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Die Erfindung betrifft eine Schraubeinheit zur Anordnung an einer drehbaren Spindel eines Roboterarms zum Ein- oder Ausdrehen von Schrauben an einem Bauteil, sowie einen Robotermanipulator mit einer solchen Schraubeinheit.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, automatisch beschickbare Schrauber zu verwenden, um von einem Roboterarm geführt auf Schraubenköpfe aufgesetzt zu werden, um nach dem Aufsetzen eine Schraube in eine Gewindebohrung eines Bauteils einzudrehen oder aus einer Gewindebohrung eines Bauteils heraus zu drehen.
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Die
DE 3808889 A1 betrifft hierzu einen Schrauber zum Eindrehen von Kopfschrauben in Gewindebohrungen in auf einer Montagestrecke zugeführte Werkstücke, dem die einzudrehenden Schrauben mit dem Schaft vorausweisend über eine pneumatische Förderleitung von einem Schraubenvorrat aus einzeln zugeführt werden, mit einer am freien Ende einer motorisch drehantreibbaren Welle angeordneten Schraubenkopf-Aufnahme, welche zwischen zwei Endstellungen entlang der Wellen-Drehachse verschiebbar ist, wobei die Aufnahme in der vorgeschobenen Endstellung eine achsparallel ausgerichtete Schraubenhalterung für die zugeführten Schrauben durchgreift, welche sie in der zurückgezogenen Endstellung vollständig freigibt, so dass die Schraubenhalterung dann in eine zur achsparallel ausgerichteten Stellung versetzte Stellung bewegbar ist, in welcher sie passend am Ende der pneumatischen Förderleitung angeschlossen ist, worauf sie nach Zufuhr einer Schraube in die zur Drehachse ausgerichtete Stellung zurückbewegbar ist, so dass die Schraubenkopf-Aufnahme dann wieder unter Ergreifen des Schraubenkopfs in die vorgeschobene Endstellung bewegbar ist, wobei die Schraubenhalterung zwischen zwei gegenüberliegenden Halterungsplatten aufgenommen und durch eine zwischen ihr und den Halterungsplatten ausgebildete Kulissenführung zwischen der zur Schraubenkopf-Aufnahme fluchtend ausgerichteten Stellung einerseits und der am Ende der Förderleitung angeschlossenen Stellung andererseits bewegbar geführt ist, und wobei an der Schraubenhalterung das eine Ende wenigstens einer Koppelungsstange angeschlossen ist, welche andererseits an einem die Welle mit der Schraubenkopf-Aufnahme drehbar lagernden und längsverschieblich zwischen den Halterungsplatten führenden Lagerschlitten angeschlossen ist, an welchem die die Schraubenkopf-Aufnahme zwischen den beiden Endstellungen verschiebende Vorschub-Einheit angeschlossen ist.
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Die
DE 19638521 A1 betrifft ferner eine Vorrichtung zum automatisierten Setzen von Haltebolzen auf Trägerflächen, bestehend aus einem an einen Roboterarm anschließbaren Gehäuse und einem mit diesem verbundenen Bolzenzuführkanal, wobei die Bolzen mit Tellerbünden versehen sind, welche an ihrer Unterseite mit einem trockenen, durch Wärmeeinwirkung reaktivierbaren Schmelzklebstoff beschichtet sind, wobei im Gehäuse unterhalb des Bolzenzuführkanals ein Übergabeteller drehbar gelagert ist, welcher mit einer Aufnahmeposition für die einzeln zugeführten Bolzen und einer Entnahmeposition versehen ist, wobei oberhalb der Entnahmeposition zum Erfassen des Bolzenschafts verschieblich geführt ist, und unterhalb dieser Entnahmeposition ein mit Induktionsspulen versehener Zylinder angeordnet ist, in welchen der Bolzen mittels der Greifzange einführbar und dabei gleichzeitig auf die vorgesehene Fügeposition bringbar ist.
