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Die
Erfindung betrifft ein Systemelement zum Transportieren und Positionieren
eines Werkzeugs auf einer Oberfläche
eines Werkstücks,
gemäß Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Um
Roboter für
die Bearbeitung großer Werkstücke einzusetzen,
kann es sich als ökonomisch
erweisen, das Werkstück
fest zu positionieren und den Roboter die zu bearbeitende Stelle
aufsuchen zu lassen. Wenn die Dimensionierung des Roboters klein
gehalten werden soll, muss er sich an einen geeigneten Platz bewegen
können.
Wenn das Werkstück
stabil genug ist, kann auf äußere Vorrichtungen
zum Hinführen
des Roboters, wie z. B. Gerüste,
verzichtet werden, sofern die technische Aufgabe einer Bewegung über das
Werkstück
gelöst
ist. Dies birgt in sich die Teilaufgabe der Fortbewegung und, falls
die Oberfläche
geneigt ist, der Haftung.
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Um
die Haftung an der Oberfläche
zu erreichen, ist es naheliegend, das Transport- und Positionierungsgerät mit einem
oder mehreren Saugnäpfen auszustatten.
Dieser Ansatz birgt in sich Probleme, die Fortbewegung zu realisieren.
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Bekannt
ist beispielsweise ein Fensterputz-Roboter, der mit Hilfe von Saugnäpfen an
den Scheiben haftet. Bei dem Fensterputz-Roboter wird eine gleitende
Saugfunktion erzielt. Um gute Dichteigenschaften mit guten Gleiteigenschaften
zu verbinden, wird dabei eine Flüssigkeit
eingespritzt, die zwischen Saugnapf und Scheibenoberfläche tritt.
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Der
bekannte Fensterputz-Roboter ist für die Arbeit auf im Wesentlichen
ungewölbten
Glasscheiben konzipiert, da je nach Krümmungsradius der Oberfläche, der
Größe der Saugnäpfe und
damit der Andruckstärke
erhebliche Grenzen gesetzt sind. Außerdem kann es für den Einsatz
unerwünscht
sein, eine regelmäßige Einspeisung
und Abgabe von Flüssigkeit
in Kauf nehmen zu müssen.
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Die
DE 26 47 070 A1 offenbart
die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Schaffung einer Möglichkeit zum sicheren Transportieren
und Positionieren eines Werkzeugs insbesondere auf einer geneigten
oder gewölbten
Oberfläche
eines Werkstücks.
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Die
Lösung
der gestellten Aufgabe ist dem Anspruch 1 zu entnehmen. Vorteilhafte
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Systemelement geschaffen zum Transportieren und Positionieren
eines Werkzeugs auf einer Oberfläche
eines Werkstücks,
enthaltend mindestens eine Saugvorrichtung, die einen Sogstrom erzeugt,
und eine Transportvorrichtung, die um die Saugvorrichtung herum
angeordnet ist, wobei die Transportvorrichtung aufweist: mindestens
zwei Walzen, die an der Saugvorrichtung drehbar abgestützt sind,
und Verbindungselemente, die jeweilige Endbereiche verschiedener
Walzen miteinander verbinden, wobei die Walzen und die Verbindungselemente
elastisch verformbar sind und sich bei Vorliegen des Sogstroms das
Systemelement an die Oberfläche
des Werkstücks
anpasst.
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Gemäß einer
Weiterentwicklung des Systemelements kontaktieren die Walzen und
die Verbindungselemente Seitenwände
der Saugvorrichtung, wodurch zwischen einer Saugseite der Saugvorrichtung,
den Walzen und den Verbindungselementen ein starker Unterdruck aufgrund
des Sogstroms erzeugt und das Systemelement sicher auf der Oberfläche des
Werkstücks
gehalten wird.
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Gemäß einer
anderen Weiterentwicklung des Systemelements erfolgt ein Vortrieb
des Systemelements durch ein an mindestens eine der Walzen angelegtes
Drehmoment, wodurch das Systemelement und entsprechend ein mit dem
Systemelement gekoppeltes Werkzeug einfach auf der Oberfläche des
Werkstücks
transportiert und positioniert werden kann, ohne die Oberfläche zu beschädigen.
