DE102006003556B4

DE102006003556B4 - Werkzeug-Sensor-Einheit mit vorkalibriertem Sensor

Info

Publication number: DE102006003556B4
Application number: DE200610003556
Authority: DE
Inventors: Thomas Karsten; Thilo Hornbostel; Markus Wess
Original assignee: Edag Engineering and Design AG
Current assignee: FFT Produktionssysteme GmbH and Co KG
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-01-26
Also published as: DE102006003556A1

Abstract

Werkzeug-Sensor-Vorrichtung, umfassend:
a) ein relativ zu einem Referenzbauteil (13) positionierbares Werkzeug (1) zum Fügen des Referenzbauteils (13) mit einem zweiten Bauteil oder Bearbeiten des Referenzbauteils,
b) einen Sensor (10) zur Gewinnung von Positionsdaten, welche die Position des Werkzeugs (1) relativ zu dem Referenzbauteil (13) beschreiben,
c) einen an dem Werkzeug (1) befestigten Träger (2), an dem der Sensor (10) befestigt ist,
d) eine Kupplung (4, 5), die den Sensor (10) lösbar mit dem Träger (2) verbindet,
e) und einen gemeinsam mit dem Sensor (10) über die Kupplung (4, 5) mit dem Träger (2) mechanisch verbundenen Datenspeicher (17) für Kalibrierdaten des Sensors (10),
f) wobei die Kupplung (4, 5) eine mit dem Träger (2) verbundene erste Kupplungshälfte (4) und eine mit dem Sensor (10) verbundene zweite Kupplungshälfte (5) umfasst, die miteinander die lösbare Verbindung bilden,
g) und wobei die Kalibrierdaten diejenigen Kalibrierdaten umfassen, welche...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Werkzeug zum Fügen oder Bearbeiten von Bauteilen, beispielsweise zum Bolzen- oder Mutternschweißen oder Blindnieten, und einem Sensor zur Bestimmung der Position des Werkzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 31. Die Erfindung kann insbesondere in der Fahrzeugindustrie und dort bevorzugt in der Montage von Fahrzeugteilen Verwendung finden. Innerhalb der Fahrzeugindustrie zielt die Erfindung insbesondere auf die Automobilfertigung ab.
Beim Anschweißen von Bolzen oder Mutter 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 Verfahren der Fügetechnik werden bewegbare Werkzeuge in Kombination mit Sensoren verwendet, um die Position des Werkzeugs zum jeweiligen Bauteil zu erfassen und das Werkzeug relativ zu den miteinander zu verbindenden Bauteilen oder nur relativ zu einem dieser Bauteile oder 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. Ferner muss die Position des Werkzeugs nicht zusätzlich vermessen werden. Andererseits ist der Sensor den in vielen Anwendungen widrigen Verhältnissen der Umgebung ausgesetzt, die oft durch das Verbindungsverfahren bedingt sind, so beispielsweise beim Schweißen. Mit zunehmender Einsatzdauer erhöht sich die Gefahr der Fehlfunktion oder des gänzlichen Ausfalls des Sensors. Ein Austausch des Sensors gegen einen neuen ist allerdings mit Kosten verbunden, die sich entsprechend dem für den Austausch zu betreibenden Auf wand und der damit verbundenen Zeit erhöhen. Dies fällt insbesondere bei einem Einsatz in einer laufenden Serienfertigung ins Gewicht.
Aus der DE 10 2004 043 072 A1 ist eine Vorrichtung zum Bearbeiten mittels Laserstrahl bekannt, die einen relativ zu mindestens einem Werkstück beweglichen Laserkopf, eine optische Anordnung zum Ausrichten und Fokussieren des Laserstrahls auf eine Wirkzone und mindestens eine am Laserkopf angeordnete, auf die Wirkzone gerichtete Kamera aufweist. Der Laserkopf ist in eine ortsfeste Kalibrierstation positionierbar, die in der Wirkzone ein Kalibrierobjekt enthält.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Fügen von Bauteilen oder Bearbeiten eines Bauteils zu schaffen, die ein Werkzeug und zum Positionieren des Werkzeugs einen Sensor umfasst, der einfach und in kurzer Zeit gegen einen Ersatzsensor ausgetauscht werden kann.
Eine Vorrichtung zum Fügen eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils oder Bearbeiten des ersten Bauteils, wie die Erfindung sie betrifft, umfasst ein relativ zu dem ersten Bauteil positionierbares Werkzeug zum Fügen der Bauteile oder Bearbeiten des ersten Bauteils und einen Sensor zur Gewinnung von Positionsdaten, welche die Position des Werkzeugs relativ zu dem ersten Bauteil und gegebenenfalls zu weiteren Bauteilen beschreiben, zu dem oder denen das Werkzeug für das Fügen oder Bearbeiten positionsgenau bewegt werden muss. Das erste Bauteil ist die Referenz oder eine von mehreren Referenzen für die Positionierung und wird im Folgenden als Referenzbauteil bezeichnet.
Das Wort "oder" wird stets im Sinne von "und/oder" verwendet, soweit sich aus dem jeweiligen Zusammenhang nichts anderes ergibt. Der Begriff "Position" bezeichnet im Sinne der Erfindung 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 mittels des Sensors gewonnenen Positionsdaten beschreiben die Position des Werkzeugs zu dem Referenzbauteil vorzugsweise vollständig, so dass das Werkzeug in Abhängigkeit von diesen Positionsdaten, vorzugsweise allein anhand der Positionsdaten, positioniert werden kann. Die Positionsdaten können die Position relativ zu dem Referenzbauteil bereits in einem Koordinatensystem beschreiben, nach X, Y und Z Koordinaten und vorzugsweise auch nach der Winkelstellung zur Referenz. In bevorzugten Ausführungen misst der Sensor allerdings nicht unmittelbar einen Abstand oder einen Winkel, sondern nimmt das Referenzbauteil auf und erzeugt Messdaten, die von einer nachgelagerten Datenverarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Werkzeugposition erst ausgewertet werden. So kann der Sensor beispielsweise ein Bild von der Referenz aufnehmen, d.h. von dem gesamten Referenzbauteil oder nur von einem Bereich um einen Zielort des Referenzbauteils. In solchen Fällen sind die Bilddaten des Sensors die Positionsdaten. Die nachgeordnete Datenverarbeitungseinrichtung wertet diese Positionsdaten aus und ermittelt daraus den Ort und vorzugsweise auch die Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem Referenzbauteil bzw. zum Zielort an dem Referenzbauteil.
