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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufnehmen, Halten und/oder Positionieren eines dreidimensionalen geformten oder verformbaren Objektes, insbesondere textile Halbzeuge.
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In der automatisierten oder halbautomatisierten industriellen Fertigung und Montage werden die Werkstücke oder Halbzeuge mit Hilfe von aus dem Stand der Technik bekannten Greifsystemen aufgenommen und an den entsprechenden Montageort verbracht. Die Montage an dem Montageort kann dann beispielsweise durch den Menschen oder ebenfalls automatisiert mit Hilfe von Robotertechnik erfolgen.
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Diese Greifsysteme können beispielsweise mechanisch funktionieren, indem mechanische Greifer das Objekt aufnehmen, halten und an dem Montageort positioniert ablegen. Bei sensiblen Werkstücken oder Halbzeugen, bei denen ein mechanisches Greifen aufgrund der geometrischen Form oder Materialbeschaffenheit nicht möglich ist, wie dies beispielsweise bei textilen Halbzeugen der Fall ist, werden auch andere Greifsysteme eingesetzt, wie beispielsweise Vakuumsauger, Adhäsionsgreifer oder Nadelgreifer.
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Bei den Vakuumgreifern beziehungsweise pneumatischen Greifern wird an dem Werkstück ein Saugelement lösbar angeordnet, das zusammen mit der Oberfläche des Werkstückes oder Halbzeuges einen abgeschlossenen Raum bildet, aus dem dann die Luft herausgesaugt werden kann. Durch den Unterdruck wird das Werkstück fest an den Sauggreifer gedrückt, so dass es gehalten und an der entsprechenden Montageposition gezielt abgelegt werden kann. Solche pneumatischen Greifsysteme werden beispielsweise bei der Montage von Autoglasscheiben verwendet, bei denen die Saugelemente aufgrund der ebenen Oberfläche der Autoscheibe besonders gut halten.
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Die Vakuumgreifer haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass die Aufnahmeeinheiten wie beispielsweise Saugglocken nur punktuell wirken und sich nur bedingt an die geometrische Form des aufzunehmenden Objektes beziehungsweise Werkstückes anpassen können. Darüber hinaus sind diese Greifsysteme auch bei bestimmten Materialien, wie beispielsweise Textilen oder flächenartig verformbaren Halbzeugen ungeeignet, da es bei der Ablage von solchen textilen Materialien in gekrümmten Werkzeugen zu Ondulationen in der Ausrichtung der Fasern kommt. Daher muss die Drapierung von trockenem Material, beispielsweise bei textilen Faserhalbzeugen aufwendig in Handarbeit durchgeführt werden, um die Faserhalbzeuge auch in komplexen geometrischen Werkzeugen richtig anordnen zu können.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Greifvorrichtung anzugeben, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die eingangs genannte Vorrichtung zum Aufnehmen, Halten und/oder Positionieren eines dreidimensional geformten oder verformbaren Objektes mit einer flexibel verformbaren Membran und mit einem oder mehreren Unterdruckelementen, die in der Membran eingebettet sind und die zur Erzeugung eines Unterdruckes innerhalb zumindest eines Ansaugbereiches zum Aufnehmen, Halten und/oder Positionieren des Objektes eingerichtet sind.
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Es wird demnach eine flexibel verformbare Membran vorgeschlagen, die sich möglichen geometrischen Formen von Objekten flexibel anpassen kann. In der Membran ist zumindest ein, vorzugsweise jedoch mehrere Unterdruckelemente eingebettet, die innerhalb eines Ansaugbereiches einen Unterdruck erzeugen können, damit ein Objekt entsprechend aufgenommen, gehalten und positioniert werden kann.
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Durch das Einbetten der lokalen Unterdruckelemente in die flexibel verformbare Membran werden die Unterdruckelemente immer an die geometrische Form des aufzunehmenden Objektes derart angepasst, dass die axiale Ausrichtung der Unterdruckelemente im Wesentlichen senkrecht zu der betreffenden Objektoberfläche im Bereich der Unterdruckelemente ausgerichtet ist. Dadurch wird ein optimales Saugergebnis erzielt, wobei die Vorrichtung zum Aufnehmen nahezu für jede Objektform eingerichtet ist.
