DE10204263B4

DE10204263B4 - Verfahren zum Positionieren eines Werkzeuges, und automatische Bearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10204263B4
Application number: DE2002104263
Authority: DE
Original assignee: Johannes Luebbering AG
Current assignee: Johannes Luebbering AG
Priority date: 2002-02-02
Filing date: 2002-02-02
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2022-02-03
Also published as: DE10204263A1

Abstract

Verfahren zum Positionieren eines Werkzeuges an einem Werkstück,
wobei das Werkzeug an einem automatisch bewegbaren Werkzeughalter angeordnet ist und gemeinsam mit diesem beweglich ist,
und wobei der Werkzeughalter an das Werkstück heranbewegt wird,
und anschließend das Werkzeug auf das Werkstück einwirkend betätigt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bearbeitungsstelle ausgemessen wird bevor das Werkzeug betätigt wird,
und dass das Werkzeug feinpositioniert wird, indem es relativ zum Werkzeughalter bewegt wird, derart, dass Positionsabweichungen zwischen der momentanen, tatsächlichen Ist-Position des Werkzeuges und einer Soll-Position des Werkzeuges, in welcher dieses exakt auf die Bearbeitungsstelle einwirkt, kompensiert werden und das Werkzeug in diese Soll-Position bewegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren eines Werkzeuges nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine automatische Bearbeitungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Aus der DE 37 35 389 C1 und aus der EP 08 99 058 A2 sind zwei Verfahren bekannt, die jeweils eine Ist-Positionsbestimmung verwenden. Zudem sind aus diesen beiden Druckschriften Bearbeitungsvorrichtungen bekannt, die jeweils eine Ist-Positionsbestimmung intergiert haben.

Aus der Praxis sind sogenannte „Endeffektoren" bekannt, die beispielsweise an arm- oder portalartigen Halterungen angeordnet sind und ihrerseits ein Werkzeug tragen, wie eine Schweißzange, einen Bohrer, einen Fräser, ein Verschraubungs- oder ein Nietwerkzeug. Die Endeffektoren bestehen dabei aus dem eigentlichen Werkzeughalter, der seinerseits an beispielsweise dem armartigen „Roboter" befestigt werden kann, wobei die Werkzeughalter ihrerseits das Werkzeug tragen. Das Werkzeug ist dabei beweglich innerhalb des Werkzeughalters gelagert, um beispielsweise bei Bohr-, Fräs- oder Nieteinrichtungen einen Vorschub des Werkzeuges innerhalb des Werkzeughalters zu ermöglichen, oder um das Werkzeug z.B. in einer revolverartigen Drehlagerung oder in einer schlittenartigen verschiebaren Lagerung gegen andere Werkzeuge austauschen zu können, die in dem selben Werkzeughalter dann zum Einsatz kommen können.

Die Bewegungen der gesamten arm- oder portalartigen Maschine sind vergleichsweise genau, jedoch lassen sich Ungenauigkeiten im 10/mm bis mm-Bereich kaum vermeiden, wenn die Anzahl der Freiheitsgrade oder der vorgesehene Anpressdruck an das Werkstück zunimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend zu verbessern, dass diese eine hochgenaue Positionierung des Werkzeuges ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Bearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst.

Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, zunächst in an sich bekannter und bereits vergleichsweise genauer Weise das Werkzeug am Werkstück zu positionieren. Anschließend wird die Bearbeitungsstelle ausgemessen, um Lageabweichungen zu erkennen. Üblicherweise ist nämlich am Werkzeughalter das Werkzeug in einer bestimmten Stellung gehalten, welche die Arbeitsstellung des Werkzeuges innerhalb des Werkzeughalters darstellt. Nach dem Ausmessen der Bearbeitungsstelle werden eventuelle Lageabweichungen festgestellt, die aufgrund der vergleichsweise hohen Genauigkeit der gesamten Vorrichtung erwartungsgemäß im 10/mm – bis mm-Bereich liegen. Eine Korrektur des Werkzeuges erfolgt nun nicht durch eine Korrektur der Positionierung des gesamten Werkzeughalters, sondern vielmehr wird das Werkzeug innerhalb des Werkzeughalters nachgeführt, also „feinpositioniert", so dass abweichend von der standardmäßig vorgesehenen Bearbeitungsposition des Werkzeuges im Werkzeughalter das Werkzeug nun eine demgegenüber leicht veränderte Position einnimmt, in der es ebenfalls betätigbar ist. Im Ergebnis werden daher viele Arbeitspositionen für das Werkzeug innerhalb des Werkzeughalters geschaffen.

