WO2015049136A2 - Arbeitsvorrichtung und arbeitsverfahren - Google Patents

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WO2015049136A2
WO2015049136A2 PCT/EP2014/070340 EP2014070340W WO2015049136A2 WO 2015049136 A2 WO2015049136 A2 WO 2015049136A2 EP 2014070340 W EP2014070340 W EP 2014070340W WO 2015049136 A2 WO2015049136 A2 WO 2015049136A2
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WO
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industrial robot
robot
workpiece
working device
working
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WO2015049136A3 (de
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Otmar Honsberg
Reinhard NEUREITER
Markus Bschorr
Martin Eberl
Matthias Reichenbach
Simon Klumpp
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Kuka Systems Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00—Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/0095—Gripping heads and other end effectors with an external support, i.e. a support which does not belong to the manipulator or the object to be gripped, e.g. for maintaining the gripping head in an accurate position, guiding it or preventing vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/085—Force or torque sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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    • B25J15/0019—End effectors other than grippers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • B25J17/0208—Compliance devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0093—Programme-controlled manipulators co-operating with conveyor means

Definitions

  • the invention relates to a working device and a working method with the features in the preamble of the method and device main claim.
  • Suitable tactile articulated arm industrial robots for this purpose are e.g. from DE 10 2007 063 099 AI, DE 10 2007 014 023 AI and DE 10 2007 028 758 B4 known.
  • the invention solves this problem with the features in the method and device main claim.
  • Working device and the working method have the advantage that work processes can be automated even better and with greater precision. In this case, a partial automation is possible.
  • the claimed working technique has a
  • Industrial robot which carries a process tool with an end effector for performing a work process on a movably held workpiece, wherein the working device with the industrial robot
  • Detection device can be designed and arranged differently. It can be particularly in the
  • the detection device can detect, measure and evaluate a relative movement of the workpiece relative to the industrial robot. Based on the measurement result, the programmed path of the industrial robot can be corrected. With the correction of the relative movement of the workpiece, working processes can also be carried out on oscillating or non-clamped workpieces.
  • the path correction can be done in stiffness mode as well as in
  • the claimed working technique can in many ways
  • a preferred application is the torque converter fitting between an engine and a transmission, in particular an automatic transmission of a motor vehicle.
  • Partial automation with a human-robot cooperation or collaboration (abbreviated MRK) and a correspondingly suitable industrial robot.
  • MRK human-robot cooperation or collaboration
  • the work and movement range of the preferably tactile industrial robot can be limited and the personal safety can be further improved by a tool training.
  • the industrial robot can be manually guided for docking on the workpiece.
  • the actual robot work process can then be fully automatic or
  • the guide device can the movement and work area of the industrial robot on the for the
  • an MRK-suitable industrial robot is preferably used.
  • This robot preferably has one or more compliant robot axes.
  • the robot axis (s) may have a
  • Compliance and possibly switchable operating modes have.
  • the compliance rule can be designed differently and a different one
  • This can e.g. an intrinsic compliance that is active or passive.
  • the compliance can also be a pure spring function.
  • Industrial robots may alternatively be provided in other ways, e.g. be achieved by an external sensor or work space monitoring.
  • different stiffnesses of the robot axes can be set for the manual guidance and docking as well as for the actual work process performed by the industrial robot.
  • the additional limitation of the work area of an MRK-capable industrial robot creates additional confidence in the MRK functions for workers and facilitates the introduction of such working techniques in practice.
  • Figure 1 a working device with a tactile
  • FIG. 2 shows a variant of the working device of FIG. 1 with another detection device and in the working position
  • FIG. 3 a perspective view of the
  • Process tool of Figure 3 Figure 5: a plan view of the process tool according to arrow
  • Figure 6 a longitudinal section through the process tool
  • Figure 7 a tactile industrial robot in
  • the invention relates to a working device (2) and a working method and a workstation (1).
  • the working device (2) is within one
  • Workstation (1) has at least one multi-axis and programmable industrial robot (3), which is preferably designed as a tactile robot and a process tool (4) carries and moves.
  • Industrial robot (3) carries out a working process on a workpiece (5) with the process tool (4).
  • Working device (2) may be semi-automated, with a worker (40) operating and controlling a part of the working device (2). It can also be fully automated.
  • the working device (2) also has a
  • the detection device (7) is connected to the industrial robot (3), in particular its robot controller (not
  • the tactile industrial robot (3) is preferably suitable for cooperation or collaboration with the worker (40).
  • the working device (2) may further comprise one or more auxiliary devices (9) for
  • Exemplary embodiment is a joining process, in particular a screwing process, wherein the
  • Process tool (4) as a screwdriver with an end effector (21), e.g. a rotatable screw spindle, and a
  • the process tool (4) may further comprise a magazine (23) for working means (24), e.g. Screws have.
  • the process tool (4) may accordingly have other end effector (s) (21), drive (s) (22) and possibly
  • the process tool (4) may also have one or more own movement axis (s) and drives.
  • the process may be performed by a stationary or moving industrial robot (3) on a stationary or moving workpiece (5). Also a
  • the workpiece (5) is supported by a conveyor (12), e.g. an overhead conveyor, the working device (2) and the workstation (1) in the conveying direction (41) supplied.
  • the workpiece (5) is moved by means of a movable suspension (13), e.g. several ropes or chains, with the
  • Process tool (4) can be docked with a fixing means (27) on the workpiece (5) for performing the working process and then follows this
  • the workpiece (5) can be one-piece or multi-part (10, 11).
  • a workpiece part (10) as a motor and another workpiece part (11) as a gear in particular
  • the process relates to the screwing of a transducer wheel of the transmission (11) with the output element of the motor (10). This takes place inside the housing, wherein the internal process location (6) or screw point is accessible from the outside for the end effector (21) through a housing opening (8).
  • the housing opening (8) can form a reference point for the detection device (7).
  • the process or screw points (6) are arranged distributed in a ring, wherein a first screw has been set in an earlier manufacturing stage and for a first rotationally fixed connection of the engine (10) and gear (11) provides.
  • Process or screwing (6) on the housing opening (8) are rotated by defined angular steps over.
  • the rotating device (9) has e.g. a prominent one
  • Output shaft connected to an output element, e.g. the crankshaft, the engine (10) can be coupled.
  • the auxiliary device (9), in particular rotating device, can independently controllable manually by a worker (41) or with the robot control or with a
  • the auxiliary device (9) is preferably arranged hanging on a support device (36) and is provided with a
  • Transport device (37) connected by means of which they between a rest position shown in Figure 1 (39) and a working position shown in Figure 2 on
  • Transport device (37) can be operated and controlled by the worker (40).
  • the industrial robot (3) can also be arranged movably and, if necessary, its own transport device on the carrying device (36). It can be operated and controlled as needed by the worker (40) in his driving movements.
  • the auxiliary device (9) and the industrial robot (3) may have a coupling (38) for a coordinated
  • the coupling (38) may be formed control technology or mechanical.
  • the Auxiliary device (9) and the industrial robot (3) a common transport device (37) and are movable together with this in the conveying direction (41) of the workpiece (5), possibly for a process "on the fly".
  • the carrying device (36) is e.g. formed as a portal, on whose raised cross member a. as a driven carriage, swivel arm or the like. trained
  • Transport device (37) is arranged. At this the industrial robot (3) is suspended.
  • Transport device (37) can be manually operated by the worker (40). It can alternatively work fully automatically.
  • the industrial robot (3) is suitable for human-robot cooperation (MRK). Preferably, it is a tactile multi-axis
  • the tactile industrial robot (3) detects a touch contact as an external load occurring at a robot position where this load is not expected.
  • the tactile industrial robot (3) can with the worker (40) in an open
  • the MRK-capable industrial robot (3) can cooperate with the worker (40) or collaborate without injuring him.
  • the industrial robot (3) can eg according to DE 10 2007 063 099 AI, DE 10 2007 014 023 AI and / or DE 10 2007 028 758 B4 be formed. He can different operating modes with different stiffness or
  • Compliances of its robot axes (I-VII). This can e.g. a hand guide mode, a positioning or
  • the process tool (4) is shown in FIGS. 3 to 6. It has the aforementioned end effector (21) with the drive (22) and the magazine (23) for working means (24). Further, a fixing means (27) is provided, which for
  • the fixing means (27) is movable and actuatable, in particular controllably formed. It may have an arbitrary structural design suitable for fixing to the workpiece (5).
