DE4129152A1 - Positioniervorrichtung mit kraftsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Positionierung eines an einem ein- oder mehrachsigen Arm angebrachten Werkzeugs zur Handhabung und/oder Bearbeitung eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Vorrichtungen dieser Art sind allgemein bekannt und können einfache, in manchen Fällen sogar nur einachsige Positioniervorrichtungen oder frei programmierbare mehrachsige Vorrichtungen, wie beispielsweise fünf- oder sechsachsige Industrieroboter sein. Die bekannten Vorrichtungen zur Positionierung eines Werkzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bieten keine Möglichkeit, in Abhängigkeit von der jeweiligen Hand­ habungs-, Montage- bzw. Bearbeitungsaufgabe eine pro­ grammierbar vorwählbare Kraft zu erzeugen.

Vielmehr wird beispielsweise bei bekannten Industriero­ botern eine Bahnbewegung jeweils mit der vollen Lei­ stung der Antriebskomponenten durchfahren, das Ende der Bewegung wird durch Anfahren gegen einen Anschlag, Betätigung eines Endschalters oder Abbremsen beim Er­ reichen vorgewählter Koordinatenpunkte erhalten.

Diese Steuerung bekannter Vorrichtungen hat den Nach­ teil, daß bei unerwartetem Auftreten von Hindernissen Beschädigungen am Werkstück und/oder am Werkzeug ent­ stehen können.

Weiterhin sind die bekannten Vorrichtungen zur Positi­ onierung eines an einem mehrachsigen Arm angebrachten Werkzeugs nur beschränkt in der Lage, Montagevorgänge, wie beispielsweise Einklipsen, Eindrücken oder Einra­ sten auszuführen.

Darüber hinaus ist auch die Handhabung bzw. Montage von Bauteilen mit empfindlicher Oberfläche nur einge­ schränkt möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Positionierung eines an einem mehrachsigen Arm angebrachten Werkzeugs zur Handhabung und/oder Bearbei­ tung eines Werkstücks anzugeben, mit der zum einen Handhabungsaufgaben, die einen bestimmten definierten Kraftaufwand erfordern, ohne Einschränkung gelöst wer­ den können; zum anderen sollen bei der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung auch bei der Handhabung empfindlicher Werkstücke selbst dann keine Beschädigungen auftreten, wenn unerwartete Hindernisse in der Bewegungsbahn auf­ treten.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben, gemäß dem wenigstens ein Kraftsensor vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal an die Steuereinheit angelegt ist. Die Steuereinheit steu­ ert die Bewegung des mehrachsigen Arms derart, daß die vom Werkzeug auf das Werkstück ausgeübte Kraft eine Funktion der Position des Werkzeugs ist. Bei der im Anspruch 2 angegebenen Weiterbildung erfaßt der Kraft­ sensor die Kraftkomponente in Richtung der Bahn des Werkzeugs.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es damit möglich, beispielsweise bei Fügevorgängen eine vorwähl­ bare Druck- bzw. Zugkraft auf das Werkstück auszuüben. Darüber hinaus kann die Kraft während des Verlaufs des Fügevorgangs geändert und insbesondere einem bestimmten Bewegungsablauf angepaßt werden.

Im Anspruch 3 ist angegeben, daß bei der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung im Prinzip ein üblicher Industriero­ boter bzw. eine übliche mehrachsige Handhabungsein­ richtung verwendet werden kann. An der Handachse des Industrieroboters bzw. der Handhabungseinrichtung ist eine zusätzliche Werkzeug-Positioniereinrichtung ange­ bracht, an der der erfindungsgemäß vorgesehene Kraft­ sensor angeordnet ist. Die Steuereinheit steuert die Position bzw. die Verschiebung der zusätzlichen Positi­ oniereinrichtung derart, daß die Kraft eine Funktion der Position des Werkzeugs ist.

Diese zusätzliche Werkzeug-Positioniereinrichtung kann dabei bevorzugt eine Linear-Verschiebeeinheit (Anspruch 4) sein. An dem Schlitten der Linear-Verschiebeeinheit oder an einer anderen beliebigen Stelle im Kraftfluß ist ein Kraftsensor angebracht, der zug-und/oder druck­ empfindlich ist, und der der Steuereinheit ein analo­ ges, kraftproportionales Signal liefert.

