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Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung, umfassend wenigstens einen beweglichen Manipulatorarm, welcher an seinem jeweiligen oberen Ende eine Spannstelle zum Verbinden mit einem jeweiligen Spannpunkt eines Objektes aufweist.
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Es ist bekannt, dass in der industriellen Metallverarbeitung - beispielsweise beim Rohbau von Karosserien in der Automobilindustrie - Spannvorrichtungen zum Einsatz kommen, durch welche bereits teilweise gefertigte Werkstücke beziehungsweise Karosserien in einer Fertigungsstation in einer gewünschten Position fixiert werden. Für den dann folgenden Fertigungsprozess, wie beispielsweise dem Anschweißen von Blechteilen an eine Karosserie, ist es einerseits unerlässlich, dass die Positionierung der Karosserie mit einer hohen geometrischen Präzision erfolgt. Andererseits ist aber auch eine hohe mechanische Stabilität der Spannvorrichtung erforderlich, um die beim Fertigungsprozess auf die eingespannte Karosserie, deren Gewicht im Übrigen durchaus mehrere 100kg betragen kann, wirkenden Kräfte aufnehmen zu können.
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Automobilkarosserien weisen zu Spannzwecken im Bereich der Bodenplatte typischerweise mehrere Spannpunkte auf, welche dafür vorgesehen sind, durch Spannstellen einer Spannvorrichtung kraftschlüssig mit dieser verbunden zu werden. Spannstellen können beispielsweise Zapfen umfassen, welche formschlüssig in ein darauf angepasstes Loch eines Spannpunktes in der Bodenplatte einer Karosserie eingreifen. Spannstellen können auch Arretierungsvorrichtungen für eine Karosserie umfassen. Um einen sicheren Halt einer eingespannten Karosserie zu gewährleisten, sind mehrere Spannstellen erforderlich, beispielsweise vier im Rechteck angeordnete Spannstellen.
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Je nach Karosserietyp sind die Spannpunkte einer Karosserie jedoch in der Regel unterschiedlich angeordnet, so dass für einen jeweils anderen Karosserietyp auch die Geometrie der Spannstellen einer jeweiligen Spannvorrichtung anzupassen ist. Insbesondere im Karosseriebau ist die Flexibilität von Spannvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik jedoch stark begrenzt. Die Geometrien unterschiedlicher Werkstücke beziehungsweise Karosserien erfordern unterschiedliche starr und unterschiedliche stabil ausgeführte Spannpositionen. Daher werden für verschiedene Fahrzeug-Typen in der Regel separate Spannvorrichtungen verwendet, die auf Schiebe, Dreh- und anderen Wechsel-Systemen bedarfsweise in eine Spann- beziehungsweise Fügeposition bewegt werden.
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In seltenen Fällen existieren bereits flexibel anpassbare und programmierbare Aufnahmetechniken für Spannvorrichtungen, umfassend beispielsweise mittels Mehrachs-Linear-Einheiten oder Klein-Robotern beweglich Spannstellen. An eine Spannvorrichtung besteht im Sinne einer möglichst hohen Flexibilität sowohl die Anforderung nach einer möglichst hohen Bewegungsfreiheit der einzelnen beweglichen Spannstellen als auch die Anforderung nach einem hohen Maß an Steifigkeit der Spannstellen, um die Präzision im laufenden Betrieb sicher zu stellen.
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Die
EP 2 705 934 A2 offenbart einen in seiner Steifigkeit veränderbaren Bewegungsmechanismus. Dieser kann beispielsweise mehrere Manipulatorarme aufweisen, welche an deren distalen Ende mittels gelenkig gelagerter Verbindungselemente verbunden sind, die optional auch Aktoren, also Antriebselemente, umfassen können.
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Die
DE 20 2014 102 800 U1 offenbart eine segmentierte Aufnahmeplatte für ein Werkstück, wobei diese aus wenigstens zwei separaten nicht miteinander koppelbaren oder gekoppelten Aufnahmeplattensegmenten gebildet ist.
