DE3787092T2

DE3787092T2 - Präzisionsgerät zum automatischen Zusammenbau und dafür anwendbares Zusammenbauverfahren.

Info

Publication number: DE3787092T2
Application number: DE87105880T
Authority: DE
Inventors: Toshiro Fujigaoka-Mans Higuchi
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1987-02-20
Filing date: 1987-04-22
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2007-04-23
Also published as: DE3787092D1; US4884329A; KR920006486B1; KR880009740A; EP0283547B1; US4882836A; US4882837A; EP0283547A2; EP0283547A3

Description

Diese Erfindung betrifft ein Präzisionsgerät zum automatischen Zusammenbau und ein das Gerät verwendendes Zusammenbauverfahren, um eine grundlegende Aufgabe, wie Stiftmontage automatisch und in genauer Weise durchzuführen.
Das Einsetzen von Stiften in Löcher, die in Teilen ausgebildet sind, kann ohne Schwierigkeit durchgeführt werden, vorausgesetzt, die Einsetzoperation wird unter der Bedingung durchgeführt, daß die Stifte so angeordnet sind, daß sie im Hinblick auf die entsprechenden Löcher vertikal und derart angeordnet sind, daß die Stiftmittelpunkte mit den Lochmittelpunkten übereinstimmen. Die Automatisierung eines Funktionsvorganges dieser Art wird jedoch unter Verwendung eines Roboters oder einer automatischen Zusammenbaumaschine erreicht, bei denen eine hochpräzise Anordnungs- und Neigungssteuerung schwer zu erreichen sind. Je kleiner der Spalt zwischen dem Stift und dem Loch ist, desto größer wird die Schwierigkeit. Kurz gesagt, bestehen folgende Probleme: (1) Es ist schwierig, die Mittelpunkte von Stift und Loch in Ausrichtung zu bringen. (2) Ein Mechanismus zum Greifen der Stifte ist erforderlich und beinhaltet die Schwierigkeit, Stiftneigungsfehler auszuschalten. (3) Es ist erforderlich, daß jeder Stift entlang der Mittelachse des Loches in das entsprechende Loch abgesenkt wird, aber es ist schwierig, den Stift exakt entlang der Lotrechten abzusenken. Diese Probleme sind eine Fehlerquelle im Stiftmontagebetrieb.
Wenn die erwähnten Probleme nicht gelöst werden, können die Stifte nicht in die Löcher eingesetzt werden und Schrammen längs der Löcher verursachen.
Zu diesem Zweck wurde eine Hand entwickelt mit dem Ziel, Stift und Loch zueinander in Ausrichtung zu bringen und den Fehler bei der Stifthaltung (Neigung) auszugleichen.
Ein Beispiel einer derartigen Technik ist es, die Hand anpassungsfähig zu gestalten, so daß ein Stift automatisch (passiv) mit einem Loch ausgerichtet werden kann. Ein typisches Beispiel einer derartigen Anordnung ist ein RCC-(Fern- Mittelpunkts-Federungs)-System, bei dem Mechanismus und Federn speziell so konstruiert sind, daß sie sich bereitwillig in eine Richtung bewegen, die automatisch eine Positionsabweichung zwischen einem Stift und einem Loch und einen Neigungsfehler während des Stifteinsetzprozesses verringert.
Der Aufbau einer derartigen RCC-Hand wird nun unter Bezug auf Fig. 1 und 2 beschrieben.
Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt der RCC-Hand-Mechanismus einen mit einer Hand verbundenen Abschnitt 1, eine Querfederverbindung 2, eine Drehfederverbindung 3, einen Federungsmittelpunkt 4, einen Übertragungsabschnitt 5, einen Rotationsabschnitt 6, einen Auflagetisch 7 und ein in dem Auflagetisch 7 vorgesehenes Loch 8.
Diese Anordnung ist für einen Arbeitsschritt geeignet, bei dem ein Stift mit geringem Abstand in ein angeschrägtes Loch eingesetzt wird und weist eine Kombination auf, die sich aus dem Übertragungsabschnitt 5, der aus Bindegliedern in Form eines Parallelogrammes besteht und dem Rotationsabschnitt 6 zusammensetzt, der aus Bindegliedern in Form eines Trapezoids besteht. Fig. 2 stellt die Bindeglieder so dar, wie sie erscheinen würden, wenn sie hintereinander gezeigt wären. Der in das Loch einzusetzende Stift ist am unteren Ende der vereinigten Bindeglieder befestigt. Demgemäß wird sich der Stift bei vertikal auf ihn ausgerichteter Krafteinwirkung in Richtung der aufgebrachten Kraft bewegen, während seine Haltung aufgrund der Bewegung der das Parallelogramm bildenden Bindeglieder gleich bleibt. Wird eine Rotationskraft angelegt, greifen die das Trapezoid bildenden Bindeglieder um den Federungsmittelpunkt 4, wodurch der Stift in eine Rotationsbewegung gerät. Wenn also das Loch 8 angeschrägt ist und das untere Ende des Stiftes auf dem angeschrägten Abschnitt auftrifft, wird eine quer gerichtete Kraft auf den Stift ausgeübt, und er wird gleichzeitig in Richtung des Lochmittelpunktes bewegt und in das Loch gedrückt.
Wird der Stift an einer Schräge eingesetzt, wird eine Rotationsbewegung um den Federungsmittelpunkt 4 erzeugt, so daß der Stift in eine Richtung bewegt wird, die seine Mittellinie in Deckungsgleichheit mit der Mittellinie des Loches bringt.
Beispiele eines RCC-Mechanismus des oben beschriebenen Typs sind beispielsweise in den Ausführungen der US- Patentschriften 4,098,001; 4,439,926 und 4,477,975 (US- Klasse 33) beschrieben.
Gemäß dem oben erwähnten Stand der Technik sind die Dimensionierungen des Mechanismus und die Verteilung der Federkonstanten so gewählt, daß die Mittelstellung der RCC-Hand mit der Spitze des Stiftes übereinstimmt. Wenn die Länge des einzusetzenden Stiftes geändert wird, ist die RCC-Hand daher nicht mehr einsetzbar. Mit anderen Worten, es ist nötig, eine speziell für die bestimmte Tätigkeit konstruierte RCC-Hand zu verwenden, so daß es der Hand an Vielseitigkeit fehlt. Da die verwendeten Federn außerdem eine beträchtliche Elastizität aufweisen, treten Schwingungen auf, wenn der Stift zur Annäherung an das Loch bewegt wird. Daraus ergibt sich, daß die Geschwindigkeit des Zusammenbauvorgangs insgesamt abnimmt und die Effizienz der Operation leidet.

