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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Montieren eines ersten Bauelements an einem zweiten Bauelement eines Kraftwagens gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren zum Montieren eines ersten Bauelements an einem zweiten Bauelement eines Kraftwagens ist beispielsweise aus der
DE 102 42 710 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren wird das erste Bauelement mittels eines Roboters relativ zu dem zweiten Bauelement bewegt und am zweiten Bauelement montiert. Hierdurch lässt sich die Montage des ersten Bauelements am zweiten Bauelement automatisieren, so dass beispielsweise im Rahmen einer Massenfertigung von Kraftwagen eine zeit- und kostengünstige Herstellung der Kraftwagen darstellbar ist.
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Ein hoher Automatisierungsgrad oder eine Vollautomatisierung der Herstellung bedeutet zwar geringe Arbeitskosten wegen eines nur geringen Personalbedarfs, jedoch auch hohe Investitionskosten. Von diesen hohen Investitionskosten entfallen circa 60 Prozent auf sogenannte Engineering-Kosten, welche Kosten für Planung, Konstruktion, Simulation, Programmierung von Robotern etc. umfassen. Die restlichen 40 Prozent sind Hardware-Kosten beispielsweise für die Roboter an sich, Spezialgreifer, Laser, Recheneinheiten, Schrauber, Schutzzäune, Vereinzelungsgeräte, Karosserieausheber etc.
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Im Kontrast dazu ist die reine Handmontage von Bauelementen zu betrachten, bei welcher kostengünstige Handhabungsgeräte mit entsprechend niedrigem Investitionsbedarf zum Einsatz kommen. Jedoch ist hierbei ein hoher Personalaufwand erforderlich, woraus sehr hohe Arbeitskosten resultieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem sowohl die Investitionskosten als auch die Arbeitskosten gering gehalten werden können, so dass sich insgesamt eine besonders kostengünstige Montage realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich sowohl die Arbeitskosten als auch die Investitionskosten besonders gering halten lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels einer am Roboter vorgesehenen Sensoreinrichtung Kräfte, welche von einem menschlichen Arbeiter auf das am Roboter gehaltene erste Bauelement ausgeübt werden und über das erste Bauelement auf den Roboter wirken, erfasst werden, wobei der Roboter den erfassten Kräften in jeweilige Richtungen, in die die Kräfte wirken, ausweicht, wodurch das erste Bauelement mittels des Roboters relativ zum zweiten Bauelement bewegt wird.
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Hierdurch wird das erste Bauelement mittels des Roboters relativ zum zweiten Bauelement in Abhängigkeit von dem vom menschlichen Arbeiter über das erste Bauelement auf den Roboter wirkenden Kräften bewegt. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß eine sogenannte Mensch-Roboter-Kooperation vorgesehen, bei welcher der menschliche Arbeiter die Steuerung des Roboters übernimmt. Dies bedeutet, dass der Roboter durch den menschlichen Arbeiter derart bewegt wird, dass der Arbeiter Kräfte auf das zu montierende erste Bauelement ausübt und mittels dieser Kräfte das erste Bauelement relativ zum zweiten Bauelement beispielsweise in eine Montageposition bewegt, in welcher das erste Bauelement am zweiten Bauelement zu montieren ist. Die eigentliche Handhabung beziehungsweise das eigentliche Halten des ersten Bauelements übernimmt jedoch der Roboter.
