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LIZENZRECHTE DER REGIERUNG
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Diese Erfindung wurde mit Regierungsunterstützung durch den Vertrag mit der Nummer DE-EE-0002217 durchgeführt, der vom Energieministerium vergeben wurde. Die Regierung besitzt bestimmte Rechte an der Erfindung.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Arbeitsstationen zur Montage von Komponenten.
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HINTERGRUND
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Herstellungsprozesse können Roboterarme verwenden, um Komponenten zu zusammengebauten Produkten zu montieren. Als Beispiel können modulare Batterievorrichtungen mit Roboterarmen montiert werden. Andere Elemente, die unter Verwendung von Roboterarmen montiert werden können, umfassen unter anderem beispielsweise elektronische Vorrichtungen und ähnliche Komponenten, Haushaltsgeräte, Baumaterialien, Fahrzeuge, Möbel und Medizingeräte. Eine Roboteranordnung enthält mindestens einen bewegbaren Roboterarm, der zum Ausführen einer Aktion an einem Teil in der Lage ist. Bekannte Robotermontageprozesse verwenden Präzisionswerkzeuge, Halterungen oder Paletten, um Komponenten für den Roboterarm an genauen Positionen und Orientierungen zur Montage darzubieten. Derartige Werkzeuge und Halterungen können teilespezifisch sein und sie beschränken daher die Flexibilität der Roboteranordnung auf eine spezielle oder eine einzige Vorrichtung.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine umkonfigurierbare, autonome Arbeitsstation zur Montage von Komponenten zu einem zusammengebauten Produkt wird beschrieben und sie enthält eine mehrseitige Superstruktur, die einen horizontal angeordneten Gerüstabschnitt enthält, der auf einer Vielzahl von Pfosten abgestützt ist. Die Pfosten bilden eine Vielzahl vertikaler Seiten, die zwischen benachbarten Paaren der Pfosten angeordnet sind, wobei die Seiten erste und zweite Seiten und eine Leistungsverteilungs- und Positionsreferenzseite umfassen. Ein steuerbarer Roboterarm hängt von dem rechteckigen Gerüstabschnitt herunter und ein Arbeitstisch ist mit der Leistungsverteilungs- und Positionsreferenzseite starr gekoppelt. Eine Vielzahl von Förderanlagentischen ist mit dem Arbeitstisch starr gekoppelt und sie enthält einen ersten Förderanlagentisch, der durch die erste Seite hindurch geht, und einen zweiten Förderanlagentisch, der durch die zweite Seite hindurch geht. Ein Sichtsystem überwacht den Arbeitstisch und jeden der Förderanlagentische. Ein programmierbarer Controller ist ausgestaltet, um Signaleingaben von dem Sichtsystem zu überwachen, um eine Orientierung der Komponente auf dem ersten Förderanlagentisch zu erkennen und zu ermitteln, um den Roboterarm so zu steuern, dass er die Komponente von dem ersten Förderanlagentisch aufnimmt und eine Montageaufgabe mit der Komponente an dem Arbeitstisch ausführt, um ein Arbeitsprodukt zu erzeugen, um festzustellen, dass das Arbeitsprodukt ein montiertes bzw. zusammengebautes Produkt ist, und um den Roboterarm so zu steuern, dass er das montierte Produkt auf den zweiten Förderanlagentisch transportiert.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung einiger der besten Arten und anderer Ausführungsformen, um die vorliegenden Lehren auszuführen, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es werden nun eine oder mehrere Ausführungsformen anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform einer autonomen, portablen, umkonfigurierbaren modularen Arbeitsstation (Arbeitsstation) in Übereinstimmung mit der Offenbarung bereitstellt;
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2 eine isometrische Ansicht eines Abschnitts der Arbeitsstation in Übereinstimmung mit der Offenbarung bereitstellt;
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3 eine Draufsicht auf einen Leistungs- und Signalverteilungsplan für die Arbeitsstation in Übereinstimmung mit der Offenbarung schematisch zeigt; und
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4 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer seriellen Anordnung, welche drei autonom gesteuerte Arbeitsstationen umfasst, die zusammenarbeiten, um ein montiertes Endprodukt zu erzeugen, in Übereinstimmung mit der Offenbarung zeigt;
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5 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer seriell-parallelen hybriden Anordnung, die drei autonom gesteuerte Arbeitsstationen umfasst, die zusammenarbeiten, um montierte Endprodukte zu erzeugen, in Übereinstimmung mit der Offenbarung zeigt; und
