DE102006003555B4

DE102006003555B4 - Steuerung für eine Werkzeug-Sensor-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102006003555B4
Application number: DE200610003555
Authority: DE
Inventors: Thomas Karsten; Thilo Hornbostel; Markus Wess
Original assignee: EDAG GmbH and Co KGaA
Current assignee: FFT EDAG Produktionssysteme GmbH and Co KG
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2026-01-26
Also published as: DE102006003555A1

Abstract

Vorrichtung zum Positionieren eines Werkzeugs, umfassend:
a) einen im Raum beweglichen, relativ zu einem Referenzbauteil (13) in einer Sollposition positionierbaren Aktor (6),
b) eine Aktorsteuerung (7) für die Steuerung der Bewegung des Aktors (6),
c) ein an dem Aktor (6) befestigtes oder befestigbares Werkzeug (1) zum Fügen des Referenzbauteils (13) mit einem zweiten Bauteil oder zum Bearbeiten des Referenzbauteils,
d) einen Sensor (10) zur Gewinnung der Positionsdaten (P), die die Position des Werkzeugs (1) relativ zu dem Referenzbauteil (13) beschreiben,
e) eine Sensorsteuerung (16) für die Steuerung der Aktivitäten des Sensors (10),
f) und eine externe Datenverarbeitungseinrichtung (8), die signaltechnisch mit dem Sensor (10) verbunden ist und die Positionsdaten (P) des Sensors (10) für die Aktorsteuerung (7) aufbereitet,
g) wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (8) separat von der Aktorsteuerung (7) angeordnet und mit der Aktorsteuerung (7) per Kabel (33) oder leitungslos signaltechnisch verbunden ist, und...

Description

Die Erfindung betrifft die Positionierung eines Werkzeugs relativ zu einem Bauteil mittels eines Sensors für die Ermittlung der Position des Werkzeugs relativ zu dem Bauteil. Die Erfindung kann insbesondere in der Fahrzeugindustrie und bevorzugt in der Montage von Fahrzeugkarosserien Verwendung finden.
Beim Anschweißen von Bolzen oder Muttern besteht das Problem, dass diese Bauteile relativ zu einem anderen Bauteil, beispielsweise einem Karosserieteil eines Fahrzeugs, im verbundenen Zustand genau positioniert sein müssen. Das Problem besteht grundsätzlich überall dort, wo Bauteile positionsgenau miteinander verbunden werden müssen oder ein Bauteil exakt bearbeitet werden muss. In automatisierten Fügeverfahren oder Bearbeitungsverfahren werden bewegbare Werkzeuge in Kombination mit Sensoren verwendet, um die Position des Werkzeugs zum jeweiligen Bauteil zu erfassen und das Werkzeug relativ zu den zu verbindenden Bauteilen oder nur relativ zu einem dieser Bauteile oder relativ zu dem zu bearbeitenden Bauteil positionsgenau bis zu einem Zielort zu führen. Falls Werkzeug und zugeordneter Sensor eng beieinander und zueinander in fester Lagebeziehung angeordnet sind, kann das Werkzeug anhand des Sensorsignals bis unmittelbar zu einem beliebig gelegenen Zielort positionsgenau geführt werden. Die Position des Werkzeugs muss nur relativ zu dem betreffenden Bauteil vermessen werden. Die Steuerung der Bewegung und der Aktivität des Werkzeugs wächst mit der Anzahl der auszuwertenden Messdaten, der Anzahl der Freiheitsgrade der Bewegung des Werkzeugs und der geforderten Positioniergenauigkeit. Mit der Komplexität steigen die Anschaffungskosten und im Allgemeinen auch die Störanfälligkeit und der für die Behebung einer Störung zu betreibende Aufwand, was wiederum zu kostspieligen Ausfällen einer ganzen Arbeitsstation der Fertigungslinie führen kann.
Die US 6 430 472 B1 zeigt eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Positionieren eines Werkzeuges. Die Vorrichtung umfasst eine Sensorsteuerung CUS, die ein „sensor communication interface 51” zur Kommunikation mit dem Sensor 136 aufweist, der über eine Kommunikationsverbindung 53 verfingt, über die Kontroll- und Bilddaten übertragen werden. Die Sensorsteuerung CUS ist dabei integrierter Teil einer CPU und empfängt Daten von dem Sensor 136, die dann in der CPU verarbeitet werden. Von der CPU werden dann Steuersignale generiert, die über die Kommunikationsverbindung 53 zu dem Sensor 136 gesendet und dort entsprechende Reaktionen des Sensors 136 bewirken. Aus der DE 103 51 669 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Handhabungsgerätes, beispielsweise eines Roboters, relativ zu einem Objekt bekannt. Dabei werden reale Daten einer Kamera 2.3 mit virtuell erzeugten Soll-Daten in einer Steuereinrichtung 7 verglichen. Zum Vergleich sendet die Kamera 2.3 die aufgenommenen Bilder oder Daten über eine Leitung 8.1 an eine Bildbearbeitungseinrichtung 8. In der Bildbearbeitungsstation 8 werden sodann die Lifebilder der Kamera 2.3 mit den virtuell erzeugten Soll-Bildern verglichen und daraus zur Minimierung eines Verstellwegs Fahrbefehle für den Roboter und/oder des Soll-Bildes 3' und/oder des Realbildes 3 berechnet. Die US 5,321,353 A beschreibt eine Vorrichtung und eine Verfahren zur genauen Positionierung eines Roboterwerkzeugs. Zur Positionierung findet eine „off-axis” Kamera Verwendung, das heißt eine Kamera, die einen bestimmten Winkel zur Längsachse in Arbeitsrichtung des Werkzeugs aufweist. Damit kann sehr genau eine vertikale Entfernung zwischen dem Roboterarm 224 und dem Werkstück 229 gemessen und eine Abweichung des Sollwertes von dem Istwert entdeckt werden. Die US 2004/0080294 A1 behandelt einen Roboter mit einem Sensor. Die EP 1 555 508 A1 beschreibt ein Messsystem mit einer Kamera 4, die mit einer Bildverarbeitungseinheit 2 mit einem Monitor 3 verbunden ist. Die Messungen sind ohne komplizierte Vorbereitungen und bei Abwesenheit eines Eichschilds, das heißt ohne Kalibrierung des Geräts, durchführbar.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeug-Sensor-Vorrichtung der genannten Art zu einem reduzierten Preis und mit geringerer Störanfälligkeit, zumindest verbesserter Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit zu schaffen.
Die Vorrichtung umfasst einen im Raum beweglichen, relativ zu einem Bauteil in einer Sollposition positionierbaren Aktor, eine Aktorsteuerung für die Steuerung der Bewegungen des Aktors, ein an dem Aktor befestigbares oder bereits befestigtes Werkzeug und einen Sensor zur Gewinnung von Positionsdaten, die die Position des Werkzeugs relativ zu dem Bauteil beschreiben. Das Bauteil ist die Referenz oder eine von mehreren Referenzen für die Positionierung und wird im Folgenden als Referenzbauteil bezeichnet.
Der Sensor ist an dem gleichen Aktor befestigbar oder bereits befestigt, so dass er im befestigten Zustand mit dem Werkzeug einheitlich bewegt wird, d. h. mit dem Werkzeug eine Bewegungseinheit bildet. Werkzeug und Sensor vollführen in einer derartigen Ausführung mit dem Aktor stets eine gemeinsame, einheitliche Bewegung. Dies soll allerdings nicht ausschließen, dass das Werkzeug oder der Sensor relativ zu dem Aktor einzeln verstellbar ist oder sind, obgleich bevorzugt wird, wenn das Werkzeug und der Sensor zumindest während der Bewegung des Aktors zum Zwecke der Positionierung des Werkzeugs relativ zu dem Aktor und somit relativ zueinander ortsfest sind. In alternativen Ausführungen kann ein weiterer, ebenfalls im Raum beweglicher und relativ zu dem Referenzbauteil positionierbarer Aktor als Bewegungsplattform des Sensors dienen. Die genannte Aktorsteuerung steuert auch die Bewegungen des weiteren Aktors, so dass dieser synchron mit dem Werkzeug oder zumindest genau abgestimmt mit dem Werkzeug bewegt wird. Die Erfindung betrifft jedoch insbesondere Werkzeug-Sensor-Vorrichtungen, bei denen das Werkzeug und der Sensor mit dem Aktor und zueinander in nur einer vorgegebenen Position verbindbar oder permanent verbunden sind.
Das Wort ”oder” wird stets im Sinne von ”und/oder” verwendet, soweit sich aus dem jeweiligen Zusammenhang nichts anderes ergibt. Der Begriff ”Position” bezeichnet entweder den Ort, den ein Körper relativ zu einem anderen einnimmt, oder die Ausrichtung des Körpers relativ zu dem anderen oder den Ort und die Ausrichtung in Kombination. Soweit keine besonderen Aussagen getroffen werden, betrifft der Begriff der Position die Ortsbeziehung stets und die Ausrichtung nur optional.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Datenverarbeitungseinrichtung, die signaltechnisch sowohl mit dem Sensor als auch der Aktorsteuerung verbunden ist und die Positionsdaten des Sensors für die Aktorsteuerung aufbereitet. Die Aufbereitung besteht vorzugsweise darin, dass die Datenverarbeitungseinrichtung aus den Positionsdaten des Sensors Korrekturdaten für die Positionierung des Aktors ermittelt, der das Werkzeug trägt. Die Datenverarbeitungseinrichtung liefert die Korrekturdaten vorzugsweise in Form eines Korrekturvektors. Der Korrekturvektor besteht aus Koordinatenwerten, nämlich Werten für die Achskoordinaten oder Winkelkoordinaten, um die der das Werkzeug tragende Aktor bewegt werden muss, um ihn aus seiner durch die Messung ermittelten Istposition in die Sollposition zu bewegen oder zumindest der Sollposition näher zu bringen. Vorzugsweise ist der Korrekturvektor der Abstandsvektor zwischen der Istposition und der Sollposition des Aktors und somit des Werkzeugs nach sämtlichen Freiheitsgraden der Bewegung des Aktors, vorzugsweise nach den drei Freiheitsgraden der Translation und den drei Freiheitsgraden der Rotation.
Nach der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung separat von der Aktorsteuerung angeordnet, vorzugsweise in einem eigenen Gehäuse, und mit der Aktorsteuerung per Kabel oder per Funk oder auf andere Weise leitungslos signaltechnisch verbunden. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist somit nicht integrierter Bestandteil der Aktorsteuerung, sondern eine zu der Aktorsteuerung externe Einrichtung. Aufgrund der Trennung kann beispielsweise eine Robotersteuerung eines herkömmlichen Industrieroboters mit geringem Aufwand und entsprechend geringen Kosten zu der Aktorsteuerung der Erfindung weitergebildet werden. Die Eingriffe in die Aktorsteuerung können minimiert werden. Dies ist im Falle der ersten Entwicklung einer Werkzeug-Sensor-Vorrichtung und insbesondere für die Aufrüstung bestehender Aktor-Werkzeug-Vorrichtungen von Vorteil. Weiterentwicklungen werden ebenfalls erleichtert. Bei der Aktorsteuerung wird vorzugsweise lediglich eine Kommunikationsschnittstelle für den Empfang der Korrekturdaten eingerichtet. Die gleiche Kommunikationsschnittstelle kann vorteilhafterweise sämtliche Anpassungen besorgen, falls die Korrekturdaten von der Aktorsteuerung noch nicht ohne weiteres verarbeitet werden können. Die Kommunikationsschnittstelle kann als Einschub in der Art einer Steckkarte oder als Dongle gebildet sein. Im Grunde kann jede herkömmliche programmierbare Steuerung mit geringem programmtechnischen Aufwand um den Sensor ergänzt werden, vorzugsweise in der Art, in der Standardcomputer im PC-, Laptop- und Notebookbereich um neue Funktionen ergänzt werden können.
