Verfahren zum lagegenauen Positionieren von Bauteilen und hierzu geeignete Positioniervorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum lagegenauen Positionieren von mehreren Bauteilen zueinander mittels zugehöriger Roboter, wobei jeweils ein Roboter mindestens ein separates Bauteil trägt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Positioniervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Positioniervorrichtung eine Mehrzahl an voneinander unabhängig mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung ansteuerbaren Robotern aufweist, die jeweils mit einer Bauteilgreifeinheit versehen sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind bekannt. Beispielsweise offenbart die EP 0 752 633 Bl eine Maschinensteuerung zum zusammenwirkenden Steuern einer Vielzahl von Steuerobjekten, so wie Industrieroboter, die eine Vielzahl an Aufgaben erfüllen können.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren vorzuschlagen, das eine zuverlässige Positionierung von mehreren Bauteilen mittels Robotern erlaubt.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Positioniervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen.
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils ein Bauteil tragende Roboter miteinander mechanisch gekoppelt werden zur Herstellung einer Bauteilgruppe mit zueinander lagegenau positionierten Bauteilen. Durch dieses Verfahren wird ein zuverlässig reproduzierbares und somit fertigungsgünstiges Positionieren von mehreren separaten Bauteilen mittels entsprechend zugeordneter Roboter (Industrieroboter) ermöglicht. Dabei kann aufgrund der mechanischen Kopplung der die Bauteile tragenden Roboter eine reproduzierbar lagegenau angeordnete Bauteilgruppe mit entsprechender Bauteilgruppengeometrie erhalten werden. Die mechanische Kopplung der Roboter gewährleistet somit eine hinreichend genaue und auch lagestabile Positionierung der Bauteile zueinander unter Einsatz von flexiblen Handhabungsgeräten, welche voneinander unabhängig ansteuerbar sein können. Es werden somit die Vorteile von zueinander zeitweise unabhängigen Handhabungsgeräten und von bei geeigneten Verfahrensschritten mechanisch miteinander gekoppelten Bauteil-Trägereinheiten kombiniert, indem die jeweils ein Bauteil tragenden Roboter zu einem geeigneten Zeitpunkt miteinander mechanisch gekoppelt und wieder entkoppelt werden können. Die miteinander mechanisch gekoppelten Roboter bilden dabei eine Baugruppen-Positioniereinheit.
Mit Vorteil erfolgt das mechanische Koppeln nach Einnahme einer lagedefinierten Kopplungsstellung der jeweiligen Roboter automatisiert mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit. Ein derartiges Verfahren eignet sich insbesondere
für eine Groß- oder Mittelserienfertigung unter Erzielung der o.g. Vorteile.
Die zu koppelnden Roboter sind vorzugsweise mit ansteuerbaren und zueinander wirkkompatiblen Kopplungseinheiten versehen. Beispielsweise können derartige Kopplungseinheiten der Roboter miteinander in eine formschlüssige und/oder in eine kraftschlüssige Wirkverbindung gebracht werden. Die Festlegung einer konkreten Ausgestaltung der Kopplungseinheit kann von den jeweils zulässigen Positioniergenauigkeiten der Bauteile zueinander bei Herstellung der Bauteilgruppe abhängen. Aufgrund des hohen Automatisierungsgrades der Roboter im industriellen Einsatz ist die Ausstattung der Roboter mit zusätzlichen Kopplungseinheiten und die automatisierte Handhabung derselben Kopplungseinheiten verhältnismäßig einfach realisierbar. Die Kopplungseinheiten können ggf. als modulare Einheiten ausgebildet und zerstörungsfrei trennbar mit der Roboterstruktur verbindbar sein.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante werden die miteinander mechanisch gekoppelten Roboter gemeinsam bewegt zur Positionierung der Bauteilgruppe in eine lagedefinierte Betriebsstellung, wobei die Bauteilgruppengeometrie während der Bewegung praktisch unverändert bleibt. Dabei kann die Betriebsstellung eine Montagestellung und/oder eine Bearbeitungsstellung und/oder eine VerbindungsStellung der Bauteil- gruppe sein. Ferner ist es möglich, dass schon während der Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter die Bauteilgruppe bearbeitet wird, beispielsweise in Form einer Bauteilgruppenvermessung und/oder einer mechanischen Bearbeitung. Aufgrund der mechanischen Kopplung der ein jeweiliges Bauteil tragenden Roboter kann somit auch eine Bewegungs- bzw. Transportphase der Bauteilgruppe zur Bearbeitung derselben genutzt werden. Hierzu kann die Bewegung der miteinander
mechanisch gekoppelten Roboter derart gewählt werden, dass z.B. eine besonders bearbeitungsgünstige Anordnung der geometriestabilen Bauteilgruppe erhalten wird. Aufgrund der praktisch unverändert bleibenden Bauteilgruppengeometrie während der Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter können somit neue bzw. zusätzliche Aufgaben von weiteren Robotern an der Bauteilgruppe, bestehend aus mehreren separaten getrennten Einzelbauteilen, auch während einer Positionierungsphase der Bauteilgruppe erfüllt werden, wobei derartige Aufgaben bei mechanisch entkoppelten Robotern nicht hinreichend genau bzw. entsprechend reproduzierbar erfüllt werden könnten.
