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Die Erfindung betrifft eine Einschraubvorrichtung zum automatisierten Einschrauben eines Schraubelements an einer Schraubstelle.
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In herkömmlichen Anwendungen sind derartige Einschraubvorrichtungen regelmäßig in Taktstraßen lokalisiert und verrichten dort in üblicher für Werker und/oder Bedienpersonen abgesperrten Bereichen die ihnen zugewiesene Tätigkeit. Als Beispiel kann der Bereich der Motorenfertigung bzw. -montage genannt werden, in dem eine Vielzahl von Anbaukomponenten wie Wasserpumpen, Ölpumpen etc. zu verschrauben sind. In jüngster Zeit gibt es Bestrebungen von diesem - meist vollautomatisierten - Stand-Alone-Einsatz von Industrierobotern wegzukommen, hin zu dem Einsatz von mit Werkern bzw. Bedienpersonen kollaborierenden Industrierobotern, so dass ein typisches Arbeitsumfeld sich dann dadurch auszeichnet, dass sich sowohl der Industrieroboter als auch der Werker unmittelbar innerhalb der Arbeitszelle befinden und der Industrieroboter und der Werker jeweilige aufeinander abgestimmte Bewegungen ausführen, über die gemeinschaftlich das Arbeitsergebnis erzielt wird. Hierbei kann sich der Industrieroboter zwar lediglich innerhalb seines ihm programmierten Bewegungsspektrums bewegen, allerdings ist dennoch sicherzustellen, dass jede einzelne dieser Bewegungen nie zu einer eine Verletzung des Werkers erzeugenden Kollision führen darf. Bei einer Einschraubvorrichtung kann das Bewegungsspektrum regelmäßig eine Verschwenkbewegung, eine lineare Zustellbewegung entlang einer Axialachse A und eine Rotation zur Verschraubung umfassen, wobei die Axialachse A zweckmäßigerweise koaxial zu der Rotationsachse der Verschraubung liegt. Unter dem Gesichtspunkt der Arbeitssicherheit für den mit der Einschraubvorrichtung kollaborierenden Werker bedarf die Zustellbewegung der Einschraubvorrichtung in Axialrichtung A besonderer Aufmerksamkeit, da diese auf die Schraubstelle zu erfolgt und der Werker beispielsweise seine Hand bzw. eine Gliedmaße einklemmen kann.
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Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Einschraubvorrichtung bereitzustellen, die während einer Kollaboration mit einem Werker ein erhöhtes Maß an Sicherheit gegen eine Verletzung des Werkers aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Einschraubvorrichtung zum automatisierten Einschrauben eines Schraubelements an einer Schraubstelle, mit einem in Richtung einer Axialachse A entlang eines Zustellweges Z zustellbarer und um die Axialachse A antreibbaren Schraubantrieb,
wobei der Schraubantrieb eine mit einem Schraubwerkzeug bestückbare Abtriebsschnittstelle aufweist und in Richtung der Axialachse A gegen eine Federbeaufschlagung entlang eines Federweges F teleskopierbar ist, um nach Zustellen des Schraubantriebes in eine vorgebbare Position des Zustellweges Z die Schraubstelle mit einem Schraubelement zu verschrauben und
einer das Zustellen und das Verschrauben steuernde Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Zustellen entlang des Zustellweges Z abzubrechen, wenn eine mit der Steuerungseinrichtung in Verbindung stehende Sensoreinheit einen von einem Ausgangswert abweichenden Wert des Federweges F des Schraubantriebs erfasst und gleichzeitig die Sensoreinheit einen von der vorgegebenen Position des Zustellweges Z des Schraubantriebs abweichenden Wert erfasst.
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Hier ist unter Schraubstelle jegliche Art von Gewindepaarung zu verstehen, beispielsweise eine Mutter-Schraube-Kombination oder eine Stiftschraube, die in einer Sacklochbohrung verschraubt wird. Bei der Abtriebsschnittstelle kann es sich beispielsweise um einen Vierkant-Antrieb handeln, der wiederum in einer der gängigen Größen ausgeführt sein kann. Bei dem Schraubwerkzeug kann es sich um einen Steckschlüssel beziehungsweise einen Steckschlüsseleinsatz handeln. Die Bewegung kann dem Schraubantrieb über einen Industrieroboter, welcher als Leichtbauroboter ausgeführt sein kann, aufgeprägt werden. Hierfür kann der Schraubantrieb in geeigneter Weise eine Abtriebsschnittstelle aufweisen, zur Ankopplung an den Industrieroboter. Der Antrieb des Schraubantriebs an sich kann beispielweise elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch erfolgen.