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Die
JP 2007 - 38 334 A offenbart eine Einspannvorrichtung mit mehreren Stützrobotern.
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Die
DE 10 2004 002 416 A1 offenbart einen Knickarmroboter mit einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Gelenkarmen, wobei die Gelenkarme miteinander über eine erste Drehwelle an mindestens einer Stelle und über eine zweite Drehwelle an mindestens einer Stelle verbunden sind, und wobei die Achse der zweiten Drehwelle relativ zu der Achse der ersten Drehwelle geneigt ist, und wobei jede Drehwelle mit einem Motor zum Antrieb der Drehwelle und mit einem Drehzahl-Reduzierungsmechanismus versehen ist.
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Die
EP 1 016 495 A1 offenbart eine Einspannvorrichtung zum Halten eines Objektes mit einem Grundkörper, einer an dem Grundkörper befestigten örtlichen Haltevorrichtung mit einem dreibeinigen Roboter, der drei Expansionsstellglieder aufweist und einer an der örtlichen Haltevorrichtung angebrachten Klemme.
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Nachteilig an dem bekannten Stand der Technik ist, dass er den oben genannten Anforderungen nur in gegenläufiger Weise entsprechen kann, das heißt, eine hohe Bewegungsfreiheit der Spannstellen bedingt eine geringere Steifigkeit der Spannstellen und umgekehrt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Spannvorrichtung bereitzustellen, welche sowohl eine hohe Bewegungsfreiheit der Spannstellen und damit eine hohe Flexibilität ermöglicht, als auch gleichzeitig eine hohe Steifigkeit der Spannstellen. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Spannvorrichtung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Spannvorrichtung der eingangs genannten Art. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine in einem ersten Zustand frei längenveränderliche Stabilisierungsstrebe vorgesehen ist, deren erstes Ende gelenkig und/oder drehbar sowie kraftschlüssig mit einem beweglichen Teil des wenigstens einen Manipulatorarms verbunden ist, und deren zweites Ende gelenkig und/oder drehbar sowie kraftschlüssig entweder mit einem feststehenden Gegenlager oder mit einem beweglichen Teil eines weiteren Manipulatorarms verbunden ist, und dass die wenigstens eine Stabilisierungsstrebe dafür vorgesehen ist, in einen zweiten längenunveränderlichen, starren Zustand überführt zu werden.
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Die Grundidee der Erfindung basiert darauf, durch Verwendung von Manipulatorbeziehungsweise Roboterarmen eine möglichst hohe Beweglichkeit der von diesen getragenen Spannstellen zu gewährleisten. Manipulatorarme umfassen typischerweise eine kinematische Kette von schwenk- beziehungsweise drehbar miteinander verbundenen Manipulatorarmsegmenten. Ein Manipulatorarm mit drei Dreh- beziehungsweise Schwenkverbindungen weist drei Bewegungsfreiheitsgrade auf und ist damit theoretisch in der Lage, innerhalb seines Arbeitsbereiches jeden Raumpunkt anzufahren. Ein Manipulatorarm mit sechs Bewegungsfreiheitsgraden ist in der Lage, jeden Raumpunkt in seinem Arbeitsbereich in einer beliebigen Orientierung anzufahren. Die Länge von gängigen Roboter- beziehungsweise Manipulatorarmen beträgt beispielsweise zwischen 0,5m und 4m, wobei ein Manipulatorarm typischerweise um seine Basis drehbar ist. Somit ist durch die erfindungsgemäße Verwendung von Manipulatorarmen eine besonders hohe Beweglichkeit der Spannstellen gegeben.
