DE3623056A1 - Fuegeeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fügeeinrichtung mit einer Werkzeugaufnahme und einem Kompensatorelement zum Ausgleich von Positionierfehlern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Fügeeinrichtungen werden beispielsweise beim Einsetzen von Bolzen in Löchern oder zum Einschrauben von Schraubelementen benötigt.

Es sind bislang eine Reihe von nachgiebigen Fügeeinrich­ tungen und insbesondere Schrauberaufhängungen, sogenannte Remote-Center-Compliance-Elemente vorgeschlagen worden. Die bekannten Compliance-Elemente haben jedoch eine Reihe von prinzipiellen Nachteilen:

Bei schrägen Schraubvorgängen können sich durch das Eigen­ gewicht der Fügeeinrichtung unkontrollierte Verlagerungen beispielsweise der Spindel ergeben. Das Gewicht der Aus­ gleichselemente und der mechanische Aufwand ist ver­ gleichsweise groß. Darüberhinaus haben die bekannten Kompensatorelemente eine vergleichsweise große Nachgiebig­ keit gegen Drehmomente, so daß nur bei ganz bestimmten Geometriekonfigurationen erfolgreiche Verschraubungen möglich sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere zur Durchführung von Schraubvorgängen geeig­ nete Fügeeinrichtung zu schaffen, die bei niedriger Masse eine hohe Drehsteifigkeit, aber eine gute Nachgiebigkeit bei Axial-, Lateral- und Angularversatz hat.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß weist das Kompensatorelement einer Füge­ einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 in Art eines Faltenbalgs angeordnete Lamellen auf. Durch diesen Aufbau wird nicht nur die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe gelöst, darüberhinaus ergeben sich auch eine Reihe von unerwarteten Vorteilen:

Auch bei kleinen Abmessungen ist ein großer Versatz realisierbar. Ferner weist das erfindungsgemäße Kompensa­ torelement nicht nur eine Nachgiebigkeit in Richtung senkrecht zur Fügerichtung, sondern auch eine Nachgiebig­ keit in Fügerichtung auf. Damit kann beispielsweise auf eine zusätzliche Werkzeugfederung verzichtet werden.

Trotz dieser hohen Nachgiebigkeit in Fügerichtung und in Richtung senkrecht zur Fügerichtung, die den Ausgleich eines großen Axial-, Lateral- und Angularversatzes er­ laubt, weist das erfindungsgemäße Kompensatorelement eine hohe Drehsteifigkeit auf: so ist das Verhältnis zwischen Anziehwinkel beim Schraubvorgang zu Torsionswinkel des Kompensatorelements größer als 30:1, d.h. sogenannte "weiche Schraubfälle" treten nicht auf.

Darüberhinaus können Betriebszustände eingestellt werden, bei denen keine unkontrollierten Raumlageänderungen der Werkzeugaufnahme durch Eigengewicht bei nicht senkrechten Fügevorgängen auftreten.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen des Gegenstandes des Anspruchs 1 sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Kompensatorelement kann selbstver­ ständlich werkstück- bzw. werkzeugaufnahmefern eingesetzt werden. Zur Verminderung der Reaktionskräfte ist es jedoch vorteilhaft, wenn gemäß Anspruchs 2 das erfindungsgemäß ausgebildete Kompensatorelement direkt über der Werkzeug­ aufnahme beispielsweise in eine Schrauberaufhängung einge­ baut ist. Bei einem derartigen werkstücknahen Einbau kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Elements, wie kleine Masse, gute Nachgiebigkeit etc. besonders zum Tragen.

Wie bereits ausgeführt, weist das erfindungsgemäße Kompen­ satorelement nicht nur eine gute Nachgiebigkeit senkrecht zur Fügerichtung, sondern auch in Fügerichtung auf. Diese Nachgiebigkeit in Fügerichtung kann darüberhinaus dadurch eingestellt werden, daß eine entgegen der (oder gegebenen­ falls auch in) Fügerichtung wirkende Kraft auf das Kompen­ satorelement aufgebracht wird. Wenn die aufgebrachte Kraft so groß ist, daß die einzelnen Lamellen aneinander anlie­ gen verhält sich das erfindungsgemäße Kompensatorelement im wesentlichen wie ein "steifes" Verbindungselement. Damit können auch Fügevorgänge ausgeführt werden, bei der die Fügerichtung mit der Vertikalen einen beliebigen Winkel einschließt, da eine lageabhängige Veränderung der Werkzeugposition unter Einfluß des Eigengewichts vermieden wird.

Die Kraft entgegen der Fügerichtung kann beispielsweise durch mechanische oder elektromagnetische Elemente, zum Beispiel ein Zugseil aufgebracht werden. Besonders vor­ teilhaft ist jedoch die im Anspruch 4 angegebene Möglich­ keit, die Kraft durch Evakuieren des Kompensatorelements zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Kompensatorelement kann als einfaches passives Compliance-Element, aber auch als sensorunter­ stütztes passives oder aktives Compliance-System verwendet werden.