WESEN DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Probleme auszuschalten und ein Präzisionsgerät zum automatischen Zusammenbau sowie ein das Gerät verwendendes Zusammenbauverfahren zu schaffen, durch die ein Zusammenbauvorgang präzise und automatisch durchgeführt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das vorstehende Ziel erreicht durch ein Präzisionsgerät zum automatischen Zusammenbau gemäß Anspruch 1. Ebenso wird das oben genannte Ziel erreicht durch Schaffung eines Verfahrens gemäß Anspruch 6 unter Verwendung dieses Gerätes.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind-aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Teile in den einzelnen Figuren bezeichnen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines RCC-Mechanismus gemäß einem Beispiel des Standes der Technik darstellt;
Fig. 2 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Arbeitsweise des RCC-Mechanismus von Fig. 1;
Fig. 3 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellendes Präzisionsgerät zum automatischen Zusammenbau insgesamt zeigt;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die eine Montagehand des in Fig. 3 gezeigten Präzisionsgerätes zum automatischen Zusammenbau darstellt;
Fig. 5 ist eine Perspektivansicht, die die Anordnung von Abstandssensoren darstellt, die in die Montagehand eingebaut sind und als Geräte zur Erfassung der Position eines beweglichen Körpers dienen;
Fig. 6 ist eine Ansicht, die bei der Beschreibung der auf den beweglichen Körper sowie die Koordinatenachsen ausgeübten Kräfte von Nutzen ist;
Fig. 7 ist eine Ansicht, die einen Arbeitsablauf zeigt, bei dem ein Stift in ein Loch eingesetzt wird;
Fig. 8 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Lochsuchprozesses beim Stifteinsetzvorgang;
Fig. 9 ist ein Flußdiagramm eines Präzisionsarbeitsablaufes beim automatischen Zusammenbau;
Fig. 10 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Arbeitsablaufes, bei dem ein Stift in ein angeschrägtes Loch eingesetzt wird;
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht eines Magnetlagers;
Fig. 12 ist eine Ansicht zur Erläuterung einer Technik, durch die eine externe, auf einen Stift einwirkende Kraft und ein Kontaktpunkt auf der Spitze ausgewertet werden;
Fig. 13 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Art und Weise, wie ein Stift im Hinblick auf ein nicht angeschrägtes Loch grob positioniert wird;
Fig. 14 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Art und Weise, wie ein Stift im Hinblick auf ein angeschrägtes Loch grob positioniert wird;
Fig. 15 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellendes Präzisionsgerät zum automatischen Zusammenbau insgesamt zeigt;
Fig. 16 ist eine Schnittansicht, die eine Montagehand des in Fig. 15 gezeigten Präzisionsgerätes zum automatischen Zusammenbau darstellt;
Fig. 17 ist eine Schnittansicht eines in die Montagehand nach Fig. 16 eingebauten linearen Gleichstromantriebes;
Fig. 18 ist eine Schnittansicht, die einen festen Magnetpol in dem linearen Gleichstromantrieb darstellt;
Fig. 19 ist eine Ansicht des festen Magnetpoles in Richtung der Pfeile A-A in Fig. 18 gesehen;
Fig. 20 ist eine Schnittansicht einer in einer zylindrischen Konfiguration auf den festen Magnetpolen gewickelten Luftkernspule;
Fig. 21 ist eine Schnittansicht der Luftkernspule allein;
Fig. 22 ist eine Schnittansicht eines eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellenden linearen Gleichstromantriebes;
Fig. 23 ist eine Ansicht des Antriebes in Richtung der Pfeile B-B in Fig. 22 gesehen;
Fig. 24 ist eine Schnittansicht eines eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellenden linearen Gleichstromantriebes;
Fig. 25 ist eine Ansicht des Antriebes in Richtung der Pfeile C-C in Fig. 24 gesehen;
Fig. 26 ist eine Perspektivansicht, die die festen Magnetpole eines eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellenden linearen Gleichstromantriebes zeigt;
Fig. 27 ist eine Perspektivansicht einer in dem Antrieb gemäß Fig. 26 verwendeten Spule;
Fig. 28 ist eine Schnittansicht des Antriebes;
Fig. 29 ist eine Ansicht des Antriebes in Richtung der Pfeile D-D in Fig. 28 gesehen;
Fig. 30 ist eine Schnittansicht einer den Antrieb aufweisenden Montagehand;
Fig. 31 ist eine Schnittansicht einer eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellenden automatischen Montagehand;
Fig. 32 ist eine Ansicht des Antriebes in Richtung der Pfeile E-E in Fig. 31 gesehen;
Fig. 33 bis 35 sind Ansichten zur Erläuterung eines RCC- Mechanismus des elektromagnetischen Typs gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 36 ist ein Schaltdiagramm zur Darstellung einer mit dem RCC-Mechanismus des elektromagnetischen Typs verbundenen Schaltungsanordnung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Wie in Fig. 3 bis 5 gezeigt, bezeichnet das Bezugszeichen 20 den Außenrahmen einer Hand, die einen Gelenkmechanismus des Typs mit in fünf Achsen gesteuerter Magnetlagerung umfaßt. Innerhalb des Außenrahmens befinden sich ein erster Abstandssensor 21, der als Positionsdetektor zum Erfassen der Position eines beweglichen Körpers entlang der Z-Achse dient, zweite bis fünfte Abstandssensoren 22 bis 25, die zwei Sensorpaare bilden und auf einer ortsfesten Seite in derselben Ebene angeordnet sind, die der oberen Seite des beweglichen Körpers gegenüberliegt, und sechste bis neunte Abstandssensoren 26 bis 29, die zwei Sensorpaare bilden und auf einer ortsfesten Seite in derselben Ebene angeordnet sind, die der unteren Seite des beweglichen Körpers gegenüberliegt. Ein Elektromagnet 31 steuert die Position des beweglichen Körpers entlang der Z-Achse, und acht vier Paare bildende Elektromagneten steuern die Position des beweglichen Körpers in radialer Richtung sowie die Neigung der Rotationsachse des Körpers. Der mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnete bewegliche Körper wird von diesen Elektromagneten 31 bis 39 abgestützt. Am unteren Ende des beweglichen Körpers 40 ist eine Spannvorrichtung 41 vorgesehen, in die ein Stift 42 eingesetzt ist. Das Bezugszeichen 43 bezeichnet ein Element, das auf einem Auflagetisch positioniert ist und ein Loch 44 aufweist, in das der Stift 42 eingesetzt werden soll. Der fünfachsige Gelenkmechanismus mit Magnetlagerung wird von einer Steuerschaltung 50 gesteuert. Die Steuerschaltung 50 umfaßt eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) 51, einen Speicher 52, eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 53, eine Eingabe-/ Ausgabeeinheit 54 mit einer Anzeige, einer Stromquelle 55 und einen an die Stromquelle 55 und die Eingangs-/ Ausgangsschnittstelle 53 angeschlossenen Leistungsregelabschnitt 56. Die Ausgangsseite des Leistungsregelabschnittes 56 ist mit den Elektromagneten 31 bis 39 verbunden, die jeweils eine Erregerspule aufweisen. Erregerströme i&sub1; bis i&sub9; dieser Erregerspulen können in die Steuerschaltung 50 eingelesen werden. Das Bezugszeichen 60 bezeichnet eine Robotersteuerungseinheit zur Steuerung der Hand.
Demzufolge ist der fünfachsige Gelenkmechanismus mit Magnetlagerung so ausgelegt, daß die Stellung des beweglichen Körpers 40 von den Abstandssensoren 21 bis 29 abgetastet wird, wobei alle fünf Freiheitsgrade passiv gesteuert werden, mit Ausnahme der Rotationsbewegung um die Mittelachse des beweglichen Körpers 40.
Die auf den beweglichen Körper 40 und das zugeordnete Koordinatensystem wirkenden Kräfte werden nun beschrieben.
Wie in Fig. 6 gezeigt, ist der von Magnetfluß-Einrichtungen abgestützte bewegliche Körper 40 ein starrer Körper mit axialer Symmetrie im Hinblick auf den Mittelpunkt der Schwerkraft S des Körpers. Mit der als Nullpunkt dienenden Position des Mittelpunkts des beweglichen Körpers 40, wenn der bewegliche Körper im Gleichgewicht ist, wird ein im Raum festgelegtes Koordinatensystem O-xyz derart geschaffen, daß die Rotationsachse des Körpers mit der Z-Achse übereinstimmt. Fk (k = 1, . . . 9) soll die Anziehungskraft jedes auf den beweglichen Körper 40 wirkenden Elektromagneten darstellen, wobei F&sub1; eine den beweglichen Körper 40 anhebende Kraft ist, die von dem Elektromagneten erzeugt wird, der die Position des Körpers entlang der Z-Achse steuert, und F&sub2; bis F&sub9; sind Kräfte, die an Punkten in einer vorgeschriebenen Entfernung vom Schwerkraftmittelpunkt entlang der Rotationsachse auf den beweglichen Körper 40 einwirken. Die Kräfte F&sub2;, F&sub4;, F&sub6; und F&sub8; greifen entlang der X-Achse an und werden von den Elektromagneten 32, 34, 36 bzw. 38 erzeugt. Die Kräfte F&sub3;, F&sub5;, F&sub7; und F&sub9; greifen entlang der Y-Achse an und werden von den Elektromagneten 33, 35, 37 bzw. 39 erzeugt.
Es ist wohlbekannt, daß die Anziehungskraft eines auf einen Gegenstand wirkenden Elektromagneten durch folgende Gleichung ausgedrückt wird:
F = B²A/2u&sub0;
= (M&sub0;A/8)(NI/x)²
= KF(I/x)² (a)
wobei B: Magnetflußdichte, A: Magnetpolfläche,
u&sub0;: Permeabilität, N: Anzahl der Windungen,
I: Strom,
x: Spalt (Entfernung Elektromagnet - Gegenstand),
KF: (u&sub0;AN²)/8.
Ein Beispiel der Arbeitsweise dieses Präzisionsgerätes zum automatischen Zusammenbau wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 7 von der X-Z-Ebene aus beschrieben. Tatsächlich kann der Vorgang in Form einer Vektorsumme mit der Z-Y-Ebene erfaßt werden.
Vor dem Einsetzvorgang des Stiftes 42 wird zuerst der Auflagetisch (nicht gezeigt), an dem das Element 43 mit dem Loch befestigt ist, mit einem Bewegungsmechanismus grob in der X- und Y-Richtung ausgerichtet, so daß die Mittelpunktsstellungen des Stiftes 42 und des Loches 44 innerhalb eines gewissen Abweichungsbereiches in Einpaßstellung gebracht werden können.
