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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Greifsystem für Batteriemodule, einen Industrieroboter sowie ein Verfahren zum Montieren eines Batteriemoduls.
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Die in Rede stehenden Batteriemodule umfassen eine Vielzahl von miteinander elektrisch kontaktierten und verschalteten Batteriezellen, beispielsweise Lithiumionen-Zellen. Derartige Batteriemodule werden in Speichergehäusen angeordnet und dienen dort der Bereitstellung elektrischer Energie, beispielsweise zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Problematisch ist, dass derartige Batteriemodule sehr schwer sind. Hinzu kommt, dass die Batteriemodule in den Speichergehäusen äußerst exakt positioniert werden müssen bzw. die zur Verfügung stehenden Bauräume sehr knapp bemessen sind. In der Regel steht nicht genug Bauraum zur Verfügung, um mit handelsüblichen Greifelementen oder Greifvorrichtungen eine zuverlässige und schnelle Montage bzw. ggf. auch Demontage derartiger Batteriemodule in und aus Speichergehäusen zu ermöglichen. Die
DE 10 2012 012 819 A1 schlägt in diesem Zusammenhang eine Greifvorrichtung für Batteriemodule vor, wobei die Greifvorrichtung einen Querbalken mit einer Längserstreckungsrichtung, ein erstes Greifelement, das ein erstes Befestigungselement und eine erste Druckplatte umfasst, und ein zweites Greifelement, das ein zweites Befestigungselement und eine zweite Druckplatte umfasst, aufweist. Über die Druckplatten kann kraftschlüssig ein dazwischenliegendes Batteriemodul gegriffen werden. Die hierbei realisierbaren Taktzeiten sind aber eher hoch.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Greifsystem, einen Industrieroboter sowie ein Verfahren zum Montieren eines Batteriemoduls anzugeben, welche die bekannten Ansätze optimieren und insbesondere eine sehr hohe Flexibilität und kurze Taktzeiten ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Greifsystem gemäß Anspruch 1, durch einen Industrieroboter gemäß Anspruch 9 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Greifsystem für Batteriemodule eine Klemmvorrichtung und eine Haltevorrichtung, wobei die Klemmvorrichtung zum kraftschlüssigen Klemmen des Batteriemoduls ausgelegt ist, und wobei die Haltevorrichtung zum formschlüssigen Halten oder Fixieren des Batteriemoduls ausgelegt ist. Gemäß einer Ausführungsform ist das Greifsystem als Endeffektor einer maschinellen Vorrichtung, wie beispielsweise eines Industrieroboters, insbesondere eines Roboterarms, ausgebildet. Mit Vorteil ermöglicht das formschlüssige Halten und/oder Fixieren ein zuverlässiges und verliersicheres Greifen des Batteriemoduls. Besonders vorteilhaft ist die Kombination der Haltevorrichtung mit der Klemmvorrichtung, da die Klemmvorrichtung insbesondere hinsichtlich der benötigten Klemmflächen, welche am zu transportierenden Gegenstand, insbesondere dem Batteriemodul, vorhanden sein müssen, äußerst flexibel ist. Während für die Haltevorrichtung Geometriemerkmale vorhanden sein müssen, welche einen Formschluss ermöglichen, kann praktisch jede beliebige Geometrie über die Klemmvorrichtung geklemmt bzw. gegriffen werden. Eine sehr hohe Flexibilität ist damit gewährleistet.
