DE202006016830U1

DE202006016830U1 - Werkzeug mit Positionsbestimmung

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Publication number: DE202006016830U1
Application number: DE202006016830U
Authority: DE
Original assignee: Eduard Wille GmbH and Co KG
Current assignee: Stahlwille Eduard Wille GmbH and Co KG
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2016-11-01
Also published as: ES1066527U; ITMI20070361U1; FR2908342A3; ES1066527Y; FR2908342B3

Abstract

Werkzeug (10) zum Bearbeiten von Werkstücken, wobei die jeweilige Position des Werkzeugs (10) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (25) zur selbständigen Positions- bzw. Lagebestimmung des Werkzeugs (10) vorgesehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Neuerung betrifft ein Werkzeug zum Bearbeiten von Werkstücken, wobei die jeweilige Position des Werkzeugs erfasst wird.
Stand der Technik
Für die Qualitätsüberwachung ist es häufig erforderlich, festzustellen, wann sich ein Werkzeug an welcher Position befindet. Mittels der Position eines Werkzeugs kann ein bestimmter Arbeitsvorgang identifiziert und Sollwerte vorgegeben bzw. überwacht werden. Beispielsweise kann bei einer Montage mit mehreren Schraubfällen durch die Positionserfassung des Werkzeugs für jeden einzelnen Schraubfall ein entsprechender Drehmoment oder Drehwinkel vorgegeben und überwacht werden. Weiterhin ist eine Kontrolle der richtigen Reihenfolge oder des richtigen Zeitpunkts einzelner Verschraubungen möglich. Das Werkzeug kann sich dabei selbstständig auf den nächsten Schraubfall einstellen.
Bekannt ist eine Positionsbestimmung von Werkzeugen durch optische oder akustische Systeme. Dazu werden beispielsweise Videodaten aufgenommen und in einer Verarbeitungseinheit ausgewertet. Auch die Erzeugung und Registrierung von Ultraschallsignalen zur Positionsbestimmung ist bekannt.
Nachteilig bei den bekannten Systemen zur Positionsbestimmung von Werkzeugen ist eine zusätzlich zum Werkzeug notwendige externe Referenz oder ein externes Gerät, wie beispielsweise ortsfest montierte Ultraschallsender oder -empfänger bzw. Videoanlagen. Die externe Referenz oder das externe Gerät müssen kostenintensiv für jeden Arbeitsplatz installiert werden und nehmen zusammen mit externen Verarbeitungseinheiten wertvollen Arbeitsplatz in Anspruch. Weiterhin muss die externe Referenz auf jeden Arbeitsvorgang abgestimmt werden. Bei einer Änderung des Arbeitsvorgangs an einem Arbeitsplatz ist eine zeitaufwendig und teure Anpassung notwendig.
Offenbarung der Neuerung
Aufgabe der Neuerung ist es daher, die momentane Position eines Werkzeugs jederzeit zu erfassen ohne aufwendige und teure Systeme verwenden zu müssen.
Neuerungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Werkzeug zum Bearbeiten von Werkstücken der eingangs genannten Art eine Vorrichtung zur selbständigen Positions- bzw. Lagebestimmung des Werkzeugs vorgesehen ist.
Die Neuerung beruht auf dem Prinzip, keine externen Systeme und Einrichtungen zu verwenden, wie es beim Stand der Technik der Fall ist. Vielmehr wird die ganze Positionsbestimmung in bzw. auf das Werkzeug verlagert. Der Vorteil, der sich aus der Neuerung ergibt, ist, dass die jeweilige Position bzw. die Lage des Werkzeugs bestimmt werden kann, ohne zusätzliche Systeme verwenden zu müssen. Beispielsweise kann eine Reihenfolge der zu bearbeitenden Werkstücke festgelegt werden. Das Werkzeug kann dann so ausgebildet sein, dass es bei einer falschen Position mit einem Signalgeber ein geeignetes Signal erzeugt, so dass der Benutzer unmittelbar feststellen kann, ob er mit seinem Werkzeug die korrekte Stelle angesteuert hat. Die Erzeugung von Positionsdaten innerhalb des Werkzeugs birgt beliebige weitere Vorteile, z.B. dass sich auch die Position bei schlecht zugänglichen Werkstücken erfassen lässt. Hierfür sind keine zusätzlichen Ausbauten erforderlich, die den ohnehin geringen Arbeitsraum weiter einschränken.
