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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Robotersystem für den Transport
und die Bearbeitung eines Werkstücks
in einer automatisierten Fertigungsumgebung, mit einem beweglichen
Transportroboter für
den Transport eines zu bearbeitenden Werkstücks. Der Einsatz derartiger
Transportroboter wird in zunehmendem Maße anstelle von fest installierten Förderanlagen
in Betracht gezogen, um Fertigungsstationen mit zu bearbeitenden
Werkstücken
zu versorgen.
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Wenn
ein Werkstück
an einer solchen Fertigungsstation unter Ausübung einer Kraft auf das Werkstück bearbeitet
werden soll, so ist dies nur mit einer geeigneten Fixierung des
Werkstückes
möglich.
Die Fixierung des Werkstücks
mit Hilfe von Fixierungsmitteln der Fertigungsstation erfordert
eine Übergabe
des Werkstücks
von einem Transportroboter, der es herangeschafft hat, an die Fertigungsstation
vor der Durchführung
des Fertigungsschritts und eine erneute Übergabe des bearbeiteten Werkstücks an den
gleichen oder einen anderen Transportroboter zur Weiterbeförderung
des Werkstücks
nach der Bearbeitung.
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Um
derartige Übergabevorgänge ausführen zu
können,
muss entweder der Transportroboter oder die Fertigungsstation mit
geeigneten Werkzeugen zum Handhaben des Werkstücks ausgestattet sein, die
die Fertigungsstation oder den Transportroboter verkomplizieren
und verteuern; außerdem
erfordern die eventuell mit hoher Präzision auszuführenden Übergabevorgän ge eine
beträchtliche
Zeit, die die Effektivität
der Fertigung beeinträchtigt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, ein Robotersystem und ein Verfahren
zu dessen Betrieb zu schaffen, die eine hoch effiziente Fertigung
mit geringem Aufwand ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird zum einen gelöst
durch ein Robotersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Kopplungsmittel
des Transportroboters zum lösbaren
Andocken an einen zweiten Roboter erlauben es, wenn der zweite Roboter
einen Fertigungsschritt an dem Werkstück durchführt, dabei von dem zweiten
Roboter ausgeübte
Kräfte
aufzufangen und so eine genaue Position des Werkstücks einzuhalten, ohne
dass es vom Transportroboter an den zweiten Roboter übergeben
werden muss, oder, wenn der zweite Roboter ebenfalls ein Transportroboter
ist, von diesen beiden Robotern getragene Werkstücke in einer festen Lagebeziehung
zueinander für
daran ausführende
Fertigungsschritte zu halten.
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Vorzugsweise
haben die Kopplungsmittel des Transportroboters formschlüssig mit
Kopplungselementen des zweiten Roboters ineinandergreifende Kopplungselemente,
die die Position des Transportroboters in Bezug auf den zweiten
Roboter im angedockten Zustand eindeutig festlegen. Diese Kopplungselemente
können
z.B. durch einander zugewandt platzierbare Öffnungen der Gehäuse der
zwei Roboter gebildet sein, die mit Klammern bestückt sind,
welche ausfahrbar sind, um in die Öffnung des jeweils anderen
Roboters einzugreifen.
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Um
eine Feinpositionierung der Werkstücke gegeneinander zu ermöglichen,
verfügt
der Transportroboter neben einem Fahrgestell vorzugsweise über einen
Halter für
das erste Werkstück,
der in Bezug auf das Fahrgestell in einem oder mehreren Freiheitsgraden
bewegbar ist. Die Kopplungsmittel sind bei einem solchen Transportroboter
zweckmäßigerweise
am Fahrgestell angeordnet.
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Zum
automatischen Positionieren der Werkstücke gegeneinander sind vorzugsweise
Sensoren zum Erfassen einer Position des zweiten Werkstücks in Bezug
auf das erste vorgesehen.