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Gemäß einer
anderen Weiterentwicklung des Systemelements ist mindestens ein
Verbindungselement als ein Laufriemen ausgebildet, der zwei Walzen
an ihren Endbereichen miteinander verbindet, wobei zumindest an
einen Endbereichen der Walzen Riemenscheiben angeordnet sind, die
starr mit den Walzen verbunden sind, und um die der Laufriemen gelegt
ist, zur Übertragung
des Drehmoments an die Walzen. Die Walzen können alternativ frei drehen,
und der Vorwärtstrieb
des Systemelements kann allein durch die Laufriemen erfolgen.
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Alternativ
kann das Verbindungselement als eine Walze ausgebildet sein, die
beispielsweise auch durch einen Motor antreibbar ist, wodurch die
Beweglichkeit des Systemelements verbessert wird.
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Gemäß einer
anderen Weiterentwicklung des Systemelements ist eine Oberfläche der
Saugvorrichtung, die durch Seitenwände der Saugvorrichtung definiert
ist, und die von der Saugseite der Saugvorrichtung abgewandt ist,
viereckig ausgebildet, und jeweils eine Walze an zwei gegenüberliegenden
Seitenwänden
angeordnet, wobei die Endbereiche der Walzen jeweils über einen
Laufriemen miteinander verbunden sind. Alternativ sind beliebige Formen
der Saugvorrichtung möglich,
beispielsweise dreieckig, trapezförmig, etc., wobei an den jeweiligen Seitenwänden beliebig
viele Walzen und entsprechende Verbindungselemente vorgesehen werden.
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Mehrere
Systemelemente gemäß der Erfindung
können
zu einem Transportsystem kombiniert werden, wobei die Systemelemente
miteinander verbunden werden, wodurch große Werkzeuge transportiert
werden können,
die an das Transportsystem gekoppelt werden können.
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Das
Systemelement zum Transportieren und Positionieren eines Werkzeugs
auf einer gewölbten Oberfläche eines
Werkstücks
gemäß der Erfindung arbeitet
mit einer oder mit mehreren Saugvorrichtungen, die im Folgenden
auch als Saugkammern bezeichnet werden, die nicht über die
Oberfläche
gleiten, sondern rollen, so dass die Reibung drastisch verringert
werden kann.
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In
Vorwärts-
und Rückwärtsrichtung
rollt eine Saugkammer beispielsweise auf flexiblen Walzen, die sich
der Oberflächenkrümmung des
Werkstücks unter
Einwirkung des Luftdrucks und einer von der Saugkammer erzeugten
Sogströmung
anpassen, bis die Sogströmung
unterbunden ist und eine Weiterbewegung rollend und ohne Unterdruckverlust
möglich ist.
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An
den Seitenflächen
der Saugkammer schließen
flexible Laufriemen ab, die sich durch Luftdruck und Sogströmung sowohl
an die gekrümmte Oberfläche als
auch an die Saugkammer anlegen.
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Auf
diese Weise wird die Gleitreibung von dem Kontakt mit dem Werkstück auf den
Kontakt mit der Saugkammer verlegt, so dass durch geeignete Wahl
des Saugkammerwand-Materials, oder auch durch bewegliche Teile an
der Saugkammerwand, die Gleitreibung erheblich vermindert werden
kann.
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Der
Vortrieb der Saugkammer kann beispielsweise von den Walzen wie von
den Laufriemen bewerkstelligt werden.
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Für die Walzen
kann je nach Anforderung an eine Drehmomentübertragung ein einziges flexibles Material
ausreichend sein, eine Materialkombination aus flexibler Hülle und
biegsamem aber relativ verdrillungsteifem Kern geraten sein oder
aber ein Kern aus einer Kette von Kardangelenken mit Längenausgleich
die Lösung
bringen.
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Für die Laufriemen
kommen verschiedene Profile und Aufbauten in Frage, je nachdem,
ob sie zugleich die Funktion von Antriebsriemen (Drehmomentübertragung
von einem Motor auf die Walzen) übernehmen
sollen, oder ob die Antriebsriemen in sie integriert sein sollen,
ob sie äußerlich
mit den Antriebsriemen gekoppelt werden oder unabhängig von den
Antriebsriemen nur zu Zwecken der Abdichtung mitlaufen.
