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Dokumentenidentifikation DE102007004186B4 19.03.2009
Titel Radmontage-Industrieroboter und Verfahren zum Betrieb eines Radmontage-Industrieroboters
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Köln, DE
Erfinder Lange, Friedrich, Dr., 82110 Germering, DE;
Riegel, Simon, 82110 Germering, DE
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Anmeldedatum 27.01.2007
DE-Aktenzeichen 102007004186
Offenlegungstag 31.07.2008
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.03.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.03.2009
IPC-Hauptklasse B25J 11/00  (2006.01)  A,  F,  I,  20070127,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse B25J 15/00  (2006.01)  A,  L,  I,  20070127,  B,  H,  DE
B62D 65/12  (2006.01)  A,  L,  I,  20070127,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Radmontage-Industrieroboter zur Montage eines Fahrzeugrades an einer fahrzeugseitigen Radaufhängung und auf ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Radmontage-Industrieroboters.

Radmontage-Industrieroboter dienen insbesondere in der Fahrzeug-Fertigung der maschinellen Montage eines Fahrzeug-Rades an einer fahrzeugseitigen Radaufhängung. Hierfür ist sowohl ein Radgreifer zum Ergreifen und Halten des Fahrzeug-Rades als auch ein Radschrauber zum Einschrauben der Radschrauben in die Radnabe erforderlich. Grundsätzlich können der Radschrauber und der Radgreifer jeweils einem eigenen Industrieroboter zugeordnet sein. Dies ist jedoch mit hohem technischem Aufwand verbunden, weshalb angestrebt wird, den Radschrauber zusammen mit dem Radgreifer an einer einzigen Endeffektor-Basis eines Industrieroboters anzuordnen.

Aus DE 10 2004 049 470 A1 und aus US 5,640,750 A sind Radmontage-Industrieroboter bekannt, bei denen der Radgreifer ein mechanisches Zentriermittel zum Ausrichten des Radgreifers mit der Radfelge aufweist. Eine mechanische Zentrierung im Bezug auf ein zentrales Felgenloch ist jedoch nicht immer erwünscht oder möglich.

Aus US 5,125,298 ist ein Radmontage-Industrieroboter bekannt, der den Radreifen des Fahrzeugrades symmetrisch von außen ergreift.

Der Radreifen des Fahrzeugrades weist in der Regel Unrundheiten bzw. Exzentrizität auf. Beim Ergreifen des Rades durch den Radgreifer außen an der Rad-Lauffläche ist daher nicht sichergestellt, dass die gemeinsame Werkzeugachse des Radgreifers und des Radschraubers genau fluchtet mit der Mittelachse der Radfelge. Dies wäre jedoch für ein exaktes Ansetzen der Radschrauben durch den Radschrauber notwendig.

Um eine Ausrichtung der Werkzeugachse des Radschraubers mit der Mittelachse der Radfelge herzustellen, kann der Radgreifer gegenüber dem Radschrauber an der Endeffektor-Basis in mehreren Achsen verschiebbar und steuerbar ausgebildet sein. Auch eine derartige Konstruktion erfordert jedoch einen hohen mechanischen Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, einen Radmontage-Industrieroboter bzw. ein Verfahren zu seinem Betrieb zu schaffen, mit dem ein Fahrzeugrad mit möglichst geringem technischen Aufwand an einer fahrzeugseitigen Aufhängung montiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 9.

Gemäß des Vorrichtungs-Anspruches 1 sind der Radgreifer und der Radschrauber beide basisfest an der Endeffektor-Basis befestigt, die ihrerseits von einem Manipulatorarm in fünf bis sechs Freiheitsgraden bewegt werden kann. Der Radgreifer und der Radschrauber sind über die Endeffektor-Basis starr miteinander verbunden.

