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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verschrauben von Gegenständen, insbesondere bei der Herstellung und/oder Montage von Fahrzeugen.
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Bei der Herstellung bzw. der Montage von Kraftfahrzeugen ist heutzutage ein hoher Automatisierungsgrad erreicht. Insbesondere beim Verschrauben von Fahrzeugteilen wie etwa von Teilen der Karosserie oder des Fahrgestells, des Motors oder des Antriebstrangs ist eine hohe Zuverlässigkeit bei der Einhaltung des an der jeweiligen Verschraubungsstelle vorgeschriebenen Drehmoments von hoher Wichtigkeit. Derartige Verschraubungen werden oft in manueller Arbeit durch Fachkräfte ausgeführt. Dabei ist es bekannt, die Durchführung und insbesondere Überwachung des Verschraubungsvorgangs nach dem Vier-Augen-Prinzip durchzuführen. Dabei betätigt eine Person das Verschraubungswerkzeug wie etwa einen Drehmomentschlüssel mit aufgesetzter Nuss, und eine zweite Person beobachtet und protokolliert das am Werkzeug angezeigte Drehmoment. Eine solche Verfahrensweise ist ersichtlich mit einem hohen Personaleinsatz und den damit verbundenen Kosten belastet.
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Ferner ist ein Schraubenschlüssel bekannt, der zur elektrischen Erfassung und Protokollierung des Drehmoments fähig ist. Damit kann eine Protokollierung der jeweils durchgeführten Verschraubungsfälle in ihrer Reihenfolge erreicht werden. Es ist damit jedoch nicht möglich, die protokollierten Verschraubungsfälle einem jeweiligen Verschraubungsort am Fahrzeug zuzuordnen. Damit im Nachhinein nachvollzogen werden kann, an welcher Stelle am Fahrzeug bzw. dem zu verschraubenden Gegenstand die jeweils protokollierten Drehmomente aufgetreten sind, ist auch hier eine manuelle Zuordnung, Aufzeichnung, Quittierung bzw. Protokollierung erforderlich.
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Aus der Medizintechnik ist es gemäß einer Eigenentwicklung der Anmelderin bekannt, Eingriffe am Körper mit Video zu überwachen, wobei vorzugsweise mit Infrarotbildern gearbeitet wird. Bei diesem System werden über MIP-Punkte ISO-Oberflächen aufgespannt, die gegeneinander überlagert werden. Für das System ist eine registrierte Videoüberlagerung von Realbildern und „Konstruktionsdaten“ nötig. Markierungen am Werkzeug erleichtern dabei die Zuordnung und das Nachvollziehen der vorgenommenen Operationsschritte.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verschrauben von oder an Gegenständen, insbesondere bei der Herstellung bzw. Montage von Fahrzeugen, zu schaffen, die es ermöglichen, die jeweils aufgebrachten Drehmomente unter Zuordnung zu den jeweils abgearbeiteten Verschraubungsorten mit geringerem Personalaufwand und ohne Veränderungen am zu verschraubenden Gegenstand zuverlässig zu protokollieren.
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Die vorstehende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
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Die vorliegende Erfindung geht von der Grundidee aus, einen Arbeitsbereich mit dem zu verschraubenden Gegenstand und einer Werkzeugeinheit die zum Schrauben von Schraubverbindungselementen ausgebildet ist, durch eine Bildaufnahmeeinheit zu überwachen und die aufgenommenen Bilder zu analysieren, um zumindest den Gegenstand und einen Verschraubungsort, an dem eine Verschraubung vorgenommen wird, zu erkennen und automatisch ein Protokoll zu erzeugen, in welchem der erkannte Gegenstand und Verschraubungsort sowie ein bei der Verschraubung aufgebrachtes und erfasstes Drehmoment miteinander in Bezug gebracht werden. Wahlweise können die Datensätze des Protokolls, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als Protokolltupel bezeichnet werden, auch Daten, welche die ebenfalls durch Bildanalyse erkannte Werkzeugeinheit wiedergeben, und/oder einen Zeitstempel, der eine Zeit, an welcher das Drehmoment aufgebracht wurde, und/oder anhand eines Arbeitsplans erzeugte Vorgaben hinsichtlich eines Verschraubungsorts an dem Gegenstand und/oder eines Schraubfalls und/oder einer Werkzeugauswahl aufweisen. Die Protokolltupel können auch zur Überwachung des Verschraubungsvorgangs, zur Überprüfung des Verschraubungserfolgs- und/oder Fortschritts, zur Rückmeldung von Vorgaben und/oder Überprüfungsergebnissen an einen Benutzer und zur Führung des Benutzers verwendet werden. Rückmeldungen können durch optische und/oder akustische Signalisierung und/oder Bildanzeige erfolgen.
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Bevorzugt werden die Protokolltupel erst dann gesichert, wenn festgestellt wurde, dass die Werkzeugeinheit von der Verschraubungsstelle entfernt wurde; und/oder die erfassten Daten hinsichtlich des Gegenstands und des Verschraubungsorts und des aufgebrachten Drehmoments, vorzugsweise auch hinsichtlich der Werkzeugeinheit, mit Vorgaben übereinstimmen; und/oder ein abgearbeiteter Schraubfall durch einen Benutzer quittiert wird. Eine Sicherung kann beispielsweise, aber nicht nur, als Ausdruck, dauerhafte Speicherung in einem nichtflüchtigen Speicher oder Datenträger, Übertragung an eine entfernte Verwaltungsstelle, etc. erfolgen. Das erfasste und in dem Protokolltupel, insbesondere in dem gesicherten Protokolltupel, enthaltene Drehmoment ist vorzugsweise ein maximales an dem Verschraubungsort aufgebrachtes Drehmoment Eine Vorrichtung zum Verschrauben von Gegenständen gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist
- – eine Werkzeugeinheit, die zum Schrauben von Schraubverbindungselementen ausgebildet ist,
- – eine Drehmomentausgabeeinrichtung, die ausgebildet ist, um das beim Schrauben mit der Werkzeugeinheit aufgebrachte Drehmoment auszugeben, und
- – eine Datenverarbeitungseinheit, die ausgebildet ist, Drehmomentdaten, welche das beim Schrauben aufgebrachte Drehmoment wiedergeben, zu erfassen, auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass
- – die Vorrichtung ferner eine Bildaufnahmeeinheit aufweist, welche ausgebildet ist, um ein Bild eines Arbeitsbereichs mit wenigstens einem Ausschnitt eines zu verschraubenden Gegenstands aufzunehmen und die aufgenommenen Bilddaten bereitzustellen, und
- – die Datenverarbeitungseinheit eine Bildanalyseeinheit aufweist, welche ausgebildet ist, um den Gegenstand, die Werkzeugeinheit und einen Verschraubungsort an dem Gegenstand in dem aufgenommenen Bild zu erkennen und einen Protokolltupel (p) mit Daten, welche den erkannten Verschraubungsort wiedergeben, und die erfassten Drehmomentdaten einander zugeordnet aufweist, zu erzeugen.
