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1. Technischer Bereich
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Die Erfindung betrifft ein Manipulator-System zur automatischen Bearbeitung eines Objekts in einer Fließfertigung, als auch eine entsprechende Fließfertigungsanlage.
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2. Technischer Hintergrund
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In einer Serien- oder Fließfertigung werden üblicherweise Objekte oder Werkstücke, wie beispielsweise Fahrzeugkarosserien, sukzessive durch einzelne Bearbeitungsstationen transportiert. Die Objekte werden dabei häufig einzeln, meistens kontinuierlich, von einem Arbeitssystem zum nächsten gefördert. Unter dem Begriff der Fließfertigung fällt im Sinne der vorliegenden Erfindung auch die sogenannte Taktfertigung.
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Häufig sollen Werkstücke oder Objekte im Fließbetrieb bearbeitet werden. Wenn das zu bearbeitende Objekt entlang eines feststehenden Manipulators bewegt wird, kann dieses Objekt im Fließbetrieb nur kurz durch den Manipulator bearbeitet werden, da der Manipulator üblicherweise einen begrenzten Arbeitsraum hat und das zu bearbeitende Objekt folglich nur kurz in dessen Reichweite bleibt.
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Es ist bekannt mittels Sensorik, wie etwa mittels mechanischen Sensoren, Ultraschallsensoren oder optischen Sensoren, ein sogenanntes Tracking des Objektes durchzuführen. Dieses ist jedoch störungsanfällig, da beispielsweise die Ultraschallsensoren oder optischen Sensoren durch äußere Einflüsse gestört werden können (wie etwa durch Schwingungen oder Helligkeitswerte).
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Es ist ferner bekannt einen starren Manipulator einzusetzen, der mit seinen Achsen mitfährt, somit seinen Flansch mit dem zu bearbeitenden Objekt bewegt, um das zu bearbeitende Objekt oder Bauteil zu greifen und/oder zu bearbeiten. Allerdings ist bei einem starrstehenden Manipulator nur ein sehr begrenzter Arbeitsraum möglich.
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In einem weiteren betriebsinternen Verfahren ist bekannt, einen Manipulator mittels einer Linearachse entlang der Fließfertigung mitzufahren. Jedoch ist ein solches Mitfahren durch eine Linearachse sehr aufwendig zu regeln, und ferner auch störanfällig. Außerdem wird eine zusätzliche externe Energiequelle, wie beispielsweise ein Elektromotor, benötigt, um den Manipulator im Fließbetrieb mit dem zu bearbeitenden Objekt mitzubewegen. Zudem ist keine Lineareinheit bekannt, welche sich für den Einsatz in einer sogenannten Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) eignet. Weiterhin wären solche Lineareinheiten sehr aufwendig herzustellen, da diese ebenso verschiedenste Schutzmaßnahmen für die MRK benötigt.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches mechanisches System zum Bearbeiten eines Werkstücks im Fließbetrieb bereitzustellen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein MRK-fähiges System zum Bearbeiten eines Werkstücks bereitzustellen, mit welchem Objekte oder Werkstücke im Fließbetrieb bearbeitet werden können. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine lineare Bewegung eines Manipulators im Fließbetrieb zu ermöglichen, welche möglichst ohne externe elektrische Systeme auskommt.
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Diese Aufgaben werden mit einem System nach Anspruch 1 und einer Anlage nach Anspruch 7 gelöst.
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3. Inhalt der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Manipulator-System zur automatischen Bearbeitung eines Objekts während eines Förderns des Objekts, insbesondere in einer Fließfertigung, mittels zumindest einer Fördervorrichtung. Hierbei ist unter „während eines Förderns des Objekts” jegliche (Relativ-)Bewegung des Objekts gegenüber dem Untergrund bzw. Hintergrund zu verstehen, insbesondere eine Bewegung des Objekts gegenüber dem Untergrund auf dem das Objekt bzw. eine Halte-/Transporteinrichtung des Objekts angeordnet ist. Somit soll vorzugsweise ein Manipulator-System bereitgestellt werden, mit welchem das Objekt bearbeitbar ist, während dieses, beispielsweise in der Fließfertigung, transportiert bzw. gefördert wird.
