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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Transportieren (Bewegen) von
Werkstückträgern in einer
Montagelinie. Sie betrifft auch einen neuartigen Werkstückträger und
eine neuartige Montageeinheit (Montagezelle).
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Eine
Montagelinie besteht grundsätzlich
aus einer Mehrzahl von Montageeinheiten, beispielsweise Montagezellen.
Im Stand der Technik transportiert ein Transportband Werkstückträger von
Montagezelle zu Montagezelle. In dem Werkstückträger sind Werkstücke gehalten.
Die Werkstücke
werden in jeder Montagezelle bearbeitet. Eine Montagezelle umfasst
in der Regel zumindest eine Bearbeitungseinheit. In einer Montagezelle
werden üblicherweise
ein bis vier, typischerweise zwei Fertigungsschritte durchgeführt. Auch
innerhalb der Montagezelle transportiert das Transportband den Werkstückträger mit
den Werkstücken
von Bearbeitungseinheit zu Bearbeitungseinheit.
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Üblicherweise
ist das Transportband durchlaufend gestaltet und bewegt sich gleichmäßig. Naturgemäß muss zur
Durchführung
eines Fertigungsschritts in einer Bearbeitungseinheit verhindert
werden, dass sich der Werkstückträger auf
dem Transportband weiterbewegt. Üblicherweise
sind hierzu zwei Stufen vorgesehen: An einer Empfangsseite der Bearbeitungseinheit
sind elektrische oder pneumatisch betätigte Stopper angebracht. Entweder
werden mit Hilfe dieser Stopper die Werkstückträger von dem Transportband abgehoben.
Alternativ werden sie mechanisch so blockiert, dass der bisherige
Kraftschluss der Werkstückträger mit
dem Transportband aufgehoben wird und sich das Transportband unter den
Werkstückträgern weiterbewegt,
während
diese angehalten werden.
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Durch
die Stopper ist gewährleistet,
dass einlaufende Werkstückträger vor
der Bearbeitungseinheit anhalten. Es gelangt nur jeweils ein Werkstückträger in die
Bearbeitungseinheit. Die anderen Werkstückträger warten in einem Abstand
von der Bearbeitungseinheit, bis der aktuelle Fertigungsschritt
beendet ist. Während
der gesamten Zeit läuft das
Transportband mit konstanter Geschwindigkeit weiter. Von der Empfangsseite
wird nun der Werkstückträger in eine
Bearbeitungsstellung der Bearbeitungseinheit überführt. Entweder wird hierbei
wieder das Transportband eingesetzt. Es kann auch vorgesehen sein,
dass ein Greifarm o. ä.
den Werkstückträger in die
Bearbeitungsstellung verbringt. Um den Werkstückträger in der Bearbeitungsstellung
zu halten, sind besondere mechanische Elemente wie beispielsweise
Fixierstifte vorgesehen, die ebenfalls elektrisch oder pneumatisch
angetrieben werden müssen.
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In
der Bearbeitungsstellung kann eine präzise Bearbeitung des Werkstücks erfolgen.
Eine präzise
Regelung der Position des Werkstückträgers ist jedoch
im Stand der Technik nicht möglich.
Bisher wird das Werkzeug mit einer servo-angetriebenen Bewegungsachse
ausgerüstet,
um Bewegungen in Transportrichtung des Transportbandes machen zu können.
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Die
Verwendung elektrischer oder pneumatisch betätigter Stopper sowie der Elemente
zur Fixierung des Werkstückträgers in
der Bearbeitungseinheit ist mit relativ viel Aufwand verbunden.
Elektrisch oder pneumatisch betätigte
Bauteile sind störanfällig. Ihre
Fehler können
auch nur schwer über
Software simuliert und analysiert werden. Tritt ein Fehler auf, so
muss dieser in der Regel vom Wartungspersonal mühsam gesucht werden.
