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Die Erfindung betrifft einen Roboter zum automatischen Stecken von Verbindungselementen, wie zum Beispiel Bolzen, in vertikalen Oberflächen, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Roboters.
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Der Bau von Türmen für Windkraftanlagen ist technisch aufwendig, da die Türme hohe Belastungen durch das Gewicht der Windturbinen und durch die Windlast aushalten sollen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden Türme meist in einer Stahlrohrbauweise gebaut, in der ein Turm aus konischen Rohrstücken aufgebaut wird. Eine alternative Bauweise ist die Schalen- oder Paneelbauweise. In dieser werden große Paneele zu einem Turm zusammengefügt. Dies hat den Vorteil, dass sich die einzelnen Paneele, im Gegensatz zu vollständigen Rohrsegmenten großen Durchmessers, einfach zu einer Baustelle transportieren lassen und so auch große Turmdurchmesser mit geringerem Materialaufwand realisiert werden können.
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Die vorgefertigten Paneele werden mit Laschenverbindungen überlappend zueinander angeordnet. Durch Bohrungen in den Laschenbereichen werden die Paneele mit Bolzen oder anderen Verbindungselementen fest verbunden. Bisher sind für diesen Art des Aufbaus zwei Monteure notwendig, von denen einer an der Außenseite des Turms das Verbindungselement steckt, während der zweite auf der Innenseite das Element sichert. Die Arbeit an der Außenseite eines Turmes ist jedoch gefährlich, zeit- und kostenintensiv. Eine Automatisierung dieses Vorgangs hat also vielseitige Vorteile.
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Eine Aufgabe des vorliegenden Gegenstands der Erfindung ist es daher, einen Roboter vorzuschlagen, der in der Lage ist, die Verbindungselemente an der Außenseite eines Turmes automatisch zu stecken.
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Zur Automatisierung ähnlicher Aufgaben werden in vielen Feldern Roboter eingesetzt. So wird in
EP 3 436 390 B1 ein Verfahren und eine Montagevorrichtung zur automatisierten Montage in einem Aufzugsschacht beschrieben, wobei die vertikale Position der Montagevorrichtung im Schacht mittels eines Referenzelements bestimmt wird.
EP 2 385 012 B1 beschreibt ein System zum Verfahren von Objekten in einem Lagerhaus mittels eines an einem Brückenkran befestigten Greifers, das automatisch gesteuert wird.
DE 10 2019 123 245 A1 beschreibt ein Verfahren zur automatisierten Bestückung einer Montageplatte bei dem ein Bestückungsroboter dazu ausgelegt ist, die räumliche Ausrichtung der Montageplatte mittels eines Bildverarbeitungssystem zu erfassen.
DE 20 2014 102 559 U1 beschreibt eine Einrichtung zum automatischen Setzen von Stopfen an Werkstücken, die einen Industrieroboter verwendet, der mit einem Stopfensetzwerkzeug und einem Stopfenmagazin versehen ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Roboter zum automatischen Stecken von Verbindungselementen gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Roboters ist in Anspruch 11 beschrieben.
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Ein Roboter zum automatischen Stecken von Verbindungselementen, umfasst
eine Hubvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, den Roboter entlang einer vertikalen Achse zu bewegen,
ein Erfassungssystem, umfassend einen optischen Sensor und ein Bildverarbeitungssystem, das dazu konfiguriert ist, eine Oberfläche optisch
zu erfassen, Bohrungen in der Oberfläche zu erkennen und ihre Positionen zu erfassen,
mindestens ein Magazin für Verbindungselemente,
ein Bewegungssystem, das dafür ausgelegt ist, ein Verbindungselement an einer Position an dem mindestens einen Magazin aufzunehmen und auf einer Auswahlachse und einer Steckachse zu bewegen, und
eine Steuerungseinheit, wobei die Steuerungseinheit konfiguriert ist, die Hubvorrichtung und das Bewegungssystem auf Basis von Daten des Erfassungssystems zu steuern.
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Ein solcher Roboter ist dazu ausgelegt, sich entlang vertikalen Oberflächen, wie sie die Paneele eines im Bau befindlichen Turms in der Schalenbauweise darstellen, zu bewegen, in diesen Bohrungen zu erkennen und Verbindungselemente in diesen Bohrungen zu platzieren. Bei den Verbindungselementen kann es sich um Bolzen, Stifte, Schrauben oder weiteren Verbindungselementen handeln.
