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Es ist bekannt, ein Werkzeug an einem Koordinatentisch zu führen. Die jeweilige Position in X, Y und Z Richtung kann über Skalen abgelesen werden oder elektronisch über sog. Inkrementalgeber erfasst werden.
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Des Weiteren kann nach dem allgemeinen Stand der Technik an dem Werkzeug eine optische Markierung angebracht und die Position des Werkzeugs mit einer oder mehreren Kameras verfolgt bzw. durch Bildauswertung mit Rechnern erfasst werden. In dem Moment, in dem mit dem Werkzeug die vorgesehene Arbeit durchgeführt wird, kann die Position aufgenommen und gespeichert werden.
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Aus
DE 196 09 511 C2 (nächstliegender Stand der Technik) ist eine Vorrichtung für handgeführte Werkzeuge mit einer Führungseinrichtung zur Ermittlung der Position des Werkzeuges bekannt. Die Vorrichtung ist für eine stationäre Einrichtung gedacht und arbeitet mit statischen Sensoren. Sowohl die Reihenfolge der Arbeitsgänge als auch verschiedene Parameter können kontrolliert werden.
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Die Einrichtung ist nicht für frei bewegliche Werkzeuge, wie z, B. Akkuschrauber geeignet. Der Arbeitsraum ist auf die Führungseinrichtung beschränkt. Bei derartigen Einrichtungen ist die Auswerte-Einrichtung mit den Wegerfassungseinrichtungen und dem handgeführten Werkzeug über eine elektrische Signalleitung miteinander verbunden. Sie sind ungeeignet, wenn man ein frei bewegliches Werkzeug benötigt, um große oder komplexe Objekte zu bearbeiten.
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DE 42 25 112 C1 beschreibt eine Einrichtung zum Messen der Position eines Instrumentes relativ zu einem Behandlungsobjekt/Werkstück. Benutzt werden Kameras, um die Produktion eines Operationswerkzeuges (Instrument) in Bezug auf den Patienten (Behandlungsobjekt) festzustellen. Dabei wird eine Trägheitsplattform benutzt, mit der die Position des Instrumentes auch dann festgestellt werden, wenn die Sichtverbindung der Kameras unterbrochen wird. Da die Trägheitsplattform im Laufe der Zeit immer größere Fehler aufbaut ist es erforderlich, dass möglichst bald die Sichtverbindung zwischen den Kameras wiederhergestellt wird und möglichst bald eine Referenzierung durchgeführt werden kann.
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Das bildverarbeitende System hat den Nachteil, dass das Werkzeug immer im Blickfeld der Kamera sein muss. In der Praxis ist es von Nachteil, dass der Werkzeugführer selbst, das Werkstück oder Arbeitsobjekt bzw. Teile davon oder andere Gegenstände die Sicht zum Werkzeug, bzw. zur Markierung verhindern.
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Die
DE 39 11 054 C2 beschreibt ein führerloses Förderfahrzeug, das sich immer wieder an diskreten Navigationsstützpunkten in der Fahrbahn orientiert. Es ist hier nicht im Detail dargestellt oder naheliegend, dass zur Führung zwischen den Navigationsstützpunkten orometrische Sensoren, z. B. Radimpulsgeber oder Lenkwinkelgeber oder ggf. auch Trägheitssensoren verwendet werden.
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Fahrzeuge, die sich an diskreten Navigationsstützpunkten orientieren können, bewegen sich entlang einer vorgegebenen Linie in einem zweidimensionalen Raum. Die Position wird mit einer fahrzeuginternen Sensorik gemessen und bei einem Fehler im weiteren Fahrverlauf korrigiert. Der Navigationsstützpunkt ist so ausgebildet, dass er bei Annäherung die fahrzeuginterne Sensorik beeinflusst. Werkzeuge sind aber im Allgemeinen nicht mit einer solchen Sensorik ausgerüstet; des Weiteren verfügen die Arbeitsorte auch nicht über die physikalischen Eigenschaften eines Navigationsstützpunktes.
