DE102019134060A1

DE102019134060A1 - Device for the positive guidance of tools on flat or slightly curved, arbitrarily oriented component surfaces

Info

Publication number: DE102019134060A1
Application number: DE102019134060.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Müglitz
Original assignee: MACASO GmbH
Current assignee: MACASO GmbH
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-07-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum nichtmanuellen Führen eines technologischen Werkzeugs (6) auf einer ebenen oder leicht gekrümmten, beliebig zur Schwerkraftrichtung (7) orientierten, ferritischen Bauteiloberfläche (1) mittels Kraftschluss, bestehend aus einem quaderförmigen Zentralkörper (10), dessen kleinste Kantenlänge zumindest annähernd parallel zur Bauteilnormale liegt. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dassam Zentralkörper zwei Gleichschritteinheiten (19) mit paralleler Bewegungsrichtung angeflanscht sind, wobei jede Gleichschritteinheit (19) mit einem rotatorischen, numerisch gesteuertem Antrieb (11a) verbunden ist;jede Gleichschritteinheit (19) im wesentlichen die Form eines länglichen Quaders hat und in Längsrichtung Fusseinheiten (20) angeordnet sind;jeder Gleichschritteinheit (19) aus einem zumindest sechsgliedrigen Koppelgetriebe besteht, das zwei oder drei mit dem Gestell verbundene Glieder besitzt, die in ihrer kinematischen Länge nicht länger als 2% der anderen kinematischen Abmessungen sind;jede Gleichschritteinheit (19) zumindest drei Fusseinheiten (20) besitzt, die Bestandteil des zumindest sechsgliedrigen Koppelgetriebes sind;jede Fusseinheit (20) in einer Ebene eine Schreitbewegung von zumindest zwei Elefantenfüßen (21) ermöglicht, wobei die Elefantenfüße (21) parallel geführt und normal zur ferritischen Bauteiloberfläche (1) orientiert sind und Koppelkurven beschreiben; unddie Fusseinheiten (20) jeder Gleichschritteinheit (19) sich identisch, aber über den Umlauf der Antriebsbewegung phasenverschoben, bewegen.The invention relates to a device for the non-manual guidance of a technological tool (6) on a flat or slightly curved, ferritic component surface (1) oriented as desired to the direction of gravity (7) by means of a force fit, consisting of a cuboid central body (10), the smallest edge length of which is at least is approximately parallel to the component normal. The device is characterized in that two synchronizing units (19) are flanged to the central body with a parallel direction of movement, each synchronizing unit (19) being connected to a rotary, numerically controlled drive (11a); each synchronizing unit (19) is essentially in the form of an elongated cuboid and in the longitudinal direction are arranged foot units (20); each synchronous unit (19) consists of an at least six-link coupling gear which has two or three links connected to the frame, the kinematic length of which is no longer than 2% of the other kinematic dimensions; each step unit (19) has at least three foot units (20) which are part of the at least six-link coupling mechanism; each foot unit (20) enables a walking movement of at least two elephant feet (21) in one plane, the elephant feet (21) being guided in parallel and normally to the ferritic component surface (1) are oriented and describe coupling curves; and the foot units (20) of each synchronous unit (19) move identically, but are out of phase with the rotation of the drive movement.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Führen eines Werkzeuges, insbesondere eines Schweißbrenners, unter Zwangsbedingungen. Mit Zwangsbedingungen ist dabei gemeint, dass das Bauteil aus Sicht des Verfahrens nicht in optimale Lage zur Bearbeitung gebracht werden kann. Ursache dafür ist häufig die Größe und Masse des Bauteiles. Eine hierfür typische Anwendung ist das Lichtbogenschweißen in steigender Position, wie es bei Montageschweißungen, z.B. im Anlagen- und Schiffbau, zur Anwendung gelangt. Naturgemäß sind die Abmessungen der Bauteile und die herrschenden Baustellenbedigungen für den Einsatz konventioneller Industrieroboter ungeeignet. Hingegen erforderlich sind Maschinen, die robust, mobil, leicht, sicher und einfach handhabbar sind.The invention describes a method and a device for guiding a tool, in particular a welding torch, under constrained conditions. In this context, constraints mean that the component cannot be brought into the optimal position for processing from the point of view of the method. The reason for this is often the size and mass of the component. A typical application for this is arc welding in a rising position, as is the case with assembly welding, e.g. in plant and shipbuilding. Naturally, the dimensions of the components and the prevailing construction site conditions are unsuitable for the use of conventional industrial robots. On the other hand, machines that are robust, mobile, light, safe and easy to use are required.

Insbesondere besteht die Forderung, dass die Vorrichtung ein Vielfaches ihrer Gewichtkraft als Anhaftkraft an der ferritischen Bauteiloberfläche generieren kann und ohne zusätzliche, wie auch immer geartete Zwischen- oder Verbindungselemente direkt mit der Bauteiloberfläche kraftschlüssig verbunden ist.In particular, there is a requirement that the device can generate a multiple of its weight force as an adhesive force on the ferritic component surface and that it is non-positively connected to the component surface without any additional intermediate or connecting elements of any kind.

Stand der TechnikState of the art

Bekannt sind Vorrichtungen, die entlang gerader oder ein- und zweidimensional gekrümmter Schienen bewegt werden, wobei die Schienen selbst vermittels Magneten, Vakuumsaugern oder Heftschweißverbindungen am Bauteil befestigt werden. Typische Beispiele sind im Lieferprogramm der Firmen BUG-O Canonsburg, PA, US (www.bugo.com) und Gullco Internatiuonal Limited, Ontario, L3Y, 9C3, CN (www.gullco.com) zu finden.Devices are known which are moved along straight or one-dimensionally and two-dimensionally curved rails, the rails themselves being fastened to the component by means of magnets, vacuum suction devices or tack-welded connections. Typical examples can be found in the delivery program of BUG-O Canonsburg, PA, US (www.bugo.com) and Gullco International Limited, Ontario, L3Y, 9C3, CN (www.gullco.com).

