WO2015097107A1 - Verfahren zum automatisierten drehfügen und/oder drehlösen von bauteilen, sowie zugehöriger industrieroboter und automatisierter montagearbeitsplatz - Google Patents

Verfahren zum automatisierten drehfügen und/oder drehlösen von bauteilen, sowie zugehöriger industrieroboter und automatisierter montagearbeitsplatz Download PDF

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WO2015097107A1 PCT/EP2014/078897 EP2014078897W WO2015097107A1 WO 2015097107 A1 WO2015097107 A1 WO 2015097107A1 EP 2014078897 W EP2014078897 W EP 2014078897W WO 2015097107 A1 WO2015097107 A1 WO 2015097107A1
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torque
joint
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PCT/EP2014/078897
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Simon Klumpp
Matthias Reichenbach
Otmar Honsberg
Kurt Strauss
Anna Maier
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Kuka Systems Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the invention relates to a method for the automated rotary joining and / or rotation of components, in particular machine elements, such as screws or nuts, on a workpiece by means of a tool, in particular a screw ⁇ tool, of a multiple successive Glie ⁇ and joints having manipulator arm of a Industrial robot is handled.
  • the invention also relates to an associated industrial robot and an automated assembly workstation with such an industrial robot.
  • a working device into ⁇ particular a screw for rotational joining and / or rotational loosening of turned parts, in particular screws or nuts is known, with a multi-member robot with a abortifacient axis of rotation, wherein the robot at its end member an independently driven rotary device carries with a rotary tool, in which the rotating device for fast ⁇ len turning or turning a rotating part is provided and formed, wherein the robot, in particular its end ⁇ member, for tightening or loosening of the rotating part vorgese ⁇ hen and is formed.
  • the object of the invention is to provide a method for automated rotary lathing and / or rotary eyelets, and a corresponding industrial robot and an automated assembly workstation, automated in the components, in particular Ma ⁇ machine elements, such as screws or nuts by a guided by a manipulator tool with high Tightening torque can be tightened and / or solved.
  • the object of the invention is achieved by a method for the automated rotary joining and / or rotation of components, in particular machine elements, such as screws or nuts, on a workpiece by means of a tool, in particular a screwing tool, by a successive alsei ⁇ nander following members and Joints having Manipula ⁇ torarm an industrial robot is handled, comprising the steps: positive and / or non-positive attachment of the handled by the manipulator tool to the nadostügende and / or moslösösende component,
  • the component may be a screw which is to be screwed into a threaded bore of the workpiece.
  • the component can play but examples, also be a threaded nut which is screwed onto a threaded stud of the workpiece, ⁇ example, be another component to be attached to the workpiece by means of the nut.
  • the rotary joining can also be, for example, a closure of a bayonet connection, a clamping of a shaft / hub connection with a splined profile or even a locking by a lever movement.
  • an automated rotary eyelet can generally be understood to mean a release of a component from a workpiece, in which the release is effected using a
  • the component may be a screw Cellular Movement ⁇ ben out of a threaded bore of the workpiece.
  • the component may also be a threaded nut, but for example, which is screwed onto a threaded stud of the workpiece and to be released, for example, a fixed component of the work piece to remove ⁇ .
  • the rotary joining can also be, for example, an opening of a bayonet connection, a relaxation of a shaft / hub connection with a splined profile or even a release by a lever movement.
  • the component can thus in particular be a machine element , such as a screw or a nut.
  • the tool may be generally configured to hold one of said components, to hold and / or rotate so that it rotatably joined automated and / or rotational dissolved who can ⁇ .
  • the tool may in particular be a screwing tool.
  • the tool can therefore already be formed by a wrench, a fork or ring wrench or even a screwdriver, which, for example, attracts or loosens the screw or nut.
  • the tool can therefore already be formed by a wrench, a fork or ring wrench or even a screwdriver, which, for example, attracts or loosens the screw or nut.
  • Wrench be an active screwdriver, which has its own drive, for example, on the screwdriver shaft ⁇ attachable sockets (sockets) carries.
  • Manipulator arms with associated robot controls are working machines that can be equipped with tools for the automatic handling and / or machining of objects and that can be programmed in several axes of motion, for example with regard to orientation, position and workflow.
  • Industrial robots usually comprise a manipulator arm with several joints associated members and programmable Robotersteue ⁇ extensions (control means) that automatically controlled or regulated during operation, the movements of the manipulator arm.
  • the links are drives, in particular electrical drives, which are angesteu ⁇ ert from the robot controller, in particular with respect to the movement axes of the industrial robot, which represent the degrees of motion of the joints moved.
  • a manipulator arm having multiple links connected by joints may be configured as an articulated robot having a plurality of links and joints arranged serially one after the other, in particular it may be configured as a redundant industry device. have a manipulator arm with seven or more joints.
  • manipulator arms with associated robot controllers such as industrial robots can, in particular so-called lightweight be construction robots that differ first from conventional industrial robots in that they have a beneficial for the man-machine cooperative size and thereby a relatively high to their own weight bearing capacity ⁇ point.
  • lightweight robots can in particular also force and / or torque-controlled instead of only position ⁇ controlled operation, which makes, for example, a human-robot cooperation safer.
  • Such a manipulator arm or such a lightweight robot usually has more than six degrees of freedom, so that in this respect an over-determined system is created, whereby the same point in space in the same orientation in several, especially even infinitely many different poses of the manipulator arm can be achieved.
  • the lightweight robot can react to external forces in appropriate ways. For force measurement, force sensors can be used which can measure forces and torques in all three spatial directions.
  • the external forces can also be estimated without sensors, for example based on the measured motor currents of the drives at the joints of the lightweight robot.
  • a control concepts for example, an indirect force control by Mo ⁇ delltechnik the lightweight robot as a mechanical resistance (impedance) or a direct force control can be used.
  • the industrial robot can be a redundant industrial robot, which is understood to mean a manipulator arm which can be moved by means of a robot controller and has more manipulatory degrees of freedom than are necessary for the fulfillment of a task.
  • the degree of Re ⁇ dancy results from the difference in the number of degrees of freedom of the manipulator arm and the dimension of the EVENT ⁇ nisraums in which the task is to be solved.
  • ⁇ a kinematic redundancy or a task-redundancy-specific action in order to there.
  • ⁇ mean the number of joints of the manipulator arm, is greater than the event space which translational in a real environment at a movement in space by three, and the three rotational degrees of freedom, that is of six Free ⁇ degrees of freedom is formed.
  • a redundant industrial robot may therefore be, for example, a lightweight robot with seven joints, in particular seven hinges.
  • the dimension of the task position is smaller than the number of kinematic degrees of freedom of the manipulator arm. This is for example the case when the manipulator arm carrying a tool is rotatable about a drive axis screw ⁇ tool at its hand flange and one of the rotary joints of the manipulator arm is oriented along the tool drive shaft.
  • the joints of the Manipula ⁇ torarms are parameterized in terms of their rigidity, ie each joint is controlled by the robot controller in a manner that is modeled on a spring, so that in dependence of a path difference, in the case of swivel joints as a function of a change in the angle of rotation at the joint, to the parameterized, ie control-based preset spring stiffness, an associated force on the joint. adjusts the steering or a corresponding force by driving the drives of the joints by means of the robot controller as a torque corresponding to the desired force is applied to the joint ⁇ .
  • the force- and / or torque-controlled driving of drives of the manipulator arm can take place by means of impedance regulation or admittance control.
  • a positive and / or non-positive-locking attachment of the perform being handled by the manipulator tool to the hemzuhegende and / or roszulösende construction ⁇ part is first a positive and / or non-positive-locking attachment of the perform being handled by the manipulator tool to the nadozuhegende and / or roszulösende construction ⁇ part.
  • a frictional attachment can for example be given if the tool is a pair of pliers, which attaches to the component, such as a nut by means of clamping force.
  • a rotation of the component takes place by means of the tool while applying a torque to the component.
  • torque can be applied to the component, either in a rigid tool in that the manipulator arm moves relative to the member in a rotary motion or with an active tool in that a rotatable mounted to the tool the tool tip, such as a plug-on ⁇ socket , is rotated by a separate drive of the tool.
  • a rotation of the active tool with its own drive can also be combined with a rotary movement of the manipulator arm, which additionally rotates the entire tool.
  • supporting a reaction torque introduced into the manipulator arm on the basis of torque applied to the manipulator arm by means of the control device of the industrial robot is controlled in such a way that at least one joint, which in comparison to at least one the other joints can be loaded with a lesser Maxi ⁇ malcardmoment type of construction, is configured with a lower Steifig ⁇ ness, as the at least directing a different overall parameterized in its stiffness, can Bautei ⁇ le, in particular machine elements, such as screws or Mut ⁇ tern be tightened and / or loosened automatically by a tool guided by a manipulator arm with high tightening torque.