  • the fixing means (27) is designed as a clamping device which has two expandable clamping jaws which can positively engage with the edge of the housing opening (8). Due to the clamping position existing dimensionally stable connection, the fixing means (27) follows movements of the workpiece (5).
  • the process tool (4) further comprises a terminal (25) for fixed or detachable connection with a
  • Robot axes (I-VI) relative to the fixing (27) moves.
  • a guide device (28) with one or more guide axes (31, 32) is arranged. These can be rotational and / or translatory guide axes. In the embodiment shown are two
  • the one guide axis (32) is along the
  • End effector (21) aligned and forms a
  • Infeed axis for its feed.
  • the other guide axis (31) allows lateral movements of the end effector (21) for searching the process station (6), in particular the
  • the guide device (28) has to form the
  • Guide axis (s) (31,32) one or more guide elements (29,30) on. These are formed in the embodiment shown as carriage guides. Due to the orthogonal axle arrangement, the guide device (28) as
  • Guide axes be greater and z. B. be three or four. This z. B. an additional linear carriage axis and a pivot axis may be present. These allow a multi-axis adjustment and change in position of the end effector (21) within the housing opening (8).
  • the end effector (21) projects through the fixing means (27) and through the clearance formed between the clamping jaws.
  • the end effector (21) can be moved multi-axially in this free space by the robot movements.
  • the process tool (4) further comprises a frame or housing (26) which is connected to the fixing means (27).
  • an operating device (33) is arranged, for example, has two handles, with which the worker (40) the Move process tool (4) and can lead when the industrial robot (3) on the operation mode manual control with compliance of the robot axes (I-VII) is switched.
  • On the handles buttons or other switching elements can be arranged, with which the worker (40) the
  • the worker (40) manually moves the auxiliary device (9) and the coupled industrial robot (3) from the rest position (39) shown in FIG. 1 into the working position according to FIG. 2 at the work station (1).
  • Auxiliary device (9) with the motor (10) brought in a functional, rotational engagement The industrial robot (3) assumes a collision-free retraction position. Subsequently, the worker (40) docks the process tool (4) to the reference point or housing opening (8), in which he moves the process tool (4) in the above-described manual mode and introduces and actuates the fixing means (27) into the housing opening (8) , The worker (40) then lets go of the process tool (4), which is detected, so that subsequently the working or screwing process can start and run completely automatically. Said docking and the screwing process can be carried out "on the fly" when the workpiece (5) is stationary or when the workpiece (5) is moving in the transport direction (41). When working or screwing leads the
  • Detecting devices (7) detected In this case, a metrological detection and evaluation of Relative movement according to direction and size. The determined relative movement is superimposed on the programmed path of the industrial robot (3), so that in the
  • the detection device (7) is integrated in the process tool (4). It therefore has a measuring device (35) which is arranged on a guide axis (31, 32) of the guide device (28) and thereby moves along the
  • the measuring device (35) may have one or more sensors that move along said
  • the industrial robot (3) is also referenced in this coordinate system.
  • the measuring device (35) can have several guide axes
  • Transducer wheel represents.
  • the industrial robot (3) moves the end effector (21) to the magazine (23), picks up a screw (24) and then moves it through the housing opening (8) to the transducer wheel and searches for it by mechanical operation Process point (6) or the screw hole. This can be done first with the
  • the existing first screw on the transducer wheel are sought as the starting position. From this first screw, the position of the adjacent free screw opening is known and can be approached faster and easier. It can alternatively be searched directly.
  • the tactile industrial robot (3) can detect mechanical resistances by means of a preferably integrated and load-absorbing sensor system (20) and its position via the position of the robot axes (I-VII) when in contact contact contact
  • Industrial robots (3) can tactile by the reference points or screw holes (6) and the first set screw searched and found. Subsequently, the screw drive (22) can be turned on and screw the screw (24), with any smaller position errors detected by the industrial robot (3) and still
  • the Wandlerrad is further rotated by the driven rotating device (9) by a defined angle, which fully automatically on the
  • Robot control or manual operation by the operator (40) can be done.
  • the second screw (24) is then searched for in the manner described above
  • Screw opening inserted and tightened. This process is repeated for all remaining screw points.
  • the worker (40) again accesses the process tool (4) and releases the fixing agent (27).
  • the industrial robot (3) is switched to the operating mode of the manual control.
  • FIG. It has an external camera system (34), which is referenced to said higher-level coordinate system.
  • the camera system (34) can be located on the transport device (37). It may alternatively be arranged at a different and known position in the space, in particular on the support device (36) stationary or, if necessary, controlled movable.
  • the workpiece (5) can have one or more markings (42) in the field of vision of the
  • the mark (s) (42) have a known position on the workpiece (5). Using this, the camera system (34) can detect the actual position of the workpiece (3) and any relative movements spatially and with all six spatial axes and evaluate them metrologically.
  • the derivative of the orbit correction may be in the
  • the workstation (1) has the aforementioned and preferably portal-like carrying device (36) and the aforementioned conveying means (12) for one or more workpieces (5).
  • the workstation (1) may be integrated into a production line with a number of multiple workstations.
  • the working device (2) can be flexible and for
  • the process tool (4) may also be adaptable, e.g. by extension of the guide axes (31,32). It may possibly be changed on a magazine.
  • the industrial robot (3) has several, e.g. three, four or more, movable and interconnected members (14,15,16,17).
  • the members (14,15,16,17) are
  • the base may have a connection shown in FIG. 1
  • the industrial robot (3) is designed as Gelenkarm- or articulated robot and has seven driven axes or axes of motion I-VII.
  • the axes I-VII are connected to the robot controller and can be controlled and possibly regulated.
  • the output side end member (17) of the robot (3) is e.g. trained as a robot hand and assigns this to a
  • Rotation axis (19) rotatable output element (18), e.g. an output flange, on.
  • the axis of rotation (19) forms the last robot axis VII.
  • a possibly hollow output element (18) and possibly other robot members (14,15,16,17) one or more lines for resources, e.g.
  • the industrial robot (3) has a base member (14) connected to the ground, in particular the transport device (37), via a base and the aforementioned End member (17) and two intermediate links (15,16).
  • the intermediate links (15,16) are multi-part and rotatable by means of axes (III) and (V) is formed.
  • the number of intermediate links (15, 16) may alternatively be smaller or larger.
  • individual or all intermediate links (15, 16) may be designed to be rotationally fixed and without an additional axle.
  • the industrial robot (3) (14,15,16,17) may have a straight or as shown in FIG 7 angled shape.
  • the industrial robot (3) can be arranged according to Figure 1 and 2 hanging or alternatively standing.
  • the robot axes I-VII each have an axle bearing, e.g. Swivel or a joint, and a here associated and integrated controllable, possibly adjustable final drive, e.g. Rotary drive, up.
  • the robot axes I-VII may have a control or shiftable brake and possibly redundant sensors (20).
  • the sensor system indicated schematically in FIG. 7 may be integrated and may be e.g. one or more sensors on one or more
  • Robot axes (I-VII) have. These sensors can have the same or different functions. They can be designed in particular for detecting acting loads, in particular moments. You can also detect rotational movements and possibly rotational positions. In another embodiment, such a sensor connected to the robot controller may be mounted externally on the industrial robot (3), e.g. on the output element (18) or on the process tool (4).
  • the aforementioned force control or force control of the robot axes refers to the effect on the outside of the output element (18) of the end member (17) and on the reaction forces acting there.
  • Robot-internally, a torque control or torque control takes place on the rotating axes or axle drives.
  • the industrial robot (3) can be one or more resilient axles (I-VII) for the MRK fitness
  • the compliance rule can be a pure
  • the optionally elastic avoidance capability of the industrial robot (3) for guiding and positioning or docking of the process tool (4) on the workpiece (5) and for manual teaching and programming can be used.
  • Robot sensors on the axes (I - VII) can also be supported and facilitated the search and finding the working position of the process tool (3) on the workpiece (5). Also angle errors in the relative position of the links
  • One or more compliant axes are also advantageous for tracking the process tool (3) according to the feed.
  • Industrial robot (3) may also apply as needed a defined pressing or pulling force. In the different cases, a weight compensation can also take place.
  • the illustrated industrial robot (3) can as
  • Process tool (3) also has a low weight.