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Bei
dem zweiten Roboter kann es sich z.B. um einen Fertigungsroboter
handeln; er kann aber auch wiederum ein Transportroboter sein. Insbesondere
in letztem Falle ist es zweckmäßig, wenn
die Kopplungsmittel der Transportroboter identisch und zwittrig
ausgebildet sind, so dass jeweils zwei beliebige identische Transportroboter
zu einem Transportverbund gekoppelt werden können. Alternativ besteht jedoch
auch die Möglichkeit,
dass die Kopplungsmittel einheitlich ausgestaltet sind.
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Die
im ungekoppelten Zustand autonom beweglichen Transportroboter weisen
zweckmäßigerweise
Kommunikationsmittel zum Koordinieren ihrer Bewegungen im gekoppelten
Zustand auf. Diese Kommunikationsmittel können insbesondere zur Abwicklung
eines Dialogs zwischen den Transportrobotern ausgelegt sein, durch
den sich die zwei Transportroboter darüber einigen, welcher von ihnen
einen zu fahrenden Kurs oder eine einzunehmende Fertigungsposition
vorgibt, und welcher der Vorgabe zu folgen hat. Wenn bei einem vorgesehenen
Fertigungsschritt auch die Fertigungsstation eine Kraft auf eines
der Werkstücke
ausüben
muss, ist es zweckmäßig, wenn
das Transportgespann auch über
Mittel zum Andocken an die Fertigungsstation verfügt. Bei der
Fertigungsstation kann es sich insbesondere um einen seinerseits
ebenfalls mobilen Fertigungsroboter handeln. Die Mittel zum Andocken
des Fertigungsroboters sind vorzugsweise vom gleichen Typ wie die
der Transportroboter.
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Ein
Fertigungsverfahren unter Einsatz des erfindungsgemäßen Transportroboters
umfasst vorzugsweise die Schritte des Andockens des mit einem ersten
Werkstück
beladenen Transportroboters an einen zweiten Roboter, das Durchführen eines ersten Fertigungsschritts
an dem Werkstück,
eventuell weitere Schritte und schließlich das Trennen der zwei Roboter
von einander.
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Der
zweite Roboter kann ein Fertigungsroboter sein, der den Fertigungsschritt
an dem ersten Werkstück
und eventuell gleichzeitig an einem von ihm getragenen zweiten Werkstück durchführt. Er kann
aber auch ein mit einem zweiten Werkstück beladener weiterer Transportroboter
sein, der an den ersten andockt, um dann einen gemeinsamen Fertigungsschritt
an beiden Werkstücken
von einem anderen Roboter durchführen
zu lassen. Das Andocken eines solchen zweiten Roboters kann mehrfach
wiederholt werden, wodurch im Laufe der Fertigung ein vielteiliger
Verbund von Transportrobotern entsteht, der in der Lage ist, große, aus
vielen einzelnen Werkstücken
zusammengefügte
Teile zu befördern.
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Um
Zeit zu sparen, können
wenigstens einzelne der Fertigungsschritte an den Werkstücken durchgeführt werden,
während
sich die aneinander angedockten Roboter bewegen. Derartige Fertigungsschritte
sind mit hoher Genauigkeit realisierbar, wenn ein mobiler Fertigungsroboter
für die
Durchführung
eines solchen Fertigungsschritts vorab an den Transportroboter oder
einen Verbund von mehreren Transportrobotern andockt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht
eines erfindungsgemäßen Transportroboters;
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2 zwei Transportroboter
vom in 1 gezeigten Typ,
die jeweils mit einem Werkstück
beladen sind, beim Vorbereiten des Andockens;
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3 die zwei Transportroboter
aus 2 im angedockten
Zustand sowie einen Fertigungsroboter beim Vorbereiten des Andockens
an den durch die zwei Transportroboter gebildeten Verbund;
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4 den Verbund aus 3 sowie eine abgewandelte
Ausgestaltung eines daran andockenden Fertigungsroboters; und
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5 seitliche Flanken von
zwei Robotern, die mit einer zweiten Ausgestaltung von Kopplungsmitteln
versehen sind.
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1 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines Beispiels für
einen erfindungsgemäßen Transportroboter.
In einem kastenförmigen
Fahrgestell 1 sind mehrere Motoren zum Antreiben bzw. Lenken von
Rädern 2 sowie
zum Ausstrecken und Kontrahieren von Tragarmen 3 sowie
diverse Sensoren zur Erfassung der Umgebung des Transportroboters
untergebracht.
