DE3872033T2

DE3872033T2 - Kontrollierte einfuegung eines stiftes mit luftstromdetektion und aktivem feedback.

Info

Publication number: DE3872033T2
Application number: DE8888103060T
Authority: DE
Inventors: Hollis, Jr; Michael A O'connor
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1988-03-01
Publication date: 1993-02-04
Anticipated expiration: 2008-03-02
Also published as: JPS63267184A; US4745681A; DE3872033D1; EP0287783A3; JPH0673827B2; EP0287783A2; EP0287783B1; CA1255480A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein automatisches Montagesystem und die Methode zum Einsetzen eines Stiftes in ein Loch durch einen Roboter. Ein solches System und die Methode entsprechend der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 11 werden z.B. in der Patentschrift EP-A-0163558 beschrieben. Noch spezieller bezieht sie sich auf das automatische Erfassen der Luftströmung an einem Loch und das seitliche Bewegen eines Stiftes zu einer Position innerhalb der Luftströmung, an der sich die seitlichen Kräfte der erfaßten Luftströmung über dem Loch am meisten an Null annähern, um den Stift an den Einsetzpunkt für das Loch zu positionieren.
Ein wiederkehrendes Problem der automatischen Montage ist das klassische "Stift-in-Loch"-Problem, bei welchem ein zylindrischer Stift in ein zylindrisches Loch mit genau passendem Durchmesser eingesetzt werden muß. Eine herkömmliche Vorgehensweise ist es, Fasen an das Loch, den Stift oder an beidem anzubringen und eine flexible Handhabungseinrichtung zum Greifen des Stiftes zu nutzen. Diese Vorgehensweise versagt, wenn die Achsen von Stift und Loch weiter als der Fangbereich der Fasen voneinander entfernt sind. Diese Vorgehensweise versagt auch im Fall flexibler oder gekrümmter Stifte, z.B. bei Drähten oder Fäden. Sogar der Zusatz eines Vakuumsogs wird den Fangbereich des Lochs jenseits der Fasen, bzw. jenseits einer "virtuellen Fase", nicht viel erweitern. Das Beaufschlagen des Loches mit einem Vakuum kann den Fangbereich jenseits des durch mechanische Fasen bestimmten Fangbereichs erweitern, aber wegen der Masse großer Stifte oder der Zerbrechlichkeit kleinerer Stifte kann es schwierig sein, ein Vakuum zu erreichen, das zur merklichen Erweiterung des Fangbereichs des Lochs ausreicht. Überdies kann die Geometrie des Einsetzproblems es erschweren, eine Druckdifferenz im Bereich eines Loches zu erzeugen, welche eine unterstützende Luftströmung in das Loch verursacht, während dieselbe Geometrie leicht die entgegengesetzte Differenz verursachen kann, welches eine Widerstandsluftströmung aus dem Loch verursacht. Es kann außerhalb der normalen Genauigkeit des Roboters liegen, den Einsetzpunkt ohne Regelung anzusteuern. Es ist schwierig, die optische und mechanische Genauigkeit, die für eine geregelte Annäherung notwendig ist, zu erreichen, sogar mit einem Roboter mit Bilderkennungssystem, da die notwendige Genauigkeit schwierig zu erreichen ist und weil der Robotergreifer und sogar der Stift selbst das Loch verdecken können.
Die folgenden Patentschriften sind stellvertretend für den Stand der Technik:
Die US-Patentschrift 3,667,103 von Edwyn H. Petree, APPARATUS FOR INSERTING TERMINALS IN AN APERTURED PLATE, 6. Juni 1974, zeigt die Verwendung eines Vakuums zusammen mit Vibration zum Einziehen von Stiften in angefaste Löcher einer Platte.
Die US-Patentschrift 4,155,169 von S.H. Drake et al, COMPLIANT ASSEMBLY SYSTEM DEVICE, 22. Mai 1979, zeigt die Nutzung eines flexiblen Greifers, um das Einsetzen eines Stiftes in ein Loch zu erleichtern.
Die US-Patentschrift 4,485,453 von Taylor, DEVICE ANS METHOD FOR DETERMINING THE LOCATION AND ORIENTATION OF A DRILLHOLE, 27. November 1984, zeigt die Nutzung einer Bohrerspitze als Fühler für einen Roboter zur Nutzung bei der Bestimmung der Lage eines Bohrlochs.
Die deutsche Patentschrift DE 28 34 6984 von Petermann et al, 14. Februar 1980, zeigt eine vakuumunterstützte Einsetztechnik für elektrische Bauelemente.
Der Stand der Technik beinhaltet die Nutzung eines Vakuums für Stift-in-Loch-Arbeitsgänge, er beinhaltet die Nutzung eines flexiblen Greifers für Stift-in-Loch-Arbeitsgänge und er beinhaltet die Nutzung von Gerätegreifern. Der Stand der Technik beinhaltet somit die Nutzung des Fasen-Fangbereichs zum Fangen des Stiftes und er beinhaltet die Vergrößerung des Fasen-Fangbereichs (virtuelle Fase) durch ein Vakuum, aber er beinhaltet keine automatischen Techniken in einem Erfassungsbereich im Umfeld des Lochs, mit denen der Roboter den Stift an den Einsetzpunkt für das Loch Positionieren kann.
Der Stand der Technik beinhaltet und empfiehlt nicht die erfindungsgemäße Kombination, welche dem Roboter gestattet, auf die Kräfte der Luftströmung durch ein Loch zu reagieren, wobei eng mit dem Stift verbundene Sensoren oder der Stift selbst als Fühler benutzt werden, um die Bewegung des Stiftes zum Einsetzpunkt innerhalb des Fangbereichs des Lochs zu regeln und zu steuern, das Einsetzen durchzuführen und das erfolgreiche Einsetzen zu überwachen.
