DE102004049332A1

DE102004049332A1 - Verfahren zum automatisierten Positionieren mehrerer Bauteile

Info

Publication number: DE102004049332A1
Application number: DE200410049332
Authority: DE
Inventors: Alexander Alonso Dipl.-Ing. Garcia (BA); Willi Hopp
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-10-09
Filing date: 2004-10-09
Publication date: 2006-04-13

Abstract

Das Verfahren dient zum automatisierten Positionieren mindestens zweier Bauteile (10, 12) mittels einer Mehrzahl an Industrierobotern (14, 16, 18), wobei ein erster Positionierroboter (14) ein erstes Bauteil (10) in eine erste Fügestellung positioniert und ein zweiter Positionierroboter (16) ein zweites Bauteil (12) in eine zweite Fügestellung positioniert.
Hierbei ist vorgesehen, dass während der Positionierung des zweiten Bauteils (12) mittels einer Sensoreinheit (20) der wenigstens zeitweise variierende Abstand des zweiten Bauteils (12) zum ersten Bauteil (10) ermittelt wird und dass mittels einer Regeleinheit (22), die mit der Sensoreinheit (20) und mit mindestens einem Positionierroboter (14, 16) verbunden ist, eine fügegenaue Positionierung der Bauteile (10, 12) zueinander in eine jeweilige Fügestellung erfolgt durch geregeltes Positionieren mindestens eines Positionierroboters (14, 16).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Positionieren mindestens zweier Bauteile mittels einer Mehrzahl an Industrierobotern, wobei ein erster Positionierroboter ein erstes Bauteil in eine erste Fügestellung positioniert und ein zweiter Positionierroboter ein zweites Bauteil in eine zweite Fügestellung positioniert, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verfahren der eingangs genannten Art sind bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 689 24 999 T2 ein Verfahren zum Zusammenbau eines Fahrzeugaufbaus unter Einsatz eines flexiblen Fertigungssystems, das eine Vielzahl von Positions- und Schweißrobotern aufweist, die unter einer Programmsteuerung betrieben werden, um einen Zusammenbauvorgang auszuführen zum Positionieren der Teile und zum Schweißen der Teile.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass während der Positionierung des zweiten Bauteils mittels einer Sensoreinheit der wenigstens zeitweise variierende Abstand des zweiten Bauteils zum ersten Bauteil ermittelt wird und dass mittels einer Regeleinheit, die mit der Sensoreinheit und mit mindestens einem Positionierroboter verbunden ist, eine fügegenaue Positionierung der Bauteile zueinander in eine jeweilige Fügestellung erfolgt durch geregeltes Positionieren mindestens eines Positionierroboters. Hierdurch ist es möglich, ein freies Fügen von Bauteilen in jeweils geometrisch definierter Lage zu gewährleisten, ohne dass stationäre Bauteil-Fixiereinrichtungen, die verhältnismäßig teuer, mechanisch aufwendig und unflexibel sind, oder mechanisch gekoppelte Greifsysteme von Greifrobotern eingesetzt werden müssten, wobei derartige Greifsysteme durch einen relativ aufwendigen Greiferaufbau gekennzeichnet sind. Die Sensoreinheit des zweiten Positionierroboters ermöglicht die Erzielung einer an die jeweilige Fertigungsaufgabe angepassten, hinreichend präzisen Positioniergenauigkeit der Bauteile zueinander, die durch einen jeweils zugehörigen Positionierroboter in ihre jeweiligen Fügestellungen positioniert werden können. Mittels der Sensoreinheit kann somit in Kooperation mit der Regeleinheit eine Positioniergenauigkeit zwischen den zwei Positionierrobotern erzielt werden, die vergleichbar präzise mit derjenigen bei Einsatz eines mechanisch gekoppelten Greifersystems an den zwei Positionierrobotern ist. Dabei können die zwei Positionierroboter mittels der Regeleinheit miteinander kooperieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch eine besonders hohe Flexibilität hinsichtlich einer fügegenauen und freien Bauteilpositionierung unter Einsatz von zueinander unabhängigen Positionierrobotern geeignet. Bei den Industrierobotern handelt es sich insbesondere um frei programmierbare Knickarmroboter mit sechs Bewegungsachsen.