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In gleicher Weise spielt die erfindungsgemäße Vorrichtung ihren Vorteil auch bei der Positionierung eines verformbaren Objektes beziehungsweise in einem dreidimensional geformten Werkzeug aus. Ein solcher Anwendungsfall ist beispielsweise dann gegeben, wenn ein trockenes Faserhalbzeug in einem gekrümmten oder geometrisch verformten Werkzeug angeordnet werden soll. Hierzu wird die Vorrichtung mit der Membran flach auf das flach abgelegte Halbzeug aufgesetzt, um es an der Vorrichtung aufzunehmen. Anschließend werden die Unterdruckelemente mit einem Unterdruck beaufschlagt, so dass das Faserhalbzeug an der Vorrichtung gehalten wird. Anschließend wird das Faserhalbzeug zusammen mit der Membran über das geometrisch verformte Werkzeug gestülpt, wobei die flexibel verformbare Membran die Form des Werkzeuges annimmt und so das textile Faserhalbzeug exakt in dem Werkzeug positioniert. Das textile Halbzeug nimmt dabei ebenfalls die geometrische Form des Werkzeuges an, so dass ein Nacharbeiten in Handarbeit nicht mehr erforderlich ist. Nach Abschalten des Unterdruckes kann die Membran dann von dem Halbzeug gelöst werden, während das Halbzeug in dem Werkzeug verbleibt.
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Vorteilhafterweise sind die Unterdruckelemente derart in der Membran eingebettet, dass sie zusammen mit der Membran auf der Seite des Ansaugbereiches eben abschließen. Somit kann gewährleistet werden, dass textile Halbzeuge wie Faserhalbzeuge auch exakt und eben in dem Werkzeug eingebracht werden können, ohne dass es zu nachteiligen und unerwünschten Verformungen kommt. Darüber hinaus wird es somit möglich, dass auch geometrisch verformte Objekte aufgenommen werden können, die eine sensible Oberfläche aufweisen, die beispielsweise nicht zerkratzt werden darf. Schließen die Unterdruckelemente eben mit der Membran ab, so wird der Ansaugbereich nicht nur partiell bei den Ansaugelementen gebildet, sondern kann sich somit flächig über die gesamte Membran beziehungsweise teilweise ausbreiten wodurch das Aufnehmen von Objekten wesentlich verbessert wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Unterdruckelemente Unterdruckdüsen sind.
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In einer besonders vorteilhaften Variante weist die Vorrichtung darüber hinaus ein Gehäuse auf, an dessen einen Seite die Membran mit den eingebetteten Unterdruckelementen angeordnet beziehungsweise aufgespannt ist. Die Membran wird dabei von dem Gehäuse in der entsprechend vorgespannten Position gehalten und an dem Gehäuse können darüber hinaus Geräteaufnahmen vorhanden sein, damit die Vorrichtung beispielsweise an einem Roboterarm oder ähnlichem angeordnet werden kann.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine Über- oder Unterdruckquelle aufweist, die mit dem Gehäuse kommunizierend verbunden ist. Mittels dieser Über- oder Unterdruckquelle kann dann getrennt von den Unterdruckelementen ein Über- beziehungsweise Unterdruck in dem Gehäuse beaufschlagt werden, so dass die Membran geometrisch verformt wird. So lässt sich mit Hilfe eines beaufschlagten Über- beziehungsweise Unterdruckes in dem Gehäuse die Membran beispielsweise in eine bestimmte Vorform bringen, damit ein Objekt besser aufgenommen werden kann oder damit ein Objekt besser in einem Werkzeug positioniert werden kann. Dazu wird der Unter- beziehungsweise Überdruck derart in dem Gehäuse beaufschlagt, dass die Membran annähernd die Form des Objektes beziehungsweise des Werkzeuges annimmt.
