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Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Ausführung von Bearbeitungsaufgaben entlang gekrümmter Bahnen an großen Bauteilen, wie diese z. B. im Schiffbau, in der Offshore-Industrie oder im Stahlbau vorkommen. Computergesteuert wird die Vorrichtung entlang einer Schiene, die die abzufahrende Bahn in ihrer Form verkörpert, bewegt und gehalten, wobei die naturgemäß entstehenden Toleranzen einerseits, technologisch notwendige Hilfsbewegungen andererseits in allen für die uneingeschränkte Führung und Orientierung eines rotationssymmetrischen Werkzeuges erforderlichen Freiheitsgraden programmgesteuert ausgeführt werden können.
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Stand der Technik
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Technische Lösungen auf der Basis schienengeführter, in aller Regel elektrisch angetriebener Geräte, häufig als Traktoren bezeichnet, sind bekannt. Diese sind mit maximal zwei externen Bewegungsachsen zum Toleranzausgleich und zur Aufbringung technologischer Bewegungen (z. B. Pendelbewegung beim Schweißen) ausgestattet und in der Regel nicht programmgesteuert.
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Der Toleranzausgleich kann auf verschiedene Weise geschehen. Eine ganz einfache, ausschließlich mechanisch wirkende Anordnung wird in
GB 1459103 A beschrieben, indem beim Schweißen einer Kehlnaht der Schweißkopf in einer Linearführung geführt wird und sich federvorgespannt mit einer Rolle gegen eine Bauteilflanke abstützt.
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Anlagentechnik zur Führung eines Schweiß- oder Schneidwerkzeuges auch auf dreidimensional geformten Bahnen wird in
JP 60012275 beschrieben. Ein Verfahrwagen bewegt sich auf einer dreidimensional elastisch formbaren Schiene, die mit magnetisch wirkenden Haltern auf die Oberfläche eines flächigen, nichtebenen Bauteiles befestigt wird. Naturgemäß ist die Schiene in ihrer Steifigkeit limitiert und erfordert, dass der Verfahrwagen besonders leicht gebaut ist. Die adaptive Anpassung der Brennerstellung an dem Bahnverlauf erfolgt ausschließlich manuell. Das erfordert, dass der Verfahrwagen gut zugänglich ist und die Lage des Schweiß- oder Schneidwerkzeuges relativ zum Fugenverlauf vom Bediener beobachtet werden kann.
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Werden die Verstellachsen motorisch betrieben, indem Linearbewegungsachsen mit kleinem Hub seriell hintereinander angeordnet werden, entstehen sperrige, schwere Maschinen, die im mobilen Einsatz nur schlecht zu handhaben sind und große Reaktionskräfte auf die Schienenführungen ausüben (Modular drive system-Programmable shape machine package, www.bugo.com; GULLCO Variable Speed Side Beam Travel Carriages, www.gullco.com).
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Ebenfalls bekannt ist eine technische Lösung für ein computergesteuertes, vermittels Magneträdern auf einem ferromagnetischen Bauteil verfahrendes Gerät (Krause, C.W.: Mobiles, kletterfähiges Robotersystem für automatisierte Handhabungsaufgaben in der Fertigung. Dissertation, TH Aachen, 2000). Das Gerät besteht aus einem Rollenfahrwerk mit zur optimalen Anschmiegung einzeln aufgehängten Rollen und einem portalroboterähnlichen Arm zur Bewegung des Werkzeuges relativ zum Fahrwerk. Es ist hier eine technische Lösung beschrieben, die aus eher akademischer Sicht entwickelt wurde und die hinsichtlich Masse, Bauraum und dem Verhältnis von Tragfähigkeit zu Haftkraft den Anforderungen des praktischen Einsatzes noch nicht entspricht.
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Bekannt geworden sind Bemühungen, Kleinroboter mit Gelenkarmstruktur auf einen Fahrwagen aufzusetzen und diesen entlang von Schienen zu bewegen (www.universal-robot.com). Der Arbeitsraum des Roboters wird dabei nur zu einem Bruchteil genutzt, selbst bei modernen Leichtbaurobotern entsteht eine vergleichsweise große bewegte Masse. Durch einen bei Gelenkarmrobotern naturgemäß weit von der Schienenführung entfernt gelegenen Gesamtschwerpunkt entstehen darüber hinaus große Kippmomente und insgesamt ein großer Kollisionsraum. Die Robotersteuerung ist in einem zusätzlichen Gehäuse untergebracht, muss gestellfest angeordnet sein und müssen die Kabel von der Steuerung zum Roboter geführt werden. Zum Schutz des Bedieners muss der Industrieroboter mit besonderen Sicherheitseinrichtungen versehen oder u. U. sogar gekapselt werden. Das verkompliziert die Anordnung, steigert Masse und Bauraum. Darüber hinaus ist der Roboter ein empfindliches Präzisionsgerät und der Nutzung als mobile – nirgendwo fest installierte – Maschine unter rauen Werkstattbedingungen möglicherweise nicht gewachsen.