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Bei der erfindungsgemäßen Einschraubvorrichtung mit der sensorischen Absicherung kann auf eine vollständige Schutzeinhausung verzichtet werden. Über die sensorische Absicherung wird für die auszuführenden Schraubprozesse sichergestellt, dass die Grenzwerte der Berührungskraft und der Spitzendruck zwischen der Einschraubvorrichtung und dem Werker bei quasi-statischem Kontakt eingehalten werden, wobei einzuhaltende Grenzwerte für die Berührungskraft und den Spitzendruck beispielsweise durch die ISO TS 15066 vorgegeben werden können. Quasi-statischer Kontakt ist in Bereichen zulässig, in denen die Geschwindigkeit des durch den Roboter bewegten Schraubantriebs niedrig ist und in denen ein Einklemmen des Werkers bzw. seiner Gliedmaßen physikalisch möglich ist.
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Neben der Möglichkeit der Interaktion mit dem Werker zeichnet sich die Einschraubvorrichtung durch einen deutlich geringeren Platzbedarf verglichen mit herkömmlichen vollautomatisierten Lösungen aus. Auch kann vorgesehen sein, dass der Werker neben der unmittelbaren Interaktion mit der Einschraubvorrichtung andere Aufgaben und Tätigkeiten übernehmen kann.
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Als vorgegebene Position des Zustellweges Z soll eine Stellung des Schraubantriebes zwischen Endpunkten des Zustellweges Z verstanden werden, die in der Steuerungseinrichtung hinterlegt werden kann. In praktischer Ausgestaltung kann als vorgegebene Position die Stellung des Schraubantriebes entlang des Zustellweges Z hinterlegt werden, in der das Schraubwerkzeug vollständig auf dem Schraubelement aufsitzt oder in dieses eingreift. Wenn der Schaubantrieb eine vorgegebene Position erreicht hat, erfolgt über den teleskopierbaren Schraubantrieb ein weiteres Zustellen entlang eines Federweges F, so dass eine axiale Spannkraft über das Schraubwerkzeug auf die Schraubstelle aufgebracht wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Sensoreinheit einen Näherungsschalter und/oder eine Lichtschranke umfasst, zur Erfassung des Zustellweges Z des Schraubantriebs. Hierbei sind der Näherungsschalter und/oder die Lichtschranke bevorzugt in einer Position angebracht, in der ein Ende der Zustellbewegung des Schraubantriebs erkannt wird, so dass dann das Schraubwerkzeug vollständig auf dem Schraubelement aufsitzt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Näherungsschalter und/oder die Lichtschranke ortsfest angeordnet sind. Hierbei ist unter ortsfest zu verstehen, dass der Näherungsschalter und/oder die Lichtschranke nicht der Zustellbewegung entlang des Zustellweges Z unterworfen ist. Durch die ortsfeste Anordnung ist insgesamt Flexibilität bei der Auswahl und der Konfiguration des Näherungsschalters und/oder der Lichtschranke gegeben. In konkreter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Schraubantrieb eine den Zustellweg Z anzeigende Schaltfahne aufweist. Hierbei kann es sich um ein einfaches Bauteil handeln, das unempfindlich gegen Rotation während des Einschraubprozesses ist. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Schaltfahne lösbar an einer Abtriebswelle des Schraubantriebs angeordnet. Hierdurch kann ihre Lage schnell der Situation in einem anderen Einschraubprozess angepasst werden. Über die Schaltfahne kann die vorgegebene Position eingestellt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Schutzumhausung vorgesehen ist, die zumindest einen Teil der Sensoreinheit umschließt. Hierdurch kann zusätzlich das Verletzungsrisiko infolge eines Kontakts für den Werker reduziert werden.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum automatisierten Einschrauben eines Schraubelements an einer Schraubstelle mit einer beschriebenen Einschraubvorrichtung, bei dem während des Zustellens des Schraubantriebs entlang des Zustellweges Z ein Wert des Federweges F des Schraubantriebs und die momentane Position des Zustellweges Z erfasst und das Zustellen Z abgebrochen wird, wenn ein von einem Ausgangswert abweichender Wert des Federweges F bei gleichzeitig noch nicht erreichter vorgegebener Position des Zustellweges Z erfasst wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass nach Abbrechen des Zustellen Z des Schraubantriebs zumindest in Richtung einer Anfangsposition zurückgestellt wird. Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen
- 1 eine erfindungsgemäße Einschraubvorrichtung und
