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Die Erfindung betrifft eine Greifervorrichtung zum umfänglichen und radialen Positionieren einer Mehrzahl an Kupferstäben um eine Mittelachse M, die eine Axialrichtung beschreibt, wobei die Kupferstäbe im Wesentlichen U-förmig mit einem ersten Schenkelabschnitt, einem zweiten Schenkelabschnitt und einem beide Schenkelabschnitte verbindenden Querabschnitt ausgeformt sind. Weiterhin wird ein Verfahren zum umfänglichen und radialen Positionieren einer Mehrzahl an Kupferstäben beschrieben.
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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 Länge dieses Querabschnittes bestimmt die sogenannte Spannweite des Kupferstabes, die demnach den Abstand der beiden Schenkelabschnitte zueinander angibt. Die beiden Schenkelabschnitte sind im montierten Zustand der Kupferstäbe in die Aufnahmenuten des Statorelements bzw. Rotorelements eingeführt. Die beschriebene Biegung beziehungsweise Form des Kupferstabes bedingt, dass in einer Axialansicht betrachtet die beiden Schenkelabschnitte parallel zu der Mittelachse M in den Aufnahmenuten einsitzen, allerdings auf unterschiedlichen Durchmesser bezogen auf die Mittelachse M. Dadurch, dass die beiden Schenkelabschnitte eines Kupferstabes auf unterschiedlichen Durchmessern liegen, kommt es zu einer Überlappung von benachbart in das Statorelement bzw. Rotorelement eingeführten Kupferstäben. Um für die herzustellende elektrische Maschine unterschiedliche Schaltbilder realisieren zu können, werden Kupferstäbe mit unterschiedlichen Spannweiten oder Kupferstäbe mit einheitlichen Spannweiten verwendet. Allerdings gilt grundsätzlich, dass die Spannweiten ein Vielfaches der umfänglichen Abstände - bezogen auf die Mittelachse M - des Statorelements bzw. Rotorelements - der Aufnahmenuten betragen.
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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
US 1 555 931 A die beschreibt. Weiterhin ist in der
US 1 661 344 A 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 die zuvor beschriebene 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. Als gattungsgemäßer Stand der Technik ist die
US 5 704 114 A zu nennen. Hierin ist eine Eindrehvorrichtung zum Eindrehen der Kupferstäbe zu einem Korb gezeigt, wobei die Kupferstäbe der Eindrehvorrichtung über eine Magazineinheit präsentiert werden, in der die Kupferstäbe radial aufgefächert einsitzen.
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Insgesamt ergibt sich bei dem Montageprozess das Erfordernis einer mit jedem Montageschritt steigenden Positionsgenauigkeit der Kupferstäbe. Grundsätzlich ergibt sich ein Zielkonflikt daraus, dass die Kupferstäbe beginnend mit ihren freien Enden der Schenkelabschnitte in die Nuten eines Statorelements bzw. Rotorelements eingeführt werden müssen und zwar mit einer Genauigkeit im Bereich von 0,1mm bis 0,2mm. Dem steht allerdings gegenüber, dass die Kupferstäbe zu Beginn des Montageprozesses lediglich über die verhältnismäßig maßgenauen Querabschnitte gegriffen bzw. positioniert werden können. Ein Greifen bzw. Positionieren der Kupferstäbe kann zu Beginn des Montageprozesse nicht über die freien Enden der Kupferstäbe, da die freien Enden fertigungs- und materialbedingt eine relativ große Maßtoleranz aufweisen und ein Greifen mittels eines Handhabungsgerätes nicht ausreichend prozesssicher wäre.
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Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Greifervorrichtung bereitzustellen, mit der eine Übergabe der vorpositionierten Kupferstäbe an die Positioniervorrichtung bei einer Steigerung der Positionsgenauigkeit der Kupferstäbe erfolgen kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Greifervorrichtung zum umfänglichen und radialen Positionieren einer Mehrzahl an Kupferstäben um eine Mittelachse M, die eine Axialrichtung beschreibt, wobei die Kupferstäbe im Wesentlichen U-förmig mit einem ersten Schenkelabschnitt, einem zweiten Schenkelabschnitt und einem beide Schenkelabschnitte verbindenden Querabschnitt ausgeformt sind, mit einem zu der Mittelachse M rotationssymmetrischen Haltekäfig, wobei der Haltekäfig zwei auf unterschiedlichen Radien bezüglich der Mittelachse M umfänglich angeordnete Aufnahmestrukturen aufweist, um über eine der Aufnahmestrukturen einen radial inneren Schenkelabschnitt und über die andere der Aufnahmestrukturen einen radial äußeren Schenkelabschnitt von der Greifervorrichtung präsentierten Kupferstäben aufzunehmen.