Bei der angezeigten Verwendung digitaler Steuereinhei­ ten wird das analoge Signal digitalisiert, anschließend mit einem programmierbaren Sollwert verglichen und mit der Soll-Ist-Differenz der Antriebsmotor beispielsweise des Schlittens nachgeregelt.

Die im Anspruch 4 gekennzeichnete Ausführungsform eig­ net sich insbesondere für Einschraubvorgänge. Hierzu ist gemäß Anspruch 5 das Werkzeug eine Schraubspindel, die auf dem Schlitten der Linear-Verschiebeeinheit angebracht ist. Der Schlitten wird von dem Vorschuban­ trieb sensorisch geregelt bewegt. Die Kraftübertragung auf den Schlitten kann beispielsweise durch Seilzüge erfolgen. Selbstverständlich sind aber auch andere Übertragungsarten sowie ein Direktanbau des Antriebs möglich.

Bei einer weiteren, im Anspruch 6 gekennzeichneten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung einen Schlitten auf, der parallel zu einer Werkstück-Trans­ porteinrichtung bewegbar ist. Als Kraftsensor trägt der Schlitten einen Taster. Auf dem Schlitten sind das oder die Werkzeuge zur Bearbeitung eines auf der Werkzeug- Transporteinrichtungen befindlichen Werkstücks in Rich­ tung auf das Werkstück positionierbar angebracht. Hierdurch ist eine sogenannte Conveyor-Synchronisation beispielsweise bei der Kfz-Montage möglich, bei der die Karosserien u. a. von Schlepp-Kettenförderern bewegt werden. Um beispielsweise während einer kontinuierli­ chen Bewegung eines Werkstücks, wie beispielsweise einer Kfz-Karosserie, eine Schraube einzuschrauben, wird die Schraubspindel auf einem - bei gleichzeitiger Verwendung der Merkmale der Ansprüche 4 und 5 weiteren - Schlitten angeordnet, der einen Taster aufweist, der das Werkstück bzw. einen Werkstückträger antastet. Programmiert man nun die Steuereinheit auf eine sehr geringe Kraft, so folgt der Schlitten dem Werkstück schleppfehlerfrei.

Solange sich das Werkstück im Verfahrbereich des Schlittens befindet, können auf dem Schlitten be­ findliche Aktuatoren, wie die bereits erwähnte, gegebe­ nenfalls auf einem oder mehreren zusätzlichen Schlitten angeordnete Schraubspindel, die gewünschten Bearbei­ tungsvorgänge ausführen.

Selbstverständlich ist es bei geeigneter Ausbildung der Achsen auch möglich, auch nichtlinearen Werkstückbewe­ gungen und insbesondere Raumbahnen ohne Schleppfehler zu folgen.

Weiterhin ist es möglich, gemäß Anspruch 7 an jeder Achse des mehrachsigen Arms einen Kraftsensor vorzuse­ hen. Zum "Einteachen" einer Bahn regelt die Steuerein­ heit die Antriebseinrichtungen für die einzelnen Achsen derart, daß sie gerade ihr Eigengewicht tragen. Die Steuereinheit speichert zum Programmieren einer vom Arm zurückzulegenden Bahn den Verlauf der Ausgangssignale der Kraftsensoren, wenn der Arm auf der gewünschten äußeren Bahn durch einen äußeren Antrieb oder manuell bewegt wird.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er­ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer Vorrichtung zur Positionie­ rung eines Werkzeugs und

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung aus Fig. 1 zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Eine Robotersteuereinheit 1 ist über eine Datenleitung 2 mit einer weiteren Steuereinheit 4, die die erfin­ dungsgemäßen Funktionen steuert, und über eine Steuer­ leitung 3 mit einem mehrachsigen Industrieroboter 6 verbunden. An der Handachse des Industrieroboters 6 ist ein Werkzeugwechselsystem 7 angebracht, das bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Schraubspindel 8 trägt, die über ein Compliance-Element 9 einen Schraub­ vorgang durchführt. Hierzu ist die Schraubspindel 8 auf einer Verfahreinheit 10 befestigt. Wie Fig. 2 im ein­ zelnen zeigt, weist die Verfahreinheit 10 eine Paral­ lelführung 10 ₁ auf, auf der ein Sensorträger 10 ₂ mit einem Fügekraftsensor über einen Seilzug 11 verfahrbar ist. Mit 5 ist in Fig. 1 das Sensorkabel für den Füge­ kraftsensor gezeichnet.

