DE10354079B4

DE10354079B4 - Verfahren zum automatisierten Festziehen einer Verschraubung an einem Bauteil und geeignetes Industrierobotersystem

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Publication number: DE10354079B4
Application number: DE10354079A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Ehleiter; Willi Dipl.-Ing. Klumpp; Uwe Dipl.-Ing. Pfister; Thomas Präger; Michael Schunko
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: US20070214919A1; WO2005049286A1; DE10354079A1; US7963017B2

Abstract

Verfahren zum automatisierten Festziehen einer an einem Bauteil (10) vormontierten, eine Schraube (12) und eine Mutter (14) enthaltenden Verschraubung (16) unter Einsatz eines programmierbaren Industrierobotersystems (18), das einen ersten Roboter (20) mit einem Schraubkopf (22) und einen zweiten Roboter (24) mit einem Gegenhaltekopf (26) aufweist, wobei zum Festziehen der Verschraubung (16) am Bauteil (10) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
– Positionieren des Schraubkopfes (22) in eine definierte Schraubposition und des Gegenhaltekopfes (26) in eine definierte Gegenhalteposition bei Herstellung einer zum Festziehen der Verschraubung (16) geeigneten formschlüssigen Verbindung zwischen dem Gegenhaltekopf (26) und der Mutter (14) sowie zwischen dem Schraubkopf (22) und der Schraube (12);
– Festziehen der Verschraubung (16) am Bauteil (10);
– Trennen der formschlüssigen Verbindungen mittels einer jeweiligen Relativbewegung des Schraubkopfes (22) und des Gegenhaltekopfes (26) von der festgezogenen Verschraubung (16) weg,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Festziehen der Verschraubung (16) am Bauteil (10) mit...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Festziehen einer an einem Bauteil vormontierten, eine Schraube und eine Mutter enthaltenden Verschraubung unter Einsatz eines programmierbaren Industrierobotersystems, das einen ersten Roboter mit einem Schraubkopf und einen zweiten Roboter mit einem Gegenhaltekopf aufweist, wobei zum Festziehen der Verschraubung am Bauteil folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

– Positionieren des Schraubkopfes in eine definierte Schraubposition und des Gegenhaltekopfes in eine definierte Gegenhalteposition bei Herstellung einer zum Festziehen der Verschraubung geeigneten formschlüssigen Verbindung zwischen dem Gegenhaltekopf und der Mutter sowie zwischen dem Schraubkopf und der Schraube;
– Festziehen der Verschraubung am Bauteil;
– Trennen der formschlüssigen Verbindungen mittels einer jeweiligen Relativbewegung des Schraubkopfes und des Gegenhaltekopfes von der festgezogenen Verschraubung weg,

Ferner betrifft die Erfindung ein Industrierobotersystem entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 18.

Verfahren und Industrierobotersysteme der eingangsgenannten Art sind bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 34 16 227 C2 einen Roboter zum wiederholten Anziehen von Schrauben nach unterschiedlichen Arbeitsvorbildern, die von der Stellung der Gewindelöcher und dem Durchmesser der Schrauben abhängen. Die Arbeitsfolgen sind zuvor in einem Speicher abgespeichert. Der Roboter wird mit automatischen Werkzeugmaschinen kombiniert, um einen kooperativen Herstellungsprozess auszuführen. Zur Synchronisierung beziehungsweise Koordinierung des Roboters und der Werkzeugmaschinen ist eine geeignete Steuervorrichtung vorgesehen.

Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus DE 695 25 008 T2 bekannt. Ferner offenbart die EP 1 312 996 A2 ein Verfahren, welches das Festziehen der Verschraubung am Bauteil mit einem vorbestimmbaren Fixierdrehmoment durchführt. Aus der DE 202 08 060 U1 ist auch ein Werkzeugwechsel- und Kupplungssystem für ein Industrierobotersystem bekannt, bei dem die Bestückungsträger schwimmend gelagert sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren zum automatisierten Festziehen einer Verschraubung an einem Bauteil vorzuschlagen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Industrierobotersystem zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Festziehen der Verschraubung am Bauteil mit einem vorbestimmbaren Fixierdrehmoment erfolgt und der Schraubkopf mit einer entsprechenden, zeitweise aktivierbaren schwimmenden Lagerung in mindestens zwei Hauptkoordinatenachsen versehen ist.