Als vorteilhafte Ausgestaltung des neuerungsgemäßen Werkzeugs zum Bearbeiten von Werkstücken hat sich erwiesen, wenn die Vorrichtung zur Positions- bzw. Lagebestimmung des Werkzeugs einen Beschleunigungssensor enthält. Mit Beschleunigungssensoren lassen sich die Bewegungen eines Werkzeugs einfach und schnell erfassen. Ein vorteilhafter Aspekt ergibt sich dabei, wenn wenigstens drei Beschleunigungssensoren vorgesehen sind, wobei jeder Beschleunigungssensor für eine Raumdimension vorgesehen ist. Damit kann jederzeit die Position über die Beschleunigung bestimmt werden. Beispielsweise wird für jede kartesische Richtung eines kartesischen Koordinatensystems ein Beschleunigungssensor verwendet. Jede Raumposition lässt sich auf diese Weise ermitteln.
Eine weitere bevorzugte Ausbildung eines neuerungsgemäßen Werkzeugs zum Bearbeiten von Werkstücken wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zur Positions- bzw. Lagebestimmung des Werkzeugs eine optische Anordnung enthält, wobei die optische Anordnung eine Lichtquelle aufweist, deren Lichtausbreitungs- und/oder Reflexionseigenschaften zur Bestimmung der Position genutzt wird. Solche optischen Anordnungen sind in hinreichend kleiner Bauweise bekannt und ermöglichen eine einfache und kostengünstige Realisierung der Vorrichtung zur Positions- oder Lagebestimmung in dem Werkzeug.
Eine bevorzugte Variante ergibt sich ferner bei dem neuerungsgemäßen Werkzeug dadurch, dass die Vorrichtung zur Positions- bzw. Lagebestimmung des Werkzeugs eine akustische Anordnung enthält, wobei die akustische Anordnung eine Schallquelle aufweist, deren Schallausbreitungs- und/oder Reflexionseigenschaften zur Bestimmung der Position genutzt wird. Mit dieser akustischen Anordnung wird ebenfalls eine preiswerte Vorrichtung zur Positions- oder Lagebestimmung des Werkzeugs ermöglicht.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des neuerungsgemäßen Werkzeugs zum Bearbeiten von Werkstücken ergibt sich, indem das Werkzeug als Drehmomentschlüssel ausgebildet ist. Mit einem Drehmomentschlüssel werden oft mehrere Verschraubungen mit verschiedenen, vorgegebenen Drehmomenten oder Drehwinkeln nacheinander ausgeführt. Durch die integrierte Positions- bzw. Lagebestimmung ist eine automatische Vorgabe und Überwachung eines Drehmoments oder Drehwinkels für jede Verschraubung möglich. Außerdem ist die Reihenfolge der Verschraubungen oder der Zeitpunkt einer Verschraubung kontrollierbar.
In einer bevorzugten Ausbildung des neuerungsgemäßen Werkzeugs sind Prozessor- und/oder Speichermittel zur Verarbeitung der Positionsdaten, welche durch die Vorrichtung zur selbständigen Positions- bzw. Lagebestimmung des Werkzeugs erzeugt werden, vorgesehen. Durch diese Mittel wird einerseits eine selbstständige Vorgabe und Überwachung von Sollwerten für bestimmte Arbeitsvorgänge mit dem Werkzeug auf einfache Weise möglich. Andererseits sind gemessene Parameter entsprechend der jeweiligen Position des Werkzeugs, bzw. des dazugehörigen Arbeitsvorgangs unkompliziert in dem Werkzeug archivierbar.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Neuerung sind Übertragungsmittel zum Übertragen der Positionsdaten an eine externe Verarbeitungseinheit und/oder Archivierungseinheit in dem Werkzeug enthalten. Eine externe Verarbeitungseinheit oder Archivierungseinheit ist wesentlich größer dimensionierbar als die entsprechende Einheit im Werkzeug. Zudem ist die Ankopplung einer externen, stationären Einheit an ein Rechnernetzwerk unkompliziert möglich. Die Positionsdaten können somit langfristig archiviert werden. Auch ist die Steuerung der gesamten Montage unter Berücksichtigung aller Positionsdaten möglich. Auf fehlerhafte Positionsdaten kann schnell und zentral gesteuert reagiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Neuerung übermitteln die Übertragungsmittel die Positionsdaten über eine Funk- oder Infrarotverbindung. Mit einer drahtlosen Verbindung als Übertragungsmittel wird die Mobilität des Werkzeugs in keiner Weise eingeschränkt. Ein Benutzer des Werkzeugs wird während eines Arbeitsvorgangs nicht durch ein Kabel behindert oder sogar gefährdet.
