DE102018004898A1

DE102018004898A1 - Roboteranordnung und Verfahren zur Durchführung einer Montageoperation an einem Werkstück

Info

Publication number: DE102018004898A1
Application number: DE102018004898.6A
Authority: DE
Inventors: Fabian Fürst; Simon Schultz
Original assignee: PSA Automobiles SA
Current assignee: Stellantis Auto Sas Fr
Priority date: 2018-06-16
Filing date: 2018-06-16
Publication date: 2019-12-19
Also published as: MA52863A; EP3807057A1; WO2019238311A1

Abstract

Roboteranordnung 1 zur Durchführung einer Montageoperation an einem Werkstück 2, mit einem Industrieroboter 5 und mit einer Werkzeugeinheit 10, wobei die Werkzeugeinheit 10 eine Werkzeugaufnahme 11 und ein Montagemittel 12 umfasst, wobei die Werkzeugaufnahme 11 mit dem Industrieroboter 5 koppelbar und/oder gekoppelt ist und wobei das Montagemittel 12 zur Montage des Werkstücks 2 in einer idealen Montageposition M in der Werkzeugaufnahme 11 aufgenommen ist, mit mindestens einem Kraftsensor 13 und mit einer Auswerteeinrichtung 8, wobei der mindestens eine Kraftsensor 13 eine Differenzkraft Fd erfasst, die bei der Montage auf die Werkzeugeinheit 10 einwirkt oder in dieser wirkt, wobei die Auswerteeinrichtung 8 die Differenzkraft Fd als eine Positionsabweichung des Montagemittels 12 aus der idealen Montageposition M auswertet.

Description

Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft eine Roboteranordnung zur Durchführung einer Montageoperation an einem Werkstück mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Durchführung einer Montageoperation an einem Werkstück mit der Roboteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Hintergrund:
Bei der Fahrzeugfertigung werden zahlreiche Montageoperationen, z.B. Schrauboperationen, am Fließband bzw. im kontinuierlichen Betrieb durchgeführt. Bekannt ist, zur Durchführung der Montageoperationen am Fließband Montageroboter mit einer Aufnahme z.B. für Schrauben einzusetzen. Durch Erschütterungen und andere auf das Fließband einwirkende Einflüsse kann es bei der Montage zu Positionsänderungen der Schraube in der Aufnahme und zu Verspannungen zwischen beiden kommen. Im Stand der Technik ist für diesen Fall bereits ein Nachführen der Aufnahme durch den Montageroboter offenbart.
Beispielsweise beschreibt die Druckschrift WO 2015 110 623 A1 , die wohl den nächstliegenden Stand der Technik bildet, einen Industrieroboter mit einem Roboterwerkzeug, das als ein Schraubwerkzeug ausgebildet ist. Der Industrieroboter stellt das Roboterwerkzeug an den Prozessort zu und führt dieses beim Schraubprozess bedarfsweise nach.
Beschreibung:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine funktional verbesserte Roboteranordnung zur Durchführung einer Montageoperation bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Roboteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Durchführung einer Montageoperation mit der Roboteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung und/oder den beigefügten Figuren.
Es wird eine Roboteranordnung vorgeschlagen, die zur Durchführung einer Montageoperation an einem Werkstück ausgebildet ist. Bei der Montageoperation handelt es sich beispielsweise um eine Schrauboperation, bei der eine Schraube in eine Bohrung in dem Werkstück eingeschraubt wird. Vorzugsweise ist das Werkstück als ein zu bearbeitendes und/oder zu montierendes Fahrzeugteil, zum Beispiel als ein Karosseriebauteile, ausgebildet. Insbesondere ist das Fahrzeugteil auf einem Förderband durch eine Fahrzeug-Fertigungslinie transportierbar. Besonders bevorzugt ist, dass das Werkstück kontinuierlich, insbesondere ununterbrochen durch die Fahrzeug-Fertigungslinie transportiert wird und die Montageoperation während des Transports erfolgt.
Die Roboteranordnung umfasst einen Industrieroboter, der insbesondere einen Roboterarm umfasst. Der Industrieroboter kann zum Beispiel ortsfest benachbart zu dem Förderband angeordnet sein oder auf einer entsprechenden Fördereinrichtung parallel zu dem Förderband verfahren werden. Optional umfasst die Roboteranordnung das Werkstück und/oder das Förderband.
Der Industrieroboter weist eine Werkzeugeinheit auf, die an dem Industrieroboter rotierbar festgelegt ist. Vorzugsweise ist die Werkzeugeinheit signaltechnisch und rotierbar mit dem Roboterarm koppelbar und/oder gekoppelt. Die Werkzeugeinheit umfasst eine Werkzeugaufnahme und ein Montagemittel. Beispielsweise ist die Werkzeugaufnahme als eine Werkzeugnuss ausgebildet und das Montagemittel als eine Schraube.
Zur Montage des Werkstücks ist das Montagemittel in einer idealen Montageposition in der Werkzeugaufnahme aufgenommen. Vorzugsweise ist die ideale Montageposition gegeben, wenn die Werkzeugaufnahme und das Montagemittel koaxial zueinander angeordnet sind und wenn das Montagemittel in einer definierten Aufnahmetiefe in der Werkzeugaufnahme angeordnet ist.
