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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bearbeitungsvorrichtung für eine drehende Bearbeitung eines Werkstücks wie etwa ein Bohren, Schleifen und insbesondere Schrauben.
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Für derartige Bearbeitungen werden - zumindest im gewerblichen Bereich - meist motorgetriebene Werkzeuge eingesetzt, die eine schnelle und gleichmäßige Drehbewegung einer Werkzeugspitze antreiben können. Wenn jedoch solche Werkzeuge von einem Benutzer manuell geführt werden, dass muss der Benutzer mit seiner Körperkraft ein Gegendrehmoment zu dem von der Werkzeugspitze auf das Werkstück ausgeübten Moment aufbringen. Dies ist für den Benutzer anstrengend und kann über längere Zeit zu körperlichen Verschleißerscheinungen führen.
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Aus
DE 20 2011 103 223 U1 ist eine Bearbeitungsvorrichtung bekannt, bei der ein Drehbearbeitungswerkzeug am freien Ende eines Roboterarms angebracht ist. Das von einem Motor des Drehbearbeitungswerkzeug erzeugte Drehmoment wird hier auf einer Seite von dem Werkzeug in eine Schraube eingeleitet, auf der anderen Seite wird es über den Roboterarm zu dessen festem Ende abgeleitet. Diese Bearbeitungsvorrichtung ist grundsätzlich geeignet, um Drehmomente zu erzeugen, die die Kräfte eines menschlichen Benutzers übersteigen. Wenn solche Drehmomente erzeugt werden, bergen sie zwangsläufig eine Verletzungsgebühr für eine Person, die sich in Reichweite des Roboterarms aufhält. Daher ist der Betrieb eines solchen Roboters in der Regel nur dann zulässig, wenn sichergestellt ist, dass sich keine Personen in seiner Reichweite aufhalten, und der Roboter ist ungeeignet für den Einsatz in Umgebungen, in denen die Präsenz von Personen nicht ausgeschlossen werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Bearbeitungsvorrichtung anzugeben, die in der Lage ist, ohne menschliches Zutun hohe Drehmomente auf ein Werkstück auszuüben und dennoch in einer Umgebung, in der sich Personen aufhalten, sicher betrieben werden kann.
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Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst, indem bei einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem Drehbearbeitungswerkzeug, das einen Motor und eine von dem Motor um eine Achse drehangetriebene Werkzeugspitze umfasst, und wenigstens einem in mehreren Freiheitsgraden bewegbaren, ein festes und ein freies Ende aufweisenden Roboterarm, an dessen freiem Ende das Drehbearbeitungswerkzeug befestigt ist, das Drehbearbeitungswerkzeug in einer in Bezug auf das feste Ende ortsfesten Halterung in Translation beweglich und wenigstens in Bezug auf die Achse drehfest gehalten und wenigstens zum Teil ausbalanciert ist.
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In dem Maße, in dem das Drehbearbeitungswerkzeug ausbalanciert ist, ist der Roboterarm vom Gewicht des Drehbearbeitungswerkzeugs entlastet. Dementsprechend gering sind die Kräfte, die der Roboterarm erzeugen können muss, um das Drehbearbeitungswerkzeug für eine Bearbeitung zu positionieren; daher können die Kräfte, die der Roboterarm maximal ausübt, auf einen Wert beschränkt werden, bei dem ein Verletzungsrisiko für Personen ausgeschlossen werden kann. Indem das Drehbearbeitungswerkzeug in der Halterung drehfest gehalten ist, liefert die Halterung ein Gegendrehmoment zu einem vom Drehbearbeitungswerkzeug auf ein Werkstück ausgeübten Drehmoment. Da somit der Roboterarm auch von diesem Gegendrehmoment entlastet ist, können auch die von dem Roboterarm maximal erzeugbaren Drehmomente auf ein für Personen sicheres Niveau deutlich unter dem auf das Werkstück ausgeübten Drehmoment begrenzt bleiben.
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Als Roboterarm ist daher ein auf dem Markt verfügbares Modell geeignet, das infolge geringen Gewichts und/oder schwacher Motorisierung für den kollaborativen Einsatz zusammen mit Personen zugelassen ist.
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Ein maximales Drehmoment des Motors des Drehbearbeitungswerkzeugs beträgt mindestens 75, vorzugsweise mindestens 100 Nm.