Dreidimensional geformte Schienen und Methoden zu deren Herstellung zur Führung eines motorisch betriebenen Schweißtraktors beschreibt DE 102011009026 A1 . Ein solcher Schweißtraktor hinwiederum wird in DE 102014102603 A1 beschrieben. Schienenführungen erfordern eine zeitaufwendige Montage und Justage am Bauteil und verlängern den Kraftfluss zwischen Bauteil und Vorrichtung. Außerdem erhöhen sie z.T. signifikant den Normalabstand des Masseschwerpunktes der Vorrichtung zur Bauteiloberfläche und damit die entstehenden Kippmomente.Describes three-dimensionally shaped rails and methods for their production for guiding a motor-operated welding tractor DE 102011009026 A1 . Such a welding tractor in turn is in DE 102014102603 A1 described. Rail guides require time-consuming assembly and adjustment on the component and extend the flow of force between the component and the device. In addition, they sometimes significantly increase the normal distance between the center of gravity of the device and the component surface and thus the resulting tilting moments.

Es sind eine Reihe von Lösungen bekannt, die eine schreitende Relativbewegung eines vergleichsweise kleinen relativ zu einem vergleichsweise großen Körper beschreiben. Der vergleichsweise große Körper, das Bauteil, bildet das Bezugssystem und der vergleichsweise kleine Körper, die Vorrichtung, ist mit mehreren Füssen mit dem vergleichsweise großen Körper verbunden. Die Füße bilden wechselseitig eine starre Verbindung der beiden Körper.A number of solutions are known which describe a gradual relative movement of a comparatively small body relative to a comparatively large body. The comparatively large body, the component, forms the reference system and the comparatively small body, the device, is connected to the comparatively large body by several feet. The feet mutually form a rigid connection between the two bodies.

Roboterartige Schreitmaschinen bilden, mehr oder weniger genau, das Bewegungsverhalten natürlicher Vorbilder durch aufwendige Sensorik und bahngesteuerte Gelenkbewegung ab. Typisch und sehr eindrucksvoll wird dies demonstriert von dem Unternehmen BostonDynamics (Marc Raibert, Kevin Blankespoor, Gabriel Nelson, Rob Playter, and the Big-Dog Team. Bigdog, the rough-terrain quadruped robot. Proceedings of the 17th World Congress, The International Federation of Automatic Control, Jul. 2008). Die Lösungen zielen auf Anwendungen in Militär, Raumfahrt und (zukünftig) in der Servicerobotik, die technischen Lösungen sind aufwendig (BostonDynamics- Little Dog Robot 1.0, User guide, Boston Dynamics, 515 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139) und auf absehbare Zeit für Anwendungen in der Industrie aus Gründen der Komplexität und der Kosten nicht geeignet. Neben akademischen Zielstellungen ist die praktische Aufgabe die Orientierung in und Überwindung von Terrain, das mit radbasierter Bewegung nicht zu meistern ist. Dies betrifft große Steigungen und Gefälle, Absätze, Gräben usw. (Michael Yurievich Levashov: Modeling, System Identication, and Control for Dynamic Locomotion of the LittleDog Robot on Rough Terrain. Master Thesis, Department of Aeronautics and Astronautics, Massachusetts Institute of Technology, February 2012). Die Schwerkraft unterstützt die Fortbewegung und erzeugt die kraftschlüssige Verbindung zwischen Untergrund und Maschine, zusätzliche krafterzeugende Elemente sind nicht erforderlich.Robot-like walking machines depict, more or less precisely, the movement behavior of natural models through complex sensors and path-controlled joint movement. This is typically and very impressively demonstrated by the company BostonDynamics (Marc Raibert, Kevin Blankespoor, Gabriel Nelson, Rob Playter, and the Big-Dog Team. Bigdog, the rough-terrain quadruped robot. Proceedings of the 17th World Congress, The International Federation of Automatic Control, Jul. 2008). The solutions are aimed at applications in the military, aerospace and (in the future) in service robotics, the technical solutions are complex (BostonDynamics- Little Dog Robot 1.0, User guide, Boston Dynamics, 515 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139) and for the foreseeable future Applications in industry not suitable due to complexity and cost. In addition to academic objectives, the practical task is the orientation in and overcoming terrain that cannot be mastered with wheel-based movement. This affects large inclines and descents, heels, trenches etc. (Michael Yurievich Levashov: Modeling, System Identification, and Control for Dynamic Locomotion of the LittleDog Robot on Rough Terrain. Master Thesis, Department of Aeronautics and Astronautics, Massachusetts Institute of Technology, February 2012). Gravity supports locomotion and creates the positive connection between the surface and the machine, additional force-generating elements are not required.

Technisches Spielzeug wird von der Firma VarioBot, Deutschland, angeboten. Unter diesen Spielzeugen ist das Produkt Spido, als Roboterinsekt bezeichnet. Dessen Fortbewegung ist in DE 102013104166 A1 beschrieben. Jedes Bein besteht demnach aus einem miniaturisierten räumlichen Koppelgetriebe und wird von einer gekröpften Welle angetrieben. Eine „Kraftkopplung“ erlaubt die synchrone, aber phasenverschobene Bewegung mehrerer, identisch gebauter Beine.Technical toys are offered by VarioBot, Germany. Among these toys is the Spido product, called a robot insect. Its movement is in DE 102013104166 A1 described. Each leg therefore consists of a miniaturized spatial coupling gear and is driven by a cranked shaft. A “power coupling” allows the synchronous but phase-shifted movement of several legs of identical construction.

