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Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeugmodul mit mindestens einer Roboterschnittstelle zur Ankopplung eines Roboterarms und mit einer Werkzeugeinheit, der mindestens ein Transformator zugeordnet ist und Werkzeug dazu.
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Ein solches Werkzeugmodul kann beispielsweise als eine zum Punktschweißen geeignete und im Automobilbau eingesetzte Schweißzange ausgebildet sein, deren Elektrodenhalter oder Zangenarmem an die jeweilige Verwendung angepasst sind, so dass mit einem Wechsel der zu verschweißenden Bauteile auch ein Wechsel des gesamten Werkzeugmoduls einhergeht, was insbesondere bei der Ersatzteilfertigung Probleme bereitet, da häufig relativ geringe Stückzahlen gefertigt werden und mit dem Wechsel der zu verschweißenden Bauteile eine relativ große Rüstzeit einhergeht. Im Weiteren ist eine Vielzahl von Werkzeugmodulen zu lagern.
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Schweißzangen kommen häufig an Schweißrobotern in automatisierten Fertigungsstraßen, insbesondere im Automobilbau zum Einsatz und werden beispielsweise zum Punkschweißen oder Bolzenschweißen verwendet. Es werden zwei Haupt-Typen von Schweißzangen unterschieden, nämlich zum einen X-Zangen und zum anderen C-Zangen. Bei C-Zangen ist einer der Elektrodenhalter linear beweglich und bei X-Zangen zumindest einer der Elektrodenhalter schwenkbeweglich geführt.
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Mit Elektroden bestückte Elektrodenhalter oder Zangenarme der Schweißzangen werden zum Punktschweißen mit einer relativ großen Kraft von beispielsweise 5000 bis 8000 Newton gegen das zu schweißende Werkstück gepresst. Die erforderliche Kraft wird in der Regel mittels druckbeaufschlagter Kolben-Zylinder-Einheiten erzeugt. Derartige Schweißzangen weisen darüber hinaus einen mit einem Stromanschluss gekoppelten Transformator auf, wobei der Transformator an der Schweißzange angeordnet sein kann. Aufgrund der hohen Taktzahlen der Fertigungsstraßen sowie der zunehmen geforderten Reduzierung der Antriebsenergie ist eine gewichtsoptimierte Konstruktion der Schweißzange gemeinsam mit einem dynamischen Antrieb ihrer verstellbaren Elektrode erforderlich.
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Die
DE 10 2007 054 980 A1 offenbart eine Schweißzange für einen Schweißroboter mit mindestens einem Zangenarm, der als Rahmen-/Stabtragwerk ausgebildet ist. Der Zangenarm ist mittels einer Spannzange an einem Grundkörper der Schweißzange angeordnet.
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Im Weiteren ist aus der
DE 20 2011 102 682 U1 eine Roboter- oder Maschinenschweißzange mit mindestens einem Zangenarm bekannt, wobei dem Zangenarm eine Schweißelektrode zugeordnet ist. Mindestens ein Kolben-/Zylindereinheiten umfassender motorischer Antrieb ist zur Bewegung des zugeordneten Zangenarms vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeugmodul der eingangs genannten Art zu schaffen, das flexibel bei der Fertigung verschiedener Bauteile bei einer relativ geringen Rüstzeit verwendbar ist
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
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Ein Werkzeugmodul umfasst mindestens eine Roboterschnittstelle zur Ankopplung eines Roboterarms und eine Werkzeugeinheit, der mindestens ein Transformator und mindestens eine Werkzeugaufnahme mit einem Schnellspannsystem zum automatischen Werkzeugwechsel zugeordnet sind, wobei in der Werkzeugaufnahme ein mit einem Werkzeug bestückbarer und endseitig einen Spannkopf aufweisender Schaft aufnehmbar ist, und der Werkzeugaufnahme ist mindestens eine Kontakteinheit für eine Übertragung einer elektrischen Spannung und ein Fluidkanal zur abgedichteten Einleitung eines Fluids in den in der Werkzeugaufnahme eingespannten Schaft zugeordnet.