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6 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer seriell-parallelen hybriden Anordnung, die drei autonom gesteuerte Arbeitsstationen umfasst, die zusammenarbeiten, um ein montiertes Endprodukt zu erzeugen, in Übereinstimmung mit der Offenbarung zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen die Darstellungen nur zur Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zur Einschränkung derselben gedacht sind, stellt 1 eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform einer autonomen, portablen, umkonfigurierbaren modularen Arbeitsstation (Arbeitsstation) 100 bereit, 2 stellt eine isometrische Ansicht eines Abschnitts der Ausführungsform der Arbeitsstation 100 bereit und 3 zeigt auf schematische Weise eine Draufsicht auf einen Leistungs- und Signalverteilungsplan für die Ausführungsform der Arbeitsstation 100. Die Arbeitsstation 100 enthält vorzugsweise eine mehrseitige Superstruktur 10, die einen Roboterarm 40 abstützt, der an einem Arbeitstisch 60 auf Komponenten einwirkt, die durch Förderanlagentische 90 zugeführt werden, wobei Informationen verwendet werden, die von einem Sichtsystem 70 geliefert werden, wobei einige oder alle von diesen mit einem Controller 110 kommunizieren, der mit einer Bedienerschnittstellenvorrichtung 20 signaltechnisch verbunden ist. Die Arbeitsstation 100 kann verwendet werden, um eine Vielzahl von Komponenten zu einem zusammengebauten Produkt zu montieren. In den mehreren Ansichten bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile. Wie hier beschrieben ist, ist die Arbeitsstation 100 insofern autonom, als sie, nachdem eine Einrichtprozedur abgeschlossen ist, in der Lage ist, eine Montageaufgabe auszuführen und abzuschließen, um ein montiertes Produkt aus zugeführten Komponenten ohne eine weitere Eingabe von externen Quellen oder eine Interaktion mit einem Bediener zu erzeugen. Die Arbeitsstation 100 ist insofern umkonfigurierbar, als Aktionen des Roboterarms 40, der Förderanlagentische 90 und des Arbeitstischs 60 alle ausgestaltet sein können, um verschiedene Montageaufgaben auszuführen, um verschiedene montierte Produkte zu erzeugen. Die Arbeitsstation 100 ist insofern portabel, als sie ohne Einsatz schwerer Geräte oder Hängekräne leicht an verschiedene Stellen in einer Montageanlage transportiert werden kann. Die Arbeitsstation 100 ist insofern modular, als sie alle notwendigen Elemente zum Bewerkstelligen einer Montageaufgabe enthält, wenn Leistung von zentralisierten Systemen bereitgestellt wird. So, wie er hier verwendet wird, ist der Begriff ”Komponente” als eine beliebige strukturelle Entität definiert, die in die Arbeitsstation 100 zur Aufnahme in ein montiertes Produkt eingegeben wird. So, wie er hier verwendet wird, ist der Begriff ”montiertes Produkt” als eine beliebige strukturelle Entität definiert, die nach der Montage aus der Arbeitsstation 100 ausgegeben wird.
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Die mehrseitige Superstruktur 10 enthält einen horizontal angeordneten Gerüstabschnitt 12, der vorzugsweise durch eine Vielzahl gleichlanger tragender Pfosten 15 abgestützt wird. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist der Gerüstabschnitt 12 als Quadrat mit vier Seiten 13 ausgestaltet, die etwa 1,9 m (sechs Fuß) lang sind und aus einem Standard-Rohrstahl mit 10,16 cm (4 Zoll) hergestellt sind. Die Pfosten 15 sind vorzugsweise an einem Außenrand des Gerüstabschnitts 12, z. B. an den Ecken, platziert und der Gerüstabschnitt 12 ist an oberen Enden der Pfosten 15 mit Verstärkungsstreben 16 montiert, die zwischen den Seiten 13 und den Pfosten 15 angeordnet sind. Ein Außenumfang, der durch die Pfosten 15 und den Gerüstabschnitt 12 gebildet wird, definiert Außenbegrenzungen eines dreidimensionalen Arbeitsraums 11. Untere Enden eines jeden Pfostens 15 sind vorzugsweise mit Laufrollen 17 und mit Feststellfüßen 18 versehen. Die Laufrollen 17 können verwendet werden, um die Arbeitsstation 100 an eine gewünschte Stelle zu transportieren. Die Feststellfüße 18 werden verwendet, um die Arbeitsstation 100 an einer angegebenen Stelle mit Bodenankern starr zu befestigen, z. B. auf einem Fabrikboden, mit der zusätzlichen Möglichkeit zum anschließenden Bewegen der Arbeitsstation 100 an eine andere Stelle, indem die Feststellfüße 18 von den Bodenankern gelöst werden. Der Gerüstabschnitt 12 stützt auf strukturelle Weise einen Basisabschnitt 19 ab, innerhalb dessen Balken, Streben oder andere geeignete Strukturelemente verwendet werden. Der Basisabschnitt 19 stellt eine strukturelle Stütze für einen Roboterarm 40 bereit.
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Die Superstruktur 10 der Arbeitsstation 100 enthält eine Vielzahl vertikaler Seiten, die zwischen benachbarten Pfosten 15 definiert sind. Die vertikalen Seiten sind ausgestaltet, um Komponenten einzugeben, um die montierten Produkte auszugeben, und um Leistungsverteilungsmodule, Steuerungsmodule und Positionsreferenzen abzustützen. Wie gezeigt ist und in einer Ausführungsform enthält die Arbeitsstation 100 eine erste Seite 21, eine zweite Seite 22, eine dritte Seite 23 und eine vierte Seite 30. Die erste Seite 21, die zweite Seite 22 und die dritte Seite 23 können jeweils ähnlich oder identisch ausgestaltet sein, um die Austauschbarkeit von Eingabekomponenten oder montierten Ausgabeprodukten in Abhängigkeit von dem beabsichtigten montierten Produkt der Arbeitsstation 100 zu ermöglichen. Eine derartige Anordnung erleichtert eine Konfiguration der Arbeitsstation 100, um Komponenten zu dem beabsichtigten montierten Produkt zu kombinieren.