Der Sensor ist mit dem Werkzeug mittels eines Trägers verbunden. Zumindest der Sensor ist an dem Träger montiert. Vorzugsweise ist auch das Werkzeug an dem Träger montiert. Grundsätzlich kann der Träger jedoch auch einstückig am Werkzeug angeformt oder stoffschlüssig mit dem Werkzeug verbunden sein, beispielsweise mittels Schweißverbindung. Über den gemeinsamen Träger ist der Sensor seiner Position nach definiert mit dem Werkzeug verbunden und macht dessen Bewegungen bei der Positionierung mit. Das Werkzeug, der Träger und der Sensor bilden eine Bewegungseinheit. Der Sensor kann auf dem Träger beweglich montiert sein, solange seine Position relativ zu dem Werkzeug definiert, d.h. einer Steuerung oder Regelung für die Bewegung des Werkzeugs bekannt oder über ein Getriebe vorgegeben ist. Vorzugsweise ist der Sensor im montierten Zustand relativ zu dem Träger und relativ zu dem Werkzeug jedoch nicht beweglich, sondern sowohl nach dem Ort als auch der Ausrichtung fixiert. Das bezüglich der Beweglichkeit des Sensors relativ zum Träger Gesagte gilt für das Werkzeug relativ zum Träger ebenso.
Die Vorrichtung umfasst eine Kupplung, die den Sensor lösbar mit dem Träger verbindet, so dass der Sensor gegen einen gleichwertigen Ersatzsensor ausgetauscht werden kann. Gegebenenfalls wird der Sensor lediglich für die Reparatur oder Wartung von der Träger abmontiert und anschließend wieder montiert. Desweiteren muss der Sensor auch nicht in allen Fällen durch einen völlig gleichwertigen Sensor ersetzt werden, sondern kann durch einen anderen Sensor ersetzt werden, der in Anpassung an beispielsweise eine andere Art von Bauteilen oder andere Umgebungsbedingungen modifiziert ist, um die veränderten Anforderungen besser zu erfüllen.
Ferner umfasst die Vorrichtung einen Datenspeicher für Kalibrierdaten des Sensors. Der Datenspeicher ist gemeinsam mit dem Sensor über die Kupplung mit dem Träger mechanisch verbunden und somit durch Lösen der Kupplung gemeinsam mit dem Sensor abnehmbar und umgekehrt mittels der Kupplung an dem Träger montierbar. Sensor und Datenspeicher bilden in diesem Sinne eine Montageeinheit. Bei den Kalibrierdaten kann es sich um sämtliche Kalibrierdaten des Sensors handeln einschließlich Kalibrierdaten, welche die Position des Sensors relativ zu dem Werkzeug beschreiben. Alternativ kann es sich jedoch auch nur um diejenigen Kalibrierdaten enthalten, die den Sensor als solchen beschreiben, aber noch nicht die Position des Sensors relativ zu dem Werkzeug. Derartige Kalibrierdaten werden vor dem erstmaligen Zusammenbau von Werkzeug und Sensor gewonnen. Der Sensor wird in diesem Sinne vorkalibriert. Wird der Sensor ein erstes Mal auf dem Träger montiert, bedarf es keiner Kalibrierung des Sensors als solchen, d.h. des Sensors in sich und gegebenenfalls in Bezug auf eine mit ihm verbundene Kupplungshälfte, sondern lediglich noch der Kalibrierung in Bezug auf das Werkzeug. Bildet beispielsweise eine CCD-Kamera den Sensor, so wird mittels den Kalibrierdaten, die den Sensor nur als solchen betreffen, beispielsweise eine Verzerrung eines Objektivs, die Ausrichtung des Objektivs relativ zu einem für Licht empfindlichen Aufnehmer oder eine Fertigungsgenauigkeit des Aufnehmers korrigiert.
Die Kupplung umfasst eine erste Kupplungshälfte, die mit dem Träger verbunden, vorzugsweise ortsfester Bestandteil des Trägers ist, und eine zweite Kupplungshälfte, die mit dem Sensor vorzugsweise ortsfest verbunden ist. Vorzugsweise ist die Kupplung als Schnellwechselkupplung gebildet, beispielsweise als Schwalbenschwanzkupplung, bei der die beiden Kupplungshälften mittels einer Schwalbenschwanzführung aneinander geführt und durch die Schwalbenschwanzführung nach fünf Freiheitsgraden der Bewegung aneinander festgelegt sind. Der sechste Freiheitsgrad, nämlich die Richtung parallel zu den beiden seitlichen Führungen der Schwalbenschwanzführung, kann beispielsweise mittels einer Schraubverbindung oder einer lösbaren Rastverbindung festgelegt sein. Alternativ zu der bevorzugten Schwalbenschwanzführung können die Kupplungshälften auch mittels einer anders ausgeführten Linearführung aneinander festgelegt sein, die in Kombination mit vorzugsweise einer Einpunktverbindung, beispielsweise Schraub- oder Rastverbindung, vorzugsweise jegliche Relativbewegung verhindert.