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Ein Verfahren zum Verschrauben von Gegenständen gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Schritte auf:
- – Aufnehmen eines Bildes eines Arbeitsbereichs mit wenigstens einem Ausschnitt eines zu verschraubenden Gegenstands;
- – Erkennen des Gegenstands und eines Verschraubungsorts an dem Gegenstand aus dem einen oder mehreren aufgenommenen Bildern;
- – automatisches Erfassen eines beim Schrauben durch die Werkzeugeinheit aufgebrachten Drehmoments;
- – Erzeugen eines Protokolltupels von Daten, die den Verschraubungsort und das Drehmoment einander zugeordnet wiedergeben.
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Als eine Werkzeugeinheit im Sinne der Erfindung kann jedwedes Verschraubungswerkzeug verstanden werden, das es ermöglicht, ein beim Verschrauben aufgebrachtes Drehmoment zu erfassen, zu messen, anzuzeigen, zu erkennen etc. Insbesondere kann die Werkzeugeinheit als sogenannter Drehmomentschlüssel ausgestaltet sein, der eine Hebeleinheit mit einer Werkzeugaufnahme aufweist, wobei in bzw. an der Werkzeugaufnahme ein auswechselbares Werkzeug aufgenommen bzw. aufnehmbar ist. Das auswechselbare Werkzeug kann etwa eine sogenannte Nuss oder ein sogenannter Bit, mit oder ohne Verlängerung, sein und ist für einen jeweiligen Schraubfall an das zu schraubende Schraubverbindungselement angepasst bzw. anpassbar. Weitere Beispiele für geeignete Werkzeugeinheiten sind beispielsweise, aber nicht nur, ein Schraubendreher oder ein Schlagschrauber.
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Die Anzeige des Drehmoments kann beispielsweise, aber nicht nur, durch eine optische Anzeige wie etwa einen Zeiger, eine Skala, eine Uhr oder eine Digitalanzeige und/oder und durch Sensieren und Übertragen von Messdaten, erfolgen. Dabei werden zur Erfassung des Drehmoments im letzteren Fall die Sensordaten an eine Datenverarbeitungseinheit drahtlos oder leitungsgebunden übertragen und dort ausgewertet, und wird im ersteren Fall das durch die Bildaufnahmeeinheit gelieferte Bild auch dahin ausgewertet, das durch die optische Anzeige angezeigte Drehmoment zu erkennen. Zum Sensieren des Drehmoments kann ein entsprechender Sensor vorgesehen sein. Die Drehmomentausgabeeinrichtung ist vorzugsweise in bzw. an der Hebeleinheit angeordnet
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In bevorzugten Ausführungsformen tragen die Werkzeugeinheit, insbesondere die Hebeleinheit und/oder das auswechselbare Werkzeug, eine Identifikationsmarkierung. Die Identifikationsmarkierung kann beispielsweise, aber nicht nur, einen Strichkode, einen Farbcode, einen 2D-Kode und/oder eine Lochmarkierung, aufweisen. Die Identifikationsmarkierung ermöglicht es, die Werkzeugeinheit anhand der Identifikationsmarkierung zu erkennen. Die Identifikationsmarkierung kann an einer auswechselbaren Markierungseinheit angebracht sein, welche an geeigneter Stelle an der Werkzeugeinheit angebracht bzw. anbringbar ist.
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Eine Trägereinheit, welche wenigstens die Bildaufnahmeeinheit trägt, kann vorzugsweise in Form eines Brillengestells, einer Schutzbrille, eines Schutzhelms, eines Stirnbands oder Teil eines Kleidungsstücks wie etwa einer Schulterklappe, eines Kragens oder eines Gürtels ausgebildet sein oder Befestigungselemente zur Anbringung an einer Brille, einer Schutzbrille, einem Schutzhelm, einem Stirnband oder an einem Kleidungsstück wie etwa an einer Schulterklappe, einem Kragen, einem Gürtel aufweisen. Damit kann ein Verwender die Bildaufnahmeeinheit am Körper tragen. Wenn die Bildaufnahmeeinheit am Kopf getragen wird, folgt eine Bilderfassung in vorteilhafter Weise den Kopfbewegungen des Verwenders.
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Vorzugsweise ist die Bildaufnahmeeinheit ausgebildet, um ein räumliches Bild zu erzeugen. Hierzu weist die Bildaufnahmeeinheit insbesondere eine erste Bilderfassungseinheit und eine zweite Bilderfassungseinheit, die räumlich getrennt voneinander angeordnet sind, auf.
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Es versteht sich, dass das Verfahren für eine Vielzahl von Verschraubungsorten bzw. Schraubfällen wiederholt werden kann.
