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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Radmontage-Industrieroboter zur
Montage eines Fahrzeugrades an einer fahrzeugseitigen Radaufhängung und
auf ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Radmontage-Industrieroboters.
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Radmontage-Industrieroboter
dienen insbesondere in der Fahrzeug-Fertigung der maschinellen Montage
eines Fahrzeug-Rades an einer fahrzeugseitigen Radaufhängung. Hierfür ist sowohl
ein Radgreifer zum Ergreifen und Halten des Fahrzeug-Rades als auch
ein Radschrauber zum Einschrauben der Radschrauben in die Radnabe
erforderlich. Grundsätzlich
können
der Radschrauber und der Radgreifer jeweils einem eigenen Industrieroboter zugeordnet
sein. Dies ist jedoch mit hohem technischem Aufwand verbunden, weshalb
angestrebt wird, den Radschrauber zusammen mit dem Radgreifer an
einer einzigen Endeffektor-Basis eines Industrieroboters anzuordnen.
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Der
Radreifen des Fahrzeugrades weist in der Regel Unrundheiten bzw.
Exzentrizität
auf. Beim Ergreifen des Rades durch den Radgreifer außen an der
Rad- Lauffläche
ist daher nicht sichergestellt, dass die gemeinsame Werkzeugachse
des Radgreifers und des Radschraubers genau fluchtet mit der Mittelachse
der Radfelge. Dies wäre
jedoch für
ein exaktes Ansetzen der Radschrauben durch den Radschrauber notwendig.
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Um
eine Ausrichtung der Werkzeugachse des Radschraubers mit der Mittelachse
der Radfelge herzustellen, kann der Radgreifer gegenüber dem Radschrauber
an der Endeffektor-Basis in mehreren Achsen verschiebbar und steuerbar
ausgebildet sein. Auch eine derartige Konstruktion erfordert jedoch
einen hohen mechanischen Aufwand.
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Aufgabe
der Erfindung ist es dem gegenüber,
einen Radmontage-Industrieroboter
bzw. ein Verfahren zu seinem Betrieb zu schaffen, mit dem ein Fahrzeugrad
mit möglichst
geringem technischen Aufwand an einer fahrzeugseitigen Aufhängung montiert
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 9.
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Gemäß des Vorrichtungs-Anspruches
1 sind der Radgreifer und der Radschrauber beide basisfest an der
Endeffektor-Basis befestigt, die ihrerseits von einem Manipulatorarm
in fünf
bis sechs Freiheitsgraden bewegt werden kann. Der Radgreifer und
der Radschrauber sind über
die Endeffektor-Basis starr miteinander verbunden.
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Der
Radgreifer weist zum Ergreifen des Rades zwei Greiferarme auf, an
denen jeweils eine Greiferbacke befestigt ist, die die Lauffläche des Radreifens
erfasst. Die Greiferarme werden durch einen Armantrieb symmetrisch
zueinander bewegt, d. h. aufeinander zu bewegt oder voneinander
weg bewegt. Diese Bewegung kann linear oder auf einer Kreisbahn
erfolgen.
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Die
Greiferbacken sind ihrerseits jeweils voneinander unabhängig beweglich
und arretierbar an dem jeweiligen Greiferarm fixiert. Gegenüber einem
Radgreifer mit Greiferbacken, die starr an den Greiferarmen befestigt
sind, ergibt sich durch die gegenüber den Greiferarmen bewegliche
Anbringung der Greiferbacken ein weiterer Freiheitsgrad, durch den
es möglich
wird, das Fahrzeugrad, d. h. den Radreifen exzentrisch im Bezug
auf die Werkzeugachse der Endeffektor-Basis zu ergreifen. Sobald
der Fahrzeugreifen derart exzentrisch ergriffen wurde, dass die
Mittelachse der Radfelge genau fluchtet mit der Werkzeugachse des
Radschraubers bzw. der Endeffektor-Basis, werden die Greiferbacken
in Bezug auf den jeweiligen Greiferarm arretiert und können die
Greiferarme ggf. weiter in proximaler Richtung kontrahieren, um
eine für
den folgenden Rad-Transport, für
das Heften sowie für
das Fixieren des Rades an der Nabe erforderliche Greifkraft aufzubringen.