Der Radgreifer weist zum Ergreifen des Rades zwei Greiferarme auf, an denen jeweils eine Greiferbacke befestigt ist, die die Lauffläche des Radreifens erfasst. Die Greiferarme werden durch einen Armantrieb symmetrisch zueinander bewegt, d. h. aufeinander zu bewegt oder voneinander weg bewegt. Diese Bewegung kann linear oder auf einer Kreisbahn erfolgen.

Die Greiferbacken sind ihrerseits jeweils voneinander unabhängig beweglich und arretierbar an dem jeweiligen Greiferarm fixiert. Gegenüber einem Radgreifer mit Greiferbacken, die starr an den Greiferarmen befestigt sind, ergibt sich durch die gegenüber den Greiferarmen bewegliche Anbringung der Greiferbacken ein weiterer Freiheitsgrad, durch den es möglich wird, das Fahrzeugrad, d. h. den Radreifen exzentrisch im Bezug auf die Werkzeugachse der Endeffektor-Basis zu ergreifen. Sobald der Fahrzeugreifen derart exzentrisch ergriffen wurde, dass die Mittelachse der Radfelge genau fluchtet mit der Werkzeugachse des Radschraubers bzw. der Endeffektor-Basis, werden die Greiferbacken in Bezug auf den jeweiligen Greiferarm arretiert und können die Greiferarme ggf. weiter in proximaler Richtung kontrahieren, um eine für den folgenden Rad-Transport, für das Heften sowie für das Fixieren des Rades an der Nabe erforderliche Greifkraft aufzubringen. Die Greiferbacken sind gegenüber den Greiferarmen jeweils zwischen einer Schließ- und einer Öffnungsposition nicht in ihrer Lage steuerbar oder regelbar, sondern nur in eine Öffnungsposition bzw. Schließposition bewegbar. Den Anschlag in Schließposition bildet ggf. der Radreifen, während der Anschlag in Öffnungsposition jeweils am betreffenden Greiferarm vorgesehen ist. Der Greiferbacken-Antrieb kann durch einfache Stellelemente erfolgen. Ferner kann auf die Greifbacken in Schließrichtung eine kleine Schließkraft aufgebracht werden, beispielsweise durch einfache Stellelemente oder Federelemente.

Die beiden an dem Greiferarm beweglich und arretierbar angeordneten Greiferbacken stellen jeweils mindestens einen zusätzlichen sperrbaren Freiheitsgrad in Greifrichtung dar, der durch den Verzicht auf eine Lagesteuerung oder -regelung auf einfache Weise technisch realisiert werden kann, also nicht mit hohem zusätzlichen Aufwand verbunden ist, wie er beispielsweise für einen angetriebenen und lagegeregelten zusätzlichen Freiheitsgrad erforderlich wäre. Die beiden Greiferbacken können sich unabhängig voneinander an den ggf. unsymmetrischen bzw. exzentrischen Radreifen anpassen, bevor der eigentliche Greifvorgang durch Kontraktion der Greiferarme erfolgt.

Gemäß dem nebengeordneten Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung gemäß Hauptanspruch 1 ist vorgesehen, zunächst die beiden Greiferarme gegenüber der Endeffektor-Basis und die beiden Greiferbacken gegenüber ihren Greiferarmen zu öffnen. Anschließend wird die Raumlage der Radfelge im Bezug auf die Endeffektor-Basis bzw. in Bezug auf die Werkzeugachse des Radgreifers ermittelt. Dies kann durch einen geeigneten Sensor erfolgen, der raumfest angeordnet sein kann, bevorzugt jedoch ebenfalls an der Endeffektor-Basis und besonders bevorzugt basisfest an der Endeffektor-Basis angeordnet ist. Der Felgenlage-Sensor ist bevorzugt als bildgebender Sensor ausgebildet, kann grundsätzlich jedoch auch anders ausgebildet sein, beispielsweise als tastender Sensor.

