DE102019204618A1

DE102019204618A1 - Überwachungssystem für ein biegeelastisches, strangförmiges Element sowie biegeelastisches, strangförmiges Element

Info

Publication number: DE102019204618A1
Application number: DE102019204618.5A
Authority: DE
Inventors: Bastian Hitz
Original assignee: Leoni Kabel GmbH
Current assignee: Bizlink Robotic Solutions Germany GmbH
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2039-04-02
Also published as: WO2020201031A1; CN114025924A; US20220184822A1; DE102019204618B4

Abstract

Das Überwachungssystem dient zur Überwachung der Biegebelastung zumindest eines im Betrieb auf Biegung beanspruchten strangförmigen Elements, welches sich in einer Längsrichtung erstreckt und einen Mantel aufweist, in dem umfangsseitig zumindest abschnittsweise eine Ausnehmung eingebracht ist, in der ein drucksensitives Sensorelement einliegt und welches bei einer Druckbelastung ein Sensorsignal abgibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Überwachungssystem zur Überwachung der Biegebelastung zumindest eines im Betrieb auf Biegung beanspruchten strangförmigen Elements.
Ein derartiges biegebeanspruchtes strangförmiges Element ist beispielsweise ein Versorgungspaket, mit dem zwei relativ zueinander bewegliche Maschinenteile miteinander verbunden sind. Unter „Versorgungspaket“ wird hierbei allgemein ein Führungselement mit darin einliegenden einzelnen Versorgungsleitungen, beispielsweise elektrische, hydraulische und auch pneumatische Einzelleitungen verstanden. Bei dem Führungselement handelt es sich beispielsweise um ein schlauchartiges Element, welches einen Innenhohlraum aufweist, in dem die einzelnen Versorgungsleitungen insbesondere lose geführt sind.
Ein derartiges Versorgungspaket wird auch als Schlauchpaket bezeichnet und beispielsweise bei mehrachsigen Industrierobotern verwendet. Ein derartiges Schlauchpaket wird üblicherweise entlang eines Roboterarms geführt in Richtung zu einer Roboterhand, an der ein Werkzeug befestigt ist. Typischerweise ist das Schlauchpaket mit seinem einen Ende an einer Vorrichtung zum Längenausgleich befestigt, welche eine Rückholmechanik aufweist.
Derartige Schlauchpakete bei Industrierobotern sind sehr starken Biegewechselbeanspruchungen ausgesetzt. Entsprechend ist die Lebensdauer der Schlauchpakete begrenzt, sodass sie regelmäßig ausgetauscht werden müssen.
Wünschenswert ist es, die Lebensdauer eines derartigen Schlauchpakets gut abschätzen zu können oder auch einen unsachgemäßen Betrieb oder eine unsachgemäße Behandlung des Schlauchpakets im Einsatz feststellen zu können.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Informationen über Biegebeanspruchungen eines strangförmigen Elements, insbesondere eines solchen Schlauchpakets zu erhalten.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Überwachungssystem, welches zur Überwachung der Biegebelastung zumindest eines im Betrieb auf Biegung beanspruchten strangförmigen Elements ausgebildet ist. Dieses strangförmige Element ist üblicherweise im Betrieb an einer zu überwachenden Einheit, beispielsweise ein Industrieroboter angeordnet und befestigt. Das Überwachungssystem weist dabei auf:

- Das strangförmige Element, welches sich in einer Längsrichtung erstreckt und einen Mantel aufweist, in dem umfangsseitig zumindest abschnittsweise zumindest eine Ausnehmung eingebracht ist,
- ein drucksensitives Sensorelement, welches in der Ausnehmung einliegt und welches dazu ausgebildet ist, bei einer Druckbelastung ein Sensorsignal abzugeben,
- eine lokale Messeinheit zum Empfangen des Sensorsignals,
- weiterhin ist eine Auswerteeinheit zum Auswerten des Sensorsignals im Hinblick auf eine Biegebeanspruchung des strangförmigen Elements auf Basis einer durch eine Biegung verursachten Druckbelastung des Sensorelements vorgesehen und Teil des Überwachungssystems.

Die Auswerteeinheit ist dabei in einer ersten Ausführungsvariante unmittelbar Teil der zu überwachenden Einheit. Sie bildet beispielsweise zusammen mit der lokalen Messeinheit eine gemeinsame lokale Baueinheit, die an der Vorrichtung angeordnet ist. Alternativ hierzu ist die Auswerteeinheit entfernt von der zu überwachenden Vorrichtung angeordnet und mit der Messeinheit lediglich datentechnisch verbunden oder zumindest verbindbar, um das Sensorsignal empfangen zu können. Die datentechnische Verbindung erfolgt hierbei insbesondere kabellos, beispielsweise auch über das Internet. Unter „entfernt von der zu überwachenden Einheit angeordnet“ wird insbesondere verstanden, dass die Auswerteeinheit nicht in unmittelbarer Nähe der Einheit und vorzugsweise auch nicht in dem Gebäude oder in der Betriebsstätte angeordnet ist, wo die zu überwachende Einheit angeordnet ist.
Von besonderer Bedeutung ist die Anordnung des drucksensitiven Sensorelements in der umfangsseitigen Ausnehmung. Das Sensorelement liegt dabei passgenau ein, so dass es - bei einer Biegung des strangförmigen Elements und damit auch des Mantels - einer Druckbelastung infolge einer Stauchung des Mantels ausgesetzt ist. Da - in Abhängigkeit der Richtung der Biegung des Elements - die Ausnehmung komprimiert wird, wird bei einer Biegung eine Druckbelastung auf das Sensorelement ausgeübt, welches für diese Druckbelastung sensitiv ist.
Unter umfangsseitige Ausnehmung wird allgemein eine Ausnehmung in einer Wandung des Mantels verstanden. Hierbei kann es sich sowohl um eine Ausnehmung am Außenumfang oder auch um eine Ausnehmung am Innenumfang des Mantels handeln.