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In einem Batteriemodul ist eine Vielzahl von Batteriezellen, umfassend Batteriezellengehäuse, angeordnet. Bevorzugte Batteriezellengehäuse weisen eine prismatische Form auf. Ebenso bevorzugt können die Batteriezellen Rundzellen sein. Auch Batteriezellen mit weichen bzw. flexiblen Gehäusen, wie Soft-Packs oder Pouchzellen sind bevorzugt verwendbar.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Klemmvorrichtung zwei gegenüberliegende Klemmelemente auf, welche zueinander zum Aufbringen des Kraftschlusses bzw. der Klemmkraft auf das Batteriemodul verfahrbar sind. Mit Vorteil sind die Klemmelemente ausgelegt und positioniert bzw. derart verfahrbar, dass sie auf zwei gegenüberliegende Seitenwände oder Seitenflächen des zu transportierenden Batteriemoduls wirken können. Dabei kann die Kraft, insbesondere die Klemmkraft, zweckmäßigerweise bedarfsgerecht angepasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist jedes Klemmelement zwei Klemmbacken auf. Bevorzugt umfasst jede Klemmbacke eine Klemmfläche, welche zum Zusammenwirken mit einer Seitenwand oder Seitenfläche des Batteriemoduls ausgelegt ist. Gemäß einer Ausführungsform sind die Klemmflächen flach bzw. eben ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform ist ein Abstand der Klemmbacken eines Klemmelements veränderbar ausgebildet, um eine größtmögliche Flexibilität bereitstellen zu können. Ein Abstand der Klemmbacken eines Klemmelements kann also zweckmäßigerweise an das Batteriemodul individuell angepasst werden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist jedes Klemmelement nur eine Klemmbacke auf. Weiter alternativ kann jedes Klemmelement auch mehr als zwei Klemmbacken aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Haltevorrichtung zwei gegenüberliegende Halteelemente auf, welche zueinander verfahrbar sind.
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Gemäß einer Ausführungsform weist jedes Halteelement ein erstes Greifelement und ein zweites Greifelement auf, welche zueinander zum Erzeugen des Formschlusses verfahrbar sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Greifelement insbesondere ein oberes Greifelement und das zweite Greifelement ein unteres Greifelement. Mit einer derartigen Konfiguration können zweckmäßigerweise zangenartig Laschen bzw. Vorsprünge an den Seitenwänden des Batteriemoduls gegriffen werden. Weiter bevorzugt sind die Greifelemente auch ausgelegt, das Batteriemodul beispielsweise über die gesamte Höhe zu greifen bzw. zu halten. Dies ermöglicht gemäß einer Ausführungsform das Halten bzw. das form- und kraftschlüssige Greifen des Batteriemoduls über die Druckplatten. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn keinen Laschen oder Zuganker etc. vorhanden oder zugänglich sind.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Halteelement Anschlagflächen zur Positionierung des Greifsystems auf. Gemäß einer Ausführungsform weist das erste Greifelement und/oder das zweite Greifelement zwei Anschlagflächen auf, welche zur Positionierung des Greifsystems ausgelegt sind. Gemäß einer Ausführungsform ist eine erste Anschlagfläche derart angeordnet bzw. orientiert, dass ein z-Wert gefunden werden kann. Die zweite Anschlagfläche ist beispielsweise derart angeordnet oder orientiert, dass ein x- oder y-Wert gefunden werden kann. Dabei entspricht der z-Wert beispielsweise einer Hochachse des Batteriemoduls, während der x-Wert oder der y-Wert einer Längsachse des Batteriemoduls entspricht. Die xy-Ebene entspricht einer Bodenfläche des Batteriemoduls bzw. ist parallel zu dieser angeordnet. Zweckmäßigerweise ist auch an der Klemmvorrichtung zumindest eine Anschlagfläche vorgesehen, wodurch die Lage des Batteriemodul bzw. des Greifsystems vollständig bestimmt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Verfahrrichtungen der Klemmvorrichtung mit der Haltevorrichtung in einem Winkel von 90° zueinander orientiert. Dies ermöglicht im Zusammenwirken mit dem Batteriemodul ein vollumfängliches Greifen und sicheres Halten desselben.
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Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest die Klemmvorrichtung bzw. sind insbesondere die Klemmelemente wechselbar ausgebildet. Dadurch kann die Flexibilität des Greifsystems noch weiter erhöht werden, insbesondere kann auf unterschiedlich große bzw. lange Batteriemodule reagiert werden.