Die Greiferbacken sind gegenüber
den Greiferarmen jeweils zwischen einer Schließ- und einer Öffnungsposition
nicht in ihrer Lage steuerbar oder regelbar, sondern nur in eine Öffnungsposition bzw.
Schließposition
bewegbar. Den Anschlag in Schließposition bildet ggf. der Radreifen,
während der
Anschlag in Öffnungsposition
jeweils am betreffenden Greiferarm vorgesehen ist. Der Greiferbacken-Antrieb
kann durch einfache Stellelemente erfolgen. Ferner kann auf die
Greifbacken in Schließrichtung
eine kleine Schließkraft
aufgebracht werden, beispielsweise durch einfache Stellelemente
oder Federelemente.
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Die
beiden an dem Greiferarm beweglich und arretierbar angeordneten
Greiferbacken stellen jeweils mindestens einen zusätzlichen
sperrbaren Freiheitsgrad in Greifrichtung dar, der durch den Verzicht
auf eine Lagesteuerung oder -regelung auf einfache Weise technisch
realisiert werden kann, also nicht mit hohem zusätzlichen Aufwand verbunden
ist, wie er beispielsweise für
einen angetriebenen und lagegeregelten zusätzlichen Freiheitsgrad erforderlich wäre. Die
beiden Greiferbacken können
sich unabhängig
voneinander an den ggf. unsymmetrischen bzw. exzentrischen Radreifen
anpassen, bevor der eigentliche Greifvorgang durch Kontraktion der
Greiferarme erfolgt.
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Gemäß dem nebengeordneten
Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung gemäß Hauptanspruch 1 ist vorgesehen,
zunächst
die beiden Greiferarme gegenüber
der Endeffektor-Basis und die beiden Greiferbacken gegenüber ihren
Greiferarmen zu öffnen.
Anschließend
wird die Raumlage der Radfelge im Bezug auf die Endeffektor-Basis
bzw. in Bezug auf die Werkzeugachse des Radgreifers ermittelt. Dies kann
durch einen geeigneten Sensor erfolgen, der raumfest angeordnet
sein kann, bevorzugt jedoch ebenfalls an der Endeffektor-Basis und
besonders bevorzugt basisfest an der Endeffektor-Basis angeordnet
ist. Der Felgenlage-Sensor ist bevorzugt als bildgebender Sensor
ausgebildet, kann grundsätzlich jedoch
auch anders ausgebildet sein, beispielsweise als tastender Sensor.
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Nach
dem Ermitteln der Raumlage der Radfelge wird die Endeffektor-Basis
konzentrisch mit der Radfelge ausgerichtet, d. h. die Werkzeugachse
des Radgreifers wird ausgerichtet mit der Mittelachse der Radfelge.
Ferner kann die Endeffktor-Basis so um die Werkzeugachse geschwenkt
werden, dass die Schrauberspindeln des Radschraubers mit den Radschrauben-Löchern in
der Radfelge fluchten. Anschließend
werden die Greiferbacken im Bezug auf die Greiferarme geschlossen,
wobei die Greiferbacken auf die Lauffläche des Rad-Reifens auftreffen. Die Schließbewegung
erfolgt bis zum Erreichen einer relativ niedrig festgelegten Schließkraft.
Ggf. können vor
dem Schließen
der Greiferbacken auch die Greiferarme durch den Armantrieb bereits
proximal aufeinander zu bewegt werden, bis beide Greiferbacken in
Bezug auf die Greiferarme eine festgelegte Schließkraft erreicht
haben.
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Sobald
beide Greiferbacken im Bezug auf die Greiferarme eine festgelegte,
relativ niedrige Schließkraft
erreicht haben, werden die Greiferbacken in dieser Schließposition
in Bezug auf die Greiferarme arretiert.
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Anschließend schließen die
Greiferarme, so dass der Radreifen und damit das Fahrzeug-Rad fest ergriffen
wird.