Somit ist sowohl für die Schraube als auch für die Mutter jeweils ein Roboter vorgesehen, die ein automatisiertes Festziehen der Verschraubung am Bauteil ermöglichen. Das Verfahren ist flexibel zum Festziehen von unterschiedlichsten Verschraubungen, jeweils bestehend aus einer Schraube und einer Mutter, an einem Bauteil geeignet, da hierzu der Einsatz von zwei miteinander kooperierenden Robotern vorgesehen ist. Die Roboter können relativ einfach und schnell vorprogrammiert werden, um ein korrektes und automatisiertes Festziehen un terschiedlicher Verschraubungen an einem Bauteil zu gewährleisten. Auf den Einsatz von verschraubungsspezifischen Industrieanlagen, welche ggf. relativ komplex sein können und nicht ohne verhältnismäßig großem Aufwand zum automatisierten Festziehen einer z.B. andersartig positionierten und/oder ausgebildeten Verschraubung eingesetzt werden können, kann nun verzichtet werden.

Mit Vorteil ist der Gegenhaltekopf am zweiten Roboter schwimmend gelagert. Insbesondere ist der Gegenhaltekopf in Richtung seiner drei senkrecht zueinander stehenden Hauptkoordinatenachse schwimmend gelagert mit einer definierten Nullstellung. Dabei kann der Gegenhaltekopf bei Einnahme einer jeweiligen Auslenkstellung aus der Nullstellung mittels einer entsprechend wirkenden federelastischen Rückstellkraft in Richtung Nullstellung gedrückt werden. Auf Grund der schwimmenden Lagerung des Gegenhaltekopfes am zweiten Roboter ist es möglich, insbesondere Positionstoleranzen der vormontierten Verschraubung am Bauteil relativ einfach zu kompensieren, um eine korrekte formschlüssige Verbindung zwischen dem Gegenhaltekopf und der Mutter der Verschraubung herstellen zu können. Wegen der möglichen selbsttätigen Auslenkung des Gegenhaltekopfes aus der Nullstellung kann der Formschluss schnell und beschädigungsfrei mittels einer geeigneten Zustellbewegung des zweiten Roboters erzeugt werden.

Der Gegenhaltekopf kann um eine parallel zur Schraubenlängsachse sich erstreckende Drehachse innerhalb eines Schwenkwinkels schwimmend gelagert sein. Der Schwenkwinkel kann dabei nur wenige Grad betragen, beispielsweise +/–2°, und begünstigt die Herstellung einer schnellen und korrekten formschlüssigen Verbindung zwischen dem Gegenhaltekopf und der Mutter, da mittels der Schwenkbewegung des Gegenhaltekopfs ein Verkanten beim Herstellen der formschlüssigen Verbindung vermieden werden kann. Der Schwenkwinkel ist vorzugsweise vorgebbar.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Schraubkopf während des Positionierens in die definierte Schraubposition und während des Herstellens der formschlüssigen Verbindung relativ zum ersten Roboter in einer Hauptkoordinatenachse, die der Schraubdrehachse entspricht, gegen eine federelastische Rückstellkraft zurückbewegbar und in den anderen Hauptkoordinatenachse nachgiebig frei am ersten Roboter fixiert. Hierdurch ist es möglich, bei Herstellung eines federkraftbeaufschlagten Anlagekontakts zwischen dem Schraubkopf (Werkzeug) und der Schraube mittels einer geeigneten Verlagerung des Schraubkopfes relativ zur Schraube eine selbständige, einrastende formschlüssige Verbindung zwischen dem Schraubkopf und der Schraube zu erzielen. Zur Herstellung der formschlüssigen Verbindung kann der Schraubkopf eine definierte Suchroutinebewegung ausführen bei praktisch permanentem stirnseitigen Anlagekontakt zwischen dem Schraubkopf und der Schraube. Diese Suchroutinebewegung des ersten Roboters kann vorprogrammiert sein und insbesondere den möglichen bzw. zu erwartenden Vormontagebereich der Schraube am Bauteil abdecken. Somit wirken sich Lagetoleranzen der Schraube relativ zum Bauteil nicht negativ auf den automatisierten Verschraubungsprozess und insbesondere auf die Herstellung der formschlüssigen Verbindung zwischen dem Schraubkopf und der Schraube aus.

Mit Vorteil weist der Schraubkopf eine Schraubspindel mit einem Schraubwerkzeug auf, wobei die Schraubspindel zur Herstellung der formschlüssigen Verbindung des Schraubwerkzeugs mit der Schraube eine im Bezug auf das Festziehen der Verschraubung relativ langsame Drehbewegung um die Schraubspindelachse ausführt. Die Drehbewegung begünstigt die schnelle Herstellung einer korrekten formschlüssigen Verbindung zwischen dem Schraubwerkzeug und der Schraube. Bei der Schraube kann es sich beispielsweise um eine Sechskantschraube (mit Außensechskantform) oder um eine Innensechskantschraube oder auch um eine Schraube mit Kreuzschlitz handeln, wobei das Schraubwerkzeug dementsprechend ausgebildet sein muss.

