WO2022083966A1

WO2022083966A1 - Vorrichtung zur automatisierten herstellung von schraubverbindungen

Info

Publication number: WO2022083966A1
Application number: PCT/EP2021/076205
Authority: WO
Inventors: Ingo Engler; Miguel Lebrato-Rastrojo; Thomas Albert RÖBBECKE; Frank Jagow; Dirk Rokossa
Original assignee: Hella Gmbh & Co. Kgaa (Hkg)
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2022-04-28
Also published as: US20230356371A1; CN116847952A; DE102020127488A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung (100) zur automatisierten Herstellung von Schraubverbindungen, umfassend einen Gelenkarmroboter (1) und eine Schraubeinheit (2), welche von einem Abtriebselement (11) eines Endglieds (12) des Gelenkarmroboters (1) um eine Effektorachse (wE) drehbar ist. Erfindungsgemäß weist die Schraubeinheit (2) ein Gehäuse (21) auf, wobei ein Schraubwerkzeug (22) in dem Gehäuse (21) entlang der Effektorachse (wE) zwischen einer Zuführstellung und wenigstens einer Schraubstellung verschiebbar aufgenommen ist, und wobei an dem Gehäuse (21) ein Mundstück (23) zur Bereitstellung einer Schraube (S) angeordnet ist.

Description

VORRICHTUNG ZUR AUTOMATISIERTEN HERSTELLUNG VON SCHRAUBVERBINDUNGEN

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatisierten Herstellung von Schraubverbindungen, umfassend einen Gelenkarmroboter und eine Schraubeinheit, welche von einem Abtriebselement eines Endglieds des Gelenkarmroboters um eine Effektorachse drehbar ist.

STAND DER TECHNIK

Zur automatisierten Herstellung von Schraubverbindungen werden Gelenkarmroboter üblicherweise mit einem Schraubautomaten versehen. Ein solcher Schraubautomat umfasst das Schraubwerkzeug sowie einen zugehörigen Antrieb mit Elektromotor. Im Stand der Technik sind Ansätze bekannt, bei welchen das Schraubwerkzeug zumindest teilweise auch durch das Abtriebselement am Endglied des Gelenkarmroboters angetrieben wird.

Beispielsweise offenbart die EP 2729 281 B1 eine Schraubvorrichtung zum Drehfügen und/oder Drehlösen von insbesondere Schrauben mit einem Roboter mit einer abtreibenden Drehachse, wobei der Roboter als Effektor eine eigenständig angetriebene Dreheinrichtung mit einem Drehwerkzeug trägt, wobei die Dreheinrichtung zum schnellen An-/Ausdrehen der Schraube ausgebildet ist, und wobei die abtreibende Drehachse des Roboters zum Fest-/Losdrehen der Schraube vorgesehen ist. Die gesamte Dreheinrichtung ist an dem drehbaren Abtriebselement des Roboters aufgenommen und wird folglich bei dessen Drehbetätigung durch den roboterseitigen Drehantrieb in Rotation versetzt, wobei eine schaltbare Blockiereinrichtung für eine Drehmomentübertragung auf das Drehwerkzeug sorgt Es wird in der EP 2729281 B1 also ein hybrider Ansatz vorgeschlagen, bei welchem der Roboter durch Drehung seiner abtreibenden Drehachse ein Los- oder Festdrehen der Schraube bewirkt, wohingegen der restliche Schraubprozess durch den separaten Antrieb der angeflanschten Dreheinrichtung vollzogen wird. Dabei ist der Drehwinkel des roboterseitigen Abtriebselements nachteiligerweise stark eingeschränkt, weil ein Aufwickeln der Zuleitungen zur Dreheinrichtung verhindert werden muss.

Die DE 202014 100 334 U1 offenbart ein Roboterwerkzeug mit einem Gestell und einem integrierten Antriebsstrang zum Drehen eines Abtriebsteils (insbesondere eines Schrauberbits) eines Drehwerkzeugs, wobei der Antriebsstrang für die drehende Betätigung durch einen Roboter ausgebildet ist und einen mit dem Abtriebsteil verbundenen Momentenverstärker zur Verstärkung eines Antriebsmoments des Roboters aufweist. Optional kann auch hier ein zusätzlicher, in das Roboterwerkzeug integrierter, motorischer Antriebsstrang auf das Abtriebsteil wirken. Es ist vorgesehen, dass Roboterwerkzeug an einer externen, ortsfesten Führungseinrichtung aufzunehmen, was eine signifikante Einschränkung hinsichtlich der Flexibilität der gesamten Vorrichtung darstellt.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Weiterbildung einer Vorrichtung zur automatisierten Herstellung von Schraubverbindungen, umfassend einen Gelenkarmroboter und eine Schraubeinheit, welche von einem Abtriebselement eines Endglieds des Gelenkarmroboters um eine Effektorachse drehbar ist, vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Schraubeinheit ein Gehäuse aufweist, wobei ein Schraubwerkzeug in dem Gehäuse entlang der Effektorachse zwischen einer Zuführstellung und wenigstens einer Schraubstellung verschiebbar aufgenommen ist, und wobei an dem Gehäuse ein Mundstück zur Bereitstellung einer Schraube angeordnet ist.

Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, das Abtriebselement am Endglied des Gelenkarmroboters zum unendlichen Drehen der Schraubeinheit samt dem Schraubwerkzeug zu verwenden, sodass auf einen weiteren Antrieb, wie er von Schraubautomaten aus dem Stand der Technik bekannt ist, verzichtet werden kann. Das Abtriebselement ist integraler Bestandteil des Gelenkarmroboters, sodass ein gängiger Gelenkarmroboter aus dem Stand der Technik ohne weitere Modifikationen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbar ist. Das Schraubwerkzeug ist beispielsweise als eine Schraubendreherklinge oder ein Bithalter mit Schraubbit ausgebildet.

Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in die drehbar am Abtriebselement des Gelenkarmroboters aufgenommene Schraubeinheit ein Mundstück zur Bereitstellung einer Schraube zu integrieren. Als Grundkörper der Schraubeinheit fungiert dabei das Gehäuse, an welchem das Mundstück angeordnet ist und in dessen Innerem das Schraubwerkzeug axial verschiebbar aufgenommen ist. Das Gehäuse ist beispielsweise auch zur drehfesten Verbindung der Schraubeinheit mit dem Abtriebselement des Gelenkarmroboters vorgesehen, etwa mittels eines Gehäuseflansches. An einer Drehung des Abtriebselements um die Effektorachse nimmt erfindungsgemäß die gesamte Schraubeinheit inklusive Gehäuse, Schraubwerkzeug und Mundstück teil.

Wie nachstehend detailliert ausgeführt, umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise ein Verschiebemittel zum Verschieben der Schraubwerkzeugs innerhalb des Gehäuses. Ein mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführtes Verfahren zur automatischen Herstellung einer Schraubverbindung startet mit dem Zuführen einer Schraube in das Mundstück, wobei sich das Schraubwerkzeug in der Zuführstellung befindet, in welcher das Mundstück für eine zuzuführende Schraube zugänglich ist. In weiterer Folge wird das Schraubwerkzeug entlang der Effektorachse vorgeschoben und in Eingriff mit dem Schraubenkopfantrieb gebracht. Durch Drehung der Schraubeinheit mittels des Abtriebselement des Gelenkarmroboters ist dann ein Drehmoment in die Schraube einleitbar und ein weiterer Vorschub des Schraubwerkzeugs in eine Schraubstellung treibt die Schraube aus dem Mundstück heraus.

Die vollständige Substitution des von Schraubautomaten aus dem Stand der Technik verwendeten separaten Antriebs des Schraubwerkzeugs durch das roboterseitige Abtriebselement führt vorteilhafterweise zu einer Reduktion des an dem Roboter aufgenommenen Gewichts sowie der aufzuwendenden Betriebsmittelkosten. In Kombination mit der erfindungsgemäßen Aufnahme des Mundstücks an dem Endglied des Roboters ist, wie nachstehend detaillierter ausgeführt wird, eine Möglichkeit zur automatisierten Schraubenzuführung gegeben, so dass diese Substitution nicht zulasten des Automatisierungsgrades der mit der Vorrichtung durchführbaren Herstellung von Schraubverbindungen geht.

In vorteilhafter Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Drehdurchführung für Druckluft und/oder elektrische Signale auf, wobei ein Stator der Drehdurchführung an dem Endglied angeordnet ist, und wobei ein Rotor der Drehdurchführung an der Schraubeinheit und/oder an dem Abtriebselement mitdrehbar angeordnet ist. Die Drehdurchführung ermöglicht einen abgedichteten Übergang für Druckluft und/oder elektrische Signale zwischen dem beim Schraubprozess feststehenden Stator und dem mit der Schraubeinheit mitrotierenden Rotor. Dadurch kann eine Beaufschlagung des rotierenden Schraubwerkzeugs mit Druckluft erfolgen, wodurch ein aktives Verschieben des Schraubwerkzeugs zwischen der Zuführstellung und Schraubstellungen ermöglicht ist. Alternativ kann eine Durchleitung von elektrischen Leistungs- und/oder Steuersignalen an ein im Gehäuse der Schraubeinheit aufgenommenes Verstellmittel zum Verschieben der Schraubwerkzeugs erfolgen.

Vorzugsweise ist das Schraubwerkzeug in einem Werkzeug kanal verschiebbar aufgenommen, wobei der Werkzeugkanal wenigstens eine inwendige Nut aufweist, und wobei das Schraubwerkzeug wenigstens einen in der Nut aufgenommenen Führungsstift aufweist, so dass über eine mittels der Nut und dem Führungsstift gebildete formschlüssige Verbindung ein Drehmoment auf das Schraubwerkzeug übertragbar ist. Die Übertragung des Drehmoments vollzieht sich ausgehend von dem Abtriebselement des Gelenkarmroboters auf das mitrotierende Gehäuse der Schraubeinheit und weiterhin auf das darin aufgenommene Schraubwerkzeug. Die Nut weist einen im Wesentlichen axialen Verlauf entlang der Innenwandung des Werkzeug kanals auf, so dass dem Verschieben des Schraubwerkzeugs in der Effektorachse durch die in der Nut geführten Führungsstifte kein signifikanter Bewegungswiderstand entgegengesetzt wird. Beispielsweise kann der Nutverlauf einen Abschnitt einer gestreckten Spirale nachbilden. Die zur Drehmomentübertragung aufgebaute Verbindung zwischen Nut und Führungsstift muss in Drehrichtung formschlüssig sein. In vorteilhafter Ausführungsform weist die Schraubeinheit einen Zuführkanal zum Zuführen einer Schraube in das Mundstück auf. Wie nachstehend detaillierter erläutert, ist dadurch eine Integration einer automatischen Schraubenzuführung ermöglicht, wodurch ein vollautomatischer und effizienter Prozess zur Herstellung von Schraubverbindungen durchführbar ist.

