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Die Erfindung betrifft eine Greifervorrichtung zum Greifen und Handhaben von Kupferstäben.
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Bei der Herstellung von elektrischen Maschinen, beispielsweise Elektromotoren oder Generatoren, geht es darum, den Montageprozess zu vereinfachen und gleichzeitig die Qualitätsparameter während des Montageprozesses zu verbessern. Hierbei ist zwischen in Wicklungs-Technologie hergestellten oder in Hair-Pin-Technologie hergestellten Statorelementen bzw. Rotorelementen zu unterscheiden. Die Hair-Pin-Technologie bietet die Möglichkeit, die Leistungsdichte von Elektromotoren, die in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen sollen, zu erhöhen. Bei der Hair-Pin-Technologie werden speziell gebogene Kupferstäbe, die wegen ihrer Form auch als Hair-Pins bezeichnet werden, in axial verlaufende und innenumfänglich oder außenumfänglich angeordnete Aufnahmenuten des Statorelements bzw. Rotorelements eingeführt.
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Im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung wird der Begriff Kupferstab verwendet und auf den englischen Begriff Hair-Pin verzichtet. Ein Kupferstab im Sinne dieser Beschreibung ist bevorzugt U-förmig gebogen, so dass er zwei im Wesentlichen parallele Schenkelabschnitte aufweist, die von einem Querabschnitt miteinander verbunden werden. Die beiden Schenkelabschnitte sind im montierten Zustand der Kupferstäbe in die Aufnahmenuten des Statorelements bzw. Rotorelements eingeführt. Die Länge des Querabschnitts bestimmt den sogenannten Öffnungswinkel α des Kupferstabes. Der Öffnungswinkel α kann definiert werden als der Winkel zwischen den beiden Verbindungsradien, die sich in gesteckter Position des Kupferstabes in dem Statorelement bzw. Rotorelement zwischen jedem der Schenkelabschnitte und der Mittelachse bzw. Drehachse des Statorelements bzw. Rotorelements ergeben. Der Öffnungswinkel α ist so gesehen ein Umfangswinkel bezogen auf das Statorelement bzw. Rotorelement mit seiner Mittelachse bzw. Drehachse. Weiterhin ist es so, dass jeder der beiden Schenkelabschnitte eines Kupferstabes in gestecktem Zustand auf unterschiedlichen Radien bzw. Durchmesser bezogen auch die Mittelachse bzw. Drehachse liegt. Dieser Radius bzw. Abstand von der Mittelachse eines jeden Schenkelabschnittes kann als Steckradius bezeichnet werden.
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Der Durchmesser in dem Statorelement bzw. Rotorelement, auf dem jeweils der eine der beiden Schenkelabschnitte eines jeden Kupferstabes gesteckt ist, wird als „Layer“ bezeichnet. Auf dem benachbarten Durchmesser in dem Statorelement bzw. Rotorelement befindet sich folglich der andere der beiden Schenkelabschnitte eines jeden Kupferstabes, so dass dieser benachbarte Durchmesser einen anderen „Layer“ bildet. Zusammen werden diese beiden „Layer“ als „Level“ bzw. Stator-„Level“ bezeichnet.
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Es gibt folglich zwei wesentliche geometrische Kriterien für einen Kupferstab, nämlich den Öffnungswinkel α und die Steckradien der beiden Schenkabschnitte, wobei diese sowohl für die eigentliche Funktion innerhalb des Statorelements bzw. Rotorelements als auch für die Handhabung während eines Montageprozesses von Belang sind.