Die Roboteranordnung umfasst mindestens einen Kraftsensor. Der mindestens eine Kraftsensor ist dazu ausgebildet, eine Differenzkraft zu erfassen, die bei und/oder während der Montage auf die Werkzeugeinheit einwirkt, insbesondere zwischen der Werkzeugaufnahme und dem Montagemittel wirkt. Optional ergänzend umfasst die Roboteranordnung mindestens einen Drehmomentsensor zur Erfassung eines Drehmoments, mit der das Montagemittel in die Bohrung in dem Werkstück eingebracht, insbesondere eingeschraubt, wird.
Beispielsweise ist der mindestens eine Kraftsensor und optional ergänzend der mindestens eine Drehmomentsensor in mindestens einem Gelenk des Industrieroboters, bevorzugt des Roboterarms, integriert. Alternativ ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass der mindestens eine Kraftsensor und optional ergänzend der mindestens eine Drehmomentsensor an mindestens einer hierfür vorgesehenen Schnittstelle des Industrieroboters, zum Beispiel an mindestens einem Flansch des Roboterarms, anordbar ist.
Die Roboteranordnung umfasst eine Auswerteeinrichtung. Diese ist dazu ausgebildet, die durch den mindestens einen Kraftsensor erfasste Differenzkraft als eine Positionsabweichung des Montagemittels, die insbesondere als ein Orts- und/oder Richtungsvektor abbildbar ist, aus der idealen Montageposition auszuwerten. Optional ergänzend ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, das durch den mindestens einen Drehmomentsensor erfasste Drehmoment auszuwerten, insbesondere mit einem Soll-Drehmomentwert abzugleichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Roboteranordnung eine Steuerungseinrichtung. Vorzugsweise steuert die Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit der ausgewerteten Positionsabweichung mindestens eine Ausgleichsbewegung des Industrieroboters, insbesondere des Roboterarms, an. Durch die angesteuerte Ausgleichsbewegung kann die Werkzeugaufnahme nachgeführt werden, sodass das Montagemittel zurück in die ideale Montageposition geführt wird und/oder wieder die ideale Montageposition einnimmt.
Vorteilhaft ist, dass die Roboteranordnung somit ein implementiertes Regelsystem aufweist, welches dauerhaft die ideale Montageposition des Montagemittels in der Werkzeugaufnahme gewährleistet. Insbesondere kann sichergestellt werden, dass die Montageverbindung, insbesondere die Schraubverbindung, qualitativ hochwertig ausgeführt bzw. gebildet ist. Weiterhin können kostenintensive Unterbrechungen bei und/oder während der Montage aufgrund von Fehlstellungen des Montagemittels in der Werkzeugaufnahme in vorteilhafter Weise vermieden werden.
In einer möglichen Umsetzung der Erfindung überträgt die Werkzeugaufnahme bei und/oder während der Montage eine durch den Industrieroboter eingebrachte Kraft, insbesondere einen Anpressdruck, auf das Montagemittel. Insbesondere ist das Montagemittel mit der eingebrachten Kraft beaufschlagt, sodass es in die Bohrung eingebracht werden kann. Bei und/oder während der Montage, insbesondere bei dem Einbringen des Montagemittels in die Bohrung, übt das Montagemittel insbesondere eine Gegenkraft auf die Werkzeugaufnahme aus, wenn es in dieser aufgenommen ist. Besonders bevorzugt ist, dass die eingebrachte Kraft und die Gegenkraft ausgeglichen sind, wenn das Montagemittel in der idealen Montageposition angeordnet ist. Insbesondere heben sich die eingebrachte Kraft und die Gegenkraft in der idealen Montageposition gegenseitig auf.
Optional ist die Differenzkraft durch eine laterale Versetzung des Montagemittels aus der idealen Montageposition heraus erzeugbar und/oder erzeugt. Beispielsweise ist das Montagemittel im Falle der lateralen Versetzung in der Werkzeugaufnahme verspannt, sodass dadurch die Differenzkraft erzeugt und durch den mindestens einen Kraftsensor erfassbar ist. Die Auswerteeinrichtung wertet die Differenzkraft als Positionsabweichung, z.B. als einen Orts- und/oder Richtungsvektor, aus. Insbesondere steuert die Steuerungseinrichtung den Industrieroboter auf Basis der Positionsabweichung dazu an, eine lineare Seitwärtsbewegung als Ausgleichsbewegung auszuführen, die sich insbesondere an dem Orts- und/oder Richtungsvektor orientiert. Dadurch kann die Werkzeugaufnahme dem Montagemittel nachgeführt werden, sodass das Montagemittel wieder die ideale Montageposition einnimmt.