Der Stand der Technik beinhaltet auch nicht die Methode des Positionierens des Stiftes in die allgemeine Nähe des ausgewählten Lochs mit Hilfe einer Steuerung; das Suchen nach einem Nullwert der seitlichen Luftströmungskräfte in einem geschlossenen Regelkreis, um den Einsetzpunkt zu bestimmen, das Einsetzen des Stiftes ohne adaptive Regelung und Überwachen des erfolgreichen Einsetzens.
Es wird auf die beigelegten Ansprüche, in denen die Erfindung dargelegt wird, Bezug genommen.
Ein Teil, welches Löcher zum Aufnehmen von Stiften hat, wird für den Zugang eines Einsetzgerätes (z.B. eines Robotergerätes) mit Fluidströmung in die oder aus den Löchern eingerichtet, wie z.B. eine Luftströmung durch ein Vakuum. Für jedes einzelne Loch erzeugt die Fluidströmung einen Erfassungsbereich, in welchem die seitlichen und vertikalen Kräfte, die zu dem Loch gehören, erfaßt werden können, so daß die Richtung zu dem Loch abgeleitet werden kann. Falls die Strömung von dem Loch kommt, ist diese Richtung entgegengesetzt der Richtung der seitlichen Kräfte, wohingegen die Richtung, falls die Strömung in das Loch führt, dieselbe wie die der seitlichen Kräfte ist.
Der Roboter wird ohne adaptive Regelung gesteuert, um den Robotergreifer so zu Positionieren, daß der Stift in der äußeren Nähe des Lochs ist, innerhalb des Erfassungsbereichs der seitlichen Kräfte der Luftströmung durch das Loch. Der Roboter reagiert auf einen mit Sensoren ausgerüsteten Greifer oder eine Schürze über dem Stift und erfaßt seitliche Kräfte, die auf den Stift als Fühler wirken oder sehr eng mit dem Stift verbunden sind. Der Roboter wird dann in einem geschlossenen Regelkreis (Feedback) gesteuert und bewegt den Stift, abgeleitet aus dem Erfassen der seitlichen Kräfte, zu dem Einsetzpunkt hin, dabei werden die seitlichen Kräfte ständig erfaßt. Der Roboter nutzt Gleichstrom- (oder Gegenstrom-) Servotechniken, um den Robotergreifer in eine Position gegenüber dem Loch zu fahren (innerhalb des Einsetz-Fangbereichs des Lochs), wie durch den Nullwert der seitlichen Kraftvektoren definiert wird. Nach dem Erfassen der sich aus dem Nullwert ergebenden Kraftvektoränderungen bewegt der Roboter den Robotergreifer vertikal (abwärts, ohne adaptive Regelung), um den Stift in das Loch einzusetzen.
Der Erfindungsgegenstand besteht darin, einen Fertigungsroboter zum Einsetzen eines Stiftes in ein Loch zu befähigen, auch wenn die erforderliche Fluchtungsgenauigkeit von Stift und Loch jenseits der allgemeinen Positioniergenauigkeit des Roboters liegt.
Ein Merkmal der Erfindung ist ein kraftvektorerfassender flexibler Gerätegreifer zum Halten des Stiftes als Fühler in Kombination mit einem servomechanischen Steuergerät, um den Stift zum virtuellen Fasen-Fangbereich des Lochs zu führen.
Der Gerätegreifer erzeugt Signale, die sich auf Richtung und Größe der Kraft beziehen. Das Steuergerät empfängt die Signale, berechnet eine seitliche Bewegungsfolge und veranlaßt die Bewegungsfolge. Während der Bewegungsfolge spricht das Steuergerät auf Änderungen der erfaßten seitlichen Kräfte an dem Stift an. An einer Position innerhalb des Erfassungsbereichs, an welcher sich die seitlichen Kräfte am meisten an Null annähern, legt der Nullwert den Fangbereich des Lochs fest, welches den Einsetzpunkt festlegt. Das Steuergerät bestimmt aus dem Nullwert, daß der Robotergreifer den Stift an den Einsetzpunkt positioniert hat und veranlaßt den Roboter, den Stift in das Loch einzufügen (oder er erlaubt im Fall von leichten und/oder biegsamen Stiften oder Fäden, daß der Stift durch ein Vakuum in das Loch eingezogen wird).
Ein anderes Merkmal der Erfindung ist die Kombination eines hochempfindlichen flexiblen Gerätegreifers zum Halten des Stiftes und/oder einer Fühler-Schürze mit einer Servo-Neupositionierung zum Einsetzpunkt durch den Roboter. Zum Einsetzen erfaßt die Instrumentierung durch eine Verknüpfung der Druckdifferenzen die seitlichen Kräfte der Luftströmung, die einen Fangbereich eines Lochs bildet. Der Computer zur Robotersteuerung berechnet iterativ eine Folge seitlicher Bewegungen und veranlaßt sie als Reaktion auf iterativ erfaßte seitliche Kräfte zu einer Position innerhalb des Erfassungsbereichs, an welcher sich die seitlichen Kräfte am meisten an Null annähern. Der Nullwert legt den Fangbereich des Lochs fest. Der Computer zur Robotersteuerung bestimmt aus dem Nullwert der seitlichen Kräfte, daß der Stift an den Einsetzpunkt positioniert und über dem Fangbereich zentriert wurde, der durch die Luftströmung durch das Loch gebildet wird.
Er veranlaßt dann eine vertikale Bewegung (oder erlaubt, daß der Stift durch ein Vakuum in das Loch eingezogen wird, wenn die Strömung in das Loch gerichtet ist und die Kräfte ausreichen).