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Die
beiden Greiferbacken können
sich auf diese Weise also unabhängig
voneinander an einen unsymmetrischen Radreifen anpassen, bevor der
eigentliche Greifvorgang durch proximale Kontraktion der beiden
Greiferarme erfolgt. Die Greiferarme schließen also symmetrisch, wobei
die Greiferbacken nicht symmetrisch zur Greifermitte stehen müssen.
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Vorzugsweise
treibt ein einziger Armantrieb die beiden Greiferarme symmetrisch
an. Hierdurch wird der Aufwand für
den Industrieroboter so gering wie möglich gehalten. Beispielsweise
können
die beiden Greiferarme auf einer einzigen Spindel angeordnet sein,
die zwei zueinander gegenläufige
Gewindezüge
aufweist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind
die beiden Arretierelemente zum Arretieren der Greiferbacken an
dem Greiferarm als bidirektionale Fluidzylinder ausgebildet, insbesondere
als Gaszylinder. Der Fluidzylinder kann grundsätzlich drei Zustände einnehmen.
Im Öffnungs-Zustand
steht der Zylinder so, dass die Greiferbacken zueinander jeweils
den größtmöglichen
Abstand einnehmen, also die Öffnungsweite
das Maximum erreicht. Im Adduktor-Zustand wird der Fluidzylinder
derart mit Fluid beaufschlagt, dass eine Schließbewegung der Greiferbacken
mit einer Kraftbegrenzung erfolgt, d. h. sobald eine Greiferbacke
auf einen mechanischen Wiederstand stößt, wird die Greiferbacke mit
der betreffenden geringen Kraft gegen den Wiederstand bzw. die Rad-Lauffläche gedrückt. Der
Wiederstand ist in jedem Fall erheblich geringer als die Kraft des
Armantriebes, mit der die Greiferarme bewegt werden.
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Der
dritte Zustand ist der Arretier-Zustand, in dem beide Kammern des
Fluidzylinders mit hohem Fluiddruck beaufschlagt sind, so dass die
Greiferbacken mechanisch gesperrt sind. Dies kann beispielsweise
dadurch realisiert werden, dass alle Fluidleitungen zu den beiden
Kammern der Fluidzylinder gesperrt werden.
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Zum
Schalten der drei Fluidzylinder-Zustände sind einfache Schaltventile
ausreichend. Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln eine zuverlässige Schaltung
der drei Fluidzylinder-Zustände
realisiert werden. Zur Generierung der entsprechenden Fluiddrücke ist
ferner ein Kompressor vorzusehen.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel die Erfindung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Gesamtdarstellung eines Radmontage-Industrieroboters,
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2 ein
distales Ende eines Manipulatorarmes und einer Endeffektor-Basis mit einem Radgreifer
und einem Radschrauber des Radmontage-Industrieroboters der 1,
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3 einen
Radgreifer, einen Radschrauber und eine Kamera, die alle auf der
Endeffektor-Basis montiert sind,
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4 der
Radgreifer der 3 beim zentrischen Ergreifen
eines idealen Fahrzeugrades,
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5 der
Radgreifer der 1 bis 3 beim zentrischen
Ergreifen eines Fahrzeugrades mit nach oben verschobener Radfelge,
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6 den
Radgreifer der 1 bis 3 beim zentrischen
Ergreifern eines Fahrzeugrades mit nach rechts verschobener Radfelge,
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7 eine
zweite Ausführungsform
einer Greiferbacke eines Radgreifers.
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In
der 1 ist ein Radmontage-Industrieroboter 10 dargestellt,
der der Montage eines Fahrzeugesrades 12 an einer Radnabe
eines Fahrzeuges 14 dient. Das Fahrzeug 14 steht
entweder während
der Radmontage still oder wird kontinuierlich bewegt.
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Der
Radmontage-Industrieroboter 10 weist einen mehrgliedrigen
Manipulatorarm 16 auf, dessen Armglieder zueinander um
Gelenke schwenkbar sind, die entsprechende Schwenkachsen aufweisen. An
dem distalen Ende des Manipulatorarms 16 ist eine Endeffektor-Anordnung 18 befestigt,
die eine Endeffektor-Basis 20 aufweist, an der ein Radgreifer 22,
ein Radschrauber 24 und ein als Digitalkamera ausgebildeter
bildgebender Sensor 26 jeweils basisfest angeordnet sind,
wie in 3 dargestellt ist. Der Radschrauber 24,
der Radgreifer 22 und ggf. der bildgebende Sensor 26 haben
eine gemeinsame Werkzeugachse 30.
