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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumgreifeinrichtung, die einen Vakuumgreifer, eine Verarbeitungseinrichtung, eine Sensoreinrichtung zur Bereitstellung eines fluid- und/oder vakuumbezogenen Sensorsignals und ein von der Verarbeitungseinrichtung ansteuerbares Fluidsteuerventil zur Bereitstellung eines Fluidstroms, vorzugsweise eines Vakuums, insbesondere eines Vakuums und eines Überdrucks, an den Vakuumgreifer umfasst, wobei die Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung des Sensorsignals und zur Ansteuerung des Fluidsteuerventils ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Vakuumsteuereinrichtung und einen Manipulator.
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Aus der
DE 10 2007 061 820 A1 ist eine Vakuumerzeugervorrichtung bekannt, die eine Ejektoreinrichtung aufweist, welche mit einem an einen Sauggreifer angeschlossenen Saugkanal verbunden ist. An den Saugkanal ist eine Druckerfassungseinrichtung angeschlossen, die mit einer Steuerelektronik kommuniziert. Die Vorrichtung erlaubt die Durchführung eines Verfahrens, bei dem die Evakuierungszeit und/oder die Belüftungszeit des Saugkanals erfasst und mit mindestens einem Referenzzeitwert verglichen wird, um in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ein elektrisches Diagnosesignal zu erzeugen.
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Die
DE 10 2007 058 114 A1 offenbart eine Vakuumerzeugervorrichtung und ein zu deren Betreiben geeignetes Verfahren. Eine Ejektoreinrichtung ist mit ihrem Einlass an einen Luftversorgungskanal angeschlossen, der durch eine elektronische Regelungseinrichtung wahlweise abgesperrt oder freigegeben werden kann, um die Ejektoreinrichtung wahlweise auszuschalten oder einzuschalten. Bei eingeschalteter Ejektoreinrichtung wird in einem Saugkanal ein Unterdruck erzeugt. Die Ejektoreinrichtung wird so betrieben, dass der Unterdruck zwischen einem oberen Schaltwert und einem unteren Schaltwert pendelt. Durch einen Vergleich mit einem Referenzzeitwert wird die Betriebsdauer der Ejektoreinrichtung ermittelt, um ein Diagnosesignal zu generieren, das auf die vorhandene Leckage schließen lässt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumgreifeinrichtung sowie eine Vakuumsteuereinrichtung und einen Manipulator anzugeben, die verglichen mit dem Stand der Technik eine schnellere Handhabung von Werkstücken ermöglichen
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung für ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei sind die folgenden Schritte vorgesehen: Ausgeben eines Steuersignals von der Verarbeitungseinrichtung an das Fluidsteuerventil zu einem Ansteuerungszeitpunkt, Ermitteln einer Änderungsgeschwindigkeit für das von der Sensoreinrichtung in Korrelation zu einem fluid- und/oder vakuumbezogenen physikalischen Wert ausgegebene Sensorsignal und Bereitstellung eines Statussignals an ein externes Kommunikationssystem, das für eine Kommunikation mit einer Maschinensteuerung ausgebildet ist, um durch das Statussignal eine Änderung eines Bewegungszustands des Vakuumgreifers zu bewirken, wenn die ermittelte Änderungsgeschwindigkeit einem vorgebbaren Mindestwert entspricht oder in einem vorgebbaren Werteintervall liegt.
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Durch die Berücksichtigung der Änderungsgeschwindigkeit für das Sensorsignal, das die Änderung eines physikalischen Werts, insbesondere eines Druckwerts am Vakuumgreifer, repräsentiert, wird bereits in einer frühen Phase des Greifvorgangs eine zuverlässige Vorhersage ermöglicht, ob der Greifvorgang gelingen wird. Typischerweise ist nach erfolgreichem Greifen eines Werkstücks mit dem Vakuumgreifer eine Bewegung des Vakuumgreifers und des daran aufgenommenen Werkstücks vorgesehen, beispielsweise um das Werkstück von einem ersten Ort an einen zweiten Ort zu verlagern. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Statussignal, mit dem der Maschinensteuerung mitgeteilt wird, dass nunmehr eine Bewegung des Vakuumgreifers erfolgen kann, bereits bei Ermittlung einer Übereinstimmung der Änderungsgeschwindigkeit mit dem vorgebbaren Mindestwert oder dem vorgebbaren Werteintervall und somit zu einem frühen Zeitpunkt während des Greifvorgangs erfolgen. Zwischen der Ausgabe des Statussignals und dem tatsächlichen Beginn der Bewegung des Vakuumgreifers liegt eine insbesondere durch Datenübertragungszeiten zwischen Verarbeitungseinrichtung, Maschinensteuerung und zugeordnetem Aktor, durch eine Verarbeitungszeit des Statussignals in der Maschinensteuerung und durch eine mechanische Trägheit des Aktors bestimmte Zeitspanne, die auch als Totzeit bezeichnet werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die inhärent vorliegende Totzeit für die Vollendung des Greifvorgangs genutzt, da bereits zu einem frühen Zeitpunkt mit hoher