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In jüngster Zeit werden verstärkt Anstrengungen unternommen die Hair-Pin-Technologie von einer überwiegend händischen oder auch halbautomatischen Fertigung hin zu einer weitestgehend automatisierten Fertigung zu entwickeln. Diese Montagemethoden sind sehr zeitaufwändig. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Positionsgenauigkeit der Bauteile, verbunden mit geringen Bauteiltoleranzen, führt eine händisch bzw. halbautomatische Fertigung zu hohen Taktzeiten und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zu Beschädigungen der Bauteile, was eine hohe Ausschussrate zur Folge hat. Rotorelemente in Hair-Pin-Technologie herzustellen ist bereits seit geraumer Zeit bekannt, wie dies beispielsweise die
US 1 555 931 beschreibt. Weiterhin ist in der
US 1 661 344 eine Montagevorrichtung beschrieben, um Rotorelemente in Hair-Pin-Technologie herzustellen, wobei hiermit höchstens eine halbautomatische Montage durchgeführt werden kann. Strukturell betrachtet kann der Montageprozess unterteilt werden in
- 1. eine Vorpositionierung, bei der es zunächst gilt, die einzelnen Kupferstäbe sowohl relativ zueinander als auch insgesamt umfänglich anzuordnen. Hierbei haben die Kupferstäbe nach erfolgter Vorpositionierung noch nicht eine überlappende Position zueinander, die sie später in dem Statorelement bzw. Rotorelement haben müssen;
- 2. eine Positionierung mittels einer Positioniervorrichtung, der die Kupferstäbe in der vorpositionierten Anordnung übergeben werden und über die die Kupferstäbe in die überlappende Position gebracht werden und
- 3. den eigentlichen Montagevorgang, in dem die Kupferstäbe mittels einer weiteren Montagevorrichtung in das zu bestückende Statorelement bzw. Rotorelement eingeführt werden.
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Da es bei dem Montageprozess dann zu einer kurzen Taktzeit kommt, wenn möglichst viele Kupferstäbe gleichzeitig in die entsprechenden Aufnahmenuten des Statorelements bzw. Rotorelements eingeführt werden, wäre es wünschenswert bereits bei der Vorpositionierung eine möglichst einfache Handhabung der Kupferstäbe sicherzustellen und die Gesamtheit der für die Bestückung eines Statorelements bzw. Rotorelements bereits zusammenzustellen. Eine hierfür verwendete Vorrichtung muss demnach ein einfaches und beschädigungsfreies Anordnen der Kupferstäbe ermöglichen, wobei die Kupferstäbe in dieser Anordnung sich zweckmäßigerweise noch nicht überlappen, sondern die Schenkelabschnitte jedes Kupferstabes in radialer Richtung zueinander bezogen auf eine Mittelachse
M angeordnet sind, wobei die Kupferstäbe in ihrer Gesamtheit um diese Mittelachse
M umfänglich angeordnet sind. Die Anordnung kann als aufgefächerte Anordnung bezeichnet werden. Erst mit der für die Positionierung vorgesehene Positioniervorrichtung werden die Kupferstäbe derart zueinander positioniert, dass sich benachbarte Kupferstäbe überlappen und der Gesamtheit der Kupferstäbe zu einem Korb zusammengestellt ist. Bezüglich der Positioniervorrichtung wird auf die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2016 221 355 A1 des gleichen Anmelders verwiesen.
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Der Vorpositionierung unmittelbar voraus geht eine sogenannte Vereinzelung, bei der jeder Kupferstab in der Regel einzeln in eine Entnahmeposition gebracht wird und aus dieser Entnahmeposition von einer Greifvorrichtung aufgenommen wird und auf die Vorpositionierung-Vorrichtung übergesetzt wird. Die Kupferstäbe werden derzeit mit einem starren bzw. geometrisch nicht adaptiven Greifer in der Entnahmeposition aus der Vereinzelung entnommen und übergesetzt. Der Greifer ist in der Regel von einem nicht näher zu beschreibenden Handhabungsroboter geführt. Dieser herkömmliche Greifer ist auf einen Öffnungswinkel α und einen Steckradius ausgelegt und kann nur einen Typ Kupferstäbe greifen. Es müssen für die Bestückung eines Statorelements bzw. Rotorelements folglich mehrere Greifer vorgehalten werden und bedarfsweise getauscht werden, d.h. der Handhabungsroboter mit dem jeweils erforderlichen Greifer ausgerüstet werden.