  • such components can be tightened and / or loosened with a high tightening torque, which could not be tightened and / or released in the case of conventional parameterization of the joints of the manipulator arm with the same rigidity at all joints.
  • the application of the manipulator arm is increased.
  • a joint that type of construction can be loaded with a lower Maxi ⁇ malcardmoment than other joints can, in other words, referred to as a weak joint ⁇ to.
  • a joint that can be loaded with a higher maximum torque by design than other joints can, in other words, also be called a strong joint.
  • the pose of the Manipu ⁇ latorarm can also change automatically, whereby in such a new pose the one and the plurality of weak joints only a minor proportion of the reaction moments record the unrecorded residual torque to the other, strong joints automatically.
  • a serial kinematics ie a manipulator arm with alternately successive limbs and joints be assumed that the so-called metacarpophalangeal joints, so that one foot or base frame of the manicure are strong joints pulatorarms near joints, which bauartbe ⁇ dingt the highest maximum torque be able to record.
  • a force- and / or torque-controlled driving of the joints of the manipulator arm can be done by means of impedance control or admittance control.
  • An impedance control is based on an existing torque control at the joint level, in contrast to an admittance control. It will be the deviation of the actual location of a defined target position measured and a desired generalizations ⁇ yerte force or forces and moments determined according to the desired dynamic behavior. This force can be mapped via the known kinematics of the manipulator arm to corresponding joint torques. The torques can be set via the subordinate Drehmo ⁇ torque control eventually.
  • An admittance control is based on an existing position control of the manipulator arm at the joint level.
  • the generalized forces acting on the manipulator arm from the outside must be measured. Starting from these forces becomes one, the desired dynamic behavior corresponding, movement of the manipulator determines which is commanded via an inverse kinematics and the subordinate position ⁇ control to the manipulator.
  • the stiffness of the at least one joint which bauartbe ⁇ dingt with a lower maximum torque load can be at least reduced so far that only a reaction torque share of this articulation of the introduced into the manipulator reaction torque drops, which in addition to ⁇ together with possible at this Joint-acting other torque components is smaller than its design-related maximum torque.
  • the inventive method can therefore provide to reduce the Stei ⁇ stiffness of a weak joint to the point that a much smaller proportion of the reaction torque is taken at this joint, as if it were due to design possible.
  • the proportion of reaction torque through the weak joints can be automatically passed on to the strong joints.
  • the ability to support the manipulator arm by a re ⁇ action moment not necessarily is limited by the weakest joint. Rather, the ability to support a reaction component by the manipulator arm can be extended to the sum of all joints by means of an inventive control engineering adaptation of the individual stiffnesses of all joints of the manipulator arm. This means that all joints would then be loaded to the maximum with their respective individual maximum torques.
  • the stiffness of the at least one joint which bauartbe ⁇ dingt is loadable with a lower maximum torque, can be reduced to possibly even that at least ⁇ almost no or no reaction torque proportion decreases at this joint.
  • the rigidity of the at least one joint, which can be loaded with a lower, in particular the lowest maximum torque, due to the design, can be completely parameterized to zero.
  • the screwing of the manipulator arm in a fixed position and / or position can be held in the space and the rotating joining and / or rotational loosening of the component by a separate drive of the tool, carried out in particular the screw driving ⁇ zeugs.
  • the tool in particular the screwing tool can be held by the manipulator arm and by automatically moving the joints of the manipulator arm the tool, in particular ⁇ special the screwing be rotated to the Drehhegen and / or rotary eyelets by its manipulatorarmieries turning of the component.
  • a torque which causes a reaction torque in the Manipula ⁇ torarm can be applied to the component, either in a rigid tool according to the second embodiment in that the manipulator moves in a rotational movement relative to the component or in an active tool according to the first embodiment in that a rotatable tool tip mounted on the tool, for example an attachable socket wrench insert, is rotated by its own drive of the tool.
  • a rotation of the active tool according to the first embodiment with its own drive can also be combined with a rotary movement of the manipulator arm according to the second embodiment, which additionally rotates the entire tool.
  • the manipulator may be at least two base joints, comprising one or more intermediate joints and at least two wrists, and at least one of the wrists can be parameterized with egg ⁇ ner lower rigidity than the at least two base joints are parameterized ⁇ trated in their rigidities.
  • the object according to the invention is accordingly also achieved by an industrial robot having a force-adjustable and / or torque-controllable, in particular redundant, and / or impedance-controlled or admittance-controlled manipulator arm and a control device which is designed and / or set up, a method according to one of the to execute described embodiments.
  • the object of the invention is also achieved by an automated assembly workstation comprising an industrial robot as described and a fixed to a hand flange of the manipulator arm of the industrial robot
  • Screwing tool having a tool tip, which is designed for positive and / or non-positive fitting in a screw-driving profile of a screw.
  • the tool tip can rotate to ge ⁇ superimposed on screwing the screwing tool can be and have a drive on ⁇ formed for automated driving the rotatably mounted on the screwing tool tip.
  • the drive of the screwing tool can in particular be controlled by the control device of the industrial robot.
  • FIG. 1 is a schematic perspective side view ei ⁇ nes exemplary, inventive automated assembly workstation
  • Fig. 2 is a top view of the automated assembly workstation of FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a schematic perspective side view of an exemplary automated assembly workstation according to the invention with a manipulator arm which is actuated according to a method according to the invention
  • FIG. 5 shows a view from above of the automated assembly workstation according to FIG. 4, and FIG
  • FIG. 6 shows a diagram of a diagram with distributions of reaction moments which drop off at the individual joints of an exemplary manipulator arm, with and without activation according to the invention.
  • Fig. 1 shows an exemplary automated assembly workstation 1 in the case of the present embodiment It comprises a work surface 2 on which a Mani ⁇ pulatorarm 3 is fixed, the processing of a Steuerungsvorrich- is driven. 4
  • the manipulator arm 3 forms together with the control device 4 an industrial robot 5.
  • the industrial robot 5 is executed in the exemplary embodiment as a so-called lightweight robot KUKA type LBR iiwa.
  • the manipulator arm 3 comprises eight members 7.1 to 7.8 which are arranged one after the other and are rotatably connected to one another by means of seven joints 6.1 to 6.7.
  • the weakest joint is formed by the hand flange 9 tra ⁇ ing joint 6.7.
  • the hand flange 9 illustrates far as the last link in the kinematic chain of 7.8 Manipula ⁇ door arm FIG. 3.
  • a tool is fixed in the form of a screwing tool 10a 10th
  • the sortedwerk ⁇ tool 10 a carries as a tool tip 11 a Steckschlüs- selvati IIa, which is placed on a counselrrehenden component 12 in the form of a screw 12a form-fitting, which is automatically screwed into a workpiece 13.
  • Fig. 2 pose shown for the manipulator 3 choose to perform the screwing automated. Since ⁇ when the manipulator arm 3 as shown in the plan view of Fig. 2 would be shown to at least approach or completely straightened, wherein the pose in the side view of Fig. 1 would form in about a uniform arc shape.
  • FIG. 3 now shows a schematically illustrated sequence of a method according to the invention for the automated rotary joining and / or rotation of components 12, in particular machine elements, such as screws 12a or nuts, on the workpiece 13 by means of the tool 10, in particular the screwing tool 10a from the plurality of successive fol ⁇ constricting members 7.1 to 7.8 1.6 to 7.6 and joints have ⁇ the manipulator arm 3 of the industrial robot 5 is manipulated.
  • a positive and / or force-fitting is carried out attaching the handled by the Manipula ⁇ door arm 3 the tool 10 to the hemzuhegende and / or lubzulösende component 12.
  • a turning of the component 12 by means of the tool 10 is carried out under Applying a torque to the component 12th
  • a dung OF INVENTION ⁇ invention supporting a introduced into the manipulator arm 3 due to the applied torque reaction is carried out torque, by force and / or moment-controlled
  • An ⁇ joints control 1/6 to 7/6 of the manipulator arm 3 with ⁇ means of the control device 4 of the industrial robot 5 such that at least one joint 6.6 and / or 6.7, which in comparison to at least one of other joints 6.1 to 6.5 is loaded by a lower maximum torque load ⁇ bar, is parameterized with a lower rigidity than the at least one other joint 6.1 to 6.5 is parameterized in its rigidity.
  • the devisbaurobo ⁇ ter of the type KUKA LBR iiwa used as an example for the method has from the base joint 6.1 ascending to the wrist 6.7 each decreasing permissible maximum torque, which can apply the respectively zugeord ⁇ th drives the manipulator arm 3.
  • the basic joints 6.1 and 6. for example, 320 Nm, the Zwi ⁇ joints 6.3 and 6. 4, for example, 176 Nm, the hand ⁇ steering 6.5, for example, 110 Nm and the wrists 6.6 and 6.7, for example, 40 Nm, as shown in FIG is. This means that the respective joints may be loaded with these moments as much as possible.