Sicherheit vorausgesagt werden kann, ob der Greifvorgang erfolgreich abgeschlossen wird oder nicht und nur im vorausgesagten Erfolgsfall das Statussignal ausgegeben wird. Somit wird die Zeitspanne ab dem Ansteuerungszeitpunkt für das Fluidsteuerventil bis zur tatsächlichen Bewegung des Vakuumgreifers verkürzt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass von der Verarbeitungseinrichtung ein Leerlauf-Druckwert zu einem Zeitpunkt ermittelt wird, zu dem der Vakuumgreifer nicht an einem Werkstück anliegt. Hierdurch kann überprüft werden, ob das Fluidsteuerventil, das zur Bereitstellung eines Vakuums an den Vakuumgreifer vorgesehen ist, korrekt arbeitet und/oder möglicherweise in den fluidischen Leitungen zwischen Fluidsteuerventil und Vakuumgreifer und/oder unmittelbar am Vakuumgreifer eine Fehlfunktion vorliegt. Dies kann beispielsweise durch Vergleich des Leerlauf-Druckwerts mit einem vorgebbaren, in der Verarbeitungseinrichtung gespeicherten Leerlauf-Druckgrenzwert ermittelt werden. Bei Vorliegen einer Überschreitung des Leerlauf-Druckgrenzwerts, insbesondere nach Verstreichen einer vorgebbaren Wartezeit nach einer entsprechenden Ansteuerung des Fluidsteuerventils, kann exemplarisch eine Einleitung des Greifvorgangs durch die Verarbeitungseinrichtung verhindert werden. Dieser Fehler kann auftreten, wenn aufgrund von Unzulänglichkeiten der Vakuumgreifereinrichtung, beispielsweise durch Verschmutzung oder Beschädigung von Saugnäpfen am Vakuumgreifer und/oder Verschmutzung oder Beschädigung von Saugleitungen zum Vakuumgreifer und/oder Verschmutzung von Saugfiltern innerhalb eines gegebenen Zeitraums, die erforderliche Druckreduzierung am Vakuumgreifer, beispielsweise ausgehend von einem Umgebungsdruck, nicht erreicht wird. In diesem Fall ist also nicht damit zu rechnen, dass sich beim Kontakt des Vakuumgreifers mit dem Werkstück ein Vakuum am Vakuumgreifer einstellen wird, das zum zuverlässigen Greifen des Werkstücks geeignet ist. Dementsprechend wird dann auch kein Statussignal ausgegeben, das zu einer Bewegung des Vakuumgreifers führen würde.
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Zweckmäßig ist es, wenn von der Verarbeitungseinrichtung während eines Vakuumgreifvorgangs ein Minimal-Druckwert ermittelt wird, der sich einstellt, wenn der Vakuumgreifer am Werkstück anliegt. Der Minimal-Druckwert, der insbesondere dem niedrigsten Druck entspricht, der sich während des Greifvorgangs im Vakuumgreifer einstellt, hängt insbesondere vom Zustand des Vakuumgreifers, von der Beschaffenheit des zu greifenden Werkstücks, von der Funktion des Fluidsteuerventils und dem Zustand der Fluidleitungen, insbesondere zwischen Fluidsteuerventil und Vakuumgreifer ab. Der Minimal-Druckwert wird mit einem vorgebbaren, in der Verarbeitungseinrichtung gespeicherten Minimal-Druckgrenzwert verglichen. Sofern der Minimal-Druckgrenzwert während des Greifvorgangs nicht unterschritten wird, sich also kein Minimal-Druckwert einstellt, der kleiner als der vorgebbare Minimal-Druckgrenzwert ist, muss davon ausgegangen werden, dass auch die erforderliche Greifkraft zwischen Vakuumgreifer und Werkstück nicht das vorgesehene Niveau erreicht. Dementsprechend kann für diesen Fall vorgesehen werden, die Bewegung des Vakuumgreifers zu verlangsamen und/oder das Werkstück möglichst schnell in eine unkritische Position zu bringen, insbesondere abzusetzen, und/oder eine Fehlermeldung von der Verarbeitungseinrichtung an die Maschinensteuerung auszugeben, um einen weiteren Greifvorgang zu unterbinden oder einen Anwender der Vakuumgreifvorrichtung zu informieren.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Mindestwert oder das Werteintervall für die Änderungsgeschwindigkeit des Sensorsignals in Abhängigkeit vom Leerlauf-Druckwert und/oder vom Minimal-Druckwert angepasst wird. Hierdurch können, insbesondere innerhalb eines vorgebbaren Intervalls, den Greifvorgang negativ beinflussende Faktoren wie der Verschleiß des Vakuumgreifers und/oder des Fluidventils und/oder den Greifvorgang begünstigende Faktoren wie eine durch Verschleiß stattfindende, zumindest zeitweilig vorteilhafte geometrische Anpassung des Vakuumgreifers an das zu greifende Werkstück bei der Vorhersage über den Erfolg des Greifvorgangs berücksichtigt werden. Hierdurch kann das Verhalten der Verarbeitungseinrichtung stetig an Änderungen im Greifsystem, das im Wesentlichen aus dem Fluidventil, dem Vakuumgreifer und dem Werkstück besteht, angepasst werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Ausgeben einer Warnmeldung von der Verarbeitungseinrichtung erfolgt, wenn der Leerlauf-Druckwert oberhalb eines vorgebbaren Leerlauf-Grenzwerts und/oder der Minimal-Druckwert oberhalb eines vorgebbaren Minimal-Druckgrenzwerts liegen. Hierdurch sollen Greifvorgänge vermieden werden, bei denen absehbar ist, dass sich der gewünschte Greiferfolg nicht einstellen wird.