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Die Erkennung des Gegenstands erfolgt vorzugsweise anhand vorgegebener, ortsunveränderlicher erster Erkennungspunkte an dem Gegenstand, wobei die ersten Erkennungspunkte durch Vergleich mit einem vorab gespeicherten Modell des Gegenstands erkannt werden, und wobei die ersten Erkennungspunkte vorzugsweise dem Gegenstand immanent sind. Die Erkennung des Verschraubungsorts erfolgt vorzugsweise anhand vorgegebener, ortsunveränderlicher zweiter Erkennungspunkte an der Werkzeugeinheit, wobei die zweiten Erkennungspunkte durch Vergleich mit einem vorab gespeicherten Modell der Werkzeugeinheit erkannt werden, wobei die zweiten Erkennungspunkte vorzugsweise der Werkzeugeinheit immanent sind. Dabei kann das Modell jeweils aus Konstruktionsdaten wie etwa CAD-Daten abgeleitet oder durch vorheriges Anlernen erzeugt werden.
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Vorzugsweise ist das Bild ein räumliches Bild, welches durch zwei räumlich getrennte Bilderfassungseinheiten aufgenommen wird. Dabei kann zur Erkennung des Gegenstands eine durch die relative räumliche Lage der zwei Bilderfassungseinheiten definierte Geometriereferenz verwendet werden.
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Weitere Merkmale, Aufgaben, Vorteile und Wirkungen der vorliegenden Erfindungen werden aus der nachstehenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele ersichtlich werden. Zur Veranschaulichung der Ausführungsbeispiele wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen. Dabei ist:
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1 ein Blockschaubild zur Veranschaulichung einer Vorrichtung zum Verschrauben von Gegenständen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Ansicht einer Werkzeugeinheit, die in dem Ausführungsbeispiel verwendet werden kann;
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3 eine räumliche Ansicht einer auswechselbaren Markierungseinheit zum Anbringen einer Identifikationsmarkierung an der Werkzeugeinheit von 2;
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4 eine räumliche Ansicht einer Bildaufnahmeeinheit mit einer Trägereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine räumliche Ansicht einer Bildaufnahmeeinheit mit einer Trägereinheit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine Ansicht einer Bildaufnahmeeinheit mit einer Trägereinheit gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 eine schematische Darstellung einer Verschraubungssituation zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Verschrauben von Gegenständen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 ein Prinzipschaubild, welches ausgewählte Punkte in der in 7 gezeigten Situation in einem Koordinatensystem schematisch darstellt; und
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9 ein Blockschaubild zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Verschrauben von Gegenständen gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden. Dabei ist zu verstehen, dass die bildlichen Darstellungen rein schematisch und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Ebenso ist darauf hinzuweisen, dass die Zeichnungen und die nachfolgende Beschreibung sich auf die zum Verständnis der Erfindung hilfreichen Merkmale konzentrieren, ohne dass dadurch der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, der allein durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, eingeschränkt werden soll.
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1 ist ein Blockschaubild, welches eine Vorrichtung zum Verschrauben von Gegenständen in einem Verschraubungsfall schematisch veranschaulicht. Zur Durchführung einer Verschraubung an einem Gegenstand 100 wird eine Vorrichtung verwendet, die mehrere Elemente aufweist, nämlich eine Werkzeugeinheit 200, eine Bildaufnahmeeinhit 300, seine Datenverarbeitungseinheit 400 und eine Bildausgabeeinheit 500.
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Gemäß der Darstellung in 1 weist der Gegenstand 100 eine Mehrzahl von Referenzpunkten 110 sowie einen Verschraubungsort 120 auf. Die Referenzpunkte 110 sind unveränderliche Erkennungspunkte an dem Gegenstand 100, die durch die Konstruktion des Gegenstands 100 vorgegeben sind. Charakteristische Konstruktionsdaten, welche die Erkennung und räumliche Zuordnung der Referenzpunkte 110 am Gegenstand 100 aus einer bildlichen Darstellung ermöglichen, sind in einem Datenmodell 440, das nachstehend genauer zu beschreiben sein wird, vorgegeben und gespeichert. Der Verschraubungspunkt 120 ist durch einen Arbeitsplan vorgegeben und mit dem Verschraubungsfall verknüpft. Der Verschraubungsort 120, der in 1 dargestellt ist, ist vorzugsweise nur einer von vielen Verschraubungsorten, die gemäß dem Arbeitsplan abzuarbeiten sind. Ferner können mehr als drei Referenzpunkte an dem Gegenstand 100 definiert sein, zur räumlichen Orientierung sind jedoch mindestens Referenzpunkte 110 erforderlich.
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Zur Verschraubung an dem Gegenstand 100 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Schraube 150 vorgesehen. Gemäß der Darstellung in 1 wird zur Verschraubung eine Werkzeugeinheit 200 verwendet, die einen Drehmomentschlüssel und eine an die Schraube bzw. den Schraubenkopf der Schraube 150 angepasste Nuss 250 aufweist. Der Drehmomentschlüssel weist einen Hebelarm 210, einen Zapfen 220 zur Koppelung mit der Nuss 250 und eine Drehmomentanzeige 230 auf. An dem Hebelarm 210 ist eine Markierungseinheit 240 mit einer Identifikationsmarkierung angebracht. Die Identifikationsmarkierung ist so gestaltet, dass sie den Drehmomentschlüssel 200 eindeutig von anderen Werkzeugen unterscheidbar kennzeichnet und wird später anhand eines spezifischen Beispiels der Markierungseinheit 240 näher beschrieben. Der Drehmomentschlüssel wird als eine Werkzeugeinheit 200 im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, wobei der Hebelarm 210 als eine Hebeleinheit, die Drehmomentanzeige 230 als eine Drehmomentausgabeeinrichtung, der Zapfen 220 als eine Werkzeugaufnahme und die Nuss 250 als ein auswechselbares Werkzeug verstanden wird. Der Zapfen 220 weist in an sich bekannter und üblicher Weise einen viereckigen Querschnitt auf, der mit einer viereckigen Vertiefung in der Nuss 250 zusammenpasst, und kann ein Federelement (nicht näher dargestellt) an einer Seite aufweisen, die mit einer seitlichen Innenwandung der Vertiefung in der Nuss 250 zusammenwirkt, um die Nuss 250 mit dem Zapfen 220 verliersicher, aber lösbar zu koppeln. Der Zapfen 220 kann ferner in einer Ratscheneinheit (nicht näher dargestellt) gelagert sein, was ein quasi-kontinuierliches Schrauben ohne wiederholtes Absetzen und Neu-Ansetzen des Werkzeuges ermöglicht.