Wenn Druckkräfte auf das Werkstück ausgeübt werden müssen, beispielsweise beim Bohren oder Fräsen, oder beim Verpressen eines Niets, so kann vorteilhaft vorgesehen sein, zunächst diese Druckkräfte aufzubringen, um aufgrund dieser Druckkräfte auftretende Verformungen der gesamten Bearbeitungsvorrichtung vor der Feinpositionierung des Werkzeuges zu bewirken und dementsprechend bei der Feinpositionierung ausgleichen zu können. Dabei kann vorgesehen sein, das Werkstück neben der vorgesehenen Bearbeitungsstelle zu belasten, beispielsweise mit einem Druckstab oder mit einem Kragen, der beispielsweise an ein Blech angelegt wird und die vorgesehene Bearbeitungsstelle umgibt, so dass innerhalb dieses Kragens ein beispielsweise Bohr- oder Fräswerkzeug an das Werkstück angesetzt werden kann. Soll beispielsweise ein Niet verpresst werden, so kann vorzugsweise diese vorerwähnte Anpressstelle nicht unmittelbar am Werkstück selbst liegen, sondern im benachbarten Bereich, beispielsweise kann die Bearbeitungsvorrichtung gegen das den Niet umgebende Bauteil gepresst werden.

Das Ausmessen der Bearbeitungsstelle kann vorzugsweise berührungslos zugunsten einer maximalen Bauteil- und insbesondere Oberflächenschonung erfolgen. So kann beispielsweise optisch die Erfassung von Kanten oder benachbarten Bohrungen erfolgen, die als Referenzstelle dazu dienen, die genaue Position der Bearbeitungsstelle festzulegen. Derartige optische Messverfahren sind dem Fachmann beispielsweise mittels Kamera oder mittels Laser geläufig.

Andere, ebenfalls vorteilhafte, berührungslose Messverfahren können beispielsweise induktiv oder magnetisch erfolgen, je nach Werkstoff, welcher ausgemessen werden soll. So kann beispielsweise zur Feststellung der Position eines Niets vorzugsweise eine magnetische oder induktive Messung erfolgen, so dass nicht nur auf einer Grundfläche festgestellt werden kann, wo diese Grundfläche, beispielsweise ein Blech, von dem Niet durchsetzt wird, sondern es kann auch eine eventuelle Schrägstellung des Niets in der Bohrung festgestellt werden, so dass dementsprechend eine Feinpositionierung des Werkzeuges möglich ist, die dann nicht nur in einer zweidimensionalen Ebene das Werkzeug optimal gegen den Niet ausrichtet, sondern die ggf. auch eine Schwenk- bzw. Kippbewegung des Werkzeuges ermöglicht, so dass dieses axial fluchtend zu dem Niet ausgerichtet werden kann.

Die Feinpositionierung des Werkzeuges in einer Ebene kann beispielsweise in an sich bekannter Weise durch eine Kreuzschlittenführung ermöglicht werden.

Gegenüber einer derartigen, mit linearen Bewegungen erzeugten Feinpositionierung kann ggf. eine exzentrische Lagerung des Werkzeuges eine höhere Genauigkeit der Feinpositionierung ermöglichen. Hierzu kann eine lineare Führung in zwei Koordinatenrichtungen für das Werkzeug vorgesehen sein, wobei die Verstellung in jeder dieser Koordinatenrichtungen durch einen Exzenter erfolgt, so dass in Abhängigkeit von der Winkelbewegung eines Exzenters eine sehr feinfühlige lineare Bewegung des Werkzeuges bewirkt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der rein schematischen Zeichnung nachfolgend näher erläutert.
Dabei ist mit 1 ein Endeffektor bezeichnet, der mittels eines Anschlusskragens 2 an einen Roboterarm angeschlossen werden kann, so dass der Endeffektor 1 im Raum frei beweglich sein kann, um bestimmte Bearbeitungsstellen aufsuchen zu können.
Der Endeffektor 1 kann in zwei wesentliche Komponenten aufgeteilt werden:
Einerseits in einen Werkzeughalter 3, zu dem das Gehäuse des Endeffektors 1 zählt, und andererseits in das Werkzeug 4, welches bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines Bohrers vorgesehen ist.
Das Werkzeug 4 ist mittels einer Bohrspindel 5 antreibbar und gemeinsam mit dieser Bohrspindel 5 innerhalb des Werkzeughalters 3 beweglich gelagert: Einerseits kann durch eine entsprechende Vorschubbewegung der Bohrspindel 5 das Werkzeug 4 in ein Werkstück eingesenkt werden, und andererseits ist das Werkzeug 4 mitsamt der Bohrspindel 5 auf einer ledig lich schematisch angedeuteten Führungsschiene 6 verschiebbar. Die Führungsschiene 6 stellt dabei nur eine von zwei derartigen Führungsschienen dar, so dass insgesamt die Bohrspindel 5 mitsamt dem Werkzeug 4 nicht nur linear, sondern planar, d. h. innerhalb eines zweidimensionalen Koordinatensystems verschoben und feinjustiert werden kann. Der Antrieb kann dabei über Zahnräder, Exzenter oder beliebige andere, an sich bekannte Antriebsmittel erfolgen.
Am Endeffektor 1 ist eine Hülse 7 vorgesehen, durch welche sich das Werkzeug 4 erstreckt. Der freie Innendurchmesser der Hülse 7 ist größer als der Außendurchmesser des Bohrers, also des Werkzeuges 4, so dass mittels der vorerwähnten Feinpositionierbarkeit das Werkzeug innerhalb der Hülse 7 bewegt werden kann, wobei es nicht nur eine, beispielsweise zentrisch innerhalb der Hülse 7 befindliche, Soll-Arbeitsposition für das Werkzeug 4 gibt, sondern eine Vielzahl von Arbeitspositionen, nämlich in dem gesamten Bereich, innerhalb dessen das Werkzeug 4 mittels der Feinpositionierbarkeit verstellbar ist.
Das Werkzeug 4 kann so weit innerhalb des Werkzeughalters 3 zurückgezogen werden, dass der äußere, vordere Rand der Hülse 7 mit einem Werkstück in Kontakt gebracht werden kann, ohne dass das Werkzeug 4 das Werkstück berührt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein vorbestimmter Anpressdruck des Endeffektors 1 gegen das Werkstück aufgebaut werden, der eine sichere Beibehaltung der Position des Endeffektors 1 am Werkstück sicherstellt. Beim Vorschub des Bohrers auftretende Anpressdrücke gegen das Werkstück führen daher nicht zu einer Lageveränderung und ermöglichen die hohpräzise Beibehaltung der Werkzeugposition gegenüber dem Werkstück.
Anstelle des das Werkzeug 4 umgebenden Randes einer Hülse 7 kann eine andere Anpresseinrichtung am Endeffektor 1 vorgesehen sein, beispielsweise ein Anpressstift, der mit seiner Stirnfläche gegen das zu bearbeitende Werkstück gepresst wird bzw. gegen ein dem zu bearbeitenden Werkstück benachbartes Bauteil.