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Das
System ist relativ inflexibel, was eine Umrüstung einzelner Montagezellen
erschwert. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn unter Verwendung
eines Grundaufbaus der Montagelinie unterschiedliche Produkte jeweils
in nicht allzu hohen Stückzahlen
zu fertigen sind, so dass häufige
Umbauten erforderlich sind.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Transportieren von
Werkstückträgern in
einer Montagelinie bereitzustellen, das flexibler ist, mit wenig
Wartungsaufwand verbunden ist und dennoch möglichst genau und mit hohen
Geschwindigkeiten ablaufen kann.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren gemäß Patentanspruch
1, ein Werkstückträger gemäß Patentanspruch
7 und eine Montageeinheit gemäß Patentanspruch
9 bereitgestellt.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass moderne Linearmotoren
in Montagelinien eingesetzt werden können. Moderne Linearmotoren weisen
ein Primärteil
auf, in das nicht nur die Magnetspulen, sondern auch die Dauermagneten
integriert sind. Der Magnetfluss wird jeweils zum Sekundärteil geführt, ohne
dass das Sekundärteil
selbst dauermagnetisch sein müsste.
Zur Bereitstellung eines Sekundärteils
genügt
eine weichmagnetische Platte mit einer Mehrzahl von gleichmäßig beabstandeten
Aussparungen. Erfindungsgemäß wird der
Werkstückträger mit
einer solchen Platte versehen, wobei diese an beliebiger Stelle
angebracht sein kann, solange nur die Wechselwirkung mit dem Primärteil durch
den Gesamtaufbau gewährleistet
ist.
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Es
muss das Primärteil
nur noch passend angesteuert werden. Unter „Ansteuerung" für das Primärteil kann
hierbei sowohl die direkte Zufuhr von Speiseströmen für die Magnetspulen verstanden sein
als auch bei etwas komplizierterem Aufbau die Zufuhr von Steuersignalen
zur Verarbeitung durch eine Computer-Steuereinheit, die nachfolgend
entsprechende Stromsignale für
die Magnetspulen hervorruft. Anders als bei Linearmotoren, in denen
im Sekundärteil
Dauermagnete vorgesehen sind, erlaubt es die vorliegende Erfindung
der Verwendung des modernen Linearmotors, Werkstückträger in beliebigen Montagelinien
zu transportieren, auch dort wo metallische Späne anfallen. Wäre der Werkstückträger dauermagnetisch,
so wäre
letzteres nicht möglich.
Insbesondere kann der erfindungsgemäße Werkstückträger auch in Arbeitsbereichen,
in denen keinerlei Magnetismus herrschen darf, eingesetzt werden.
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Der
erfindungsgemäße Werkstückträger unterliegt
keinen Einschränkungen.
Er kann mit Ausnahme von der weichmagnetischen Platte beliebig geformt
sein. Pro Werkstückträger können beispielsweise
auch mehrere Werkstücknester
aufgesetzt werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform übernimmt
das Primärteil
im Zusammenwirken mit dem Werkstückträger als
Sekundärteil
die Funktion des oben genannten Stoppers. Mit anderen Worten wird
das Primärteil
so angesteuert, so dass es einen auf dem Transportband an einer
Empfangsseite der Bearbeitungseinheit einlaufenden Werkstückträger anhält. Durch
den Wegfall des Stoppers ist eine Quelle von Fehlern beseitigt.
Der Linearmotor selbst ist weniger fehleranfällig. Die Wartungskosten sind reduziert,
da der Linearmotor praktisch wartungsfrei ist. Fehler im Prozessablauf
können über die
Software simuliert und analysiert werden. Das System ist insgesamt
flexibler, denn die gesamten Bewegungsabläufe sind programmierbar.
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So
ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform möglich, dass
das Primärteil
den einlaufenden Werkstückträger nicht
einfach nur zum sofortigen Stoppen bringt, sondern dass die Geschwindigkeit des
Werkstückträgers kontinuierlich,
beispielsweise linear, auf Null geführt wird. Hierbei kann das
Primärteil
bewirken, dass der Werkstückträger sehr
sanft von der Eingangsgeschwindigkeit auf Null abgebremst wird.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ersetzt das Primärteil
auch die mechanischen Elemente, die bisher den Werkstückträger von der
Empfangsseite der Bearbeitungseinheit in die Bearbeitungsstellung überführt haben.
