BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen von Mauerwerk aus natürlichen oder künstlichen Steinen, die als Ladeeinheit an den Arbeitsort verbracht und mit Mörtel vermauert werden, sowie eine zur Ausführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Im modernen Hochbau werden ausser für dekorative Wandverkleidungen praktisch nur noch Steine mit genormten Abmessungen verwendet, die zu Ladeeinheiten auf Paletten geschichtet und von einem Kran oder einem Hubstapler an den Arbeitsplatz transportiert werden. Der Mörtel wird in der gewünschten Zusammensetzung entweder von einem Mörtelwerk angeliefert oder auf der Baustelle in einer Mischanlage aufbereitet und an die einzelnen Arbeitsplätze verteilt, wofür geeignete Transportbehälter und -einrichtungen vorgesehen sind. Reine Handarbeit ist immer noch das Erstellen des Mauerwerks, wobei ein Facharbeiter die Steine einzeln von der Ladeeinheit abnimmt, mindestens auf der unteren Auflagefläche und einer seitlichen Anlagefläche mit Mörtel belegt und am vorgesehenen Ort auf eine tragende Bodenfläche auflegt oder zum Verband einer begonnenen Mauer zufügt.
Diese Handarbeit erfordert Erfahrung und Geschick, ist körperlich anstrengend und muss gewöhnlich an einem gegen die Witterung nicht geschützten Ort ausgeführt werden. Weil ausserdem der Arbeitsvorrat jahreszeitlich bedingten grossen Schwankungen unterliegt, ist diese Art der Berufsarbeit nicht mehr sehr attraktiv.
Der vorliegenden Erfindung lag darum die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die die körperliche Arbeit des Handwerkers übernimmt, die handwerkliches Geschick und Erfahrung durch eine automatische Steuerung ausgleicht und deren Einsatz Unterschiede des Arbeitsauftragsbestands ausgleichen kann.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das gekennzeichnet ist durch die Verwendung eines elektronisch steuerbaren Roboters mit mindestens einem bewegbaren Ausleger und einem daran angeordneten Greifer, welcher Roboter am Arbeitsort derart positioniert wird, dass die Ladeeinheit und mindestens ein Teil des zu erstellenden Mauerwerks im Arbeitsbereich des Greifers liegen, sowie einer elektronischen Steuereinrichtung,
die entsprechend einem vorgegebenen Betriebsprogramm und einem Anwenderprogramm, das die Eckwerte des zu erstellenden Mauerwerks und der Ladeeinheit sowie deren Ort relativ zum Mauerwerk und die Abmessungen der zu vermauernden Steine enthält und die Bewegungsabläufe des Auslegers und des Greifers beim Abheben der Steine von der Ladeeinheit sowie beim Transportieren zum und Absetzen auf dem Mauerwerk unter Berücksichtigung der für jeden Stein anderen Lage steuert.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht, dem Bauhandwerker die mit dem Manipulieren der Steine verbundene körperliche Arbeit abzunehmen und ein Stück Mauerwerk in genauer Übereinstimmung mit dem Bauplan selbsttätig zu erstellen.
Eine bevorzugte Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Roboter mit einem Unterbau, einem aus mehreren schwenkbar miteinander verbundenen Gliedern gebildeten Ausleger und einem Greifer, welcher Ausleger am Unterbau und welcher Greifer im Bereich des freien Endes des Auslegers schwenkbar befestigt sind, und durch eine elektronische Steuereinrichtung, die entsprechend dem Anwender- und dem Betriebsprogramm Steuersignale für die Antriebseinrichtungen der unabhängig voneinander ansteuerbaren Schwenkverbindungen der Glieder des Auslegers und des Greifers erzeugt.
Nachfolgend wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand einer zu dessen Ausführung geeigneten Vorrichtung mit Hilfe der Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines Arbeitsplatzes mit einem Bauroboter und
Fig. 2 das Blockschema der elektronischen Steuereinrichtung für den Bauroboter.
Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Arbeitsplatz mit einer Palettenladung 10 aus aufgeschichteten Backsteinen, einen Behälter 11 mit Mörtel, ein Stück Mauerwerk 12 und einen Bauroboter 13.
