei ist die B-Achse 32 orthogonal zur A2-Achse 34 angeordnet und gleichzeitig ist die B-Achse 32 orthogonal zur Schraubachse, hier zur X-Achse 24, angeordnet.
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Die Haltervorrichtung 28 ist über eine Schwenkwelle 36 derart am Anschlussflansch 16 gehalten, dass die Haltevorrichtung 28 und damit die gesamte Schraubeinheit um eine A1-Achse 38 gegenüber dem Anschlussflansch 16 schwenkbar ist. Diese A1-Achse 38 ist parallel zur A2-Achse 34 und zur Y-Achse 50 des virtuellen Koordinatensystems und gleichzeitig orthogonal zur B-Achse 32 ausgerichtet.
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In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsform ist die A1-Achse direkt auf der Y-Achse angeordnet.
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An der Haltevorrichtung 28 sind an den jeweiligen Ecken Federvorrichtungen 40 angebracht, die eine Schraubenfeder 42 und einen Distanzstift 44 umfassen. Der Distanzstift 44 ist im Anschlussflansch 16 befestigt und besitzt an seinem aus der Schraubenfeder 42 herausragenden Teil ein Außengewinde, auf dem eine Kontermutter 48 angebracht ist. Dabei reicht der Distanzstift 44 durch eine Halterung 46 hindurch. Mittels dieser Kontermutter 48 kann die Schraubenfeder 42 zwischen der Halterung 46 und der Kontermutter 48 gespannt werden. Gleichzeitig kann hiermit die Länge des aus der Halterung 46 herausragenden Teils des Distanzstiftes 44 eingestellt werden.
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Wie insbesondere aus der 4 ersichtlich ist, ist die gesamte automatische Schraubeinheit über die Schwenkwelle 36 um die A1-Achse 38 rotierbar. Weil in dieser Ausführungsform die A1-Achse 38 versetzt parallel zur Y-Achse 50 angeordnet ist, bewirkt die Rotationsbewegung um die A1-Achse 38 ein Verschwenken der Schraubachse 24 um die Y-Achse 50.
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Mittels der Federvorrichtung 40 kann die gesamte Schraubeinheit dahingehend ausgerichtet werden, dass die Schraubachse 24 in die gewünschte Ruhestellung gebracht wird. Gleichzeitig kann über die eingestellte Federkraft der Schraubenfeder 42 die Mittelstellung eingestellt werden.
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Die gesamte automatische Schraubeinheit ist um die B-Achse 32 um einige Winkelgrade, vorzugsweise bis zu +/–6° in jede Richtung (rechtsherum und linksherum) rotierbar und rotiert somit die Schraubspindel 12, 14 und die Gegenhalter 10 um die Schraubelemente, um ein korrektes Erfassen der Mutter 18 und des Schraubenkopfes 20 zu erreichen. Gleichzeitig ist die automatische Schraubeinheit linear in Richtung der B-Achse 32 um bis zu 5 mm nach oben oder nach unten verschiebbar, ebenfalls um eine Justierung der Schraubspindel 12, 14 und des Gegenhalters 10 in bezug auf die Schraubelemente 18, 20 zu erreichen. Gleichzeitig ist die gesamte automatische Schraubeinheit um die A1-Achse 38 rotierbar, so dass die Schraubspindel 12, 14 und der Gegenhalter 10 um einige Winkelgrade von maximal +/–6° um die Schraubelemente 18, 20 verschwenkbar ist. Auch eine Linearverschiebung entlang der A2-Achse 34 von +/–5 mm ist möglich.
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Daraus folgt, dass die automatische Schraubeinheit vier Freiheitsgrade aufweist, nämlich einmal Rotation um die B-Achse 32 (Z-Achse), einmal Verschwenken um die A1-Achse 38 (parallel zur Y-Achse), Verschieben in Richtung der B-Achse 32 (Z-Achse) und Verschieben in Richtung der A2-Achse 34 (in Richtung der Y-Achse). Durch diese Beweglichkeit der gesamten Schraubeinheit mit ihren vier Freiheitsgraden wird ein Verkanten beim Erfassen der Schraubelemente 18, 20 vermieden, da bei der Annäherung der Schraubspindel 12, 14 und des Gegenhalters 10 an die jeweilige Mutter 18 und dem Schraubenkopf 20 quasi von selbst eine Ausrichtung der Schraubachse der automatischen Schraubeinheit an die tatsächliche Schraubachse der Schraubelemente 18, 20 erfolgt. Somit wird ein zuverlässiges Erfassen der Schraubelemente 18, 20 erreicht, ohne dass die Teile miteinander verkanten oder gar ein Aufrücken auf die Mutter und den Schraubenkopf aufgrund einer Schieflage der Schraubelemente verhindert wird.
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Die Schwenkbewegung der Haltevorrichtung 28 (und somit der Schraubvorrichtung) mittels der Schwenkwelle 36 um die A1-Achse 38 wird von der Federvorrichtung 40 kontrolliert, so dass eine Verschwenkung erst dann und insoweit eintritt, wie die Federkraft der Schraubenfeder 42 überwunden wird. Das mehr oder weniger weite Heraus- oder Hereinschrauben der Kontermutter 48 bewirkt eine Positionierung der Schraubeinheit gegenüber den Schraubelementen 18, 20.
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Analoges gilt auch für die Rotation der Rotationswelle 30 (und somit der Schraubvorrichtung) um die B-Achse 32, für die Linearverschiebung der Haltevorrichtung 28 entlang der B-Achse 32 und die Linearverschiebung der Verschiebevorrichtung 26 entlang der A2-Achse 34.
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Die Rotationswelle 30 wird von zwei Federvorrichtungen 40' in der Ruhestellung gehalten, die eine gummielastische Elastomerfeder 52' und eine Einstellschraube 54' umfasst, wobei die Elastomerfeder 52' über eine Fixiermutter 56' eingestellt wird.
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Die Haltevorrichtung 28 wird in Richtung der B-Achse 32 über die Federvorrichtungen 40'' in der Ruhestellung gehalten, die eine Schraubenfeder 42'', eine Einstellschraube 54'' und ein Gegenstück 58'' umfasst, wobei die Schraubenfeder 42'' zwischen der Einstellschraube 54'' und dem Gegenstück 58'' verspannt ist.
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Die Verschiebevorrichtung 26 wird in Richtung der A2-Achse 34 über die Federvorrichtungen 40''' in der Ruhestellung gehalten, die eine Schraubenfeder 42''' und eine Einstellschraube 54''' umfasst, wobei die Einstellschraube 54''' in ein Gewinde einschraubbar ist und die Schraubenfeder 42''' zwischen der Einstellschraube 54''' und dem Wellenadapter 60 verspannt ist.
