DE102008032322B4

DE102008032322B4 - Verfahren zum Montieren zweier Bauteile mittels eines Leichtbauroboters

Info

Publication number: DE102008032322B4
Application number: DE102008032322.5A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Klumpp Willi; Dipl.-Ing. Reichenbach Matthias; Matthias Schreiber
Original assignee: KUKA Roboter GmbH; Mercedes Benz Group AG
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2024-01-11
Anticipated expiration: 2028-07-10
Also published as: DE102008032322A1

Abstract

Verfahren zum Montieren zweier Bauteile (30, 36) mittels eines Leichtbauroboters, mit den Schritten:
- Aufnehmen eines ersten Bauteils (30) mittels des Leichtbauroboters (16, 18);
- Einführen zumindest eines Teilbereichs des ersten Bauteils (30) in eine Ausnehmung eines zweiten Bauteils (36) und Kontaktieren der Bauteile (30, 36) mittels des Leichtbauroboters (16, 18), wobei das erste Bauteil (30) mittels des Leichtbauroboters (16, 18) zumindest zeitweise oszillierend bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Bauteile (30, 36) durch eine Stützvorrichtung (22) beweglich gehalten wird, durch welche das Eigengewicht des zu bewegenden Bauteils (30, 36) aufgenommen wird.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Montieren zweier Bauteile mittels eines Leichtbauroboters.
Bei der automatisierten Montage von Bauteilen durch Roboter ist nach dem heutigen Stand der Technik eine exakte Kenntnis der räumlichen Positionen und Lage der zu montierenden Bauteile, sowie die exakte Kenntnis der sogenannten Pose, d.h. die Menge der Stellungsangaben für alle Achsen des Roboters, nötig. Durch Bauteiltoleranzen, Abweichungen bei der Positionierung der Bauteile und Ungenauigkeiten bei der Bewegung des Roboters entstehende Ortsdifferenzen müssen meist durch aufwendige Messungen abgeglichen werden. Durch das hohe Baugewicht heutiger Roboter und die damit verbundenen hohen Trägheitsmomente entstehen nämlich bei einem Kontakt der zu montierenden Bauteile abseits von der Sollposition leicht Beschädigungen dieser Bauteile.
Dadurch wird es insbesondere erforderlich, die Montageposition und den Pfad, den der Roboter beim Zusammenführen der beiden Teile zu beschreiten hat, sehr exakt zu definieren. Eine Berührung der Bauteile soll weitestgehend vermieden werden und allenfalls in der Endposition der beiden montierten Bauteile zustande kommen.
Im Gegensatz dazu bringt ein menschlicher Monteur beim Montieren zweier Bauteile diese in der Regel frühzeitig in Kontakt und führt sie dann durch eine Serie kleiner Korrekturbewegungen in ihre Endposition über. Durch solche kleinen Korrekturen wird insbesondere auch ein Verkanten der Bauteile gegeneinander und daraus resultierende Beschädigungen vermieden.
Aus der DE 10 2005 039 150 A1 ist ein automatisiertes Verfahren zum formschlüssigen Feinfügen eines ersten Formkörpers in eine Ausnehmung eines zweiten Formkörpers offenbart. Ein gegenüber einer Umfangsfläche radial verjüngter Vorsprung des ersten Formkörpers wird dabei in die Ausnehmung des zweiten Formkörpers positioniert, so dass die anschließend mittels einer Schwingungsanregung eingeleitete Relativbewegung der Formkörper in der Ebene quer zur Fügerichtung durch das Spiel des Vorsprunges in der Ausnehmung begrenzt ist. Zugleich wird mit der Relativbewegung der Formkörper in der Ebene eine relative Drehbewegung der Formkörper und dadurch eine Änderung der Winkelstellung der Formkörper mittels der Schwingungsanregung erreicht, so dass der erste Formkörper in die Ausnehmung des zweiten Formkörpers unter dem Einfluss der Schwerkraft hineingleitet.