Alternativ oder optional ergänzend ist die Differenzkraft durch eine vorwärts gerichtete Versetzung des Montagemittels aus der idealen Montageposition heraus erzeugbar und/oder erzeugt. Beispielsweise ist das Montagemittel im Falle der vorwärts gerichteten Versetzung teilweise aus der Werkzeugaufnahme herausbewegt, sodass es nicht mehr in der definierten Aufnahmetiefe angeordnet ist. Insbesondere ist dadurch die von dem Montagemittel auf die Werkzeugaufnahme übertragene Gegenkraft vermindert, sodass die Differenzkraft z.B. als negative Differenzkraft, erfassbar ist. Die Auswerteeinrichtung wertet die Differenzkraft als Positionsabweichung, insbesondere als einen Orts- und/oder Richtungsvektor, aus. Insbesondere steuert die Steuerungseinrichtung den Industrieroboter auf Basis der Positionsabweichung dazu an, eine lineare Vorwärtsbewegung als Ausgleichsbewegung, die sich insbesondere an dem Orts- und/oder Richtungsvektor orientiert, auszuführen, um die Werkzeugaufnahme dem Montagemittel nachzuführen.
Möglich ist im Rahmen der Erfindung auch, dass die Differenzkraft durch eine rückwärts gerichtete Versetzung des Montagemittels aus der idealen Montageposition heraus erzeugbar und/oder erzeugt ist. Beispielsweise ist das Montagemittel weiter in die Werkzeugaufnahme, insbesondere über die definierte Aufnahmetiefe hinaus, hineingedrückt, sodass eine erhöhte Gegenkraft auf die Werkzeugaufnahme erzeugt ist und/oder wirkt, die als die Differenzkraft, insbesondere positive Differenzkraft, erfassbar ist. In diesem Fall wertet die Auswerteeinrichtung die Differenzkrauft als Positionsabweichung, insbesondere als Orts- und/oder Richtungsvektor, aus. Vorzugsweise steuert die Steuerungseinrichtung daraufhin den Industrieroboter auf Basis der Positionsabweichung dazu an, eine lineare Rückwärtsbewegung als Ausgleichsbewegung auszuführen, die sich insbesondere an dem Orts- und/oder Richtungsvektor orientiert, sodass die Werkzeugaufnahme den Montagemittel nachführbar ist. Auch in diesem Fall wird dadurch in vorteilhafter Weise erreicht, dass das Montagemittel zurück in die ideale Montageposition geführt wird und/oder wieder die ideale Montageposition einnimmt.
Beispielsweise resultiert/resultieren die laterale, vorwärts gerichtete und/oder rückwärts gerichtete Versetzung/en des Montagemittels aus Oszillationen und/oder Vibrationen des Förderbands und/oder des Werkstücks. Insbesondere können die Oszillationen und/oder Vibrationen durch Unregelmäßigkeiten in der Beförderung des Werkstücks und/oder durch Erschütterungen in einer Umgebung des Förderbands hervorgerufen sein. Alternativ oder optional ergänzend kann/können die Oszillationen und/oder Vibrationen auch durch etwaige zusätzliche Arbeiten auf dem Förderband und/oder an dem Werkstück erzeugt werden.
In einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist der Industrieroboter als ein mit dem Förderband, dem Werkstück und/oder dem Montagemittel kollaborierender Industrieroboter ausgebildet. Vorzugsweise reagiert der Industrieroboter mittels der Ansteuerung durch die Steuerungseinrichtung auf die Kräfte, die über das Förderband, das Werkstück und/oder das Montagemittel auf den Industrieroboter übertragen werden und/oder auf diesen einwirken. Vorteilhaft ist, dass aufgrund der Kollaboration des Industrieroboters mit dem Förderband, dem Werkstücks und/oder dem Montagemittel auf einen Werker zur manuellen Bedienung des Industrieroboters verzichtet werden kann. Dadurch kann die Montageoperation in vorteilhafter Weise vollständig automatisiert werden, wodurch insbesondere Kosten für den Einsatz des Werkers eingespart werden können.
Besonders bevorzugt ist, dass die Roboteranordnung zur Erfassung der lateralen, vorwärts gerichteten und/oder rückwärts gerichteten Versetzung des Montagemittels ausschließlich den mindestens einen Kraftsensor umfasst und/oder nutzt. Optional ergänzend kann vorgesehen sein, dass mittels des Drehmomentsensors und der Auswerteeinrichtung eine Abweichung zwischen dem Soll-Drehmoment und dem erfassten Drehmoment ausgewertet und mittels der Steuerungseinrichtung korrigiert werden kann. Insbesondere ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass auf weitere Sensoren, insbesondere auf optisch arbeitende Sensoren, vollständig verzichtet wird. Dadurch können Kosten für die weiteren Sensoren, für zusätzliche Programmierung und/oder Steuerungstechnik eingespart werden.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zur Durchführung einer Montageoperation an einem Werkstück mit der Roboteranordnung nach der bisherigen Beschreibung und/oder nach den Ansprüchen 1 bis 12.
Im Rahmen des Verfahrens wird die Werkzeugaufnahme an dem Industrieroboter befestigt und das Montagemittel in einer idealen Montageposition in der Werkzeugaufnahme angeordnet und/oder aufgenommen. Vorzugsweise detektiert der Industrieroboter die Werkzeugaufnahme selbstständig und setzt diese selbstständig auf dem Roboterarm auf. Alternativ oder optional ergänzend detektiert der Industrieroboter das Montagemittel selbstständig und nimmt es in die ideale Montageposition auf.