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Zum Zweck der vertikalen Bewegung dient eine Hubvorrichtung, die eine Bewegung entlang einer vertikalen Achse ermöglicht. Die Hubvorrichtung kann verschieden Formen, wie Seilwinde, Seilzug, Kran, Hebebühne oder Aufzugssystem annehmen. Der Roboter kann somit freischwebend oder geführt entlang einer vertikalen Achse bewegt werden. Die Hubvorrichtung ist mit der Steuerungseinheit des Roboters verbunden und wird durch diese angesteuert und kontrolliert.
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Der Roboter verfügt über ein Erfassungssystem zur Erfassung einer Oberfläche und zur Erkennung von Bohrungen, in welche ein Verbindungselement gesteckt werden soll. Die Erfassung erfolgt über einen optischen Sensor. Vorzugsweise kann es sich dabei um einen Bildsensor handeln. Zusätzlich können weitere Sensoren wie optoelektronische Entfernungssensoren zur Erfassung dienen. Auch die Kombination von mehreren optischen Sensoren ist möglich. Die von dem optischen Sensor gelieferten Daten werden in einem Bildverarbeitungssystem verarbeitet, um die Positionen von Bohrlöchern in der vertikalen Oberfläche zu bestimmen. Zu diesem Zweck können je nach Art des optischen Sensors und der erfassten Daten verschieden Algorithmen angewendet werden. Das Bildverarbeitungssystem kann Teil der Steuerungseinheit sein, leitet aber auf jeden Fall die erfassten Positionen der Bohrungen an diese weiter.
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Der Roboter verfügt über mindestens ein Magazin, das die zu steckenden Verbindungselemente enthält. Mehrere Magazine ermöglichen es dem Roboter, mehr Verbindungselemente mit sich zu führen und so längere Einsätze auszuführen. Außerdem kann durch die Verwendung mehrerer kleinerer Magazine im Gegensatz zu einem größeren Magazin das Gewicht der transportierten Verbindungselemente vorteilhaft über den Körper des Roboters verteilt werden. Die Magazine sind dabei so ausgelegt, dass sie am Boden mit Verbindungselemente befüllt werden können. Während des Einsatzes des Roboters sind die Verbindungselemente sicher in den Magazinen verwahrt und können, wenn sie gesteckt werden sollen, aus diesen entnommen werden.
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Zur eigentlichen Positionierung und zum Stecken der Verbindungselemente dient ein Bewegungssystem. Dieses basiert auf zwei Achsen, einer Auswahlachse, die parallel zur vertikalen Oberfläche verläuft, sowie einer Steckachse, die senkrecht zur vertikalen Oberfläche verläuft. Dadurch ist eine Bewegung der Verbindungselemente innerhalb einer Ebene, die senkrecht zur vertikalen Achse steht, möglich. Das Bewegungssystem ist dazu ausgelegt, ein Verbindungselement an einem Magazin aufzunehmen. Auf der Auswahlachse wird das Verbindungselement dann zu einer Position bewegt, die der erfassten Position einer Bohrung in der vertikalen Oberfläche entspricht und auf der Steckachse wird das Verbindungelement zur Oberfläche hinbewegt und in diese Bohrung eingefügt. Das Bewegungssystem wird ebenfalls durch Steuerungseinheit angesteuert und kontrolliert.
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Die Steuerungseinheit sammelt die Daten des Erfassungssystems und steuert auf Basis dieser Daten sowohl die Hubvorrichtung als auch das Bewegungssystem, sodass ein Verbindungselement im dreidimensionalen Raum präzise zu einer vom Erfassungssystem erfassten Position einer Bohrung transportiert werden kann. Dazu berechnet die Steuerungseinheit aus den von dem Erfassungssystem bestimmten Koordinaten der Bohrung die notwendigen Positionen der Achsen des Bewegungssystems.
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Bei der Steuerungseinheit kann es sich um ein spezialisiertes System zu Steuerung von Anlagen handeln. Diese Aufgabe kann aber beispielsweise auch um einen Rechner, der ein entsprechendes Programm ausführt, übernommen werden. Die Steuerungseinheit muss dabei nicht notwendigerweise physikalischer Teil des Roboters sein. Während der Körper des Roboters, bestehend aus Erfassungssystem, Magazin und Bewegungssystem, entlang einer vertikalen Oberfläche bewegt wird, kann die Steuerungseinheit auch am Boden verbleiben. Zu diesem Zweck muss die Steuerungseinheit per Kabel oder kabellos mit den restlichen Systemen verbunden sein.