Das erfindungsgemäße Konzept der Trennung von Aktorsteuerung und Datenverarbeitungseinrichtung für den Sensor erleichtert auch die Verwendung von Standardausrüstung für die Datenverarbeitungseinrichtung. In bevorzugten Ausführungen bildet ein entsprechend programmierter Standardcomputer, vorzugsweise ein PC, Laptop oder Notebook, die Datenverarbeitungseinrichtung, wodurch der Preis der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter gesenkt werden kann. Das Standardgehäuse der Standardausrüstung kann durch ein der jeweiligen Anwendung speziell angepasstes Gehäuse ersetzt werden, um die Ausrüstung vor den beispielsweise in Fertigungslinien zu erwartenden Widrigkeiten der Umgebung besser zu schützen. Die Hardwarekomponenten der Datenverarbeitungseinrichtung können im Vergleich mit einem Standardcomputer schwingungsärmer gelagert werden, was durch eine schwingungsarme Lagerung im Gehäuse oder eine schwingungsarme Lagerung des Gehäuses erreicht werden kann. Vorteilhaft ist auch eine bessere Abdichtung des Gehäuses und der Kommunikationsschnittstellen der Datenverarbeitungseinrichtung gegen Schmutz und Feuchtigkeit.
Die Datenverarbeitungseinrichtung kann an dem den Sensor tragenden Aktor befestigt oder befestigbar sein, vorteilhafterweise als Montageeinheit mit dem Sensor. Bevorzugter ist die Datenverarbeitungseinrichtung jedoch von dem Sensor losgelöst, so dass am Ort des Sensors Raum eingespart wird. Die Datenverarbeitungseinrichtung kommuniziert in derartigen Ausführungen auch mit dem Sensor leitungslos, beispielsweise per Funk, oder vorzugsweise per Kabel. Die Datenverarbeitungseinrichtung sollte für Bedienpersonal leicht zugänglich in einer Arbeitsstation des Aktors angeordnet werden. Falls ein Roboterarm den Aktor bildet, kann die Datenverarbeitungseinrichtung beispielsweise an einer Basis des Roboters angeordnet sein. Falls der Roboter in seiner Arbeitsstation insgesamt bewegbar ist, bewegt sich die Datenverarbeitungseinrichtung in solch einer Anordnung mit der Roboterbasis. Im Falle eines ortsfest in der Arbeitsstation angeordneten Roboters ist auch die Datenverarbeitungseinrichtung in der Arbeitsstation bevorzugterweise ortsfest angeordnet. Ungeachtet der Art des Aktors sind die Aktorsteuerung und die Datenverarbeitungseinrichtung relativ zueinander bevorzugt ortsfest angeordnet.
Die Vorrichtung umfasst eine Sensorsteuerung für die Steuerung der Aktivität des Sensors. Die Sensorsteuerung gehört unmittelbar zum Sensor, so dass der Sensor mit der Sensorsteuerung an dem Aktor befestigt oder befestigbar ist. Die Sensorsteuerung ist über die Datenverarbeitungseinrichtung mit der Aktorsteuerung signaltechnisch verbunden. Falls ein Aufnehmer des Sensors für das Aufnehmen aktiviert werden muss, wird dieser Aufnehmer über die Sensorsteuerung aktiviert. Für diese Richtung der Kommunikation kann die Datenverarbeitungseinrichtung als einfache Durchleitstation dienen. Falls das Ausgangssignal der Aktorsteuerung, d. h. das Kommando zum Messen, von der Sensorsteuerung nicht so ohne weiteres verarbeitet werden kann, ist es vorteilhaft, wenn die Datenverarbeitungseinrichtung das Messkommando der Aktorsteuerung auf die Sensorsteuerung anpasst. Misst der Sensor rein passiv, enthält er also nur einen Aufnehmer, so kann die Aktivierung durch die Sensorsteuerung beispielsweise nur darin bestehen, dass an den Aufnehmer ein Aktivierungssignal gelegt oder die Positionsdaten des Sensors in einen Datenspeicher des Sensors eingelesen oder direkt der Aktorsteuerung übermittelt werden.
Die Aktorsteuerung steuert vorzugsweise auch die Aktivität des Werkzeugs. Handelt es sich bei dem Werkzeug beispielsweise um eine Bolzen- oder Mutternschweißeinrichtung, genügt als Aktivierung ein einfaches Fügekommando, auf das ein Bolzen gesetzt und angeschweißt wird. Ist das Werkzeug beispielsweise eine Klebeeinrichtung oder eine Schraubeinrichtung, kann das Steuersignal für das Werkzeug weitere Informationen enthalten, beispielsweise ein Stoppkommando. Ähnlich verhält es sich bei Schweißeinrichtungen, die nicht punktförmig schweißen, oder beispielsweise bei Rollfalzeinrichtungen, die zur Herstellung einer Rollfalzverbindung mehrerer Bleche aktiviert und auch wieder deaktiviert werden. Das Gleiche gilt für beispielsweise mechanische oder pneumatische Greifer eines als Halteeinrichtung gebildeten Werkzeugs und auch für ein Bearbeitungswerkzeug. Der Gedanke, die Aktorsteuerung zu entlasten, kann auch vorteilhaft auf einen die Werkzeugsteuerung betreffenden Teil der Aktorsteuerung angewendet werden. Insbesondere in der Massenfertigung führen die Werkzeuge stets die gleichen maschinellen Tätigkeiten aus, beispielsweise das Schweißen je der gleichen Naht, gleicher Bolzen oder dergleichen, das Bohren eines Lochs je der gleichen Tiefe oder beispielsweise das Rollfalzen eines Flansches jeweils gleicher Materialbeschaffenheit, Dicke und Form. In diesem Fall kann eine unmittelbar bei dem Werkzeug oder vergleichbar der Datenverarbeitungseinrichtung auch bezüglich des Sensors extern gebildete Werkzeugsteuerung nach einer Aktivierung durch die Aktorsteuerung die Funktion der Deaktivierung nach Erfüllung der jeweiligen Werkzeugfunktion oder auch komplexere Steuerungsfunktionen übernehmen.
Für die Steuerung des Werkzeugs, die eine Aktivierung und gegebenenfalls eine Deaktivierung des Werkzeugs beinhaltet, und die Steuerung des Sensors, sind in bevorzugten Ausführungen zwei Steuerkreise vorgesehen. Dementsprechend zweigen von der Aktorsteuerung zwei Signalzweige ab, von denen der eine zum Werkzeug und der andere zum Sensor führt. Die beiden Signalzweige sind vorzugsweise nicht nur signaltechnisch voneinander getrennt, sondern auch physikalisch, indem im Falle leitungsgebundener Signalübertragung unterschiedliche Signalleitungen vorgesehen sind. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise nur in dem Signalzweig für den Sensor angeordnet und übernimmt für die Steuerung des Werkzeugs keine Funktion oder allenfalls die Funktion einer Durchleitstation.
Die Signalübertragung zwischen dem Sensor und der Datenverarbeitungseinrichtung kann leitungslos, beispielsweise per Funk, oder zweckmäßiger elektronisch über ein abgeschirmtes Kabel erfolgen. Vorzugsweise kommunizieren der Sensor und die Datenverarbeitungseinrichtung jedoch per Lichtwellenleiter miteinander. Die Aktorsteuerung und die Datenverarbeitungseinrichtung kommunizieren andererseits bevorzugterweise über eine in der Industrie gebräuchliche Standardverbindung, beispielsweise einen Feldbus. Die optische Signalübertragung ist besonders störsicher, insbesondere gegen elektromagnetische Felder, wie sie gerade beim Schweißen, aber auch generell in der Fertigung auftreten, und eignet sich daher insbesondere für die Kommunikation bis unmittelbar zu dem zu fügenden, zu bearbeitenden oder zu haltenden Bauteil, wo die stärksten Störungen zu befürchten sind. Die bevorzugt elektronischen Ausgangssignale des Sensors werden mittels eines optoelektronischen Wandlers in die per Lichtwellenleiter zu übertragenden optischen Signale umgewandelt und die optischen Eingangssignale für den Sensor entsprechend in elektronische Signale. Der Wandler ist vorzugsweise gemeinsam mit dem Sensor als Montageeinheit an dem Aktor befestigbar und von dem Aktor lösbar. Er ist vorteilhafterweise mit dem Sensor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist ebenfalls mit einem optoelektronischen Wandler ausgestattet, über den sie die optischen Positionsdaten erhält. Falls die Datenverarbeitungseinrichtung für die Aktivierung des Sensors eine reine Durchleitstation bildet, übernimmt zumindest ihr Wandler die Funktion der Umwandlung der eingehenden elektronischen Steuersignale der Aktorsteuerung in optische Steuersignale, die anschließend von dem Wandler des Sensors wieder in elektronische Steuersignale umgewandelt werden.
Der Sensor ist an seinem Aktor vorteilhafterweise mittels einer Kupplung befestigt, die eine einfache Demontage des Sensors für eine Reparatur, Um- oder Aufrüstung oder einen Austausch ermöglicht. Nach einer ersten Montage eines Sensors oder eines nach einem Austausch neuen Sensors wird der Sensor in Bezug auf das Werkzeug vorteilhafterweise kalibriert. Für die Kalibrierung ist es vorteilhaft, wenn die Datenverarbeitungseinrichtung die bei der Kalibrierung mit dem Sensor gewonnenen Positionsdaten zu Kalibrierdaten verarbeitet, die bei der späteren Messung im Einsatz zur Korrektur von Positionsfehlern verwendet werden, die der Sensor relativ zum Werkzeug haben kann. Die Datenverarbeitungseinrichtung verfügt zu diesem Zweck vorzugsweise über einen Datenspeicher für die Kalibrierdaten. Die Kalibrierdaten können insbesondere bereits Korrekturwerte sein, die aus den bei der Kalibrierung aufgenommenen Positionsdaten gewonnen wurden und um die im späteren Einsatz die jeweils aufgenommenen Positionsdaten korrigiert werden, wobei auch diese Korrektur vorteilhafterweise von der Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführt wird. Die Korrekturwerte sind vorzugsweise mathematische Transformationsvorschriften für eine mathematische Korrektur von Fehlern des Sensors in sich und der Positionierung des Sensors relativ zu dem Werkzeug. Falls die Positionsdaten Bilddaten sind, können die Kalibrierdaten beispielsweise eine Verschiebung oder Drehung oder Dehnung oder Stauchung des aufgenommenen Bilds bewirken. Die beispielhaft genannten Transformationen, beispielsweise eine Dehnung, können das gesamte Bild oder auch nur einen oder mehrere lokale Bereiche des Bilds betreffen.
Die Kalibrierung des Sensors ist vorzugsweise zweigeteilt, in eine Vorkalibrierung, die vor der Montage des Sensors durchgeführt wird, und die genannte, bereits mit der Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführte Endkalibrierung nach der Montage. Bei der Vorkalibrierung wird der mit einer der beiden Kupplungshälften der Kupplung verbundene Sensor relativ zu dieser Kupplungshälfte positioniert, insbesondere ausgerichtet. Im Rahmen der Vorkalibrierung wird der Sensor ferner in sich vermessen, um Fertigungsungenauigkeiten zu kompensieren und den Sensor zu entzerren. Die aus der Vorkalibrierung gewonnenen Kalibrierdaten werden vorzugsweise in einem Datenspeicher des Sensors abgelegt, der gemeinsam mit dem Sensor mittels der Kupplungshälfte an dem Aktor befestigt wird. Hinsichtlich der Kalibrierung des Sensors, sowohl der Vorkalibrierung als auch der Endkalibrierung, wird die von der Anmelderin am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereichte deutsche Patentanmeldung mit dem Titel ”Werkzeug-Sensor-Einheit mit vorkalibriertem Sensor” in Bezug genommen.
