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Die Erfindung betrifft einen Roboterarbeitsplatz, aufweisend einen Roboter mit einer Robotersteuerung und mit einem mehrere Gelenke und die Gelenke verbindende Glieder aufweisenden Roboterarm, dessen Gelenke von der Robotersteuerung automatisch auf Grundlage eines Roboterprogramms zu verstellen sind, um ein von dem Roboterarm gehaltenes Werkzeug durch Einstellen der Gelenke des Roboterarms im Raum zu halten und/oder zu bewegen.
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Die
WO 2013/007565 A2 beschreibt eine Arbeitsvorrichtung, insbesondere Schraubvorrichtung, zum Drehfügen und/oder Drehlösen von Drehteilen, insbesondere Schrauben oder Muttern, mit einem mehrgliedrigen Roboter mit einer abtreibenden Drehachse, wobei der Roboter an seinem Endglied eine eigenständig angetriebene Dreheinrichtung mit einem Drehwerkzeug trägt. Die Dreheinrichtung ist zum schnellen Andrehen oder Ausdrehen eines Drehteils vorgesehen und ausgebildet, wobei der Roboter, insbesondere sein Endglied, zum Festdrehen oder Losdrehen des Drehteils vorgesehen und ausgebildet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen vollautomatisierten Roboterarbeitsplatz zu schaffen, der ausgebildet und/oder eingerichtet ist, einen ansonsten manuell von einem Werker mittels einer manuellen Schraubvorrichtung durchzuführenden Schraubvorgang vorübergehend oder dauerhaft automatisiert mittels der manuellen Schraubvorrichtung durchführen zu können.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Roboterarbeitsplatz, aufweisend einen Roboter mit einer Robotersteuerung und mit einem mehrere Gelenke und die Gelenke verbindende Glieder aufweisenden Roboterarm, dessen Gelenke zu verstellen sind, um ein von dem Roboterarm gehaltenes Werkzeug durch Einstellen der Gelenke des Roboterarms im Raum zu halten und/oder zu bewegen, wobei das Werkzeug als eine Schraubvorrichtung ausgebildet ist, die ein Erfassungsmittel zum Erfassen und/oder Anzeigen eines von der Schraubvorrichtung auf eine Schraube oder eine Mutter aufgebrachten Drehmoments aufweist, wobei die Robotersteuerung ausgebildet und/oder eingerichtet ist, zusätzlich ein mittels des Roboterarms abgestütztes Reaktionsmoment zu erfassen, welches durch ein von der Schraubvorrichtung auf die Schraube oder die Mutter aufgebrachtes Drehmoment in den Roboterarm eingeleitet wird.
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Die Gelenke können generell von der Robotersteuerung automatisch auf Grundlage eines Roboterprogramms und/oder in einem Handfahrbetrieb und/oder durch manuelles Bewegen der Gelenke in einer Nachgiebigkeitsregelung durch die Robotersteuerung automatisch zu verstellen sein. An vielen industriellen Montagearbeitsplätzen ist es erforderlich ein Verbindungselement, wie eine Schraube oder eine Mutter mittels einer manuellen Schraubvorrichtung zu verschrauben. Dies kann beispielsweise eine Schraube sein, die durch ein Loch eines ersten Bauteils geführt wird und in einen Gewindegang eines zweiten Bauteils einzuschrauben ist, bis das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil verschraubt ist und dadurch die gemäß dem jeweiligen Montagevorgang erforderliche Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil geschaffen ist. Im Falle einer Mutter als Verbindungselement kann das zweite Bauteil beispielsweise einen Stehbolzen mit einem Außengewinde aufweisen, wobei das erste Bauteil auf den Stehbolzen aufgesteckt wird, die Mutter auf das herausstehende freie Ende des Stehbolzens aufgeschraubt wird, um das erste Bauteil an dem zweiten Bauteil festzuziehen.
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In vielen Fällen handelt es sich dabei um eine sicherheitsrelevante Verschraubung, so dass es beispielsweise erforderlich ist, die Verschraubung mit einem vorgegebenen Mindestanzugsmoment festzudrehen, mit einem vorgegebenen Drehmomentenverlauf anzuziehen und/oder den Drehmomentenverlauf eines Schraubvorgangs festzuhalten, d. h. zu protokollieren, um einen Nachweis für den ordnungsgemäß durchgeführten Schraubvorgang zu erhalten.
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Solche Schraubvorgänge können deshalb vollautomatisiert, beispielsweise von Industrierobotern durchgeführt werden, welche ein für die Montageaufgabe speziell konstruiertes Schraubwerkzeug tragen. Die erforderlichen Antriebe für derartige Schraubwerkzeuge werden dann von der Robotersteuerung angesteuert und die programmierten Schraubvorgänge hinsichtlich des Drehmomentenverlaufs vollautomatisch überwacht.