Ein Vorteil der Erfindung ist ihre Eignung zum Einsetzen zerbrechlicher Stifte oder Drähte, sogar biegsamer Fäden, in nicht angefaste Löcher.
Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie einen Fertigungsroboter sogar dann zum Ausführen von Stift-in-Loch-Arbeitsgängen befähigt, wenn die Abmessungen von Stift und Loch außerhalb der ohne adaptive Regelung erreichbaren Genauigkeit des Robotergreifers liegen.
System und Methode, wie in den Ansprüchen 1 und 11 zum gesteuerten Einsetzen von Stiften in Löcher durch Nutzung der Luftströmungsdetektion und der adaptiven Regelung beansprucht, bieten die folgenden bedeutenden Vorteile:
1) ihre Anwendbarkeit ist allgemein genug, um Situationen zu behandeln, die entweder Vakuum oder Druck auf große oder kleine Stifte nutzen, welche fest, biegsam oder sogar zerbrechlich sein können;
2) es ist insofern selbstführend, als das Loch selbst Richtungsinformationen an den Stift liefert;
3) während des Einsetzens versieht der Hochgeschwindigkeits-Luftfilm in dem ringförmigen Raum zwischen dem Stift und dem Loch eine Schmierfunktion, die die Möglichkeit des Ausfalls durch Steckenbleiben verringert;
4) die Nutzung des Stiftes selbst als Fühler sorgt für eine räumlich minimale Erfassungseinrichtung;
5) da der Erfassungsbereich typischerweise viel größer als die Lochgröße ist, kann ein erfolgreiches Einsetzen in einem viel größeren Gebiet als dem der mechanischen Fase eingeleitet werden;
6) es werden viele klassische Probleme des Einsetzens eines Stiftes in ein Loch überwunden, d.h. geringe Toleranzen, ungenaue Daten und/oder das Fehlen einer Gesamtgenauigkeit von Robotern.
Die vorerwähnten und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der spezielleren Beschreibung der vorgezogenen Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich, wie in den beigefügten Zeichnungen illustriert wird.
Fig. 1 ist eine halbschematische Darstellung eines automatischen Positionierungsgerätes oder Roboters, sie illustriert den Gerätegreifer, der den Stift als Fühler zum Erfassen der Luftströmungskräfte des Erfassungsbereichs des Lochs nutzt.
Fig. 2 ist ein Diagramm der seitlichen und vertikalen Komponenten der Kraft auf den Stift (als Fühler) als Funktion der Versetzung von Stift und Loch.
Fig. 3 ist eine schematische Zeichnung, die das Erfassen der seitlichen Luftströmungskraft zeigt, wenn die Strömung in das Loch führt und Stift und Loch versetzt sind.
Fig. 4 ist analog Fig. 3 nach der Ausrichtung von Stift und Loch.
Fig. 5 ist analog Fig. 3, außer, daß die Strömung aus dem Loch kommt.
Fig. 6 ist analog Fig. 4, außer, daß die Strömung aus dem Loch kommt.
Fig. 7 ist ein Blockschema der Arbeitsweise mit geschlossenem Regelkreis des Gerätes oder Roboters.
Fig. 8 ist eine halbschematische Ansicht der Instrumentierung mit Sensoren, die am Saum einer mit dem Stift zentrierten Schürze angebracht sind.
Fig. 9 ist eine halbschematische Ansicht eines typischen Nadeldruckkopfes mit drei fokussierenden Abschnitten und illustriert ein spezielles Problem, für welches die Erfindung anwendbar ist.
Fig. 10 ist eine schematische Ansicht der Erfassungs- und Fangbereiche für ein typisches Loch eines Abschnitts des in Fig. 9 illustrierten Nadeldruckkopfes.
Fig. 11 illustriert eine Vorrichtung zum Anordnen von Drucknadeln in einem Gehäuse, welches drei Platten mit drei Löchern hintereinander für jede Drucknadel aufweist, wie in Fig. 9 illustriert.
Fig. 12 zeigt eine Vorrichtung zum Zuführen einer Luftströmung einzeln zu einem ausgewählten Loch.
Fig. 13 zeigt eine Vorrichtung zum Zuführen einer Luftströmung innerhalb eines Balgs auf der Stiftseite des Lochs.
Fig. 1 zeigt eine Anwendungsform des Gerätes zum Einsetzen von Stiften in Löcher. Das Ziel ist das Anordnen des Stiftes 1 in das Loch 2 einer Platte 3. Das Problem ist auf folgende Überlegungen zurückzuführen:
1) der Spielraum zwischen Stift 1 und Loch 2 kann klein sein;
2) die Stellen von Stift 1 und Loch 2 können, verursacht durch Meßfehler oder Biegung des Stiftes, für das Einsetzen nicht genau genug bekannt sein,
3) das Gerät 4 hat keine ausreichende Gesamtgenauigkeit, um das Einsetzen auszuführen.
Eine Druckdifferenz wird mittels Vakuum oder Druckluft um das Loch 2 auf einer Seite der Platte 3 aufgebracht und bildet Stromlinien 7. Dies verursacht meßbare seitliche und vertikale Kräfte auf den Stift 1, wenn er innerhalb der erweiterten Nähe des Lochs 2 ist, welche ein Mehrfaches des Durchmessers betragen kann.