  • the acting moments in some joints 6.1 to 6.7 can be minimized, yet the joints are 6.1 to 6.7 or the bearings of the joints 6.1 to 6.7 from a be ⁇ voted Screwdriver torque overloaded.
  • the critical Ge ⁇ joints are particularly the wrists 5/6 to 7/6 the manipulator arm. 3
  • Each acting on the manipulator arm 3 or mono- force acting moment causes a reaction of the Manipula ⁇ door arm 3.
  • a forced positional deviation in Cartesian space has a positional deviation of one or more joints 01/06 to 07/06 result.
  • In the classical position ⁇ onsregelung is trying to keep the target position of the joints 6.1 to 6.7, in the present case would bring engines in the joints 6.1 to 6.7 correspondingly higher torques ⁇ to close the deviation between the setpoint and actual position.
  • the torques applied in the joints 6.1 to 6.7 by the motors can not be influenced.
  • the industrial robot 5 is operated in compliance control (impedance control).
  • the torque caused by the screwing tool 10a results in a deflection of the manipulator arm 3 in different joints 6.1 to 6.7, corresponding to FIG. 4 and FIG. 5.
  • the manipulator arm 3 is not regulated according to a desired position but a deflection has a defined counterforce or a defined counter-moment of the joints 6.1 to 6.7 result.
  • By way of corresponding adjustable axis stiffnesses it is possible to set which deflection the respective joint 6.1 to 6.7 of the manipulator arm 3 experiences by means of a specific acting force or moment.
  • F is the force [N] or the moment [Nm]
  • C the spring stiffness [N / m] or [Nm / rad]
  • delta X the deflection [m] or [rad ]
  • the screwing tool 10a causes deflections of the joints 6.1 to 6.7 in the manipulator arm 3, since the screwing tool 10a exerts on the screw 12a a torque that must be supported by the manipulator arm 3 as a reaction torque, whereby the resilient manipulator arm 3 is rotated.
  • joint 6.1 and joint 6.7 Due to the equal magnitude deflection of joint 6.1 and joint 6.7, the identical moment results in both joints 6.1 and 6.7 with identical parameterized axis rigidities. However, the joint 6.1 could accommodate much larger moments. However, the joint 6.7 is overloaded much earlier and therefore the maximum Moegli ⁇ chen makeup torque severely limited.
  • the manipulator arm 3 finds a motion-free balance ⁇ location, has another joint, in the embodiment shown, ⁇ leadership for the joint 6.1, up bringing the whole moment, so experiencing a higher load than when the Ge ⁇ steering 07.06 absorb some of the makeup torque would.
  • this is not critical, since the joint 6.1 design is designed for much larger moments.
  • FIG. 6 is an illustration of a diagram with supply distributions of reaction moments that 6.1 to 6. 7 of the exemplary manipulator arm 3 wastes for ⁇ len at the individual joints.
  • the magnitude of the reaction torques that can be recorded when the joints 6.1 to 6.7 are actuated without a method according to the invention are plotted in the diagram in the bar shown in hatched form.
  • the magnitude of the reaction moments, which can be recorded by driving the joints 6.1 to 6. 7 with a method according to the invention, are plotted in the diagram in the bars shown without hatching.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Drehfügen und/oder Drehlösen von Bauteilen (12), insbesondere Maschinenelementen, wie Schrauben (12a) oder Muttern, an einem Werkstück (13)mittels eines Werkzeugs (10), insbesondere eines Schraubwerkzeugs (10a), das von einem mehrere aufeinander folgende Glieder (7.1-7.8) und Gelenke (6.1-6.7) aufweisenden Manipulatorarm (3) eines Industrieroboters (5) gehandhabt wird,bei dem ein Abstützen eines aufgrund des aufgebrachten Drehmoments in den Manipulatorarm (3) eingeleiteten Reaktionsdrehmoments, durch kraft-und/oder momentengeregeltes Ansteuern der Gelenke (6.1-6.7) des Manipulatorarms (3) mittels einer Steuervorrichtung (4) des Industrieroboters (5) derarterfolgt, dass wenigstens ein Gelenk (6.1-6.7), das im Vergleich zu wenigstens einem der anderen Gelenke (6.1-6.7) bauartbedingt mit einem geringeren Maximaldrehmoment belastbar ist, mit einer geringeren Steifigkeit parametriert wird, als das wenigstens eine andere Gelenk (6.1-6.7) in seiner Steifigkeit parametriert ist. Die Erfindung betrifftaußerdem einen zugehörigen Industrieroboter (5) und einen automatisierten Montagearbeitsplatz (1) mit einem solchen Industrieroboter (5).

Description

Verfahren zum automatisierten Drehfügen und/oder Drehlösen von Bauteilen, sowie zugehöriger Industrieroboter und automatisierter Montagearbeitsplatz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Drehfügen und/oder Drehlösen von Bauteilen, insbesondere Maschinenelemente, wie Schrauben oder Muttern, an einem Werkstück mittels eines Werkzeugs, insbesondere eines Schraub¬ werkzeugs, das von einem mehrere aufeinander folgende Glie¬ der und Gelenke aufweisenden Manipulatorarm eines Industrieroboters gehandhabt wird. Die Erfindung betrifft außerdem einen zugehörigen Industrieroboter und einen automatisierten Montagearbeitsplatz mit einem solchen Industrieroboter.
Aus der WO 2013/007565 A2 ist eine Arbeitsvorrichtung, ins¬ besondere eine Schraubvorrichtung zum Drehfügen und/oder Drehlösen von Drehteilen, insbesondere Schrauben oder Muttern bekannt, mit einem mehrgliedrigen Roboter mit einer abtreibenden Drehachse, wobei der Roboter an seinem Endglied eine eigenständig angetriebene Dreheinrichtung mit einem Drehwerkzeug trägt, bei der die Dreheinrichtung zum schnel¬ len Andrehen oder Ausdrehen eines Drehteils vorgesehen und ausgebildet ist, wobei der Roboter, insbesondere sein End¬ glied, zum Festdrehen oder Losdrehen des Drehteils vorgese¬ hen und ausgebildet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum automatisierten Drehfügen und/oder Drehlösen, sowie einen entsprechenden Industrieroboter und einen automatisierten Montagearbeitsplatz zu schaffen, bei dem Bauteile, insbesondere Ma¬ schinenelemente, wie Schrauben oder Muttern durch ein von einem Manipulatorarm geführtes Werkzeug automatisiert mit hohem Anzugsdrehmoment angezogen und/oder gelöst werden können . Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum automatisierten Drehfügen und/oder Drehlösen von Bauteilen, insbesondere Maschinenelementen, wie Schrauben oder Muttern, an einem Werkstück mittels eines Werkzeugs, insbe- sondere eines Schraubwerkzeugs, das von einem mehrere aufei¬ nander folgende Glieder und Gelenke aufweisenden Manipula¬ torarm eines Industrieroboters gehandhabt wird, aufweisend die Schritte: form- und/oder kraftschlüssiges Ansetzen des von dem Manipulatorarm gehandhabten Werkzeugs an das drehzufügende und/oder drehzulösende Bauteil,
Drehen des Bauteils mittels des Werkzeugs unter Auf¬ bringen eines Drehmoments auf das Bauteil,
Abstützen eines aufgrund des aufgebrachten Drehmo¬ ments in den Manipulatorarm eingeleiteten Reaktionsdrehmoments, durch kraft- und/oder momentengeregeltes Ansteuern der Ge¬ lenke des Manipulatorarms mittels einer Steuervor¬ richtung des Industrieroboters derart, dass wenigs¬ tens ein Gelenk, das im Vergleich zu wenigstens einem der anderen Gelenke bauartbedingt mit einem geringe¬ ren Maximaldrehmoment belastbar ist, mit einer gerin¬ geren Steifigkeit parametriert wird, als das wenigs¬ tens eine andere Gelenk in seiner Steifigkeit parame¬ triert ist.
Unter einem automatisierten Drehfügen kann ganz allgemein ein Befestigen eines Bauteils an einem Werkstück verstanden werden, bei dem das Fügen, insbesondere ein Befestigen unter Anwendung einer Drehbewegung des Bauteils, des Werkstücks und/oder des Werkzeugs ohne manuelles Bewegen, also allein durch automatisiertes Ansteuern des Industrieroboters und/oder des Werkzeugs erfolgt. In der überwiegenden Anzahl von Anwendungsfällen kann beispielsweise das Bauteil eine Schraube sein, die in eine Gewindebohrung des Werkstücks einzuschrauben ist. Alternativ kann das Bauteil aber bei- spielsweise auch eine Gewindemutter sein, welche auf einen Gewindebolzen des Werkstücks aufgeschraubt wird, beispiels¬ weise um eine andere Komponente an dem Werkstück mittels der Mutter zu befestigen. In anderen Varianten kann das Drehfügen aber beispielsweise auch ein Verschließen einer Bajo- nettverbindung, ein Spannen einer Schaft-/Nabeverbindung mit Keilprofil oder sogar ein Verrasten durch eine Hebelbewegung sein .