  • the industrial robot (3) with its process tool (4) is thus lightweight overall and can be transported without much effort and moved from one location to another.
  • Industrial robot (3) and process tool (3) can be less than 50 kg, in particular about 30 kg.
  • the programmable industrial robot (3) is connected to an internal or external robot controller, to which the detection device (7), the
  • the robot controller may include a computing unit, one or more memories for data or programs, and input and output units.
  • the industrial robot (3) may optionally have one or more position-controlled robot axes without force control.
  • a sensor arranged externally on the robot (3) or on the process tool (4) can be used. This can e.g. Sensors have contactless objects in the robot work area
  • the MRK fitness can be achieved by another robot training, eg with the aforementioned external sensors, an optical
  • the industrial robot (3) may also have a different number and design of its members and robot axes. It can have any number and combination of rotary and / or translatory robot axes with corresponding axis drives.
  • the design and function of the process tool (4), in particular the end effector (21) and the fixing means (27), may vary.
  • the working device (2) may be two or more
  • the reference point (8) for the work process to be performed may be formed in other ways, for. B. as
  • the work or process station (6) may have a different position and training on the workpiece (5). It can also be present several times.
  • the work or process station (6) may have a different position and training on the workpiece (5). It can also be present several times.
  • Auxiliary device (9) can also be modified, wherein z. B. may be a movement device with another, in particular linear, kinematics.
  • An auxiliary device (9) can be present several times. It can also be omitted.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsvorrichtung und ein Arbeitsverfahren in einem mehrgliedrigen (15,16,17) taktilen und für eine Mensch-Roboter-Kooperation oder - Kollaboration (MRK) tauglichen Industrieroboter (3), der ein Prozesswerkzeug (4) mit einem Endeffektor (21) zur Durchführung eines Arbeitsprozesses an einem beweglich gehaltenen Werkstück (5) trägt. Die Arbeitsvorrichtung (2) hat eine mit dem Industrieroboter (3) verbundene Erfassungsvorrichtung (7) zur Detektion von unvorhergesehenen Bewegungen des Werkstücks (5) bei einem Arbeitsprozess, wobei das Prozesswerkzeug (4) ein betätigbares Fixiermittel (27) zur formfesten Verbindung mit dem Werkstück (5) aufweist.

Description

BESCHREIBUNG
Arbeitsvorrichtung und Arbeitsverfahren
Die Erfindung betrifft eine Arbeitsvorrichtung und ein Arbeitsverfahren mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruchs.
Arbeitsvorrichtungen mit einem oder mehreren Robotern und Werkzeugen sind aus der Praxis in verschiedenen
Ausprägungen bekannt. In der Regel sind sie als
vollautomatische Stationen ausgebildet und zur
Unfallsicherheit von Werkern mit Schutzabtrennungen ausgerüstet, die mechanisch den Werkerzutritt verhindern oder den Industrieroboter abschalten.
Ferner gibt es Bestrebungen, Menschen mit
Industrierobotern, insbesondere taktilen Robotern, kooperieren oder kollaborieren zu lassen. Dies wird als Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) bezeichnet. Hierfür geeignete taktile Gelenkarm-Industrieroboter sind z.B. aus der DE 10 2007 063 099 AI, DE 10 2007 014 023 AI und DE 10 2007 028 758 B4 bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
verbesserte Arbeitsvorrichtung aufzuzeigen
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.
Die beanspruchte Arbeitstechnik, d.h. die
Arbeitsvorrichtung und das Arbeitsverfahren, haben den Vorteil, dass Arbeitsprozesse noch besser und mit höherer Präzision automatisiert werden können. Dabei ist auch eine Teilautomatisierung möglich. Die beanspruchte Arbeitstechnik weist mit einen
mehrgliedrigen taktilen und für eine Mensch-Roboter- Kooperation oder -Kollaboration (MRK) tauglichen
Industrieroboter auf, der ein Prozesswerkzeug mit einem Endeffektor zur Durchführung eines Arbeitsprozesses an einem beweglich gehaltenen Werkstück trägt, wobei die Arbeitsvorrichtung eine mit dem Industrieroboter
verbundene Erfassungsvorrichtung zur Detektion von unvorhergesehenen Bewegungen des Werkstücks beim
Arbeit sprozess aufweist und wobei das Prozesswerkzeug ein betätigbares Fixiermittel zur formfesten Verbindung mit dem Werkstück aufweist.
Die Anforderungen an eine exakte Führung und
Positionierung des Werkstücks und der damit verbundene Aufwand können wesentlich reduziert werden. Dank der Erfassungsvorrichtung kann der Industrieroboter
unvorhergesehenen und ggf. unkontrollierbaren
Werkstückbewegungen folgen und den Prozess trotzdem mit hoher Präzision und Effektivität durchführen. Die
Erfassungsvorrichtung kann unterschiedlich ausgebildet und angeordnet sein. Sie lässt sich insbesondere in das
Prozesswerkzeug integrieren. Die Erfassungsvorrichtung kann eine Relativbewegung des Werkstücks gegenüber dem Industrieroboter detektieren, messen und auswerten. Anhand des Messergebnisses kann die programmierte Bahn des Industrieroboters korrigiert werden. Mit der Korrektur der relativen Werkstückbewegung sind Arbeitsprozesse auch an schwingenden oder nicht fest eingespannten Werkstücken durchführbar. Die Bahnkorrektur kann sowohl im Steifigkeitsmodus wie auch im
positionsgeregelten Modus des Industrieroboters
durchgeführt werden. Besondere Vorteile bestehen bei komplexen oder kinematisch schwierigen Prozessen, die ggf. auch noch an schwer zugänglichen Prozessstellen an einem Werkstück
durchzuführen sind. Solche bisher häufig nur manuell zu bewältigenden Prozesse können zumindest teilautomatisiert werden. Hierbei kann auch eine Hilfsvorrichtung
bedarfsweise eingebunden werden.
Die beanspruchte Arbeitstechnik kann in vielerlei
Bereichen und für unterschiedlichste Werkstücke und
Prozesse genutzt werden. Ein bevorzugter Einsatzbereich ist die Wandlerverschraubung zwischen einem Motor und einem Getriebe, insbesondere einem Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeugs .
Die beanspruchte Arbeitstechnik ermöglicht auch eine
Teilautomatisierung mit einer Mensch-Roboter-Kooperation oder -Kollaboration (abgekürzt MRK) und einem entsprechend geeigneten Industrieroboter. Hierbei können durch eine Werkzeugausbildung der Arbeits- und Bewegungsbereich des bevorzugt taktilen Industrieroboters beschränkt und die Personensicherheit noch weiter verbessert werden.
Der Industrieroboter kann für ein Andocken am Werkstück manuell geführt werden. Der eigentliche Roboter- Arbeit sprozess kann dann vollautomatisch oder
teilautomatisch und unter Personenschutz ausgeführt werden. Die Führungsvorrichtung kann den Bewegungs- und Arbeitsbereich des Industrieroboters auf die für die
Durchführung des Prozesses notwendigen Bereiche
beschränken und begrenzen. Dies steigert zusätzlich die Personensicherheit im Prozessumfeld. Durch die Fixierung des Prozesswerkzeugs am Werkstück kann ein freies oder unkontrolliertes "Durchgehen" des Industrieroboters verhindert werden. Trotzdem bleiben die für den Prozess benötigten Roboterfunktionalitäten und Prozessbewegungen erhalten. Zudem kann auch eine klassische Führungsfunktion für den Roboter und das Werkzeug implementiert werden. Hierdurch können ggf. Roboter- und
Prozessgeschwindigkeiten sowie die Leistung gesteigert werden .
Bei der beanspruchten Arbeitsvorrichtung wird vorzugsweise ein MRK-tauglicher Industrieroboter eingesetzt. Dieser hat vorzugsweise eine oder mehrere nachgiebige Roboterachsen Die Roboterachse (n) kann/können eine
Nachgiebigkeitsregelung und ggf. umschaltbare Betriebsmodi haben. Die Nachgiebigkeitsregelung kann unterschiedlich ausgelegt sein und ein unterschiedliches
Nachgiebigkeitsverhalten erzeugen. Dies kann z.B. eine intrinsische Nachgiebigkeit sein, die aktiv oder passiv ausgebildet ist. Die Nachgiebigkeit kann auch eine reine Federfunktion sein. Die MRK-Tauglichkeit des
Industrieroboters kann alternativ auf andere Weise, z.B. durch eine externe Sensorik oder Arbeitsraumüberwachung erreicht werden. In den verschiedenen Betriebsmodi können unterschiedliche Steifigkeiten der Roboterachsen für das manuelle Führen und Andocken sowie für den eigentlichen und vom Industrieroboter ausgeführten Arbeitsprozess eingestellt werden. Die zusätzliche Beschränkung des Arbeitsbereichs eines ohnehin MRK-tauglichen Industrieroboters schafft bei Werkern zusätzliches Vertrauen in die MRK-Funkt ionen und erleichtert die Einführung solcher Arbeitstechniken in der Praxis .