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Als ergänzende Maßnahme zum Personenschutz kann eine Steuerung des Roboterarms eingerichtet sein, eine Berührung oder Annäherung eines Fremdkörpers an den Roboterarm zu erkennen und im Falle der Erkennung den Roboterarm zum Stehen zu bringen und/oder in einen passiv bewegbaren Modus umzuschalten. Die Erkennung einer Berührung kann insbesondere darauf basieren, dass die Steuerung eingerichtet ist, an Gelenken des Roboterarms auftretende Drehmomente zu erfassen, z.B. durch Messen der Stromaufnahme von eine Drehung in den Gelenken antreibenden Stellgliedern des Roboters, diese mit einem erwarteten Wert zu vergleichen und bei Erkennung einer Abweichung des erfassten vom erwarteten Wert auf eine Berührung zu schließen.
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Das Drehbearbeitungswerkzeug kann mit dem Roboterarm lösbar verbunden sein, um im Falle einer Störung des Roboterarms abgekoppelt und manuell positioniert werden zu können.
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Zur Erleichterung des manuellen Positionierens kann das Drehbearbeitungswerkzeug mit wenigstens einem Handgriff versehen sein.
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Die Bewegungsfreiheit des Drehbearbeitungswerkzeugs in der Halterung in Richtung der Achse beträgt vorzugsweise ein Vielfaches der Bewegungsfreiheit in einer zur Achse senkrechten Richtung. Die eingeschränkte Bewegungsfreiheit des Drehbearbeitungswerkzeugs hindert auch den damit verbundenen Roboterarm an ausladenden Bewegungen quer zu der Achse und reduziert so die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes des Roboterarms mit einem Hindernis in seiner Umgebung.
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Um ein Drehmoment sicher auf ein Werkstück ausüben zu können, sollte die Werkzeugspitze mit ausreichender Kraft in Richtung des Drehmoments gegen das Werkstück drücken. Eine Steuerung des Roboterarms ist daher vorzugsweise eingerichtet, eine von dem Roboterarm in Richtung der Achse ausgeübte Kraft zu erfassen und einen Betrieb des Drehbearbeitungswerkzeug nur freizugeben, wenn die Kraft eine vorgegebene Schwelle überschreitet.
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Die Steuerung des Roboterarms kann ferner eingerichtet ist, eine Fehlermeldung zu empfangen, die einen nicht ordnungsgemäßen Abschluss eines Bearbeitungsvorgangs anzeigt, und bei Empfang der Fehlermeldung den Roboterarm in einen passiv bewegbaren Modus umzuschalten. So kann im Fall, dass ein Bearbeitungsvorgang gescheitert ist, eine Person die Vorrichtung sofort gefahrlos berühren und das Drehbearbeitungswerkzeug verschieben, um sich Zugang zum Werkstück zu verschaffen und/oder das Drehbearbeitungswerkzeug für einen weiteren Versuch, das Werkstück zu bearbeiten, zu platzieren.
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Insbesondere dann, wenn das Drehbearbeitungswerkzeug von Hand platziert worden ist, ist es vorteilhaft, wenn ein erneuter Bearbeitungsvorgang über ein Bedienelement am Drehbearbeitungswerkzeug manuell auslösbar ist.
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Vorzugsweise ist die Drehbearbeitung ein Schrauben, und die Werkzeugspitze ist eine Schraubwerkzeugspitze.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figur.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung.
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Die Bearbeitungsvorrichtung umfasst einen Roboterarm 1, dessen elektronische Steuerung 2, ein Schraubwerkzeug 3 und eine Halterung 4 dafür.
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Der Roboterarm 1 ist von einer Bauart, die infolge geringen Gewichts und schwacher Motorisierung für den Einsatz ohne Schutzabschirmung gegenüber Personen zugelassen ist, und verfügt über Sensoren für die eigene Position und für an den Gelenken des Roboterarms 1 wirkende Drehmomente. Derartige Roboter sind kommerziell verfügbar. Ein festes Ende 5 des Roboterarms ist an einem Arbeitsplatz fest montiert; ein freies Ende 6 ist durch einen Flansch gebildet, an dem üblicherweise ein Endeffektor wie etwa ein Greifer oder ein Bearbeitungswerkzeug montiert wäre, hier aber ein starrer Adapter 7 montiert ist.
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Der Adapter 7 ist mit dem Schraubwerkzeug 3 lösbar verbunden, z.B. mit Hilfe von Schrauben, die sich durch miteinander fluchtende Löcher 8 des Adapters 7 und eines Fortsatzes des Schraubwerkzeugs 3 erstrecken.