In analoger Weise kann unter einem automatisierten Drehlösen ganz allgemein ein Lösen eines Bauteils von einem Werkstück verstanden werden, bei dem das Lösen unter Anwendung einer
Drehbewegung des Bauteils, des Werkstücks und/oder des Werk¬ zeugs ohne manuelles Bewegen, also allein durch automati¬ siertes Ansteuern des Industrieroboters und/oder des Werk¬ zeugs erfolgt. In der überwiegenden Anzahl von Anwendungs- fällen kann beispielsweise das Bauteil eine Schraube sein, die aus einer Gewindebohrung des Werkstücks herauszuschrau¬ ben ist. Alternativ kann das Bauteil aber beispielsweise auch eine Gewindemutter sein, welche auf einen Gewindebolzen des Werkstücks aufgeschraubt ist und gelöst werden soll, beispielsweise um eine befestigte Komponente von dem Werk¬ stück entfernen zu können. In anderen Varianten kann das Drehfügen aber beispielsweise auch ein Öffnen einer Bajonettverbindung, ein Entspannen einer Schaft-/Nabeverbindung mit Keilprofil oder sogar ein Entrasten durch eine Hebelbe- wegung sein.
Somit kann das Bauteil also insbesondere ein Maschinenele¬ ment, wie eine Schraube oder eine Mutter sein. Das Werkzeug kann generell dazu ausgebildet sein, eines der genannten Bauteile zu fassen, zu halten und/oder zu drehen, so dass es automatisiert drehgefügt und/oder drehgelöst wer¬ den kann. Das Werkzeug kann insbesondere ein Schraubwerkzeug sein. In einer einfachen Ausführung kann das Werkzeug also schon von einem Schraubenschlüssel, einem Gabel- oder Ringschlüssel oder sogar einem Schraubendreher gebildet werden, welcher beispielsweise die Schraube oder die Mutter anzieht oder löst. In einer alternativen Ausführung kann das
Schraubwerkzeug ein aktiver Schrauber sein, der einen eigenen Antrieb aufweist, der beispielsweise auf die Schrauber¬ welle aufsteckbare Steckschlüsseleinsätze (Stecknüsse) trägt .
Manipulatorarme mit zugehörigen Robotersteuerungen, insbe- sondere Industrieroboter sind Arbeitsmaschinen, die zur automatischen Handhabung und/oder Bearbeitung von Objekten mit Werkzeugen ausgerüstet werden können und in mehreren Bewegungsachsen beispielsweise hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeitsablauf programmierbar sind. Industrieroboter weisen üblicherweise einen Manipulatorarm mit mehreren über Gelenke verbundene Glieder und programmierbare Robotersteue¬ rungen (Steuervorrichtungen) auf, die während des Betriebs die Bewegungsabläufe des Manipulatorarms automatisch steuern bzw. regeln. Die Glieder werden über Antriebe, insbesondere elektrische Antriebe, die von der Robotersteuerung angesteu¬ ert werden, insbesondere bezüglich der Bewegungsachsen des Industrieroboters, welche die Bewegungsfreiheitsgrade der Gelenke repräsentieren, bewegt.
Ein mehrere über Gelenke verbundene Glieder aufweisender Ma- nipulatorarm kann als ein Knickarmroboter mit mehreren seriell nacheinander angeordneten Gliedern und Gelenken konfiguriert sein, insbesondere kann er als ein redundanter Indust- rieroboter einen Manipulatorarm mit sieben oder mehr Gelenken aufweisen.
Manipulatorarme mit zugehörigen Robotersteuerungen, wie Industrieroboter können aber insbesondere so genannte Leicht- bauroboter sein, die sich zunächst von üblichen Industrierobotern dadurch unterscheiden, dass sie eine für die Mensch- Maschine-Kooperation günstige Baugröße aufweisen und dabei eine zu ihrem Eigengewicht relativ hohe Tragfähigkeit auf¬ weisen. Daneben können Leichtbauroboter insbesondere auch kraft- und/oder momentengeregelt statt lediglich positions¬ geregelt betrieben werden, was beispielsweise eine Mensch- Roboter-Kooperation sicherer macht. Außerdem kann dadurch eine solche sichere Mensch-Maschine-Kooperation erreicht werden, dass beispielsweise unbeabsichtigte Kollisionen des Manipulatorarmes mit Personen, wie beispielsweise Monteure in einer Fließfertigung von Kraftfahrzeugen entweder verhindert oder zumindest derart abgeschwächt werden können, so dass den Personen bzw. Monteuren kein Schaden entsteht. Ein solcher Manipulatorarm bzw. ein solcher Leichtbauroboter weist üblicherweise mehr als sechs Freiheitsgrade auf, so dass insoweit ein überbestimmtes System geschaffen wird, wodurch derselbe Punkt im Raum in gleicher Orientierung in mehreren, insbesondere sogar unendlich vielen verschiedenen Posen des Manipulatorarms erreicht werden kann. Der Leicht- bauroboter kann auf externe Krafteinwirkungen in geeigneten Weisen reagieren. Zur Kraftmessung können Kraftsensoren verwendet werden, die in allen drei Raumrichtungen Kräfte und Drehmomente messen können. Alternativ oder ergänzend können die externen Kräfte auch sensorlos, beispielsweise anhand der gemessenen Motorströme der Antriebe an den Gelenken des Leichtbauroboters abgeschätzt werden. Als Regelungskonzepte kann beispielsweise eine indirekte Kraftregelung durch Mo¬ dellierung des Leichtbauroboters als mechanischer Widerstand (Impedanz) oder eine direkte Kraftregelung verwendet werden. Bei dem Industrieroboter kann es sich insbesondere um einen redundanten Industrieroboter handeln, unter dem ein mittels einer Robotersteuerung bewegbarer Manipulatorarm verstanden wird, der mehr manipulatorische Freiheitsgrade aufweist, als zur Erfüllung einer Aufgabe notwendig sind. Der Grad der Re¬ dundanz ergibt sich aus der Differenz der Anzahl von Freiheitsgraden des Manipulatorarms und der Dimension des Ereig¬ nisraums, in dem die Aufgabe zu lösen ist. Es kann sich da¬ bei um eine kinematische Redundanz oder um eine aufgabenspe- zifische Redundanz handeln. Bei der kinematischen Redundanz ist die Anzahl der kinematischen Freiheitsgrade, im Allge¬ meinen die Anzahl der Gelenke des Manipulatorarms, größer als der Ereignisraum, welcher in einer realen Umgebung bei einer Bewegung im Raum durch die drei translatorischen und die drei rotatorischen Freiheitsgrade, also von sechs Frei¬ heitsgrade gebildet wird. Ein redundanter Industrieroboter kann also beispielsweise ein Leichtbauroboter mit sieben Gelenken, insbesondere sieben Drehgelenken sein. Bei der aufgabenspezifischen Redundanz ist die Dimension der Aufgaben- Stellung hingegen kleiner als die Anzahl der kinematischen Freiheitsgrade des Manipulatorarms. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Manipulatorarm an seinem Handflansch ein sich um eine Werkzeug-Antriebsachse drehbares Schraub¬ werkzeug trägt und eine der Drehgelenke des Manipulatorarms entlang dieser Werkzeug-Antriebsachse ausgerichtet ist.
Bei einem kraft- und/oder momentengeregelten Ansteuern der Gelenke des Manipulatorarms sind die Gelenke des Manipula¬ torarms hinsichtlich ihrer Steifigkeit parametriert , d.h. jedes Gelenk wird von der Robotersteuerung in einer Art und Weise angesteuert, die einer Feder nachgebildet ist, so dass sich in Abhängigkeit eines Wegunterschieds, im Falle von Drehgelenken in Abhängigkeit einer Drehwinkeländerung am Gelenk, zu der parametrierten, d.h. steuerungstechnisch voreingestellten Federsteifigkeit eine zugehörige Kraft am Ge- lenk einstellt bzw. eine entsprechende Kraft durch Ansteuern der Antriebe der Gelenke mittels der Robotersteuerung als ein der Sollkraft entsprechendes Moment auf das Gelenk auf¬ gebracht wird. In allen Ausführungen kann dazu das kraft- und/oder momentengeregelten Ansteuern von Antrieben des Manipulatorarms mittels Impedanzregelung oder Admittanzrege- lung erfolgen.