Eine weitere neuerungsgemäße Ausbildung des Werkzeugs sieht Mittel zur Bestimmung einer Winkellage und/oder einer Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung des Werkzeugs vor. Mittels der Bestimmung dieser zusätzlichen Werte ist ein Arbeitsvorgang noch präziser überwachbar. So kann z. B. der Ansatzwinkel eines Werkzeugs an ein Werkstück genauer kontrolliert werden.
Weiterhin erweist sich als vorteilhaft, wenn Mittel zur Bestimmung der Rotationsbeschleunigung und/oder Rotationsgeschwindigkeit vorgesehen sind. Auf diese weise lassen sich Rotationsbewegung des Werkzeugs leicht zur Positionsbestimmung feststellen. Die Mittel sind als Rotationsbeschleunigungs- bzw. Winkelgeschwindigkeitssensoren ausgestaltet. Dies dient insbesondere auch hinsichtlich der Genauigkeit der Positionsbestimmung. Wahlweise können Sensoren auch für lineare und Rotationsbewegungen kombiniert werden.
Weitere Ausgestaltungen der Neuerung und Vorteile ergeben sich aus dem Gegenstand der Unteransprüche, sowie den Zeichnungen mit den dazugehörigen Beschreibungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze ein Ausführungsbeispiel eines Werkzeugs mit integrierter Positionsbestimmung einen Drehmomentschlüssel.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
In 1 wird mit 10 ein Drehmomentschlüssel bezeichnet. Der Drehmomentschlüssel 10 besteht aus einem Schlüsselarm 12 an dessen einem Ende ein Schlüsselkopf 14 ausgebildet ist. Der Schlüsselkopf 14 besitzt eine Werkzeugaufnahme 16, an der verschiedene Steckwerkzeuge, wie beispielsweise ein Maulschlüssel oder eine Sechskantnuss für Sechskantschraubenköpfe oder -muttern befestigt werden können. Am anderen Ende des Schlüsselarms 12 ist ein Handgriff 18 zur besseren Handhabung vorgesehen.
Im Schlüsselarm 12 ist ein Drehmomentsensor 20 zum Messen des momentan auf ein Werkstück ausgeübten Drehmoments integriert. Der Drehmomentsensor 20 ist z.B. als Dehnungsmessstreifen oder Piezoelement ausgebildet. Weiterhin enthält der Schlüsselarm 12 einen Drehwinkelgeber 22 zur Bestimmung eines Drehwinkels. Dazu verfingt der Drehwinkelgeber 22 beispielsweise über ein optisches oder elektronisches Gyroskop. Alternativ kann der Drehmomentsensor 20 und/oder der Drehwinkelgeber 22 in dem Schlüsselkopf 14 montiert sein. Der Drehmomentsensor 20 und der Drehwinkelgeber 22 übermitteln gemessene Werte elektronisch oder optisch an eine Steuerungseinheit 23.
Der Drehmomentschlüssel 10 enthält eine Vorrichtung 25 zur selbstständigen Positions- und Lagebestimmung des Drehmomentschlüssels 10. Dazu besitzt diese Vorrichtung 25 für jede der drei Raumrichtungen jeweils zwei Beschleunigungssensoren 26, also insgesamt sechs Beschleunigungssensoren 26. Die Messachsen von je zwei, möglichst weit voneinander entfernten Beschleunigungssensoren 26 sind parallel ausgerichtet. Damit ist aus den Messwerten sowohl eine Translation als auch eine Rotation des Drehmomentschlüssels 10 für jede Raumrichtung bestimmbar. Die Beschleunigungssensoren 26 können beispielsweise piezoelektrische Beschleunigungssensoren oder mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) sein. Weiterhin ist die Verwendung von optischen oder akustischen Beschleunigungssensoren möglich. Diese Sensoren enthalten eine Licht- oder Schallquelle und bestimmen eine Beschleunigung durch Wellenausbreitungs- oder Reflexionseigenschaften.
Bei einer günstigen Variante des Drehmomentschlüssels 10 werden drei zweiachsige Beschleunigungssensoren 26 verwendet. Damit wird bei gleichen Herstellungskosten der Material- und Platzbedarf halbiert. In einer weiteren, simpleren Ausführung des Drehmomentschlüssels 10 enthält die Vorrichtung 25 zur selbständigen Positions- und Lagebestimmung nur drei Bewegungssensoren 26, jeweils einen für jede Raumdimension. Diese Ausführungsform ist preiswert und einfach aufgebaut, ermöglicht aber nicht so präzise Lagebestimmungen des Drehmomentschlüssels 10 während bzw. nach einer Rotation.