Eine ähnliche Lösung beschreibt US 6866557 B2 . Hier wird für die einzelnen Beine, im Ausführungsbeispiel sind 6 Stück dargestellt, ein ebenes Getriebe, namentlich eine ebene Schubschwinge, verwendet und phasenverschoben von einem zentralen Antrieb bewegt. Beide technische Lösungen sind originell und ermöglichen mit vergleichsweise geringem Aufwand eine insektenartige Bewegung. Kräfte entstehen nur in der Größenordnung von Millinewtons. Die beiden Lösungen sind nicht geeignet zur Aufnahme von größeren Kräften als Summe von Masse- und Technologiekräften und sie sind nicht geeignet, eine Bewegung in einer Ebene zu ermöglichen, die mit der Schwerkraftrichtung einen messbar von 90 Grad abweichenden Winkel einschließt.Describes a similar solution US 6866557 B2 . Here, for the individual legs, 6 pieces are shown in the exemplary embodiment, a flat gear, namely a flat thrust arm, is used and moved out of phase by a central drive. Both technical solutions are original and enable insect-like movement with comparatively little effort. Forces arise only in the order of millinewtons. The two solutions are not suitable for absorbing larger forces than the sum of mass and technological forces, and they are not suitable for enabling movement in a plane that includes a measurable angle of 90 degrees with the direction of gravity.

In US 4662465 A wird eine Lösung beschrieben, die zwei Körper mit jeweils zumindest drei Beinen umfasst, die linear und rotatorisch relativ zueinander bewegt werden können. Jedes der Beine hat darüber hinaus ein Hüft- und ein Kniegelenk. Auf diese Art und Weise gelingt die Bewegung entlang einer Oberfläche, die Lösung ist mechanisch und steuerungstechnisch sehr aufwendig.In US 4662465 A describes a solution which comprises two bodies, each with at least three legs, which can be moved linearly and rotationally relative to one another. Each of the legs also has a hip and knee joint. In this way, the movement along a surface is successful, the solution is very complex mechanically and in terms of control technology.

US 5551525 A schlägt pneumatisch betätigte, muskelähnliche Aktoren als Antrieb einer kletternden, roboterähnlichen Vorrichtung vor. Die Vorrichtung besitzt Vorder- und Hinterbeine, die sich pneumatisch mit Saugnäpfen an der Bauteiloberfläche festsaugen. Das Bauteil kann folglich aus beliebigem Material bestehen, jedoch sind Anforderungen an die Oberflächenqualität des Bauteiles zu stellen und muss zwingend Druckluft zur Verfügung stehen. Bei Ausfall der Druckluftversorgung droht der Absturz der Vorrichtung. US 5551525 A proposes pneumatically actuated, muscle-like actuators to drive a climbing, robot-like device. The device has front and rear legs, which are pneumatically sucked onto the component surface with suction cups. The component can consequently consist of any material, however, requirements must be placed on the surface quality of the component and compressed air must be available. If the compressed air supply fails, the device threatens to crash.

Entlang einer mehr oder minder zur Schwerkraft parallel verlaufenden Wand soll die Lösung in US 554787 B2 sich bewegen können. Dazu werden Koppelgetriebe vorgeschlagen, die Füße tragen, welche mit elektrostatischen Kräften an Bauteiloberflächen anhaften. Welche Größe diese elektrostatischen Kräfte annehmen können wird nicht beschrieben, es ist aber zu vermuten, dass die Lösung eher für kleine, miniaturisierte Geräte gedacht ist.Along a wall that runs more or less parallel to gravity, the solution in US 554787 B2 can move. Coupling gears are proposed for this purpose, which carry feet which adhere to component surfaces with electrostatic forces. The size of these electrostatic forces cannot be described, but it can be assumed that the solution is more intended for small, miniaturized devices.

In Fischer,W.; Täche,F.; Siegwart,R.: Magnetic wall climbing robot for thin surfaces with specific obstacles. ETH Zürich, Tresearch Collection, 2008 wird ein Überblick über magnetbasierte „Kletterroboter“ gegeben.In Fischer, W .; Tächen, F .; Siegwart, R .: Magnetic wall climbing robot for thin surfaces with specific obstacles. ETH Zurich, Tresearch Collection, 2008 an overview of magnet-based "climbing robots" is given.

Die Erzeugung von Halte- oder Haftkräften vermittels Permanentmagneten beschreibt US 6672413 B2 . Eine ganz flach bauende technische Lösung unter Nutzung von vier Raupenketten wird beschrieben, um Inspektionsaufgaben zu erfüllen. Naturgemäß ist eine ganz grazile praktische Ausführung erforderlich und werden nur geringe Massenkräfte und - momente und keine technologischen Kräfte aufgenommen werden müssen.The generation of holding or holding forces by means of permanent magnets describes US 6672413 B2 . A completely flat technical solution using four crawler tracks is described in order to perform inspection tasks. Naturally, a very delicate practical design is required and only low inertia forces and moments and no technological forces will have to be absorbed.

Magnetisches Anhaften und rollende Bewegung wird in US 6125955 A beschrieben. Die Haltekräfte werden nur klein sein können, da letztendlich nur eine Linienberührung zwischen Rad- und Bauteiloberfläche besteht.Magnetic clinging and rolling motion is in US 6125955 A described. The holding forces can only be small, because ultimately there is only a line contact between the wheel and component surface.