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Die Analyse des Standes der Technik zeigt, dass keine technische Lösung bekannt ist, die roboterähnliche Funktionalität, d. h. insbesondere eine mehrachsige, programm- und/oder sensorgesteuerte Beweglichkeit des Werkzeuges, mit einfachem, modularen Aufbau, Robustheit und geringer Masse und Bauraum verbindet.
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Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein modulares Maschinenkonzept zu schaffen, welches aus einfachen, schnell austauschbaren, kostengünstigen und robusten Modulen besteht, die der Nutzer, je nach technologischer Aufgabenstellung, miteinander kombinieren und verbinden kann, diese Module von auf einem auf dieser befindlichen Steuerung angesteuert werden können und deren Verhalten über ein Bediengerät beeinflussbar ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Auf einer wie auch immer gearteten Schienenführung werden mit Spurrollen mehrere Verfahrwagen aufgesetzt. Die Schienen sind nur im Ausnahmefall gerade, jedoch in der Regel dreidimensional gekrümmt.
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Die Spurrollen sind in der Art und Weise angeordnet, dass nur eine Beweglichkeit, nämlich jene entlang der Schienenrichtung, im Folgenden auch Verfahrbewegung genannt, von einem Verfahrwagen unbehindert ausgeführt werden kann. Sie sind aber auch so angeordnet, dass bis zu einem Krümmungsgrenzradius die Schienenkrümmung keinen Einfluss auf die Beweglichkeit des Verfahrwagens nimmt.
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Die Verfahrwagen teilen sich in solche, die einen Verfahrantrieb, und solche, die keinen Verfahrantrieb besitzen. Die Verfahrwagen, die einen Verfahrantrieb besitzen, dienen ausschließlich der Realisierung der Verfahrbewegung. Sie arbeiten wie eine Lokomotive und werden im Folgenden als lokomotivartiger Vorschubantrieb bezeichnet.
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Mindestens zwei Verfahrwagen sind miteinander mit einer Koppelstange gelenkig verbunden und bilden eine eisenbahnähnliche Anordnung, indem einer dieser zwei Verfahrwagen ein lokomotivartiger Vorschubantrieb ist.
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Der andere, nicht angetriebene Verfahrwagen, der das Werkzeug, z. B. einen Schweißbrenner, einen Schneidbrenner, einen Inspektionskopf oder dgl. trägt, ist derjenige, der auch den Steuerungscomputer enthält. Der Steuerungscomputer generiert aus einem externen Bewegungsprogramm, geschrieben in üblichem CNC-Programmcode, aus Sensorinformationen und aus vom Bediener generierten Fernsteuersignalen Daten zur Ansteuerung der Antriebsmotoren für den Vorschub der gesamten, eisenbahnähnlichen Anordnung einerseits, für die roboterähnliche Bewegung des Werkzeuges andererseits. Beliebig viele Verfahrwagen können zu einer eisenbahnähnlichen Anordnung gekoppelt werden, wobei diese immer mindestens einen lokomotivartigen Vorschubantrieb und einen werkzeugtragenden Verfahrwagen enthalten muss.
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Es sein hier explizit darauf verwiesen, dass auch mehrere lokomotivartige Vorschubantriebe parallel, z. B. in der Weise, dass ein lokomotivartiger Vorschubantrieb einen Verfahrwagen zieht, ein zweiter denselben Verfahrwagen schiebt, verwendet werden können, aus Gründen der Arbeitssicherheit bei diversen Aufgaben gar verwendet werden müssen.