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Aus der
DE 27 31 041 A1 ist ferner ein Lehrverfahren für einen Anstrichroboter zum Verfolgen einer zusammenhängenden vorbestimmten Bahnkurve bekannt, bei dem die von dem Roboter auszuführende Operation in einem ersten Schritt von einer Bedienungsperson ausgeführt wird, die eine übliche Farbspritzpistole handhabt, auf der ein Inertialsystem befestigt ist, das elektrische Signale aussendet, die in eindeutiger Beziehung zu den von der Bedienungsperson vorgenommenen Bewegungen stehen, wobei die elektrischen Signale nach ihrer Verstärkung und Verarbeitung auf ein Aufzeichnungsgerät übertragen werden, von dem aus sie schließlich in das Steuerungsorgan des Roboters überführt werden. Hierbei kann die Farbspritzpistole mit dem Inertialsystem fest verbunden sein. Um Ungenauigkeiten bei den Ergebnissen herabzusetzen und zu verhindern, wird bei jedem Schritt in der Arbeitsfolge die Position der Spritzpistole in Bezug auf das festliegende Koordinatensystem gemessen.
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Ein derartiges System ist zwar für den genannten Zweck wie das Einlernen des Arbeitsroboters geeignet, jedoch nicht angepasst, um bei einem handgeführten möglichst frei beweglichen Werkzeug das Abarbeiten von einer Reihe von Arbeitsorten zuverlässig zu überwachen und zu kontrollieren.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln und zuverlässig bei einem handgeführten möglichst frei beweglichen Werkzeug bei der Abarbeitung einer Mehrzahl von Arbeitsorten die Position zu erfassen und zu gewährleisten, dass an den verschiedenen Arbeitsorten eine korrekte Abarbeitung erfolgt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird die jeweilige Position des handgeführten, also frei von einer Person bewegten Werkzeuges durch ein Sensorsystem und einen Rechner erfasst und überwacht. Es ist nicht notwendig, das zu bearbeitende Objekt mit besonderen Navigationsstützpunkten auszustatten oder am Werkzeug eine Sensorik vorzusehen, mit der das Signal von einem solchen Navigationsstützpunkt gemessen wird. Als Ersatz für den Navigationsstützpunkt oder auch als Referenz dient das Arbeitsobjekt selbst. Mögliche Arbeitsorte an dem Objekt sind entweder als Fläche bei einer Wand, als Gerade wie bei einer Schiene oder allgemein als Ort durch drei Achsen definiert. Es ist also auch der Arbeitsort in seiner Position bekannt. Das Objekt kann beispielsweise ein Werkstück sein. Erfindungsgemäß wird das Sensorsystem zu Beginn eines Arbeitsvorgangs an einer bekannten Startposition zurückgesetzt und beim Anfahren eines bekannten Arbeitsorts wiederum zurückgesetzt. Ferner wird die Richtung des Werkzeugs in mindestens einer Achse erfasst und verglichen, ob diese Richtung am Arbeitsort zulässig ist. Ferner wird kontrolliert, ob die jeweiligen Arbeitsorte abgearbeitet wurden.
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Für ein frei bewegliches Werkzeug ist es vorteilhaft, dass das Sensorsystem mit Trägheitssensoren arbeitet. Somit sind keine festen Messverbindungen zu einer stationären Position notwendig. Der Arbeitsablauf wird an einer bekannten Position gestartet. Hierzu werden die Trägheitssensoren zunächst zurückgesetzt. Die Trägheitssensoren sind nicht langzeitstabil, sondern in der Regel nur für kurze Bewegungsabläufe geeignet. Sie müssen daher möglichst häufig über bekannte Positionen oder Bewegungsabläufe kontrolliert werden.
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Der Einfachheit halber bietet es sich natürlich an, Trägheitssensoren dann an einen bekannten Punkt in Ruhe, bzw. relativ ruhiger Lage, zurückzusetzen. Die Startposition kann selbst ein Arbeitsort sein. An jedem neuen Arbeitsort wird die Trägheitssensorik wieder zurückgesetzt. Dies ist dann möglich, wenn die Position dieser Arbeitsorte und ggf. auch die hier notwendige Werkzeugrichtung bekannt sind und somit geringe Fehler der Trägheitssensorik, die bei der Bewegung von einem Arbeitsort zum nächsten auftreten, wieder ausgeglichen werden können. Der Arbeitsprozess wird fortgesetzt bis zum letzten Arbeitsort.