Um das Bauteil mittels des Werkzeugs Drehfügen und/oder Drehlösen zu können, ist zunächst ein form- und/oder kraft- schlüssiges Ansetzen des von dem Manipulatorarm gehandhabten Werkzeugs an das drehzufügende und/oder drehzulösende Bau¬ teil durchzuführen. Im Gegensatz zu einer formschlüssigen Verbindung, wie es generell bei Schraubenschlüsseln oder Schraubern mit aufsteckbaren Steckschlüsseleinsätze der Fall ist, kann ein kraftschlüssiges Ansetzen beispielsweise dann gegeben sein, wenn das Werkzeug eine Zange ist, welche an dem Bauteil, beispielsweise einer Schraubenmutter mittels Klemmkraft ansetzt. Durch das form- und/oder kraftschlüssige Ansetzen wird das Werkzeug, bzw. ein sich drehendes Teil des Werkzeugs mit dem Bauteil vorübergehend verbunden.
Ein Drehen des Bauteils, wahlweise zum Festsetzen oder Lösen des Bauteils, erfolgt mittels des Werkzeugs unter Aufbringen eines Drehmoments auf das Bauteil. Ein solches Drehmoment kann auf das Bauteil aufgebracht werden, entweder bei einem starren Werkzeug dadurch, dass sich der Manipulatorarm in einer Drehbewegung bezüglich des Bauteils bewegt oder bei einem aktiven Werkzeug dadurch, dass eine drehbare an dem Werkzeug gelagerte Werkzeugspitze, beispielsweise ein auf¬ steckbarer Steckschlüsseleinsatz, durch einen eigenen An- trieb des Werkzeugs drehbewegt wird. Gegebenfalls kann ein Drehen des aktiven Werkzeugs mit einem eigenen Antrieb auch mit einer Drehbewegung des Manipulatorarms, welcher zusätzlich das gesamte Werkzeug dreht, kombiniert werden. Indem erfindungsgemäß ein Abstützen eines aufgrund des auf¬ gebrachten Drehmoments in den Manipulatorarm eingeleiteten Reaktionsdrehmoments, durch kraft- und/oder momentengeregel- tes Ansteuern der Gelenke des Manipulatorarms mittels der Steuervorrichtung des Industrieroboters derart erfolgt, dass wenigstens ein Gelenk, das im Vergleich zu wenigstens einem der anderen Gelenke bauartbedingt mit einem geringeren Maxi¬ maldrehmoment belastbar ist, mit einer geringeren Steifig¬ keit parametriert wird, als das wenigstens eine andere Ge- lenk in seiner Steifigkeit parametriert ist, können Bautei¬ le, insbesondere Maschinenelemente, wie Schrauben oder Mut¬ tern durch ein von einem Manipulatorarm geführtes Werkzeug automatisiert mit hohem Anzugsdrehmoment angezogen und/oder gelöst werden. Insbesondere können solche Bauteile mit einem hohem Anzugsdrehmoment angezogen und/oder gelöst werden, die bei einer üblichen Parametrierung der Gelenke des Manipulatorarms mit derselben Steifigkeit an allen Gelenken, gar nicht angezogen und/oder gelöst werden könnten. Somit wird der Einsatzbereich des Manipulatorarms vergrößert. Ein Gelenk, dass bauartbedingt mit einem geringeren Maxi¬ maldrehmoment belastbar ist, als andere Gelenke kann, anders ausgedrückt, auch als ein schwaches Gelenk bezeichnet wer¬ den. Ein Gelenk, dass bauartbedingt mit einem höheren Maximaldrehmoment belastbar ist, als andere Gelenke kann, anders ausgedrückt, auch als ein starkes Gelenk bezeichnet werden. Dadurch, dass ein oder mehreren schwachen Gelenken durch die Ansteuerung mittels der Steuervorrichtung eine geringere Steifigkeit aufgeprägt wird, kann sich die Pose des Manipu¬ latorarm automatisch verändern, wodurch in einer solchen neuen Pose das eine und die mehreren schwachen Gelenke nur einen geringeren Anteil der Reaktionsmomente aufnehmen und das nicht aufgenommene Restmoment an die anderen, starken Gelenke automatisch weitergeleitet werden. Generell kann bei einer seriellen Kinematik, d.h. einem Manipulatorarm mit abwechselnd aufeinander folgenden Gliedern und Gelenken davon ausgegangen werden, dass die so genanten Grundgelenke, also die einem Fuß oder Grundgestell des Mani- pulatorarms nahen Gelenke starke Gelenke sind, die bauartbe¬ dingt die höchsten Maximaldrehmomente aufnehmen können. Hingegen stellen die so genannten Handgelenke, also die, einem Handflansch des Manipulatorarms nahen Gelenke die schwächs¬ ten Gelenke dar, die bauartbedingt die geringsten Maxi- maldrehmomente aufnehmen können. In der kinematischen Kette können dann zwischen den starken Gelenken und den schwächsten Gelenke noch Zwischengelenke angeordnet sein, die bau¬ artbedingt ein mittleres Maximaldrehmoment aufnehmen können.
Ein kraft- und/oder momentengeregeltes Ansteuern der Gelenke des Manipulatorarms kann mittels Impedanzregelung oder Admittanzregelung erfolgen.
Eine Impedanzregelung basiert im Gegensatz zu einer Admittanzregelung auf einer vorhandenen Drehmomentenregelung auf Gelenkebene. Es werden die Abweichung der tatsächlichen Lage von einer definierten Solllage gemessen und entsprechend des gewünschten dynamischen Verhaltens eine gewünschte verallge¬ meinerte Kraft, bzw. Kräfte und Momente, bestimmt. Diese Kraft kann über die bekannte Kinematik des Manipulatorarms auf entsprechende Gelenkdrehmomente abgebildet werden. Die Drehmomente können schließlich über die unterlagerte Drehmo¬ mentenregelung eingestellt werden.
Eine Admittanzregelung basiert auf einer vorhandenen Positionsregelung des Manipulatorarms auf Gelenkebene. Hier müssen die von außen auf den Manipulatorarm einwirkenden verallge- meinerten Kräften gemessen werden. Ausgehend von diesen Kräften wird eine, dem gewünschten dynamischen Verhalten entsprechende, Bewegung des Manipulatorarms bestimmt, die über eine inverse Kinematik und die unterlagerte Positions¬ regelung an den Manipulatorarm kommandiert wird.
Die Realisierung dieser Regelungen können durch die Integra- tion von Momentensensorik in die Gelenke des Industrierobo¬ ters erreicht werden. Der Sensor erfasst dabei das am Ab¬ trieb eines Getriebes wirkende eindimensionale Drehmoment. Diese Größe kann für die Regelung als Messgröße herangezogen werden und ermöglicht somit die Berücksichtigung der Elasti- zität der Gelenke im Rahmen der Regelung. Insbesondere werden durch eine Drehmomentsensorik, im Gegensatz zur Verwendung eines Kraftmomentensensors an einem Endeffektor des Ma¬ nipulatorarms, auch diejenigen Kräfte gemessen, die nicht auf den Endeffektor, sondern auf die Glieder des Manipula- torarms und/oder insbesondere auf ein von dem Manipulatorarm gehaltenes Werkzeug ausgeübt werden.
Die Steifigkeit des wenigstens einen Gelenks, das bauartbe¬ dingt mit einem geringeren Maximaldrehmoment belastbar ist, kann mindestens so weit reduziert werden, dass von dem in den Manipulatorarm eingeleiteten Reaktionsdrehmoment nur ein Reaktionsdrehmomentanteil an diesem Gelenk abfällt, das zu¬ sammen mit etwaigen zusätzlich an diesem Gelenk wirkenden anderen Drehmomentanteilen kleiner ist, als dessen bauartbedingtes Maximaldrehmoment. Wenn das Werkzeug an einem Handflansch des Manipulatorarms befestigt ist, wird das Reaktionsdrehmoment am Handflansch des Manipulatorarms, also am letzten Glied in der kinemati¬ schen Kette des Manipulatorarms eingeleitet. Dieses Reakti¬ onsdrehmoment muss dann über sämtliche Gelenke des Manipula- torarms hinweg in das erste ortsfeste Glied, d.h. dem Fuß oder das Grundgestell des Manipulatorarms weitergeleitet werden .