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Das Manipulator-System umfasst eine Transportvorrichtung, welche im Wesentlichen parallel zu einer Transport-/Förderrichtung des vorzugsweise zu bearbeitenden Objekts, bevorzugt im Wesentlichen parallel zu einer Fließrichtung der Fließfertigung, bewegbar ist, bzw. die Transportvorrichtung im Wesentlichen parallel bewegbar ist. Die Transportvorrichtung umfasst eine lösbare Arretierungsvorrichtung zum mittelbaren oder unmittelbaren Befestigen, insbesondere Arretieren bzw. Koppeln der Transportvorrichtung an die Fördervorrichtung, bevorzugt Fließfertigung, so dass die Transportvorrichtung der Fördervorrichtung, insbesondere einer Fließbewegung der Fließfertigung folgt, wenn die Arretierungsvorrichtung nicht gelöst ist. Folglich bewegt sich die Transportvorrichtung vorzugsweise parallel zu der Fließrichtung der Fließfertigung bzw. der Transport-/Förderrichtung des zu bearbeitenden Objekts (30), wenn die Arretierungsvorrichtung mittelbar oder unmittelbar an die Fließfertigung arretiert ist bzw. mittelbar oder unmittelbar an der Fördervorrichtung befestigt ist.
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Eine mittelbare Befestigung/Arretierung liegt vor, wenn die Arretierungsvorrichtung nicht direkt an der Fördervorrichtung angreift/befestigt ist, sondern über weitere Elemente eine Befestigung herstellbar ist, beispielsweise könnte die Arretierungsvorrichtung am zu bearbeitenden Objekt selbst arretierbar/befestigbar sein.
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Bevorzugt ist jedoch die Arretierungsvorrichtung unmittelbar an der Fördervorrichtung bzw. einem Element der Fördervorrichtung befestigt/arretiert.
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Somit kann die Transportvorrichtung durch einen simplen mechanischen Kraftschluss mit dem transportierten, zu bearbeitenden Objekt zusammen bewegt werden, wobei sich ein bspw. Gelenkarmroboter auf der Transportvorrichtung und das Objekt vorzugsweise mit der gleichen Geschwindigkeit in dieselbe Richtung bewegen.
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Ferner umfasst das Manipulator-System einen mehrachsigen Gelenkarmroboter, welcher an der Transportvorrichtung bereitgestellt ist, so dass der Gelenkarmroboter durch die Transportvorrichtung mitbewegbar ist. Bevorzugt ist der Gelenkarmroboter an der Transportvorrichtung befestigt.
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Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Manipulator-System, dass der mehrachsige Gelenkarmroboter durch die Transportvorrichtung parallel zu einer Fließrichtung der Fließfertigung mitbewegt wird bzw. dass der Roboter bzw. Manipulator parallel zum zu bearbeitenden Objekt mitbewegt wird/mitbewegbar ist, wobei insbesondere die Bewegungsrichtung des Roboters bzw. des Manipulators, hervorgerufen durch die Transportvorrichtung, parallel zur Transport-/Förderrichtung des zu bearbeitenden Objekts bzw. dessen Fördervorrichtung ist, wenn die Transportvorrichtung an die Fließfertigung/Fördervorrichtung mittels der Arretierungsvorrichtung mittelbar oder bevorzugt unmittelbar arretiert ist. Ein Einsatz von elektrischen Antrieben zum unmittelbaren Bewegen der Transportvorrichtung bzw. des Gelenkarmroboters ist nicht notwendig, da sich die Transportvorrichtung mittels der Arretierungsvorrichtung an die Fließfertigung/Fördervorrichtung „ankoppelt”.