US 9540061 B2 beschreibt ein Vorrichtung mit mindestens einer Raupenkette, die in ihrem geraden Kettenabschnitt über im Körper der Vorrichtung befindliche Permanatmagneten läuft, die Magnete für die Anhaftung und die Raupenketten für den Vorschub verantwortlich sind. Die im Ausführungsbeispiel gezeigte konstruktive Lösung ist aufwendig und vielteilig, dies aber scheint notwendig, um genügend große Haftkraft zu erreichen. Dabei kommt negativ zum Tragen, dass die aufwendige Konstruktion auch eine Steigerung der Eigenmassenkräfte und -momente bedeutet, sich Wirkungen unter Umständen und zumindest zum Teil gegenseitig untergraben. US 9540061 B2 describes a device with at least one caterpillar track, which runs in its straight chain section over permanent magnets located in the body of the device, the magnets are responsible for the adhesion and the caterpillar tracks are responsible for the feed. The constructive solution shown in the exemplary embodiment is complex and multi-part, but this seems necessary in order to achieve a sufficiently large adhesive force. This has a negative impact on the fact that the complex construction also means an increase in the inherent mass forces and moments, and under certain circumstances, and at least partially, undermine each other.

Die Analyse des Standes der Technik zeigt, dass keine technische Lösung bekannt ist, die eine direkte - d.h. ohne Schienen oder ähnlich geartete Zwischenelemente - spaltfreie, feste und permanent wirkende, kraftschlüssig anhaftende, absturzsichere Verbindung einer Vorrichtung mit einer ferritischen Bauteiloberfläche bei gleichzeitig zumindest einachsiger, motorisch betriebener Beweglichkeit zwischen Bauteiloberfläche und Vorrichtung ermöglicht. Insbesondere sind keine Lösungen bekannt, die so einfach aufgebaut sind, dass sich ein Einsatz unter rauen Umweltbedingungen, z.B. in Docks, auf Baustellen und dgl., vorstellen lässt.The analysis of the prior art shows that no technical solution is known which is a direct - i.e. Without rails or similar intermediate elements - gap-free, firm and permanently acting, non-positively adhering, fall-proof connection of a device with a ferritic component surface with simultaneous at least uniaxial, motor-driven mobility between component surface and device. In particular, no solutions are known that are so simple that they can be used in harsh environmental conditions, e.g. in docks, on construction sites and the like.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die auf einer ebenen oder nur gering gekrümmten Bauteiloberfläche anhaftet und sich relativ zu dieser bewegen kann und aus einfachen, schnell austauschbaren, kostengünstigen und robusten Modulen, namentlich Zentral-, Lauf-, Antriebs-, Ausgleichs- und Werkzeughaltemodulen, besteht, die in der Reihenfolge ihrer hier genannten Aufzählung seriell nacheinander angeordnet sind.The invention has for its object to provide a device that adheres to a flat or only slightly curved component surface and can move relative to this and from simple, quickly replaceable, inexpensive and robust modules, namely central, barrel, drive - Compensating and tool holding modules, which are arranged one after the other in the order of their enumeration.

Der Zentralmodul sollte das Herz der Vorrichtung sein und zumindest zwei rotatorische, voneinander unabhängig computergesteuerte, hochmomentige Drehbewegungen bereit stellen. An ihm ist der Laufmodul befestigt. Diese sollten an der zu bearbeitenden Bauteiloberfläche permanent anhaften und trotzdem mittels eines motorischen Antriebes, bereitgestellt vom Zentralmodul, relativ zu dieser beweglich sein.The central module should be the heart of the device and provide at least two rotary, independently computer-controlled, high-torque rotary movements. The running module is attached to it. These should adhere permanently to the component surface to be machined and still be movable relative to it by means of a motor drive provided by the central module.

Diese Laufmodule sollten sich, je nach technologischer Aufgabenstellung, miteinander kombinieren und/ oder synchronisieren lassen. Depending on the technological task, these running modules should be able to be combined and / or synchronized.

Ausgleichsmodule sollten gegebenenfalls ebenfalls mit einem Schnellverschluss lösbar mit dem Zentralmodul verbindbar sein. Sie greifen auf ein, zwei oder drei vom Zentralmodul bereitgestellte, computergesteuerte Drehbewegungen zu, stellen rein mechanische Lösungen dar, bestehen aus parallel strukturierten Getrieben und führen das technologische Werkzeug, z.B. einen Schweißbrenner, einen Schneidbrenner, eine Kamera, einen Ultraschall-Prüfkopf oder dergleichen. Dazu ist der Werkzeughaltemodul, wiederum mit einem Schnellverschlusssystem, an ihnen befestigt. Dieser sollte die manuelle Orientierbarkeit des technologischen Werkzeuges ermöglichen. Ist das technologische Werkzeug ein Schweißbrenner, können dann sowohl Kehl- als auch Stumpfnähte und diese mit sowohl stechender als auch schleppender Werkzeugausrichtung hergestellt werden. Die Orientierung des Werkzeuges sollte manuell und so vorgenommen werden können, dass der charakteristische Punkt der Bearbeitung, der sogenannte TCP (Tool Center Point), bei Orientierungsänderungen im Koordinatensystem der Vorrichtung raumfest liegt.Compensation modules should, if necessary, also be releasably connectable to the central module with a quick-release fastener. They access one, two or three computer-controlled rotary movements provided by the central module, represent purely mechanical solutions, consist of gearboxes structured in parallel and operate the technological tool, e.g. a welding torch, a cutting torch, a camera, an ultrasonic probe or the like. For this purpose, the tool holder module, again with a quick-release system, is attached to them. This should allow the manual orientation of the technological tool. If the technological tool is a welding torch, both fillet and butt welds can then be made with both piercing and dragging tool alignment. The orientation of the tool should be able to be carried out manually and in such a way that the characteristic point of processing, the so-called TCP (Tool Center Point), is spatially fixed when the orientation changes in the coordinate system of the device.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst. Zur Ermöglichung der Anhaftung und Bewegung der Vorrichtung dient der Laufmodul, bestehend aus zumindest zwei Gleichschritteinheiten, selbige befestigt am Zentralmodul, jede Gleichschritteinheit aus zumindest drei, kinematisch identischen Fusseinheiten aufgebaut.According to the invention, the object is achieved as follows. To enable the device to adhere and move, the running module, consisting of at least two synchronizing units, is attached to the central module, and each synchronizing unit is made up of at least three kinematically identical foot units.