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Die Erfindung betrifft auch einen Industrieroboter, wie beispielsweise einen Mehrachsroboterarm, welcher ein erfindungsgemäßes Greifsystem umfasst. Gemäß einer Ausführungsform ist der Industrieroboter als solches verfahrbar ausgebildet. Alternativ ist der Industrieroboter auch stationär, beispielsweise an einer Montagestation, festgelegt. Der Industrieroboter kann auch eine Handhabungseinrichtung, ein Handhabungsgerät, ein Handlingsystem, ein Handlingmodul, ein Balancer oder ein sonstiger Manipulator sein. In der Montagestation ist gemäß einer Ausführungsform ein Transportrahmen oder ein Transportgestell, umfassend ein oder mehrere Batteriemodule, angeordnet oder zwischengelagert. Bevorzugt wird mittels des Roboters, umfassend das Greifsystem, ein ebenfalls im Bereich der Montagestation befindliches Hochvoltspeichergehäuse bestückt. Vorteilhafterweise können hierbei durch den Aufbau des Greifsystems extrem kurze Taktzeiten realisiert werden. Der dabei zugrunde liegende Verfahrensablauf wird nachfolgend beschrieben.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Montieren eines Batteriemoduls, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Greifsystem, die Schritte:
- - Bereitstellen eines Batteriemoduls, wobei das Batteriemodul eine Bodenfläche sowie Seitenflächen aufweist;
- - Kraftschlüssiges Greifen des Batteriemoduls an zwei Seitenflächen und vertikales Anheben, bis eine erste Position erreicht ist;
- - Formschlüssiges, insbesondere form- und kraftschlüssiges, Greifen des Batteriemoduls an zwei Seitenflächen und Verfahren des Batteriemoduls von der ersten Position in eine zweite Position, wobei die zweite Position über einer Endposition liegt;
- - Lösen des Formschlusses, insbesondere des Form- und Kraftschlusses, und vertikales Absenken in eine Endposition.
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Mit Vorteil wird das bzw. werden die Module initial kraftschlüssig gegriffen und um eine gewisse Höhe, beispielsweise 20 cm, angehoben. Im angehobenen Zustand erfolgt dann das form- bzw. form- und kraftschlüssige Greifen. Dieses ermöglicht insbesondere das dynamische Umsetzen bzw. Verlagern der Batteriemodule. Beim Absetzen der Batteriemodule, beispielsweise in einem Hochvoltspeicher, wird der Formschluss über der Ablageposition gelöst und das Modul rein kraftschlüssig abgelassen bzw. eingehoben. Das rein kraftschlüssige Greifen bzw. Klemmen hat dabei den Vorteil, dass die Klemmelemente so gestaltet werden können, dass sie wenige Bauraum beanspruchen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Batteriemodul stirnseitig Druckplatten auf, welche über Zuganker verspannt sind. Bevorzugt umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Kraftschlüssiges Klemmen des Batteriemoduls über die Druckplatten;
- - Formschlüssiges, insbesondere form- und kraftschlüssiges, Halten an den Zugankern.
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Zweckmäßigerweise werden die Batteriemodule oder wird das Batteriemodul initialkraftschlüssig über die Druckplatten gegriffen und angehoben, bis die erste Position erreicht ist. Im angehobenen Zustand liegen die Zuganker der Batteriemodule frei und können zweckmäßigerweise formschlüssig umgriffen werden. Dies ermöglicht das dynamische Handling der Module.
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Die Skalierung der Modullänge erfolgt bevorzugt über bewegliche Klemmelemente bzw. Klemmbacken. In der Realität weisen unterschiedliche Batteriemodule außenseitig, d. h. insbesondere beispielsweise an den Seitenwänden, unterschiedliche Störkonturen auf. Um hier nicht auf unterschiedliche Greifsysteme angewiesen sein zu müssen, umfasst das Greifsystem zweckmäßigerweise eine Vielzahl von unterschiedlichen Sets von Klemmelementen, welche ausgelegt sind, diesen Störkonturen bzw. unterschiedlichen Modulgeometrien zu begegnen. Zweckmäßigerweise können diese automatisch gerüstet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind auch mehrere Sets von Halteelementen vorgesehen, welche ebenfalls, bevorzugt auch automatisch, getauscht werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Batteriemodul stirnseitig Druckplatten auf, welche über Zuganker verspannt sind. Bevorzugt umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Kraftschlüssiges Klemmen des Batteriemoduls über die Druckplatten;
- - Formschlüssiges, insbesondere form- und kraftschlüssiges, Halten an den Druckplatten.