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Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Greifervorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, Kupferstäbe mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln α zu greifen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Greifervorrichtung zum Greifen und Handhaben von Kupferstäben, umfassend zwei sich ausgehend von einer Mittelachse M, A radial erstreckende Parallelgreifarme, wobei die Parallelgreifarme auf zumindest einer Kreisbahn um die Mittelachse M, A jeweils ein Spannbackenpaar aufweisen und eines der Parallelgreifarme um eine in der Mittelache M, A liegen Schwenkachse S verschwenkbar gegenüber dem anderen Parallelgreifarm ist, um das Spannbackenpaar des schwenkbaren Parallelgreifarmes auf der zumindest einen Kreisbahn zu verschwenken.
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Über die erfindungsgemäße Greifervorrichtung können beide Schenkelabschnitte des Kupferstabes sicher gegriffen werden, so dass über den Handhabungsroboter hohe Verfahrgeschwindigkeiten realisiert werden können und hierbei das Schwingungsverhalten der biegeweichen Kupferstäbe ausreichend kontrolliert werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Parallelgreifarme in ihrer radiale Länge ausgehend von der Mittelachse M, A veränderlich ausgeführt sind. Hierdurch lässt sich die Greifervorrichtung optimal auf die Geometrie verschiedener Kupferstäbe einstellen. Insbesondere lassen sich unterschiedliche Steckradien abdecken.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Nockenanordnung zum Verändern der radialen Länge der Parallelgreifarme vorgesehen ist. Über eine Nockenanordnung lässt sich eine feinfühlige Steuerung realisieren.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jeder Parallelgreifarm eine mit der Nockenanordnung in einer Wirkverbindung stehende Übertragungsgabel aufweist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jedes Spannbackenpaar jeweilige Spannflächen ausbildet. Die Spannflächen können als Einlageelemente austauschbar gestaltet sein, so dass sie bei Verschleiß oder bei dem Erfordernis eines anderen Materials ausgetauscht werden können.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Spannflächen parallel zu der Mittelachse M, A und tangential bezüglich der Kreisbahn angeordnet sind. Dies ist insofern vorteilhaft, als dass die Schenkelabschnitte einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt haben und die bezogen auf den Mittelachse M, A inneren und äußeren Seiten tangential bezüglich der Kreisbahn in dem Statorelement bzw. Rotorelement angeordnet sind. Durch die ebenfalls tangentiale Stellung der Spannflächen ergibt sich ein wirksames und verschleißfreies Greifen der Kupferstäbe.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Abstand zwischen den jeweiligen Spannflächen der Spannbackenpaar einstellbar ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen
- 1 eine schematisch dargestellte Montageanlage und Ablauf;
- 2 ein Statorelement bzw. Rotorelements mit bestückten Kupferstäben;
- 3a) eine Statorelement bzw. Rotorelements mit drei Kupferstäben bestückt;
- 3b) eine Steckbild in Axialansicht von Kupferstäben bezogen auf die Mittelachse;
- 4 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Greifervorrichtung;
- 5a), 5b) weitere perspektivische Darstellung der Greifervorrichtung nach 4
und
- 6 eine Schnittdarstellung der Greifervorrichtung nach 4.