Die Gleichschritteinheit ist leistenartig geformt, d.h., in eine kartesische Richtung besitzt sie eine im Vergleich zu den anderen beiden eine große Ausdehnung. Die Fortbewegung der Gleichschritteinheit erfolgt entlang der Richtung ihrer größten Ausdehnung.The step unit is shaped like a strip, i.e. in a Cartesian direction it has a large expansion compared to the other two. The synchronous unit moves along the direction of its greatest extent.

Jede Gleichschritteinheit besteht aus einem ungleichmäßig übersetzenden Getriebe mit mindestens sechs Gliedern. Die mit dem Gestell, d.h. dem Körper der Gleichschritteinheit direkt verbundenen Glieder, mindestens zwei und in der Regel von der Anzahl drei, sind dabei in ihrer Länge klein gegenüber allen anderen kinematischen Abmessungen der Gleichschritteinheit. Eine Gleichschritteinheit besitzt mindestens drei Fusseinheiten.Each synchronous step unit consists of a non-uniformly geared transmission with at least six links. The one with the frame, i.e. Links directly connected to the body of the step unit, at least two and generally three in number, are small in length compared to all other kinematic dimensions of the step unit. A step unit has at least three foot units.

Jede Fusseinheit trägt mindestens zwei Schuhe, die, bei einer ebenen Bauteiloberfläche, immer lotrecht zu dieser ausgerichtet sind und eine Kraftwirkung entlang dieser Richtung entfalten. Die Kraftwirkung, als Anhaftkraft bezeichnet, ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe direkt zwischen Schuh und Bauteiloberfläche, ohne Zwischenglieder, wirkt. In vorteilhafter Weise wird dies durch Permanentmagneten realisiert.Each foot unit wears at least two shoes, which are always aligned perpendicular to a flat component surface and exert a force effect along this direction. The force effect, referred to as the adhesive force, is characterized in that it acts directly between the shoe and the component surface, without intermediate elements. This is advantageously achieved by permanent magnets.

Über die Art und Anzahl der Permanentmagnete kann die Größe der Anhaftkraft in weitem Rahmen festgelegt werden. Die pro Gleichschritteinheit zumindest drei vorhandenen Fusseinheiten sind phasenverschoben und phasenstarr gekoppelt, derart, dass die Phasenverschiebung das Verhältnis von 2*π geteilt durch die Anzahl der Fusseinheiten ist.The magnitude of the adhesive force can be determined within a wide range via the type and number of permanent magnets. The at least three existing foot units per step unit are phase-shifted and phase-locked, such that the phase shift is the ratio of 2 * π divided by the number of foot units.

Zumindest zwei Gleichschritteinheiten sind in der Vorrichtung gegenüberliegend angeordnet, so dass ihre Laufrichtungen parallel sind. Es versteht sich von selbst, soll aber trotzdem explizit erwähnt werden, dass sich die Bewegungsrichtung der Vorrichtung zu der Laufrichtung der zumindest zwei Gleichschritteinheiten identisch einstellt.At least two step units are arranged opposite each other in the device, so that their running directions are parallel. It goes without saying, but it should nevertheless be mentioned explicitly that the direction of movement of the device is identical to the direction of movement of the at least two synchronous units.

Die zumindest zwei Gleichschritteinheiten umschließen einen Zentralkörper, der zumindest drei, numerisch gesteuerte, rotatorische Antriebe enthält. Ein Antrieb ist mit den Gleichschritteinheiten verbunden. Die restlichen Antriebe haben durch entsprechende Untersetzung ein vergleichsweise hohes Drehmoment, welches sie auf je eine parallel zur Laufrichtung der Gleichschritteinheiten angeordnete Zapfwelle leiten. Die Zapfwelle endet an ihren beiden Enden in einer mechanischen Schnittstelle, ausgeführt durch Passstifte, Rändelschrauben oder Flügelmuttern, zur schnellen und einfachen Adaption eines Ausgleichsmodules. Der Ausgleichsmodul kann demzufolge mit wenigen Handgriffen der Vorrichtung vor- oder nachlaufend, links oder rechts von ihrer Bewegungsrichtung angebracht werden, bei keiner Notwendigkeit einer Ausgleichsbewegung kann dieser Modul aber auch einfach entfallen. Sowohl Schnittstelle als auch Ausgleichsmodul sind spiegelsymmetrisch ausgeführt, weswegen ein einziger Ausgleichsmodul für alle vier möglichen Montagevarianten verwendet werden kann.The at least two synchronizing units enclose a central body, which contains at least three, numerically controlled, rotary drives. A drive is connected to the synchronous units. The remaining drives have a comparatively high torque due to the corresponding reduction, which they direct to a PTO shaft arranged parallel to the direction of rotation of the synchronous units. The PTO ends at both ends in a mechanical interface, carried out by dowel pins, knurled screws or wing nuts, for the quick and easy adaptation of a compensation module. The compensation module can therefore be attached to the device with a few hand movements in front or behind, to the left or right of its direction of movement, but if there is no need for a compensation movement, this module can also simply be omitted. Both the interface and the compensation module are mirror-symmetrical, which is why a single compensation module can be used for all four possible mounting options.

