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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Montieren von wenigstens zwei Bauteilen.
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Um Bauteile lagerichtig zueinander zu fügen, zu schweißen, zu kleben oder dergleichen, wird bei geringen Stückzahlen solcher Bauteile, insbesondere bei Prototypen, auf Fügevorrichtungen und Lehren zurückgegriffen. Diese Fügevorrichtungen und Lehren dienen dazu, die zu fügenden Bauteile durch Formschluss zueinander zu positionieren und anschließend per Kraftschluss in dieser Lage zu halten. Die Anfertigung solcher Fügevorrichtungen und Lehren ist üblicherweise sehr zeit- und kostenintensiv.
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Die
DE 10 2008 041 260 A1 zeigt einen handgeführten Roboter, der mit einer Erfassungseinrichtung kombiniert ist, bei welcher es sich beispielsweise um eine optische Erfassungseinrichtung in Form einer Kamera kann. Mithilfe der Erfassungseinrichtung wird die Roboterposition so geregelt, dass der Arbeitsbereich des Roboters in Bezug auf einen Patienten immer angepasst werden kann.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und System zum Montieren von wenigstens zwei Bauteilen bereitzustellen, mittels welchen eine schnelle und präzise Positionierung der zu montierenden Bauteile ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Montieren von wenigstens zwei Bauteilen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein System zum Montieren von wenigstens zwei Bauteilen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine schnelle und präzise Positionierung von aneinander zu montierenden Bauteilen zu ermöglichen, umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren die folgenden Schritte:
- – optisches Erfassen einer Lage eines ersten Bauteils mittels einer Bilderfassungseinrichtung;
- – optisches Erfassen einer Lage eines an einem Roboter angebrachten zweiten Bauteils mittels der Bilderfassungseinrichtung;
- – Zuordnen der erfassten Lage des ersten Bauteils zu einem Datenmodell einer Baugruppe, welches eine Montagelage des zweiten Bauteils zu dem ersten Bauteil bereitstellt;
- – Ermitteln einer zur Positionierung des zweiten Bauteils in die Montagelage erforderlichen Translations- und Rotationsbewegung in Abhängigkeit von den erfassten Lagen der Bauteile und der Montagelage;
- – manuelles Vorpositionieren des an dem Roboter angebrachten zweiten Bauteils in eine Zwischenlage;
- – Feinpositionieren des zweiten Bauteils von der Zwischenlage in die Montagelage mittels des Roboters.
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Im Gegensatz zu bisher üblichen Verfahren ist es zum Montieren von zwei Bauteilen, insbesondere bei der Prototypenfertigung von beispielsweise Rapid-Prototyping Metallbauteilen, nicht mehr erforderlich, die eingangs erwähnten Vorrichtungen und Lehren auf zeit- und kostenintensive Art und Weise herzustellen. Stattdessen wird ein Roboter mit einer Bilderfassungseinrichtung gekoppelt, wobei mittels der Bilderfassungseinrichtung die jeweiligen Lagen der miteinander zu montierenden Bauteile erfasst werden können und mittels dieser Informationen eine entsprechende Ansteuerung des Roboters zur Positionierung der miteinander zu montierenden bzw. aneinander zu fügenden Bauteile erfolgen kann.