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Die
FR 2 869 252 A1 beschreibt eine Vorrichtung, die das Schrauben behindernde Störkräfte beseitigt, indem sie eine freie radiale und winklige Anpassung zwischen der Schraube und der zu montierenden Mutter ermöglicht, unabhängig vom Winkel der Schraubachse in Bezug auf die Vertikale. Sie besteht aus einem Übertragungselement mit rotierendem Drehmoment, einer Schwenkverbindung zwischen der Verlängerung und der Ausgleichsmasse, einer in Rotation gestoppten Ausgleichsmasse, einem Kugelgelenk, das die Artikulation der Übertragungsverlängerung an im Wesentlichen einem ihrer Enden in Bezug auf den Rahmen des Systems ermöglicht und einer translatorischen Führung dieses Schwenkpunkts.
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Die
DE 693 06 357 T2 beschreibt eine Vorrichtung zum Herstellen verschrauben von mindestens zwei Teilen, durch Verschrauben mit einer Trägerplatte für die beiden zur Montage vorbereiteten Teile, die relativ zu einem festen Montageplatz bewegbar ist, mit Mitteln zum Positionieren der Trägerplatte relativ zum festen Montageplatz.
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Die
DE 29 711 260 U1 beschreibt einen stationären Schraubautomat mit einer drehbaren Schraubspindel, an der ein Schraubwerkzeug befestigt ist, wobei der Schraubautomat ein stationär montiertes Antriebsteil und ein relativ zum Antriebsteil axial bewegliches, die Schraubspindel aufweisendes Kopfteil umfasst, wobei Antriebsteil und Kopfteil dergestalt wirkverbunden sind, dass durch das Antriebsteil eine Drehbewegung der Schraubspindel erwirkbar ist und bei axialer Bewegung des Kopfteils auch die Schraubspindel in Richtung des Zustellhubs axial beweglich ist.
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In diesen Systemen mit Schraubeinheiten, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, besteht häufig das Problem, dass die starre, einteilige Konstruktion einer solchen Schraubeinheit wie der aus dem Stand der Technik bekannte und eingangs zitierte Schrauber eine perfekte Positionierung der Schraubeinheit in der Spindel des Roboterarms erfordert. Nur dann kann auch eine perfekte Positionierung einer Schraubenkopf-Aufnahme des Schraubers auf dem Schraubenkopf erfolgen. Wegen typischer zu erwartender Schwankungen der Genauigkeit in der Produktion einer solchen Schraubeinheit schwankt jedoch auch die Positionierung der Schraubeinheit in der Spindel des Roboterarms. Dadurch entsteht ein höherer Verschleiß an der Schraubeinheit. Dieser Umstand erfordert zudem eine hohe Nacharbeitsquote einer mit einer solchen Schraubeinheit ausgeführten Verschraubung am Bauteil.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine verbesserte Schraubeinheit für einen Roboter bereitzustellen, welcher eine erhöhte Lebensdauer aufweist und zuverlässiger Verschraubungen vornimmt.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Schraubeinheit zur Anordnung an einer drehbaren Spindel eines Roboterarms zum Ein- oder Ausdrehen von Schrauben an einem Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubeinheit zweiteilig ausgeführt ist, wobei ein oberer Teil der Schraubeinheit eine Spindelschnittstelle zur Anordnung der Schraubeinheit an der drehbaren Spindel des Roboterarms und eine Bitschnittstelle zum Anordnen eines oberen Endes eines unteren Teils der Schraubeinheit an dem oberen Teil der Schraubeinheit aufweist, wobei der untere Teil der Schraubeinheit an seinem unteren Ende eine Schraubenkopf-Aufnahme aufweist, um eine Drehung der Schraubeinheit in eine Drehung einer Schraube umzusetzen, wobei der obere Teil und der untere Teil der Schraubeinheit mit einer Steckverbindung ineinander steckbar sind und wobei die Steckverbindung Spiel zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil erlaubt.