Besonders bevorzugt ist das Schraubwerkzeug über die Drehdurchführung mit Druckluft beaufschlag bar, so dass das Schraubwerkzeug mittels Beaufschlagung mit Überdruck oder Unterdrück zwischen der Schraubstellung und der Zuführstellung verschiebbar ist. Die Druckluft wirkt dabei auf ein rückwärtiges Ende des Schraubwerkzeugs ein, welches dort folglich luftdicht mit der Innenwandung des Werkzeugkanals abschließen muss, um die zur Verschiebung bzw. zum Halten des Schraubwerkzeugs erforderlichen Druckdifferenzen innerhalb des Werkzeugkanals aufbauen zu können. Ein solches pneumatisches Stellverfahren stellt eine robuste, leichtgewichtige und kostengünstige Ausführungsform dar.

Vorzugsweise weist die Schraubeinheit in der Ausführungsform mit pneumatischem Stellverfahren wenigstens eine Stellfeder auf, welche das Schraubwerkzeug in die Zuführstellung vorspannt. Beim Vorschub des Schraubwerkzeug in eine Schraubstellung mittels Druckluft muss dann Arbeit gegen die Stellfeder verrichtet werden und die Rückführung des Schraubwerkzeugs in die Zuführstellung erfolgt unter Entspannung der Stellfeder, sodass keine zusätzliche Beaufschlagung mit Unterdrück vonnöten ist.

In einer alternativen Ausführungsform weist die Schraubeinheit einen elektrischen Hubmagneten auf, welcher über die Drehdurchführung mit elektrischen Signalen ansteuerbar ist, wobei das Schraubwerkzeug an dem Hubmagneten aufgenommen ist, so dass das Schraubwerkzeug mittels Ansteuerung des Hubmagneten zwischen der Zuführstellung und der Schraubstellung verschiebbar ist

In einerweiteren Ausführungsform weist die Schraubeinheit einen Schieber auf, wobei der Werkzeugkanal und der Zuführkanal in dem Schieber verlaufen, und wobei der Schieber mittels Beaufschlagung mit Druckluft über die Drehdurchführung in einer Richtung radial zur Effektorachse verschiebbar ist, so dass wahlweise der Werkzeugkanal oder der Zuführkanal in Deckung mit der Effektorachse bringbar sind. Über den radial verschiebbaren Schieber kann eine Schraube automatisch in das Mundstück zugeführt werden. Vorzugsweise weist die Schraubeinheit mit Schieber wenigstens eine Schieberrückstellfeder auf, welche den Schieber in eine radiale Endlage vorspannt.

In einer weiteren Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein am Endglied des Gelenkarmroboters angeordnetes Anschlusselement auf, welches wenigstens eine Zuführöffnung zum Zuführen einer Schraube in den Zuführkanal und/oder wenigstens einen Druckluftanschluss zum Zuführen von Druckluft zu einem statorseitigen Anschluss der Drehdurchführung und/oder wenigstens einen elektrischen Anschluss zum Ansteuern eines statorseitigen Eingangs der Drehdurchführung umfasst. Mit dem Anschlusselement ist eine Schnittstelle für die Zuführung von Betriebsmedien geschaffen, welche am Endglied des Gelenkarmroboters angeordnet ist und somit beim Schraubprozess nicht an der Drehung der Schraubeinheit teilnimmt.

Beispielsweise weist die Ausführungsform mit Anschlusselement ein auf dem Anschlusselement angeordnetes Magazin auf, welches eine Trommel zur Bevorratung einer Mehrzahl von Schrauben umfasst, wobei die Trommel auf einer Bodenplatte drehbar angeordnet ist, wobei die Bodenplatte eine Auslassöffnung autweist, welche in Deckung mit der Zuführöffnung des Anschlusselements angeordnet ist. Die Trommel des Magazins kann dabei beispielsweise mittels eines Schrittmotors gedreht werden, so dass die aufgenommenen Schrauben nacheinander durch die Auslassöffnung in die Zuführöffnung und in weiterer Folge durch den Zuführkanal in das Mundstück befördert werden können.

Vorzugsweise ist das Abtriebselement des Gelenkarmroboters als eine Hohlwelle ausgebildet. Derartige Hohlwellen-Roboter sind im Stand der Technik beispielsweise für Lackier- oder Schweißvorrichtungen gebräuchlich. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ermöglichen sie eine konstruktiv besonders elegante und robuste Integration der Schraubeinheit und der Drehdurchführung.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1a eine Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figuren 1b, 1c Querschnittsansichten des ersten Ausführungsbeispiels,

Figur 1d eine Detailansicht des ersten Ausführungsbeispiels ohne optionales Magazin,

Fig. 2a eine Detailansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Figuren 2b, 2c Ansichten von Komponenten des zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2d eine Detailansicht des zweiten Ausführungsbeispiels mit Schieberrückstellfeder, Figuren 2e, 2f Querschnittsansichten des zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2g eine Detail-Querschnittsansicht des zweiten

Ausführungsbeispiels mit Werkzeugrückstellfeder,

Fig. 3 schematische Querschnittsansicht der Schraubeinheit eines dritten Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Hohlwellen-Roboter,

Fig. 5a Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Tischroboter, und

Fig. 5b Detailansicht zur Fig. 5a.