Die den erfindungsgemäßen fünfachsigen Gelenkmechanismus mit Magnetlagerung aufweisende Hand wird abgesenkt, um den Stift 42, wie in Fig. 7(a) gezeigt, in Stoßkontakt mit dem Element 43 zu bringen, wodurch der Stift 42 grob in Stellung gebracht wird. Die Tatsache, daß der Stift 42 in Kontakt mit dem Element 43 gegangen ist, wird in Form eines Ausgangssignales S&sub1; vom ersten Abstandssensor 21 abgetastet, der eine Distanzänderung entlang der Z-Achse abtastet, die von einer Reaktionskraft Fz verursacht wird, die aufgrund des mit dem Element 43 hergestellten Kontaktes auf den beweglichen Körper 40 ausgeübt wird.
Als nächstes wird, wie in Fig. 7(b) gezeigt, der Stift 42 in das Loch 44 des Elementes 43 fallen gelassen. Mit anderen Worten, der Stift wird veranlaßt, sich das Loch 44 zu suchen. Dies wird dadurch erreicht, daß der Stift 42 über eine kleine, sich steigernde Entfernung Δx bewegt wird, nämlich durch Verstärken der Erregerströme der Elektromagneten 32, 36 und 33, 37 des fünfachsigen Gelenkmechanismus mit Magnetlagerung gemäß Fig. 3, um den Stift 42 über den beweglichen Körper 40 (Fig. 3) um eine winzige Distanz in Richtung zwischen die Elektromagneten zu bewegen und weiter durch Verstärken der Erregerströme der in Fig. 3 gezeigten Elektromagneten 35, 39, um den Stift, wie in Fig. 8 gezeigt, in -Y-Richtung zu kippen. Dieses Vorgehen wird wiederholt, um den Stift 42 in Steigerungen von Δx zu verschieben, bis das Loch 44 ausfindig gemacht worden ist. Die Tatsache, daß das Loch 44 gefunden wurde, wird dadurch erfaßt, daß die auf den mit dem Stift 42 verbundenen beweglichen Körper 40 wirkende Reaktionskraft Fz aufgrund der Tatsache verschwindet, daß der Stift 42 in das Loch 44 hineinfällt. Das Verschwinden der Reaktionskraft Fz wird in Form des Ausgangssignales S&sub1; vom ersten Abstandssensor 21 abgetastet, der zum Abtasten der Position entlang der Z-Achse dient.
Wenn das Loch 44 derart lokalisiert ist, wird die Hand in -Z-Richtung bewegt, um den Stift 42 einzusetzen, während gleichzeitig darauf geachtet wird, ob der Stift 42 an der Wand des Loches 44 kratzt.
Kratzt der Stift 42 an der Wand des Loches 44, wie in Fig. 7(c) gezeigt, wirkt die Reaktionskraft Fz, die sich aus dem Kontakt mit dem Element 43 ergibt, erneut auf den beweglichen Körper 40. Dieser Zustand wird in Form des Ausgangssignales S&sub1; vom ersten Abstandssensor 21 abgetastet, der die Position entlang der Z- Achse abtastet. Basierend auf der Distanz l entlang der Z-Achse wird die Neigung R des Stiftes 42 von dem Moment an erfaßt, in dem das Loch 44 lokalisiert ist bis zu dem Moment, in dem der Stift 42 am Loch 44 kratzt, sowie der Abstand Δw zwischen dem Stift 42 und dem Loch 44. Diese Neigung e wird so richtiggestellt, wie in Fig. 7(d) gezeigt.
Wenn der Stift 42 nach der Korrektur den Boden des Loches 44 erreicht, wie in Fig. 7(e) gezeigt, wird diese Tatsache als nächstes in Form des Ausgangssignales S&sub1; vom ersten Abstandssensor 21 zur Positionsabtastung entlang der Z-Achse abgetastet.
So kann der Stifteinsetzvorgang automatisch und auf exakte Weise durchgeführt werden.
Ein Stiftzusammenbauverfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Präzisionsgerätes zum automatischen Zusammenbau wird nun in Übereinstimmung mit dem Flußdiagramm der Fig. 9 näher beschrieben.
Der Abstandswert Δw zwischen Stift und Loch, ein Schwellenwert Fs entlang der Z-Achse und eine Korrespondenztabelle zwischen der Stiftneigung Rk und den Werten der unter den Elektromagneten 32 bis 39 aufgeteilten Ströme werden zunächst in einem ROM-Abschnitt des Speichers 52 gespeichert, der in der Steuerschaltung 50 des in Fig. 3 gezeigten fünfachsigen Gelenkmechanismus mit Magnetlagerung enthalten ist.
(1) Im ersten Schritt des Flußdiagrammes wird der Stift an der Hand befestigt.
(2) Die Hand wird im Basis-Koordinatensystem XYZ von der Robotersteuerungseinheit 60, z. B. einer numerischen Steuerungs- (NC)-Einheit bewegt, um den auf der Hand befestigten Stift hinsichtlich des Loches grob zu positionieren. Berührt der Stift das Element mit dem Loch, wirkt die Reaktionskraft Fz auf den beweglichen Körper 40. Die Größe dieser Reaktionskraft Fz wird hauptsächlich abgetastet vom ersten Abstandssensor 21, der die Position entlang der Z-Achse abtastet und auf der Basis des Stromwertes, der durch die Erregerspule des Elektromagneten 31 fließt. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Reaktionskraft Fz einen bestimmten Schwellenwert Fs erreicht, ist der Stift nahe an das Loch herangebracht worden. Die Bewegung der Hand entlang der Z- Achse wird in dem Augenblick sofort gestoppt, in dem das Verhältnis Fz> Fs erreicht ist.
(3) Es wird festgestellt, ob der Stift und das Loch eine Verbindung miteinander eingegangen sind. Diese Bestimmung erfolgt auf der Grundlage der Reaktionskraft Fz. Ist die Verbindung erreicht, geht das Programm zu einem Schritt (6) weiter.
(4) Ist der Stift nicht mit dem Loch vereinigt, dann wird eine Suche zur Auffindung des Loches durchgeführt. Die Suche wird durch zunehmendes Verschieben des Stiftes um Δx durchgeführt, wie dies als Beispiel in Fig. 8 dargestellt ist.
(5) Es wird festgestellt, ob das Loch gefunden wurde, d. h. ob die Reaktionskraft Fz geringer ist als der Schwellenwert Fs (Fz< Fs).
(6) Findet ein Übergang vom Zustand Fz≥Fs zum Zustand Fz< Fs statt, was anzeigt, daß das Loch gefunden wurde, wird die in diesem Moment herrschende Z-Achsen-Position Z&sub1; eingelesen und im Speicher 52 gespeichert, und die Hand wird abgesenkt.
(7) Während des Absenkens der Hand wird festgestellt, ob der Stift an der Wand des Loches kratzt, d. h. ob ein Übergang vom Zustand Fz< Fs zum Zustand Fz≥Fs stattfindet.
(8) Findet ein Übergang zum Zustand Fz≥Fs statt, wird eine in diesem Moment herrschende Z-Achsen-Position Z&sub2; eingelesen, und die CPU 51 berechnet eine rechnerische Differenz zwischen Z&sub1; und Z&sub2;, um eine Wegedistanz ZD entlang der Z-Achse zu erhalten. Die zu diesem Zeitpunkt herrschende Stiftneigung R&sub1; zwischen dem Stift und dem Loch erhält man auf der Grundlage der im Speicher 52 gespeicherten Wegedistanz ZD und des Abstandswertes Δw.
(9) Durch das Bewegen des Stiftes über den Gelenkmechanismus werden die an die Erregerspulen der Elektromagneten angelegten elektrischen Ströme derart verteilt, daß sich die Stiftneigung R&sub1; verringert und dadurch die Stiftneigung R&sub1; korrigiert wird. Die Neigung R&sub1; wird unter Verwendung der zuvor gespeicherten Tabelle mit Stiftneigungen Rk und aktueller, an die Elektromagneten 32 bis 39 verteilter Werte, umgehend korrigiert. Insbesondere können Neigungsrichtung und -umfang aus dem Abstand Δw und der Wegedistanz ZD der Hand vom Beginn der ersten Berührung bis zum Auftreten des zweiten Kontaktes berechnet werden. Anschließend wird die Mitte der beiden Berührungspunkte als Fixpunkt angenommen und die Neigung des Stiftes um diesen Punkt derart korrigiert, daß sich die Neigung verringert.
(10) Nach Korrektur der Neigung R&sub1; des Stiftes wird die Hand, genauso wie oben beschrieben, wieder abgesenkt.
(11) Es wird festgestellt, ob das untere Ende des Stiftes den Boden des Loches berührt hat, nämlich ob ein Übergang vom Zustand Fz< Fs zum Zustand Fz≥Fs stattfindet.
(12) Erfolgt ein Übergang auf den Zustand Fz≥Fs, dann wird das Absenken der Hand gestoppt.
(13) Der Stift wird dann von der Hand gelöst.
In obiger Ausführungsform liegt der beschriebene Fall so, daß der Stift in ein kreiszylinderförmig in dem Element ausgebildetes Loch eingesetzt wird. Als nächstes wird ein Fall näher beschrieben, in dem ein Stift in ein Loch mit abgeschrägten Kanten eingesetzt wird.
Fig. 10 ist bei der Beschreibung einen Vorgangs zum Einsetzen eines Stiftes in ein Loch mit abgeschrägten Kanten von Nutzen, wobei (a) bis (d) Schnittansichten sind, die den Einsetzvorgang zeigen, (i) eine Draufsicht auf die in (a) gezeigte Lage ist, und (ii) eine Draufsicht auf die in (b) gezeigte Situation ist.
Zunächst ist, wie in Fig. 10(a) und (i) dargestellt, ein Loch 63 in einem Element 62 mit einem abgeschrägten Abschnitt 64 versehen. Der Stift 61 wird grob positioniert, indem ein Punkt auf dem Umfang seines unteren Endes mit dem abgeschrägten Abschnitt 64 in Kontakt gebracht wird. Es ist zu beachten, daß der Stift 64, wenn er den abgeschrägten Abschnitt nicht berührt und grob an dessen Außenseite positioniert ist, so manipuliert wird, daß er den abgeschrägten Abschnitt 64 findet, indem das Lochsuchverfahren durchgeführt wird [der oben beschriebene Schritt (4)], was in diesem Fall effektiv bedeutet, daß der abgeschrägte Abschnitt gesucht wird. Seit kurzem jedoch können Roboter bereits mit einem Sichtsensor zum Zwecke der Verbesserung der Positionierungsgenauigkeit ausgestattet sein. Wird hierbei ein derartiger Roboter verwendet, kann der Stift 61 normalerweise im groben Positionierungsstadium mit dem abgeschrägten Bereich 64 in Kontakt gebracht werden.
In diesem Fall wird ein Punkt auf dem Umfang des unteren Endes des Stiftes 61 auf der konischen Fläche des abgeschrägten Abschnitts 64 plaziert, was zur Folge hat, daß eine Reaktionskraft Fz entlang der Z-Achse (Druckrichtung) und eine Reaktionskraft Fb in radialer Richtung in Richtung des Mittelpunktes des Loches 63 an dem Stift 61 angreifen. Diese Reaktionskräfte werden von der CPU 51 auf der Basis der vorher erwähnten Gleichung (a) unter Verwendung der Erregerstromwerte der Spulen in den Druck- und radialen Elektromagneten sowie der Abstandswerte von den Abstandssensoren berechnet, wobei diese Stromwerte und Abstandswerte über die Schnittstelle 53 in die Steuerschaltung 50 eingelesen werden. Dies wird nun im einzelnen beschrieben.
Angenommen, ein zu lagernder beweglicher Körper 65 hat eine Masse m und ist von einem Paar Elektromagneten 66, 67 abgestützt, die eine elektromagnetische Einrichtung bilden, wie in Fig. 11 dargestellt. Betrachten wir einen dieser auf den beweglichen Körper 65 wirkenden Elektromagneten. Wie oben in Gleichung (a) angegeben, wird die Anziehungskraft F des Elektromagneten im allgemeinen wie folgt ausgedrückt:
F = f(i, d)
wobei i: Stromfluß in den Elektromagneten,
d: Abstand zwischen Elektromagnet und beweglichem Körper.