Mit Vorteil wird zur Feststellung der formschlüssigen Verbindung zwischen dem Schraubkopf und der Schraube das wirkende Drehmoment ermittelt, wobei das Drehmoment bei Herstellung des Formschlusses sprunghaft ansteigt. Da das Schraubwerkzeug zur Herstellung der formschlüssigen Verbindung eine in Bezug auf das Festziehen der Verschraubung relativ langsame Drehbewegung um die Schraubspindelachse ausführt, muss zunächst die Herstellung der formschlüssigen Verbindung festgestellt werden, bevor das eigentliche Festziehen der Verschraubung beginnen kann. Wenn das am Schraubkopf wirkende Drehmoment bei Ausführung der langsamen Drehbewegung sprunghaft ansteigt, muss eine Formschlussverbindung sowohl zwischen dem Schraubkopf und der Schraube als auch zwischen dem Gegenhaltekopf und der Mutter vorliegen. Ein derartiger Drehmomentanstieg ist technisch relativ einfach und schnell mittels einer geeigneten Sensoreinrichtung feststellbar.

Nach Herstellung der formschlüssigen Verbindung zwischen dem Gegenhaltekopf und der Mutter sowie zwischen dem Schraubkopf und der Schraube wird mit Vorteil eine vollständig schwimmende Lagerung des Schraubkopfes (insbesondere in allen seinen drei Hauptkoordinatenachsen) am ersten Roboter aktiviert. Hierdurch wird gewährleistet, dass vom ersten Roboter keine störende Kräfte auf die Verschraubung während des Festziehens derselben übertragen werden. Dies ist deshalb wichtig, weil die Verschraubung am Bauteil lediglich vormontiert ist und sich beim Festziehen gegebenenfalls geringfügig relativ zum Bauteil verlagern kann, wobei eine derartige Relativbewegung auf Grund der schwimmenden Lagerung des Schraubkopfes am ersten Roboter nicht durch äußere Kraftwirkung behindert wird. Hierdurch wird insbesondere ein Verkanten und ggf. eine Beschädigung der Verschraubung durch den ersten Roboter verhindert.

Der Schraubkopf ist vorzugsweise in Richtung seiner drei zueinander senkrecht stehenden Hauptkoordinatenachsen schwimmend gelagert mit einer definierten Nullstellung. Dabei kann der Schraubkopf bei Einnahme einer jeweiligen Auslenkstellung aus der Nullstellung mittels einer entsprechend wirkenden federelastischen Rückstellkraft in Richtung Nullstellung gedrückt werden. Eine derartige schwimmende Lagerung ist an einem Industrierobotersystem relativ einfach realisierbar und zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und Schnelligkeit aus.

Mit Vorteil wird während des Anziehens der Verschraubung das wirkende Drehmoment ermittelt zur Feststellung einer gegebenenfalls schadhaften Verschraubung. Dabei würde bei einer schadhaften Verschraubung das wirkende Drehmoment im Vergleich zu einer korrekten Verschraubung merklich ansteigen. Somit trägt das automatisierte Verfahren zum Festziehen einer Verschraubung an einem Bauteil zur Qualitätssicherung bei, da schadhafte Verschraubungen bereits beim Anziehen der Verschraubung ermittelt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird nach Herstellung des vorbestimmten Fixierdrehmoments an der Verschraubung und vor dem Trennen der formschlüssigen Verbindung zwischen dem Gegenhaltekopf und der Mutter der Gegenhaltekopf zu seiner Entspannung entgegen der Fixierdrehrichtung der Mutter innerhalb eines vorgebbaren Drehwinkelbereichs drehbe wegt. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Verschraubung nicht durch das Trennen der formschlüssigen Verbindung zwischen dem Gegenhaltekopf und der Mutter beschädigt wird.

Der erste Roboter und der zweite Roboter weisen vorzugsweise jeweils ein Steuerungssystem auf, welche miteinander Daten austauschen hinsichtlich der Einnahme der Schraubposition, der Gegenhalteposition und der Fertigstellung der Verschraubung. Dabei erfolgt der Datenaustausch zwischen den Steuerungssystemen insbesondere zur Koordinierung der beiden Roboter, da zur Gewährleistung eines korrekten Anziehens der Verschraubung der Schraubkopf in einer definierten Schraubposition und der Gegenhaltekopf in einer definierten Gegenhalteposition angeordnet sein muss. Somit handelt es sich bei dem ersten und dem zweiten Roboter um zwei zunächst voneinander unabhängige Montagesysteme, die auf Grund des erfolgenden Datenaustauschs zwischen den zugehörigen Steuerungssystemen zu einer Kooperation geeignet sind.

Die Auslenkstellung des Schraubkopfes und/oder des Gegenhaltekopfes relativ zur definierten Nullstellung kann quantitativ ermittelt werden zur Durchführung einer Qualitätskontrolle in Bezug auf die Lagetoleranz der Verschraubung am Bauteil. Diese Informationen können insbesondere für die Vormontage der Verschraubung am Bauteil und/oder für die Bauteilfertigung im Rahmen einer Qualitätssicherung nützlich sein.