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Das Schraubwerkzeug 3 umfasst einen Motor 9 und wenigstens ein von dem Motor 9 um eine Achse 10 drehangetriebenes Werkzeugfutter 11, in dem eine Schraubwerkzeugspitze 12 gehalten ist. Der Motor 9 ist über einen Schlitten 13 mit der Halterung 4 verbunden. Die Halterung 4 ist ausgelegt, um die Orientierung der Achse 10 im Raum zu fixieren, gleichzeitig aber eine Translation des Schraubwerkzeugs 3 in Richtung der Achse 10 und, in geringerem Ausmaß, senkrecht zur Achse 10 zuzulassen. Zu diesem Zweck kann die Halterung 4 z.B. einen ersten Satz von sich in Richtung der Achse 10 erstreckenden Schienen 14, an denen der Schlitten 13 verschiebbar ist, einen Schlitten 15, an dem die achsparallelen Schienen 14 befestigt sind und der seinerseits an ersten zu der Achse 10 senkrechten Schienen 16 bewegbar ist, sowie (nicht dargestellt) einen weiteren Schlitten, an dem die Schienen 16 befestigt sind und der seinerseits an zu den Schienen 14, 16 senkrechten, ortsfesten Schienen bewegbar ist, umfassen.
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Das Gewicht des Schraubwerkzeugs 3 ist durch ein Gegengewicht 17 ausbalanciert, das mit dem Motor 9 durch ein über Umlenkrollen 18 am Schlitten 14 laufendes Seil 19 verbunden ist. So ist die Kraft, die der Roboterarm 1 zum Verlagern des Schraubwerkzeugs in der Vertikalen benötigt, nicht wesentlich verschieden von der Kraft für eine Horizontalverlagerung.
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Eine Steuerung 20 des Schraubwerkzeugs 3 verfügt über Sensoren zur Erfassung des von der Werkzeugspitze 12 während eines Schraubvorgangs zurückgelegten Drehwinkels und des dabei ausgeübten Drehmoments, sowie über eine Kommunikationsschnittstelle 21 zum Empfangen eines Startbefehls für einen Schraubvorgang sowie zum Rückmelden eines ordnungsgemäßen oder nicht ordnungsgemäßen Abschlusses des Schraubvorgangs.
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Eine dazu komplementäre Kommunikationsschnittstelle 22 ist an der Steuerung 2 des Roboterarms 1 vorgesehen.
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Um einen Schraubvorgang durchzuführen, wird zunächst ein Werkstück 23 in einer vorgegebenen Position unter dem Schraubwerkzeug 3 fixiert. Die Steuerung 2 betätigt den Roboterarm 1, um zunächst die Achse 10 des Schraubwerkzeugs 3 auf eine Schraube 24 des Werkstücks 22 auszurichten und dann das Schraubwerkzeug 3 entlang der Achse 10 abwärts zu verlagern und die Werkzeugspitze 12 mit der Schraube 24 in Eingriff zu bringen.
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Wenn dies gelingt, dann wird die Werkzeugspitze 12 bis auf ein Niveau h1 abgesenkt, und bei Erreichen des Niveaus h1 nimmt das von den Sensoren des Roboterarms 1 an dessen Gelenken 25 erfasste, einer weiteren Absenkung entgegengerichtete Drehmoment an den Gelenken 25 sprunghaft zu. Im Falle einer ungenauen Platzierung tritt das Gegendrehmoment bereits bei einem Niveau h2 auf, wenn die Werkzeugspitze 12 abseits einer Eingriffkontur 26 an den Kopf der Schraube 24 stößt; bei grob fehlerhafter Platzierung tritt kein signifikantes Gegendrehmoment auf, bevor nicht bei h3 die Werkzeugspitze 12 gegen das Werkstück 23 stößt.
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Die Steuerung 2 wertet das Auftreten eines Gegendrehmoments in einem vorgegebenen Toleranzbereich um das Niveau h1 als Anzeichen, dass das Schraubwerkzeug 3 korrekt für einen Schraubvorgang positioniert ist. (Einer einfacheren Ausgestaltung zufolge kann auch allein die Tatsache, dass das Niveau h1 erreicht wurde, als Anzeichen für eine korrekte Positionierung gewertet werden).
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Wenn die korrekte Positionierung des Schraubwerkzeugs 3 erfasst wurde, sendet die Steuerung 2 einen Schraubbefehl an die Steuerung 20. Gleichzeitig setzt sie die Abwärtsbewegung des Schraubwerkzeugs 3 fort, um den Eingriff der Werkzeugspitze 12 in die Schraube 24 aufrechtzuerhalten, während diese in das Werkstück 23 eindringt.