Das erfindungsgemäße Verfahren kann also vorsehen, die Stei¬ figkeit eines schwachen Gelenks so weit zu reduzieren, dass ein deutlich geringerer Anteil des Reaktionsdrehmoments an diesem Gelenk aufgenommen wird, als es bauartbedingt möglich wäre. Andres ausgedrückt können erfindungsgemäß durch eine automatische Verringerung der Steifigkeiten der schwachen Gelenke Anteil des Reaktionsdrehmoments durch die schwachen Gelenke hindurch automatisch and die starken Gelenke weitergereicht werden. Die Folge ist, dass die Fähigkeit, ein Re¬ aktionsmoment durch den Manipulatorarm abstützen zu können, nicht mehr notwendiger Weise von dem schwächsten Gelenk begrenzt wird. Vielmehr kann durch eine erfindungsgemäße steu- erungstechnische Anpassung der einzelnen Steifigkeiten aller Gelenke des Manipulatorarms, die Fähigkeit, ein Reaktionsmo¬ ment durch den Manipulatorarm abstützen zu können, auf die Summe aller Gelenke erweitert werden. Dies bedeutet, dass dann alle Gelenke mit ihren jeweiligen individuellen Maxi- maldrehmomenten maximal belastet wären.
Die Steifigkeit des wenigstens einen Gelenks, das bauartbe¬ dingt mit einem geringeren Maximaldrehmoment belastbar ist, kann gegebenenfalls sogar so weit reduziert werden, dass zu¬ mindest nahezu kein oder gar kein Reaktionsdrehmomentanteil an diesem Gelenk abfällt. Alternativ kann die Steifigkeit des wenigstens einen Gelenks, das bauartbedingt mit einem geringeren, insbesondere dem geringsten Maximaldrehmoment belastbar ist, vollständig zu Null parametriert werden.
In beiden Fällen kann so ein besonders schwaches Gelenk völ- lig aus der Aufnahme von Anteilen des Reaktionsmoments her- ausgenommen werden. Dies ist insbesondere dann einfach möglich, wenn ein redundanter Manipulatorarm verwendet wird.
In einer ersten Ausführungsform kann das Werkzeug, insbesondere das Schraubwerkzeug von dem Manipulatorarm in einer festen Position und/oder Lage im Raum gehalten werden und das Drehfügen und/oder Drehlösen des Bauteils durch einen eigenen Antrieb des Werkzeugs, insbesondere des Schraubwerk¬ zeugs erfolgen.
In einer zweiten, alternativen oder ergänzenden Ausführungsform kann das Werkzeug, insbesondere das Schraubwerkzeug von dem Manipulatorarm gehalten werden und durch automatisches Bewegen der Gelenke des Manipulatorarms das Werkzeug, insbe¬ sondere das Schraubwerkzeug gedreht werden, um durch dessen manipulatorarmgeführtes Drehen das Drehfügen und/oder Drehlösen des Bauteils durchzuführen.
Ein Drehmoment, welches ein Reaktionsmoment im Manipula¬ torarm bewirkt, kann auf das Bauteil aufgebracht werden, entweder bei einem starren Werkzeug gemäß der zweiten Ausführungsform dadurch, dass sich der Manipulatorarm in einer Drehbewegung bezüglich des Bauteils bewegt oder bei einem aktiven Werkzeug gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass eine drehbare an dem Werkzeug gelagerte Werkzeugspitze, beispielsweise ein aufsteckbarer Steckschlüsseleinsatz, durch einen eigenen Antrieb des Werkzeugs drehbewegt wird. Gegebenfalls kann ein Drehen des aktiven Werkzeugs gemäß der ersten Ausführungsform mit einem eigenen Antrieb auch mit einer Drehbewegung des Manipulatorarms gemäß der zweiten Ausführungsform, welcher zusätzlich das gesamte Werkzeug dreht, kombiniert werden. Der Manipulatorarm kann wenigstens zwei Grundgelenke, ein oder mehrere Zwischengelenke und wenigstens zwei Handgelenke aufweist, und wenigstens eines der Handgelenke kann mit ei¬ ner geringeren Steifigkeit parametriert werden, als die we- nigstens zwei Grundgelenke in ihren Steifigkeiten parame¬ triert sind.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird demgemäß auch gelöst durch einen Industrieroboter aufweisend einen kraft- und/oder mo- mentenregelbaren, insbesondere redundanten, und/oder impe- danzgeregelten oder admittanzgeregelten Manipulatorarm und eine Steuervorrichtung, die ausgebildet und/oder eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der beschriebenen Ausführungen auszuführen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird außerdem gelöst durch ei- nen automatisierten Montagearbeitsplatz aufweisend einen Industrieroboter wie beschrieben und ein an einem Handflansch des Manipulatorarms des Industrieroboters befestigtes
Schraubwerkzeug, das eine Werkzeugspitze aufweist, welche zum form- und/oder kraftschlüssigen Ansetzen in ein Schrau- ben-Mitnahmeprofil einer Schraube ausgebildet ist.
Die Werkzeugspitze kann dazu drehbar am Schraubwerkzeug ge¬ lagert sein und das Schraubwerkzeug kann einen Antrieb auf¬ weisen, der zum automatisierten Antreiben der drehbar am Schraubwerkzeug gelagerten Werkzeugspitze ausgebildet ist. Der Antrieb des Schraubwerkzeugs kann insbesondere von der Steuervorrichtung des Industrieroboters angesteuert sein.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel eines gemäß dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren betreibbaren Industrieroboters ist in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die bei- gefügten Figuren 1 bis 6 näher erläutert. Konkrete Merkmale dieses exemplarischen Ausführungsbeispiels können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder in Kombination betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Seitenansicht ei¬ nes beispielhaften, erfindungsgemäßen automatisierten Montagearbeitsplatzes, Fig. 2 eine Ansicht von oben auf den automatisierten Montagearbeitsplatz gemäß Fig. 1,
Fig. 3 ein schematisch dargestellter Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 eine schematische perspektivische Seitenansicht ei- nes beispielhaften, erfindungsgemäßen automatisierten Montagearbeitsplatzes mit einem Manipulatorarm, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert ist,
Fig. 5 eine Ansicht von oben auf den automatisierten Monta- gearbeitsplatz gemäß Fig. 4, und
Fig. 6 eine Darstellung eines Diagramms mit Verteilungen von Reaktionsmomenten, die an den einzelnen Gelenken eines beispielhaften Manipulatorarms abfallen, mit und ohne erfindungsgemäßer Ansteuerung. Die Fig. 1 zeigt einen beispielhaften automatisierten Montagearbeitsplatz 1. Dieser umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Arbeitsfläche 2 auf der ein Mani¬ pulatorarm 3 befestigt ist, der von einer Steuerungsvorrich- tung 4 angesteuert ist. Der Manipulatorarm 3 bildet zusammen mit der Steuerungsvorrichtung 4 einen Industrieroboter 5. Der Industrieroboter 5 ist in der beispielhaften Ausführung als ein so genannter Leichtbauroboter des Typs KUKA LBR iiwa ausgeführt. Der Manipulatorarm 3 umfasst im Falle des vor- liegenden Ausführungsbeispiels acht nacheinander angeordnete und mittels sieben Gelenken 6.1 bis 6.7 drehbar miteinander verbundene Glieder 7.1 bis 7.8.
Generell kann bei einer solchen seriellen Kinematik, wie der des Ausführungsbeispiels davon ausgegangen werden, dass die so genanten Grundgelenke, also die einem Fuß 8 des Manipula¬ torarms 3 nahen Gelenke 6.1 und 6.2 starke Gelenke sind, die bauartbedingt die höchsten Maximaldrehmomente von beispiels¬ weise 320 Nm aufnehmen können. Hingegen stellen die so genannten Handgelenke, also die, einem Handflansch 9 des Mani- pulatorarms 3 nahen Gelenke 6.5, 6.6 und 6.7 die schwächsten Gelenke dar, die bauartbedingt die geringsten Maximaldrehmo¬ mente von beispielsweise 40 Nm oder 110 Nm aufnehmen können. In der kinematischen Kette können dann zwischen den starken Gelenken 6.1 und 6.2 und den schwächsten Gelenke 6.5, 6.6 und 6.7 noch Zwischengelenke 6.3 und 6.4 angeordnet sein, die bauartbedingt ein mittleres Maximaldrehmoment von bei¬ spielsweise 176 Nm aufnehmen können.
Das schwächste Gelenk wird durch das den Handflansch 9 tra¬ gende Gelenk 6.7 gebildet. Der Handflansch 9 stellt insoweit das letzte Glied 7.8 der kinematischen Kette des Manipula¬ torarms 3 dar. An dem Handflansch 9 ist ein Werkzeug 10 in Form eines Schraubwerkzeugs 10a befestigt. Das Schraubwerk¬ zeug 10a trägt als eine Werkzeugspitze 11 einen Steckschlüs- seleinsatz IIa, welcher auf einem einzudrehenden Bauteil 12 in Form einer Schraube 12a formschlüssig aufgesetzt ist, das in ein Werkstück 13 automatisiert einzuschrauben ist.