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Die ersten, zweiten und dritten Seiten 21, 22, 23 enthalten jeweils vorzugsweise eine oder mehrere obere Zugangsklappen 24 und eine oder mehrere untere Zugangsklappen 25. Wenn eine der ersten, zweiten und dritten Seiten 21, 22, 23 nicht verwendet wird, sind die oberen Zugangsklappen 24 und die unteren Zugangsklappen 25 verschlossen und verhindern einen physikalischen Zugriff auf den Arbeitsraum 11, während eine visuelle Betrachtung möglich ist, um die Arbeitsweise der Arbeitsstation 100 zu betrachten. Jede der oberen Zugangsklappen 22 enthält vorzugsweise eine transparente Klappe, die aus Acryl oder einem ähnlichen Material ausgebildet ist und die in einem Gerüst abgestützt ist, das an einem der Pfosten 15 durch ein Gelenk angebracht ist, und sie öffnet sich vorzugsweise nach außen, um einen Zugang zu erlauben. Vorzugsweise weist jede der ersten, zweiten und dritten Seiten 21, 22, 23 ein Paar einander gegenüberliegender oberer Zugriffsklappen 24 auf, die in der Mitte zusammenstoßen und gemeinsam die Breite zwischen den Pfosten 15 überspannen, wie in 1 am besten gezeigt ist. Jede der unteren Zugangsklappen 25 enthält vorzugsweise eine transparente Klappe, die aus Acryl oder einem ähnlichen Material ausgebildet ist und in einem Gerüst abgestützt ist, das an einem der Pfosten 15 durch ein Gelenk oder durch einen anderen geeigneten Mechanismus angebracht ist. Die unteren Zugangsklappen 25 können eine oder mehrere verschiebbare, angelenkte oder entfernbare Türklappen 26 enthalten, die ein oder mehrere Förderanlagentische 90 aufnehmen können. Wie mit Bezug auf 1 gezeigt ist, wird die erste Seite 21 nicht verwendet, und daher sind die oberen Zugangsklappen 24 und die unteren Zugangsklappen 25 geschlossen. Wie mit Bezug auf 1 gezeigt ist, enthält die zweite Seite 22 drei Förderanlagentische 90 und daher sind die oberen Zugangsklappen 24 geschlossen und drei der Türklappen 26 sind von den unteren Zugangsklappen 25 entfernt, um die drei Förderanlagentische 90 aufzunehmen. Wie mit Bezug auf 1 gezeigt ist, enthält die dritte Seite 23 einen Förderanlagentisch 90 und daher sind die oberen Zugangsklappen 24 geschlossen und eine der Türklappen 26 ist von der unteren Zugangsklappe 25 entfernt, um den einen Förderanlagentisch 90 aufzunehmen.
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Die vierte Seite 30 ist eine Leistungsverteilungs- und Positionsreferenzseite, die verwendet wird, um Leistungseingaben, eine Steuerung und Ortsreferenzen in die Arbeitsstation 100 zu integrieren. Wie mit Bezug auf 3 am besten gezeigt ist, enthält die vierte Seite 30 vorzugsweise eine oder mehrere Leistungsverteilungsklappen zur Weiterleitung von Leistung in der Form von elektrischer, pneumatischer, hydraulischer und/oder Unterdruckleistung an den Roboterarm 40 und an die Förderanlagentische 90. Die Leistungsverteilungsklappen enthalten vorzugsweise eine elektrische Leistungsverteilungsklappe 32 und sie können eine oder mehrere zweite Leistungsverteilungsklappen 33 nach Bedarf enthalten, um pneumatische, hydraulische und/oder Unterdruckleistung zu verteilen. Wie gezeigt kann die zweite Leistungsverteilungsklappe 33 verwendet werden, um Unterdruckleistung über Fluidrohre 36 an den Roboterarm 40 und an den Arbeitstisch 60 zu verteilen. Die elektrische, pneumatische, hydraulische und/oder Unterdruckleistung stammen vorzugsweise von entsprechenden äußeren Quellen und sie werden an die physikalische Stelle der Arbeitsstation 100 unter Verwendung geeigneter elektrischer Leistungskabel oder Fluidrohre, die in einer parallelen Strömungskonfiguration angeordnet sind, durch eine einzige Leitungsanordnung hindurch, die eine einzige Anlagenkupplung mit mehreren Leistungen aufweist, weitergeleitet. Eine entsprechende Arbeitsstationskupplung 31 mit mehreren Leistungen ist mit der einen Anlagenkupplung mit mehreren Leistungen verbunden und sie enthält geeignete elektrische Leistungskabel und Fluidrohre, welche die entsprechende elektrische, pneumatische, hydraulische und/oder Unterdruckleistung an die entsprechende Leistungsverteilungsklappe leiten, um sie nach Bedarf an den Roboterarm 40, an den Arbeitstisch 60 und an jeden der Förderanlagentische 90 zu verteilen. Die eine Anlagenkupplung mit mehreren Leistungen und die Arbeitsstationskupplung 31 mit mehreren Leistungen enthalten entsprechende elektrische Stecker/Buchsen-Verbinder und Stecker/Buchsen-Fluidkupplungen. In einer Ausführungsform wird nur eine elektrische Leistungsverteilungsklappe 32 verwendet und die Rohre der pneumatischen, hydraulischen und/oder Unterdruckleistung sind mit dem Roboterarm 40 direkt gekoppelt, wenn diese Leistung nicht an anderer Stelle in der Arbeitsstation 100 verwendet wird.