Nach dem Ermitteln der Raumlage der Radfelge wird die Endeffektor-Basis konzentrisch mit der Radfelge ausgerichtet, d. h. die Werkzeugachse des Radgreifers wird ausgerichtet mit der Mittelachse der Radfelge. Ferner kann die Endeffktor-Basis so um die Werkzeugachse geschwenkt werden, dass die Schrauberspindeln des Radschraubers mit den Radschrauben-Löchern in der Radfelge fluchten. Anschließend werden die Greiferbacken im Bezug auf die Greiferarme geschlossen, wobei die Greiferbacken auf die Lauffläche des Rad-Reifens auftreffen. Die Schließbewegung erfolgt bis zum Erreichen einer relativ niedrig festgelegten Schließkraft. Ggf. können vor dem Schließen der Greiferbacken auch die Greiferarme durch den Armantrieb bereits proximal aufeinander zu bewegt werden, bis beide Greiferbacken in Bezug auf die Greiferarme eine festgelegte Schließkraft erreicht haben.

Sobald beide Greiferbacken im Bezug auf die Greiferarme eine festgelegte, relativ niedrige Schließkraft erreicht haben, werden die Greiferbacken in dieser Schließposition in Bezug auf die Greiferarme arretiert.

Anschließend schließen die Greiferarme, so dass der Radreifen und damit das Fahrzeug-Rad fest ergriffen wird.

Die beiden Greiferbacken können sich auf diese Weise also unabhängig voneinander an einen unsymmetrischen Radreifen anpassen, bevor der eigentliche Greifvorgang durch proximale Kontraktion der beiden Greiferarme erfolgt. Die Greiferarme schließen also symmetrisch, wobei die Greiferbacken nicht symmetrisch zur Greifermitte stehen müssen.

Vorzugsweise treibt ein einziger Armantrieb die beiden Greiferarme symmetrisch an. Hierdurch wird der Aufwand für den Industrieroboter so gering wie möglich gehalten. Beispielsweise können die beiden Greiferarme auf einer einzigen Spindel angeordnet sein, die zwei zueinander gegenläufige Gewindezüge aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Arretierelemente zum Arretieren der Greiferbacken an dem Greiferarm als bidirektionale Fluidzylinder ausgebildet, insbesondere als Gaszylinder. Der Fluidzylinder kann grundsätzlich drei Zustände einnehmen. Im Öffnungs-Zustand steht der Zylinder so, dass die Greiferbacken zueinander jeweils den größtmöglichen Abstand einnehmen, also die Öffnungsweite das Maximum erreicht. Im Adduktor-Zustand wird der Fluidzylinder derart mit Fluid beaufschlagt, dass eine Schließbewegung der Greiferbacken mit einer Kraftbegrenzung erfolgt, d. h. sobald eine Greiferbacke auf einen mechanischen Wiederstand stößt, wird die Greiferbacke mit der betreffenden geringen Kraft gegen den Wiederstand bzw. die Rad-Lauffläche gedrückt. Der Wiederstand ist in jedem Fall erheblich geringer als die Kraft des Armantriebes, mit der die Greiferarme bewegt werden.

Der dritte Zustand ist der Arretier-Zustand, in dem beide Kammern des Fluidzylinders mit hohem Fluiddruck beaufschlagt sind, so dass die Greiferbacken mechanisch gesperrt sind. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass alle Fluidleitungen zu den beiden Kammern der Fluidzylinder gesperrt werden.