Durch diese Maßnahme ist eine einfache Erfassung einer Biegebelastung des strangförmigen Elements ermöglicht, sodass anhand des Sensorsignals und einer geeigneten Auswertung Aussagen beispielsweise über unzulässige Belastungen oder auch eine verbleibende Lebensdauer getroffen werden können.
In zweckdienlicher Ausgestaltung handelt es sich bei der Ausnehmung um eine zumindest abschnittsweise wendelförmige Nut. Die wendelförmige Nut verläuft daher zumindest abschnittsweise um den Umfang des Mantels herum. Die Nut ist dabei in das Mantelmaterial eingebracht. Zweckdienlicherweise verläuft die Nut über die gesamte Länge oder zumindest über nahezu die gesamte Länge des Mantels (beispielsweise über zumindest 90% der Gesamtlänge). Weiter vorzugsweise ist die Nut durchgängig wendelförmig ausgebildet.
Weiterhin ist das Sensorelement als eine Sensorleitung ausgebildet, die in der Nut einliegt und in dieser vorzugsweise über deren gesamter Länge verläuft oder zumindest über einen weiten Bereich (z.B. mehr als 50 %) der Nut in dieser verläuft.
Die Sensorleitung weist einen Leiter auf, welcher von einem Dielektrikum umgeben ist. Die Sensorleitung ist mit der Messeinheit verbunden, also insbesondere an dieser angeschlossen. Bevorzugt ist die Messeinheit neben dem Empfangen des Sensorsignals auch zur Einspeisung eines Messsignals in die Sensorleitung ausgebildet und speist zum Messen das Messsignal ein. Das empfangene Sensorsignal ist durch einen reflektierten Signalanteil des Messsignals gebildet. Dieser reflektierte Signalanteil wird dadurch erzeugt, dass das Messsignal an einer Störstelle reflektiert wird. Die Störstelle ist dabei an einer Stelle ausgebildet, bei der das Dielektrikum infolge einer Biegung des strangförmigen Elements einer Druckbelastung ausgesetzt ist und insbesondere komprimiert wird.
Bei dem Messsignal handelt es sich dabei insbesondere um ein hochfrequentes Signal mit einer Frequenz von typischerweise mehreren 10 oder auch mehreren 100 MHz. Bevorzugt wird hierbei die Frequenz über einen vorgegebenen Frequenzbereich im Betrieb verändert. Speziell ist dabei eine zyklische Variation zwischen zwei Frequenzwerten vorgesehen (sogenanntes „wobbeln“). Alternativ handelt es sich bei dem Messsignal um ein Stufensignal oder einen Messimpuls, wie es beispielsweise in der WO 2018/086949 A1 beschrieben ist.
Die Sensorleitung weist allgemein eine Impedanz auf, die maßgeblich durch das Dielektrikum mit bestimmt wird. Eine Verformung des Dielektrikums infolge einer Druckbeanspruchung führt in der Regel zu einer lokalen, an der Druckstelle auftretenden Impedanzänderung. An dieser druckbeanspruchten Stelle, nachfolgend allgemein auch als Störstelle bezeichnet, wird das in der Sensorleitung propagierende Messsignal zumindest teilweise reflektiert. Der reflektierte Anteil läuft dann wieder in Richtung zur Messeinheit zurück, in der der reflektierte Anteil erfasst wird.
Bei der Sensorleitung handelt es sich insofern um ein querdrucksensitives Element, als dass eine Druckausübung senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung der Sensorleitung erfasst wird.
Der besondere Vorteil dieser Maßnahme ist darin zu sehen, dass eine einfache Überwachung der Biegebeanspruchungen des strangförmigen Elements ermöglicht ist, indem die Sensorleitung einfach in die wendelförmige Nut eingelegt wird. Bei einer Biegung des strangförmigen Elements wird eine Druckbelastung auf die Sensorleitung ausgeübt, indem seitliche Nutwände, die die Nut begrenzen, den Aufnahmeraum der Nut verengen und damit das darin einliegende als Sensorleitung ausgebildete Sensorelement stauchen.
Bei dem Mantel handelt es sich dabei vorzugsweise um einen sogenannten Wellschlauch. Bevorzugt ist in diesem zumindest eine Versorgungsleitung geführt. Alternativ wird in dem Schlauch ein Medium geführt. Bei einem derartigen Wellschlauch erstreckt sich die wendelförmige Nut vorzugsweise durchgehend von einem Ende zum anderen Ende des Mantels.
Bei dem Mantel handelt es sich vorzugsweise um ein Führungs- oder Schutzelement, in dem die zumindest eine Versorgungsleitung geführt ist. Bei dieser handelt es sich beispielsweise um eine elektrische, pneumatische oder auch hydraulische Leitung. Typischerweise werden mehrere Versorgungsleitungen innerhalb des Wellschlauchs geführt, wobei auch unterschiedliche Arten von Versorgungsleitungen geführt sein können.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei dem strangförmigen Element um ein sogenanntes Schlauchpaket eines mehrachsigen Industrieroboters. Das Schlauchpaket ist daher zur Installation bei einem solchen Industrieroboter ausgebildet. Zweckdienlicherweise ist es an einem solchen befestigt. Das Schlauchpaket dient im Betrieb zur Versorgung eines Werkzeugs, welches an einer Roboterhand angeordnet ist. Es erstreckt sich entlang eines Roboterarms und zwar vorzugsweise bis zu einer Vorrichtung zum Längenausgleich. In dieser Vorrichtung werden Längenänderungen infolge der Bewegung der Roboterhand oder auch anderer Roboterarme kompensiert. Die einzelnen Versorgungsleitungen werden typischerweise aus dem Wellschlauch heraus bis zu einer Schnittstelle geführt und sind dort beispielsweise über lösbare Kupplungsstellen mit entsprechenden weiterführenden Versorgungsleitungen verbunden oder verbindbar.
Die Sensorleitung erstreckt sich vorzugsweise entlang des gesamten Mantels und der Nut, zumindest über einen Großteil der Länge des Mantels bzw. der Nut.