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung angegeben. Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigen:
Figur 1: eine Arbeitsvorrichtung mit einem taktilen
Roboter, einem Prozesswerkzeug, einer Erfassungseinrichtung, einem Werker und einem Werkstück in Ruhestellung, Figur 2: eine Variante der Arbeitsvorrichtung von Figur 1 mit einer anderen Erfassungseinrichtung und in Arbeitsstellung,
Figur 3: eine perspektivische Darstellung des
Prozesswerkzeugs,
Figur 4: eine andere perspektivische Darstellung des
Prozesswerkzeugs von Figur 3, Figur 5: eine Draufsicht des Prozesswerkzeugs gemäß Pfeil
V von Figur 4,
Figur 6: einen Längsschnitt durch das Prozesswerkzeug
gemäß Schnittlinie VI - VI von Figur 5 und
Figur 7: einen taktilen Industrieroboter in
Streckstellung .
Die Erfindung betrifft eine Arbeitsvorrichtung (2) und ein Arbeitsverfahren sowie eine Arbeitsstation (1).
Die Arbeitsvorrichtung (2) ist innerhalb einer
Arbeitsstation (1) angeordnet und weist mindestens einen mehrachsigen und programmierbaren Industrieroboter (3) auf, der bevorzugt als taktiler Roboter ausgebildet ist und ein Prozesswerkzeug (4) trägt und bewegt. Der Industrieroboter (3) führt mit dem Prozesswerkzeug (4) einen Arbeitsprozess an einem Werkstück (5) aus. Die
Arbeitsvorrichtung (2) kann teilautomatisiert sein, wobei ein Werker (40) einen Teil der Arbeitsvorrichtung (2) bedient und steuert. Sie kann auch vollautomatisiert sein.
Die Arbeitsvorrichtung (2) weist ferner eine
Erfassungsvorrichtung (7) zur Detektion von
unvorhergesehenen Bewegungen des Werkstücks (5) auf. Die Erfassungsvorrichtung (7) ist mit dem Industrieroboter (3), insbesondere seiner Robotersteuerung (nicht
dargestellt) verbunden und ermöglicht eine Kompensation dieser Bewegungen sowie ein Nachführen des
Industrieroboters (3). Der taktile Industrieroboter (3) ist bevorzugt für eine Kooperation oder Kollaboration mit dem Werker (40) tauglich. Die Arbeitsvorrichtung (2) kann ferner eine oder mehrere Hilfsvorrichtungen (9) zur
Prozessunterstützung aufweisen. Der Arbeitsprozess und das Prozesswerkzeug (4) können beliebig ausgebildet sein. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Fügeprozess, insbesondere einen Schraubprozess , wobei das
Prozesswerkzeug (4) als Schrauber mit einem Endeffektor (21), z.B. einer drehbaren Schraubspindel, und einem
Antrieb (22) hierfür, z.B. einem Schraubantrieb,
ausgebildet ist. Das Prozesswerkzeug (4) kann ferner ein Magazin (23) für Arbeitsmittel (24), z.B. Schrauben, aufweisen .
Alternative Prozesse können Montageprozesse, andere
Fügeprozesse, Auftrageprozesse, Umformprozesse oder dgl . sein. Das Prozesswerkzeug (4) kann dementsprechend andere Endeffektor (en) (21), Antrieb(e) (22) und ggf.
Arbeitsmittel (24) aufweisen. Das Prozesswerkzeug (4) kann ferner eine oder mehrere eigene Bewegungsachse (n) und Antriebe aufweisen. Der Prozess kann von einem stationären oder einem bewegten Industrieroboter (3) an einem stationären oder einem bewegten Werkstück (5) durchgeführt werden. Auch ein
Prozess "on the fly" mit beiderseitiger koordinierter, insbesondere synchronisierter Bewegung von Werkstück (5) und Industrieroboter (3) ist möglich.
Das Werkstück (5) wird von einem Fördermittel (12), z.B. einem Hängeförderer, der Arbeitsvorrichtung (2) und der Arbeitsstation (1) in Förderrichtung (41) zugeführt. Das Werkstück (5) ist mittels einer beweglichen Aufhängung (13), z.B. mehreren Seilen oder Ketten, mit dem
Fördermittel (12) verbunden und kann dadurch
unvorhergesehene und unkontrollierte Schwingbewegungen in einer oder mehreren Raumachsen ausführen. Das
Prozesswerkzeug (4) kann mit einem Fixiermittel (27) am Werkstück (5) zur Durchführung des Arbeitsprozesses angedockt werden und folgt dann diesen
Werkstückbewegungen.
Das Werkstück (5) kann einteilig oder mehrteilig (10,11) sein. In den gezeigten Ausführungsbeispielen von Figur 1 und 2 ist ein Werkstückteil (10) als Motor und ein anderes Werkstückteil (11) als Getriebe, insbesondere
Automatikgetriebe, eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Der Prozess betrifft dabei das Verschrauben eines Wandlerrads des Getriebes (11) mit dem Abtriebselement des Motors (10) . Dies geschieht innerhalb des Gehäuses, wobei die innen liegende Prozessstelle (6) oder Schraubstelle durch eine Gehäuseöffnung (8) von außen her für den Endeffektor (21) zugänglich ist. Die Gehäuseöffnung (8) kann eine Bezugsstelle für die Erfassungseinrichtung (7) bilden. Die Prozess- oder Schraubstellen (6) sind ringförmig verteilt angeordnet, wobei eine erste Schraube bereits in einer früheren Fertigungsstufe gesetzt wurde und für eine erste drehfeste Verbindung von Motor (10) und Getriebe (11) sorgt. Mittel einer Hilfsvorrichtung (9), die z.B. als steuerbar angetriebene Dreheinrichtung ausgebildet ist, können der Motor (10) und damit der Kranz von
Prozess- oder Schraubstellen (6) an der Gehäuseöffnung (8) um definierte Winkelschritte vorbei gedreht werden. Die Dreheinrichtung (9) weist z.B. eine vorstehende
Abtriebswelle auf, die mit einem Abtriebselement, z.B. der Kurbelwelle, des Motors (10) gekoppelt werden kann. Die Hilfsvorrichtung (9), insbesondere Dreheinrichtung, kann eigenständig manuell durch einen Werker (41) steuerbar oder mit der Robotersteuerung oder mit einer
Stationssteuerung verbunden sein. Zur Setzen der Schrauben (24) führt der taktile
Industrieroboter (3) Such- und Zustellbewegungen mit dem Endeffektor (21) des Prozesswerkzeugs (4) durch. Er kann insbesondere die Schrauböffnungen am Wandlerrad ertasten. Die Hilfsvorrichtung (9) ist an einer Trageinrichtung (36) bevorzugt hängend angeordnet und ist mit einer
Transportvorrichtung (37) verbunden, mittels der sie zwischen einer in Figur 1 gezeigten Ruhestellung (39) und einer in Figur 2 dargestellten Arbeitsstellung am
Werkstück (5) hin und her bewegt werden kann. Die
Transportvorrichtung (37) kann von dem Werker (40) bedient und gesteuert werden.
Der Industrieroboter (3) kann ebenfalls beweglich und mit ggf. eigener Transportvorrichtung an der Trageinrichtung (36) angeordnet sein. Er kann in seinen Fahrbewegungen bedarfsweise von dem Werker (40) bedient und gesteuert werden. Die Hilfsvorrichtung (9) und der Industrieroboter (3) können eine Koppelung (38) für eine koordinierte
Bewegung während des Arbeitsprozesses haben. Die Koppelung (38) kann steuerungstechnisch oder mechanisch ausgebildet sein. In den gezeigten Ausführungsbeispielen haben die Hilfsvorrichtung (9) und der Industrieroboter (3) eine gemeinsame Transportvorrichtung (37) und sind mit dieser in Förderrichtung (41) des Werkstücks (5) gemeinsam verfahrbar, ggf. für eine Prozess "on the fly".
