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Verfahren zum automatischen Zuordnen und Verbinden zweier Körper,
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insbesondere einer Radfelge und einer Radnabe Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum automatischen Zuordnen und Verbinden zweier Körper, insbesondere
einer Radfelge und einer Radnabe, mittels Verbindungselementen wie Schrauben, Niete,
Stifte o. dgl., wobei das Lochbild des einen Körpers durch Rotation eines vorpositionierten
Tastkopfes mit entsprechend diesem Lochbild verteilten Tastorganen gesucht wird.
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Bei dem vorgenannten Verfahren besteht das generelle Problem, daß
die Lochbilder der beiden Körper und das Lochbild einer Montagevorrichtung zur Deckung
gebracht werden müssen. Das generelle Problem zerfällt in zwei Teilprobleme. Zuerst
muß die vorhandene Stellung der einzelnen Lochbilder festgestellt werden und danach
sind zwei der Lochbilder nach dem dritten auszurichten.
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Im besonderen Fall der Automobiltechnik, wo Radfelgen auf Radnaben
zu montieren sind, ist es bekannt, dazu Montogeoutomaten oder sogenannte Industrieroboter
einzusetzen. Häufig werden die Industrieroboter mit einem Fernseh-System gekoppelt,
das an einem Fahrzeug das vorhandene Nabenlochbild feststellt und danach den Roboter
mit der Montage- und Greifvorrichtung steuert. Ein solcher Roboter ist allerdings
für die relativ einfache Aufgabe der Radmontage, insbesondere bei Einbindung in
eine getaktete Fertigungsstraße, technisch Uberqualifiziert und fUr Serienfertigung
mit hohen Stückzahlen damit zu teuer.
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Eine Radmontogevorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs
arbeitet im allgemeinen mit weniger komplizierten VerfahrenAund mit einfacheren
Vorrichtungen. In der Autom>biltechnik wird zum Auffinden
des
Nabenlochbildes ein sogenannter Tastkopf verwendet, der über Tastorgan verfügt,
die auf mechanischem Wege genau gegenUberliegende Bohrungen oder in diesen Bohrungen
steckende Schraubbolzen erkennen. Zum Suchen wird der Tastkopf auf Nabenmitte vorpositioniert
und dann so lange gedreht, bis das Nabenlochbild mit dem Tasterlochbild übereinstimmt.
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Zur Lösung des zweiten Teilproblems, wie die einzelnen Lochbilder
zur Deckung gebracht werden, ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, die
davon ausgeht, daß die Schraubervorrichtung feststeht und daß nach dem Schrouberlochbild
das Nabenlochbild und das Felgenlochbild ausgerichtet werden, wobei diese beiden
Ausrichtvorgänge unabhängig voneinander erfolgen. Ein Tastkopf sucht das aktuelle
Nabenlochbild und verdreht nach dem Auffinden die Radnabe so lange, bis Schrauberlochbild
und Nabenlochbild Ubereinstimmen. Gleichzeitig wird von einer Ausrichtstation der
Schraubervorrichtung ein Rad mit vorausgerichtetem Felgenlochbild zugeführt. Die
Schraubervorrichtung wird dann mit dem Rad in Montageposition gegenüber der ausgerichteten
Radnabe gefahren.
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Das Verfahren, Nabe und Felge nach der Schraubervorrichtung auszurichten,
bringt den Nachteil mit sich, daß an einer Fahrzeugachse mit Differential die beiden
Radmontagevorrichtungen zeitlich exakt aufeinander abgestimmt werden müssen. Durch
das Differential sind die Dreh.
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bewegungen der beiden Radnaben bedingt durch Reibschluß miteinander
gekoppelt, was im Falle zeitverschobener Tätigkeit der Tastköpfe dazu fihenkarn1
daß eine bereits ausgerichtete Nabe durch ein Verdrehen der anderen Nabe aus ihrer
Ausrichtposition gelangt. Ist darüber hinaus bei dem Fahrzeug der Gang eingelegt,
können die Tastköpfe die entsprechenden Radnaben nicht beliebig verdrehen.
