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Die Erfindung betrifft eine Greifvorrichtung zum Handhaben von Fasermatten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Handhaben von Fasermatten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Faserverstärkte Kunststoffe werden überall dort eingesetzt, wo hohe Festigkeiten und Steifigkeiten gefordert sind. Sie umfassen Verstärkungsfasern, die in einem Kunststoff eingebettet sind. Bei der automatisierten Fertigung von faserverstärkten Bauteilen werden die Verstärkungsfasern durch Handling-Roboter manipuliert. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Sauggreifer und Nadelgreifer einzusetzen. Solche sind bspw. in der
DE 10 2011 050 099 A1 sowie der
EP 1 099 538 B1 gezeigt. Bisher werden in der Regel mehrlagige Faserstapel durch Handling-Roboter aufgenommen und bewegt. Hierbei kommen Nadelgreifer zum Einsatz. Aufgrund der Dicke eines Faserstapels, die mehrere Millimeter beträgt, können die Nadeln des Nadelgreifers sicher in den Faserstapel eindringen, ohne den darunter liegenden Faserstapel zu berühren. Auf diese Weise können einzelne Faserstapel voneinander getrennt, das heist separiert werden und dadurch einzeln abtransportiert werden. Nach dem Greifvorgang werden die Nadeln arretiert und verweilen ohne Energie zu verbrauchen in dieser Position, wobei der Faserstapel an dem Nadelgreifer fixiert ist.
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Aufgrund der geringen Dicke von einzelnen Faserlagen sind Nadelgreifer jedoch nicht geeignet, um einzelne Faserlagen von einem Stapel abzuheben. Die Nadeln dringen hier zu tief in das Material ein, so dass die Anzahl der tatsächlich gegriffenen Lagen schwer kontrollierbar ist. Um eine immer gleiche Anzahl an Faserlagen oder auch einzelne Faserlagen zu greifen, werden statt Nadelgreifer sog. Sauggreifer eingesetzt. Bei Sauggreifer wird mittels Unterdruck eine Faserlage angesaugt und damit an dem Sauggreifer fixiert. Da hierbei jedoch kontinuierlich Luft abgesaugt werden muss, um die Fasermatte festzuhalten, weisen diese Sauggreifer einen verhältnismäßig hohen Energiebedarf auf.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik, macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Greifvorrichtung anzugeben bzw. ein Verfahren zum Handhaben einer Fasermatte anzugeben, mit der bzw. dem bei reduziertem Energieverbrauch ein sicheres Handling bzw. eine sichere Handhabung von Fasermatten gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren und einer Greifvorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Greifvorrichtung zum Handhaben von Fasermatten vor, mit einer Ansaugeinrichtung, mit der mindestens eine einzelne Fasermatte ansaugbar ist und einer Nadelgreifeinrichtung, mit der mindestens eine Fasermatte fixierbar ist, wobei die Nadelgreifeinrichtung an der Saugeinrichtung angeordnet sein kann. Eine Fasermatte kann dabei eine einzelne Faserlage oder auch mehrere Faserlagen umfassen. Dadurch wird eine Greifvorrichtung erzeugt, in der eine Ansaugeinrichtung und eine Nadelgreifeinrichtung kombiniert sind. Diese bietet den Vorteil, dass auf kleinstem Raum die Matte zunächst angesaugt werden kann und, nachdem ein Ansaugen stattgefunden hat, lokal fixiert werden kann. Dadurch kann die Ansaugeinrichtung abgeschalten werden, so dass nach der Fixierung der Faserlage durch die Nadelgreifeinrichtung kein Energieverbrauch durch die Ansaugeinrichtung stattfindet. Mit anderen Worten: um die Effizienz des Greifvorgangs zu steigern, werden nach dem Abheben mittels der Ansaugeinrichtung Nadelgreifeinrichtungen eingesetzt. Diese Nadelgreifeinrichtungen werden erst nach dem Abheben einer Fasermatte von einem Fasermattenstapel aktiviert. Danach können die Sauggreifer abgeschaltet werden, um den Energiebedarf der Vorrichtung zu senken. Durch die Integration der Nadelgreifeinrichtung an der Ansaugeinrichtung, sind die Angriffsstelle der Ansaugeinrichtung und die Angriffsstelle der Nadelgreifeinrichtung an der Fasermatte lokal auf engem Raum benachbart. Ein Durchhängen der Fasermatte zwischen den Angriffspunkten der Nadelgreifeinrichtung und der Ansaugeinrichtung der Greifvorrichtung wird auf ein Mindestmaß reduziert.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform kann die Ansaugeinrichtung als Vakuumgreifer ausgebildet sein. In einer zweiten Ausführungsform kann die Ansaugeinrichtung alternativ als Bernoulli-Greifer ausgebildet sei. In einer weiteren Ausführungsform kann die Ansaugeinrichtung auch als Volumenstromsauger realisiert werden. Generell eignen sich alle Greifer auf Basis von Luftströmen oder Druckunterschieden um als Ansaugeinrichtung zu fungieren.