Die Funktion f wird durch Faktoren wie Form, Abmessungen und Material des Elektromagneten und des beweglichen Körpers bestimmt. Die oben erwähnte Gleichung kann gewöhnlich wie folgt angenähert werden:
F = f(i, d) = Kip/ds (1)
Nimmt man zur Darstellung des Stromes i&sub0; und des Abstands d&sub0; an, wenn der bewegliche Körper 65 im Gleichgewichtszustand ist, so kann Gleichung (1) wie folgt umrissen werden:
F = F&sub0; + KiΔi - KdΔd (2)
In Gleichung (2) ist F&sub0; = K·i&sub0;p/d&sub0;σ, i = i&sub0; + Δi, d = d&sub0; + Δd, und Δi, Δd sind winzige Schwankungsbeträge.
Weiter gilt:
Kehren wir nun zu Fig. 11 zurück, wo der bewegliche Körper 65 mit der Masse m von dem Paar Elektromagneten 66, 67 abgestützt ist und konzentrieren wir unsere Aufmerksamkeit nur auf die X- Richtung, so haben wir
wobei Δi&sub1; - Δi&sub2; = e. Angenommen, x=0 stellt den Zustand im Gleichgewicht auf Basis des Positionsverhältnisses dar, so haben wir
Δd&sub1; - Δd&sub2; = -2x.
Mit anderen Worten, wenn x zunimmt, nimmt Δd&sub1; ab, und Δd&sub2; nimmt zu. Demgemäß wird Gleichung (3)
Wird die Abweichung x abgetastet und, als Ergebnis davon, so angeordnet, daß e die Gleichung
e = -(Ax + Bx) (5)
erfüllt, dann wird aus Gleichung (5)
Wird der Verstärkungsgrad A so geregelt, daß (KiA - 2Kd) > 0 gilt, kann der bewegliche Körper fest gehalten werden. Zudem kann durch Einstellen des Verstärkungsgrades A jedes beliebige Stabilitätscharakteristikum eingestellt werden. Das Dämpfungsmerkmal wird durch Einstellen von Verstärkung B gesteuert.
Als nächstes wird die Berechnung der angreifenden elektromagnetischen Kräfte beschrieben.
Die Kraft F der auf den zu lagernden beweglichen Körper wirkenden magnetischen Anziehung wird, wie oben erläutert, durch F = f(i, d) ausgedrückt. Daher kann man die auf den beweglichen Körper 65 wirkende Anziehungskraft F durch Messen von i und d erhalten. Genauer gesagt, wird f(i,d) experimentell bestimmt, K, p, σ in Gleichung (1) werden experimentell bestimmt, und F kann man aus i, d erhalten, wenn man diese Näherungsformel verwendet.
Alternativ dazu kann ein Verfahren angenommen werden, bei dem ein ROM bereits so ausgestattet ist, daß F als Darstellungspunkt von i und d darin steht, wobei F dann unter Verwendung dieser Daten mittels Interpolation gefunden wird.
Es wird nun auf Fig. 12 Bezug genommen, um ein Verfahren zum Berechnen der Größen und Angriffspunkte von Kräften zu berechnen, die auf einen zu lagernden beweglichen Körper wirken.
Die Erörterung beschränkt sich auf eine Ebene, nämlich die X-Z- Ebene. Des weiteren ist ein Stift 69 am unteren Ende eines zu lagernden beweglichen Körpers 68 befestigt und die Position der Schwerpunktlage G wird als Nullpunkt des Koordinatensystems angenommen.
Als Gleichgewichtszustand wird derjenige angenommen, der herrscht, wenn der bewegliche Körper 68 mittels einer aus Elektromagneten bestehenden elektromagnetischen Vorrichtung in einem Zustand frei von mechanischem Kontakt gehalten wird.
Schließt das Ende des Stiftes 69 Kontakt, wird dies abgetastet und der Vorschub entlang der Z-Achse wird gestoppt. Wird der Stift 69 in diesem Zustand gehalten, kann man auf der Basis der Abstandserfassungswerte von den Abstandssensoren und der Stromwerte der Elektromagnetspulen eine Änderung f&sub1; aus dem Gleichgewichtszustand der radialen Tragkraft aufgrund der oberen Elektromagneten, eine Änderung f&sub2; aus dem Gleichgewichtszustand der radialen Tragkraft aufgrund der unteren Elektromagneten und eine Änderung f&sub3; aus dem Gleichgewichtszustand der Tragkraft aufgrund des in Druckrichtung wirkenden Elektromagneten erhalten.
l&sub1; soll die Entfernung von der Schwerpunktlage G zum Angriffspunkt von f&sub1; darstellen, und l&sub2; soll die Entfernung von der Schwerpunktlage G zum Angriffspunkt von f&sub2; darstellen. Es ist bekannt, daß l&sub1;, l&sub2; baulich bestimmt werden können. Überdies ist eine Veränderung in den Relativpositionen zwischen dem beweglichen Körper und den Elektromagneten sehr gering, so daß l&sub1;, l&sub2; als nicht variabel angesehen werden können. Die +Z-Richtung soll positiv und die -Z-Richtung negativ sein. Daraufhin finden wir Fz, Fb und xc.
Aus dem Gleichgewicht der Kräfte ergibt sich
f&sub1; + f&sub2; + Fb = 0
f&sub3; + Fz = 0
f&sub1;l&sub1; + f&sub2;l&sub2; + Fzxc + Fbl&sub3; = 0
Hieraus erhalten wir:
Fz = -f&sub3;
Fb = -(f&sub1; + f&sub2;)
xc = (f&sub1;l&sub1; + f&sub2;l&sub2; - f&sub1;l&sub3; - f&sub2;l&sub3;)/f&sub3;
= [(l&sub3; - l&sub1;)f&sub1; + (l&sub3; - l&sub2;)f&sub2;]/-f&sub3;.
Aus den vorhergehenden Gleichungen ist ersichtlich, daß es genügt, (l&sub3; - l&sub1;), (l&sub3; - l&sub2;) zu bestimmen. Als Endergebnis ergibt sich, daß es nicht nötig ist, die Position der Schwerpunktlage des beweglichen Körpers 68 zu kennen. Das bedeutet, daß selbst bei einer Änderung von Masse und Länge des Stiftes 69 einzig und allein seine Länge bestimmt werden muß.
Demzufolge können die Größen Fz, Fb und die Positionen der Kontaktpunkte mit den Gleichgewichtsformeln der Tragkräfte jedes Elementes berechnet werden. Mit anderen Worten, es ist erstmals möglich, obige Berechnung unter der Bedingung durchzuführen, daß ein von Elektromagneten in vollkommen kontaktlosem Zustand gehaltener Körper mit einem Gegenstand nur an einem einzigen Punkt auf dem Körper in mechanischen Kontakt kommen kann.
Zurück zu Fig. 10 wird als nächstes der Stift 61 mittels des oben beschriebenen Lochsuchverfahrens [Schritt (4)] in das Loch auf der Innenseite des abgeschrägten Abschnitts 64 bewegt. Wenn der Stift 61 das Innere des Loches auf der Innenseite des abgeschrägten Abschnitts erreicht, wie in Fig. 10(b) dargestellt, findet ein Übergang vom Zustand Fz≥Fs in den Zustand Fz< Fs statt. Bei Abtasten dieses Zustandes wird die Hand abgesenkt [oben beschriebener Punkt (6)].
Als nächstes wird, wie in Fig. 10(b) gezeigt, der Stift 61 in das Loch 63 eingesetzt, wobei gleichzeitig überwacht wird, ob das Ende des Stiftes an der Wand des Loches kratzt.
Danach wird der Stifteinsetzvorgang in Übereinstimmung mit den oben erwähnten Schritten (7) bis (13) durchgeführt, wie dies in Fig. 10(c) und (d) dargestellt ist.
Die Art und Weise, wie der Stift grob in Stellung gebracht wird, wird im folgenden erläutert. Im beschriebenen Fall wird ein grobes Positionieren so durchgeführt, daß der Stift von der linken Seite des Loches aus so gut wie möglich in Stellung gebracht wird.
[I] Für ein Element mit einem Loch ohne Abschrägungen
(1) Wie in Fig. 13(a) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem ein Stift 71 aufrecht steht, wobei ein Abschnitt von ihm auf der Oberfläche eines Elementes 72 ruht. In diesem Fall ist es nötig, in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Schritt (4) nach einem Loch 73 zu suchen.
(2) Wie in Fig. 13(b) gezeigt, nehmen wir an, daß der Stift 71 aufrecht steht und ein Punkt auf seinem Umfangsabschnitt den Rand des Loches 73 berührt. In diesem Fall wird die Hand abgesenkt [zuvor erwähnter Schritt (6)], ohne daß eine Suche nach dem Loch 73 nötig ist [zuvor erwähnter Schritt (4)].
(3) Wie in Fig. 13(c) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 71 aufrecht steht und die Mittelachsen des Stiftes 71 und des Loches 73 fluchten. In diesem Fall kann der Stift 71 einfach durch Absenken der Hand eingesetzt werden [zuvor erwähnter Schritt (6)].
(4) Wie in Fig. 13(d) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 71 so nach links geneigt ist, daß ein Abschnitt von ihm auf der Oberfläche des Elementes 72 ruht. In diesem Fall ist es nötig, wie oben erwähnt nach dem Loch 73 zu suchen [Schritt (4)].
(5) Wie in Fig. 13(e) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 71 so nach links geneigt ist, daß ein Punkt auf seinem Umfangsabschnitt den Rand des Loches 73 berührt. In diesem Fall wird die Hand abgesenkt [Schritt (6)], ohne daß eine Suche nach dem Loch 73 erforderlich ist [Schritt (4)].
(6) Wie in Fig. 13(f) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 71 nach links geneigt ist, aber mit dem Loch 73 übereinstimmt. In dem Fall kann die Hand abgesenkt werden [Schritt (6)].
(7) Wie in Fig. 13(g) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 71 so nach rechts geneigt ist, daß ein Abschnitt von ihm auf der Eck& des Loches 73 ruht. In diesem Fall ist es nötig, nach dem Loch 73 zu suchen [Schritt (4)].
(8) Wie in Fig. 13(h) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 71 so nach rechts geneigt ist, daß ein Punkt auf seinem Umfangsabschnitt den Rand des Loches 73 berührt. In diesem Fall wird die Hand abgesenkt [Schritt (6)], ohne daß eine Suche nach dem Loch 73 erforderlich ist [Schritt (4)].
(9) Wie in Fig. 13(i) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 71 nach rechts geneigt ist, aber mit dem Loch 73 übereinstimmt. In dem Fall kann die Hand abgesenkt werden [Schritt (6)].
[II] Für ein Element mit angeschrägtem Loch
(1) Wie in Fig. 14(a) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem ein Stift 75 aufrecht steht und ein Punkt auf seinem Umfang einen abgeschrägten Abschnitt 78 berührt. In diesem Fall ist es nötig, in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Schritt (4) nach einem Loch 77 zu suchen.
(2) Wie in Fig. 14(b) gezeigt, nehmen wir an, daß der Stift 75 aufrecht steht und ein Punkt auf seinem Umfangsabschnitt den Rand des Loches 77 berührt. In diesem Fall wird die Hand abgesenkt [zuvor erwähnter Schritt (6)], ohne daß eine Suche' nach dem Loch 77 erforderlich ist [zuvor erwähnter Schritt (4)].
(3) Wie in Fig. 14(c) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 75 aufrecht steht und die Mittelachsen des Stiftes 75 und des Loches 77 fluchten. In diesem Fall kann der Stift 75 einfach durch Absenken der Hand eingesetzt werden [zuvor erwähnter Schritt (6)].
(4) Wie in Fig. 14(d) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 75 so nach links geneigt ist, daß ein Punkt auf seinem Umfangsabschnitt den abgeschrägten Abschnitt 78 berührt. In diesem Fall ist es nötig, wie oben erwähnt nach dem Loch 77 zu suchen [Schritt (4)].
