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Die Erfindung betrifft einen Bestückungsroboter für die Bestückung von Spritzgießmaschinen oder zur Bestückung von Leiterplatten oder für ähnliche Bestückungsaufgaben, bei denen es darum geht, Kleinteile möglichst schnell an einen zentralen Aufnahmeort, z. B. in die Formhälfte einer Spritzgießmaschine zu verbringen.
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Eine ähnliche Aufgabenstellung ergibt sich bei der Bestückung von Leiterplatten mit elektronischen Teilen, wo es ebenfalls darum geht, in möglichst kurzer Zeit eine Vielzahl von Teilen an genau definierten Orten auf der Leiterplatte zu fixieren.
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Wenn in der folgenden Beschreibung lediglich von Bestückungsaufgaben an einer Kunststoff-Spritzgießmaschine die Rede ist, so ist dies nicht einschränkend zu verstehen. Es handelt sich lediglich um ein Ausführungsbeispiel, obwohl die Erfindung nicht auf die Bestückung von Kunststoff-Spritzgießmaschinen beschränkt ist, sondern ebenso unterschiedlichste Bestückungsaufgaben betrifft.
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Lediglich der Einfachheit halber wird deshalb die Bestückung einer Kunststoff-Spritzgießmaschine näher beschrieben.
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Für Bestückungsaufgaben an Kunststoff-Spritzgießmaschinen werden sog. Gelenkarm-Roboter verwendet. Die Fa. KraussMaffei beschreibt einen sog. Seitenentnahme-Roboter (Neureder), der für ein besonders schnelles Einlegen und Entnehmen von Spritzgussteilen vorgesehen ist.
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Insbesondere beim In-mould-Labelling geht es darum, zylindrische und in der Art von Manschetten ausgebildete Kunststoffetiketten möglichst schnell in die einzelnen Spritzgussausnehmungen einer Formhälfte einzubringen, um die so vorbereiteten manschettenförmigen Etiketten in einem einzigen Spritzgussvorgang mit der Kunststoff-Spritzgussmasse zu hinterfüllen, sodass damit mit Etiketten beschichtete Kunststoffbecher (z. B. in der Ausbildung als Joghurtbecher) hergestellt werden.
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Bei einer solchen Bestückungsaufgabe geht es darum, dass die manschettenförmigen Etiketten mit einem Vielfach-Bestückungswerkzeug (z. B. 12, 24 oder 48 Bestückungsplätzen) aus einem Bestückungsgestell entnommen werden und in den Formraum der Spritzgießmaschine verbracht werden.
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Auf der Video-Plattform „YouTube” ist unter dem Stichwort „Six-axis robotic system for more flexible injection moulding” ein Gelenkarm-Roboter für die oben beschriebenen Bestückungsaufnahmen gezeigt.
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In dem gezeigten Video werden Achsstifte in eine Spritzgussform eingelegt, um an die beiden Enden der Achsstifte Kunststoffräder eines Modellautos anzuspritzen, welches mit seinen übrigen Teilen fertig aus der Form entnommen werden kann. Der dort gezeigte Bestückungsroboter besteht also allein aus einem Gelenkarm-Roboter und muss für die Ausführung der ihm zugewiesenen Bestückungsaufgaben horizontale Schwenkbewegungen über einen Winkel von 180 Grad durchführen, was mit einer hohen Bestückungszeit verbunden ist.
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Ferner besteht der Nachteil bei den bekannten Gelenkarm-Robotern darin, dass sie zwar eine sehr große Reichweite haben, aber wegen der relativ hohen Masse bei schnellen Schwenkbewegungen hohe Massenbeschleunigungen zu bewältigen haben, die mit einem höheren Verschleiß auf die Antriebssysteme und die Gelenkachse verbunden sind.
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Neben dem Vorteil einer großen Reichweite hat der bekannte Industrieroboter z. B. in seiner Ausführung als Sechs-Achs-Roboter den Nachteil hoher Massenbeschleunigungen und einer relativ geringen Geschwindigkeit.
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Ein solcher Sechs-Arm-Roboter ist beispielsweise auch in der
DE 10 2008 033 778 A1 beschrieben, auf deren Offenbarungsinhalt Bezug genommen wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Bestückungsroboter der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass Bestückung von Maschinen mit einem Mehrfach-Bestückungswerkzeug einfacher, schneller und vor allem verschleißärmer erfolgt.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 4 gekennzeichnet.