Um die Montage des Sensors zu erleichtern, ist die Kupplung vorzugsweise so gebildet, dass der Kupplungseingriff bei Fixierung einer der Kupplungshälften manuell mit nur einer Hand herstellbar ist. Zu diesem Zweck kann die eine der Kupplungshälften, vorzugsweise die des Trägers, quer zu der Führungsrichtung in sich nachgiebig sein, vorzugsweise elastisch nachgiebig, um die Herstellung des Kupplungseingriffs zu erleichtern. Die betreffende Kupplungshälfte kann beispielsweise zweiteilig sein, wobei die beiden Teile gegen die Kraft einer Feder oder mehrerer Federn voneinander weg spannbar sind. Die andere Kupplungshälfte ist gegen eines der beiden Teile drückbar, so dass die beiden Teile auseinander bewegt werden. Nach Einsetzen der anderen Kupplungshälfte schnappen die beiden Teile wieder aufeinander zu und fassen die andere Kupplungshälfte zwischen sich ein. Die andere Kupplungshälfte wird mittels der bevorzugten Einpunktverbindung an einem der beiden Teile fixiert. Gegebenenfalls werden die beiden Teile der zweiteiligen Kupplungshälfte zusätzlich aneinander fixiert, sollte die rückstellende Federkraft für die Fixierung des Sensors noch nicht ausreichen.
Die bereits vor der Montage des Sensors in dem Datenspeicher gespeicherten Kalibrierdaten der Vorkalibrierung beschreiben den Sensor wie bereits erwähnt in solch einer Weise, dass Fertigungsungenauigkeiten des Sensors, einzelner Komponenten des Sensors oder Ungenauigkeiten in der Position einzelner Komponenten zueinander mittels der Kalibrierdaten korrigiert werden können. Die Kalibrierdaten umfassen Kalibrierdaten, die die Position des Sensors relativ zu der zweiten Kupplungshälfte beschreiben. In Bezug auf seine Position relativ zu der zweiten Kupplungshälfte wird der Sensor zwar bevorzugterweise mechanisch kalibriert, indem er zu der zweiten Kupplungshälfte exakt ausgerichtet wird. Fehler in der Ausrichtung können aber dennoch auf der Basis von Messungen, die mittels des Sensors ausgeführt werden, zusätzlich mathematisch mittels hierfür gewonnener Kalibrierdaten kompensiert werden.
Bei exakter Fertigung der Kupplungshälften und exakter Positionierung der ersten Kupplungshälfte relativ zum Werkzeug bedarf es nach der Montage des Sensors auf den Träger nicht einmal mehr einer Kalibrierung relativ zu dem Werkzeug. Allerdings entspricht es bevorzugten Ausführungsformen, wenn der Sensor im montierten Zustand in Bezug auf seine Position relativ zu dem Werkzeug vermessen wird und aus der Messung weitere Kalibrierdaten gewonnen werden. Der Sensor wird in derartigen Ausführungen vor der Montage an dem Träger vorkalibriert und im montierten Zustand endkalibriert.
Die aus den beiden Kalibrierungen gewonnenen Kalibrierdaten können in dem Datenspeicher des Sensors als zwei Datensätze gespeichert sein. Die Endkalibrierung wird in bevorzugten Ausführungen mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführt, die im späteren Einsatz der Vorrichtung gemeinsam mit dem Sensor zu der Vorrichtung gehört und die von dem Sensor gewonnenen Positionsdaten für eine Aktorsteuerung eines im Raum beweglichen Aktors aufbereitet, an dem die Einheit aus Werkzeug, Träger und Sensor befestigbar oder bereits befestigt ist. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise eine zu der Aktorsteuerung externe Einrichtung und mit der Aktorsteuerung signaltechnisch per Kabel oder leitungslos, beispielsweise per Funk, verbunden. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise in einem eigenen Gehäuse untergebracht. Sie kann in enger räumlicher Verbindung mit dem Sensor angeordnet und mittels der Kupplung gemeinsam mit dem Sensor an dem Träger montierbar sein. Vorzugsweise ist sie jedoch auch eine externe Einrichtung in Bezug auf den Sensor und mit dem Sensor signaltechnisch ebenfalls leitungslos oder vorzugsweise per Kabel verbunden. Die Datenverarbeitungseinrichtung verfügt über einen Datenspeicher, in dem vorteilhafterweise die Kalibrierdaten der Endkalibrierung gespeichert werden. In derartigen Ausführungen enthält der Datenspeicher des Sensors vorzugsweise nur die Kalibrierdaten der Vorkalibrierung, und der Datenspeicher der Datenverarbeitungseinrichtung enthält die Kalibrierdaten der Endkalibrierung. Bei der Positionierung des Werkzeugs oder vorzugsweise nur einmalig im Rahmen einer Inbetriebnahme eines neuen Sensors werden dessen Kalibrierdaten ausgelesen und in dem Datenspeicher der Datenverarbeitungseinrichtung als ein zweiter Datensatz neben den Kalibrierdaten der Endkalibrierung permanent gespeichert oder nur zwischengespeichert. Die Datenverarbeitungseinrichtung, die auch die Positionsdaten des Sensors im Einsatzbetrieb erhält und für die Aktorsteuerung aufbereitet, kann die beiden Kalibrierdatensätze entsprechend permanent speichern und bei der Auswertung der Positionsdaten verar beiten oder aber aus den beiden Kalibrierdatensätzen einen neuen Kalibrierdatensatz bilden und diesen permanent speichern, der dann sämtliche Arten von Fertigungs- oder Positionsfehlern des Sensors bei der Aufbereitung der Positionsdaten mathematisch korrigiert. Die Datenverarbeitungseinrichtung und deren Zusammenwirken mit der Aktorsteuerung und dem Sensor wird in der deutschen Patentanmeldung mit dem Titel "Steuerung für eine Werkzeug-Sensor-Vorrichtung" beschrieben, die die Anmelderin am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung hinterlegt hat. In Bezug auf die Steuerung und insbesondere die Datenverarbeitungseinrichtung wird die parallele Anmeldung in Bezug genommen.