Im Ausgleichsmodul werden die Bewegungen der beiden Zapfwellen auf einem Abtriebsglied zusammengeführt, welches sich damit in zwei Freiheitsgraden bewegen lässt. In the compensation module, the movements of the two PTO shafts are brought together on one output link, which can thus be moved in two degrees of freedom.

Dies können zwei rotatorische, zwei translatorische oder je eine rotatorische und eine translatorische Bewegung sein.These can be two rotary, two translatory or one rotary and one translatory movement.

Das Abtriebsglied wiederum trägt einen Werkzeughaltemodul, der zwischen dem Abtriebsglied und dem Werkzeug, in der Regel einem Schweißbrenner, zwei Drehachsen besitzt. Die Drehachsen sind formschlüssig und feinfühlig rastbar ausgeführt und so angeordnet, dass sie einander genau in dem Punkt schneiden, wo der charakteristische Punkt des Werkzeuges, der sogenannte TCP (Tool Center Point), liegt.The output member in turn carries a tool holder module which has two axes of rotation between the output member and the tool, usually a welding torch. The axes of rotation are designed to be form-fitting and sensitive to locking and are arranged so that they intersect each other precisely at the point where the characteristic point of the tool, the so-called TCP (Tool Center Point), is located.

FigurenlisteFigure list

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung soll an nachfolgend ausgeführtem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Es wird auf die 1 bis 5 verwiesen. Hierbei enthält:

1 eine Prinzipstruktur der Vorrichtung,
2 eine schematische Darstellung des Zentralmoduls in Draufsicht,
3 die Vorrichtung, konstruktiv ausgeführt, als 3D- Ansicht,
4 die Vorrichtung, konstruktiv ausgeführt, in Seitenansicht,
5 eine Variante der Vorrichtung zur Bewegung entlang einer Kehle, nur Zentralmodul und Laufmodul dargestellt.

The further embodiment of the invention will be explained using the exemplary embodiment described below. It is on the 1 to 5 referred. Here contains:

1 a basic structure of the device,
2nd a schematic representation of the central module in plan view,
3rd the device, designed as a 3D view,
4th the device, carried out constructively, in side view,
5 a variant of the device for movement along a throat, only central module and running module shown.

BezugszeichenlisteReference list

Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen bedeuten:

1 -: ferritische Bauteiloberfläche
2 -: Zentralmodul
3 -: Laufmodul
4 -: Ausgleichsmodul
5 -: Werkzeughaltemodul
6 -: technologisches Werkzeug
7 -: Schwerkraftrichtung
10 -: Zentralkörper
11a -: rotatorischer, numerisch gesteuerter Antrieb 1
11b -: rotatorischer, numerisch gesteuerter Antrieb 2
11c -: rotatorischer, numerisch gesteuerter Antrieb 3
12 -: Benutzerinterface und Computersteuerung
14 -: Übertragungseinheit
15 -: Übertragungselemente
16 -: Schnellkoppelstelle
17 -: Zapfwelle
18 -: Momentenkupplung
19 -: Gleichschritteinheit
20a -: Fusseinheit 1
20b -: Fusseinheit 2
20c -: Fusseinheit 3
21 -: Elefantenfuß
22 -: Haftsohle
23 -: Drehachsen
24 -: Dreieckglied
25 -: Werkzeugmittelpunkt (TCP)

The reference symbols used in the figures mean:

1 -: ferritic component surface
2 -: Central module
3 -: Running module
4 -: Compensation module
5 -: Tool holder module
6 -: technological tool
7 -: Direction of gravity
10 -: Central body
11a -: rotary, numerically controlled drive 1
11b -: rotary, numerically controlled drive 2nd
11c -: rotary, numerically controlled drive 3rd
12 -: User interface and computer control
14 -: Transmission unit
15 -: Transmission elements
16 -: Quick coupling point
17 -: PTO
18 -: Torque clutch
19 -: In-step unit
20a -: Foot unit 1
20b -: Foot unit 2nd
20c -: Foot unit 3rd
21 -: Elephant foot
22 -: Adhesive sole
23 -: Axes of rotation
24 -: Triangle
25 -: Tool center point (TCP)

Das Funktionsprinzip der Vorrichtung wird in dem Blockschaltbild in 1 dargestellt. Entsprechend dem als Prinzipschaubild dargestellten Ausführungsbeispiel in 2 bildet der Zentralkörper (10) das Zentralmodul (1) der Vorrichtung, quasi dessen Herz, an dem ein oder bevorzugt zwei Gleichschritteinheiten (19) angeflanscht sind. Der Zentralkörper (10) trägt, umschließt und schützt drei rotatorische Antriebe, die alle numerisch angesteuert werden. Die rotatorischen Antriebe sind Elektromotoren mit Messsystemen und bilden die rotatorischen, numerisch gesteuerten Antriebe (11a), (11b) und (11c).The principle of operation of the device is shown in the block diagram in 1 shown. Corresponding to the embodiment shown as a basic diagram in 2nd forms the central body ( 10th ) the central module ( 1 ) the device, quasi its heart, on which one or preferably two synchronous units ( 19th ) are flanged. The central body ( 10th ) supports, encloses and protects three rotary drives, all of which are numerically controlled. The rotary drives are electric motors with measuring systems and form the rotary, numerically controlled drives ( 11a ), ( 11b ) and ( 11c ).