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Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, dass der Roboter dazu ausgelegt ist, von einem Werker manuell bedient werden zu können, indem der Werker beispielsweise an dem Roboter eine entsprechende Kraft aufbringt, um eine manuelle Vorpositionierung des an dem Roboter angebrachten zweiten Bauteils in eine Zwischenlage vornehmen zu können. Mit anderen Worten ist es also möglich, mit dem handführbaren Roboter das zweite Bauteil von einem Werker manuell in die Nähe seines eigentlichen Zielorts zu führen. Damit kann auch bei beengten Verhältnissen ausgeschlossen werden, dass der Roboter mit anderen Objekten kollidiert. Sobald der Roboter bzw. das zweite Bauteil manuell in die Zwischenlage verfahren worden ist, erfolgt die automatische Feinpositionierung des zweiten Bauteils mittels des Roboters. Insbesondere ist es vorgesehen, dass hier mit sensitiven Robotern gearbeitet wird, sodass jederzeit bei eventuellen Kollisionen, beispielsweise bei zu großen Toleranzen der aneinander zu montierenden Bauteile oder dergleichen, der Bewegungsvorgang gestoppt werden kann. Durch das handgeführte Vorpositionieren ist das Verfahren besonders flexibel, wodurch entsprechende Programmieraufwendungen der Abläufe des Roboters bzw. des Gesamtsystems besonders niedrig gehalten werden können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass während des manuellen Vorpositionierens ein Signal ausgegeben wird, welches eine Abweichung einer aktuellen Lage des zweiten Bauteils von der Zwischenlage oder der Montagelage charakterisiert. Vorzugsweise wird das Signal in Form eines Tons ausgegeben, welcher mit einer Frequenz wiederholt wird, die umso größer ist, je geringer die Abweichung der aktuellen Lage des zweiten Bauteils von der Zwischenlage oder der Montagelage ist. Mit anderen Worten wird die manuelle Positionierung des zweiten Bauteils durch akustische Signale unterstützt. Dadurch wird die Positionierung des Bauteils für einen Werker besonders vereinfacht.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Roboter während des Vorpositionierens in einem Gravitationsmodus betrieben wird, in welchem der Roboter zumindest einen Teil des Gewichts des zweiten Bauteils trägt. Insbesondere bei schwereren Bauteilen wird dadurch das Vorpositionieren des Bauteils für einen Werker erheblich erleichtert.
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Ein erfindungsgemäßes System zum Montieren von wenigstens zwei Bauteilen umfasst eine Halteeinrichtung, an welcher ein erstes Bauteil befestigbar ist, einen Roboter, an welchem ein zweites Bauteil befestigbar und manuell vorpositionierbar sowie automatisch in eine an dem ersten Bauteil angebrachte Montagelage bewegbar ist, und eine mit einer Steuerung des Roboters gekoppelte Bilderfassungseinrichtung, mittels welcher die jeweilige Lage des Roboters und der Bauteile erfassbar ist. Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausführungen des Systems anzusehen, wobei hier insbesondere das System Mittel umfasst, mit welchen die Verfahrensschritte durchführbar sind.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Systems sieht vor, dass die Bilderfassungseinrichtung an einem weiteren Roboter angebracht ist. Dadurch können die Bauteile auf besonders einfache Weise dreidimensional gescannt werden, wodurch die Lage der Bauteile, also ihre Position und ihre Ausrichtung, sowie ihre Form besonders exakt erfasst werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine Perspektivansicht auf ein System zum Montieren von wenigstens zwei Bauteilen, welches einen Roboter zum Aufnehmen eines zu montierenden Bauteils sowie eine am zweiten Roboter angebrachte Bilderfassungseinrichtung umfasst, wobei die beiden Roboter zueinander ausgerichtet sind;
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2 eine weitere Perspektivansicht auf das System, wobei an dem einen Roboter ein Bauteil aufgenommen wurde, welches augenblicklich von der Bilderfassungseinrichtung erfasst wird; und
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3 eine weitere Ansicht des Systems, wobei eine Halteeinrichtung gezeigt ist, an welcher ein weiteres Bauteil befestigt ist, an welchem das andere an dem Roboter angebrachte Bauteil positioniert wird.
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Ein System 10 zum Montieren von Bauteilen ist in einer Perspektivansicht in 1 gezeigt. Das System 10 umfasst einen als Leichtbauroboter ausgebildeten Roboter 12 und eine an einem weiteren Roboter 14 angebrachte Bilderfassungseinrichtung 16. Alternativ kann die Bilderfassungseinrichtung 16 statt an einem weiteren Roboter 14 auch an einem zusätzlichen Messarm angebracht sein. Dieser hat im Gegensatz zum Roboter 14 keine eigenen Antriebe. Des Weiteren umfasst das System 10 im vorliegenden Fall eine Platte 18, auf welcher die beiden Roboter 12, 14 positioniert sind. Die Platte kann eine Mehrzahl von hier nicht dargestellten Indexierungen aufweisen, mittels welchen gekennzeichnet wird, wo die beiden Roboter 12, 14 jeweils angeordnet werden können. Dadurch kann schnell und einfach ein neuer Aufbau erstellt werden, indem die Roboter 12, 14 gemäß den vorgesehenen Indexierungen umgesetzt und exakt zueinander positioniert werden.