(5) Wie in Fig. 14(e) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 75 so nach links geneigt ist, daß ein Punkt auf seinem Umfangsabschnitt den Rand des Loches 77 berührt. In diesem Fall wird die Hand abgesenkt [Schritt (6)], ohne daß eine Suche nach dem Loch 77 erforderlich ist [Schritt (4)].
(6) Wie in Fig. 14(f) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 75 nach rechts geneigt ist, aber mit dem Loch 77 übereinstimmt. In dem Fall kann die Hand abgesenkt werden [Schritt (6)].
(7) Wie in Fig. 14(g) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 75 so nach links geneigt ist, daß ein Punkt auf seinem Umfangsabschnitt den abgeschrägten Abschnitt 78 berührt. In diesem Fall ist es nötig, nach dem Loch 77 zu suchen [Schritt (4)].
(8) Wie in Fig. 14(h) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 75 so nach rechts geneigt ist, daß ein Punkt auf seinem Umfangsabschnitt den Rand des Loches 77 berührt. In diesem Fall wird die Hand abgesenkt [Schritt (6)], ohne daß eine Suche nach dem Loch 77 erforderlich ist [Schritt (4)].
(9) Wie in Fig. 14(i) gezeigt, nehmen wir einen Fall an, in dem der Stift 75 nach rechts geneigt ist, aber mit dem Loch 77 übereinstimmt. In dem Fall kann die Hand abgesenkt werden [Schritt (6)].
Die herrschende Bedingung, welche es auch immer sein mag, kann unter Verwendung der Steuerschaltung durch Überwachung der Reaktionskräfte Fz, Fb und der Hand-Wegedistanz Zk entlang der Z-Achse bestimmt werden.
Für die in Fig. 14(a), (d) und (g) gezeigten Bedingungen wurde beschrieben, daß in Übereinstimmung mit dem zuvor erwähnten Schritt (4) nach dem Loch gesucht wird. Bei Verwendung eines nachfolgend beschriebenen RCC-Mechanismus des elektromagnetischen Typs jedoch kann das Loch ausfindig gemacht und der Stift 75 in das Loch 77 eingepaßt werden, ohne auf Schritt (4) zurückzugreifen.
Dazu kommt, daß eine Änderung der Länge des einzusetzenden Stiftes sofort ohne Modifizierung des Mechanismus berücksichtigt werden kann, indem einfach der Zahlenwert von der Eingabe-/ Ausgabeeinheit 54 (Fig. 3) geändert wird.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 15 und 16 erläutert.
In Fig. 15 und 16 bezeichnet das Bezugszeichen 80 den Außenrahmen einer Hand, und das Bezugszeichen 81 bezeichnet einen festen Magnetpol (Magnetschaltung), der am Außenrahmen 80 befestigt ist. Der Magnetpol 81 und eine an einem beweglichen Körper 100 angebrachte Luftkernspule 86 bilden einen linearen Gleichstromantrieb zur Steuerung des beweglichen Körpers 100 entlang der Z-Achse. Feste, am Außenrahmen 80 befestigte Magnetpole 82, 84 und am beweglichen Körper 100 angebrachte Luftkernspulen 87, 89 bilden zusammen lineare Gleichstromantriebe zur Steuerung des oberen Teiles des beweglichen Körpers 100 entlang der X-Achse. Dazu bilden feste Magnetpole 83, 85 und an dem beweglichen Körper 100 angebrachte Luftkernspulen 88, 90 lineare Gleichstromantriebe zur Steuerung des unteren Teiles des beweglichen Körpers 100 entlang der X- Achse. Der untere Teil des beweglichen Körpers 100 ist mit einer Spannvorrichtung 101 versehen, in der ein Stift befestigt ist, um in ein Loch eingesetzt zu werden. Innerhalb des Außenrahmens 80 der Hand sind ein Abstandssensor 91 zum Abtasten der Verschiebung entlang der Z-Achse, Abstandssensoren 92, 94 zum Abtasten der Verschiebung des oberen Teiles des beweglichen Körpers entlang der X-Achse und Abstandssensoren 93, 95 zum Abtasten der Verschiebung des unteren Teiles des beweglichen Körpers entlang der X-Achse vorgesehen. Obwohl nicht dargestellt, sind auf der Vorder- und Rückseite lineare Gleichstromantriebe zur Steuerung entlang der Y-Achse angeordnet. Es ist ebenfalls zulässig, eine Anordnung anzunehmen, in der der Abstandssensor der Z-Achse anstatt aus dem in der Mitte vorgesehenen Abstandssensor 91 aus den Abstandssensoren 96, 97 besteht, die an Positionen rechts und links angeordnet sind, wobei der Durchschnitt aus den Erfassungswerten von diesen Sensoren genommen würde. Eine Anschlußleitung 105 für die Luftkernspulen besteht aus einer Verdrahtung mit einem gewissen Freiheitsgrad, wodurch die Bewegung des beweglichen Körpers 100 nicht eingeschränkt wird.
Es ist ersichtlich, daß selbst dann, wenn die strichliert dargestellten Abschnitte, nämlich die linearen Gleichstromantriebe auf der linken Seite, weggelassen werden, der Mechanismus seine Funktion noch zufriedenstellend erfüllen kann, indem er sich auf die linearen Gleichstromantriebe auf der rechten Seite und auf der oberen Seite bezieht. Wenn allerdings eine hochpräzise Zusammenbautätigkeit durchgeführt werden soll, werden die linearen Gleichstromantriebe und Abstandssensoren wie dargestellt an axialsymmetrischen Positionen angeordnet, um Steuerung und Abstandserfassung mit Paaren linearer Gleichstromantriebe und Abstandssensoren differenziert durchzuführen, die an beiden Seiten des beweglichen Körpers angeordnet sind. Weiter sind in der dargestellten Ausführungsform die Magnetpole an der ortsfesten Seite angeordnet, und die Luftkernspulen sind an der beweglichen Seite vorgesehen. Dieselben Wirkungsweisen und Ergebnisse lassen sich jedoch mit Annahme einer umgekehrten Anordnung erzielen, bei der die Luftkernspulen an der ortsfesten Seite und die Magnetpole an der beweglichen Seite angeordnet sind. Die Annahme einer derartigen Anordnung vereinfacht die Verdrahtung der Anschlußleitungen an die Luftkernspulen. Zudem können die festen Magnetpole 82, 85 oder die festen Magnetpole 83, 84 so angeordnet sein, daß sie einander gegenüberliegen. Anders ausgedrückt, die Magnetpole 82, 85 oder 83, 84 können in unterschiedlichen Höhen zueinander angeordnet sein.
Bezugszeichen 102 bezeichnet einen Stift, der in der Spannvorrichtung 101 befestigt ist. Ein Element 103 ist auf einem Auflagetisch plaziert und so ausgebildet, daß es ein Loch 104 aufweist, in das der Stift 102 hineingesteckt werden soll. Dieser Gelenkmechanismus des Typs mit linearem Gleichstromantrieb wird von einer Steuerschaltung 110 gesteuert. Die Steuerschaltung 110 umfaßt eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) 111, einen Speicher 112, eine Eingangs-/ Ausgangsschnittstelle 113, eine Eingangs-/Ausgangseinheit 114 mit einer Anzeige, eine Stromversorgung 115 und einen Leistungsreglerabschnitt 116, der an die Stromquelle 115 und die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 113 angeschlossen ist. Die Ausgangsseite des Leistungsreglerabschnitts 116 ist mit jedem einzelnen linearen Gleichstromantrieb verbunden. Bezugszeichen 118 bezeichnet eine Robotersteuerungseinheit zum Steuern der Hand.
Der Gelenkmechanismus des Typs mit linearem Gleichstromantrieb der vorliegenden Erfindung ist so beschaffen, daß die Luftkernspulen 86 bis 90 der oben beschriebenen linearen Gleichstromantriebe die Haltung des beweglichen Körpers abtasten, wobei alle fünf Freiheitsgrade, mit Ausnahme der Rotationsbewegung um die Mittelachse des beweglichen Körpers 100 passiv gesteuert werden. Dies wird durch einen Ablauf erreicht, der nachfolgend beschrieben wird.
Die Einzelheiten der linearen Gleichstromantriebe (schwingspulenartige Antriebe) werden unter Bezugnahme auf Fig. 17 bis 21 näher erläutert.
Wie in Fig. 18 und 19 dargestellt, ist ein fester Magnetpol 120 vorgesehen, der ein zylindrisches Gehäuse 122 aufweist, an dessen Mittelabschnitt ein Kreiszylinder 121 ausgebildet ist. Die Magnetschaltung der in diesen Zeichnungen dargestellten Art erzeugt ein gleichmäßig ausstrahlendes Magnetfeld H. Wird, wie in Fig. 17 dargestellt, eine in zylindrischer Form gewickelte Luftkernspule 123 innerhalb dieses Magnetfeldes angeordnet, kann eine Magnetkraft F erzeugt werden, die proportional zu dem durch die Spule 123 fließenden Strom i ist. B soll die Flußdichte des gleichmäßigen Magnetfeldes sein, n die Anzahl der Spulenwindungen und i der Strom. Die Magnetkraft F wird wie folgt ausgedrückt:
F = k·n·B·i
wobei k eine durch die Abmessungen der Spule bestimmte Konstante ist. Wenn ein Gleichstrom in der in Fig. 20 gezeigten Richtung durch die Spule 123 fließt, wird gemäß der Dreifinger-Linkehand- Regel eine elektromagnetische Kraft F&sub1; in Richtung des Pfeiles erzeugt. Wird die Richtung des Gleichstromes umgekehrt, wird auch die elektromagnetische Kraft umgekehrt.
Ein linearer Gleichstromantrieb dieses Typs ist für Situationen geeignet, in denen der bewegliche Körper und der Stift von vergleichsweise niedrigem Gewicht sind. Wenn es um die Steuerung entlang der Z-Achse geht, kann deshalb das herkömmliche Widerlager des Magnettyps zur Z-Achsen-Steuerung verwendet werden, wenn ein schwerer beweglicher Körper in Abhängigkeit von der Wechselwirkung von Magnetfeld und Strom nicht leicht abgestützt werden kann. Ist keine so große Erfassungsempfindlichkeit erforderlich, kann eine Anordnung gewählt werden, bei der der bewegliche Körper entlang der Z- Achse hilfsweise über eine mechanische Feder abgestützt ist. Die Rotationsachse ψ des beweglichen Körpers 100 kann unter Verwendung eines Dauermagneten kontaktlos gehalten sein, oder es kann eine Anordnung gewählt werden, bei der eine Feder nur zur Verhinderung der Bewegung der Rotationsachse ψ vorgesehen ist.
Durch Annahme der vorstehenden Anordnung der dargestellten Ausführungsform ergibt sich eine Reihe von Vorteilen:
(1) Kräfte können durch einfache Stromwertmessungen genau berechnet werden.
(2) In einer Zone, in der das Magnetfeld konstant ist, kann das oben beschriebene Verhältnis erreicht werden, ohne sich auf die Positionen der Luftkernspulen zu verlassen.
(3) Ein Vormagnetisierungsstrom zur Linearisierung des Steuersystems ist nicht notwendig.
(4) Eine Positionssteuerung mit einem Freiheitsgrad kann sogar mit einem einzigen linearen Gleichstromantrieb durchgeführt werden. Mit anderen Worten, wenn sich die Richtung des Stromflusses in diesem linearen Gleichstromantrieb ändert, ändert sich auch die Richtung der Kraft und ermöglicht es dadurch, daß die Steuerung mit einem einzigen linearen Gleichstromantrieb durchgeführt wird.