Die Figuren 1a bis 1c zeigen Detailansichten eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Querschnittsansichten der Figuren 1b und 1c gemäß der in Fig. 1a eingetragenen Schnittlinien BB‘ bzw. CC‘ dargestellt sind. Jeweils dargestellt sind die Schraubeinheit 2, das Anschlusselement 4, sowie das trommelartige Magazin 5 zur Bevorratung einer Mehrzahl von Schrauben S. Das Ausführungsbeispiel ist für die Verwendung mit einem Gelenkarmroboter mit einem als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebselement vorgesehen, wobei die Schraubeinheit 2 mittels des Gehäuseflansches 21a an das Abtriebselement anschraubbar ist, und wobei das Anschlusselement 4 ebenfalls mittels Schraubverbindungen an dem Endglied des Gelenkarmroboters aufnehmbar ist. An einer Drehung des Abtriebselements nehmen folglich nur die Schraubeinheit 2 sowie der damit drehfest verbundene Rotor 32 der Drehdurchführung 3 teil.

Die Schraubeinheit 2 umfassend das Gehäuse 21 mit dem Gehäuseflansch 21a, dem Gehäusedeckel 21b, das in dem Gehäuse 21 aufgenommene Schraubwerkzeug 22 sowie das vorderseitig an dem Gehäuse 21 angeordnete Mundstück 23 zur Bereitstellung einer Schraube S sind durch das Abtriebselement des Gelenkarmroboters um die Effektorachse wE drehbar, wodurch ein Schraubvorgang durchführbar ist. Das Schraubwerkzeug 22 ist in dem Werkzeugkanal 24 entlang der Effektorachse wE zwischen der in den Figuren 1b und 1c dargestellten Zuführstellung und wenigstens einer Schraubstellung verschiebbar aufgenommen. Zum axialen Verschieben des Schraubwerkzeugs 22 innerhalb des Werkzeugkanals 24 ist die Rückseite des Schraubwerkzeugs 22 mit Druckluft, d.h. wahlweise mit Überdruck oder mit Unterdrück beaufschlag bar.

Dabei dient die Drehdurchführung 3 zur Durchführung der Druckluft in den Werkzeugkanal 24 im rotierbaren Gehäuse 21. Der innenliegende Rotor 32 der Drehdurchführung 3 mündet in den Werkzeugkanal 24 und ist drehfest mit der Schraubeinheit 2 verbunden, wohingegen der Stator 31 der Drehdurchführung 3 an dem Anschlusselement 4 aufgenommen ist Durch eine horizontale Bohrung in dem Anschlusselement 4 ist die Druckluftöffnung 42 gebildet, durch welche die Drehdurchführung 3 an eine Druckluftversorgung anschließbar ist.

Durch Beaufschlagen mit Überdruck kann das Schraubwerkzeug 22 aus der hier dargestellten Zuführstellung in Richtung auf das Mundstück 23 vorgeschoben und in Eingriff mit dem Schraubenkopfantrieb der Schraube S gebracht werden, sodass das Schraubwerkzeug 22 dann eine Schraubstellung einnimmt. Der Durchmesser des Werkzeugansatzes 22a ist dabei derart an den Innendurchmesser des Werkzeugkanals 24 angepasst, dass einerseits eine zweckmäßige Druckdifferenz zwischen den vor und hinter dem Werkzeugansatz 22a liegenden Abschnitten des Werkzeug kanals 24 aufbaubar ist, andererseits aber eine reibungsarme Axialverschiebbarkeit des Schraubwerkzeugs 22 gewährleistet ist. Beim axialen Verschieben des Schraubwerkzeugs 22 entlang der zentral durch den Werkzeugkanal 24 verlaufenden Effektorachse wE erfährt das Schraubwerkzeug 22 eine Rotation um seine Längsachse, welche dadurch hervorgerufen wird, dass zwei radial von dem Werkzeugansatz 22a des Schraubwerkzeugs 22 abstehende Führungsstifte 26 in zugehörigen spiralförmig gewundenen Nuten 25 in der Wandung des Werkzeug kanals 24 aufgenommen und geführt werden (in den Querschnittsansichten ist jeweils nur eine Nut 25 bzw. ein Führungsstift 26 sichtbar, vorzugsweise umfasst die Vorrichtung noch jeweils ein gegenüberliegendes Exemplar). Dadurch wird einerseits ein reproduzierbares Eingreifen des Schraubwerkzeugs 22 in eine in dem Mundstück 23 bereitgestellte Schraube S gewährleistet, und insbesondere ist über eine mittels der Nuten 25 und der Führungsstifte 26 gebildete, in Drehrichtung formschlüssige Verbindung ein Drehmoment auf das Schraubwerkzeug 22 übertragbar. Das Drehmoment für den Schraubprozess wird erfindungsgemäß durch das roboterseitige Abtriebselement in die Schraubeinheit 2, insbesondere das Gehäuse 21 , eingeleitet und über das mitrotierende Schraubwerkzeug 22 letztlich auf die zu verschraubende Schraube S übertragen.