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Das Verfahren bedingt auf seiten der Montagevorrichtung einen erheblichen
Bauaufwand, verbunden mit großen Leerzeiten. Zum einen sind
getrennte
Vorrichtungen zum Ausrichten der Radnabe und der Radfelge notwendig, die einzeln
auf das Schrauberlochbild justiert werden müssen, und zum anderen bedingt der Tastkopf,
der einerseits das Nabenlochbild suchen und dann auch in Ausrichtpostion verdrehen
soll, eine entsprechend robuste Konstruktion und einen hohen steuertechnischen Aufwand.
Die Taktzeitverldngerung ergibt sich aus der Notwendigkeit, die Vorrichtung zum
Ausrichten der Radnabe beiseite fahren zu müssen und dann erst mit einer getrennten
Bewegung die Schraubervorrichtung samt Radfelge in Montageposition fahren zu können.
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Die Erfindung hat damit die Aufgabe, unter Meidung der vorstehend
genannten Nachteile ein einfacheres Verfahren und eine weniger aufwendige Vorrichtung
zur automatischen Positionierung und Montage von Rädern auf Radnaben vorzusehen,
wobei Verfahren und Vorrichtung auch fiir andere technische Bereiche anwendbar sein
können.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß dem Kennzeichnungsteil
des Hauptanspruches.
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Die Erfindung geht davon aus, daß wie Ublich eine Ausrichtstation
vorhanden ist, von der aus beispielsweise Räder mit vorausgerichtetem Felgenlochbild
einer Montagevorrichtung, speziell einer Mehrfach-Schraubervorrichtung, zugeführt
werden. Das erfindungsgemäße Verfahren vor, sieht darüberhinaus' daß Felgen- und
Schrauberlochbild nach dem Nabenlochbild ausgerichtet werden. Dieses Ausrichten
soll gleichzeitig mit dem Suchen des Nabenlochbildes erfolgen, d.h. die Drehung
des auf Nabenmitte vorpositionierten Tastkopfes wird gegensinnig auf das von einer
Greifervorrichtung erfaßte Rad und die Schraubervorrichtung Ubertragen. Wenn der
Tastkopf das Nabenlochbild gefunden hat, steht dem Nabenlochbild das Schrauber-
bzw. Felgenlochbild spiegelbildlich deckungsgleich gegenüber. Als Spiegelachse dient
dabei die Schwenkachse, um die das Rad und die Schraubervorrichtung ohne weitere
Ver-
drehung in Montageposition gegenüber der Radnabe geschwenkt
werden.
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Der Vorteil dieses Verfahrens liegt zum einen darin, daß zuerst das
Schrauberlochbild und das Felgenlochbild miteinander zur Deckung gebracht und dann
gemeinsam gegenüber dem Nabenlochbild ausgerichtet werden. Zum anderen treten keine
Ubertragungsfehler mehr auf, da die suchende Drehbewegung des Tastkopfes direkt
in eine Ausrichtbewegung der Schraubervorrichtung und des Rades umgesetzt wird und
deren paßgenaue Lage durch eine präzise Schwenkbewegung um eine definierte Achse
ohne Fehlereinfluß erhalten bleibt. Darüber hinaus braucht der Tastkopf das Nabenlochbild
nur zu suchen und muß die Nabe nicht verdrehen. Anstelle von mechanisch wirkenden
Tastorganen, die Bohrungen oder Schraubbolzen in der Radnabe erfassen und dabei
unter Umständen beschädigen, können alternativ berührungslose Detektoren eingesetzt
werden, die auf induktivem, kapazitivem, optischem oder anderem Wege die richtige
Stellung erkennen.
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Die Koppelung der Drehbewegung des Tastkopfes mit einer gegensinnigen
Drehbewegung der Greifervorrichtung und der Schraubervorrichtung wird durch ein
Getriebe, vorzugsweise ein Winkelgetriebe, das spielfrei verspannt ist, erreicht.
Die Gegensinninkeit der Drehbewegung bezieht sich dabei auf die Drehachse des Tastkopfes,
wobei der Drehsinn mit Blick von der Radnabe her, auf den Tastkopf festgelegt wird.