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Die Beaufschlagung des Gehäuses mit einem Über- beziehungsweise Unterdruck erfolgt dabei getrennt von den Unterdruckelementen, so dass auch bei einem Überdruck in dem Gehäuse die Unterdruckelemente zum Aufnehmen, Halten und Positionieren des Objektes eingerichtet sind. Die Unterdruckelemente sind somit unabhängig von den Druckverhältnissen im Gehäuse schaltbar.
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Um auch unsymmetrische Objekt- beziehungsweise Werkzeugformen durch die Membran abbilden zu können, ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn die Vorrichtung mindestens ein, vorteilhafterweise jedoch mehrere in dem Gehäuse angeordnete Stellglieder aufweist. Die Stellglieder können dabei beispielsweise an der hinteren Seite der Membran befestigt sowie an der gegenüberliegenden Gehäuseseite angebracht werden und zur Längenverstellung beziehungsweise Längenänderung vorgesehen sein. Werden die Stellglieder an unterschiedlichen Positionen mit der Membran verbunden, so können auch unsymmetrische Formen durch die Membran abgebildet werden, in dem die einzelnen Stellglieder durch eine Längenänderung entsprechend eingestellt werden. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass nur ein Stellglied verwendet wird, das beispielsweise mittig angeordnet ist.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 – skizzenhafte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 – skizzenhafte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Aktuatoren;
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3a, 3b – skizzenhafte Darstellung des Positionierens eines Faserhalbzeuges;
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4 – skizzenhafte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einer Perspektive.
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1 zeigt skizzenhaft die erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 weist eine flexibel verformbare Membran 2 auf, in der Unterdruckelemente 3 eingebettet sind. Die Unterdruckelemente 3 können vorzugsweise Unterdruckdüsen sein, die jeweils einzeln oder zusammen mit einer Unterdruckquelle (nicht dargestellt) verbindbar sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der 1 sind die Unterdruckelemente 3 in einem Array angeordnet, das sich in der Mitte der Membran 2 befindet und einen Ansaugbereich 4 bildet, in dem ein Objekt aufgenommen, gehalten und positioniert werden kann.
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Die Unterdruckelemente 3 sind vorzugsweise in der Membran 2 derart eingebettet, dass sie an der Seite des Ansaugbereiches 4, an dem die Objekte aufgenommen und gehalten werden, im Wesentlichen bündig mit der Membran 2 abschließen, so dass eine glatte und durchgehende Ebene auf der Membran 2 entsteht. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass die Kraft der Unterdruckelemente 3 nicht nur lokal auf dem Bereich der Unterdruckelemente 3 beschränkt ist, sondern sich im gesamten Ansaugbereich 4 auswirkt, so dass insbesondere textile Halbzeuge beziehungsweise Faserhalbzeuge mit dieser Vorrichtung aufgenommen werden können.
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Die Membran 2 ist des Weiteren im Beispiel der 1 an einer Seite eines Gehäuses 5 aufgespannt und bildet so eine Seite des Gehäuses 5. Das Gehäuse 5 bildet dabei zusammen mit der Membran 2 ein geschlossenes Gehäuse, an dem ein Druckstutzen 6 seitlich angeordnet ist. Über den Druckstutzen 6 ist das Gehäuse 5 mit einer Über- beziehungsweise Unterdruckquelle 7 verbunden, so dass Luft in das Gehäuse 5 reingedrückt werden kann beziehungsweise Luft aus dem Gehäuse 5 herausgezogen werden kann, so dass sich das geschlossene Gehäuse 5 mit einem Über- beziehungsweise Unterdruck beaufschlagen lässt.