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Die
neun Tragarme 3 sind an ihren unteren Enden über untere
Kugelgelenke 4 schwenkbar mit dem Fahrgestell 1 verbunden;
jeweils drei von ihnen sind durch drei obere Kugelgelenke 5 verbunden. Durch
Strecken oder Kontrahieren einzelner Tragarme 3 sind die
oberen Kugelgelenke 5 in drei Raumrichtungen bewegbar.
Sie dienen als Auflagepunkte für
ein (in der Figur nicht gezeigtes) Werkstück, das beispielsweise mit
Hilfe eines in die oberen Kugelgelenke 5 eingebauten Elektromagneten
oder formschlüssig
z.B. mittels Klammern oder Verriegelungen fixierbar ist.
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Alternativ
könnten
auch lediglich sechs Tragarme vorgesehen sein, die jeweils einerseits über ein Kugelgelenk
am Fahrgestell und andererseits über ein
zweites Kugelgelenk an einer Plattform angreifen, die zum Aufnehmen
eines Werkstücks
dient. Eine solche Konstruktion mit sechs Tragarmen ist aus
US 4,536,690 bekannt und
wird daher hier nicht weiter beschrieben.
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Das
Fahrgestell 1 hat vier seitliche Flanken, von den zwei
in der Figur sichtbar sind. Diese Flanken sind mit Kopplungsmitteln,
hier in Form eines kegelförmigen
Vorsprungs 6 und einer zu dem Vorsprung 6 komplementär geformten
Aussparung 7 versehen. Diese Kopplungsmittel 6, 7 sind
an den Seitenflanken so angeordnet, dass, wenn, wie in 2 gezeigt, zwei erfindungsgemäße Transportroboter 10, 11 fluchtend
zueinander Position beziehen, die Längsachsen der Vorsprünge 6 und
Aussparungen 7 an ihren sich zugewandten Seitenflanken übereinfallen.
Die sich verjüngende
Form der Vorsprünge 6 und
Aussparungen 7 erlaubt es, die Transportroboter 10, 11 zunächst mit
eher geringer Genauigkeit in Bezug aufeinander zu positionieren
und sie dann aufeinander zuzubewegen. Eine Feinanpassung der Positionen
der Transportroboter 10, 11 quer zu ihrer Bewegungsrichtung
ergibt sich durch die verjüngte Form
der Kopplungsmittel 6, 7 selbsttätig bei
fortschreitender Annäherung
der Transportroboter 10, 11 aneinander. Wenn die
Seitenflanken der Transportroboter 10, 11 einander
berühren
und die Vorsprünge
und Aussparungen 6, 7 formschlüssig ineinandergreifen, erfolgt
eine Verriegelung, z.B. durch (nicht dargestellte) mechanische Mittel
oder mit Hilfe von Elektromagneten, die eine unerwünschte Bewegung
der zwei Transportroboter 10, 11 gegeneinander
ausschließt.
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Selbstverständlich könnte alternativ
die Positionierung der Roboter in Bezug auf einander rein sensoriell
gesteuert erfolgen; eine Führungswirkung durch
die Kopplungsmittel beim Annähern,
wie durch die verjüngte
Form der Kopplungsmittel 6, 7 erreicht, wäre dann
nicht nötig.
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Während des
Aufeinanderzubewegens erfasst jeder Transportroboter 10, 11 mit
Hilfe seiner Sensoren die Position eines vom jeweils anderen Transportroboter 11 bzw. 10 getragenen
Werkstücks 8 bzw. 9 und
steuert seine Tragarme 3 an, um das eigene Werkstück in Bezug
auf das gegenüberliegende
in eine durch einen einprogrammierten Fertigungsplan vorgegebene
Position zu bringen.
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3 zeigt die zwei Transportroboter 10, 11 im
aneinander angedockten Zustand; bei beiden ist die Position der
von ihnen getragenen Werkstücke 8, 9 mit
Hilfe der Tragarme 3 hier so angepasst, dass die Werkstücke 8, 9 an
zwei Kanten stumpf gegeneinanderstoßen.