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Bevorzugt wird das Statussignal nur dann von der Verarbeitungseinrichtung bereitgestellt, wenn die Änderungsgeschwindigkeit für das Sensorsignal länger als ein vorgebbares minimales Zeitintervall mit dem vorgebbaren Mindestwert oder dem vorgebbaren Werteintervall übereinstimmt und/oder wenn innerhalb einer vorgebbaren Zeitspanne ab der Ausgabe des Steuersignals von der Verarbeitungseinrichtung an das Fluidsteuerventil zum Ansteuerungszeitpunkt ein Mindestwert für das Sensorsignal erreicht wurde. Hierdurch wird vermieden, dass bereits bei kurzem Vorliegen der vorgegebenen Änderungsgeschwindigkeit eine positive Beurteilung des Greifvorgangs erfolgt, die zur Bereitstellung des Statussignals für die Einleitung der Bewegung auf den Vakuumgreifer führen könnte. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, nur dann ein Statussignal bereitzustellen, wenn ein vorgebbarer Wert für die Änderungsgeschwindigkeit innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls erreicht oder überschritten wird. Bei dem Zeitintervall handelt es sich vorzugsweise um ein wanderndes Zeitfenster, das bei einem ersten Erreichen des vorgegebenen Mindestwerts geöffnet wird und entweder wieder geschlossen wird, sofern die Änderungsgeschwindigkeit den vorgegebenen Mindestwert wieder unterschreitet oder bei Erreichen des vorgebbaren Zeitintervalls zur Bereitstellung der Statusmeldung führt. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zur Betrachtung der Änderungsgeschwindigkeit auch ein Erreichen eines Mindestwerts für das Sensorsignal innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls betrachtet wird, um hierüber ebenfalls eine zuverlässige Aussage über den Erfolg des Greifvorgangs zu ermöglichen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Aspekt mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Hierbei ist eine Vakuumsteuereinrichtung mit einem Fluidanschluss für eine Fluidzufuhr vorgesehen, mit einem Fluidausgang für die Bereitstellung eines Fluids und/oder eines Vakuums an einen Verbraucher, mit einer Verarbeitungseinrichtung, die zur Verarbeitung wenigstens eines fluid- und/oder vakuumbezogenen Sensorsignals und zur Bereitstellung von Steuersignalen ausgebildet ist, sowie mit einem von den Steuersignalen ansteuerbaren Fluidsteuerventil, das mit dem Fluidanschluss oder mit dem Fluidanschluss und dem Fluidausgang verbunden ist, und/oder mit einem Vakuumsteuerventil, das mit dem Fluidanschluss und dem Fluidausgang verbunden ist, um eine zeitweilige Bereitstellung von Fluid und/oder Vakuum am Fluidausgang zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß ist die Verarbeitungseinrichtung derart für eine Ermittlung einer Änderungsgeschwindigkeit für das von der Sensoreinrichtung in Korrelation zu einem fluid- und/oder vakuumbezogenen physikalischen Wert ausgegebene Sensorsignal sowie für eine Bereitstellung eines Statussignals an ein externes Kommunikationssystem, das einer Kommunikation mit einer Maschinensteuerung dient, ausgebildet, dass bei Übereinstimmung der ermittelten Änderungsgeschwindigkeit mit einem vorgebbaren Mindestwert oder einem vorgebbaren Werteintervall anhand des Statussignals eine Änderung eines Bewegungszustands des Vakuumgreifers vorgebbar ist. Mit einer derartigen Verarbeitungseinrichtung, die in einer Vakuumsteuereinrichtung enthalten ist, wird eine Optimierung von Greif- und/oder Ablegevorgängen für ein Werkstück ermöglicht, das von einem Vakuumgreifer gegriffen werden soll, der mit einem von der Vakuumsteuereinrichtung bereitgestellten Unterdruck und ggf. Überdruck beaufschlagt wird. Die Vakuumsteuereinrichtung kann anhand der Änderungsgeschwindigkeit für das Sensorsignal bereits zu einem frühen Zeitpunkt und deutlich vor Erreichen des angestrebten Minimaldrucks im Vakuumgreifer in Zusammenwirkung mit einer Maschinensteuerung eine optimierte Bewegungssteuerung für einen von der Maschinensteuerung ansteuerbaren Manipulator, der den Vakuumgreifer trägt und bewegt, erzielen.