Mit Vorteil kann der Schraubkopf bei Bedarf einen automatisierten Werkzeugwechsel an einem Werkzeugmagazin durchführen. Auf Grund der Möglichkeit eines automatisierten Werkzeugwechsels am Schraubkopf ist eine besonders flexible und schnelle Montage einer Verschraubung an einem Bauteil mittels eines Industrierobotersystems möglich.

Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Industrierobotersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 18. Das Industrierobotersystem zeichnet sich dadurch aus, dass es einen ersten programmierbaren Roboter mit einem Schraubkopf und einen zweiten programmierbaren Roboter mit einem Gegenhaltekopf aufweist, und dass der Gegenhaltekopf in Richtung seiner drei zueinander senkrecht stehenden Hauptkoordinatenachsen mit einer definierten Nullstellung schwimmend gelagert ist und der Schraubkopf mit einer entsprechenden, zeitweise aktivierbaren schwimmenden Lagerung in mindestens zwei Hauptkoordinatenachsen versehen ist, und dass der Schraubkopf eine Schraubspindel mit einem Schraubwerkzeug aufweist und der Gegenhaltekopf mit einem Gabelschlüssel versehen ist. Mit einem derartigen Industrierobotersystem können die in Bezug auf das Verfahren vorerwähnten Vorteile erzielt werden.

Mit Vorteil sind das Schraubwerkzeug und der Gabelschlüssel zerstörungsfrei austauschbar am zugehörigen Roboterkopf fixiert. Dabei ist insbesondere ein automatisierter Austausch des Schraubwerkzeugs und des Gabelschlüssels vorgesehen. Das Industrierobotersystem zeichnet sich hierdurch durch eine besonders hohe Flexibilität in Bezug auf seine Einsatzmöglichkeiten zum automatisierten Festziehen von unterschiedlichen Verschraubungen an einem Bauteil aus.