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Der werkzeugtragende Verfahrwagen garselbst trägt auf seinem Chassis eine Anzahl in ihrer Lage programmierbare Antriebe, die jeder einen Gelenkpunkt auf einer Kurve bewegen können. Diese Kurve kann eine Gerade, ein Kreisbogen oder auch eine Kurve höherer Ordnung, z. B. eine Koppelkurve, sein. Einer der Antriebe, der Zentralantrieb, nimmt eine Sonderstellung ein dahingehend, dass der von ihm bewegte Gelenkpunkt von einem Kreuzgelenk gebildet wird. Über dieses Kreuzgelenk trägt der Zentralantrieb das Zentralglied. Mit jeweils einem Koppelglied, das an seinem Enden Kugelgelenke trägt, sind mit dem Zentralglied zwei weitere Antriebe verbunden und wird das Zentralglied in seiner Raumlage festgelegt.
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Es wird darauf verwiesen, dass zur Einsparung von Kosten und zur Vereinfachung der Bewegungssteuerung durch Reduzierung des Bewegungsfreiheitsgrades es sinnvoll sein kann, diese beiden Antriebe relativ zum Zentralantrieb symmetrisch anzuordnen und gegenläufig synchron anzutreiben.
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Im Gliedkoordinatensystem des Zentralgliedes fixiert ist der Werkzeugmittelpunkt TCP mit einem Werkzeughalter, indem ein oder zwei Drehgelenke, ein gestellfernes Drehgelenk und ein optionales gestellnahes Drehgelenk, zwischen Werkzeug und Zentralglied angeordnet sind. Die Wirkrichtung des Werkzeugs, also z. B. der Drahtvektor des Schweißbrenners, bildet mit dem gestellfernen Drehgelenk ein spitzwinkliges, mit einem Eckpunkt im TCP liegendes Dreieck. Ist das optionale, gestellnahe Drehgelenk vorhanden bildet dieses mit dem gestellfernen Drehgelenk ein zweites, zu diesem ähnliches und ebenfalls den TCP umfassendes Dreieck.
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Am Werkzeug angelenkt über Streben sind, je nach Vorhandensein des gestellnahen Drehgelenkes, ein oder zwei weitere Antriebe. Mit ihnen kann bei fest stehenden Zentralantrieb und den fest stehenden beiden Antrieben, die mit dem Zentralglied verbunden sind, das Werkzeug in seiner Orientierung geändert werden, ohne dass der TCP seine Raumlage verändert.
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Eine konstruktiv und steuerungstechnisch vereinfachte Variante besteht darin, durch manuell betätigte Bremsen oder durch Spannelemente das gestellferne und das optionale gestellnahe Drehgelenk nach der manuell vorgenommenen Ausrichtung des Werkzeuges zu verriegeln und damit die Werkzeugausrichtung relativ zum Zentralglied zu fixieren.
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In einer weiteren konstruktiven Variante trägt der werkzeugtragende Verfahrwagen genau sechs Kreuzgelenke, auf denen motorisch angetriebene, längenveränderliche Streben als Koppelglieder befestigt sind. Diese sind jeweils mit einem plattenförmigen Antriebsglied verbunden, wie das z. B. von der STEWARD-Plattform bekannt ist. In oben beschriebener Weise ist dann das Werkzeug an der Plattform befestigt, indem wieder ein oder zwei Drehgelenke, ein gestellfernes Drehgelenk und ein optionales gestellnahes Drehgelenk, zwischen Werkzeug und Plattform angeordnet sind. Durch manuell betätigte Bremsen oder durch Spannelemente wird das gestellferne und das optionale gestellnahe Drehgelenk nach der manuell vorgenommenen Ausrichtung des Werkzeuges verriegelt und damit die Werkzeugausrichtung fixiert.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung soll an dem nachfolgend ausgeführten Ausführungsbeispiel erläutert werden. Es wird auf die 1, 2 und 3 verwiesen. Hierbei ist:
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1 – eine Gesamtansicht der Vorrichtung als eisenbahnähnliche Anordnung
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2 – eine Darstellung des werkzeugtragenden Verfahrwagens
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3 – ein konstruktive Variante des werkzeugtragenden Verfahrwagens
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Auf einer dreidimensional geformten Schienenführung 1 mit Spurrollen 3 aufgesetzt sind mehrere, zumindest jedoch zwei Verfahrwagen 2, jeweils untereinander mit einer Koppelstange 4, die wie eine Deichsel wirkt, gelenkig verbunden. Sie bilden eine von der Eisenbahn bekannte Kombination von Lokomotiven und Waggons.