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Es gibt jedoch auch Schraubvorgänge die nicht vollautomatisiert durchgeführt werden können, sondern von einem Menschen, d. h. einem Werker manuell durchzuführen sind. Um die Qualität einer solchen manuell durchgeführten Verschraubung sicherstellen und/oder überwachen zu können, existieren manuell zu führende Schraubvorrichtungen, welche einen Antrieb aufweisen und denen eine eigene Schraubsteuerung zugeordnet ist, welche ein Anzugsmoment und/oder einen Drehmomentenverlauf überwachen und/oder protokollieren können. Ob ein von dem Werker mittels der manuell zu führenden Schraubvorrichtung manuell durchgeführter Schraubvorgang ordnungsgemäß erfolgt ist oder fehlerhaft erfolgt ist, kann dem Werker beispielsweise unmittelbar an der Schraubvorrichtung nach Abschluss des Schraubvorgangs angezeigt werden. Dies kann beispielsweise durch wenigstens ein Leuchtmittel, wie eine LED erfolgen, das beispielsweise durch grünes und/oder rotes Aufleuchten dem Werker anzeigt, ob die Verschraubung ordnungsgemäß erfolgt ist. Eine mechanische Steuerung und mechanische Anzeige an der manuell handzuhabenden Schraubvorrichtung kann beispielsweise durch ein über die haltende Hand des Werkers spürbares und/oder hörbares Knacken sein, welches das Erreichen bzw. Überschreiten des vorgegebenen Anzugsmoments für die Verschraubung dem Werker anzeigt.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe befasst sich nun mit dem Problem, dass es wünschenswert ist, einen solchen manuell von einem Werker durchzuführenden Schraubvorgang zu automatisieren, ohne dass eine vollautomatisierte, maßgeschneiderte Roboterzelle aufgebaut werden muss und ohne dass ein spezielles vom Roboter steuerbares Schraubwerkzeug konstruiert werden muss. Vielmehr soll der Schraubvorgang unter einer weiterführenden Verwendung des manuellen Schraubwerkzeugs automatisiert erfolgen. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die manuelle Tätigkeit des Werkers nur zeitlich vorübergehend automatisiert werden soll, beispielsweise in Art einer sogenannten „Springertätigkeit”, wenn der Werker nur vorübergehend ausfällt und nur zeitlich begrenzt durch ein automatisiertes System ersetzt werden soll. Des Weiteren kann eine Automatisierung unter einer weiterführenden Verwendung des manuellen Schraubwerkzeugs sinnvoll sein, wenn beispielsweise die räumlichen Gegebenheiten des Arbeitsplatzes die Einrichtung einer abgesicherten Roboterzelle gar nicht zulässt, oder eine Automatisierung in einer solch kurzen Zeit beginnen soll, die eine Projektierung einer maßgeschneiderten, abgesicherten Roboterzelle nicht zulässt.
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Indem das Werkzeug als eine Schraubvorrichtung, insbesondere als eine zum manuellen Führen mit der Hand konzipiert Schraubvorrichtung ausgebildet ist, die ein Erfassungsmittel zum Erfassen und/oder Anzeigen eines von der Schraubvorrichtung auf eine Schraube oder eine Mutter aufgebrachten Drehmoments aufweist, und dabei die Robotersteuerung ausgebildet und/oder eingerichtet ist, zusätzlich ein mittels des Roboterarms abgestütztes Reaktionsmoment zu erfassen, welches durch ein von der Schraubvorrichtung auf die Schraube oder die Mutter aufgebrachtes Drehmoment in den Roboterarm eingeleitet wird, kann eine den Qualitätsanforderungen und/oder den Sicherheitsanforderungen genügende Verschraubung automatisch durchgeführt werden, bei Weiterverwendung einer als solches, d. h. an und für sich manuell handzuhabenden Schraubvorrichtung.
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Indem die Robotersteuerung ausgebildet und/oder eingerichtet ist, ein mittels des Roboterarms abgestütztes Reaktionsmoment zu erfassen, welches durch ein von der Schraubvorrichtung auf die Schraube oder die Mutter aufgebrachtes Drehmoment in den Roboterarm eingeleitet wird, erübrigt sich eine spezielle Anbindung oder Ankopplung des Erfassungsmittels der Schraubvorrichtung an die Robotersteuerung. Zwar kann weiterhin die mit der Schraubvorrichtung verbundene Schraubsteuerung das auf die Schraube oder die Mutter aufgebrachtes Drehmoment erfassen und/oder anzeigen, die aber sonst durch den handhabenden Werker erfolgende Überwachung der ordnungsgemäßen Erfassung des richtigen Drehmoments und/oder des Anzeigemittels der Schraubvorrichtung wird ersetzt durch eine automatische Überwachung durch die Robotersteuerung, indem die Robotersteuerung das besagte wenigstens eine Reaktionsmoment erfasst, auswertet und automatisch auf Grundlage eines so gewonnenen Ergebnisses eine zugeordnete, vorgegebene Aktion auslösen kann.
