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DE102018201161B4 - Gun arm for a robot gun manufactured by additive manufacturing and robot gun with such a gun arm - Google Patents

Gun arm for a robot gun manufactured by additive manufacturing and robot gun with such a gun arm Download PDF

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DE102018201161B4
DE102018201161B4 DE102018201161.3A DE102018201161A DE102018201161B4 DE 102018201161 B4 DE102018201161 B4 DE 102018201161B4 DE 102018201161 A DE102018201161 A DE 102018201161A DE 102018201161 B4 DE102018201161 B4 DE 102018201161B4
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gun
tongs
robot
manufactured
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Johann Hesse
Markus Staudigl
Jürgen Arnold
Sven Jansen
Willibald Karg
Denis Mass
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Original Assignee
Audi AG
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Abstract

Zangenarm (110) für eine Roboterzange (100), der zumindest abschnittsweise mit einer Fachwerkstruktur (111) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Zangenarm (110) aus einem Metallmaterial gebildet und durch additive Fertigung hergestellt ist und wenigstens einen integrierten Strömungskanal (114, 115) für ein gasförmiges oder flüssiges Medium aufweist.

Figure DE102018201161B4_0000
Gong arm (110) for a robot gong (100), which is formed at least in sections with a framework structure (111), characterized in that this gong arm (110) is formed from a metal material and manufactured by additive manufacturing and has at least one integrated flow channel (114, 115) for a gaseous or liquid medium.
Figure DE102018201161B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 einen Zangenarm für eine Roboterzange, der zumindest abschnittsweise mit einer Fachwerkstruktur ausgebildet ist.According to the preamble of patent claim 1, the invention relates to a tongs arm for a robot tongs, which is formed at least in sections with a lattice structure.

Die Erfindung betrifft ferner eine Roboterzange mit wenigstens einem solchen Zangenarm, insbesondere zur Verwendung an einem Gelenkarmroboter.The invention further relates to a robot tongs with at least one such tong arm, in particular for use on an articulated arm robot.

Roboterzangen werden unter anderem für Füge-, Umform- und Handlingsprozesse verwendet. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Bauweisen bekannt. Eine Roboterzange betreffender Art weist wenigstens einen Zangenarm auf. Ein Zangenarm soll einerseits steif und andererseits leicht sein. Um diesen widersprüchlichen Anforderungen gerecht zu werden, wird in der nächstliegenden DE 10 2007 020 167 A1 eine zumindest abschnittsweise ausgebildete Fachwerkstruktur vorgeschlagen (siehe z. B. 10b).Robot tongs are used for joining, forming and handling processes, among other things. Various designs are known from the state of the art. A robot tong of this type has at least one tong arm. A tong arm should be stiff on the one hand and light on the other. In order to meet these contradictory requirements, the closest EN 10 2007 020 167 A1 a half-timbered structure, at least in sections, is proposed (see e.g. 10b) .

Aus der nachveröffentlichten DE 10 2018 200 339 A1 ist eine Komponente für eine Fügevorrichtung bekannt, die bspw. als Zangenarm ausgebildet sein kann. Es ist vorgesehen, dass die Komponente bzw. der Zangenarm mittels additivem Aufbauverfahren bzw. einem 3D-Druckverfahren aus mehreren Schichten eines metallischen Materials aufgebaut ist. Die Komponente kann auch als Fachwerk-Rahmen ausgebildet sein.From the republished EN 10 2018 200 339 A1 A component for a joining device is known, which can be designed as a tongs arm, for example. It is intended that the component or the tongs arm is constructed from several layers of a metallic material using an additive construction process or a 3D printing process. The component can also be designed as a lattice frame.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zangenarm mit Fachwerkstruktur anzugeben, der wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur vermindert aufweist.The invention is based on the object of specifying a pliers arm with a lattice structure which does not have, or at least only has to a reduced extent, at least one disadvantage associated with the prior art.

Die Aufgabe wird gelöst durch den erfindungsgemäßen Zangenarm mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf eine Roboterzange, die wenigstens einen erfindungsgemäßen Zangenarm umfasst, wobei diese Roboterzange insbesondere als Punktschweißzange ausgebildet ist. Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und der Zeichnung.The object is achieved by the tongs arm according to the invention with the features of patent claim 1. With the independent patent claim, the invention also extends to a robot tongs which comprises at least one tongs arm according to the invention, wherein this robot tongs is designed in particular as a spot welding tongs. Further developments and embodiments arise analogously for both subjects of the invention from the dependent patent claims, the following description of the invention and the drawing.