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Mit dem Beaufschlagen eines Über- beziehungsweise Unterdruckes im geschlossenen Gehäuse 5 lässt sich erreichen, dass die Membran 2, die flexibel verformbar ist, das heißt sich den Druckverhältnissen im Gehäuse 5 anpasst und sich somit geometrisch verformt. Mit Hilfe einer solchen geometrischen Verformung der Membran 2 lassen sich beispielsweise bestimmte Objektformen beziehungsweise Werkzeugformen, auf die ein Objekt aufgebracht werden soll, abbilden, um den entsprechenden Vorgang zu erleichtern.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 aus dem Ausführungsbeispiel der 1, wobei zusätzlich zu den Merkmalen der Vorrichtung 1 aus 1 Stellglieder 8 in dem Gehäuse 5 angeordnet sind. Die Stellglieder können dabei bekannte Aktoren sein, die beispielsweise eine Längenveränderung bewirken können. Die Stellglieder 8 sind dabei an einer Seite mit der Unterseite der Membran 2 verbunden und mit der anderen Seite mit der gegenüberliegenden Gehäuseseite 5a. Wird die Längenausdehnung der Stellglieder 8 verkürzt, so wird die Membran 2 an dieser Stelle in Richtung Gehäuseboden 5a gezogen, so dass sich eine Art Delle ergibt. Wird hingegen die Länge der Stellglieder vergrößert, so wird die Membran 2 nach außen gewölbt, so dass sich eine positive Krümmung ergibt.
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Werden mehrere solcher Stellglieder 8 in dem Gehäuse 5 angeordnet, so lassen sich unterschiedlichste dreidimensionale geometrische Formen durch die Membran 2 bilden, so dass auch kompliziert geformte geometrische Strukturen mit Hilfe der Vorrichtung 1 aufgenommen, gehalten und positioniert werden können.
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In 3a und 3b wird skizzenhaft gezeigt, wie die Vorrichtung 1 ein Objekt, in diesem Ausführungsbeispiel ein Faserhalbzeug 9 hält und es dann auf ein Werkzeug 10 präzise positioniert. Gemäß 3a wird das Faserhalbzeug 9 von den Unterdruckelementen 3 an die Membran 2 gesaugt und von der im Ansaugbereich 4 gehalten. Anschließend wird die Vorrichtung 1 über das entsprechende Werkzeug 10, das die Form des endgültigen Faserhalbzeuges hat, in Stellung gebracht und dann in das Werkzeug 10 eingebracht. Das Werkzeug 10 hat im Ausführungsbeispiel der 3b eine nach oben gerichtete Krümmung, so dass beim Einbringen der Vorrichtung 1 die Membran in Richtung Gehäuseboden 5 gedrückt wird und sich so exakt der Form des Werkzeuges 10 anpasst. Zwischen Membran 2 und Werkzeug 10 befindet sich das Faserhalbzeug 9, was nunmehr ebenfalls die Form des Werkzeuges 10 annimmt.
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Anschließend werden die Unterdruckelemente 3 funktionslos geschaltet, das heißt im Ansaugbereich 4 besteht keine Ansaugkraft mehr, so dass die Vorrichtung 1 von dem Werkzeug 10 entfernt werden kann. Das Faserhalbzeug 9 verbleibt dabei in dem Werkzeug 10. Dabei wurde erkannt, dass bei dieser Art des Aufnehmens von Faserhalbzeugen in gekrümmten Werkzeugen keine Faserondulationen auftreten, die normalerweise nicht eindeutig reproduzierbar sind und in mühevoller Handarbeit beseitigt werden müssen. Vielmehr passt sich das Faserhalbzeug 9 exakt der Form des Werkzeuges 10 an und kann so der weiteren Bearbeitung zugeführt werden.
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Zu erkennen ist in 3b des Weiteren, dass die axiale Ausrichtung 11 der Unterdruckelemente 3 immer senkrecht zu der Objekt- beziehungsweise Faserhalbzeugoberfläche im Bereich der Unterdruckelemente 3 ausgerichtet sind. Dadurch wird erreicht, dass die Unterdruckelemente 3 immer optimal zu den betreffenden und zu haltenden Objekten 9 ausgerichtet sind und ihre optimale Kraft entfalten können.
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4 zeigt schließlich die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in einem Querschnitt, wobei mittig ein Stellglied 8 angeordnet ist. Das Stellglied 8 ist dabei am Gehäuseboden 5 befestigt und mit der Membran 2 an ihrer Unterseite verbunden. Wird nun eine Längenänderung erzeugt, so wie im Beispiel der 4 eine Verkürzung, so wird die Membran 2 in Richtung Gehäuseboden 5a gezogen, so dass sich eine geometrische Form ergibt.