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Indem bei einem Roboterarbeitsplatz außerdem der Greifer zum universellen Halten unterschiedlichster Handschraubvorrichtungen ausgebildet ist und der Roboter wenigstens eine automatische Betätigungsvorrichtung umfasst, wodurch eine oder mehrere manuelle Betätigungsmittel der jeweilig gehaltenen Handschraubvorrichtung automatisch betätigt werden, können bereits vorhandene Handschraubvorrichtungen als robotergeführte Schraubwerkzeuge verwendet werden. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Roboterarbeitsplatz zur Mensch-Roboter-Kooperation eingerichtet ist.
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Roboterarme mit zugehörigen Robotersteuerungen, insbesondere Industrieroboter sind Arbeitsmaschinen, die zur automatischen Handhabung und/oder Bearbeitung von Objekten mit Werkzeugen ausgerüstet werden können und in mehreren Bewegungsachsen beispielsweise hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeitsablauf programmierbar sind. Industrieroboter weisen üblicherweise einen Roboterarm mit mehreren über Gelenke verbundene Glieder und programmierbare Robotersteuerungen (Steuervorrichtungen) auf, die während des Betriebs die Bewegungsabläufe des Roboterarms automatisch steuern bzw. regeln. Die Glieder werden über Antriebe, insbesondere elektrische Antriebe, die von der Robotersteuerung angesteuert werden, insbesondere bezüglich der Bewegungsachsen des Industrieroboters, welche die Bewegungsfreiheitsgrade der Gelenke repräsentieren, bewegt.
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Ein mehrere über Gelenke verbundene Glieder aufweisender Roboterarm kann als ein Knickarmroboter mit mehreren seriell nacheinander angeordneten Gliedern und Gelenken konfiguriert sein, insbesondere kann der redundante Industrieroboter einen Roboterarm mit sieben oder mehr Gelenken aufweisen.
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Roboterarme mit zugehörigen Robotersteuerungen, wie Industrieroboter können aber insbesondere sogenannte Leichtbauroboter sein, die sich zunächst von üblichen Industrierobotern dadurch unterscheiden, dass sie eine für die Mensch-Maschine-Kooperation günstige Baugröße aufweisen und dabei eine zu ihrem Eigengewicht relativ hohe Tragfähigkeit aufweisen. Daneben können Leichtbauroboter insbesondere auch kraft- und/oder momentgeregelt statt lediglich positionsgeregelt betrieben werden, was beispielsweise eine Mensch-Roboter-Kollaboration sicherer macht. Außerdem kann dadurch eine solche sichere Mensch-Maschine-Kollaboration erreicht werden, dass beispielsweise unbeabsichtigte Kollisionen des Roboterarmes mit Personen, wie beispielsweise Monteure in einer Fließfertigung von Kraftfahrzeugen entweder verhindert oder zumindest derart abgeschwächt werden können, so dass den Personen bzw. Monteuren kein Schaden entsteht. Ein solcher Roboterarm bzw. ein solcher Leichtbauroboter weist üblicherweise mehr als sechs Freiheitsgrade auf, so dass insoweit ein überbestimmtes System geschaffen wird, wodurch derselbe Punkt im Raum in gleicher Orientierung in mehreren, insbesondere sogar unendlich vielen verschiedenen Posen des Roboterarms erreicht werden kann. Der Leichtbauroboter kann auf externe Krafteinwirkungen in geeigneten Weisen reagieren. Zur Kraftmessung können Kraftsensoren verwendet werden, die in allen drei Raumrichtungen Kräfte und Drehmomente messen können. Alternativ oder ergänzend können die externen Kräfte auch sensorlos, beispielsweise anhand der gemessenen Motorströme der Antriebe an den Gelenken des Leichtbauroboters berechnet werden. Als Regelungskonzepte kann beispielsweise eine indirekte Kraftregelung durch Modellierung des Leichtbauroboters als mechanischer Widerstand (Impedanz) oder eine direkte Kraftregelung verwendet werden.
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Bei dem Roboter kann es sich insbesondere um einen redundanten Roboter handeln, unter dem ein mittels einer Robotersteuerung bewegbarer Roboterarm verstanden wird, der mehr manipulatorische Freiheitsgrade aufweist, als zur Erfüllung einer Aufgabe notwendig sind. Der Grad der Redundanz ergibt sich aus der Differenz der Anzahl von Freiheitsgraden des Roboterarms und der Dimension des Ereignisraums, in dem die Aufgabe zu lösen ist. Es kann sich dabei um eine kinematische Redundanz oder um eine aufgabenspezifische Redundanz handeln. Bei der kinematischen Redundanz ist die Anzahl der kinematischen Freiheitsgrade, im Allgemeinen die Anzahl der Gelenke des Roboterarms, größer als der Ereignisraum, welcher in einer realen Umgebung bei einer Bewegung im Raum durch die drei translatorischen und die drei rotatorischen Freiheitsgrade, also von sechs Freiheitsgrade gebildet wird. Ein redundanter Industrieroboter kann also beispielsweise ein Leichtbauroboter mit sieben Gelenken, insbesondere sieben Drehgelenken sein. Bei der aufgabenspezifischen Redundanz ist die Dimension der Aufgabenstellung hingegen kleiner als die Anzahl der kinematischen Freiheitsgrade des Roboterarms. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Roboterarm an seinem Handflansch ein sich um eine Werkzeug-Antriebsachse drehbares Werkzeug, wie eine erfindungsgemäße Schraubvorrichtung trägt und eine der Drehgelenke des Roboterarms entlang dieser Werkzeug-Antriebsachse ausgerichtet ist.