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Die Drehmomentanzeige 230 weist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine optische Anzeige 232 sowie einen Funksender 234 auf, was sowohl ein visuelles Ablesen des aufgebrachten Drehmoments als auch eine Übertragung des Drehmoments in Form von Messwertdaten bzw. -signalen an einen entsprechend eingerichteten Funkempfänger ermöglicht. Alternativ kann anstelle eines Funksenders auch eine Kabelschnittstelle oder ein angesetztes Kabel vorgesehen sein, um Messwertdaten bzw. -signale kabelgebunden zu übertragen. Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung auch nur mit einer der optischen Anzeige und des Funksenders bzw. der Kabelschnittstelle/des Übertragungskabels funktioniert. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung kommt es im Wesentlichen darauf an, das Drehmoment, das mit der Werkzeugeinheit beim Schrauben aufgebracht wird, in irgendeiner Form wahrnehmbar oder empfangbar auszugeben.
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Gemäß der Darstellung in 1 weist die Bildaufnahmeeinheit 300 als wesentliche Bestandteile eine Kameraeinheit 310, eine Steuereinheit 320 und eine Funkschnittstelle 305 auf. Die Kameraeinheit 310 ist ausgebildet und ausrichtet, um wenigstens einen Ausschnitt des Gegenstands 100 mit den Referenzpunkten 110 und dem Verschraubungsort 120 aufzunehmen, und liefert Bilddaten der aufgenommenen Bilder an die Steuereinheit 320. Die Steuereinheit 320 ist ausgebildet, um Bilddaten von der Kameraeinheit 310 zu empfangen und kann ausgebildet sein, um Steuerdaten an die Kameraeinheit 310 zu senden, um Aufnahmeparameter wie beispielsweise eine Fokussierung, eine Blende, eine Tiefenschärfe oder einen Bildausschnitt einzustellen. Die Steuereinheit 320 ist ferner mit der Funkschnittstelle 305 gekoppelt, und liefert dieser die von der Kameraeinheit 310 empfangenen Bilddaten so, dass die Funkschnittstelle 305 die aufgenommenen Bilddaten einer Gegenstelle bereitstellen kann.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Bildaufnahmeeinheit 300 ferner einen Laserpointer 330 als eine Laser-Zeigevorrichtung, eine Lautsprechereinheit 340 als eine akustische Ausgabeeinheit und eine Leuchtdiodeneinheit 350 als eine optische Ausgabeeinheit auf. Der Laserpointer 330, die Lautsprechereinheit 340 und die Leuchtdiodeneinheit 350 sind datentechnisch mit der Steuereinheit 320 gekoppelt, wobei die Steuereinheit 320 ausgebildet ist, um Steuerdaten an den Laserpointer 330, die Lautsprechereinheit 340 und die Leuchtdiodeneinheit 350 auszugeben.
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Gemäß der Darstellung in 1 weist die Datenverarbeitungseinheit 400 eine Funkschnittstelle 405, eine Steuereinheit 410, eine Bilddatenerfassungseinheit 420, eine Messdatenerfassungseinheit 430, eine Modelldatenspeichereinheit 440, eine Bildanalyseeinheit 450, eine Zeitgebereinheit 460, eine Protokolliereinheit 470, eine Arbeitsplan-Speichereinheit 480, eine Vorgabeeinheit 485 und eine Rückmeldungserzeugungseinheit 495 auf.
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Wie in 1 gezeigt, ist die Funkschnittstelle 405 ausgebildet, um eine drahtlose Daten- bzw. Signalübertragungsverbindung mit der Drehmomentausgabeeinrichtung 230 der Werkzeugeinheit 200 und der Funkschnittstellt 305 der Bildaufnahmeeinheit 300 zu etablieren und aufrecht zu erhalten. Die Steuereinheit 410 ist mit der Funkschnittstelle 405 gekoppelt und ist ausgebildet, um von der Bildaufnahmeeinheit 300 über die Funkschnittstelle 405 empfangene Bilddaten an die Bilddatenerfassungseinheit 420 zu liefern und von der Drehmomentausgabeeinrichtung 230 über die Funkschnittstelle 405 empfangene Drehmomentdaten an die Messdatenerfassungseinheit 430 zu liefern sowie Rückmeldungsdaten von der Rückmeldungserzeugungseinheit 495 zu empfangen.
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Die Bilddatenerfassungseinheit 420 ist ausgebildet, um Bilddaten von der Steuereinheit 410 zu empfangen und gegebenenfalls temporär und/oder dauerhaft zu speichern und der Bildanalyseeinheit 450 bereitzustellen. Die Modelldatenspeichereinheit 440 ist ausgebildet, um Modelldaten, welche konstruktive und geometrischen Charakteristika des Gegenstands 100 mit dessen unveränderlichen Referenzpunkten (110, 1), der Werkzeugeinheit 200 bzw. deren Identifizierungsmerkmale zu speichern und der Bildanalyseeinheit 450 bereitzustellen. Die Bildanalyseeinheit 450 ist ausgebildet, um den Gegenstand 100, die Werkzeugeinheit 200 und den Verschraubungsort 120 an dem Gegenstand 100 durch einen Vergleich der von der Bilddatenerfassungseinheit 420 gelieferten Bilddaten mit den von der Modelldatenspeichereinheit 440 gelieferten Modelldaten automatisch zu erkennen und Daten, welche den erkannten Verschraubungsort und vorzugsweise die erkannte Werkzeugeinheit wiedergeben, der Protokollerzeugungseinheit 470 bereitzustellen.