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Vorzugsweise sind die Gelenke und/oder Achsen des mehrachsigen Gelenkarmroboters mit Sensoren zur Erfassung von Drehmomenten und Kräften versehen. Als Sensoren kommen bevorzugt Kraft-Momenten-Sensoren zum Einsatz, und insbesondere Sensoren, die auf Dehnungsmessstreifen basieren, die an zumindest einem Gelenk und/oder zumindest einer Achse des mehrachsigen Gelenkarmroboters bereitgestellt sind. Somit können wirkende Kräfte präzise erfasst werden. Weiter bevorzugt sind alle Achsen und/oder Gelenke des Gelenkarmroboters mit solchen Kraft-Momenten-Sensoren versehen. Auf diese Weise können die auf den Gelenkarmroboter wirkenden Kräfte sehr detailliert überwacht werden. Der Gelenkarmroboter ist somit „sensibel”, da jeder Kontakt des Gelenkarmroboters mit seiner Umgebung erkannt werden kann, und hierauf entsprechend reagiert werden kann. Somit eignet er sich vorteilhaft für den Einsatz in MRK-Umgebungen.
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Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Manipulator-System eine Steuereinheit auf, welche eingerichtet ist, den Gelenkarmroboter zu steuern, so dass dieser die lösbare Arretierungsvorrichtung betätigt. Mittels der Steuereinheit kann somit der Gelenkarmroboter derart gesteuert werden, dass dieser die Arretierungsvorrichtung betätigt, so dass diese beispielsweise gelöst wird. Ein zusätzliches System zum Schalten der Arretierungsvorrichtung ist somit nicht erforderlich. Der Gelenkarmroboter kann dabei vorzugsweise die Arretierungsvorrichtung mit einem Endeffektor, oder beispielsweise mit einem Teil seines Roboterarms betätigen.
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Weiter vorzugsweise kann die Arretierungsvorrichtung selbsttätig eine Befestigung/Arretierung bewirken, durch bevorzugt entsprechende Motoren oder anderweitige Mechanismen. Hierbei kann die Arretierungsvorrichtung eine eigene Steuerung aufweisen, oder über die Steuereinheit des Manipulator-Systems ansteuerbar sein.
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Vorzugsweise umfasst die lösbare Arretierungsvorrichtung einen Riegel. Dieser Riegel erlaubt dabei vorzugsweise einen Kraftschluss zwischen der Transportvorrichtung und einem Element der Fließfertigung, welches sich mit der Fließfertigung mitbewegt, also beispielsweise mittels einer Fördervorrichtung der Fließfertigung mitbewegt wird. Dieses Element kann ein Teil der Fördervorrichtung sein, oder auch ein Teil des zu bearbeitenden Objekts. Somit kann der Gelenkarmroboter durch einen simplen mechanischen Kraftschluss mit dem transportierten, zu bearbeitenden Objekt zusammen bewegt werden, wobei sich der Gelenkarmroboter und das Objekt vorzugsweise mit der gleichen Geschwindigkeit in dieselbe Richtung bewegen.
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Vorzugsweise weist die Transportvorrichtung ferner eine Rückfahreinheit auf. Diese Rückfahreinheit ist dabei eingerichtet die Transportvorrichtung in eine Ausgangsposition zu bewegen, wenn die lösbare Arretierungsvorrichtung gelöst ist. Wenn die Transportvorrichtung an die Fließfertigung bzw. Fördervorrichtung arretiert/befestigt ist, wird die Transportvorrichtung mit dem Gelenkarmroboter vorzugsweise parallel zu der Fließfertigung/Fördervorrichtung mitbewegt, da die Transportvorrichtung der Fließbewegung der Fließfertigung bzw. der Transport-/Förderrichtung der Fördervorrichtung folgt. Wenn die Arretierung gelöst ist, bewegt sich die Transportvorrichtung automatisch mittels der Rückfahreinheit zurück zu der Ausgangsposition, und kann anschließend wieder an die Fließfertigung/Fördervorrichtung (mittelbar oder unmittelbar) arretieren/sich (mittelbar oder unmittelbar) an dieser befestigen. Somit kann der Bearbeitungsprozess durch den Gelenkarmroboter erneut durchgeführt werden. Vorzugsweise umfasst die Rückfahreinheit dabei einen Federzug bzw. Feder-Rückholer und/oder einen Balancer (Gewichtsausgleicher). Diese bieten den Vorteil, dass sie rein mechanisch arbeiten und daher keine externe Energiequelle, wie etwa Elektromotoren, benötigen. Bei der Mitbewegung der Transportvorrichtung werden der Federzug bzw. der Balancer gespannt und erlauben damit eine selbststätige Rückführung der Transportvorrichtung, wenn die Arretierung (Kopplung) mit der Fließfertigung gelöst wird.