Bei den gespeicherten Kalibrierdaten kann es sich um reine Messdaten handeln. Vorzugsweise sind die Kalibrierdaten jedoch bereits Korrekturwerte oder gegebenenfalls nur ein einziger Korrekturwert, die oder der bei dem Positionieren des Werkzeugs je als konstanter Wert mit den vom Sensor ermittelten Positionsdaten verrechnet wird oder werden, vorzugsweise nur additiv oder multiplikativ, um die Fertigungs- oder Positionsfehler des Sensors zu korrigieren. Die Korrekturwerte sind vorzugsweise mathematische Transformationsvorschriften für eine mathematische Korrektur von Sensorfehlern. 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.
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 ein Fügewerkzeug zum Herstellen eines Stoffschlusses, beispielsweise eine Schweißeinrichtung, Löteinrichtung oder Klebeeinrichtung, oder ein Werkzeug für eine auf Kraft- oder Formschluss beruhende Fügetechnik sein, 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 bei spielsweise 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. Be vorzugt 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 Mutter, 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 des Referenzbauteils ermittelbar ist. 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 Referenzbauteil längs einer einzigen Achse ermittelt wird. Insbesondere kann eine CCD-Kamera verwendet werden. Bei der Endkalibrierung wird im Falle eines bilderfassenden Sensors vorzugsweise der Bildmittelpunk des Sensors zum Ort der Befestigung des Sensors auf dem Träger oder gleich relativ zu dem Werkzeug kalibriert.
Eine Sensorsteuerung zur Steuerung der Aktivität des Sensors ist vorzugsweise ebenfalls auf dem Träger angeordnet, vorzugsweise gemeinsam mit dem Sensor über die Kupplung mechanisch mit dem Träger verbunden. Die Sensorsteuerung ist mit einer übergeordneten Steuerung verbunden, welche die Bewegungen des Werkzeugs und damit gemeinsam auch des Sensors in Abhängigkeit von den Positionsdaten steuert. Die Positionsdaten werden der übergeordneten Steuerung aufgegeben, und die Sensorsteuerung wird von der übergeordneten Steuerung angesteuert, um den Sensor zu aktivieren. Umfasst der Sensor eine Strahlungseinrichtung, beispielsweise einen Laser oder eine Beleuchtungseinrichtung, so wird die Strahlungseinrichtung bei Ansteuerung der Sensorsteuerung vorzugsweise von dieser aktiviert. Falls ein Aufnehmer des Sensors aktiviert werden muss, so wird dieser über die Sensorsteuerung aktiviert. Misst der Sensor rein passiv, enthält er also nur einen Aufnehmer, so kann die Aktivierung beispielsweise nur darin bestehen, dass die Positionsdaten des Sensors in den Datenspeicher für die Kalibrierdaten oder einen anderen Datenspeicher des Sensors eingelesen oder direkt der übergeordneten Steuerung übermittelt werden, gegebenenfalls über eine sensoreigene Datenverarbeitungseinrichtung. Vorzugsweise werden die Positionsdaten der genannten externen Datenverarbeitungseinrichtung zur Auswertung übermittelt.
Die übergeordnete Steuerung verwendet die Positionsdaten in bevorzugten Ausführungen nur zur Bildung einer Führungsgröße. Alternativ kann die übergeordnete Steuerung zu einer Regelung weitergebildet sein, die aus den Positionsdaten eine Regelgröße bildet. In einer bevorzugten Ausführung ist der Zielort der übergeordneten Steuerung vorgegeben, die übergeordnete Steuerung oder die vorzugsweise zwischengeschaltete Datenverarbeitungseinrichtung wertet die Positionsdaten und Kalibrierdaten aus und bildet hieraus eine neue Führungsgröße für eine das Werkzeug positionierende Stelleinrichtung.
Die Vorrichtung ist in bevorzugten Ausführungen an einem im Raum beweglichen Aktor befestigt, den insbesondere ein Roboterarm bilden kann. Die übergeordnete Steuerung ist in derartigen Ausführungen die Aktorsteuerung, wobei der Begriff der Aktorsteuerung wie vorstehend erläutert auch eine Regelung umfassen kann.
Auf dem Träger kann eine Datenverarbeitungseinrichtung für die Verarbeitung der mittels des Sensors gewonnenen Positionsdaten angeordnet, insbesondere gemeinsam mit dem Sensor mittels der Kupplung mechanisch mit der Träger verbunden sein. Vorzugsweise ist diese Datenverarbeitungseinrichtung jedoch eine zu dem Sensor externe Einrichtung, die nicht gemeinsam mit dem Sensor mittels der Kupplung montierbar und vorzugsweise auch nicht auf dem Träger angeordnet ist. In bevorzugten Ausführungen ist diese Datenverarbeitungseinrichtung die bereits im Zusammenhang mit der Kalibrierung beschriebene Datenverarbeitungseinrichtung. In noch einer Variante, die allerdings ebenfalls nicht die bevorzugte ist, ist die Da tenverarbeitungseinrichtung für die Verarbeitung der Positionsdaten integrierter Bestandteil der Aktorsteuerung oder einer anderen übergeordneten Steuerung. Die Datenverarbeitungseinrichtung errechnet vorzugsweise bereits die Position des Werkzeugs im Messkoordinatensystem. In diesem Falle wird der übergeordneten Steuerung die errechnete Position oder vorzugsweise bereits ein Korrekturvektor als Führungsgröße übermittelt. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann insbesondere einen Datenspeicher für die Positionsdaten und gegebenenfalls für Daten einer höheren Verarbeitungsstufe umfassen. Falls die Datenverarbeitungseinrichtung auf dem Träger angeordnet ist, umfasst sie den Datenspeicher des Sensors mit den darin gespeicherten Kalibrierdaten.