Die Palettenladung besteht aus einer für den Transport mit einem Hubstapler geeigneten standardisierten Holzpalette 15, auf der die Backsteine (von denen nur ein Backstein mit dem Bezugszeichen 16 identifiziert ist) in vorgegebener Anordnung aufgestapelt sind. Im gezeigten Beispiel enthält die gestapelte Ladung noch drei vollständige Schichten von je fünf Reihen Backsteinen, die mit ihrer kleinsten Seitenfläche aneinanderliegen, während von der obersten vierten Schicht schon drei Reihen gesamthaft und von deren vierter Reihe ein Backstein abgehoben sind. Der Ort der Palettenladung ist durch vier Eckwerte 17, 18, 19,20 bestimmt, die den vier Ecken der Ladung entsprechen.
Das Mauerwerk 12 besteht in der gezeigten Form aus drei durchgehenden Lagen 23, 24, 25 aus Backsteinen und zwei auf der obersten Lage 25 liegenden Teillagen 27, 28, die etwa in der Mitte der Längsausdehnung voneinander beabstandet sind, um den unteren Teil einer Fensteröffnung 29 zu bilden.
Auf der oberen Teillage 28 ist als Anfang einer weiteren Teillage ein einzelner Backstein 31 aufgelegt. Das Mauerwerk 12 ist durch mindestens vier Eckwerte bestimmt, nämlich die Begrenzungen 32, 33 der Längsausdehnung und die seitliche Begrenzung 34, 35 der Fensteröffnung 29. Jedem Eckwert der Palettenladung und des Mauerstücks sind drei Koordinaten zugeordnet, die x-y-Koordinaten des Grundrisses und die z-Koordinate für die Höhe. Die die Fensteröffnung definierenden Eckwerte enthalten eine erste und eine zweite zl und z2-Koordinate für die untere und die (nicht gezeigte) obere Begrenzung der Fensteröffnung.
Der Bauroboter 13 besteht aus einem Unterwagen 40, einem mehrgliedrigen Ausleger 41, der um eine senkrechte Achse 42 drehbar und um eine waagerechte Achse 43 schwenkbar am Unterwagen befestigt ist und dessen Glieder schwenkbar miteinander verbunden sind. Im Bereich des freien Endes des Auslegers ist ein Greifer 44 angelenkt, der zwei bewegbare Greifbacken 45 aufweist (die in Fig. 1 einen Backstein 47 halten). Im Bereich des freien Endes des Auslegers ist weiter ein Hilfsausleger 48 angelenkt, der eine Auslassdüse 49 trägt. Auf dem Unterwagen des Bauroboters ist eine Mörtelfördereinrichtung 51 aufgesetzt, von deren Einlass eine erste flexible Schlauchleitung 52 in den Behälter 11 mit dem Mörtel führt und von deren Auslass eine zweite flexible Schlauchleitung 53 zur Düse 49 führt.
Weiter ist am Roboter eine elektronische Steuereinrichtung 55 angeordnet, die die Bewegungsabläufe des Auslegers und des Greifers, den Betrieb der Mörtelfördereinrichtung und die Stellung der Düse steuert, wie nachfolgend noch beschrieben wird.
Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird gemäss der Fig. 2 zuerst ein Betriebsprogramm 60 erstellt, das ein für die gesamte Vorrichtung geeignetes Organisations- und Umsetzprogramm enthält. Dieses Betriebsprogramm wird auf einem ersten auswechselbaren Datenträger 61 gespeichert. Danach werden die optimale Stellung des Roboters relativ zum aufzuführenden Mauerwerk und die optimale Stellung der Palettenladung relativ zum Roboter, die beide hauptsächlich von der Reichweite des Auslegers bestimmt sind, in den Bauplan 63 für das Mauerwerk eingezeichnet. Die oben beschriebenen Koordinaten der Eckpunkte von Mauerwerk und Palettenladung sowie die x-y-Koordinate der senkrechten Drehachse 42 des Auslegers und die Grösse der die Ladung bildenden Steine und die gewünschte Anordnung der Steine im Mauerwerk werden dann in einen Datenträger 64 eingespeichert.
Die beiden Datenträger werden in das Eingabegerät 66 einer elektronischen Steuereinrichtung 67 eingelegt. Dieses Eingabegerät enthält auch einen Anschluss für ein manuell bedienbares Dateneingabepult 62, mit dem Daten nachgeliefert oder während des Arbeitsablaufs erforderliche Korrektur-Daten eingegeben werden können.