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Zusätzlich kann ein Roboter eine Haltevorrichtung umfassen, über die der Roboter einen sicheren Kontakt zur vertikalen Oberfläche hat. Auf diese Weise kann garantiert werden, dass der Abstand von Roboter und Oberfläche gleich bleibt, sodass die Verbindungselemente sicher gesteckt werden können. Gerade bei hohen Türmen könnte ansonsten der Einfluss des Windes dazu führen, dass sich der Roboter von der Oberfläche ablöst und unkontrollierte Bewegungen ausführt. Außerdem verändert sich der Schwerpunkt des Roboters im Betrieb, da das Gewicht des Magazins durch die Entnahme der Verbindungselemente abnimmt. Durch die Bewegung der Achsen und je nach Angriffspunkt der Hubvorrichtung kann so ein Drehmoment entstehen, das ein ungünstiges Wegkippen des Roboters bewirkt. Diesen Effekten kann durch eine Haltevorrichtung entgegengewirkt werden, sodass eine sichere Bewegung des Roboters entlang der vertikalen Oberfläche möglich ist.
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Da die Paneele, aus denen Türme für Windkraftanlagen gebaut werden, in der Regel aus Stahl bestehen, sind magnetische Kettenlaufwerke als Haltevorrichtung besonders vorteilhaft. Dabei handelt es sich um Kettenlaufwerke, die über Magnete an ihren Gliedern verfügen. Mit solchen magnetischen Kettenlaufwerken kann ein Roboter an der vertikalen Oberfläche anhaften und sicher vertikal bewegt werden. Weitere Möglichkeiten für Haltevorrichtungen sind beispielsweise Schienen oder Kettenlaufwerke mit Saugnäpfen.
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Die Hubvorrichtung des Roboters kann auf verschiedene Weisen ausgeführt sein. Besonders einfach kann eine Ausführung mit einer Seilwinde sein. Die Seilwinde kann an oder oberhalb der vertikalen Oberfläche befestigt sein. Zur Verbindung der Seilwinde mit dem Körper des Roboters kann eine Traverse dienen, um den Roboter stabil und drehmomentfrei aufzuhängen. Eine Seilwinde hat den Vorteil, dass sie technisch relativ einfach umsetzbar ist und auch für große vertikale Strecken, wie sie beim Bau von Türmen für Windräder auftreten, geeignet ist.
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Das Bewegungssystem kann einen Setzer umfassen, der dazu ausgelegt ist, ein Verbindungselement sicher aufzunehmen und zu transportieren. Ein solcher Setzer kann dabei verschiedene, an die Verbindungselemente angepasste, Formen aufweisen und zusätzliche Mechanismen zu Sicherung der Verbindungselemente umfassen.
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Insbesondere kann der Setzer einen Mechanismus zum Klemmen des Verbindungselements umfassen. Durch einen solchen Mechanismus wird ein Verbindungselement durch Kraftschluss gesichert. In einer Ausführung ist dieser Mechanismus so ausgelegt, dass er das Verbindungselement festklemmt, nachdem es am Magazin aufgenommen wurde, und dann an einer festgelegten Position auf der Steckachse, die so definiert ist, dass der Steckvorgang an dieser Position als abgeschlossen angesehen werden kann, wieder freigibt.
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Das mindestens eine Magazin des Roboters sollte eine Form aufweisen, die auf die verwendeten Verbindungselemente abgestimmt ist. Dabei kann die Größe und Kapazität der Magazine so gewählt werden, dass sie eine möglichst ununterbrochene Anwendung des Roboters ermöglicht, während das Gewicht auf die Hubvorrichtung abgestimmt werden kann. Das Magazin kann außerdem Sperrmechanismen aufweisen, die verhindern, dass Verbindungselemente während der Betrieb des Roboters oder bei dessen Vorbereitung, beispielsweise bei der Beladung des Magazins, verloren gehen.
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Außerdem kann das mindestens eine Magazin eine Sperre umfassen, die so konfiguriert ist, dass das Magazin durch das Bewegungssystem entsperrt werden kann. Dazu ist beispielsweise ein federgespannter Sperrblock geeignet, der die Verbindungselemente im Magazin zurück hält. Wenn das Bewegungssystem in eine Ladeposition fährt, wird dieser Sperrblock durch das Bewegungssystem mitgenommen und gibt ein Verbindungselement frei. Eine solche Sperre ermöglicht insbesondere in Kombination mit einem Setzer mit Klemmmechanismus einen sicheren Transport und ein sicheres Stecken von Verbindungselementen.
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Die Steuerungseinheit kann eine speicherprogrammierte Steuerung (SPS) sein die mit den Komponenten kommuniziert und dazu konfiguriert ist, Daten von dem Erfassungssystem zu empfangen und zu verarbeiten und auf Basis dieser Daten die Hubvorrichtung und das Bewegungssystem zu steuern.