Das Getriebe verbindet die Welle des Tastkopfes mit der gemeinsamen Welle der Greifervorrichtung
und der Schraubervorrichtung, wobei von Welle zu Welle eine Übersetzung von 1:1
besteht und der Antrieb der Wellen durch das mittlere Zahnrad des Winkelgetriebes
erfolgt. AL ternativ dazu kann auch eine Welle direkt angetrieben werden, wobei
das Getriebe lediglich Übertragungsfunktion zur anderen Welle besitzt.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung fluchten die
beiden Wellen miteinander, wobei der sie aufnehmende Lagerarm als gerades Rohr ausgebildet
ist. Alternativ dazu können die Wellen auch in einem Winkel zueinander stehen, wobei
der Lagerarm dann die Form einesab-
gewinkelknRohres aufweist. In
diesem Fall wird die Gegensinnigkeit dadurch definiert, daß die Blickrichtung, bezüglich
der der Drehsinn festgelegt wird, vom Tastkopf ausgehend am Kreuzungspunkt der Wellen
zum Rad bzw. zur Schraubervorrichtung hin umgelenkt wird.
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Um mit der Schwenkbewegung die ausgerichtete Greifervorrichtung samt
Schraubervorrichtung an die Stelle des Tastkopfes zu bewegen, ist der Lagerarm um
eine senkrecht zu den Wellen orientierte Schwenkachse drehbar an einem Maschinenständer
gelagert.
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Insgesamt ist der Lagerarm der Positionier- und Montagevorrichtung
um vier Achsen schwenkbar oder verschiebbar gelagert, so daß der Tastkopf stets
gegenüber einer beliebig im Raum orientierten Radnabe ausgerichtet werden kann.
Die für eine Zuordnung nötige fünfte Achse wird durch den translatorischen Freiheitsgrad
der Transportvorrichtung für die Radnabe dargestellt, während die sechste Achse
vom rotatorischen Freiheitsgrad des Tastkopfes selbst gebildet wird. Für den Antrieb
der beweglichen Teile der Positionier- und Montagevorrichtung genügen Stellantriebe
mit Endschalter, wobei lediglich der Drehantrieb für den Tastkopf als steuerbarer
Servoantrieb in Gestalt eines elektrischen Schrittmotors, Scheibenlöufermotors oder
dgl. ausgebildet ist. Natürlich können für ein schnelles Umrüsten auch die anderen
Antriebe als programmierbare Stellantriebe ausgeführt sein.
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Da nach dem Nabenlochbild die Schraubervorrichtung mit dem Rad ausgerichtet
wird, ist eine Fixiervorrichtung für die Radnabe und/oder die Fahrzeugachse vorgesehen.
Damit wird die Radnabe in eine vorbestimmte Stellung gebracht, gegenüber der die
Stellantriebe der Positionier- und Montagevorrichtung justiert sind, so daß der
Tastkopf automatisch auf Nabenmitte vorpositioniert werden kann und nur durch Drehung
das Nabenlochbild aufsuchen muß.
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Das Verfahren und die Vorrichtung zur automatischen Zuordnung und
Verbindung zweier Körper ist nicht auf die Montage von Radfelgen auf Radnaben beschränkt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel wäre die Montage von Getriebedeckeln, wobei der
Deckel das zu fügende Teil darstellt.
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Die konstruktive Ausbildung der Montagevorrichtung und der zugeordneten
Greifervorrichtung kann variiert werden, so daß sich nicht nur relativ flache Teile,
wie Radfelgen, Deckel o. dgl., automatisch montieren lassen, sonderen beispielsweise
auch Rohrstücke Uber Flansche miteinander verbunden werden können.
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Die Lochbilder stellen ebenfalls. keine Beschränkung dar. Sie müssen
nicht kreisförmig sein und brauchen auch keine konstante Lochteilung aufzuweisen.
Verfahren und Vorrichtung funktionieren mit beliebigen Lochbildern, es muß nur eine
Justiervereinbarung für die Vorpositionierung des unbewegten Körpers und der Tastkopf-Drehachse
getroffen werden.
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Die Erfindung geht von einer Montage der beiden Körper mittels Verbindungselementen,
wie Schrauben, Niete, Bolzen, Paßstifte o. dgl.