Das Werkzeug ist bevorzugt ein Werkzeug zum Fügen, d. h. ein Werkzeug zum Herstellen einer Fügeverbindung oder zum Halten eines zu fügenden Bauteils. Es kann insbesondere eine Fügeeinrichtung zum Herstellen einer auf Stoffschluss beruhenden Fügeverbindung sein, beispielsweise eine Schweißeinrichtung, Löteinrichtung oder Klebeeinrichtung. Es kann sich auch um eine Fügeeinrichtung für eine auf Form- und Kraftschluss beruhende Verbindungsart handeln, beispielsweise eine Nieteinrichtung, Schraubeinrichtung oder Rollfalzeinrichtung. Vorzugsweise ist es in der Lage, die Bauteile automatisch zu verbinden. Es kann eine Zuführeinrichtung für zweite Bauteile, beispielsweise Bolzen, Mutter, Schrauben, Niete, Scharniere und dergleichen umfassen. In alternativen Ausführungen handelt es sich um eine Halteeinrichtung für das zweite Bauteil, beispielsweise eine Spanneinrichtung oder Greifeinrichtung für ein Anbauteil einer Fahrzeugkarosserie, die das jeweilige Anbauteil bei der Montage hält. Das zweite Bauteil kann in derartigen Anwendungen beispielsweise eine Fahrzeugtür, eine Klappe, Haube, ein der Befestigung dienendes Scharnier oder eine Fahrzeugleuchte sein. Das Werkzeug kann alternativ ein Bearbeitungswerkzeug sein, vorzugsweise für eine spanende Bearbeitung wie insbesondere Fräsen oder Bohren. Es können auch mehrere Werkzeuge über den Träger mit dem Sensor verbunden sein, so dass der Sensor der Positionierung von jedem dieser Werkzeuge dient. In solchen Ausführungen sind mittels des Sensors die Positionsdaten für eines dieser Werkzeuge gewinnbar, das für die Positionierung einer derart erweiterten Werkzeug-Sensor-Vorrichtung als Referenzwerkzeug dient. Das andere oder die mehreren anderen Werkzeuge sind in derartigen Ausführungen mit dem Träger in vorgegebener Weise beweglich verbunden, so dass die Positionierung des Referenzwerkzeugs auch für die Positionierung des oder der weiteren Werkzeuge ausreicht. Alternativ kann jedes der mittels des Trägers miteinander kombinierten Werkzeuge nacheinander selbst das Referenzwerkzeug für den Sensor bilden, wenn die betreffenden Werkzeuge zeitlich nacheinander oder gleichzeitig an unterschiedlichen Zielorten am Referenzbauteil zum Einsatz gelangen. Vorteilhaft ist die Kombination einer Halteeinrichtung für ein zweites Bauteil, etwa ein Fahrzeuganbauteil oder ein Scharnier für eine gelenkige Befestigung des Anbauteils, mit einem Fügewerkzeug für die Befestigung des zweiten Bauteils am Referenzbauteil. Beispiele sind die Kombination einer Halteeinrichtung für eine Fahrzeugleuchte mit einem Schweiß- oder Nietwerkzeug zur Befestigung der Fahrzeugleuchte oder eine Halteeinrichtung für eine Fahrzeugtür mit einem Schweiß- oder Schraubwerkzeug. Alternativ zu der Anordnung mehrerer Werkzeuge am gleichen Träger kann auch für jedes der mehreren Werkzeuge je ein eigener Sensor vorgesehen sein. Die in diesem Falle der Art nach gleich aufgebauten Werkzeug-Sensor-Vorrichtungen werden steuerungstechnisch aufeinander abgestimmt bewegt und aktiviert.
Der Sensor kann zwar grundsätzlich ungerichtet sein, d. h. aus allen Richtungen aufnehmen, bevorzugt handelt es sich jedoch um einen gerichteten Sensor mit einer Messfläche, vorzugsweise Messebene, die in eine Messrichtung gerichtet ist und nur Signale aufnimmt, die aus einer Richtung auf die Messfläche treffen, die zumindest eine gegen die Messrichtung weisende Richtungskomponente aufweist. Der Sensor hat entsprechend eine Messachse parallel zu der Messrichtung. Die Messachse ist eine Flächennormale auf die Messfläche und erstreckt sich durch einen zentralen Bereich der Messfläche. Die Messrichtung kann mit einer Arbeitsrichtung des Werkzeugs zusammenfallen oder winkelig zu der Arbeitsrichtung weisen. Bevorzugt sind die Arbeitsrichtung des Werkzeugs und die Messrichtung des Sensors parallel voneinander beabstandet, wobei ein zwischen der Messachse und einer zentralen Arbeitsachse des Werkzeugs gemessener Abstand über etwa 30 cm nicht hinausgehen sollte. Ein solch geringer Abstand von Werkzeug und Sensor ist auch für eine zur Arbeitsrichtung des Werkzeugs winkelige Anordnung des Sensors vorteilhaft. Als Arbeitsrichtung wird bei einem Werkzeug zum Setzen von beispielsweise Muttern, Bolzen, Nieten oder Schrauben die Längsrichtung derartiger zweiter Bauteile verstanden. Bei einem Klebewerkzeug wäre es entsprechend die Austrittsrichtung des Klebers, bei einer Halteeinrichtung beispielsweise eine Richtung, in die das gehaltene Bauteil gegen das Referenzbauteil beispielsweise gedrückt wird. Die Kalibrierdaten der Vorkalibrierung umfassen vorzugsweise solche Kalibrierdaten, mittels denen ein etwaiger Geometriefehler der Messfläche, beispielsweise ein Wölbungsfehler, korrigiert werden kann.
Der Sensor ist vorzugsweise ein optischer Sensor, obgleich die Verwendung eines anderen Sensors, beispielsweise eines anderen elektromagnetischen Sensors oder eines Ultraschallsensors, nicht ausgeschlossen werden soll. Besonders bevorzugt bildet eine Bilderfassungseinrichtung den Sensor. Der Sensor kann ein 3D-Sensor oder in bevorzugten, einfacheren Ausführungen ein 2D-Sensor sein. Denkbar ist auch eine Kombination von wenigstens zwei 1D-Sensoren, mittels denen der Zielort in einer Ansichtsebene desjenigen Bauteils ermittelbar ist, relativ zu dem das Werkzeug positioniert werden muss. In sehr einfachen Ausführungen kann der Sensor auch nur ein 1D-Sensor sein, beispielsweise ein Abstandssensor, mit dem nur der Abstand des Werkzeugs zu dem betreffenden Bauteil längs einer einzigen Achse ermittelt wird. Insbesondere kann eine CCD-Kamera den Sensor bilden. Für einen der Bilderfassung dienenden Sensor ist die Datenverarbeitungseinrichtung eine Bildverarbeitungseinrichtung.
Zum Schutz vor schädlichen Umgebungseinflüssen wie beispielsweise Schmutz und Feuchte ist vorzugsweise eine Schutzeinrichtung vorgesehen, die zwischen einem Schutzzustand, in dem sie den Sensor gegen die Umgebung abschirmt, und einem Freigabezustand, in dem sie den Sensor freigibt, umsteuerbar ist. Die Schutzeinrichtung kann insbesondere als beweglicher oder sonstwie veränderbarer Verschluss eines Gehäuses für den Sensor gebildet sein, um den Aufnahmebereich des Sensors abzuschirmen, wenn der Sensor nicht misst. Erfindungsgemäß steuert die Sensorsteuerung nicht nur die Aktivität des Sensors, sondern in Zweitfunktion auch die Schutzeinrichtung, zweckmäßigerweise synchronisiert mit der Aktivität des Sensors. Es ist grundsätzlich von Vorteil, wenn die Sensorsteuerung in Zusatzfunktion zur Steuerung der Aktivität des Sensors eine oder mehrere Zusatzeinrichtungen steuert, um die Aktorsteuerung von derartigen Zusatzfunktionen zu entlasten. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei den Zusatzeinrichtungen um solche, die eine Funktion unmittelbar für die Messung haben, wie beispielsweise die genannte Schutzeinrichtung. Ein weiteres Beispiel einer Zusatzeinrichtung ist eine Strahlungseinrichtung, die dazu dienen kann, das aufzunehmende Bauteil beispielsweise anzuleuchten, wenn die Helligkeit vor Ort für eine aussagekräftige Aufnahme nicht ausreicht. Die Strahlungseinrichtung kann anstatt einer solchen, eher nur unterstützenden Funktion auch eine primäre Messfunktion übernehmen. Zu denken ist hier beispielsweise an das Lichtschnittverfahren, bei dem ein oder mehrere Laser auf dem zu vermessenden Bauteil oder Bauteilverbund schmale Lichtstreifen erzeugen, aus denen die Lage von zwei Bauteilen entlang von Kanten relativ zueinander ermittelt werden kann. Auch für die Ausführung des Lichtschnittverfahrens kommt vorteilhafterweise als Messwertaufnehmer eine Kamera in Betracht, die die Laserstreifen als Bild aufnimmt, das anschließend mittels der Datenverarbeitungseinrichtung ausgewertet wird. Das Lichtschnittverfahren eignet sich insbesondere dazu, die Spaltgüte zwischen zwei zu fügenden Bauteilen zu ermitteln, um die betreffenden Bauteile mit hoher Spaltgüte miteinander zu fügen. Das Lichtschnittverfahren eignet sich beispielsweise für den Einbau von Fahrzeugtüren, Hauben oder Deckeln in eine Fahrzeugkarosserie, insbesondere im Automobilbau, oder von Anbauteilen in andere Strukturen des Fahrzeugs. Mit dem Lichtschnittverfahren können insbesondere die Spaltbreite und die Fallung zwischen zwei einen Spalt zwischen sich bildenden Bauteilkanten ermittelt werden.
In Ausführungen, in denen der Sensor mit diffusem Licht auskommt, umfasst die Strahlungseinrichtung vorzugsweise mehrere Leuchtdioden, die vorteilhafterweise um eine Öffnung des genannten Gehäuses verteilt angeordnet sind. Um in der Umgebung der Vorrichtung arbeitendes Personal nicht zu blenden, strahlt die Strahlungseinrichtung vorzugsweise mit IR-Licht oder Rotlicht. Eine Strahlungseinrichtung, die weißes Licht abstrahlt, wird nicht zuletzt im Hinblick auf den günstigen Preis in alternativen Ausführungen bevorzugt. Denkbar ist auch der Einsatz einer UV-Strahlungseinrichtung. Eine bevorzugt verwendete Kamera oder ein sonstiger optischer Sensor kann mit einem passenden Filter für das Licht der Strahlungseinrichtung ausgestattet sein.
Die Strahlungseinrichtung ist am Gehäuse vorzugsweise leicht austauschbar befestigt, um in Anpassung an die jeweilige Messaufgabe den Sensor mit unterschiedlichen Strahlungseinrichtungen kombinieren zu können. Falls das Gehäuse im Aufnahmebereich des Sensors eine Öffnung und eine die Öffnung verschließende Schutzscheibe aufweist, kann die Strahlungseinrichtung vorteilhafterweise Bestandteil der Schutzscheibe sein, beispielsweise in die Schutzscheibe eingebettet oder auf der Schutzscheibe befestigt sein. In solch einer Ausbildung ist die Schutzscheibe vorteilhafterweise leicht austauschbar am Gehäuse des Sensors befestigt.