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Über eine Benutzerschnittstelle, die die Steuerungseinheit umfassen kann, können Daten aus und eingegeben werden. So kann die Arbeit des Roboters beobachtet und durch die Eingabe von Befehlen oder Änderung von Prozessparametern durch einen Nutzer kontrolliert werden. Eine solche Benutzerschnittstelle kann beispielsweise eine Kabel- oder Funkfernbedienung sein. Eine Benutzerschnittstelle kann ein Touchdisplay oder ein Panel mit Touchbedienung umfassen.
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Ein Verfahren zum Betrieb eines Roboters zum automatischen Stecken von Verbindungselementen umfasst die folgenden Schritte:
- Anfahren des mindestens einen Magazins auf der Auswahlachse,
- Anfahren einer Ladeposition, in der das Bewegungssystem ein Verbindungselement aus dem mindestens einen Magazin aufnimmt, auf der Steckachse,
- Anfahren einer Position zur Erfassung einer Bohrung auf Auswahlachse und Steckachse,
- Bewegung des Roboters entlang einer vertikalen Oberfläche, wobei die Hubvorrichtung den Roboter mit einer von der Steuerungseinheit vorgegebenen Geschwindigkeit vertikal bewegt,
- Erfassung eines Oberflächenbereichs durch das Erfassungssystem, wobei Bohrungen in der Oberfläche erkannt werden und eine Position einer Bohrung ermittelt wird,
- Anfahren der Position einer Bohrung durch die Hubvorrichtung, genaue Positionierung des Verbindungselements durch die Auswahlachse des Bewegungssystems,
- Stecken des Verbindungselements durch die Steckachse des Bewegungssystems.
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Dieses Verfahren kann so ausgeführt werden, dass die vertikale Bewegung des Roboters zunächst mit maximaler Geschwindigkeit stattfindet und die Geschwindigkeit beim Anfahren einer Position einer Bohrung mehr und mehr reduziert wird, je näher der Roboter der erfassten Position der Bohrung kommt, bis die Hubvorrichtung komplett stoppt, um eine möglichst genaue Positionierung auf der vertikalen Achse zu ermöglichen.
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Die genaue Positionierung des Verbindungselements kann auch schon während der vertikalen Anfahrt des Roboters an die Position einer Bohrung stattfinden, sodass weniger Zeit für die Positionierung und das Stecken des Verbindungselements notwendig ist.
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Das Verbindungselement kann dann gesteckt werden, wenn die Abweichung zwischen der durch Hubvorrichtung und Bewegungssystem angefahrenen Position und der erfassten Position einer Bohrung innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegt. So können Fehler vermieden werden. Gleichzeitig können so auch Verbindungselemente, die mit einem gewissen Spiel platziert werden, effizient gesteckt werden.
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Das Verfahren kann beliebig oft wiederholt werden, um weitere Verbindungselemente zu stecken, so lange zusätzliche Verbindungselemente in einem Magazin vorhanden sind. Dazu kann der Roboter auf einen Befehl eines Nutzers warten. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein Monteur auf der Innenseite eines Turmes ein gestecktes Verbindungselement gegensichern und daraufhin den Befehl geben, das Verfahren an einer weiteren Bohrung zu wiederholen.
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Die beschriebenen Ausführungsformen der Gegenstände der vorliegenden Anmeldung können dabei sowohl einzeln verwendet als auch kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen und so einen effizient arbeitenden Roboter zum Stecken von Verbindungselementen, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen zu bieten.
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Die erwähnten, sowie weitere Aspekte der Erfindung werden ersichtlich anhand der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die mit Hilfe der folgenden Zeichnungen gegeben wird, von welchen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Roboters zum automatischen Stecken von Verbindungselementen im Einsatz an einer vertikalen Oberfläche zeigt,
- 2 eine perspektivische Ansicht des Roboters zeigt,
- 3 eine Darstellung der durch Auswahlachse und Steckachse definierten Ebene des Bewegungssystems ist,
- 4 eine schematische Darstellung der magnetischen Kettenlaufwerke und ihrer Funktion zeigt,
- 5 in einer schematischen Darstellung Aufbau der Magazine und ihrer Sicherungsvorrichtungen zeigt,
- 6a-e den Ablauf des Steckvorgangs verdeutlichen,
- 7 ein Blockdiagramm der Steuerung des Roboters zeigt, und
- 8 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zeigt.