Der Roboter 4 enthält den Gerätegreifer 5, welcher mit Kraftsensoren 6 ausgerüstet ist. (Diese Sensoren sind normalerweise in dem Greifer 5 enthalten, aber zur Klarheit werden sie hier außerhalb des Greifers gezeigt.) Die Informationen von den Kraftsensoren werden zum Roboter 4 zurückgeführt, um die Neupositionierung des Greifers 5 zu steuern. Der Stift 1 wirkt als sein eigener Fühler. Einmal in der erweiterten Nähe des Lochs 2 angeordnet, wird der Stift 1 durch die Luftströmung durch Loch 2 beeinflußt, illustriert durch die Stromlinien 7. Der Bereich der erweiterten Nähe, welcher eindeutig durch die Luftströmung des ausgewählten Lochs 2 beeinflußt ist (und nicht durch irgendein anderes Loch) , wird als Erfassungsbereich 9 angenommen. Die Luftströmung umfaßt vertikale (Z)- und horizontale (X,Y)-Kraftkomponenten, bezogen auf das Koordinatensystem 8. Die seitlichen Komponenten dieser Kraftvektoren werden durch die Kraftsensoren 6 erfaßt und zur Robotersteuerung 4 zurückgemeldet, um eine Neupositionierung zum Plazieren des Stiftes 1 zum Nullwert der seitlichen Kraft zu veranlassen, der sich direkt über dem Loch 2 befindet und zum Festlegen des Fangbereichs des Lochs 2 angenommen wird. Dies ist der Einsetzpunkt 10. Nach dem Feststellen des Eintreffens des Stiftes 1 an dem Einsetzpunkt aktiviert der Roboter 4 eine Z-Neupositionierung, um den Stift 1 in das Loch 2 zu bewegen. Die Pumpe 11 sorgt für die entsprechende Fluidströmung, gewöhnlich ein Vakuum, um eine Fluidströmung durch das Loch 2 und Strömungskräfte 7 zu erzeugen.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der seitlichen und vertikalen Komponenten der Kraft auf den Stift 1 entsprechend den Strömungslinien 7 der Fig. 1. Die Druckdifferenz durch das Loch baut ein Strömungsfeld in der Nähe des Lochs auf, welches seitliche und vertikale Kräfte auf den Stift ausübt. Für Entfernungen vom Lochmittelpunkt bis zum mehrfachen Durchmesser liegen erfaßbare Kräfte vor und definieren einen relativ großen Erfassungsbereich, in dem Beispiel von Fig. 2 mehr als den sechsfachen Durchmesser. Wenn der Stift näher in Flucht mit dem Loch bewegt wird, erhöht sich die seitliche Kraft nahe der teilweisen Überlappung von Stift und Loch auf ein Maximum. Die seitliche Kraft erreicht einen Nullwert, wie sie sich einem Nullpunkt nähert, wenn Stift 1 und Loch 2 vollkommen übereinanderliegen. Zu derselben Zeit erhöht sich die Größe der vertikalen Kraft auf ein Maximum, wenn eine vollkommene Flucht erreicht wird (siehe Fig. 2). Wie in der Kurve (a) der Fig. 2 gezeigt, wächst die Größe der seitlichen Kraft Fx,y von Null bei einer vollkommenen Flucht (0 Durchmesser Versatz) zu einem Maximum neben dem Loch und läuft dann aus, wenn die Entfernung von dem Loch weiter wächst. Die Kurve (b) in Fig. 2 zeigt die Größe der mit dem Loch verbundenen axialen Kraft, wenn man annimmt, daß der Stift 1 ziemlich nahe an der Oberfläche des Blocks 3 ist. Die Kraft Fz erreicht den Höchstwert bei vollkommener Flucht.
Bis zu diesen Punkt war es nicht notwendig, zwischen dem Fall von Strömung in das Loch und dem Fall von Strömung aus dem Loch zu unterscheiden. Zur Erläuterung: Strömung "in" das Loch wird definiert als eine Strömung, verursacht durch einen Druck, der auf derselben Seite des Lochs, auf der sich der Stift befindet, größer ist, als auf der anderen Seite. Strömung "aus" dem Loch wird definiert als eine Strömung in der entgegengesetzten Richtung. Die zwei Strömungsfälle sind in den Fig. 3-6 illustriert.
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm des Falls von Strömung in das Loch und einer Versetzung von Stift 1 und Loch 2. Die Strömungslinien 7 verursachen Kräfte auf den Stift 1, welche durch die Sensoren 6 festgestellt werden, von denen jeweils einer im rechten und linken Finger des Greifers 5 ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, registriert der linke Sensor einen negativen Kraftwert, während der rechte Sensor einen korrespondierenden positiven Kraftwert mißt. Die Robotersteuerung nutzt diese Informationen, um eine Bewegung des Stiftes 1 zu dem Loch 2 hin zu veranlassen (d.h. in die Richtung der erfaßten Kraft).
In Fig. 4 hat sich der Greifer 5 in die Richtung von Pfeil 9 bewegt, um den Stift 1 in vertikale Flucht mit dem Loch 2 zu bringen. Die linken und rechten Kraftsensoren 6 registrieren eine Kraft Null, wobei der Nullwert der seitlichen Kräfte angezeigt wird, was diese Position kennzeichnet. Fig. 5 und 6 sind den Fig. 3 und 4 analog, jedoch für den Fall von Strömung aus dem Loch. Der hauptsächliche Unterschied ist, daß die Bewegung in entgegengesetzter Richtung zu den erfaßten Kräften stattfinden muß.
Der Erfolg der Erfindung hängt von der Fähigkeit ab, die Kräfte im Erfassungsbereich des Lochs 2 zu messen. Diese Kräfte wirken auf den Stift 1 entsprechend der dem Loch 2 zugeordneten Strömung 7. Ein Steuerungssystem interpretiert diese Kräfte und generiert geeignete Bewegungen.