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Durch das Schnellspannsystem sind die Rüstzeiten bei einem Werkzeugwechsel wesentlich reduziert, da nicht das gesamte Werkzeugmodul am Roboterarm, sondern nur das in dem Schaft aufgenommenen Werkzeug gewechselt wird. Der Schaft mit dem Werkzeug kann gemeinsam mit weiteren Schäften und anderen Werkzeugen in einem Magazin gelagert sein und der Roboterarm kann das Werkzeugmodul zum Wechsel des mit dem Werkzeug bestückten Schaftes zu dem Magazin verfahren, das Lösen des Schaftes und dessen Befestigung erfolgt selbsttätig, wobei das Schnellspannsystem einen elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Antrieb zum Spannen und Lösen des Spannkopfs in der Werkzeugaufnahme umfasst. Bei dem Schnellspannsystem handelt es sich um ein so genanntes 0-Spannsystem, bei dem die Position des Werkzeugs in dem Werkzeugmodul sichergestellt ist.
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Da an der Werkzeugaufnahme über die Kontakteinheit eine elektrische Spannung anlegbar und eine Schnittstelle für ein Fluid vorgesehen ist, können beliebige Werkzeuge mit dem Werkzeugmodul gekoppelt werden, beispielsweise drehende Werkzeuge, Greifwerkzeuge, aber auch Zangenarme mit Schweißelektroden, insbesondere zum Punktschweißen. Die elektrische Verbindung und/oder die Kopplung mit dem Fluidkanal wird beim Spannen des Schaftes mit dem jeweiligen Werkzeug in dem Werkzeugmodul hergestellt und selbstverständlich auch wieder getrennt. Die entsprechenden Signale können über die Roboterschnittstelle übertragen werden.
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Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um Druckluft, Öl oder eine Kühlflüssigkeit handeln.
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Um mit dem Werkzeugmodul eine Schweißzange bereitstellen zu können, sind zwei winkelförmig zueinander versetzt angeordnete Werkzeugaufnahmen vorgesehen, die mit dem mindestens einen Transformator zur Erzeugung einen Punktschweißstroms gekoppelt sind, wobei zumindest eine der Werkzeugaufnahmen relativ zu der anderen Werkzeugaufnahme verlagerbar ist. Die beiden Werkzeugaufnahmen können beispielsweise rechtwinklig zueinander angeordnet sein. Zum Kontaktieren miteinander durch Punktschweißen zu verbindender Bauteile eines Werkstücks mittels zwei Elektroden, von denen jeweils eine Punktschweißelektrode einer Werkzeugaufnahme zugeordnet ist, werden die Werkzeugaufnahmen relativ zueinander derart verfahren, dass die beiden Elektroden unter der vorbestimmten Kraft an dem Werkstück anliegen und nach dem Schweißen das Werkstück wieder freigeben. Selbstverständlich können zum Schweißen von Werkstoffen, die einen relativ hohen Schweißstrom benötigen, auch zwei oder mehr Transformatoren dem Werkzeugmodul zugeordnet sein.
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Vorzugsweise ist die verlagerbare Werkzeugaufnahme in einem linear geführten Schlitten ausgebildet, wobei dem Schlitten ein Antrieb zugeordnet und zwischen dem Schlitten und der Führung des Werkzeugmoduls eine elektrische Kontakteinheit angeordnet ist. Bei dem Antrieb des Schlittens kann es sich beispielsweise um einen Schrittmotor handeln, der ein positionsgenaues Verfahren sicherstellt und dabei auch eine relativ hohe Anpresskraft erzeugen kann, die beim Punktschweißen benötigt wird. Selbstverständlich ist zur Sicherstellung der Strom-/Spannungsübertragung von dem mindestens einen Transformator zu dem als Punktschweißelektrode ausgebildeten Werkzeug die elektrische Kontakteinheit vorgesehen, die insbesondere Schleifkontakte umfasst. Die beispielsweise lamellenförmigen Schleifkontakte bestehen insbesondere aus einem relativ edlen Metall, wie z.B. Silber, und weisen gegenüber den üblichen Lamellenkontakten aus einem Kupferwerkstoff den Vorteil des geringeren Gewichts und der leichteren Trennbarkeit der elektrisch gekoppelten Teile auf.
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Damit beispielsweise die Kühlflüssigkeit im Kreislauf strömen kann, insbesondere durch ein Temperiergerät, sind der Werkzeugaufnahme zwei Fluidkanäle für eine Kühlflüssigkeit zugeordnet.
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Zur Positionierung der Werkzeugaufnahmen relativ zu der Roboterschnittstelle umfasst das Werkzeugmodul eine Ausgleichseinheit, wobei der Ausgleichseinheit die Roboterschnittstelle zugeordnet ist und die Ausgleichseinheit relativ zu der Werkzeugeinheit verlagerbar ist. Bevorzugt ist zwischen der Ausgleicheinheit und der Werkzeugeinheit ein Servomotor zur Lageveränderung angeordnet.