Die Sensorleitung weist allgemein einen Außendurchmesser und die Nut eine Nutweite auf, wobei der Außendurchmesser an die Nutweite angepasst ist. Hierunter wird verstanden, dass die Nutweite und der Außendurchmesser exakt oder zumindest weitgehend identisch sind. Unter zumindest weitgehend identisch wird verstanden, dass Nutweite und Außendurchmesser bis auf einen Toleranzbereich von maximal +/- 15 % und weiter vorzugsweise von maximal +/- 10 % oder von maximal +/- 5 % übereinstimmen. Unter „Nutweite“ wird der lichte Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Nutwänden in einem unbelasteten Zustand verstanden, insbesondere wenn also der Mantel nicht gebogen ist.
Zweckdienlicherweise weist der Außendurchmesser ein geringfügiges Übermaß beispielsweise von maximal 5 % oder auch maximal 10 % im Vergleich zu der Nutweite auf. Hierdurch wird beispielsweise erreicht, dass die Sensorleitung rein reibschlüssig in der Nut gehalten wird. Bevorzugt ist auf weitere Befestigungselemente verzichtet.
In zweckdienlicher Ausgestaltung ist das Dielektrikum elastisch verformbar und ist insbesondere als ein geschäumtes Dielektrikum ausgebildet. Als Material hierfür bietet sich insbesondere ein thermoplastischer Kautschuk an, da dieser eine hohe Rückstellkraft aufweist. Daneben ist als Material für das Dielektrikum vorzugsweise ein Polyurethan (PUR) oder ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere ein vernetztes thermoplastisches Elastomer verwendet, wie beispielsweise ein TPV-(thermoplastisches Polyolefinvulkanisat).
Diese Materialien weisen allgemein eine gute Elastizität und damit gute Rückstellkraft auf. Diese ist entscheidend, um die oftmals häufigen Biegewechselbeanspruchungen in Echtzeit erfassen zu können, ohne dass störende, zu große Relaxationszeiten für die Messung hinderlich sind.
Das Material weist dabei vorzugsweise eine Dichte des verwendeten Kunststoffmaterials im Bereich von 0,9-1,0 g/cm³, speziell im Bereich von 0,9 bis 0,95 g/cm³, auf. Diese Werte gelten dabei für einen ungeschäumten Zustand. In bevorzugter Ausführungsvariante wird ein geschäumter Kunststoff verwendet. Durch die Verschäumung wird zum einen die Dichte geeignet eingestellt und zudem wird hierdurch auch die Sensibilität eingestellt, da mit zunehmender Verschäumung eine zur Kompression erforderliche (Quer-) Kraft sinkt.
Die Sensorleitung ist beispielsweise als eine Ader oder auch ein Adernpaar ausgebildet. Eine Ader ist dabei ein metallischer Leiter, der von einem Adermantel als Isolierung umgeben ist. Der Adermantel bildet dabei das Dielektrikum.
Bevorzugt ist die Sensorleitung als eine Koaxialleitung ausgebildet. Als solche weist die Sensorleitung einen Innenleiter als Leiter auf, welcher von dem Dielektrikum unmittelbar umgeben ist. Um das Dielektrikum ist wieder ein Außenleiter unmittelbar angebracht. Häufig handelt es sich hierbei um eine Umhüllung des Dielektrikums nach Art einer Schirmung, beispielsweise nach Art eines Geflechtschirms.
Die Auswertung des reflektierten Anteils des Messsignals beruht - wie oben ausgeführt - allgemein darauf, dass sich bei einer lokalen Druckbeanspruchung der Impedanzwert an dieser lokalen Position ändert, so dass an dieser lokalen Position die Störstelle gebildet ist, an der ein Signalanteil reflektiert wird.
Die Auswertung derartiger reflektierter Signalanteile kann dabei beispielsweise mittels sogenannter Zeitmessverfahren (Zeitbereichsreflektometrie, TDR (Time Domain Reflectometry) erfolgen. Hierbei wird allgemein die Laufzeit des Signals ermittelt. Anhand der (gemessenen) Laufzeit und einer bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit kann dann beispielsweise auf den Ort der Störstelle geschlossen werden. Bei bekanntem geometrischen Verlauf Sensorleitung und der Nut kann dann auf den Ort der Störstelle am Mantel und damit auch auf die Richtung der Biegung geschlossen werden. Vorzugsweise wird ein vereinfachtes Zeitmessverfahren eingesetzt, wie es beispielsweise in der WO 2018/086949 A1 beschrieben ist.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit einer Auswertung im Frequenzraum. Hierzu sind sogenannte Frequenz-Reflektometrie-Verfahren (FDR Frequency Domain Reflectometry) bekannt. Vorzugsweise wird ein derartiges FDR-Verfahren eingesetzt. Die Messeinheit ist hierbei zur Einspeisung eines sogenannten Wobbel-Signals ausgebildet, um ein solches FDR-Verfahren durchführen zu können. Die Auswertung der reflektierten Signalanteile erfolgt in der Auswerteeinheit. Die reflektierten Signalanteile, kurz auch als das reflektierte Signal bezeichnet, werden also an die Auswerteeinheit übermittelt, wo die Auswertung des reflektierten Signals erfolgt. Unter „Wöbbel-Signal“ wird allgemein ein Signal mit typischerweise gleichbleibender Amplitude verstanden, dessen Frequenz zwischen einer oberen und unteren Grenzfrequenz variiert wird. Innerhalb dieses Frequenzbandes zwischen der oberen und unteren Grenzfrequenz liegt eine leitungsspezifische Hauptfrequenz, die unter anderem auch von der Länge der Sensorleitung abhängt. Üblicherweise wird das Messsignal an einem Ende der Sensorleitung eingespeist und an einem gegenüberliegenden Ende der Sensorleitung, beispielsweise einem kurzgeschlossenen oder auch einem offenen Ende, reflektiert und läuft wieder zu der Messeinheit zurück, wo es empfangen wird. Eine derartige leitungsspezifische Frequenz genügt dabei insbesondere folgender vereinfachter Formel: $f_{[MHZ]} = 150 * v_{r} / d_{[m]}$
Hierbei sind f = Frequenz in MHz, d = Länge des Signalpfades in Meter, v_r = die relative Ausbreitungsgeschwindigkeit des Messsignals.