Zur Zufuhr von Schrauben S dient der in dem Gehäuse 21 verlaufende Zuführkanal 27, welcher im Bereich knapp oberhalb des Mundstücks 23 in den Werkzeugkanal 24 einmündet. In dem Mundstück 23 wird eine

Schraube S klemmend gehalten, wobei das Mundstück 23 eine Nachgiebigkeit aufweist, sodass die Klemmwirkung unter der Krafteinwirkung des in eine Schraubstellung vorschiebenden Schraubwerkzeugs 22 überwunden werden kann. Befindet sich das Schraubwerkzeug 22 in der dargestellten zurückgezogenen Zuführstellung, so ist das Mundstück 23 für eine zuzuführende Schraube S zugänglich, wohingegen die Einmündung des Zuführkanals 27 in den Werkzeugkanal 24 durch das in einer vorgeschobenen Schraubstellung befindliche Schraubwerkzeug 22 versperrt wird. Der Zuführkanal 27 ist über die Zuführöffnung 41 am Anschlusselement 4 zugänglich, wobei im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung die rückwärtige Öffnung des Zuführkanals 27 in Deckung mit der Zufuhröffnung 41 gedreht werden muss, um einen Übergang einer Schraube S aus dem ruhend am Endglied des Gelenkarmroboters angeordneten Anschlusselements 4 in die mitdrehbar am Abtriebselement des Gelenkarmroboters angeordnete Schraubeinheit 2 zu ermöglichen.

Auf dem Anschlusselement 4 ist das Magazin 5 angeordnet, welches die Trommel 51 zur Bevorratung einer Mehrzahl von Schrauben S umfasst, wobei die Trommel 51 auf der Bodenplatte 52 drehbar aufgenommen ist. Die Drehbarkeit der Trommel 51 kann dabei beispielsweise auf einem hier nicht gezeigten Lager beruhen und insbesondere mittels eines zusätzlichen Schrittmotors aktiv ansteuerbar ausgebildet sein. Die Bodenplatte 52 weist die Auslassöffnung 53 auf, welche in Deckung mit der Zuführöffnung 41 des Anschlusselements 4 angeordnet ist, sodass bei Drehung der Trommel 51 die Schrauben S sukzessive in den Zuführkanal 27 eingebracht werden können, insbesondere unter Wirkung der Schwerkraft oder optional mittels zusätzlicher Druckluftbeaufschlagung. In der Fertigungspraxis kann das Magazin 5 beispielsweise von einem Mitarbeiter manuell gewechselt werden oder die Vorrichtung ist zum automatischen Magazinwechsel befähigt.

Fig. 1d zeigt als Detailansicht eine Variante des ersten Ausführungsbeispiels ohne ein Magazin zur Bevorratung von Schrauben. In dieser Ausführungsform können Schrauben über eine geeignete Zuführleitung durch die Zuführöffnung 41 am Anschlusselement 4 direkt in das Innere der Schraubeinheit 2 zugeschossen werden. Im automatisierten Betrieb kann dadurch die Taktzeit im Vergleich zu der vorbeschriebenen Variante mit Magazin weiter reduziert werden, weil das Wiederauffüllen des Magazins entfällt. Ansonsten entspricht die Variante der Fig. 1d dem in den Figuren 1a bis 1c dargestellten ersten Ausführungsbeispiel, außer dass die Druckluftöffnung 42 hier abweichend und der besseren Zugänglichkeit halber auf der Stirnseite des Anschlusselements 4 angeordnet ist.

Als Schraubeinheit 2 wird im Sinne der vorliegenden Erfindung die Summe aller Komponenten, mit Ausnahme des Rotors 32 der Drehdurchführung 3, bezeichnet, welche mit dem Abtriebselement des Gelenkarmroboters mitdrehbar aufgenommen sind, d.h. die beim Schraubprozess an der Drehung um die Effektorachse wE teilnehmen. Die Drehdurchführung 3 und das Anschlusselement 4, welches an dem Endglied des Gelenkarmroboters ruhend aufgenommen ist, bilden hingegen eine Anschlusseinheit für die Schraubeinheit 2. Dies gilt jeweils für sämtliche erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele.

Die Fig. 2a zeigt eine perspektivische Detailansicht eines zweiten vorteilhaften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Figuren 2b und 2c zeigen Ansichten von vereinzelten Komponenten der Ausführungsform und die Figuren 2d und 2e zeigen zugehörige Querschnittsansichten gemäß der in der Fig. 2a dargestellten Schnittlinien DD* bzw. EE*. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist wiederum zur Verwendung mit einem Gelenkarmroboter mit als Hohlwelle ausgebildetem Abtriebselement vorgesehen, wobei die Schraubeinheit 2 über den Gehäuseflansch 21a mit dem Abtriebselement des Gelenkarmroboters verschraubbar ist, und das Anschlusselement 4 ist zur Anordnung an dem Endglied des Gelenkarmroboters vorgesehen ist.

Das Ausführungsbeispiel der Figuren 2a bis 2g weist eine Schraubeinheit 2 mit einem Schieber 29 auf, welcher im Inneren des Gehäuses 21 in der Schieberaufnahme 21c aufgenommen ist, wobei der Werkzeugkanal 24 und der Zuführkanal 27 parallel zueinander in dem Schieber 29 verlaufen und wobei der Schieber 29 mittels Beaufschlagung mit Druckluft über die Drehdurchführung 3 in einer Richtung radial zur Effektorachse wE verschiebbar ist, sodass wahlweise der Werkzeugkanal 24 oder der Zuführkanal 27 in Deckung mit der Bodenöffnung 21 d und mittig über das Mundstück 23 bringbar sind.