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Die elektrische Leistungsverteilungsklappe 32 enthält vorzugsweise Leistungsauslassleitungen, die ein erstes Kabel 34, das elektrische Leistung an den Roboterarm 40 liefert, und eine Vielzahl zweiter Kabel 35 enthält, die ausgestaltet sind, um elektrische Leistung an jeden der Förderanlagentische 90 einzeln zu liefern. In einer Ausführungsform ist die elektrische Leistung, die dem Roboterarm 40 zugeführt wird, eine dreiphasige elektrische Leistung mit einer Nennspannung von 240 V und die elektrische Leistung, die den Förderanlagentischen 90 zugeführt wird, ist eine einphasige elektrische Leistung mit einer Nennspannung von 120 V, und die elektrische Leistungsverteilungsklappe 32 ist ausgestaltet, um aus der ankommenden elektrischen Leistungsquelle sowohl die dreiphasige elektrische Leistung als auch die einphasige elektrische Leistung bereitzustellen. Die zweiten Kabel 35 sind flexible stromführende Kabel, die an einem distalen Ende jeweils einen Verbinder aufweisen, und sie erstrecken sich zur Kopplung mit einem entsprechenden elektrischen Verbinder für einen der Förderanlagentische 90. In der Konfiguration, die mit Bezug auf 1 gezeigt ist, gibt es folglich vorzugsweise eine Anzahl von neun zweiten Kabeln 35, um eine Konfiguration der Arbeitsstation 100 unterzubringen, die eine Montageaufgabe umfasst, die alle potentiellen Förderanlagentische 90 verwendet.
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Die vierte Seite 30 enthält ferner eine physikalische Referenzstelle 37 für die Arbeitsstation 100, die einen Ursprungspunkt für ein x-y-z-Koordinatensystem 38 bereitstellt, das der Arbeitsstation 100 zugeordnet ist. Die Referenzstelle 37 befindet sich vorzugsweise an einem Andockträger 39, der sich zwischen den zwei Pfosten 15 erstreckt, die der vierten Seite 30 zugeordnet sind. Der Andockträger 39 kann ein U-förmiger oder L-förmiger Stahlträger sein, der an den zwei Pfosten 15 angeschweißt oder anderweitig starr daran angebracht ist, oder ein anderer geeigneter Mechanismus, um den Montagetisch 60 relativ zu der Arbeitsstation 100 an einer vordefinierten Stelle starr anzubringen.
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Der Roboterarm 40 hängt vorzugsweise von dem Basisabschnitt 19 herab in einen dreidimensionalen Raum (3D-Raum) hinein, der innerhalb der Superstruktur 10 der Arbeitsstation 100 definiert ist. Der Roboterarm 40 weist vorzugsweise einen Bewegungsbereich 42 auf, der ermöglicht, dass ein daran angebrachtes Greiforgan 44 Zugriff auf benachbarte Förderanlagentische 90, den Arbeitstisch 60 und einen Werkzeugandocktisch 46 hat. In einer Ausführungsform ist der Roboterarm 40 zentral in einer Ebene angeordnet, die durch den Gerüstabschnitt 12 definiert wird. Der Roboterarm 40 kann eine beliebige geeignete steuerbare Vorrichtung sein, die innerhalb des Bewegungsbereichs 42 die Fähigkeit zum mehrdimensionalen Positionieren aufweist. Der Roboterarm 40 kann ein kartesischer Arm mit mehreren prismatischen Verbindungsstücken sein, die im Kontext eines kartesischen Koordinatensystems definiert sind. Alternativ kann der Roboterarm 40 ein sphärischer Arm sein, der Achsen aufweist, die im Kontext eines polaren Koordinatensystems definiert sind. Alternativ kann der Roboterarm 40 ein Gelenkarm mit Drehgelenken sein. Alternativ kann der Roboterarm 40 eine parallele Vorrichtung sein, die mehrere Gelenkarme aufweist, die an einem gemeinsamen Endgelenk zusammenarbeiten. Alternativ kann der Roboterarm 40 eine anthropomorphe Vorrichtung sein, die eine Vielzahl unabhängig steuerbarer facettenreicher Finger aufweist.
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Der Roboterarm 40 ist vorzugsweise ausgestaltet, um ein beliebiges von einer Vielzahl austauschbarer Greiforgane 44 aufzunehmen und zu verwenden, wobei die Greiforgane 44 jeweils eine bestimmte vordefinierte Fähigkeit zum Ausführen von Montageaufgaben aufweisen. Die Greiforgane 44 können auf dem Werkzeugandocktisch 46 abgelegt sein, der im Bewegungsbereich 42 des Roboterarms 40 liegt, wenn sie nicht verwendet werden. So, wie sie hier verwendet werden, sind Montageaufgaben diejenigen Operationen, die auf eine Komponente einwirken, ohne die Unversehrtheit dieser Komponente zu verändern. Beispielhafte Montageaufgaben umfassen unter anderem Aufnehmen, Übertragen, Stapeln und Befestigen. Beispielhafte Herstellungsoperationen, die außerhalb des Umfangs von Montageaufgaben liegen, umfassen unter anderem das maschinelle Bearbeiten, Metallformen, Gießen und Wärmebehandeln. Folglich kann der Roboterarm 40 eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, die ein einziges oder eine Vielzahl der Greiforgane 44 für Aufnehmen- und Ablegen-Operationen, Befestigungsoperationen, Abdichtungsanwendungsoperationen und andere Montageaufgaben verwenden kann.
