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Die Erfindung betrifft zunächst einen Rohrroboter mit einem Fahrkörper, Rädern zum Verfahren des Rohrroboters in einem Rohr in einer Längsrichtung des Rohrs, einem Werkzeugarm an einem Kopfende des Fahrkörpers, einem Rotierantrieb zwischen dem Fahrkörper und dem Werkzeugarm zum Schwenken des Werkzeugarms um einen Rotationswinkel um eine Längsachse des Fahrkörpers und einem Hubantrieb zwischen dem Rotierantrieb und dem Werkzeugarm zum Schwenken des Werkzeugarms um einen Hubwinkel gegen die Längsachse, einer Werkzeugaufnahme an einem freien Ende des Werkzeugarm und einem Werkzeug an der Werkzeugaufnahme zum Bearbeiten des Rohrs. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Steuern eines solchen Rohrroboters.
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Ein solcher Rohrroboter und ein solches Verfahren sind aus
WO 2012/031731 A1 bekannt. In dem bekannten Rohrroboter ist der Rotierantrieb eine von einem Gleichstrommotor angetriebene Schnecke und der Hub sowie der Antrieb einer gegen den Werkzeugarm schwenkbaren Werkzeugaufnahme erfolgt hydraulisch. Außerdem weist der bekannte Rohrroboter einen mit einem Luftmotor angetriebenen Fräskopf auf.
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Durch den Antrieb mit Gleichstrommotoren ist der Rotationswinkel zwischen Fahrkörper und Werkzeugarm des bekannten Rohrroboters abhängig von der Last im jeweiligen Betriebspunkt. Die Lage des Werkzeugarms und der Werkzeugaufnahme lässt sich daher nicht unmittelbar aus der Antriebsenergie bestimmen oder über die Antriebsenergie steuern. Der bekannte Rohrroboter weist daher an dem Rotierantrieb und an dem Hubantrieb Winkelsensoren auf, anhand derer der Rotierantrieb und der Hubantrieb und damit die Lage des Werkzeugarms gesteuert werden. An dem Fahrkörper und dem Werkzeugarm weist der bekannte Rohrroboter zudem Lagesensoren aus je drei Beschleunigungssensoren auf mit zueinander senkrechten Messrichtungen. Diese Lagesensoren bestimmen die Lage des Fahrkörpers und des Werkzeugarms in jeder der Messrichtungen mit höchster Genauigkeit, wenn sie gegen diese um etwa 45° geneigt sind. Mit zunehmender Abweichung von dieser Position sinkt die Messgenauigkeit und damit die Zuverlässigkeit der Lagesteuerung.
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Im Hintergrund der Erfindung offenbart
DE 10 2019 104 284 A1 einen Rohrroboter mit einem Lagesensor an einer am Werkzeugarm angebrachten Kamera.
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Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lagesteuerung zu vereinfachen.
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Lösung
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Ausgehend von dem bekannten Rohrroboter wird nach der Erfindung vorgeschlagen, an dem Rohrroboter mindestens einen Signalerzeuger vorzusehen zum Erzeugen von einer zu dem Rotationswinkel und/oder einer zu dem Hubwinkel proportionalen Anzahl von elektrischen Impulsen und mindestens einen Impulszähler zum Zählen der Impulse. Durch die Proportionalität wird jeder Rotationswinkel bzw. Hubwinkel mit gleichbleibender Messgenauigkeit bestimmt. Das Erzeugen und Zählen von Impulsen ist technisch deutlich weniger aufwändig als die analoge Winkelmessung in dem bekannten Rohrroboter.
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Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäßer Rohrroboter einen Schwenkantrieb auf zwischen dem freien Ende und der Werkzeugaufnahme zum Schwenken der Werkzeugaufnahme um eine quer zu dem Werkzeugarm verlaufende Schwenkachse. Rohrroboter mit schwenkbarer Werkzeugaufnahme sind allgemein bekannt und erlauben insbesondere die Verwendung von im Verhältnis zum Durchmesser des Rohrs großen Werkzeugen.
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Vorzugsweise weist ein solcher erfindungsgemäßer Rohrroboter einen weiteren Signalerzeuger auf zum Erzeugen einer weiteren, zu einem Schwenkwinkel der Werkzeugaufnahme um die Schwenkachse proportionalen Anzahl von weiteren elektrischen Impulsen und einen weiteren Impulszähler zum Zählen der weiteren Impulse. In einem solchen erfindungsgemäßen Rohrroboter wird auch jeder Schwenkwinkel mit gleichbleibender Messgenauigkeit bestimmt.
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Vorzugweise weist an einem erfindungsgemäßen Rohrroboter das Werkzeug einen um eine Werkzeugachse rotierbar gelagerten Fräskopf auf und einen Fräsantrieb zum Rotieren des Fräskopfes um die Werkzeugachse. Rohrroboter mit Fräskopf sind allgemein bekannt und erlauben insbesondere das Öffnen von Einläufen nach dem Anbringen eines Liners in einem Rohr.