Der erfindungsgemäße Zangenarm (Roboterzangenarm) ist, einschließlich der Fachwerkstruktur, aus einem Metallmaterial, z. B. einem Aluminium- oder Titanmaterial, gebildet und durch additive Fertigung hergestellt.The tongs arm (robot tongs arm) according to the invention, including the truss structure, is formed from a metal material, e.g. an aluminum or titanium material, and manufactured by additive manufacturing.

Der erfindungsgemäße Zangenarm ist insbesondere ein C-förmiger Zangenarm bzw. ein sogenannter C-Bügel.The pliers arm according to the invention is in particular a C-shaped pliers arm or a so-called C-bracket.

Eine Fachwerkstruktur im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein aus starr miteinander verbundenen Elementen, wie Träger, Stäbe, Streben, Schalenstücke und dergleichen, gebildetes Gerüst (Skelett), das eben (ebenes Fachwerk) oder räumlich (räumliches Fachwerk) ausgebildet sein kann. Jedes der Elemente und der daraus gebildete Fachwerkverbund sind lastgerecht ausgelegt und gestaltet. Die Fachwerkstruktur weist bevorzugt eine bionische Konstruktion bzw. Gestalt auf, die z. B. an den Knochenaufbau von Wirbeltieren angelehnt ist. Damit lassen sich erhebliche Gewichtsreduzierungen erreichen.A framework structure in the sense of the invention is in particular a framework (skeleton) formed from rigidly connected elements, such as supports, rods, struts, shell pieces and the like, which can be flat (flat framework) or three-dimensional (three-dimensional framework). Each of the elements and the framework formed from them are designed and constructed to bear the load. The framework structure preferably has a bionic construction or shape, which is based, for example, on the bone structure of vertebrates. This allows significant weight reductions to be achieved.

Die additive oder auch generative Fertigung bezeichnet einen Prozess, bei dem der Zangenarm auf Basis digitaler Konstruktionsdaten durch ein schicht- bzw. lagenweises Ablagern von Metallmaterial sukzessive aufgebaut wird. Additive or generative manufacturing is a process in which the gun arm is gradually built up on the basis of digital design data by depositing metal material layer by layer.

Dieser Prozess kann auch als 3D-Drucken bzw. 3D-Druck bezeichnet werden. Durch die additive Herstellung können die Vorbereitungszeit und die Fertigungszeit für einen Zangenarm erheblich verkürzt werden, wobei sich auch der gesamte Herstellungsaufwand verringert. Auch die Prüf- bzw. Inbetriebnahmezeit wird verkürzt. Ferner entfallen bei der additiven Fertigung weitgehend die bei konventioneller Fertigung mit spanenden und fügenden Verfahren vorhandenen Restriktionen, sodass für die Konstruktion neue Leichtbaukonzepte, wie bspw. eine bionische Konstruktion bzw. Gestalt, realisierbar sind, wodurch die Fertigung eines besonders leichten und steifen Zangenarms ermöglicht wird.This process can also be referred to as 3D printing. Additive manufacturing can significantly shorten the preparation time and production time for a pliers arm, while also reducing the overall manufacturing effort. The testing and commissioning time is also shortened. Furthermore, additive manufacturing largely eliminates the restrictions that exist in conventional manufacturing using cutting and joining processes, so that new lightweight construction concepts, such as a bionic construction or shape, can be implemented, which enables the production of a particularly light and rigid pliers arm.

Der erfindungsgemäße Zangenarm ist vorzugsweise in einem Stück (d. h. einstückig) gefertigt, insbesondere aus einem Aluminium- oder Titanmaterial. Die mit der additiven Fertigung ermöglichte einstückige Ausbildung hat viele Vorteile. Die additive Fertigung ermöglicht auch die einstückige Ausbildung eines Zangenarms aus verschiedenen Metallmaterialien, z. B. aus unterschiedlichen Aluminiummaterialien oder aus Aluminium und Titan.The tongs arm according to the invention is preferably manufactured in one piece (i.e. in one piece), in particular from an aluminum or titanium material. The one-piece design made possible by additive manufacturing has many advantages. Additive manufacturing also enables the one-piece design of a tongs arm from different metal materials, e.g. from different aluminum materials or from aluminum and titanium.

Der erfindungsgemäße Zangenarm kann durch selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting), wobei sich dieses Verfahren als besonders geeignet erweist, oder auch durch Laserauftragsschweißen (Laser Deposition Technology) gefertigt werden. Die genannten Verfahren sind in verschiedenen Varianten aus dem Stand der Technik bekannt, sodass an dieser Stelle auf entsprechende Fachliteratur verwiesen wird.The tong arm according to the invention can be manufactured by selective laser melting, whereby this method proves to be particularly suitable, or by laser deposition technology. The methods mentioned are known in various variants from the prior art, so reference is made to the relevant specialist literature at this point.