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Dies bedeutet, dass die Bewegung des ersten Bauelements relativ zum zweiten Bauelement zwar durch den menschlichen Arbeiter vorgegeben wird, jedoch der Roboter das erste Bauelement hält und somit die Gewichtskraft des ersten Bauelements aufnimmt. Somit muss der menschliche Arbeiter das erste Bauelement nicht halten beziehungsweise tragen, sondern das erste Bauelement lediglich mit Kräften beaufschlagen, welche in die Richtungen wirken, in die das erste Bauelement bewegt werden soll. Der Roboter weicht den Kräften aus und führt dadurch das erste Bauelement entsprechend nach. Somit unterstützt der Roboter im Rahmen der Mensch-Roboter-Kooperation den menschlichen Arbeiter und interagiert direkt mit ihm. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens findet somit eine direkte Zusammenarbeit zwischen dem menschlichen Arbeiter und dem Roboter statt, wobei der Roboter ohne Schutzzäune und zusätzliche Sicherheitstechnik betrieben werden kann. Darüber hinaus sind kostenaufwendige Programmierungen und Simulationen nicht vorgesehen und nicht erforderlich, so dass die Investitionskosten zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders gering gehalten werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren stellt einen Mittelweg zwischen der Vollautomatisierung und der Handmontage dar, da einerseits zwar das erste Bauelement mittels des Roboters bewegt wird, andererseits jedoch die Steuerung des Roboters durch den menschlichen Arbeiter erfolgt. Die genannte Interaktion oder Kommunikation zwischen dem Roboter und dem menschlichen Arbeiter erfolgt über die Sensoreinrichtung, mittels welcher die vom menschlichen Arbeiter auf das erste Bauelement ausgeübten und über das erste Bauelement auf den Roboter wirkenden Kräfte erfasst werden. Unter diesen Kräften sind auch Drehmomente zu verstehen. Durch die Erfassung dieser Kräfte spürt der Roboter die auf das erste Bauelement aufgebrachten Kräfte und kann dadurch das erste Bauelement diesen Kräften nachführen und das erste Bauelement stabilisieren.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das erste Bauelement in der Montageposition am zweiten Bauelement montiert und somit befestigt wird, während das erste Bauelement mittels des Roboters in der Montageposition gehalten wird. Dadurch kann der menschliche Arbeiter die Befestigung des ersten Bauelements am zweiten Bauelement übernehmen, ohne gleichzeitig das erste Bauelement in der Montageposition halten zu müssen. Dadurch kann eine besonders einfache, zeit- und kostengünstige Montage realisiert werden.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Bauelement infolge einer durch den menschlichen Arbeiter bewirkten Betätigung wenigstens eines Bedienelements nach der Montage des ersten Bauelements am zweiten Bauelement vom Roboter gelöst wird. Mit anderen Worten wird das erste Bauelement mittels des Roboters so lange in der Montageposition beziehungsweise in einer idealen Einbaulage gehalten, bis das erste Bauelement vom menschlichen Arbeiter fest am zweiten Bauelement montiert ist. Im Anschluss daran betätigt, beispielsweise drückt, der menschliche Arbeiter wenigstens ein Bedienelement. Dabei kann vorgesehen sein, dass der menschliche Arbeiter zwei Bedienelemente betätigt. Bei diesen Bedienelementen kann es sich um sogenannte Zustimmtasten handeln, welche vom menschlichen Arbeiter gedrückt werden. Durch das Betätigen des Bedienelements bestätigt der menschliche Arbeiter, dass die Montage des ersten Bauelements am zweiten Bauelement abgeschlossen ist. Infolge des Betätigens des Bedienelements lässt der Roboter das erste Bauelement los und kann dann beispielsweise auf einer vorgegebenen Bewegungsbahn durch Überwachung des menschlichen Arbeiters sicher zu einer Bauteilaufnahme fahren, an welcher vom Roboter ein weiteres zu montierendes Bauelement des Kraftwagens oder eines anderen Kraftwagens aufgenommen werden kann. Dann kann die Montage des weiteren Bauelements auf die zuvor beschriebene Weise erfolgen.
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Das Verfahren eignet sich besonders gut zum Montieren von Anbauteilen wie, Flügelelementen, insbesondere Türen, Klappen, Hauben wie beispielsweise Front- beziehungsweise Motorhauben, Heckdeckeln, Kotflügeln, Scheiben, Dächer, Schiebedächer, Frontmodule, Ersatzradmulden, Räder etc., da bei solchen Anbauteilen beispielsweise zur Realisierung eines optisch ansprechenden Fugenbilds und eines gleichmäßigen Spaltmaßes eine exakte Ausrichtung zu anderen Bauelementen des Kraftwagens vorteilhaft ist.
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Zur Realisierung einer besonders präzisen Ausrichtung des ersten Bauelements relativ zum zweiten Bauelement ist es beispielsweise vorgesehen, dass das erste Bauelement relativ zum zweiten Bauelement mittels wenigstens eines Abstandhalteelements ausgerichtet wird, wobei das erste Bauelement unter Vermittlung des Abstandshalteelements am zweiten Bauelement abgestützt wird. Bei diesem Abstandhalteelement handelt es sich beispielsweise um eine Lehre wie beispielsweise ein Fugenkeil. Der menschliche Arbeiter drückt beispielsweise das erste Bauelement mit seinen Händen in die Montageposition, welche dadurch erreicht wird, dass das erste Bauelement in Stützanlage mit dem Abstandhalteelement gebracht wird. Im Anschluss daran oder zuvor wird das Abstandhalteelement in Stützanlage mit dem zweiten Bauelement oder mit einem anderen Bauelement des Kraftwagens gebracht, so dass dadurch das erste Bauelement exakt zum zweiten Bauelement ausgerichtet und beispielsweise ein gleichmäßiges Spaltmaß eingestellt werden kann.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein taktiles Ausrichten des ersten Bauelements möglich, ohne dass der Einsatz einer kostenintensiven Lasersensorik, eines Technologierechners etc. vorgesehen und erforderlich wäre.