Der numerisch gesteuerte Antrieb 1 (11a) ist mit den beiden Gleichschritteinheiten (19) verbunden und treibt diese an. In den Gleichschritteinheiten (19) angeordnet ist jeweils ein zumindest sechsgliedriges Koppelgetriebe, ausgeführt als Zwei- oder Dreistandgetriebe. Die gestellfesten Glieder dieses Koppelgetriebes laufen um und haben eine im Vergleich zu den anderen kinematischen Abmessungen des Getriebes sehr geringen Gelenkabstand von weniger als 2%. Bestandteil des Koppelgetriebes sind drei Fusseinheiten (20), die eine identische, aber phasenverschobene Bewegung ausführen, derart, dass die an jeder Fusseinheit (20a), (20b), (20c) befindlichen drei Elefantenfüße (21) lotrecht zur ferritischen Bauteiloberfläche (1) ausgerichtet eine Schreitbewegung ausführen. Schreitbewegung meint dabei, dass zumindest die Elefantenfüße (21) einer der Fusseinheiten (20a), (20b), (20c) wechselseitig einen festen, spaltfreien Kontakt mit der ferritischen Bauteiloberfläche (1) besitzen, während die anderen, kontaktfreien Fusseinheiten in Laufrichtung bewegt werden. Die Elefantenfüße (21) jeder Fusseinheit (20a), (20b), (20c) bewegen sich auf Koppelkurven und zueinander zwangläufig.The numerically controlled drive 1 ( 11a ) is with the two step units ( 19th ) connected and drives them. In the step-by-step units ( 19th ) is arranged in each case an at least six-link coupling gear, designed as a two or three-position gear. The links of this coupling gear fixed to the frame run around and have a very small joint spacing of less than 2% compared to the other kinematic dimensions of the gear. Part of the linkage are three foot units ( 20 ) which perform an identical but phase-shifted movement in such a way that on each foot unit ( 20a ), ( 20b ), ( 20c ) three elephant feet ( 21 ) perpendicular to the ferritic component surface ( 1 ) perform a walking movement aligned. Screaming movement means that at least the elephant feet ( 21 ) one of the foot units ( 20a ), ( 20b ), ( 20c ) mutually a firm, gap-free contact with the ferritic component surface ( 1 ) while the other non-contact foot units are moved in the direction of travel. The elephant feet ( 21 ) each foot unit ( 20a ), ( 20b ), ( 20c ) move on coupling curves and inevitably to each other.

Der feste, spaltfreie Kontakt bewirkt eine Haltekraft zwischen ferritischer Bauteiloberfläche (1) und Gleichschritteinheit (19), indem die Haftsohle (22) permanentmagnetisch ausgebildet ist. Die Haltekraft selbst übertrifft die Massekraft der Vorrichtung um ein Vielfaches und bewirkt ein sicheres, von äußeren Einflüssen und dem Vorhandensein von Medien (Elektroenergie, Druckluft ...) unbeeinflusstes Anhaften der Vorrichtung an der ferritischen Bauteiloberfläche (1).The firm, gap-free contact creates a holding force between the ferritic component surface ( 1 ) and in-step unit ( 19th ) by the adhesive sole ( 22 ) is permanently magnetic. The holding force itself exceeds the mass force of the device many times and causes the device to adhere safely to the ferritic component surface, unaffected by external influences and the presence of media (electrical energy, compressed air ...) ( 1 ).

Im Zentralkörper (10) und vorteilhaft parallel zur Bewegungsrichtung der Vorrichtung liegen zwei Zapfwellen (17), angetrieben von den rotatorischen, numerisch gesteuerten Antrieben 2 (11b) und 3 (11c) und an der Zentralkörpervorder- und -rückseite in je zwei Momentenkupplungen (18) endend. Dort befindet sich auch je eine Schnellkoppelstelle (16), an der die Übertragungseinheit (14) angeschlossen werden kann. Die Übertragungseinheit (14) wandelt die an den Momentenkupplungen (18) zur Verfügung stehende Bewegung und leitet diese mit Übertragungselementen (15), im Ausführungsbeispiel als normal beanspruchte Stäbe ausgeführt, zum Ausgleichsmodul (4). Dieser wandelt die ihm zugeführten Bewegungen in die technologisch notwendigen um, im vorliegenden Fall zwei Linearbewegungen lotrecht zur Bewegungsrichtung der Vorrichtung. Der Ausgleichsmodul (4) besteht nur aus mechanischen Komponenten und kann schnell entfernt werden. Der Transport der Vorrichtung z.B. zur Baustelle wird damit erleichtert, indem dieselbe in kleine, einfach handhabbare und in keinem Fall mehr als 10kg wiegende Komponenten zerlegt werden kann.In the central body ( 10th ) and advantageously two PTO shafts are parallel to the direction of movement of the device ( 17th ), driven by the rotary, numerically controlled drives 2nd ( 11b ) and 3rd ( 11c ) and on the central body front and back in two torque clutches ( 18th ) ending. There is also a quick coupling point there ( 16 ) at which the transmission unit ( 14 ) can be connected. The transmission unit ( 14 ) converts them to the torque clutches ( 18th ) available movement and guides it with transmission elements ( 15 ), in the exemplary embodiment designed as normally stressed rods, to the compensation module ( 4th ). This converts the movements supplied to it into the technologically necessary ones, in the present case two linear movements perpendicular to the direction of movement of the device. The compensation module ( 4th ) consists only of mechanical components and can be removed quickly. The transport of the device, for example, to the construction site is thus facilitated in that it can be broken down into small, easy-to-handle components and in no case weighing more than 10 kg.