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Bei einem kraft- und/oder momentengeregelten Ansteuern der Gelenke des Roboterarms können die Gelenke des Roboterarms hinsichtlich ihrer Steifigkeit parametriert sein. In allen Ausführungen kann dazu das kraft- und/oder momentengeregelten Ansteuern von Antrieben des Roboterarms mittels Impedanzregelung oder Admittanzregelung erfolgen. Die Robotersteuerung kann eingerichtet sein, eine für die sichere Mensch-Roboter-Kooperation geeignete Nachgiebigkeit des Roboterarms insbesondere mittels Impedanzregelung oder Admittanzregelung zu erzeugen.
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Die erfindungsgemäße Schraubvorrichtung ist als ein Handwerkzeug ausgebildet und weist im Allgemeinen einen Handgriffabschnitt auf, so dass erfindungsgemäß vorgesehen sein kann, dass der Greifer des Roboterarms wenigstens einen an den Handgriffabschnitt der Schraubvorrichtung in seiner Form angepassten Haltekörper aufweist, welcher in einem Greifzustand, in dem der Greifer die Schraubvorrichtung hält, den Handgriffabschnitt der Schraubvorrichtung formschlüssig aufnimmt.
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Die manuelle Schraubvorrichtung kann beispielsweise ein handzuführender Impulsschrauber oder ein EC-Schrauber sein. Eine als EC-Schrauber bezeichnete Schraubvorrichtung kann als ein Handschraubgerät, beispielsweise in der Ausführung als ein Gerad- oder Winkelschrauber bzw. als ein Pistolenschrauber oder Stabschrauber ausgebildet sein. Die manuelle Schraubvorrichtung, insbesondere der EC-Schrauber weist einen Handgriff auf und ist mit einer integrierten Drehwinkel- und/oder Kraft- bzw. Drehmomenten-Messeinrichtung ausgestattet. In die Schraubvorrichtung, insbesondere in den EC-Schrauber kann eine Schraubersteuerung und/oder eine Auswertelektronik integriert sein. Alternativ kann eine externe Schraubersteuerung und/oder eine externe Auswertelektronik beispielsweise über ein Kabel mit der Schraubvorrichtung, insbesondere mit dem EC-Schrauber verbunden sein.
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Die Robotersteuerung kann ausgebildet und/oder eingerichtet sein, das Reaktionsmoment in einem Werkzeugbezugspunkt des Roboterarms zu erfassen und/oder aus anderweitig erfassten Reaktionsmomenten das resultierende Reaktionsmoment im Werkzeugbezugspunkt des Roboterarms zu bestimmen, insbesondere zu berechnen.
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Der Werkzeugbezugspunkt, der im Allgemeinen auch als Tool-Center-Point (TCP) bezeichnet werden kann, ist ein weitgehend frei wählbarer Punkt, der in allen Posen des Roboterarms einen festen Abstand und eine feste Orientierung bezüglich des Werkzeugs, in vorliegenden Falle bezüglich der Schraubvorrichtung einnimmt. Der Werkzeugbezugspunkt kann beispielsweise in einem Handflansch des Roboterarms oder auch innerhalb der Schraubvorrichtung liegen. Generell kann der Werkzeugbezugspunkt aber auch ein virtueller Punkt außerhalb des Handflansches und/oder der Schraubvorrichtung sein.
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Der Roboter kann wenigstens einen Kraft- und/oder Momentensensor aufweisen, welcher ausgebildet ist, das Reaktionsmoment zu erfassen.
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Der wenigstens eine Kraft- und/oder Momentensensor kann die Kräfte und/oder Momente beispielsweise direkt an dem Handflansch des Roboterarms erfassen. Dazu können beispielsweise geeignete Dehnmesstreifen an dem Handflansch angeordnet sein. Der wenigstens eine Kraft- und/oder Momentensensor ist mit der Robotersteuerung verbunden. Dies bedeutet, dass eine Messung und/oder Auswertung in der Robotersteuerung erfolgen kann.
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Jedes Gelenk des Roboterarms kann wenigstens einen Kraft- und/oder Momentensensor aufweisen, welcher ausgebildet ist, den an dem jeweiligen Gelenk abfallenden Drehmomentanteil des Reaktionsmoments zu erfassen.
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Aus den an den jeweiligen Gelenken abfallenden Kräften und/oder Momenten kann Grundlage der Pose des Roboterarms, d. h. auf Grundlage der Gelenkwinkelstellungen des Roboterarms ein am Handflansch des Roboterarms resultierendes Reaktionsmoment bestimmt, insbesondere berechnet werden. Im Falle eines Leichtbauroboters, beispielsweise des Typs KUKA LBR, der ein kraft-/momentengeregelter Roboter ist, können die bauartbedingt schon vorhandenen Kraft- und/oder Momentensensoren zur Bestimmung, insbesondere Berechnung des Reaktionsmoments verwendet werden.