(5) Eine Wegedistanz von mehreren Millimetern bis mehreren Zentimetern kann mühelos erkannt werden. Daraus ergibt sich, daß bei Verwendung des Mechanismus als Zusammenbau-Hand der korrigierbare Positions- und Haltungsbereich im Vergleich zum gewöhnlichen Magnetlager vergrößert wird.
Es wird nun auf Fig. 22 bis 29 Bezug genommen, um Abwandlungen des linearen Gleichstromantriebes der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
Als erstes weist die Ausführungsform nach Fig. 22 und 23 einen festen Magnetpol 124 mit einem rechtwinkligen, zylindrischen Element 126 auf, das so ausgebildet ist, daß es in seinem Mittelabschnitt ein Prisma 125 aufweist, sowie eine quadratische Luftkernspule 127 anstelle der zuvor erwähnten kreisförmigen' Luftkernspule.
Der Aufbau der Ausführungsform nach Fig. 24 und 25 umfaßt einen festen Magnetpol 128 mit einem U-förmigen Element 130, das so ausgebildet ist, daß es in seinem Mittelabschnitt ein Prisma 129 aufweist, sowie eine quadratische Luftkernspule 131, die auf das Prisma 129 gewickelt ist.
In der Ausführungsform nach Fig. 26 bis 29 ist ein Paar fester Magnetpole 132 einander gegenüberliegend angeordnet, wie in Fig. 26 dargestellt, und eine rechteckige Spule 133 der Art, wie sie in Fig. 27 gezeigt ist, ist in dem gleichförmigen Magnetfeld angeordnet. Wenn ein Gleichstrom, wie beispielsweise in Fig. 28 dargestellt, durch die rechteckige Spule 133 geführt wird, wird gemäß der Dreifinger-Linkehand-Regel eine elektromagnetische Kraft F&sub2; in Richtung des Pfeiles erzeugt. Wird die Richtung des Gleichstromes umgekehrt, kehrt sich auch die Richtung der erzeugten elektromagnetischen Kraft F&sub2; um.
Eine Hand zum automatischen Zusammenbau der in Fig. 30 gezeigten Art kann durch Verbinden einer Vielzahl dieser linearen Gleichstromantriebe konstruiert werden. In Fig. 30 bezeichnet das Bezugszeichen 140 den Außenrahmen der Hand, und das Bezugszeichen 141 bezeichnet ein Paar fester Magnetpole (entsprechend den festen Magnetpolen 132 in Fig. 28), die am Außenrahmen 140 befestigt sind. Die festen Magnetpole 141 und eine rechteckige Spule 146 (entsprechend der rechteckigen Spule 133 in Fig. 28) bilden einen linearen Gleichstromantrieb zur Steuerung entlang der Z-Achse. Ebenso bilden ein Paar fester Magnetpole 142 und eine rechteckige Spule 147 einen linearen Gleichstromantrieb zur Steuerung entlang der X-Achse am oberen Teil der Hand, und ein Paar fester Magnetpole 143 bildet mit einer rechteckigen Spule 148 einen linearen Gleichstromantrieb zur Steuerung entlang der X-Achse am unteren Teil der Hand. Auf einer Seite der Hand bilden darüberhinaus ein Paar fester Magnetpole 150 und eine rechteckige Spule 152 einen linearen Gleichstromantrieb zur Steuerung entlang der X-Achse am oberen Teil der Hand, und ein Paar fester Magnetpole 151 bildet mit' einer rechteckigen Spule 153 einen linearen Gleichstromantrieb zur Steuerung entlang der X-Achse am unteren Teil der Hand.
Es sei erwähnt, daß selbst bei Weglassen der linearen Gleichstromantriebe auf der durch Strichlinien gekennzeichneten Seite der Mechanismus seine Funktion als Zusammenbau-Hand noch zufriedenstellend erfüllen kann. Jede Spule wird über eine Anschlußleitung 149 mit elektrischem Strom versorgt.
Mit der oben beschriebenen Anordnung kann die Haltung eines beweglichen Körpers gesteuert werden. Beispielsweise werden, wie in Fig. 15 gezeigt, die den Luftkernspulen der linearen Gleichstromantriebe zugeführten Stromwerte im voraus als Referenzwerte in der Steuerschaltung 110 gespeichert, wenn der bewegliche Körper 100 im Gleichgewicht ist. Wird der bewegliche Körper 100 aus dem Gleichgewichtszustand gebracht, wird die daraus resultierende Änderung in den Werten der Luftkernspulenströme der linearen Gleichstromantriebe abgetastet. Die Stromverteilung an die Luftkernspulen der linearen Gleichstromantriebe wird auf der Basis der abgetasteten Werte durchgeführt, wodurch die Haltung des beweglichen Körpers 100 gesteuert wird. In diesem Fall kann die Haltung des beweglichen Körpers 100 unmittelbar durch Erstellen einer Tabelle gesteuert werden, die vorher im Speicher 112 gespeichert wird, mit Werten, die die Luftkernstromänderungen und entsprechende Stromwerte angeben, die zwecks Steuerung der Haltung des beweglichen Körpers 100 an die Luftkernspulen verteilt werden.
Obwohl nicht dargestellt, können feste Magnetpolpaare und ihre rechteckigen Spulen zumindest vorn und hinten am beweglichen Körper in zwei Ebenen angeordnet sein, um ebenso wie bei der Steuerung entlang der X-Achse lineare Gleichstromantriebe zur Steuerung entlang der Y-Achse zu bilden. In Fig. 30 bezeichnet das Bezugszeichen 134 einen beweglichen Körper, 135 eine Spannvorrichtung und 136 einen in ein Loch einzusetzenden Stift.
Die vorliegende Ausführungsform ist gut zur Verwendung als Hand geeignet, die zum Einsetzen kleiner Stifte und dergleichen verwendet wird.
Die oben beschriebene automatische Zusammenbau-Hand kann auch dazu verwendet werden, Stifte auf dieselbe Weise aufzurichten, wie dies in Fig. 5 bis 8 dargestellt ist. Außerdem kann das Verfahren zur Berechnung der Größe einer auf einen abzustützenden beweglichen Körper wirkenden Kraft und des Ruhepunktes genau wie oben in Zusammenhang mit Fig. 9 und 10 beschrieben durchgeführt werden. Allerdings müssen bei dem Verfahren die in Fig. 9 dargestellten linearen Gleichstromantriebe für die Elektromagneten ersetzt werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 31 und 32 dargestellt, wobei 160 einen Einstellmechanismus eines Roboters oder einer Maschine zum Zusammenbau bezeichnet, 161 den Außenrahmen einer Hand, 162 bis 165 die festen Magnetpole linearer Gleichstromantriebe, 166 bis 170 Abstandssensoren, 171 eine Feder, 172 einen abzustützenden beweglichen Körper, 175 ein Teil mit einer Ausnehmung, 176 ein Luftlager und 177 eine Grundfläche.
Soll ein rechtwinkliges Einsetzelement 174 in die Ausnehmung des auf der Grundfläche 177 plazierten Teiles 175 eingesetzt werden, wie dies in Fig. 31 und 32 dargestellt ist, ist die von den linearen Gleichstromantrieben durchgeführte Steuerung in der X- Z-Ebene sehr wichtig. Was die Y-Richtung angeht, genügt es, einen Abstützmechanismus, z. B. ein Luftlager zu verwenden, welches eine Kraft mit Komponenten in der X-Z-Ebene minimiert, die auf den beweglichen Körper 172 wirken. Es ist auch möglich, den beweglichen Körper über die Kugeln eines Kugellagers abzustützen.
Was die Z-Richtung angeht, so kann der bewegliche Körper von einer Feder abgestützt sein, in welchem Fall die Federkraft vorzugsweise im größtmöglichen Maße mit der Z-Richtung zusammenfallen sollte.
Demzufolge ist diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für Zusammenbauarbeiten in einer zweidimensionalen Ebene geeignet. Auf Federn, Kugeln, Rollen, Luftlagern oder dergleichen beruhende Abstützmechanismen können zu anderen Zwecken als den der Steuerung der Abstützkräfte in der X-Z-Ebene verwendet werden, die direkt an der Zusammenbauarbeit beteiligt ist.
Es wird nun ein Beispiel eines Zusammenbauverfahrens beschrieben, bei dem ein Gerät zum Zusammenbau (ein RCC- Mechanismus des elektromagnetischen Typs) der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Der RCC-Mechanismus ist eine mechanische Konstruktion mit Federn und ist so konstruiert, daß bei Krafteinwirkung auf die Spitze eines Stiftes der Stabilitätsmittelpunkt des Stiftes als Reaktion auf die Kraft eine Position am Mittelpunkt der Stiftspitze einnimmt.
Dies wird nun im Hinblick auf die X-Z-Ebene unter Bezugnahme auf Fig. 33 beschrieben.
(1) Wirkt eine Kraft Fb in X-Richtung auf die Spitze eines Stiftes 180, wird letzterer so verschoben, daß er in X-Richtung weiterbewegt wird.
(2) Unter Ansprechen auf eine Kraft Fz in Z-Richtung macht der Stift 180 aufgrund eines von der Anwendung dieser Kraft erzeugten Momentes eine Rotationsverschiebung um einen RCC- Punkt 181 durch.
Die Hand ist mit einem elastischen System versehen, das den obigen Bedingungen (1) und (2) genügt.
Angenommen, ein Stift 183 ist an einem beweglichen Körper 182 in Fig. 34 befestigt. P&sub0; soll den Mittelpunkt der Spitze von Stift 183 darstellen, x&sub1; die Verschiebung in X-Richtung eines in einem Abstand l&sub1;&sub1; von P&sub0; angeordneten Punktes p&sub1; und x&sub2; die Verschiebung in X-Richtung eines in einem Abstand l&sub2;&sub1; von P&sub0; angeordneten Punktes p&sub2;. Die Anordnung kann so sein, daß Kräfte f&sub1;&sub1;, f&sub2;&sub1; auf die Punkte p&sub1; bzw. p&sub2; in der oben erwähnten Hand wirken.
Nehmen wir nun an, daß ein Punkt auf dem Stift 183 in einer Entfernung a von dem Punkt P&sub0; den Rand eines Loches in einem Element berührt, so daß externe Kräfte Fb, Fz auf den Stift 183 wirken. Ausgehend vom Gleichgewicht der Kräfte müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
f&sub1;&sub1; + f&sub2;&sub1; = Fb 1
l&sub1;&sub1;f&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;f&sub2;&sub1; = a·Fz 2
Die Funktion des RCC-Mechanismus muß zur selben Zeit folgende Gleichungen erfüllen:
x&sub1; = xb1 + xz1 3
x&sub2; = xb2 + xz2 4
xb1 = xb2 = kb Fb 5
xz1 = xz2·(l&sub1;&sub1;/l&sub2;&sub1;) = kz·a·Fz 6
wobei xb1 eine Änderung in der Verschiebung des Punktes p&sub1; unter Ansprechen auf Fb darstellt, xb2 eine Änderung in der Verschiebung des Punktes p&sub2; unter Ansprechen auf Fb, xz1 eine Änderung in der Verschiebung des Punktes p&sub1; unter Ansprechen auf a·Fz darstellt, xz2 eine Änderung in der Verschiebung des Punktes p&sub2; unter Ansprechen auf a·Fz, kb die Steifigkeitszahl hinsichtlich Fb und kz die Steifigkeitszahl hinsichtlich des Momentes von a·Fz.
Im Abstützmechanismus eines auf eine elektromagnetische Vorrichtung zurückgreifenden Körpers können f&sub1;&sub1;, f&sub2;&sub1; hinsichtlich x&sub1;, x&sub2; aus folgenden Beziehungen abgeleitet werden:
f&sub1;&sub1; = k&sub1;&sub1;x&sub1; + k&sub1;&sub2;x&sub2; 7
f&sub2;&sub1; = k&sub2;&sub1;x&sub1; + k&sub2;&sub2;x&sub2; 8
