DE3704844A1 - Schraubvorrichtung mit einer frei positionierbaren schraubspindel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubvorrichtung mit einer mittels einer Handhabungseinrichtung und insbesonde­ re mittels eines Industrieroboters frei positionierbaren Schraubspindel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Zuge der fortschreitenden Automatisierung werden ver­ stärkt Schraubvorgänge mit Handhabungseinrichtungen und insbesondere Industrierobotern ausgeführt. Bei bekannten Vorschlägen zur Durchführung von Schraubvorgängen mit Industrierobotern ist die Schraubspindel an die "letzte Achse", d.h. an dem letzten Glied der kinematischen Kette bzw. der einzelnen beweglichen Elemente des Roboterarms angeflanscht. Der Industrieroboter positioniert die Schraubspindel am Ausgangspunkt des Schraubvorgangs und schiebt die Schraubspindel entsprechend dem Fortgang des Schraubvorgangs in Richtung der Achse der Schraubspindel vor bzw. zurück.

Bedingt durch diesen Aufbau weisen die bekannten Indu­ strieroboter-gestützten Schraubvorrichtungen eine Reihe von Nachteilen auf:

Insbesondere ist die Verarbeitung von Langschaftschrauben vor allem bei raumschrägen Fügevorgängen mit Problemen verbunden, da die Schraube im Schraubwerkzeug verkippen kann. Ferner können nur bei speziell angefertigen Werkzeu­ gen lose Schraubzusatzteile, wie Unterlegscheiben, Siche­ rungsscheiben, Kabelklemmen etc. gehandhabt werden; in diesem Falle muß jedoch auf die universelle Einsetzbar­ keit, die gerade bei Industrieroboter-gestützten Schraub­ vorrichtungen im Vordergrund steht, verzichtet werden. Darüberhinaus ist es schwierig, anzuschraubende Teile mit dem Industrieroboter zu halten und gleichzeitig die Ver­ schraubung durchzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubvor­ richtung mit einer mittels einer Handhabungseinrichtung und insbesondere mittels eines Industrieroboters frei positionierbaren Schraubspindel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß auch bei raumschrägen Schraub-Fügevorgängen eine lagekontrollierte Handhabung der Schraube, von Schraubzusatzteilen und/oder von anzuschraubenden Teilen ohne speziell angefertigte Werkzeuge möglich ist.

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

Der Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Schraub­ spindel nicht an der letzten Achse der Handhabungseinrich­ tung und insbesondere des Industrieroboters anzuflanschen, sondern sie an dem Tragarm der letzten Achse zu befesti­ gen. Hierdurch steht die Schraubspindel in einer festen Lagebeziehung zur "letzten Achse" der Handhabungseinrich­ tung, ohne daß zu ihrer Positionierung der Flansch an der "letzten Achse" des Industrieroboters benötigt werden wurde. Damit können am Flansch der letzten Achse des Industrieroboters weitere Werkzeuge und insbesondere ein Greifer angebracht werden. Der Greifer ist erfindungsgemäß so angeordnet, daß er die Schraube, Schraubzusatzeinrich­ tungen und/oder anzuschraubende Teile während des Schraub­ vorgangs handhaben und insbesondere fixieren kann. Dieser Greifer kann beispielsweise ein Parallelbackengreifer, aber auch ein anders ausgebildeter Greifer sein.

Hierdurch ergeben sich eine Reihe von Vorteilen:

Beispielsweise kann die Schraube durch den am Flansch der letzten Achse angebrachten Greifer "gehandhabt" werden, so daß ein Verkippen der Schraube im Schraubwerkzeug nicht möglich ist. Darüberhinaus vereinfacht die erfindungsge­ mäße Vorrichtung die Durchführung von Schraubvorgängen schräg im Raum bzw. "über Kopf". Ferner kann bei schwieri­ gen Fügevorgängen mittels des Greifers ein Fügehilfsteil bereitgestellt werden. Bei geeigneter Formgebung der Greiferbacken kann auch der Greifer selbst als Zentrier­ hilfe für die Schraube oder ein Schraubzusatzteil dienen (Anspruch 12).

Vor allem aber ermöglicht die erfindungsgemäß ausgebildete Schraubvorrichtung die automatische Montage von losen Schraubzusatzteilen, wie Scheiben etc., so daß keine teuren Sonderteile, wie Schrauben mit angerollten Scheiben benötigt werden. Darüberhinaus können auch die anzuschrau­ benden Teile fixiert werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Viele der auf dem Markt erhältlichen Industrieroboter weisen zwar eine hohe Positionier- und Wiederholgenauig­ keit in der Größenordnung von typischerweise 0,1 mm auf, ihre Bahntreue ist aber vor allem bei raumschrägen Füge­ vorgängen wesentlich geringer und liegt in der Größenord­ nung von bis zu ± 1 mm Abweichung von einer vorgebenen (raumschrägen) Bahn. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß derartige Abweichungen von einer zur Durchführung eines Schraubvorgangs einzuhaltenden Bahn zu Beschädigun­ gen bzw. vorzeitigen Abnutzungen der Gewinde und/oder der Schraubvorrichtung führen.

