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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Fertigungseinrichtung zur Montage
von Bauelementen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Steuerung einer
derartigen Fertigungseinrichtung.
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Aus
der
DE 103 51 670
A1 ist eine gattungsgemäße Fertigungseinrichtung
zur Montage von Bauelementen, insbesondere ein Montageroboter bekannt,
wobei die Fertigungseinrichtung eine Steuerungseinrichtung zum Steuern
der Funktionen der Fertigungseinrichtung aufweist.
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Eine
weitere Fertigungseinrichtung zur Montage von Bauelementen, insbesondere
zur Montage eines Cockpits in einer Fahrzeugkarosserie ist beispielsweise
aus der
DE 31 49 083
C2 bekannt.
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Bei
modernen Fertigungsstraßen,
insbesondere im Kraftfahrzeugbau, werden heutzutage körperlich
anstrengende Arbeiten oftmals mittels unterstützender Hebe- und Montageeinrichtungen
ausgeführt.
So erfolgt beispielsweise ein Einbau eines vorgefertigten Cockpits
in eine Rohkarosserie durch eine Hebeeinrichtung, welche von einem
zugehörigen
Arbeiter handgeführt
ist. Diese Hebeeinrichtungen können
beliebig vorwärts
und rückwärts verfahren
werden, so dass sie nicht auf einen bestimmten Bewegungspfad beschränkt sind.
Da jedoch ein Einbau des Cockpits in die Kraftfahrzeugkarosserie
oftmals bereits am teilfertigen Kraftfahrzeug erfolgt, besteht bei
derartig beliebig verfahrbaren Hebeeinrichtungen die große Gefahr,
dass die Hebeeinrichtung zusammen mit dem angehobenen Cockpit mit
der Fahrzeugkarosserie kollidiert und diese unter Umständen beschädigt. Die
bekannten Hebeeinrichtungen bieten dabei ausschließlich eine
Lastunterstützung.
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Die
Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, eine Fertigungseinrichtung der gattungsgemäßen Art
so zu verbessern, dass eine Kollisionsgefahr der Fertigungseinrichtung
mit beschädigungsempfindlichen
Bauteilen, beispielsweise einer Karosserie, sicher vermieden werden
können.
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Gelöst wird
dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Kollisionsgefahr
einer sich bewegenden Fertigungseinrichtung, insbesondere eines
Montageroboters, durch einen vorgegebenen und/oder erlernbaren dreidimensionalen
Bewegungspfad, eine sogenannte Spline, zu reduzieren, indem eine
Arbeitsbewegung des Roboters lediglich entlang eines derartigen
Bewegungspfades möglich
ist. Die erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung
weist hierzu zusätzlich
zur normalen Steuerungseinrichtung, welche die üblichen Funktionen, wie beispielsweise
ein Greifen und/oder ein Anheben von Bauelementen, steuert, eine
weitere Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Arbeitsbewegung
der Fertigungseinrichtung auf, welche die Arbeitsbewegung der Fertigungseinrichtung
auf dem zumindest einen vorgegebenen und/oder erlernbaren Bewegungspfad
steuert. Erfindungswesentlich ist dabei auch, dass die zusätzliche Steuerungseinrich tung
in einen Betriebszustand, insbesondere in einen „Handführ-Modus" überführbar ist,
der eine manuell angesteuerte Arbeitsbewegung entlang zumindest
eines Teils des wenigstens einen Bewegungspfades ermöglicht.
Hierdurch können
der eigentliche Montageprozess in unterschiedliche Bewegungsphasen
aufgeteilt werden und so konventionelle Funktionen der Fertigungseinrichtung
beziehungsweise des Montageroboters mit dem sogenannten „Handführ-Modus" kombiniert werden.
In dem „Handführ-Modus" kann sich die Fertigungseinrichtung
im Unterschied zum Stand der Technik lediglich auf der vorgegebenen
beziehungsweise erlernbaren dreidimensionalen Bewegungsbahn, welche eine „virtuelle" Schiene darstellt,
bewegen, so dass eine Kollision der Fertigungseinrichtung mit der
Umgebung, beispielsweise mit einer auf einer Fertigungsstraße stehenden
Rohkarosserie, vermieden werden kann. Dies erlaubt einen deutlich
reduzierten Aufwand hinsichtlich eines Kollisionsschutzes der Fahrzeugkarosserien,
welche bisher üblicherweise mit
sogenannten Kollisionsschutzmatten aufwendig abgedeckt werden mussten.