Sobald der Roboter und die Palettenladung an den im Bauplan eingezeichneten Ort verbracht sind, wird die elektronische Steuereinrichtung 67 in Betrieb gesetzt. Dann werden die Daten des Datenträgers 64 in Übereinstimmung mit denen des Datenträgers 61 zu Ausgangssignalen verarbeitet, die an einen Signalwandler 68 geleitet werden, an dessen Ausgängen die Steuersignale für die Antriebseinrichtung 69 des Auslegers und Greifers, die Antriebs einrichtung 71 der Mörtelfördereinrichtung und die Antriebseinrichtungen 72 für das Fahrwerk des Unterwagens erscheinen. Jede Antriebseinrichtung ist mit einem Signalgeber 73 bzw. 74 bzw. 75 bewegungsverbunden. Die Ausgangssignale dieser Signalgeber entsprechen dem Ist-Wert der Bewegung oder Verstellung und werden an Rückmeldeeingänge 77 der elektronischen Steuereinrichtung geleitet.
Die Steuereinrichtung vergleicht die eingehenden Ist-Werte periodisch mit den ausgegebenen Soll-Werten und erzeugt gegebenenfalls Korrektursignale, bis die Ist- und die Soll-Werte übereinstimmen.
Eine elektronische Kamera 77 ist auf die Greifbacken des Greifers gerichtet. Das Bild der Kamera wird in einer Einrichtung 78 zur Bildverarbeitung digitalisiert. Die digitalen Signale werden über einen Korrektureingang 79 an die elektronische Steuereinrichtung 67 geleitet, wo die Signale verarbeitet werden, um beispielsweise festzustellen, ob die Greifbacken einen Stein erfasst haben und hängt, d. h. in der Mitte erfasst wurde, und wo gegebenenfalls auch Korrektursignale erstellt und ausgegeben werden.
Die in ihrem prinzipiellen Aufbau beschriebene Vorrichtung kann aus handelsüblichen Einrichtungen und Geräten zusammengestellt werden, weshalb auf deren Konstruktion und Funktion hier ausdrucklich verz;chtet wird.
Es versteht sich, dass die beschriebene Vorrichtung auf vielerlei Weise abgeändert und an spezielle Betriebsbedingungen angepasst werden kann. So kann beispielsweise auf den ersten externen Datenträger verzichtet und das gesamte Betriebsprogramm in die elektronische Steuereinrichtung integriert werden. Zum Speichern der Koordinaten der Eckwerte und der Abmessungen der Steine auf dem zweiten Datenträger kann ein Dateneingabepult mit einem Tastenfeld verwendet werden, oder die Bauzeichnung kann mit Hilfe einer CAD-Einrichtung oder einer Maus eingelesen werden.
Die Stellung des Roboters und insbesondere der senkrechten Drehachse von dessen Ausleger relativ zu den Eckwerten der Palettenladung und dem zu erstellenden Mauerwerk kann mittels eines teach-in festgelegt werden, wobei der Greifer des Roboters durch Handsteuerung an die einzelnen Eckwerte herangeführt und die Daten der dabei aufgefundenen Positionen eingespeichert werden. Als externer, auswechselbarer Datenträger kann eine Floppy Disk oder ein für die relativ staubige Umgebung eines Bauplatzes besser geeigneter Magnetblasenspeicher verwendet werden. Es ist aber ebenso gut möglich, auch auf diesen zweiten externen Speicher zu verzichten und die für jeden Arbeitsplatz individuellen Werte direkt in einen Speicher der elektronischen Steuereinrichtung einzulesen.
Als Antriebseinrichtungen für die Glieder des Auslegers, des Hilfsauslegers und des Greifers ebenso wie für das Fahrwerk des Unterwagens und für die Mörtelfördereinrichtung werden vorzugsweise Schrittmotoren mit hydraulischen Verstärkern und Impulszähler als Ist-Wertsignalgeber verwendet.
Natürlich ist es auch möglich, für den Antrieb gewöhnliche Motoren und als Ist-Wertsignalgeber Inkremental- oder Absolutwertgeber zu verwenden. Das Verfahren des Roboters aus einer Arbeitsposition in eine andere erfolgt vorzugsweise längs eines aus Lichtstrahlen gebildeten Schnurgerüsts, das vorteilhafterweise mit einem elektronischen Nivelliergerät 81 erzeugt wird. Anstelle einer elektronischen Kamera, die ein Analog-Ausgangssignal liefert, kann auch ein Dioden Array verwendet werden, das digitale Ausgangssignale liefert und darum keinen nachgeschalteten A/D-Wandler benötigt.