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Im Folgenden sollen die beanspruchten Gegenstände auf Basis der begleitenden Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
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In 1 ist eine Übersichtszeichnung eines Roboters 1 zum automatischen Stecken von Verbindungselementen 2 zu sehen, der an einer vertikalen Oberfläche 8 betrieben wird. Zu diesem Zweck dient eine Seilwinde 3 als Hubvorrichtung, die eine vertikale Bewegung des Roboters 1 ermöglicht. Das Seil ist dabei über eine Traverse 4 mit dem Körper des Roboters 1 gekoppelt, um die Last des Roboters 1 gleichmäßig und drehmomentfrei zu verteilen. Der Roboter selbst besteht aus einem Magazin 5 für Verbindungselemente 2 und einem Bewegungssystem 6, das in der Lage ist, die Verbindungselemente 2 an einem Punkt unterhalb des Magazins 5 aufzunehmen und zu einer Position einer Bohrung 9 zu verfahren, um das Verbindungselement 2 in eine Bohrung 9 einzuführen. Das Erfassungssystem 14 und die Steuerungseinheit 26 sind in dieser Darstellung nicht gezeigt. Die magnetischen Kettenlaufwerke 7 dienen als Haltevorrichtung um einen sicheren Kontakt des Roboters 1 mit der vertikalen Oberfläche 8 auch unter widrigen äußeren Umständen zu gewährleisten.
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Es ist anzumerken, dass 1 und alle weiteren Darstellungen Bolzen zeigen, um die Verbindungselemente 2 zu illustrieren. Es muss sich bei den Verbindungselementen 2 jedoch nicht um Bolzen handeln, Schrauben, Stifte und weitere ähnliche Elemente, die zur Verbindung zweier Bauteile dienen lassen sich mit dem beschriebenen Roboter 1 ebenso positionieren.
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2 zeigt eine weitere Ansicht des Roboters 1 von einer Perspektive in der weitere Details besser sichtbar sind. Die einzelnen Bauteile des Roboters 1 sind an einem Grundgerüst 12 befestigt, das an der Traverse 4 aufgehängt ist. Zusammen mit den Zentrierschwertern 13 erlaubt dies eine vorteilhafte Gewichtsverteilung. Durch diesen Aufbau in Kombination mit den magnetischen Kettenlaufwerken 7 ist der Roboter 1 sowohl gegenüber äußeren Einflüssen wie Wind, als auch gegenüber den Veränderungen des eigenen Schwerpunkts aufgrund der Bewegung des Bewegungssystems 6 und der Abnahme des Gewichts der Magazine 5 durch jedes gesteckte Verbindungselement 2 unanfällig, sodass der Roboter zu jedem Zeitpunkt die notwendige Stabilität aufweist, die notwendig ist, um die Positionen der Bohrungen präzise zu erfassen und anzufahren.
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2 zeigt außerdem eine Ausführung des Roboters 1 mit mehreren senkrecht angeordneten Magazinen 5 zur Aufbewahrung der Verbindungselemente 2. Durch die Verwendung mehrerer Magazine 5 lassen sich zum einem mehr Verbindungselemente 2 transportieren, zum anderen lässt sich das Gewicht der Verbindungselemente so vorteilhaft über den Körper des Roboters 1 verteilen. Die Anzahl und Kapazität der Magazine 5 kann dabei an den Anwendungsbereich des Roboters 1 angepasst werden. Genauso ist der Aufbau der einzelnen Magazine 5 in Größe und Form natürlich an die verwendeten Verbindungselemente 2 angepasst.
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Das Bewegungssystem 6 besteht aus einer Auswahlachse 10 parallel zur vertikalen Oberfläche 8 angeordnet und einer Steckachse 11 senkrecht zu der vertikalen Oberfläche 8 angeordnet. Durch die Steckachse 11 können Positionen an den Magazinen 5 angefahren werden, um dort ein Verbindungselement 2 aufzunehmen. Durch ein Fahren der Achse 11 hin zur vertikalen Oberfläche 8 kann das Verbindungselement dann an dieser positioniert und in eine Bohrung 9 eingeführt werden. In der Horizontalen, parallel zur vertikalen Oberfläche, erfolgt die Positionierung der Verbindungselemente 2 durch die Auswahlachse 10. In 2 ist der Roboter 1 in einer Position gezeigt, in der dieser bereit ist, ein Verbindungselement 2 in einer Bohrung 9 zu platzieren. Dazu befindet sich das Verbindungselement 2 an einem Punkt nahe der vertikalen Oberfläche 8 auf der Steckachse 11.