In den beiden letztgenannten Fällen ist es besonders vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 5 Sensoren vorgesehen sind, die die Verformungen des Kompensatorelements erfas­ sen.

Diese Sensoren können beispielsweise handelsübliche Weg­ sensoren, z.B. Dehnungsmeßstreifen oder Sensoren sein, die beispielsweise die Stellung eines Zugseils überwachen.

Besonders vorteilhafte Ausbildungen der Sensoren sind jedoch in den Ansprüchen 6 bzw. 7 gekennzeichnet.

Gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen, daß ein Sensor den Druck im erfindungsgemäß ausgebildeten Kompensatorelement mißt. Bei abgeschlossenem Innenraum ruft nämlich jede Formände­ rung des Kompensatorelements, beispielsweise eine Längung des Elements bei erfolgreich verlaufendem Einschraubvor­ gang, eine Druckänderung hervor, die gemessen wird und zur Erfassung der Länge des Elements und damit zur Ermittlung des Verlaufs des Fügevorgangs dienen kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Sensoren ist im Anspruch 7 angegeben: Zur Erfassung von Formänderungen des Kompensatorelements wird der elektrische Widerstand längs von in Fügerichtung verlaufenden Linien gemessen. Durch die Deformation des Kompensatorelements entsteht nämlich ein stufenweiser "Kurzschluß" der einzelnen Lamellen, so daß sich der Widerstand in Form einer Treppenfunktion als Funktion der Länge des Strompfades ändert. Ermittelt man den Widerstand längs mehrerer, gegeneinander um einen bestimmten Winkelbetrag versetzter Linien, so erhält man eine Aussage über die Größe und die Richtung der Deforma­ tion des Kompensatorelements. Beispielsweise ist es beson­ ders vorteilhaft, den Widerstand von 4 um jeweils 90° versetzten Linien zu ermitteln.

Die Sensor-Ausgangssignale, die ein Maß für die Verformung des Kompensatorelements darstellen, können beispielsweise dazu verwendet werden, einen Industrieroboter, der die Fügeeinrichtung positioniert, so nachzuführen, daß die für den Fügevorgang notwendige Deformation des Kompensatorele­ ments minimiert wird. Mißt man beispielsweise den Wider­ stand in Fügerichtung entlang von 4 um jeweils 90° ver­ setzten Linien, so kann man den Industrieroboter in Rich­ tung des geringsten Widerstands nachführen, um die in dieser Richtung größte Deformation auszugleichen.

Natürlich ist es aber auch möglich, interne Maßnahmen im Kompensatorelement auszulösen, um eventuelle Deformationen zu verringern. Beispielsweise kann der Druck im Kompensa­ torelement gegenüber Normaldruck erhöht oder verringert und damit das Kompensatorelement "versteift" werden, um hierdurch eventuelle Deformationen, beispielsweise beim Ansetzen eines Bolzens an einem schräg verlaufendem Bol­ zenloch zu verringern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kompensatorelements bestehen gemäß den Ansprüchen 9 bzw. 10 darin, dieses mit einer rheopexen oder thixotropen Flüssigkeit, d.h. sogenannten nicht-newtonschen Flüssig­ keiten zu füllen.

Die gemäß Anspruch 9 vorgesehene rheopexe Flüssigkeit wird durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld wesent­ lich zäher, so daß das erfindungsgemäße Kompensatorelement ohne Änderungen der Abmessungen versteift werden kann. Damit wird es beispielsweise möglich, mit eingeschaltetem elektrischen Feld, d.h. mit versteiftem Kompensatorelement einen Bolzen an einem "schrägstehenden" Bolzenloch anzu­ setzen, anschließend das elektrische Feld abzuschalten und den Fügevorgang mit einem nachgiebigen Kompensatorelement auszuführen.

Die gemäß Anspruch 10 vorgesehene thixotrope Flüssigkeit hat den Vorteil, daß die in ihr entstehenden Schubspannun­ gen proportional einem Geschwindigkeitsgradienten sind. Damit wird die Flüssigkeit umso zäher, je größer die Verformung ist. Durch dieses Verhalten wirkt eine Füllung mit einer thixotropen Flüssigkeit Schwingungen des erfin­ dungsgemäßen Kompensatorelements entgegen, so daß auch bei eventuellen Unwuchten Schraubvorgänge mit großen Drehzah­ len ausgeführt werden können.

Die mit einem erfindungsgemäßen Kompensatorelement ausge­ stattete Fügeeinrichtung eignet sich - wie in den Ansprü­ chen 11 und 12 beansprucht und zum Teil bereits angespro­ chen - besonders zur Durchführung von Schraubvorgängen mit Hilfe eines Industrieroboters.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben, deren einzige Figur eine Seitenansicht eines erfindungsge­ mäßen Kompensatorelements zeigt.