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Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass die Erfindung nun die Kopplung von zwei verschiedenen Robotern vorschlägt, wobei stets als Träger für den zweiten Roboter der erstgenannte Gelenkarm-Roboter verwendet wird.
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Im Mittelpunkt der Erfindung steht somit die Erkenntnis, dass die Fähigkeiten eines Gelenkarm-Roboters (hohe Reichweite) noch optimiert werden können, wenn am freien vorderen Ende eines solchen Gelenkarm-Roboters ein zweiter Roboter angeordnet ist, der von dem Gelenkarm-Roboter somit getragen wird, wobei dieser zweite Roboter bevorzugt als Delta-Roboter oder als Scara-Roboter ausgebildet ist.
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Derartige Delta-Roboter werden insbesondere für Verpackungsaufgaben verwendet, bei denen es darum geht, mit hoher oder höchster Geschwindigkeit z. B. die von einer Schneideinrichtung abgeschnittenen Lebensmittelprodukte schnell und über einen kurzen Weg einer, z. B. als Tiefziehteil ausgebildeten, Verpackung zuzuführen.
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Die Vorteile der Delta-Roboter liegen also in der weit überlegenen Geschwindigkeit in Bezug zu den bekannten Gelenkarm-Robotern.
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Die Erfindung setzt nun auf die Kombination der beiden genannten Roboterarten und ergänzt die Vorteile des bekannten Gelenkarm-Roboters mit den Vorteilen der bekannten Delta-Roboter.
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Wenn man nun einen Delta-Roboter am vorderen freien Ende eines Gelenkarm-Roboters koppelt, besteht der Vorteil, dass die Vorteile einer großen Reichweite des Gelenkarm-Roboters beibehalten werden, dass aber nun der am vorderen freien Ende des Gelenkarm-Roboters und demnach alle Bewegungen des Gelenkarm-Roboters ausführende Delta-Roboter nun seine Vorteile im Hinblick auf seine überlegene Geschwindigkeit auf kleinerem Raum ausspielen kann.
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Die Kombination der beiden Roboter hat zu dem Ergebnis geführt, dass die Bestückungsgeschwindigkeit bei der Kombination der erfindungsgemäß angegebenen Roboter nochmals um 30 Prozent im Vergleich zu einem Gelenkarm-Roboter gesteigert werden kann.
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Statt eines Delta-Roboters sieht die Erfindung nach dem unabhängigen Anspruch 4 vor, dass ein sog. Scara-Roboter verwendet wird.
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Ein solcher Scara-Roboter ist beispielsweise in der
DE 199 34 973 B4 oder der
DE 103 49 452 A1 beschrieben. Der Offenbarungsinhalt dieser beiden Durchschriften soll vollinhaltlich vom Offenbarungsinhalt der vorliegenden Erfindung umfasst sein.
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Ein solcher Scara-Roboter hat im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie ein Delta-Roboter, nur dass er aus mindestens vier Achsen mit vier Freiheitsgraden besteht und die Achsen als serielle Kinematik ausgeführt wird.
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Beim Delta-Roboter bilden bevorzugt die beiden gleichlangen Verbindungsstäbe zusammen mit zwei ebenfalls gleichlangen Gelenkstäben ein Parallelogramm-Gestänge mit je einem Kugelgelenk an jedem Eckpunkt des Parallelogramms.
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Damit werden sehr hohe Bestückungsgeschwindigkeiten, jedoch unter Inkaufnahme einer geringen Reichweite, erreicht. Wenn man nun einen solchen Delta-Roboter unter Ausnutzung seiner Vorteile (Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit bei geringerem Verschleiß) mit einem Gelenkarm-Roboter koppelt, bei dem die Vorteile einer höheren Reichweite gegeben sind, ergeben sich aus der Kombination dieser beiden Roboter überlegene Eigenschaften, wie sie bisher nicht bekannt waren.
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Weil der Gelenkarm-Roboter die schnellen Vorschubbewegungen in dem Bestückungsraum der Maschine nicht mehr ausführen muss und deshalb auch keine hohen Massenbeschleunigungen mehr erfährt, ist seine Lebensdauer verlängert und die Verschleißanfälligkeit verringert.
