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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung einer Tragkonstruktion für die Befestigung und Lagerung von Glasscheiben oder Fassadenplatten. Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung von Ebenen oder räumlich gewölbten Tragkonstruktionen.
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Im Einzelnen betrifft die Erfindung einen Schweißroboter, insbesondere einen mobilen Schweißroboter zur Herstellung einer solchen Tragkonstruktion.
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Häufig werden Glasscheiben oder Fassadenplatten entlang der Kanten linienförmig auf Tragprofilen mit Dichtungen aufgelegt und dort befestigt. Die Tragprofile werden in den Kreuzungspunkten gestoßen und dort miteinander verschraubt oder verschweißt. Um dies zu ermöglichen, sind die Profile an den Stoßstellen mit mehr oder weniger komplizierten Gehrungsschnitten ausgeführt. Aufwendig wird dies vor allem dann, wenn die Profile nicht rechtwinklig aneinander anschließen, sondern in unterschiedlichen Winkeln aufeinandertreffen, wie beispielsweise bei Tragkonstruktionen für Kuppeldächer oder anderen räumlich verlaufenden Flächen. Um solche Tragkonstruktionen insbesondere für Kuppeldächer oder räumlich verlaufende Flächen wirtschaftlich fertigen und montieren zu können, werden die Profile üblicherweise mit den Kreuzungspunkten (Knoten) verschraubt.
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Grundsätzlich weisen geschraubte Konstruktionen eine geringere Steifigkeit und Tragfähigkeit auf im Vergleich zu geschweißten Konstruktionen. Dazu kommt noch das Problem, dass durch das Aneinanderfügen der Teile sich Toleranzen ungünstig aufaddieren können, was somit die Lage- und Formgenauigkeit der Konstruktion unter Umständen stark beeinflussen kann. Weiterhin sind die Knoten dann häufig größer ausgeführt, um die notwendigen Befestigungsmaterialien, wie beispielsweise Schrauben und Muttern, entsprechend unterbringen zu können.
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Um diese Nachteile zu beheben, werden solche Tragkonstruktionen in der Regel in geschweißter Ausführung hergestellt. Bei der geschweißten Ausführung werden die Tragprofile entweder miteinander oder mit den Knoten verschweißt.
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Kleine Tragkonstruktionen werden sinnvollerweise bereits im Werk komplett geschweißt hergestellt, Oberflächen beschichtet und dann auf die Baustelle ausgeliefert und dort montiert. Im Werk können die Schweißarbeiten mit der notwendigen Qualität und Genauigkeit besser hergestellt werden im Vergleich zu der Herstellung auf der Baustelle. Insbesondere ist im Werk auch der Einsatz von Schweißautomaten und Schweißrobotern einfach zu bewerkstelligen.
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Bei größeren Tragkonstruktionen ist es jedoch unvermeidbar, dass auch auf der Baustelle geschweißt werden muss. Um die Schweißarbeiten dort dennoch auf ein Minimum zu reduzieren, werden möglichst große Baugruppen auf die Baustelle geliefert. Die Baugruppen können in Form von bereits im Werk geschweißten Leitern oder Gitterschalen auf die Baustelle geliefert werden.
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In einer weiteren Ausführung werden nur lose Stäbe und Knoten auf die Baustelle geliefert. Die Stäbe und Knoten sind an den Verbindungsflächen mechanisch bearbeitet und können durch angebrachte Positionierhilfen präzise zusammengesteckt und/oder zusammengeschraubt werden. Dabei kann die Struktur mittels Gerüsten oder Stützen jeweils an den Knotenpunkten unterstützt werden.
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Die größte Herausforderung bei der Herstellung der geschweißten Tragkonstruktion ist das Schweißen auf der Baustelle. Hierbei müssen die Umgebungsbedingungen so gestaltet werden, dass der Bereich der Schweißung vor widrigen Wetterverhältnissen geschützt wird. Dies kann entweder durch eine großflächige Überdachung mit seitlichen Schutzwänden, oder durch kleine mobile Schutzräume oder Zelte erfolgen. Auf jeden Fall muss Sorge dafür getragen werden, dass der Schweißbereich ausreichend sauber, trocken und temperiert ist.