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Der Arbeitstisch 60 ist eine portable, konfigurierbare Vorrichtung, die mit dem Andockträger 39 unter Verwendung von lösbaren Befestigungsvorrichtungen wie etwa Klemmen, überzentrierte Verbindungsstücke [engl.: over-center linkage] oder andere Vorrichtungen starr gekoppelt ist. Der Arbeitstisch 60 ist mit dem Andockträger 39 starr gekoppelt und er ist folglich zu der Referenzstelle 37 und zu dem x-y-z-Koordinatensystem 38, das der Arbeitsstation 100 zugeordnet ist, orientiert. Der Arbeitstisch 60 stellt eine Plattform für eine oder für eine Vielzahl von Montagehalterungen bereit, auf denen der Roboterarm 40 eine Komponente ablegen kann, um Montageaufgaben durchzuführen, wodurch ein Arbeitsprodukt erzeugt wird. So, wie er hier verwendet wird, ist der Begriff ”Arbeitsprodukt” als ein Werkstück definiert, das sich auf dem Arbeitstisch 60 befindet und eine oder mehrere Komponenten enthält. Das Arbeitsprodukt kann ein Zwischenwerkstück sein, an welchem der Roboterarm 40 gerade arbeiten kann. Ein Arbeitsprodukt wird in ein montiertes Produkt umgewandelt, wenn der Roboterarm 40 seine Montageschritte abgeschlossen hat und der letzte verbleibende Schritt umfasst, dass es von dem Arbeitstisch 60 weg und auf einen der Förderanlagentische 90 bewegt wird. Der Arbeitstisch 60 stellt eine Plattform mit einem Netzmuster aus Montagelöchern für eine oder für eine Vielzahl von Förderanlagen-Andockhalterungen 64 bereit, welche umkonfigurierbar eingesetzt werden, um jeden der Förderanlagentische 90 an den Arbeitstisch 60 anzudocken und dadurch starr damit zu verbinden und auszurichten.
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Jeder der Förderanlagentische 90 enthält vorzugsweis ein horizontal ausgerichtetes Endlosförderband 91, das auf einem justierbaren Gestell 94 montiert ist, das zum Erleichtern des Einrichtens und für andere Bedingungen auf Laufrollen montiert ist. Das Förderband 91 weist ein erstes Ende 92 und ein zweites Ende 93 auf, wobei das zweite Ende 93 innerhalb des Bewegungsbereichs 42 des Roboterarms 40 liegt, wenn der Förderanlagentisch 90 mit dem Arbeitstisch 60 starr verbunden ist. Das erste Ende 92 des Förderbands 91 kann angeordnet sein, um Komponenten von einer Beladestation vor einer Montage in der Arbeitsstation 100 zu empfangen, oder es kann in der Nähe einer Entladestation angeordnet sein, um montierte Produkte von der Arbeitsstation 100 zu einer Verpackungsstelle zu transportieren, oder es kann angeordnet sein, um das montierte Produkt von der Arbeitsstation 100 als eine Komponente bereitzustellen, die in eine benachbarte Arbeitsstation eingegeben wird. Eine derartige Operation ist mit Bezug auf 4 bis 6 gezeigt. Jeder der Förderanlagentische 90 kann einen durchscheinenden Kanalschutz aufweisen, der an der Oberseite montiert ist und der mit der Arbeitsstation 100 verbunden ist.
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Das Förderband 91 wird vorzugsweise von einem steuerbaren Elektromotor 96 betrieben, der mit einem der zweiten Kabel 35 elektrisch verbunden ist, das mit der elektrischen Leistungsverteilungsklappe 32 verbunden ist. Ein Näherungssensor 95 kann sich in geeigneter Weise in der Nähe des zweiten Endes 93 oder des ersten Endes 92 des Förderbands 91 befinden und angeordnet sein, um das Vorhandensein einer der Komponenten zu überwachen und zu detektieren. Der Näherungssensor 95 kann eine beliebige geeignete Erfassungstechnologie verwenden, die zum Detektieren des Vorhandenseins oder des Fehlens der Komponente an einer speziellen Stelle in der Lage ist, die als nicht einschränkende Beispiele einen photoelektrischen Sensor oder einen Belastungs-/Druck-/Gewichts-Detektor umfasst. Der Näherungssensor 95 kommuniziert mit einem Motorcontroller für den Elektromotor 96, wobei ein Steuerungsschema implementiert wird, das umfasst, dass der Elektromotor 96 solange betrieben wird, um das Förderband 91 zu bewegen, wie keine Komponente erfasst wird, und das den Elektromotor deaktiviert, um eine Bewegung des Förderbands 91 zu stoppen, wenn eine Komponente erfasst wird, wodurch die Komponente vorzugsweise innerhalb des Bewegungsbereichs 42 des Roboterarms 40 platziert wird. Auf diese Weise arbeitet jeder Förderanlagentisch 90 autonom, weil dessen Betrieb nicht von Aktionen von anderen Elementen in der Arbeitsstation 100 abhängt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Digitalkamera 72 des Sichtsystems 70 das zweite Ende 93 des Förderbands 91 überwachen, um das Vorhandensein einer der Komponenten zu detektieren und um einen Betrieb des Förderbands 91 in Übereinstimmung damit zu steuern.