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Der Roboter 12 umfasst eine flexible Spanneinrichtung 20, mittels welcher ein Bauteil auf einfache und flexible Weise an dem Roboter 12 angebracht werden kann.
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Nachfolgend wird anhand der 1 bis 3 ein Verfahren zum Montieren von wenigstens zwei Bauteilen erläutert. Zunächst werden die beiden Roboter 12, 14, wie in 1 gezeigt, auf der Platte 18 angeordnet und zueinander ausgerichtet. Anschließend wird die Position des Roboters 12 mittels der Bilderfassungseinrichtung 16 vermessen.
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Ein Bauteil 22 wird, wie in 2 gezeigt, an der Spanneinrichtung 20 und somit an dem Roboter 12 befestigt. Mittels der Bilderfassungseinrichtung 16 wird die Lage des Bauteils 22 erfasst, d. h. es wird sowohl die Position als auch die Ausrichtung des Bauteils 22 erfasst. Dabei wird die gesamte Kontur des Bauteils 22 abgescannt, sodass die dreidimensionale Gestalt des Bauteils 22 in Kombination mit dessen Lage erfasst wird. Das so erfasste Bauteil 22 wird einem Datenmodell, beispielsweise in Form eines CAD-Datenmodells, einer hier nicht gezeigten Baugruppe zugeordnet, welches eine Montagelage des Bauteils 22 gegenüber einem weiteren, hier nicht dargestellten Bauteil 24 bereitstellt, an welchem das Bauteil 22 zu montieren ist. Es ist nicht in jedem Fall immer nötig, die gesamte Kontur abzuscannen. Vielmehr ist es auch möglich, die relevanten Teilbereiche der Bauteilkontur zu scannen und diese dann per Software auf die gesamte Bauteilkontur zu extrapolieren. Dies kann beispielsweise durch eine Berechnung der optimalen Überdeckung eines Modells mit einem Sollmodell erfolgen. Weiterhin kann bei einer günstigen Geometrie des Bauteils auch taktil mit aus der Messtechnik bekannten Ausrichtungen gearbeitet werden. Beispielsweise kann, wenn bekannt ist, dass das Bauteil eine würfelförmige Geometrie aufweist, durch Messen bzw. Abtasten von jeweils drei Punkten auf drei Ebenen die richtige Ausrichtung des Bauteils bestimmt werden. Hierzu ist neben der Bilderfassungseinrichtung 16 noch ein zusätzlicher Messtaster vorhanden.
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Wie aus 3 ersichtlich, wird das Bauteil 24 an einer Halteeinrichtung 26 befestigt, welche ihrerseits an der Platte 18 angebracht wurde. Bei der Halteeinrichtung 26 kann es sich beispielsweise um einen flexiblen Spanner handeln, mittels welchem das Bauteil 24 auf einfache Weise an der Halteeinrichtung 26 aufgenommen werden kann. Mittels der Bilderfassungseinrichtung 16 wird das Bauteil 24 ebenfalls optisch erfasst, wobei dessen Lage, also die Position und Ausrichtung, und seine dreidimensionale Ausdehnung, als seine Gestalt, erfasst wird.
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Anschließend wird eine erforderliche Translations- und Rotationsbewegung ermittelt, welche mit dem Bauteil 22 bzw. mit dem Roboter 12 durchgeführt werden muss, um das Bauteil 22 in die gewünschte Montagelage an dem Bauteil 24 zu positionieren. Dabei werden sowohl die Lageinformationen der Bauteile 22, 24 als auch die durch den Abgleich des Bauteils 22 mit dem Datenmodell gewonnenen Daten genutzt.
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Danach wird der Roboter 12 in einen so genannten Gravitationsmodus oder in eine so genannte Gravitationskompensation geschaltet und anschließend von einem hier nicht dargestellten Werker bedient, welcher das Bauteil 22 manuell in eine annähernd der Montagelage entsprechende Zwischenlage vorpositioniert. Während der Vorpositionierung kann beispielsweise die Bilderfassungseinrichtung 16 im Wesentlichen permanent, also in sehr kurzen Zeitabständen, die jeweilige Lage des Bauteils 22 erfassen. Alternativ ist es auch möglich, dass zum Beispiel mittels des Roboters 12 die durchgeführte Translations- und Rotationsbewegung des Bauteils 22 erfasst wird. Dies ist aber nur dann nötig, wenn es sich nicht um einen absolutgenauen Roboter 12 handelt. Bei absolutgenauen Robotern 12 ist es ausrechend, einmal die Rotations- sowie die Translationsmatrix zu berechnen, um das Bauteil 22 präzise positionieren zu können.