Der zumindest eine Bewegungspfad kann dabei im Rahmen eines konventionellen
Roboterprogrammes via sogenanntem „Teach In" erstellt werden. In dem manuell angesteuerten
Modus gibt die zusätzliche
Steuerungseinrichtung lediglich die virtuelle Bahn vor, das heißt den Bewegungspfad,
auf welchem sich die Fertigungseinrichtung bewegen muss. Eine Steuerung
im manuell angesteuerten „Handführ-Modus" kann dabei beispielsweise über einen
Joystick mit einem dreistufigen Zustimmtaster erfolgen. Der große Vorteil
gegenüber
einem voll automatisierten Roboter liegt insbesondere darin, dass
ein Arbeiter stets die volle Kontrolle über den Bewegungsablauf der
Fertigungseinrichtung hat und gegebenenfalls eingreifen kann. Darüber hinaus
ist die erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung
auch deutlich kostengünstiger
als eine voll automatisierte Alternativvariante.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist
die zusätzliche
Steuerungseinrichtung so ausgebildet, dass sie zusätzlich eine
automatische Arbeitsbewegung entlang zumindest eines Teils des wenigstens einen
Bewegungspfades ermöglicht.
Bei einer derartigen Fertigungseinrichtung ist somit ein automatischer
beziehungsweise ein handgeführter
Betriebszustand auswählbar,
wodurch sich Rationalisierungseffekte hinsichtlich des zu bedienenden
Personals erreichen lassen, da eine vollautomatische Fertigungseinrichtung
beziehungsweise eine in diesem Betriebszustand arbeitende Fertigungseinrichtung
weniger Personal benötigt.
Durch das Auswählen
des gewünschten
Betriebszustandes besitzt die erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung eine
hohe Flexibilität
und kann einfach und schnell an unterschiedlichste Anforderungen
angepasst werden.
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Zweckmäßig sind
zumindest eine erste Detektionseinrichtung zur Ermittlung einer
Abholposition des zu montierenden Bauelementes und zumindest eine
zweite Detektionseinrichtung zur Ermittlung einer Montageposition
des zu montierenden Bauelementes vorgesehen. Derartige Detektionseinrichtungen
können
beispielsweise in Form von Berührungs-/Abstandssensoren
oder einer Kamera realisiert werden, welche jeweils eine genaue
Position des abzuholenden beziehungsweise aufzunehmenden ersten
Bauelementes ermittelt, sowie die exakte Position des zweiten Bauelementes,
beispielsweise der Rohkarosserie, in welches beispielsweise das erste
Bauelement eingesetzt (z.B. eingelegt oder gefügt) werden soll. Hierdurch
lassen sich die in üblichen
Fertigungsstraßen
auftretenden Lageungenauigkeiten ausgleichen, wodurch eine reibungslose
und insbesondere präzisere
Fertigung gewährleistet
werden kann.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
Ansicht auf eine mögliche
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung,
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2 einen
stark vereinfachten Bewegungsablauf einer erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung
bei der Montage eines Cockpits in einer Rohkarosserie.
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Entsprechend 1 weist
eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung 1 einen
Roboter beziehungsweise Roboterarm 2 sowie eine Steuerungseinrichtung 3 zum
Steuern von Funktionen der Fertigungseinrichtung 1 auf.
Der Roboter 2 kann dabei beispielsweise zur Montage eines
Cockpits 4 in eine Rohkarosse 5 (vgl. 2)
eingesetzt werden. Die Steuerungseinrichtung 3 ist dabei
mit dem Roboterarm 2 verbunden und steuert zumindest einen
Teil dessen Bewegungen, beispielsweise eine Greif- beziehungsweise
Abhebebewegung.