Entsprechend einer möglichen Ausführungsform sind beide Positionierroboter mit der Regeleinheit verbunden und werden beide Bauteile mittels der Regeleinheit zueinander in eine jeweilige Fügestellung gebracht werden. Es erfolgt somit mittels Bewegungen beider Bauteile eine fügegenaue Positionierung derselben zueinander.

Entsprechend einer weiteren möglichen Ausführungsform ist lediglich der zweite Positionierroboter mit der Regeleinheit verbunden zur fügegenauen Positionierung des zweiten Bauteils mittels des zweiten Positionierroboters in eine zweite Fügestellung relativ zum ersten Bauteil, das in einer erste Fügestellung positioniert ist. Hier kann sich das erste Bauteil auch in einer verhältnismäßig ungenauen ersten Fügestellung befinden, während das zweite Bauteil bewegt werden kann zur fügegenauen Erzielung einer zweiten Fügestellung relativ zum ersten Bauteil.

Die Sensoreinheit kann eine Punktsensoreinheit oder eine Lichtschnittsensoreinheit oder eine bildgebende Sensoreinheit sein. Dabei ist die Sensorauswahl insbesondere werkstückabhängig, wobei bei einem Werkstück mit einer messtechnisch verwendbaren Fläche eine Punktsensoreinheit (z. B. Lasereinheit) eingesetzt werden kann, während bei einem Werkstück mit messtechnisch nicht verwendbaren Flächen eine Lichtschnittsensoreinheit, beispielsweise zur Kantenbestimmung, oder eine bildgebende Sensoreinheit, z. B zur Konturbestimmung, mittels einer Kamera eingesetzt werden kann.

Die Sensoreinheit kann am zweiten Positionierroboter in einer zum zweiten Bauteil lagestabilen Position angeordnet werden. Dabei kann die Sensoreinheit in der Nähe eines Fügebereichs des zweiten Bauteils angeordnet sein. Hierdurch wird eine hinreichend genaue und reproduzierbar wiederholbare Positionierung des zweiten Bauteils mittels des zweiten Positionierroboters relativ zum ersten Bauteil ermöglicht.

Der variierende Abstand kann kontinuierlich oder in Intervallen mittels der Sensoreinheit ermittelt werden. Die Form der Abstandsermittlung des zweiten Bauteils relativ zum ersten Bauteil kann von der Bauteilgeometrie und/oder der Abstandsgröße und/oder der Bewegungsgeschwindigkeit der Positionierroboter zueinander abhängen.

Die Sensoreinheit ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie in sechs unterschiedlichen Freiheitsgraden den variierenden Abstand ermitteln kann. Hierdurch ist es möglich, eine räumlich exakte Positionierung des zweiten Bauteils relativ zum ersten Bauteil zu erzielen bei Auswertung der entsprechenden Messwerte der Sensoreinheit durch die Regeleinheit.