Zum Schutz vor schädlichen Umgebungseinflüssen wie beispielsweise Schmutz und Feuchte ist der Sensor in bevorzugter Ausführung in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse ist vorzugsweise gemeinsam mit dem Sensor über die Kupplung mit dem Träger verbunden und daher gemeinsam mit dem Sensor austauschbar. Das Gehäuse weist eine Öffnung auf, durch die der Sensor die für die Erfassung der Position erforderlichen Signale aufnehmen kann. Im Falle des bevorzugt optischen Sensors ist die Öffnung lichtdurchlässig. Für das Arbeiten bei widrigen Umgebungsverhältnissen, wie sie beispielsweise beim Schweißen auftreten, ist vorzugsweise ein Verschluss vorgesehen, der zwischen einem Schutzzustand, in dem er die Öffnung verschließt, und einem Freigabezustand, in dem er die Öffnung freigibt, umsteuerbar ist. Obgleich die übergeordnete Steuerung den Verschluss steuern könnte, wird es bevorzugt, wenn die genannte Sensorsteuerung, die bevorzugt in dem Gehäuse angeordnet und über die Kupplung mit dem Träger verbunden ist, den Verschluss in Abhängigkeit von der Sensoraktivität zwischen dem Schutz- und dem Freigabezustand umsteuert. Der Verschluss kann beispielsweise als Schieber oder vorzugsweise als Haube oder Klappe gebildet sein. Bei Verlagerung der Verschlusssteuerung in die Sensorsteuerung wird die übergeordnete Steuerung entlastet.
Die Vorrichtung kann über eine Strahlungseinrichtung zur Ausstrahlung eines nach Reflexion von dem Sensors aufnehmbaren Signals verfügen. Die Strahlungseinrichtung kann beispielsweise ein Ultraschallsender oder vorzugsweise eine Einrichtung zum Ausstrahlen elektromagnetischer Energie sein, wobei aus dem elektromagnetischen Spektrum der optische Bereich bevorzugt wird. In Ausführungen, in denen der Sensor wie bevorzugt im Wellenlängen bereich des sichtbaren Lichts, im UV-Bereich oder im IR-Bereich arbeitet, kann die Strahlungseinrichtung eine Beleuchtungseinrichtung sein, mit welcher der Zielort oder ein anderer, auf dem Weg zum Zielort liegender Messort ausgeleuchtet werden kann, falls das Tageslicht oder eine in der Umgebung installierte künstliche Beleuchtung für das Ausleuchten des Messorts nicht ausreicht oder am Messort ein besonderer Lichteffekt erzeugt und für die Messung genutzt werden soll. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst vorzugsweise mehrere Leuchtdioden, die vorteilhafterweise um die Öffnung des Gehäuses verteilt angeordnet sind. Um in der Umgebung der Vorrichtung arbeitendes Personal nicht zu blenden, strahlt die Beleuchtungseinrichtung vorzugsweise mit IR-Licht oder Rotlicht. Eine Beleuchtungseinrichtung, die weißes Licht abstrahlt, wird nicht zuletzt im Hinblick auf den günstigen Preis in alternativen Ausführungen bevorzugt. Die Beleuchtungseinrichtung kann insbesondere LEDs umfassen, vorzugsweise besteht sie aus LEDs. Eine bevorzugt verwendete Kamera oder ein sonstiger optischer Sensor kann mit einem passenden Filter für das Licht der Beleuchtungseinrichtung ausgestattet sein.
Ein Laser oder eine Anordnung mehrerer Laser kann ebenfalls die Strahlungseinrichtung bilden. Der Sensor und eine nachgeordnete, auf der Träger oder an anderer Stelle angeordnete Datenverarbeitungseinrichtung können vorteilhafterweise nach dem Lichtschnittverfahren arbeiten, beispielsweise um Anbauteile an Fahrzeugkarosserien oder Karosserieteilen zu montieren. Mittels Lichtschnittverfahren kann insbesondere im Hinblick auf eine hohe Spaltgüte montiert werden. Der oder die vorzugsweise mehreren Laser strahlen Laserlicht vorzugsweise so aus, dass sich am Zielort wenigstens ein schmaler, langgestreckter Laserstreifen oder vorzugsweise mehrere nebeneinander verlaufende Laserstreifen bilden, die oder der mittels des Sensors aufgenommen und von der Datenverarbeitungseinrichtung im Sinne des Lichtschnittverfahrens ausgewertet werden. Mit dem Lichtschnittverfahren können insbesondere die Spaltbreite und die Fallung zwischen zwei den betreffenden Spalt zwischen sich bildenden Bauteilkanten zweier Bauteile ermittelt werden.
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 eine Schutzscheibe die Öffnung des Gehäuses abdeckt, kann die Strahlungseinrichtung vorteilhafterweise Bestandteil der Schutzscheibe sein, bei spielsweise 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 und in Weiterbildungen bezüglich der Strahlungsintensität verstellbar. Um die übergeordnete Steuerung von der Funktion einer Strahlungssteuerung zu entlasten, wird die Strahlungsseinrichtung in vorteilhaften Weiterbildungen von der integrierten Sensorsteuerung gesteuert, d.h. ein- und ausgeschaltet sowie gegebenenfalls auf eine optimale Strahlungsstärke eingestellt.
Für die Übertragung der Positionsdaten des Sensors zu der übergeordneten Steuerung wird vorteilhafterweise ein Lichtwellenleiter verwendet. Die Datenübertragung kann daher nicht durch magnetische Felder der Umgebung, wie sie beispielsweise beim Schweißen auftreten, gestört werden. Die Signalübertragung von der übergeordneten Steuerung zur Sensorsteuerung kann über eine elektrische Signalleitung erfolgen, vorzugsweise werden aber auch die Signale der übergeordneten Steuerung oder Regelung per Lichtwellenleiter zur Sensorsteuerung übertragen, vorzugsweise über den Lichtwellenleiter, der auch die vom Sensor ausgegebenen Daten überträgt. In noch einer Weiterentwicklung werden auch die Steuersignale für das Werkzeug per Lichtwellenleiter übertragen, beispielsweise wieder über den gleichen Lichtwellenleiter. In einer anderen bevorzugten Ausführung kommuniziert die Steuerung in herkömmlicher Weise über eine elektrische Leitung mit dem Werkzeug.