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Das justierbare Gestell 94 enthält eine Vielzahl federbelasteter, höhenverstellbarer Beine, wobei in einer Ausführungsform die Höhen der Beine von einem Bediener manuell justiert werden. Eine derartige Konfiguration erlaubt schnelle Justierungen an dem justierbaren Gestell 94, das sich an die Höhe von Komponenten oder Arbeitsprodukten anpassen muss, welche in die Arbeitsstation 100 eintreten oder diese verlassen.
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Ein Sichtsystem 70 enthält eine Vielzahl von Digitalkameras 72, die mit dem Controller 110 kommunikationstechnisch verbunden sind. Jede Kamera 72 ist in der Arbeitsstation 100 angeordnet, um ein Blickfeld (FOV) aufzuzeichnen und zu überwachen, das den Arbeitstisch 60 oder eines der zweiten Enden 93 der Förderbänder 91 enthält, die sich innerhalb des Bewegungsbereichs 42 des Roboterarms 40 befinden. Außerdem kann eine der Digitalkameras 72 auf dem Roboterarm 40 angeordnet sein. Alternativ kann sich eine oder eine Vielzahl der Digitalkameras 72 an einer beliebigen geeigneten Position befinden, sofern es die Möglichkeit gibt, eine Sichtlinienverfolgungsoperation bereitzustellen. Jede der Kameras 72 ist vorzugsweise eine Digitalbild-Aufzeichnungsvorrichtung, die zum Aufnehmen eines zweidimensionalen (2D) oder eines dreidimensionalen (3D) Bilds des FOV mit einer vorbestimmten Auflösung und mit einer vorbestimmten Widerholrate in der Lage ist, welche in einer Ausführungsform 30 Bilder pro Sekunde umfasst. Per Definition ist ein Bild jede visuell wahrnehmbare Darstellung, die das FOV repräsentiert. Ein Bild kann in einer Ausführungsform das gesamte oder einen Teil des reflektierten Lichts in dem FOV aus einem sichtbaren Lichtspektrum umfassen, welches eine Rot-Grün-Blau-Reflektion (RGB-Reflektion), eine Schwarzweiß-Reflektion, eine Grauskalen-Reflektion oder eine beliebige andere geeignete oder wünschenswerte Lichtreflektion umfasst. Vorzugsweise wird das Bild aufgenommen und in einem nicht vorübergehenden Speichermedium aufgezeichnet, etwa in einem nicht vorübergehenden digitalen Datenspeichermedium, das mit dem Controller 110 kommuniziert. Das Bild kann eine der Komponenten enthalten, die in das FOV von einer der Kameras 72 eingetreten ist. Die Komponente ist eine strukturelle Entität mit Merkmalen, die als Beispiel räumliche Dimensionen, Materialien und Oberflächenendbehandlungen umfassen, welche unter anderem eine Reflektivität anzeigen, sodass die Komponente zusammen mit ihrer Position und Orientierung in dem Bild erkannt werden kann. Folglich kann die Position und Orientierung der Komponente in dem Bild in ausreichender Weise unterschieden werden, damit der Roboterarm 40 sie ergreifen kann, was umfasst, dass er sie aufhebt. In einer Ausführungsform ist das von der Kamera 72 aufgenommene Bild eine Bitmap-Bilddatei in der Form eines Grauskalenbilds mit 8 Bit, welches das FOV repräsentiert. Andere Ausführungsformen des Bilds können ein vielfarbiges Bild umfassen, das durch eine Hue-Sättigungsintensität (HSI Triplets) oder Rot-, Grün- und Blau-Primärfarben (RGB) des FOV oder durch andere Bildrepräsentationen ohne Einschränkung repräsentiert wird. Das Bild wird in eine Bitmap-Bilddatei zur Speicherung und zur Analyse durch Routinen umgewandelt, die von dem Controller 110 ausgeführt werden.
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Der Controller 110 ist eine programmierbare, dedizierte, elektronische Vorrichtung, die mit dem Roboterarm 40, mit dem Sichtsystem 70, mit der Bedienerschnittstellenvorrichtung 20 und mit anderen Vorrichtungen in der Arbeitsstation 100 kommuniziert. Der Controller 110 kann außerdem mit Controllern kommunizieren, die andere Arbeitsstationen, die sich dazu in der Nähe befinden, betreiben, oder ohne Einschränkung mit anderen Controllern. Der Controller 110 ist in der Lage, maschinenlesbare Anweisungen 112 auszuführen, welche Anweisungen umfassen, die das Überwachen von Signaleingaben von der Arbeitsstation 100, das Analysieren der Signaleingaben und das Erzeugen von Steuerungsbefehlen betreffen, die an verschiedene Elemente der Arbeitsstation 100 kommuniziert werden, etwa an den Roboterarm 40. Derartige Anweisungen umfasst vorzugsweise Schritte, die dem Überwachen von Signaleingaben von dem Sichtsystem 70 zum Identifizieren und Ermitteln einer Orientierung einer Komponente auf einem der Förderanlagentische 90, dem Steuern des Roboterarms 40 zum Aufheben der Komponente von dem Förderanlagentisch 90 und dem Ausführen einer Montageaufgabe mit der aufgehobenen Komponente an dem Arbeitstisch 60 oder einer anderen Förderanlage, um ein Arbeitsprodukt zu erzeugen, dem Ermitteln, dass das Arbeitsprodukt ein montiertes Produkt ist, und dem Steuern des Roboterarms 40, um das montierte Produkt auf einen anderen der Förderanlagentische 90 zur weiteren Verarbeitung oder Verpackung zu transportieren, zugeordnet sind. Diese können ferner umfassen, dass Komponenten iterativ gestapelt werden, die von einem der Förderanlagentische 90 zugeführt werden, z. B. Batteriemodule iterativ gestapelt werden, um ein Arbeitsprodukt zu erzeugen, das schließlich zu einem montierten Produkt wird, wenn eine gewünschte Menge von Komponenten gestapelt worden ist.