Über die Druckluftöffnungen 42 am Anschlusselement 4 kann Druckluft in die Schraubeinheit 2 eingeleitet werden, wobei die auf der Effektorachse wE angeordnete Druckluftöffnung 42 über die Drehdurchführung 3, deren Stator 31 mit dem Anschlusselement 4 und deren Rotor 32 mit der Schraubeinheit 2 verbunden sind, auf das Schraubwerkzeug 22 einwirken und dieses zwischen der Zuführstellung und den Schraubstellungen verschieben. Die Manipulation des Schiebers 29 mittels Druckluft, sowie auch die Zuführung einer Schraube S in den Zuführkanal 27, ist ausschließlich bei einer zweckmäßigen Ausrichtung der Schraubeinheit 2 zum Anschlusselement 4 gegeben, in welcher die beiden Druckluftöffnungen 42 und die Zuführöffnung 41 jeweils in Deckung mit den entsprechenden Öffnungen im Gehäusedeckel 21b und mit den Drucklufteinlässen 21 e im Körper des Gehäuses 21 angeordnet sind. Um eine solche überdeckende Anordnung zu realisieren, muss die Schraubeinheit 2 mittels des Abtriebselements des Gelenkarmroboters in die geeignete Winkelstellung um die Effektorachse wE gedreht werden. Aus den Drucklufteinlässen 21e zweigen die Druckluftkanäle 21f ab, über welche die Schieberaufnahme 21c für Druckluft zugänglich ist. Das Zuführen einer Schraube S in das Mundstück 23 erfolgt durch ein Zuführen der Schraube S durch die Zuführöffnung 41 in den Zuführkanal 27 des Schiebers 29 und ein anschließendes radiales Verschieben des Schiebers 29 mittels Druckluft, sodass der Zuführkanal 27 in Deckung mit der Bodenöffnung 21d gebracht wird und die Schraube S in weiterer Folge unter Wirkung der Schwerkraft und/oder durch einen Druckluftstoß in das Mundstück 23 hineinfällt bzw. vorschiebt. Zur anschließenden Durchführung eines Schraubprozesses wird der Schieber 29 mittels Unterdruck radial zurückgeschoben, sodass der Werkzeugkanal 24 in Deckung mit der Bodenöffnung 21 d gebracht wird, und sodann das Schraubwerkzeug 22 aus seiner Zuführstellung in eine Schraubstellung vorgeschoben und durch die Bodenöffnung 21b austretend in den Schraubenkopfantrieb der Schraube S eingreifen kann. Wie bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1a bis 1c erläutert, dient auch hier eine in Drehrichtung formschlüssige Verbindung zwischen den Nuten 25 und den am Schraubwerkzeug 22 angeformten Führungsstiften 26 der Drehmomentübertragung auf das Schraubwerkzeug.

Wie in der Fig. 2d gezeigt, kann alternativ wenigstens eine Schieberrückstellfeder 29a in die Schieberaufnahme 21c integriert sein und den Schieber 29 in die dargestellte radiale Endlage vorspannen, so dass auf eine Beaufschlagung mit Unterdrück zum Verschieben des Schiebers 29 in diese Endlage verzichtet werden kann.

Fig. 2g zeigt eine quergeschnittene Detailansicht einer Variante des zweiten Ausführungsbeispiels mit einer Werkzeugrückstellfeder 22a, welche das Schraubwerkzeug 22 in die dargestellte Zuführstellung vorspannt. Die Werkzeugrückstellfeder 24a ist als eine Druckfeder ausgebildet und erstreckt sich von dem in den Werkzeugkanal 24 hineinragenden Steg 24b bis zu dem Werkzeugansatz 22a. Beim Vorschieben des Schraubwerkzeugs 22 in eine Schraubstellung muss Arbeit gegen die Werkzeug rückstellfeder 24a verrichtet werden und im Anschluss an einen Schraubvorgang wird das Schraubwerkzeug 22 unter Entspannung der Werkzeugrückstellfeder 24a zurück in die Zuführstellung verbracht Analog zur Darstellung der Fig. 2g kann eine solche Werkzeugrückstellfeder vorzugsweise auch in das erste Ausführungsbeispiel der Figuren 1a bis 1d integriert sein. Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Schraubeinheit 2 eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welchem die Verschiebbarkeit des Schraubwerkzeugs 22 zwischen der Zuführstellung und den Schraubstellungen auf einer Aktuierung mittels eines Hubmagneten 28 beruht. Lediglich schematisch ist der Rotor 32 einer Drehdurchführung gezeigt, durch welche die zum Betrieb des Hubmagneten 28 notwendigen Leistungs- und Steuersignale über die elektrische Zuleitung 28a in die Schraubeinheit 2 eingeleitet werden. Das Schraubwerkzeug 22 ist in nicht näher gezeigter Weise an dem Hubmagneten 28 aufgenommen und kann von diesem entlang der Effektorachse wE verschoben werden. Der Hubmagnet 28 ist mittels der Halterung 6 starr am Gehäuse 21 aufgenommen.