Die relative Ausbreitungsgeschwindigkeit liegt typischerweise bei 0.66 bis 0.8. Sie ist definiert als das Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit zur Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum).
Die Frequenz ist allgemein proportional zu dem Kehrwert der Wurzel der Dielektrizitätszahl ε_r. Die Länge des Signalpfades entspricht typischerweise der doppelten Länge der Sensorleitung (Hin- und Rückpfad von einer Einspeisestelle bis zu einem Leitungsende, wo das Signal reflektiert wird und wieder zur Einspeisestelle = Messeinheit läuft
In zweckdienlicher Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, anhand des Sensorsignals den Ort der Biegung zu identifizieren. Es handelt sich also um eine ortsaufgelöste Messung. Bei einer direkten Messung der Laufzeit, beispielsweise über eine TDR-Messung, ergibt sich dies unmittelbar aus der Laufzeit bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit und bei bekannten geometrischen Faktoren. Zu den geometrisch bekannten Faktoren gehören hierbei der Durchmesser des Mantels an einem Nutgrund sowie die Steigung der wendelförmigen Nut. Anhand dieser geometrischen Faktoren lässt sich ein Ort entlang des Mantels bestimmen, an der die Störstelle vorliegt, an der der reflektierte Signalanteil reflektiert wurde.
Bei einer Messung im Frequenzraum wird beispielsweise durch eine inverse Fouriertransformation das gemessene Frequenzspektrum in einen zeitabhängigen Verlauf umgewandelt. Anhand dieses Zeitverlaufs kann dann wiederum die Laufzeit bestimmt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, über eine Bestimmung der Phasenlage des reflektierten Signals die Positionen der Störstellen entlang der Länge der Sensorleitung zu ermitteln. Hierzu wird in an sich bekannter Weise beispielsweise ein sogenannter Vektor Network Analyzer (VNA) eingesetzt.
Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise weiterhin dazu ausgebildet, anhand des Sensorsignals die Richtung der Biegung des Mantels zu bestimmen. Dies erfolgt vorzugsweise durch eine möglichst genaue Bestimmung der Position der Störstelle im Verlauf der Sensorleitung. Anhand der bekannten Geometriedaten kann dann ermittelt werden, an welcher Winkelposition die Störstelle vorliegt, ob diese Stelle also beispielsweise an einer Oberseite, an einer seitlichen Position oder an einer Unterseite des Mantels vorliegt. Auf Basis dieser Winkelposition lässt sich dann die Richtung der Biegung bestimmen.
In zweckdienlicher Weiterbildung wird weiterhin mittels der Auswerteeinheit anhand des Sensorsignals auf einen aktuellen Biegeradius geschlossen.
Unterschiedliche Biegeradien führen allgemein zu einer unterschiedlichen Kompression. Dadurch wird der Anteil des reflektierten Signals beeinflusst. Auf Basis der Höhe des reflektierten Signalanteils kann daher auf den Grad der Biegung geschlossen werden.
Die Ermittlung des Biegeradius geschieht beispielsweise gemäß einer ersten Ausführungsvariante durch Vergleich der Verläufe der reflektierten Signale mit vorab gemessenen Referenzverläufen, insbesondere Referenzspektren, die jeweils bestimmten Biegeradien zugeordnet sind. Für unterschiedliche Biegeradien sind daher jeweils Referenzverläufe bzw. Referenzspektren hinterlegt.
Ergänzend oder alternativ wird anhand des Sensorsignals ermittelt, wie viele Störstellen vorliegen, wobei anhand der Anzahl der Störstellen auf den aktuellen Biegeradius zurückgeschlossen wird. Dies beruht auf der Überlegung, dass in Abhängigkeit des Biegeradius die Anzahl der Störstellen variiert, d.h. bei einem geringen Biegeradius werden mehr Wicklungsabschnitte derart komprimiert, dass sie als Störstellen wirken im Vergleich zu einem nur großen Biegeradius. Es besteht also ein Zusammenhang zwischen dem aktuellen Biegeradius und der Anzahl der Störstellen.
Neben oder ergänzend zu der Anzahl der Störstellen, wird zudem beispielsweise anhand der Amplitudenverhältnisse oder auch der absoluten Amplituden des Sensorsignals für die einzelnen Störstellen (jeweils ein Maximum im Signalverlauf) auf den Biegeradius geschlossen. Bei einer Biegung erfolgt in der Mitte der Biegung die höchste Kompression, was zu einem Maximum mit der höchsten Amplitude im Sensorsignal führt.
Vorzugsweise wird ein bei der Messung erfasstes Frequenzspektrum betrachtet und ausgewertet. Ein solches wird beispielsweise bei einem FDR (Frequenzreflektometrie) -Verfahren erhalten, bei dem als Messsignal ein sogenanntes Wobbel-Signal eingespeist wird. Speziell wird anhand eines Amplitudenverhältnisses zwischen Hauptmaxima und Nebenmaxima und der Anzahl der Maxima im Spektrum auf den Biegegrad / Biegradius geschlossen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit als eine Zentraleinheit ausgebildet, die beabstandet von dem zu überwachenden biegeelastischem Element angeordnet ist und insbesondere auch von einer ggf. zu überwachenden Einheit, an der das biegeelastische Element befestigt ist, speziell ein Industrieroboter. Die lokale Messeinheit ist zur Übermittlung und die Zentraleinheit zum Empfang des Sensorsignals ausgebildet. Die Übertragung des Sensorsignals erfolgt dabei vorzugsweise kabellos, kann grundsätzlich jedoch auch kabelgebunden erfolgen. Die Übermittlung erfolgt bei der kabellosen Verbindung beispielsweise über das Internet und speziell handelt es sich hierbei um eine cloud-basierte Auswertung. Hierunter wird verstanden, dass die Daten der Sensorsignale an einen Cloud-Speicher übermittelt werden, also einen zentralen Speicherplatz, welcher über das Internet angebunden ist, und von dort für die Auswertung durch die Auswerteeinheit ausgelesen werden.