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Das Modul wird dabei über die Stirnseiten der Druckplatten kraftschlüssig gespannt und bevorzugt in x-Richtung ausgerichtet. Eine Ausrichtung des Greifers in z-Richtung erfolgt z. B. über die vier Ecken der Druckplatten, an welchen die oberen Greifelemente ansetzen. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Halteelemente können in der Folge die Druckplatten formschlüssig, insbesondere form- und kraftschlüssig, gehalten werden.
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Die Hochvoltspeicher bzw. auch Transportbehälter für die Batteriemodule weisen eine nur sehr geringe Montageumluft auf. Zweckmäßigerweise umfasst das Greifsystem und/oder der Industrieroboter ein Kamerasystem, welches zur Positionierung des Greifsystems ausgelegt ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Ausführungsform von Greifsystemen bzw. Bestandteilen davon mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls in zwei Ansichten;
- 2: ein schematisch dargestellter Verfahrensablauf beim Greifen eines Batteriemoduls;
- 3: eine Detailansicht einer Ausführungsform eines Halteelements;
- 4: zwei schematische Ausführungsformen von Klemmelementen.
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1 zeigt in zwei Ansichten ein Batteriemodul 10. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um ein quaderförmiges Gebilde, in welchem eine Vielzahl von Einzelzellen (hier nicht dargestellt) angeordnet ist. Zur besseren Orientierung ist ein xyz-Koordinatensystem eingezeichnet. Eine Bodenfläche 18 des Batteriemoduls 10 liegt in einer xy-Ebene. Eine Länge des Batteriemoduls erstreckt sich entlang einer y-Achse des Koordinatensystems. An den beiden kleinen Stirnflächen des Batteriemoduls 10 sind zwei Druckplatten 12 angeordnet, über welche die Energiespeicherzellen in Position gehalten werden. An den langen Seitenflächen sind Zuganker 14 vorgesehen, wobei die Zuganker 14 jeweils Laschen 16 aufweisen, welche seitlich von den Seitenwänden abstehen, vgl. hierzu insbesondere die linke Bildhälfte. Das Handhaben des Batteriemoduls 10 ist in der 2 beschrieben.
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2 zeigt drei schematische Ansichten von Batteriemodulen 10. In der linken Bildhälfte ist eine Draufsicht auf das Batteriemodul 10 zu sehen, wobei die seitlich abstehenden Laschen 16 der Zuganker ersichtlich sind. Dargestellt sind weiter Klemmelemente 22 sowie Halteelemente 42, welche ausgelegt und vorgesehen sind, die Laschen 16 formschlüssig zu greifen. Zunächst werden allerdings zweckmäßigerweise die Klemmelemente 22, wie durch die Pfeile skizziert, auf die Stirnflächen des Batteriemoduls verfahren, insbesondere derart, dass auf das Batteriemodul 10 bzw. bevorzugt auf die dort angeordneten Druckplatten, vgl. beispielsweise die 1, ein Kraftschluss aufgebracht wird. In einem nächsten Schritt folgt ein Anheben des Batteriemoduls 10 entlang der z-Richtung, vorliegend sozusagen aus der Zeichenebene heraus. In der mittleren Bildhälfte befindet sich das Batteriemodul 10 in der angehobenen Position. Zweckmäßigerweise werden nun die Halteelemente 42 auf die Laschen 16 verfahren, wobei sie diese formschlüssig umgreifen. Nun ist das Batteriemodul zweckmäßigerweise formschlüssig bzw. form- und kraftschlüssig gehalten und kann mit hoher Dynamik verfahren werden. In