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aus. Demgemäß kann die Montagevorrichtung nicht nur-als Mehrfach-Schraubervorrichtung,
sondern auch als Einfach-Schraubervorrichtung als Bolzensetzapparat, als Nietvorrichtung
oder dgl. ausgebildet sein.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch und beispielsweise
dargestellt. Im einzelnen zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht einer automatischen
Positionier- und Montagevorrichtung Fig. 2 eine Draufsicht der Vorrichtung gem.
Figur 1, teilweise im Schnitt.
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Fig. 1 zeigt eine automatische Positionier- und Montagevorrichtung
1 in einem Ausführungsbeispiel für die Montage von Radfelgen 20 mit aufgezogenen
Reifen 28 auf zu Fahrzeugen gehörige Radnaben 25. Die Positionier- und Montagevorrichtung
1 besteht im wesentlichen aus einem Tastkopf 2, einer Mehrfach-Schraubervorrichtung
4 und einer Greifervorrichtung 5. Greifervorrichtung 5 und Mehrfach-Schraubervorrichtung
4 sind auf der einen Seite eines Lagerarmes 6 auf einer gemeinsamen Welle (17) (siehe
Fig. 2) angeordnet. Auf der anderen'Seite des Lagerarmes 6 ist auf einer Welle 16
der Tastkopf 2 befestigt. Wie Fig. 2 zeigt, sind die beiden Wellen 16? 17 im Lagerarm
6 drehbar gelagert und durch ein Getriebe 15 miteinander verbunden. Das Getriebe
15 ist als Winkelgetriebe mit drei Kegelrädern ausgebildet, wobei die auf den Wellen
16, 17 sitzenden Kegelräder gleichgroß sind. Durch Verspannung der Zahnräder wird
fUr das Getriebe 15 Spielfreiheit erzielt.
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Eine Verdrehung des Tastkopfes 2 bewirkt damit eine Verdrehung der
Greifervorrichtung 5 und der Mehrfach-Schraubervorrichtung 4 um einen gleichgroßen
Winkel, aber mit entgegengesetztem Drehsinn. Der Drehsinn der Greifer- und der Mehrfach-Schraubervorrichtung
wird dabei vom selben Bezugspunkt aus bestimmt, wie der Drehsinn des Tastkopfes.
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Der Lagerarm 6 ist an einem Schwenkarm 11 befestigt, der um seine
Längsachse, im folgenden als Schwenkachse 12 bezeichnet, gedreht werden kann. Die
Schwenkachse 12 steht senkrecht auf den Längsachsen der beiden Wellen 16 und 17.
Die Schwenkachse 12 kann damit entgegen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2
auch vertikal verlaufen. Nach einer Schwenkbewegung des Lagerarmes 6 von 1800 um
die Schwenkachse 12 stehen demnach die Mehrfach-Schraubervorrichtung 4 und die Greifervorrichtung
5 genau an der Stelle, wo sich in Fig. 2 der Tastkopf 2 befindet. Der Schwenkarm
11 ist in einem Vertikalschlitten 10 gelagert, der wiederum heb- und senkbar an
einem Maschinenstönder 7 geführt ist. Der senkrecht stehende Maschinenständer 7
ist seinerseits auf einem Horizontalschlitten 8 angeordnet, der wiederum horizontal
und parallel zu den Wellen 16
und 17 auf einer Schlittenführung
9 hin- und herbewegbar ist. Darüber hinaus ist der Maschinenständer 7 um seine vertikale
Achse drehbar auf dem Horizontalschlitten 8 gelagert. Die Positionier- und Montagevorrichtung
1 stützt sich über die Schlittenführung 9 auf einem bodenfesten Gestell 14 ab. FUr
eine Bewegung des Tastkopfes 2 ergeben sich damit fünf Achsen, die drei rotatorische
und zwei translatorische Freiheitsgrude vermitteln und mit den römischen Zahlen
I bis V in den Figuren gekennzeichnet sind. Um mit dem Tastkopf 2 beliebige Punkte
im Raum erreichen zu können, benötigt die Positionier- und Montagevorrichtung 1
noch einen dritten translatorischen Freiheitsgrad in Richtung der Schwenkachse 12,
der z. B. durch einen weiteren Horizontalschlitten gegeben sein könnte. Im Ausführungsbeispiel
der Fig, 1 und 2 wird diese fehlende Achse durch die nicht dargestellte Transportvorrichtung
für die Radnabe 25 gebildet. Die Zahl der Freiheitsgrade kann bei einer einfacheren
Ausführungsform geringer sein.