Entsprechend 3 trägt der Ausgleichsmodul (4) den Werkzeughaltemodul (5), bestehend aus zwei Dreieckgliedern (24), die je zwei sich schneidende Drehachsen (23) besitzen und so miteinander verbunden sind, dass die Schnittpunkte der Drehachsen zusammenfallen. Im Schnittpunkt der Drehachsen des gestellfernen Dreieckgliedes (24) liegt der TCP (25) des technologischen Werkzeugs (6), hier als Schweißbrenner ausgeführt. Die Verbindung der zwei Dreieckglieder (24) miteinander und mit dem Ausgleichsmodul (4) ist drehgelenkig und rastend und ermöglicht, den Brenner verschieden zu orientieren, ohne dass sich der TCP des technologischen Werkzeugs (6) im Vorrichtungskoordinatensystem ändert.Corresponding 3rd the compensation module ( 4th ) the tool holder module ( 5 ), consisting of two triangular elements ( 24th ), each with two intersecting axes of rotation ( 23 ) and are connected to each other in such a way that the intersections of the axes of rotation coincide. At the intersection of the axes of rotation of the triangular element remote from the frame ( 24th ) is the TCP ( 25th ) of the technological tool ( 6 ), designed here as a welding torch. The connection of the two triangular elements ( 24th ) with each other and with the compensation module ( 4th ) is articulated and latching and enables the burner to be oriented differently without the TCP of the technological tool ( 6 ) changes in the device coordinate system.

4 zeigt die Vorrichtung in steigender Position und die parallele Anordnung der zwei Gleichschritteinheiten (19), z.B. zur Herstellung einer Stumpfnaht. 4th shows the device in a rising position and the parallel arrangement of the two synchronous units ( 19th ), for example for producing a butt seam.

Zur Herstellung einer Kehlnaht vorteilhaft geeignet ist die Anordnung in 5. Dabei sind die beiden Gleichschritteinheiten (19) in zwei um 90 Grad zueinander stehenden Ebenen angeordnet.The arrangement in FIG. 1 is advantageously suitable for producing a fillet weld 5 . The two step units ( 19th ) arranged in two levels at 90 degrees to each other.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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Claims

Device for non-manual guiding of a technological tool (6) on a flat or slightly curved, ferritic component surface (1) oriented as desired to the direction of gravity (7) by means of a force fit, consisting of a cuboid central body (10), the smallest edge length of which is at least approximately parallel to the component normal , characterized in that two synchronizing units (19) are flanged to the central body with a parallel direction of movement, each synchronizing unit (19) being connected to a rotary, numerically controlled drive (11a); each step unit (19) has essentially the shape of an elongated cuboid and foot units (20) are arranged in the longitudinal direction; each synchronous unit (19) consists of an at least six-link coupling gear which has two or three links connected to the frame, the kinematic length of which is no longer than 2% of the other kinematic dimensions; each synchronizing unit (19) has at least three foot units (20) which are part of the at least six-link coupling mechanism; each foot unit (20) enables a walking movement of at least two elephant feet (21) in one plane, the elephant feet (21) being parallel and oriented normal to the ferritic component surface (1) and describing coupling curves; and the foot units (20) of each synchronous unit (19) move identically, but are out of phase with the rotation of the drive movement.

Device after Claim 1 , characterized in that the synchronizing units (19) are arranged on the central body (10) in such a way that all the elephant feet (21) either move in parallel planes or their movement is distributed over two groups of planes, which together form an angle different from 180 degrees .

Device according to the Claims 1 or 2nd , characterized in that each elephant foot (21) has an adhesive sole (22) which, for each revolution of the rotary drive movement, has an angular amount of

2nd * π / [Number of foot units (20) per step unit (19th)]

has a firm contact with the ferritic component surface (1) without any rolling, pushing or scraping movement and the holding force directly, that is to say without any intermediate or transmission element, from the elephant feet (21) via the adhesive soles (22) to the component works.

Device according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that the static tear-off force of the device normal to the ferritic component surface (1) is at least 1000N regardless of the position of the rotary drive and the holding force is applied permanently, i.e. without any external energy supply, and the holding force is in no way "switchable" .

Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least two further, rotary, numerically controlled drives (11b), (11c) are arranged in the parallelepiped-shaped central body (10), these act on PTO shafts (14) whose axes are parallel to the direction of action of the synchronous units (19) lie and the PTO ends on the front and rear of the cuboid central body (10) in a quick coupling point (16) with torque couplings (18).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that either a rotary, numerically controlled drive (11a) acts identically on all the synchronizing units (19) present on the central body (10), or each synchronizing unit (19) has its own, numerically controlled drive.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that compensating modules (4) of any shape can be adapted at the quick coupling point (16) which, using uniformly and non-uniformly geared transmissions, into the at least two movements available on the torque couplings (18) Implement the same number of linear and / or rotary movements of the tool holder module (5).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a computer control (12), advantageously arranged in the central body (10), controls the rotary, Numerically controlled drives (11a, b, c) takes over, with wired and wireless interfaces and also using modern, personalized communication devices, both user and sensor interaction can take place, the computer control (12) by binary coding the kinematic structure of the adapted compensation module (4) is made known and it carries out the transformation online between drive and object coordinates.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the compensating module (4) carries a manually adjustable tool holder module (5) which consists of two serially arranged triangular members (24) with two axes of rotation (25) which intersect at one point and enclose an angle> 0 ), the point of intersection of the axes of rotation is selected so that the tool center point [TCP] (25) can be arranged in it and the user can change the orientation of the technological tool in a matter of seconds with a positive locking connection between the triangular members (24) ) can be carried out without changing the position of the tool center (25) and, measured from a perpendicular to the ferritic component surface (1), a swivel of up to 45 degrees in one direction and a swivel angle of at least 10 degrees in all other directions can be achieved can, with all components of the tool holding module (5) always in the part of a half-world facing away from the ferritic component surface (1) and separated by the TCP.