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3 zeigt einen Querschnitt durch die Ebene des Bewegungssystems 6. Diese Ebene ist durch die Auswahlachse 10 und die Steckachse 11 definiert. Durch das Bewegungssystem 6 kann also ein Verbindungselement 2 in diesem zweidimensionalen Raum frei bewegt werden, insbesondere zwischen einer Position, in der ein Verbindungselement 2 an einem Magazin 5 aufgenommen wird und einer Position, an der das Verbindungselement 2 in eine Bohrung 9 gesteckt wird. Die Erfassungseinheit 14 kann, wie in 3 gezeigt, ebenfalls auf der Auswahlachse 10 befestigt sein. Der Setzer 15 dient dazu, ein Verbindungselement 2 aufzunehmen, es während der Positionierung zu sichern und bei einem abgeschlossenen Steckvorgang freizugeben. Der Motor 16 treibt die Bewegung der Steckachse an, die Auswahlachse wird von einem entsprechenden Motor betrieben (nicht gezeigt). Zu sehen ist außerdem ein Querschnitt durch die vertikale Oberfläche 8, genauer durch zwei Paneele, die über einen Laschenbereich verbunden werden sollen.
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In 4 ist rechts ein magnetisches Kettenlaufwerk 7 dargestellt. Dabei handelt es sich um ein herkömmliches Kettenlaufwerk, bei dem Magneten 17 in die Ketten eingefügt sind. Durch diese Magneten ist es dem Kettenlaufwerk 7 möglich an Oberflächen aus magnetischen Materialien zu haften. Auf der linken Seite von 4 ist dargestellt, wie die magnetischen Kettenlaufwerke 7 ein stabiles Anliegen des Roboters 1 an die Oberfläche gewährleisten. Die FM markierten Pfeile geben die durch die Kettenlaufwerke gewirkten magnetischen Kräfte an, durch die der Roboter an die Oberfläche angepresst wird. Durch ein Abrollen der Kettenlaufwerke 7 kann sich der Roboter dennoch entlang der durch die Hubvorrichtung vorgegebenen Kraft FA bewegen. Auf diese Weise ist der Roboter vor äußeren Einflüssen, wie Wind, geschützt. Der Schwerpunkt S des Roboters ergibt sich unter anderem aus der Gewichtsverteilung von Bewegungssystem 6 und Magazinen 5 und ist daher veränderlich. Eine Gewichtsabnahme der Magazine 5 durch das Stecken der Verbindungselemente würde daher in Kombination mit einem Drehmoment, das aus dem nicht-zentralen Angriffspunkt der Seilwinde und der Bewegung des Bewegungssystem resultiert, ein Wegkippen der Vorrichtung bewirken. Eine Haltevorrichtung, wie die magnetischen Kettenlaufwerke 7, kann einem solchen Vorgang durch die zusätzlichen wirkenden Kräfte FM entgegenwirken.
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Eine mögliche Ausführung eines Magazins 5 für Verbindungselemente 2 ist in 5 gezeigt. Die beiden Enden des Magazins 5 sind dabei vergrößert dargestellt. Das obere Ende verfügt über einen Sperrhebel 22, der auf einer Zugfeder 21 gelagert ist. Dadurch kann der Sperrhebel 22 durch eine von oben wirkende Kraft, wie sie beim Befüllen des Magazins 5 mit Verbindungselementen 2 auftritt, nachgeben und umklappen und so eine Befüllung ermöglichen. Gegen eine Krafteinwirkung von unten sperrt er jedoch, sodass Verbindungselemente 2 nicht aus dem oberen Ende des Magazins 5 hinausfallen können. Auch das untere Ende des Magazins 5 verfügt über einen Sperrmechanismus. Dieser dient dazu, die Verbindungselemente 2 zurückzuhalten, bis diese von der Steckachse 11 aufgenommen werden. Dazu dient ein Schlitten 18, der durch eine Feder 20 vorgespannt ist. Durch einen Mitnehmer 19 kann der Schlitten 18 jedoch durch eine Bewegung der Steckachse 11 entgegen der Federkraft zurückgezogen werden, wodurch die Verbindungselemente 2 entsperrt werden. Wird der Schlitten 18 wieder durch die Steckachse 11 entlastet, so drückt die Feder 20 ihn wieder in seine ursprüngliche Position zurück und sperrt das Magazin 5.