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Bei
einem an den Werkstücken 8, 9 vorzunehmenden
Bearbeitungsschritt kann es sich beispielsweise um einen Schweißvorgang
handeln, bei dem die Werkstücke
entlang der einander zugewandten Kanten verbunden werden. Ein hierfür erforderlicher
Druck der Kanten gegeneinander wird von den zwei Transportrobotern 10, 11 durch
entsprechende Ansteuerung der Tragarme 3 ausgeübt; dabei
verhindert die Andockung der Transportroboter aneinander, dass diese
sich unbeabsichtigt voneinander lösen und die erforderliche Andrückkraft
zwischen den Werkstücken 8, 9 nicht
zu Stande kommt.
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Ein
Schweißroboter 12 umfasst
ein Fahrgestell 15, das hier mit den Fahrgestellen 1 der
Transportroboter 10, 11 identisch dargestellt
ist, sowie einen auf dem Fahrgestell 15 montierten beweglichen Arm 13,
der an seinem freien Ende einen Schweißkopf 14 trägt.
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In
Folge der Baugleichheit der Fahrgestelle 1, 15 und
ihrer Kopplungsmittel 6, 7 kann der Schweißroboter 12 sich
an einer Seitenflanke jedes der beiden Transportroboter 10, 11 positionieren
und dort andocken, indem er mit seinem Vorsprung 6 in die
Aussparung 7 des Fahrgestells 1 des Transportroboters 10 oder 11 einfährt und
dementsprechend dessen Vorsprung 6 in einer (in der Figur
nicht sichtbaren) Aussparung 7 des Fahrgestells 15 aufnimmt. So
ist die Position des Schweißroboters 12 in
Bezug auf die Transportroboter 10, 11 exakt festgelegt,
und der Schweißkopf 14 kann
präzise
an den sich berührenden
Kanten der Werkstücke 8, 9 entlang
geführt werden.
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Im
Fall des Schweißroboters
ist ein Andocken nicht unbedingt erforderlich, da er beim Schweißen keine
Kraft auf die Werkstücke 8, 9 ausübt. Es genügt eine
sensorielle Ausrichtung, was insbesondere im Falle des Laserschweißens interessant
ist. So kann der Schweißroboter
insbesondere auch als Ganzes verfahren werden, während er eine Schweißnaht herstellt,
während
die Werkstücke 8, 9 durch
die aneinander angedockten Transportroboter 10, 11 gefügt bleiben.
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Aufgrund
der festen Kopplung zwischen den Transportrobotern 10, 11 und
dem Fertigungsroboter 12 andererseits könnte auch ein Fertigungsroboter zum
Einsatz kommen, der bei seinem Bearbeitungsschritt eine nicht vernachlässigbare
Kraft auf die Werkstücke
ausübt,
z.B. ein Schraubroboter.
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Wenn
der Schweißroboter 12 seine
Arbeit beendet hat und sich von dem aus den zwei Transportrobotern 12, 11 gebildeten
Gespann wieder gelöst
hat, kann ein weiterer Transportroboter, der ein drittes, mit den
Werkstücken 8, 9 zusammenzufügendes Werkstück befördert, an
beliebige freie Kopplungselemente einer Flanke eines der Roboter 10, 11 andocken,
wodurch im Laufe mehrerer aufeinanderfolgender Bearbeitungsschritte
ein immer größeres, von
einer Vielzahl von Transportrobotern gleichzeitig getragenes Teil
entstehen kann.
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Da
die Aussparung 7 und der Vorsprung 6 an jeder
Seitenflanke eines Fahrgestells 1, 15 eine zwittrige
Anordnung bilden, d.h. die Seitenflanke an eine identisch gestaltete
Seitenflanke eines anderen Fahrgestells koppeln kann, können identische
Fahrgestelle 1, 15 für beide Transportroboter 10, 11 sowie für mit diesen
zusammenarbeitende Fertigungsroboter 12 verwendet werden.