Die Vorrichtung 25 zur selbstständigen Positions- und Lagebestimmung verfügt ferner über eine Steuerungseinheit 23 mit einem Prozessor 24 und einen Speicher 28. Die Beschleunigungssensoren 26 übermitteln gemessene Beschleunigungswerte elektronisch oder optisch an die Steuerungseinheit 23. Eine Speicherung von Sollwerten oder gemessenen Werten erfolgt im Speicher 28. Mittels einer Anzeige 30 sind Messwerte, Sollwerte oder Steuerfunktionen und Betriebszustände für einen Benutzer darstellbar. Dazu enthält die Anzeige 30 ein grafisches Display. In weiteren Ausbildungen des Drehmomentschlüssels 10 können zusätzlich Leuchtdioden, ein Lautsprecher oder ein Vibrator enthalten sein, um insbesondere Warnsignale für einen Benutzer darzustellen.
Zur manuellen Eingabe von Sollwerten oder zur Ansteuerung von Kontrollfunktionen durch einen Benutzer ist in der Nähe des Handgriffs 18 eine Eingabeeinheit 32 vorgesehen. Die Eingabeeinheit 32 ist dabei beispielsweise als Tastatur, einzelne Druckknöpfe oder Drehregler ausgebildet.
Im Bereich des Handgriffs 18 ist ferner eine bidirektionale Funkschnittstelle 34 eingearbeitet. Die Funkschnittstelle ist mit der Steuerungseinheit 23 gekoppelt. Anstelle einer manuellen Eingabe von Sollwerten über die Eingabeeinheit 32 können Sollwerte auch über die Funkschnittstelle 34 übertragen werden. Die Funkschnittstelle 34 genügt auch Anforderungen, Messwerte und/oder Messprotokolle an ein externes Gerät mit entsprechender Schnittstelle zu übertragen. Diese Werte können gegebenenfalls in dem Speicher 28 zwischengespeichert werden. Alternativ ist auch eine Infrarotschnittstelle möglich.
Die Stromversorgung 36 der elektronischen Vorrichtungen des Drehmomentschlüssels 10 wird durch eine Batterie oder einen Akkumulator sichergestellt, welche vorzugsweise im Handgriff 18 untergebracht ist. Um einen Austausch der Batterie oder des Akkumulators zu ermöglichen, werden diese mittels einer lösbaren Verschlussklappe 40 in dem Drehmomentschlüssel 10 befestigt. Zum Aufladen des Akkumulators ist auch eine weitere Schnittstelle am Drehmomentschlüssel 10 denkbar, welche in vorliegender Abbildung nicht dargestellt ist.
In einer Variante des Drehmomentsschlüssels 10 sind zusätzliche Mittel 38 zur Bestimmung einer Winkellage und/oder einer Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung des Drehmomentschlüssels 10 vorgesehen. Dadurch kann die Position und die Lage des Drehmomentschlüssels 10 im Raum noch präziser bestimmt werden.
Bei einer Inbetriebnahme des Drehmomentschlüssels 10 muss als erstes eine Nullpunktbestimmung durchgeführt werden. Dazu führt der Benutzer den Drehmomentschlüssel 10 an einen als Nullpunkt gekennzeichneten Ort am Arbeitsplatz oder am Werkstück. Durch Betätigung der Eingabeeinheit 30, z.B. durch Drücken einer Taste, signalisiert der Benutzer dann der Steuerungseinheit 23, dass sich der Drehmomentschlüssel 10 am Nullpunkt befindet. Die Ortkoordinaten des Nullpunkts sind im Speicher 28 gespeichert und können von der Steuerungseinheit 23 abgerufen werden. Wird der Drehmomentschlüssel 10 anschließend im Raum bewegt, berechnet die Steuerungseinheit 23 kontinuierlich den Ort und die Lage des Drehmomentschlüssels 10 aus den Ortkoordinaten des Nullpunkts und den Beschleunigungswerten, welche von den Beschleunigungssensoren übermittelt werden.
Wird der Drehmomentschlüssel 10 in einem nächsten Arbeitsschritt an den Ort einer Verschraubung geführt, identifiziert die Steuerungseinheit 23 mittels der Ortkoordinaten die Verschraubung und ruft die entsprechenden Sollwerte für den Drehmoment und/oder den Drehwinkel aus dem Speicher 28 ab. Die Sollwerte können in der Anzeige 30 für den Benutzer dargestellt werden. Sind die Sollwerte nicht im Speicher 28 verfügbar, kann die Steuerungseinheit 23 die Werte über die Funkschnittstelle 34 von einem externen Gerät anfordern.