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Andererseits weisen Manipulatorarme insbesondere an ihren beweglichen Gelenken eine geringe Steifigkeit auf, was deren Verwendung in einer Spannvorrichtung letztendlich widerspricht. Um diesen Nachteil zu überwinden, sind erfindungsgemäß in einem ersten Zustand frei längenveränderlichen Stabilisierungsstreben vorgesehen, welche in einen zweiten längenunveränderlichen, starren Zustand überführt werden können.
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Während des Einstellvorgangs einer Spannvorrichtung, also wenn die Spannstellen durch die Manipulatorarme in eine gewünschte Spannposition bewegt werden, sind die Stabilisierungsstreben frei längenveränderlich, folgen also letztendlich nahezu widerstandslos der Bewegung der Manipulatorarme. Wenn die gewünschte Spannposition der Spannstellen erreicht ist, werden die Stabilisierungsstreben in einen zweiten, längenunveränderlichen, starren Zustand überführt und wirken wie ein jeweiliger Träger in einer Tragwerkstruktur. Eine Stabilisierungsstrebe kann beispielsweise teleskopstangenähnlich aufgebaut sein, wobei ein Überführen von dem frei beweglichen in den starren Zustand beispielsweise durch eine Verrieglungsvorrichtung, eine Verrastung oder eine Bremse erfolgt.
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Je nach Anordnung der Stabilisierungsstreben kann eine sehr hohe Steifigkeit der aus den Manipulatorarmsegmenten beziehungsweise den starren Stabilisierungsstreben gebildeten Tragwerkstruktur erreicht werden. Hierbei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn eine jeweilige Stabilisierungsstrebe mit zumindest einem ihrer beiden Enden kraftschlüssig mit einem zwischen den Manipulatorarmsegmenten befindlichen Gelenklager oder dergleichen zusammenwirkt, welches aus mechanischer Sicht einen besonderen jeweiligen Schwachpunkt darstellt. Um die möglichen Dreh- beziehungsweise Schwenkbewegungen des Manipulatorarms gegenüber einer Stabilisierungsstrebe zu kompensieren, ist diese vorzugsweise mittels einer Gelenk- und/oder Drehverbindung direkt mit dem jeweiligen Gelenklager zu verbinden. Wenn keine direkte Anbindung das jeweilige Gelenklager oder dergleichen möglich ist kann dies in vorteilhafter Weise auch in deren näherem geometrischen Umfeld erfolgen.
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Das jeweils andere Ende einer Stabilisierungsstrebe kann sowohl mit einem festen Gegenlager, beispielsweise auf der Standfläche der Spannvorrichtung, verbunden sein als auch mit einem weiteren Manipulatorarm, vorzugsweise auch hier im Bereich eines Gelenklagers oder beispielsweise auch einer Drehverbindung zwischen den jeweiligen Manipulatorarmsegmenten. Dies erfolgt idealerweise ebenfalls mittels einer Gelenk- und/oder Drehverbindung.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung umfasst diese wenigstens drei Manipulatorarme, welche idealerweise mit ihren jeweiligen Basen in einem Dreieck angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, ein Werkstück beziehungsweise eine Karosserie sicher einzuspannen beziehungsweise zu halten. Bei vier Manipulatorarmen kann eine Anordnung der Basen der Manipulatorarme in einem Rechteck vorteilhaft sein. Auch eine höhere Anzahl an Manipulatorarmen kann sich gegebenenfalls als sinnvoll erweisen, jedoch ist zu bedenken, dass damit auch die Zahl der benötigten Stabilisierungsstreben ansteigt und die Bewegungsfreiheit eines jeweiligen Manipulatorarms dadurch unter Umständen sinken kann.