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Zur Montage der vier Räder eines Kraftfahrzeuges werden im allgemeinen
vier der in Fig. 1 und 2 dargestellten Positionier- und Montagevorrichtungen 1 eingesetzt.
Das Kraftfahrzeug wird vom Transportsystem in Stellung zwischen die Positionier-und
Montagevorrichtungen 1 gefahren. Anstelle eines Fahrzeuges mit bereits montierten
Achsen kann natürlich auch eine einzelne Achse in unmontiertem Zustand in Stellung
gefahren werden. Damit reduziert sich lediglich die Zahl der Positionier- und Montagevorrichtungen
von vier auf zwei. Mittels einer Fixiervorrichtung 22, die aus einem prismatischen
Aufnehmer 23 und einem Spannelement 24 besteht, wird die Radnabe 25 in eine vorbestimmte
Position gehoben und dort festgespannt. Statt der Radnabe 25 kann auch ein Teil
der Fahrzeugachse 26 festgespannt werden. Die vorbestimmte Position ist in Fig.
1 als horizontale Lage dargestellt. Durch die Freiheitsgrade der Positionier- und
Montagevorrichtung
1 kann die vorbestimmte Position an beliebiger Stelle im Raum bei beliebiger Nabenausrichtung
liegen.
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Der Tastkopf 2 weist entsprechend dem Nabenlochbild verteilte Tastorgane
3 auf, die ein Signal abgeben, wenn sie genau Uber einer Bohrung oder einem Bolzen
der Radnabe 25 stehen. Die Erkennung kann auf mechanischem Wege über gefederte Stifte,
die in Nabenbohrungen einrasten, erfolgen. Zum Auffinden von Bolzen ist das Tastorgan
3 als federnd gelagerter Ring mit Bohrungen ausgebildet, der bei richtiger Stellung
auf den Bolzen einrastet. Der Tastkopf 2 kann auch auf berührungslosem Wege die
richtige Lochbildstellung erkennen, indem die Tastorgane optisch nach dem Prinzip
einer Lichtschranke als Grenztaster arbeiten, wobei die Tastorgane einen Sender
und einen Empfänger enthalten. Steht der Sender genau Uber einem Bolzen, meldet
der lichtempfindliche Empfänger maximale, durch Reflexion erzeugte Helligkeit, umgekehrt
erkennt der Empfänger bei einer Nabenbohrung maximale Dunkelheit. Alternativ können
auch berührungslose induktiv oder kapazitiv arbeitende Grenztaster Verwendung finden.
Diese funktionieren nach dem Prinzip des bedämpften Oszillators, der ein gerichtetes
Wechselfeld als Schaltzone aufbaut. Gelangt ein Gegenstand in diese Schaltzone,
wird dadurch die Kapazität oder die Induktivität im Schwingkreis beeinflußt, was
als Schaltimpuls auswertbar ist. Damit können Bohrungen und Bolzen gleichermaßen
erkannt werden.
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Zum Aufsuchen des Nabenlochbildes wird der Tastkopf 2 rechtwinklig
zur Nabenstirnseite und auf Nabenmitte vorpositioniert. Die Stellung der Radnabe
25 ist immer die gleiche, und die Antriebe für die beweglichen Teile der Positionier-
und Montagevorrichtung 1 sind darauf justiert. Diese beweglichen Teile werden im
Ausführunysbeispiel durch Stellantriebe 27 als bewegt, die im Ausführungsbeispielthydraulische,
pneumatische oder elektrische Antriebe mit Endschalter ausgeführt sind. Desgleichen
ist es
auch möglich, programmierbare Servoantriebe zu verwenden.