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Auf den Empfang des Schraubbefehls hin setzt die Steuerung 20 den Motor 9 in Gang und überwacht dabei den von ihm zurückgelegten Drehwinkel und das ausgeübte Drehmoment. Letzteres muss während eines bekannten Drehwegs unter einer niedrigen Schwelle bleiben und nach Durchlaufen des Drehwegs ein vorgegebenes Nenndrehmoment erreichen, um einen ausreichend festen Sitz der Schraube 24 zu garantieren. Ein solches Nenndrehmoment beträgt typischerweise mehrere 10 Nm oder gar über 100 Nm. Wenn die erwartete Entwicklung des Drehmoments beobachtet wird, meldet die Steuerung 20 einen erfolgreichen Abschluss des Schraubvorgangs. Bleibt das Drehmoment auch nach Durchlaufen des vorgegebenen Drehwegs niedrig, oder steigt es zu früh an, dann wurde die Schraube möglicherweise nicht korrekt erfasst, oder sie ist verkantet, und die Steuerung 20 meldet einen Fehler an die Steuerung 2. Da das Schraubwerkzeug 3 mit der Halterung 4 drehfest verbunden ist, liefert letztere das Gegendrehmoment zu dem auf die Schraube ausgeübten Drehmoment; der Roboterarm 1 bleibt von den Drehmomenten unbelastet, was die Verwendung eines kostengünstigen Roboterarms von geringer Tragfähigkeit erlaubt.
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Bei korrektem Abschluss des Schraubvorgangs lässt die Steuerung 2 den Roboterarm 1 das Schraubwerkzeug 3 anheben, um das Werkstück 23 freizugeben und ein neues platzieren zu können, und der Vorgang wiederholt sich.
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Im Falle einer Fehlermeldung versetzt die Steuerung 2 den Roboterarm 1 in einen passiv bewegbaren Modus, d.h. einem Modus, in dem die Steuerung 20 ein Bewegen der Gelenke 25 des Roboterarms 1 durch eine von außen einwirkende Kraft zulässt oder gar diese Kraft anhand der an den Gelenken des Roboterarms wirkenden Drehmomente errechnet und den Roboterarm 1 zu einer Bewegung in Richtung der Kraft ansteuert.
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Eine in dieser Situation notwendige menschliche Intervention kann stattfinden, ohne dass vorab irgendwelche Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden müssten. Um der intervenierenden Person das Bewegen des Schraubwerkzeugs 3 zu erleichtern, ist letzteres mit Handgriffen 27 versehen. Die Person kann nun beispielsweise das Schraubwerkzeug 3 entfernen, um Arbeiten am Werkstück vorzunehmen, oder er kann den Eingriff der Werkzeugspitze 12 an der Schraube 24 von Hand herstellen. Ein Schalter 28 an einem der Handgriffe 27 ermöglicht anschließend die Eingabe eines Schraubbefehls durch die Person; wenn daraufhin der Schraubvorgang erfolgreich abgeschlossen wird und die Steuerung 2 eine diesbezügliche Meldung von der Steuerung 20 empfängt, kann die Steuerung 2 wieder die Kontrolle über die Bewegungen des Roboterarms 1 übernehmen.
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Falls die intervenierende Person ein technisches Problem, insbesondere des Roboterarms 1 oder seiner Steuerung 2, feststellt, das nicht ohne weiteres zu beheben ist, kann sie die Verbindung zwischen dem Adapter 7 und dem Schlitten 13 lösen; nun ist das Schraubwerkzeug 3 ohne Behinderung durch den Roboterarm 1 bewegbar. So kann die Bearbeitung von Werkstücken bei manueller Positionierung des Schraubwerkzeugs 3 fortgesetzt werden, bis das Problem behoben ist. Daher besteht, wenn die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung als Stufe einer Bearbeitungskette eingesetzt wird, keine Gefahr, dass im Falle eines Versagens des Roboterarms 1 die gesamte Bearbeitungskette zum Stillstand kommt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Roboterarm
- 2
- Steuerung
- 3
- Schraubwerkzeug
- 4
- Halterung
- 5
- festes Ende
- 6
- freies Ende
- 7
- Adapter
- 8
- Loch
- 9
- Motor
- 10
- Achse
- 11
- Werkzeugfutter
- 12
- Werkzeugspitze
- 13
- Schlitten
- 14
- Schiene
- 15
- Schlitten
- 16
- Schiene
- 17
- Gegengewicht
- 18
- Umlenkrolle
- 19
- Seil
- 20
- Steuerung
- 21
- Kommunikationsschnittstelle
- 22
- Kommunikationsschnittstelle
- 23
- Werkstück
- 24
- Schraube
- 25
- Gelenk
- 26
- Eingriffkontur
- 27
- Handgriff
- 28
- Schalter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202011103223 U1 [0003]