Zum Schalten der drei Fluidzylinder-Zustände sind einfache Schaltventile ausreichend. Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln eine zuverlässige Schaltung der drei Fluidzylinder-Zustände realisiert werden. Zur Generierung der entsprechenden Fluiddrücke ist ferner ein Kompressor vorzusehen.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

1: eine Gesamtdarstellung eines Radmontage-Industrieroboters,

2: ein distales Ende eines Manipulatorarmes und einer Endeffektor-Basis mit einem Radgreifer und einem Radschrauber des Radmontage-Industrieroboters der 1,

3: einen Radgreifer, einen Radschrauber und eine Kamera, die alle auf der Endeffektor-Basis montiert sind,

4: der Radgreifer der 3 beim zentrischen Ergreifen eines idealen Fahrzeugrades,

5: der Radgreifer der 1 bis 3 beim zentrischen Ergreifen eines Fahrzeugrades mit nach oben verschobener Radfelge,

6: den Radgreifer der 1 bis 3 beim zentrischen Ergreifern eines Fahrzeugrades mit nach rechts verschobener Radfelge,

7: eine zweite Ausführungsform einer Greiferbacke eines Radgreifers.

In der 1 ist ein Radmontage-Industrieroboter 10 dargestellt, der der Montage eines Fahrzeugesrades 12 an einer Radnabe eines Fahrzeuges 14 dient. Das Fahrzeug 14 steht entweder während der Radmontage still oder wird kontinuierlich bewegt.

Der Radmontage-Industrieroboter 10 weist einen mehrgliedrigen Manipulatorarm 16 auf, dessen Armglieder zueinander um Gelenke schwenkbar sind, die entsprechende Schwenkachsen aufweisen. An dem distalen Ende des Manipulatorarms 16 ist eine Endeffektor-Anordnung 18 befestigt, die eine Endeffektor-Basis 20 aufweist, an der ein Radgreifer 22, ein Radschrauber 24 und ein als Digitalkamera ausgebildeter bildgebender Sensor 26 jeweils basisfest angeordnet sind, wie in 3 dargestellt ist. Der Radschrauber 24, der Radgreifer 22 und ggf. der bildgebende Sensor 26 haben eine gemeinsame Werkzeugachse 30.

Der Radschrauber 24 wird von vier oder fünf Schraubspindeln 25 gebildet, die Radschrauben halten, die der Befestigung des Fahrzeugrades an einer fahrzeugseitigen Radnabe dienen.

In den 4 bis 6 sind zur Vereinfachung der Darstellung der Radgreifer 22 und das Rad 12 alleine dargestellt. Das in den 4 bis 6 dargestellte Fahrzeugrad 12 setzt sich zusammen aus dem Radreifen 32 mit einer Lauffläche 34 und einer Radfelge 36 mit einer Zentralöffnung 38 und vorliegend vier Schraubenöffnungen 40. Die Zentralöffnung 38 bzw. die Felgenachse 39 der Radfelge 36 fluchtet durch Unrundheiten des Radreifens 32 häufig nicht mit der entsprechenden Achse 37 des Radreifens 32, wie in den 5 und 6 dargestellt, wenn das Rad 12 völlig symmetrisch von dem Radgreifer 22 ergriffen würde.

Der Radgreifer 22 weist einen Armantrieb 50 auf, der zwei Greiferarme 52 symmetrisch zueinander bewegt und zwar gleichzeitig proximal aufeinander zu oder voneinander weg. Dies wird beispielsweise durch einen entsprechenden Spindelantrieb realisiert.

An den distalen Enden der beiden Greiferarme 52 ist an entsprechenden Drehgelenken 56 jeweils ein Backenarm 54, 55 angelenkt. Der Backenarm ist ein Hebelarm, der ungefähr in seiner Mitte mit dem Drehgelenk 56 an dem betreffenden Greiferarm 52 gelenkig befestigt ist. Der eine Halbarm des Hebelarmes des Backenarmes 54 weist jeweils eine Greiferbacke 58 auf, die dazu dient, den Kontakt zu der Lauffläche 34 des Radreifens 32 herzustellen. Der andere Halbarm des Backenarmes 54, 55 ist an seinem freien Ende über einem angetriebenen Fluid-Antrieb bzw. Fluidzylinder 60, 61 mit dem betreffenden Greiferarm 52 verbunden. Der Fluidzylinder 60, 61 generiert eine Schließkraft oder Öffnungskraft oder fixiert die betreffende Greiferbacke 58 in Bezug auf den betreffenden Greiferarm 52. Der Fluidzylinder 60, 61 ist als Gaszylinder ausgebildet und wird über einen Kompressor und entsprechende Sperrventile betrieben. Eine genaue Positionierung der Greiferbacken zwischen ihren Extrempositionen ist durch den Fluidzylinder 60, 61 nicht möglich. Der Fluidzylinder 60, 61 ist bidirektional betreibbar, weist also zu jeder Seite des Kolbens eine Zylinderkammer auf. Durch den Fluidzylinder 60, 61 werden geringe Kräfte in Öffnungsrichtung und/oder Schließrichtung auf die Backenarme aufgebracht, wodurch die Greiferbacken in ihre Endposition bringbar sind.