Während der Verschraubung werden ständig der momentane Drehmoment und/oder der Drehwinkel durch den Drehmomentsensor 20 bzw. den Drehwinkelgeber 22 ermittelt und an die Steuerungseinheit 23 gesendet. Die Steuerungseinheit 23 kann diese Istwerte mit der Anzeige 30 darstellen. Erreicht ein Istwert den entsprechenden Sollwert, löst die Steuerungseinheit 23 ein optisches, akustisches oder fühlbares Signal aus. Der Benutzer beendet daraufhin die Verschraubung. Die gemessenen und im Speicher 28 zwischengespeicherten Werte können durch die Funkschnittstelle 34 an externe Geräte zur Protokollierung und Archivierung übermittelt werden.
Bei weiteren Schraubfällen wird entsprechend verfahren. So ist immer die Vorgabe der richtigen Sollwerte für einen Drehmoment oder einen Drehwinkel gewährleistet. Die Kennzeichnung von Schrauben und Drehmomentschlüsseln mit fest eingestellten Werten entfällt. Des Weiteren ist die richtige Reihenfolge der Verschraubungen oder der richtige Zeitpunkt einer Verschraubung überwachbar. Auftretende Fehler signalisiert der Drehmomentschlüssel 10 dem Benutzer über die Anzeige 30. Alternativ können Fehler über die Funkschnittstelle 34 an eine externe Zentrale gemeldet werde. Die Zentrale kann dann dem Benutzer das weitere Vorgehen über die Funkschnittstelle 34 und die Anzeige 30 vorschlagen.
Die Vorrichtung 25 zur Positions- und Lagebestimmung des Drehmomentschlüssels 10 arbeitet ohne teure und wartungsintensive externe Referenzen oder Geräte, wie beispielsweise Ultraschallfelder oder Videoanlagen. Diese externen Referenzen oder Geräte müssen teilweise arbeitsaufwendig an neue Werkstücke angepasst werden. Im Gegensatz dazu können bei einer Umstellung auf andere Werkstücke die neuen Sollwerte und Ortkoordinaten einfach über die Funkschnittstelle 34 in den Drehmomentschlüssel 10 eingepflegt werden.

Claims

Werkzeug (10) zum Bearbeiten von Werkstücken, wobei die jeweilige Position des Werkzeugs (10) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (25) zur selbständigen Positions- bzw. Lagebestimmung des Werkzeugs (10) vorgesehen ist.
Werkzeug (10) zum Bearbeiten von Werkstücken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (25) zur Positions- bzw. Lagebestimmung des Werkzeugs (10) einen Beschleunigungssensor (26) enthält.
Werkzeug (10) zum Bearbeiten von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (25) zur Positions- bzw. Lagebestimmung des Werkzeugs (10) wenigstens drei Beschleunigungssensoren (26) enthält, wobei jeder Beschleunigungssensor (26) für eine Raumdimension vorgesehen ist.
Werkzeug (10) zum Bearbeiten von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (25) zur Positions- bzw. Lagebestimmung des Werkzeugs (10) eine optische Anordnung (26) enthält, wobei die optische Anordnung eine Lichtquelle aufweist, deren Lichtausbreitungs- und/oder Reflexionseigenschaften zur Bestimmung der Position genutzt wird.
Werkzeug (10) zum Bearbeiten von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (25) zur Positions- bzw. Lagebestimmung des Werkzeugs (10) eine akustische Anordnung (26) enthält, wobei die akustische Anordnung eine Schallquelle aufweist, deren Schallausbreitungs- und/oder Reflexionseigenschaften zur Bestimmung der Position genutzt wird.
Werkzeug (10) zum Bearbeiten von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (10) als Drehmomentschlüssel (10) ausgebildet ist.
Werkzeug (10) zum Bearbeiten von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Prozessor- (24) und/oder Speichermittel (28) zur Verarbeitung der Positionsdaten, welche durch die Vorrichtung (25) zur selbständigen Positions- bzw. Lagebestimmung des Werkzeugs (10) erzeugt werden.
Werkzeug (10) zum Bearbeiten von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Übertragungsmittel (34) zum Übertragen der Positionsdaten an eine externe Verarbeitungseinheit und/oder Archivierungseinheit.
Werkzeug (10) zum Bearbeiten von Werkstücken nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überragungsmittel (34) über eine Funk- oder Infrarotverbindung die Positionsdaten übermitteln.
Werkzeug (10) zum Bearbeiten von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (38) zur Bestimmung einer Winkellage und/oder einer Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung des Werkzeugs vorgesehen sind.
Werkzeug (10) zum Bearbeiten von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmung der Rotationsbeschleunigung und/oder Rotationsgeschwindigkeit vorgesehen sind.