Deshalb besteht gemäß Anspruch 2 eine bevorzugte Weiter­ bildung der Erfindung darin, eine zusätzliche Vorschubein­ heit vorzusehen, die einen linearen Vorschub der Schraub­ spindel entsprechend dem Fortschritt des Schraubvorgangs entlang der Achse der Schraubspindel sicherstellt.

In den Ansprüchen 3 und 4 sind Weiterbildungen gekenn­ zeichnet, die das Verschrauben von Teilen unter ungünsti­ gen Einbaubedingungen bzw. bei nur geringer Positionierge­ nauigkeit des Industrieroboters erlauben.

Im Anspruch 5 ist eine einfache Ausbildung der Vorschub­ einheit beansprucht, die den Vorteil eines einfachen und leichten Aufbaus mit einem verhältnismäßig großen Vor­ schubweg verbindet.

Durch die im Anspruch 6 gekennzeichnete Weiterbildung der Vorrichtung gemäß Anspruch 5 lassen sich unterschiedliche Schraubspindeln leicht spannen, wobei ein Verkippen der Schraubspindel gegen die Vorschubeinheit bzw. die Linear­ führung durch entsprechende Wahl der Spannlänge weitgehend vermieden werden kann.

In den Ansprüchen 7 und 8 sind bevorzugte Ausbildungen des Antriebs für die Vorschubeinheit gekennzeichnet. Durch diese Antriebsvarianten ist es möglich, den eigentlichen Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor oder ein Betä­ tigungselement für den Bowdenzug beabstandet von der letzten Achse des Industrieroboters anzubringen, so daß die Gewichtsbelastung der letzten Achse der Roboterhand, die in der Regel nur eine verhältnismäßig kleine Tragkraft aufweist, verringert wird.

Die gemäß den Ansprüchen 9 und 10 vorgesehenen Sensoren dienen zur Überwachung des Ablaufs des Schraubvorgangs. Insbesondere kann durch den gemäß Anspruch 9 vorgesehenen Sensor festgestellt werden, ob die Schraube "greift". Bei korrektem Ablauf des Schraubvorgangs muß sich nämlich die Schraubspindel entsprechend der Umdrehungszahl und der Gewindesteigung verschieben. Ist der Verschiebeweg größer oder kleiner, so ist dies ein Anzeichen für ein fehlerhaft ablaufenden Schraubvorgang.

Der gemäß Anspruch 10 vorgesehene Sensor ermöglicht die Überprüfung, ob das Schraubzusatzteil bzw. das anzuschrau­ bende Teil tatsächlich vorhanden ist, bzw. ob das "richti­ ge" Teil gegriffen worden ist. Im Falle des Nichtvorhan­ denseins würden nämlich die Backen des Greifers über die Abmessungen des zu haltenden Teils hinausverfahren werden; bei einem falschen Teil wäre der Backenabstand größer oder kleiner.

Die Sensorsignale können beispielsweise gemäß Anspruch 11 an die Steuereinheit des Industrieroboters angelegt sein, die bei fehlerhaftem Ablauf des Schraubvorgangs entspre­ chende Gegenmaßnahmen einleitet.

Durch eine geeignete Ausbildung der Greiferbacken -bei­ spielsweise eines Parallelbackengreifers - , wie sie im Anspuch 11 gekennzeichnet ist, wird erreicht, daß das anzuschraubende Teil bzw. das Schraubzusatzteil zentriert aufgenommen wird, so daß die Lagebeziehung zwischen der Schraubspindel bzw. der Schraube und dem Schraubzusatzteil bzw. dem anzuschraubenden Teil nicht durch ungünstiges Aufnehmen im Greifer verändert werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrie­ ben, in der zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Schraubvorrichtung

Fig. 2a bis 2c eine mögliche Ausbildung der Vorschub­ einheit in einer Aufsicht und Schnitt­ darstellungen.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Schraubvor­ richtung, die pauschal mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, ist am Tragarm 2 der "letzten Achse" 3 eines nicht weiter dargestellten Industrieroboters befestigt. Unter letzter Achse des Industrieroboters wird die Achse ver­ standen, an der normalerweise das vom Industrieroboter geführte Werkzeug angebracht ist. An der letzten Achse des Industrieroboters ist erfindungsgemäß nicht die Schraub­ vorrichtung 1, sondern eine Greifereinheit 4 exzentrisch zur Achse 3 derart angebracht, daß das von den Backen 5 der Greifereinheit 4 gehaltene Werkstück 6 in der Achse einer Schraubspindel 7 der Schraubvorrichtung 1 liegt. Die Schraubspindel 7 ist an einer Vorschubeinheit 8 ange­ bracht, die im einzelnen in Fig. 2 dargestellt ist.