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Der wichtigste Punkt bei der Schweißung auf der Baustelle ist der Einsatz von hochqualifizierten Schweißern. Aufgrund der variabel im Raum angeordneten Knotenpunkte ist jedoch jede Schweißnaht auch für hochqualifizierte Schweißer eine neue Herausforderung. Bei einfachen Konstruktionen können die Schwei-ßungen zum Großteil in Ideallage geschweißt werden. Bei komplexeren Geometrien erfolgen die Schweißungen dann vermehrt in Zwangslagen. Hier werden dann die Zugänglichkeiten und sogar die Sichtbereiche auf und zur Schweißnaht immer mehr erschwert. Zudem muss für den Schweißer ein sicherer Standbereich geschaffen werden.
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Auf Grundlage dieser Problemstellung liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Lösung anzugeben, mit welcher auch komplizierte Tragkonstruktionen vor Ort, d.h. auf der Baustelle, wirtschaftlich und bei durchgehend guter Qualität gefertigt werden können.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird insbesondere durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst, welcher einen mobilen Schweißroboter mit mindestens einem Schweißroboterarm und einem Schweißkopf betrifft, wobei der Schweißkopf zum Verschweißen mindestens eines Bereichs mindestens eines Werkstücks, insbesondere mehrerer Werkstücke, ausgebildet ist. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schweißroboters sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Schweißroboter zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Schweißroboterarm auf oder an einer als Trägereinheit dienenden Traverse befestigt oder befestigbar ist, wobei die als Trägereinheit dienende Traverse ausgebildet ist, an oder auf einer Tragkonstruktion für Fassaden oder Dächer lösbar befestigt zu sein.
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Insbesondere ist bei dem erfindungsgemäßen Schweißroboter vorgesehen, dass dem Schweißroboter eine Kalibriereinheit zugeordnet ist, welche ausgebildet ist, insbesondere in einem an oder auf der Tragkonstruktion befestigten Zustand der als Trägereinheit dienenden Traverse eine Position, Lage und/oder Ausrichtung des Schweißroboters und insbesondere des Schweißkopfs mit Bezug zu der Tragkonstruktion festzustellen.
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Gemäß Realisierungen des erfindungsgemäßen Schweißroboters sind an oder auf der als Trägereinheit dienenden Traverse nicht nur der Schweißroboterarm mit dem mindestens einen Schweißkopf, sondern auch sämtliche für den Schweißprozess notwendige Komponenten angeordnet. Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, dass diese für den Schweißprozess notwendigen Komponenten separat von der als Trägereinheit dienenden Traverse angeordnet sind.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der mobile Schweißroboter mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Flexibilität, insbesondere mit Hinblick auf eine flexible und vorzugsweise schnelle Einsetzbarkeit, bereitgestellt werden. Vorteilhaft kann eine Produktionsfläche, welche zur Bereitstellung des Schweißroboters benötigt wird, verringert und/oder auf diese verzichtet werden. Ferner kann ein Transportaufwand des zu verschweißenden Werkstücks selbst verringert und vorzugsweise vermieden werden. Insbesondere in diesem Zusammenhang kann eine Lagerfläche für mehrere zu verschweißende Werkstücke verringert werden.
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Unter dem hierin verwendeten Begriff „mobiler Schweißroboter“ soll insbesondere ein Schweißroboter verstanden werden, welcher zu verschiedenen Einsatzorten transportierbar ist und dort direkt nach einer Befestigung an oder auf der Tragkonstruktion, insbesondere ohne weitere Montageschritte, zu einem Schweißbetrieb einsetzbar ist.
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In vorteilhafter Weise ist der mobile Schweißroboter autark ausgebildet und umfasst insbesondere alle zu einem Schweißbetrieb notwendigen Komponenten, wie insbesondere einen Schweißkopf, eine Schweißdrahtzuführung, eine Schweißstromquelle, eine Energieversorgungseinheit, wie beispielsweise ein Netzgerät, und/oder eine Steuereinrichtung, wobei insbesondere diese Komponenten zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig an oder auf der als Trägereinheit dienenden Traverse, vorzugsweise an einer Oberseite, insbesondere an einer Trägerplatte der Trägereinheit angeordnet sind.