- 2a) bis 2c) verschiedene Zustellpositionen des Schraubantriebs der Einschraubvorrichtung gemäß 1.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einschraubvorrichtung 10 mit einem Schraubantrieb 12 und eine Steuerungseinrichtung 30. Der Schraubantrieb 12 weist eine Abtriebsschnittstelle 14 auf, über die bzw. an die ein Schraubwerkzeug 6 lösbar angekoppelt werden kann. Das Schraubwerkzeug 6 und die Abtriebsschnittstelle 14 können wie zuvor bereits beschrieben ausgebildet sein. Insbesondere kann die Abtriebsschnittstelle 14 als um die Axialachse A rotierend antreibbare Abtriebsspindel 18 mit einen 3/8-, 1/2- oder 3/4-Zoll Vierkant-Anschlussprofil ausgebildet sein. Die Einschraubvorrichtung 10 weist eine weitere Schnittstelle 16 auf, über die die Einschraubvorrichtung 10 an einen nicht dargestellten Industrieroboter angekoppelt werden kann, so dass die Einschraubvorrichtung 10 über den Roboter im Raum bewegt und in einer für einen Einschraubvorgang erforderlichen Position im Raum gehalten werden kann. Die Einschraubvorrichtung 10 ist vorliegend in einer vertikal ausgerichtet Position gezeigt, so dass eine Axialachse A der Einschraubvorrichtung 10 vertikal im Raum liegt und eine Einschraubrichtung, symbolisiert durch den Pfeil E, parallel zu dieser Axialachse A liegt. Über den Roboter kann dem Schraubantrieb 12 eine lineare Zustellbewegung entlang eines parallel zur Axialachse A verlaufenden Zustellwegs, symbolisiert durch den Pfeil Z, aufgeprägt werden. Die Axialachse A kann aber bei einer anderen Anwendung auch horizontal im Raum liegen. In der 1 sind lediglich schematisch die miteinander zu verschraubenden Bauteile 81 und 82 gezeigt, bei denen es sich beispielsweise um einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf handeln kann. In einer anderen Anwendung kann aber auch eine Verschraubung von Komponenten an einem Getriebe erfolgen. Der Schraubantrieb 12 ist in Axialrichtung A entlang eines Federweges teleskopierbar, was durch das Bezugszeichen F und die beabstandeten Horizontallinien symbolisiert ist. Ein Teleskopieren des Schraubantriebs 12 erfolgt gegen eine Federbeaufschlagung, die durch nicht näher dargestellte Federmittel des Schraubantriebs 12 bewirkt werden. Hierbei kann in einer bevorzugten Ausgestaltung die Abtriebsschnittstelle 14 gegenüber einem Gehäuse 20 des Schraubantriebs teleskopierbar sein. Die Federbeaufschlagung wird dann durch geeignete Federmittel innerhalb des Gehäuses 20 bewirkt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Abtriebsschnittstelle 14 an sich teleskopierbar ist, beispielsweise in Form einer teleskopierbaren Abtriebsspindel. Innerhalb des Gehäuses kann zweckmäßiger ein nicht näher dargestellter Antriebsmotor des Schraubantriebs 12 angeordnet sein. Der Antriebsmotor kann elektrisch oder pneumatisch betätigt sein. Der Schraubantrieb 12 wird soweit entlang des Zustellweges Z zugestellt, dass zunächst das Schraubwerkzeug 6 vollständig auf dem Schraubelement 2 aufgesetzt hat und anschließend erfolgt ein weiteres Zustellen, so dass sich der Schraubantrieb 12 entlang des Federweges F teleskopiert und über die Federmittel eine Vorspannung auf das Schraubelement 2 ausübt. Die Einschraubvorrichtung 10 umfasst ferner eine Steuerungseinrichtung 30, die zunächst mit einer übergeordneten, aber nicht näher dargestellten, Maschinensteuerung verbunden sein kann und die insbesondere dazu ausgebildet ist, das Zustellen des Schraubantriebs 12 entlang des Zustellweges Z und den eigentlichen Einschraubvorgang über eine Drehung der Abtriebsspindel 18 des Schraubantriebs 12 zu steuern. Weiterhin umfasst die Einschraubvorrichtung 10 eine Sensoreinheit 32, die zumindest teilweise mit der Steuerungseinrichtung 30 integriert ausgebildet sein kann. Die Sensoreinheit 32 ihrerseits umfasst ein Sensorelement 34 in Form eines Näherungsschalters oder einer Lichtschranke und eine zu dem Sensorelement 34 korrespondierende Schaltfahne 36. Das Sensorelement 34 ist bevorzugt ortsfest gehalten. Über die Paarung aus Sensorelement 34 und Schaltfahne 38 ist die Sensoreinheit 32 in der Lage eine Position des Schraubantriebs 12 auf dem Zustellweg Z zu detektieren. Bei dieser Position handelt es sich zweckmäßigerweise um die vollständig auf das Schraubelement 2 zugestellte Position, in der also das Schraubwerkzeug 6 auf dem Schraubelement 2 vollständig aufsitzt. Diese Position kann der Steuerungseinrichtung 30 beispielsweise vorgegeben werden und kann folglich als vorgegebene Position bezeichnet werden. Die Sensoreinheit 32 umfasst ein weiteres Sensorelement 38, das im teleskopierbaren Bereich des Schraubantriebs 12 angeordnet ist und über das der Federweg F des Schraubantriebs 12 detektiert werden kann.