In den Fig. 2a bis 2c ist eine Vorschub- bzw. Linear­ einheit 8 in einer Aufsicht bzw. zwei Schnitten A-A und B- B näher dargestellt. Die Vorschubeinheit weist zwei paral­ lele Stangen 11 auf, auf denen Kugelbüchsen 12 verschieb­ bar geführt sind. An jeweils zwei auf unterschiedlichen Stangen geführten Kugelbüchsen ist ein Spannbacken 13 befestigt, der in Fig. 3c näher dargestellt ist. Der Spannbacken 13 dient zum Halten der in Fig. 2 nicht eingezeichneten Schraubspindel 7. Zwischen den parallelen Stangen 11 ist eine Gewindestange 14 angeordnet, die über nicht näher dargestellte Wellenmuttern wenigstens einen der Spannbacken 13 vor- bzw. zurückschiebt. Die Gewinde­ stange 14 wird mittels einer biegsamen Welle 14′ von einem nicht dargestellten Motor angetrieben, der beispielsweise ortsfest oder an einer inneren Achse der Roboterhand angebracht ist. Alternativ und/oder zusätzlich kann eine Verschiebung wenigstens eines der beiden Spannbacken durch einen Bowdenzug 15 erfolgen.

Ferner weist die Vorrichtung eine Feder 16, die eine der Kugelführungen beaufschlagt und für eine spielfreie Ver­ schiebung beim Fortschreiten des Schraubvorgangs sorgt, sowie einen Pufferschalter bzw. Endschalter 17 und einen Vorschubsensor 18 auf.

Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Ausbildung hat eine Reihe von Vorteilen:

Die Bahntreue während des Schraubvorgangs ist aufgrund der Linearvorschubeinheit unabhängig von der des Industriero­ boters; dies ist insbesondere bei Knickarm-Robotern mit einer nur geringen Bahntreue von Vorteil.

Auf die Schraube bzw. Schraubzusatzteile während des Schraubvorgangs wirkende Kräfte können weder die Schraube noch die Schraubzusatzteile beeinflussen, da diese durch den Greifer fixiert werden können, der erfindungsgemäß an der letzten Achse der Handhabungseinrichtung angeflanscht werden kann, da diese aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Schraubspindel "frei bleibt".

Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan­ kens beschrieben worden, innerhalb dessen selbstverständ­ lich die verschiedensten Abwandlungen und Modifikationen möglich sind.

Beispielsweise können anstelle eines Parallelbackengrei­ fers auch andere Greifer verwendet werden. Der Greifer kann darüberhinaus so ausgebildet sein, daß die zu fixie­ renden Teile auch zentriert werden.

Die Vorschubeinheit kann auch anders als in Fig. 2 darge­ stellt aufgebaut sein und beispielsweise eine Schwalben­ schwanzführung aufweisen.

Claims (12)

1. Schraubvorrichtung mit einer mittels einer Handha­ bungseinrichtung und insbesondere mittels eines Industrie­ roboters frei positionierbaren Schraubspindel, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - die Schraubspindel (7) ist am Tragarm (2) der letzten Achse (3) der Handhabungseinrichtung versetzt zur Achse angebracht,
• - die letzte Achse der Handhabungseinrichtung weist einen Greifer (5) auf, der derart angeordnet ist, daß er die raum-lagekontrollierte Handhabung der Schraube, von Schraubzusatzteilen und/oder von anzuschraubenden Teilen (6) ermöglicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Vorschubein­ heit (8) vorgesehen ist, an der die Schraubspindel in Richtung ihrer Achse gegenüber der letzten Achse der Handhabungseinrichtung verschiebbar geführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubeinheit bzw. die Schraubspindel gegenüber der letzten Achse der Handha­ bungseinrichtung verschwenkbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Elemente zum Ausgleich von Positionierungsfehlern vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearführung zwei paral­ lele Stangen (11) aufweist, auf der zwei Spannbacken (13) für die Schraubspindel (7) mittels Kugelführungen (12) geführt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbacken unabhängig voneinander jeweils mittels zweier Kugelführungen geführt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschiebung der Schraub­ spindel auf der Linearführung ein gegen Federkraft (16) wirkender Bowdenzug (15) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschiebung der Schraub­ spindel auf der Linearführung eine Gewindestange (14) mit einer Wellenmutter vorgesehen ist, die mittels einer biegsamen Welle (14′) von einer ortsfesten Antriebseinheit oder einer Antriebseinheit antreibbar ist, die an einer inneren Achse der Handhabungseinrichtung angebracht ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor vorgesehen ist, der die Verschiebung der Schraubspindel erfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor vorgesehen ist, der die Stellung der Greiferbacken erfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des oder der Sensoren an die Steuerung der Handhabungseinrichtung angelegt sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Greiferbacken in Art einer Zentrierhilfe ausgebildet sind.