Der Gabelschlüssel kann einen axialen Anschlag für die Mutter aufweisen. Der axiale Anschlag dient dazu, eine lagedefinierte formschlüssige Verbindung zwischen dem Gabelschlüssel und der Mutter zu gewährleisten, da der Gabelschlüssel in dieser axialen Richtung schwimmend am zweiten Roboter gelagert ist und somit bei einer wirkenden federelastischen Rückstellkraft eine autozentrierende Positionierung des Gabelschlüssels relativ zur Mutter begünstigt. Alternativ hierzu kann die Mutter einen axialen Anschlag für den Gabelschlüssel aufweisen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird anhand eine bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Perspektivdarstellung auf ein Industrierobotersystem beim automatisierten Festziehen einer Verschraubung an einem Bauteil und
2 eine schematische Perspektivdarstellung der Verschraubung und eines Teils des Industrierobotersystems in vergrößertem Maßstab.
1 zeigt in einer schematischen Perspektivdarstellung ein Industrierobotersystem 18 mit einem ersten Roboter 20 (Schraubroboter) und einem zweiten Roboter 24 (Gegenhalteroboter). Die Roboter 20, 24 sind jeweils als sechsachsige Industrieroboter mit vertikalem Knickarm ausgebildet. Die programmierbaren Roboter 20, 24 dienen zum automatisierten Festziehen einer an einem Bauteil 10 vormontierten Verschraubung 16. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 10 eine vormontierte Hinterachse für ein Fahrzeug, wobei zur Fertigstellung der Hinterachse die am Bauteil 10 vormontierte Verschraubung 16 automatisiert mittels des Robotersystems 18 angezogen werden soll. Der erste Roboter 20 ist hierzu mit einem Schraubkopf 22 versehen, während der zweite Roboter 24 einen geeigneten Gegenhaltekopf 26 aufweist. Zur Gewährleistung einer verbesserten Zugänglichkeit zur Verschraubungsstelle am Bauteil 10 ist der zweite Roboter 24 auf einem So ckel 25 positioniert. Der erste Roboter 20 ist dagegen direkt auf dem Fußboden angeordnet.
2 zeigt in vergrößertem Maßstab die Verschraubung 16 am Bauteil 10, wobei die Verschraubung 16 mittels des Industrierobotersystems 18 noch festgezogen werden muss. Die Verschraubung 16 besteht aus einer Schraube 12 in Form einer Zylinderschraube mit Kreuzschlitz und mit Flachbund und aus einer Mutter 14 in Form einer Sechskantmutter mit Flachbund.
Der Gegenhaltekopf 26 ist mit einem geeigneten Gabelschlüssel 34 versehen, der mit der Mutter 14 in einer formschlüssigen Verbindung steht. Dabei ist der Gegenhaltekopf 26 in Richtung seiner drei zueinander senkrecht stehenden Hauptkoordinatenachse X, Y, Z mit einer definierten Nullstellung schwimmend am zweiten Roboter 24 gelagert. Der Gegenhaltekopf 26 wird bei Einnahme einer jeweiligen Auslenkstellung mittels einer entsprechend wirkenden federelastischen Rückstellkraft in Richtung Nullstellung gedrückt. Die schwimmende Lagerung kann am zweiten Roboter 24 beispielsweise mittels eines Pneumatikzylindersystems unter Einbindung von Proportionalventilen erfolgen. Der Gegenhaltekopf 26 ist darüber hinaus um eine parallel zur Schraubenlängsachse 29 sich erstreckende Drehachse 28 innerhalb eines definierten Schwenkwinkels (Doppeldrehpfeil 30) schwimmend gelagert.
Der Schraubkopf 22 enthält ein Schraubwerkzeug 32, das mit der Schraube 12 formschlüssig verbunden ist. Zum automatisierten Festziehen der Verschraubung 16 am Bauteil 10 ist der Schraubkopf 22 mit einer Schraubspindel versehen, mittels welcher das Schraubwerkzeug 32 in eine Drehbewegung um die Schraubenlängsachse 29 versetzt werden kann. Der Schraubkopf 22 ist in der Hauptkoordinatenachse Z (in Schraubposition entsprechend der Schraubenlängsachse 29) relativ zum ersten Roboter 20 schwimmend gelagert und insbesondere gegen eine federelastische Rückstellkraft relativ zum ersten Roboter 20 zurückbewegbar. Ferner ist der Schraubkopf 22 während seiner Positionierung in die definierte Schraubposition in den Hauptkoordinatenachsen X, Y nachgiebigfrei relativ zum ersten Roboter 20 fixiert, während er nach Herstellung der formschlüssigen Verbindung mit der Schraube 12 in eine schwimmende Lagerung relativ zum ersten Roboter 20 auch in Richtung der Hauptkoordinatenachsen X, Y versetzt wird. Hierzu ist das Industrierobotersystem 18 mit einem Steuerungssystem versehen, mittels welchem der erste Roboter 20 und der zweite Roboter 24 miteinander Daten austauschen können insbesondere hinsichtlich der Einnahme der Schraubposition des ersten Roboters 20, der Gegenhalteposition des zweiten Roboters 24 und der Fertigstellung der Verschraubung 16 am Bauteil 10.