Unter „entfernt“ wird hierbei insbesondere auch verstanden, dass die Auswerteeinrichtung nicht in der gleichen Betriebsstelle wie das zu überwachende strangförmige Element angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Zentraleinheit beim Hersteller oder einem sonstigen, vom Betreiber der Vorrichtung unabhängigen Dienstleister angeordnet.
In zweckdienlicher Weise sind mehrere zu überwachende strangförmige Elemente, also speziell mehrere zu überwachende Schlauchpakete mit der Zentraleinheit datentechnisch verbindbar oder verbunden. Die Zentraleinheit ist zur Auswertung der Daten aus den mehreren zu überwachenden Elementen ausgebildet. Über die Zentraleinheit werden daher die Daten von einer Vielzahl von zu überwachenden Elementen erhalten und ausgewertet. Damit ist eine breite Datenbasis über eine Vielzahl von Installationen und Anwendungen gegeben. Durch diese Maßnahme können die erhaltenen Daten Ausgangspunkt für datenbasierte Modelle beispielsweise zur Nachbildung der Beanspruchung, der Verschleißbeständigkeit oder der Lebensdauer der eingesetzten Schlauchpakete bilden. Hierdurch lassen sich dann aufgrund der breiten Datenbasis genauere Aussagen bezüglich Lebensdauer, Ausfallwahrscheinlichkeit etc. ableiten. Auch können Schwachstellen frühzeitig erkannt und dann beispielsweise durch konstruktive Änderungen oder Änderungen im Prozessablauf vermieden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein biegeelastisches und im Betrieb auf Biegung beanspruchtes strangförmiges Element, welches insbesondere zum Einsatz bei einer zu überwachenden Einheit vorgesehen ist. Das Element erstreckt sich in einer Längsrichtung und weist einen biegeelastischen Mantel auf, in dem umfangsseitig zumindest abschnittsweise eine Ausnehmung eingebracht ist. Weiterhin ist ein drucksensitives Sensorelement vorgesehen, welches in der Ausnehmung einliegt und welches dazu ausgebildet ist, bei einer Druckbelastung infolge einer Biegung des strangförmigen Elements ein Sensorsignal abzugeben. Weiterhin ist eine lokale Messeinheit zum Empfangen des Sensorsignals vorgesehen, wobei die Messeinheit zusätzlich auch zur Übermittlung des Sensorsignals an eine Auswerteeinheit ausgebildet ist.
Die im Hinblick auf das Überwachungssystem angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das biegeelastische Element zu übertragen. Speziell handelt es sich hierbei um ein Schlauchpaket für einen Industrieroboter mit einem Wellschlauch als Mantel mit einer wendelförmigen Nut, in der als Sensorelement eine Sensorleitung einliegt.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in teilweise vereinfachten Darstellungen:

1 eine vereinfachte Darstellung eines Industrieroboters,
2 eine vereinfachte, ausschnittsweise Schnittdarstellung eines Wellschlauches mit einer wendelförmige Nut, in der eine Sensorleitung einliegt,
3 eine Querschnittsdarstellung einer Koaxialleitung,
4 ein beispielhafter Messaufbau
5A bis 5E beispielhafte Signalverläufe für unterschiedliche Anzahlen von Störstellen, sowie
6 eine vereinfachte Darstellung von mehreren zu überwachenden Einheiten, die die Sensorsignale an eine Zentraleinheit übertragen

In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Gelenkarmroboter dargestellt, der als ein mehrachsiger Industrieroboter 1, insbesondere als ein sechsachsiger Industrieroboter 2, ausgebildet ist. Dieser weist ein erstes auch als Schwinge 4 bezeichnetes Segment auf, welches mit einer Basis 6 über eine erste Gelenkverbindung R1 verbunden ist. Um diese ist die Schwinge 4 um eine horizontale Achse verschwenkbar. Ergänzend ist die Schwinge 4 üblicherweise um eine Vertikale verschwenkbar. An einer zweiten Gelenkverbindung R2 ist ein zweites Segment, allgemein als Roboterarm 8 bezeichnet, um eine so genannte (horizontale) „Achse 3“ schwenkbeweglich mit der Schwinge 4 verbunden. Schließlich ist als drittes Segment eine Roboterhand 10 über eine dritte Gelenkverbindung R3 mit dem Roboterarm 8 verbunden. An der Roboterhand 10 ist schließlich ein Bearbeitungswerkzeug 12, wie beispielsweise eine Schweißzange etc., oder ein Halter z.B. für ein medizinisches Gerät angebracht.
Zur Versorgung des Bearbeitungswerkzeugs 12 mit Elektrizität und/oder Fluiden und/oder Datensignalen weist der Industrieroboter 2 ein Versorgungsleitungspaket 14 auf, welches am Roboterarm 2 entlanggeführt und von dort mit der Basis 6 verbunden ist. Im Bereich des Roboterarms 6 ist das Versorgungsleitungspaket 14 in einem als Wellschlauch 16 ausgebildetem Mantel (Schutzschlauch) geführt. Das Versorgungsleitungspaket 14 gemeinsam mit dem Wellschlauch 16 wird auch als Schlauchpaket 18 bezeichnet. Bei diesem handelt es sich um ein biegeelastisches Element, welches im Betrieb Biegewechselbeanspruchungen ausgesetzt ist. Typischerweise ist im Bereich der zweiten Gelenkverbindung R2 eine Trennstelle für das Versorgungsleitungspaket 14 angeordnet und das Schlauchpaket 18 ist als austauschbare Verschleißeinheit bis zu dieser Trennstelle geführt.
Weiterhin ist speziell im Bereich der zweiten Gelenkverbindung R2 auf dem Roboterarm 6 eine Vorrichtung 20 zur Führung und zur Zurückholung des Schlauchpakets 18 befestigt. Diese dient zum Längenausgleich bei den Bewegungen der Roboterhand. Das Schlauchpaket 18 ist an der Vorrichtung 20 über ein Halteelement (Schlauchschelle) 22 gehalten. Vorzugsweise ist am oder im Halteelement 22 eine Messeinheit 24 integriert.