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Zur Realisierung einer besonders präzisen Erfassung der Kräfte umfasst die Sensoreinrichtung beispielsweise wenigstens eine Kraftmessdose. Die Kraftmessdose ist beispielsweise zwischen einer Achse und einem Endeffektor angeordnet, wobei das erste Bauelement mittels des Endeffektors am Roboter gehalten wird.
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Die Kraftmessdose ist beispielsweise als Sechs-Achs-Kraftmessdose ausgebildet und kann somit Kräfte und Drehmomente entlang und um drei senkrecht zueinander verlaufender Raumachsen beziehungsweise Raumrichtungen erfassen.
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Der Roboter ist beispielsweise als sogenannter sicherer Roboter, insbesondere als sicherer Industrie-Roboter, ausgebildet, welcher eine zweikanalige Technik mit einer Geschwindigkeitsbegrenzung sowie einer Zustimm-Logik aufweist.
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Als Endeffektor kann ein Standard-Werkzeug genutzt werden, mittels welchem das erste Bauelement am Roboter gehalten und im Raum relativ zum zweiten Bauelement bewegt werden kann. Hierdurch können die Kosten zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders gering gehalten werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine schematische Seitenansicht eines ersten Bauelements und eines zweiten Bauelements eines Kraftwagens, wobei das erste Bauelement mittels eines Roboters relativ zum zweiten Bauelement bewegt und am zweiten Bauelement montiert wird und wobei die Steuerung des Roboters durch einen menschlichen Arbeiter erfolgt; und
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2 eine schematische Vorderansicht der Bauelemente, wobei das erste Bauelement relativ zum zweiten Bauelement mittels Abstandhalteelemente ausgerichtet wird, unter dessen Vermitteln das erste Bauelement am zweiten Bauelement abgestützt wird.
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1 und 2 dienen zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Montieren eines ersten Bauelements 10 an einem zweiten Bauelement 12 eines Kraftwagens. Bei dem zweiten Bauelement 12 handelt es sich beispielsweise um ein Rohbauteil einer Karosserie des beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftwagens. Bei dem ersten Bauelement 10 handelt es sich beispielsweise um ein Anbauteil, welches am Rohbauteil (Bauelement 12) zu montieren ist. Das Anbauteil kann als Flügelelement beispielsweise in Form einer Tür, einer Klappe oder eines Deckels ausgebildet sein. Alternativ kann es sich bei dem Bauelement auch um ein Beplankungselement, insbesondere ein Außenbeplankungselement, wie beispielsweise einem Kotflügel handeln.
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Zum Montieren des ersten Bauelements 10 am zweiten Bauelement 12 wird ein Roboter 14 verwendet. Der Roboter 14 umfasst eine Basis 16, über welche der Roboter 14 an einem Boden befestigt ist. Darüber hinaus umfasst der Roboter 14 eine Mehrzahl von Achsen 18, 20 und 22, welche auch als „Roboterarme” bezeichnet werden. Die Achsen 18, 20, 22 sind gelenkig miteinander verbunden und somit relativ zueinander translatorisch bewegbar und/oder verschwenkbar. Die Achse 18 ist beispielsweise gelenkig mit der Basis 16 verbunden und um eine Drehachse relativ zur Basis 16 drehbar.
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An der bezogen auf die Basis 16 letzten Achse 22 ist eine Adapterplatte 24 befestigt, über welche ein Endeffektor 26 an der Achse 22 befestigt ist. Bei dem Endeffektor 26 handelt es sich beispielsweise um einen Greifer, mittels welchem das erste Bauelement 10 am Roboter 14 gehalten wird.
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Aus 1 ist erkennbar, dass der Endeffektor 26 über eine Sensoreinrichtung 28 an der Adapterplatte 24 befestigt ist. Die Sensoreinrichtung 28 umfasst eine Kraftmessdose 30, welche zwischen dem Endeffektor 26 und der Adapterplatte 24 angeordnet ist. Mittels der Kraftmessdose 30 können vom ersten Bauelement 10 auf den Roboter 14 wirkende Kräfte, das heißt auch Drehmomente, erfasst werden.