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Vorteilhaft ist es, wenn dem Vakuumgreifer eine, insbesondere als Drucksensor ausgebildete, Sensoreinrichtung zugeordnet ist, die für eine Bereitstellung des vakuumbezogenen Sensorsignals an die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet ist. Somit erfolgt eine Ermittlung des Vakuums vor Ort direkt am Vakuumgreifer, wodurch eine hohe Genauigkeit des ermittelten Messwerts für die wenigstens eine Charakteristik des zu erzeugenden Vakuums gewährleistet wird.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Verarbeitungseinrichtung ein Drucksensor für die Ermittlung eines Fluiddrucks am Fluidanschluss zugeordnet ist und dass die Verarbeitungseinrichtung für eine Änderung des Steuersignals an das Vakuumsteuerventil anhand des ermittelten Fluiddrucks ausgebildet ist. Durch die Integration des Drucksensors in die Vakuumsteuereinrichtung kann eine besonders kompakte Bauweise erreicht werden, da auf Anschlussmittel für einen externen Drucksensor, beispielsweise auf Steckbuchsen für Signalkabel, verzichtet werden kann. Zudem ist keine aufwendige Aufbereitung der Ausgangssignale des Drucksensors erforderlich, vielmehr werden die Ausgangssignale des Drucksensors auf kurzem Wege an die Verarbeitungseinrichtung weitergeleitet. Besonders bevorzugt ist der Drucksensor direkt mit einer Leiterplatte elektrisch verbunden, auf der die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Fluidanschluss und dem Fluidausgang ein Vakuumerzeuger, insbesondere ein Ejektor, fluidisch eingeschleift ist. Hierdurch kann das benötigte Vakuum unmittelbar in der Vakuumsteuereinrichtung erzeugt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine wahlweise Bereitstellung eines Vakuums und eines Überdrucks am Fluidausgang allein durch Umschaltung des Vakuumsteuerventils erreicht werden kann. Dabei stellt das Vakuumsteuerventil in einer ersten Schaltstellung die am Fluidanschluss bereitgestellte Druckluft dem Vakuumerzeuger, insbesondere dem Ejektor, zur Verfügung, so dass am Fluidausgang ein Vakuum bereitgestellt wird. In einer zweiten Schaltstellung wird der Fluidanschluss vom Vakuumsteuerventil blockiert. In einer dritten Schaltstellung findet eine unmittelbare Weiterleitung der am Fluidanschluss bereitgestellten Druckluft an den Fluidausgang statt, so dass eine Überdruckbeaufschlagung des dort angeschlossenen Vakuumgreifers erfolgen kann.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass an der Vakuumsteuereinrichtung ein zweiter Fluidanschluss vorgesehen ist, der für eine Bereitstellung eines zweiten Fluids an das Fluidsteuerventil und/oder das Vakuumsteuerventil ausgebildet ist und dass das Fluidsteuerventil und/oder das Vakuumsteuerventil für eine wahlweise Freigabe einer kommunizierenden Verbindung zwischen dem ersten oder dem zweiten Fluidanschluss und dem Fluidausgang sowie für eine Absperrung der Verbindung zum Fluidausgang ausgebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung des Fluidsteuerventil und/oder des Vakuumsteuerventils ist vorteilhaft, wenn sowohl Druckluft als auch Vakuum an die Vakuumsteuereinrichtung bereitgestellt werden. Somit sind das Fluidsteuerventil und/oder das Vakuumsteuerventil für eine Umschaltung zwischen dem bereitgestellten Vakuum, der bereitgestellten Druckluft und gegebenenfalls einer Blockierung des Fluidausgangs verantwortlich.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 12 gelöst. Hierbei ist ein Manipulator mit einem beweglichen Manipulatorarm und einem daran angebrachten Vakuumgreifer zum Ergreifen, Bewegen und Absetzen von Werkstücken vorgesehen, wobei der Vakuumgreifer fluidisch kommunizierend mit einer erfindungsgemäßen Vakuumsteuereinrichtung, sowie mit einer Maschinensteuerung, die für eine Ansteuerung des Manipulatorarms und für eine Kommunikation mit der Vakuumsteuereinrichtung über ein externes Kommunikationssystem ausgebildet ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Maschinensteuerung derart eingerichtet ist, dass eine Änderung eines Bewegungszustands des Manipulatorarms in Abhängigkeit von einem Statussignal der Vakuumsteuereinrichtung erfolgt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Vakuumgreifeinrichtung,
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2 eine modular aufgebaute Fluidsteuereinrichtung zur Ansteuerung der in 1 dargestellten Vakuumgreifeinrichtung,
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3 einen pneumatischen Schaltplan einer ersten Ausführungsform eines Vakuumsteuergeräts,
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4 einen pneumatischen Schaltplan einer zweiten Ausführungsform eines Vakuumsteuergeräts und
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5 ein zeitliches Ablaufschema für den Betrieb einer Vakuumgreifeinrichtung.
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In der 1 ist eine Vakuumgreifeinrichtung 1 schematisch dargestellt, wie sie beispielsweise zum Manövrieren von plattenförmigen Gegenständen 2 eingesetzt werden kann. Die Vakuumgreifeinrichtung 1 umfasst exemplarisch mehrere an einem gemeinsamen formstabilen Rahmen 3 angebrachte, zumindest bereichsweise flexibel ausgebildete Vakuumgreifer 4. Der Rahmen 3 ist vorliegend an zwei parallel zueinander ausgerichteten Linearstellern 5 angebracht, bei denen es sich um elektrische oder fluidische Stellmittel, insbesondere um Pneumatikzylinder, handeln kann. Jeder der Vakuumgreifer 4 ist fluidisch kommunizierend mit einer Versorgungsleitung 6 verbunden, die für eine Bereitstellung eines Fluidstroms aus einem vom Vakuumgreifer 4 und dem zugeordneten Werkstück 2 begrenzten, nicht näher dargestellten Hohlraum oder eines Fluidstroms in diesen Hohlraum ausgebildet ist. Die Vakuumgreifer 4 können beispielsweise zunächst auf die Oberfläche des Werkstücks 2 aufgesetzt werden, um dann in einem nachfolgenden Schritt eine Evakuierung des Hohlraums über die Versorgungsleitung zu bewirken, wodurch sich eine Haltekraft zwischen Vakuumgreifer 4 und Werkstück 2 aufbaut. Bei ausreichender Dichtwirkung zwischen dem Vakuumgreifer 4 und dem Werkstück 2 und ausreichender Unterdruckbeaufschlagung des Hohlraums kann dadurch das Werkstück 2 mittels der Linearsteller 5 angehoben und/oder abgesenkt werden. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung der Linearsteller 5 als Pneumatikzylinder sind Druckleitungen 7, 8 vorgesehen, über die Druckluft zu den Linearstellern 5 geleitet werden kann, um den gewünschten Hub- oder Absenkvorgang zu bewirken.
