DE102012010662A1

DE102012010662A1 - Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung

Info

Publication number: DE102012010662A1
Application number: DE201210010662
Authority: DE
Inventors: Willi Klumpp; Matthias Reichenbach; Matthias Schreiber; Volker Zipter; Michael Zürn
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2012-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mittels eines Roboters (10), bei welchem ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil unter In-Wirkverbindung-Bringen jeweiliger komplementärer Gewinde verschraubt wird, wobei das erste Bauteil in einem an einer terminalen Achse (24) des Roboters (10) angeordneten Manipulator (36) gehalten und mittels des Roboters (10) durch eine rotatorische Einschraubbewegung mit dem zweiten Bauteil verschraubt wird, wobei mittels eines der terminalen Achse (24) zugeordneten ersten Sensors ein Einschraubmoment gemessen wird und mittels zumindest eines weiteren Sensors eine Kontrollgröße bestimmt wird, anhand welcher das Einschraubmoment validierbar ist, und wobei der zumindest eine weitere Sensor ein einer weiteren Achse (12, 14, 16, 18, 20, 22) des Roboters (10) zugeordneter Drehmomentensensor ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mittels eines Roboters nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus der DE 10 2010 032 884 A1 ist ein Verfahren zum automatisierten Herstellen von Schraubverbindungen bekannt. Mittels eines kraft- bzw. momentensensitiven Roboters können dabei während des Einschraubens wirkende Kräfte überwacht werden, um Fehler beim Verschrauben zu vermeiden und eine Schraubverbindung mit definiertem Anzugsmoment zu schaffen. Der Sitz der Schraube wird am Ende des Vorgangs gegebenenfalls noch durch Aufbringen einer Zugkraft auf die Schraube überprüft.
Unter bestimmten Bedingungen ist eine solche Kontrolle der Schraubverbindung jedoch nicht hinreichend. Gemäß VDI-Richtlinie 2862 ist bei Verschraubungen der Kategorie A, bei deren Versagen mittelbar oder unmittelbar Gefahr für Leib und Leben besteht, eine redundante Mess-Sensorik zur Überprüfung des Anzugsmoments notwendig. Bei solchen Verschraubungen wird das Anzugsmoment daher in der Regel durch eine Messung mit einem zweiten, externen Drehmomentsensor kontrolliert.
Eine solche, oft manuell durchzuführende Kontrolle ist jedoch arbeits- und zeitaufwändig und erhöht daher nachteiligerweise die Produktionskosten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches auf besonders schnelle und einfache Art eine redundante Kontrolle von Schraubverbindungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mittels eines Roboters, wird ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil unter In-Wirkverbindung-Bringen jeweiliger komplementärer Gewinde verschraubt, wobei das erste Bauteil in einem an einer terminalen Achse des Roboters angeordneten Manipulator gehalten und mittels des Roboters durch eine rotatorische Einschraubbewegung mit dem zweiten Bauteil verschraubt wird. Mittels eines der terminalen Achse zugeordneten ersten Sensors wird hierbei ein Einschraubmoment gemessen. Zumindest ein weiterer Sensor dient zum Bestimmen einer Kontrollgröße bestimmt, anhand welcher das Einschraubmoment validierbar ist.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der zumindest eine weitere Sensor ein einer weiteren Achse des Roboters zugeordneter Drehmomentensensor ist. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt also die ohnehin vorhandene Sensorausstattung moderner kraftsensitiver, insbesondere impedanzgeregelter Leichtbauroboter, um eine redundante Messung des Anzugsmoments zu realisieren. Dies ist möglich, da die an den einzelnen Achsen bzw. Gelenken des Roboters anliegenden Momente nicht unabhängig voneinander sind. Auf eine zusätzliche Messung mit einem externen Sensor kann somit verzichtet werden, was das Verfahren besonders schnell und einfach und damit kostengünstig macht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Validierung des gemessenen Einschraubmoments auf Grundlage der beim Einschrauben eingenommenen Pose des Roboters berechnet, welches Moment bei tatsächlichem Vorliegen des gemessenen Einschraubmoments an zumindest einer weiteren Achse des Roboters vorliegen würde und ein mittels des dieser Achse zugeordneten Drehmomentensensors gemessenes Moment mit dem berechneten verglichen. Eine solche Berechnung, die beispielsweise auf Grundlage einer Denavit-Hartenberg-Transformation durchgeführt werden kann, erlaubt es auf einfachste Weise ohne zusätzliche Kalibrierung einen Sollwert zu finden, anhand dessen die Validierung durchgeführt werden kann.