Im Rahmen des Verfahrens erfasst der mindestens eine Kraftsensor die Differenzkraft, die bei der Montage auf die Werkzeugeinheit einwirkt und/oder in dieser wirkt. Die Auswerteeinrichtung wertet die Differenzkraft als eine Positionsabweichung des Montagemittels aus der idealen Montageposition aus. Optional ergänzend steuert die Steuerungseinrichtung im Rahmen des Verfahrens den Industrieroboter auf Basis der ausgewerteten Differenzkraft als Positionsabweichung dazu an, eine lineare laterale Ausgleichsbewegung, eine lineare vorwärts gerichtete Ausgleichsewegung und/oder eine lineare rückwärts gerichtete Ausgleichsbewegung auszuführen, um die Werkzeugaufnahme nachzusetzen und das Montagemittel dadurch wieder in der idealen Montageposition anzuordnen. Besonders bevorzugt ist, dass die Steuerungseinrichtung den Industrieroboter ausschließlich auf Basis der als Positionsabweichung ausgewerteten Differenzkraft zu der/den linearen Ausgleichsbewegung/en ansteuert.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:

1 eine Roboteranordnung mit einem Industrieroboter, der einen Roboterarm und eine Werkzeugeinheit umfasst, zur Durchführung einer Montageoperation an einem Fahrzeugteil,
2a eine Werkzeugaufnahme der Werkzeugeinheit aus 1;
2b ein Montagemittel der Werkzeugeinheit aus 1;
3a das Montagemittel und die Werkzeugaufnahme aus 2, wobei das Montagemittel in einer idealen Montageposition in der Werkzeugaufnahme aufgenommen ist;
3b ein Kräftediagramm mit einer auf das Montagemittel wirkenden eingebrachten Kraft und mit einer auf die Werkzeugaufnahme wirkenden Gegenkraft mit Bezug auf 3a;
4 die Werkzeugaufnahme aus 2a und das Montagemittel aus 2b, wobei das Montagemittel lateral zu der idealen Montageposition versetzt ist;
5a die Werkzeugaufnahme aus 2a und das Montagemittel aus 2b, wobei das Montagemittel linear rückwärtsgerichtet zu der idealen Montageposition versetzt ist;
5b ein Kräftediagramm mit einer auf das Montagemittel wirkenden eingebrachten Kraft, mit einer auf die Werkzeugaufnahme wirkenden Gegenkraft und Differenzkraft mit Bezug auf die 5a;
6a die Werkzeugaufnahme aus 2a und das Montagemittel aus 2b, wobei das Montagemittel lateral vorwärts gerichtet zu der idealen Montageposition versetzt ist;
6b ein Kräftediagramm mit einer auf das Montagemittel wirkenden eingebrachten Kraft und Differenzkraft und mit einer auf die Werkzeugaufnahme wirkenden Gegenkraft mit Bezug auf die 6a.

Einander entsprechende oder gleiche Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Roboteranordnung 1 zur Durchführung einer Montageoperation an einem Werkstück 2. Bei der Montageoperation handelt es sich bevorzugt um eine drehende Montageoperation, insbesondere um eine Schrauboperation, bei der das Werkstück 2 verschraubt wird. Das Werkstück 2 ist ein Fahrzeugteil, z. B. ein Karosseriebauteil eines herzustellenden Fahrzeugs 3. Das Fahrzeug 3 wird kontinuierlich und ohne Stopp auf einem Förderband 4 durch eine Fertigungslinie transportiert. Währenddessen führt die Roboteranordnung 1 die Montageoperation durch. Optional umfasst die Roboteranordnung 1 das Werkstück 2 und das Förderband 4.
Die Roboteranordnung 1 umfasst einen Industrieroboter 5 mit einem Roboterarm 6. Dieser weist eine Mehrzahl an Gelenken 7 auf und ist in mehreren Freiheitsgraden und Rotationsrichtungen bewegbar. Die Robotereinrichtung 1 ist stationär neben dem laufenden Förderband 4 angeordnet und führt dort die Montageoperation aus. Alternativ kann der Industrieroboter 5 zur Durchführung der Montageoperation auch auf einer geeigneten Fördereinrichtung parallel zu dem Förderband 4 verfahren werden.
Die Roboteranordnung 1 umfasst mindestens einen Kraftsensor 13 zur Erfassung einer Differenzkraft Fd. Sie umfasst optional ergänzend einen Drehmomentsensor 14 zur Erfassung eines Drehmoments, mit dem die Schrauboperation vorgenommen wird. Die Roboteranordnung 1 umfasst auch eine Auswerteeinrichtung 8 zur Auswertung der erfassten Differenzkraft Fd und optional ergänzend des erfassten Drehmoments. Sie umfasst weiterhin eine Steuerungseinrichtung 9 zur Ansteuerung des Industrieroboters 5, insbesondere des Roboterarms 6, auf Basis der ausgewerteten Differenzkraft Fd und optional ergänzend auf Basis des ausgewerteten Drehmoments.