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Zusätzlich zu
den oben genannten Elementen können
nahe den Kontaktstellen zwischen abdichtenden Teilen und Saugkammer
luftströmungsmindernde
Teile (z. B. Polster aus Stoff oder Schwamm) angebracht werden,
die keine erhebliche Reibung verursachen, aber im Falle einer Undichtheit die
Geschwindigkeit des Unterdruckverlustes deutlich herabsetzen und
so einer Vakuumpumpe, die mit der Saugkammer in Verbindung steht,
das Aufrechterhalten eines ausreichenden Unterdrucks ermöglichen.
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Aufgrund
der Flexibilität
der Walzen und der Laufriemen wird eine gute Anpassung an gewölbte Oberflächen und
zugleich ein gutes Abdichten ermöglicht.
Das erfindungsgemäße System
passt sich unter der Einwirkung des Luftdrucks und der Luftströmung selbsttätig an die
Oberfläche
eines Werkstücks an,
wobei diese Anpassung nicht durch separate Steuerungseinheiten sichergestellt
werden muss.
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Ferner
kann die Grundfläche
einer Saugkammer (Saugvorrichtung) bei nicht zu extremer Wölbung der
Oberfläche
des Werkstücks
groß gewählt werden,
was insbesondere bei einer Anwendung im Flugzeugbau von Vorteil
ist, da hier große Teile
transportiert und positioniert werden müssen.
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Ferner
ist gemäß der Erfindung
keine Benetzung des Werkstücks
mit Dicht- oder Gleitflüssigkeiten
erforderlich. Durch die Verlegung der hauptsächlichen Reibung auf gezielte
Kontaktflächen
mit der Saugvorrichtung wird die Reibung minimiert durch Optimierung
von Materialien und Oberflächenbeschaffenheiten.
Die Kontaktflächen
sind beispielsweise streifenförmig.
Ferner wird die Oberfläche
des Werkstücks
durch eine rollende Bewegung minimal beansprucht.
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Gemäß der Erfindung
braucht zur Fortbewegung des Systemelements der Kontakt mit der
Werkstückoberfläche nicht
aufgegeben zu werden, es muss also kein Unterdruck aufgegeben und
wieder neu aufgebaut werden.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht eines Systemelements gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
schematische Seitenansicht des Systemelements gemäß 1;
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3 eine
schematische Vorderansicht des Systemelements gemäß 1;
und
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4 eine
schematische Teilansicht des Systemelements gemäß 1 von der
Seite im Detail.
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Im
Folgenden werden für
gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen in den unterschiedlichen
Ansichten der Figuren verwendet.
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1 zeigt
ein Systemelement 1 gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Das
Systemelement 1 enthält
eine Saugkammer 2, die zur Erzeugung eines Saugstroms dient
und ein allgemein bekanntes Bauteil ist, weshalb sie im Folgenden
nicht näher
beschrieben wird.
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Das
Systemelement 1 enthält
ferner eine Transportvorrichtung 3, welche Seitenwände der Saugkammer 2 umschließt.
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Wie
in 1 gezeigt, enthält die Transportvorrichtung 3 eine
erste Walze 4 und eine zweite Walze 5, die an
gegenüberliegenden
Seitenflächen
der Saugkammer 2 angeordnet sind, und die jeweilige Seitenfläche kontaktieren.
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Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
sind an jeweiligen Endbereichen 4a, b und 5a,
b der ersten und zweiten Walze 4, 5 Riemenscheiben 6 zum
Antrieb der Walzen 4, 5 und somit zum Antrieb des
Systemelements 1 angeordnet. Die Riemenscheibe 6 und
die Walzen 4, 5 sind fest mit einer Achse 12,
wie in 4 gezeigt, verbunden, sodass der Laufriemen 7 nicht
unnötigen
Verformungen durch Drehmomentübertragungen
ausgesetzt ist und ungehinderter seine Dichtfunktion wahrnehmen
kann. Alternativ ist es auch möglich,
dass beispielsweise ein Antriebsriemen (nicht gezeigt), der von
einem Motor (nicht gezeigt) angetrieben wird, und mit der Riemenscheibe 6 verbunden
ist, verwendet wird, um den Laufriemen 7 anzutreiben, wodurch
auf die Walzen 4, 5 ein Drehmoment wirkt und das
Systemelement bewegt werden kann.