Fixierstifte etc. entfallen, weil das Primärteil den Werkstückträger in der
Bearbeitungsstellung alleine festhalten kann. Es ist dann nicht
mehr unbedingt notwendig, dass der Werkstückträger an der Empfangsseite angehalten
wird.
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Bei
der genannten bevorzugten Ausführungsform
entfallen somit weitere Bauteile, die im Stand der Technik für Störanfälligkeit
sorgten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Bewegung des Sekundärteils
(Werkstückträgers) durch
das Primärteil
des Linearmotors nicht nur gesteuert, sondern auch geregelt. So
wird insbesondere zum Verbringen des Werkstückträgers in zumindest eine Sollposition
(z. B. bei der oben genannten Überführung des
Werkstückträgers in
die Bearbeitungsstellung) zumindest eine Messgröße betreffend eine Position
und/oder Geschwindigkeit des Werkstückträgers ständig oder wiederholt ermittelt.
Diese Messgröße wird
(als Ist-Signal) bei einer Regelung von Ansteuersignalen für das Primärteil eingesetzt. (Hierbei
wird das Vorhandensein einer entsprechenden Computereinheit vorausgesetzt.)
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Mit
Hilfe der Regelung ist eine hochexakte Positionierung des Werkstückträgers in
eine bestimmte Stellung ermöglicht.
Die hierbei erzielbare Genauigkeit ist um einen Faktor 10 höher als
bei den mechanisch-pneumatischen Lösungen gemäß dem Stand der Technik.
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Die
Vorteile der Verwendung von einem Primärteil mit dem erfindungsgemäßen Sekundärteil-Werkstückträger sind
so zahlreich, dass bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ganz auf das Transportband verzichtet wird. Stattdessen erfolgt
in der Montagelinie der Transport von Werkstückträgern ausschließlich unter
Einsatz von Primärteilen. Naturgemäß muss dann
eine ununterbrochene Kette von Primärteilen entlang der gesamten
Montagelinie vorgesehen sein, auch zwischen verschiedenen Bearbeitungseinheiten
in den Montagezellen und zwischen den einzelnen Montagezellen (bzw.
an deren Übergang).
Der hiermit verbundene Aufwand kann aber lohnend sein, weil durch
die ausschließliche Verwendung
von Linearmotor-Primärteilen
nur noch ein Transportsystem vorhanden ist, das im Vergleich zum
Transportband wenig störanfällig ist.
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Die
an dem erfindungsgemäßen Werkstückträger vorhandene
(weichmagnetische) Platte weist, wie bereits erwähnt, eine Mehrzahl von gleichmäßig beabstandeten
Aussparungen auf, die bevorzugt auch gleichartig sind, insbesondere
alle (von den Rand-Aussparungen abgesehen) gleichgeformt sind.
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Die
Platte kann hierbei senkrecht von einer Grundplatte nach oben wegstehen,
gewissermaßen als
(alleinstehende) Wand des Werkstückträgers.
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Bevorzugt
sind an dem Werkstückträger (z. B.
an der Platte parallel zu den Aussparungen) regelmäßig beabstandete
Markierungen vorgesehen. Diese Markierungen dienen der Erkennung
durch einen Positionsmesssensor. Beispielsweise kann es sich um
kleine Aussparungen handeln, die mit einem reflektierenden Farbanstrich
versehen sind, um Licht von einem Laserstrahl oder einer LED zu
reflektieren.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist auch eine Montageeinheit (z. B. Montagezelle)
zur Verwendung in einer Montagelinie. Eine solche Montageeinheit
weist eine Bearbeitungseinheit auf und ist gekennzeichnet durch
zumindest ein Primärteil
eines Linearmotors, welches eine Mehrzahl von Magnetspuren und Dauermagneten
umfasst.