Die Bauteile können Blechbauteile und insbesondere Fahrzeug-Karosseriebauteile sein. Ferner können die Bauteile in ihren Fügestellungen mittels mindestens eines Fügeroboters miteinander verbunden werden. Als Fügeroboter kann beispielsweise ein Schweißroboter oder ein Kleberoboter oder auch ein Roboter zum Stanznieten oder zum Durchsetzfügen eingesetzt werden. Allerdings sind auch andere Arten von Fügerobotern, beispielsweise zur Herstellung einer Nietverbindung, denkbar. Der Einsatz des Verfahrens in einer automatisierten Fahrzeug-Karosseriemontage ist aufgrund der hohen Flexibilität und Positioniergenauigkeit der miteinander kooperierenden Positionierroboter und/oder Fügeroboter besonders vorteilhaft.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine flexible Fertigungsvorrichtung mit zwei Positionierrobotern und einem Fügeroboter;
2 eine schematische Perspektivansicht auf die zwei Positionierroboter der 1 und
3 eine schematische Perspektivansicht auf zwei sich in Fügestellung befindende Bauteile in vergrößertem Maßstab ohne Positionierroboter.
1 zeigt in schematischer Draufsicht eine flexible Fertigungsvorrichtung zum automatisierten Positionieren und Fügen zweier Bauteile 10, 12 mittels einer Mehrzahl, im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Industrierobotern 14, 16, 18. Dabei hält ein erster Positionierroboter 14 ein erstes Bauteil 10 in einer ersten Fügestellung und ein zweiter Positionierroboter 16 ein zweites Bauteil 12 in einer zweiten Fügestellung. Die zwei Bauteile 10, 12 werden in ihren Fügestellungen mittels eines Fügeroboters 18, im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form eines Punktschweißroboters, miteinander verbunden. Die flexible Fertigungsvorrichtung ist mit einer Regeleinheit 22 ausgestattet, die mittels Signal- und/oder Datenübertragungsleitungen (Pfeile 24, 26) jeweils mit den Industrierobotern 14, 16, 18 in operativer Wirkverbindung steht. Jedem der Positionierroboter 14, 16 ist eine Ablage 28 zur Bereitstellung der mittels des Fügeroboters 18 zusammenzufügenden Bauteilen 10, 12 zugeordnet.
Der Fügeroboter 16 ist gemäß 2 mit einer Sensoreinheit 20 versehen zur Ermittlung des wenigstens zeitweise variierenden Abstands des zweiten Bauteils 12 relativ zum ersten Bauteil 10 während des Positioniervorgangs, wobei das erste Bauteil 10 mittels des ersten Fügeroboters 14 vorzugsweise bereits in einer definierten ersten Fügestellung angeordnet ist. Die Sensoreinheit 20 besteht aus einer Mehrzahl an Sen sorelementen zur dreidimensionalen Ermittlung der jeweiligen Position des zweiten Bauteils 12 relativ zum lagestabil angeordneten ersten Bauteil 10. Hierzu ist die Sensoreinheit 20 am zweiten Positionierroboter 16 in einer zum zweiten Bauteil 12 lagestabilen Position in der Nähe eines Fügebereichs des zweiten Bauteils 12 angeordnet. Die Sensoreinheit 20 kann beispielsweise eine Mehrzahl an Sensorelementen aufweisen, die jeweils Laserstrahlen auf eine messtechnisch verwendbare Fläche des in der ersten Fügestellung angeordneten ersten Bauteils 10 strahlt zur insbesondere kontinuierlichen Ermittlung des variierenden Abstands der Sensorelemente und damit des zweiten Bauteils 12, das mittels des zweiten Positionierroboters 16 bewegt wird, relativ zum ersten Bauteil 10.
3 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung der zwei sich in Fügestellung befindenden Bauteile 10, 12, wobei der Einfachheit halber die zugehörigen Positionierroboter 14, 16 in 3 nicht dargestellt sind. Die Bauteile 10, 12 sind jeweils als profilierte Bleche ausgebildet, die in einem Überlappungsbereich 30 mittels des Fügeroboters 18 durch Anbringen von Punktschweißungen miteinander lagepräzise zu verbinden sind unter Ausbildung eine Bauteilgruppe. Zur exakten Positionierung des zweiten Positionierroboters 16 relativ zum ersten Bauteil 10, das sich in einer ersten Fügestellung befindet (ggf. bei vorliegenden Lageungenauigkeiten), werden auf dem ersten Bauteil 10 mittels der Sensoreinheit 20 an geeigneten Oberflächenmesspunkten der sich variierende Abstand zwischen den zwei Bauteilen 10, 12 ermittelt. Dabei dienen die Messpunkte 32 zur Transformation in einer Z-Richtung und zur Orientierung um eine X-Achse, die Messpunkte 34 zur Transformation in eine X-Richtung und zur Orientierung um eine Z-Achse und die Messpunkte 36 zur Transformation in die Z-Richtung und zur Orientierung um eine Y-Achse. Ferner dienen die Kanten 38 zur Transformation in den Richtungen Y, Z und zur Orientierung um die Y-Achse.
Die Regeleinheit 22 (siehe auch 1) kann als elektronische Datenverarbeitungseinheit (Personal-Computer) ausgebildet sein und wird auf die Sollposition des zweiten Bauteils 12 zum ersten Bauteil 10 kalibriert. Der zweite Positionierroboter 16 wird durch mehrere Regelzyklen in eine so genannte „Best-Fit"-Position geregelt, bis die Positionen der beiden Bauteile 10, 12 zueinander innerhalb der vorgesehenen Lagetoleranzen liegen. Dabei kann die Ausrichtung der beiden Bauteile 10, 12 zueinander mittels einer geeigneten, geregelten Bewegung des zweiten Positionierroboters 16 und/oder des ersten Positionierroboters 14 erfolgen.
Mittels des beschriebenen Verfahrens und mittels der flexiblen Fertigungsvorrichtung lassen sich in der Praxis Fügetoleranzen von ca. 0,2 mm bei einer Regelzeit von ca. 5 Sekunden erzielen.