Die Messeinheit 24 steht weiterhin mit einer Auswerteeinheit 26 in datentechnischer Verbindung, ist zumindest für die Übermittlung von Daten in der Auswerteeinheit 26 ausgebildet.
Die Messeinheit 24 sowie die Auswerteeinheit 26 sind Teil eines Überwachungssystems zur Überwachung des biegeelastischen und im Betrieb auf Biegung beanspruchten Schlauchpakets 18. Das Schlauchpaket 18 selbst ist ebenfalls Teil des Überwachungssystems. Diese wird nunmehr im Zusammenhang mit den 2 und 3 näher erläutert.
Anhand der 2 ist zunächst noch einmal in einer ausschnittsweisen Querschnittsdarstellung das Schlauchpaket 18 mit dem Wellschlauch 16 und dem darin einliegenden Versorgungsleitungspaket 14 dargestellt. Das Schlauchpaket erstreckt sich allgemein in einer Längsrichtung L. Das Versorgungsleitungspaket 14 umfasst dabei mehrere Versorgungsleitungen 28, die innerhalb des Wellschlauchs 16 beispielsweise lose geführt sind.
Der Wellschlauch 16 weist umfangsseitig, also an seinem Außenmantel, eine wendelförmig verlaufende Nut 30 auf. Dabei üblicherweise ist durch eine - im Längsquerschnitt betrachtet - wellenförmige Ausgestaltung der Wand des Schlauchmantels an einer (radialen) Außenseite des Schlauchmantels eine zur Umgebung offene äußere Nut (Nut 30) sowie an einer (radialen) Innenseite eine zum Innenraum des Wellschlauches 14 offene innere Nut ausgebildet. Zumindest in einer dieser Nuten, im Ausführungsbeispiel in der äußeren Nut 30 ist - wie in der 2 zu erkennen ist - eine Sensorleitung 32 geführt. Die Nut 30 wird dabei jeweils von gegenüberliegenden Nutwänden sowie einem Nutboden begrenzt. Der lichte Abstand zwischen den Nutwänden einer Nut 30 definiert eine Nutweite a und entspricht dabei zumindest weitgehend einem Durchmesser D der Sensorleitung 32. Die Sensorleitung 32 liegt daher passgenau in der Nut 30 ein.
Die Nut 30 und damit die Sensorleitung 32 sind um den Umfang des Wellschlauches 16 vergleichsweise eng gewickelt. Durch die Wendelförmige Ausbildung der Nut 30 ist also die Sensorleitung wendelförmig und damit entlang einer Schraubenlinie geführt. Ein Gangwinkel α, welcher die Steigung der Nut 30 charakterisiert, ist relativ gering. Vorzugsweise liegt der Gangwinkel α allgemein in einem Bereich zwischen 5° und 30° und insbesondere zwischen 10° und 20 Der Durchmesser des Schlauchpakets 18 liegt typischerweise im Bereich von einigen Zentimetern, beispielsweise im Bereich von 3 bis 8 cm.
Bei der Sensorleitung 32 handelt es sich insbesondere um eine Koaxialleitung, wie sie beispielhaft in der 4 dargestellt ist. Als solche weist sie einen zentralen Leiter 34 auf, welcher unmittelbar von einem Dielektrikum 36 aus Kunststoff umgeben ist. Bei diesem handelt es sich um ein elastisches, insbesondere geschäumtes Material. Das Dielektrikum 36 ist wiederum konzentrisch von einem Außenleiter 38 umgeben, welcher durch eine Schirmung, beispielsweise ein Geflechtschirm, gebildet ist. Dieser ist schließlich von einem Leitungsmantel 40 umgeben.
Die Sensorleitung 32 ist - wie insbesondere anhand der 4 zu erkennen ist - an der Messeinheit 24 angeschlossen.
Im Betrieb wird von der Messeinheit 24 ein Messsignal M in die Sensorleitung 32 an einer Einspeisestelle eingespeist. Bei diesem handelt es sich beispielsweise um ein hochfrequentes beispielsweise sinusförmiges Signal. Das Messsignal M durchläuft die Sensorleitung 32. Das Messsignal M wird am der Einspeisestelle gegenüberliegenden Ende der Sensorleitung 32, welches beispielsweise als kurzgeschlossenes oder als offenes Ende ausgebildet ist, vollständig reflektiert und läuft wieder in Richtung zur Messeinheit 24 als (reflektiertes) Sensorsignal S zurück und wird von der Messeinheit 24 erfasst. In der Messeinheit 24 kann bereits eine erste Auswertung des Sensorsignals S vorgenommen werden. Die dabei erzeugten Daten D werden zur beispielsweise weitergehenden Auswertung an die Auswerteeinheit 36 übermittelt. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, das Sensorsignal S unmittelbar an die Auswerteeinheit 26 zu übermitteln, d.h. das Sensorsignal bildet die Daten D. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Auswerteeinheit 26 unmittelbar in eine gemeinsame Baueinheit mit der Messeinheit 24 integriert ist.
Bei einer Biegebeanspruchung des Schlauchpakets 18 wird an einer Innenseite der Biegung der Wellschlauch 16 insgesamt gestaucht, sodass also die Nutweite a reduziert wird. Dadurch wird an der Stelle der Biegung die darin einliegende Sensorleitung 32 einer Druckbelastung ausgesetzt und insbesondere auch komprimiert. Diese Stelle der Druckbelastung bildet dabei eine Störstelle.
Aufgrund der vergleichsweise engen Wicklung der Sensorleitung 32 werden typischerweise mehrere Wicklungsabschnitte der Sensorleitung 32 gleichzeitig komprimiert, sodass typischerweise bei einer Biegung gleichzeitig mehrere Störstellen erzeugt werden. Durch die Kompression der Sensorleitung 32 und damit auch des Dielektrikums 36 ändert sich lokal an der Stelle der Biegung (Störstelle) die Impedanz. Diese Impedanzänderung bzw. der Impedanzsprung führt dazu, dass das sich ausbreitende Messsignal M an dieser Stelle zumindest teilweise reflektiert wird und wieder zur Messeinheit 24 zurückläuft und dort ausgewertet werden kann.