Die Trageinrichtung (36) ist z.B. als Portal ausgebildet, an dessen erhabenem Querträger eine z.B. als angetriebener Fahrschlitten, Schwenkarm oder dgl . ausgebildete
Transportvorrichtung (37) angeordnet ist. An dieser ist der Industrieroboter (3) hängend montiert. Die
Transportvorrichtung (37) kann vom Werker (40) manuell betätigt werden. Sie kann alternativ vollautomatisch arbeiten . Der Industrieroboter (3) ist für eine Mensch-Roboter- Kooperation (MRK) tauglich ausgebildet. Vorzugsweise handelt es sich um einen taktilen mehrachsigen
Industrieroboter (3) mit einer bevorzugt integrierten Sensorik (20), der sensitive Eigenschaften hat und selbst einen Berührungskontakt mit dem menschlichen Körper oder anderen Hindernissen detektieren und hierauf reagieren kann. Er kann dabei z.B. stehen bleiben oder sich ggf. auch von der Kontaktstelle entfernen, insbesondere
zurückbewegen. Der taktile Industrieroboter (3) detektiert einen Berührungskontakt als äußere Belastung, die an einer Roboterposition auftritt, an der diese Belastung nicht erwartet wird. Für die Reaktion auf einen
Berührungskontakt kann es unterschiedlich hohe Belastungs¬ und Reaktionsschwellen geben. Der taktile Industrieroboter (3) kann mit dem Werker (40) in einem offenen
Arbeitsbereich ohne Zaun oder andere Maschinengrenze zusammenarbeiten. Es kann dabei auch zu schmerzfreien Kontakten kommen. Der MRK-taugliche Industrieroboter (3) kann mit dem Werker (40) kooperieren bzw. kollaborieren, ohne diesen zu verletzen. Der Industrieroboter (3) kann z.B. gemäß der DE 10 2007 063 099 AI, DE 10 2007 014 023 AI und/oder DE 10 2007 028 758 B4 ausgebildet sein. Er kann verschiedene Betriebsmodi mit unterschiedlichen Steifigkeiten bzw.
Nachgiebigkeiten seiner Roboterachsen (I-VII) haben. Dies kann z.B. ein Handführmodus, ein Positionier- oder
Suchmodus und ein Steifigkeitsmodus sein. Zwischen den Betriebsmodi kann bedarfsweise umgeschaltet werden. Eine bevorzugte und in Figur 7 dargestellte Ausführungsform wird nachstehend näher erläutert.
Das Prozesswerkzeug (4) ist in Figur 3 bis 6 dargestellt. Es weist den vorerwähnten Endeffektor (21) mit dem Antrieb (22) sowie das Magazin (23) für Arbeitsmittel (24) auf. Ferner ist ein Fixiermittel (27) vorhanden, das zum
Andocken in eine formfeste Verbindung mit dem Werkstück (5) gebracht werden kann. Das Fixiermittel (27) ist in sich beweglich und betätigbar, insbesondere steuerbar ausbildet. Es kann eine zur Festlegung am Werkstück (5) geeignete beliebige konstruktive Ausbildung haben. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Fixiermittel (27) als Spannvorrichtung ausgebildet, die zwei spreizbare Spannklauen aufweist, die formschlüssig mit dem Rand der Gehäuseöffnung (8) in Eingriff treten können. Durch die in Spannstellung bestehende formfeste Verbindung folgt das Fixiermittel (27) Bewegungen des Werkstücks (5) .
Das Prozesswerkzeug (4) weist ferner einen Anschluss (25) zur festen oder lösbaren Verbindung mit einem
Abtriebselement (18), z. B. einem Drehflansch, des
Industrieroboters (3) auf. Gegebenenfalls kann eine
Wechselkupplung zwischengeschaltet sein, die einen
automatischen Werkzeugwechsel durch den Industrieroboter (3) ermöglicht. Der Endeffektor (21) und der Antrieb (22) sind mit dem Roboteranschluss (25) verbunden und werden durch Bewegungen des Industrieroboters (3) und seiner
Roboterachsen (I-VI) relativ zum Fixiermittel (27) bewegt. Zwischen dem Roboteranschluss (25) und dem Fixiermittel (27) ist eine Führungsvorrichtung (28) mit einer oder mehreren Führungsachsen (31,32) angeordnet. Dies können rotatorische und/oder translatorische Führungsachsen sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei
translatorische, orthogonale Führungsachsen (31,32) vorhanden. Die eine Führungsachse (32) ist längs des
Endeffektors (21) ausgerichtet und bildet eine
Zustellachse für dessen Vorschub. Die andere Führungsachse (31) erlaubt seitliche Bewegungen des Endeffektors (21) zum Suchen der Prozessstelle (6), insbesondere der
Schrauböffnung .
Die Führungsvorrichtung (28) weist zur Bildung der
Führungsachse (n) (31,32) ein oder mehrere Führungselemente (29,30) auf. Diese sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als Schlittenführungen ausgebildet. Durch die orthogonale Achsanordnung ist die Führungsvorrichtung (28) als
Kreuzschlitten ausgestaltet.
In einer anderen Ausführungsform kann die Zahl der
Führungsachsen größer sein und z. B. drei oder vier betragen. Hierbei kann z. B. eine zusätzliche lineare Schlittenachse und eine Schwenkachse vorhanden sein. Diese ermöglichen eine mehrachsige Verstellung und Lageänderung des Endeffektors (21) innerhalb der Gehäuseöffnung (8) .
Der Endeffektor (21) ragt durch das Fixiermittel (27) und durch den zwischen den Spannklauen gebildeten Freiraum. Der Endeffektor (21) kann mehrachsig in diesem Freiraum durch die Roboterbewegungen bewegt werden.
Das Prozesswerkzeug (4) weist ferner ein Gestell oder Gehäuse (26) auf, welches mit dem Fixiermittel (27) verbunden ist. An dem Gestell oder Gehäuse (26) ist auch eine Bedieneinrichtung (33) angeordnet, die z.B. zwei Griffe aufweist, mit denen der Werker (40) das Prozesswerkzeug (4) bewegen und führen kann, wenn der Industrieroboter (3) auf den Betriebsmodus Handführung mit Nachgiebigkeit der Roboterachsen (I-VII) geschaltet ist. An den Griffen können Taster oder andere Schaltelemente angeordnet sein, mit denen der Werker (40) das
Fixiermittel (27) zur Einnahme von Fixier- oder
Ruhestellung betätigen kann.
Zur Durchführung der gezeigten Wandlerverschraubung bewegt der Werker (40) durch Handsteuerung die Hilfsvorrichtung (9) und den gekoppelten Industrieroboter (3) aus der in Figur 1 gezeigten Ruhestellung (39) in die Arbeitsstellung gemäß Figur 2 an dem in die Arbeitsstation (1)
eingeführten Werkstück (5) . Hierbei wird die
Hilfsvorrichtung (9) mit dem Motor (10) in funktionalen, drehschlüssigen Eingriff gebracht. Der Industrieroboter (3) nimmt dabei eine kollisionsfreie Rückzugposition ein. Anschließend dockt der Werker (40) das Prozesswerkzeug (4) an der Bezugsstelle bzw. Gehäuseöffnung (8) an, in dem er im vorbeschriebenen Handführmodus das Prozesswerkzeug (4) bewegt und das Fixiermittel (27) in die Gehäuseöffnung (8) einführt und betätigt. Der Werker (40) lässt dann das Prozesswerkzeug (4) los, was detektiert wird, sodass anschließend der Arbeits- oder Schraubprozess starten und voll automatisch ablaufen kann. Das besagte Andocken und der Schraubprozess können bei ruhendem Werkstück (5) oder bei in Transporterrichtung (41) bewegtem Werkstück (5) "on the fly" durchgeführt werden. Beim Arbeits- oder Schraubprozess führt der
Industrieroboter (3) Bewegungen entlang einer
programmierten Bahn durch. Falls das Werkstück (5) sich bei oder nach dem Andocken relativ zum Industrieroboter (3) bewegt, was durch die Führungseinrichtung (28) möglich ist, werden diese Relativbewegungen durch die
Erfassungseinrichtungen (7) detektiert. Hierbei kann eine messtechnische Erfassung und Auswertung der Relativbewegung nach Richtung und Größe erfolgen. Die ermittelte Relativbewegung wird der programmierten Bahn des Industrieroboters (3) überlagert, sodass bei der
Ausführung des Arbeits- und Schraubprozesses die
Relativbewegungen kompensiert werden.