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Die Roboter-Schraubeinheit ist ein Werkzeug, die in die drehbare Spindel eines distalen Endes eines Roboterarms eingebaut werden kann. Die Spindel dreht sich auf eine entsprechende Ansteuerung hin, sodass sich auch die Schraubeinheit dreht. Indem die Schraubeinheit vor Beginn des Andrehens auf einen Schraubenkopf aufgesetzt wurde, kann somit durch die Drehung der Schraubeinheit auch die Schraube gedreht werden, um diese in eine Gewindebohrung einzuschrauben oder aus dieser heraus zu schrauben. Gewöhnlich wird der Einsatz der Schraubeinheit auf das Einschrauben beschränkt sein, wenn der Roboter mit der Schraubeinheit in einem Montagebereich verwendet wird, in dem Bauteile miteinander verschraubt werden.
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Die Schraubeinheit eignet sich insbesondere, um Verschraubungen im Fahrzeugbau durchzuführen, beispielsweise bei der Montage einer Batteriehaltung oder der Batterie selbst an einer tragenden Karosseriestruktur eines Fahrzeugs. Bei der Montage einer solchen Batterie können durchaus über 100 Schrauben je einzelner Batterie verwendet werden.
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Die Steckverbindung zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil der Schraubeinheit ist bevorzugt eine standardisierte Werkzeugschnittstelle, wie ein 1/4", 3/8" oder ein 1/2" Vierkantprofil. Bei einer solchen bekannten Werkzeugschnittstelle werden ein Sockel und eine Nuss ineinander gesteckt.
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Zur Fixierung der Steckverbindung können weitere Mechanismen eingesetzt werden, beispielsweise eine federnd gelagerte Kugel im Vierkant-Antriebs-Sockel, die radiale Kraft ausübt. Der untere Teil der Schraubeinheit ist bevorzugt aus Werkzeugstahl ausgeführt und weist an seinem unteren Ende eine Schraubenkopf-Aufnahme auf, die an die zu drehende Schraube angepasst ist, beispielsweise auf ein Sechskantprofil.
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Der untere Teil der Schraubeinheit kann seinem Zweck entsprechend auch Bit genannt werden, da dieser untere Teil einem Adapter von einem drehenden Antrieb zum Schraubenkopf entspricht.
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Der zweiteilige Aufbau der Schraubeinheit, insbesondere die Steckverbindung zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil, ermöglicht in gewissen, wenn auch geringen Maßen, kinematische Freiheitsgrade zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil der Schraubeinheit zu schaffen. Diese Freiheitsgrade sind naturgemäß stark beschränkt, sodass keine beliebige Bewegung zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil erfolgen kann, jedoch erlaubt das Spiel in der Steckverbindung einen Toleranzausgleich, welcher bereits durch die Beweglichkeit in Bruchteilen eines Millimeters in radialer Richtung zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil bzw. von wenigen Graden oder Bruchteilen eines Grades einer Knickbewegung des unteren Teils relativ zum oberen Teil gegeben sein kann. Der Winkelbereich, um den der obere Teil und der untere Teil gegeneinander verkippbar sind, ist bevorzugt kleiner als 4°, besonders bevorzugt kleiner als 1°.
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Durch den zweiteiligen Werkzeug-Aufbau der Schraubeinheit wird eine bessere Schraubenkopf-Findung zwischen Schraubeinheit und Schraubenkopf erreicht. Damit kann auch die Qualität der erzeugten Schraubverbindung verbessert werden, und weniger manuelle Nacharbeit ist notwendig, wodurch eine Erhöhung der Verfügbarkeit der Montageanlage mit dem Roboter und einer solchen Schraubeinheit erreicht werden kann.