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Vorzugsweise ist der Rotierantrieb, der Hubantrieb, der Schwenkantrieb und/oder der Fräsantrieb eines erfindungsgemäßen Rohrroboters ein Elektromotor. Elektromotore stehen am Markt in großer Vielfalt und kostengünstig zur Verfügung.
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Weiter vorzugsweise kommen in einem solchen erfindungsgemäßen Rohrroboter bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) mit Hall-Sensoren zum Einsatz. Die mindestens zwei (in der Regel drei) in solche BLDC-Motoren integrierten Hall-Sensoren sind zur erfindungsgemäßen Nutzung als Signalerzeuger geeignet. Jeder Hall-Sensor erzeugt einen elektrischen Impuls, wenn einer der Magnetpole des Motors an ihm vorbeiläuft. Diese Impulse werden gezählt und durch die Untersetzung eines zwischengeschalteten Getriebes oder eines Schneckenantriebs geteilt, um den betreffenden Rotations-, Hub- oder Schwenkwinkel zu bestimmen. Aus den Impulsen eines zweiten Hall-Sensors mit bekannter Phasenlage zu dem ersten Hall-Sensor lässt sich die Drehrichtung des jeweiligen Antriebs bestimmen.
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Alternativ können in einem erfindungsgemäßen Rohrroboter Inkrementalgeber als Signalerzeuger zum Einsatz kommen. Inkrementalgeber zur Erfassung von Winkeländerungen sind allgemein bekannt.
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In einem erfindungsgemäßen Rohrroboter können alle Bewegungen elektrisch angetrieben werden. Ein solcher erfindungsgemäßer Rohrroboter benötigt keine Hydraulik und kann dadurch konstruktiv deutlich einfacher gehalten werden.
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Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäßer Rohrroboter einen Lagesensor an dem Fahrkörper, an dem Werkzeugarm, und/oder an der Werkzeugaufnahme auf. Die Verwendung von Lagesensoren zum Erfassen der absoluten Lage des Fahrkörpers, des Werkzeugarms und der Werkzeugaufnahme in Rohrrobotern ist allgemein bekannt. Zum Einsatz kommen vorzugsweise Lagesensoren mit drei Beschleunigungssensoren in zueinander senkrechten Messrichtungen, insbesondere miniaturisierte mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) aus Silizium.
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Ausgehend von dem bekannten Verfahren wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass eine zu dem Rotationswinkel und/oder eine zu dem Hubwinkel proportionale Anzahl von elektrischen Impulsen erzeugt und gezählt und anhand der Anzahl der Impulse der Rotationswinkel bzw. der Hubwinkel gesteuert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Rohrroboter ausführen und zeichnet sich insoweit gleichfalls durch deren oben genannte Vorteile aus.
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Vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst eine Startlage der Werkzeugaufnahme und dann der Rotationswinkel und/oder der Hubwinkel sowie ggf. der Schwenkwinkel gegenüber der Startlage bestimmt. Alternativ kann in einem erfindungsgemäßen Verfahren eine gespeicherte Startlage ausgelesen und gegenüber dieser der Rotationswinkel bzw. der Hubwinkel bestimmt werden.
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Vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens eine Impulsfolge mit bekannter Phasenlage zu den ersten Impulsen erzeugt und zur Prüfung einer Drehrichtung des Rotierantriebs und/oder des Hubantriebs an dem Fahrkörper genutzt. Die Impulsfolge kann bei Verwendung von BLDC-Motoren mit Hall-Sensoren insbesondere das Signal eines der weiteren Hall-Sensoren sein.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen
- 1 einen erfindungsgemäßen Rohrroboter in Seitenansicht und
- 2 den Rohrroboter in einer Draufsicht.
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Der in den Zeichnungsfiguren gezeigte erfindungsgemäße Rohrroboter 1 mit dem gängigen Formfaktor 200 ist für die Bearbeitung eines nicht dargestellten Rohrs mit einem Rohrdurchmesser ab DN 250 geeignet und weist einen Fahrkörper 2 mit vier Rädern 3 und an einem Kopfende 4 des Fahrkörpers 2 einen Werkzeugarm 5 auf.
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Der Fahrkörper 2 weist eine zylindrische Bauweise mit einem Durchmesser 6 von 13 cm eine Länge 7 von 60 cm auf. Seitlich an dem Fahrkörper 2 sind Transportbolzen 8 angebracht, am Heck 9 befindet sich ein klappbarer Kabelanschluss 10, an den ein Kabel 11 zu einem nicht dargestellten Steuergerät außerhalb des Rohrs angeschlossen ist. Zum Einsetzen in das Rohr wird der Rohrroboter 1 aufrecht und mit den Transportbolzen 8 an einem Transporthaken 12 hängend mit hochgeklapptem Kabelanschluss 10 und nach oben angewinkeltem Werkzeugarm 5 mit einem nicht dargestellten Kran durch einen gleichfalls nicht dargestellten Kanalschacht abgesenkt.
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In dem Fahrkörper 2 befindet sich als Fahrantrieb 13 ein BLDC-Motor (z.B. maxon EC 45) mit einer Versorgungsspannung von 24 V, einer Leistung von 150 W und angeflanschtem Planetengetriebe. Der Fahrantrieb 13 treibt über Kegelräder 14 eine Vorderachse 15 und über eine Kette 16 eine Hinterachse 17 mit den Rädern 3 an. Auf den Rädern 3 ist der Rohrroboter 1 in dem Rohr in dessen Längsrichtung 18 verfahrbar.