Die Strahlungseinrichtung ist vorzugsweise ein- und ausschaltbar. In Weiterbildungen ist sie bezüglich der Strahlungsintensität verstellbar. In diesem Fall übernimmt die Sensorsteuerung vorteilhafterweise auch die Einstellung der Strahlungsintensität.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise auch mit einer Anzeige ausgestattet, die anzeigt, ob die Signalverbindung zwischen dem Sensor und der Datenverarbeitungseinrichtung besteht und ordnungsgemäß funktioniert. Eine entsprechende Kontrolleinrichtung kann Bestandteil der Sensorsteuerung oder bevorzugter der Datenverarbeitungseinrichtung sein. Die Anzeige ist vorzugsweise bei dem Sensor, zweckmäßigerweise an dessen Gehäuse von außen gut sichtbar angeordnet. Die Anzeige sollte insbesondere vom Ort der Datenverarbeitungseinrichtung aus gut sichtbar angebracht sein. Die Anzeige ist vorteilhafterweise eine einfache Leuchte, beispielsweise eine LED und kann als solche Bestandteil der Strahlungseinrichtung oder vorzugsweise separat nur für die Anzeige des Status der Signalverbindung vorgesehen sein. Die Kontrolle der Signalverbindung wird von der Datenverarbeitungseinrichtung aus gesehen vorzugsweise hinter der Sensorsteuerung vorgenommen, d. h. zwischen der Sensorsteuerung und dem Aufnehmer des Sensors. Gleichzeitig kann mit der Kontrolle der Signalverbindung auch die weitere Kontrolle erfolgen, ob die Energieversorgung gewährleistet ist, indem die Anzeige ansonsten nicht anzeigt. Die Anzeige kann in einfachen Ausführungen auch nur anzeigen, ob die Energieversorgung für den Sensor funktioniert. In derartigen Ausführungen verbindet die Anzeige die Funktionen des Anzeigens und der Kontrolle in einem. In solch einer einfachen Ausgestaltung, aber auch in der Funktion als Anzeige des Status der Signalverbindung, wird die Energie für die Anzeige vorzugsweise zwischen der Sensorsteuerung und dem Aufnehmer des Sensors abgezweigt.
Vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden auch in den Unteransprüchen und deren Kombinationen beschrieben. In den Unteransprüchen offenbarte Merkmale und die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen können einander wechselseitig ergänzend kombiniert werden. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die Erfindung nach Anspruch 1 zwar mit den Merkmalen f) und g) darauf abzielt, dass eine Datenverarbeitungseinrichtung für die Aufbereitung der Positionsdaten in Bezug auf die Aktorsteuerung extern angeordnet ist, dass es sich die Anmelderin jedoch vorbehält, auf eine Vorrichtung nur mit den Merkmalen a) bis d) von Anspruch 1, optional ergänzt um die bevorzugt externe Datenverarbeitungseinrichtung, eine Teilungsanmeldung zu richten, die die Integration von Zusatzfunktionen in die Sensorsteuerung betrifft, wie beispielsweise die Steuerung der Schutzeinrichtung oder der Strahlungseinrichtung. Sinngemäß das Gleiche gilt in Bezug auf konstruktive Merkmale der offenbarten Zusatzeinrichtungen, beispielsweise die Haubenform der Schutzeinrichtung oder die Integration einer Beleuchtungseinrichtung in eine Schutzscheibe. Vorteilhaft ist des Weiteren die Kommunikation per Lichtwellenleiter und auch die Anordnung eines optoelektronischen Wandlers auf der Kupplungshälfte des Sensors. Schließlich ist auch vorteilhaft die Integration eines Werkzeugs, insbesondere eines Schweiß- oder Nietkopfs, und des Sensors auf einem gemeinsamen Träger in einer unmittelbaren räumlichen Nähe zueinander oder die Montage des Sensors mittels Schnellwechselkupplung.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren erläutert. An dem Ausführungsbeispiel offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:
1 eine Werkzeug-Sensor-Einheit zum positionsgenauen Verbinden von Bauteilen in einer perspektivischen Sicht,
2 eine Sensoreinheit der Werkzeug-Sensor-Einheit in einer Seitenansicht,
3 die Sensoreinheit mit durchsichtiger Seitenwand,
4 eine Arbeitsstation und eine Steuerung der Werkzeug-Sensor-Einheit in schematischer Darstellung,
5 eine Kalibriereinrichtung,
6 eine Sensoreinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Sicht und
7 die Sensoreinheit des zweiten Ausführungsbeispiels mit montiertem Lichtschutz.
1 zeigt eine Werkzeug-Sensor-Einheit zum positionsgenauen Verbinden von Bauteilen, die ein Werkzeug 1, einen Sensor 10 und einen Träger 2 umfasst. Der Träger 2 dient der mechanischen Befestigung der Werkzeug-Sensor-Einheit auf einem im Raum beweglichen Aktor, vorzugsweise einem Roboterarm. Das Werkzeug 1 ist auf dem Träger 2 ortsfest und unbeweglich montiert. Der Sensor 10 ist in einem Gehäuse 20 aufgenommen, das ebenfalls ortsfest und unbeweglich auf dem Träger 2 angeordnet ist. Der Träger 2 und das Sensorgehäuse 20 sind mittels einer Kupplung lösbar miteinander verbunden. Die Kupplung ist für einen raschen Austausch des Sensors 10 als Schnellwechselkupplung gebildet. Die Kupplung umfasst eine erste Kupplungshälfte 4, die fest mit dem Träger 2 verbunden ist, und eine zweite Kupplungshälfte 5, die fest mit dem Gehäuse 20 verbunden ist. Die Kupplung 4, 5 ist als Linearführung, im Ausführungsbeispiel als Schwalbenschwanzführung, ausgeführt. Die Fixierung längs den beiden Führungen der ersten Kupplungshälfte 4 erfolgt mittels einer einzigen Schraubverbindung oder für einen noch rascheren Austausch mittels einer lösbaren Rastverbindung.
Die erste Kupplungshälfte 4 ist längs in zwei Kupplungsteile 4a und 4b geteilt. Die Kupplungsteile 4a und 4b bilden je eine der zwei Führungen der ersten Kupplungshälfte 4. Sie sind quer zu der Führungsrichtung elastisch aufeinander zu gespannt und entsprechend gegen die elastische Rückstellkraft voneinander weg bewegbar, so dass die erste Kupplungshälfte 4 in ihrer Führungsebene quer zu ihrer Führungsrichtung aufweitbar ist. Das Kupplungsteil 4b ist mit dem Träger 2 nicht beweglich verbunden. Das Kupplungsteil 4a ist mit dem Kupplungsteil 4b quer zu der Führungsrichtung beweglich verbunden. Die Querbewegbarkeit erleichtert das Einsetzen der zweiten Kupplungshälfte 5 in Richtung einer Achse senkrecht auf die Führungsebene, indem die Kupplungshälfte 5 unter die Führung des beweglichen Kupplungsteils 4a geneigt zu der Führungsebene eingeführt wird, die Kupplungsteile 4a und 4b durch Druck gegen das Kupplungsteil 4a auseinander bewegt und anschließend die Kupplungshälfte 5 auf die Führungsebene gekippt wird. Sobald der Druck auf das bewegliche Kupplungsteil 4a nachlässt, schnappen die Kupplungsteile 4a und 4b unter der elastischen Rückstellkraft wieder aufeinander zu und fassen die Kupplungshälfte 5 an beiden Führungsseiten ein. Falls die elastische Spannkraft einen ausreichend festen Sitz noch nicht gewährleistet, ist eine zusätzliche Einpunktverbindung vorgesehen, mittels der die Kupplungsteile 4a und 4b quer zur Führungsrichtung relativ zueinander, vorzugsweise aneinander, festgelegt werden.
Das Werkzeug 1 ist eine Schweißeinrichtung, mittels der an einem Referenzbauteil, beispielsweise einem Karosserieteil oder einer Rohkarosse eines Fahrzeugs, ein zweites Bauteil, beispielsweise eine Mutter oder ein Bolzen, mittels Schweißverbindung befestigbar ist. Einem vorderen Ende des Werkzeugs 1 werden derartige zweite Bauteile jeweils einzeln zugeführt, an dem vorderen Ende von dem Werkzeug 1 gehalten, das hinsichtlich dieser Funktion gleichzeitig auch als Halteeinrichtung dient, und nach genauer Positionierung relativ zum ersten Bauteil an diesem angeschweißt. Alternativ wird das betreffende zweite Bauteil erst nach der exakten Positionierung des Werkzeugs 1 zum vorderen Ende des Werkzeugs gefördert. Handelt es sich bei den zweiten Bauteilen beispielsweise um Mutter, werden diese positionsgenau jeweils auf ein Loch des ersten Bauteils aufgesetzt und festgeschweißt.
Der mit der Werkzeug-Sensor-Einheit bestückte Aktor kann insbesondere in einer Arbeitsstation an einer Fertigungslinie angeordnet sein, längs der die Referenzbauteile eines nach dem anderen in die Arbeitsstation und nach dem Fügen aus der Arbeitsstation gefördert werden. In bevorzugten Verwendungen handelt es sich um eine Fertigungslinie für die Serienfertigung von Automobilkarossen.
Das erste Bauteil ruht bevorzugt während das Werkzeug 1 positioniert wird. In einer Weiterbildung wäre es jedoch auch möglich, dass der Aktor mittels der Aktorregelung einem sich bei dem Positionieren und gegebenenfalls auch bei dem Verbinden bewegenden ersten Bauteil nachgeführt wird.
2 zeigt die Werkzeug-Sensor-Einheit in einer weiteren Sicht auf das Gehäuse 20. In 2 ist auch ein Positionierstift 3 erkennbar, der an einer von dem Werkzeug 1 und dem Sensor 10 abgewandten Unterseite von dem Träger 2 abragt und Teil einer Verbindungseinrichtung ist, mittels der der Träger 2 an dem Aktor befestigt wird.
Das Gehäuse 20 schützt den Sensor 10 vor widrigen Einflüssen der Umgebung, wie beispielsweise Wasser, Wasserdampf, Staub und sonstigem Schmutz. Insbesondere schirmt es den Sensor 10 aber auch vom Schweißprozess ab.
3 zeigt den mittels der Kupplung 4, 5 an dem Träger 2 montierbaren und von dem Träger 2 wieder lösbaren Teil der Werkzeug-Sensor-Einheit. Dieser Teil umfasst das Gehäuse 20 mit dem darin angeordneten Sensor 10 und die Kupplungshälfte 5. Die dem Betrachter zugewandte Seitenwand des Gehäuses 20 ist als durchsichtig dargestellt, so dass der Blick in den Innenraum des Gehäuses 20 frei ist. Die zum Träger 2 gehörende erste Kupplungshälfte 4 ist nur zwecks Darstellung des Kupplungseingriffs ebenfalls gezeigt, gehört aber nicht zur Sensoreinheit.
Der Sensor 10 dient der genauen Positionierung des Werkzeugs 1 relativ zum jeweiligen ersten Bauteil. Für diese Aufgabe ist der Sensor 10 als zweidimensional messender, optischer Sensor, im Ausführungsbeispiel als 2D-CCD-Kamera gebildet. Er besteht aus einem lichtempfindlichen Aufnehmer 11 und einem Objektiv 12. Der lichtempfindliche Aufnehmer 11 ist ein photosensitives, zweidimensionales Pixelarray. Der Sensor 10 ist einschließlich seines Objektivs 12 in dem Gehäuse 20 angeordnet. Der Aufnehmer 11 bildet eine Messfläche, im Ausführungsbeispiel eine Messebene, mit einer zu der Flächennormalen der Messebene parallelen Messrichtung M. Die Messrichtung M ist zu der Arbeitsrichtung des Werkzeugs 1 parallel. In den 2 und 3 ist die in Messrichtung M weisende, in Bezug auf den Aufnehmer 11 zentrale Messachse eingezeichnet.