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Weiterhin kann die Nadelgreifeinrichtung derart an der Ansaugeinrichtung angeordnet sein, dass die Nadeln der Nadelgreifeinrichtung in einer Fixierposition, in der eine Fasermatte an der Greifvorrichtung fixiert wird, einen der Fasermatte zugewandten Endbereich der Ansaugeinrichtung überragen. Dadurch kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass die Nadeln sicher in die Fasermatte bzw. die Faserlage eingreifen, sobald sich diese in der Fixierposition befindet.
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Weiterhin können die Nadeln der Nadelgreifeinrichtung aus einer Fixierposition, in der eine Fasermatte fixierbar ist, in eine Freigabeposition, in der die Fasermatte nicht ortsfest an der Nadelgreifeinrichtung befestigt ist und umgekehrt überführbar sein.
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Weiterhin kann eine Positionserfassungseinrichtung vorgesehen sein, zur Ermittlung bzw. Erfassung der Relativposition der Greifvorrichtung zu der Fasermatte. Vorteilhafterweise kann so detektiert werden, in welcher Position sich die Greifvorrichtung relativ zu der Fasermatte befindet.
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Weiterhin kann die Positionserfassungseinrichtung über eine optische Sensorik eine vorbestimmte Relativposition der Greifeinrichtung zu der Fasermatte ermitteln. Damit kann über eine optische Foto- oder Videoaufzeichnung erfasst werden, ob die Greifeinrichtung sich in einer Relativposition befindet, die ein Aufgreifen einer Fasermatte erlaubt oder nicht.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Positionserfassungseinrichtung über ein elektrisches Kontaktelement eine vorbestimmte Relativposition der Greifvorrichtung zu der Fasermatte ermitteln. Dadurch kann auf besonders einfache Weise ermittelt werden, wann die Greifvorrichtung in dieser vorbestimmten Position ist, in der das Ansaugen der Fasermatte möglich ist. Hierzu sind an dem Endbereich der Greifvorrichtung, der der Fasermatte zugewandt ist, elektrische Kontakte angeordnet. Wenn diese elektrischen Kontakte mit der Fasermatte in Berührung kommen, wird ein elektrischer Kreis geschlossen, da die Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern elektrisch leitend sind.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Handhaben einer Fasermatte mit Hilfe einer Greifvorrichtung, wie im Vorhergehenden beschrieben, mit den Schritten:
- – Überführen der Greifvorrichtung in eine vorbestimmte Relativposition zu der zu greifenden Fasermatte,
- – Ansaugen der Fasermatte mit der Ansaugeinrichtung,
- – Fixieren der Fasermatte mit einer Nadelgreifeinrichtung,
- – Anhalten der Ansaugung durch die Ansaugeinrichtung und
- – Umpositionieren bzw. Handling der Fasermatte.
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Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass mit Hilfe der Ansaugeinrichtung einzelne Fasermatten voneinander separiert werden können und mit Hilfe der Nadelgreifeinrichtung die Fasermatten umpositioniert bzw. gehandhabt werden können, wobei der Energieverbrauch auf ein Mindestmaß reduziert wird.
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Weiterhin kann nach dem Überführen der Greifeinrichtung in die vorbestimmte Position erfasst werden, ob sich die Greifvorrichtung in der vorbestimmten Relativposition befindet mit Hilfe einer Positionserfassungseinrichtung. Dadurch kann gewährleistet werden, dass ein sicheres Greifen der Faserlage erfolgt.
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Weiterhin kann gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens, nach dem Ansaugen der Fasermatte, diese mit der Greifvorrichtung angehoben werden, bevor die Nadelgreifvorrichtung in eine Fixierposition überführt wird, in der die Fasermatte im Wesentlichen ortsfest fixiert ist. Durch das Anheben wird die Faserlage von anderen, darunterliegenden Faserlagen separiert, so dass sichergestellt werden kann, dass nur eine Faserlage gegriffen wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann nach der Erfassung, dass die Greifvorrichtung in einer vorbestimmten Relativposition ist, die Ansaugung durch die Ansaugvorrichtung selbsttätig gestartet werden.