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Die erfindungsgemäße Greifervorrichtung schafft prozesstechnisch die Verbindung zwischen der aufgefächerten Anordnung während der Vorpositionierung, währenddessen die Kupferstäbe in einem entsprechenden Werkstückträger an ihren Querabschnitten gehalten sind, und dem als Positionierung bezeichneten Verfahrensschritt, in dem die Kupferstäbe in die überlappende Position gebracht werden bzw. die Kupferstäbe zu einem Korb zusammengestellt werden. Insbesondere über die Aufnahmestrukturen ist es in vorteilhafterweise möglich, die im Bereich der Querstege über die Vorpositionierung erreichte Positionsgenauigkeit auf die freien Enden der Kupferstäbe zu übertragen. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Aufnahmestrukturen die Schenkelabschnitte der Kupferstäbe sowohl positionieren als auch fixieren. In einer einfachsten Ausgestaltung ist die Greifervorrichtung als passives Werkzeug ausgeführt, das in der Lage, lediglich über eine Eigenbewegung relativ zu dem Werkstückträger der Vorpositionierung die aufgefächerten Kupferstäbe aufzunehmen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die beiden Aufnahmestrukturen in radialer Richtung bezüglich der Mittelachse M einander zugewandt angeordnet sind. Bevorzugt ist die eine Aufnahmestruktur auf einem Außenumfang des Haltekäfigs und die andere Aufnahmestruktur auf einem Innenumfang der Aufnahmestruktur angeordnet. Die Kupferstäbe werden folglich zwischen die beiden Aufnahmestrukturen mit dem eine Schenkelabschnitt in die eine Aufnahmestruktur und mit dem jeweils anderen Schenkelabschnitt in die andere Aufnahmestruktur eingesteckt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die beiden Aufnahmestrukturen jeweils mehrere, in ihrer Anzahl miteinander korrespondierende und parallel zu der Axialrichtung ausgerichtete Aufnahmenuten aufweisen. In die Aufnahmenuten können die Kupferstäbe einfach eingefahren werden und hiernach sicher gehalten werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in dem Haltekäfig ein drehbares Verriegelungselement angeordnet ist, um über das Verriegelungselement eine Bewegung, insbesondere eine Bewegung in Axialrichtung, von Kupferstäben in den Aufnahmestrukturen zu unterbinden. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn die die Maßabweichung der Kupferstäbe, insbesondere der Schenkelabschnitte, relativ gering ist, so dass die Kupferstäbe lediglich mit einer geringen Klemmkraft in den Aufnahmestrukturen einsitzen. Die Bestätigung des Verriegelungselements kann zweckmäßigerweise pneumatisch erfolgen, wobei auch eine elektromotorische Betätigung vorgesehen sein kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verriegelungselement als ein um die Mittelachse M drehbarer und in einer Axialebene angeordneter Ring ausgebildet ist. Dieser kann platzsparend in einem oberen Bereich des Haltekäfigs angeordnet sein.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verriegelungselement in Axialrichtung weisende und bezüglich der radialen Richtung zwischen den Aufnahmestrukturen angeordnete Haken ausbildet. Über jeden dieser Haken kann ein Kupferstab eingehakt werden, so dass die Kupferstäbe unbeweglich in den Aufnahmestrukturen gehalten werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in dem Haltekäfig ein Ausstoßelement zur Beaufschlagung von in den Aufnahmestrukturen aufgenommenen Kupferstäben in Axialrichtung angeordnet ist. Über das Ausstoßelement wird sichergestellt, dass der Haltekäfig, nachdem die freien Enden der Kupferstäbe in der nachfolgenden Positioniervorrichtung abgesetzt wurden, unter Gegenhaltung der Kupferstäbe von diesen abgezogen werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Ausstoßelement in Axialrichtung zwischen den Aufnahmestrukturen beweglich angeordnet ist. Hierdurch kann das Ausstoßelement ebenfalls platzsparend in einem oberen Bereich des Haltekäfigs angeordnet werden.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum umfänglichen und radialen Positionieren einer Mehrzahl an Kupferstäben mittels einer Greifervorrichtung wie beschrieben, bei dem die Kupferstäbe mit dem Querabschnitt zuvorderst in den Aufnahmestrukturen des Haltekäfigs aufgenommen werden und anschließend mit den freien Enden der Schenkelabschnitte der Kupferstäbe zuvorderst in einer Positioniervorrichtung abgesetzt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Kupferstäbe nach dem Aufnehmen in den Aufnahmestrukturen des Haltekäfigs zumindest während einer durch den Haltekäfig zurückgelegten Transportstrecke innerhalb des Haltekäfigs verriegelt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Kupferstäbe nach dem Absetzen der freien Enden in der Positioniervorrichtung über eine Relativbewegung zwischen dem Haltekäfig und einem Ausstoßelement aus den Aufnahmestrukturen entnommen werden.