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Diese hohen Massenbeschleunigungen werden nun von dem hierfür spezialisierten Delta- oder Scara-Roboter übernommen, die zwar eine geringere Reichweite haben, jedoch eine wesentlich höhere Verfahrgeschwindigkeit bei geringeren Massenbeschleunigungen. Weil derartige Delta- oder Scara-Roboter sehr klein und leichtbauend sind, können sie doppelt oder dreifach so hohe Verfahrgeschwindigkeiten wie vergleichsweise der Gelenkarm-Roboter ausführen, ohne dass es zu einem wesentlichen Verschleiß kommt, weil die genannten Roboter klein ausgebildet sind, geringe Massenbeschleunigungskräfte erfahren und deshalb einem geringen Verschleiß unterworfen sind.
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Während in einem Video der Fa. Arburg Gesamtzykluszeiten von 3 Sekunden erreicht wurden, ist es mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung nach den unabhängigen Ansprüchen 1 und 4 nunmehr möglich, Gesamtzykluszeiten von 2 Sekunden oder weniger zu erreichen. Die vorher bei einem einzigen, zur Bestückung verwendeten Gelenkarm-Roboter zu bewältigenden Massenbeschleunigungen von bis zu 15 g entfallen nun, weil die Massenbeschleunigungen im Wesentlichen durch den wesentlich schnelleren Delta- oder Scara-Roboter bewältigt werden. Erfindungsgemäß werden also die Bewegungen von zwei miteinander gekoppelten Robotern überlagert, was zu bisher nicht bekannten Vorteilen bei der Verschleißfestigkeit, der Betriebssicherheit und der Bestückungsgeschwindigkeit führt.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
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1: schematisiert in Draufsicht ein Bestückungsroboter nach der Erfindung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
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2: die Seitenansicht der Anordnung nach 1
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3: perspektivisch der Bestückungsroboter nach den 1 und 2
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4: der bei den 1 bis 3 verwendete Delta-Roboter in perspektivischer Darstellung
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5: der Bestückungsroboter nach 3 in Bezug zu dem in
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6: gezeigtes Geschwindigkeits-Zeitdiagramm
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7: der Bestückungsroboter nach 5 in einem nach
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8: gezeigtes Beschleunigungs-Zeitdiagramm
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9: perspektivisch eine Ausführungsform eines Scara-Roboters Der erfindungsgemäße Bestückungsroboter 1 nach den 1 bis 7 besteht aus einem Gelenkarm-Roboter 2, der ortsfest an einem bestimmten Punkt der Maschinenhalle montiert ist, und der in an sich bekannter Weise eine Anzahl von Knickarmen aufweist.
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Der in 1 dargestellte Gelenkarm-Roboter 2 führt deshalb in Längsrichtung 11 nur noch geringe Verschiebebewegungen aus, kann aber – entsprechend der Länge der eingezeichneten Pfeile – Schwenkbewegungen 13 über einen größeren Winkelbereich ausführen.
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Wichtig ist nun, dass die eigentliche Bestückungsaufgabe durch den wesentlich schneller arbeitenden, am vorderen Ende des Gelenkarm-Roboters 2 gekoppelten Delta-Roboters 3 ausgeführt wird.
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Dieser Delta-Roboter 3 kann demgemäß – entsprechend der Länge der eingezeichneten Pfeile – eine große Verschiebebewegung in der Längsrichtung 12 ausführen und fährt mit seinem am vorderen Ende angeordneten Bestückungswerkzeug 15 z. B. in Pfeilrichtung 16 in den Formaufnahmeraum 5 einer Spritzgießmaschine 4 ein.
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Andererseits kann aufgrund der verwendeten Stab-Kinematik der Delta-Roboter 3 nur relativ kurze Schwenkbewegungen 14 ausführen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Spritzgießmaschine aus einem Formaufnahmeraum 5, in dem zwei Formhälften 6, 7 vorhanden sind, die im gezeigten Ausführungsbeispiel gerade geöffnet sind. Die rechte Formhälfte 7 wird von einer Kolben-Zylindereinheit 8 verschiebbar angetrieben.
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Aus einem z. B. neben oder über der Spritzgießmaschine 4 angeordneten Bestückungsgestell 9 sind eine Anzahl von Ringmanschetten 10 in Reihen und Spalten geordnet eingelegt.
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Das Vielfach-Bestückungswerkzeug 15 fährt nun an das Bestückungsgestell 9 heran und nimmt beispielsweise eine Anzahl von 4, 8, 12 oder 16 Ringmanschetten 10 druckluftgesteuert auf und verbringt diese Anzahl der aus dem Bestückungsgestell 9 entnommenen Ringmanschetten 10 in Pfeilrichtung 16 in den Formaufnahmeraum 5, wo das Bestückungswerkzeug diese Ringmanschetten 10 z. B. in die linke Formhälfte 6 einlegt.