Durch die Beweglichkeit der Greiferbacken 58 gegenüber den Greiferarmen 52 wird die Möglichkeit geschaffen, das Fahrzeugrad 12 in einem gewissen Rahmen in verschiedenen Positionen zum Radgreifer 22 bzw. der Werkzeugachse 30 zu ergreifen.

In der 5 ist der Fall dargestellt, dass die Radfelge 36 gegenüber dem Radreifen 32 nach oben verschoben ist. In diesem Fall sind die Greiferbacken 58, bzw. die betreffenden Backenarme 54 weiter geöffnet, als beim Ergreifen eines idealen Rades, wie es in 4 dargestellt ist. Durch die weitere Öffnung der Greiferbacken wird der Radreifen 32 weiter oben an einer Stelle größerer Weite ergriffen, so dass der Radreifen 32 und mit ihm die Radfelge 36 in Bezug auf den Radgreifer 22 tiefer ergriffen werden, als dies bei einem idealen Rad der Fall wäre. Hierdurch kann die Felgenachse 39, trotz ihrer Exzentrizität innerhalb des Rades 12, mit der Werkzeugachse 30 des Radschraubers 24 konzentrisch ausgerichtet werden.

In 6 ist die Greifsituation bei einem Fahrzeugrad 12 dargestellt, bei dem die Radfelge 36 gegenüber dem Radreifen 32 nach rechts verschoben ist. Auch hier kann durch entsprechende Positionierung der Greiferbacken 58 das Rad 12 derart exzentrisch ergriffen werden, dass schließlich die Felgenachse 39 mit der Werkzeugachse 30 des Radschraubers 24 genau fluchtet.

Das Ergreifen des Fahrzeugrades 12 erfolgt wie folgt:

Zunächst wird der Radgreifer 22 vollständig geöffnet, d. h. es werden die Greiferarme 52 und die Backenarme 54 durch ihre Antriebe in ihre distalen Öffnungspositionen bzw. in ihren Öffnungszustand gebracht. Anschließend ermittelt der optische Sensor 26 die translatorische Lage der Radfelge 36 bzw. der Zentralöffnung 38 im Verhältnis zur Endeffektor-Basis 20, also auch im Verhältnis zum Radschrauber 24, und die rotatorische Lage der Radschrauben-Gewindebohrungen in der Radnabe im Verhältnis zu der rotatorischen Lage der Schraubenspindeln 25. Anschließend wird die Endeffektor-Basis 20, also auch der Radgreifer 22, genau konzentrisch mit der Radfelge 36 ausgerichtet, so dass die Werkzeugachse 30 des Radgreifers 22 exakt fluchtet mit der Felgenachse 39 der Radfelge 36. Ferner wird die Endeffektor-Basis 20 so um die Werkzeugachse gedreht, dass die Schraubenspindeln 25 des Radschraubers 24 genau fluchten mit den Gewindebohrungen in der Radnabe. Der Radgreifer 22 wird dabei in eine Ebene mit dem Rad 12 gebracht.