Bei der in Figur 2 bis 6 gezeigten Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung (7) in das Prozesswerkzeug (4) integriert. Sie weist daher eine Messeinrichtung (35) auf, die an einer Führungsachse (31,32) der Führungsvorrichtung (28) angeordnet ist und dabei Bewegungen entlang der
Führungsachse (31,32) relativ zu einem Anschlag misst. Die Messeinrichtung (35) kann ein oder mehrere Sensoren aufweisen, die eine Bewegung entlang der besagten
Führungsachse (31,32) in einem übergeordneten
Koordinatensystem aufnehmen und an die Robotersteuerung melden. Der Industrieroboter (3) ist ebenfalls in diesem Koordinatensystem referenziert . Die Messeinrichtung (35) kann mehreren Führungsachsen
(31,32) zugeordnet sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Wandlerverschraubung genügt eine Zuordnung zu der Führungsachse (31), welche in Andockstellung tangential zu dem Wandlerrad ausgerichtet ist und die Suchachse für die Detektion der Schrauböffnung in Umfangsrichtung des
Wandlerrads darstellt.
Zu Beginn des Arbeits- oder Schraubprozesses bewegt der Industrieroboter (3) den Endeffektor (21) zum Magazin (23), nimmt dort eine Schraube (24) auf und bewegt diese dann durch die Gehäuseöffnung (8) zum Wandlerrad und sucht durch mechanisches Tasten die Prozessstelle (6) bzw. die Schrauböffnung. Hierbei kann zunächst mit der
aufgesteckten Schraube (24) die bereits vorhandene erste Schraube am Wandlerrad als Ausgangsstellung gesucht werden. Von dieser ersten Schraube aus ist die Position der benachbarten freien Schrauböffnung bekannt und kann schneller und einfacher angefahren werden. Sie kann alternativ direkt gesucht werden. Beim Suchen kann der taktile Industrieroboter (3) mechanische Widerstände durch eine bevorzugt integrierte und Belastungen aufnehmende Sensorik (20) erfassen und deren Lage über die Position der Roboterachsen (I-VII) beim Berührungskontakt
detektierten . Mit einer entsprechenden Suchstrategie und einem im Such- oder Positioniermodus befindlichen
Industrieroboter (3) können dadurch die Bezugsstellen oder Schrauböffnungen (6) bzw. die erste gesetzte Schraube taktil gesucht und gefunden werden. Anschließend kann der Schraubantrieb (22) eingeschaltet werden und die Schraube (24) eindrehen, wobei etwaige kleinere Positionsfehler durch den Industrieroboter (3) detektiert und noch
ausgeglichen werden können.
Zum Setzen der nächsten Schraube (24) wird diese in der vorbeschriebenen Weise mit dem Endeffektor (21)
aufgenommen und vorpositioniert. Das Wandlerrad wird mit der angetriebenen Dreheinrichtung (9) um einen definierten Winkel weitergedreht, was vollautomatisch über die
Robotersteuerung oder über manuelle Bedienung durch den Werker (40) erfolgen kann. Die zweite Schraube (24) wird dann in der vorbeschriebenen Weise nach Suchen der
Schrauböffnung eingesetzt und angezogen. Dieser Vorgang wiederholt sich für alle restlichen Schraubstellen.
Falls es durch die Dreheinrichtung (9) zu
Relativbewegungen des Werkstücks (5) gegenüber dem in Position verharrenden Industrieroboter (3) kommen sollte, werden diese mit der beschriebenen Erfassungseinrichtung (7) detektiert, sodass die programmierte Bahn für die Suchfahrt des Industrieroboters (3) entsprechend
korrigiert werden kann. Nach Beendigung des Arbeits- und Schraubprozesses greift der Werker (40) erneut das Prozesswerkzeug (4) und löst das Fixiermittel (27) . Der Industrieroboter (3) ist dabei in den Betriebsmodus der Handführung geschaltet.
Anschließend kann der Industrieroboter (3) in die
beschriebene Rückzugsstellung durch Handführung des
Werkers (40) oder durch programmierte Eigenbewegung gebracht werden. Eine Variante der Erfassungseinrichtung (7) ist in Figur 1 dargestellt. Sie weist ein externes Kamerasystem (34) auf, welches auf das besagte übergeordnete Koordinatensystem referenziert ist. Das Kamerasystem (34) kann sich an der Transportvorrichtung (37) befinden. Es kann alternativ an anderer und bekannter Position im Raum, insbesondere an der Trageinrichtung (36) stationär oder ggf. kontrolliert beweglich angeordnet sein. Das Werkstück (5) kann eine oder mehrere Markierungen (42) im Sichtbereich des
Kamerasystems (34) aufweisen. Die Markierung (en) (42) haben eine bekannte Position am Werkstück (5) . Hierüber kann das Kamerasystem (34) die Ist-Position des Werkstücks (3) und evtl. Relativbewegungen räumlich und mit allen sechs Raumachsen detektieren und messtechnisch auswerten. Die Ableitung der Bahnkorrektur kann in der
vorbeschriebenen Weise erfolgen.
Die Arbeitsstation (1) weist die vorerwähnte und bevorzugt portalartige Trageinrichtung (36) sowie das vorgenannte Fördermittel (12) für ein oder mehrere Werkstücke (5) auf. Die Arbeitsstation (1) kann in eine Fertigungslinie mit einer Reihe von mehreren Arbeitsstationen integriert sein.
Die Arbeitsvorrichtung (2) kann flexibel und für
unterschiedliche Arten oder Typen von Werkstücken, z.B. unterschiedliche Motor /Getriebe-Kombinat ionen ausgebildet sein, die durch Ablesen eines Codes, z.B. Barcodes, durch Information von einer übergeordneten Steuerung oder auf andere Weise identifiziert werden. Das Programm des
Industrieroboters (3) und evtl. andere Komponenten der Arbeitsvorrichtung (2) werden entsprechend adaptiert. Das Prozesswerkzeug (4) kann ebenfalls adaptierbar sein, z.B. durch Erweiterung der Führungsachsen (31,32) . Es kann ggf. an einem Magazin gewechselt werden.
Der Industrieroboter (3) weist mehrere, z.B. drei, vier oder mehr, bewegliche und miteinander verbundene Glieder (14,15,16,17) auf. Die Glieder (14,15,16,17) sind
vorzugsweise gelenkig und über drehende Roboterachsen I- VII miteinander und mit einem Sockel verbunden. Der Sockel kann einen in Figur 5 gezeigten Anschluss für
Betriebsmittel haben. Es ist ferner möglich, dass einzelne Glieder (16,16) mehrteilig und in sich beweglich,
insbesondere um die Längsachse verdrehbar, ausgebildet sind .
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Industrieroboter (3) als Gelenkarm- oder Knickarmroboter ausgebildet und weist sieben angetriebene Achsen bzw. Bewegungsachsen I- VII auf. Die Achsen I-VII sind mit der Robotersteuerung verbunden und können gesteuert und ggf. geregelt werden. Das abtriebsseitige Endglied (17) des Roboters (3) ist z.B. als Roboterhand ausgebildet und weist das um eine
Drehachse (19) drehbare Abtriebselement (18), z.B. einen Abtriebsflansch, auf. Die Drehachse (19) bildet die letzte Roboterachse VII. Durch ein ggf. hohles Abtriebselement (18) und ggf. andere Roboterglieder (14,15,16,17) können eine oder mehrere Leitungen für Betriebsmittel, z.B.