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Das
Primärteil
sollte passend positioniert sein. Beispielsweise weist die Montageeinheit
ein durchgehendes Transportband auf, wobei unter durchgehend zu
verstehen ist, dass es an einer Eingangsseite Werkstückträger von
einer benachbarten Montageeinheit aufnimmt und an einer Ausgangsseite
an eine weitere benachbarte Montageeinheit abgibt. Das Primärteil sollte
dann so an dem Transportband positioniert sein, dass es die Geschwindigkeit eines
auf dem Transportband einlaufenden Sekundärteil-Werkstückträgers der
erfindungsgemäßen Art ändern kann.
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Das
Primärteil
sollte auch so positioniert sein, dass es den Werkstückträger in eine
Bearbeitungsstellung der Bearbeitungseinheit verbringen kann.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der:
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1 ein
Verfahren zum Transportieren von Werkstücken in einer Montagelinie
gemäß dem Stand
der Technik veranschaulicht;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Werkstückträgers ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht des Inneren einer Montagezelle mit einem
Primärteil,
dem in 2 veranschaulichten Werkstückträger als Sekundärteil und
einem Transportband zeigt; und
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4 schematisch
den Aufbau einer erfindungsgemäßen Montagezelle
veranschaulicht.
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1 veranschaulicht
das Innenleben einer Montagezelle gemäß dem Stand der Technik, in
dem ein Transportband 10 eine Mehrzahl von Werkstückträgern 12 mit
Werkstücken 14 zu
einer Bearbeitungseinheit 16 transportiert und von dieser
weg. Die Bearbeitungseinheit 16 weist ein bewegliches (siehe Pfeile)
Werkzeug 18 auf.
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An
einer Empfangsseite der Bearbeitungseinheit 16 im Innern
der Montagezelle ist ein mechanischer, hydraulischer oder pneumatischer
Stopper 20 angeordnet. Dieser wirkt mechanisch auf einen ankommenden
Werkstückträger 12 ein,
um zu verhindern, dass dieser in eine Bearbeitungsstellung einfährt, in
der sich momentan ein Werkstückträger 12' mit Werkzeug 14' befindet. Der
Stopper 20 hält üblicherweise
den Werkstückträger 12 fest,
und das Transportband 10 gleitet unter dem Werkstückträger 12 hindurch.
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In
der Bearbeitungsstellung wird der Werkstückträger 12' mit dem Werkstück 14 mit Hilfe von Fixierstiften 22 festgehalten.
Damit kann das Werkzeug 18 auf das Werkstück 14' einwirken,
die eigentliche Bearbeitung kann stattfinden.
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Die
Verwendung von Stopper 20 und Fixierstiften 22 ist
mechanisch aufwendig und häufig
Quelle von Störungen.
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Die
Erfindung ersetzt Stopper 20 und Fixierstifte 22 durch
eine Linearmotor-Anordnung.
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Voraussetzung
hierfür
ist, dass ein Werkstückträger 24 bereitgestellt
wird, der als Sekundärteil
für einen
Linearmotor mit primärteilseitig
angeordneter Erregung fungiert. Ein Linearmotor besteht aus einem
Primärteil,
das im Wesentlichen die Rolle des herkömmlichen Stators übernimmt,
und dem Sekundärteil,
das die Rolle eines herkömmlichen
Rotors übernimmt.
Im Unterschied zu herkömmlichen
Linearmotoren weist das Primärteil
nicht nur Magnetspulen auf, sondern auch eine Mehrzahl von Dauermagneten.
Hingegen weist das Sekundärteil 24 keine Dauermagneten
auf. Stattdessen ist an dem Sekundärteil, nämlich dem Werkstückträger 24 eine
Platte 26 vorgesehen, welche vorliegend von einer Grundplatte 27 des
Werkstückträgers 24 senkrecht
hoch steht, gewissermaßen
als „Seitenwand". Die Platte 26 besteht
aus weichmagnetischem Material, beispielsweise geeignetem Stahlmaterial,
und weist eine Mehrzahl von Aussparungen 28 auf. Die Aussparungen 28 sind
regelmäßig voneinander
beabstandet, wobei die Aussparungen vorliegend geringfügig breiter
sind als zwischen ihnen befindliche Stege 30. Vorliegend
haben die Aussparungen 28 die Form von abgerundeten Rechtecken,
es sind aber andere Formen denkbar. Verwiesen sei diesbezüglich auf
Veröffentlichungen
zum Linearmotor mit primärteilseitig
angeordneter Erregung mit früherem Zeitrang.