Der erfindungsgemäße Zangenarm weist wenigstens einen (baulich in die Konstruktion) integrierten Strömungskanal für ein gasförmiges oder flüssiges Medium, wie z. B. Schutzgas, Druckluft, Kühlwasser etc., auf. Im Strömungskanal kann aber auch ein Elektrokabel oder dergleichen angeordnet werden. Der Strömungskanal wird bei der additiven Fertigung miterzeugt und kann einen komplexen Verlauf aufweisen. Insbesondere sind mehrere Strömungskanäle vorgesehen, mit denen ein integriertes Kühlungskonzept realisiert ist. The tong arm according to the invention has at least one flow channel (structurally integrated into the design) for a gaseous or liquid medium, such as protective gas, compressed air, cooling water, etc. However, an electrical cable or the like can also be arranged in the flow channel. The flow channel is co-created during additive manufacturing and can have a complex course. In particular, several flow channels are provided with which an integrated cooling concept is realized.

Der erfindungsgemäße Zangenarm kann auch wenigstens eine Aufnahme für die äußere Anbindung bzw. Befestigung einer Stromschiene, eines Stromkabels, eines Strombands oder dergleichen aufweisen. Durch die äußere bzw. externe Führung der Stromleitung ergibt sich eine Funktionstrennung (Kraft- und Stromleitungspfade werden getrennt), die eine weitere Reduzierung des Arm- bzw. Bügelgewichts (für die Bügelkonstruktion ergeben sich mehr Freiheitsgrade) sowie auch eine Verringerung der thermischen Belastung (abhängig von Stromstärken und Leiterquerschnitten kann es zu beträchtlichen Erwärmungen kommen) ermöglicht. Die Aufnahme wird bei der additiven Fertigung miterzeugt.The tong arm according to the invention can also have at least one receptacle for the external connection or fastening of a busbar, a power cable, a power strip or the like. The external routing of the power line results in a functional separation (power and power line paths are separated), which enables a further reduction in the weight of the arm or bracket (more degrees of freedom are provided for the bracket construction) as well as a reduction in the thermal load (depending on the current strengths and conductor cross-sections, considerable heating can occur). The receptacle is also created during additive manufacturing.

Die mit dem nebengeordneten Patentanspruch beanspruchte erfindungsgemäße Roboterzange umfasst wenigstens einen erfindungsgemäßen Zangenarm. Die Roboterzange kann ferner wenigstens einen Antrieb, insbesondere einen pneumatischen oder elektromechanischen Antrieb, sowie Werkzeuge für Füge-, Umform- oder Handlingsprozesse aufweisen, wie z. B. Schraubwerkzeuge, Clinchwerkzeuge, Stanzwerkzeuge, Nietwerkzeuge, Einpresswerkzeuge, Greifwerkzeuge und dergleichen.The robot tongs according to the invention claimed in the independent patent claim comprise at least one tong arm according to the invention. The robot tongs can also have at least one drive, in particular a pneumatic or electromechanical drive, as well as tools for joining, forming or handling processes, such as screwing tools, clinching tools, punching tools, riveting tools, press-in tools, gripping tools and the like.

Die Roboterzange ist insbesondere eine Punktschweißzange mit zwei Punktschweißelektroden zum Widerstandspunktschweißen. Eine der Punktschweißelektroden kann an einem (freien) Bügelende des Zangenarms angeordnet und durch wenigstens eine Stromschiene, ein Stromkabel, ein Stromband oder dergleichen, die/das außen am Zangenarm angebunden ist (wie oben erläutert), bestromt werden. Die Stromschiene, das Stromkabel oder das Stromband kann einen Wassermantel zur aktiven Kühlung des Stromleiters aufweisen. Durch die Wasserkühlung können der elektrische Widerstand verringert, der Leiterquerschnitt reduziert und Gewicht eingespart werden. Je nach Strömungsrichtung durch den Wassermantel kann der Vor- oder Rücklauf durch einen im Zangenarm integrierten Strömungskanal (wie oben erläutert) erfolgen. Als Kühlmittel kann jedes geeignete Medium verwendet werden.The robot gun is in particular a spot welding gun with two spot welding electrodes for resistance spot welding. One of the spot welding electrodes can be arranged on a (free) bracket end of the gun arm and can be powered by at least one busbar, a power cable, a power strip or the like that is connected to the outside of the gun arm (as explained above). The busbar, the power cable or the power strip can have a water jacket for actively cooling the current conductor. The water cooling can reduce the electrical resistance, reduce the conductor cross-section and save weight. Depending on the flow direction through the water jacket, the forward or return flow can take place through a flow channel integrated in the gun arm (as explained above). Any suitable medium can be used as a coolant.