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Eine ebenfalls bevorzugte Variante der Spannvorrichtung sieht vor, dass der wenigstens eine Manipulatorarm eine kinematische Kette von schwenk- beziehungsweise drehbar miteinander verbundenen Manipulatorarmsegmenten aufweist. Typischerweise weist ein Manipulatorarm eine drehbare Basis auf, von welcher schwenkbar ein erstes Manipulatorarmsegment abgeht, von dessen Ende wiederum schwenkbar ein zweites Manipulatorarmsegment abgeht. Diese Ausführungsform mit drei Bewegungsfreiheitsgraden weist eine besonders hohe Flexibilität bezüglich einer Erreichbarkeit auf und ist eine typische Basisvariante für einen Manipulatorarm, welcher beispielsweise eine Länge von 1m bis 3m aufweisen kann. Optional können weitere Manipulatorarmsegmente am Ende des zweiten Manipulatorarmsegmentes vorgesehen sein, welche üblicherweise deutlich kürzer sind und zumeist überwiegend der Orientierung der Spitze des Manipulatorarms dienen.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Variante der Spannvorrichtung weist der wenigstens eine Manipulatorarm wenigstens drei mittels eines jeweiligen Antriebs bewegbare Manipulatorarmsegmente auf, wobei eine eventuelle drehbare Basis ebenfalls als Manipulatorarmsegment anzusehen ist. Zur aktiven Bewegung eines Manipulatorarms ist es notwendig, jedes Manipulatorarmsegment mit einem eigenen Antrieb auszustatten. Die hier genannte Variante mit drei Manipulatorarmsegmenten entspricht der zuvor genannten Basisvariante eines Manipulatorarms.
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Entsprechend einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung weist die wenigstens eine Stabilisierungsstrebe einen Zylinder mit einem darin befindlichen axial beweglichen Kolben auf. Durch diese teleskopstangenähnliche Anordnung ist in vorteilhafter Weise eine freie Längenveränderbarkeit gegeben. Es können durchaus auch mehrere Zylinder/Kolben ineinander verschachtelt sein, um so eine erhöhte Längenveränderbarkeit zu gewährleisten. Ein Überführen einer Stabilisierungsstrebe von dem frei beweglichen in den starren Zustand erfolgt beispielsweise mittels entsprechender Bremsen, Verriegelungs- oder Verrastungsvorrichtungen.
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Gemäß einer Variante der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung sind derart viele Stabilisierungsstreben vorgesehen, welche derart angeordnet sind, dass in deren zweitem, längenunveränderlichen, starren Zustand durch diese und durch zumindest einen Teil der schwenk- beziehungsweise drehbar miteinander verbundenen Manipulatorarmsegmente eine starre Tragwerkstruktur gebildet ist. Eine solche Tragwerkstruktur kann prinzipiell zumindest dann als völlig starr angesehen werden, wenn jeder Bewegungsfreiheitsgrad eines Manipulatorarms durch eine entsprechende starre Stabilisierungsstrebe unterbunden ist. Bei vier Roboterarmen mit jeweils drei Bewegungsfreiheitsgraden würden sich damit also zwölf Stabilisierungsstreben ergeben. Deren Anzahl kann aber in vorteilhafter Weise reduziert werden, wenn Stabilisierungsstreben nicht ausschließlich jeweils von einem beweglichen Teil des Manipulatorarms zu einem fixen Gegenlager verlaufen, sondern auch zwischen den beweglichen Teilen mehrerer Manipulatorarmsegmente.
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Es sind auch weitere Varianten einer Anordnung der Stabilisierungsstreben denkbar. Zunächst kann jeder Manipulatorarm für sich alleine mit den ihm zugeordneten Stabilisierungsstreben eine Tragwerkstruktur bilden, hierzu sind letztendlich je Bewegungsfreiheitsgrad eine Stabilisierungsstrebe notwendig. Diese können sowohl im Bereich der Gelenke des Manipulatorarms angreifen, es ist aber auch eine Art Dreibeinstruktur aus Stabilisierungsstreben denkbar, welche im Bereich der Spitze des Manipulatorarms zu einem gemeinsamen Punkt oder zu einer gemeinsamen Plattform zusammenläuft. In diesem Fall würde der Manipulatorarm lediglich zum Einstellen beziehungsweise zum Bewegen der Stabilisierungsstreben verwendet werden, welche im starren Zustand den relevanten Teil des Tragwerks bilden, welches prinzipiell auch ohne Manipulatorarm tragfähig wäre. Der Manipulatorarm würde dann keinen oder fast keinen Beitrag zum Abtragen der Last leisten müssen.