Anstelle des oder zusätzlich zu dem beschriebenen Greifer können am Ausleger auch Saugnäpfe angeordnet sein, die an eine Unterdruckquelle angeschlossen sind und die dicht gepackten Steine soweit verschieben, dass sie der Greifer erfassen kann oder den Greifer ersetzen.
DESCRIPTION
The present invention relates to a method for creating masonry from natural or artificial stones, which are brought to the place of work as a loading unit and bricked up with mortar, and a device suitable for carrying out this method.
In modern building construction, apart from decorative wall cladding, practically only stones with standardized dimensions are used, which are layered into loading units on pallets and transported to the workplace by a crane or a forklift. The desired composition of the mortar is either supplied by a mortar factory or processed on site in a mixing plant and distributed to the individual workplaces, for which purpose suitable transport containers and devices are provided. The masonry is still pure manual work, whereby a skilled worker removes the stones individually from the loading unit, covers them with mortar at least on the lower support surface and a lateral contact surface, and places them on a load-bearing floor surface at the intended location or adds them to bond a started wall.
This handicraft requires experience and skill, is physically demanding and usually has to be done in a place that is not protected from the weather. Because the worklist is also subject to seasonal fluctuations, this type of work is no longer very attractive.
The present invention was therefore based on the object of providing a device which takes over the physical work of the craftsman, which balances manual skill and experience by means of an automatic control and the use of which can compensate for differences in the work order backlog.
According to the invention, this object is achieved with a method of the type mentioned at the outset, which is characterized by the use of an electronically controllable robot with at least one movable arm and a gripper arranged thereon, which robot is positioned at the work site in such a way that the loading unit and at least part of the masonry to be created lie in the working area of the gripper, and an electronic control device,
that according to a specified operating program and a user program, which contains the basic parameters of the masonry and the loading unit to be created, their location relative to the masonry and the dimensions of the stones to be bricked, and the movements of the boom and the gripper when the stones are lifted from the loading unit and when Transport to and set down on the masonry taking into account the different position for each stone controls.
The method described enables the construction worker to take the physical work associated with manipulating the stones and to independently create a piece of masonry in exact accordance with the construction plan.
A preferred device for carrying out the method according to the invention is characterized by a robot with a substructure, a cantilever formed from a plurality of pivotably interconnected links and a gripper, which cantilever is fastened to the substructure and which gripper is pivotably attached in the region of the free end of the cantilever, and by an electronic control device which generates control signals for the drive devices of the independently controllable swivel connections of the links of the boom and the gripper in accordance with the user program and the operating program.
The method according to the invention is described below with the aid of the figures using a device suitable for its implementation. Show it:
Fig. 1 is a perspective view of a workplace with a construction robot and
Fig. 2 shows the block diagram of the electronic control device for the construction robot.
1 schematically shows a work station with a pallet load 10 made of stacked bricks, a container 11 with mortar, a piece of masonry 12 and a construction robot 13.
The pallet load consists of a standardized wooden pallet 15 suitable for transportation by a forklift truck, on which the bricks (of which only one brick is identified by reference number 16) are stacked in a predetermined arrangement. In the example shown, the stacked load still contains three complete layers, each of five rows of bricks, which lie together with their smallest side surface, while the top fourth layer already has three rows in total and a brick is lifted from the fourth row. The location of the pallet load is determined by four basic values 17, 18, 19, 20 which correspond to the four corners of the load.
The masonry 12 in the form shown consists of three continuous layers 23, 24, 25 of bricks and two partial layers 27, 28 lying on the uppermost layer 25, which are spaced apart approximately in the middle of the longitudinal extent, around the lower part of a window opening 29 to build.
A single brick 31 is placed on the upper partial layer 28 as the beginning of a further partial layer. The masonry 12 is determined by at least four corner values, namely the boundaries 32, 33 of the longitudinal extent and the lateral border 34, 35 of the window opening 29. Each corner value of the pallet load and the wall piece are assigned three coordinates, the xy coordinates of the floor plan and the z -Coordinate for the height. The basic values defining the window opening contain a first and a second zl and z2 coordinate for the lower and the upper limit (not shown) of the window opening.