Claims

Verfahren zum automatisierten Positionieren mindestens zweier Bauteile (10, 12) mittels einer Mehrzahl an Industrierobotern (14, 16), wobei ein erster Positionierroboter (14) ein erstes Bauteil (10) in eine erste Fügestellung positioniert und ein zweiter Positionierroboter (16) ein zweites Bauteil (12) in eine zweite Fügestellung positioniert, dadurch gekennzeichnet, dass während der Positionierung des zweiten Bauteils (12) mittels einer Sensoreinheit (20) der wenigstens zeitweise variierende Abstand des zweiten Bauteils (12) zum ersten Bauteil (10) ermittelt wird und dass mittels einer Regeleinheit (22), die mit der Sensoreinheit (20) und mit mindestens einem Positionierroboter (14, 16) verbunden ist, eine fügegenaue Positionierung der Bauteile (10, 12) zueinander in eine jeweilige Fügestellung erfolgt durch geregeltes Positionieren mindestens eines Positionierroboters (14, 16).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Positionierroboter (14, 16) mit der Regeleinheit (22) verbunden sind und beide Bauteile (10, 12) mittels der Regeleinheit (22) zueinander in eine jeweilige Fügestellung gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich der zweite Positionierroboter (12) mit der Regeleinheit (22) verbunden ist zur fügegenauen Positionierung des zweiten Bauteils (12) mittels des zweiten Positionierroboters (16) in eine zweite Fügestellung relativ zum ersten Bauteil (10), das in einer erste Fügestellung positioniert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (20) eine Punktsensoreinheit oder eine Lichtschnittsensoreinheit oder eine bildgebende Sensoreinheit ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (20) am zweiten Positionierroboter (16) in einer zum zweiten Bauteil (12) lagestabilen Position angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (20) in der Nähe eines Fügebereichs des zweiten Bauteils (12) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der variierende Abstand kontinuierlich oder in Intervallen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (20) in sechs unterschiedlichen Freiheitsgraden den variierenden Abstand ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (10, 12) Blechbauteile und insbesondere Fahrzeug-Karosseriebauteile sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (10, 12) in ihren Fügestellungen mittels mindestens eines Fügeroboters (18) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügeroboter (16) ein Schweißroboter oder ein Kleberoboter ist.