Aus der DE 101 59 482 A1 sowie aus der DE 196 20 165 C1 sind weitere Vorrichtungen zum Fügen zweier Bauteile zueinander unter Bereitstellung einer oszillierenden beziehungsweise vibrierenden Ebene, welche den Stand der Technik darstellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Montieren zweier Bauteile mittels eines Leichtbauroboters bereitzustellen, bei dem das Risiko von Beschädigungen der zu montierenden Bauteile weiter reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Montieren zweier Bauteile mittels eines Leichtbauroboters wird zunächst ein erstes Bauteil mittels des Roboters aufgenommen und anschließend mit zumindest einem Teilbereich in eine Ausnehmung eines zweiten Bauteils eingeführt, wobei es bereits frühzeitig zum Kontakt zwischen den Bauteilen kommt. Während der Einführbewegung wird dabei das erste Bauteil durch den Leichtbauroboter zumindest zeitweise oszillierend bewegt. Zumindest eines der Bauteile wird durch eine Stützvorrichtung beweglich gehalten, durch welche das Eigengewicht eines der zu bewegenden Bauteile aufgenommen wird. Die Stützvorrichtung ist dabei in Form eines Galgens ausgebildet, und dient dazu, das Eigengewicht des zu bewegenden Bauteils aufzunehmen. Hierzu kann beispielsweise die Gewichtskraft des Werkstückes über einen durch ein Proportionalventil gesteuerten Pneumatikzylinder kompensiert werden. Damit werden die vom Roboter beim Montieren der beiden Bauteile aufzuwendenden Kräfte vorteilhaft weiter verringert, da der Roboter nun nicht mehr das Eigengewicht des in der Stützvorrichtung gehaltenen Bauteils aufnehmen muss, sondern lediglich dessen Trägheitskräfte zu überwinden hat. Durch diese geringeren aufgewendeten Kräfte wird das Risiko von Beschädigungen der zu montierenden Bauteile weiter reduziert.
Unter Leichtbauroboter ist hier ein Roboter zu verstehen, der ein sehr geringes Eigengewicht und eine sehr präzise Kraftsteuerung aufweist. Durch das geringe Eigengewicht und die präzise Steuerung ist es nun vorteilhaft möglich, Bauteile auch frühzeitig bei ihrer gegenseitigen Montage in Kontakt miteinander zu bringen, ohne dass Beschädigungen der Bauteile daraus resultieren. Die oszillierende Bewegung des ersten Bauteils während seines Einführens in das zweite Bauteil bildet auf vorteilhafte Weise das menschliche Verfahren der Herstellung einer Sollposition durch kleine Positionskorrekturen ab. Insbesondere wird durch eine solche oszillierende Bewegung, welche entlang einer oder auch mehrerer Achsen erfolgen kann, ein Verkanten der beiden Bauteile gegeneinander vermieden, bzw. entstehende Verkantungen gelöst, ohne dass im Verkantungsbereich hohe Kräfte, welche zu Beschädigungen führen könnten, auftreten.
Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, dass die durch den Leichtbauroboter beim Einführen des Teilbereichs in eine Ausnehmung des zweiten Bauteils aufgebrachte Kraft einen vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet. Solche Schwellenwerte können bauteilabhängig vorgegeben werden und reduzieren weiter das Beschädigungsrisiko und damit den beim Verfahren entstehenden Ausschuss. Insbesondere ist es vorteilhaft, den Schwellenwert für die aufgebrachte Kraft auf etwa 140 Newton festzulegen. Weiterhin ist die Oszillationsbewegung des ersten Bauteils bei dessen Einführen in die Ausnehmung des zweiten Bauteils vorteilhafter Weise auf eine Frequenz zwischen 1 und 83 Hertz zu begrenzen.
In einer weiteren Ausführungsform ist dem Leichtbauroboter eine Steuereinheit beigestellt, welche Daten über Positionen des ersten und des zweiten Bauteils, sowie über eine Pose des Leichtbauroboters empfängt, verarbeitet und in der Folge Steuersignale zum Korrigieren der Bewegungen des Leichtbauroboters an den Leichtbauroboter sendet. Damit kann beispielsweise festgestellt werden, ob eine Verkantung der beiden Bauteile aufgetreten ist und damit eine oszillierende Bewegung zum Lösen der Verkantung nötig ist. Weiterhin ermöglicht eine solche Steuerung die Ausführung von gerichteten Korrekturbewegungen bei toleranzbedingten Fehlpositionierungen des ersten oder des zweiten Bauteils.
Im Folgenden soll anhand der Zeichnung die Erfindung und ihre Ausführungsformen näher erläutert werden, wobei