Zum automatisierten Festziehen der vormontierten Verschraubung 16 am Bauteil 10 mittels des programmierbaren Industrierobotersystems 18 wird der Schraubkopf 22 in seinen Hauptkoordinatenachsen X, Y relativ zum ersten Roboter 20 nachgiebigfrei in seiner Nullstellung fixiert, während er in Richtung seiner Hauptkoordinatenachse Z schwimmend gelagert ist. Gleichzeitig ist der Gegenhaltekopf 26 des zweiten Roboters 24 in Richtung aller drei Hauptkoordinatenachsen X, Y, Z schwimmend gelagert und befindet sich ebenfalls in seiner definierten Nullstellung. Mit dieser Positionierungseinstellung fährt der erste Roboter 20 seiner Schraubposition und der zweite Roboter 24 seine Gegenhalteposition ein. Dabei ist die Lage der vormontierten Verschraubung 16 unter Berücksichtigung von zulässigen bzw. zu erwartenden Abweichungen am Bauteil 10 im Industrierobotersystem 18 einprogrammiert. Nach Einnahme der Schraubposition des ersten Roboters 20 wird die Schraubspindel in eine im Bezug auf das Festziehen der Verschraubung 16 relativ langsame Drehbewegung um die Schraub spindelachse (Hauptkoordinatenachse Z) versetzt und gleichzeitig eine Suchroutinebewegung des Schraubkopfes 22 relativ zur Schraube 12 durchgeführt. Hierdurch wird eine selbsttätige Ausbildung einer korrekten formschlüssigen Verbindung zwischen dem Schraubkopf 22 beziehungsweise dem Schraubwerkzeug 32 und der Schraube 12 begünstigt, da das Schraubwerkzeug 32 in Richtung der Hauptkoordinatenachse Z gegen eine federelastische Rückstellkraft permanent in Richtung des ersten Roboters 20 zurückbewegt ist. Bei koaxialer Anordnung des Schraubwerkzeugs 32 relativ zur Schraube 12 im Rahmen der Suchroutinebewegung des ersten Roboters 20 wird das Schraubwerkzeug 32 auf Grund der wirkenden federelastischen Rückstellkraft in Richtung der Schraubenlängsachse 29 (Hauptkoordinatenachse Z) selbsttätig in Richtung Schraube 12 bewegt (Einrastbewegung) unter Ausbildung der erwünschten formschlüssigen Verbindung. Auf Grund der überlagerten Drehbewegung des Schraubwerkzeugs 32 um die Hauptkoordinatenachse Z wird dabei die Herstellung einer korrekten formschlüssigen Verbindung zwischen dem Schraubenwerkzeug 32 und der Schraube 12 gewährleistet.
Bei Herstellung der formschlüssigen Verbindung zwischen dem Schraubwerkzeug 32 und der Schraube 12 wird die Schraube 12 zusammen mit der vormontierten Mutter 14 ebenfalls entsprechend um die Schraubenlängsachse 29 drehbewegt, wobei diese Drehbewegung der Mutter 14 die Herstellung einer korrekten formschlüssigen Verbindung zwischen der Mutter 14 und dem Gabelschlüssel 34 begünstigt, da der Gabelschlüssel 34 zu diesem Zeitpunkt in Anlagekontakt mit der Mutter 14 steht und gegebenenfalls in Richtung der Hauptkoordinatenachse Z in Richtung des zweiten Roboters 24 zurückbewegt ist, sodass er mittels einer wirkenden federelastischen Rückstellkraft permanent gegen die Mutter 14 gedrückt wird. Der Gabelschlüssel 34 kann sich nun unter Ausnutzung von drei Freiheitsgarden (in Richtung der Hauptkoordinatenachse X, Y, Z) selbsttätig auf die sich drehende Mutter 14 schieben.
Somit wird auf Grund der federelastischen Rückstellkräfte am Schraubwerkzeug 32 und am Gabelschlüssel 34 sowie auf Grund der Relativdrehbewegungen zwischen dem Schraubwerkzeug 32 und der Schraube 12 beziehungsweise zwischen der Mutter 14 und dem Gabelschlüssel 34 die Ausbildung einer selbsttätigen, schnellen und zuverlässigen formschlüssigen Verbindung ermöglicht. Da die Verschraubung 16 in der Regel toleranzbehaftet am Bauteil 10 vormontiert ist, wirkt sich der beschriebene Verfahrensablauf zur Herstellung der formschlüssigen Verbindungen an der Verschraubung 16 besonders vorteilhaft aus. Dabei kann die Suchroutinebewegung für den ersten Roboter 20 verhältnismäßig einfach an die jeweils vorliegende beziehungsweise zu erwartende Toleranz insbesondere in Bezug auf die Anordnung der Verschraubung 16 am Bauteil 10 angepasst in das Steuerungssystem einprogrammiert werden.