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Es ist ferner vorteilhaft, dass durch diese Einrichtung die Qualitätssicherung, z. B. in der Montage, gewährleistet werden kann. Die einzelnen Arbeitsschritte können dokumentiert werden.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann festgestellt werden, dass die Arbeit richtig ausgeführt wurde. Hierzu können weitere Sensoren verwendet werden, die möglicherweise die Verweildauer am Arbeitsort, das Drehmoment, Kräfte, Stromfluss oder andere Qualitätsmerkmale erfassen. Das zu bearbeitende Objekt befindet sich in einer bekannten Lage. Das Objekt muss nicht unbedingt stationär sein, es ist auch möglich, dass das Werkstück mit festgelegter Geschwindigkeit von einem schienengeführten System transportiert wird. Das Werkstück kann auf vielfältige Weise bearbeitet werden, z. B. durch Schrauben, Bohren, Nieten, Schweißen, Dosieren, Gewindeschneiden und dergleichen.
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Der Rechner kann sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung z. B. zur Signalvorverarbeitung am Sensorsystem befinden. Dadurch ist eine relativ ungestörte Verbindung zwischen Rechner und Sensorsystem möglich. In anderen Fällen ist es besser, den Rechner an einer geschützten, stationären Position unterzubringen. Die Verbindung zwischen Rechner (auch Datenübertragungssystem) und Sensorsystem kann drahtlos hergestellt werden.
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Es ist möglich, dass das Sensorsystem durch falsche Bedienung, z. B. Überschreitung der Messzeit oder Schockbelastung irritiert wird. Die Bewegung von einem ersten zum zweiten Arbeitsort kann dann mit diesem Sensorsystem nicht mehr richtig kontrolliert werden. Erfindungsgemäß ist es aber ferner möglich, dass dann von dem dritten und weiteren Arbeitsorten oder Referenzorten die Position des zweiten Arbeitsortes zurückgerechnet werden kann. Auch hier ist dabei davon auszugehen, dass z. B. die Position der Arbeitsorte an sich bekannt ist, und dass bei Verwendung von Trägheitssensorik an diesen Arbeitsorten bei Bedarf eine Rücksetzung erfolgen kann.
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Bei komplizierten Werkstücken oder Arbeitsobjekten ist es leicht möglich, dass der Werkzeugführer einen Arbeitsort vergisst oder den nächsten Arbeitsort nicht sofort findet. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist es daher hilfreich, wenn dem Werkzeugführer mitgeteilt wird, wo sich der nächste Arbeitsort befindet. Ob sich am Werkzeug eine optische, akustische, taktile oder sonstige Einrichtung befindet, die ihm die Position oder Richtung des nächsten Arbeitsortes zeigt, ist nicht festgelegt. Der Werkzeugführer wird auch informiert, wenn er eine Arbeit falsch ausgeführt hat.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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In der Figur ist der Bewegungsablauf des Schraubers (13) an einer Maschine (12) abgebildet. Der Schrauber (13) wird für den Arbeitsprozess beispielsweise mit einer Aufnahme für 8 mm Schrauben und mit einer Sensorik zur Erfassung der Drehmomente (14) ausgerüstet. Der Schrauber (13) verfügt des Weiteren über eine Trägheitssensorik (15), die z. B. mit drei translatorischen und drei rotatorischen Beschleunigungssensoren bzw. Drehratensensoren ausgestattet ist. Es sind natürlich auch andere Sensorkombinationen möglich.
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Der Arbeitsprozess beginnt mit dem automatischen oder manuell durchgeführten Rücksetzen an der Startposition (1). An dem ersten Arbeitsort (2) wird eine Schraube M8 angezogen und dabei das Drehmoment festgestellt. Die Räumkoordinaten des ersten Arbeitsortes sind bekannt. Eventuell sind auch die für die Arbeit notwendige Arbeitsrichtung und das erforderliche Drehmoment bekannt. Möglicherweise hat die Trägheitssensorik (15) mit dem Rechner (16) eine Position ermittelt, die 10 mm neben der Position des ersten Arbeitsortes (2) liegt. Dieser Fehler ist evtl. der Trägheitssensorik (15) zuzuschreiben, aber noch tolerierbar.