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Eine Steuereinrichtung im Sinne der vorliegenden Offenbarung soll insbesondere eine Einheit mit mindestens einer Recheneinheit und mit zumindest einer Speichereinheit verstanden werden. In der Speichereinheit ist insbesondere zumindest ein Betriebsprogramm hinterlegt, welches vorzugsweise in der Recheneinheit ausführbar ist. Das Betriebsprogramm ist insbesondere zur Durchführung eines computergesteuerten und vorzugsweise automatischen, insbesondere vollautomatischen, Verschweißens des Werkstücks vorgesehen und umfasst insbesondere CNC-Daten für die Verschweißung des Werkstücks.
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Darunter, dass eine Komponente an der als Trägereinheit dienenden Traverse angeordnet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass die Komponente mit der Trägereinheit fest verbunden ist, und zwar vorzugsweise kraftschlüssig und/oder formschlüssig.
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Der Schweißroboterarm des erfindungsgemäßen Schweißroboters ist insbesondere als ein Roboterarm eines Industrieroboters ausgebildet, und zwar vorzugsweise gemäß der entsprechenden VDI-Richtlinie, wonach Industrieroboter universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen sind, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei (d.h. ohne mechanischen bzw. manuellen (menschlichen) Eingriff) programmierbar und ggf. sensorgeführt sind.
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Insbesondere sind diese mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen. Vorzugsweise ist der Schweißroboterarm zum Lichtbogenschweißen vorgesehen.
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Gemäß Realisierungen des erfindungsgemäßen Schweißroboters weist der Schweißroboterarm insbesondere einen Knickarm- oder Gelenkarmmanipulator auf, mittels welchem der Knickarm bzw. Gelenkarm bewegbar ist.
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Die Schweißroboterarmglieder sind insbesondere um zumindest eine erste Achse, eine zweite Achse und eine dritte Achse zueinander beweglich gelagert, wobei die erste und die zweite Achse zueinander zumindest im Wesentlichen parallel orientiert sind. Ferner ist die dritte Achse zur ersten Achse und/oder zur zweiten Achse zumindest im Wesentlichen senkrecht orientiert. Insbesondere sind das erste Schweißroboterarmglied und das zweite Schweißroboterarmglied zueinander mittels der ersten Achse beweglich gelagert. Ferner sind insbesondere das zweite und das dritte Schweißroboterarmglied insbesondere zueinander mittels der zweiten Achse beweglich gelagert. Das dritte Schweißroboterarmglied ist insbesondere relativ zu der als Trägereinheit dienenden Traverse um die dritte Achse beweglich gelagert. Zusätzlich ist das dritte Schweißroboterarmglied vorzugsweise um eine vierte Achse schwenkbar gelagert, welche vorzugsweise parallel zu der ersten Achse und der zweiten Achse ist, und insbesondere senkrecht zu der dritten Achse ist.
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Gemäß Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schweißroboters ist vorgesehen, dass die Kalibriereinheit mindestens eine insbesondere am Schweißroboterarm und insbesondere am Schweißkopf des Schweißroboterarms angeordnete Prüfelektrode aufweist.
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Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es denkbar, dass die Kalibriereinheit mindestens einen insbesondere am Schweißroboterarm und insbesondere am Schweißkopf des Schweißroboterarms angeordneten Lagesensor aufweist.
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Die mindestens eine Prüfelektrode bzw. der mindestens eine Lagesensor ist insbesondere ausgebildet, um die Position, Lage und/oder Ausrichtung des Schweißkopfs zu kalibrieren. Zu diesem Zweck ist gemäß Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schweißroboters vorgesehen, dass die mindestens eine Prüfelektrode bzw. der mindestens eine Lagesensor mindestens drei vorab festgelegte oder festlegbare Kalibrierpunkte antastet und/oder eine vorab festgelegte oder festlegbare Kontur abfährt.