Bei Vorliegen einer korrekten formschlüssigen Verbindung zwischen dem Schraubwerkzeug 32 und der Schraube 12 sowie zwischen dem Gabelschlüssel 34 und der Mutter 14 kann mittels eines geeigneten Sensorsystems am ersten Roboter 20 ein abrupter Anstieg des wirkenden beziehungsweise aufzubringenden Drehmoments festgestellt werden. Dies bedeutet, dass die Positionierungsphase des ersten Roboters 20 und des zweiten Roboters 24 als abgeschlossen angesehen werden kann, so dass nun die Festziehphase der Verschraubung 16 beginnen kann. Hierzu wird der Schraubkopf 22 beziehungsweise das Schraubwerkzeug 32 auch hinsichtlich der Hauptkoordinatenachsen X und Y relativ zum ersten Roboter 20 schwimmend gelagert, so dass das Industrierobotersystem 18 relativ zur Verschraubung 16 störungskraftfrei geschaltet ist. Nun kann die Schraubspindel des Schraubkopfes 22 zum möglichst schnellen Festzie hen der Verschraubung 16 eine Drehbewegung um die Schraubspindelachse Z mit relativ großer Drehzahl ausführen.
Wenn die Verschraubung 16 am Bauteil 10 hinreichend fest angezogen ist, wird die formschlüssige Verbindung an der Schraube 12 gelöst mittels einer Relativbewegung des Schraubwerkzeugs 32 in Richtung der Hauptkoordinatenachse Z von der Schraube 12 weg und an der Mutter 14 gelöst mittels einer entsprechenden Relativbewegung des Gabelschlüssels 34 in Richtung der Hauptkoordinatenachse Z von der Mutter 14 weg. Gegebenenfalls kann vor dieser Relativbewegung der Gabelschlüssel 34 um ca. 2 Grad um die Schraubenlängsachse 29 entgegen der Mutterfestziehdrehrichtung schwenkbewegt werden zur Entspannung des vorliegenden Anlagepresskontakts zwischen dem Gabelschlüssel 34 und der Mutter 14. Die korrekte Lösung der formschlüssigen Verbindungen des Schraubwerkzeugs 32 und des Gabelschlüssels 34 relativ zur Verschraubung 16 kann gegebenenfalls mittels eines geeignetes Sensorsystems ermittelt werden.
Das nun nicht mehr mit der Verschraubung 16 und somit mit dem Bauteil 10 in Kontakt stehende Industrierobotersystem 18 kann jetzt für einen weiteren Anziehprozess einer Verschraubung vorbereitet werden, in dem der Schraubkopf 22 in Richtung der Hauptkoordinatenachsen X, Y erneut mittels einer entsprechenden Schaltung am ersten Roboter 20 schwimmend gelagert wird. Gegebenenfalls kann auch ein Werkzeugmagazin (nicht in den Figuren dargestellt) vorgesehen sein, das einen insbesondere automatisierten Werkzeugwechsel am ersten Roboter 20 und/oder am zweiten Roboter 24 ermöglicht. Die Nulllagenauslenkung des Schraubkopfes 22 und des Gegenhaltekopfes 26 bei Herstellung der jeweiligen formschlüssigen Verbindung beziehungsweise beim Festziehen der Verschraubung 16 am Bauteil 10 kann gegebenenfalls quantitativ mittels geeigneter Sensoren erfasst werden zur Durchführung einer Qualitätskontrolle hinsichtlich der jeweiligen Position einer Verschraubung 16 relativ zu einem Bauteil 10. Ferner ist es unter Zuhilfenahme dieser Ermittlungsdaten möglich, dass Steuerungsprogramm des ersten Roboters 20 und des zweiten Roboters 24 jeweils hinsichtlich der Positionierung des Schraubkopfes 22 und des Gegenhaltekopfes 26 relativ zur Verschraubung 16 am Bauteil 10 an die jeweils vorher aufgetretenen Lagetoleranzen beim Anziehprozess der Verschraubung 16 anzupassen. Auch kann die Suchroutinebewegung des ersten Roboters 20 an diese sich gegebenenfalls verändernden Toleranzwerte (Lagetoleranzen der Verschraubung 16 relativ zum Bauteil 10) angepasst werden. Ferner kann das am Schraubkopf 22 des ersten Roboters 20 ermittelte Drehmoment beim Festziehen der Verschraubung 16 dazu genutzt werden, ggf. fehlerhaft angezogene Verschraubungen zu verifizieren, indem ein Mindestdrehmoment und ein Maximaldrehmoment vorgegeben wird zur Festlegung eines zulässigen Anzugsmomentintervalls, innerhalb welchem Anzugsmomentwerte liegen, die auf das Vorliegen einer korrekt festgezogenen Verschraubung schließen lassen. Zur Drehmoment-Messung kann beispielsweise eine geeignete Kraftmesseinrichtung im Schraubkopf 22 und/oder im Gegenhaltekopf 26 integriert sein.
Das Industrierobotersystem 18 erlaubt ein verhältnismäßig einfaches Umprogrammieren des Steuerungsprogramms bei sich ändernden Bauteilgeometrien und/oder Verschraubungsparametern. Ferner besteht das Industrierobotersystem überwiegend aus Standartkomponenten, die sich durch eine besonders gute Zugänglichkeit beispielsweise für Wartungsarbeiten und durch eine hohe Flexibilität hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten insbesondere innerhalb einer Serienproduktion auszeichnen.