Ohne die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens würde ein Roboterprogrammierer beispielsweise die in Fig. 1 und
Fig. 2 dargestellte Pose für den Manipulatorarm 3 wählen, um die Schraubaufgabe automatisiert durchführen zu lassen. Da¬ bei wäre der Manipulatorarm 3, wie in der Draufsicht der Fig. 2 gezeigt, zumindest annähern oder vollständig gerade ausgerichtet, wobei die Pose in der Seitenansicht der Fig. 1 eine in etwa gleichmäßige Bogenform ausbilden würde.
Die Fig. 3 zeigt nun einen schematisch dargestellten Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum automatisierten Drehfügen und/oder Drehlösen von Bauteilen 12, insbesondere Ma- schinenelementen, wie Schrauben 12a oder Muttern, an dem Werkstück 13 mittels des Werkzeugs 10, insbesondere des Schraubwerkzeugs 10a, das von dem mehrere aufeinander fol¬ gende Glieder 7.1 bis 7.8 und Gelenke 6.1 bis 6.7 aufweisen¬ den Manipulatorarm 3 des Industrieroboters 5 gehandhabt wird.
In einem ersten Verfahrensschritt Sl erfolgt ein form- und/oder kraftschlüssiges Ansetzen des von dem Manipula¬ torarm 3 gehandhabten Werkzeugs 10 an das drehzufügende und/oder drehzulösende Bauteil 12. In einem zweiten Verfahrensschritt S2 erfolgt ein Drehen des Bauteils 12 mittels des Werkzeugs 10 unter Aufbringen eines Drehmoments auf das Bauteil 12.
In einem dritten Verfahrensschritt S3 erfolgt ein erfin¬ dungsgemäßes Abstützen eines aufgrund des aufgebrachten Drehmoments in den Manipulatorarm 3 eingeleiteten Reaktions drehmoments, durch kraft- und/oder momentengeregeltes An¬ steuern der Gelenke 6.1 bis 6.7 des Manipulatorarms 3 mit¬ tels der Steuervorrichtung 4 des Industrieroboters 5 derart, dass wenigstens ein Gelenk 6.6 und/oder 6.7, das im Ver- gleich zu wenigstens einem der anderen Gelenke 6.1 bis 6.5 bauartbedingt mit einem geringeren Maximaldrehmoment belast¬ bar ist, mit einer geringeren Steifigkeit parametriert wird, als das wenigstens eine andere Gelenk 6.1 bis 6.5 in seiner Steifigkeit parametriert ist. Der für das Verfahren beispielhaft verwendete Leichtbaurobo¬ ter des Typs KUKA LBR iiwa weist von dem Grundgelenk 6.1 aufsteigend bis zum Handgelenk 6.7 ein jeweils abnehmendes zulässiges Maximalmoment auf, welches die jeweils zugeordne¬ ten Antriebe des Manipulatorarms 3 aufbringen können. Die Grundgelenke 6.1 und 6. 2 beispielsweise 320 Nm, die Zwi¬ schengelenke 6.3 und 6. 4 beispielsweise 176 Nm, das Handge¬ lenk 6.5 beispielsweise 110 Nm und die Handgelenke 6.6 und 6.7 beispielsweise 40 Nm, wie dies in der Fig. 6 dargestellt ist. Das bedeutet, dass die entsprechenden Gelenke maximal mit diesen Momenten belastet werden dürfen.
Bei Schraubapplikationen mit externen Schraubern, wie dem Schraubwerkzeug 10a, die am Handflansch 9 des Manipula¬ torarms 3 angebracht sind, muss das Drehmoment, dass durch das Schraubwerkzeug 10a auf die Schraube 12a ausgeübt wird, abgestützt werden. Diese Drehmomentabstützung erfolgt durch den Manipulatorarm 3. Das bedeutet, die Gelenke 6.1 bis 6.7 des Manipulatorarms 3 müssen entsprechende Gegenmomente auf¬ bringen, um die Pose des Manipulatorarms 3 zu halten und so¬ mit das Drehmoment abzustützen. Die wirkenden Achsmomente im Manipulatorarm 3 hängen dabei von der Pose des Manipulatorarms 3 und der Anflanschposition des Schraubwerkzeugs 10a am Manipulatorarm 3 ab. Durch eine geschickt gewählte Pose des Manipulatorarms 3 und eine geschickt gewählte Anflanschposition des Schraubwerkzeugs 10a können die wirkenden Momente in manchen Gelenken 6.1 bis 6.7 minimiert werden, dennoch werden die Gelenke 6.1 bis 6.7 bzw. die Lager der Gelenke 6.1 bis 6.7 ab einem be¬ stimmten Schrauberdrehmoment überlastet. Die kritischen Ge¬ lenke sind dabei insbesondere die Handgelenke 6.5 bis 6.7 des Manipulatorarms 3.
Mit der erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich die wir- kenden Momente gezielt von den schwachen Gelenken 6.5 bis
6.7 weg zu den übrigen Gelenken 6.1 bis 6.4 abzuleiten, die für höhere Momente ausgelegt sind. Somit ist es möglich Schraubapplikationen mit einem nachgiebigkeitsgeregelten, insbesondere mittels Impedanzregelung achsspezifisch in sei- nen jeweiligen Steifigkeiten parametrierbaren Manipulatorarm 3 durchzuführen und das Schraubwerkzeug 10a dabei mit dem Manipulatorarm 3 abzustützen, was ohne diese Methode der gezielten Drehmomentableitung nicht möglich wären.
Jede auf den Manipulatorarm 3 einwirkende Kraft oder ein- wirkendes Moment verursacht eine Reaktion des Manipula¬ torarms 3. Eine erzwungene Positionsabweichung im kartesi- schen Raum hat eine Positionsabweichung einer oder mehrerer Gelenke 6.1 bis 6.7 zur Folge. Bei der klassischen Positi¬ onsregelung wird versucht die Sollposition der Gelenke 6.1 bis 6.7 zu halten, im vorliegenden Fall würden Motoren in den Gelenken 6.1 bis 6.7 entsprechend höhere Momente auf¬ bringen, um die Abweichung zwischen der Soll- und Ist- Position zu schließen. Die dabei in den Gelenken 6.1 bis 6.7 durch die Motoren aufgebrachten Momente sind nicht beein- flussbar.
Stattdessen wird erfindungsgemäß der Industrieroboter 5 in Nachgiebigkeitsregelung (Impedanzregelung) betrieben. Das durch das Schraubwerkzeug 10a verursachte Moment hat eine Auslenkung des Manipulatorarms 3 in unterschiedlichen Gelenken 6.1 bis 6.7 zur Folge, entsprechende der Fig. 4 und der Fig. 5. Beim Betrieb des Industrieroboters 5 in Impedanzre- gelung wird der Manipulatorarm 3 nicht nach einer Sollposition geregelt, sondern eine Auslenkung hat eine definierte Gegenkraft bzw. ein definiertes Gegenmoment der Gelenke 6.1 bis 6.7 zur Folge. Über entsprechende einstellbare Achsstei- figkeiten ist dabei einstellbar, welche Auslenkung das je- weilige Gelenk 6.1 bis 6.7 des Manipulatorarms 3 durch eine bestimmte einwirkende Kraft bzw. Moment erfährt. Dabei gilt das Federgesetzt F = C * delta X (F ist die Kraft [N] oder das Moment [Nm] , C die Federsteifigkeit [N/m] oder [Nm/rad], delta X die Auslenkung [m] oder [rad] ) . In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und Fig. 2 wird davon ausgegangen, dass aus dem Schraubmoment eine Ver¬ drehung des Gelenks 6.7 und dazu gegenläufig eine Verdrehung des Gelenks 6.1 resultiert. Der Steckschlüsseleinsatz IIa des Schraubwerkzeugs 10a sitzt fest auf der Schraube 12a. Das Schraubwerkzeug 10a verursacht Auslenkungen der Gelenke 6.1 bis 6.7 im Manipulatorarm 3, da das Schraubwerkzeug 10a auf die Schraube 12a ein Drehmoment ausübt, das durch den Manipulatorarm 3 als Reaktionsmoment abgestützt werden muss, wodurch sich der nachgiebige Manipulatorarm 3 verdreht.
Durch die betragsmäßig gleich große Auslenkung des Gelenks 6.1 und des Gelenks 6.7 resultiert in beiden Gelenken 6.1 und 6.7 bei identische parametrierten Achssteifigkeiten das identische Moment. Das Gelenk 6.1 könnte jedoch deutlich größere Momente aufnehmen. Allerdings ist das Gelenk 6.7 schon viel früher überlastet und deshalb das maximal mögli¬ chen Schraubmoment stark begrenzt.