Das Gehäuse 20 ist mit einer Öffnung 21 versehen, durch die der Sensor 10 das für die Messung erforderliche Licht aufnimmt. Eine lichtdurchlässige Schutzscheibe 22 überdeckt die Öffnung 21. Die Schutzscheibe 22 ist an der Außenseite des Gehäuses 20 lösbar befestigt und kann rasch ausgetauscht werden. Von der Öffnung 21 abgesehen, bildet das Gehäuse 20 ein geschlossenes Behältnis. Das Gehäuse 20 ist aus Leichtmetall gefertigt.
Während des Schweißens wird die Schutzscheibe 22 von einem Verschluss 26 vor Schweißspritzern, Funken und dergleichen geschützt. Der Verschluss 26 ist ein metallischer Klappverschluss. Der Verschluss 26 ist in den 2 und 3 dargestellt, in 3 jedoch abgenommen, um den Blick auf den Sensor freizugeben. Für die Erfassung des Referenzbauteils, worunter auch die Erfassung nur eines Teilbereichs des Referenzbauteils verstanden wird, wird der Verschluss 26 von der Öffnung 21 abgeklappt, so dass er die Öffnung 21 freigibt. Nach der Erfassung des Referenzbauteils wird der Verschluss 26 wieder gegen die Öffnung 21 geklappt und verschließt in einem Schutzzustand das Gehäuse 20 an dessen beim Fügen dem ersten Bauteil zugewandten Vorderseite. Der Verschluss 26 ist zwischen dem in 1 und 2 dargestellten Freigabezustand und dem Schutzzustand umsteuerbar, d. h. hin und her bewegbar gelagert.
Zusätzlich oder anstatt des Verschlusses 26 kann die Schutzscheibe 22 mit einem Cross-Jet beaufschlagt werden, d. h. einem mit hoher Geschwindigkeit über die äußere Oberfläche der Schutzscheibe 22 strömenden Gasstrom. Der Cross-Jet wirkt in der Art einer Schleuse und verhindert, dass kleinere Teile oder beim Schweißen erzeugte Funken gegen die Schutzscheibe 22 prallen können. Der Cross-Jet wird bevorzugt pneumatisch erzeugt, d. h. es handelt sich um einen Luftstrom. Eine zur Erzeugung auf dem Träger 2 angeordnete, vorzugsweise am Gehäuse 20 befestigte Düse ist in bevorzugten Ausführungen als Laval-Düse gebildet.
Der Sensor 10 und auch das Werkzeug 1 kommunizieren über eine Signalleitung 31 mit einer Aktorsteuerung, welche die Bewegungen des Aktors steuert. Der Aktorsteuerung wird in einem ersten Schritt als Führungsgröße die Sollposition des ersten Bauteils aufgegeben. Mittels des Sensors 10 werden die Istposition des Werkzeugs 1 und daraus ein Korrekturvektor ermittelt und der Aktorsteuerung als neue Führungsgröße aufgegeben. Nachdem der Aktor und damit gemeinsam die daran befestigte Werkzeug-Sensor-Einheit entsprechend dem Korrekturvektor näher zum Zielort bewegt worden ist, werden die Istposition und daraus ein neuer Korrekturvektor ermittelt, welcher der Aktorsteuerung wieder als neue Führungsgröße aufgegeben wird. Auf diese Weise wird die Positionierung des Aktors in diskreten Schritten sukzessive verbessert, bis der Zielort mit ausreichender Genauigkeit erreicht ist. Die Signalleitung 31 überträgt die vom Sensor 10 ermittelten Positionsdaten des Aktors und somit des Werkzeugs 1. Wenn das Werkzeug 1 im Hinblick auf den Ort der Verbindung, den Zielort, genau positioniert ist, wird das Werkzeug 1 aktiviert, so dass an dem Zielort ein zweites Bauteil, beispielsweise ein Bolzen oder eine Mutter, angeschweißt wird.
Die Signalleitung 31 ist ein Lichtwellenleiter und ist mittels eines Kabelverbinders 30, der vorzugsweise als Harting-Stecker gebildet ist, mit der Werkzeug-Sensor-Einheit verbunden.
Das Verbindungsgegenstück des Kabelverbinders 30 ragt von einem Kabelanschluss 25 ab, der an der von der Öffnung 21 abgewandten Rückseite des Gehäuses 20 angeordnet ist.
In dem Gehäuse 20 ist ein optoelektronischer Wandler 15 angeordnet. Der Wandler 15 wandelt die elektrischen Ausgangssignale des Sensors 10, d. h. die Positionsdaten, in optische Signale um, die anschließend über den Lichtwellenleiter 31 übertragen werden. Die Werkzeug-Sensor-Einheit wird über den Kabelverbinder 30 und eine davon abgehende Energieversorgungsleitung 32 mit elektrischer Energie versorgt. Es wird somit der gesamte Signal- und Energiefluss des Sensors 10 über den gleichen Kabelverbinder 30 geleitet. Die Steuersignale für das Werkzeug 1 und auch dessen Energie werden über eine andere Leitungsverbindung geführt, wodurch die Einbettung des Sensors 10 in das System aus Aktor und Werkzeug 1 erleichtert wird.
In dem Gehäuse 20 ist eine Sensorsteuerung 16 aufgenommen, welche die Aktivität des Sensors 10 steuert, wobei die Sensorsteuerung 16 im wesentlichen darin besteht, dass sie die von dem Aufnehmer 11 erhaltenen Signale als Positionsdaten in einem internen Bildspeicher oder einem Registerspeicher ablegt oder unmittelbar über den Wandler 15 weiterleitet. Die Sensorsteuerung 16 verfügt des Weiteren über einen Datenspeicher 17, in dem die Kalibrierdaten des Sensors 10 in Form von Sensorkorrekturwerten abgelegt sind. Der Datenspeicher 17 kann Bestandteil des Bildspeichers sein, falls ein solcher im Gehäuse 20 aufgenommen ist. Falls die Sensorsteuerung 16 bereits selbst über einen Bildspeicher verfügt, d. h. auf einen in dem Gehäuse 20 aufgenommenen Bildspeicher Zugriff hat, kann die Sensorsteuerung 16 die Positionsdaten bereits unter Berücksichtigung der im Datenspeicher 17 abgelegten Kalibrierdaten korrigieren und als korrigierte Positionsdaten im Bildspeicher ablegen. Die Positionsdaten, nämlich die aufgenommenen Positionsdaten oder bereits korrigierten Positionsdaten, werden über den optoelektronischen Wandler 15 und den Lichtwellenleiter 31 an eine Datenverarbeitungseinrichtung weitergeleitet und dort ausgewertet und für die Aktorsteuerung aufbereitet.
Über die Aktivität des Sensors 10 hinaus steuert die Sensorsteuerung 16 auch noch eine Beleuchtungseinrichtung 23 und den Verschluss 26. Die Beleuchtungseinrichtung 23 umfasst eine Mehrzahl von Leuchtdioden, die um die Öffnung 21 gleichmäßig verteilt angeordnet und in der Schutzscheibe 22 eingebettet sind. Die Beleuchtungseinrichtung 23 ist lediglich ein- und ausschaltbar. Entsprechend schaltet die Sensorsteuerung 16 die Beleuchtungseinrichtung 23 ein, wenn der Zielort erfasst werden soll, und schaltet sie nach der Erfassung wieder aus. Synchron steuert sie den Verschluss 26 zwischen dem Schutzzustand und dem Freigabezustand um. Für das Umsteuern des Verschlusses 26 ist in einem separaten Aufnahmefach des Gehäuses 20 ein Stellglied 27 angeordnet, das im Ausführungsbeispiel als elektrischer Schrittmotor ausgeführt ist. Das Stellglied 27 schwenkt den Verschluss 26 über ein Getriebe 28, das im Ausführungsbeispiel als Kurbel gebildet ist.
Der Verschluss 26 ist so geformt, dass er den Aufnehmer 11 des Sensors 10 auch im Freigabezustand an drei Seiten gegen die Umgebung abschirmt, auch an der dem Werkzeug 1 zugewandten Seite, indem der Verschluss 26 dort eine Trennwand bildet. Um die Schutzfunktion auch im Freigabezustand zu erfüllen, ist der Verschluss 26 als Haube geformt, die einen in Messrichtung M erstreckten Messkanal bildet mit Wandungen, die den Messkanal an drei zueinander rechtwinkligen Seiten umgeben. An der verbleibenden vierten Seite ist der Messkanal allerdings offen. Auf diese Weise können Schmutzpartikel und beispielsweise auch Schweißspritzer nur dann in die Nähe des Sensors 10 gelangen, wenn sie sich in Längsrichtung des Messkanals bewegen oder durch die offene Seite eintreffen. Der haubenartige Verschluss 26 besteht aus zwei Seitenwänden, die zu den Seitenwänden des Gehäuses 20 parallel und an die Seitenwände des Gehäuses 20 eng angelegt sind, und einer verbindenden Abdeckwand, die in der Freigabestellung parallel zu einer von dem Aktor abgewandten Oberseite des Gehäuses 20 weist. Die beiden Seitenwände des Verschlusses 26 sind zueinander parallel und die Abdeckwand weist zu diesen Seitenwänden im rechten Winkel. Die drei Wände sind jeweils plan. Wenn der Verschluss 26 in die Schutzstellung geschwenkt wird, schwenkt seine Abdeckwand vor die Öffnung 21, und die beiden Seitenwände schwenken in eine weitgehende Überdeckung mit den Seitenwänden des Gehäuses 20. Die Schwenkachse erstreckt sich quer zu der Messrichtung M, im Ausführungsbeispiel parallel zu der die Öffnung 21 überdeckenden Abdeckwand, und durch einen in der Freigabestellung in Überdeckung mit dem Gehäuse 20 befindlichen hintersten Bereich der Seitenwände des Verschlusses 26.
Da das Getriebe 28 für die Beweglichkeit des Verschlusses 26 das Gehäuse 20 durchgreift, ist der Innenraum des Gehäuses 20, in dem insbesondere der Sensor 10 und die Sensorsteuerung 16 mit dem Datenspeicher 17 und ferner auch der Wandler 15 angeordnet sind, nochmals besonders gekapselt. Die Kapselung wird mit einer Dichtung 24 hergestellt, welche die genannten Komponenten wasser- und staubdicht und vorzugsweise auch gegen Wasserdampf abdichtet. Die Dichtung 24 umgibt auch die Öffnung 21. Die Schutzscheibe 22 ist am Gehäuse 20 so befestigt, dass sie sich an die Dichtung 24 presst und für die Öffnung 21 ein lichtdurchlässiger, aber ansonsten dichter Schutz erhalten wird. Das Stellglied 27 und das Getriebe 28 befinden sich außerhalb der so erhaltenen Kapselung. Die Dichtung 24 dichtet den Innenraum des Gehäuses 20 auch gegen den am Gehäuse 20 befestigten Kabelanschluss 25 ab.