Weiterhin umfasst die Roboteranordnung 1 eine Werkzeugeinheit 10. Die Werkzeugeinheit 10 ist an dem Roboterarm 6 befestigbar und/oder befestigt. Sie umfasst eine Werkzeugaufnahme 11, die in 2a vergrößert gezeigt ist. Die Werkzeugaufnahme 11 ist z.B. als eine Werkzeugnuss ausgebildet. Sie ist signaltechnisch mit dem Roboterarm 6 koppelbar und/oder gekoppelt. Zur Durchführung der Montageoperation ist die Werkzeugaufnahme 11 an dem Roboterarm 6 um eine Rotationsachse A rotierbar anordbar und/oder angeordnet.
Die Werkzeugeinheit 10 umfasst auch ein Montagemittel 12, das in der 2b detailliert dargestellt ist. Das Montagemittel 12 ist z.B. als eine Schraube ausgebildet, die in der Werkzeugaufnahme 11 aufgenommen werden kann/aufgenommen ist. Insbesondere ist das Montagemittel 12 mittels der rotierenden Werkzeugaufnahme 11 drehbar und insbesondere in eine Bohrung in dem Werkstück 2 einschraubbar.
Die Roboteranordnung 1 ist in der Lage, die Werkzeugaufnahme 11 selbstständig an dem Roboterarm 6 zu koppeln und das Montagemittel 12 selbständig in der Werkzeugaufnahme 11 zu positionieren.
3a zeigt eine ideale Montageposition M, in der das Montagemittel 12 in der Werkzeugaufnahme 11 angeordnet und/oder aufgenommen ist, in der die Montageoperation erfolgreich durchführbar ist. In der idealen Montageposition M ist das Montagemittel 12 so in der Werkzeugaufnahme 11 aufgenommen, dass das Montagemittel 12 und die Werkzeugaufnahme 11 koaxial zueinander angeordnet sind. Zudem ist das Montagemittel 12 in der idealen Montageposition M in einer definierten Tiefe T in der Werkzeugaufnahme 11 aufgenommen. Insbesondere ist ein Schraubenkopf der Schraube als das Montagemittel 12 endseitig in der definierten Tiefe T angeordnet.
Um die Montageoperation durchzuführen ist die Werkzeugaufnahme 11 mittels des Roboterarms 6 mit einer eingebrachten Kraft Fe beaufschlagt. Die eingebrachte Kraft Fe ist z.B. ein Anpressdruck, mit dem das Montagemittel 12 zum Einschrauben in die Bohrung gepresst wird. Somit wirkt die eingebrachte Kraft Fe auf das Montagemittel 12, wenn dieses in die Bohrung in dem Werkstück 2 eingeschraubt wird. Das Montagemittel 12 übt seinerseits eine Gegenkraft Fg auf die Werkzeugaufnahme 11 aus, die insbesondere aus einem Widerstand beim Einschrauben in die Bohrung resultiert. In der idealen Montageposition M des Montagemittels 12 sind die eingebrachte Kraft Fe und die Gegenkraft Fg gleichgroß und heben sich, wie in 3b in einem Kräfte- und Bewegungsdiagramm dargestellt, gegenseitig auf. Eine Differenz zwischen den beiden Kräften Fe, Fg ist gleich Null.
Bei und/oder während der Beförderung des Fahrzeugs 3 bzw. des Werkstücks 2 auf dem Förderband 4 (1) kann es aufgrund von Unregelmäßigkeiten in der Beförderung, durch Erschütterungen in einer Umgebung des Förderbands 4 und/oder durch Fertigungsarbeiten auf dem Förderband und/oder an dem Werkstück 2 zu Oszillationen und/oder Vibrationen des Werkstücks 2 kommen. Die Oszillationen und/oder Vibrationen des Werkstücks 2 können dazu führen, dass sich das Montagemittel 12 aus der idealen Montageposition M entfernt, insbesondere dass das Montagemittel 12 lateral zur Rotationsachse A versetzt ist und/oder dass das Montagemittel 12 außerhalb der definierten Tiefe T in der Werkzeugaufnahme 11 positioniert ist. Dies führt dazu, dass die eingebrachte Kraft Fe und die Gegenkraft Fg voneinander um die Differenzkraft Fd abweichen.
Wie in 4 gezeigt, ist das Montagemittel 12 aufgrund der Oszillationen und/oder Vibrationen außerhalb der idealen Montageposition M angeordnet. Zwar ist das Montagemittel 12 in der definierten Tiefe T positioniert, jedoch lateral zu der Rotationsachse A versetzt angeordnet. Die aus dem lateralen Versatz resultierende Differenzkraft Fd ist z.B. eine Verspannung in der Werkzeugeinheit 10, insbesondere zwischen der Werkzeugaufnahme 11 und dem Montagemittel 12.