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Danach werden die Formhälften 6, 7 geschlossen und Kunststoff-Spritzgussmasse eingespritzt, die sich dann an die Innenseite der als Etiketten ausgebildeten Ringmanschetten 10 anlegt und einen werkstoffeinstückigen Verbund mit den Ringmanschetten 10 bildet. Diese sind in an sich bekannter Weise bedruckt und bilden demgemäß die Etiketten von Joghurtbechern.
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Aus der Darstellung in 1 in Verbindung mit der Darstellung in 2 wird deutlich, dass die Bestückungsgeschwindigkeit wesentlich gesteigert werden kann, denn der Gelenkarm-Roboter 2 muss nur noch kurze Drehbewegungen 19 in horizontaler Richtung, ebenso wie relativ kurze Drehbewegungen 20, seines Gelenkarmes bewältigen. Die nur beispielhaft dargestellten Gelenkachsen 18, 21 werden deshalb auch nur mit geringem Verschleiß beaufschlagt.
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Wichtig ist, dass am vorderen freien Ende, im Bereich der Gelenkachse 18, die Arbeitsplattform des Delta-Roboters 3 gemäß 2 gekoppelt ist, der somit mit seinem Knickarmgestänge sehr schnelle Verschiebebewegungen in Längsrichtung 12 ausführen kann. Auf diese Weise wird die Entnahme der in dem Bestückungsgestell 9 angeordneten Ringmanschetten 10 über eine schnelle Verschiebebewegung des Bestückungswerkzeuges 15 wesentlich beschleunigt. Die eigentliche Schwenkbewegung über einen längeren Weg in Pfeilrichtung 16 führt wiederum der Gelenkarm-Roboter 2 aus, während die Zufuhrbewegung im Formaufnahmeraum 5 zum Bestücken der Formhälfte 6 mit den Ringmanschetten 10 wiederum von dem Delta-Roboter 3 ausgeführt wird.
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Auf diese Weise kann jeder der beiden Roboter 2, 3 die ihm zugewiesene Aufgabe unter optimalen Bedingungen ausführen, wobei die Nachteile des einen Robotersystems von dem anderen Robotersystem aufgehoben werden.
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Die 3 zeigt die Kombination der erfindungsgemäß miteinander gekoppelten Roboter 2, 3, während die 4 die perspektivische Darstellung des verwendeten Delta-Roboters 3 zeigt.
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Hierbei ist erkennbar, dass eine Gelenkachse 18 am vorderen freien Schwenkarm 17 des Gelenkarm-Roboters 2 an der Arbeitsplattform des Delta-Roboters 3 angesetzt ist, der mithilfe von zwei Antriebsmotoren 22, 23 seine obere Schwenkachse verschwenken kann, um so die Parallelstellung der jeweils paarweise angeordneten Verbindungsstäbe 24, 25 zu verändern.
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Entsprechend der Veränderung der Parallelstäbe dieser Verbindungsstäbe 24, 25 wird somit das am vorderen freien Ende des Delta-Roboters angesetzte Bestückungswerkzeug 15 sehr schnell bewegt. Es ist bevorzugt pneumatisch gesteuert und kann Werkstücke durch Ansaugen aufnehmen und durch Beaufschlagung mittels Pressluft die aufgenommenen Werkstücke wieder an einem vorgegebenen Ort ablegen.
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Die in 4 gezeigten Antriebsmotoren 22, 23 sind bevorzugt pneumatisch gesteuert.
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Die 5 zeigt in 6 die überlegenen Eigenschaften bei der Kombination der beiden Roboter-Systeme.
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Die Kupplung zwischen den beiden Robotern erfolgt in der Gelenkachse 18, durch die eine Linie 32 gezogen ist, die in 6 im Geschwindigkeits-Zeitdiagramm eingetragen ist.
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Auf der linken Seite der Linie 32 ist das Geschwindigkeits-Diagramm des Gelenkarm-Roboters 2 angegeben; wobei aus der Geschwindigkeitskurve 26 erkennbar ist, dass nur relativ geringe Geschwindigkeiten erzielbar sind.
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Wenn aber auf diese Geschwindigkeitskurve 26 nun die überlegene Geschwindigkeit des Delta-Roboters 3 aufgesetzt wird, ergibt sich die Geschwindigkeitskurve 27 rechts von der Linie 32.