Der untere Abschnitt eines den Zuführkanal 27 bildenden Hohlrohres oder Schlauches 8 ist hier mittels der Zugfeder 7 in eine zur Zuführung einer Schraube S in das Mundstück 23 geeignete Stellung vorgespannt. Aus dieser Stellung kann der untere Abschnitt des Schlauches 8 durch das in eine Schraubstellung vorschiebende Schraubwerkzeug 22 herausgedrückt werden. Ein derartige Zuführvorrichtung ist im Stand der Technik bekannt und kann in die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert werden.

Fig. 4 zeigt eine Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 mit einem sechsachsigen Gelenkarmroboter 1, dessen Abtriebselement 11 als eine Hohlwelle ausgebildet ist. Das hohlwellenförmige Abtriebselement 11 ist um die Effektorachse wE, welche der sechsten Roboterachse w6 entspricht, unendlich drehbar. Das Endglied 12 des Gelenkarmroboters 1 stellt ein Gestell für das Abtriebselement 11 dar und ist um die fünfte Roboterachse w5 drehbar. Der das Abtriebselement 11 aufnehmende Abschnitt des Endglieds 12 weist eine zentrale Aussparung auf. Die Schraubeinheit 2 entspricht beispielweise dem Ausführungsbeispiel der Figuren 2a bis 2e und ist mit dem Gehäuseflansch 21a an dem Abtriebselement 11 angeschraubt. Das Anschlusselement 4 ist auf der dazu abgewandten Seite des Endglieds 12 befestigt und die Drehdurchführung erstreckt sich durch die Aussparung des Endglieds 12 zwischen dem Anschlusselement 4 und der Schraubeinheit 2.

Die Drehbarkeit der Schraubeinheit 2 beruht also erfindungsgemäß ausschließlich auf einem roboterseitigen Antrieb, welcher zur Drehung des Abtriebselements 11 eingerichtet ist; weitere motorische Antriebselemente, die bei Schraubautomaten aus dem Stand der Technik zum Einsatz kommen, sind nicht vonnöten. Durch die Medienzuführung 13 können über das Anschlusselement 4 Betriebsmedien wie Druckluft, elektrische Signale oder Schrauben automatisch der Schraubeinheit 2 zugeführt werden.

Die automatisierte Herstellung einer Schraubverbindung an dem Werkstück W erfolgt mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 durch Positionieren der Schraubeinheit 2 am Werkstück W mittels des Gelenkarmroboters und einer durch das Abtriebselement 11 getriebenen Drehung der Schraubeinheit 2 bei gleichzeitigem Verschieben des in der Schraubeinheit 2 aufgenommen Schraubwerkzeugs entlang der Effektorachse wE in geeignete Schraubstellungen. Der Vorschub des Schraubwerkzeugs innerhalb der Schraubeinheit 2, bei ruhendem Gelenkarmroboter, ist dabei zweckmäßig an das Eindrehen der Schraube in das Werkstück W gemäß der Steigung des Schraubengewindes angepasst, sodass das Schraubwerkzeug während des Einschraubvorgangs stets in Eingriff mit dem Schraubenkopfantrieb bleibt. Zur Prozessüberwachung und Steuerung können dem Schraubwerkzeug Kraft und/oder Drehmomentsensoren zugeordnet sein, welche insbesondere bereits roboterseitig integriert sein können.

Die Figuren 5a und 5b zeigen eine Gesamtansicht bzw. eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 mit einem sechsachsigen Tisch roboter 1. Die Effektorachse wE entspricht wiederum der sechsten Roboterachse w6, um welche das Abtriebselement 11 und die daran aufgenommene Schraubeinheit 2 drehbar sind, und das Endglied 12 des Gelenkarmroboters 1 ist um die fünfte Roboterachse w5 drehbar.

Die Schraubeinheit 2 ähnelt beispielweise dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1a bis 1c. Bei der hier dargestellten Vorrichtung 100 ist die Drehdurchführung 3 zwischen dem Abtriebselement 11 und der Schraubeinheit 2 angeordnet, wobei der Stator 31 hohlzylindrisch ausgebildet ist und der Rotor 32 sich axial im Inneren des Stators 31 erstreckt. Der Stator 31 ist über die das Abtriebselement 11 überbrückende Statorhalterung 34 ruhend an dem Endglied 12 angeordnet. Der Rotor 32 ist mit einem rückwärtigen Ende mitdrehbar an dem Abtriebselement 11 aufgenommen und mit seinem vorderseitigen Ende mit der Schraubeinheit 2 verbunden, d.h. bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Drehmoment des Abtriebselements 11 ausschließlich über die Drehdurchführung 3 auf die Schraubeinheit 2 übertragen.