The construction robot 13 consists of an undercarriage 40, a multi-section boom 41, which is rotatable about a vertical axis 42 and pivotally attached to the undercarriage about a horizontal axis 43 and the links of which are pivotally connected to one another. In the area of the free end of the boom, a gripper 44 is articulated, which has two movable gripping jaws 45 (which hold a brick 47 in FIG. 1). An auxiliary boom 48, which carries an outlet nozzle 49, is also articulated in the region of the free end of the boom. A mortar conveyor device 51 is placed on the undercarriage of the construction robot, from the inlet of which a first flexible hose line 52 leads into the container 11 with the mortar and from the outlet of which a second flexible hose line 53 leads to the nozzle 49.
Furthermore, an electronic control device 55 is arranged on the robot, which controls the movement sequences of the boom and the gripper, the operation of the mortar conveying device and the position of the nozzle, as will be described below.
2, an operating program 60 is first created which contains an organization and implementation program suitable for the entire device. This operating program is stored on a first exchangeable data carrier 61. Then the optimal position of the robot relative to the masonry to be performed and the optimal position of the pallet load relative to the robot, both of which are mainly determined by the reach of the boom, are drawn in the construction plan 63 for the masonry. The above-described coordinates of the corner points of masonry and pallet load as well as the x-y coordinate of the vertical axis of rotation 42 of the boom and the size of the stones forming the load and the desired arrangement of the stones in the masonry are then stored in a data carrier 64.
The two data carriers are inserted into the input device 66 of an electronic control device 67. This input device also contains a connection for a manually operated data entry console 62, with which data can be supplied later or correction data required during the workflow can be entered.
As soon as the robot and the pallet load have been brought to the location shown in the construction plan, the electronic control device 67 is put into operation. Then the data of the data carrier 64 is processed in accordance with that of the data carrier 61 to output signals which are sent to a signal converter 68, at the outputs of which the control signals for the drive device 69 of the boom and gripper, the drive device 71 of the mortar conveying device and the drive devices 72 appear for the undercarriage chassis. Each drive device is motionally connected to a signal transmitter 73 or 74 or 75. The output signals of these signal transmitters correspond to the actual value of the movement or adjustment and are sent to feedback inputs 77 of the electronic control device.
The control device periodically compares the incoming actual values with the output target values and, if necessary, generates correction signals until the actual and target values match.
An electronic camera 77 is aimed at the gripper jaws of the gripper. The image of the camera is digitized in a device 78 for image processing. The digital signals are passed via a correction input 79 to the electronic control device 67, where the signals are processed, for example to determine whether the gripping jaws have caught a stone and are hanging, i. H. was recorded in the middle, and where correction signals may also be generated and output.
The device described in its basic structure can be assembled from commercially available devices and equipment, which is why its construction and function are expressly avoided here.
It is understood that the device described can be modified in many ways and adapted to special operating conditions. For example, the first external data carrier can be dispensed with and the entire operating program can be integrated into the electronic control device. A data input console with a keypad can be used to store the coordinates of the basic values and the dimensions of the stones on the second data carrier, or the construction drawing can be read in using a CAD device or a mouse.
The position of the robot and in particular the vertical axis of rotation of its boom relative to the basic values of the pallet load and the masonry to be created can be determined by means of a teach-in, whereby the robot's gripper guides the individual basic values by hand control and the data of the data found in the process Positions can be saved. A floppy disk or a magnetic bubble memory that is more suitable for the relatively dusty environment of a building site can be used as an external, exchangeable data carrier. However, it is equally possible to dispense with this second external memory and to read the individual values for each work station directly into a memory of the electronic control device.
Stepper motors with hydraulic amplifiers and pulse counters are preferably used as actual value signal transmitters as drive devices for the links of the jib, the auxiliary jib and the gripper as well as for the undercarriage of the undercarriage and for the mortar conveying device.
Of course, it is also possible to use conventional motors for the drive and incremental or absolute value transmitters as actual value signal transmitters. The robot is preferably moved from one working position to another along a batter board formed from light beams, which is advantageously generated with an electronic leveling device 81. Instead of an electronic camera that delivers an analog output signal, a diode array can also be used that delivers digital output signals and therefore does not require a downstream A / D converter.
Instead of or in addition to the gripper described, suction cups can also be arranged on the boom, which are connected to a vacuum source and move the densely packed stones to such an extent that the gripper can grip them or replace the gripper.