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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;
- 2a), 2b) eine erfindungsgemäße Greifervorrichtung als Teil des Ablaufs gemäß 1;
- 3a), 3b) Detaillierungen der Greifervorrichtung gemäß der 2a), 2b) und
- 4 eine weitere Darstellung der Greifervorrichtung.
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Die 1 zeigt eine exemplarische und nur schematisch dargestellte Montageanlage 100 und einen hiermit möglichen Montageablauf für eine Mehrzahl an Kupferstäben 2. Hierbei ist dem dargestellten Montageablauf das Biegen und Ablängen 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 werden zunächst in einer Vereinzelungsstation 102 einzeln im Bereich ihrer Querabschnitte gegriffen und auf dem nachfolgenden Werkstückträger 104 abgehangen. Auch das Hängen an dem Werkstückträger erfolgt bevorzugt über den jeweiligen Querabschnitt. Vor dem Abhängen des jeweils nächsten Kupferstabs 2 dreht sich der Werkstückträger 104 um ein bestimmtes Maß weiter, so dass der nächste Kupferstab 2 benachbart zu dem vorhergehenden abgehangen wird. Prinzipiell kann auch vorgesehen sein, dass die Vereinzelungsstation 102 derart beweglich ausgeführt ist, dass sie den nächsten Kupferstab 2 neben den vorhergehenden hängt. Die Kupferstäbe 2 werden auf dem Werkstückträger 104 in einer aufgefächerten Ausrichtung zueinander gehangen. Nachdem die Vereinzelungsstation 102 den Werkstückträger 104 komplett, d.h. umfänglich, mit Kupferstäben 2 bestückt hat, werden der Werkstückträger 104 und die erfindungsgemäße, im Ablauf nachfolgende Greifervorrichtung 10 vertikal fluchtend zueinander angeordnet, so dass die Greifervorrrichtung 10 die Kupferstäbe 2 aufnehmen kann. Hierzu wird anhand der nachfolgenden Figuren eine detailliierte Beschreibung geliefert. Von der Greifervorrichtung 10 werden die Kupferstäbe 2 einer Positioniervorrichtung 106 übergeben. Über die Positioniervorrichtung 106 werden die Kupferstäbe 2 von der bis dahin aufgefächerten Anordnung in die überlappende Anordnung gebracht, d.h. über die Positioniervorrrichtung 106 werden die Kupferstäbe 2 zu einem Korb zusammengedreht. Anschließend werden die zu einem Korb zusammengedrehten Kupferstäbe 2 von einem Montagegreifer 108 aus der Positioniervorrichtung 106 entnommen und in die Nuten einen Statorelements bzw. Rotorelements 110 eingeführt.
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Die 2 zeigt die erfindungsgemäßen Greifervorrichtung 10 und zwar in 2a) ohne aufgenommene Kupferstäbe 2 und in 2b) mit aufgenommenen Kupferstäben 2. Die 2a) und 2b) werde nachfolgend gemeinsam beschrieben werden. Dargestellt ist ein Schnitt durch den Haltekäfig 12 entlang der Mittelachse M. Die Greifervorrichtung 10 umfasst zunächst einen Haltekäfig 12, der im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Mittelachse M ausgebildet ist. Die Mittelachse M definiert die Axialrichtung der Greifervorrichtung 10. Weiterhin ist der Haltekäfig aus einem äußeren Zylinder 40 und einem in diesem angeordneten inneren Zylinder 42 zusammengesetzt. Hierbei ist auf einem Innenumfang des äußeren Zylinders 40 eine erste Aufnahmestruktur 141 zum Halten der nach außen orientierten Schenkelabschnitte der Kupferstäbe 2 und auf einem Außenumfang des inneren Zylinders 42 eine zweite Aufnahmestruktur 142 zum Halten der nach innen orientierten Schenkelabschnitte der Kupferstäbe 2 angeordnet. Die beiden Aufnahmestrukturen 141 und 142 sind folglich auf zwei unterschiedlichen Radien bezüglich der Mittelachse M umfänglich angeordnet.