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In einem nachfolgenden Schritt werden die Hohlräume der jeweiligen Vakuumgreifer 4 belüftet oder gegebenenfalls mit Überdruck beaufschlagt, um einen raschen Abbau der Haltekräfte zu bewirken und das Werkstück 2 schnell ablegen zu können.
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Die Versorgungsleitung 6 ist wie die Druckleitungen 7 und 8 mit einer Fluidsteuereinrichtung 9 verbunden, die aus mehreren, in der 2 näher dargestellten Modulen 10, 11, 12, aufgebaut ist. Vorzugsweise sind diese Module 10, 11, 12 aneinandergereiht angeordnet und stehen untereinander elektrisch und fluidisch in kommunizierender Verbindung. Exemplarisch umfasst die Fluidsteuereinrichtung 9 ein Vakuummodul 10 sowie zwei Druckluftmodule 11 und ein Steuermodul 12. Die Vakuumgreifer 4 sind über die Versorgungsleitung 5 mit dem Vakuummodul 10 verbunden. Die beiden Linearsteller 5 sind über die Druckleitungen 7, 8 mit den für die Hub- bzw. Absenkbewegung zuständigen Druckluftmodulen 11 verbunden. Das Steuermodul 12 ist zur Koordination der Funktionen der anderen Module 10, 11 vorgesehen, hierzu kann beispielsweise eine parallel Verschaltung der Module 10, 11 mit dem Steuermodul 12 oder ein internes Kommunikationssystem zwischen den Modulen 10, 11 und dem Steuermodul 12 vorgesehen sein. Zudem dient das Steuermodul 12 auch zur Umsetzung von Steuerbefehlen, die von einer Maschinensteuerung 13 über ein Kommunikationssystem 15 an das Steuermodul 12 bereitgestellt werden.
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Aus der 2 ist der modulare Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform einer Fluidsteuereinrichtung 12 erkennbar. Das Steuermodul 12 umfasst eine externe Kommunikationsschnittstelle 16, eine interne Kommunikationsschnittstelle 17 sowie zwei externe Fluidanschlüsse 18, 19 und zwei interne Fluidanschlüsse 20, 21. An den beiden externen Fluidanschlüssen 18, 19 können beispielsweise Druckluft und Vakuum angeschlossen werden, die internen Fluidanschlüsse 20, 21 dienen dann exemplarisch zur Weiterleitung der Druckluft und des Vakuums an die Module 10, 11. Die externe Kommunikationsschnittstelle 16 dient zum Anschluss eines externen Kommunikationssystems 15, das exemplarisch eine Übertragung von Steuerbefehlen und Sensordaten zwischen der Maschinensteuerung 13 und dem Steuermodul 12 nach dem Profibus-Protokoll vorsieht. Die interne Kommunikationsschnittstelle 17 ist für eine Weiterleitung von Steuerbefehlen vom Steuermodul 12 an die Module 10, 11 sowie zur Bereitstellung von Sensor- und/oder Statussignalen der Module 10, 11 an das Steuermodul 12 vorgesehen und kann beispielsweise für eine Datenübertragung nach dem I/O-Link-Protokoll ausgebildet sein. Alternativ sind die interne Kommunikationsschnittstelle 17 am Steuermodul 12 und entsprechende Kommunikationsschnittstellen 17 an den Modulen 10, 11 als Parallelbussystem, als I/O-Link oder als Parallelverdrahtung, insbesondere Multipol, ausgebildet.
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Die der in 3 dargestellte erste Ausführungsform eines als Vakuumsteuergerät 22 ausgebildeten Vakuummoduls 10 umfasst einen Fluidanschluss 23, ein Steuerventil 24, einen Ejektor 25, einen Abluftschalldämpfer 28, einen am Ejektor 28 angeordneten Sauganschluss 29, eine Fluidleitung 30, einen Fluidausgang 31, eine Verarbeitungseinrichtung 32 sowie eine als Drucksensor 33 ausgebildete Sensoreinrichtung. Der Fluidanschluss 23 ist für eine Druckluftzufuhr in das Vakuumsteuergerät 22 ausgebildet und an einer Seitenwand des Vakuummoduls 10 angeordnet, so dass er mit einem korrespondierenden internen Fluidanschluss 20 eines benachbart angeordneten Moduls 10, 11, 12 in kommunizierende Verbindung gebracht werden kann. Der Fluidanschluss 23 steht mit einem Steuerventil 24 in Verbindung, das für eine wahlweise Weiterleitung der bereitgestellten Druckluft an den Ejektor 25 oder unmittelbar an den Fluidausgang 31 ausgebildet ist. Das Steuerventil 24 ist exemplarisch als 3/3-Wegeventil ausgebildet und kann elektromagnetisch angesteuert werden. Hierzu ist die im Vakuumsteuergerät 22 angeordnete Verarbeitungseinrichtung 32 vorgesehen, die über die interne Kommunikationsschnittstelle 17 mit dem Steuermodul 12 in elektrisch kommunizierender Verbindung steht. Das Steuerventil 24 kann in einer ersten, in der 3 dargestellten Schaltstellung für eine Druckluftversorgung des Ejektors 23 vorgesehen sein, so dass an dem Sauganschluss 29 und somit auch am Fluidausgang 31 ein Unterdruck anliegt, mit dem die in der 1 dargestellten Vakuumgreifer 4 am Werkstück 2 festgesaugt werden können. In einer zweiten Schaltstellung des Steuerventils 24 ist eine Druckbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4 für ein schnelles Ablegen des Werkstücks 2 vorgesehen. In einer dritten Schaltstellung des Steuerventils 24 sind die Verbindungen zwischen dem Fluidanschluss 23 und dem Fluidausgang 31 blockiert. Die Verarbeitungseinrichtung 32 ist elektrisch mit dem Drucksensor 33 verbunden, der seinerseits in kommunizierender fluidischer Verbindung mit der zum Fluidausgang 31 führenden Fluidleitung 30 steht. Mit Hilfe des Drucksensors 33 kann der tatsächlich am Fluidausgang 31 anliegende Fluiddruck ermittelt werden, um eine vorteilhafte Ansteuerung des Steuerventils 24 vornehmen zu können. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung als baulich getrennter Bestandteil des Vakuumsteuergeräts ausgebildet oder ist im Steuermodul integriert.