Vorzugsweise wird zur Validierung des gemessenen Einschraubmoments auf Grundlage der beim Einschrauben eingenommenen Pose des Roboters für jede weitere Achse des Roboters berechnet, welches Moment bei tatsächlichem Vorliegen des gemessenen Einschraubmoments an der jeweiligen Achse des Roboters vorliegen würde und ein mittels des der jeweiligen Achse zugeordneten Drehmomentensensors gemessenes Moment mit dem berechneten verglichen. Durch die Einbeziehung aller Achsen des Roboters wird eine besonders zuverlässige Validierung ermöglicht.
Es ist ferner zweckmäßig, zur Validierung des gemessenen Einschraubmoments auf Grundlage der beim Einschrauben eingenommenen Pose des Roboters die Summe der Drehmomentenvektoren über alle weiteren Achsen des Roboters zu berechnen und mit dem gemessenen Einschraubmoment verglichen wird. Hierdurch wird einerseits die hohe Genauigkeit der Validierung durch die Einbeziehung aller Achsen gewährleistet, andererseits aber auch ein besonders einfacher visueller Vergleich der beiden Messungen durch kontrollierende Bedienpersonen ermöglicht, da nur ein einzelner Wert verglichen werden muss.
Um eine besonders hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn zur Kalibrierung mittels des an der terminalen Achse angebrachten Manipulators ein vorgegebenes Drehmoment auf einen externen Drehmomentensensor aufgebracht wird und für jede weitere Achse des Roboters das beim Ausüben dieses Drehmoments an der jeweiligen Achse anliegende Drehmoment gemessen wird. Eine solche Kalibrierung kann beispielsweise bei Inbetriebnahme der Anlage oder auch in vorgegebenen Zeitabständen durchgeführt werden, um die Zuverlässigkeit des Verfahrens zu überprüfen und sicherzustellen.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 Eine Darstellung eines zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegten momentensensitiven Leichtbauroboters;
2 ein Diagramm des Drehmoment-Drehwinkel-Verlaufs für die einzelnen Achsen eines Leichtbauroboters gemäß 1 während der Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
3 eine Veranschaulichung der Drehmomentenverhältnisse an den Achsen eines Leichtbauroboters gemäß Fig. während der Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter Leichtbauroboter umfasst insgesamt 7 Achsen 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, die über entsprechende Gelenke 26, 27, 28, 30, 32, 34 gekoppelt sind. Die terminale Achse 24, auch als Handachse bezeichnet, trägt einen Manipulator 36 zum Herstellen von Schraubverbindungen.
Jeder der Achsen 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 ist ein Drehmomentensensor zugeordnet. Der Drehmomentensensor der terminalen Achse 24 kann somit genutzt werden, um die Schraubverbindung mit einem definierten Anzugsmoment herzustellen.
Für besonders sicherheitsrelevante Schraubverbindungen ist es jedoch notwendig, das Anzugsmoment der Schraubverbindung durch eine redundante Messung zu validieren. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren geschieht dies durch die Verwendung eines zusätzlichen externen Drehmomentensensors.
Da die Achsen 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 und Gelenke 26, 27, 28, 30, 32, 34 zusammen eine kinematische Kette bilden, sind die Drehmomente an den einzelnen Achsen 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 jedoch nicht unabhängig. Die den Achsen 12, 14, 16, 18, 20, 22 zugeordneten Drehmomentensensoren können also genutzt werden, um den Messwert des der terminalen Achse 24 zugeordneten Drehmomentensensors zu überprüfen. So kann beispielsweise auf Grundlage der Denavit-Hartenberg-Transformation für eine gegebene Pose des Roboters und für ein gegebenes an der terminalen Achse 24 anliegendes Drehmoment bestimmt werden, welche Drehmomente an den weiteren Achsen 12, 14, 16, 18, 20, 22 zu erwarten sind. Stimmen die mittels der jeweiligen Drehmomentensensoren gemessenen Werte mit den berechneten überein, so kann gesichert davon ausgegangen werden, dass die Schraubverbindung in der Tat mit dem gewünschten Anzugsmoment hergestellt wurde.
2 veranschaulicht dieses Verfahren graphisch. Dargestellt ist die Abhängigkeit des Drehmoments an allen Achsen 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 vom Drehwinkel der terminalen Achse 24 während des Endanzugs einer Schraube. Der Graph 38 zeigt dabei das Drehmoment an der terminalen Achse 24, also das unmittelbar gemessene Anzugsmoment, während die Graphen 40, 42, 44, 46, 48 und 50 die gemessenen Drehmomente der Achsen 12, 14, 16, 18, 20, 22 darstellen.