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Nachfolgend sollen kurz die Vorteile der Erfindung genannt werden. Durch einen Kombinationsgreifer im Sinne der beschriebenen Greifvorrichtung kann ein Versatz zwischen der Saugeinrichtung und dem Nadelgreifer vermieden werden, so dass auf diese Weise ein Durchhängen der einzelnen Faserlagen bei deren Handhabung unterbunden wird. Durch die Positionserfassungseinrichtung kann die Relativposition der obersten Faserlage zu der Greifvorrichtung ermittelt werden, so dass ein Roboter, an dem die Greifeinrichtung angeordnet ist, adaptiv gesteuert werden kann. Dies ermöglicht ein exaktes Aufnehmen einer einzelnen Fasermatten bzw. einzelnen Faserlage von einem Faserstapel. Die Bestimmung der korrekten Position der obersten Faserlage kann am Einfachsten mit Hilfe zweier elektrischer Kontakte festgestellt werden, unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern, aus denen die Fasermatten gebildet sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung erläutert. Die Beschreibung, die Ansprüche und die Zeichnungen enthalten Merkmale, die ein Fachmann auch in anderer Kombination in Betracht ziehen würde, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die an entsprechende Anwendungsbeispiele angepasst sind.
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1a den prinzipiellen Aufbau einer Greifeinrichtung,
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1b eine alternative Ausführungsform der Greifeinrichtung,
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2 eine Anordung mehrerer Greifeinrichtungen,
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3a bis c ein Verfahren zur Handhabung einer Fasermatte gemäß einer ersten Ausführungsform und
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4a bis c ein Verfahren zum Handhaben einer Fasermatte gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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In 1a ist eine Greifvorrichtung 10 dargestellt, mit einer Ansaugeinrichtung 11. Die Ansaugeinrichtung 11 ist hier als Vakuumsauger ausgebildet, mit einer im Wesentlichen prismischen hohlzylindrischen Form. Mittig ist ein Ansaugkanal 13 dargestellt, der von einer Wandung 14 umgeben ist. Zum Ansaugen einer darunterliegenden Fasermatte 20 kann ein Luftstrom erzeugt werden, entlang des Ansaugkanals 13, wie durch den Pfeil L dargestellt.
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Die Greifvorrichtung 10 umfasst darüber hinaus eine Nadelgreifeinrichtung 12, die hier in 1a beispielhaft an der äußeren Seite der Wandung 11 angebracht ist. Die Nadeln 15 sind beweglich angeordnet in Richtung der Doppelpfeile G. Abweichend von der Darstellung in 1a kann die Nadelgreifeinrichtung 12 auch innerhalb des Saugkanals 13 angeordnet sein. Die Nadeln 15 sind in 1a in einer Fixierposition dargestellt, in der sie über einen Endbereich, der der Fasermatte 20 zugewandt ist, hinausragen. In 1a ist jedoch die darunterliegende Matte 20 nicht fixiert Alternativ dazu kann die Nadelgreifeinrichtung 12 auch innerhalb der Ansaugeinrichtung 11 angeordnet sein.
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An einer stirnseitigen Oberfläche der Wandung 11, die den Ansaugkanal 13 umgibt, ist eine Positionserfassungseinrichtung 16 vorgesehen. Diese ist aus zwei Kontakten ausgebildet, die berührend mit der Fasermatte 20 verbunden werden können.
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In 1b ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, bei der die Nadelgreifeinrichtung 12 an der aussenseite der Ansaugeinrichtung 11 angeordnet ist. Im Unterschied zu der in 1a dargestellten Greifvorrichtung 10 sind die Nadel 15 so angeordnet, dass sie in radialer Richtung der Ansaugeinrichtung 11 nach aussen wirken.
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In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung, kann die Ansaugeinrichtung 11 auch als sog. Bernoulli-Greifer ausgebildet sein.
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Bernoulli-Greifer sind aus dem Stand der Technik einem Fachmann bekannt und werden auch als Schwebesauger bezeichnet, die nach dem Bernoulli-Prinzip arbeiten. Sie dienen zur berührungslosen oder berührungsarmen Handhabung von Werkstücken, die aufgrund ihrer Beschaffenheit kontaktempfindlich sind.
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In 2 ist zur Erläuterung der Erfindung dargestellt, dass auch mehrere Greifvorrichtungen 10 nebeneinander angeordnet werden können, zur Handhabung einer Fasermatte. Dabei kann jede Greifeinrichtung 10 an einem separaten Handlingroboter angebracht sein. Alternativ dazu können auch mehrere Greifeinrichtungen über einen Adapter an einem einzigen Handlingroboter befestigt sein. Wie aus 2 ersichtlich ist, greift die Saugeinrichtung 11 im Wesentlichen an derselben Stelle wie die Nadelgreifeinrichtung 12 an. Gegenüber dem Stand der Technik, in dem die Ansaugeinrichtung 11 und die Fixiereinrichtung 12 an verschiedenen Punkten der Fasermatte 20 angreifen, bietet diese Anordnung den Vorteil, dass kein Durchhängen der Fasermatte 20 entsteht, wenn die Ansaugung abgeschaltet wird oder die Fasermatte 20 noch nicht mit der Nadelgreifeinrichtung 12 fixiert ist.