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Ein Werkzeug zur Verwendung mit dem zuvor erläuterten Werkzeugmodul umfasst einen zugeordneten Schaft, der endseitig einen Spannkopf zur Kopplung mit dem Schnellspannsystem zum automatischen Werkzeugwechsel des Werkzeugmoduls aufweist. Das Werkzeug ist als eine Elektrode zum Punktschweißen ausgebildet, die mittels des durch den Fluidkanal strömenden Fluids kühlbar und über die Kontakteinheit mit einem von dem Transformator bereitgestellten Schweißstrom versorgbar ist.
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Vorzugsweise ist in den Schaft ein mit der Elektrode zum Punktschweißen verbundener Adapter verbundener Adapter eingesetzt, der eine Führungseinrichtung zur Ablage in einem Werkzeugmagazin aufweist. Insbesondere die Führungseinrichtung, die beispielsweise Zentrierbohrungen oder Zentrierflächen umfassen kann, ermöglicht eine Lagerung der Werkzeuge in einem Werkzeugmagazin in einer definierten Lage sowie deren Entnahme mittels des an dem Werkzeugmodul befestigten Roboterarms. Die Elektrode zum Punktschweißen, also die Punktschweißelektrode bildet gemeinsam mit dem Adapter einen Schweißzangenarm.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 eine Darstellung eines an einem Roboterarm angebrachten Werkzeugmoduls und eines Werkezugmagazins mit einem Werkzeug,
- 2 eine Vorderansicht des Werkzeugmoduls,
- 3 eine Seitenansicht des Werkzeugmoduls nach 2,
- 4 eine Schnittdarstellung des Werkzeugmoduls nach 3 und eine
- 5 eine Teildarstellung des Werkzeugmoduls nach 2 im Schnitt.
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Das Werkzeugmagazin 1 ist vorliegend als ein Gestell ausgebildet, das zur Halterung von Werkzeugen 2, die vorliegend Punktschweißelektroden 3 umfassen, jeweils paarweise angeordnete Bolzen 4 aufweist, die in Bohrungen 5 einer Führungseinrichtung eingreifen, um die Werkzeuge 2 in einer definierten Lage zu lagern. An dem mehrachsig bewegbaren Roboterarm 11 ist das Werkzeugmodul 6 über eine Roboterschnittstelle 7 befestigt, wobei an dem Werkzeugmodul 6 zwei u 90° zueinander versetzte Roboterschnittstellen 7 vorgesehen sind, um die Flexibilität der Anordnung des Werkzeugmoduls 6 an dem Roboterarm 1 zu erhöhen. Die Roboterschnittstelle 7 umfasst zumindest einen Befestigungsflansch zur mechanischen Kopplung des Werkzeugmoduls 6 mit dem Roboterarm 11. Selbstverständlich können auch weitere Schnittstellen zur Energieversorgung und/oder Datenübertragung oder dergleichen an der Roboterschnittstelle 7 oder an separaten Schnittstellen realisiert sein. Die beiden Roboterschnittstellen 7 des Werkzeugmoduls 6 sind einer Ausgleichseinheit 8 zugeordnet, die mittels eines Servomotors 9 relativ zu einer Werkzeugeinheit 10 des Werkzeugmoduls 6 verlagerbar ist, um eine möglichst genaue Positionierung der Werkzeuge 2 an einem zu bearbeitenden, insbesondere punktzuschweißenden, Werkstück zu realisieren.
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Der Werkzeugeinheit 10 des Werkzeugmoduls 6 ist mindestens ein Transformator 12 zur Erzeugung eines beim Punktschweißen benötigten Schweißstroms zugeordnet, wobei selbstverständlich auch zwei oder mehr Transformatoren 12 vorsehbar sein können. Im Weiteren umfasst die Werkzeugeinheit 10 zwei winkelförmig zueinander angeordnete Werkzeugaufnahmen 13, die beispielsweise um 90° versetzt zueinander angeordnet sind. Jeder der Werkzeugaufnahmen 13 ist ein Schnellspannsystem zum automatischen Werkzeugwechsel zugeordnet, das zum einen an der beispielsweise kegelstumpfförmigen Werkzeugaufnahme 13 ein Spannelement 15 umfasst, das einen an einem freien Ende eines Schaftes 14 angeordneten Spannkopf 23 lösbar arretiert. Der Schaft 14 weist hierbei eine zu der Werkzeugaufnahme 13 korrespondierende Geometrie auf, die auch einer Normung unterliegen kann. Das Spannelement 15 kann elektromotorisch, hydraulisch und/oder pneumatisch mittels eines anliegenden Signals betätigbar sein Solche Schnellspannsysteme sind dem Fachmann beispielsweise aus dem Bereich computergesteuerter Werkzeugmaschinen bekannt.