Die Fahrgestelle können daher
in großer Stückzahl preiswert
hergestellt werden. Vorzugsweise sind die zwei Transportroboter 10, 11 völlig identisch,
so dass jeder von ihnen indifferent zum Transport eines beliebigen
Werkstückes 8 oder 9 eingesetzt
werden kann.
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4 zeigt die gleichen zwei
Transportroboter 10, 11 wie 3 zusammen mit einem Schweißroboter 12' mit abgewandeltem
Fahrgestell 15'.
Dieses abgewandelte Fahrgestell unterscheidet sich von den Fahrgestellen 1 der
Transportroboter 10, 11 in der Anordnung der Kopplungsmittel.
Diese sind an den Seitenflanken so angeordnet, dass z.B. der Abstand
von einem Vorsprung 6 an einer Seitenflanke des Transportroboters 10 zu
der Aussparung 7 an der gleichen Flanke genau so groß ist wie
zu der Aussparung 7 einer benachbarten Flanke des angedockten
Transportroboters 11. An dem Fahrgestell 15' sind die Kopplungsmittel 6, 7 in
ihrer Anordnung vertauscht, so dass im angedockten Zustand eine Aussparung
des Fahrgestells 15' den
Vorsprung 6 des Transportroboters 10 aufnimmt
und ein Vorsprung an der gleichen Flanke des Fahrgestells 15' in die Aussparung 7 der
angrenzenden Flanke des Transportroboters 11 eingreift.
So trägt
das Andocken des Schweißroboters 12 zusätzlich zur
Festigkeit der Kopplung zwischen den zwei Transportrobotern 10, 11 bei
oder bewirkt erst eine Verriegelung der Transportroboter 10, 11 aneinander.
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5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel von
Kopplungsmitteln von Robotern gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dargestellt sind perspektivische Teilansichten von zwei Fahrgestellen 1.
Es ist jeweils nur eine Seitenflanke von jedem Fahrgestell 1 dargestellt;
die anderen Seitenflanken sind identisch ausgebildet. Durch eine
Aussparung 7 (in der Figur nicht sichtbar) in der Flanke
des linken Fahrgestells 1 springt ein in Richtung eines
Pfeils P verschiebbarer Vorsprung 6 vor. Der Vorsprung 6 setzt
sich hier zusammen aus einem zylindrischen Abschnitt 6a und einer
kegelstumpfförmig
verjüngten
Spitze 6b. Der Vorsprung 6 ist mit in Umfangs richtung
gleichmäßig verteilten
Schlitzen 17, hier vier an der Zahl, versehen. Durch die
Schlitze 17 sind Halteklammern 18 aus dem Innern
des Vorsprungs 6 ausfahrbar.
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Der
Vorsprung 6 ist am linken Fahrgestell 1 in einer
ausgefahrenen Stellung gezeigt; wie hier am rechten Fahrgestell 1 zu
sehen, ist er, wenn die Halteklammern 18 ins Innere des
Vorsprungs 6 zurückgezogen
sind, in eine versenkte Stellung zurückziehbar, in der er im Innern
des Fahrgestells 1 verschwindet. Wenn der Vorsprung sich
in dieser zurückgezogenen
Stellung befindet, kann der Vorsprung 6 eines anderen Fahrgestells
durch die Aussparung 7 eindringen, seine Halteklammern 18 ausfahren,
so dass sie über
die Ränder
der Aussparung 7 hinausreichen, und anschließend, wenn
erforderlich, ein Stück
weit zurückgezogen
werden, so dass die Halteklammern 18 an der Innenseite
der Flanke des anderen Fahrgestells zu liegen kommen und die zwei
Flanken gegeneinander pressen.
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Wenn,
wie in 5 gezeigt, an
jeder Seitenflanke ein Satz von Haltemitteln 6, 7 vorhanden
ist, so können
derart ausgestattete Roboter einen Verbund wie in 3 dargestellt, bilden. Wenn zwei Sätze von Haltemitteln
in einem jeweils der halben Flankenlänge entsprechenden Abstand
vorhanden sind, kann ein Verbund nach dem Vorbild der 4 gebildet werden. Selbstverständlich kann
die Zahl der Haltemittel nach Bedarf auch vergrößert werden.