4 zeigt eine Arbeitsstation zum Fügen von Bauteilen. Das skizzierte Automobil steht stellvertretend für ein Referenzbauteil 13, beispielsweise eine Rohkarosse eines Automobils, an dem in der Arbeitsstation ein oder mehrere zweite Bauteile, beispielsweise Bolzen oder Mutter, positioniert und angeschweißt werden. Als ortsfestes Referenzsystem und Messkoordinatensystem der Arbeitsstation dient das im Fahrzeugbau übliche kartesische X,Y,Z-Koordinatensystem mit der gegen die Fahrtrichtung des Fahrzeugs weisenden X-Achse, der Z-Hochachse und der in Fahrzeugachsrichtung weisenden Y-Achse. In der Arbeitsstation ist ein Roboter ortsfest angeordnet. Der Roboter weist einen einzigen Roboterarm auf, dessen freies Ende den Aktor 6 bildet. Der Aktor 6 ist über Schwenkarme und Schubstangen dreh- und schubbeweglich mit der ortsfesten Basis des Roboters verbunden und relativ zu dieser und dem X,Y,Z-Referenzsystem sowohl nach den drei Freiheitsgraden der Translation als auch nach den drei Freiheitsgraden der Rotation beweglich. In dem so genannten Tool Center Point TCP des Aktors 6 ist das zum Aktor 6 feste X',Y',Z'-Koordinatensystem des Roboters lokalisiert. Die losgelöst dargestellte Werkzeug-Sensor-Einheit ist mittels ihres Trägers 2 an dem Aktor 6 befestigt, so dass dessen X',Y',Z'-System gleichzeitig auch das feste Koordinatensystem der Werkzeug-Sensor-Einheit ist.
4 zeigt schematisch die Aktorsteuerung 7 und die ebenfalls bereits genannte Datenverarbeitungseinrichtung 8, die von der Aktorsteuerung 7 und auch von der Werkzeug-Sensor-Einheit abgerückt und vorzugsweise in der Arbeitsstation ortsfest angeordnet ist. Die Aktorsteuerung 7 ist in oder an der Basis des Roboters angeordnet, wo auch die Datenverarbeitungseinrichtung 8 angeordnet sein kann.
4 zeigt ferner den Signalfluss für die Positionierung des Aktors 6 und der mitbewegten Werkzeug-Sensor-Einheit und die Aktivierung des Werkzeugs 1. Die Aktorsteuerung 7 und die Datenverarbeitungseinrichtung 8 sind über einen elektronischen Datenbus 33 miteinander verbunden. Bei dem Datenbus 33 handelt es sich um einen Standard-Datenbus wie beispielsweise den in Industrieanwendungen üblichen Feldbus. Die Werkzeug-Sensor-Einheit und die Datenverarbeitungseinrichtung 8 sind über die bereits beschriebene optische Signalleitung 31 signaltechnisch miteinander verbunden. Die Datenverarbeitungseinrichtung 8 ist für diese Kommunikation mit einem optoelektronischen Wandler 14 ausgestattet. Der gesamte Signalfluss zwischen der Aktorsteuerung 7 und dem Sensor 10 läuft über die Datenverarbeitungseinrichtung 8. Mit dem Werkzeug 1 ist die Aktorsteuerung 7 hingegen direkt verbunden, insbesondere ohne Zwischenschaltung der Datenverarbeitungseinrichtung 8, die somit ausschließlich für den Sensor 10 vorgesehen ist. Die Aktorsteuerung 7 verfügt über Anschlüsse für externe Geräte. An einen dieser Anschlüsse ist die Datenverarbeitungseinrichtung 8 über den Datenbus 33 angeschlossen. Über einen weiteren der Anschlüsse ist das Werkzeug 1 angeschlossen. Über einen dritten Anschluss werden die Stellglieder des Roboters, beispielsweise Elektromotoren, mit Steuersignalen A gesteuert, wobei dieses Steuern zweckmäßigerweise auch ein Regeln der Stellglieder beinhaltet. Über noch einen Anschluss ist die Aktorsteuerung 7 mit einer übergeordneten Stations- oder Anlagensteuerung 9 verbunden, die den Roboter mit weiteren Robotern oder anderen Einrichtungen der gleichen Arbeitsstation oder mehrere Arbeitsstationen der Fertigungslinie miteinander koordiniert.
In 4 nimmt der Aktor 6 relativ zu dem Bauteil 13 eine Ausgangsposition ein. Das Bauteil 1 ist in dem X,Y,Z-Referenzsystem der Arbeitsstation positioniert und bereit für die Durchführung des Fügeprozesses. Der Aktorsteuerung 7 ist die Bauteil-Sollposition, in der das Bauteil 1 sich im Idealfall befindet, bekannt, d. h. vorgegeben. Die Stations- oder Anlagensteuerung 9 übermittelt der Aktorsteuerung 7 ein Startsignal, nach dessen Erhalt die Aktorsteuerung 7 mittels Steuersignalen A die Bewegung des Aktors 6 in Richtung auf die Sollposition unmittelbar oder zuvor einen Messvorgang initiiert. Auf jeden Fall wird die Istposition, die der Aktor 6 relativ zu dem Bauteil 13 einnimmt, vor Erreichen der vorgegebenen Sollposition durch Messung ermittelt. Dies ist angesichts der an die Genauigkeit der Positionierung des zweiten Bauteils oder der mehreren zweiten Bauteile gestellten Anforderungen erforderlich, da zum einen nicht gewährleistet ist, dass das Referenzbauteil 13 die vorgegebene Sollposition auch tatsächlich einnimmt, und zum anderen die Toleranzen und Elastizitäten der beweglichen Elemente des Roboters für Ungenauigkeiten in der Position des Aktors 6 sorgen. Bei dem Referenzbauteil 13 ist es möglich, dass es im Ganzen nicht die Sollposition einnimmt oder aufgrund von Formungsungenauigkeiten oder nachträglichem Verzug ein Zielort am Bauteil 13 sich nicht in der Sollposition befindet.
Nach Erhalt des Steuersignals von der Stations- oder Anlagensteuerung 9 erzeugt die Aktorsteuerung 7 ein Messkommando S, um den Sensor 10 zu aktivieren. Das Messkommando S wird über den Datenbus 33 und die Datenverarbeitungseinrichtung 8, nämlich deren Wandler 14, in die Signalleitung 31 eingespeist und gelangt als optisches Messkommando S zum sensornahen Wandler 15, der das Messkommando S wieder in ein elektronisches Signal umwandelt, das die Sensorsteuerung 16 erhält. Die Sensorsteuerung 16 steuert das Stellglied 27 des Verschlusses 26 an, woraufhin der Verschluss 26 in die Freigabestellung bewegt wird. Sollten die Lichtverhältnisse vor Ort es erfordern, steuert die Sensorsteuerung 16 des weiteren auch die Beleuchtungseinrichtung 23 an, um den Zielort auszuleuchten. Das vom Zielort reflektierte Licht tritt durch die Öffnnung 21 und wird über das Objektiv 12 auf den Aufnehmer 11 geleitet, wo es photoelektrisch ein zweidimensionales Abbild des Zielorts erzeugt. Die Pixelladungen des Aufnehmers 11 werden in dem im Gehäuse 20 angeordneten Bildspeicher oder dort nur vorhandenen Registerspeichern zwischengespeichert. Sobald die Sensorsteuerung 16 erkannt hat, dass die vollständige Bildinformation aufgenommen worden ist, schaltet sie die Beleuchtungseinrichtung 23 ab, falls diese aktiviert wurde, und steuert das Stellglied 27 um, so dass der Verschluss 26 wieder in die Schutzposition bewegt wird. Die Positionsdaten P werden über die beiden Wandler 14 und 15 und die Signalleitung 31 zu der Datenverarbeitungseinrichtung 8 übertragen.
Die Sensorsteuerung 16 kann mit der Fähigkeit ausgestattet sein, aus den aufgenommenen Positionsdaten und den gespeicherten Kalibrierdaten korrigierte Positionsdaten zu berechnen. In einer bevorzugten Alternative verfügt jedoch nicht die Sensorsteuerung 16 über die Fähigkeit, vielmehr korrigiert erst die Datenverarbeitungseinrichtung 8 die aufgenommenen Positionsdaten P. Denkbar ist beispielsweise, dass pro Messung bzw. Aufnahme jeweils die aufgenommenen Positionsdaten P und die beim Sensor 10 gespeicherten Kalibrierdaten zu der Datenverarbeitungseinrichtung 8 übertragen und dort miteinander verrechnet werden. Bevorzugter werden die beim Sensor 10 gespeicherten Kalibrierdaten jedoch nur einmalig bei der Montage des Sensors 10 aus dessen Datenspeicher 17 ausgelesen und in einen Datenspeicher der Datenverarbeitungseinrichtung 8 übertragen, wo sie für die weitere Verrechnung zur Verfügung stehen.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 8 verfügt über einen Datenspeicher, in dem mit den Positionsdaten P korrespondierende Solldaten gespeichert sind, die das Bild repräsentieren, das der Sensor 10 aufnimmt, wenn der Aktor 6 relativ zu dem Referenzbauteil 13 die Sollposition einnimmt. Die Solldaten spezifizieren somit das Sollbild. Die Datenverarbeitungseinrichtung 8 verfügt über eine Vergleichseinrichtung, die die Positionsdaten P nach Erhalt automatisch mit den Solldaten vergleicht und anhand des Vergleichs die Istposition errechnet, die der Aktor 6 im Zeitpunkt der Messung relativ zu dem Bauteil 13 einnimmt. Aus dem Unterschied zwischen Soll und Ist errechnet die Datenverarbeitungseinrichtung 8 vorzugsweise unmittelbar einen Korrekturvektor K, der aus insgesamt sechs Koordinatenwerten besteht, nämlich drei Translationkoordinaten und drei Winkelkoordinaten, um die der Aktor 6 aus seiner momentanen Istposition weiterbewegt werden muss, um relativ zu dem Referenzbauteil 13 die Sollposition zu erreichen. Die Aktorsteuerung 7 erhält von der Datenverarbeitungseinrichtung 8 den Korrekturvektor K über den Datenbus 33. Der Korrekturvektor K wird zweckmäßigerweise in dem X',Y',Z'-Koordinatensystem des Aktors 6 angegeben. Die Aktorsteuerung 7 steuert die Stellglieder des Roboters so, dass der Aktor 6 um den Korrekturvektor K weiterbewegt wird. Zweckmäßigerweise wird der Aktor 6 nicht um den gesamten Korrekturvektor K weiterbewegt, sondern nur um einen Teil des Korrekturvektors K. Bevorzugter ist die Datenverarbeitungseinrichtung 8 in einer alternativen Ausführung so eingerichtet, dass sie der Aktorsteuerung 7 nur einen hinsichtlich zumindest des translatorischen Anteils verkürzten Korrekturvektor K übermittelt, den die Aktorsteuerung 7 dann vollständig ausführt. Nach Ausführung der dem Korrekturvektor K oder einem Teil des Korrekturvektors K entsprechenden Bewegung übermittelt die Aktorsteuerung 7 erneut ein Messkommando S, das über die Wandler 14 und 15 zur Sensorsteuerung 16 gelangt, die daraufhin erneut einen Messvorgang initiiert. Der erneute Messvorgang und die weitere Datenverarbeitung und Steuerungsvorgänge entsprechen dem beschriebenen Zyklus.
Bei jedem Messvorgang errechnet die Datenverarbeitungseinrichtung 8 nicht nur den Korrekturvektor K des jeweiligen Messvorgangs, sondern ermittelt auch anhand eines Gütekriteriums, ob die zum Zeitpunkt der letzten Messung vom Aktor 6 eingenommene Istposition mit ausreichender Genauigkeit der auf den tatsächlichen Ort und Zustand des Bauteils 13 bezogenen Sollposition entspricht. Als Gütekriterium kann insbesondere ein quadratisches Abstandsmaß dienen, beispielsweise die Länge des translatorischen Anteils des Korrekturvektors K und ein entsprechendes Maß für die Winkelposition. Wenn die Datenverarbeitungseinrichtung 8 feststellt, dass das Gütekriterium nicht erfüllt ist, erzeugt sie einen neuen Korrekturvektor K, den die Aktorsteuerung 7 abarbeitet. Falls das Gütekriterium erfüllt ist, sendet sie der Aktorsteuerung 7 ein entsprechendes Ausgangssignal.