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Ferner vorzugsweise ist die Transportvorrichtung frei von Antrieben zum Bewegen der Transportvorrichtung weg von der Ausgangsposition. Wenn die Transportvorrichtung parallel zu der Fließrichtung der Fließfertigung bewegt, und zwar in Fließrichtung, erfolgt dies ohne den Einsatz von eigenen Antriebe der Transportvorrichtung. Vorzugsweise wird lediglich durch den Kraftschluss zwischen der Arretierungsvorrichtung und der Fließfertigung/Fördervorrichtung die Transportvorrichtung bewegt. Eine Rückbewegung der Transportvorrichtung, also eine Bewegung entgegengesetzt der Fließrichtung der Fließfertigung bzw. Transport-/Förderrichtung der Fördervorrichtung, erfolgt vorzugsweise durch die Rückfahreinheit. Die Bewegung entlang der Fließfertigung bzw. Transport-/Förderrichtung der Fördervorrichtung, während der mehrachsige Gelenkarmroboter das Objekt vorzugsweise bearbeitet, erfolgt somit ohne zusätzliche externe elektrische Systeme.
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Vorzugsweise umfasst die Transportvorrichtung einen Schlitten und eine Führungsschiene, wobei der Schlitten linear entlang der Führungsschiene beweglich ist. Somit kann letztendlich der Gelenkarmroboter präzise und zuverlässig mittels einfacher Mechanik entlang und parallel zu der Fließfertigung bewegt werden.
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Ferner umfasst die vorliegende Erfindung eine Fließfertigungsanlage, umfassend zumindest eine Fördervorrichtung zum Fördern von Objekten in einer Fließfertigung, und ein erfindungsgemäßes Manipulator-System.
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4. Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1 schematisch ein beispielhaftes Manipulator-System;
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2 das Manipulator-System aus 1 in einer anderen Konfiguration; und
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3–5 schematisch den Ablauf einer Bearbeitung eines Objekts in einer Fließfertigung mittels des Manipulator-Systems aus 2.
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In 1 ist ein Manipulator-System dargestellt, welches einen Schlitten 10 und einen mehrachsigen Gelenkarmroboter 20 umfasst. Der mehrachsige Gelenkarmroboter 20 ist als Leichtbauroboter ausgebildet und umfasst unter anderem einen Flansch 21 und einen Roboterfuß 22. Der Roboterfuß 22 des Gelenkarmroboters 20 ist auf einer Plattform bzw. auf dem Schlitten 10 (bzw. der Transportvorrichtung) platziert. Der Gelenkarmroboter 20 weist mehrere Kraft-/Momentsensoren auf (nicht gezeigt), mit welchen Kräfte und Drehmomente, die auf den Gelenkarmroboter 20 wirken, präzise detektiert werden können.
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An dem Schlitten 10 sind Führungsfüße 11, 12 bereitgestellt, als auch ein Riegel 14, welcher als Arretierungsvorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung agiert. Der Riegel 14 ist dabei zwischen zwei Positionen beweglich.