Der Kraftsensor 13 erfasst die aus dem lateralen Versatz resultierende Differenzkraft Fd und übermittelt diese signaltechnisch an die Auswerteeinheit 8. Die Auswerteeinheit 8 wertet die übermittelte Differenzkraft Fd als eine Positionsabweichung des Montagemittels 12 aus der idealen Montageposition M aus. Die Positionsabweichung ist durch einen ersten Orts- und/oder Richtungsvektor V1 verdeutlicht. Im Anschluss an die Auswertung steuert die Steuerungseinrichtung 9 den Roboterarm 6 auf Basis der Positionsabweichung dazu an, eine Ausgleichsbewegung B1 auszuführen, die sich an dem ersten Orts- und/oder Richtungsvektors V orientiert. Insbesondere ist die Ausgleichsbewegung B1 eine lineare seitwärts und/oder lateral zu der Rotationsachse A gerichtete Bewegung, die insbesondere mit dem ersten Orts- und/oder Richtungsvektor V1 in Betrag und Richtung übereinstimmt.
Durch die Ausgleichsbewegung B1 wird die Werkzeugaufnahme 11 dem Montagemittel 12 nachgeführt, sodass diese wieder koaxial angeordnet sind, die ideale Montageposition M vorliegt und die Differenzkraft Fd gemäß der 3b den Betrag Null aufweist.
Gemäß der 5a ist das Montagemittel 12 koaxial zu der Werkzeugaufnahme 11, jedoch aufgrund der Oszillationen und/oder Vibrationen des Werkstücks 2 abweichend von der definierten Tiefe T und somit außerhalb der idealen Montageposition M angeordnet. Insbesondere ist der Schraubenkopf der Schraube als das Montagemittel 12 über die definierte Tiefe T hinaus in die Werkzeugaufnahme 11 hineingedrückt, was in der 5s zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt ist. Das Montagemittel 12 übt dadurch einen erhöhten Druck auf die Werkzeugaufnahme 11 aus, die als die Differenzkraft Fd zusätzlich zu der Gegenkraft Fg auf die Werkzeugaufnahme 11 wirkt.
Der Kraftsensor 13 erfasst die aus der Abweichung von der definierten Tiefe T resultierende Differenzkraft Fd und übermittelt diese signaltechnisch an die Auswerteeinheit 8. Die Auswerteeinheit 8 wertet die übermittelte Differenzkraft Fd als Positionsabweichung in Form eines zweiten Orts- und/oder Richtungsvektors V2 des Montagemittels 12 aus. Anschließend steuert die Steuerungseinrichtung 9 den Roboterarm 6 auf Basis der Positionsabweichung dazu an, eine von dem zweiten Orts- und/oder Richtungsvektors V2 abhängige zweite Ausgleichsbewegung B2 auszuführen. Bei der zweiten Ausgleichsbewegung B2 handelt es sich um eine lineare rückwärtsgerichtete Bewegung B2, die die gleiche Richtung und den gleichen Betrag wie der zweite Orts- und/oder Richtungsvektor V2 aufweist. Durch die zweite lineare rückwärtsgerichtete Ausgleichsbewegung B2 wird die Werkzeugaufnahme 11 dem Montagemittel 12 nachgeführt, sodass dieses wieder in der definierten Tiefe T angeordnet ist, die ideale Montageposition M einnimmt und sodass die Differenzkraft Fd gemäß der 3b auf den Betrag Null reduziert wird.
In der 5b ist das Verhältnis zwischen der eingebrachten Kraft Fe, der Gegenkraft Fg, Differenzkraft Fd und der zweiten Ausgleichsbewegung B2 dargestellt.
6a zeigt das Montagemittel 12, wie es koaxial zu der Werkzeugaufnahme 11, jedoch von der definierten Tiefe T versetzt und somit außerhalb der idealen Montageposition M angeordnet ist. Das Montagemittel 12 ist teilweise aus der Werkzeugaufnahme 11 herausgerutscht. Insbesondere ist der Schraubenkopf der Schraube als das Montagemittel 12 beabstandet von der definierten Tiefe T angeordnet. Dadurch ist die auf das Montagemittel 12 wirkende eingebrachte Kraft Fe um die Differenzkraft Fd erhöht bzw. die auf die Werkzeugaufnahme 11 wirkende Gegenkraft Fg um die Differenzkraft Fd reduziert..
Der Kraftsensor 13 erfasst die aus dem Versatz des Montagemittels 12 gegenüber der definierten Tiefe T resultierende Differenzkraft Fd und übermittelt diese signaltechnisch an die Auswerteeinheit 8. Die Auswerteeinheit 8 wertet die übermittelte Differenzkraft Fd als Positionsabweichung des Montagemittels 12 aus der idealen Montageposition M aus. Die Positionsabweichung ist durch einen dritten Orts- und/oder Richtungsvektor V3 verbildlicht. Nach der Übermittlung des Auswertungsergebnisses steuert die Steuerungseinrichtung 9 den Roboterarm 6 auf Basis der Positionsabweichung dazu an, eine dritte Ausgleichsbewegung B3 auszuführen, die sich an dem dritten Orts- und7oder Richtungsvektor V3 orientiert. Insbesondere erfolgt die dritte Ausgleichsbewegung B3 linear vorwärts gerichtet, wobei die dritte Ausgleichsbewegung dem dritten Orts- und/oder Richtungsvektor V3 in Richtung und Betrag gleicht. Durch die dritte Ausgleichsbewegung B3 wird die Werkzeugaufnahme 11 dem Montagemittel 12 nachgeführt, sodass dieses wieder in der definierten Tiefe T angeordnet ist, die ideale Montageposition M einnimmt und die Differenzkraft Fd gemäß der 3a den Betrag Null aufweist.