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Der
Radschrauber 24 wird von vier oder fünf Schraubspindeln 25 gebildet,
die Radschrauben halten, die der Befestigung des Fahrzeugrades an
einer fahrzeugseitigen Radnabe dienen.
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In
den 4 bis 6 sind zur Vereinfachung der
Darstellung der Radgreifer 22 und das Rad 12 alleine
dargestellt. Das in den 4 bis 6 dargestellte
Fahrzeugrad 12 setzt sich zusammen aus dem Radreifen 32 mit
einer Lauffläche 34 und
einer Radfelge 36 mit einer Zentralöffnung 38 und vorliegend
vier Schraubenöffnungen 40.
Die Zentralöffnung 38 bzw.
die Felgenachse 39 der Radfelge 36 fluchtet durch
Unrundheiten des Radreifens 32 häufig nicht mit der entsprechenden
Achse 37 des Radreifens 32, wie in den 5 und 6 dargestellt,
wenn das Rad 12 völlig
symmetrisch von dem Radgreifer 22 ergriffen würde.
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Der
Radgreifer 22 weist einen Armantrieb 50 auf, der
zwei Greiferarme 52 symmetrisch zueinander bewegt und zwar
gleichzeitig proximal aufeinander zu oder voneinander weg. Dies
wird beispielsweise durch einen entsprechenden Spindelantrieb realisiert.
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An
den distalen Enden der beiden Greiferarme 52 ist an entsprechenden
Drehgelenken 56 jeweils ein Backenarm 54, 55 angelenkt.
Der Backenarm ist ein Hebelarm, der ungefähr in seiner Mitte mit dem
Drehgelenk 56 an dem betreffenden Greiferarm 52 gelenkig
befestigt ist. Der eine Halbarm des Hebelarmes des Backenarmes 54 weist
jeweils eine Greiferbacke 58 auf, die dazu dient, den Kontakt
zu der Lauffläche 34 des
Radreifens 32 herzustellen. Der andere Halbarm des Backenarmes 54, 55 ist
an seinem freien Ende über
einem angetriebenen Fluid-Antrieb bzw. Fluidzylinder 60, 61 mit
dem betreffenden Greiferarm 52 verbunden. Der Fluidzylinder 60, 61 generiert
eine Schließkraft
oder Öffnungskraft oder
fixiert die betreffende Greiferbacke 58 in Bezug auf den
betreffenden Greiferarm 52. Der Fluidzylinder 60, 61 ist
als Gaszylinder ausgebildet und wird über einen Kompressor und entsprechende
Sperrventile betrieben. Eine genaue Positionierung der Greiferbacken
zwischen ihren Extrempositionen ist durch den Fluidzylinder 60, 61 nicht
möglich.
Der Fluidzylinder 60, 61 ist bidirektional betreibbar,
weist also zu jeder Seite des Kolbens eine Zylinderkammer auf. Durch
den Fluidzylinder 60, 61 werden geringe Kräfte in Öffnungsrichtung
und/oder Schließrichtung auf
die Backenarme aufgebracht, wodurch die Greiferbacken in ihre Endposition
bringbar sind.
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Durch
die Beweglichkeit der Greiferbacken 58 gegenüber den
Greiferarmen 52 wird die Möglichkeit geschaffen, das Fahrzeugrad 12 in
einem gewissen Rahmen in verschiedenen Positionen zum Radgreifer 22 bzw.
der Werkzeugachse 30 zu ergreifen.