der rechten Bildhälfte ist der Zustand des formschlüssigen Haltens mittels der Halteelemente 42 in einer weitere Ansicht dargestellt. Insbesondere ist zu erkennen, dass die Halteelemente 42 jeweils ein erstes bzw. oberes Greifelement 44 und ein zweites bzw. unteres Greifelement 46 umfassen, zwischen welchen die Laschen 16 formschlüssig gegriffen werden. Weiter ist das Klemmelement 22 zu erkennen, wie es auf eine Seitenfläche des Batteriemoduls 10 wirkt. Die Verfahrrichtungen der Halteelemente 42 bzw. der Klemmelemente 22 sind senkrecht zueinander orientiert. Zweckmäßigerweise werden also alle Seitenflächen des Batteriemoduls 10 in das Handling mit einbezogen. Alternativ können aber auch nur zwei gegenüberliegende Seitenflächen verwendet werden. So kann je nach Ausgestaltung des Batteriemoduls 10 an einer Seitenfläche sowohl ein Formschluss als auch ein rein kraftschlüssiges Halten erfolgen.
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3 zeigt in einer weiteren schematischen Ansicht eine Ausführungsform eines Halteelements 42. Das Halteelement 42 umfasst ein erstes Greifelement 44 sowie ein zweites Greifelement 46, welche, wie durch die Pfeile dargestellt, zueinander verfahren werden können, wodurch ein Gegenstand formschlüssig gehalten bzw. gegriffen werden kann. Das zweite Greifelement umfasst in der hier dargestellten Ausführungsform eine erste Anschlagfläche 51 und eine zweite Anschlagfläche 52. Über diese kann eine Positionierung des Greifsystems erfolgen. Vorliegend wird beispielsweise mit der zweiten Anschlagfläche 52 eine Seitenfläche des Batteriemoduls 10 kontaktiert und mit der ersten Anschlagfläche 51 eine Lasche 16, welche von dem Batteriemodul 10 absteht. Damit kann sowohl in z-Richtung, als auch in x-Richtung eine Position festgelegt werden. Zweckmäßigerweise kann über ein hier nicht gezeigtes Klemmelement 22 eine Positionierung in y-Richtung erfolgen.
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4 zeigt zwei zueinander orientierte Ausführungsformen von Klemmbacken 24, welche, wie durch die Pfeilrichtungen skizziert, zueinander verfahren werden können, um einen Gegenstand, wie insbesondere ein Batteriemodul, kraftschlüssig zu halten oder zu klemmen. Zweckmäßigerweise umfasst ein Klemmelement 22 zwei derartige Klemmbacken 24. Vorliegend sind beispielsweise entlang der x-Richtung hintereinander zwei Klemmbacken 24, fluchtend, angeordnet. Das Klemmen bzw. das kraftschlüssige Halten erfolgt zweckmäßigerweise über Klemmflächen 28. Zweckmäßigerweise sind Aussparungen oder Ausnehmungen 26 vorgesehen, um auf etwaige Störkonturen reagieren zu können. Zweckmäßigerweise sind die Klemmbacken 24 wechselbar ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind unterschiedliche Sätze von Klemmelementen 22 bzw. Klemmbacken 24 vorgesehen, um unterschiedlich ausgebildete Batteriemodule handhaben zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriemodul
- 12
- Druckplatte
- 14
- Zuganker
- 16
- Lasche
- 18
- Bodenfläche
- 22
- Klemmelement
- 24
- Klemmbacke
- 26
- Ausnehmung, Aussparung
- 28
- Klemmfläche
- 42
- Halteelement
- 44
- erstes Greifelement, oberes Greifelement
- 46
- zweites Greifelement, unteren Greifelement
- 51
- erste Anschlagfläche
- 52
- zweite Anschlagfläche
- x, y, z
- Koordinatensystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012012819 A1 [0002]