1 eine perspektivische Darstellung einer Montagezelle zur Montage eines Ausgleichsgetriebes in ein Hinterachsgetriebegehäuse nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, und
2 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Greifers für Lagerschalen und Lagersicherungen zur Verwendung mit einem Leichtbauroboter in einem erfindungsgemäßen Verfahren darstellt.

Als exemplarisches Beispiel für den Einsatz des eingangs beschriebenen Verfahrens zum Montieren zweier Bauteile soll hier die Montage eines Ausgleichsgetriebes in ein Hinterachsgetriebegehäuse geschildert werden. Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf diesen spezifischen Anwendungsfall.
Eine insgesamt mit 10 bezeichnete Montagezelle zur Montage eines Ausgleichsgetriebes in ein Hinterachsgetriebegehäuse 36 ist in der Figur schematisch dargestellt. Sie umfasst zwei Arbeitstische 12 und 14, sowie zwei Leichtbauroboter 16 und 18. Um die Leichtbauroboter 16 und 18 von der Gewichtskraft der zu montierenden Teile zu entlasten sind weiterhin zwei Galgen 22 bereitgestellt, in welchen Teile beweglich gelagert werden können. Zur Kompensation der Gewichtskraft der an den Galgen 22 aufgenommenen Teile steht ein pneumatisches System 24 zur Verfügung, welches über Proportionalventile die auftretenden Gewichtskräfte ausgleichen. Weiterhin erfolgt die Lagerung der beweglichen Teile der Galgen 22 über Pendelrollenlager 26, welche zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern ausgelegt sind.
In einem ersten Schritt der Montage des Ausgleichsgetriebes wird über eine am Galgen 22 befestigte Haltevorrichtung 28 ein Kegelrollenlager in eine Presse 32 eingeführt, wobei das Kegelrollenlager in ein Ausgleichsgetriebegehäuse 30 eingepresst wird. Das Ausgleichsgetriebegehäuse 30 wird nun vom Leichtbauroboter 16 über einen Löffelgreifer aufgenommen und zur Einschwenkstation 34 überführt. Dort wird durch den Leichtbauroboter 16 das Ausgleichsgetriebegehäuse 30 in das Hinterachsgetriebegehäuse 36 eingeschwenkt. Bei diesem Einschwenkprozess kommt das erfindungsgemäße Verfahren zum ersten Mal zum Tragen, indem das Ausgleichsgetriebegehäuse 30 vom Leichtbauroboter 16 zunächst an eine Wandung des Hinterachsgetriebegehäuses 36 mit definierter Kraft angelegt wird. Von dieser Position aus wird das Ausgleichsgetriebegehäuse 30 nun definiert in das Hinterachsgetriebegehäuse 36 geschwenkt. Dabei wird durch eine Steuereinrichtung der Leichtbauroboter 16 derart gesteuert, dass Fertigungstoleranzen oder Lageverschiebungen kompensierbar sind. Dazu können auch die erfindungsgemäß vorgesehenen oszillierenden Bewegungen zum Einsatz kommen. In der Endlage des Ausgleichsgetriebesgehäuses im Hinterachsgetriebegehäuse 36 wird das Ausgleichsgetriebegehäuse 30 schließlich vom Leichtbauroboter 16 minimal um seine Hochachse rotiert, um die Zahnflanken der beiden Getriebe aneinander anzufädeln. Über eine Rutsche 38 werden im nächsten Schritt die Lagerschalen zugeführt und über eine Umklappvorrichtung 40 gewendet, so dass sie in einer Abholposition 42 zu liegen kommen. Lagerschalen und Lagersicherungen werden im nächsten Schritt gleichzeitig von den Leichtbaurobotern 16 und 18 an das Hinterachsgetriebegehäuse 36 montiert. Die gleichzeitige Montage verhindert ein Herausfallen der Lagerschale, das Verwenden eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu dieser Montage verringert die Gefahr einer Verkantung der Bauteile gegeneinander. Insbesondere durch kontrollierte, oszillierende Kraftimpulse des Leichtbauroboters wird ein solches Verkanten vermieden und eine sichere Zentrierung der Bauteile in ihre Endposition ermöglicht.
Zur Aufnahme von Lagerschalen und Lagersicherungen durch den Leichtbauroboter 16, 18 wird ein spezieller Greifer 44 verwendet, welcher in 2 in einer Schnittdarstellung gezeigt ist. Der Greifer 44 ist zylindrisch aufgebaut, wobei eine äußere Schale 46 des Greifers komplementär zu einer Lagersicherung 48 bzw. zu einer Lagerschale ist. Zur Übertragung oszillierender Bewegungen auf die Lagerschale ist die äußere Schale 46 über Dünnringlager 50 drehbar gegenüber einem Innenteil 52 des Greifers 44 gelagert. Das Innenteil 52 umfasst dabei eine exzentrische Zentrierspitze 54 zum Fügen der Lagerschale sowie ein Kugeldruckstück 56 zum Arretieren der Mittelstellung der Lagerschale. Über die Dünnringlager 50 können bei einer Verkantung der zu montierenden Bauteile oszillierende Kraftimpulse auf die von der äußeren Schale 46 gehaltene Lagerschale bzw. den Lagerring ausgeübt werden. Um eine Anpassung des Systems auf verschiedene zu montierende Lagerschalen bzw. Lagersicherungen zu ermöglichen ist in einem Fußbereich 58 des Greifers 44 ein Anschluss für ein Werkzeugschnellwechselsystem vorgesehen, so dass die Leichtbauroboter 16 und 18 in kürzester Zeit auf andere Lagerschalengeometrien umgerüstet werden können.
An diesem Punkt ist die Montage des Hinterachsgetriebegehäuses 36 abgeschlossen, es kann in der Folge von weiteren hier nicht gezeigten Vorrichtungen zu seinem nächsten Verarbeitungsort weiter transportiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Montagezelle
12: Arbeitstisch
14: Arbeitstisch
16: Leichtbauroboter
18: Leichtbauroboter
22: Galgen/Stützvorrichtung
24: pneumatisches System
26: Pendelrollenlager
28: Haltevorrichtung
30: Ausgleichsgetriebegehäuse
32: Presse
34: Einschwenkstation
36: Hinterachsgetriebegehäuse
38: Rutsche
40: Umklappvorrichtung
42: Abholposition
44: Greifer
46: Schale
48: Lagersicherung
50: Dünnringlager
52: Innenteil
54: Zentrierspitze
56: Kugeldruckstück
58: Fußbereich