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Die
Aussparungen 28 mit den dazwischen befindlichen Stegen 30 vermitteln
die eigentliche magnetische Wechselwirkung. Dies ist in 3 zu
erkennen: Das Primärteil
ist hierbei als länglicher
Kasten 32 dargestellt. Wesentlich ist, dass dieser längliche
Kasten eine Wirkfläche 34 hat,
aus der von Magnetspulen und Dauermagneten im Innern des Primärteils 32 erzeugter
Magnetfluss austritt und mit dem Sekundärteil 24 wechselwirkt.
Die Abstände
zwischen den Aussparungen 28 des Werkstückträgers 24 entsprechen
hierbei typischerweise Bauabständen
von Spulen und Dauermagneten im Innern des Primärteils 32 (in 3 nicht
gezeigt).
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Der
Werkstückträger 24 weist
abgesehen von der Platte 26 in herkömmlicher Weise zwei sogenannte
Werkstücknester 36 auf,
die jeweils Haltenuten 38 zum Fixieren eines (oder zweier)
Werkstücke aufweisen.
Als Besonderheit ist noch zu erwähnen, dass
in der Platte 26 zusätzlich
zu den Aussparungen 28 weitere Aussparungen oberhalb der
Aussparungen 28 vorgesehen sind, die in der Figur mit 40 bezeichnet
sind. Die Aussparungen 40 dienen als Markierungen für ein sogenanntes
Linearmesssystem, das in 3 verdeckt dargestellt und dort
mit 42 bezeichnet ist. Das Linearmesssystem 42 umfasst Lichtsignalgeber
und Sensoren, die messen, ob ein Lichtsignal zurückreflektiert wurde. Bewegt
sich der Werkstückträger, so
bewegen sich auch die Aussparungen 40. Abwechselnd wird
ein Lichtsignal zurückreflektiert
und dann wieder nicht. Eine entsprechende Computereinheit (nicht
gezeigt) „weiß" aufgrund einer Zählung, die
wievielte Aussparung 40 sich gerade an dem Linearmesssystem 42 vorbeibewegt
hat, so dass die Position des Werkstückträgers genau erfassbar ist. Alternativ
zur Verwendung von Lichtsignalen kann das Linearsystem auch magnetisch
(induktiv) arbeiten.
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Der
Werkstückträger wird
normalerweise auf einem Transportband 44 bewegt. In 4 ist
eine Montagezelle veranschaulicht, wie sie einer typischen Bauform
entspricht. Aus Gründen
der leichteren Veranschaulichung ist ein Tisch 45 mit einem
Primärteil 32 als
der hier geöffnet
gezeigten Montagezelle, die im Ganzen mit 46 bezeichnet
ist, entnommen gezeigt. Die Montagezelle 46 weist eine
Eingangsseite 47 und eine Ausgangsseite 48 auf.
Der Aufbau ist dergestalt, dass eine bau gleiche Montagezelle 46 direkt
daneben gestellt werden könnte,
so dass die Eingangsseite 47 der einen Montagezelle in Fortsetzung
der Ausgangsseite 48 der anderen Montagezelle angeordnet
ist. Ein entsprechendes Transportband 44 transportiert
einen Werkstückträger somit
von Montagezelle 46 zu Montagezelle 46. Im Innern
befindet sich nun eine Bearbeitungseinheit. Eine solche ist der
einfacheren Darstellung wegen in 4 nicht
gezeigt. In Analogie zu 1, wo die Bearbeitungseinheit 16 gezeigt
ist, werden nun Werkstückträger 24 mit
Hilfe des Transportbands 44 zu einer Empfangsseite der
Bearbeitungseinheit transportiert. Dort befindet sich das Primärteil 32.