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Bei einer Spannvorrichtung mit drei oder vier Manipulatorarmen ist auch beispielsweise eine Anordnung einer Stabilisierungsstrebenstruktur denkbar, welche die Form einer umgedrehten Pyramide aufweist, wobei die Positionen der Ecken der Grundfläche der umgedrehten Pyramide der jeweiligen Lage der Spannstellen entsprechen. Jeder Eckpunkt würde mittels eines jeweiligen Manipulatorarms in die gewünschte Spannposition bewegt werden und die Stabilisierungsstrebenstruktur danach versteift. Dieser Tragwerkstrukturbereich könnte dann lediglich um die gemeinsame umgedrehte Spitze kippen. Dies könnte entweder durch die an den Eckpunkten beziehungsweise Spannstellen angreifenden Manipulatorarme verhindert werden oder aber auch durch jeweilige weitere Stabilisierungsstreben, welche im weiteren Sinne parallel zu den Manipulatorarmen angeordnet sind und deren jeweiliges eines Ende im Bereich einer jeweiligen Spannstelle mündet.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend folgende Schritte:
- • Überführen der wenigstens einen Stabilisierungsstrebe in einen ersten frei längenveränderlichen Zustand,
- • Bewegen der Manipulatorarme in eine Spannposition,
- • Überführen der wenigstens einen Stabilisierungsstrebe in einen zweiten längenunveränderlichen, starren Zustand.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile, welche sich aus der Verwendung von Stabilisierungsstreben sowie deren Überführen in einen längenunveränderlichen, starren Zustand ergeben, wurden bereits zuvor erörtert. Diese bestehen insbesondere darin, dass eine hohe Beweglichkeit der Spannstellen mit einer hohen Steifigkeit kombiniert ist.
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Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf der Spannvorrichtung ein Objekt mit zu den Spannstellen der Manipulatorarme der Spannposition korrespondierenden Spannpunkte angeordnet und gespannt, so dass es dann bearbeitet werden kann.
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Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
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Es zeigen:
- 1 eine exemplarische erste Spannvorrichtung,
- 2 eine exemplarische zweite Spannvorrichtung,
- 3 eine exemplarische dritte Spannvorrichtung,
- 4 eine exemplarische Stabilisierungsstrebe in erstem ausgefahrenen Zustand,
- 5 eine exemplarische Stabilisierungsstrebe in erstem eingefahrenen Zustand sowie
- 6 eine exemplarische Stabilisierungsstrebe in zweitem eingefahrenen Zustand.
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1 zeigt eine exemplarische erste Spannvorrichtung 10 in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht. Fünf Manipulatorarme 12, 14, 16, sind auf einer gemeinsamen Standfläche angeordnet und tragen gemeinsam ein Objekt 20, in diesem Fall eine angedeutete Bodenplatte einer Karosserie. Das Objekt 20 weist fünf Spannpunkte 22 in Form von jeweiligen kreisrunden Aussparungen auf, welche dafür vorgesehen sind, dass jeweils von den Manipulatorarmen 12, 14, 16 getragene Spannstellen in diese eingreifen und eine kraftschlüssige Verbindung bilden.