Wenn die Aktorsteuerung 7 von der Datenverarbeitungseinrichtung 8 die Information erhält, dass der Aktor 6 bereits mit vorgegebener Genauigkeit zum Bauteil 1 positioniert ist oder in einer alternativen Ausführung die Überprüfung des Gütekriteriums von der Aktorsteuerung 7 durchgeführt wird und diese die Erfüllung des Gütekriteriums festgestellt hat, erzeugt die Aktorsteuerung 7 ein Steuersignal T, wodurch das Werkzeug 1 aktiviert wird. Die als Werkzeug 1 beispielhaft gewählte Schweißeinrichtung drückt einen Bolzen oder eine Mutter am Zielort gegen das Bauteil 13 und schweißt dieses zweite Bauteil am Zielort an. Anschließend übermittelt die Aktorsteuerung 7 den Stellgliedern des Roboters Steuersignale A, so dass der Aktor 6 wieder in die Ausgangsposition bewegt wird. Falls mit dem Bauteil 13 ein weiteres zweiten Bauteil gefügt werden muss, kann der Aktor 6 auch unmittelbar in eine neue Sollposition oder eine von der Ausgangsposition abweichende, beispielsweise näher beim Bauteil 13 gelegene Zwischenposition bewegt werden, aus der heraus die neue Sollposition wie beschrieben angesteuert wird.
Der Sensor 10 bildet mit der Sensorsteuerung 16, den Zusatzeinrichtungen 23 und 26 und dem Wandler 15 eine Sensoreinheit. Sollte eine der auf dem Träger 2 angeordneten Komponenten der Sensoreinheit defekt sein, wird die Sensoreinheit im Ganzen ausgetauscht.
Für den Austausch müssen lediglich die beiden Schnittstellen, nämlich die Kupplung 4, 5 und der Kabelverbinder 30 gelöst werden. Die bereits vorkalibrierte, neue Sensoreinheit wird mittels der Kupplung 4, 5 auf dem Träger 2 montiert und mittels des Kabelverbinders 30 wieder an die Datenverarbeitungseinrichtung 8 angeschlossen.
Vor der Montage wird die neue Sensoreinheit wie bereits erwähnt vorkalibriert. Im Rahmen der Vorkalibrierung wird der Sensor 10 bezüglich seiner Ausrichtung relativ zu der zweiten Kupplungshälfte 5 vermessen. Ein durch die Vermessung festgestellter Positionsfehler zwischen Sensor 10 und Kupplungshälfte 5 wird korrigiert. Die Korrektur besteht in einem mechanischen Positionieren des neuen Sensors 10 relativ zu der zweiten Kupplungshälfte 5, indem die Messachse des neuen Sensors 10 mit der Messachse der zweiten Kupplungshälfte 5 in die Flucht gebracht wird. Der neue Sensor 10 wird in Bezug auf seine Messachse mechanisch zentriert und ausgerichtet. Bei dem Sensor 10 des Ausführungsbeispiels weist die Messachse des Sensors 10 senkrecht zu und zentral durch die Messfläche des Aufnehmers 11, die Ebene des Pixelarrays. Die Messachse der zweiten Kupplungshälfte 5 ist parallel zu der Arbeitsrichtung des Werkzeugs 1 und verläuft zentral durch die Öffnung 21 des Gehäuses 20.
Der mechanisch in Bezug auf Ort und Ausrichtung auf der Kupplungshälfte positionierte Sensor 10 wird anschließend in sich vermessen, indem ein Kalibrierfeld mit Marken vorgegebener Position aus mehreren unterschiedlichen, aber vorgegebenen Entfernungen bei stets gleicher Winkelstellung des Sensors 10 zum Kalibrierfeld aufgenommen und die Aufnahmen mittels Bildverarbeitung ausgewertet werden. Bei dem Kalibrierfeld handelt es sich vorzugsweise um eine Kalibrierschablone in Form eines vorgegebenen Rasterfelds aus Farbpunkten, Löchern oder Leuchtpunkten, die beispielsweise je von einer LED gebildet werden oder einer Kombination derartiger Marken. Durch Vergleich der aufgenommenen Bilddaten mit den bekannten Bilddaten des Kalibrierfelds werden die Bildfehler des Sensors 10 errechnet. Die Bildfehler und möglicherweise nach der mechanischen Positionierung noch vorhandene Positionsfehler oder vorzugsweise ein daraus errechneter Korrekturwert oder mehrere Korrekturwerte wird oder werden als Kalibrierdaten der Vorkalibrierung in dem sensoreigenen Datenspeicher 17 abgelegt. Durch den zweiten Kalibrierschritt werden bei dem Sensor 10 des Ausführungsbeispiels insbesondere Fertigungsungenauigkeiten des Aufnehmers 11 und des Objektivs 12 ausgeglichen. Die Sensoreinheit gelangt auf diese Weise vorkalibriert zum Anwender, entweder als Austauscheinheit zum Ersatz einer beschädigten Sensoreinheit oder für einen ersten Zusammenbau einer neuen Werkzeug-Sensor-Einheit. Alternativ kann der Anwender auch erst die gesamte Werkzeug-Sensor-Einheit nach deren Zusammenbau erhalten.
Die Sensoreinheit mit dem bereits zur zweiten Kupplungshälfte 5 und in sich kalibrierten Sensor 10 wird anschließend auf dem Träger 2 montiert und mittels Kabelverbinder 30 angeschlossen. Die Kupplung 4, 5 ermöglicht eine einfache und rasche mechanische Montage auf dem Träger 2. Im montierten Zustand wird der Sensor 10 relativ zu dem Werkzeug 1 kalibriert. Die aus dieser Endkalibrierung gewonnenen Kalibrierdaten werden in einer ersten Variante ebenfalls im Datenspeicher 17 in Form von Korrekturwerten abgelegt. Alternativ können die Kalibrierdaten der Vorkalibrierung und die Kalibrierdaten der Endkalibrierung auch von der Sensorsteuerung 16 zu neuen Kalibrierdaten verarbeitet und zusätzlich gespeichert werden, oder es werden die Kalibrierdaten der Vorkalibrierung mit den neuen Kalibrierdaten überschrieben. In einer bevorzugten zweiten Variante werden die Kalibrierdaten der Endkalibrierung nicht in einem Datenspeicher des Sensors 10, d. h. einem auf der zweiten Kupplungshälfte 5 befindlichen Datenspeicher gespeichert, sondern in einem Datenspeicher der Datenverarbeitungseinrichtung 8. Im Rahmen der zweiten Variante wird es ferner bevorzugt, wenn die Datenverarbeitungseinrichtung 8 nach Montage der Sensoreinheit in einem ersten Schritt die Kalibrierdaten der Vorkalibrierung übernimmt und mit den Kalibrierdaten der Endkalibrierung verrechnet, um daraus einen einzigen Satz von Kalibrierdaten zu erzeugen, die im nachfolgenden Einsatz für die Korrektur sämtlicher Fertigungs- und Positionsungenauigkeiten des Sensors 10 verwendet werden. Die in diesem Fall von der Datenverarbeitungseinrichtung 8 erzeugten neuen Kalibrierdaten werden in einem Datenspeicher der Datenverarbeitungseinrichtung 8 als einheitlicher Datensatz für die Korrektur der im Einsatzbetrieb gewonnenen Positionsdaten verwendet.
Für die Endkalibrierung wird eine weitere Kalibriereinrichtung verwendet, die zwecks rascher Austauschbarkeit in der Arbeitsstation der Werkzeug-Sensor-Einheit vorgesehen sein sollte und dort vorzugsweise ortsfest angeordnet ist.
5 zeigt ein Beispiel einer Kalibriereinrichtung 35 für die Kalibrierung des montierten Sensors 10. Die Kalibriereinrichtung 35 umfasst ein Gestell 36 mit einem Kalibrierfeld aus mehreren, regelmäßig in Spalten und Zeilen angeordneten Marken 37 und 38. Eine der Marken unterscheidet sich von den anderen Marken 38 durch ihre Größe. Die betreffende Marke ist mit 37 bezeichnet und ist im Ausführungsbeispiel die zentrale Marke des aus den sonst gleichen Marken 38 gebildeten Rasterfelds. Als Gestell 36 wird beispielhaft eine plane Scheibe verwendet, und die Marken 37 und 38 sind beispielhaft als Bohrungen in der Scheibe gebildet. Die Marken 37 und 38 könnten alternativ auch als Farbpunkte oder Leuchtpunkte oder in einer anderen geeigneten Weise gebildet sein, sie müssen lediglich von dem Sensor 10 als voneinander unterscheidbare Marken erkennbar aufgenommen werden können.
Über die Marken 37 und 38 hinaus umfasst die Kalibriereinrichtung 35 ein Kontaktelement 39, das zu den Marken 37 und 38 ortsfest angeordnet ist. Das Kontaktelement 39 ragt stiftförmig von dem Gestell 36 vor.
Für die Endkalibrierung wird das Werkzeug 1 der am Aktor 6 befestigten Werkzeug-Sensor-Einheit mit seinem vorderen Ende, genauer gesagt die Ausstoßstelle für die zweiten Bauteile, gegen das freie vordere Ende des Kontaktelements 39 bewegt. Die Kalibriereinrichtung 35, d. h. deren Gestellt 36, ist in der Ebene des Rasterfelds der Marken 37 und 38 gegen elastische Rückstellkräfte schwimmend beweglich gelagert. Das Kontaktelement 39 ist der Form nach ferner an das Werkzeug 1 so angepasst, dass es sich mittels der schwimmenden Lagerung des Gestells 36 durch die Kontaktierung mit dem Werkzeug 1 zu diesem zentriert. Die Lagerung des Gestells 36 ist ferner auch senkrecht zu der Ebene der Marken 37 und 38 elastisch nachgiebig, so dass sich die Kalibriereinrichtung 35 über die Zentrierung hinaus durch die Kontaktierung auch noch rechtwinklig zu der Arbeitsrichtung des Werkzeugs 1 und somit zu der Messrichtung M des Sensors 10 ausrichtet. Unumgänglich erforderlich ist das rechtwinkelige Ausrichten jedoch nicht, da der Sensor 10 in sich bereits kalibriert ist und der Datenverarbeitungseinrichtung 8 die Positionen der Marken 37 und 38 relativ zueinander und insbesondere zu dem Kontaktelement 39 bekannt sind.
Für die Endkalibrierung genügt eine einzige Aufnahme des aus den Marken 37 und 38 bestehenden Rasterfelds. Die Datenverarbeitungseinrichtung 8 errechnet wie bereits beschrieben die Kalibrierdaten der Endkalibrierung und verrechnet diese vorzugsweise gleich mit den Kalibrierdaten der Vorkalibrierung zu den im Weiteren verwendeten Kalibrierdaten.
In einer vereinfachten Variante ist die Kalibriereinrichtung 35 nicht schwimmend beweglich und in der Arbeitsstation ortsfest angeordnet, obgleich diese Variante bevorzugt wird, sondern wird an einer optional an der Werkzeug-Sensor-Einheit gebildeten Verbindungsschnittstelle in vorgegebener Position relativ zu dem Werkzeug 1 befestigt, beispielsweise mittels einer Steckverbindung, um dann die Endkalibrierung in ansonsten gleicher Weise wie beschrieben durchzuführen.