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In 2 ist zusätzlich zu der Darstellung aus 1 eine Führungsschiene 13 dargestellt, auf welcher der Schlitten 10 mittels der Führungsfüße 11, 12 beweglich ist. Der Riegel 14 ist im Gegensatz zu der Darstellung in 1 in einer zweiten Position. Ferner ist in 2 ein Balancer 15 dargestellt, welcher beispielsweise mittels einer Seiltrommel den Schlitten 10 entlang der Führungsschiene 13 ziehen kann.
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Anhand der 3–5 wird im Folgenden beispielhaft der Einsatz des Manipulator-System aus 2 in einer Fließfertigung beschrieben. In 3 ist ein Fahrzeug 30 bzw. eine Fahrzeugkarosserie dargestellt, welches mittels des Gelenkarmroboters 20 bearbeitet werden soll. Das Fahrzeug 30 wird dabei mittels einer Fördervorrichtung (nicht gezeigt) vorwärts bewegt, d. h. in Richtung des Pfeils. Ferner ist ein Element 31 bereitgestellt, welches ebenfalls mittels der Fördervorrichtung (nicht gezeigt) gemeinsam mit dem Fahrzeug 30 bewegt wird. In einem ersten Schritt fährt der Gelenkarmroboter 20 mit Hilfe seiner sensitiven Eigenschaften, bedingt durch die bereitgestellten Kraft-Momentsensoren, den Riegel 14 aus, so dass dieser wie in 1 dargestellt, in einer waagerechten Position ist. Der Roboter 20 und der Schlitten 10 befinden sich in 1 in einer Ausgangsposition auf der Führungsschiene 13.
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Wenn nun das Fahrzeug 30 durch eine Fördervorrichtung entlang der Führungsschiene 13 bewegt wird, erfolgt ein Kraftschluss zwischen dem Riegel 14 und dem Element 31, und durch die Bewegung der Fördertechnik wird der Roboter 20 zusammen mit dem Schlitten 10 entlang der Führungsschiene mitgezogen. Dabei wird der Balancer 15, der beispielsweise mit einem Seil am Schlitten 10 befestigt ist, gespannt. Wie in 4 dargestellt, bewegt sich der Roboter 20 mit dem Fahrzeug 30 in Fließrichtung der Fließfertigung mit. Der Gelenkarmroboter 20 hat dabei die gleich Geschwindigkeit wie das zu bearbeitende Fahrzeug 30, es liegt somit keine Relativbewegung zwischen dem Gelenkarmroboter 20 und dem Fahrzeug 30 vor, so dass die Bearbeitung des Fahrzeugs 30 durch den Gelenkarmroboter 20 problemlos erfolgen kann.
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Anschließend löst der Gelenkarmroboter 20 selbstständig die Arretierung an die Fahrzeugbewegung, in dem er den Riegel 14 von dem Element 31 löst. Er klappt dabei den Riegel 14 hoch, so dass dieser, wie in 2 dargestellt, senkrecht ist. Nun liegt kein Kraftschluss mehr zwischen dem Riegel 14 und dem Element 31 vor, woraufhin der Schlitten 10 zusammen mit dem Gelenkarmroboter 20 aufgrund des gespannten Balancers 15 zurückgezogen wird, bis die Ausgangsposition erreicht ist, wie in 5 dargestellt. Bevorzugt könnte jedoch auch ein weiteres Element genutzt werden, um den Riegel 14 von dem Kraftschluss mit der Fördervorrichtung bzw. dem Element 31 zu lösen. Ebenso wäre eine selbsttätige Arretierungsvorrichtung möglich, welche den Riegel 14 in die beiden Positionen bewegt. Anschließend kann der Riegel wieder ausgefahren werden, so dass der Prozess mit dem nachfolgenden Fahrzeug erneut durchgeführt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schlitten
- 11, 12
- Führungsfüße
- 13
- Führungsschiene
- 14
- Riegel
- 15
- Balancer
- 20
- Gelenkarmroboter
- 21
- Flansch
- 22
- Roboterfuß
- 30
- Fahrzeug
- 31
- Element