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Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist die Saugkammer 2 an den Walzen 4, 5 derart abgestützt, dass
eine Drehung der Walzen 4, 5 möglich ist und die Saugkammer 2 sicher
an den Walzen 4, 5 gehalten wird.
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Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist der Laufriemen 7 aus einem flexiblen Material gebildet,
sodass eine Dichtfunktion des Laufriemens 7 erfüllt wird.
Wie in der 1 gezeigt, enthält das bevorzugte
Ausfürungsbeispiel
zwei Laufriemen 7a, 7b, die mit sich gegenüberliegenden
Seitenflächen
der Saugkammer 2 in Kontakt sind, die andere sind als die
Seitenflächen,
die von den Walzen 4, 5 kontaktiert werden.
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Wie
in 1 gezeigt, sind die Endbereiche 4a, 5a der
Walzen 4, 5 über
den Laufriemen 7a verbunden und die Endbereiche 4b, 5b der
Walzen 4, 5 sind durch einen separaten Laufriemen 7b miteinander
verbunden.
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Unter
Bezugnahme auf die 2 und 3 wird die
Funktionsweise des Systemelements 1 gemäß 1 beschrieben.
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2 zeigt
eine schematische Seitenansicht des in 1 gezeigten
Systemelements in einem Zustand, in welchem die Saugkammer 2 einen
Sogstrom erzeugt, wodurch das Systemelement 1 an eine Oberfläche 8 eines
Werkstücks 9 angesaugt
wird. Wie in 2 gezeigt, wird in diesem angesaugten Zustand
der flexible Laufriemen 7b (und der Laufriemen 7a,
der in dieser Ansicht nicht zu sehen ist) an die gekrümmte Oberfläche 8 des
Werkstücks 9 angepasst. 2 zeigt
Führungscheiben 11,
um die der Laufriemen 7b gelegt ist.
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3 zeigt
eine Frontansicht des angesaugten Systemelements gemäß 2.
Wie deutlich zu sehen, werden im angesaugten Zustand nicht nur die Laufriemen 7a,
b an die Oberfläche 8 des
Werkstücks 9 angepasst,
sondern auch die Walzen 4, 5, die aus einem entsprechend
elastischen flexiblen Material gebildet sind.
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4 zeigt
eine schematische Teilansicht des Systemelements 1 gemäß 1 von
der Seite im Detail.
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Wie
in der 4 gezeigt, ist der Laufriemen 7 um eine
Führungsscheibe 11 gelegt.
Die Führungsscheibe 11 steht
in Verbindung mit einer Achse 12, die sich von der Walze 5 nach
außen
erstreckt. Über ein
Gleit- oder Kugellager 13 ist eine Verbindung 14 an
der Achse 12 abgestützt.
Die Verbindung 14 ist vorzugsweise starr und trägt die Saugkammer 2 (nicht
gezeigt) bzw. stützt
diese ab.
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Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
enthält
die starre Verbindung 14 einen ersten Teil 15,
der im wesentlichen parallel zur Achse 12 und der Walze 5 verläuft, und
einen zweiten Teil 16 und dritten Teil 17, die
sich im wesentlichen senkrecht von dem ersten Teil 15 in
Richtung Achse 12 erstrecken. Die freien Enden des ersten
und zweiten Teils 16, 17 sind über die Gleit- oder Kugellager 13 jeweils
an der Achse 12 abgestützt.
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Der
erste und zweite Teil 16, 17 der Verbindung 14 sind
voneinander beabstandet, und die Riemenscheibe 6 ist zwischen
dem ersten Teil 16 und dem zweiten Teil 17 angeordnet,
wie in der 4 gezeigt.
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Während des
Transports der Saugkammer 2 über das Werkstück 9 stützt die
Saugvorrichtung 2 sich auf die Walzen 4, 5.
Dazu ist die Achslagerung 12 der Walzen 4, 5 starr
mit der Saugkammer 2 verbunden, wie oben beschrieben. Zweckmäßig ist
eine Anbringung der Achslagerung 12 weiter außen als die
Laufriemen 7, sodass die Achslagerung nicht der selbsttätigen Abdichtung
zwischen Laufriemen 7 und Walzen 4, 5 im
Wege steht. Die starre Verbindung 14 der Achslager 12 mit
der Saugkammer 2 weist eine Öffnung 18 auf, durch
die der obere Teil der Laufriemen 7 sich hindurch bewegen
kann.