Die gemeinsame Bewegung der mechanisch miteinander gekoppelten Roboter erfolgt vorzugsweise automatisiert mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit. Gegebenenfalls kann die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit während der gemeinsamen Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter weitere Handhabungseinheiten steuern, die zur Bearbeitung der Bauteilgruppe während ihres Transports in eine lagedefinierte Betriebsstellung dienen.
Mit Vorteil ist einer der gekoppelten Roboter ein bewegungsführender Roboter und sind die anderen mit diesem gekoppelten Roboter bewegungsgeführte Roboter. Der bewegungsführende Roboter wird auch als „Master"-Roboter bezeichnet, während die bewegungsgeführten Roboter unter der Bezeichnung „Slave"- Roboter geführt werden. Ein Steuerungsprinzip, mit dessen Hilfe die Bewegung eines „Master"-Roboters und eines „Slave"- Roboters durchführbar ist, ist beispielsweise an sich bekannt aus der EP 0 752 633 AI, deren Inhalt hinsichtlich der diesbezüglichen steuerungstechnischen Umsetzung hiermit in die vorliegende Anmeldung übernommen wird.
Der bewegungsgeführte Roboter kann relativ zum bewegungsführenden Roboter in mindestens einer Richtung schwimmend gelagert sein. Mittels der schwimmenden Lagerung des bewegungsge- führten Roboters wird vermieden, dass aufgrund von grundsätzlich nicht vollständig zu vermeidenden Bewegungsungenauigkei- ten der jeweiligen Roboter, wobei die Ungenauigkeiten unterschiedlich groß sein können, sich die mechanisch miteinander gekoppelten Roboter hinsichtlich ihrer Bewegungsfreiheit gegenseitig behindern. Die schwimmende Lagerung des bewegungs- geführten Roboters gewährleistet, dass der bewegungsführende Roboter ungehindert seine jeweilige Sollposition anfahren kann, ohne dass der bewegungsgeführte Roboter, auch bei unterschiedlichen Bewegungstoleranzen der Roboter zueinander, bei Vorliegen der mechanischen Kopplung das Anfahren dieser Sollposition behindert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der bewegungsgeführte Roboter mittels der schwimmenden Lagerung stets den Toleranzunterschied ausgleicht, da die mechanische Kopplung starr ist und einen Toleranzunterschied ab einer bestimmten Größe nicht zulässt . Die mechanische Kopplung in Kombination mit der schwimmenden Lagerung gewährleistet somit die Beibehaltung einer hinreichend genauen Bauteil- gruppengeometrie auch während einer Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter beispielsweise zur Positionierung der Bauteilgruppe in eine lagedefinierte Betriebsstellung.