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Im Rahmen der Montage fährt der Roboter 14 beispielsweise eine Aufnahmestelle an, an welcher sich das erste Bauelement 10 zunächst befindet. An der Aufnahmestelle wird das erste Bauelement 10 über den Endeffektor 26 mittels des Roboters 14 aufgenommen und dadurch am Roboter 14 angeordnet und gehalten. Infolge dieser Halterung des ersten Bauelements 10 am Roboter 14 kann das erste Bauelement 10 mittels des Roboters 14 relativ zum zweiten Bauelement 12 im Raum umherbewegt und dadurch beispielsweise ausgerichtet und in eine Montageposition bewegt werden. Bei dieser Montageposition handelt es sich um eine sogenannte ideale Einbaulage, in welcher das erste Bauelement 10 am zweiten Bauelement 12 zu montieren ist beziehungsweise montiert wird.
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Zur Realisierung einer besonders kostengünstigen Montage des ersten Bauelements 10 am zweiten Bauelement 12 ist es vorgesehen, dass mittels der am Roboter 14 vorgesehenen Sensoreinrichtung 28 Kräfte, welche von einem menschlichen Arbeiter auf das am Roboter 14 gehaltene erste Bauelement 10 ausgeübt werden und über das erste Bauelement 10 auf den Roboter 14 wirken, erfasst werden, wobei der Roboter 14 den erfassten Kräften in jeweilige Richtungen, in die die Kräfte wirken, ausweicht, wodurch das erste Bauelement 10 mittels des Roboters 14 relativ zum zweiten Bauelement 12 bewegt wird.
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Dies bedeutet, dass eine Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) vorgesehen ist, bei welcher der Roboter 14 das Bauelement 10 hält und somit die Gewichtskraft des Bauelements 10 aufnimmt. Die Steuerung des Roboters 14 jedoch und somit die Bewegung des ersten Bauelements 12 relativ zum zweiten Bauelement 12 übernimmt der menschliche Arbeiter. Hierzu drückt und/oder zieht beispielsweise der menschliche Arbeiter auf das beziehungsweise am ersten Bauelement 10, um das erste Bauelement 10 relativ zum zweiten Bauelement 12 in entsprechende Richtungen zu bewegen. Durch dieses Ziehen und/oder Drücken übt der menschliche Arbeiter Kräfte auf das erste Bauelement 10 aus, die über das erste Bauelement 10 auf den Roboter 14 und somit auf die Sensoreinrichtung 28 wirken. Der Roboter 14 weicht diesen erfassten Kräften aus und führt somit das erste Bauelement 10 dem Ziehen und/oder Drücken des menschlichen Arbeiters entsprechend nach. Somit übernimmt der menschliche Arbeiter die Führung des Roboters 14.
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In 2 sind die Hände 32 und 34 des menschlichen Arbeiters schematisch dargestellt, über welche der menschliche Arbeiter das erste Bauelement 10 mit den Kräften beaufschlagt. Hierdurch kann er beispielsweise eine Bewegung des ersten Bauelements 10 aus einer Ausgangslage A in die in 2 mit M bezeichnete Montageposition bewirken.
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In der Montageposition M wird das erste Bauelement 10 am zweiten Bauelement 12 befestigt, während das erste Bauelement 10 mittels des Roboters 14 gehalten wird. Nach erfolgter Montage betätigt der menschliche Arbeiter Zustimmtasten, woraufhin der Roboter 14 das erste Bauelement 10 loslässt. In der Folge wird das erste Bauelement 10 durch seine Befestigung am zweiten Bauelement 12 gehalten.
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Aus 2 ist ferner erkennbar, dass das erste Bauelement 10 relativ am zweiten Bauelement 12 mittels Abstandhalteelemente 36 ausgerichtet wird. Das erste Bauelement 10 wird unter Vermittlung der Abstandhalteelemente 36 am zweiten Bauelement 12 abgestützt. Die Abstandhalteelemente 36 sind Fugenlehren, mittels welchen ein gleichmäßiges Spaltmaß und Fugenbild zwischen den Bauelementen 10 und 12 eingestellt werden kann. Die Fugenlehren sind einfach und somit kostengünstig und werden beispielsweise vor der Montage am Bauelement 10 oder 12 befestigt, beispielsweise aufgesteckt. Alternativ dazu kann der menschliche Arbeiter die Fugenlehren in Händen und zwischen die Bauelemente 10 und 12 halten.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Fugenlehren beziehungsweise wenigstens eine Fugenlehre in einen Handschuh integriert ist. Während der Montage ist der Handschuh über eine der Hände 32 oder 34 gestülpt. Die in diesem Handschuh integrierte Fugenlehre ist beispielsweise ein integrierter Keil, welcher als Abstandhalteelement verwendet werden kann. Im Rahmen der Montage hält beispielsweise der menschliche Arbeiter den Handschuh mit dem integrierten Keil zwischen die Bauelemente 10 und 12, so dass der in den Handschuh integrierte Keil als eines der Abstandhalteelemente 36 fungieren kann.