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Bei der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform eines als Vakuumsteuergerät 42 ausgeführten Vakuummoduls 10 werden für funktionsgleiche Komponenten die gleichen Bezeichnungen wie beim Vakuumsteuergerät 22 benutzt. Das Vakuumsteuergerät 42 umfasst ebenfalls eine Verarbeitungseinrichtung 32, einen Drucksensor 33 und einen Fluidausgang 31. Abweichend vom Vakuumsteuergerät 22 sind beim Vakuumsteuergerät 42 zwei Fluidanschlüsse 43, 44 vorgesehen, die einer Druckluft- bzw. Vakuumversorgung in das Vakuumsteuergerät 42 dienen. Den beiden Fluidanschlüssen 43, 44 ist jeweils ein als 2/2-Wegeventil ausgebildetes Steuerventil 45, 46 zugeordnet, wobei jedes der Steuerventile 45, 46 mit der Verarbeitungseinrichtung 32 elektrisch gekoppelt ist. Die Verarbeitungseinrichtung 32 kann die Steuerventile 45, 46 derart ansteuern, dass wahlweise die am Fluidanschluss 43 bereitgestellte Druckluft oder der am Fluidanschluss 44 bereitgestellte Unterdruck an den Fluidausgang 31 bereitgestellt wird. Ergänzend kann vorgesehen sein, dass beide Steuerventile 45, 46 von der Verarbeitungseinrichtung 32 in die jeweilige Sperrstellung geschaltet werden, so dass kein Fluidstrom zwischen den Fluidanschlüssen 43, 44 und dem Fluidausgang 31 vorliegt.
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Aus dem in 5 dargestellten zeitlichen Ablaufschema für den Betrieb einer Vakuumgreifeinrichtung 1 geht hervor, in welcher Weise eine vorteilhafte Ansteuerung des in 4 dargestellten Vakuumsteuergeräts 42 vorgenommen werden kann.
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Auf der Abszissenachse des Schaubilds ist die Zeit t aufgetragen, auf der Ordinatenachse ist der Druck p aufgetragen.
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Zu einem Zeitpunkt t0 sind beide Steuerventile 45, 46 in die Sperrstellung geschaltet, so dass weder ein Vakuum noch ein Überdruck am Fluidausgang 31 anliegen. Dementsprechend ist der vom Drucksensor 33 gemessene Druck gleich dem Umgebungsdruck p0.
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Zum Zeitpunkt t1, der auch als erster Ansteuerungszeitpunkt bezeichnet wird und als Beginn eines sich zeitlich zwischen t1 und t10 erstreckenden Ansteuerungszyklus angesehen werden kann, wird von der Verarbeitungseinrichtung 32 ein Steuersignal an das Steuerventil 46 ausgegeben, um eine Vakuumbeaufschlagung des Fluidausgangs 31 zu bewirken. Das Steuersignal ist als schwarzer Balken in der Zeile B der 5 symbolisiert, der zum Zeitpunkt t1 beginnt. Aufgrund von elektrischen und/oder mechanischen und/oder fluidischen Trägheiten tritt ein zeitlicher Verzug zwischen der Ausgabe des Steuersignals durch die Verarbeitungseinrichtung 32 und einer tatsächlichen Änderung des Drucks am Fluidausgang ein, so dass der Wirkzeitpunkt, zu dem beispielsweise eine vorgebbare Druckänderung Δp1 tatsächlich eingetreten ist, im vorliegenden Fall zum Zeitpunkt t2 vorliegt. Diese zeitliche Differenz t2 – t1 wird von der Verarbeitungseinrichtung 32 durch Auswertung des elektrischen Sensorsignals des Drucksensors 33 ermittelt und als Verzögerungszeit td1 gespeichert.