Zur Beaufschlagung des Schraubwerkzeugs im Inneren der Schraubeinheit 2 mit Druckluft ist am Stator 31 der Drehdurchführung 3 der Druckluftanschluss 33 angeordnet und die Medienzuführung 13 dient der Zuführung einer Schraube in den Zuführkanal 27, wobei die Öffnung des Zuführkanals 27 am Gehäuse 21 der Schraubeinheit 2 dazu in Deckung mit dem Austritt der Medienzuführung 13 gebracht sein muss.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste: 0 Vorrichtung

Gelenkarmroboter Abtriebselement Endglied Medienzuführung Schraubeinheit Gehäuse a Gehäuseflansch b Gehäusedeckel c Schieberaufnahme d Bodenöffnung e Drucklufteinlass f Druckluftkanal Schraubwerkzeug a Werkzeugansatz Mundstück Werkzeugkanal a Werkzeugrückstellfeder b Steg Nut Führungsstift Zuführkanal Hubmagnet a elektrische Zuleitung Schieber a Schieberrückstellfeder Drehdurchführung Stator 32 Rotor

33 Druckluftanschluss

34 Statorhalterung

4 Anschlusselement

41 Zuführöffnung

42 Druckluftöffnung

5 Magazin

51 Trommel

52 Bodenplatte

53 Auslassöffnung

6 Halterung

7 Zugfeder

8 Schlauch wE Effektorachse w5 fünfte Drehachse w6 sechste Drehachse

S Schraube

W Werkstück

Claims

22

Ansprüche: Vorrichtung (100) zur automatisierten Herstellung von Schraubverbindungen, umfassend einen Gelenkarmroboter (1) und eine Schraubeinheit (2), welche von einem Abtriebselement (11) eines Endglieds (12) des Gelenkarmroboters (1) um eine Effektorachse (wE) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubeinheit (2) ein Gehäuse (21) aufweist, wobei ein Schraubwerkzeug (22) in dem Gehäuse (21) entlang der Effektorachse (wE) zwischen einer Zuführstellung und wenigstens einer Schraubstellung verschiebbar aufgenommen ist, und wobei an dem Gehäuse (21) ein Mundstück (23) zur Bereitstellung einer Schraube (S) angeordnet ist. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Drehdurchführung (3) für Druckluft und/oder elektrische Signale aufweist, wobei ein Stator (31) der Drehdurchführung (3) an dem Endglied (12) angeordnet ist, und wobei ein Rotor (32) der Drehdurchführung (3) an der Schraubeinheit (2) und/oder an dem Abtriebselement (11) mitdrehbar angeordnet ist. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubwerkzeug (22) in einem Werkzeugkanal (24) verschiebbar aufgenommen ist, wobei der Werkzeugkanal (24) wenigstens eine inwendige Nut (25) aufweist, und wobei das Schraubwerkzeug (22) wenigstens einen in der Nut (25) aufgenommenen Führungsstift (26) aufweist, so dass über eine mittels der Nut (25) und dem Führungsstift (26) gebildete formschlüssige Verbindung ein Drehmoment auf das Schraubwerkzeug (22) übertragbar ist Vorrichtung (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubeinheit (2) einen Zuführkanal (27) zum Zuführen einer Schraube (S) in das Mundstück (23) aufweist. Vorrichtung (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubwerkzeug (22) über die Drehdurchführung (3) mit Druckluft beaufschlagbar ist, so dass das Schraubwerkzeug (22) mittels Beaufschlagung mit Überdruck oder Unterdrück zwischen der Zuführstellung und der Schraubstellung verschiebbar ist. Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubeinheit (2) wenigstens eine Werkzeugrückstellfeder (22a) aufweist, welche das Schraubwerkzeug (22) in die Zuführstellung vorspannt. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubeinheit (2) einen elektrischen Hubmagneten (28) aufweist, welcher über die Drehdurchführung (3) mit elektrischen Signalen ansteuerbar ist, wobei das Schraubwerkzeug (22) an dem Hubmagneten (28) aufgenommen ist, so dass das Schraubwerkzeug (22) mittels Ansteuerung des Hubmagneten (28) zwischen der Zuführstellung und der Schraubstellung verschiebbar ist. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubeinheit (2) einen Schieber (29) aufweist, wobei der Werkzeugkanal (24) und der Zuführkanal (27) in dem Schieber

(29) verlaufen, und wobei der Schieber (29) mittels Beaufschlagung mit Druckluft über die Drehdurchführung (3) in einer Richtung radial zur Effektorachse (wE) verschiebbar ist, so dass wahlweise der Werkzeugkanal (24) oder der Zuführkanal (27) in Deckung mit der Effektorachse (wE) bringbar sind. Vorrichtung (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubeinheit (2) wenigstens eine Schieberrückstellfeder (29a) aufweist, welche den Schieber (29) in eine radiale Endlage vorspannt. Vorrichtung (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) ein am Endglied (12) des Gelenkarmroboters (1) angeordnetes Anschlusselement (4) aufweist, welches wenigstens eine Zuführöffnung (41) zum Zuführen einer Schraube (S) in den Zuführkanal (27) und/oder wenigstens einen Druckluftanschluss (42) zum Zuführen von Druckluft zu einem statorseitigen Anschluss der Drehdurchführung (3) und/oder wenigstens einen elektrischen Anschluss zum Ansteuern eines statorseitigen Eingangs der Drehdurchführung (3) umfasst. 25 Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) ein auf dem Anschlusselement (4) angeordnetes Magazin (5) aufweist, welches eine Trommel (51) zur Bevorratung einer Mehrzahl von Schrauben (S) umfasst, wobei die Trommel (51) auf einer Bodenplatte (52) drehbar angeordnet ist, wobei die Bodenplatte (52) eine Auslassöffnung (53) aufweist, welche in Deckung mit der Zuführöffnung (41) des Anschlusselements (4) angeordnet ist. Vorrichtung (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (11) des Gelenkarmroboters (1) als eine Hohlwelle ausgebildet ist.