Die schwimmende Lagerung des bewegungsgeführten Roboters kann insbesondere automatisiert mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit aktivierbar und deaktivierbar sein. Hierdurch ist es möglich, dass die Roboter als voneinander unabhängig ansteuerbare Handhabungseinheiten jeweils ein vorbestimmtes Bauteil greifen und mit diesem eine lagedefinierte Kopplungsstellung anfahren können, wobei die schwimmende Lagerung der bewegungsgeführten Roboter zu diesem Zeitpunkt
noch deaktiviert sein kann. Nach Einnahme der lagedefinierten Kopplungsstellung wird die schwimmende Lagerung des bewegungsgeführten Roboters, insbesondere automatisiert, aktiviert, so dass nun das mechanische Koppeln der jeweiligen Roboter, vorzugsweise ebenfalls automatisiert, eingeleitet werden kann. Aufgrund der schwimmenden Lagerung werden die bewegungsgeführten Roboter mittels der mechanischen Kopplung bei ggf. vorliegenden Toleranzen in der Kopplungsstellung in eine hinreichend genaue Sollposition gebracht, so dass die sich hierdurch ergebende Bauteilgruppe eine erwünschte Bauteil- gruppengeometrie bildet. Die schwimmende Lagerung kann beispielsweise in Form eines hydraulischen Kolben-Zylinder- Systems ausgebildet sein, wobei ein derartiges System an sich ebenfalls bereits bekannt ist.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine Positioniervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Die Positioniervorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Roboter zueinander wirkkompatible mechanische Kopplungseinheiten aufweisen. Mittels einer derartigen Positioniervorrichtung lassen sich die in Bezug auf das Verfahren vorerwähnten Vorteile erzielen.
Mit Vorteil sind die Kopplungseinheiten mittels der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung automatisiert ansteuerbar. Hierdurch kann die mechanische Kopplung zum ggf. verfahrensbedingt jeweils günstigen Zeitpunkt ausgelöst bzw. aufgehoben werden, so dass die Positioniervorrichtung mit der Mehrzahl an voneinander unabhängig ansteuerbaren Robotern auch unterschiedlichste Aufgaben erfüllen kann, unter Gewährleistung der in Bezug auf das Verfahren vorerwähnten Vorteile.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens einer der Roboter eine schwimmende Lagerung auf, die in wenigstens einer Richtung relativ zu einem anderen Roboter wirksam ist. Dabei hängt die Anzahl und Ausrichtung der jeweiligen Richtungen der schwimmenden Lagerung von der durchzuführenden gemeinsamen Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter ab. Bei zwei miteinander mechanisch gekoppelten Roboter kann der bewegungsgeführte Roboter, beispielsweise in einer Ebene, d. h. in zwei z.B. senkrecht zueinander stehenden Richtungen schwimmend gelagert sein, um insbesondere ein störungsfreies Bewegen der Bauteilgruppe aus einer lagedefinierten Kopplungsstellung in eine lagedefinierte Betriebsstellung zu ermöglichen, wobei die Bauteilgruppengeometrie während dieser Bewegung praktisch unverändert bleibt, aufgrund der bestehenden mechanischen Kopplung zwischen den zwei Robotern.
Mit Vorteil weist die schwimmende Lagerung ein automatisiert mittels der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung betätigbares Aktivierungssystem auf. Ein derartiges Aktivierungssystem kann beispielsweise in Form eines ansteuerbaren Ventilsystems ausgebildet sein, mittels welchem die schwimmende Lagerung, beispielsweise in Form einer hydraulischen Kolben- Zylinder-Einheit, aktiviert bzw. deaktiviert werden kann.
Einer der Roboter ist vorzugsweise ein bewegungsführender Roboter, während die anderen, mechanisch mit selbigem gekoppelten Roboter bewegungsgeführte Roboter sein können. Eine derartige Positioniervorrichtung ist regelungstechnisch verhältnismäßig einfach ansteuerbar und durch eine vielseitige und zuverlässige Einsetzbarkeit, insbesondere in einer automatisierten Serienproduktion, gekennzeichnet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung. Die Erfindung wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert .
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung mit zwei jeweils- ein Bauteil tragenden- Industrierobotern,-
Fig. 2 eine schematische Perspektivdarstellung der Positioniervorrichtung der Figur 1 in einer lagedefinierten Kopplungsstellung;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht der Positioniervorrichtung der Figur 1 mit voneinander getrennten Kopplungseinheiten;
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht der Positioniervorrichtung der Figur 3 mit verbundenen Kopplungseinheiten und
Fig. 5 eine schematische Detaildarstellung einer schwimmenden Lagerung eines Roboters der Figur 1.
Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils eine schematische Perspektivdarstellung einer Positioniervorrichtung 10, die zwei mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 22 voneinander unabhängig ansteuerbare Roboter 12,14 aufweist. Die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 22 ist hierzu mittels Datenübertragungsleitungen (Pfeile 24,26) mit den zwei Robotern 12,14 verbunden. Bei den Robotern 12,14 handelt es sich um Industrieroboter, die jeweils eine getrennt ansteuerbare Antriebseinheit 56,58 zur Bewegung und Positionierung eines zugehörigen Roboterarms 60,62 enthalten. Die Roboterarme 60,62 sind mit einer zugehörigen Bauteilgreifeinheit 44,46 versehen, mittels welchen die Roboter 12,14 voneinander unabhängig
ein zugehöriges Bauteil 16,18 greifen können. Bei den Bauteilen 16,18 handelt es sich beispielsweise um miteinander zu verbindende Karosserieblechteile für ein Fahr2eug. Die Roboter 12,14 sind an ihren Bauteilgreifeinheiten 44,46 jeweils mit einer zugehörigen Kopplungseinheit 28,30 versehen, mittels welchen eine mechanische Kopplung der zwei Roboter 12,14 insbesondere in einer lagedefinierten Kopplungsstellung der Roboter 12,14 möglich ist.
In Figur 1 befinden sich die Roboter 12,14 der Positioniervorrichtung 10 mit ihren jeweiligen, in der zugehörigen Bauteilgreifeinheit 44,46 eingespannten Bauteilen 16,18 in einer beliebigen, voneinander beabstandeten und nicht miteinander mechanisch gekoppelten Betriebsstellung. Diese in Figur 1 dargestellte Betriebsstellung kann beispielsweise eine Ausgangsstellung zur Einleitung einer kooperierenden Roboterbewegung mit den Bauteilen 16,18 darstellen. Dabei werden alle Bewegungs- und Einstellungsphasen der Roboter 12,14 vorzugsweise automatisiert mittels der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 22 durchgeführt. Die Roboter 12,14 werden somit derart gesteuert, dass die gespannten Bauteile 16,18 insbesondere mittels der Roboterarme 60,62 aufeinander zubewegt werden, bis sie eine Bauteilgruppe 20 gemäß Figur 2 mit einer definierten Bauteilgruppengeometrie bilden. In dieser Position der Bauteile 16,18 befinden sich die Roboter 12,14 und insbesondere die Roboterarme 60,62 bzw. deren Kopfbereiche in einer lagedefinierten Kopplungsstellung, in welcher die zueinander wirkkompatiblen Kopplungseinheiten 28,30 der Bauteilgreifeinheiten 44,46 miteinander automatisiert verbunden werden können. Es erfolgt somit nach Einnahme der in Figur 2 dargestellten Kopplungsposition der Roboter 12,14 eine mechanische Kopplung derselben Roboter miteinander, so dass eine permanente Bauteilgruppengeometrie aufrechterhalten werden kann, auch wenn anschließend die Bauteilgruppe 20 mittels der
nun mechanisch gekoppelten Roboter 12,14 in eine neue Position gebracht wird bzw. eine erwünschte Bewegung der Bauteil- gruppe 20 mittels der Roboter 12,14 durchgeführt wird.
Beispielsweise kann die Bauteilgruppe 20 mittels der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter 12,14 in eine andere Betriebsstellung bewegt werden, wobei die Betriebsstellung eine MontageStellung oder eine Bearbeitungsstellung oder eine Verbindungsstellung sein kann. Ferner kann während der Bewegung der Bauteilgruppe 20 eine Bearbeitung derselben, beispielsweise eine Schweißbearbeitung in einer besonders günstigen Schweißposition der Bauteilgruppe 20, hinreichend genau durchgeführt werden, da aufgrund der mechanischen Kopplung der Roboter 12,14 die Bauteilgruppengeometrie auch während der Bewegung der Roboter 12,14 praktisch unverändert bleibt.