Fig. 7 zeigt schematisch, wie diese Kräfte in einen Regelkreis eingebaut sind. Der Erfassungsbereich ist ein abgeflachter Kegel, der die Öffnung des Lochs umfaßt, in welchem die bestimmenden Kräfte auf den Stift der Primärströmung entsprechen; das bedeutet, daß die Kräfte entsprechend den induzierten Sekundärströmungen unwesentlich sind. Für Strömung in ein Loch nähert sich der Winkel dieses Kegels dem Halbraum der Plattenoberfläche und die Strömung ist vorwiegend laminar. Für die Strömung heraus ist der Kegel enger und ein wenig höher, aber mit einer bestimmenden Gesamtrichtung. In jedem Fall wird ein Erfassungsbereich mit einem horizontalen Querschnitt von der Plattenoberfläche weg geschaffen, der größer als der Lochdurchmesser ist und eine vertikale Höhe des mehrfachen Lochradius hat. Die Kräfte innerhalb dieses Erfassungsbereichs sind typischerweise groß genug, um mit handelsüblichen Kraftsensoren, wie Widerstands- oder Halbleiterdehnungsmeßstreifen, gemessen werden zu können, wie z.B. in dem IBM 7565 Roboter gefunden. Bezieht man sich auf Fig. 7 in Verbindung mit Fig.1, kann die Feedback-Schleife durch diskrete Stichproben iterativer Schritte (iterativ geschlossener Regelkreis) erfolgen oder von kontinuierlicher Gestalt sein (kontinuierlich geschlossener Regelkreis)
Der Befehl vom Robotersteuergerät 4 erscheint am Punkt 12 und wird mit den Sensordaten auf der Linie 13 zur Kompensation 14 gesandt und an 15 als eine Steuerungsvorschrift für die Bewegung interpretiert.
Bei der iterativen Vorgehensweise wird die Kraft auf den Stift 1 durch die Kraftsensoren 6 gemessen und das Steuerungssystem 4 bestimmt die Richtung zu dem Loch 2 aus der Richtung der Kraft 7 und bestimmt die Annäherung an das Loch 2 aus der Größe der Kraft 7. Das Steuerungssystem 4 veranlaßt dann eine Bewegung in die richtige Richtung mit einer der Größe der Annäherung indirekt proportionalen Größe. Während der Bewegung testet das System den Nullwert der seitlichen Kräfte, was ein Erreichen des Fangbereichs anzeigt, und diese Folge wird, wenn nötig, wiederholt. Bei der Vorgehensweise durch einen kontinuierlichen geschlossenen Regelkreis werden die Kräfte kontinuierlich erfaßt und Positions- und Geschwindigkeitskorrekturen während der Bewegung durchgeführt. Viele Veröffentlichungen über die Theorie von Steuerungssystemen behandeln Systeme dieser Art und noch spezieller werden Steuerungssysteme in Roboteranwendungen ähnlich diesem in Robot Motion: Planning and Control, herausgegeben von Michael Brady et al in The MIT Press, Cambridge, Mass., USA, 1982 behandelt.
Wie im vorhergehenden diskutiert, gibt es zwei Hauptströmungsfälle, nämlich Strömung in das Loch und Strömung aus dem Loch. In dem ersten Fall kann eine zusätzliche Steuerungsstrategie verwendet werden. Innerhalb des Erfassungsbereichs des Lochs kann ein kleineres Gebiet, welches den Fangbereich umfaßt, existieren. In diesem Gebiet, welches das Gebiet der "virtuellen Fase" genannt wird, sind die Kräfte der virtuellen Fase auf den Stift 1 ausreichend, um den Stift passiv in das Loch 2 einzupassen und einzusetzen. Wenn die Steuerung die Stiftposition innerhalb der virtuellen Fase bestimmt, kann sie vom kraftgesteuerten Modus in passiven flexiblen Modus zum Einpassen und Einsetzen des Stiftes umschalten. Diese Gleichstromtechnik kann am vorteilhaftesten in Situationen erfolgen, die das Einsetzen von kleinen oder flexiblen Stiften oder Fäden erfordern.
Das Steuerungssystem kann das erfolgreiche Einsetzen durch verschiedene Strategien erfassen, indem beachtet werden:
1) die Z-Position des Greifers;
2) große seitliche Rückstellkräfte als Reaktion auf kleine seitliche Bewegungen;
3) durch einen zusätzlichen Drucksensor erfaßte Druckänderung.
In dem ersten Fall, bei dem Strömung in das Loch gerichtet ist, bieten Methode und Gerät die folgenden zusätzlichen Vorteile:
1) das Strömungsmuster ist einfacher und der Erfassungsbereich größer;
2) die aktive Gleichstromsteuerungsstrategie vergrößert die Luftströmungskraft tatsächlich mehrfach;
3) nach der Erfassung des virtuellen Fasengebietes wird eine virtuelle Fase, die viel größer als die mechanische ist, erzeugt, indem den der Luftströmung entsprechenden Kräften das Einziehen des Stiftes 1 in das Loch 2 gestattet wird, oder durch Umschalten von aktiver Kraftsteuerung auf passive;
4) im Fall halbbiegsamer oder sogar sehr biegsamer Stifte oder Fäden; z.B. ist es zum Einsetzen optischer Fasern oder Drucknadeln in Löcher nützlich, wo ein Hineindrücken schwierig oder unmöglich ist.
Fig. 8 zeigt eine alternative Anordnung und Art von Sensoren für die seitlichen Kräfte der Luftströmung durch Loch 2. Die seitlichen Kräfte werden durch Hitzedrahtanemometer (oder andere Geräte) 16 erfaßt, die am Saum der Schürze 17 befestigt sind, so daß sie sehr nahe an der Platte 3 sind. Die Schürze 17 wird durch eine oder mehrere Öffnungen 18 entlüftet, so daß keine Turbulenzen in den seitlichen Luftströmungskräften 7 erzeugt werden. Die seitliche Luftströmung wird somit an einer Position sehr nahe an dem Loch direkt erfaßt; die Beziehung zwischen der Schürze 17 und dem Stift 1 ist zentriert oder anderweitig bekannt, so daß der Computer die entsprechenden Stellen bestimmen kann.