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Erfindungsgemäß ist nun
eine weitere, zusätzliche
Steuerungseinrichtung 6 zur Steuerung einer Arbeitsbewegung
der Fertigungseinrichtung 1 auf zumindest einem vorgegebenen
und/oder erlernbaren, dreidimensionalen Bewegungspfad 7,
einer sogenannten „Spline" vorgesehen. Die
zusätzliche Steuerungseinrichtung 6 ermöglicht einen
Betriebszustand, in welchem eine manuell angesteuerte Arbeitsbewegung
entlang zumindest eines Teils des wenigstens einen Bewegungspfades 7 möglich ist. Denkbar
ist auch, dass die zusätzliche
Steuerungseinrichtung 6 so ausgebildet ist, dass sie zusätzlich eine
automatische Arbeitsbewegung entlang zumindest eines Teils des wenigstens
einen Bewegungspfades 7 ermöglicht.
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In
dem sogenannten handgeführten
Betriebszustand kann die Fertigungseinrichtung 1 beziehungsweise
der Roboterarm 2 mittels einer Aktivierungseinrichtung 8,
welche beispielsweise eine Joystick 9 und eine Zustimmeinrichtung
umfasst, auf dem dreidimensionalen Bewegungspfad 7 geführt werden.
Durch die Vorgabe beziehungsweise die Möglichkeit des Erlernens dieses
Bewegungspfades 7 können
Kollisionen des Roboterarmes 2 beispielsweise mit der Rohkarosse 5 vermieden
werden, wodurch diese im Vergleich zu heute nicht mehr aufwendig
mit sogenannten Kollisionsschutzmatten abgedeckt werden muss.
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Gemäß 2 bewegt
sich der Roboter 2 ausgehend von einer Ausgangsposition,
der sogenannten „Home-Position" 10, während einer
ersten Phase entlang des Bewegungspfades 7a in Richtung eines
Vormontagekarussells 11, um dort in seine Abholposition
zum Aufnehmen des Cockpits 4 zu gelangen. Anschließend bewegt
er sich in der zweiten Phase mit dem angehobenen Cockpit 4 bis
zurück
in seine Home-Position 10 entlang eines möglichen
Bewegungspfades 7b. Nach Erreichen der Home-Position 10 wartet
die zusätzliche
Steuerungseinrichtung 6 beziehungsweise die Steuerungseinrichtung 3 auf ein
Signal, dass die Rohkarosse 5 auf der Fertigungsstraße bereitsteht.
In der dritten Phase erfolgt das Einfädeln des Cockpits 4 in
die Rohkarosse 5 mit anschließendem Verschrauben, wobei
ein Einfädelungsvorgang
entlang des Bewegungspfades 7c erfolgt. Nach dem Verschrauben
des Cockpits 4 mit der Rohkarosse 5 lässt die
Fertigungseinrichtung 1 das Cockpit 4 los und
fährt entlang
des Bewegungspfades 7d zurück in seine Home-Position 10.
Gemäß 2 sind
dabei mehrere mögliche
Bewegungspfade 7a, b, c und d gezeichnet, welche in Abhängigkeit einer
Abholposition des Cockpits 4 vom Vormontagekarussell 11 und/oder
einer Position der Rohkarosse 5 gewählt werden. Dabei können im
vorliegenden Fall insgesamt vier Abholpositionen 12a, b,
c und d im Vormontagekarussell 11 eingegeben werden. Dabei
kann der aktuelle Quadrant des Vormontagekarussells an die Robotersteuerung
mittels eines Sensors übermittelt
und danach die zugehörige
eingelernte Bewegungstrajektorie aktiviert werden. Ebenso eingegeben
werden können
unterschiedliche Positionen der Rohkarosse 5, wobei vorzugsweise
zumindest eine erste Detektionseinrichtung 13 zur Ermittlung
einer möglichen
Abholposition 12 des zu montierenden Cockpits 4 und
zumindest eine zweite Detektionseinrichtung 14 zur Ermittlung
einer Montageposition des zu montierenden Cockpits 4 vorgesehen
sind.