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Zwischen dem Fahrkörper 2 und dem Werkzeugarm 5 befindet sich als Rotierantrieb 19 ein BLDC-Motor (z.B. maxon ECX 16) mit einer Versorgungsspannung von 24 V, einer Leistung von 20 W und angeflanschtem Planetengetriebe (z.B. maxon GP32A), mittels dessen der Werkzeugarm 5 um eine Längsachse 20 des Fahrkörpers 2 und als Hubantrieb 21 einen elektrischen Hubzylinder 22 mit einem BLDC-Motor mit einer Länge 23 von 17 cm und einem Hub von 10 cm, mittels dessen der Werkzeugarm 5 gegen die Längsachse 20 schwenkbar ist.
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Der Werkzeugarm 5 ist als Parallelführung ausgebildet. An einem freien Ende 24 des Werkzeugarms 5 ist eine Werkzeugaufnahme 25, sowie ein Werkzeug 26 zum Bearbeiten des Rohrs angebracht. Zwischen dem freien Ende 24 und der Werkzeugaufnahme 25 befindet sich als Schwenkantrieb 27 ein weiterer elektrischer Hubzylinder 28 mit BLDC-Motor, einer Länge 29 von 14 cm und einem Hub von 8 cm, mittels dessen die Werkzeugaufnahme 25 um eine quer zu dem Werkzeugarm 5 verlaufende Schwenkachse 30 schwenkbar ist.
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Das Werkzeug 26 weist einen Fräskopf 31 auf und als Fräsantrieb 32 einen BLDC-Motor auf, mittels dessen der Fräskopf 31 um eine Werkzeugachse 33 rotierbar ist. Am Heck 9 des Fahrkörpers 2 ist eine Rückfahrkamera 34 und an dem Werkzeugarm 5 eine weitere Kamera 35 quer zum Werkzeugarm 5 schwenkbar angebracht.
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Die BLDC-Motoren der Antriebe des Rohrroboters 1 weisen nicht dargestellte Hall-Sensoren auf. Die elektrischen Impulse von jeweils einem der Hall-Sensoren je Motor werden von je einem Impulszähler in einer in dem Fahrkörper 2 integrierten Steuereinheit 36 gezählt, aus der von dem Impulszähler ermittelten Anzahl der Impulse und der Untersetzung des jeweiligen Getriebes bzw. Hubzylinders 22, 28 wird der jeweils überstrichene Winkel berechnet und über das Kabel 11 als digitaler Datensatz an das Steuergerät übermittelt.
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Zwischen den Rädern 3 in dem Fahrkörper 2, an dem Werkzeugarm 5, an der Werkzeugaufnahme 25 und an dem Werkzeug 26 weist der Rohrroboter 1 Lagesensoren 37 aus je drei Beschleunigungssensoren mit zueinander senkrechten Messrichtungen auf. Die Messwerte der Lagesensoren 37 werden in der Steuereinheit 36 mit den berechneten Werten verglichen, Abweichungen werden als Fehlermeldung an das Steuergerät übermittelt.
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Zur Initialisierung des Rotierantriebs 19, des Hubantriebs 21 und des Schwenkantriebs 27 wird die Kamera 35 in eine Anschlagposition, dann mit Hilfe der Kamera 35 die Werkzeugaufnahme 25 in eine Startlage parallel zu dem Werkzeugarm 5 und schließlich der Werkzeugarm 5 in eine Startlage ausgerichtet, in der die Blickrichtung der Kamera 35 mit der Längsrichtung 18 des Rohrs übereinstimmt und der Werkzeugarm 5 quer zu der Längsrichtung 18 in der Waage ist.
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In den Figuren sind
- 1
- Rohrroboter
- 2
- Fahrkörper
- 3
- Rad
- 4
- Kopfende
- 5
- Werkzeugarm
- 6
- Durchmesser
- 7
- Länge
- 8
- Transportbolzen
- 9
- Heck
- 10
- Kabelanschluss
- 11
- Kabel
- 12
- Transporthaken
- 13
- Fahrantrieb
- 14
- Kegelrad
- 15
- Vorderachse
- 16
- Kette
- 17
- Hinterachse
- 18
- Längsrichtung
- 19
- Rotierantrieb
- 20
- Längsachse
- 21
- Hubantrieb
- 22
- Hubzylinder
- 23
- Länge
- 24
- freies Ende
- 25
- Werkzeugaufnahme
- 26
- Werkzeug
- 27
- Schwenkantrieb
- 28
- Hubzylinder
- 29
- Länge
- 30
- Schwenkachse
- 31
- Fräskopf
- 32
- Fräsantrieb
- 33
- Werkzeugachse
- 34
- Rückfahrkamera
- 35
- Kamera
- 36
- Steuereinheit
- 37
- Lagesensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012031731 A1 [0002]
- DE 102019104284 A1 [0004]