Das Soll-Drehmoment an der terminalen Achse 24 – hier 20 Nm – ist durch das gewünschte Anzugsmoment vorgegeben. Für die weiteren Achsen 12, 14, 16, 18, 20, 22 ergeben sich, wie geschildert, die Solldrehmomente am Ende des Einschraubvorgangs durch eine Denavit-Hartenberg-Rechnung. Für alle Soll-Drehmomente können dabei noch Toleranzbereiche, je nach gewünschter Genauigkeit, festgelegt werden.
Anstelle die berechneten Drehmomente für alle weiteren Achsen 12, 14, 16, 18, 20, 22 jeweils einzeln mit den gemessenen Werten zu vergleichen, kann auch ein Gesamtdrehmomentenvektor über die weiteren Achsen 12, 14, 16, 18, 20, 22 berechnet werden. Wie 3 veranschaulicht, müssen im statischen Fall die summierten Drehmomente an der terminalen Achse 24 Null ergeben. Es ist daher auch möglich, beispielsweise wiederum mittels einer Denavit-Hartenberg-Rechnung, das Gesamtdrehmoment über die weiteren Achsen 12, 14, 16, 18, 20, 22 zu berechnen und zu prüfen, ob dieses betragsgleich zum an der terminalen Achse 24 gemessenen Moment ist. Dieser Ansatz erleichtert insbesondere die manuelle Überprüfung der Werte durch Wartungspersonal im Fehlerfall.
Zur Kalibrierung kann ferner noch vorgesehen sein, dass mittels des Manipulators 36 an der terminalen Achse 24 in bestimmten Zeitabständen ein vorgegebenes Drehmoment auf einen externen Drehmomentensensor ausgeübt wird. Nimmt der Roboter 10 dabei die gleiche Pose ein, wie bei der eigentlichen Verschraubung, kann so geprüft werden, ob die berechneten Drehmomente für alle Sensoren mit den tatsächlichen übereinstimmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010032884 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mittels eines Roboters (10), bei welchem ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil unter In-Wirkverbindung-Bringen jeweiliger komplementärer Gewinde verschraubt wird, wobei das erste Bauteil in einem an einer terminalen Achse (24) des Roboters (10) angeordneten Manipulator (36) gehalten und mittels des Roboters (10) durch eine rotatorische Einschraubbewegung mit dem zweiten Bauteil verschraubt wird, wobei mittels eines der terminalen Achse (24) zugeordneten ersten Sensors ein Einschraubmoment gemessen wird und mittels zumindest eines weiteren Sensors eine Kontrollgröße bestimmt wird, anhand welcher das Einschraubmoment validierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine weitere Sensor ein einer weiteren Achse (12, 14, 16, 18, 20, 22) des Roboters (10) zugeordneter Drehmomentensensor ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Validierung des gemessenen Einschraubmoments auf Grundlage der beim Einschrauben eingenommenen Pose des Roboters (10) berechnet wird, welches Moment bei tatsächlichem Vorliegen des gemessenen Einschraubmoments an zumindest einer weiteren Achse (12, 14, 16, 18, 20, 22) des Roboters (10) vorliegen würde und ein mittels des dieser Achse (12, 14, 16, 18, 20, 22) zugeordneten Drehmomentensensors gemessenes Moment mit dem berechneten verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass zur Validierung des gemessenen Einschraubmoments auf Grundlage der beim Einschrauben eingenommenen Pose des Roboters (10) für jede weitere Achse (12, 14, 16, 18, 20, 22) des Roboters (10) berechnet wird, welches Moment bei tatsächlichem Vorliegen des gemessenen Einschraubmoments an der jeweiligen Achse (12, 14, 16, 18, 20, 22) des Roboters (10) vorliegen würde und ein mittels des der jeweiligen Achse (12, 14, 16, 18, 20, 22) zugeordneten Drehmomentensensors gemessenes Moment mit dem berechneten verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Validierung des gemessenen Einschraubmoments auf Grundlage der beim Einschrauben eingenommenen Pose des Roboters (10) die Summe der Drehmomentenvektoren über alle weiteren Achsen (12, 14, 16, 18, 20, 22) des Roboters (10) berechnet wird und mit dem gemessenen Einschraubmoment verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung mittels des an der terminalen Achse (24) angebrachten Manipulators (36) ein vorgegebenes Drehmoment auf einen externen Drehmomentensensor aufgebracht wird und für jede weitere Achse (12, 14, 16, 18, 20, 22) des Roboters (10) das beim Ausüben dieses Drehmoments an der jeweiligen Achse (12, 14, 16, 18, 20, 22) anliegende Drehmoment gemessen wird.