Der einfachen Austauschbarkeit des Sensors ist förderlich, wenn die Anschlüsse für die Übertragung der Positionsdaten, der Steuersignale und der Energieversorgung in einem einzigen Kabelverbinder integriert sind, so dass die Verbindungen mit dem gleichen Handgriff gelöst oder hergestellt werden können. Die Energieversorgungsleitung und die Leitung oder Leitungen für die Übertragung der Daten vom Sensor oder der Steuersignale zum Sensor können vorteilhafterweise in einem Hybridkabel kombiniert sein, wobei der oder die Lichtwellenleiter und ein elektrischer Leiter innerhalb eines gemeinsamen Mantels verlaufen. In alternativen Ausführungen werden die Daten des Sensors oder die Steuersignale drahtlos übertragen, vorzugsweise per Funk.
Die Vorrichtung umfasst vorteilhafterweise ferner eine Kalibriereinrichtung, mit deren Hilfe die Kalibrierdaten des auf dem Träger montierten Sensors ermittelt werden können. Die Kalibriereinrichtung ist für die Kalibrierung vorteilhafterweise stets in einer Arbeitsstation der Vorrichtung verfügbar. Die Kalibriereinrichtung umfasst ein Referenzelement und wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Marken in einer oder je einer bezogen auf das Referenzelement vorgegebenen Position. Bei der Endkalibrierung werden das Referenzelement und das Werkzeug relativ zueinander positioniert, vorzugsweise durch Kontaktierung. Im kontaktierten Zustand wird die Marke oder werden die mehreren Marken von dem Sensor aufgenommen. Das Referenzelement ist vorzugsweise ein Kontaktelement für einen unmittelbaren Kontakt mit dem Werkzeug, beispielsweise einer Werkzeugspitze. Die von dem Sensor aufgenommenen Positionsdaten werden von der Datenverarbeitungseinrichtung ausgewertet und vorteilhafterweise bereits zu Korrekturwerten verrechnet. Da die Kalibrierdaten der Vorkalibrierung bereits vorliegen und die Position oder Positionen der Marke oder Marken relativ zu dem Referenzelement bekannt ist oder sind, kann die Endkalibrierung vor Ort mit geringem Aufwand und daher geringem Zeitaufwand durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt die Endkalibrierung automatisch, indem der Aktor nach dem Wechsel eines Sensors das Werkzeug in Kontakt mit dem Referenzelement bringt und der Sensor in diesem Zustand die Marke oder mehreren Marken aufnimmt.
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.
Die Erfindung hat neben der Vorrichtung auch ein Verfahren der Montage einschließlich der Kalibrierung des Sensors zum Gegenstand, wobei es sich um die Montage bei der erstmaligen Schaffung der Vorrichtung oder insbesondere um einen Austausch des Sensors handeln kann. Bei dem Verfahren wird der Sensor als solcher, d. h. in sich und vorzugsweise auch relativ zu der mit dem Sensor verbundenen zweiten Kupplungshälfte vermessen. Die durch diese Messung gewonnenen Messdaten werden in dem Datenspeicher der Sensorsteuerung direkt oder als abgeleitete Korrekturwerte gespeichert. Die gespeicherten Daten bilden die Kalibrierdaten der Vorkalibrierung. Der Sensor und die Sensorsteuerung werden nach der Vorkalibrierung mittels der Kupplung auf dem Träger montiert. An die mechanische Montage schließt sich eine Endkalibrierung an, bei welcher der Sensor bezüglich seiner Position relativ zum Werkzeug kalibriert wird. Die aus der Endkalibrierung gewonnenen Kalibrierdaten werden direkt oder als abgeleitete Korrekturwerte gespeichert, beispielsweise in dem Datenspeicher des Sensors, einem Speicher der Aktorsteuerung oder vorzugsweise einem Datenspeicher der genannten externen Datenverarbeitungseinrichtung.
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 vorliegend zwar mit den Merkmalen d) und e) von Anspruch 1 und auch entsprechend dem beanspruchten Verfahren der Montage auf die leichte Austauschbarkeit abzielt, dass es sich die Anmelderin jedoch vorbehält, auf eine Vorrichtung nur mit den Merkmalen a) bis c) von Anspruch 1, optional ergänzt durch eines der Merkmale d) und e), eine Teilungsanmeldung zu richten, die beispielsweise die Integration von Zusatzfunktionen in die Sensorsteuerung betrifft, etwa die Steuerung der Schutzeinrichtung oder Strahlungseinrichtung oder einer anderen, der Messung förderlichen Zusatzein richtung. Sinngemäß das gleiche gilt in Bezug auf die Verbindung der Vorrichtung mit einer übergeordneten Steuerung oder vorzugsweise einer Datenverarbeitungseinrichtung per Lichtwellenleiter. Die Anordnung einer umsteuerbaren Schutzeinrichtung und auch deren Form sind ebenfalls Merkmale von besonderem Interesse. Vorteilhaft ist des Weiteren auch bereits nur die Integration eines Werkzeugs, insbesondere eines Schweiß- oder Nietkopfs, und des Sensors auf einem gemeinsamen Träger in einer unmittelbaren räumlichen Nähe zueinander und auch 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 nachlasst, 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 gefordert 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 Lavall-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 drehund 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 Datenverarbeitungsein richtung 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 Anlagesteuerung 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 Öffnung 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 Endkalib rierung 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 Ausführungs beispiel 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 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

Werkzeug-Sensor-Vorrichtung, umfassend: a) ein relativ zu einem Referenzbauteil (13) positionierbares Werkzeug (1) zum Fügen des Referenzbauteils (13) mit einem zweiten Bauteil oder Bearbeiten des Referenzbauteils, b) einen Sensor (10) zur Gewinnung von Positionsdaten, welche die Position des Werkzeugs (1) relativ zu dem Referenzbauteil (13) beschreiben, c) einen an dem Werkzeug (1) befestigten Träger (2), an dem der Sensor (10) befestigt ist, d) eine Kupplung (4, 5), die den Sensor (10) lösbar mit dem Träger (2) verbindet, e) und einen gemeinsam mit dem Sensor (10) über die Kupplung (4, 5) mit dem Träger (2) mechanisch verbundenen Datenspeicher (17) für Kalibrierdaten des Sensors (10), f) wobei die Kupplung (4, 5) eine mit dem Träger (2) verbundene erste Kupplungshälfte (4) und eine mit dem Sensor (10) verbundene zweite Kupplungshälfte (5) umfasst, die miteinander die lösbare Verbindung bilden, g) und wobei die Kalibrierdaten diejenigen Kalibrierdaten umfassen, welche die Position des Sensors (10) relativ zu der zweiten Kupplungshälfte (5) beschreiben.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kalibrierdaten diejenigen des Sensors (10) als solchen umfassen.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mittels der Kalibrierdaten ein Fehler kompensierbar ist, den der Sensor (19) in sich aufweist, vorzugsweise der Fehler eines Objektivs (12) oder eines Aufnehmers (11) des Sensors (10).