Die Montage von Nadeldruckköpfen

Nadel-Matrixdrucker sind als Peripheriegeräte für kleine Computer mit Mikroprozessoren sehr beliebt geworden. Ein bedeutender Faktor für ihren Erfolg war ihr relativ niedriger Preis. Eine vollautomatische Fertigung kann zu einer weiteren Senkung der Grundherstellungskosten derartiger Drucker führen. Ein bedeutendes Hindernis zum Erreichen einer vollautomatischen Fertigung ist der Nadeldruckkopf selbst. Hier müssen mehrere winzige Drähte vorsichtig durch hintereinanderliegende fokussierende Platten gezogen werden, von denen jede Führungslöcher aufweist, die die Nadeln zum Linienmittelpunkt auf dem Druckpapier richtet.
Ein typisches Beispiel eines Druckkopfs mit drei fokussierenden Platten ist in Fig. 9 zu sehen. Es wurde vorgeschlagen, zur Montage der Nadeln in den Druckkopf Roboter zu nutzen. Mittels Soft- und Hardware wird der Druckkopfkörper mit richtiger Position und richtigem Winkel im Raum zum Einsetzen der Nadeln nacheinander ausgerichtet. Eine Schwierigkeit mit einem solchen System sind die extrem geringen Toleranzen, die erforderlich sind, und die Feinheit der Nadeln. Die Löcher in dem Körper müssen vollkommen fluchten und können nicht viel größer als der Durchmesser der Nadeln sein. Einführungsfasen an den Löchern helfen, sind aber durch die Nähe benachbarter Löcher begrenzt. Schließlich werden die Nadeln selbst, wenn sie auch nur leicht gebogen sind, nicht durch die Löcher in allen fokussierenden Platten passen, oder sie werden falsch fluchten und können sogar durch die falschen Löcher führen.
Eine Druckdifferenz von fast einer Atmosphäre (101 kPa) um das Loch kann einfach erzeugt werden und macht es einfach, Änderungen zu erfassen, wenn sie auftreten. Angenommen, der Drahtdurchmesser sei 0,25 Millimeter, so ist die maximale Kraft, die auf eine Drucknadel in dem Loch erzeugt wird, annähernd 0,005 N. Wenn sich der Draht 1 mit einem Versatz dem Loch 2 annähert, kann ein Bruchteil dieser maximalen Kraft eine meßbare seitliche Komponente im Erfassungsbereich ausüben. Diese Kraft ist ausreichend, den Draht durch eine Gleichstromstrategie zu einem kleineren Fangbereich zum Einsetzen zu führen. Falls z.B. 30% der Kraft seitlich wirken, dann ist die Seitwärtskraft auf den Stift 1 etwa 0,0015 N, wenn sich der Stift 1 dem Loch nähert. Die Stiftspitze wird auf diese Kraft reagieren, falls sie in flexibler Art und Weise gehalten wird, oder falls der Stift ausreichend biegsam ist, um sich geringfügig zu biegen.
Es ist schwierig, die Bewegungsdynamik des Problems gut genug zu analysieren, um die Größe und Form von Erfassungsbereich und virtueller Fase vorauszusagen, aber es ist, abhängig von Stiftvariablen und der Empfindlichkeit der Kraftsensoren, ein mehrfaches der tatsächlichen Fasen.
Das Vorliegen von mehr als einem Loch erschwert die Analyse der Situation entsprechend dem Vorliegen konkurrierender Kräfte weiter, aber die ebenen Gebiete für ein spezielles Loch sind immer noch ein Vielfaches des Lochdurchmessers. Ein Experimentieren mit einem dem zweiten Abschnitt 21 von Fig. 9 ähnlichen Abschnitt, aber in zwangloser Anordnung, hat einen Erfassungs- und Fangbereich ähnlich den Gebieten 9 und 30 von Fig. 10 gezeigt.
Zum Erzeugen der notwendigen Luftströmung durch die Löcher sind verschiedene Strategien möglich. Eine Möglichkeit ist eine Vorrichtung für aufeinanderfolgende Evakuierungskammern, wie in Fig. 11 gezeigt. Jede der Platten 20, 21 und 22 ist mit einer vakuumquellenenthaltenden Abdeckung 23, 24 und 25 ausgestattet, welche eine fortlaufende Folge von Vakuumkammern bilden. Die Abdeckung 25 bestimmt das höchste Vakuum der drei Kammern.
Der Draht 1 könnte in einer vertikalen Richtung abwärts eingesetzt werden, wie in Fig. 11 gezeigt. Zum Einsetzen in das ausgewählte Loch der ersten Platte 20 werden sowohl seitliche als auch vertikale Kraftkomponenten erfaßt, und der Roboter wird seitliche Positionseinstellungen des Drahtes ausführen. Zum Einsetzen in ein Loch der zweiten oder dritten Platte können nur die vertikalen Kraftkomponenten erfaßt werden, und der Roboter kann kleine Neigungen des Drahtes oder der Vorrichtung, die den Druckkopfkörper mit den Führungsplatten 20, 21 und 22 hält, einstellen. Es kann ausreichend sein, nur eine leichte Drehung des Drahtes 1 auszuführen, wie in Fig. 11 gezeigt.
Fig. 12 zeigt eine zweite Methode zum Montieren einer Neun-Nadel-Druckkopfbaugruppe auf einer indizierbaren Vorrichtung mit neun winkligen Positionen (eine Position für jedes der neun Löcher), wobei eine kleine bewegliche Vakuum-Sog-Leitung 26 benutzt wird. Die Sog-Leitung 26 bewegt sich linear ein- und auswärts, um jedes der neun Löcher einzeln zu umhüllen. Ein erfolgreiches Einsetzen der Nadel kann erfaßt werden, indem die geringfügige Änderung des Drucks, die auftritt, wenn die Nadel das Loch versperrt, erfaßt wird, wobei ein einfacher druckbetätigter Mikroschalter (nicht gezeigt) benutzt wird.

