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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 oder Bernoulligreifer 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 bzw. zu fixieren, 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 Klemmeinrichtung, mit der mindestens eine Fasermatte fixierbar ist. Die Klemmeinrichtung kann dabei mindestens einen Klemmarm aufweisen.
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Weiterhin kann die Klemmeinrichtung an der Saugeinrichtung angeordnet sein. Eine Fasermatte kann dabei eine einzelne Faserlage oder auch mehrere Faserlagen umfassen. Dadurch wird eine Greifvorrichtung erzeugt, in der eine Ansaugeinrichtung und eine Klemmeinrichtung kombiniert sind. Diese bietet den Vorteil, dass auf kleinstem Raum die Fasermatte zunächst angesaugt werden kann und, nachdem ein Ansaugen stattgefunden hat, lokal fixiert werden kann. Mit anderen Worten: der mindestens eine Klemmarm fixiert bzw. klemmt die Fasermatte gegenüber der Greifeinrichtung im Wesentlichen ortsfest. Die Fasermatte kann jedoch auch locker, d. h. bewegungsfähig auf einem Abschnitt des Klemmarms aufliegen. Dadurch kann die Ansaugeinrichtung abgeschalten werden, so dass nach der Fixierung der Faserlage durch die Klemmeinrichtung kein Energieverbrauch durch die Ansaugeinrichtung stattfindet. Folglich wird nach dem Abheben mittels der Ansaugeinrichtung eine Klemmeinrichtung eingesetzt, um die Effizienz des Greifvorgangs zu steigern. Diese Klemmeinrichtungen werden erst nach dem Abheben einer Fasermatte von einem Fasermattenstapel aktiviert. Danach können die Sauggreifer abgeschaltet werden, um den Energiebedarf der Vorrichtung zu senken. Mit anderen Worten: Mithilfe der Saugeinrichtung werden die Fasermatten zuerst vereinzelt und danach mit der bzw. den Klemmeinrichtungen fixiert. Durch die Integration der Klemmeinrichtung an der Ansaugeinrichtung, sind die Angriffsstelle der Ansaugeinrichtung und die Angriffsstelle der Klemmeinrichtung an der Fasermatte lokal auf engem Raum benachbart. Ein Durchhängen der Fasermatte zwischen den Angriffspunkten der Klemmeinrichtung 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 sein. 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 Klemmeinrichtung derart an der Ansaugeinrichtung oder an der Greifeinrichtung angeordnet sein, dass in einer Fixierposition der Fasermatte die Fasermatte mit einer Seite, die der Ansaugeinrichtung abgewandt ist auf einer Kontakteinrichtung aufliegt. Dadurch kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass die Klemmarme sicher unter die Fasermatte bzw. die Faserlage greifen, sobald sich diese in der Fixierposition befindet. Die Faserlage ist dabei flächig ausgebildet und weist eine erste Oberfläche bzw. Seite auf, die der Greifeinrichtung und damit der Ansaugeinrichtung zugewandt ist. Die zweite Oberfläche bzw. Seite der Faserlage liegt der ersten Seite gegenüber.
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Die Kontakteinrichtung kann als separates Element an dem Klemmarm oder integral als Abschnitt des Klemmarms ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist die Oberfläche der Kontakteinrichtung glatt und/oder gebogen ausgebildet, um ein Verhaken mit der Faserlage zu verhindern.
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Weiterhin kann zumindest ein Klemmarm der Klemmeinrichtung aus einer Fixierposition, in der eine Fasermatte fixierbar ist, in eine Freigabeposition, in der die Fasermatte nicht ortsfest an der Klemmeinrichtung 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 Kontakt bzw. 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 Klemmeinrichtung,
- – 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 Klemmeinrichtung 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 bzw. vereinzelt, 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 der Klemmeinrichtung 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 eine Greifvorrichtung mit daran angeordneter Fasermatte in einer angehobenen Position,
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1b eine Greifvorrichtung mit daran angeordneter Fasermatte in einer Fixierposition,
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2 eine Greifvorrichtung mit daran angeordneter Fasermatte in einer Freigabeposition.