Anschließend können die Greiferarme 52 in eine Anfahrposition gebracht werden, in der die Greiferbacken 58 das Rad 12 noch nicht berühren. In dieser Position verharren die Greiferarme 52 zunächst. Anschließend werden die beiden Backenarme 54, 55 durch die Fluidzylinder 60, 61 mit geringer Kraft, d. h. mit geringem Fluiddruck geschlossen, d. h. in ihren Adduktor-Zustand gebracht, so dass die Greiferbacken 58 die Lauffläche 34 des Rades 12 schließlich berühren. Sobald beide Greiferbacken 58 das Rad 12 berühren, werden die Fluidzylinder aus dem Adduktor-Zustand in den Arretier-Zustand geschaltet, so dass sie mit allenfalls noch geringer Nachgiebigkeit gegenüber den Greiferarmen 52 fixiert sind. Anschließend schließen die Greiferarme 52 mit relativ hoher Kraft, so dass die Greiferbacken 58 den Radreifen 32 in der eingenommenen Position fest ergreifen. Anschließend kann das Fahrzeug-Rad durch den Manipulatorarm zur Radnabe transportiert werden und das Fahrzeugrad 12 an der Radnabe durch Einschrauben von Radschrauben durch die Schraubspindeln 25 montiert werden.

In der 7 ist eine zweite Ausführungsform einer Greiferbacke 70 dargestellt, die ihrerseits einen kleinen Schwenkarm 72 aufweist, der zwei Backen 74, 75 aufweist. Diese Anordnung bietet die Möglichkeit, eine größere Kontaktfläche zwischen dem Rad 12 und dem Greifer 22 zu realisieren.


Anspruch[de]
Radmontage-Industrieroboter (10) zur Montage eines Fahrzeugrades (12) an einer fahrzeugseitigen Radaufhängung, mit

einer Endeffektor-Basis (20) mit einem basisfesten Radgreifer (22) und einem basisfesten Radschrauber (24), wobei

der Radgreifer (22) zum Ergreifen des Rades zwei Greiferarme (52) und ihnen zugeordnet jeweils mindestens eine Greiferbacke (58) aufweist, die die Lauffläche (34) des Radreifens (32) des Rades (12) erfassen,

die Greiferarme (52) durch einen Armantrieb (50) symmetrisch zueinander bewegt werden, und

die beiden Greiferbacken (58) jeweils beweglich und arretierbar an dem Greiferarm (52) fixiert sind.
Radmontage-Industrieroboter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Armantrieb (50) vorgesehen ist. Radmontage-Industrieroboter (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Endeffektor-Basis (20) ein Sensor (26) zur Ermittlung der Lage der Radfelge (36) des Rades (12) zugeordnet ist. Radmontage-Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Arretieren der Greiferbacken (58) gegenüber dem Greiferarm (52) jeweils ein bidirektionaler Fluidzylinder vorgesehen ist. Radmontage-Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Greiferbacken (58) an einem Backenarm (54, 55) befestigt sind, der schwenkbar jeweils an dem Greiferarm (52) befestigt ist. Radmontage-Industrieroboter (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidzylinder (60) ein Gaszylinder ist. Radmontage-Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompressor und Sperrventile zur Steuerung des Fluidzylinders vorgesehen sind. Radmontage-Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26) ein bildgebender Sensor ist. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

– Öffnen der Greiferarme (52) und der Greiferbacken (58),

– Ermitteln der Raumlage der Radfelge (36) im Verhältnis zur Endeffektor-Basis (20) durch den Sensor (26),

– Ausrichten der Endeffektor-Basis (20) mit der Radfelge (36),

– Schließen der Greiferbacken (58) bis zum Erreichen einer festgelegten geringen Schließkraft,

– Arretieren der Greiferbacken (58) in ihrer Schließposition in Bezug auf die Greiferarme (52), und

– Schließen der Greiferarme (52) mit einer relativ hohen Kraft zum Ergreifen des Rades (12).






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