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Hier
werden insbesondere zwei Korrekturmöglichkeiten genutzt:
- 1) Die Robotersteuerung korrigiert die ggf.
komplette Einfahrbewegung selbständig
mittels „Base-Korrektur" anhand analog messender
Abstandssensoren, die die Karossenposition erfassen.
- 2) Der externe Rechner „verbiegt" die Enden der Spline-Trajektorie, um geringfügige Korrekturen – z.B. Vermittlung
des Cockpits zwischen den A-Säulen
um +/– 10
mm aufzuschalten.
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Durch
die erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung 1 ist
es möglich,
den Bewegungspfad 7 an unterschiedliche Abholpositionen 12 beziehungsweise
Montagepositionen anzupassen, wobei der Bewegungspfad 7 beispielsweise
mittels einer Base-Korrektur an eine mögliche Position der Rohkarosse 5 angepasst
wird.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Bewegung des Roboters 2 auf einem zuvor erlernten Bewegungspfad 7 wie
auf einer „unsichtbaren
Schiene", wobei der
Bewegungswunsch durch Auslenkung des Joysticks 9 beziehungsweise
Aktivierung der Zustimmeinrichtung erteilt wird. Um den Bewegungswunsch in
der Aktivierungseinrichtung 8 an die zusätzliche Steuerungseinrichtung 6 und
anschließend
an den Roboter 2 zu übermitteln,
besteht zwischen der Steuerungseinrichtung 3 und der zusätzlichen
Steuerungseinrichtung 6 eine Ethernet-Verbindung; alternativ kann auch ein
dezentraler Peripheriebus wie Profibus und zukünftig ProfiNet verwendet werden. Dabei
ist jeder beliebige Kommunikationsbus denkbar, er muss lediglich
garantieren, dass ein Datendurchsatz im Interpolationstakt des Roboters
möglich ist.
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Die
großen
Vorteile der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung 1 liegen
insbesondere darin,
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– dass lediglich
die Ermittlung des Bewegungspfades 7 des Roboters 2 von
der zusätzlichen Steuerungseinrichtung 6 übernommen
wird, während alle
anderen prozessrelevanten Vorgänge
von der Steuerungseinrichtung 3 gesteuert werden,
- – dass
ein einfaches Korrigieren des Bewegungspfades 7 möglich ist,
- – dass
eine Unterteilung der Arbeitsbewegung in Funktionsphasen (zum Beispiel
Warten auf Bandstillstand, Cockpitbereitstellung, etc.) möglich ist,
- – dass
durch sogenannte Base-Korrekturen ein gezieltes Aufgleisen auf den
Bewegungspfad 7 bewirkt werden kann oder dass – als Alternative – eine Positionsabweichung
vom Werkstück
mit einer üblichen
Base-Korrektor in der Robotersteuerung weiterhin möglich ist,
- – dass
prinzipiell die Möglichkeit
einer Handkorrektur der Zielposition, das heißt der Montageposition sowie
der Abholposition möglich
ist,
- – und
dass eine Zyklusaufteilung in automatisch und manuell geführte Bewegungen
möglich
ist.
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Der
Einsatz eines handgeführten
Roboters vereint die Fähigkeit
eines manuell geführten
Handlingsystems (Übernahme
der Gewichtskraft von Bauelementen zur Entlastung der Bedienperson)
mit der Fähigkeit,
sehr präzise
zu positionieren (beispielsweise ca. 1/10 mm genau, was sonst bei
einem Handlingsystem nur mit komplexen und teuren Zusatzmechaniken
möglich
ist).
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Hebeeinrichtungen
an sich kompensieren nur die Gewichtskraft. Wenn die Werkstücke auch horizontal
verschoben werden sollen, sind entsprechende Vorrichtungen zur Unterstützung der
Beschleunigung vorgesehen. Der handgeführte Roboter unterstützt dagegen
die Bewegung in allen sechs Freiheitsgraden praktisch ohne initialen
Kraftaufwand (nur Auslenken eines Hebels bzw. Schalters).
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Wenn
es schwierig ist, zwei Teile zu fügen, dann kann der Roboter
diesen Prozeß stark
verbessern insbesondere in Bezug auf Schnelligkeit und Prozesssicherheit.