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In einer bevorzugten und hier dargestellten Ausgestaltung weisen die Aufnahmestrukturen 141 , 142 jeweils Aufnahmenuten 161 , 162 ,... auf, die parallel zu der Axialrichtung verlaufen. Die Aufnahmenuten 161 , 162 ,... verlaufen demnach umfänglich benachbart zueinander auf dem Innenumfang des äußeren Zylinders 40 und auf dem Außenumfang des inneren Zylinders 42. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn jede Aufnahmenut 161 , 162 ,... an dem Ende, an dem die Kupferstäbe 2 beginnend eingefahren werden, eine Einführfase 181 , 182 ,... aufweist. Dieses Ende der Aufnahmenuten 161 , 162 ,... ist vorliegend unten dargestellt.
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In einem oberen Bereich des Haltekäfigs 12, bevorzugt oberhalb der Aufnahmestrukturen 141 , 142 , ist ein drehbares Verriegelungselement 20 angeordnet, um über das Verriegelungselement 20 eine Bewegung, insbesondere eine ungewollte Bewegung in Axialrichtung, von Kupferstäben 2 in den Aufnahmestrukturen 141 , 142 zu unterbinden. Bevorzugt ist das Verriegelungselement 20 als ein um die Mittelachse M drehbarer und in einer Axialebene angeordneter Ring ausgebildet.
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Ebenfalls in dem oberen Bereich des Haltekäfigs 12 ist ein Ausstoßelement 30 zur Beaufschlagung von in den Aufnahmestrukturen 141 , 142 aufgenommenen Kupferstäben 2 in Axialrichtung angeordnet.
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Die 3a) und 3b) zeigen jeweils eine Detaillierung des oberen Bereichs des Haltekäfigs 12. Dargestellt ist ein Schnitt durch den Haltekäfig 12 entlang der Mittelachse M. In der 3a) ist das Verriegelungselement 20 in einer bezüglich der Kupferstäbe 2 entriegelten Stellung dargestellt. In dieser Stellung greifen Haken 22 des ringförmigen Verriegelungselements 20 nicht unter die Querabschnitte der Kupferstäbe, so dass die Kupferstäbe 2 prinzipiell nach unten aus den Aufnahmestrukturen 141 , 142 entnommen werden können. Die 3b) zeigt das Verriegelungselement 20 in einer bezüglich der Kupferstäbe 2 verriegelten Stellung, in der die Haken 22 jeweils unter den Querabschnitt jedes Kupferstabs 2 greifen. In dieser verriegelten Stellung sind die Kupferstäbe 2 formschlüssig über das Verriegelungselement 20 in dem Haltekäfig 12 gehalten. Außerdem lassen die 3a) und 3b) die Aufnahmenuten 161 auf dem Innenumfang des äußeren Zylinders 40 erkennen. Die Aufnahmenuten 162 auf dem Außenumfang des inneren Zylinders 40 sind entsprechend ausgebildet.
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Die 4 zeigt die Greifervorrichtung 10 in einer Stellung, in der die zuvor innerhalb des Haltekäfigs 12 aufgenommenen Kupferstäbe 2 über das Ausstoßelement 30 aus dem Haltekäfig 12 ausgefahren wurden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass es sich bei dem Ausstoßelement 30 rein kinematisch betrachtet um ein Gegenhalteelement handelt, denn die in dem Haltekäfig 12 aufgenommenen Kupferstäbe 2 werden zunächst mit ihren freien Enden 4 in der verfahrensmäßig nachfolgenden Positionierungsvorrichtung abgesetzt und anschließend wird unter Gegenhaltung der Kupferstäbe 2 über das Ausstoßelement 30 der Haltekäfig 12 relativ zu den Kupferstäben 2 nach oben abgezogen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kupferring
- 10
- Greifervorrichtung
- 12
- Haltekäfig
- 14
- Aufnahmestruktur
- 16
- Aufnahmenut
- 18
- Einführfase
- 20
- Verriegelungselement
- 22
- Haken
- 30
- Ausstoßelement
- 100
- Montageanlage
- 102
- Vereinzelungsstation
- 104
- Werkstückträger
- 106
- Positioniervorrichtung
- 108
- Montagegreifer
- M
- Mittelachse