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Die 1 zeigt eine exemplarische und nur schematisch dargestellte Montageanlage 100 nach dem Stand der Technik und einen hiermit möglichen Montageablauf für eine Mehrzahl an Kupferstäben 2. Hierbei ist dem dargestellten Montageablauf das Ablängen und Biegen der einzelnen Kupferstäbe 2 aus beispielsweise einem Endlosdraht vorausgegangen, was aber vorliegend nicht dargestellt ist. Der Ablauf in der Montageanlage 100 ist vorliegend von rechts nach links geführt. Die Kupferstäbe 2 werden zunächst in einer Vereinzelungsstation 102 über einen Greifer 104 einzeln gegriffen und auf dem nachfolgenden Werkstückträger 106 abgehangen. Vor dem Abhängen des jeweils nächsten Kupferstabs 2 dreht sich der Werkstückträger 106 um ein bestimmtes Maß weiter, so dass der nächste Kupferstab 2 benachbart zu dem vorhergehenden abgehangen wird. Die Kupferstäbe 2 werden auf dem Werkstückträger 106 in einer aufgefächerten Ausrichtung zueinander gehangen. Nachdem die Vereinzelungsstation 102 den Werkstückträger 106 komplett, d.h. umfänglich, mit Kupferstäben 2 bestückt hat, werden der Werkstückträger 106 und eine im Ablauf nachfolgende Übersetzvorrichtung 108 vertikal fluchtend zueinander angeordnet, so dass die Übersetzvorrrichtung 108 die Kupferstäbe 2 von dem Werkstückträger 104 aufnehmen kann. Von der Übersetzvorrichtung 108 werden die Kupferstäbe 2 einer Positioniervorrichtung 110 übergeben. Über die Positioniervorrichtung 110 werden die Kupferstäbe 2 von der bis dahin aufgefächerten Anordnung in die überlappende Anordnung gebracht, d.h. über die Positioniervorrrichtung 110 werden die Kupferstäbe 2 zu einem Korb zusammengedreht. Anschließend werden die zu einem Korb zusammengedrehten Kupferstäbe 2 von einem Montagegreifer 112 aus der Positioniervorrichtung 110 entnommen und in die Nuten einen Statorelements bzw. Rotorelements 114 eingeführt.
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Die Vereinzelungsstation 102 und der Greifer 104, mit dem die Kupferstäbe 2 gegriffen und auf den Werkstückträger 104 übergesetzt werden, ist hierbei an die unterschiedlichen, von dem jeweiligen Level abhängigen Öffnungswinkel der Kupferstäbe 2 angepasst. Die Kupferstäbe 2 werden folglich mit dem bezügliche seiner Greifbreite starren, nicht verstellbaren Greifer 104 aufgenommen und auf den Werkstückträger 104 übergesetzt. Da pro Vereinzelungsstation 102 zu einer Zeit nur ein Greifer montiert sein kann und dieser nur einen definierten Öffnungswinkel mit einem Abstand zur gemeinsamen Mittellinie greifen kann, muss eine den unterschiedlichen Öffnungswinkeln der zu steckenden Kupferstäbe 2 entsprechende Anzahl an Greifern 104 vorgehalten werden.
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Die 2 zeigt beispielhaft ein Statorelement bzw. Rotorelement 114 für eine elektrische Maschine beispielsweise in Gestalt eines Elektromotors. Mit den Bezugszeichen M, A ist eine Mittelachse des Statorelement bzw. Rotorelements 114 bezeichnet, welche in einem späteren Betrieb eine Rotationsachse darstellt. Das Statorelement bzw. Rotorelement 114 hat bereits den zuvor beschriebenen Montageprozess durchlaufen, der exemplarisch mit der strukturellen Unterteilung Vorpositionierung, Montagevorbereitung und Montagevorgang skizziert wurde. Folglich ist in umfänglich angeordneten Aufnahmenuten 116 des Statorelements bzw. Rotorelements 114 eine Mehrzahl an Kupferstäben 2 eingeführt. Zu erkennen ist, dass vorliegend vier Kupferstäbe 2 mit jeweils einem ihrer Schenkelabschnitte 4, 6 in eine Aufnahmenut 116 eingeführt sind, so dass in jeder Aufnahmenut 116 die jeweiligen Schenkelabschnitte 4, 6 in radialer Richtung nebeneinander angeordnet. Die Schenkelabschnitte 4, 6 eines jeden Kupferstabes sind mit einem Querabschnitt 8 miteinander verbunden. Ausgehend von den Schenkelabschnitten 4, 6 einer Aufnahmenut 116 sind die anderen Schenkelabschnitte 6, 4 jedes Kupferstabes 2 abwechselnd in entgegengesetzte Umfangsrichtung in entsprechende Aufnahmenuten 116 eingeführt. Zu erkennen ist weiterhin ein radialer Versatz zwischen den eingeführten Schenkelabschnitten 4, 6 eines Kupferstabes 2, wobei dieser radiale Versatz zu den bereits beschriebenen Überlappungen benachbarter Kupferstäbe 2 führt. Weiterhin sind die Schenkelabschnitte 4, 6, die in eine Aufnahmenut 102 eingeführt sind, gemeinsam von einer Isolation 118 umgeben.