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Der Roboterarm kann in allen Ausführungsvarianten Antriebsmotoren aufweisen, die ausgebildet sind, die Gelenk des Roboterarms durch die Robotersteuerung angesteuert zu bewegen und die Robotersteuerung kann dabei ausgebildet und/oder eingerichtet sein, das Reaktionsmoment und/oder die an den jeweiligen Gelenken des Roboterarms abfallenden Drehmomentanteile des Reaktionsmoments durch Erfassen und Auswerten der Motorströme der Antriebsmotoren zu bestimmen.
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Generell kann die Robotersteuerung ausgebildet und/oder eingerichtet sein, während eines Einschraubens oder Ausschraubens einer Schraube oder Mutter durch die Schraubvorrichtung die momentanen Reaktionsmomente über einen Zeitabschnitt hinweg im zeitlichen Ablauf zu erfassen, und insbesondere zeitbezogen und/oder drehwinkelbezogen zu speichern. Dadurch kann unabhängig einer möglichen Anzeige an der Schraubvorrichtung selbst und ohne ein Eingreifen oder Wahrnehmen durch einen Werker zu benötigen, die Robotersteuerung automatisch die Reaktionsmomente erfassen. Somit kann die Robotersteuerung auch automatisch das Anzugsmoment der Schraube oder Mutter bestimmen, insbesondere berechnen und automatisch den Schraubvorgang speichern, d. h. protokollieren und gegebenenfalls bei einer fehlerhaft ausgeführten Verschraubung eine vorgegebene Aktion auslösen.
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Wahlweise kann die Robotersteuerung oder eine mit der Robotersteuerung verbundene separate Steuerungsvorrichtung ausgebildet und/oder eingerichtet sein, das erfasste Reaktionsmoment, insbesondere die an dem jeweiligen Gelenk des Roboterarms abfallenden Drehmomentanteile des Reaktionsmoments, insbesondere deren zeitlichen Verläufe mit einem vorgegebenen Reaktionsmoment, vorgegebenen Drehmomentanteilen und/oder deren jeweiligen vorgegebenen zeitlichen Verläufe zu vergleichen und aus dem Vergleich ein den Schraubvorgang qualifizierendes Ergebnis zu erzeugen.
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In einer Weiterbildung kann die Robotersteuerung oder die mit der Robotersteuerung verbundene separate Steuerungsvorrichtung ausgebildet und/oder eingerichtet sein, bei einem den Schraubvorgang als fehlerhaft qualifizierendem Ergebnis eine Abbruchaktion auszulösen.
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Wenn ein Vergleich des während eines Schraubvorgangs aufgenommenen Reaktionsmomentenverlaufs mit einem vorgegebenen, ordnungsgemäßen Reaktionsmomentenverlauf ein den Schraubvorgang als fehlerhaft qualifizierendes Ergebnis liefert, dann kann die Robotersteuerung eine Abbruchaktion auslösen. Eine Abbruchaktion kann beispielsweise sein, dass die Robotersteuerung ein Steuersignal beispielsweise an eine übergeordnete Fabriksteuerung absetzt und gegebenenfalls auch ein Steuersignal an die Schraubersteuerung sendet, um an dem Anzeigemittel den fehlerhaften Schraubvorgang (NIO) beispielsweise durch Aufleuchten einer LED als fehlerhaft qualifiziertes Ergebnis anzuzeigen.
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In allen Ausführungsvarianten kann der Roboterarm einen mit einem der Glieder des Roboterarms, insbesondere mit einem Endglied des Roboterarms verbundenen Greifer aufweisen, der ausgebildet ist, die Schraubvorrichtung zu halten.
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Die Schraubvorrichtung kann insoweit einen Handgriffabschnitt aufweisen und der Greifer wenigstens einen an den Handgriffabschnitt der Schraubvorrichtung angepassten Haltekörper aufweisen, welcher in einem Greifzustand, in dem der Greifer die Schraubvorrichtung hält, den Handgriffabschnitt der Schraubvorrichtung formschlüssig aufnimmt.
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Die Schraubvorrichtung kann ein manuelles Betätigungsmittel zum Auslösen eines Schraubvorgangs aufweisen. Die Schraubvorrichtung kann ein dem Fachmann als solches bekannter EC-Schrauber sein. Insoweit ist die Schraubvorrichtung als solches eine an sich manuell handzuhabende Schraubvorrichtung. Das manuelle Betätigungsmittel kann demgemäß einerseits ein Schalter sein, welche durch einen Finger eines Benutzers manuell betätigt werden kann, um einen Antrieb der Schraubvorrichtung einzuschalten und auszuschalten, und/oder andererseits ein Schieber sein, welcher durch den Finger des Benutzers manuell verstellt werden kann, um einen Antrieb der Schraubvorrichtung anzusteuern, beispielsweise um die Drehzahl einzustellen. Der Greifer kann zum universellen Halten mehrerer unterschiedlicher Schraubvorrichtungen ausgebildet sein.