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Die Messdatenerfassungseinheit 430 ist ausgebildet, um von der Steuereinheit 410 empfangene Drehmomentdaten zu erfassen, gegebenenfalls vorübergehend und/oder dauerhaft zu speichern und der Protokollerzeugungseinheit 470 bereitzustellen.
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Die Protokollerzeugungseinheit 470 ist ausgebildet, aus den von der Bildanalyseeinheit 450 gelieferten Daten bezüglich des Verschraubungsorts und vorzugsweise der erkannten Werkzeugeinheit, den von der Messdatenerfassungseinheit 430 gelieferten Drehmomentdaten und von der Zeitgebereinheit 460 gelieferten Zeitstempeln jeweilige Protokolltupel p zu erzeugen, einem Protokollspeicher 275 zur Sicherung zuzuführen und der Überprüfungseinheit 490 bereitzustellen. Die von der Protokollerzeugungseinheit 470 erzeugten Protokolltupel können ferner Vorgabedaten beinhalten, die von der Vorgabeerzeugungseinheit 485 geliefert werden. Die Vorgabeerzeugungseinheit 485 ist ausgebildet, um anhand eines der Arbeitsplanspeichereinheit 480 entnommenen Arbeitsplans Vorgabedaten zu erzeugen und diese der Protokollerzeugungseinheit 470 und der Überprüfungseinheit 490 bereitzustellen. Zur Synchronisierung mit dem tatsächlichen Arbeitsablauf kann die Vorgabeerzeugungseinheit 485 auch mit der Zeitgebereinheit 460 und der Bildanalyseeinheit 450 gekoppelt sein. So kann die Vorgabeerzeugungseinheit 485 beispielsweise anhand eines von der Zeitgebereinheit 460 gelieferten Zeit an einem Arbeitstakt orientierte Vorgabedaten erzeugen oder kann anhand eines von der Bildanalyseeinheit 450 gelieferten Verschraubungsort flexibel an eine individuell gewählte Arbeitsreihenfolge angepasste Vorgabedaten liefern.
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Die Überprüfungseinheit 490 ist ausgebildet, die (noch nicht gesicherten) Protokolltupel p dahin zu überprüfen, ob die von der Vorgabeerzeugungseinheit 485 gelieferten Vorgaben erreicht sind oder nicht, und ein entsprechendes Überprüfungsergebnis der Rückmeldungserzeugungseinheit 495 bereitzustellen. Die Sicherung der Prokolltupel p in dem Protokollspeicher 475 kann an die Bedingung geknüpft sein, dass die von der Vorgabeerzeugungseinheit 485 gelieferten Vorgaben zumindest hinsichtlich des Verschraubungsorts und des erfassten Drehmoments erreicht sind. Die Sicherung des Protokolltupels p kann auch durch manuelle Quittierung durch einen Verwender ausgelöst werden. Ferner kann eine Sicherung eines Protokolltupels p bei Abbruch des Verschraubungsvorgangs, etwa wenn das Werkzeug von der Schraube 150 abgesetzt wird, automatisch erfolgen.
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Die Rückmeldungserzeugungseinheit 495 ist ausgebildet, von der Protokollerzeugungseinheit 470 gelieferte Protokolltupel, und von der Vorgabeerzeugungseinheit 485 gelieferte Vorgabedaten und von der Überprüfungseinheit 490 gelieferte Überprüfungsergebnisse zu empfangen, hieraus eine Rückmeldung zu erzeugen und diese der Steuereinheit 410 bereitzustellen. Die Steuereinheit 410 ist ferner ausgebildet, um von der Rückmeldungserzeugungseinheit 495 empfangene Rückmeldungen über die Funkschnittstelle 405 der Bildaufnahmeeinheit 300 sowie einer nachstehend zu beschreibenden Bildausgabeeinheit 500 bereitzustellen.
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Die Steuereinheit 320 der Bildaufnahmeeinheit 300 kann ausgebildet sein, um über die Funkschnittstelle 305 von der Datenverarbeitungseinheit 400 empfangene Rückmeldungen in Steuersignale an den Laserpointer 330, die Lautsprechereinheit 340, die Leuchtdiodeneinheit 350 und/oder die Kameraeinheit 310 umzusetzen. Daraufhin kann beispielsweise über die Lautsprechereinheit 340 die Rückmeldung in akustischer Form ausgegeben werden, kann über die Leuchtdiodeneinheit 350 ein optisches Bestätigungs- oder Warnsignal ausgegeben werden und/oder kann die Kameraeinheit 310 Bildaufnahmeparameter ändern. Sofern die von der Rückmeldungserzeugungseinheit 495 erzeugte Rückmeldung Vorgabedaten enthält, kann auch die Laserpointereinheit 330 einen auf den zu bearbeitenden Verschraubungsort 120 gerichteten Laserstrahl erzeugen, um eine Person an den entsprechenden Verschraubungsort 120 zu leiten.
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Die vorstehend erwähnte Bildausgabeeinheit 500 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein Tablet-PC vorgesehen, der eine Funkschnittstelle 510, eine Bildschirmeinheit 520 und eine Lautsprechereinheit 530 aufweist. Anhand der über die Funkschnittstelle 510 empfangenen Rückmeldung können, wie vorliegend dargestellt, Vorgabewerte für die zu wählende Schraube 150 sowie das hierfür vorgeschriebene Drehmoment (Anzugsmoment) ausgegeben werden.