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Die 3a) zeigt eine weitere Darstellung eines Statorelements bzw. Rotorelements 114, mit vorliegend nur drei eingeführten Kupferstäben 21 , 22 , 23 . Diese drei Kupferstäbe 21 , 22 , 23 sind auf einem Level angeordnet, beispielwiese dem ersten Level. Zu erkennen ist, dass der jeweils linke Schenkelabschnitt 41 , 42 , 43 in der radial äußersten Position der jeweiligen Aufnahmenut 116 eingeführt ist. Demgegenüber ist der entsprechende rechte Schenkelabschnitt 61 , 62 , 63 in der radial nächstinneren Position der jeweiligen Aufnahmenut 116 eingeführt. Zu erkennen ist demnach eine Überlappung der beiden linken Kupferstäbe 21 und 22 , Zur Realisierung eines definierten Schaltbildes innerhalb eines Statorelement bzw. Rotorelement 114 werden Kupferstäbe 2 mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln α innerhalb eines Levels eingesetzt. Jeder der drei Kupferstäbe 21 , 22 , 23 eines Levels weist jeweils einen anderen Öffnungswinkel α auf. Unter einem Öffnungswinkel α versteht man den Winkel in Umfangsrichtung zwischen den beiden Verbindungsradien R1 und R2 , die jeweils den ersten und zweiten Schenkelabschnitt 4,6 eines Kupferstabes 2 mit der Mittelachse M, A verbinden. Die Mittelachse M, A stellt somit die gemeinsame Zentrumsachse aller gesteckten Kupferstäbe 2 eines Statorelements bzw. Rotorelements 114 dar. Diese geometrischen Verhältnisse sind in der 3b) dargestellt, die zusätzlich zu der 3a) Kupferstäbe 2 auf dem zweiten Level zeigt.
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Die 4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Greifer 10 bzw. eine Greifervorrichtung 10, mit dem in dem in der 1 dargestellten Montageablauf ein Übersetzen der Kupferstäbe 2 von der Vereinzelungsstation 102 auf den Werkstückträger 104 erfolgen kann. Ein erfindungsgemäßer Greifer 10 umfasst strukturell betrachtet zwei Parallelgreifarme 14 und 16, welche an einem Grundkörper 12 angeordnet sind. Einer der Parallelgreifarme 14, 16 ist an dem Grundkörper 12 schwenkbar gehalten. Zu diesem Zweck ist an dem Grundkörper 12 ein Antrieb 18 vorgesehen, über den eine Schwenkbewegung um eine Schwenkachse S auf den schwenkbaren Parallelgreifarm 14, 16 ausgeübt werden kann.