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (10) relativ zu der zweiten Kupplungshälfte (5) in eine Messrichtung (M) gerichtet ist und mittels der Kalibrierdaten ein Fehler in der Ausrichtung des Sensors (10) relativ zu der zweiten Kupplungshälfte (5) kompensierbar ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kalibrierdaten diejenigen Kalibrierdaten umfassen, welche die Position des Sensors (10) relativ zu dem Werkzeug (1) beschreiben.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend – einen bewegbaren Aktor (6), der das Werkzeug (1) gemeinsam mit dem Sensor (10) lagert, – und eine Aktorsteuerung (7), die für die Positionierung des Werkzeugs (1) die Bewegung des Aktors (6) in Abhängigkeit von den Positionsdaten des Sensors (10) steuert oder regelt.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Sensorsteuerung (16) zur Steuerung der Sensoraktivität gemeinsam mit dem Sensor (10) über die Kupplung (4, 5) mechanisch mit dem Träger (2) verbunden ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Schutzeinrichtung (26, 27, 28) oder eine Strahlungseinrichtung (23) für den Sensor (10), die gemeinsam mit dem Sensor (10) über die Kupplung (4, 5) mit dem Träger (2) mechanisch verbunden und vorzugsweise mittels einer Sensorsteuerung (16) nach dem vorhergehenden Anspruch steuerbar ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schutzeinrichtung (26, 27, 28) 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.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend – ein den Sensor (10) aufnehmendes Gehäuse (20), das gemeinsam mit dem Sensor (10) über die Kupplung (4, 5) mit dem Träger (2) verbunden ist, – eine Öffnung (21) in dem Gehäuse (20), durch die der Sensor (10) das Referenzbauteil (13) erfassen kann, – einen Verschluss (26), der aus einem Schutzzustand, in dem er die Öffnung (21) verschließt, in einen Freigabezustand, in dem er die Öffnung (21) freigibt, umsteuerbar ist, – und eine Sensorsteuerung (16) zur Steuerung der Sensoraktivität, – wobei die Sensorsteuerung (16) den Verschluss (26) in Abhängigkeit von der Sensoraktivität umsteuert.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend – ein den Sensor (10) aufnehmendes Gehäuse (20), das gemeinsam mit dem Sensor (10) über die Kupplung (4, 5) mit dem Träger (2) verbunden ist, – eine Öffnung (21) in dem Gehäuse (20), durch die der Sensor (10) das Referenzbauteil (13) erfassen kann, – einen Verschluss (26), der aus einem Schutzzustand, in dem er die Öffnung (21) verschließt, in einen Freigabezustand, in dem er die Öffnung (21) freigibt, umsteuerbar ist, – wobei der Verschluss (26) als Haube geformt ist, die in dem Freigabezustand vor dem Sensor (10) einen bis wenigstens auf die Höhe der Öffnung (21) reichenden Schutzkanal bildet, der in eine Messrichtung (M) des Sensors (10) offen ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Verschluss (26) eine Abdeckwand, eine von der Abdeckwand abragende linke Seitenwand und eine von der Abdeckwand abragende rechte Seitenwand umfasst und diese Wände den Schutzkanal bilden.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verschluss (26) um eine quer zu einer Messrichtung (M) des Sensors (10) weisende Achse schwenkbar mit dem Gehäuse (20) verbunden ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend – ein den Sensor (10) aufnehmendes Gehäuse (20), das gemeinsam mit dem Sensor (10) über die Kupplung (4, 5) mit dem Träger (2) verbunden ist, – eine Öffnung (21) in dem Gehäuse (20), durch die der Sensor das Referenzbauteil (13) erfassen kann, – und eine Schutzscheibe (22), welche die Öffnung (21) überdeckt und für eine von dem Sensor aufnehmbare Messgröße, vorzugsweise Licht, durchlässig ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (10) eine Sensorsteuerung (16) zur Steuerung der Sensoraktivität und einen Aufnehmer (11) umfasst und auf dem Träger (2) eine Strahlungseinrichtung (23), vorzugsweise Beleuchtungseinrichtung, zum Ausstrahlen eines nach Reflexion von dem Aufnehmer (11) aufnehmbaren Signals angeordnet und vorzugsweise mittels der Sensorsteuerung (16) steuerbar ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einer Kombination der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlungseinrichtung (23) in oder an der Schutzscheibe (22) angeordnet ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend – ein den Sensor (10) aufnehmendes Gehäuse (20), das gemeinsam mit dem Sensor (10) über die Kupplung (4, 5) mit dem Träger (2) verbunden ist, – und eine Öffnung (21) in dem Gehäuse (20), durch die der Sensor (10) das Referenzbauteil (13) erfassen kann, – wobei das Gehäuse (20) einschließlich der Öffnung (21) mittels einer Dichtung (24) feuchtedicht gekapselt, die Öffnung (21) jedoch lichtdurchlässig ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch in Kombination mit Anspruch 8, 10 oder 11, wobei die Schutzeinrichtung (26, 27, 28) oder nur eine oder mehrere Komponenten der Schutzeinrichtung (26, 27, 28) außerhalb der Kapselung angeordnet ist oder sind.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend – ein den Sensor (10) aufnehmendes Gehäuse (20), das gemeinsam mit dem Sensor (10) über die Kupplung (4, 5) mit dem Träger (2) verbunden ist, – eine Öffnung (21) in dem Gehäuse (20), durch die der Sensor (10) das Referenzbauteil erfassen kann, – und eine vor der Öffnung (21) angeordnete Druckgasdüse, mittels der die Öffnung (21) mit einem parallel zu der Öffnung (21) gerichteten Druckgasstrahl, vorzugsweise einem Cross-Jet, beaufschlagbar ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (10) einen lichtempfindlichen Aufnehmer (11) und ein Objektiv (12) für den Aufnehmer (11) umfasst, die in einem Gehäuse (20) angeordnet sind, das eine Öffnung (21) aufweist, durch die der Sensor (10) das Referenzbauteil (13) erfassen kann.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Gehäuse (20) gemeinsam mit dem Sensor (10) über die Kupplung (4, 5) mit dem Träger (2) verbunden ist