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Zudem werden durch Verwendung des zweiteiligen Aufbaus des Werkzeugs weniger Verschleiß und damit weniger Abfall erzeugt. Somit können auch höhere Standzeiten erreicht werden und der Einstellaufwand der Schraubeinheit fällt deutlich geringer aus. Darüber hinaus ergibt sich ein geringeres Verstopfungsrisiko der Schraubenzuführung, insbesondere wenn die Schrauben vollautomatisch mit Hilfe von Pneumatik durch einen Schlauch zum Bauteil an die gewünschte Verschraubungsstelle zugeführt werden. Ein Teachaufwand am Roboter(arm) vermindert sich außerdem.
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Außerdem ist ein schnellerer Werkzeugwechsel möglich, da bei einem Wechsel von zu montierenden oder demontierenden Schrauben zu einer anderen Größe des Schraubenkopfes oder einer anderen Art des Schraubenkopfes nicht mehr die vollständige Schraubeinheit am Roboterarm gewechselt werden muss, sondern lediglich der untere Teil der Schraubeinheit im Sinne eines Bitwechsels.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Spiel zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil rotatorisches Spiel um einen Radius senkrecht zur Drehachse der Schraubeinheit, sodass über einen Winkelbereich der obere Teil und der untere Teil zueinander verkippbar sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Schraubeinheit weiterhin eine pneumatische Schraubenzufuhr auf, welche dazu ausgeführt ist, sequenziell einzelne Schrauben zur Schraubenkopf-Aufnahme des unteren Teils der Schraubeinheit zu befördern.
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Die Schraubenzufuhr ist insbesondere so ausgeführt, dass die Schrauben nacheinander in die Schraubenkopf-Aufnahme der Schraubeinheit fallen. Beim Vorfahren der zweiteiligen Schraubeneinheit wird die Schraube mit dem unteren Teil der Schraubeinheit aufgegriffen. Die Schrauben selbst werden über Schläuche zu Schraubenkopf-Aufnahme pneumatisch zugeführt. Anschließend wird die Schraubeinheit nach unten ausgefahren und durch Drehung der Schraubeinheit kann die Verschraubung erfolgen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steckverbindung zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil translatorisches Spiel entlang des Radius senkrecht zur Drehachse der Schraubeinheit auf.
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Die Drehachse der Schraubeinheit ist diejenige Achse, um welche sich die gesamte Schraubeinheit zum Drehen der Schraube dreht. Entlang eines Radius senkrecht zu dieser Drehachse ist gemäß dieser Ausführungsform etwas Spiel vorgesehen, sodass sich der untere Teil gegenüber dem oberen Teil der Schraubeinheit verschieben kann. Es ist dabei ausreichend, wenn dieses Spiel Bruchteile eines Millimeters umfasst, um den unteren Teil der Schraubeinheit leichter auf einen Schraubenkopf ansetzen zu können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steckverbindung zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil translatorisches Spiel entlang der Drehachse der Schraubeinheit auf.
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Durch dieses translatorische Spiel werden zudem Höhenunterschiede ausgeglichen, welche in der Positionierung zwischen der Schraubeinheit und der Gewindebohrung zur Aufnahme einer Schraube vorherrschen können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Steckverbindung eine Vierkant- Werkzeug-Verbindung, bevorzugt mit einem 3/8" oder 1/2" Vierkant Antrieb wie von Drehmomentschlüsseln und Ratschen bekannt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steckverbindung durch ein entlang des Radius senkrecht zur Drehachse der Schraubeinheit führbares Element fixierbar. Bevorzugt wird hierzu eine an einer Feder gelagerte Kugel verwendet, um radiale Kraft aufzubauen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Roboterarm mit einer Schraubeinheit wie oben und im Folgenden beschrieben.
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Der Roboterarm kann eine mehrgelenkige kinematische Kette umfassen, die eine Vielzahl von durch Gelenken miteinander verbundenen Gliedern aufweist. Alternativ hierzu kann er auch mehrere im Wesentlichen parallele Arme aufweisen und an seinem oberen Ende gelagert sein, beispielsweise ein Deltaroboter sein. In diesem Sinne kann der Robotermanipulator ein oder mehrere Translationsgelenke und/oder ein oder mehrere Rotationsgelenke aufweisen. Die Art des verwendeten Robotermanipulators ist jedoch prinzipiell irrelevant für die Funktionsweise der zweiteiligen Schraubeinheit.