Die Lösung besteht darin, wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt, dass in Impedanzregelung die Achssteifigkeiten unterschiedlich groß gewählt werden. Im Extremfall wird die Achssteifigkeit des Gelenks 6.7 auf 0 Nm/rad gesetzt. Dieses Gelenk 6.7 setzt dem Schraubmoment demnach keinen Widerstand entgegen und kann kraftlos ver- dreht werden. Die Gelenke 6.1 bis 6.6 halten den Manipula¬ torarm 3 jedoch in seiner Pose, da bei einer durch das
Schraubmoment verursachten Auslenkung diese entsprechend ih¬ rer eingestellten Achssteifigkeiten ein Gegenmoment aufbringen. Somit ist das Gelenk 6.7 bezüglich seines maximalen Drehmoments nicht mehr das limitierende Gelenk, da dieses sich kraftfrei verdrehen lässt. Der Extremfall, dass die Achssteifigkeit zu null gewählt wird, ist ein Extrembei¬ spiel, zeigt jedoch das Prinzip des Herangehens. Die Stei¬ figkeiten der sonst überbeanspruchten Gelenke werden erfin- dungsgemäß reduziert, wodurch diese Gelenke bei gleicher
Auslenkung ein geringeres Moment entgegensetzen. Damit der Manipulatorarm 3 wieder eine bewegungsfreie Gleichgewichts¬ lage findet, muss ein anderes Gelenk, im dargestellten Aus¬ führungsbeispiel das Gelenk 6.1, das komplette Moment auf- bringen, erfährt also eine höhere Belastung als wenn das Ge¬ lenk 6.7 einen Teil des Schraubmoments aufnehmen würde. Dies ist jedoch unkritisch, da das Gelenk 6.1 bauartbedingt für deutlich größere Momente ausgelegt ist.
Die Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines Diagramms mit Ver- teilungen von Reaktionsmomenten, die an den einzelnen Gelenken 6.1 bis 6. 7 des beispielhaften Manipulatorarms 3 abfal¬ len. Die Höhe der Reaktionsmomente, die bei Ansteuerung der Gelenke 6.1 bis 6. 7 ohne ein erfindungsgemäßes Verfahren aufgenommen werden können, sind im Diagramm in den schraf- fiert dargestellten Balken aufgetragen. Die Höhe der Reaktionsmomente, die bei Ansteuerung der Gelenke 6.1 bis 6. 7 mit einem erfindungsgemäßen Verfahren aufgenommen werden können, sind im Diagramm in den ohne Schraffur dargestellten Balken aufgetragen. Durch eine entsprechende Festlegung von indivi- duellen Achssteifigkeiten für jedes der Gelenke 6.1 bis 6. 7 kann das durch das Schraubewerkzeug 10a eingeleitete Drehmo¬ ment auf diejenigen Gelenke verteilt werden, die aufgrund ihrer konstruktiven Auslegung in der Lage sind höhere Momente aufzunehmen.
Es ist so möglich Verschraubungen mit Schraubewerkzeugen 10a durchzuführen, die ein Schraubmoment haben, das weder in Positionsregelung, noch mit geschlossenen Bremsen des Manipulatorarms 3, noch mit einer standardmäßig konfigurierten Im¬ pedanzregelung möglich ist, da einzelne Gelenke oder Lager des Manipulatorarms 3 bezüglich ihres zulässigen Maximalmo¬ ments überlastet wären. Die erfindungsgemäße individuelle Einstellung der Achssteifigkeiten kann aktiv dafür genutzt werden, die Momente in diejenigen Gelenke umzuleiten, die für höhere Momente ausgelegt sind.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum automatisierten Drehfügen und/oder Drehlösen von Bauteilen (12), insbesondere Maschinenelementen, wie Schrauben (12a) oder Muttern, an einem Werkstück
(13) mittels eines Werkzeugs (10), insbesondere eines Schraubwerkzeugs (10a), das von einem mehrere aufeinan¬ der folgende Glieder (7.1-7.8) und Gelenke (6.1-6.7) aufweisenden Manipulatorarm (3) eines Industrieroboters
(5) gehandhabt wird, aufweisend die Schritte:
— form- und/oder kraftschlüssiges Ansetzen des von dem Manipulatorarm (3) gehandhabten Werkzeugs (10) an das drehzufügende und/oder drehzulösende Bauteil (12),
— Drehen des Bauteils (12) mittels des Werkzeugs (10) unter Aufbringen eines Drehmoments auf das Bauteil (12) ,
— Abstützen eines aufgrund des aufgebrachten Drehmo¬ ments in den Manipulatorarm (3) eingeleiteten Reaktionsdrehmoments, durch
— kraft- und/oder momentengeregeltes Ansteuern der Ge¬ lenke (6.1-6.7) des Manipulatorarms (3) mittels einer Steuervorrichtung (4) des Industrieroboters (5) derart, dass wenigstens ein Gelenk (6.1-6.7), das im Vergleich zu wenigstens einem der anderen Gelenke (6.1-6.7) bauartbedingt mit einem geringeren Maximaldrehmoment belastbar ist, mit einer geringeren Steifigkeit parametriert wird, als das wenigstens ei¬ ne andere Gelenk (6.1-6.7) in seiner Steifigkeit parametriert ist. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das kraft- und/oder momentengeregelte Ansteuern der Gelenke (6.1-6.7) des Manipulatorarms (3) mittels Impedanzregelung oder Admit- tanzregelung erfolg.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Steifigkeit des wenigstens einen Gelenks (6.1-6.7), das bauart¬ bedingt mit einem geringeren Maximaldrehmoment belastbar ist, mindestens so weit reduziert wird, dass von dem in den Manipulatorarm (3) eingeleiteten Reaktionsdrehmoment nur ein Reaktionsdrehmomentanteil an diesem Gelenk (6.1- 6.7) abfällt, das zusammen mit etwaigen zusätzlich an diesem Gelenk (6.1-6.7) wirkenden anderen Drehmomentanteilen kleiner ist, als dessen bauartbedingtes Maxi¬ maldrehmoment .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Steifigkeit des wenigstens einen Gelenks (6.1-6.7), das bauartbedingt mit einem geringeren Maximaldrehmoment be¬ lastbar ist, so weit reduziert wird, dass zumindest na¬ hezu kein oder gar kein Reaktionsdrehmomentanteil an diesem Gelenk (6.1-6.7) abfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Steifigkeit des wenigstens einen Gelenks (6.1-6.7), das bauartbedingt mit einem geringeren, insbesondere dem ge¬ ringsten Maximaldrehmoment belastbar ist, vollständig zu Null parametriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Werkzeug (10), insbesondere das Schraubwerkzeug (10a) von dem Manipulatorarm (3) in einer festen Position und/oder Lage im Raum gehalten wird und das Drehfügen und/oder Drehlösen des Bauteils (12) durch einen eigenen Antrieb des Werkzeugs (10), insbesondere des Schraub¬ werkzeugs (10a) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Werkzeug (10), insbesondere das Schraubwerkzeug (10a) von dem Manipulatorarm (3) gehalten wird und durch automatisches Bewegen der Gelenke (6.1-6.7) des Manipula¬ torarms (3) das Werkzeug (10), insbesondere das Schraub¬ werkzeug (10a) gedreht wird, um durch dessen manipula- torarmgeführtes Drehen das Drehfügen und/oder Drehlösen des Bauteils (12) durchzuführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Manipulatorarm (3) wenigstens zwei Grundgelenke (6.1- 6.2), ein oder mehrere Zwischengelenke (6.3-6.4) und we¬ nigstens zwei Handgelenke (6.5-6.7) aufweist, und we¬ nigstens eines der Handgelenke (6.5-6.7) mit einer ge¬ ringeren Steifigkeit parametriert wird, als die wenigs¬ tens zwei Grundgelenke (6.1-6.2) in ihren Steifigkeiten parametriert sind.
Industrieroboter aufweisend einen kraft- und/oder momen- tenregelbaren Manipulatorarm (3) und eine Steuervorrichtung (4), die ausgebildet und/oder eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen .
Automatisierter Montagearbeitsplatz aufweisend einen Industrieroboter (5) nach Anspruch 9 und ein an einem Handflansch (9) des Manipulatorarms (3) des Industriero¬ boters (5) befestigtes Schraubwerkzeug (10a), das eine Werkzeugspitze (11) aufweist, welche zum form- und/oder kraftschlüssigen Ansetzen in ein Schrauben- Mitnahmeprofil einer Schraube (12a) ausgebildet ist.
11. Automatisierter Montagearbeitsplatz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugspitze (11) drehbar am Schraubwerkzeug (10a) gelagert ist und das Schraubwerkzeug (10a) einen Antrieb aufweist, der zum automatisierten Antreiben der drehbar am Schraubwerkzeug (10a) gelagerten Werkzeugspitze (11) ausgebildet ist.
12. Automatisierter Montagearbeitsplatz nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Schraub¬ werkzeugs (10a) von der Steuervorrichtung (4) des Industrieroboters (5) angesteuert ist.
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