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In 1a ist eine Greifvorrichtung 10 dargestellt, mit einer Ansaugeinrichtung 11. Die Ansaugeinrichtung 11 ist hier als Vakuumsauger ausgebildet, mit einem im inneren angeordneten Ansaugkanal 13. Der Ansaugkanal 13 umfasst zwei einzelne Zuführungen, die in eine gemeinsame zentrale Leitung münden und die von einer Wandung 14 umgeben sind. Zum Ansaugen einer darunterliegenden Fasermatte 20 kann ein Luftstrom erzeugt werden, entlang des Ansaugkanals 13, wie durch den Pfeil dargestellt.
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Die Greifvorrichtung 10 umfasst darüber hinaus eine Klemmeinrichtung 12, die hier in 1a beispielhaft mit zwei Klemmarmen 15 ausgebildet ist. Die Klemmarme 15 sind beweglich angeordnet und können über die Antriebseinrichtung 19 verstellt werden. In 1a sind die Klemmarme 15 in einer Freigabe Position angeordnet, in der ein Ansaugen einer unter der Greifeinrichtung befindlichen Faserlage 20 möglich ist. Abweichend von der Darstellung in 1a kann die Klemmeinrichtung 12 auch nur einen einzigen Klemmarm 15 aufweisen. In 1a ist jedoch die angesaugte Fasermatte 20 nicht fixiert. Ein Abstellen der Ansaugung würde dazu führen, dass die Faserlage 20 durch die Schwerkraft von der Greifeinrichtung 10 herabfallen würde. Unterhalb der angesaugten Fasermatte 20 liegen eine Mehrzahl von Fasermatten 20 auf einem Fasermattenstapel.
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In den Figuren ist die Positionserfassungeinrichtung nicht gezeigt. Solche Einrichtungen sind jedoch aus der Patentanmeldung
DE 10 2014 204 293.3 der Anmeldering bekannt.
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An einer stirnseitigen Oberfläche der Ansaugeinrichtung 11, die den Ansaugkanal 13 umfasst, ist eine Positionserfassungseinrichtung 16 vorgesehen. Diese umfasst zwei Kontaktelemente, die berührend mit der Fasermatte 20 in Kontakt kommen können.
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In 1b ist die Greifvorrichtung 10 in einer Fixierposition gezeigt. Zum Überführen der Klemmeinrichtung 12 aus in die Fixierposition, werden die Klemmarme 15 mit Hilfe der Antriebseinrichtungen 19 bewegt. In der beispielhaften Ausführungsform, die in den 1a und 1b gezeigt ist, werden die jeweiligen Klemmarme 15 an der Antriebseinrichtung 19 gehaltert und durch diese geführt. Die Kontakteinrichtungen 18 bewegen sich dabei auf einer teilkreisförmigen oder im Wesentlichen teilkreisförmigen Bahn. Eine Endposition dieser Bewegung entspricht der Fixierposition. In dieser Position greifen die Klemmarme 15 unter die angehobene und somit bereits vereinzelte Fasermatte 20. Dabei kann eine Fixierung der Fasermatte 20 dadurch erfolgen, dass die Kontakteinrichtungen 18 die Fasermatte 20 gegen die Unterseite der Saugeinrichtung 11 pressen. Alternativ dazu kann die Fixierung auch dadurch erfolgen, dass die Fasermatte 20 durch die Gewichtskraft auf die Kontakteinrichtungen 18 gedrückt wird. In diesem Fall reicht die Gewichtskraft der Fasermatte 20 aus, um diese gegen ein Verrutschen zu sichern. Nach dem die Greifvorrichtung 10 in die Fixierposition überführt wurde, kann die Absaugung abgestellt werden. In 1b ist dies symbolisch dargestellt durch Verzicht auf den Pfeil, der in 1a den Luftstrom symbolisiert.
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In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung, kann die Ansaugeinrichtung 11 auch als sog. Bernoulli-Greifer ausgebildet sein. 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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2 zeigt eine Freigabekonfiguration der Greifeinrichtung. Die Klemmarme 15 der Klemmeinrichtung 12 sind in eine Position zurückgefahren, in der die Fasermatte 20 nicht mit den Kontakteinrichtungen 18 der Klemmarme 15 in Berührung kommen kann. Die Absaugung der Ansaugeinrichtung 11 muss in dieser Position aktiviert sein, damit die Fasermatte 20 nicht aufgrund der Gewichtskraft abfällt. Die Aktivierung der Absaugung ist durch den Pfeil in 2 dargestellt.