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Um die Kosten besonders gering zu halten, kommt eine schutzzaunlose Sicherheitstechnik zum Einsatz. Mit anderen Worten wird der Roboter 14 ohne einen Schutzzaun betrieben. Hierzu ist der Roboter 14 beispielsweise als sicherer Industrieroboter angeordnet. Nach erfolgter Montage des ersten Bauelements 10 am zweiten Bauelement 12 und nach dem Betätigen der Zustimmtasten fährt der Roboter 14 beispielsweise auf einer vorgebbaren Bewegungsbahn zurück zur Aufnahmestelle. Hierbei wird die Bewegungsbahn beispielsweise durch eine zweikanalige Steuerung überwacht, und die Geschwindigkeit des Roboters 14 wird beispielsweise auf 250 Millimeter pro Sekunde begrenzt, während der menschliche Arbeiter die Sicherheit im Umfeld überwacht und durch Drücken der zwei Zustimmtasten bestätigt.
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Der beispielsweise als Montagegreifer ausgebildete Endeffektor 26 ist besonders einfach aufgebaut und weist beispielsweise einen Grundrahmen auf, der in seiner Grundform aus skalierbaren Profilen oder Rohr-Schellensystemen aufgebaut ist. Diese lassen sich einfach in der Grundform verändern, zum Beispiel um die Grundausführung schnell an verschiedene Anbauteile, Typen und Varianten anzupassen.
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Zur Realisierung einer statisch eindeutigen Aufnahme können einfache Formstücke zum Einsatz kommen, welche gegebenenfalls auswechselbar sind und aus Kunststoff gebildet sind. Alternativ oder zusätzlich kann ein Sauger, insbesondere ein Flächensauger, verwendet werden, mittels welchem das erste Bauelement 12 angesaugt wird.
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Die Aufnahme dient nur zur Fixierung des Bauelements 10 ohne Beschädigung. Form und Lagetoleranzen spielen keine Rolle. Die Ausrichtung des ersten Bauelements 10 geschieht ausschließlich über die durch den menschlichen Arbeiter bewirkte händische Manipulation des Roboters 14.
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Darüber hinaus kann ein vermittelter Einbau vorgesehen sein. Zum vermittelten Einbau wird zunächst das erste Bauelement 10 in eine ungefähre Einbaulage gebracht. Nun legt der menschliche Arbeiter die Fugenlehren an, beispielsweise links und rechts des Bauelements 10. Der Roboter 14 führt nun vom menschlichen Arbeiter überwacht eine Suchfahrt aus. Hierzu fährt der Roboter 14 so lange beispielsweise nach links und rechts und/oder nach vorne, hinten und/oder führt Drehungen um Achsen aus, bis über die Sensoreinrichtung 28 erfasst wird, dass der Roboter 14 das Bauelement 10 in Stützanlage mit den Fugenlehren bewegt hat. Die von der ungefähren Einbaulage als Ausgangspunkt zurückgelegte Wegstrecke wird abgespeichert und es wird ein Korrekturvektor berechnet, welchen der Roboter 14 vom Ausgangspunkt automatisch anfährt. Diesen hält er so lange, bis das Bauelement 10 vom menschlichen Arbeiter montiert ist und dieser die Freigabe zum Loslassen und zur Weiterfahrt gibt.
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Das anhand von 1 und 2 veranschaulichte Verfahren weist eine hohe Einfachheit und Wandlungsfähigkeit durch schutzzaunlose Robotik, universelle Werkzeuge und einfache Technik auf. Externe Sensoren, Technologierechner, Schaltschränke etc. können entfallen, so dass eine geringe technische Komplexität dargestellt werden kann. Ferner können einfache, universelle Standardbauteile zum Einsatz kommen, so dass Hardware-Kosten besonders gering gehalten werden können. Ferner ist das Verfahren sehr effizient und somit mit einem nur geringen Energiebedarf durchführbar. Darüber hinaus lassen sich die Arbeitskosten infolge eines reduzierten Werkereinflusses gering halten. Zudem ist ein nur geringer Invest erforderlich und eine Wiederverwendbarkeit ist möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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