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In
einer Ruhestellung, z. B. während
der Arbeit eines transportierten Werkzeugs, ist auch die Fixierung
der Saugvorrichtung durch weitere Saugnäpfe oder durch ein vollständiges Aufliegen
der Saugvorrichtung, indem die starre Verbindung zu den Walzen gelöst wird,
möglich.
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Dadurch,
dass sich die als Verbindungselemente dienenden Laufriemen 7a, 7b und
die zur Erzeugung eines Vorwärtstriebs
des Systemelements 1 dienenden Walzen 4, 5 an
die gekrümmte
Oberfläche 8 des
Werkstücks 9 anpassen,
wenn die Saugkammer 2 einen Sogstrom erzeugt, wird zwischen
der Saugkammer 2 und der Oberfläche 8 des Werkstücks 9 ein
guter Unterdruck erzeugt, der eine sichere Haftung des Systemelements 1 auf
der Oberfläche 8 des
Werkstücks 9 ermöglicht.
Dadurch kann ein in beliebiger Weise mit dem Systemelement gekoppeltes
Werkzeug (nicht gezeigt) sicher an eine beliebige Position auf eine
Oberfläche
des Werkstücks 9 befördert und
positioniert werden.
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Obwohl
in den Figuren nicht gezeigt, kann ein erfindungsgemäßes Transportsystem
aus einer Mehrzahl von Systemelementen 1 gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
bestehen.
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Obwohl
die Erfindung im Vorangegangenen unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass Modifikationen
und Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
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Beispielsweise
ist die Form der Saugkammer 2 nicht auf eine quadratische
oder rechteckige Form beschränkt,
sondern kann eine beliebige Form mit beliebig vielen Seitenflächen aufweisen,
wobei sichergestellt werden muss, dass jede Seitenfläche entweder
durch eine Walze oder durch einen Laufriemen kontaktiert wird, um
die Erzeugung eines ausreichenden Unterdrucks zur Haftung des Systemelements 1 sicherzustellen.
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Ferner
kann der Laufriemen 7 auch als ein anderes Verbindungselement
ausgestaltet sein, welches die Endbereiche der Walzen miteinander
verbindet und eine Seitenfläche
der Saugkammer 2 kontaktiert. In diesem Fall erfolgt der
Antrieb des Systemelements 1 durch Anlegen eines Drehmoments
an irgendeine der Walzen 4, 5 (oder an beide),
ohne dass Riemenscheiben 6 erforderlich sind.
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Alternativ
können
die Laufriemen 7 aus einem geeigneten Material sein und
eine geeignete Form aufweisen, dass ein Vorwärtstrieb des Systemelements
durch sie alleine erfolgt, wobei die Walzen 4, 5 freidrehend
sind.
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Die
Erfindung kann in vielen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise
im Flugzeugbau, im Schiffsbau oder in anderen Bereichen, wo ein
Werkzeug sicher über
eine gekrümmte
Oberfläche
eines Werkstücks
zu transportieren und zu positionieren ist, wobei unter Werkzeug
auch ein Bauteile, Roboter oder ein zu transportierendes Werkstück verstanden werden
soll.
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Ferner
ist es selbstverständlich,
dass die Erfindung auch auf waagerechten oder ebenen Oberflächen einsetzbar
ist.
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- 1
- Systemelement
- 2
- Saugkammer
- 3
- Transportvorrichtung
- 4
- erste
Walze
- 5
- zweite
Walze
- 4a,
b
- Endbereiche
der Walze 4
- 5a,
b
- Endbereiche
der Walze 5
- 6
- Riemenscheibe
- 7
- Laufriemen
- 8
- Oberfläche des
Werkstücks
- 9
- Werkstück
- 10
- Oberfläche der
Saugkammer
- 11
- Führungsscheibe
- 12
- Achse
- 13
- Gleit-/Kugellager
- 14
- starre
Verbindung
- 15
- erster
Teil
- 16,
17
- zweiter
und dritter Teil
- 18
- Öffnung