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Im Folgenden soll ein Verfahren zur Handhabung einer Fasermatte 20 gemäß der Erfindung erläutert werden. 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 Faserstapels wird der Kreislauf zwischen den beiden Kontakten 16 geschlossen und es fließt ein Strom. Dadurch wird zum einen erfasst, dass die Greifvorrichtung 10 die Fasermatte berührt und ein weiterer Vorschub der Greifvorrichtung zur Fasermatte 20 hin gegebenenfalls unterbunden werden kann. 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. Gegebenenfalls kann die Aktivierung der Absaugung auch selbsttätig bzw. 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 vorbestimmte Hubbewegung durchgeführt, wodurch die Fasermatte 20 von darunterliegenden Faserlagen 20 des Faserstapels separiert wird. Diese Position ist in 1a dargestellt.
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Nun kann die Klemmeinrichtung 12 in eine Fixierposition überführt werden, bei der die Klemmarme 15 die Fasermatte 20 umgreifen und diese dadurch ortsfest an der Greifeinrichtung 10 gehalten wird. Die Absaugung kann ab jetzt abgeschaltet werden. Dies ist in 1b durch das Fehlen des Luftstrom repräsentierenden Pfeils dargestellt. In dieser Position kann die Fasermatte 20 energiesparend transportiert werden. Ein Handling der Fasermatte 20 ist zwar auch mit einer Konfiguration der Greifeinrichtung wie in 1a dargestellt möglich, jedoch bedingt diese Konfiguration einen erhöhten Energieverbrauch, da die Absaugung permanent aufrecht erhalten werden muss.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens 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 16 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, von einem Fasermattenstapel abgehoben und dadurch vereinzelt. Durch den Luftstrom, der in der 1a durch den Pfeil dargestellt ist, wird die Fasermatte 20 an der Greifeinrichtung 10 gehalten. In dieser Position wird die Klemmeinrichtung 12 aktiviert, und die Klemmarme 15 aus einer Freigabeposition die in 1b dargestellte Fixierposition überführt. In dieser Position greifen die Klemmarme 15 unter die Fasermatte 20 ein und haltern diese an der Greifeinrichtung 10.
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In beiden Ausführungsformen des Verfahrens wird nach dem Handling die Fasermatte 20 abgelegt. Um ein ortsgenaues und präzises Ablegen zu gewährleisten, muss die Greifeinrichtung zunächst entsprechend konditioniert werden. Hierfür wird zuerst die Absaugung erneut aktiviert, um die Fasermatte 20 bzw. die Faserlage 20 an die Ansaugeinrichtung 11 zu heften. Die Klemmarme 15 der Klemmeinrichtung 12 können anschließend in eine zurückgezogen Stellung überführt werden. Dies Position bzw. Konfiguration der Greifeinrichtung 10 ist in der 2 dargestellt. Durch Abschalten der Ansaugung kann die Faserlage 20 unter Einwirkung der Gewichtskraft abgelegt werden.
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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 Klemmeinrichtung die angehobene Fasermatte stromsparend an der Greifeinrichtung fixierbar. Während eines Transports/Handlings der Fasermatte kann dieser Kombinationsgreifer die Fasermatte allein durch die Klemmeinrichtung haltern. Fasermatten im Sinne dieser Erfindung sind insbesondere Kohlenstofffaserhalbzeuge, Glasfaserhalbzeug, Aramidfaserhalbzeuge oder Kombination dieser Stoffe, die als Gelege, Gewebe, Geflecht oder auch als Vlies vorliegen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Greifeinrichtung
- 11
- Ansaugeinrichtung
- 12
- Klemmeinrichtung
- 13
- Ansaugkanal
- 14
- Wandung
- 15
- Klemmarm
- 16
- Positionserfassungseinrichtung
- 17
- Kontaktelement
- 18
- Kontakteinrichtung
- 19
- Antriebeinrichtung
- 20
- Faserlage
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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]
- DE 102014204293 [0028]