Das in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Kompensa­ torelement besteht aus einer Reihe von in Art eines Fal­ tenbalgs bzw. eines Wellschlauchs miteinander verbundenen Lamellen 11, 12, ... 22. Die einzelnen Lamellen 11 ... 22 sind durch Rohrstücke 31 ... 41 derart miteinander verbun­ den, daß sich sowohl der Abstand als auch die Winkellage der einzelnen Lamellen gegeneinander ändern kann. Wie die Figur zeigt, erhält man hierdurch eine Deformation des erfindungsgemäßen Kompensatorelements, die einen im Ver­ gleich zur Länge L und zum Durchmesser D _A großen Achsver­ satz Δ X ermöglicht.

In der Figur ist die Länge der einzelnen Rohrstücke und damit der Abstand zwischen den einzelnen Lamellen bei undeformiertem Element gleich. Dies ist nicht notwendiger­ weise so; beispielsweise ist es möglich, zum Erzielen spezieller Kennlinien die Länge der einzelnen Rohrstücke zu variieren.

Wie ferner die Figur zeigt, berühren sich bei Deformatio­ nen einzelne Lamellen, in der Figur beispielsweise die Lamellen 11, 12, 13 links oben und die Lamellen 20, 21, 22 rechts unten. Besteht das erfindungsgemäße Kompensatorele­ ment aus einem elektrisch leitenden Material, so kann man durch Messen des Widerstands längs zur Achse z (im unde­ formierten Zustand) parallelen Linien die Deformation des Elements bestimmen.

Das erfindungsgemäße Kompensatorelement kann aus beliebi­ gen federnden Materialien, beispielsweise Federstählen, Kunststoffmaterialien etc. hergestellt sein. Die Material­ wahl richtet sich vorteilhafter Weise nach dem jeweiligen Einsatzfall.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfinungsgedan­ kens - eine Fügeeinrichtung mit einem Kompensatorelement zu versehen, das in Art eines Faltenbalgs angeordnete Lamellen aufweist - beschrieben worden.

Innerhalb dieses allgemeinen Erfindungsgedankens sind selbstverständlich die verschiedensten Ausgestaltungen möglich:

Beispielsweise kann der Innenraum des Kompensatorelements abgeschlossen und mit einer Einrichtung zur Drucksteuerung verbunden sein. Durch einen entsprechenden Unter- bzw. Überdruck erhält man nicht nur unterschiedliche Längen des Kompensatorelements in seiner Ruhelage, sondern auch unterschiedliche Steifigkeiten des Kompensatorelements sowohl in Fügerichtung als auch senkrecht hierzu.

Deformationen des Kompensatorelements können nicht nur durch Messung des Widerstands sowie durch sonstige Senso­ ren, beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, festgestellt werden, darüberhinaus ist es auch möglich, den Druck im Inneren eines abgeschlossenen Kompensatorelements zu messen, da eine Längung bzw. Verkürzung des Kompensator­ elements auch zu einer Druckänderung führt.

Ferner ist es zur Veränderung der Eigenschaften des Füge­ elements möglich, dieses mit einer Flüssigkeit und insbe­ sondere einer sogenannten nicht-newtonschen Flüssigkeit zu füllen, die unter bestimmten Umständen, beispielsweise bei Anlegen eines elektrischen Feldes, ihre Zähigkeit ändert.

Insbesondere bei Verwendung einer rheopexen Flüssigkeit ist es ohne weiteres möglich, durch Ein- bzw. Ausschalten eines beipsielsweise in Fügerichtung, aber auch in anderen Richtungen angelegten elektrischen Feldes die Steifigkeit des erfindungsgemäß vorgesehenen Kompensatorelements in weiten Grenzen zu verändern.

Claims (12)

1. Fügeeinrichtung mit einer Werkzeugaufnahme für das zu fügende Element und einem Kompensatorelement zum Ausgleich von Positionierfehlern der Werkzeugaufnahme relativ zum Fügepartner in einer Ebene senkrecht zur Fügerichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensatorelement in Art eines Faltenbalgs angeordnete Lamellen (11 ... 22) aufweist.

2. Fügeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensatorelement direkt über der Werkzeugaufnahme vorgesehen ist.

3. Fügeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Kompensatorelement eine entgegen der Fügerichtung (z) wirkende Kraft auf­ bringbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft durch Evakuieren des Kompensatorelements erzeugbar ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor vorgesehen ist, der Verformungen des Kompensatorelements erfaßt.

6. Fügeeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor den Druck im Kom­ pensatorelement mißt.

7. Fügeeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung den Widerstand längs mehreren in Fügerichtung verlaufenden Linien mißt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit die Sensor- Ausgangssignale erfaßt und das Positioniersystem einer Positioniereinrichtung, z.B. eines Industrieroboters oder eine Einheit zur Steuerung des inneren Zustandes des Kompensatorelements mit Signalen zur Verringerung der Deformationen beaufschlagt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur wahlweisen Versteifung in das Kompensatorelement eine spezielle rheopexe Flüssigkeit eingefüllt ist, an die ein elektrisches Feld anlegbar ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in das Kompensatorelement eine thixotrope Flüssigkeit eingefüllt ist.

11. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Fügen mit einer Positioniereinrichtung, z.B. einem Industrieroboter.

12. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Durchführung von Schraubvorgängen.