wobei k&sub1;&sub1;, k&sub1;&sub2;, k&sub2;&sub1;, k&sub2;&sub2; Rückkopplungsverstärkungen darstellen.
Es ist möglich, x&sub1;, x&sub2; durch eine Längenberechnung zu bestimmen, indem die Erfassungswerte von mindestens zwei Abstandssensoren verwendet werden. Mit anderen Worten, x&sub1;, x&sub2; können mit einem Rechenverstärker oder Rechner in der Steuerschaltung berechnet werden.
Die Werte von k&sub1;&sub1;, k&sub1;&sub2;, k&sub2;&sub1;, k&sub2;&sub2; können so bestimmt werden, daß sie obige Gleichungen 1 bis 6 erfüllen. Dies wird nun näher erläutert.
[1] Betrachten wir einen Fall, in dem Fz = 0. Mit anderen Worten, nehmen wir an, daß nur die Kraft fb angewendet wird. Aus den Gleichungen 1 und 2 oben erhalten wir
f&sub1;&sub1; + f&sub2;&sub1; = Fb 9
l&sub1;&sub1;f&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;f&sub2;&sub1; = 0 10
Aus den Gleichungen 5, 6 erhalten wir:
xb1 = xb2 = kb·Fb 11
xz1 = xz2 (l&sub1;&sub1;/l&sub2;&sub1;) = 0 12
Aus den Gleichungen 3, 11 erhalten wir:
x&sub1; = xb1 = kb·Fb 13
Aus den Gleichungen 4, 11 erhalten wir:
x&sub2; = xb2 = kb·Fb 14
Durch Einsetzen der Gleichungen 7 und 8 in Gleichung 9 bekommen wir
f&sub1;&sub1; + f&sub2;&sub1; = (k&sub1;&sub1; + k&sub2;&sub1;)x&sub1; + (k&sub1;&sub2; + k&sub2;&sub2;)x&sub2; 15
und wenn man die Gleichungen 13, 14 hierin einsetzt, ergibt sich
Aus den Gleichungen 10, 7, 8 und den Gleichungen 13, 14 haben wir
l&sub1;&sub1;f&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;f&sub2;&sub1; = (l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub1;)x&sub1; + (l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub2; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub2;)x&sub2;
= (l&sub1;k&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub1; + l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub2; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub2;) kb Fb 17
0 = l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub1; + l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub2; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub2; (ii)
[2] Als nächstes betrachten wir einen Fall, in dem Fb = 0, d. h. in dem nur die Kraft Fz angewendet wird.
Aus den Gleichungen 1 und 2 oben haben wir
f&sub1;&sub1; + f&sub2;&sub1; = 0 18
l&sub1;&sub1;f&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;f&sub2;&sub1; = a·Fz 19
Aus den Gleichungen 3, 4, 5 und 6 haben wir
x&sub1; = 0+xz1 = kz·a·Fz 20
x&sub2; = 0 + xz2 = (l&sub2;&sub1;/l&sub1;&sub1;)·kz·a·Fz 21
Aus den Gleichungen 7 und 8 haben wir
f&sub1;&sub1; + f&sub2;&sub1; = (k&sub1;&sub1; + k&sub2;&sub1;)x&sub1; + (k&sub1;&sub2; + k&sub2;&sub2;)x&sub2; 22
Weiterhin bekommen wir aus den Gleichungen 18, 20, 21 und 22
0 = (k&sub1;&sub1; + k&sub2;&sub1;)·kz·a·Fz + (k&sub1;&sub2; + k&sub2;&sub2;) (l&sub2;&sub1;/l&sub1;&sub1;)·kz·a·Fz 23
Daher gilt:
l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub1; + l&sub1;&sub1;k&sub2;&sub1; + l&sub2;&sub1;k&sub1;&sub2; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub2; = 0 (iii)
Aus den Gleichungen 19, 7 und 8 haben wir
l&sub1;&sub1;f&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;f&sub2;&sub1; = (l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub1;)x&sub1; + (l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub2; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub2;)x&sub2; 24
Ausgehend von den Gleichungen 20, 21 können wir des weiteren schreiben
a·Fz = (l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub1;)·kz·a·Fz + (l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub2; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub2;) (l&sub2;&sub1;/l&sub1;&sub1;)·kz·a·Fz 25
Werden beide Kräfte Fb, Fz angewendet, können diese überlagert sein. Demgemäß können k&sub1;&sub1;, k&sub1;&sub2;, k&sub2;&sub1;, k&sub2;&sub2; aus (i), (ii), (iii) und (iv) gewählt werden.
Insbesondere gilt:
k&sub1;&sub1; + k&sub2;&sub1; + k&sub1;&sub2; + k&sub2;&sub2; = 1/kb (i)'
l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub1; + l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub2; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub2; = 0 (ii)'
l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub1; + l&sub1;&sub1;k&sub2;&sub1; + l&sub2;&sub1;k&sub1;&sub2; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub2; = 0 (iii)'
l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub1; + l&sub2;&sub1;k&sub1;&sub2; + (l&sub2;&sub1;²/l&sub1;&sub1;) k&sub2;&sub2; = 1/kz (iv)'
Diese Simultangleichungen (i)' bis (iv)' können für die vier Unbekannten k&sub1;&sub1;, k&sub2;&sub1;, k&sub1;&sub2;, k&sub2;&sub2; aufgrund des Vorhandenseins von vier unabhängigen Gleichungen gelöst werden. Bei Auflösung dieser Simultangleichungen haben wir
Demgemäß gilt:
k&sub1;&sub1; + 2k&sub1;&sub2; + k&sub2;&sub2; = 1/kb (i)''
l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub1; + (l&sub1;&sub1; + l&sub2;&sub1;)k&sub1;&sub2; + l&sub2;&sub1;k&sub2;&sub2; = 0 (ii)''
l&sub1;&sub1;k&sub1;&sub1; + 2l&sub2;&sub1;k&sub1;&sub2; + (l&sub2;&sub1;²/l&sub1;&sub1;) k&sub2;&sub2; = 1/kz
Daher ist:
l&sub1;&sub1;²k&sub1;&sub1; + 2l&sub1;&sub1;l&sub2;&sub1;k&sub1;&sub2; + l&sub2;&sub1;²k&sub2;&sub2; = l&sub1;&sub1;/kz (iii)''
Nach Lösen dieser Lineargleichung mit drei Unbekannten erhalten wir schließlich:
l&sub1;&sub1; = [(l&sub2;&sub1;²/kb) + (l&sub1;&sub1;/kz)]/(l&sub1;&sub1; - l&sub2;&sub1;)²
k&sub1;&sub2; = k&sub2;&sub1;
= [-(l&sub1;&sub1;l&sub2;&sub1;/kb) - (l&sub1;&sub1;/kz)]/(l&sub1;&sub1; - l&sub2;&sub1;)²
k&sub2;&sub2; = [(l&sub1;&sub1;²/kb) + (l&sub1;&sub1;/kz)]/(l&sub1;&sub1; - l&sub2;&sub1;)².
Es genügt, wenn k&sub1;&sub1;, k&sub2;&sub1;, k&sub1;&sub2;, k&sub2;&sub2; so gewählt sind, daß sie diese Beziehungen erfüllen.
Insbesondere können k&sub1;&sub1;, k&sub2;&sub1;, k&sub1;&sub2;, k&sub2;&sub2; für einen Fall gewählt werden, in dem die Steifigkeitszahl kb für die Fortschreitungsbewegung aufgrund von Fb und die Steifigkeitszahl kz für die Rotationsbewegung um den RCC-Punkt aufgrund von Fz festgelegt sind.
Demzufolge sind, wie in Fig. 35 dargestellt, elektromagnetische Vorrichtungen 184, 185 und Abstandssensoren 186, 187 gegenüber einem beweglichen Körper 182 angeordnet, an dem ein Stift 183 zum Einsetzen in ein Loch befestigt ist, und der bewegliche Körper 182 wird beispielsweise von einer Schaltungsanordnung der in Fig. 36 gezeigten Art gesteuert. Abstandssignale g&sub1;, g&sub2; werden jeweils von Abstandssensoren 186, 187 erhalten und in eine lineare Rechenschaltung 191 eingespeist, und die lineare Rechenschaltung 191 gibt x&sub1;, x&sub2; aus. Diese Signale werden einer linearen Rechenschaltung 192 zugeführt, die diese Signale dazu verwendet, Leitwerte fc1, fc2 elektromagnetischer Kräfte f&sub1;&sub1; bzw. f&sub2;&sub1; zu erzeugen. Die Leitwerte fc1, fc2 werden an Rechenverstärker 193 bzw. 194 angelegt, die sie mit momentan vorherrschenden Erregerspannungen von jeweiligen elektromagnetischen Vorrichtungen 184, 185 vergleichen, wobei letztere elektromagnetische Kräfte f&sub1;&sub1;, f&sub1;&sub2; erzeugen. In Fig. 35 bezeichnen die Bezugszeichen 188, 189 elektromagnetische Vorrichtungen. In Fig. 36 stellen a&sub1;&sub1;, a&sub1;&sub2;, a&sub2;&sub1;, a&sub2;&sub2; die von den Positionen der Abstandssensoren bestimmten Koeffizienten dar.
Im allgemeinen werden die Abstandssensor-Ausgangssignale in die Steuerschaltung eingelesen, und die oben erwähnte Verarbeitung wird innerhalb der Steuerschaltung durchgeführt, um die elektromagnetischen Kräfte f&sub1;&sub1;, f&sub2;&sub1; zu erzeugen.
Es ist notwendig, zur Erhöhung der Stabilität eine Dämpfung zu verwenden, wenn der Stift in einem kontaktlosen Zustand gehalten ist und wenn die Spitze des Stiftes das Element mit dem Loch berührt. In einem derartigen Fall kann jede beliebige Dämpfungscharakteristik eingestellt werden, indem ein Steuersystem erstellt wird, um f&sub1;&sub1;, f&sub2;&sub1; für x&sub1;, x&sub2; so zu erzeugen, daß folgendes gilt:
In obiger Gleichung stellen x&sub1;, x&sub2; die Zeitdifferentiale von x&sub1;, x&sub2; dar und können im allgemeinen erhalten werden aus der Beziehung:
In diesem Fall ist eine kontaktlose Abstützung im Hinblick auf die Z-Achse nicht speziell erforderlich, so daß eine Abstützung entlang dieser Achse mittels einer Feder oder dergleichen durchgeführt werden kann. Mit einer derartigen Anordnung kann f&sub1;&sub1; aus x&sub1;, x&sub2; und nicht nur x&sub1; bestimmt werden, und f&sub2;&sub1; kann aus x&sub1;, x&sub2; und nicht nur x&sub2; bestimmt werden.
Demzufolge kann ein Präzisionsarbeitsgang zum automatischen Zusammenbau durchgeführt werden, der dem von einer RCC-Hand durchgeführten gleichkommt und mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet ist.
Durch Verstärkungsregelung der als Abstützelemente dienenden elektromagnetischen Vorrichtungen kann ein Federzentrum in jeder beliebigen Stellung eingestellt werden.
Die vorliegende Erfindung hat folgende Vorteile:
(1) Wenn sich die Länge eines in ein Loch einzusetzenden Stiftes ändert, kann dies sofort ohne Durchführung irgendwelcher mechanischer Modifikationen berücksichtigt werden. Die Erfindung kann daher anpassungsfähig verwendet werden.
(2) Wenn sich die mit einem Gelenkmechanismus verbundene Hand bewegt, kann die Steifigkeit des Gelenkmechanismus erhöht werden, um Schwingungserscheinungen zu unterdrücken. Dies erhöht die Arbeitsleistung.
(3) Da der Stift von einem elektromagnetischen Gelenkmechanismus gehalten wird, ist der ungedämpfte Stoß bei Aufschlagen des Stiftes auf der Oberfläche des Elementes mit dem Loch geringer als bei einer Anordnung des Standes der Technik, bei der der Stift von einem starren Körper gehalten wird.
Da viele offensichtlich sehr verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geschaffen werden können, ohne von ihrem Wesen und Bereich abzuweichen, versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf die darin festgelegten Ausführungsformen beschränkt ist, ausgenommen, wie in den anhängenden Ansprüchen definiert.