Für die Auswertung wird gemäß einer ersten bevorzugten Variante insbesondere ein Frequenzreflektometrie-Verfahren (FDR) herangezogen. Hierzu wird mittels der Messeinheit 24 als Messsignal M ein so genanntes Wobbel-Signal eingespeist. Bei diesem handelt es sich um ein Signal mit gleichbleibender Amplitude, dessen Frequenz zwischen einer oberen und unteren Grenzfrequenz variiert wird. Innerhalb des durch diese beiden Grenzfrequenzen bestimmten Frequenzbereichs liegt eine Hauptfrequenz, die von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Messsignals M und des Signalpfads (doppelte Länge der Sensorleitung 32) gemäß der Formel f_[MHZ] = 150 * v_r/d _[m] (siehe Formel oben) bestimmt wird. Allgemein liegt die Länge der Sensorleitung 32 im Bereich zwischen 5 m und 30 m und insbesondere im Bereich zwischen 15 und 25 m. Die Länge der Sensorleitung 32 liegt vorzugsweise allgemein um den Faktor 5 bis 15 über der Länge des Schlauchpakets 18. Die Länge des Schlauchpakets 18 wiederum liegt typischerweise im Bereich zwischen 0,5 und 3 m und insbesondere zwischen 1 m und 2 m.
In den 5A bis 5E sind unterschiedliche idealisierte Verläufe des Sensorsignals S bei einer unterschiedlichen Anzahl von Störstellen dargestellt. In den einzelnen Figuren ist die Amplitude gegenüber der Frequenz des Sensorsignals S aufgetragen. Das eingespeiste Wobbel-Signal wurde vorliegend beispielsweise im Bereich zwischen 0 und 400 MHz variiert.
Jeder Position einer Störstelle ist eine definierte Frequenz des reflektierten Sensorsignals S zugeordnet. Die Frequenz ist gemäß der obigen Formel eben abhängig von dem Abstand zwischen der Einspeisestelle und der Störstelle, an der der Signalanteil reflektiert wird.
Die 5A zeigt dabei eine Situation bei lediglich einer Störstelle. Die 5B zeigt die Situation bei zwei Störstellen, die 5C die Situation bei drei Störstellen, die 5D die Situation bei vier Störstellen und die 5E schließlich die Situation bei zehn Störstellen. Aufgrund der mehreren Störstellen entstehen mehrere, jeweils an den Störstellen reflektierte Signalanteile. Durch die räumliche Distanz der Störstellen findet ein Überlagern der Signalanteile statt (durch Phasenunterschied, bedingt durch Abstand ergibt sich ein gleichphasiges oder gegenphasiges Überlagern), so dass sich die dargestellten charakteristischen Spektren mit den Maxima und Nebenmaxima ergeben. Aufgrund dieses Überlagerns der Reflektionen wird das Sensorsignal mit zunehmender Anzahl an Störstellen deutlicher und prägnanter.
Speziell wird aus der Form des Sensorsignals, also speziell aus der Lage der Maxima und Minima, der Anzahl der Nebenmaxima pro Hauptmaximun sowie auch aus der Höhe der Signalpegel bei den Maxima sowie Minima beispielsweise auf Anzahl und Ausmaß der Störstellen, auf den Abstand der Störstellen zueinander und damit auch auf den Biegegrad geschlossen.
Das bei der Messung erhaltene Spektrum wird üblicherweise geprägt von der spezifischen, zu der Länge der Sensorleitung korrelierenden Frequenz. Daneben wird das Spektrum noch von weiteren spezifischen Frequenzen geprägt, die insbesondere zu weiteren Abständen korrelieren. Hierbei handelt es sich beispielsweise um die Abstände zu und von der ersten Störstelle oder zu weiteren Störstellen oder zwischen den Störstellen. Weiter wird das Spektrum auch geprägt durch mehrfache Reflexionen zwischen Störstellen oder zwischen Störstellen und dem Leiterende.
Allgemein wird mittels der Auswerteeinheit 26 anhand des empfangenen Sensorsignals S das Schlauchpaket 18 im Hinblick auf eine aktuelle Biegebelastung überprüft.
Diese Prüfung erfolgt vorzugsweise laufend während des Betriebs, wenn also der Industrieroboter 2 im Einsatz ist. Unter laufend wird hierbei insbesondere verstanden, dass eine jeweilige Messung, initiiert durch die Einspeisung des Messsignals M kontinuierlich erfolgt. Hierzu wird das Messsignal dauernd eingespeist wird, also beispielsweise wird das Wobbel-Signal über die unterschiedlichen Frequenzen ununterbrochen „durchgestimmt“. Alternativ hierzu erfolgt die Einspeisung in wiederkehrenden Zeitabständen, beispielsweise im Bereich von wenigen Sekunden. Oder im Bereich von Zehntel Sekunden. Durch dieses kontinuierliche Überwachen, wird eine Echtzeit-Überwachung während der Bewegungen und der Biegebeanspruchung des Schlauchpakets 18 ermöglicht.
Anhand des erfassten Sensorsignals S wird speziell ermittelt, an welchen Orten die Biegebelastung auftritt, in welcher Richtung das Schlauchpaket gebogen wurde und schließlich wie groß der Biegeradius ist. Anhand der Auswertungen lässt sich daher die tatsächliche Biegebeanspruchung des Schlauchpakets ermitteln, die dieses während des Betriebs erfährt.
Da mit dem Schlauchpaket 18 typischerweise regelmäßig wiederkehrende Prozesszyklen durchgeführt werden, kann daher weitgehend exakt der Verlauf der Biegebeanspruchung des Schlaupakets während eines solchen Prozesszyklus nachgebildet werden.