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Um auch in einem von dem Roboterarm gehaltenen und bewegten Zustand der Schraubvorrichtung die Schraubvorrichtung automatisch betätigen zu können, kann eine Betätigungsvorrichtungen in den Greifer integriert sein. Die Betätigungsvorrichtungen kann ein automatisch ansteuerbares Stellmittel aufweisen, das zum Betätigen des manuellen Betätigungsmittels der Schraubvorrichtung ausgebildet ist. Das automatisch ansteuerbare Stellmittel kann beispielsweise ein elektromechanisches Stellmittel, insbesondere ein elektrischer Hubmagnet sein, oder ein pneumatisches Stellmittel, insbesondere ein pneumatischer Hubzylinder oder ein hydraulisches Stellmittel, insbesondere ein hydraulischer Hubzylinder sein. Bei der Betätigungsvorrichtungen kann dessen Verbindungsmittel durch den Haltekörper des Greifers gebildet werden. Das Verbindungsmittel kann somit von dem manuellen Betätigungsmittel der Schraubvorrichtung lösbar sein, so dass die Schraubvorrichtung aus dem Greifer und damit aus dem Haltekörper zu entnehmen ist. Das Stellmittel kann mit der Robotersteuerung durch eine Steuerleitung verbunden sein, wobei die Robotersteuerung eingerichtet ist, durch automatisches Ansteuern des Stellmittels das manuelle Betätigungsmittel der vom Greifer gehaltenen Schraubvorrichtung automatisch zu betätigen.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Betätigungsvorrichtungen separate von dem Greifer angeordnet sein. Bei einer solchen Betätigungsvorrichtung kann dessen Verbindungsmittel durch eine Befestigungsmittel gebildet werden, das beispielsweise ein Spannband sein kann, an dem ein Halter befestigt ist, der das automatisch ansteuerbare Stellmittel trägt. Das separate Stellmittel kann dann mit der Robotersteuerung durch eine Steuerleitung verbunden werden, wobei die Robotersteuerung eingerichtet ist, durch automatisches Ansteuern des Stellmittels das manuelle Betätigungsmittel der vom Greifer gehaltenen Schraubvorrichtung automatisch zu betätigen.
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Die Schraubvorrichtung kann generell ein Gehäuse, ein im Gehäuse drehbar gelagertes Schraubmittel und einen das Schraubmittel antreibenden Motor aufweisen, der durch ein an der Schraubvorrichtung angeordnetes Betätigungsmittel ansteuerbar ist.
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Die Schraubvorrichtung kann mit einer Schraubersteuerung verbunden sein und/oder eine Schraubersteuerung aufweisen, insbesondere mit einer von der Robotersteuerung separaten Schraubersteuerung verbunden sein und/oder eine von der Robotersteuerung separate Schraubersteuerung aufweisen, welche Schraubersteuerung in diesen Fällen ausgebildet ist, den Motor der Schraubvorrichtung drehmomentenüberwacht anzusteuern.
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Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieses exemplarischen Ausführungsbeispiels können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder in Kombination betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Roboterarbeitsplatzes mit einem Roboter und einer von dem Roboterarm des Roboters gehaltenen Schraubvorrichtung,
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2 die Schraubvorrichtung gemäß 1 in Alleinstellung mit einer zugehörigen Schraubersteuerung und einem an der Schraubvorrichtung angeordnetem Anzeigemittel,
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3a eine grafische Darstellung eines Verlaufs von Reaktionsmomenten um die kartesischen Achsen X, Y und Z an einem Werkzeugbezugspunkt des Roboterarms aufgetragen über die Zeitdauer eines ordnungsgemäßen Schraubvorgangs, und
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3b eine grafische Darstellung eines Verlaufs von Reaktionsmomenten um die kartesischen Achsen X, Y und Z an einem Werkzeugbezugspunkt des Roboterarms aufgetragen über die Zeitdauer eines fehlerhaften Schraubvorgangs.
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Die 1 zeigt einen Roboterarbeitsplatz mit einem Roboter 1 in einer beispielhaften Ausführung als ein so genannter Leichtbauroboter. Der Roboter 1 weist einen Roboterarm 2 und eine Robotersteuerung 3 auf. Der Roboterarm 2 umfasst mehrere, im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels acht nacheinander angeordnete und mittels sieben Gelenke 4 drehbar miteinander verbundene Glieder 5 bis 12.
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Die Robotersteuerung 3 des Roboters 1 ist ausgebildet bzw. eingerichtet, ein Roboterprogramm auszuführen, durch welches die Gelenke 4 des Roboterarms 2 gemäß des Roboterprogramms automatisiert oder in einem Handfahrbetrieb automatisch verstellt bzw. drehbewegt werden können. Dazu ist die Robotersteuerung 3 mit ansteuerbaren elektrischen Antrieben verbunden, die ausgebildet sind, die Gelenke 4 des Roboters 1 zu verstellen.