Claims

Verfahren zum automatisierten Festziehen einer an einem Bauteil (10) vormontierten, eine Schraube (12) und eine Mutter (14) enthaltenden Verschraubung (16) unter Einsatz eines programmierbaren Industrierobotersystems (18), das einen ersten Roboter (20) mit einem Schraubkopf (22) und einen zweiten Roboter (24) mit einem Gegenhaltekopf (26) aufweist, wobei zum Festziehen der Verschraubung (16) am Bauteil (10) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Positionieren des Schraubkopfes (22) in eine definierte Schraubposition und des Gegenhaltekopfes (26) in eine definierte Gegenhalteposition bei Herstellung einer zum Festziehen der Verschraubung (16) geeigneten formschlüssigen Verbindung zwischen dem Gegenhaltekopf (26) und der Mutter (14) sowie zwischen dem Schraubkopf (22) und der Schraube (12); – Festziehen der Verschraubung (16) am Bauteil (10); – Trennen der formschlüssigen Verbindungen mittels einer jeweiligen Relativbewegung des Schraubkopfes (22) und des Gegenhaltekopfes (26) von der festgezogenen Verschraubung (16) weg, dadurch gekennzeichnet, dass das Festziehen der Verschraubung (16) am Bauteil (10) mit einem vorbestimmbaren Fixierdrehmoment erfolgt und der Schraubkopf (22) mit einer entsprechenden, zeitweise aktivierbaren schwimmenden Lagerung in mindestens zwei Hauptkoordinatenachsen (X, Y) versehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenhaltekopf (26) am zweiten Roboter (24) schwimmend gelagert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenhaltekopf (26) in Richtung seiner drei senkrecht zueinander stehenden Hauptkoordinatenachsen (X, Y, Z) schwimmend gelagert ist mit einer definierten Nullstellung.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenhaltekopf (26) bei Einnahme einer jeweiligen Auslenkstellung aus der Nullstellung mittels einer entsprechend wirkenden federelastischen Rückstellkraft in Richtung Nullstellung gedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenhaltekopf (26) um eine parallel zur Schraubenlängsachse (29) sich erstreckende Drehachse (28) innerhalb eines Schwenkwinkels (30) schwimmend gelagert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubkopf (22) während des Positionierens in die definierte Schraubposition und während des Herstellens der formschlüssigen Verbindung relativ zum ersten Roboter (20) in einer Hauptkoordinatenachse (Z), die der Schraubdrehachse entspricht, gegen eine federelastische Rückstellkraft zurückbewegbar ist und in den anderen Hauptkoordinatenachsen (Y, Z) nachgiebigfrei am ersten Roboter (20) fixiert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubkopf (22) zur Herstellung der formschlüssigen Verbindung eine definierte Suchroutinebewegung ausführt bei praktisch permanentem stirnseitigen Anlagekontakt zwischen dem Schraubkopf (22) und der Schraube (12).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubkopf (22) eine Schraubspindel mit einem Schraubwerkzeug (32) aufweist, wobei die Schraubspindel zur Herstellung der formschlüssigen Verbindung des Schraubwerkzeugs (32) mit der Schraube (12) eine in Bezug auf das Festziehen der Verschraubung (16) relativ langsame Drehbewegung um die Schraubspindelachse (Z) ausführt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feststellung der formschlüssigen Verbindung zwischen dem Schraubkopf (22) und der Schraube (12) das wirkende Drehmoment ermittelt wird, wobei das Drehmoment bei Herstellung des Formschlusses sprunghaft ansteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Herstellung der formschlüssigen Verbindung zwischen dem Gegenhaltekopf (26) und der Mutter (14) sowie zwischen dem Schraubkopf (22) und der Schraube (12) eine vollständig schwimmende Lagerung des Schraubkopfs (22) am ersten Roboter (20) aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubkopf (22) in Richtung seiner drei zueinander senkrecht stehenden Hauptkoordinatenachsen (X, Y, Z) schwimmend gelagert ist mit einer definierten Nullstellung.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubkopf (22) bei Einnahme einer jeweiligen Auslenkstellung aus der Nullstellung mittels einer entsprechend wirkenden federelastischen Rückstellkraft in Richtung Nullstellung gedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Anziehens der Verschraubung (16) das wirkende Drehmoment ermittelt wird zur Feststellung einer gegebenenfalls schadhaften Verschraubung (16).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Herstellung des vorbestimmten Fixierdrehmoments an der Verschraubung (16) und vor dem Trennen der formschlüssigen Verbindung zwischen dem Gegenhaltekopf (26) und der Mutter (14) der Gegenhaltekopf (26) zu seiner Entspannung entgegen der Fixierdrehrichtung der Mutter (14) innerhalb eines vorgebbaren Drehwinkelbereichs drehbewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Roboter (20) und der zweite Roboter (24) jeweils ein Steuerungssystem aufweisen, welche miteinan der Daten austauschen hinsichtlich der Einnahme der Schraubposition, der Gegenhalteposition und der Fertigstellung der Verschraubung (16).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkstellung des Schraubkopfes (22) und/oder des Gegenhaltekopfes (26) relativ zur definierten Nullstellung quantitativ ermittelt wird zur Durchführung einer Qualitätskontrolle in Bezug auf die Lagetoleranz der Verschraubung (16) am Bauteil (10).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubkopf (22) bei Bedarf einen automatisierten Werkzeugwechsel an einem Werkzeugmagazin durchführt.
Industrierobotersystem (18) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Industrierobotersystem (18) einen ersten programmierbaren Roboter (20) mit einem Schraubkopf (22) und einen zweiten programmierbaren Roboter (24) mit einem Gegenhaltekopf (26) aufweist, und dass der Gegenhaltekopf (26) in Richtung seiner drei zueinander senkrecht stehenden Hauptkoordinatenachsen (X, Y, Z) mit einer definierten Nullstellung schwimmend gelagert ist und der Schraubkopf (22) mit einer entsprechenden, zeitweise aktivierbaren schwimmenden Lagerung in mindestens zwei Hauptkoordinatenachsen (X, Y) versehen ist, und dass der Schraubkopf (22) eine Schraubspindel mit einem Schraubwerkzeug (32) aufweist und der Gegenhaltekopf (26) mit einem Gabelschlüssel (34) versehen ist.
Industrierobotersystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubwerkzeug (32) und der Gabelschlüssel (34) zerstörungsfrei austauschbar am zugehörigen Roboterkopf (22, 26) fixiert sind.
Industrierobotersystem nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Gabelschlüssel (34) einen axialen Anschlag für die Mutter (14) aufweist.