Claims

Verfahren zum Montieren zweier Bauteile (30, 36) mittels eines Leichtbauroboters, mit den Schritten: - Aufnehmen eines ersten Bauteils (30) mittels des Leichtbauroboters (16, 18); - Einführen zumindest eines Teilbereichs des ersten Bauteils (30) in eine Ausnehmung eines zweiten Bauteils (36) und Kontaktieren der Bauteile (30, 36) mittels des Leichtbauroboters (16, 18), wobei das erste Bauteil (30) mittels des Leichtbauroboters (16, 18) zumindest zeitweise oszillierend bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Bauteile (30, 36) durch eine Stützvorrichtung (22) beweglich gehalten wird, durch welche das Eigengewicht des zu bewegenden Bauteils (30, 36) aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Leichtbauroboter (16, 18) beim Einführen des Teilbereichs in eine Ausnehmung des zweiten Bauteils (36) aufgebrachte Kraft einen vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert für die aufgebrachte Kraft 140 N beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (30) mit einer Frequenz von bis zu 83 Hz oszillierend bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit Daten über Positionen des ersten (30) und des zweiten Bauteils (36), sowie über eine Pose des Leichbauroboters (16, 18) empfängt, verarbeitet und Steuersignale zum Korrigieren der Bewegungen des Leichtbauroboters (16, 18) an den Leichtbauroboter (16, 18) sendet.