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Diese Ausgestaltungen ermöglichen es, dass der Schweißroboter, wenn dieser an oder auf der Tragkonstruktion befestigt ist, vorzugsweise automatisch seine Position, Lage und/oder Ausrichtung erfassen kann, so dass der Schweißkopf des Schweißroboters die notwendigen und vorab festgelegten Schweißoperationen durchführen kann.
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Gemäß Realisierungen des erfindungsgemäßen Schweißroboters ist vorgesehen, dass der als Trägereinheit dienenden Traverse Haltemittel zugeordnet sind, um die Traverse an oder auf der Tragkonstruktion insbesondere lösbar zu befestigen. Bei diesen Haltemitteln handelt es sich insbesondere um Schnellbefestigungsmittel.
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In einer Ausgestaltung der insbesondere als Schnellbefestigungsmittel ausgeführten Haltemittel ist vorgesehen, dass die Haltemittel mindestens ein erstes Befestigungselement und mindestens ein weiteres, zweites Befestigungselement aufweisen, welches relativ zu dem ersten Befestigungselement in mindestens einem Betriebszustand verstellbar ist.
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Denkbar in diesem Zusammenhang ist es insbesondere, dass das erste Befestigungselement und das mindestens eine weitere, zweite Befestigungselement in dem Betriebszustand insbesondere dazu vorgesehen sind, durch gegenseitiges Verspreizen die als Trägereinheit dienende Traverse an dem Einsatzort an oder auf der Tragkonstruktion zu befestigen.
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Der Schweißroboterarm des erfindungsgemäßen Schweißroboters weist vorzugsweise einen als Knickarm und/oder Gelenkarm ausgeführten Bereich auf und ist ausgebildet, den am Schweißroboterarm befestigten Schweißkopf mindestens sechs-achsig zu bewegen.
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Grundsätzlich ist es von Vorteil, dass der Schweißroboterarm mindestens eine Sensorik aufweist, welche zu einer sensorischen Positionsfindung mindestens eines zu verschweißenden Bereichs des Werkstücks vorgesehen ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Sensorik Teil einer weiteren Komponente sein und insbesondere an der als Trägereinheit dienenden Traverse angeordnet sein.
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Die Sensorik kann beispielsweise eine Kamera, eine Laservermessung oder dergleichen umfassen. Besonders bevorzugt umfasst die Sensorik zumindest einen taktilen Sensor, welcher insbesondere auf taktile Veränderungen eines Widerstands, auf welchen eine Schweißdrahtspitze des Schweißkopfs trifft, reagiert. Insbesondere nach einer sensorischen Detektierung zumindest eines zu verschweißenden Teils/Bereichs des Werkstücks ist die Steuereinrichtung dazu vorgesehen, eine durch die Sensorik ermittelte Position des zu verschweißenden Teils mit eine in einer Speichereinheit der Steuereinrichtung hinterlegten vorgesehenen Positionen abzugleichen und basierend auf der tatsächlichen Position eine Korrektur der in der Steuereinrichtung hinterlegten Positionsdaten vorzunehmen.
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Unter dem hierin verwendeten Begriff „Schnellbefestigungsmittel“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche insbesondere werkzeugfrei zu einer kraft- und/oder formschlüssigen Befestigung der als Trägereinheit dienenden Traverse an der Tragkonstruktion im Einsatzort vorgesehen ist. Insbesondere sind zur Befestigung mittels der Schnellbefestigungsmittel keine weiteren Hilfsmittel, wie beispielsweise Schrauben oder Muttern, notwendig. Ferner ist jedoch auch eine zusätzliche Sicherung durch weitere Hilfsmittel denkbar.
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Gemäß Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schweißroboters ist vorgesehen, dass das erste Befestigungselement der insbesondere als Schnellbefestigungsmittel ausgeführten Haltemittel fest mit der als Trägereinheit dienenden Traverse verbunden ist.
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In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass das mindestens eine weitere, zweite Befestigungselement insbesondere relativ zumindest zu dem ersten Befestigungselement verfahrbar und zwar insbesondere linear verfahrbar ist. Beispielsweise könnte das zweite Befestigungselement mechanisch, hydraulisch und/oder pneumatisch verfahrbar sein.