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Dieser Vorgang sowie der Steckvorgang sind in 6a bis 6e genauer dargestellt. In dieser Ausführung besitzt das Magazin 5 eine Sicherung wie in 5 gezeigt und der Setzer 15 eine Vorrichtung, die dafür sorgt, dass das Verbindungselement 2 sicher in diesem geklemmt ist. In 6a wird der Setzer 15 auf der Steckachse 11 von der vertikalen Oberfläche weggefahren (in der Darstellung nach rechts), angedeutet durch den weißen Pfeil. Durch die Führung 23 werden der Setzer 15 und weitere Bauteile auf der Steckachse 11 gehalten und, wie im Folgenden beschrieben, auf notwendige Bahnen gezwungen. Die Verbindungselemente 2 befinden sich im Magazin 5 und sind dort durch den Schlitten 18 nach unten gesichert. In 6b ist der Setzer 15 vollständig zurückgefahren (rechts) und bewegt über den Mitnehmer 19 den Schlitten 18 ebenfalls nach rechts. Das Magazin 5 wird somit entsperrt. 6c zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt den darauf folgenden Vorgang. Ein Verbindungselement 2 fällt unter dem Einfluss der Schwerkraft aus dem entsperrten Magazin 5 in den darunter angeordneten freien Setzer 15. Die im Magazin darüber angeordneten Verbindungselemente 2 rutschen nach, das unterste Verbindungelement 2, das sich noch im Magazin 5 befindet, wird durch das Verbindungselement 2 im Setzer 15 abgestützt. Die gespannte Feder 20 wirkt bereits eine Kraft auf den Schlitten 18 aus, um diesen nach links zu drücken, dieser wird jedoch noch immer von dem Setzer 15 zurückgehalten. Ebenfalls in 6c zu sehen sind der Halter 24 und der Hebel 25. Im folgenden Bewegungsablauf dient der Halter 24 dazu, das Verbindungselement 2 im Setzer 15 zu halten, wobei die Position des Halters 24 durch den Hebel 25 vorgegeben wird. In 6d wird der Setzer 15 und das von diesem gegriffene Verbindungselement 2 wieder vor (nach links) gefahren. Ohne den Gegendruck des Setzers 15 wird der Schlitten 18 von der Feder 20 in seine ursprünglichen Position gedrückt, das Magazin ist wieder gesperrt. 6e zeigt den Abschluss des Steckvorgangs an dem Punkt, an dem das Verbindungselement 2 an der vertikalen Oberfläche 8 angekommen ist und in die Bohrung 9 eingeführt wird.
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Durch die Bewegung nach vorne (links) wird der Hebel 25 in der Führung 23 so geführt, das sich der Halter 24 nach unten bewegt, wodurch das Verbindungselement 2 im Setzer 15 freigegeben wird. Das Verbindungselement 2 kann nun auf der Rückseite der vertikalen Oberfläche 8 gesichert werden und der Setzer 15 kann in seine Ausgangsposition zurückfahren, um den in 6a bis 6e gezeigten Vorgang an einer weiteren Bohrung 9 zu wiederholen.
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In 7 ist ein schematischer Steuerungsplan für einen Roboter zum automatischen Stecken von Verbindungselementen gezeigt. Das gesamte System lässt sich dabei in vier Komponenten aufteilen. Der Roboter 1 entspricht einem bisher beschriebenen Roboter 1, wie beispielsweise aus 1 oder 2. In diesem werden die Motoren M, die zum Antrieb der Auswahlachse 10 und der Steckachse 11 dienen, (vgl. Motor 16 in 3 und 6a-e) durch die beiden Schrittmotorsteuerungen 33 angesteuert. Weitere Steuerungskomponenten des Roboters 1 können z.B. eine EtherCAT-Box 32 zur Einbindung weiterer Sensorik und Aktorik oder ein EtherCAT-Koppler 34 als Gateway zur Buserweiterung sein. Diese Steuerungskomponenten sind über ein Bussystem mit der Steuerungseinheit 26 verbunden. Als Erfassungssystem 14 dient in diesem Beispiel ein Cognex Bildverarbeitungssensor. Die Energieversorgung des Roboters 1 erfolgt von außen und wird über eine Powerverteilung 31 gesteuert. Die Steuerungseinheit 26 kann sich außerhalb des eigentlichen Roboters 1 befinden, ist aber mit diesem über ein Bussystem verbunden und steuert ebenso die Winde 3 an. Kern der Steuerung ist eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, englisch „programmable logic controller“, PLC) 27, die eine Benutzerschnittstelle (englisch „human machine interface“, HMI) umfassen kann. Zur Steuerung und Kontrolle durch einen Nutzer kann die Steuerung 26 mit einer Kabelfernbedienung 30 gekoppelt sein, oder einen Funkempfänger 28 umfassen, um mit einer Funkfernbedienung 29 zu kommunizieren. Die Energieversorgung des Systems wird über die Einspeisung 36 gewährleistet. Die Spannungsversorgung 37 stellt dabei Gleichspannung für die Steuerung des Roboters und Wechselspannung für den Frequenzumrichter 38 der Winde 3 zur Verfügung. Die Winde 3 ist die Hubvorrichtung für die vertikale Bewegung des Roboters 1, kann aber verschiedene Formen wie Seilzug, Kran, Hebebühne oder Aufzugssystem annehmen. Die Drehzahl der Winde 3 und somit die Geschwindigkeit des Roboters 1 wird über die SPS und den Frequenzumrichter gesteuert.