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Während des manuellen Vorpositionierens des Bauteils 22 wird ein Signal ausgegeben, welches eine Abweichung einer aktuellen Lage des Bauteils 22 von der Zwischenlage oder der Montagelage charakterisiert. Beispielsweise kann das Signal in Form eines Tons ausgegeben werden, welcher mit einer Frequenz wiederholt wird, die umso größer ist, je geringer die Abweichung der aktuellen Lage des Bauteils 22 von der Zwischenlage oder der Montagelage ist. Ist das Bauteil 22 also relativ weit entfernt von dem Bauteil 24 bzw. von dessen Montagelage, so ertönt ein Signalton, welcher von relativ langen Pausen unterbrochen ist. Je näher das Bauteil 22 an seinen Zielort herangeführt wird, desto kürzer werden die Pausen zwischen dem Signalton bis hin zu einem durchgehenden Signalton, wenn eine sehr große Nähe zur Zwischenlage oder Montagelage erreicht wurde.
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Unterstützend bzw. begleitend zum manuellen Vorpositionieren kann weiterhin der Roboter 12 selbst mit einer geringen Kraft dauerhaft versuchen, interpoliert auf seinen Zielort zuzusteuern. Ein Werker kann dann jederzeit vor einer drohenden Kollision des Roboters 12 diesen neu ausrichten. Darauf kann der Roboter 12 von dieser neuen Position aus wiederum versuchen, selber auf seinen Zielort zuzusteuern.
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Sobald das Bauteil 22 an seiner Zwischenlage positioniert worden ist, wird eine automatische Feinpositionierung des Bauteils 22 von der Zwischenlage in die Montagelage mittels des Roboters 12 durchgeführt. Dafür kann ein Werker beispielsweise den Modus des Roboters 12 in einen Automatikmodus schalten, in welchem dieser die Reinpositionierung selbstständig vornimmt.
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Sobald das Bauteil 22 in seiner Montagelage an dem Bauteil 24 angeordnet worden ist, hält der Roboter 12 das Bauteil 22 in dieser Position, während ein Werker das Bauteil 22 an dem Bauteil 24 montiert, beispielsweise indem er dieses an das Bauteil 24 anschweißt. Anschließend lässt der Roboter 12 das Bauteil 22 los und kann entfernt bzw. fortbewegt werden. Falls erforderlich kann an dem Roboter ein weiteres hier nicht gezeigtes Bauteil angebracht werden, welches ebenfalls entsprechend den bereits erläuterten Verfahrensschritte an dem Bauteil 24 positioniert und anschließend befestigt wird. Dieses weitere Bauteil kann auch an allen bisher am Bauteil 22 angefügten Teilen und der dadurch entstanden Baugruppe angefügt werden.
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Durch die erläuterte intelligente Kopplung des handführbaren Roboters 12 mit der als 3D-Scan-System ausgebildeten Bilderfassungseinrichtung 16 ist es möglich, schnell und im Wesentlichen bauteilunabhängig beliebige Bauteile 22 an einem weiteren Bauteil 24 zu positionieren und zu befestigen.
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Auf den in den Ausführungsbeispielen aufgeführten Messarm oder Roboter 14, an dem die Bilderfassungseinrichtung 16 angebracht ist, kann auch verzichtet werden, wenn es sich bei dem Roboter 12 um einen absolutgenau vermessenen Roboter handelt. Dieser kann dann mit Hilfe einer Wechseleinrichtung abwechselnd sowohl als Erfassungseinheit als auch als Positioniersystem arbeiten. In seiner Eigenschaft als Erfassungseinheit hält dann der Roboter 12 die Bilderfassungseinrichtung, um das Bauteil 22 an einem Referenzort zu erfassen. In seiner Eigenschaft als Positioniersystem holt er dann das Bauteil 22 von diesem Referenzort, um es zu positionieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008041260 A1 [0003]