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Ab dem Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3, zu dem der Vakuumgreifer 4 auf das plattenförmigen Werkstück aufgesetzt wird, kann, insbesondere mittels eines am Vakuumgreifer 4 angeordneten Drucksensors 14, ein Leerlauf-Druckwert bestimmt werden. Der Leerlauf-Druckwert stellt sich ein, sobald das Steuerventil 46 in die Durchlassstellung geschaltet wurde und die fluidischen Trägheiten zwischen Steuerventil 46 und Vakuumgreifer 4 überwunden sind und bevor der Vakuumgreifer 4 an dem plattenförmigen Werkstück 2 zur Anlage kommt, insbesondere ab dem Zeitpunkt t2. Der Leerlauf-Druckwert gibt Auskunft darüber, ob das Steuerventil 46 und/oder die zwischen Steuerventil 46 und Vakuumgreifer 4 angeordneten Versorgungsleitungen 6 und/oder der Vakuumgreifer 4 als solcher eventuell defekt oder verstopft sind. Der Leerlauf-Druckwert wird mit einem in der Verarbeitungseinrichtung 32 gespeicherten Leerlauf-Druckgrenzwert verglichen. Eine Fortsetzung des Greifvorgangs ist nur dann vorgesehen, wenn der Leerlauf-Druckwert den Leerlauf-Druckgrenzwert unterschreitet, also eine Druckreduzierung im Vakuumgreifer unterhalb des Leerlauf-Druckgrenzwerts stattgefunden hat. Andernfalls wird der Greifvorgang durch die Verarbeitungseinrichtung 32 und die damit gekoppelte Maschinensteuerung 13 abgebrochen und gegebenenfalls ein Fehlersignal ausgegeben. Alternativ kann vorgesehen werden, dass ausschließlich ein Fehlersignal ausgegeben wird, um dem Anwender die Entscheidung zu überlassen, ob der Greifvorgang fortgesetzt werden soll oder nicht.
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Zu einem Zeitpunkt t3 tritt der Vakuumgreifer 4 in Kontakt mit dem Werkstück 2, so dass ein rascher Aufbau eines Vakuums in dem vom Vakuumgreifer 4 und dem Werkstück 2 begrenzten Hohlraum und somit auch ein Aufbau einer Haltkraft zwischen Vakuumgreifer 4 und Werkstück 2 erfolgt.
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Ab dem Zeitpunkt t3 ermittelt die Verarbeitungseinrichtung 32 fortlaufend die eingetretene Änderung des Drucks, also die zeitliche Ableitung des Drucks oder Druckänderungsgeschwindigkeit. Exemplarisch kann vorgesehen sein, nach Verstreichen einer Zeitdauer, innerhalb derer die Druckänderungsgeschwindigkeit zuverlässig ein vorgebbares Niveau überschritten hat, ein Statussignal, das exemplarisch in der Zeile D der 5 dargestellt ist, durch die Verarbeitungseinrichtung 32 auszugeben. Dies ist exemplarisch zum Zeitpunkt t4 der Fall. Ergänzend kann überprüft werden, ob zu einem vorgebbaren Zeitpunkt oder nach Verstreichen eines vorgebbaren Zeitintervalls, vorliegend exemplarisch dem Zeitintervall zwischen t3 und t4, zusätzlich zur Einhaltung oder Überschreitung eines vorgebbaren Grenzwerts für die Druckänderungsgeschwindigkeit ein vorgebbares Druckniveau erreicht ist, um hierdurch die Vorhersage über einen erfolgreichen Verlauf des Greifvorgangs zu bestätigen. Hierzu kann in der Verarbeitungseinrichtung 32 ein entsprechender Grenzwert abgespeichert sein. Sofern die Druckänderungsgeschwindigkeit und gegebenenfalls das angestrebte Druckniveau einem Vorgabewert entsprechen, kann die Verarbeitungseinrichtung 32 das Statussignal ausgeben.
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Das Statussignal kann beispielsweise über das interne Kommunikationssystem an das Steuermodul 12 und von dort über das externe Kommunikationssystem 15 an die Maschinensteuerung 13 weitergeleitet werden. Anhand dieses Statussignals kann in der Maschinensteuerung 13 beispielsweise die Ansteuerung der Linearsteller 5 ausgelöst werden. Zwischen der Ausgabe eines entsprechenden Ansteuersignals durch die Maschinensteuerung 13 und einer tatsächlichen Bewegung der Linearsteller 5 liegt ebenfalls eine zeitliche Differenz vor, in der ein weiterer Druckabfall am Vakuumgreifer stattgefunden hat, wodurch sich die Haltekräfte erhöhen. Aufgrund der vorgesehenen Betrachtung der Druckänderungsgeschwindigkeit und gegebenenfalls eines nach vorgebbarer Zeitspanne erforderlichen Druckniveaus ist es möglich, das Statussignal bereits zu einem Zeitpunkt auszugeben, zu dem noch keine ausreichenden Haltekräfte zwischen den Vakuumgreifern 4 und dem Werkstück 2 vorliegen, da bis zu einer tatsächlichen Beschleunigung des Werkstücks 2 die Haltekräfte ein ausreichendes Niveau erreicht haben werden.
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Im Gegensatz dazu erfordert ein Erreichen eines vorgebbaren Druckniveaus als Auslöser für ein gleichartiges Statussignal eine längere Wartezeit, da im Gegensatz zur Druckänderungsgeschwindigkeit erst zu einem deutlich späteren Zeitpunkt eine zuverlässige Aussage darüber getroffen werden kann, ob das Werkstück 2 von den Vakuumgreifern 4 sicher gehalten ist. Der Zeitpunkt, zu dem ein druckbasiertes Statussignal ausgegeben werden könnte, ist in der 5 mit t5 bezeichnet. Offensichtlich ergibt sich durch die Analyse der Druckänderungsgeschwindigkeit ein Zeitvorteil für das Anheben des Werkstücks 2, so dass eine entsprechende Vakuumgreifeinrichtung 1 effizienter betrieben werden kann.