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Gemäß Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass die insbesondere als Schnellbefestigungsmittel ausgeführten Haltemittel mindestens eine Spindel und insbesondere mindestens einen Antrieb, welcher die Spindel zu einem Verfahren des zweiten Befestigungselements antreibt, aufweist.
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In diesem Zusammenhang ist es selbstverständlich denkbar, dass die insbesondere als Schnellbefestigungsmittel ausgeführten Haltemittel ferner mindestens ein drittes Befestigungselement aufweisen, welches insbesondere an der als Trägereinheit dienenden Traverse angeordnet und vorzugsweise fest mit dieser verbunden ist. Das zweite Befestigungselement ist insbesondere in zumindest einem Betriebszustand relativ zu dem dritten Befestigungselement verstellbar.
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Die einzelnen Befestigungselemente des insbesondere als Schnellbefestigungsmittel ausgeführten Haltemittels sind insbesondere in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, welche zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene der als Trägereinheit dienenden Traverse verläuft. Insbesondere sind die Befestigungselemente vorzugsweise in Form eines gleichschenkligen Dreiecks angeordnet, wobei eine Verbindungsstrecke zwischen dem ersten Befestigungselement und dem zweiten Befestigungselement gleich einer Verbindungsstrecke zwischen dem dritten Befestigungselement und dem zweiten Befestigungselement ist.
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Die Befestigungselemente des insbesondere als Schnellbefestigungsmittel ausgeführten Haltemittels können beispielsweise als Spannbacken ausgebildet sein, welche insbesondere dazu vorgesehen sind, eine Kante der Tragkonstruktion bzw. der die Tragkonstruktion ausbildenden Streben und/oder des zu verschweißenden Werkstücks zu umgreifen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die als Trägereinheit dienende Traverse mindestens eine Halteeinheit aufweist, welche zur lösbaren Befestigung an einer Transporteinheit vorgesehen ist. Damit kann vorteilhaft eine Transportierbarkeit verbessert werden und somit eine flexible Einsatzfähigkeit des mobilen Schweißroboters erhöht werden.
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Die Halteeinheit ist insbesondere an der als Trägereinheit dienenden Traverse befestigt, und vorzugsweise mit dieser fest verbunden.
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Gemäß Realisierungen der Halteeinheit ist diese insbesondere in einem Mittelbereich der als Trägereinheit dienenden Traverse angeordnet.
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Die Halteeinheit kann mindestens ein Halteelement und vorzugsweise mehrere Halteelemente aufweisen. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass eine Gerade durch einen geometrischen Mittelpunkt zumindest eines Halteelements der Halteeinheit und einen Schwerpunkt der als Trägereinheit dienenden Traverse zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der als Trägereinheit dienenden Traverse gerichtet ist.
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Gemäß Realisierungen der Halteeinheit ist vorgesehen, dass diese ausgebildet ist, eine gelenkige Befestigung an der Transporteinheit zu realisieren, wobei dem Schweißroboter vorzugsweise eine Positioniereinrichtung zugeordnet ist, welche ausgebildet ist, in einem Zustand, wenn die Trägereinheit über die mindestens eine Halteeinheit mit der Transporteinheit verbunden ist, die als Trägereinheit dienende Traverse relativ zu der Tragkonstruktion derart auszurichten, dass die Traverse in einer vorab festgelegten oder festlegbaren Position und/oder Lage ausgerichtet ist, in welcher die Traverse lösbar mit der Tragkonstruktion befestigbar ist.
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Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, dass sich die Gewichtskräfte der als Trägereinheit dienenden Traverse gegenseitig kompensieren und der Gesamtschwerpunkt des mobilen Schweißroboters zumindest im Wesentlichen gleich dem Schwerpunkt der Trägereinheit ist.
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Insbesondere um eine etwaige durch eine Positionierung des mobilen Schweißroboters und/oder einer Montage des Werkstücks resultierende Ungenauigkeit der Positionierung auszugleichen, wird vorgeschlagen, dass der Schweißroboterarm eine Sensorik aufweist, welche zu einer sensorischen Positionsfindung zumindest eines zu verschweißenden Teils des Werkstücks vorgesehen ist.