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In
der 5 ist der Fall dargestellt, dass die Radfelge 36 gegenüber dem
Radreifen 32 nach oben verschoben ist. In diesem Fall sind
die Greiferbacken 58, bzw. die betreffenden Backenarme 54 weiter
geöffnet,
als beim Ergreifen eines idealen Rades, wie es in 4 dargestellt
ist. Durch die weitere Öffnung der
Greiferbacken wird der Radreifen 32 weiter oben an einer
Stelle größerer Weite
ergriffen, so dass der Radreifen 32 und mit ihm die Radfelge 36 in
Bezug auf den Radgreifer 22 tiefer ergriffen werden, als
dies bei einem idealen Rad der Fall wäre. Hierdurch kann die Felgenachse 39,
trotz ihrer Exzentrizität
innerhalb des Rades 12, mit der Werkzeugachse 30 des
Radschraubers 24 konzentrisch ausgerichtet werden.
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In 6 ist
die Greifsituation bei einem Fahrzeugrad 12 dargestellt,
bei dem die Radfelge 36 gegenüber dem Radreifen 32 nach
rechts verschoben ist. Auch hier kann durch entsprechende Positionierung
der Greiferbacken 58 das Rad 12 derart exzentrisch
ergriffen werden, dass schließlich
die Felgenachse 39 mit der Werkzeugachse 30 des
Radschraubers 24 genau fluchtet.
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Das
Ergreifen des Fahrzeugrades 12 erfolgt wie folgt:
Zunächst wird
der Radgreifer 22 vollständig geöffnet, d. h. es werden die
Greiferarme 52 und die Backenarme 54 durch ihre
Antriebe in ihre distalen Öffnungspositionen
bzw. in ihren Öffnungszustand
gebracht. Anschließend
ermittelt der optische Sensor 26 die translatorische Lage
der Radfelge 36 bzw. der Zentralöffnung 38 im Verhältnis zur
Endeffektor-Basis 20, also auch im Verhältnis zum Radschrauber 24,
und die rotatorischen Lage der Radschrauben-Gewindebohrungen in
der Radnabe im Verhältnis
zu der rotatorischen Lage der Schraubenspindel 25, 26.
Anschließend
wird die Endeffektor-Basis, also auch der Radgreifer 22,
genau konzentrisch mit der Radfelge 36 ausgerichtet, so
dass die Werkzeugachse 30 des Radgreifers 22 exakt
fluchtet mit der Felgenachse 39 der Radfelge 36.
Ferner wird die Endeffektor-Basis 20 so um die Werkzeugachse
gedreht, dass die Schraubenspindeln 25, 26 des
Radschraubers 24 genau fluchten mit den Gewindebohrungen
in der Radnabe. Der Radgreifer 22 wird dabei in eine Ebene mit
dem Rad 12 gebracht.
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Anschließend können die
Greiferarme 52 in eine Anfahrposition gebracht werden,
in der die Greiferbacken 58 das Rad 12 noch nicht
berühren.
In dieser Position verharren die Greiferarme 52 zunächst. Anschließend werden
die beiden Backenarme 54, 55 durch die Fluidzylinder 60, 61 mit
geringer Kraft, d. h. mit geringem Fluiddruck geschlossen, d. h.
in ihren Adduktor-Zustand gebracht, so dass die Greiferbacken 58 die
Lauffläche 34 des
Rades 12 schließlich berühren. Sobald
beide Greiferbacken 58 das Rad 12 berühren, werden
die Fluidzylinder aus dem Adduktor-Zustand in den Arretier-Zustand
geschaltet, so dass sie mit allenfalls noch geringer Nachgiebigkeit gegenüber den
Greiferarmen 52 fixiert sind. Anschließend schließen die Greiferarme 52 mit
relativ hoher Kraft, so dass die Greiferbacken 58 den Radreifen 32 in
der eingenommenen Position fest ergreifen. Anschließend kann
das Fahrzeug-Rad durch den Manipulatorarm zur Radnabe transportiert
werden und das Fahrzeugrad 12 an der Radnabe durch Einschrauben
von Radschrauben durch die Schraubspindeln 25 montiert
werden.
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In
der 7 ist eine zweite Ausführungsform einer Greiferbacke 70 dargestellt,
die ihrerseits einen kleinen Schwenkarm 72 aufweist, der
zwei Backen 74, 75 aufweist. Diese Anordnung bietet
die Möglichkeit,
eine größere Kontaktfläche zwischen
dem Rad 12 und dem Greifer 22 zu realisieren.