Das Verhältnis zwischen der eingebrachten Kraft Fe, der Gegenkraft Fg, der Differenzkraft Fd und der dritten Ausgleichsbewegung B3 ist in der 6b ersichtlich.
Festzuhalten ist zusammenfassend, dass die Roboteranordnung 1 lediglich mittels des mindestens einen Kraftsensors 13 den Versatz des Montagemittels 12 aus der idealen Montageposition M erfasst. Insbesondere umfasst die Roboteranordnung 1 keine weitere Sensoreinrichtung, insbesondere keine optisch arbeitenden Sensoreinrichtung, um den Versatz bzw. die Positionsabweichung des Montagemittels 12 aus der Werkzeugaufnahme zu erfassen bzw. festzustellen.
Während vorstehend mindestens ein Ausführungsbeispiel detailliert offenbart wurde, ist es anzuerkennen, dass eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Variationen existieren. Es ist ebenfalls anzuerkennen, dass das mindestens eine Ausführungsbeispiel nur beispielhaften Charakter hat und keine Begrenzung des Schutzumfangs, der Anwendungsgebiete oder der Konfiguration darstellt. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung einen angenehmen Fahrplan zur Umsetzung mindestens eines Ausführungsbeispiels sein. Somit sollte es anzuerkennen sein, dass verschiedene Variationen der Funktion oder der Anordnung der Elemente des mindestens einen Ausführungsbeispiels umgesetzt werden können, ohne den Umfang zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtmäßigen Äquivalente vorgegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Roboteranordnung
2: Werkstück
3: Fahrzeug
4: Förderband
5: Industrieroboter
6: Roboterarm
7: Gelenke
8: Auswerteeinrichtung
9: Steuerungseinrichtung
10: Werkzeugeinheit
11: Werkzeugaufnahme
12: Montagemittel
13: Kraftsensor
14: Momentensensor
A: Rotationsachse
B1-3: Ausgleichsbewegungen
Fd: Differenzkraft
Fe: eingebrachte Kraft
Fg: Gegenkraft
V1-3: Orts- und/oder Richtungsvektoren

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015110623 A1 [0003]

Claims

Roboteranordnung (1) zur Durchführung einer Montageoperation an einem Werkstück (2), mit einem Industrieroboter (5) und mit einer Werkzeugeinheit (10), wobei die Werkzeugeinheit (10) eine Werkzeugaufnahme (11) und ein Montagemittel (12) umfasst, wobei die Werkzeugaufnahme (11) mit dem Industrieroboter (5) koppelbar und/oder gekoppelt ist und wobei das Montagemittel (12) zur Montage des Werkstücks (2) in einer idealen Montageposition (M) in der Werkzeugaufnahme (11) aufgenommen ist, mit mindestens einem Kraftsensor (13) und mit einer Auswerteeinrichtung (8), wobei der mindestens eine Kraftsensor (13) eine Differenzkraft (Fd) erfasst, die bei der Montage auf die Werkzeugeinheit (10) einwirkt oder in dieser wirkt, wobei die Auswerteeinrichtung (8) die Differenzkraft (Fd) als eine Positionsabweichung des Montagemittels (12) aus der idealen Montageposition (M) auswertet.
Roboteranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Roboteranordnung (1) eine Steuerungseinrichtung (9) umfasst, die in Abhängigkeit der Positionsabweichung mindestens eine Ausgleichsbewegung (B1, B2, B3) des Industrieroboters (5) zur Nachführung der Werkzeugaufnahme (11) ansteuert, sodass das Montagemittel (12) in die ideale Montageposition (M) zurückführbar und/oder zurückgeführt ist.
Roboteranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Werkzeugaufnahme (11) bei und/oder während der Montage eine durch den Industrieroboter (5) eingebrachte Kraft (Fe) auf das Montagemittel (12) aufbringt und wobei das Montagemittel (12) bei und/oder während der Montage eine Gegenkraft (Fg) auf die Werkzeugaufnahme (11) ausübt, wobei die eingebrachte Kraft (Fe) und die Gegenkraft (Fg) in der idealen Montageposition (M) ausgeglichen sind.
Roboteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ideale Montageposition (M) gegeben ist, wenn die Werkzeugaufnahme (11) und das Montagemittel (12) koaxial zueinander angeordnet sind und wenn das Montagemittel (12) in einer definierten Aufnahmetiefe (T) in der Werkzeugaufnahme (11) angeordnet ist.
Roboteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei die Differenzkraft (Fd) durch eine laterale Versetzung des Montagemittels (12) aus der idealen Montageposition (M) heraus erzeugbar und/oder erzeugt ist, wobei die Auswerteeinrichtung (8) die erfasste Differenzkraft (Fd) als Positionsabweichung auswertet und wobei die Steuerungseinrichtung (9) den Industrieroboter (5) auf Basis der Positionsabweichung dazu ansteuert, eine lineare Seitwärtsbewegung (B1) als Ausgleichsbewegung auszuführen, um die Werkzeugaufnahme (11) dem Montagemittel (12) nachzuführen.
Roboteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Differenzkraft (Fd) durch eine vorwärts gerichtete Versetzung des Montagemittels (12) aus der idealen Montageposition (M) heraus erzeugbar und/oder erzeugt ist, wobei die Auswerteeinrichtung (8) die erfasste Differenzkraft (Fd) als Positionsabweichung auswertet und wobei die Steuerungseinrichtung (9) den Industrieroboter (5) auf Basis der Positionsabweichung dazu ansteuert, eine lineare Vorwärtsbewegung (B3) als Ausgleichsbewegung auszuführen, um die Werkzeugaufnahme (11) dem Montagemittel (12) nachzuführen.
Roboteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Differenzkraft (Fd) durch eine rückwärts gerichtete Versetzung des Montagemittels (12) aus der idealen Montageposition (M) heraus erzeugbar und/oder erzeugt ist, wobei die Auswerteeinrichtung (8) die erfasste Differenzkraft (Fd) als Positionsabweichung auswertet und wobei die Steuerungseinrichtung (9) den Industrieroboter (5) auf Basis der Positionsabweichung dazu ansteuert, eine lineare Rückwärtsbewegung (B2) auszuführen, um die Werkzeugaufnahme (11) dem Montagemittel (12) nachzuführen.
Roboteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Versetzung des Montagemittels (12) aus der idealen Montageposition (M) heraus aus Oszillationen und/oder Vibrationen des Werkstücks (2) und/oder eines Förderbands (4), auf dem das Werkstück (2) durch eine Fertigungslinie förderbar ist, resultiert, wobei der Industrieroboter (5) als ein mit dem Förderband (4), dem Werkstück (2) und/oder dem Montagemittel (12) kollaborierender Industrieroboter ausgebildet ist.
Roboteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Kraftsensor (13) in mindestens einem Gelenk (7) des Industrieroboters (5) integriert ist und/oder an mindestens einer hierfür vorgesehenen Schnittstelle des Industrieroboters (5) anordbar ist.
Roboteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Roboteranordnung (1) zur Erfassung der lateralen, vorwärts gerichteten und/oder rückwärts gerichteten Versetzung des Montagemittels (12) aus der idealen Montageposition (M) heraus ausschließlich den mindestens einen Kraftsensor (13) umfasst und/oder nutzt.
Roboteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotoberanordnung (1) das Werkstück (2) und das Förderband (4) umfasst, wobei das Werkstück (2) als ein zu bearbeitendes und/oder zu montierendes Fahrzeugteil ausgebildet ist, das auf dem Förderband (4) durch die Fertigungslinie zur Fertigung eines Fahrzeugs transportierbar ist und/oder transportiert wird.
Roboteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Montageoperation (M) eine Schrauboperation ist und/oder wobei das Montagemittel (12) eine Schraube ist, die in eine Bohrung in dem Werkstück (2) einschraubbar ist.
Verfahren zur Durchführung einer Montageoperation an einem Werkstück (2) mit einer Roboteranordnung (1) nach dem bisherigen Ansprüchen, wobei die Roboteranordnung (1) umfasst: einen Industrieroboter (5) mit einer Werkzeugeinheit (10), mindestens einen Kraftsensor (13), eine Auswerteeinrichtung (8) und eine Steuerungseinrichtung (9), wobei die Werkzeugeinheit (10) eine Werkzeugaufnahme (11) und ein Montagemittel (12) umfasst, wobei die Werkzeugaufnahme (11) mit dem Industrieroboter (5) gekoppelt wird und wobei das Montagemittel (12) zur Montage des Werkstücks (2) in einer idealen Montageposition (M) in der Werkzeugaufnahme (11) aufgenommen wird, wobei der mindestens eine Kraftsensor (13) eine Differenzkraft (Fd) erfasst, die bei und/oder während der Montage auf die Werkzeugeinheit (10) einwirkt und wobei die Auswerteeinrichtung (8) die Differenzkraft (Fd) als eine Positionsabweichung des Montagemittels (12) aus der idealen Montageposition (M) auswertet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Industrieroboter (5) die Werkzeugaufnahme (11) selbstständig detektiert, aufsetzt und/oder koppelt und/oder wobei der Industrieroboter (5) das Montagemittel (12) selbstständig detektiert und in die ideale Montageposition (M) aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Steuerungseinrichtung (9) mindestens eine Ausgleichsbewegung des Industrieroboters (5) zum Nachsetzen der Werkzeugaufnahme (11) und zur Rückführung des Montagemittels (12) in die ideale Montageposition (M) bei und/oderwährend der Montage des Werkstücks (2) ausschließlich auf Basis der ausgewerteten Differenzkraft (Fd) ansteuert.