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Die eine Werkzeugaufnahme 13 ist fest in der Werkzeugeinheit 10 installiert und nimmt beispielsweise die C-förmig gestaltete Punktschweißelektrode 3 auf. Diese starr in der Werkzeugeinheit 10 montierte Werkzeugaufnahme 13 ist elektrisch mit dem Transformator 12 verbunden, wobei die Strom-/Spannungsleitungen der Kontakteinheit 18 starr ausgebildet sein können, da diese Werkzeugeinheit 10 keine Relativbewegung zu dem Transformator 12 ausführt.
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Die andere Werkzeugaufnahme 13 ist in einem linear verfahrbaren Schlitten 16 installiert, wobei in der Werkzeugeinheit 10 lamellenförmige Schleifkontakte 17 der Kontakteinheit 18 installiert sind, die eine Strom-/Spannungskopplung des Transformators mit der Werkzeugaufnahme 13 sicherstellen. Der Schlitten 16 ist mittels eines einen elektrischen oder pneumatischen oder hydraulischen Antriebs 24 verfahrbar. Mit der verfahrbaren Werkzeugaufnahme 13 kann eine gerade Punktschweißelektrode 3 in Richtung der C-förmigen Punktschweißelektrode 3 verfahren werden, um ein Werkstück zu schweißen.
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Den beiden Werkzeugaufnahmen 13 sind Fluidkanäle 19 zugeordnet, deren freien Auslässe mit Dichtungen versehen sind, die an dem eingespannten Schäften 14, die korrespondierende Einlässe 20 aufweisen, abgedichtet anliegen. Die Einlässe 20 der Schäfte 14 gehen in Bohrungen 21 über, die sich durch die Schäfte 14 sowie mit den Schäften 14 fest verbundene Adapter 22, die die Punktschweißelektroden 3 tragen, erstrecken. Die Fluidkanäle 19 und die Bohrungen können von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden, die durch ein Temperiergerät gepumpt wird, um die Punktschweißelektroden 3 zu kühlen.
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Im Weiteren sind die beiden elektrisch leitfähigen Werkzeugaufnahmen 13 elektrisch über die Schäfte 14 und die Adapter 22 mit den Punktschweißelektroden 3 verbunden.
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Für einen Werkzeugwechsel bringt der Roboterarm 11 das Werkzeug 2 zu dem Werkzeugmagazin 1 und setzt es auf den zugeordneten Bolzen 4 ab. Sonach löst das Spannelement 15 des Schnellspannsystems seine Arretierung mit dem Spannkopf 23 des Schaftes 14 und das Werkzeug 2 ist frei an dem Werkzeugmagazin 1. Anschießend verfährt der Roboterarm 11 zu der nächsten vorbestimmten Position des Werkzeugmagazins 1 und führt das Werkzeugmodul 6 mit seiner Werkzeugaufnahme 13 über den Schaft 14 des ausgewählten Werkzeugs 2 und der Spannkopf 23 wird durch das das Spannelement 15 arretiert. Hierbei wird zum einen die abgedichtete Verbindung zwischen den Fluidkanälen 19 und den Einlässen 20 und zum anderen die elektrische Kontaktierung mit dem Transformator 12 hergestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugmagazin
- 2
- Werkzeug
- 3
- Punktschweißelektrode
- 4
- Bolzen
- 5
- Bohrung
- 6
- Werkzeugmodul
- 7
- Roboterschnittstelle
- 8
- Ausgleichseinheit
- 9
- Servomotor
- 10
- Werkzeugeinheit
- 11
- Roboterarm
- 12
- Transformator
- 13
- Werkzeugaufnahme
- 14
- Schaft
- 15
- Spannelement
- 16
- Schlitten
- 17
- Schleifkontakt
- 18
- Kontakteinheit
- 19
- Fluidkanal
- 20
- Einlass
- 21
- Bohrung
- 22
- Adapter
- 23
- Spannkopf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007054980 A1 [0005]
- DE 202011102682 U1 [0006]