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Ein Endglied 12 des Roboterarms 2, das auch als Roboterflansch bezeichnet wird, trägt einen Greifer 13. Der Greifer 13 ist ausgebildet, ein Werkzeug 14a in Form einer Schraubvorrichtung 14 zu halten, derart, dass die Schraubvorrichtung 14 durch Einstellen der Glieder 5 bis 12 des Roboterarms 2 im Raum zu halten und/oder zu bewegen ist.
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Die in 1 gezeigte Schraubvorrichtung 14 weist einen Handgriffabschnitt 15 auf. Der Greifer 13 des Roboterarms 2 ist ausgebildet, den Handgriffabschnitt 15 der Schraubvorrichtung 14 in einem Greifzustand formschlüssig aufzunehmen und dadurch festzuhalten. Der Greifer 13 kann dazu wenigstens einen an den Handgriffabschnitt 15 der Schraubvorrichtung 14 angepassten Haltekörper 16a, 16b aufweisen, welcher in einem Greifzustand, in dem der Greifer 13 die Schraubvorrichtung 14 hält, den Handgriffabschnitt 15 der Schraubvorrichtung 14 formschlüssig aufnimmt.
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Die Schraubvorrichtung 14 weist ein Gehäuse 17 auf. An dem Gehäuse 17 ist ein Schraubmittel 18 drehbar gelagert. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist das Schraubmittel 18 eine metrische Innensechskant-Stecknuss. Die Innensechskant-Stecknuss kann formschlüssig auf einen Kopf einer metrischen Schraube 20 aufgesetzt werden, so dass durch Drehen der Innensechskant-Stecknuss die formschlüssig umfasste Schraube 20 in eine Gewindebohrung eines beispielhaften Werkstücks 21 eingedreht werden kann. Das Schraubmittel 18 wird durch einen im Gehäuse 17 angeordneten Motor 19 angetrieben, d. h. gedreht.
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Die in der 2 in Alleinstellung gezeigte Schraubvorrichtung 14 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiel ein sogenannter EC-Schrauber, der ein Erfassungsmittel 22 zum Erfassen und/oder Anzeigen eines von der Schraubvorrichtung 14 auf die Schraube 20 (1) oder eine Mutter aufgebrachten Drehmoments aufweist. Das Erfassungsmittel 22 kann beispielsweise einen dem Fachmann als solches bekannten Kraft- und/oder Momentensensor aufweisen.
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Die Schraubvorrichtung 14 ist mit einer eigenen, von der Robotersteuerung 3 separaten Schraubersteuerung 23 verbunden, welche ausgebildet ist, den Motor 19 der Schraubvorrichtung 14 drehmomentenüberwacht anzusteuern. Die Schraubvorrichtung 14 ist als eine manuell zu betätigende Schraubvorrichtung 14 ausgebildet und weist dazu neben dem Handgriffabschnitt 15 ein manuelles Betätigungsmittel 24 auf, durch dessen Aktivierung das Schraubmittel 18 mittels der Schraubersteuerung 23 drehmomentenüberwacht ansteuerbar ist. Die manuelle Schraubvorrichtung 14 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Anzeigemittel 25 auf. Das Anzeigemittel 25 ist dabei ausgebildet, gesteuert durch die Schraubersteuerung 23 nach jedem erfolgten Schraubvorgang ein den Schraubvorgang als ordnungsgemäß (IO) oder fehlerhaft (NIO) qualifizierendes Ergebnis anzuzeigen. Dazu kann das Anzeigemittel 25 beispielsweise wenigstens zwei Leuchtmittel 26a und 26b aufweisen, die beispielsweise eine grüne LED und eine rote LED sein können.
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Unabhängig von dieser Schraubersteuerung 23 ist erfindungsgemäß die Robotersteuerung 3 (1) ausgebildet und/oder eingerichtet, zusätzlich wenigstens ein mittels des Roboterarms 2 abgestütztes Reaktionsmoment zu erfassen, welches durch ein von der Schraubvorrichtung 14 auf die Schraube 20 oder die Mutter aufgebrachtes Drehmoment in den Roboterarm 2 eingeleitet wird.
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Die Robotersteuerung 3 kann dabei ausgebildet und/oder eingerichtet sein, das Reaktionsmoment in einem Werkzeugbezugspunkt TCP des Roboterarms 2 zu erfassen und/oder aus anderweitig erfassten Reaktionsmomenten das resultierende Reaktionsmoment im Werkzeugbezugspunkt TCP des Roboterarms 2 zu bestimmen, insbesondere zu berechnen.
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Jedes Gelenk 4 des Roboterarms 2 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eines kraft-/momentgeregelten Leichtbauroboters wenigstens einen Kraft- und/oder Momentensensor 27 auf, welcher ausgebildet ist, den an dem jeweiligen Gelenk 4 abfallenden Drehmomentanteil des Reaktionsmoments zu erfassen.