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Die Manipulatorarme 12, 14 16 weisen ein jeweiliges erstes 12a, 14a, 16a und ein jeweiliges zweites 12b, 14b, 16b Manipulatorarmsegment auf, welche über ein jeweiliges Gelenklager 18 schwenkbar miteinander verbunden sind. Die ersten Manipulatorarmsegmente 12a, 14a, 16a sind schwenkbar mit einer jeweiligen drehbaren Manipulatorarmbasis 28, 30 verbunden, so dass sich insgesamt drei Bewegungsfreiheitsgrade pro Manipulatorarm 12, 14, 16 ergeben, nämlich das Drehen der jeweiligen Manipulatorarmbasis 28, 30 gegenüber der Standfläche, das Schwenken des jeweiligen ersten Manipulatorarmsegmentes 12a, 14a, 16a gegenüber der jeweiligen Manipulatorarmbasis 28, 30 sowie das Schwenken des jeweiligen zweiten Manipulatorarmsegmentes 12b, 14b, 16b gegenüber dem Ende des jeweiligen ersten Manipulatorarmsegmentes 12a, 14a, 16a. Am Ende der Manipulatorarme 12, 14, 16 sind in dieser Fig. nicht gezeigte Spannelemente vorgesehen, welche ihrerseits gegenüber dem jeweiligen Ende der Manipulatorarme 12, 14, 16 schwenkbar sind.
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Mehrere in einem ersten Zustand frei längenveränderliche Stabilisierungsstreben 32, 34, 36 sind zwischen den beweglichen Teilen der Manipulatorarme 12, 14, 16 angeordnet beziehungsweise sind an einem ihrer Enden kraftschlüssig, gelenkig und drehbar mit einem jeweiligen feststehenden Gegenlager 24, 26 verbunden. Bei einer Bewegung der Manipulatorarme 12, 14, 16 verlängern längen oder verkürzen sich die Stabilisierungsstreben 32, 34, 36 entsprechend und verändern ihre Ausrichtung. In ihrem zweiten Zustand sind die Stabilisierungsstreben 32, 34, 36 starr und bilden zusammen mit den Manipulatorarmen 12, 14, 16 eine feste Tragwerkstruktur.
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2 zeigt eine exemplarische zweite Spannvorrichtung 40 in einer schematischen zweidimensionalen Seitenansicht. Ein Objekt 48 ist von zwei Manipulatorarmen 42 getragen, welche jeweils eine drehbare Manipulatorarmbasis 52, zwei schwenkbare Manipulatorarmsegmente 42a und 42b sowie ein Gelenklager 44 aufweisen, woraus sich insgesamt drei Bewegungsfreiheitsgrade ergeben. Am distalen Ende der Manipulatorarme 42 ist jeweils schwenkbar eine Spannstelle 46 zum Einspannen eines Objektes 48 vorgesehen. Mehrere in einem ersten Zustand frei längenveränderbare Stabilisierungsstreben 54 sind zwischen den beweglichen Teilen der Manipulatorarme 42 untereinander beziehungsweise einem Gegenlager 50 vorgesehen.
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3 zeigt in einer schematischen zweidimensionalen Seitenansicht eine exemplarische zweite Spannvorrichtung 60, in welcher ein Objekt 62 eingespannt ist. Im Gegensatz zu der in der 2 gezeigten Spannvorrichtung 40 ist aufgrund einer unterschiedlichen Objektgeometrie eine unterschiedliche Ausrichtung und Orientierung der Roboterarme gegeben.
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4 zeigt eine exemplarische Stabilisierungsstrebe 70 in einem erstem ausgefahrenem Zustand. Ein Kolben 74 ist axial in einem Zylinder 72 beweglich, so dass sich daraus eine Längenveränderbarkeit ergibt. An den axialen Enden sind jeweilige gelenkige Verbindungselemente 76, 78 zur Verbindung mit einem Manipulatorarm beziehungsweise mit einem Gegenlager vorgesehen.
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5 zeigt eine entsprechende Stabilisierungsstrebe 80 in einem eingefahrenen Zustand und 6 eine arretierte Stabilisierungsstrebe 90 in längenunveränderlichem Zustand. Hier kann auf die Stabilisierungsstrebe 90 eine Kraft F einwirken, ohne dass eine Längenveränderung erfolgt.