Die Kopplungseinheiten 28,30 der Roboter 12,14 können miteinander in eine formschlüssige und/oder in eine kraftschlüssige Wirkverbindung gebracht werden. Wie in den Figuren 3 und 4 schematisch dargestellt ist, können die Kopplungseinheiten 28,30 der Roboter 12,14 jeweils mit Verriegelungselementen 32 versehen sein, die zueinander kompatibel ausgebildet sind und eine hinreichend stabile und lagegenaue mechanische Kopplung der Bauteilgreifeinheiten 44,46 (siehe auch Figuren 1,2) und damit der Roboter 12,14 gewährleisten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthalten die Verriegelungselemente 32 des Roboters 12 zwei gemäß den Drehpfeilen 64,66 verschwenkbare Hebel 68,70, die in Kopplungsstellung gemäß Figur 4 derart in eine Verriegelungsposition gedreht werden können, dass mit den zugehörigen Verriegelungselementen 32 des Roboters 14 eine korrekte formschlüssige und/oder kraftschlüssige Wirkverbindung erhalten wird, unter Ausbildung der mechanischen Kopplung der Roboter 12,14. Dabei tragen die Roboter 12,14 der Figuren 3,4 jeweils ein Bauteil 16,18 (siehe auch Figuren
1,2), die allerdings nicht in den Figuren 3,4 dargestellt sind. Die Roboterpositionierung und die mechanische Kopplung gemäß den Figuren 1 bis 4 erfolgt mittels der Steuerungsund/oder Regelungseinheit 22, vorzugsweise vollautomatisiert. Die Positioniervorrichtung 10 ist diesbezüglich mit geeigneten Erfassungssystemen, wie z.B. an sich bekannte Sensoren, ausgestattet .
Zur Gewährleistung einer störungsfreien gemeinsamen Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter 12,14 wird gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel der Roboter 12 als bewegungsführender Roboter und der Roboter 14 als bewegungsge- führter Roboter mittels der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 22 angesteuert. Ein derartiges Steuerungskonzept zur Bewegung zweier Roboter ist an sich bekannt und beispielsweise in der EP 0 752 633 AI offenbart.
Der bewegungsgeführte Roboter 14 („Slave"-Roboter) ist zur Gewährleistung einer störungsfreien Bewegung beider Roboter 12,14 mit einer schwimmenden Lagerung 42 versehen, so dass der bewegungsgeführte Roboter 14 eine hinreichend genaue Bewegungsanpassung an den bewegungsführenden Roboter 12 („Mas- ter"-Roboter) gewährleistet bei einer gemeinsamen Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter 12,14. Dies ist deshalb von Bedeutung, da die voneinander unabhängig angesteuerten Roboter 12,14 unterschiedlich große Bewegungstoleranzen aufweisen können, was bei einer gemeinsamen Bewegung und bei vorliegender mechanischer Kopplung zu einer wechselseitigen Störung der Roboter 12,14 hinsichtlich ihrer freien Bewegung führen kann.
Figur 5 zeigt eine mögliche Ausführungsform der schwimmenden Lagerung 42 am bewegungsgeführten Roboter 14. Die schwimmende Lagerung 42 ist an einer geeigneten Stelle am Roboterarm 62
des bewegungsgeführten Roboters 14 ausgebildet, beispielsweise an einer Rahmeneinheit 34 des Roboterarms 62. Die schwimmende Lagerung 42 ist hierzu mit zwei Lagerungselementen 48,50 versehen, wobei das Lagerungselement 50 mittels einer hydraulischen Zylindereinheit 74 mit der Rahmeneinheit 34 des Roboterarms 62 in Verbindung steht. Das Lagerungselement 48 ist dagegen mittels einer hydraulischen Zylindereinheit 72 mit einer Rahmeneinheit 35 der das Bauteil 18 tragenden Kopfeinheit des Roboterarms 62 verbunden. Mittels der schwimmenden Lagerung 42 kann somit der das Bauteil 18 tragende Kopfbereich des Roboterarms 62 des Roboters 14 gemäß den Doppelpfeilen 52 und/oder den Doppelpfeilen 54 relativ zur Rahmeneinheit 34 und somit zum nicht schwimmend gelagerten Roboterarmrest bewegt werden. Die hydraulischen Zylindereinheiten 72,74 sind vorzugsweise mittels eines nicht in Figur 5 dargestellten VentilSystems, das mittels der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 22 ansteuerbar ist, aktivierbar und deaktivierbar. Dabei erfolgt die Aktivierung der schwimmenden Lagerung 42 vorzugsweise unmittelbar vor Herstellung der mechanischen Kopplung der Roboter 12,14.