Die erfindungsgemäße Roboterzange hat bevorzugt eine sogenannte C-Konfiguration (C-Zange) mit einem Zangenarm (C-Bügel) oder eine X-Konfiguration (X-Zange) mit zwei Zangenarmen.The robot tongs according to the invention preferably have a so-called C-configuration (C-tongs) with one tong arm (C-bracket) or an X-configuration (X-tongs) with two tong arms.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die in den Figuren der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

  • 1 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Zangenarms, der als C-Bügel ausgebildet ist.
  • 2 zeigt eine Punktschweißzange, die einen erfindungsgemäßen C-Bügel in einer anderen Ausführungsmöglichkeit umfasst.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. The features shown in the figures of the drawing and/or explained below can be general features of the invention, even independently of specific combinations of features, and can develop the invention accordingly.
  • 1 shows a possible embodiment of a pliers arm according to the invention, which is designed as a C-bracket.
  • 2 shows a spot welding gun which comprises a C-bracket according to the invention in another embodiment.

Der in 1 gezeigte C-förmige Zangenarm (C-Bügel) 110 ist im Wesentlichen vollständig mit einer Fachwerkstruktur 111 ausgebildet. Die Fachwerkstruktur 111 ist bionisch gestaltet. Die Streben der Fachwerkstruktur 111 weisen unterschiedliche Raumrichtungen (Orientierungen) auf und bilden ein sehr leichtes und steifes räumliches Fachwerk, sodass der C-Bügel 110 unter Last nur eine geringe Durchbiegung erfährt und der Werkzeug- bzw. E-lektrodenversatz minimal ist. Erfindungsgemäß ist der C-Bügel 110 aus Metall gebildet und einstückig durch additive Fertigung hergestellt. Der C-Bügel 110 weist ein freies Bügelende 112 auf, an dem z. B. eine Punktschweißelektrode befestigt werden kann. Das andere Ende 113 dient der Halterung in einer Roboterzange.The 1 The C-shaped tongs arm (C-bracket) 110 shown is essentially completely formed with a framework structure 111. The framework structure 111 is bionic in design. The struts of the framework structure 111 have different spatial directions (orientations) and form a very light and rigid spatial framework, so that the C-bracket 110 only experiences a slight deflection under load and the tool or electrode offset is minimal. According to the invention, the C-bracket 110 is made of metal and manufactured in one piece by additive manufacturing. The C-bracket 110 has a free bracket end 112 to which, for example, a spot welding electrode can be attached. The other end 113 is used for mounting in a robot tongs.

2a zeigt eine solche Roboterzange 100, wobei es sich um eine Punktschweißzange handelt. Die Punktschweißzange 100 umfasst zwei Elektrodenanordnungen zum Punktschweißen. Eine Punktschweißelektrode 131 ist am freien Bügelende 112 angeordnet. Die andere Punktschweißelektrode 132 ist an einem Antriebsmodul 140 befestigt. Die Punktschweißzange 100 umfasst ferner ein Grundmodul (Grundkörper) 150, das wenigstens einen Flansch 160 zur Befestigung an einem Roboterarm aufweist. Das Grundmodul 150 kann ebenfalls mit einer Fachwerkstruktur ausgebildet und mittels additiver Fertigung hergestellt sein. 2a shows such a robot gun 100, which is a spot welding gun. The spot welding gun 100 comprises two electrode arrangements for spot welding. A spot welding electrode 131 is arranged on the free end 112 of the bracket. The other spot welding electrode 132 is attached to a drive module 140. The spot welding gun 100 further comprises a base module (base body) 150, which has at least one flange 160 for attachment to a robot arm. The base module 150 can also be designed with a framework structure and manufactured by means of additive manufacturing.

Die Punktschweißelektroden 131, 132 müssen im Schweißbetrieb aktiv gekühlt werden. Die Kühlung der am Bügelende 112 angeordneten Punktschweißelektrode 131 erfolgt mit Kühlwasser (oder dergleichen) über Strömungskanäle 114, 115, welche in die Fachwerkstruktur 111 des C-Bügels 110 integriert sind. Die integrierten Strömungskanäle 114, 115 bilden einen Vor- und Rücklauf.The spot welding electrodes 131, 132 must be actively cooled during welding. The spot welding electrode 131 arranged at the bracket end 112 is cooled with cooling water (or the like) via flow channels 114, 115 which are integrated into the framework structure 111 of the C-bracket 110. The integrated flow channels 114, 115 form a forward and return flow.