Die 6 und 7 zeigen eine Sensoreinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Sensoreinheit umfasst einen Sensor 10, der wie der Sensor 10 des ersten Ausführungsbeispiel gebildet sein kann. Der Sensor 10 ist in einem Gehäuse 20 angeordnet, an dem wie im ersten Ausführungsbeispiel die Kupplungshälfte 5 befestigt oder angeformt ist. In den 6 und 7 ist auch die erste Kupplungshälfte 4 dargestellt, die allerdings wie im ersten Ausführungsbeispiel am Träger befestigt ist und der schnellen Montage der Sensoreinheit dient. Die Sensoreinheit des zweiten Ausführungbeispiels arbeitet nach dem Lichtschnittverfahren. In dem Gehäuse 20 ist nicht nur der Sensor 10 angeordnet, sondern auch ein Laser zum Aussenden eines Laserstrahls, der auf einer von dem Sensor 10 aufzunehmenden Messfläche einen langgestreckten, schmalen Lichtstreifen erzeugt. Vorzugsweise sind mehrere solche Laser vorgesehen. Die Sensoreinheit des zweiten Ausführungbeispiels eignet sich insbesondere für die Montage eines zweiten Bauteils an einem Referenzbauteil mit hoher Spaltgüte, beispielsweise einer Tür, Haube oder Klappe an einer Fahrzeugrohkarosse. Die Sensoreinheit des zweiten Ausführungsbeispiels ist vorteilhafterweise mittels der Kupplung 4, 5 an einem Träger befestigt, der eine Halteeinrichtung für das zweite Bauteil bildet, indem er für mehrere Greifer oder Spanner als gemeinsame Plattform dient. Die Strahlungsrichtung L des Lasers oder der mehreren, vorzugsweise parallel zueinander abstrahlenden Laser weist winkelig, d. h. schräg zu der Messrichtung M des Sensors 10.
Die Sensoreinheit ist über eine Signalleitung 31 und eine Versorgungsleitung 32 wie unter dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben mit einer Datenverarbeitungseinrichtung und der Energieversorgung verbunden. Zur Signalleitung 31 gilt das zum ersten Ausführungsbeispiel Gesagte und ebenso für die Datenverarbeitungseinrichtung, die im zweiten Ausführungsbeispiel allerdings entsprechend den Besonderheiten des Lichtschnittverfahrens arbeitet.
7 zeigt die Sensoreinheit des zweiten Ausführungsbeispiels aus einer anderen Sicht und mit einem montierten Lichtschutz 29, der trichterförmig geformt ist und sich in Messrichtung M öffnet. Der Lichtschutz 29 schirmt den Sensor 10 vor seitlich einfallendem Fremdlicht ab.

1: Werkzeug
2: Träger
3: Verbindungseinrichtung
4: erste Kupplungshälfte
4a: Kupplungsteil
4b: Kupplungsteil
5: zweite Kupplungshälfte
6: Aktor
7: Aktorsteuerung
8: Datenverarbeitungseinrichtung
9: Stations- oder Anlagensteuerung
10: Sensor
11: Aufnehmer
12: Objektiv
13: Referenzbauteil
14: Wandler
15: Wandler
16: Sensorsteuerung
17: Datenspeicher
18
19
20: Gehäuse
21: Öffnung
22: Schutzscheibe
23: Beleuchtungseinrichtung
24: Dichtung
25: Kabelanschluss
26: Verschluss
27: Stellglied
28: Getriebe
29: Lichtschutz
30: Kabelverbinder
31: Signalleitung
32: Energieversorgungsleitung
33: Datenbus
34
35: Kalibriereinrichtung
36: Gestell
37: Marke
38: Marke
39: Kontaktelement
A: Steuersignale Aktor
K: Korrekturvektor
M: Messrichtung
P: Positionsdaten
S: Steuersignal Sensor
T: Steuersignal Werkzeug

Claims

Vorrichtung zum Positionieren eines Werkzeugs, umfassend: a) einen im Raum beweglichen, relativ zu einem Referenzbauteil (13) in einer Sollposition positionierbaren Aktor (6), b) eine Aktorsteuerung (7) für die Steuerung der Bewegung des Aktors (6), c) ein an dem Aktor (6) befestigtes oder befestigbares Werkzeug (1) zum Fügen des Referenzbauteils (13) mit einem zweiten Bauteil oder zum Bearbeiten des Referenzbauteils, d) einen Sensor (10) zur Gewinnung der Positionsdaten (P), die die Position des Werkzeugs (1) relativ zu dem Referenzbauteil (13) beschreiben, e) eine Sensorsteuerung (16) für die Steuerung der Aktivitäten des Sensors (10), f) und eine externe Datenverarbeitungseinrichtung (8), die signaltechnisch mit dem Sensor (10) verbunden ist und die Positionsdaten (P) des Sensors (10) für die Aktorsteuerung (7) aufbereitet, g) wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (8) separat von der Aktorsteuerung (7) angeordnet und mit der Aktorsteuerung (7) per Kabel (33) oder leitungslos signaltechnisch verbunden ist, und h) die Sensorsteuerung (16) zusätzlich die Aktivitäten einer Strahlungseinrichtung (23) und/oder einer Schutzeinrichtung (26) für den Sensor (10) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass i) der Sensor (10) und die Sensorsteuerung (16) als Einheit von dem Aktor lösbar oder an dem Aktor (6) befestigbar sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Sensor (10) an dem Aktor (6) befestigt oder befestigbar und im befestigten Zustand einheitlich mit dem Werkzeug (1) bewegbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Werkzeug (1) und der Sensor (10) mittels eines Trägers (2) miteinander verbunden und über eine gemeinsame Verbindung als Einheit von dem Aktor (6) lösbar oder mit dem Aktor (6) verbindbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (10) mittels einer eigenen Kupplung (4, 5) mechanisch mit dem Werkzeug (1) und dem Aktor (6) verbindbar oder von dem Aktor (6) und dem Werkzeug (1) lösbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Sensor (10) und die Sensorsteuerung (16) in einem gemeinsamen Gehäuse (20) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aktorsteuerung (7) für eine Aktivierung des Sensors (10) signaltechnisch über die Datenverarbeitungseinrichtung (8) mit der Sensorsteuerung (16) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorsteuerung (16) mit einem Datenspeicher (17) für Kalibrierdaten des Sensors (10) ausgestattet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktor (6) relativ zu der Datenverarbeitungseinrichtung (8) beweglich ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aktorsteuerung (7) einen Anschluss, vorzugsweise Standardanschluss, aufweist, an den die Datenverarbeitungseinrichtung (8) per Kabel (33) oder leitungslos signaltechnisch angeschlossen oder anschließbar ist, vorzugsweise nur kraft- oder formschlüssig.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von der Aktorsteuerung (7) für die Aktivierung des Werkzeugs (1) ein erster Signalzweig zum Werkzeug (1) und für die Positionierung des Aktors (6) ein zweiter Signalzweig (31, 33) zum Sensor (10) abzweigen und wobei nur der zweite Signalzweig (31, 33) über die Datenverarbeitungseinrichtung (8) führt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (8) mit dem Sensor (10) signaltechnisch per Lichtwellenleiter (31) verbunden ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei für die Umwandlung elektronischer Ausgangssignale des Sensors (10) und optischer Steuersignale (S) für den Sensor (10) ein optoelektronischer Wandler (15) an dem Aktor (6) befestigt oder befestigbar, vorzugsweise gemeinsam mit dem Sensor (10) mittels einer Kupplung (4, 5) mit dem Werkzeug (1) und dem Aktor (6) verbindbar oder von dem Werkzeug (1) und dem Aktor (6) lösbar ist.
Vorrichtung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (8) einen optoelektronischen Wandler (14) für die Umwandlung elektronischer Steuersignale (S) für den Sensor (10) und auf optischem Wege (31) vom Sensor (10) erhaltener Signale (P) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (8) mit der Aktorsteuerung (7) signaltechnisch per Standard-Feldbus (33) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Roboterarm den Aktor (6) und eine Robotersteuerung die Aktorsteuerung (7) bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Standardcomputer die Datenverarbeitungseinrichtung (8) bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug (1) ein Fügewerkzeug, beispielsweise ein Klebe-, Löt-, Niet-, Schraub-, Rollfalz- oder Schweißwerkzeug, oder ein Zerspanwerkzeug zum Bearbeiten des ersten Referenzbauteils oder eine Halteeinrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (10) ein optischer, vorzugsweise wenigstens zweidimensional aufnehmender Sensor und die Datenverarbeitungseinrichtung (8) eine Bildverarbeitungseinrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (8) einen Datenspeicher für Solldaten aufweist, denen die Positionsdaten entsprechen, wenn der Aktor (6) relativ zu dem Referenzbauteil in der Sollposition positioniert ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (8) eine Vergleichseinrichtung für einen Vergleich der Positionsdaten mit den Solldaten und die Bildung eines Korrekturvektors (K) in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine an dem Aktor (6) befestigte oder befestigbare Strahlungseinrichtung (23) zum Ausstrahlen eines nach Reflexion von dem Sensor aufnehmbaren Signals ist, wobei die Strahlungseinrichtung (23) vorzugsweise mittels der Sensorsteuerung (16) steuerbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Strahlungseinrichtung eine Lasereinrichtung zur Abstrahlung wenigstens eines quer zur Abstrahlrichtung schlanken Laserstrahls oder eine vorzugsweise mit LEDs gebildete Beleuchtungseinrichtung (23) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Schutzeinrichtung (26), die zwischen einem Schutzzustand, in dem sie den Sensor (10) gegen die Umgebung abschirmt, und einem Freigabezustand, in dem sie den Sensor (10) freigibt, umsteuerbar ist, vorzugsweise mittels der Sensorsteuerung (16), vorzugsweise synchronisiert mit der Aktivität des Sensors (10).
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Sensor (10) in einem Gehäuse (20) angeordnet ist, das eine Öffnung (21) für den Sensor (10) und einen die Schutzeinrichtung (26) bildenden Verschluss aufweist, der zwischen dem Schutzzustand, in dem er die Öffnung (21) verschließt, und dem Freigabezustand, in dem er die Öffnung (21) freigibt, umsteuerbar ist.
Verfahren zum Positionieren und Aktivieren eines Werkzeugs mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei dem a) die Aktosteuerung (7) für die Aktivierung des Sensors (10) der Sensorsteuerung (16) ein Messkommando (S) sendet, und die Sensorsteuerung (16) auf das Messkommando (S) den Sensor (10) aktiviert, um den Aktor (6) relativ zu dem Referenzbauteil (13) in der Sollposition zu positionieren. b) der aktivierte Sensor (10) das Referenzbauteil (13) messtechnisch aufnimmt und aus der Aufnahme die Positionsdaten (P) gewinnt, c) die Datenverarbeitungseinrichtung (8) die Positionsdaten (P) mit Solldaten vergleicht und aus dem Vergleich einen Korrekturvektor (K) ermittelt, der einer Abweichung der Istposition des Aktors (6) von der Sollposition entspricht, d) der Korrekturvektor (K) der Aktorsteuerung (7) übermittelt wird, e) die Aktorsteuerung (7) den Aktor (6) in Abhängigkeit von dem Korrekturvektor (K) bewegt, f) die Schritte b) bis f) automatisch wiederholt werden bis die Datenverarbeitungseinrichtung (8) oder die Aktorsteuerung (7) feststellt, dass die Istposition der Sollposition soweit entspricht, dass ein vorgegebenes Gütekriterium erfüllt wird, g) die Aktorsteuerung (7) das Werkzeug (1) aktiviert, wenn das Gütekriterium erfüllt ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Sensorsteuerung (16) auf das Messkommando (S) eine die Messung unterstützende Zusatzeinrichtung (23, 26) in Synchronisation mit dem Sensor (10) aktiviert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Aktorsteuerung (7) den Sensor (10) über die Datenverarbeitungseinrichtung (8) aktiviert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Aktorsteuerung (7) das Werkzeug (1) unter Umgehung der Datenverarbeitungseinrichtung (8) aktiviert.