Anhand dieser Daten werden dann vorzugsweise Aussagen über die tatsächliche Belastung, den Verschleiß und eine mögliche Rest-Lebensdauer des Schlauchpakets 18 abgeleitet und insbesondere auch Empfehlungen beispielsweise für den Austausch des Schlauchpakets 18 abgegeben. Auch können dadurch frühzeitig Betriebssituationen erkannt werden, die zu einer unzulässigen Biegebelastung führen, sodass durch geeignete Warnungen rechtzeitig Maßnahmen ergriffen werden können.
In bevorzugter Ausbildung erfolgt die Auswertung der Daten D in einer Zentraleinheit 42, die als gemeinsame Auswerteeinheit 26 für mehrere zu überwachende Vorrichtungen, insbesondere zu überwachende Industrieroboter 2 bzw. zu überwachende Schlauchpakete 18 vorgesehen ist. Diese Situation ist in der 6 dargestellt. Die einzelnen Messeinheiten 24 der einzelnen zu überwachenden Einheiten, also der Schlauchpakete 18 der Industrieroboter 2, übermitteln ihre Daten D beispielsweise jeweils zunächst in eine Cloud, von wo sie dann über die Zentraleinheit 42 abgerufen und ausgewertet werden. Durch diese Maßnahme steht für die Zentraleinheit 42 eine sehr breite Datenbasis zur Verfügung. Aufgrund dieser breiten Datenbasis können dann Datenmodelle erstellt werden, welche die Belastung der Schlauchpakete 18 möglichst realitätsnah abbilden und somit wichtige Informationen beispielsweise für die zukünftige Entwicklung und Auslegung von weiteren Schlauchpaketen 18 zulässt.
Die Erfindung wurde vorliegend anhand des Beispiels des Schlauchpaketes 18 als das biegeelastische Element beschrieben, ist jedoch nicht auf die Anwendung bei einem Schlauchpaket 18 beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/086949 A1 [0015, 0031]

Claims

Überwachungssystem zur Überwachung der Biegebelastung zumindest eines im Betrieb auf Biegung beanspruchten strangförmigen Elements, welches aufweist - das strangförmige Element, das sich in einer Längsrichtung erstreckt und einen Mantel aufweist, in dem umfangsseitig zumindest abschnittsweise eine Ausnehmung eingebracht ist, - ein drucksensitives Sensorelement, welches in der Ausnehmung einliegt, und welches dazu ausgebildet ist, bei einer Druckbelastung ein Sensorsignal abzugeben, - eine lokale Messeinheit zum Empfangen des Sensorsignals, - eine Auswerteeinheit zum Auswerten des Sensorsignals im Hinblick auf eine Biegebeanspruchung des strangförmigen Elements auf Basis einer durch eine Biegung des Elements verursachten Druckbelastung des Sensorelements.
Überwachungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Ausnehmung als eine zumindest abschnittsweise wendelförmige Nut und das Sensorelement als eine Sensorleitung ausgebildet ist, die in der Nut einliegt und die einen Leiter aufweist, welcher von einem Dielektrikum umgeben ist, und die mit der lokalen Messeinheit verbunden ist.
Überwachungssystem nach Anspruch 2, wobei die lokale Messeinheit weiterhin ausgebildet ist zur Einspeisung eines Messsignals in die Sensorleitung und zum Empfang eines an einer Störstelle reflektierten Signalanteils des Messsignals, wobei der reflektierte Signalanteil das Sensorsignal bildet und wobei das Messsignal an der Störstelle zumindest teilweise infolge einer durch eine Biegung beanspruchten Druckbelastung des Dielektrikums reflektiert wird.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem es sich bei dem Mantel um einen Wellschlauch mit der wendeiförmigen Nut handelt.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in dem Mantel zumindest eine Versorgungsleitung geführt ist.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem es sich bei dem strangförmigen Element um ein Schlauchpaket für einen mehrachsigen Industrieroboter handelt.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und nach Anspruch 2, bei dem die Sensorleitung einen Außendurchmesser aufweist und die Nut eine Nutweite, wobei der Außendurchmesser an die Nutweite angepasst ist.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und nach Anspruch 2, bei dem das Dielektrikum elastisch verformbar ist und es sich insbesondere um ein geschäumtes Dielektrikum handelt.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und nach Anspruch 2, bei dem als Material für das Dielektrikum ein thermoplastischer Kautschuk, ein PUR, oder ein TPV verwendet ist.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und nach Anspruch 2, bei dem die Sensorleitung als Koaxialleitung ausgebildet ist.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und nach Anspruch 3, bei dem die Messeinheit zur Einspeisung eines Wobbel-Signals ausgebildet ist, zur Durchführung eines Frequenzreflektometrie-Verfahrens.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, anhand des Sensorsignals den Ort der Biegung zu identifizieren.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, anhand des Sensorsignals die Richtung der Biegung des Mantels zu bestimmen.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, anhand des Sensorsignals auf einen aktuellen Biegeradius zu schließen.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Auswerteinheit als eine Zentraleinheit ausgebildet ist, die beabstandet von der zu überwachenden Vorrichtung angeordnet ist und die zum Empfang des Sensorsignals ausgebildet ist.
Überwachungssystem nach Anspruch 15, bei dem mehrere zu überwachende Vorrichtungen mit der Zentraleinheit datentechnisch verbindbar sind und die Zentraleinheit zur Auswertung der Daten aus den mehreren zu überwachenden Vorrichtungen ausgebildet ist.
Biegeelastisches und im Betrieb auf Biegung beanspruchtes strangförmiges Element, welches sich in einer Längsrichtung erstreckt und das aufweist - einen Mantel, in dem umfangsseitig zumindest abschnittsweise eine Ausnehmung eingebracht ist, - ein drucksensitives Sensorelement, welches in der Ausnehmung einliegt, und welches dazu ausgebildet ist, bei einer Druckbelastung ein Sensorsignal abzugeben - eine lokale Messeinheit zum Empfangen des Sensorsignals und zur Übermittlung des Sensorsignals an eine Auswerteeinheit.
Biegeelastisches Element nach Anspruch 17, welches als ein Schlauchpaket ausgebildet ist, und das an einem Industrieroboter befestigt ist.