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Die 3a–c zeigen ein Verfahren zur Handhabung einer Fasermatte 20 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Greifeinrichtung 10 wird zuerst mit Hilfe eines Handling-Roboters in eine vorbestimmte Position überführt. In dieser Position berührt die Positionserfassungseinrichtung 16 die Oberfläche der Fasermatte 20. Bei Kontakt der Greifvorrichtung 10 mit der obersten Fasermatte 20 eines nicht näher dargestellten Faserstapels wird der Kreislauf zwischen den beiden Kontakten 16 geschlossen und es fließt ein Strom. Dadurch wird zum einen erfasst, dass die Greifvorrichtung 11 die Fasermatte berührt und ein weiterer Vorschub der Greifvorrichtung zur Fasermatte hin unterbunden. Zum anderen kann ab diesem Moment der Greifvorgang ausgelöst, bei dem ein Luftstrom generiert wird, zum Ansaugen und haftenden Festhalten der Fasermatte 20 an der Greifvorrichtung 10.
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Gegebenenfalls kann die Aktievierung der Absaugung auch selbsttätig bz. Automatisch gestartet werden, wenn ein berührender Kontakt zwischen der Greifvorrichtung 10 und der Fasermatte 20 mit der kontakteinheit detektiert wird. Nachdem die Fasermatte 20 angesaugt wurde, wird eine kleine Hubbewegung durchgeführt, wodurch die Fasermatte 20 von darunterliegenden Faserlagen separiert wird. Dies ist in 3b dargestellt.
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Nun kann die Nadelgreifeinrichtung 12 in eine Fixierposition überführt werden, bei der die Nadeln 15 in die Fasermatte 20 eindringen und diese dadurch ortsfest an der Greifeinrichtung 10 gehalten wird. Die Ansaugung kann ab jetzt abgeschalten werden. Dies ist in 3c durch die den Luftstrom repräsentierenden Pfeil durchstreichenden Linien dargestellt. in dieser Position kann die Fasermatte 20 energiesparend transportiert werden.
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Eine zweite Ausführungsform des Verfahrens ist in den 4a bis 4c dargestellt. In der darin dargestellten Greifeinrichtung 10 ist kein elektrischer Kontakt als Positionserfassungseinrichtung 16 vorgesehen. Die Greifeinrichtung 10, die ebenfalls an einem Roboterarm, der nicht dargestellt ist, angeordnet ist, wird oberhalb der Fasermatte 20 positioniert. Als Positionserfassungseinrichtung kann hier eine optische Überwachung mit einer Video- oder Photokamera eingesetzt werden. Diese erfasst, ob sich die Greifvorrichtung 10 in einer vorbestimmten Position befindet, das heist in einer Position in der der Abstand zur Faserlage 20 so klein ist, dass mittels Unterdruck die Faserlage 20 ansaugbar ist. Durch Erzeugung eines Luftstroms in dem Ansaugkanal 13 wird eine darunter liegende Fasermatte 20 einzeln angesaugt und somit von einem nicht dargestellten Fasermattenstapel abgehoben. Durch den Luftstrom, der in den 4a bis c durch den Pfeil dargestellt ist, wird die Fasermatte 20 an der Greifeinrichtung 10 gehalten, wie in 4b dargestellt. In dieser Position wird die Nadelgreifeinrichtung 12 aktiviert, und die Nadeln 15 aus einer Freigabeposition in die in 4c dargestellte Fixierposition überführt. In dieser Position greifen die Nadeln in die Fasermatte 20 ein und haltern diese an der Greifeinrichtung 10.
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Die im Vorhergehenden beschriebene Erfindung bietet somit den Vorteil, dass mit der Ansaugeinrichtung eine Fasermatte von einem Faserstapel abgehoben und somit vereinzelt werden kann. Zudem ist mit der Fixiereinrichtung bzw. der Nadelgreifeinrichtung die angehobene Fasermatte stromsparend an der Greifeinrichtung fixierbar. Während eines Transports der Fasermatte kann dieser Kombinationsgreifer die Fasermatte haltern nur durch die Nadelgreifeinrichtung. Fasermatten im Sinne dieser Erfindung sind insbesondere Kohlenstofffaserhalbzeuge, die als Gelege, Gewebe, Geflecht oder auch als Vlies vorliegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011050099 A1 [0002]
- EP 1099538 B1 [0002]