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Es versteht sich, dass das vorstehend beschriebene Prinzip viele Variationen und Optionen ermöglicht. Beispielsweise können eine grüne, eine rote und gegebenenfalls eine gelbe Leuchtdiode der Leuchtdiodeneinheit 350 der Bildaufnahmeeinheit 300 angesteuert werden, um ein Arbeitsergebnis einem Benutzer farbkodiert zu vermitteln. Beispielsweise kann das richtige Positionieren der Werkzeugeinheit 200 durch eine gelbe Illuminierung und das richtige erreichte Anzugsmoment durch eine grüne Illuminierung angezeigt werden. Durch Flackern mit unterschiedlicher Frequenz in gelber Farbe kann beispielsweise eine Annäherung an das vorgeschriebene Anzugsmoment, durch Flackern in roter Farbe ein zu hoher Anzugsmoment signalisiert werden. Zusätzlich kann auf dem Bildschirm 520 der Bildausgabeeinheit 500 der Arbeitserfolg durch eine Textnachricht oder eine farbliche Unterlegung angezeigt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel des Drehmomentschlüssels (Werkzeugeinheit) 200 ist in 2 genauer dargestellt, und die Markierungseinheit 240 zur Verwendung an der Werkzeugeinheit 200 ist in 3 dargestellt. Dabei ist 2 eine Draufsicht der Werkzeugeinheit 200 (Drehmomentschlüssel), und 3 ist eine räumliche Ansicht der Markierungseinheit 240 in Form einer Manschette.
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Wie in 2 gezeigt, ist die Drehmomentanzeige 230 in Form einer Digitalanzeige ausgeführt. Die Digitalanzeige der Drehmomentanzeige 230 ist durch die Kameraeinheit 310 der Bildaufnahmeeinheit 300 (1) gut erkennbar. Die Markierungseinheit 240 ist an der Hebeleinheit 210 nahe der Werkzeugaufnahme 220 angebracht. Alternativ zu einer Digitalanzeige kann das aufgebrachte Drehmoment auch durch ein Zeigerinstrument oder einen sich mit der Hebeleinheit 210 nicht mitverformenden Ausleger, gegebenenfalls in Verbindung mit einer an dem Hebelarm 210 angebrachten Skala, die sich bei Verformung des Hebelarms 210 an dem Ausleger entlang bewegt bzw. verschiebt, oder jeder andere geeignete optische Darstellungsweise angezeigt werden.
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Wie in 3 gezeigt, ist die Markierungseinheit 240 in Form einer zweischaligen Manschette mit einem Oberteil 242 und einem Unterteil 243, die durch eine Reihe von Schrauben 244 verbunden sind, um die Markierungseinheit 240 an den Hebelarm 210 festzuklemmen, ausgebildet.
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Die Markierungseinheit 240 trägt ferner eine Identifikationsmarkierung in Form einerseits eines Strichcodes 246 und andererseits einer Lochmarkierung bzw. Lochkodierung 248. Beide Markierungsarten sind durch die Kameraeinheit 310 der Bildaufnahmeeinheit 300 gut ablesbar.
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Zum bequemen Mitführen der Bildaufnahmeeinheit 300 durch einen Benutzer kann eine Trägereinheit vorgesehen sein, an welcher die Bildaufnahmeeinheit 300 kompakt oder verteilt am Körper getragen werden kann.
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Einige konkrete Ausführungsbeispiele für die Bildaufnahmeeinheit 300 mit Trägereinheit 600 sind in 4 bis 6 schematisch dargestellt.
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Gemäß der Darstellung in 4 ist die Trägereinheit 600 gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel in Form einer Schutzbrille ausgeführt. Diese Schutzbrille weist eine Maskeneinheit 622, welche Schutzgläser 624 einfasst, und ein hinter dem Kopf anliegendes elastisches Band 626 auf, wobei das Band 626 durch eine Verschlusseinheit 628 verstellbar ist. Die Bildaufnahmeeinheit 300 ist in diesem Ausführungsbeispiel seitlich an einem Übergang zwischen der Maskeneinheit 622 und dem elastischen Band 626 angebracht.
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Gemäß der Darstellung in 5 ist die Trägereinheit 600 gemäß einem weiteren konkreten Ausführungsbeispiel in Form einer Schutzbrille mit einem Rahmen 642, der zwei Schutzgläser 644 aufnimmt, und zwei Bügeln 646, 646 ausgeführt, wobei die Bildaufnahmeeinheit 300 verteilt an der Trägereinheit 600 angeordnet ist. So ist jeweils eine Kameraeinheit 310 an dem rechten bzw. linken Bügel 646, 646 angebracht sind, ist eine Lautsprechereinheit 340, deren Gehäuse auch die Steuereinheit 320 und die Funkschnittstelle 305 (1) aufnimmt, an dem linken Bügel 646 angebracht, und ist eine Leuchtdiodeneinheit 350 mit drei verschiedenfarbigen Leuchtdioden, die an einem Nasenwurzelteil des Rahmens 642 angebracht bzw. eingebaut. Eine Verkabelung 648 zwischen den Kameraeinheiten 310, der Leuchtdiodeneinheit 350 und der Lautsprechereinheit 340 mit Funkschnittstelle 305 und Steuereinheit 320 ist am oberen Rand des Rahmens 642 integriert.
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Gemäß der Darstellung in 6 ist eine Trägereinheit 600 gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Schutzhelm 660 ausgebildet, an dessen Seiten jeweils eine Kameraeinheit 310 angebracht ist. Die Kameraeinheiten 310 können fest montiert sein, sie können an einer am Helm 660 integrierten Halterung angebracht sein, oder sie können mit einer Halterung integriert sein, die an dem Helm 660 anbringbar ist. Die weitere Gerätetechnik der Bildaufnahmeeinheit 300 kann in einer der Kameraeinheiten 310, auf beide Kameraeinheiten 310 verteilt oder in den Schutzhelm 660 integriert sein.
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7 ist eine räumliche schematische Darstellung einer Einsatzsituation im Sinne der vorliegenden Erfindung. Ein Benutzer 700 nimmt mithilfe des Drehmomentschlüssels 200 eine Verschraubung an einer Verschraubungsstelle 120 an einem Gegenstand 100, hier einem Kraftfahrzeug, vor. Der Benutzer 700 trägt eine Bildaufnahmeeinheit 300 mittels einer Trägereinheit 600 in Form eines Helms (vgl. 6). Drei Referenzpunkte 110, die konstruktiv vorgegeben und an sich unveränderlich sind, sind an dem Gegenstand 100 vorgegeben. An der Werkzeugeinheit 200 (Drehmomentschlüssel) sind drei Referenzpunkte 710 konstruktiv und/oder durch Markierungseinheit (240, 3) vorgegeben bzw. identifizierbar.