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Zum Auffinden des Nabenlochbildes braucht der vorpositionierte Tastkopf
2 nur zu drehen. Die Rotation wird durch einen Servoantrieb 13 auf dessen Triebwelle
das mittlere Zahnrad des Getriebes 15 sitzt, bewirkt. Sobald die Tastorgane 3 die
Deckungsgleichheit des Nabenlochbildes und des Tasterlochbildes melden, schaltet
der Servoantrieb 13 ab.
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Mit dem Tastkopf 2 wird die Greifvorrichtung 5 und die Mehrfoch-Schraubervorrichtung
4 gegensinnig verdreht. Das Lochbild der Tastorgane 3 des Tastkopfes 2 stimmt dabei
stets spiegelbildlich mit dem Felgenlochbild und dem Schrauberlochbild überein.
Als Spiegelachse tritt die Schwenkachse 12 in Erscheinung, um die der Lagerarm 6
nach Auffinden des Nabenlochbildes gedreht wird. Im Ausführungsbeispiel wird um
1800 gedreht, wobei bei ungleich großen Abständen von Tastkopf 2 und Greifervorrichtung
5 von der Schwenkachse 12 auch der Horizontalschlitten 8 hin- und herfahren muß.
Nach der Schwenkbewegung, während der die Greifervorrichtung 5 und die Mehrfach-Schraubervorrichtung
4 nicht mehr verdreht werden, nehmen Greifer- und Mehrfach-Schraubervorrichtung
die Stellung des Tastkopfes 2 ein, wobei das Felgen- und Schrauberlochbild mit dem
Nabenlochbild deckungsgleich Ubereinstimmt. Die Mehrfach-Schraubervorrichtung 4
kann dann sofort die vorbereiteten Radschrauben bzw. Radmuttern in die Nabenbohrungen
bzw. auf die Radbolzen schrauben und das Rad montieren.
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Nach erfolgter Radmontage fährt der Horizontalschlitten 8 zurück,
und der Lagerarm 6 wird um 900 bzw. 2700 verschwenkt, so daß die leere Greifervorrichtung
5 und die Mehrfach-Schraubervorrichtung 4 senkrecht über einer Aufnahmestation 21
zu stehen kommen. Dabei drehen der Tastkopf 2, die Mehrfach-Schraubervorrichtung
4 und die Greifervorrichtung 5 in eine Ausgangsstellung zurück. In dieser Ausgangsstellung
stimmt das
Lochbild der SchraubernUsse 18 der Mehrfach-Schraubervorrichtung
4 mit dem Felgenlochbild eine.s in der Aufnahmestation 21 befindlichen und zur Abnahme
fertigen Rades 19 überein Der Aufnahmestation 21 ist eine nicht dargestellte Ausrichtstation,
in der die zugeführten Räder 19 nach dem Felgenlochbild ausgerichtet und mit Radschrauben
versehen werden, vorgeschaltet.
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In der Aufnahmestation 21 wird die Mehrfach-Schraubervorrichtung 4
auf die Radfelge 20 abgesenkt, wobei die Schraubernüsse 18 etwas drehen und dabei
über die Köpfe der Radschrauben rutschen. Danach erfaßt die Greifervorrichtung 5
das Rad 19 und halt damit die Schravbernüsse 18 auf den Radschrauben. Nach erfolgter
Radaufnahme fährt der Vertikalschlitten 10 nach oben, der Lagerarm 6 schwenkt wieder
in die horizontale Lage, und der Tastkopf 2 wird gegenUber einer neuen Radnabe 25
vorpositioniert.
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Stückliste 1 Positionier- und Montagevorrichtung 2 Tastkopf 3 Tastorgan
4 Mehrfach-Schraubervorrichtung 5 Greifervorrichtung 6 Lagerarm 7 Maschinenständer
8 Hori:ontalschlitten 9 Schlittenführung 10 Vertikaischlitten 11 Schwenkarm 12 Schwenkachse
13 Servoantrieb 14 Gestell 15 Getriebe 16 Welle 17 Welle 18 Schraubernuß 19 Rad
23 Radfelge 21 Aufnahmestation 22 Fixiervorrichtung 23 prismatischer Aufnehmer 24
Spannelement 25 Radnabe 26 Fahrzeugachse 27 Stellantrieb 28 Reifen r