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Die 3a zeigt eine grafische Darstellung eines Verlaufs von Reaktionsmomenten Mx, My, Mz um die kartesischen Achsen X, Y und Z an dem Werkzeugbezugspunkt TCP des Roboterarms 2 aufgetragen über die Zeitdauer t eines ordnungsgemäßen Schraubvorgangs. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die Koordinatenrichtung Z des Koordinatensystems im Werkzeugbezugspunkt TCP zumindest im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Schraubmittels 18 der Schraubvorrichtung 14 ausgerichtet. Das Reaktionsmoment Mz um die Koordinatenrichtung Z spiegelt also das während des Schraubvorgangs von dem Schraubmittel 18 auf die Schraube 20 oder die Mutter aufgebrachte Drehmoment wider. Während des Schraubvorgangs ist das Drehmoment nicht genau konstant und bildet deshalb keine Gerade, sondern einen Schwingungsartigen Verlauf. Ursache für derartige Schwingungen kann der sogenannte Stick-Slip-Effekt sein, bei dem zwischen dem feststehenden Bauteil und der sich drehenden Schraube oder Mutter ein wiederholter Übergang von Haftreibung und Gleitreibung entsteht. Dies wird auch als Rattern bezeichnet und stellt zunächst keinen Grund dar, eine Verschraubung als nicht ordnungsgemäß zu bewerten. In der 3a bei etwa 1500 Millisekunden beginnt die Schraube oder Mutter zu greifen, d. h. sie beginnt die Verschraubung festzuzieht, d. h. zu verspannen. Bei etwa 1700 Millisekunden ist das vorgegebene bzw. gewünschte Anzugsmoment von etwa –12 Newtonmeter Nm erreicht und die Schraubvorrichtung wird abgestellt, wodurch das gemessene Anzugsmoment bei ca. 2000 Millisekunden auf Null zurückkehrt, d. h. die Schraube oder Mutter von der Schraubvorrichtung freigegeben wird. Der Verlauf gemäß 3a entspricht also einem ordnungsgenmäßen Schraubvorgang.
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Die 3b zeigt eine grafische Darstellung eines Verlaufs von Reaktionsmomenten Mx, My, Mz um die kartesischen Achsen X, Y und Z an dem Werkzeugbezugspunkt TCP des Roboterarms 2 aufgetragen über die Zeitdauer t eines fehlerhaften Schraubvorgangs. Wie bei dem ordnungsgenmäßen Schraubvorgang gemäß 3a erfolgt auch hier in dem in 3b gezeigten fehlerhaften Schraubvorgang zunächst bis 1500 Millisekunden ein unauffälliger Reaktionsmomentenverlauf. Nach dem Zeitpunkt von etwa 1500 Millisekunden steigt das Drehmoment nicht mit der erwarteten hohen Steigung gemäß 3a an, sondern baut sich nur recht langsam auf uns zwar über eine deutlich längere Zeit von ca. 1200 Millisekunden Dauer (3b: 2700 ms – 1500 ms) statt der ordnungsgemäßen Dauer von ca. 200 Millisekunden Dauer (3a: 1700 ms – 1500 ms). Dieser über einen längeren Zeitraum stattfindende Drehmomentenaufbau kann beispielsweise als eine sich zunächst fressende und dann teilweise ausreißende Verschraubung interpretiert werden.
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Die Robotersteuerung 3 ist nun dazu ausgebildet und/oder eingerichtet, während eines Einschraubens oder Ausschraubens der Schraube 20 oder einer Mutter durch die Schraubvorrichtung 14 die momentanen Reaktionsmomente Mx, My, Mz im Werkzeugbezugspunkt TCP über einen Zeitabschnitt t hinweg im zeitlichen Ablauf zu erfassen, und insbesondere zeitbezogen und/oder drehwinkelbezogen zu speichern.
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Die Robotersteuerung 3 oder eine mit der Robotersteuerung 3 verbundene separate Steuerungsvorrichtung, wie beispielsweise die Schraubsteuerung 23 kann dabei ausgebildet und/oder eingerichtet sein, das erfasste Reaktionsmoment Mx, My, Mz, d. h. deren zeitlichen Verläufe, beispielsweise gemäß 3b mit einem vorgegebenen Reaktionsmoment Mx, My, Mz, d. h. deren zeitlichen Verläufe, beispielsweise gemäß 3a zu vergleichen und aus dem Vergleich (3a/3b) ein den Schraubvorgang qualifizierendes Ergebnis zu erzeugen.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels würde also ein Vergleich der Reaktionsmomentenverläufe gemäß 3b mit den ordnungsgemäßen, vorgegebenen Reaktionsmomentenverläufe gemäß 3a also ein den Schraubvorgang als fehlerhaft qualifizierendes Ergebnis liefern. In Folge dessen würde die Robotersteuerung 3 eine Abbruchaktion auslösen und zwar beispielsweise indem die Robotersteuerung 3 ein Steuersignal beispielsweise an eine übergeordnete Fabriksteuerung absetzt und beispielsweise auch ein Steuersignal an die Schraubersteuerung 23 sendet, um an dem Anzeigemittel 25 den fehlerhaften Schraubvorgang (NIO) durch Aufleuchten der LED 26b, wie in 2 dargestellt, als qualifizierendes Ergebnis anzuzeigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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