Die Bestromung der am Bügelende 112 angeordneten Punktschweißelektrode 131 erfolgt über ein Stromkabel 170 (alternativ eine Stromschiene oder ein Stromband), das außen an den C-Bügel 110 angebunden bzw. am C-Bügel 110 befestigt ist. Der C-Bügel 110 kann hierzu bspw. mit einer Aufnahmenut 116 ausgebildet sein, in der das Stromkabel 170 angeordnet werden kann, wie in 2b gezeigt. Die Befestigung kann an mehreren Klemmstellen erfolgen.The power supply to the spot welding electrode 131 arranged at the bracket end 112 is carried out via a power cable 170 (alternatively a power rail or a power strip) which is connected to the outside of the C-bracket 110 or is attached to the C-bracket 110. The C-bracket 110 can be designed for this purpose, for example, with a receiving groove 116 in which the power cable 170 can be arranged, as in 2 B shown. The attachment can be made at several clamping points.

Der Leiter 171 des Stromkabels 170 ist zur aktiven Kühlung von einem Wassermantel 172 umgeben, wie ebenfalls in 2b gezeigt. Dadurch kann der Leiterquerschnitt des insbesondere aus Kupfer gebildeten Stromleiters 171 reduziert und Gewicht eingespart werden. Der Vor- oder Rücklauf für den Wassermantel 172 kann über die integrierten Strömungskanäle 114, 115 oder einen weiteren in den Bügel 110 integrierten Strömungskanal erfolgen.The conductor 171 of the power cable 170 is surrounded by a water jacket 172 for active cooling, as also shown in 2 B shown. This allows the conductor cross-section of the current conductor 171, which is made in particular of copper, to be reduced and weight to be saved. The flow or return for the water jacket 172 can take place via the integrated flow channels 114, 115 or a further flow channel integrated in the bracket 110.

Claims (9)

Zangenarm (110) für eine Roboterzange (100), der zumindest abschnittsweise mit einer Fachwerkstruktur (111) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Zangenarm (110) aus einem Metallmaterial gebildet und durch additive Fertigung hergestellt ist und wenigstens einen integrierten Strömungskanal (114, 115) für ein gasförmiges oder flüssiges Medium aufweist.Gong arm (110) for a robot gong (100), which is formed at least in sections with a framework structure (111), characterized in that this gong arm (110) is formed from a metal material and manufactured by additive manufacturing and has at least one integrated flow channel (114, 115) for a gaseous or liquid medium. Zangenarm (110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in einem Stück gefertigt ist.Pliers arm (110) after Claim 1 , characterized in that it is manufactured in one piece. Zangenarm (110) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser durch selektives Laserschmelzen gefertigt ist.Pliers arm (110) after Claim 1 or 2 , characterized in that it is manufactured by selective laser melting. Zangenarm (110) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fachwerkstruktur (111) eine bionische Konstruktion aufweist.Pliers arm (110) according to one of the preceding claims, characterized in that the framework structure (111) has a bionic construction. Zangenarm (110) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser wenigstens eine Aufnahme (116) für die äußere Anbindung eines Stromkabels (170), einer Stromschiene oder eines Strombands aufweist.Pliers arm (110) according to one of the preceding claims, characterized in that it has at least one receptacle (116) for the external connection of a power cable (170), a busbar or a power strip. Roboterzange (100), umfassend wenigstens einen Zangenarm (110) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche.Robotic tongs (100) comprising at least one tong arm (110) according to one of the preceding claims. Roboterzange (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Punktschweißzange ausgebildet ist.Robotic tongs (100) to Claim 6 , characterized in that it is designed as a spot welding gun. Roboterzange (100) nach Anspruch 7, mit zwei Punktschweißelektroden (131, 132), wobei eine Punktschweißelektrode (131) an einem Bügelende (112) des Zangenarms (110) angeordnet und durch wenigstens ein Stromkabel (170), wenigstens eine Stromschiene oder wenigstens ein Stromband, das/die außen am Zangenarm (110) angebunden ist, bestrombar ist.Robotic tongs (100) to Claim 7 , with two spot welding electrodes (131, 132), wherein a spot welding electrode (131) is arranged on a bracket end (112) of the tong arm (110) and can be supplied with current by at least one current cable (170), at least one current rail or at least one current band which is connected to the outside of the tong arm (110). Roboterzange (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromkabel (170), die Stromschiene oder das Stromband einen Wassermantel (172) zur Kühlung aufweist.Robotic tongs (100) to Claim 8 , characterized in that the power cable (170), the busbar or the power strip has a water jacket (172) for cooling.
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