Gelangt somit der Werkstückträger 24 über die
Eingangsseite 47 der Montagezelle 46 zur Empfangsseite
der (nicht gezeigten) Bearbeitungseinheit, entsteht die in 3 dargestellte
Situation, dass die Platte 26 mit der Wirkfläche 34 des
Primärteils 32 zusammenwirken
kann. Das Primärteil 32 wird
entsprechend angesteuert und bewirkt ein Abbremsen des Werkstückträgers 24 im Vergleich
zur Geschwindigkeit des Transportbands 44. Mit anderen
Worten übernimmt
das Primärteil 32 die
Aufgabe der Bewegung bzw. des Transports des Werkstückträgers 24,
während
das Transportband 44 ungehindert weiterläuft. Der
Werkstückträger 24 wird als
Sekundärteil
dann beispielsweise in die in 3 gezeigte
Stellung verschoben. Dies kann die Bearbeitungsstellung sein. Zur
exakten Positionierung kann hierbei das Linearmesssystem 42 eingesetzt werden:
Es wird die jeweilige Position des Werkstückträgers 24 gemessen,
gegebenenfalls auch dessen Geschwindigkeit, und in Abhängigkeit
hiervon werden entsprechende Steuersignale für das Primärteil 32 erzeugt,
so dass der Werkstückträger 24 entsprechend
präzise
positioniert wird.
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Bei
der Montagezelle 46 gemäß 4 gelangt
der Werkstückträger somit
in eine Bearbeitungsstellung, wo ein auf dem Werkstückträger 24 befindliches
Werkstück
(nicht gezeigt) bearbeitet werden kann. Wie 4 zu entnehmen,
sind zwei Einheiten nach Art des Tischs 45 in der Montagezelle 46 vorgesehen.
Dementsprechend sind auch zwei Bearbeitungseinheiten (nicht gezeigt)
vorgesehen. Bei jeder Bearbeitungseinheit ist ent sprechend ein Primärteil 32 bereitgestellt.
Zwischen den Primärteilen 32 wird
der Werkstückträger 24 mit
Hilfe des Transportbands 44 bewegt. Das Transportband 44 bewegt
schließlich
den Werkstückträger auch
wieder aus der Montagezelle 46 heraus (über den Ausgang 48).
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Der
Vollständigkeit
halber sei nur erwähnt, dass
ein zweites Transportband 44' vorgesehen
ist, welches zum Rücktransport
des Werkstückträgers 24 an
den Ausgangsort dient (wobei beim Rücktransport mit Hilfe des Transportbands 44' keine weiteren
Bearbeitungseinheiten mehr angefahren werden). Die jeweils letzte
Montagezelle 46 ist mit einem U-förmigen Stück Transportband verbunden,
welches das Transportband 44 mit dem Transportband 44' verbindet.
Daher handelt es sich bei dem Transportband 44 und dem
Transportband 44' genauer
genommen um ein und dasselbe Transportband, das sich durchlaufend
fortbewegt.
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Ein
Vergleich zwischen 1 und 4 macht
deutlich, dass die Erfindung auf den Stopper 20 und die
Fixierelemente 21 verzichtet und stattdessen das Primärteil 32 einsetzt.
Das Primärteil 32 ist wesentlich
weniger wartungsbedürftig
und deutlich weniger fehleranfällig
als die mechanischen oder pneumatischen Bauteile 20, 22.
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In
einem nächsten
Schritt kann auch das Transportband 44 vollständig entfallen,
und der Werkstückträger 24 kann
vollständig
mit Hilfe von Primärteilen 32 transportiert
werden, die dann naturgemäß direkt
nebeneinander in einer lückenlosen
Folge angeordnet werden müssen.
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Die
Verwendung eines Primärteils 32 hat auch
den Vorteil, dass der Werkstückträger genau positioniert
werden kann. Die gesamte Anordnung kann leicht unter Verwendung
einer Computereinheit 50 gesteuert werden (vgl. 4).