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Es wird nun an das Qualitätssicherungssystem gemeldet, dass der erste Arbeitsort 2 richtig angefahren und die Arbeit richtig ausgeführt wurde. Das gemessene Drehmoment liegt im gewünschten Bereich. Die Trägheitssensorik (15) wird zurückgesetzt. Der erste Arbeitsort (2) dient jetzt als Referenz für die weitere Weg- bzw. Positionsberechnung.
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Nun wird die Arbeit in bekannter Weise am zweiten Arbeitsort (3) mit dem Befestigen der nächsten Schraube M8 fortgesetzt.
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Nach dem Abarbeiten des dritten Arbeitsortes (4) möchte der Werkzeugführer den vierten Arbeitsort (6) anfahren. Dabei stößt er an ein Hindernis (5). Das Sensorsystem ist jedoch nicht ausgelegt für derartige Schocks. Die Position des vierten Arbeitsortes (6) kann daher nicht genau ermittelt werden. Die Abweichung ist zu groß. Nach Anfahrt des fünften Arbeitsortes (7) kann jedoch verifiziert werden, dass die Strecke zwischen dem vierten und, fünften Arbeitsort (6, 7) mit akzeptabler Sicherheit erfasst wurde.
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Nach Bearbeitung des sechsten Arbeitsortes (8) versucht der Werkzeugführer den siebten Arbeitsort (10) anzufahren. Er findet ihn jedoch nicht gleich, sondern benötigt eine Suchphase (9). Durch diesen großen Zeitraum wird der siebte Arbeitsort (10) nicht mehr genau erfasst. Wie aber auch schon zuvor, kann der siebte Arbeitsort (10) durch Rückführung des Schraubers (13) an die Startposition (1) zurückverfolgt werden.
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Es ist aus dem Bewegungsablauf zu sehen, dass der Werkzeugführer den achten Arbeitsort. (11) vergessen hat. Je nach Ausstattung der Einrichtung ist es möglich, dass dem Werkzeugführer nicht nur angezeigt wird, dass er den achten Arbeitsort (11) vergessen hat, sondern dass ihm auch z. B. akustisch oder über ein Display mitgeteilt wird, dass er einen Arbeitsort rechts unten an der Maschine, möglicherweise neben einem markanten Teil, noch durchzuführen hat.
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Bei der Startposition (1) handelt es sich hier um eine Halterung für den Schrauber (13). Des Weiteren ist daneben der Rechner (16) dargestellt, in dem auch die Positionen und eventuell Arbeitsrichtungen der abzuarbeitenden Arbeitsorte an der Maschine (12) abgespeichert sind.
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Der Rechner (16) ist mit dem Schrauber (13) bzw. dem Sensorsystem – in diesem Fall der Trägheitssensorik (15) – über Funk oder Leitung verbunden. Der Rechner (16) ermittelt durch die Signale von der Trägheitssensorik (15) den Weg, bzw. letztendlich die jeweilige Position der Trägheitssensorik (15). Wichtig ist die Ortsermittlung, wenn der Schrauber (13) an einem der Arbeitsorte eingeschaltet wird. Die ermittelten Orte müssen mit den bekannten Arbeitsorten überprüft werden. Der Rechner (16) meldet die Ergebnisse an ein nicht dargestelltes Qualitätssystem zur Dokumentation. Auch die Richtung des Schraubers (13) kann bei Bedarf benutzt werden, um die Qualität der Arbeit zu dokumentieren und/oder die Trägheitssensorik (15) an einen Arbeitsort zurückzusetzen. Der Schrauber (13) muss am Arbeitsort auf die Achse der Schraube ausgerichtet sein.
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An sich möchte man mit der Trägheitssensorik (15) die Lage des Arbeitsortes feststellen. Deshalb sollte die Trägheitssensorik (15) auch möglichst dicht an den Arbeitsort herangebracht werden. Die Differenz zwischen Arbeitsort und Ort der Trägheitssensorik (15) kann rechnerisch berücksichtigt werden. Mit zunehmender Differenz werden im Allgemeinen auch die Fehler größer. Praktisch bietet es sich deshalb an, die Trägheitssensorik (15) möglichst weit vorn am Schrauber (13) zu platzieren.