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Zur Übersicht ist das Verfahren zum Betrieb eines Roboters 1 zum automatischen Stecken von Verbindungselementen 2 in 8 als Flussdiagramm dargestellt. Ausgangspunkt ist dabei der Roboter 1 in einer Grundstellung, beispielsweise auf dem Boden, wo das Magazin oder die Magazine 5 des Roboters 1 mit Verbindungselementen 2 beladen werden, oder bereits in einer Position an einer vertikalen Oberfläche 8, in welcher Verbindungselemente 2 gesteckt werden sollen. Auf einen Befehl des Nutzers, beispielsweise eines Monteurs auf der Innenseite eines zu bauenden Turms, beginnt das Verfahren. In einem ersten Schritt fährt die Auswahlachse 10 des Roboters 1 die Position eines Magazins 5 an. Dann fährt die Steckachse 11 in Ladeposition und ein Verbindungselement 2 wird geladen. Das Bewegungssystem 5 fährt daraufhin mit geladenem Verbindungselement 2 eine Position zum Erfassen von Bohrungen an. Über die Hubvorrichtung 3 wird der Roboter 1 dann entlang der vertikalen Oberfläche 8 mit maximaler Geschwindigkeit zu einem Bereich verfahren, in dem eine Erfassung von Bohrungen 9 und daraufhin eine Bestückung dieser mit Verbindungselementen 2 stattfinden soll. Die optische Erfassung der Oberfläche 8 wird gestartet und der Bereich optisch abgetastet, bis eine Bohrung 9 erfasst wird. Die Position dieser Bohrung 9 wird im Koordinatensystem des Erfassungssystems 14 ermittelt und an die Steuerungseinheit 26 übermittelt, in welcher aus dieser Position die notwendigen Bewegungen des Roboters 1 bestimmt werden. Daraufhin wird zunächst die Position der Bohrung 9 über die Hubvorrichtung 2 angefahren. Dabei kann es sinnvoll sein, die Geschwindigkeit immer weiter zu reduzieren, je näher der Roboter 1 der Bohrung 9 kommt, um eine möglichst genaue Positionierung zu ermöglichen. Befindet sich das Bewegungssystem 6 auf Höhe der Bohrung 9, wird die Bewegung gestoppt. Als nächstes wird das Verbindungselement 2 auf der Auswahlachse 10 positioniert. In einer anderen Ausführungsform kann es auch sinnvoll sein, die Positionierung des Verbindungselements 2 auf der Auswahlachse 10 bereits während des vertikalen Anfahrens der Bohrungsposition durchzuführen, um den Vorgang zu beschleunigen. Zu diesem Zweck ist ein Aufbau des Roboters notwendig, in dem das Erfassungssystem nicht an der Auswahlachse befestigt ist. Während der Positionierung wird geprüft, ob die angefahrene Position innerhalb einer gewissen Toleranz der erfassten Position der Bohrung 9 entspricht. Ist dies gegeben, so wird das Verbindungselement 2 durch die Steckachse 11 in die Bohrung 9 eingeführt. Somit ist das Verbindungselement 2 erfolgreich gesteckt, der Monteur kann es, falls nötig, auf der Innenseite der vertikalen Oberfläche 8 gegensichern. Weiterhin kann der Nutzer über eine Benutzerschnittstelle 27, 28, 29 den Befehl geben, das Verfahren für eine weitere Bohrung 9 zu wiederholen. Auf diese Eingabe hin fährt die Auswahlachse 10 wiederum ein Magazin 5 an, um ein Verbindungselement 2 aufzunehmen. Wird das Verfahren hingegen angehalten, kehrt der Roboter 1 wieder in seine Grundstellung zurück.
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Hauptanwendungsgebiet des beschriebenen Roboters 1 und Verfahrens ist der Aufbau von Türmen von Windenergieanalagen aus Paneelen. Bei der Herstellung dieser Paneele kann es zu Fertigungsabweichungen kommen. Durch die einzelne Ermittlung der Position jeder Bohrung 9, die daraus resultierende Berechnung der Achspositionen und das Anfahren des Achsen an die individuelle Bohrungspositionen kann der Roboter 1 automatisch reagieren und mögliche Abweichungen ausgleichen.
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Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele sind nicht begrenzend. Insbesondere können die Merkmale dieser Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass Änderungen an diesen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne die grundlegenden Prinzipien des Gegenstandes dieser Schutzanmeldung zu verlassen, deren Bereich in den Ansprüchen definiert ist.