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Anhand der 2 soll die Zustellbewegung des Schraubantriebs 12 entlang des Zustellweges Z beschrieben werden. Der Einfachheit halber ist auf eine Darstellung der Steuerungseinrichtung 30 und der Sensoreinheit 32 verzichtet worden. In der in der 2a) gezeigten Position ist der Schraubantrieb 12 noch nicht auf das Schraubelement 2 zugestellt. In dieser Position erkennt weder das Sensorelement 34 die Schaltfahne 36, da diese noch nicht weit genug zugestellt wurde, noch das Schaltelement 38 einen Federweg F des Schraubantriebs 12, da dieser noch nicht auf dem Schraubelement 2 zur Anlage gekommen ist. In der in der 2b) gezeigten Position ist die Schraubeinheit 12 soweit auf das Schraubelement 2 zugestellt, dass in vertikaler Richtung praktisch kein Spalt mehr zwischen dem Schraubelement 2 und dem Schraubwerkzeug 6 besteht. Die Sensoreinheit 32, insbesondere das Sensorelement 34 und die Schaltfahne 36, kann beispielsweise so eingestellt sein, dass sie die in 2b) gezeigte Position als vorgegebene Stellung detektiert. Die 2c) zeigt schließlich eine Position, in der der Schraubantrieb 12 vollständig entlang des Zustellweges Z zugestellt wurde, so dass zum einen das Schraubwerkzeug 6 auf das Schraubelement 2 aufgesteckt ist und außerdem der Schraubantrieb 12 gegen die Federbeaufschlagung entlang des Federweges F teleskopiert wurde und über das Schraubwerkzeug 6 eine axiale Vorspannung auf das Schraubelement 2 ausgeübt wird.
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Die Darstellung der 2 soll nun exemplarisch dazu dienen zu verdeutlichen, dass über die erfindungsgemäße Einschraubvorrichtung 10 eine weitestgehende Absicherung des Arbeitsraums erreicht wird, in dem gleichzeitig ein Werker mit der Einschraubvorrichtung 10 kollaboriert. In der in 2a) gezeigten Stellung ist es für den Werker möglich, beispielsweise mit seiner Hand, zwischen das Schraubwerkzeug 6 und das Schraubelement 6 zu gelangen und zwar während die Zustellbewegung entlang des Zustellweges Z bereits ausgeführt wird. Im Gegensatz hierzu ist dies bei der in 2b) gezeigten Position nicht möglich. Die Erkennungslogik der erfindungsgemäßen Einschraubvorrichtung 10 ist derart konfiguriert, dass bei Erkennen eines Federwegs F des Schraubantriebs 12 als Vorbedingung erkannt werden muss, dass sich der Schraubantrieb 12 auf dem Zustellweges Z bereits in der vorgegebenen Position befindet. Die vorgegebene Position wurde zuvor so gewählt, dass in dieser kein Einklemmen des Werkers zwischen sich zustellenden Teilen erfolgen kann. Erkennt die Sensoreinheit 32 allerdings einen Federweg F des Schraubantriebs 12, ohne dass zuvor oder zumindest zeitgleich die vorgegebene Position des Zustellweges Z erkannt wurde, kann darauf geschlossen werden, dass ein zwischen Schraubwerkzeug 6 und Schraubelement 2 befindlicher Gegenstand den Zustellweg Z blockiert beziehungsweise eine weitere Zustellbewegung des Schraubantriebs 12 verhindert. Sodann unterbricht die Steuerungseinrichtung 30 unmittelbar eine Zustellbewegung der Schraubantriebs 12 entlang des Zustellweges Z.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Schraubelement
- 4
- Schraubstelle
- 6
- Schraubwerkzeug
- 8
- Bauteil
- 10
- Einschraubvorrichtung
- 12
- Schraubantrieb
- 14
- Abtriebsschnittstelle
- 16
- Schnittstelle
- 18
- Abtriebsspindel
- 20
- Gehäuse
- 30
- Steuerungseinrichtung
- 32
- Sensoreinheit
- 34
- Sensorelement
- 36
- Schaltfahne
- 38
- Sensorelement
- A
- Axialachse
- Z
- Zustellweg
- F
- Federweg