Leistungs- und Signalströme, Fluide etc. geführt sein und am Flansch (18) nach außen treten sowie zum
Prozesswerkzeug (4) geführt sein. Der Industrieroboter (3) weist ein mit dem Untergrund, insbesondere der Transportvorrichtung (37), über einen Sockel verbundenes Basisglied (14) und das vorerwähnte Endglied (17) sowie zwei Zwischenglieder (15,16) auf. Die Zwischenglieder (15,16) sind mehrteilig und in sich verdrehbar mittels Achsen (III) und (V) ausgebildet. Die Zahl der Zwischenglieder (15,16) kann alternativ kleiner oder größer sein. In weiterer Abwandlung können einzelne oder alle Zwischenglieder (15,16) in sich drehfest und ohne zusätzliche Achse ausgebildet sein. Die Glieder
(14,15,16,17) können eine gerade oder gemäß Figur 7 abgewinkelte Form haben. Der Industrieroboter (3) kann gemäß Figur 1 und 2 hängend oder alternativ stehend angeordnet sein.
Die Roboterachsen I-VII weisen jeweils ein Achslager, z.B. Drehlager bzw. ein Gelenk, und einen hier zugeordneten und integrierten steuerbaren, ggf. regelbaren Achsantrieb, z.B. Drehantrieb, auf. Außerdem können die Roboterachsen I-VII eine Steuer- oder schaltbare Bremse und die ggf. redundante Sensorik (20) haben. Die in Figur 7 schematisch angedeutete Sensorik kann integriert sein und kann z.B. einen oder mehrere Sensoren an einer oder mehreren
Roboterachsen (I-VII) aufweisen. Diese Sensoren können gleiche oder unterschiedliche Funktionen haben. Sie können insbesondere zum Erfassen von einwirkenden Belastungen, insbesondere von Momenten, ausgebildet sein. Sie können ferner Drehbewegungen und ggf. Drehpositionen detektieren. In einer anderen Ausführungsform kann eine solche mit der Robotersteuerung verbundene Sensorik am Industrieroboter (3) extern angebaut sein, z.B. am Abtriebselement (18) oder am Prozesswerkzeug (4) .
Die vorgenannte Kraftsteuerung oder Kraftregelung der Roboterachsen (I-VII) bezieht sich auf die Wirkung nach außen am Abtriebselement (18) des Endglieds (17) sowie auf die dort einwirkenden Reaktionskräfte. Roboterintern findet an den drehenden Achsen oder Achsantrieben eine Momentensteuerung oder Momentenregelung statt. Der Industrieroboter (3) kann für die MRK-Tauglichkeit eine oder mehrere nachgiebige Achsen (I - VII) bzw.
nachgiebige Achsantriebe mit einer Nachgiebigkeitsregelung haben. Die Nachgiebigkeitsregelung kann eine reine
Kraftregelung oder eine Kombination aus einer Positionsund einer Kraftregelung sein. Eine solche nachgiebige Achse vermeidet Unfälle mit Personen und Crashs mit
Gegenständen im Arbeitsbereich durch Kraftbegrenzung und ggf. Stillstand oder federndes Ausweichen im Fall
unverhergesehener Kollisionen. Sie kann andererseits in verschiedener Hinsicht für den Arbeitsprozess vorteilhaft genutzt werden.
Einerseits kann die ggf. federnde Ausweichfähigkeit des Industrieroboters (3) zum Heranführen und Positionieren bzw. Andocken des Prozesswerkzeugs (4) am Werkstück (5) sowie zum manuellen Teachen und Programmieren benutzt werden. Über eine Belastungserfassung mit der
Robotersensorik an den Achsen (I - VII) kann außerdem das Suchen und Finden der Arbeitsposition des Prozesswerkzeugs (3) am Werkstück (5) unterstützt und erleichtert werden. Auch Winkelfehler in der Relativstellung der Glieder
(14,15,16,17) können detektiert und bedarfsweise
korrigiert werden. Eine oder mehrere nachgiebige Achsen sind außerdem zum Nachführen des Prozesswerkzeugs (3) entsprechend des Vorschubs vorteilhaft. Der
Industrieroboter (3) kann außerdem bedarfsweise eine definierte Andrück- oder Zugkraft aufbringen. In den verschiedenen Fällen kann auch eine Gewichtskompensation erfolgen.
Der dargestellte Industrieroboter (3) kann als
Leichtbauroboter ausgebildet sein und aus
leichtgewichtigen Materialien, z.B. Leichtmetallen und Kunststoff bestehen. Er hat auch eine kleine Baugröße. Das in seiner Konstruktion und Funktion vereinfachte
Prozesswerkzeug (3) hat ebenfalls ein geringes Gewicht. Der Industrieroboter (3) mit seinem Prozesswerkzeug (4) ist dadurch insgesamt leichtgewichtig und kann ohne größeren Aufwand transportiert und von einem Einsatzort zum anderen verlegt werden. Das Gewicht von
Industrieroboter (3) und Prozesswerkzeug (3) kann unter 50 kg, insbesondere bei ca. 30 kg, liegen. Durch die
Möglichkeit des manuellen Teachens kann die
Arbeitsvorrichtung (2) schnell und einfach programmiert, in Betrieb genommen und an unterschiedliche Prozesse angepasst werden.
Der programmierbare Industrieroboter (3) ist mit einer internen oder externen Robotersteuerung verbunden, an die auch die Erfassungseinrichtung (7), die
Transportvorrichtung (37) und die Hilfsvorrichtung (99 angeschlossen sein können. Die Robotersteuerung weist eine Recheneinheit, einen oder mehrere Speicher für Daten oder Programme sowie Eingabe- und Ausgabeeinheiten auf. Die Robotersteuerung kann prozessrelevante Daten, z.B.
Sensordaten, speichern und für eine Qualitätskontrolle und -Sicherung protokollieren.
Abwandlungen der gezeigten und beschriebenen
Ausführungsformen sind in verschiedener Weise möglich. Zum einen können die Merkmale der Ausführungsbeispiele und Ihrer Abwandlungen beliebig miteinander kombiniert und auch ausgetauscht werden.
Der Industrieroboter (3) kann ggf. eine oder mehrere positionsgesteuerte Roboterachsen ohne Kraftsteuerung bzw. -regelung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich zu der bevorzugten, in ein oder mehrere Glieder (14,15,16,17) integrierten Sensorik (20), kann eine extern am Roboter (3) oder am Prozesswerkzeug (4) angeordnete Senorik eingesetzt werden. Diese kann z.B. Sensoren aufweisen, die berührungslos Gegenstände im Roboterarbeitsbereich
erfassen. Dies können beispielsweise kapazitive oder induktive Sensoren sein. Die MRK-Tauglichkeit kann durch eine andere Roboterausbildung, z.B. mit der vorgenannten externen Sensorik, einer optischen
Arbeitsbereichsüberwachung oder auf andere Weise erreicht werden.
Der Industrieroboter (3) kann ferner eine andere Zahl und Ausbildung seiner Glieder und Roboterachsen haben. Er kann eine beliebige Zahl und Kombination von rotatorischen und/oder translatorischen Roboterachsen mit entsprechenden Achsantrieben besitzen.
Die Ausbildung und Funktion des Prozesswerkzeugs (4), insbesondere des Endeffektors (21) und des Fixiermittels (27), können variieren.
Die Arbeitsvorrichtung (2) kann zwei oder mehr
Industrieroboter (3) aufweisen, die ggf. kooperieren. Die Bezugsstelle (8) für den durchzuführenden Arbeitsprozess kann in anderer Weise ausgebildet sein, z. B. als
Anschlag. Auch die Arbeits- oder Prozessstelle (6) kann eine andere Lage und Ausbildung am Werkstück (5) haben. Sie kann auch mehrfach vorhanden sein. Die
Hilfsvorrichtung (9) kann ebenfalls abgewandelt werden, wobei sie z. B. eine Bewegungseinrichtung mit einer anderen, insbesondere linearen, Kinematik sein kann. Eine Hilfsvorrichtung (9) kann mehrfach vorhanden sein. Sie kann außerdem entfallen.