Auch können
Ergonomievorteile erzielt werden.
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Zur
Bewegung des Roboters entlang einer vorgegebenen Trajektorie kann
ein beliebiges mathematisches Modell verwendet werden (z.B. Geradenstücke zwischen
Raumpunkten). Die Verwendung von Splines stellt eine mögliche vorteilhafte
Ausprägung
dar. Folgende Rahmenbedingungen haben den Vorteil von Splines weiterhin
vergrößert: 1)
Die Notwendigkeit, den Anfang und das Ende einer Splinekurve (bzw.
virtuelle Schiene) so zu verbiegen, dass die Ausgangs- oder Zielposition
optimiert sind. 2) Eine Erweiterung der Splinemathematik, die die
Bewegung des Werkstückes
anhand einzelner Stützpunkte
in sechs Freiheitsgraden (3 Translationen und 3 Rotationen) anpassen
und glätten
kann.
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Der
automatisch ausgeführte
Teil der Roboterbewegung istinsbesondere durch entsprechende Sicherheitseinrichtungen
abgesichert.
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Das
konventionelle „Teach
In" ist an sich
gut bekannt, so dass die geforderte Bewegungen mittels des Bedienpersonals
leicht erzeugt werden können. Eine
andere bekannte Methode ist z.B. die Handführung des Roboters, so dass
aufgrund einer Krafteinwirkung von außen der Roboter an die richtige
Stelle geführt
wird und die Bahn von der Steuerung aufgezeichnet wird. Auch diese
Daten könnten
direkt in einen Algorithmus eingespeist werden.
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Gemäß einer
möglichen
Ausführungsform der
Anlage ist für
die Splinebewegung eine zusätzliche
Steuerungseinrichtung vorgesehen. Eine weitere sehr vorteilhafte
Ausführungsform
der Anlage wäre, wenn
die komplette Funktion der Steuerung auf der virtuellen Schiene
direkt auf dem Steuerrechner des Roboters implementiert werden würde. Andererseits hat
die vorgestellte Lösung
den Vorteil, dass der Roboter mit seinem normalen Pro gramm sonstige
Prozessfunktionen steuern kann, wie z.B. Greiferaktivitäten, Auswertung
von Peripheriesignalen wie Bandstopp/Werkstückpräsenz und auch Basekorrekturen für übergeordnete
Lageanpassungen z.B. der Werkstückträgerposition.
Nur die Bewegungsphase auf der virtuellen Schiene wird dann von
einem externen Rechner ausgeführt.
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Die
Vorwärts-/Rückwärtsbewegung
wird über
ein Eingabeelement ausgelöst.
Es erfolgt eine Auslösung
von gespeicherten Schaltvorgängen
an dedizierten Orten des Splines und ein verlangsamtes Wieder-Aufgleisen
auf den Spline, wenn der Roboter z.B. durch einen Notaus die virtuelle
Schiene nur geringfügig
verlassen hat. Dabei ist eine Einstellbarkeit der Grenzen gewährleistet,
wie weit durch eine unvorhergesehene Bewegung des Roboters – z.B. Notaus – den Spline
verlassen darf, um ein automatisches Aufgleisen zu erlauben. Es
kann eine Splineapproximation für
mehrere Freiheitsgrade – z.B.
12 – vorgesehen
sein, um auch Bewegungen von Zusatzachsen in die Virtuelle Schiene
einzubeziehen, z.B. eine Verkippachse für ein Cockpit. Der Einsatz eines – günstigerweise
analogen – Joysticks
ist vorteilhaft, da die Zielposition sehr feinfühlig angefahren oder korrigiert
werden kann. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn Sensoren in der
Start- oder Endposition des Splines die Position des Roboters an äußere Gegebenheiten
anpassen – „verbiegen" des Splines in eine
Optimalposition. Dann kann die Bedienperson zusätzlich noch die automatische
Lagekorrektur mit dem Joystick ganz- oder teilweise rückgängig machen.
Dies führt
insbesondere zu einer Erleichterung der Montage.