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Für eine Diagnose der Vakuumgreifeinrichtung 1 kann weiterhin vorgesehen sein, den Minimal-Druckwert zu ermitteln, um eventuelle Beschädigungen der Vakuumgreifer 4 oder sonstige Störungen am Vakuumgreifer 1 zu detektierten. Vorzugsweise wird der Minimal-Druckwert ermittelt, sobald die Druckänderungsgeschwindigkeit während des Aufbauvorgangs für das Vakuum, also während der Absenkung des Drucks im Vakuumgreifer 4, einen vorgebbaren Wert unterschritten hat, insbesondere verschwindend ist. Exemplarisch erreicht der Minimal-Druckwert bei dem in 5 dargestellten Greifvorgang kurz vor t6 einen Minimal-Druckgrenzwert. Der Minimal-Druckgrenzwert ist exemplarisch in der Verarbeitungseinrichtung gespeichert. Sofern der Minimal-Druckwert oberhalb des Minimal-Druckgrenzwerts liegt, wird von einer fehlerfreien Funktion der Vakuumgreifeinrichtung 1 ausgegangen. Sofern der Minimal-Druckwert den Minimal-Druckgrenzwert nicht unterschreitet, muss von einer Fehlfunktion der Vakuumgreifeinrichtung 1 ausgegangen werden. Exemplarisch kann vorgesehen sein, dass die Vakuumgreifeinrichtung 1 nach demjenigen Greifzyklus, in dem zum ersten Mal keine Unterschreitung des Minimal-Druckgrenzwerts durch den Minimal-Druckwert festgestellt werden kann, ein Fehlersignal ausgibt und keinen weiteren Greifvorgang startet.
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Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen werden, die zu Beginn der Unterdruckbeaufschlagung des Fluidausgangs ermittelte Verzögerungszeit td1 für ein sicheres und rasches Ablegen des Werkstücks 2 einzusetzen. Beim Ablegen des Werkstücks 2 besteht die Problematik darin, dass eine Bewegung der Vakuumgreifer 4 erst dann erfolgen sollte, wenn das Werkstück 2 zuverlässig abgelegt ist. Um dies sicherzustellen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, nach einer Belüftung oder einer Druckbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4 eine Wartezeit vorzusehen, innerhalb derer keine Bewegung der Vakuumgreifer 4 erfolgt. Diese Wartezeit muss so gewählt werden, dass alle elektrischen, mechanischen und fluidischen Trägheiten berücksichtigt sind, die zwischen der Verarbeitungseinrichtung 32, dem Steuerventil 45, 46, dem Fluidausgang 31 und den Vakuumgreifern 4 auftreten können. Um diese Wartezeit zu verkürzen, wird von der Verarbeitungseinrichtung 32 bei der Belüftung oder Druckbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4, die exemplarisch zu einem Zeitpunkt t6 von der Verarbeitungseinrichtung 32 synchron zu einer Abschaltung des Vakuums erfolgt, die Verzögerungszeit td1 berücksichtigt, die bei der Vakuumbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4 von der Verarbeitungseinrichtung 32 ermittelt wurde. Mit dieser Verzögerungszeit, die in der 5 als zeitliche Differenz zwischen dem Zeitpunkt t6 und dem Beginn des Druckanstiegs in den Vakuumgreifern zum Zeitpunkt t7 sichtbar ist, steht der Verarbeitungseinrichtung 32 eine Information zu Verfügung, anhand derer der Zeitpunkt t8, zu dem ein weitgehender, insbesondere vollständiger, Abbau des Vakuums an den Vakuumgreifern 4 erfolgt ist, exakter bestimmt werden kann. Damit kann die Zeitspanne von der Belüftung oder Druckbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4 bis zu einer Relativbewegung zwischen den Vakuumgreifern 4 und dem Werkstück 2 verkürzt werden.
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Ergänzend oder alternativ kann die Verarbeitungseinrichtung 32 auch das Drucksignal des Drucksensors 33 überwachen, um bei Erreichen eines vorgebbaren Mindestdrucks, insbesondere des Umgebungsdrucks, ein Statussignal an die Maschinensteuerung 13 bereitzustellen, anhand dessen eine Bewegung der Linearsteller 5 eingeleitet werden kann. In vorteilhafter Weise kann bei der Belüftung oder Druckbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4 eine Verzögerungszeit td2 ermittelt werden, die sich als zeitliche Differenz zwischen dem Schaltzeitpunkt t6 für das Steuerventil 45, vorliegend zur Druckbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4, und dem Erreichen eines vorgebbaren Mindestdrucks, exemplarisch zum Zeitpunkt t8, an den Vakuumgreifern 4 ergibt. Diese Verzögerungszeit td2 kann von der Verarbeitungseinrichtung 32 ebenfalls berücksichtigt werden, um zu einem möglichst frühen Zeitpunkt die Ausgabe des Statussignals an die Maschinensteuerung 13 vorzunehmen, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Vakuumgreifer 4 zu einem Zeitpunkt vom Werkstück 2 abgehoben werden, zu dem noch eine nennenswerte Haltekraft vorliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007061820 A1 [0002]
- DE 102007058114 A1 [0003]