Der Seilzug 11 wird von einer Antriebseinheit 12 ange­ trieben, dem ein Antriebsmotor 13 zugeordnet ist. Mit 14 sind die Motoransteuerung und mit 15 die Schrauben­ ansteuerung bezeichnet.

Durch die sensorische Regelung des Vorschubs der Schraubspindel kann für den Schraubvorgang eine vor­ wählbare, und insbesondere eine sich während des Schraubvorgangs ändernde Kraft erzeugt werden. Darüber hinaus ist es möglich, anstelle einer Druck-Kraft auch eine Zugkraft zu erzeugen.

Damit ist es gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen möglich, die Schrauben mit sehr viel größerer Drehzahl einzudrehen, da wegen der verringerten Reibung an den Anfängen der Gewindeflanken die Gefahr der sonst auf­ tretenden Mikroverschweißungen mit daraus folgender Schädigung der Oberflächen nicht gegeben ist.

Vor allem ist es aber auch möglich, nicht nur Maschi­ nenschrauben, sondern auch Schrauben mit selbstschnei­ denden Gewinden in Blechteile einzudrehen. Dies ist mit herkömmlichen Robotersystemen nicht möglich, da zum Eindrehen der Schraube in den Werkstoff bzw. zum Andre­ hen des Schraubengewindes in einem vorgebohrten Loch eine bestimmte Mindestaxialkraft notwendig ist, die andererseits einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf, da sonst die Schraube einfach in den Basiswerk­ stoff eingepreßt würde.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, eine dem jeweiligen Schraubfall angepaßte Kraft zu erzeugen, so daß ein sicheres Anschrauben gewährleistet und aufgrund des Nachführweges des Schlittenantriebs der Fügefortschritt sensorisch überwacht werden kann.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Positionierung eines an einem ein- oder mehrachsigen Arm angebrachten Werkzeugs zur Hand­ habung und/oder Bearbeitung eines Werkstücks, mit Antriebseinrichtungen für die einzelnen Achsen des Arms und einer Steuereinheit für die Antriebseinrich­ tungen sowie gegebenenfalls für das Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Kraftsensor vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal an die Steuerein­ heit angelegt ist, und daß die Steuereinheit die Bewe­ gung des Arms derart steuert, daß die vom Werkzeug auf das Werkstück ausgeübte Kraft eine Funktion der Positi­ on des Werkzeugs ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor die Kraft­ komponente in Richtung der Bahn des Werkzeugs erfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen üblichen Indu­ strieroboter aufweist, an dessen Handachse eine zusätz­ liche Werkzeug-Positioniereinrichtung angebracht ist, an der der Kraftsensor vorgesehen ist, und daß die Steuereinheit die Position der zusätzlichen Positio­ niereinrichtung derart steuert, daß die Kraft eine Funktion der Position des Werkzeugs ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Werkzeug- Positioniereinrichtung eine Linear-Verschiebeeinheit ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug eine Schraub­ spindel ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Schlitten aufweist, der parallel zu einer Werkstück- Transporteinrichtung bewegbar ist, und als Kraftsensor einen Taster trägt, und daß auf dem Schlitten das oder die Werkzeuge zur Bearbeitung eines auf der Werkstück- Transporteinrichtung befindlichen Werkstücks in Rich­ tung auf das Werkstück positionierbar angebracht sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Achse des Arms ein Kraftsensor angebracht ist, und daß zum "Einteachen" einer Bahn die Steuereinheit die Antriebseinrichtungen der einzelnen Achsen derart regelt, daß sie gerade ihr Eigengewicht tragen, daß die Steuereinheit zum Programmieren einer vom Arm zurückzulegenden Bahn den Verlauf der Ausgangssignale der Kraftsensoren speichert, wenn der Arm auf der ge­ wünschten Bahn durch einen äußeren Antrieb bewegt wird.