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Jeder Parallelgreifarm 14, 16 umfasst an seinem jeweiligen Endbereich jeweils ein Spannbackenpaar 20 und 24, deren jeweiligen Spannfläche 221 , 222 und 261 , 262 parallel zu der Schwenkachse S des schwenkbaren Parallelgreifarms 14, 16 verlaufen. Über eine Schwenkbewegung des zweiten Parallelgreifarms 16 kann dessen Spannbackenpaar 24 gegenüber dem Spannbackenpaar 20 des ersten Parallelgreifarms 14 auf einer Kreisbahn um die Schwenkachse S verfahren werden. Das Spannbackenpaar 20 des ersten Parallelgreifarms 14 liegt ebenfalls auf der Kreisbahn, ist allerdings nicht entlang der Kreisbahn verschwenkbar. Somit verlaufen die Spannflächen 221 , 222 und 261 , 262 der Spannbacken, neben der Parallelität zu der Schwenkachse S, tangential bezüglich der Kreisbahn. Bei Betrachtung der in 3b) dargestellten geometrischen Verhältnisse kann es beispielsweise so sein, dass der erste Parallelgreifarm 14 den Verbindungsradius R1 überspannt und der zweite Parallelgreifarm 16 den Verbindungsradius R2 überspannt. Infolge der Schwenkbarkeit des zweiten Parallelgreifarms 16 können mit dem Greifer 10 Kupferstäbe 2 mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln α gegriffen werden.
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Die 5a) und 5b) zeigen den Greifer 10 in weiteren perspektivischen Darstellungen. In beiden Darstellungen sind die beiden Parallelgreifarme 14, 16 unter dem gleichen jeweiligen Öffnungswinkel α dargestellt. Der Unterschied zwischen der Darstellung der 5a) und der 5b) besteht in den unterschiedlichen radialen Längen, bezogen auf die Schwenkachse S, der beiden Parallelgreifarme 14, 16. Während der Parallelgreifarme 14, 16 in der 5a) eine größere radiale Länge haben, um beispielsweise die von der Mittellinie M, A weiter entfernt gesteckten Kupferstäbe 2 zu greifen, haben die Parallelgreifarme 14, 16 in der 5b) eine geringere radiale Länge, um beispielsweise die von der Mittellinie M, A geringer entfernt gesteckten Kupferstäbe 2 zu greifen. Die von der Mittellinie M, A weiter entfernt gesteckten Kupferstäbe 2 befinden sich folglich auf einem Level, die von der Mittellinie M, A geringer entfernt gesteckten Kupferstäbe befinden sich dann auf einem anderen Level.
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Die Veränderlichkeit der radialen Länge ist vorliegend durch eine um die Schwenkachse verdrehbare Nockenanordnung 28 realisiert. Die Nockenanordnung kann zwei Nockenkonturen 301 und 302 umfassen, wobei jede Nockenkontur 301 , 302 in jeweiliger Wirkverbindung mit einer Übertragungsgabel 32 steht, über die die Rotationsbewegung der Nockenanordnung in eine Linearbewegung zur radialen Längenveränderung des jeweiligen Parallelgreifarms 14, 16 übertragen wird. Die Nockenkonturen 301 , 302 sind in der Schnittdarstellung der 6 zu erkennen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kupferstab
- 4
- Schenkelabschnitt
- 6
- Schenkelabschnitt
- 8
- Querabschnitt
- 10
- Greifer
- 12
- Grundkörper
- 14
- Parallelgreifarm
- 16
- Parallelgreifarm
- 18
- Antrieb
- 20
- Spannbackenpaar
- 22
- Spannfläche
- 24
- Spannbackenpaar
- 26
- Spannfläche
- 28
- Nockenanordnung
- 30
- Nockenkontur
- 32
- Übertragungsgabel
- 100
- Montageanlage
- 102
- Vereinzelungsstation
- 104
- Greifer
- 106
- Werkstückträger
- 108
- Übersetzvorrichtung
- 110
- Positioniervorrichtung
- 112
- Montagegreifer
- 114
- Statorelement bzw. Rotorelement
- 116
- Aufnahmenuten
- 118
- Isolation
- R1
- Verbindungsradius
- R2
- Verbindungsradius
- M, A
- Mittelachse
- S
- Schwenkachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1555931 [0006]
- US 1661344 [0006]
- DE 102016221355 A1 [0007]