Flugzeughaut-Nietung

Ein andere spezielle Verwendung der Erfindung ist das Einsetzen von Nieten in Metallblech, wie z.B. in Flugzeughäute. Dies wird in Fig. 13 gezeigt. Für einige Niettypen ist es nicht erwünscht, mechanische Fasen an dem Stift zu erzeugen, da dies die Materialmenge verringert, die zum Formen des Nietkopfes auf der Rückseite zur Verfügung steht. Andererseits gestaltet die Wegnahme der Fasen die Robotermontage sehr schwierig. Eine Endpunkterfassung der geometrischen Niet-Loch-Beziehung kann zum Führen des Roboters verwendet werden, wenn ein passender Sensor gefunden werden kann.
Diese Erfindung liefert einen fast idealen Endpunktsensor für diese Anwendung, indem entweder eine aktive oder eine passive Führung (oben beschrieben) zum zuverlässigen positionieren des Nietes über den Einsetzfangbereich des Lochs verwendet wird. Zum Nieten von Flugzeughäuten z.B. ist es besser, Druck auf der Nietseite des Lochs anzuwenden, oder die Rückseite des Lochs unter Druck zu setzen, anstatt einen Sog auf der Rückseite des Lochs anzuwenden. Eine Unterdrucksetzung der Nietseite des Lochs wird durch Nutzung einer flexiblen Gummikappe 27 um dem Niet 28 erreicht. Ein Erfassen der seitliche Kräfte findet statt, wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Alternativ kann die Rückseite des Lochs unter Druck gesetzt werden, indem Luft in die gesamte Flugzeugbaugruppe, wie z.B. eine Flügelsektion, gepumpt wird.
Das Verfahren zum Einsetzen eines Stiftes in ein Loch durch einen Roboter enthält die Schritte:
(a) Aufbringen einer Luftströmung durch zumindest das ausgewählte Loch (2) zum Einsetzen eines Stiftes (1), dadurch Schaffen eines Musters erfaßbarer Luftströmungskräfte (7) innerhalb eines Erfassungsbereiches (g) um das Loch (2);
(b) Bewegen des Stiftes (1) mittels gesteuerter Positionierung zu einer Position innerhalb des Erfassungsbereichs;
(c) Erfassen der Luftströmung durch ein Luftströmungserfassungsmittel (6, 16), das dem Stift (1) eng zugeordnet ist;
(d) den durch das Luftströmungserfassungsmittel (6, 16) erfaßten Luftströmungskräften durch Positionieren in einem geschlossenen Regelkreis durch mindestens eine Servobewegung im Sinne des Erfassens und Folgens der Luftströmung in der (x, y)-Richtung der Änderung der seitlichen Luftströmungskraft folgen, wodurch der Stift (1) in Richtung des Lochs (2) bewegt wird;
(e) Erfassen im Luftströmungsschritt (c) und das Folgen im Luftströmungskräfte-Schritt (d) wiederholen, bis eine seitliche Luftströmung Null erfaßt wird, welche den Einsetzpunkt (10) bei einem Fangbereich des Lochs (2) festlegt; und
(f) Eintrittsbewegung (z-Richtung) des Stiftes (1) in das ausgewählte Loch (2) an den Einsetzpunkt (10) veranlassen, der sich innerhalb des Fangbereichs der mechanischen oder virtuellen Fasen des Lochs (2) befindet.
Das Verfahren kann einen Kraftantrieb in das Loch einschließen, indem weiter folgende Schritte enthalten sind:
(g) Erfassen einer Zusammensetzung von Druck und Z-Kräften während einer Z-Bewegung, indem der Stift (1) als Fühler benutzt wird;
(h) Erfassen eines Blockierens als Funktion der Zusammensetzung von Druck und Z-Kraft; und, falls dies zutrifft,
(i) Veranlassen eines Rückziehens und eines neuerlichen Versuchs.
Die Methode erfordert einfache Änderungen zur Nutzung mit Druck oder Vakuum. Luft strömt aus dem oder in das Loch (2). Die Servoeinrichtung ist eine Gegenstromservoeinrichtung für Strömung aus dem Loch und eine Gleichstromservoeinrichtung für Strömung in das Loch. Das tatsächlich Einsetzen des Stiftes muß zumindest durch die Schwerkraft angetrieben werden, um die Strömungskräfte im Fall von Strömung aus dem Loch zu überwinden. Im Fall von Strömung in das Loch bildet die Luftströmung ein virtuelle Fase, welche den Fangbereich der mechanischen Fasen stark erweitert und das Einziehen des Stiftes 1 in das Loch 2 unterstützt.
Für die meisten Arbeitsgänge wird wegen ihrer Reinheit und Verfügbarkeit atmosphärische Luft ausgewählt. In bestimmten Fällen können andere Fluide zu empfehlen sein. Solche Fluide können Wasser, Hydrauliköl und Gase wie Stickstoff oder Helium umfassen.
In Anbetracht dessen, daß die Erfindung mit Bezug auf vorgezogene Anwendungsformen gezeigt und beschrieben wurde, indem Vakuum und Druck verwendet werden, indem der Stift als Fühler verwendet und eine Schürze über den Stift als Fühler angeordnet wird, wird es einleuchten, daß der Fachmann die eingesetzten Techniken zum Erfassen relativ kleiner Luftströmungskräfte, die ein Loch umgeben, und verwandte Techniken zum Folgen dieser kleinen Luftströmung, indem Robotertechniken mit Kraftantrieb verwendet werden, so daß ein relativ zerbrechlicher oder biegsamer fadenartiger Stift in ein Loch durch seitliche Kräftevektoren einer Fluidströmung durch das Loch eingesetzt werden kann, wobei auf die mit dem Stift verbundenen Sensoren gewirkt wird und zum Führen des Positionierers, der den Faden zum Loch befördert, verwendet wird, erkennt.

Claims

1. Automatisches Montagesystem zum Einsetzen eines Stiftes in ein Loch einer Platte, mit einer Steuereinrichtung (4), zum Positionieren des Stiftes (1) in seitliche Nähe eines ausgewählten Loches (2) in der Platte (3) und mit einem der Platte (3) zugeordneten Mittel (11) für eine Fluidströmung (7) durch mindestens ein Loch in der Platte (3) einschließlich das ausgewählte Loch (2), zu bilden, gekennzeichnet durch:

(a) einen Feststellungsbereich (9) des ausgewählten Loches (2) innerhalb dessen die Fluidströmung (7) erfaßt werden kann;

(b) ein Erfassungsmittel (6, 16) für die Fluidströmung, welches der Steuereinrichtung (4) zum Positionieren des Stiftes (1) zugeordnet ist, um die Fluidströmung (7) innerhalb des Feststellungsbereiches (9) des ausgewählten Loches (2) zu erfassen und um eine solche Strömung anzeigende Kraftvektorsignale zu liefern;

(c) eine Servoeinrichtung, die auf eine Rückmeldung von dem Erfassungsmittel (6) für die Fluidströmung an die Steuereinrichtung (4) anspricht, um Information für das Positionieren des Stiftes (1) innerhalb des Feststellungsbereiches (9) des ausgewählten Loches (2) an einem Einsetzpunkt (10) zu liefern, welcher innerhalb eines durch die Zusammensetzung mechanischer und virtueller Kanten definierten Fangbereiches des ausgewählten Loches (2) liegt und der durch eine Änderung der Kraftvektorsignale bezogen auf Null bestimmt ist, wo die Seitenkräfte (7) der Fluidströmung durch das ausgewählte Loch (2) sich über dem ausgewählten Loch (2) in Gleichgewicht befinden; wodurch das System eine Servosteuerung des Stiftes (1) zu dem Einsetzpunkt (10) für das ausgewählte Loch (2) schafft.