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend – einen im Raum beweglichen Aktor (6), an dem das Werkzeug (1), der Träger (2) und der Sensor (10) als Werkzeug-Sensor-Einheit befestigt oder befestigbar sind, – eine Aktorsteuerung (7) für die Steuerung der Bewegungen des Aktors (6) – und eine zu der Aktorsteuerung (7) und auch zu der Werkzeug-Sensor-Einheit externe Datenverarbeitungseinrichtung (8), die für die Verarbeitung der Positionsda ten mit der Aktorsteuerung (7) und dem Sensor (10) jeweils per Kabel (31) oder leitungslos signaltechnisch verbunden ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (8) per Lichtwellenleiter (31) mit dem Sensor (10) verbunden ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (8) einen Datenspeicher für die Kalibrierdaten des Sensors (10) und eine Korrektureinrichtung für eine mathematische Korrektur der Positionsdaten mittels der Kalibrierdaten umfasst.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Signalleitung (31) und eine Energieversorgungsleitung (32) für den Sensor (10) mittels eines gemeinsamen Kabelverbinders (30) mit dem Sensor (10) verbunden sind.
Werkzeug-Sensor-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 Referenzbauteils oder eine Halteeinrichtung für das zweite Bauteil ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (10) ein optischer, vorzugsweise wenigstens zweidimensional aufnehmender Sensor und dem Sensor (10) eine vorzugsweise externe Datenverarbeitungseinrichtung (8), vorzugsweise Bildbearbeitung, nachgeordnet ist.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine für eine Kalibrierung des Sensors (10) hinsichtlich einer Positionsgenauigkeit relativ zu dem Werkzeug (1) verwendbare Kalibriereinrichtung (35) mit einem Gestell (36), einer von dem Sensor (10) aufnehmbaren Marke (37, 38) und einem Kontaktelement (39) für das Werkzeug (1), die je in einer vorgegebenen Position an, in oder auf dem Gestell (36) angeordnet sind.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Kontaktelement (39) von dem Gestell (36) abragt, vorzugsweise stiftförmig.
Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei an, in oder auf dem Gestell (36) mehrere von dem Sensor (10) aufnehmbare Marken (37, 38) je in einer vorgegebenen Position angeordnet sind.
Verfahren zum Zusammenbau einer Werkzeug-Sensor-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei a) der Sensor (10) separat von dem Werkzeug (1) vorkalibriert wird, b) bei der Vorkalibrierung gewonnene Kalibrierdaten in einem Datenspeicher (17) einer Sensorsteuerung (16) gespeichert werden, c) der Sensor (10) und die Sensorsteuerung (16) mit den gespeicherten Kalibrierdaten mittels einer gemeinsamen Kupplung (4, 5) an dem Träger (2) montiert werden d) und der Sensor (10) im montierten Zustand bezüglich seiner Position relativ zu dem Werkzeug (1) endkalibriert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der mit einer Kupplungshälfte (5) der Kupplung (4, 5) verbundene Sensor (10) bei der Vorkalibrierung relativ zu der Kupplungshälfte (5) positioniert, insbesondere ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sensor (10) bei der Vorkalibrierung auf Fehler, die er in sich aufweist, vermessen und aus dieser Messung zumindest ein Teil der Kalibrierdaten für eine mathematische Korrektur der Fehler gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sensor (10) bei der Vorkalibrierung in unterschiedlichen Abständen zu einem Kalibrierfeld von Marken positioniert, das Kalibrierfeld in den unterschiedlichen Abständen von dem Sensor (10) aufgenommen und aus den Aufnahmen zumindest der Teil der Kalibrierdaten gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Werkzeug (1) bei der Endkalibrierung relativ zu wenigstens einer Marke (37, 38) positioniert, die wenigstens eine Marke (37, 38) von dem Sensor aufgenommen und aus der Aufnahme Kalibrierdaten gewonnen werden, die die Position beschreiben, die der Sensor (10) relativ zu dem Werkzeug (1) einnimmt.
Verfahren dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Werkzeug (1), der Träger (2) und der Sensor (10) an einem mittels einer Aktorsteuerung (7) im Raum bewegbaren Aktor (6) befestigt sind, das Werkzeug (1) relativ zu der wenigstens einen Marke (37, 38) mittels der Aktorsteuerung (7) positioniert wird und die Kalibrierdaten der Endkalibrierung mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung (8) gewonnen werden, die auch bei dem späteren Fügen oder Bearbeiten vom Sensor (10) aufgenommene Messdaten für die Aktorsteuerung (7) aufbereitet.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Datenverarbeitungseinrichtung (8) bei der Endkalibrierung aus den im Datenspeicher (17) des Sensors (10) gespeicherten Kalibrierdaten der Vorkalibrierung und den Kalibrierdaten der Endkalibrierung neue Kalibrierdaten errechnet und speichert, die beide Kalibrierungen umfassen.