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Die Begriffe Controller, Steuerungsmodul, Modul, Steuerung, Steuerungseinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bezeichnen eine beliebige oder verschiedene Kombinationen aus anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten, beispielsweise Mikroprozessoren mit einer zugehörigen nicht vorübergehenden Speicherkomponente in der Form von Arbeitsspeicher- und Massenspeichervorrichtungen (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.). Die nicht vorübergehende Speicherkomponente ist zum Speichern von maschinenlesbaren Anweisungen in der Form eines oder mehrerer Software- oder Firmwareprogramme oder Routinen in der Lage. Auf kombinatorische Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und andere Komponenten kann die von einem oder von mehreren Prozessoren zugegriffen werden, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen umfassen Analog/Digital-Wandler und ähnliche Vorrichtungen, die Eingaben von Sensoren überwachen, wobei diese Eingaben mit einer voreingestellten Abtastfrequenz oder in Ansprechen auf ein Auslöseereignis überwacht werden. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerungsroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen beliebige von einem Controller ausführbare Anweisungssätze mit Kalibrierungen und Nachschlagetabellen. Jeder Controller führt eine oder mehrere Steuerungsroutinen aus, um gewünschte Funktionen bereitzustellen, welche umfassen, dass Eingaben von Erfassungsvorrichtungen und anderen Netzwerkcontrollern überwacht werden und Steuerungs- und Diagnoseroutinen ausgeführt werden, um den Betrieb von Aktoren zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise alle 100 Mikrosekunden während eines Betriebs. Alternativ können Routinen in Ansprechen auf das Auftreten eines Auslöseereignisses ausgeführt werden. Kommunikationen zwischen Controllern und zwischen Controllern, Aktoren und/oder Sensoren können unter Verwendung einer direkt verdrahteten Kopplung, einer Netzwerkkommunikationsbuskopplung, einer drahtlosen Kopplung oder einer beliebigen anderen geeigneten Kommunikationskopplung bewerkstelligt werden. Kommunikationen umfassen das Austauschen von Datensignalen in einer beliebigen geeigneten Form, die beispielsweise elektrische Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetische Signale über Luft, optische Signale über optische Wellenleiter und dergleichen umfassen. Datensignale können Signale enthalten, die Eingaben von Sensoren repräsentieren, Signale, die Aktorbefehle repräsentieren und Kommunikationssignale zwischen Controllern.
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4 bis 6 zeigen jeweils eine Draufsicht auf Anordnungen aus einer Vielzahl von autonom gesteuerten Arbeitsstationen, die zusammenarbeiten, um ein montiertes Endprodukt zu erzeugen. Jede der Arbeitsstationen, die in 4 bis 6 beschrieben ist, ist eine Ausführungsform der Arbeitsstation 100, die mit Bezug auf 1 beschrieben ist.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer seriellen Anordnung mit drei Arbeitsstationen 410, 420 und 430. Wie gezeigt, liefern erste und zweite Förderanlagen Komponenten 411, 412 an die erste Arbeitsstation 410, die Montageaufgaben mit den Komponenten 411, 412 ausführt, um ein erstes montiertes Produkt 415 zu erzeugen. Das erste montierte Produkt 415 wird zu der zweiten Arbeitsstation 420 zusammen mit Komponenten 421, 422 befördert. Die zweite Arbeitsstation 420 führt Montageaufgaben mit dem ersten montierten Produkt 415 und mit den Komponenten 421, 422 aus, um ein zweites montiertes Produkt 425 zu erzeugen, welches zu der dritten Arbeitsstation 430 befördert wird. Die dritte Arbeitsstation 430 führt eine oder mehrere Montageaufgaben an dem zweiten montierten Produkt 425 aus, um ein drittes montiertes Produkt 435 zu erzeugen, welches über eine weitere Förderanlage von der dritten Arbeitsstation 430 weg befördert wird.