BEZUGS ZEICHENLISTE
1 Arbeitsstation
2 Arbeit sVorrichtung
3 Roboter, taktiler Roboter, Leichtbauroboter
4 Prozesswerkzeug, Fügewerkzeug, Schrauber
5 Werkstück
6 Arbeitsstelle, Prozessstelle
7 Erfassungseinrichtung
8 Gehäuseöffnung, Bezugsstelle
9 HilfsVorrichtung, Dreheinrichtung
10 Werkstückteil, Motor
11 Werkstückteil, Automatikgetriebe
12 Fördermittel für Werkstück
13 Aufhängung
14 Glied, Basisglied
15 Glied, Zwischenglied
16 Glied, Zwischenglied
17 Glied, Endglied, Hand
18 Abtriebselement, Abtriebsflansch, Drehflansch
19 Drehachse
20 Sensorik
21 Endeffektor, Schraubspindel
22 Antrieb, Schraubantrieb
23 Magazin
24 Arbeitsmittel, Schraube
25 Roboteranschluss
26 Gestell, Gehäuse
27 Fixiermittel, Spannvorrichtung
28 Führungsvorrichtung
29 Führungselernent , Schlittenführung
30 Führungselernent , Schlittenführung
31 Führungsachse
32 Führungsachse, Zustellachse
33 Bedieneinrichtung, Griff
34 Kamerasystem
35 Messeinrichtung an Führungsachse Trageinrichtung, Portal Transportvorrichtung Koppelung
Ruhestellung
Werker
Förderrichtung
Markierung, Bezugsstelle II Achse von Roboter

Claims

PATENTANSPRÜCHE Arbeitsvorrichtung mit einem mehrgliedrigen
(14,15,16,17) taktilen und für eine Mensch-Roboter- Kooperation oder -Kollaboration (MRK) tauglichen Industrieroboter (3), der ein Prozesswerkzeug (4) mit einem Endeffektor (21) zur Durchführung eines Arbeitsprozesses an einem beweglich gehaltenen
Werkstück (5) trägt, wobei die Arbeitsvorrichtung (2) eine mit dem Industrieroboter (3) verbundene Erfassungsvorrichtung (7) zur Detektion von
unvorhergesehenen Bewegungen des Werkstücks (5) beim Arbeitsprozess aufweist und wobei das
Prozesswerkzeug (4) ein betätigbares Fixiermittel (27) zur formfesten Verbindung mit dem Werkstück (5) aufweist . Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass das
Prozesswerkzeug (4) einen Anschluss (25) zur
Verbindung mit einem Abtriebselement (18) des
Industrieroboters (3) aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das
Prozesswerkzeug (4) eine zwischen dem Fixiermittel (27) und dem Anschluss (25) angeordnete
Führungsvorrichtung (28) mit einer oder mehreren Führungsachsen (31,32) aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Führungsvorrichtung (28) ein oder mehrere
Führungselemente (29,30), insbesondere
Schlittenführung (en) , aufweist. Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Endeffektor (21), insbesondere eine
Schraubspindel, mit dem Anschluss (25) verbunden ist und mittels der Führungsvorrichtung (28) relativ zum Fixiermittel (27) bewegbar ist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Prozesswerkzeug (4) eine Bedieneinrichtung (33) zum manuellen Führen des Prozesswerkzeugs (4) und zum Betätigen des Fixiermittels (27) aufweist.
7. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Fixiermittel (27) als steuerbare
Spanneinrichtung ausgebildet ist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Fixiermittel (27), insbesondere die
Spanneinrichtung, für eine formschlüssige Verbindung mit einer Bezugsstelle (8), insbesondere einer
Gehäuseöffnung, an einem Werkstück (5) ausgebildet ist .
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Fixiermittel (27), insbesondere die
Spanneinrichtung den Endeffektor (21), insbesondere eine Schraubspindel, des Prozesswerkzeugs (4) mit seitlichem Abstand umgibt.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Arbeitsvorrichtung (2) eine Hilfsvorrichtung (9) zur Prozessunterstützung aufweist.
11. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Hilfsvorrichtung (9) als steuerbare,
angetriebene Bewegungseinrichtung, insbesondere Dreheinrichtung, für ein Werkstück (5) oder ein Werkstückteil (10) ausgebildet ist.
12. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Dreheinrichtung (9) eine mit einem Motor (10), insbesondere dessen Kurbelwelle, verbindbare
Abtriebswelle aufweist. 13.) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Hilfsvorrichtung (9) an einer bevorzugt
stationären Trageinrichtung (36) beweglich
angeordnet ist.
14. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Industrieroboter (3) an einer bevorzugt
stationären Trageinrichtung (36) beweglich
angeordnet ist.
15. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Arbeitsvorrichtung (2) eine Koppelung (38) zwischen dem Industrieroboter (3) und der
Hilfsvorrichtung (9), insbesondere eine gemeinsame Transportvorrichtung (37), für deren koordinierte Bewegung aufweist. 16.) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Bewegung des Industrieroboters (3) und ggf. der Hilfsvorrichtung (9) mit einer Förderbewegung des Werkstücks (5) für einen Arbeit sprozess on the fly koppelbar, insbesondere synchronisierbar, ist. 17.) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erfassungseinrichtung (7) mit der
Robotersteuerung des Industrieroboters (3) verbunden ist .
18. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erfassungseinrichtung (7) ein externes
Kamerasystem aufweist.
19. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erfassungseinrichtung (7) eine an einer
Führungsachse (31,32) der Führungsvorrichtung (28) angeordnete Messeinrichtung (35) aufweist.
20. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Industrieroboter (3) mindestens eine nachgiebige Roboterachse (I - VII) mit einer
Nachgiebigkeitsregelung, insbesondere einer reinen Kraftregelung oder einer Kombination aus Positionsund Kraftregelung, aufweist. 21.) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Industrieroboter (3) eine integrierte Sensorik (20) mit einem oder mehreren Sensoren, insbesondere Kraft- oder Momentensensoren, an einer oder mehreren Roboterachsen (I - VII) aufweist.
22.) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Industrieroboter (3) verschiedene, umschaltbare Betriebsmodi mit unterschiedlicher Steifigkeit seiner Roboterachsen (I - VII) aufweist.
23. ) Arbeitsstation mit einer Arbeitsvorrichtung (2), die einen mehrgliedrigen (14,15,16,17) taktilen und für eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) tauglichen Industrieroboter (3) aufweist, der ein
Prozesswerkzeug (4) mit einem Endeffektor (21) zur Durchführung eines Arbeitsprozesses an einem
beweglich gehaltenen Werkstück (5) trägt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Arbeitsvorrichtung (2) nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 22 ausgebildet ist.
24. ) Arbeitsstation nach Anspruch 23, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die Arbeitsstation (1) eine Trageinrichtung (36), insbesondere ein
Portal, aufweist.
25.) Arbeitsstation nach Anspruch 23 oder 24, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Arbeitsstation (1) ein Fördermittel für ein
Werkstück (5) aufweist.
26.) Arbeitsstation nach Anspruch 23, 24 oder 25, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Transportvorrichtung (37) für den Industrieroboter
(3) und/oder die Hilfsvorrichtung (9) und ein
Fördermittel für ein Werkstück (5) für die Bewegung in einer gemeinsamen Förderrichtung (41)
synchronisiert sind. Verfahren zur Durchführung eines Arbeitsprozesses, wobei ein mehrgliedriger (14,15,16,17) taktiler und für eine Mensch-Roboter-Kooperation oder - Kollaboration (MRK) tauglicher Industrieroboter (3) ein Prozesswerkzeug (4) mit einem Endeffektor (21) trägt und damit einen Arbeitsprozess an einem beweglich gehaltenen Werkstück (5) durchführt, wobei unvorhergesehene Bewegungen des Werkstücks (5) beim Arbeitsprozess durch eine mit dem Industrieroboter (3) verbundene Erfassungsvorrichtung (7) detektiert werden und wobei das Prozesswerkzeug (4) mittels eines betätigbaren formfesten Fixiermittels (27) mit dem Werkstück (5) verbunden wird. 28.) Verfahren nach Anspruch 27, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Erfassungsvorrichtung (7) die Werkstückbewegungen relativ zum Industrieroboter (3) messtechnisch erfasst und nach Richtung sowie Größe auswertet.
29. ) Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Erfassungsvorrichtung (7) mit der Robotersteuerung des Industrieroboters (3) verbunden ist, wobei die programmierte Bahn des Industrieroboters (3) anhand des Messergebnisses korrigiert wird.
30. ) Verfahren nach Anspruch 27, 28 oder 29, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass der
Industrieroboter (3) mit verschiedenen,
umschaltbaren Betriebsmodi mit unterschiedlicher Steifigkeit seiner Roboterachsen (I - VII) betrieben wird . 31.) Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 30,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der
Industrieroboter (3) für ein Andocken am Werkstück (5) manuell geführt wird und der eigentliche
Roboter-Arbeitsprozess dann vollautomatisch oder teilautomatisch und unter Personenschutz ausgeführt wird .
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