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Schließlich ist gemäß Realisierungen des erfindungsgemäßen Schweißroboters vorgesehen, dass diesem eine Steuereinrichtung zugeordnet ist zum Steuern von Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln des Schweißroboterarms mit dem daran befestigten Schweißkopf relativ zu der als Trägereinheit dienenden Traverse, wobei die Steuereinrichtung hinsichtlich der zu steuernden Bewegungen programmierbar und ggf. sensorgeführt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schweißroboters ist vorgesehen, dass der als Trägereinheit dienenden Traverse des Schweißroboters ein Linearführungssystem, insbesondere Schienensystem, zugeordnet ist, um die als Trägereinheit dienende Traverse mit dem daran befestigten Schweißroboterarm am Einsatzort linear in unterschiedliche Richtungen versetzen bzw. positionieren zu können.
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In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise denkbar, dass das der als Trägereinheit dienenden Traverse zugeordnete Linear-Führungssystem gitter- bzw. netzartig ausgestaltet ist und auf bzw. an der Tragkonstruktion angeordnet/befestigt ist. Andererseits ist die als Trägereinheit dienende Traverse vorzugsweise durch das Linearführungssystem geführt relativ zu der Tragkonstruktion bewegbar.
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So ist es beispielsweise denkbar, dass über einen Bereich der Tragkonstruktion das insbesondere als Schienensystem ausgestaltete Linearführungssystem befestigt wird, wobei dann die als Trägereinheit dienende Traverse mit dem Schweißroboterarm in einfacher Weise relativ zu den einzelnen Bereichen der Tragkonstruktion positioniert bzw. bewegt werden kann, um so dem Schweißkopf des Schweißroboterarms zu ermöglichen, im Bereich der notwendigen Gebiete/Bereiche der Tragkonstruktion tätig zu werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann somit die Traverse, auf der der Schweißroboter sitzt, auf einem zuvor angebrachten Schienensystem befestigt sein. Das Schienensystem befindet sich entweder direkt über dem aktuellen Arbeitsbereich, oder es grenzt an einen solchen an. Das Schienensystem kann in alle Richtungen erweitert werden. Dazu werden weitere Schienenelemente an das vorhandene Schienensystem angesteckt, damit der Roboter zumindest bis zum nächsten Arbeitsbereich bewegt werden kann. In den bereits fertiggestellten Arbeitsbereichen können die Schienen wieder abmontiert werden, und für neue Bereiche verwendet werden. Die Schienenelemente sind so gestaltet, dass der Roboter nicht nur in einer geraden Richtung verfahren werden kann, sondern dass die Schienen auch über spezielle Kreuzungsteile und Winkelelemente sowohl rechtwinklig wie auch in einem beliebigen Winkel dazu angeordnet werden können. Durch das Schienensystem kann sich der Roboter lagegesichert an jede Position bewegen die mit einer Schiene erreichbar ist. Der Antrieb des Roboters erfolgt entweder über Reibräder, über Seilzüge, über Spindeln oder Zahnstangen. Durch dieses System kann auf einen Kran für das Umsetzen des Roboters verzichtet werden.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen exemplarische Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schweißroboters näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 schematisch und in einer isometrischen Ansicht eine exemplarische Ausführungsform des mobilen Schweißroboters in einem Zustand, bevor eine Halteeinheit des Schweißroboters lösbar mit einer Transporteinheit (hier: Kran) verbunden ist;
- 2 schematisch und in einer isometrischen Ansicht die exemplarische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißroboters gemäß 1 in einem Zustand, in welchem die Halteeinheit des Schweißroboters mit der Transporteinheit lösbar befestigt ist;
- 3 schematisch und in einer isometrischen Ansicht die Einheit gemäß 2 beim Transport des Schweißroboters mit der Transporteinheit zu einem vorgesehenen Einsatzort an bzw. auf einer Tragkonstruktion;
- 4 schematisch und in einer isometrischen Ansicht die Einheit gemäß 3 beim Platzieren des Schweißroboters im Einsatzort an bzw. auf der Tragkonstruktion;