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5 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer seriell-parallelen hybriden Anordnung mit drei Arbeitsstationen 510, 520 und 530. Wie gezeigt liefern Förderanlagen Komponenten 511, 512 und 513 an die erste Arbeitsstation 510, welche Montageaufgaben mit den Komponenten 511, 512 und 513 ausführt, um ein erstes montiertes Produkt 515 zu erzeugen. Das erste montierte Produkt 515 wird entweder an die zweite Arbeitsstation 520 oder an die dritte Arbeitsstation 530 befördert, wobei die zweite Arbeitsstation 520 und die dritte Arbeitsstation 530 parallel betrieben werden. Der zweiten Arbeitsstation 520 werden außerdem Komponenten 521, 522 zugeführt. Die zweite Arbeitsstation 520 führt Montageaufgaben mit dem ersten montierten Produkt 515 und mit den Komponenten 521, 522 aus, um ein zweites montiertes Produkt 525 zu erzeugen, welches von der zweiten Arbeitsstation 520 weg befördert wird. Die dritte Arbeitsstation 530 wird auch mit Komponenten 531, 532 versorgt. In einer Ausführungsform sind die der dritten Arbeitsstation 530 zugeführten Komponenten 531, 532 die gleichen wie die entsprechenden Komponenten 521, 522, die der zweiten Arbeitsstation 520 zugeführt werden. Alternativ unterscheiden sich die Komponenten 531, 532, die der dritten Arbeitsstation 530 zugeführt werden, von den entsprechenden Komponenten 521, 522, die der zweiten Arbeitsstation 520 zugeführt werden. Die dritte Arbeitsstation 530 führt ein oder mehrere Montageaufgaben an dem ersten montierten Produkt 515 und an den Komponenten 531, 532 aus, um ein drittes montiertes Produkt 535 zu erzeugen, welches über eine weitere Förderanlage von der dritten Arbeitsstation 530 weg befördert wird.
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6 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer seriell-parallelen hybriden Anordnung mit drei Arbeitsstationen 610, 620 und 630. Wie gezeigt führen Förderanlagen Komponenten 611 und 612 der ersten Arbeitsstation 610 zu, welche mit den Komponenten 611 und 612 Montageaufgaben ausführt, um ein erstes montiertes Produkt 615 zu erzeugen. Das erste montierte Produkt 615 wird zu der dritten Arbeitsstation 630 befördert. Außerdem werden der zweiten Arbeitsstation 620 Komponenten 621, 622 und 623 zugeführt. Die zweite Arbeitsstation 620 führt Montageaufgaben mit den Komponenten 621, 622 und 623 aus, um ein zweites montiertes Produkt 625 zu erzeugen, welches zu der dritten Arbeitsstation 630 befördert wird. Die dritte Arbeitsstation 630 führt eine oder mehrere Montageaufgaben an dem ersten und dem zweiten montierten Produkt 615, 625 aus, um ein drittes montiertes Produkt 635 zu erzeugen, welches über eine weitere Förderanlage von der dritten Arbeitsstation 630 weg befördert wird.
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Die hier beschriebenen Konzepte umfassen sowohl auf Maschinenebene als auch auf Systemebene umkonfigurierbare Robotermontagesysteme, welche zur Montage von verschiedenen Produkten verwendet werden können, die in einer Ausführungsform die Montage von Batteriezellen für Elektrofahrzeugbatterien umfasst. Als Beispiel kann jede Arbeitsstation ausgestaltet sein, um einen, mehrere oder alle Prozesse mit Bezug auf das Stapeln von Batterien handzuhaben. Das Montagesystem kann wiederum mit dergleichen Art von Montagemaschinen zu skalierbaren parallelen, seriellen oder hybriden Montagelinien konfiguriert werden. Die Arbeitsstation nimmt Familien von Anordnungen auf, beispielsweise stapelbare Batterieanordnungen mit flachen prismatischen Komponenten, die zu einer wiederholbaren und stapelbaren Struktur zusammengebaut sind. Diese umfasst Komponenten, die Batterien mit prismatischen Taschen, Batterien mit prismatischen Dosen und zylindrische Batterien umfassen. Da jede Arbeitsstation in dem System einige oder alle Prozesse ausführen kann, kann die Anordnung von Arbeitsstationen leicht neu austariert werden, um verschiedenen Arbeitsstationen verschiedene Aufgaben zuzuordnen. Dies kann durchgeführt werden, um das Einführen von neuen Arbeitsstationen in den Prozess zur Erhöhung der Kapazität zu bewerkstelligen, oder um das Entfernen von Arbeitsstationen zum Verringern der Kapazität zu bewerkstelligen, oder um die Produktion im Falle einer Stillstandszeit umzuleiten. Die Gesamtsystemkosten und die Investitionskosten können aufgrund der Rationalisierungseffekte verringert werden, da die gleiche Maschinenkonstruktion viele Male wiederholt wird.
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Die Verwendung der hier beschriebenen Arbeitsstation dient zum Beseitigen des Anordnens und Transportierens von Teilen auf Präzisionspaletten und sie vereinfacht dadurch die Konstruktion und den Aufbau von anderen Werkzeugen, etwa Halterungen, Behältern und Packmaterial und sie beseitigt jeglichen Bedarf für höhere Teilegenauigkeit. Derartige Systeme ermöglichen außerdem die Flexibilität, Skalierbarkeit und Umkonfigurierbarkeit des Systems, indem Auswirkungen eines Montagesystemzusammenbruchs an einer einzigen Stelle verringert werden und sie verringern folglich das Wegwerfen von Produkten. Die Verwendung mehrerer programmierbarer Manipulatoren/Roboter in einem umkonfigurierbaren Montagesystem kann außerdem eine Vorlaufzeit zur Bereitstellung der Einführung neuer Produktkonstruktionen in der gleichen Produktfamilie signifikant reduzieren.
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Die genaue Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die vorliegenden Lehren, aber der Umfang der vorliegenden Lehren wird nur durch die Ansprüche definiert. Obwohl einige der besten Arten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Lehren im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen, um die vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, in die Praxis umzusetzen.