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Wie in 7 ersichtlich, ist in dem dargestellten Anwendungsfall die Verschraubungsstelle 120 hinter Konstruktionselementen des Gegenstands 100 verborgen. Dennoch ist es möglich, anhand der Referenzpunkte 110 des Gegenstands 100 und der Referenzpunkte 710 der Werkzeugeinheit 200 festzustellen, an welcher Stelle am Gegenstand 100 die Werkzeugeinheit 200 ansetzt.
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Dieser Vorgang wird nachstehend anhand eines Prinzipschaubilds, das in 8 gezeigt ist, näher beschrieben werden. In 8 sind die Referenzpunkte 110 des Gegenstands 100 sowie die Referenzpunkte 710 der Werkzeugeinheit 200 in einem virtuellen Raum 800 dargestellt. Wie in 8 gezeigt, spannen die Referenzpunkte 110 des Gegenstands 100 ein erstes Referenzdreieck 810 auf, das eine erste Referenzebene 815 definiert, auf. Des Gleichen spannen die Referenzpunkte 710 der Werkzeugeinheit 200 ein zweites Referenzdreieck 820, das eine zweite Referenzebene 825 definiert, auf. Die Referenzpunkte 110, 710 werden von den Kameraeinheiten 310 der Bildaufnahmeeinheit 300 erfasst. Da die Kameraeinheiten 310 räumlich voneinander beabstandet sind, kann aus den gewonnenen Bilddaten eine Zuordnung der Referenzpunkte 110, 710 zu Koordinaten X1, X2, X3 des virtuellen Raums 800 erfolgen, womit die absolute Lage des Gegenstands 100 und der Werkzeugeinheit 820 in virtuellem Raum 800 sowie die relative Lage zwischen dem Gegenstand 100 und der Werkzeugeinheit 200 vollständig definiert sind. Es versteht sich, dass die hierfür erforderlichen mathematischen Vorgänge einschließlich der Erzeugung eines mathematischen Modells des Gegenstands 100 mit seinen Referenzpunkten 110, eines mathematischen Modells der Werkzeugeinheit 200 mit ihren Referenzpunkten 710, die Erzeugung einer räumlichen Abbildung aus zwei stereoskopischen Bildern und deren Zuordnung zu Koordinaten in einem virtuellen Raum in der Technik ebenso wohlbekannt sind wie die Techniken einer Bildanalyse, die zum Vergleich gelieferter Bilddaten mit dem vorher erzeugten und gespeicherten Modell herangezogen werden können, und daher an dieser Stelle nicht beschrieben werden müssen, sondern stattdessen auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen werden kann.
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9 ist ein Blockschaubild zur Veranschaulichung von Prozessabläufen in der Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschrauben von Gegenständen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 9 symbolisiert ein Bereich 910 eine physikalische Produktionsebene, symbolisiert ein Bereich 920 eine Datenverarbeitungsebene und symbolisiert ein Bereich 930 eine Werkzeugdatenebene. Eine erste Schnittstellenebene 921 stellt eine Verknüpfung zwischen der physikalischen Produktionsebene 910 und der Datenverarbeitungsebene 920 her, und eine zweite Schnittstellenebene 923 stellt eine Verknüpfung zwischen der Werkzeugebene 930 und der Datenverarbeitungsebene 920 her. Die physikalische Ebene 910 kann im Wesentlichen mit dem in Produktion stehenden Gegenstand 100 Bildaufnahmeeinheit 300 und der Bildausgabeeinheit 500 in 1 verglichen werden, die Datenverarbeitungsebene 920 kann im Wesentlichen mit der Datenverarbeitungseinheit 400 von 1 gleichgesetzt werden, und die Werkzeugebene 930 kann im Wesentlichen mit der Werkzeugeinheit 200 verglichen werden. Die Schnittstellenebene 921 kann dabei mit den Funkschnittstellen 305, 405, 510 und zugehörigen Funkübertragungsstrecken in 1 verglichen werden, und die Schnittstellenebene 923 kann im Wesentlichen mit einem in der Drehmomentausgabeeinrichtung 230 der Werkzeugeinheit 200 integrierten Funksender und der Funkschnittstelle 405 der Datenverarbeitungseinheit 400 in 1 verglichen werden.
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Ein Pfeil 912 in 9 symbolisiert einen Produktionsablauf etwa an einer Fahrzeugmontagestrecke bei der Fahrzeugproduktion. Sobald ein Fahrzeug an einem Montageort übernommen werden kann, erfolgt in einem Schritt 914 eine NOK-Meldung mit Fahrzeug-ID. Unter Umgehung der Datenverarbeitungsebene 920 kann die Montage des Fahrzeugs selbstverständlich auch auf manuellem Umweg (allgemein als Schritt 915 dargestellt) mit manueller OK-Setzung 916 durchgeführt werden. Erfindungsgemäß erfolgt die Montage, insbesondere das Setzen von Verschraubungen am Fahrzeug, jedoch unter Einbeziehung der Datenverarbeitungsebene 920. Dabei werden Daten aus der physikalischen Produktionsebene 910 über die Schnittstellenebene 921 in die Datenverarbeitungsebene 920 eingebracht und in der Datenverarbeitungsebene 920 bereitgestellte Daten über die Schnittstellenebene 921 in der physikalischen Produktionsebene 910 darstellbar gemacht. Hierzu erfolgt eine Abfrage 917, in Form einer sich ständig wiederholenden Schleife, bis von der Datenverarbeitungsebene 920 eine OK-Meldung 918 erfolgt. Nach manueller OK-Setzung 916 oder automatischer OK-Meldung 918 kann das Fahrzeug von der Montagestelle wieder in den Produktionsablauf 912 übergeben werden.