- 5 schematisch und in einer isometrischen Ansicht die exemplarische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißroboters in einem an oder auf der Tragkonstruktion befestigten Zustand und beim Verschweißen von Bereichen der Tragkonstruktion;
- 6 schematisch und in einer isometrischen Ansicht die exemplarische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißroboters ohne die Halteeinheit;
- 7 schematisch und in einer isometrischen Ansicht die exemplarische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißroboters gemäß 6 zum Erläutern der Funktionsweise der Haltemittel des Schweißroboters; und
- 8 schematisch und in einer isometrischen Ansicht eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißroboters, wobei bei dieser Ausgestaltung der als Trägereinheit dienenden Traverse des Schweißroboters ein entsprechendes Linearführungssystem zugeordnet ist, welches auf bzw. an der zu fertigenden Tragkonstruktion befestigt ist.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen exemplarische Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schweißroboters beschrieben. Bei dem Schweißroboter handelt es sich insbesondere um einen mobilen und programmierbaren Schweißroboter, welcher vor Ort, d.h. auf der Baustelle, einsetzbar ist.
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Schweißroboter sind in der Prototyp- und Serienfertigung bereits seit Jahren eingeführt. Allerdings sind die meisten Schweißroboter in stationärer Ausführung. Demzufolge sind sie recht groß und schwer.
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Für Sonderprodukte, wie zum Beispiel Rohrschweißungen, gibt es bereits Roboter die auch auf der Baustelle eingesetzt werden. Diese Ausführungen sind aber in erster Linie für gerade Rohrstöße mit relativ einfachen Schweißnahtverläufen konzipiert.
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Für den eingangs beschriebenen Einsatzfall wird erfindungsgemäß ein Schweißroboter vorgeschlagen, der den Schweißkopf in einem vorgesehenen Arbeitsbereich in mehreren Achsen frei bewegen kann und somit jeden Punkt dort genau anfahren kann.
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Der Schweißroboter wird auf einer transportablen Befestigungstraverse angebracht.
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Diese Traverse ist so konzipiert, dass er auf den bereits montierten Tragprofilen befestigt werden kann. Die Befestigung erfolgt mindestens mit zwei Auflagerpunkten, bevorzugt durch drei Auflagepunkte. Mit drei Auflagepunkten kann der Rahmen zwängungsfrei an der Tragkonstruktion befestigt werden, und wenn notwendig genau einjustiert werden. Die Auflagerpunkte sind an beweglichen und einstellbaren Armen befestigt. An den Auflagerpunkten selbst sind einstellbare Klemmen vorhanden. Mit diesen wird die Konsole an die Tragprofile befestigt. Ein genaues Einrichten des Roboters ist bei der Befestigung an der Tragkonstruktion nicht notwendig. Nachdem der Roboter montiert ist kalibriert sich der Roboter selbst. Hierzu fährt der Roboter mindestens drei Positionierpunkte an den umliegenden Tragprofilen und/oder Knotenpunkten an, und definiert hiermit seine exakte Lage in Bezug zur Tragkonstruktion. Ist diese Kalibrierung erfolgt kann der Schweißroboter die geplanten Schweißnähte nach einer vorbereiteten Programmierung abarbeiten.
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Aus dieser Lageposition heraus soll der Roboter möglichst viele Knoten schwei-ßen, bevor er zum nächsten Punkt umgesetzt wird. Nachdem die Schweißung des Roboters in allem möglichen Raumachsen erfolgen kann, ist es besonders wichtig, die Qualität des Schweißprozesses kontinuierlich zu überwachen. Ein besonderer Einfluss hat hier die Verschmutzung der Schweißdüse, besonders in Zwangslagen, im Überkopfbereich oder bei Steignähten. Durch exakte Überwachung der Schweißparameter sowie durch visuelle Kontrolle des Schweißprozesses z.B. durch eine Kamera, wird für eine gleichbleibende Qualität gesorgt. Wenn notwendig kann auch eine automatische Reinigungseinrichtung zum Einsatz kommen.