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Die Differenz 28 zwischen den beiden Geschwindigkeitskurven 26, 27 macht deutlich, dass der Delta-Roboter 3 durch die Kupplung am Gelenkarm-Roboter 2 noch eine zusätzliche Geschwindigkeitserhöhung erhält, weil er ja am freien vorderen Ende des Gelenkarm-Roboters 2 gekoppelt ist und jegliche Bewegung mit diesem ausführt.
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Daraus ergibt sich, dass die an sich bekannte hohe Geschwindigkeit des Delta-Roboters 3 durch Kupplung am vorderen freien Ende eines Gelenkarm-Roboters 2 noch zusätzlich gesteigert werden kann, was durch die Differenz 28 gekennzeichnet ist.
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Die 7 und 8 zeigen hingegen die Beschleunigungskurve, wobei erkennbar ist, dass der Gelenkarm-Roboter 2 relativ hohe Beschleunigungen zu bewältigen hat aufgrund seiner hohen zu bewegenden Massen, während nur geringe Beschleunigungswerte beim am vorderen Ende angeordneten Delta-Roboter 3 zu bewerkstelligen sind. Auch hier gibt die Differenz 31 aus der Beschleunigungskurve 29 des Gelenkarm-Roboters 2 im Vergleich zur Beschleunigungskurve 30 des Delta-Roboters 3 eine Differenz 31 an, die angibt, dass die Beschleunigungswerte, die vom Delta-Roboter 3 zu bewältigen sind, noch zusätzlich abgesenkt werden, weil ein Teil der Beschleunigung von dem Gelenkarm-Roboter 2 übernommen wird.
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Damit ergibt sich insgesamt ein Bestückungsroboter aus einer Kombination von zwei unterschiedlichen Robotern 2, 3, wobei deren jeweiligen Vorteile sich nicht nur summieren, sondern besondere Vorteile im Hinblick auf die Geschwindigkeit (s. 6) und bei der Herabsetzung der Beschleunigung (s. 8) gegeben sind.
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Die 9 zeigt, dass anstatt eines Knickarm-Roboters (Delta-Roboter 3) auch ein sog. Scara-Roboter 33 verwendet werden kann, und der Scara-Roboter mindestens vier Achsen und vier Freiheitsgrade aufweist und die Achsen als serielle Kinematik ausgeführt sind.
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Beim Scara-Roboter ist in an sich bekannter Weise der Koordinatenursprung der folgenden Achse abhängig von der Position der vorhergehenden Achse, und die erste und die zweite Achse sind rotatorischer Natur, während die dritte und die vierte Achse eine rotatorische und eine lineare Bewegung ausführen. Das Bestückungswerkzeug 15 ist dann am unteren Ende der (vorderen) Z-Achse montiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bestückungsroboter
- 2
- Gelenkarm-Roboter
- 3
- Delta-Roboter
- 4
- Spritzgießmaschine
- 5
- Formaufnahmeraum
- 6
- Formhälfte
- 7
- Formhälfte
- 8
- Kolben-Zylindereinheit
- 9
- Bestückungsgestell
- 10
- Ringmanschette
- 11
- Längsrichtung (von 2)
- 12
- Längsrichtung (von 3)
- 13
- Schwenkbewegung (von 2)
- 14
- Schwenkbewegung (von 3)
- 15
- Bestückungswerkzeug
- 16
- Pfeilrichtung
- 17
- Schwenkarm (von 2)
- 18
- Gelenkachse
- 19
- Drehbewegung (von 2)
- 20
- Drehbewegung (von 2)
- 21
- Gelenkachse (von 2)
- 22
- Antriebsmotor (von 3)
- 23
- Antriebsmotor (von 3)
- 24
- Verbindungsstäbe (links)
- 25
- Verbindungsstäbe (rechts)
- 26
- Geschwindigkeitskurve (von 2)
- 27
- Geschwindigkeitskurve (von 3)
- 28
- Differenz
- 29
- Beschleunigungskurve (von 2)
- 30
- Beschleunigungskurve (von 3)
- 31
- Differenz
- 32
- Linie
- 33
- Scara-Roboter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008033778 A1 [0012]
- DE 102008001314 A1 [0017]
- DE 102009041470 A1 [0017]
- DE 19934973 B4 [0024]
- DE 10349452 A1 [0024]