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Die Schienenführung 1 ist starr und wird zu ihrer bestimmungsgemäßen Nutzung nicht elastisch verformt. Die Spurrollen 3 sind mit ihren Mittelpunkten an jedem Verfahrwagen 2 in der Form eines gleichschenkligen Dreieckes befestigt. Die zwischen den Schenkeln des Dreiecks liegende Spurrolle ist über eine Vorspannung, erzeugt z. B. mit einer Feder, in Richtung der Schienenführung 1 beweglich.
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Zumindest ein Verfahrwagen 2 ist ein lokomotivartiger Vorschubantrieb 5 und kann sich relativ zur Schienenführung 1 aus eigener Kraft fort bewegen. Zumindest ein anderer Verfahrwagen 2 ist ein werkzeugtragender Verfahrwagen 6, aus eigener Kraft nicht in der Lage, sich relativ zur Schienenführung 1 fort zu bewegen, dafür jedoch den Steuerungscomputer 25 tragend. Baukastenartig können mehr als zwei Verfahrwagen 2 kombiniert werden, wobei naturgemäß nur ein werkzeugtragender Verfahrwagen 6 einen Steuerungscomputer 25 besitzen muss.
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Insbesondere kann einerseits auch mehr als ein lokomotivartiger Vorschubantrieb 5 verwendet werden, um hinsichtlich des Antriebes entlang der Schienenführung 1 eine Redundanz zu erlangen und den Forderungen der Arbeitssicherheit, insbesondere beim Arbeiten in steigender Position, zu entsprechen.
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Insbesondere auch kann andererseits mehr als ein werkzeugtragender Verfahrwagen 6 eingesetzt werden, beispielsweise, um den Drahtvorschubkoffer des Schweißgerätes zu tragen. Die Unterteilung in werkzeugtragende Verfahrwagen 6 und lokomotivartige Vorschubantriebe 5 reduziert einerseits die Masse jeder dieser – einzeln handhabbaren-Komponenten, erhöht deren Robustheit und erleichtert den Umgang mit den Komponenten beim praktischen Einsatz. Sie reduziert andererseits die Kosten einer Einzelkomponente und macht Service und gegenseitigen Austausch schnell und einfach möglich.
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Der werkzeugtragende Verfahrwagen 6 ist dafür zuständig, das Werkzeug 18, z. B. einen Schweißbrenner, relativ zur Schienenführung 1 zu bewegen. Dazu trägt der werkzeugtragende Verfahrwagen 6 auf seinem Chassis 23 zwischen drei und fünf in ihrer Lage frei programmierbare Antriebe. Einer dieser Antriebe ist der Zentralantrieb 7, der das Zentralglied 9 trägt. Das Zentralglied 9, das ist seine Besonderheit, wird als Einziges auf Biegung belastet. Zumindest zwei weitere, nur normal beanspruchte Glieder, die erste Koppel 12 und die zweite Koppel 14, verbinden das Zentralglied 9 über den zweiten Antrieb 10 und den dritten Antrieb 11 mit dem Chassis 23.
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Eine konstruktive und antriebstechnische Spezialvariante besteht darin, relativ zum Zentralglied 9 den zweiten Antrieb 10 und den dritten Antrieb 11 symmetrisch anzuordnen und – in entgegengesetzter Richtung – symmetrisch zu bewegen.
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Zwischen Zentralglied 9 und Werkzeug 18 sind zwei Drehgelenke angeordnet, das gestellferne Drehgelenk 17 und das gestellnahe Drehgelenk 16. In Spezialfällen kann auch eines dieser Drehgelenke entfallen.
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In einer ersten konstruktiven Variante greifen am Werkzeug 18, je nachdem, ob ein oder zwei Drehgelenke zwischen Zentralglied 9 und Werkzeug 18 angeordnet sind, zwei Streben in Form der dritten Koppel 19 und der vierten Koppel 20 an, die von den am Chassis 23 befindlichen vierten Antrieb 21 und dem fünften Antrieb 22 bewegt werden. Durch Bewegung des vierten Antriebes 21 und des fünften Antriebes 22 wird das Werkzeug 18 um den Werkzeugmittelpunkt (TCP) 15 orientiert, wobei der Werkzeugmittelpunkt (TCP) 15 seine Relativlage zum Chassis 23 nicht verändert.