Claims

Verfahren zum Positionieren eines Werkzeuges an einem Werkstück, wobei das Werkzeug an einem automatisch bewegbaren Werkzeughalter angeordnet ist und gemeinsam mit diesem beweglich ist, und wobei der Werkzeughalter an das Werkstück heranbewegt wird, und anschließend das Werkzeug auf das Werkstück einwirkend betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsstelle ausgemessen wird bevor das Werkzeug betätigt wird, und dass das Werkzeug feinpositioniert wird, indem es relativ zum Werkzeughalter bewegt wird, derart, dass Positionsabweichungen zwischen der momentanen, tatsächlichen Ist-Position des Werkzeuges und einer Soll-Position des Werkzeuges, in welcher dieses exakt auf die Bearbeitungsstelle einwirkt, kompensiert werden und das Werkzeug in diese Soll-Position bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter mit einem vorgesehenen Anlagedruck in der Nähe der Bearbeitungsstelle an das Werkstück oder an ein benachbartes Bauteil angepresst wird, bevor das Werkzeug feinpositioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsstelle berührungslos optisch mittels einer Kamera oder eines Lasermessgerätes ausgemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsstelle berührungslos, induktiv oder magnetisch ausgemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinpositionierung des Werkzeuges in einem zweidimensionalen Koordinatensystem mittels einer ein- oder mehrfach exentrischen Lagerung des Werkzeuges durchgeführt wird.
Automatische Bearbeitungsvorrichtung, mit einem Werkzeug, welches in einem Werkzeughalter angeordnet und gemeinsam mit diesem bewegbar gelagert ist, wobei das Werkzeug relativ zum Werkzeughalter beweglich ist, zwischen einer vorgesehenen Arbeitsposition und einer zweiten Position, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug gegenüber seiner im Werkzeughalter vorgesehenen Arbeitsposition im Sinne einer Justierung oder Feinpositionierung mittels eines Feinantriebes geringfügig verstellbar gelagert und betätigbar ist, derart, dass das Werkzeug mehrere Arbeitspositionen innerhalb des Werkzeughalters einnehmen kann, und dass eine Messeinrichtung vorgesehen ist, welche zur Ausmessung der Bearbeitungsstelle ausgestaltet ist, wobei diese Messeinrichtung mit dem Feinantrieb über eine Steuerung derart verbunden ist, dass in Abhängigkeit von den ausgemessenen Werten der Messeinrichtung das Werkzeug möglichst exakt auf die Bearbeitungsstelle einwirkend feinpositionierbar ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug innerhalb des Werkzeughalters in einer Kreuzschlittenlagerung gehalten ist, welche eine zweidimensionale Feinpositionierbewegung des Werkzeuges ermöglicht.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug innerhalb des Werkzeughalters in einer ein- oder mehrfachen Exzenterlagerung gehalten ist, welche eine zweidimensionale Feinpositionierbewegung des Werkzeuges ermöglicht.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug innerhalb des Werkzeughalters mittels eines Kugelgelenkes gelagert ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch eine kamera oder laseroptische Messeinrichtung.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch eine induktive oder magnetische Messeinrichtung.