Claims

1. Ein Präzisionsgerät zum automatischen Zusammenbau zum Einsetzen eines einsetzbaren Teiles (42; 61; 69; 71; 75; 102; 136; 174; 180, 183) in ein Loch (44; 63; 73; 77; 104), das in einem Element (43; 62; 72; 103; 175) mit einer beweglichen Hand (20; 80; 140; 161) ausgebildet ist, die einen beweglichen Körper (40; 65, 68; 100; 134; 172; 182) umfaßt, der auf der beweglichen Hand befestigt ist, und wobei das einsetzbare Teil auf einem Endabschnitt des beweglichen Körpers befestigt ist, gekennzeichnet durch

(a) einen fünfachsig gesteuerten magnetischen Peilmechanismus bestehend aus mindestens fünf Elektromagneten (31-39) oder linearen Gleichstromantrieben (81-90; 141-143, 146-148; 150- 153; 162-165), die paarweise als zwei radiale Magnetlager (32-35; 36-39) angeordnet sind und einem (31; 81, 141, 171), der die axiale Position (Z) überwacht;

(b) mindestens fünf Abstandssensoren (21-29, 91-95), die paarweise in zwei Gruppen (22-25; 26-29) angeordnet sind und einen einzelnen Abstandssensor (21), entsprechend der Anordnung der Elektromagneten (31-39) oder des linearen Gleichstromantriebs (81-90; 141-143, 146- 148; 150-153; 162-165);

(c) eine Recheneinrichtung (50, 110, 191-194) zur Auswertung einer externen Kraft (Fz,Fb), die auf das einsetzbare Teil (42; 102, 136; 174) wirkt und einer Position, in der das einsetzbare Teil (42; 102; 136; 174) das Element (43; 103; 175) berührt, basierend auf dem Wert der Erregerströme der Elektromagneten (31-39) oder der linearen Gleichstromantriebe (81-90; 141-143; 146- 148; 150-153; 162-165) und den Signalen von den Abstandssensoren (21-29, 91-95); und

(d) Mittel (55, 56; 115, 116; 184, 185) zum Einstellen der Position und Ausrichtung des beweglichen Körpers (40; 65, 68; 100; 134; 172; 182), um die Position und Ausrichtung des einsetzbaren Teiles in Bezug auf das Loch (44; 63, 73, 77; 104) in dem Element (43; 103; 175) derart zu korrigieren, daß das einsetzbare Teil (42; 61, 69, 71, 75; 102; 136; 174; 180, 183) in das Loch (44; 63, 73, 77; 104) eingesetzt wird, wobei diese Einstellung auf den Angaben der auf das einsetzbare Teil wirkenden externen Kraft (Fz, Fb) und der Position beruht, in der das einsetzbare Teil (42; 61, 69, 71, 75; 102; 136; 174, 180, 183) das Element (43; 62, 72; 103, 175) berührt.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei der Endabschnitt des beweglichen Körpers (40; 100; 134; 172) mit einer Spannvorrichtung (41; 101; 135; 173) versehen ist, in der das einsetzbare Teil (42; 102; 136; 174) befestigt ist.

3. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin eine Feder (171) zum Abstützen des beweglichen Körpers (172) entlang einer Z-Achse aufweist.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das einsetzbare Teil (42; 102; 136) eine kreisförmige, zylindrische Konfiguration aufweist.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektromagnetartige Mechanismus ein Gelenkmechanismus zum Halten und Steuern des beweglichen Körpers in handgelenkartigen Freiheitsgraden ist.

6. Verfahren für ein Präzisionsgerät zum automatischen Zusammenbau zum Einsetzen eines einsetzbaren Teiles (42; 61; 69; 71; 75; 102; 136; 174; 180, 183) in ein Loch (44; 63; 73; 77; 104), das in einem Element (43; 62; 72; 103; 175) mit einer beweglichen Hand (20; 80; 140; 16) ausgebildet ist, die einen beweglichen Körper (40; 65, 68; 100; 134; 172; 182) umfaßt, der auf der beweglichen Hand befestigt ist, und wobei das einsetzbare Teil auf einem Endabschnitt des beweglichen Körpers befestigt ist, mit den Schritten:

(a) bewegliches Anordnen des Magnetpeilmechanismus bestehend aus mindestens fünf Elektromagneten (31-39) oder linearen Gleichstromantrieben (81-90; 141-143, 146- 148; 150-153; 162-165), die paarweise als zwei radiale Magnetlager (32-35; 36-39) angeordnet sind und einem (31; 81, 141, 171), der die axiale Position (Z) überwacht und mindestens fünf Abstandssensoren (21-29, 91-95), die paarweise in zwei Gruppen (22-25; 26-29) angeordnet sind und einem einzelnen Abstandssensor (21) entsprechend der Anordnung der Elektromagneten (31-39) oder des linearen Gleichstromantriebs (81-90; 141-143, 146- 148; 150-153; 162-165);

(b) grobes Positionieren des einsetzbaren Teiles bezüglich des Loches des Elementes durch den Magnetpeilmechanismus und Abtasten einer externen Kraft (Fz, Fb), die auf das einsetzbare Element und einen Punkt einwirkt, an dem das einsetzbare Element das Loch berührt, wenn das Teil positioniert wird;

(c) Berechnen zur Auswertung der externen Kraft (Fz, Fb), die auf das einsetzbare Teil (42; 102, 136; 174) wirkt und einer Position, in der das einsetzbare Teil (42; 102; 136; 174) das Element (43; 103; 175) berührt, basierend auf dem Wert der Erregerströme der Elektromagneten (31-39) oder der linearen Gleichstromantriebe (81-90; 141-143, 146-148; 150-153; 162- 165) und den Signalen von den Abstandssensoren (21- 29, 91-95); und

(d) Einstellen der Position und Ausrichtung des beweglichen Körpers (40; 65, 68; 100; 134; 172; 182), um die Position und Ausrichtung des einsetzbaren Teiles in Bezug auf das Loch (44; 63, 73, 77; 104) in dem Element (43; 103; 175) derart zu korrigieren, daß das einsetzbare Teil (42; 61, 69, 71, 75; 102; 136; 174; 180, 183) in das Loch (44; 63, 73, 77; 104) eingesetzt wird, wobei diese Einstellung auf den Angaben der auf das einsetzbare Teil wirkenden externen Kraft (Fz, Fb) und der Position beruht, in der das einsetzbare Teil (42; 61, 69, 71, 75; 102; 136; 174, 180, 183) das Element (43; 62, 72, 103, 175) berührt;

(e) Einsetzen des einsetzbaren Teiles in das Loch während des Einstellens der Position und Ausrichtung des einsetzbaren Teiles.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Einstellung der Position und Ausrichtung des einsetzbaren Teiles in dem Schritt (e) auf der Basis der von dem einsetzbaren Teil beim Einsetzen in das Loch zurückgelegten Entfernung und einem Abstandswert zwischen dem einsetzbaren Teil und dem Loch durchgeführt wird.