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Eine vereinfachte konstruktive Variante macht die dritte Koppel 19 und die vierte Koppel 20 und mit ihr den vierten Antrieb 21 und den fünften Antrieb 22 obsolet, indem das Werkzeug 18 manuell in seiner Orientierung eingestellt wird und danach mit manuell betätigten Bremsen oder Spannelementen 29 eine Relativbewegung um das gestellnahe Drehgelenk 16 und das gestellferne Drehgelenk 17 verhindert wird.
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Eine weitere konstruktive Variante besitzt genau sechs im weitesten Sinne identische, längenveränderbare Streben 27, die mit dem Chassis 23 und mit einem Flanschelement 28 kreuzgelenkig verbunden sind. Zwischen Flanschelement 28 und Werkzeug 18 sind wiederum ein gestellfernes Drehgelenk 17 und das gestellnahe Drehgelenk 16 angeordnet, welche mit manuell betätigten Bremsen oder Spannelementen 29 eine Relativbewegung um das gestellnahe Drehgelenk 16 und das gestellferne Drehgelenk 17 verhindern können.
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Auf dem werkzeugtragenden Verfahrwagen 6 ist ein Steuerungscomputer 25 angeordnet. Dieser empfängt – drahtlos oder drahtgebunden – Informationen von einer externen Steuereinrichtung 26. Auch diese ist ein wie auch immer gearteter Computer. Ausdrücklich darauf hingewiesen wird, dass sowohl der Steuerungscomputer 25 als auch die externe Steuereinrichtung 26 derjenige Computer mit der höheren Rechenleistung sein kann. Der Steuerungscomputer 25 kann darüber hinaus Daten von Sensoren beliebiger Art (Prozessbeobachtungskamera, Lichtbogensensor, Laserscanner ...) empfangen und diese zu Steuerungsinformationen für die einzelnen Antriebe, also den Zentralantrieb 7, den zweiten Antrieb 10 usw. umformen.
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Darauf hinzuweisen ist, dass auf Grund der nichtlinearen Zusammenhänge zwischen einer Bewegung an einem Antrieb, also z. B. am Zentralantrieb 7, und der Bewegung am Werkzeugmittelpunkt (TCP) 15 immer mehr als ein Antrieb bewegt werden muss, um am Werkzeugmittelpunkt (TCP) 15 eine kartesische Bahnbewegung zu erzielen.
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Die externe Steuereinrichtung 26 besitzt Sensoren, die ihre Raumlage und ihre Bewegung in einem raumfesten, globalen Weltkoordinatensystem 30 erfassen und auswerten können. Die externe Steuereinrichtung 26 kann dazu vorteilhaft aus einem Smartphone oder einem Tablet-Computer bestehen.
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Diese Bewegungen werden, ausschließlich oder in Kombination oder Ergänzung zu konventionellen Bedienelementen wie Drehknöpfe 31, Schalter 32 und Joysticks 33, genutzt, um Informationen zur Beeinflussung des Verhaltens der eisenbahnähnlichen Anordnung und des technologischen Prozesses, z. B. deren Vorschubgeschwindigkeit, Zustellbewegungen und Drahtvorschub, zu gewinnen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schienenführung
- 2
- Verfahrwagen
- 3
- Spurrolle
- 4
- Koppelstange
- 5
- Lokomotivartiger Vorschubantrieb
- 6
- werkzeugtragender Verfahrwagen
- 7
- Zentralantrieb
- 8
- Kreuzgelenk
- 9
- Zentralglied
- 10
- Zweiter Antrieb
- 11
- Dritter Antrieb
- 12
- Erste Koppel
- 14
- Zweite Koppel
- 15
- Werkzeugmittelpunkt (TCP)
- 16
- Gestellnahes Drehgelenk
- 17
- Gestellfernes Drehgelenk
- 18
- Werkzeug
- 19
- Dritte Koppel
- 20
- Vierte Koppel
- 21
- Vierter Antrieb
- 22
- Fünfter Antrieb
- 23
- Chassis
- 24
- Zweischlagglied
- 25
- Steuerungscomputer
- 26
- Externe Steuereinrichtung
- 27
- Längenveränderbare Streben
- 28
- Flanschelement
- 29
- Bremsen oder Spannelemente
- 30
- Weltkoordinatensystem
- 31
- Drehknopf
- 32
- Schalter
- 33
- Joystick
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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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- GB 1459103 A [0003]
- JP 60012275 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Krause, C.W.: Mobiles, kletterfähiges Robotersystem für automatisierte Handhabungsaufgaben in der Fertigung. Dissertation, TH Aachen, 2000 [0006]