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Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Robotermanipulators ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Schraubeinheit vorstehend gemachten Ausführungen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1: Den oberen Teil der zweiteiligen Schraubeinheit in Perspektive gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2: Den oberen Teil der zweiteiligen Schraubeinheit der 1 im Schnitt.
- 3: Den unteren Teil der zweiteiligen Schraubeinheit in Perspektive gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 4: Den unteren Teil der zweiteiligen Schraubeinheit der 3 im Schnitt.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt den oberen Teil 1 der zweiteiligen Schraubeinheit. Der obere Teil dient zur Anordnung an einer drehbaren Spindel eines Roboterarms und weist zu diesem Zweck eine Vierkant-Spindelschnittstelle 3 auf, welche an der drehbaren Spindel des Roboterarms angeordnet werden kann, jedoch auch von dieser einfach zum Werkzeugtausch wieder gelöst werden kann. Am gegenüberliegenden Ende zur Spindelschnittstelle 3 ist eine Bitschnittstelle 5 angeordnet, um den unteren Teil 7 der zweiteiligen Schraubeinheit an dem oberen Teil 1 anordnen zu können. Der obere Teil 1 der zweiteiligen Schraubeinheit ist im Prinzip ein auf ein gewisses Nenn-Drehmoment ausgelegter Torsionsstab mit den entsprechenden Schnittstellen 3,5 an seinem oberen und unteren Ende. Dieser obere Teil 1 der Schraubeinheit ist aus Werkzeugstahl gefertigt.
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2 zeigt den oberen Teil 1 der Schraubeinheit im Schnitt. Hierbei werden die Vierkant-Schnittstellen 3,5 des oberen Teils 1 noch einmal deutlich sichtbar.
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3 zeigt den unteren Teil 7 der Schraubeinheit, der dazu dient, am oberen Teil 1 der 1 und 2 angeordnet zu werden. Während der obere Teil 1 der Schraubeinheit der roboterseitige Teil der Schraubeinheit ist, ist der untere Teil 7 der Schraubeinheit der schraubenseitige Teil. Zum einen weist der untere Teil an seinem oberen Ende eine entsprechende Schnittstelle auf, die mit der Bitschnittstelle 5 des oberen Teils 1 zusammenpasst. An seinem unteren Ende weist der untere Teil 7 eine Schraubenkopf-Aufnahme 9 auf, welche dazu ausgeführt ist, auf einen Schraubenkopf zu greifen. Je nach Schraubenkopf ist diese Schraubenkopf-Aufnahme entsprechend auszuführen, beispielsweise mit einem Innensechskant für einen Außensechskant-Schraubenkopf, bzw. eine Außensechskant Schraubenkopf-Aufnahme 9 für einen Innensechskant-Schraubenkopf.
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4 zeigt den unteren Teil 7 der Schraubeinheit im Schnitt. Hierbei sind am linken Ende die Vierkant-Nuss zur Verbindung mit der Bitschnittstelle 5, sowie die Sechskant Schraubenkopf-Aufnahme 9 am rechten Ende gezeigt. Wiederum ist der untere Teil 7 aus Werkzeugstahl gefertigt und auf dasselbe Drehmoment wie der obere Teil 1 ausgelegt. An der Steckverbindung der Bitschnittstelle 5 des oberen Teils 1 der Schraubeinheit mit dem unteren Teil 7 ergibt sich ein Spiel, welches das Aufsetzen des unteren Teils 7 der Schraubeinheit, insbesondere der Schraubenkopf-Aufnahme 9, auf den Schraubenkopf erleichtert. Der Verschleiß an der Schraubeinheit wird somit verringert, notwendige Nacharbeiten müssen seltener erfolgen, das Wechseln der Schraubeinheit für unterschiedliche Schrauben wird erleichtert.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.