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In der Datenverarbeitungsebene 920 sind mehrere Verarbeitungsblöcke definiert. Dies sind insbesondere ein Startblock 940, ein Datenladeblock 950, ein Erkennungsblock 960, ein Navigationsblock 970 und ein Überwachungsblock 980. Auf der Werkzeugebene 930 ist im Wesentlichen ein Messdatenerzeugungsblock 990 zu beachten, in welchem auf Anforderung des Navigationsblocks 970 der Datenverarbeitungsebene 920 Messdaten am Werkzeug (Werkzeugeinheit 200, 1) erzeugt und dem Überwachungsblock 980 der Datenverarbeitungsebene 920 bereitgestellt werden. Die Anforderung und Bereitstellung von Daten zwischen der Datenverarbeitungsebene 920 und der Werkzeugebene 930 erfolgt über die Schnittstellenebene 923.
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Nach Implementierung des Startblocks 940 wird auf der Datenverarbeitungsebene 920 der Datenladeblock 950 implementiert, in welchem Daten zum Fahrzeug, der Schraubsituation und zum Werkzeug geladen werden. Sodann wird der Erkennungsblock 960 implementiert, in welchem zunächst in einem Schritt 962 eine Erkennung gestartet wird, dann in Schritt 964 eine Erkennung durchgeführt wird und nach Erkennung in Schritt 966 der erkannte Sachverhalt registriert wird. Der Start der Erkennung in Schritt 962 kann mit einer Aktivierung der Bilderkennungseinheit 300 in 1, insbesondere der Kameraeinheit bzw. Kameraeinheiten 310 verglichen werden. Die Durchführung der Erkennung in Schritt 964 entspricht beispielsweise der Erkennung des Fahrzeugs (Gegenstand 100), der Verschraubungsstelle 120 und der Werkzeugeinheit 200 durch Bildanalyse in der Bildanalyseeinheit 450 anhand der von der Kameraeinheit 310 gelieferten und durch die Bilddatenerfassungseinheit 420 erfassten Bilddaten im Vergleich mit den in der Modellspeichereinheit 440 gespeicherten Modelldaten, insbesondere anhand der vorgegebenen und unveränderlichen Referenzpunkte 110 und der Markierungseinheit 240 (1) sowie an der Werkzeugeinheit 200 identifizierbaren Referenzpunkten 710 (7). Die Registrierung der Erkennung in Schritt 966 entspricht der Erzeugung eines Datensatzes mit Daten, welche das erkannte Fahrzeug (den erkannten Gegenstand 100), die erkannte Werkzeugeinheit 200 und den erkannten Verschraubungsort 120 (1) wiedergeben. Der erzeugte bzw. registrierte Datensatz wird dann dem Navigationsblock 970 übergeben.
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In dem Navigationsblock 970 erfolgt eine Navigation des Monteurs zur Schraubstelle in Schritt 972, die beispielsweise über die Laserzeigeeinrichtung 330 in 1, die Ausgabe von Vorgabedaten über die Bildausgabeeinheit 500 sowie optische und/oder akustische Signalisierungen über die Lautsprechereinheit 340 bzw. die Leuchtdiodeneinheit 350 in 1 erfolgen kann. Sobald erkannt worden ist, dass das Werkzeug (die Werkzeugeinheit) 200 mit der erforderlichen Schraube 150 an der vorgesehenen Verschraubungsstelle 120 angesetzt ist, erfolgt in Schritt 974 eine Erkennungsmeldung an den Überwachungsblock 980. Gleichzeitig erfolgt in Schritt 976 ein Start des Schraubvorgangs, der eine Anforderung von Messdaten von der Werkzeugeinheit 200 (1) beinhaltet.
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Aufgrund der Anforderung durch den Navigationsblock 970 erzeugt der Verarbeitungsblock 990 auf der Werkzeugebene 930 Messdaten, welche dem aufgebrachten Drehmoment an der Werkzeugeinheit 200 (1) entsprechen und überträgt diese ebenfalls an den Überwachungsblock.
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Der Überwachungsblock 980 führt in Schritt 982 eine Überwachung des Schraubvorgangs anhand der von der Werkzeugebene 930 (Verarbeitungsblock 990) gelieferten Messdaten und beendet die Überwachung in Schritt 984 bei Sollerreichung. Daraufhin erfolgt noch in Schritt 986 eine Generierung von Protokollen, wobei Protokolltupel erzeugt werden, welche den in Schritt 966 registrierten Datensatz zusammen mit den Daten, die das erfasste Drehmoment wiedergeben, erzeugt und gespeichert wird. Das Protokoll kann in Form von Log-Files und/oder Videoprotokollen 925 an die Schnittstellenebene 921 übergeben werden. Ebenso liefert der Überwachungsblock 980 eine OK-Meldung 927 an die Schnittstellenebene 921, wenn das Fahrzeug noch aktiv ist, und über die Schnittstellenebene 921 wird die OK-Meldung 927 in die oben beschriebene OK-Meldung 980 umgesetzt.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass der oben beschriebene Ablauf unter dem Regime einer vorgegebenen Taktung steht und im Rahmen dieses Taktes anhand eines Arbeitsplans (vgl. 480, 1) Schraubfälle abgearbeitet werden, wobei für jeden Schraubfall eine Schraubfall-ID erzeugt wird. Die Schraubfall-ID sowie die oben erwähnte Fahrzeug-ID sind jeweiliger Bestandteil der Protokolltupel des generierten Protokolls.
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Beim oben erläuterten Beispiel ist der Gegenstand 100 ein Kraftfahrzeug. Im Rahmen der Erfindung können auch andere Gegenstände, wie z.B. Luftfahrzeuge, medizinische Vorrichtungen oder dgl. Verwendet werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung nur beispielhafte Ausführungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung umfassen kann und die Erfindung nicht auf die beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern allein durch die beigefügten Patentansprüche in ihrem breitesten Verständnis definiert ist. Abwandlungen, Ergänzungen, Ersetzungen und Äquivalente, die der Fachmann anhand seines Fachwissens an den beschriebenen Ausführungsbeispielen vornimmt, sind als Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, soweit sie in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