2. Automatisches Montagesystem nach Anspruch 1, bei welchem das Mittel für die Fluidströmung eine flexible Kappe (27) aufweist, welche zur Bildung einer Luftströmungskammer um den Stift herum zumindest ein Loch (2) umgibt.

3. Automatisches Montagesystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei welchem das Erfassungsmittel (6) für die Fluidströmung eine Schürze (17) aufweist, welche einen nahe der Platte (3) gelegene Saum besitzt und welche den Stift (1) umgibt und an ihrem Saum eine Mehrzahl von Strömungssensoren (16) trägt.

4. Automatisches Montagesystem nach Anspruch 3, bei welchem die Strömungssensoren (16) Hitzedrahtanemometer sind.

5. Automatisches Montagesystem nach Anspruch 1, bei welchem die Mittel für die Fluidströmung Mittel (23-25) aufweisen, die eine Mehrzahl hintereinander liegender Luftströmungskammern bilden, und bei welchem die erste Luftströmungskammer der Mehrzahl von Luftströmungskammern sowie nachfolgende Luftströmungskammern als Folge ihrer Lage unterschiedliche Kraftstoffvektoren anzeigen und daher unterschiedliche Kraftvektormuster liefern, wenn der Stift oder Draht (1) den Bereich des ausgewählten Lochs erreicht; und welches weiters mit Mitteln versehen ist, um die passenden Kraftvektoren für solche aufeinanderfolgende Luftströmungskammern zu identifizieren, wenn der Stift oder Draht (1) den Einfangbereich des ausgewählten Lochs erreicht, sowie Mittel, um die Position des Stiftes oder Fadens (1) dementsprechend zu ändern.

6. Automatisches Montagesystem nach Anspruch 5, bei welchem das Erfassungsmittel (6) auch Vertikalkräfte erfaßt, welche mit der vertikalen Strömung in den aufeinanderfolgenden Luftströmungskammern einhergehen.

7. Automatisches Montagesystem nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem das Erfassungsmittel (6) auch ein vertikales Blockieren erfaßt und ein Blockierungssignal rückmeldet, und bei welchem die Servoeinrichtung ein Rückziehen und einen neuerlichen Versuch befiehlt.

8. Automatisches Montagesystem nach Anspruch 5, 6 oder 7, bei welchem das Erfassungsmittel (6) auch Änderungen des Vakuumpartialdruckes als Funktion eines Zustöpselns des ausgewählten Lochs (1) durch den Stift (1) erfaßt und ein Vakuumänderungssignal an die Steuereinrichtung (a) für den Roboter (4) rückmeldet, welches zum Identifizieren des Einsetzen des Stiftes (1) in das Loch (2) verwendbar ist.

9. Automatisches Montagesystem nach Anspruch 6, bei welchem die Servoeinrichtung ein außerhalb der ersten Luftströmungskammer angeordnetes Seitenversetzungsmittel aufweist, und die Steuereinrichtung eine feine seitliche Versetzung des Stiftes (1) außerhalb der ersten Kammer befiehlt, um während des Positionierens, Rückziehens oder neuerlichen Versuchs innerhalb der ersten Luftströmungskammer geringe seitliche Versetzungen des Endes des Stiftes (1) hervorzurufen.

10. Automatisches Montagesystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei welchem die Servoeinrichtung während des Rückziehens und neuerlichen Versuchs ein feines Verdrehen oder Kippen des Stiftes (1) befiehlt.

11. Verfahren zum Einsetzen eines Stiftes in ein Loch mittels eines Roboters, welches die folgenden Schritte enthält:

(a) Aufbringen einer Luftströmung durch zumindest ein ausgewähltes Loch (2) zum Einsetzen eines Stiftes (1);

(b) Bewegen des Stiftes (1) durch Positionieren in offener Schleife zu einer Position in Nähe des ausgewählte Loches (2);

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß:

(c) die Luftströmung mit Hilfe eines Luftströmungserfassungsmittels (6, 16), das dem Stift (1) eng zugeordnet ist, erfaßt wird;

(d) den durch das Luftströmungserfassungsmittel (6, 16) erfaßten Luftströmungskräften durch Positionieren in geschlossener Schleife durch zumindest eine Servobewegung im Sinne des Erfassens und des Folgens der Luftströmung in Richtung (X, Y) der Änderung der seitlichen Luftströmungskraft gefolgt wird, wodurch der Stift (1) in Richtung des Loches (2) bewegt wird;

(e) das Erfassen im Luftströmungs-Schritt (c) und das Folgen im Luftströmungskräfte-Schritt (d) wiederholt wird, bis eine seitliche Luftströmung Null erfaßt wird, welche den Einsetzpunkt (10) bei einem Fangbereich des Loches (2) festlegt; und

(f) eine Eintrittsbewegung (Z-Richtung) des Stiftes (1) in das ausgewählte Loch (2) an dem Einsetzpunkt (10) befohlen wird, der sich innerhalb des durch die Zusammensetzung mechanischer/virtueller Kanten gegebenen Fangbereiches des Loches (2) befindet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Schritt (f) weiters beinhaltet: während einer Z-Bewegung werden unter Verwendung des dem Stift (1 eng zugeordneten Erfassungsmittels Z-Kräfte erfaßt;

als Funktion der Z-Kräfte wird ein Blockieren festgestellt; und

es werden ein Rückziehen und ein neuerlicher Versuch befohlen.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem der Schritt (e) weiters beinhaltet: es werden auf dem während einer Bewegung durch den Stift (1) erfolgenden Zustöpseln des ausgewählten Loches (2) beruhende Druckänderungen erfaßt und die Druckänderungsinformation wird rückgemeldet, um zum Identifizieren des Einsetzens des Stiftes (1) in das ausgewählte Loch verwendet zu werden.