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Falls eine Nahtverfolgung jedoch notwendig wird, kann dies durch 3D-Antasten von Nahtanfang und Nahtende, durch spannungsüberwachtes Pendeln in der V- und Kehlnaht, durch Laserscanner oder durch Kamera erfolgen.
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Als Schweißverfahren können die meisten gängigen Verfahren eingesetzt werden, wie z.B. das MIG-Verfahren (Metall-Inertgasschweißen), das MAG-Verfahren (Metall-Aktivgasschweißen), das WIG-Verfahren (Wolfram-Inertgas-Schweißen) oder auch das Plasma Schweißen.
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Als Basis für den Schweißroboter kommen beispielsweise Knickarm- bzw. Gelenkarmroboter zur Anwendung. Knickarm- bzw. Gelenkarm-Industrieroboter sind dreidimensional bewegliche Industrieroboter, deren Kinematik aus mehreren gelenkig miteinander verbundenen Armgliedern aufgebaut ist, um Greifer, Werkzeuge oder Schweißdüsen zu führen.
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Die Programmierung des Schweißroboters erfolgt anhand eines 3-D-Modells der Tragkonstruktion. Anhand dieses Modells werden die genauen Wege der Schweißdüse errechnet. Alle notwendigen Schweißparameter werden unter Berücksichtigung der Nahtgrößen und der aktuellen Einbaulage errechnet und im Programm festgelegt. Das Programm ist so flexibel, dass es die im Vorfeld berechneten Fahrwege an die spätere auf der Baustelle vorhandene aktuelle Lageposition anpassen kann.
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Für den wirtschaftlichen Einsatz des Roboters ist auch ein schnelles Versetzen des Roboters an der Fassade oder dem Dach von entscheidender Bedeutung. Dies erfolgt am besten mit einem Kran. Um den Roboter beim Handling an der Fassade oder dem Dach durch die Monteure leicht bewegen zu können wird vorgeschlagen an der Traverse einen temporären Halterarm anzubringen.
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Der Schweißroboterarm ist so konzipiert das die Aufnahmeöse für den Kran senkrecht über dem Schwerpunkt des Schweißroboters befindet. Die Aufnahmeöse für den Kran ist dabei drehbar gelagert. Weiterhin ist der Schweißroboterarm mit mindestens einer weiteren Drehachse mit der Traverse verbunden. Mit dieser Aufhängung kann der Schweißroboter wie mit einer Art kardanischen Aufhängung durch die Monteure im Raum in alle Achsen geschwenkt werden. Mittels dieser Aufhängung wird der Schweißroboter an die Stelle bewegt und geschwenkt an der er an den Tragprofilen befestigt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Befestigung am Kranhaken über eine Aufnahmevorrichtung die am ersten Roboterarm angebracht ist. Die Montage des Roboters an der Fassade läuft folgendermaßen ab:
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Der Roboter steht horizontal in seiner Transportvorrichtung, der erste Roboterarm steht senkrecht nach oben. Im oberen Bereich des Roboterarms ist eine Aufnahme-vorrichtung angebracht die nach oben geschwenkt werden kann. An dieser Aufnahmevorrichtung wird der Kranhaken eingehängt.
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Der Kranhacken befindet sich jetzt senkrecht über dem Schwerpunkt des Schweißroboters. Der Kran hebt den Schweißroboter ein Stück hoch. Jetzt wird der Schweißroboter in die für die spätere Befestigung an der Fassade oder Dach notwendige Lage bzw. Neigung geschwenkt. Dies erfolgt am besten durch ein Programm das den Roboter entsprechend steuert.
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Ist die richtige Lage und Neigung des Roboters eingestellt kann der Roboter an die Fassade herangefahren werden und dort befestigt werden. Das Umsetzen von einem Feld zum anderen erfolgt in ähnlicher Weise.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist es auch möglich, dass der Schweißroboter und die Traverse getrennt montiert werden. In diesem Fall wird die Traverse vorher an den Tragprofilen eingerichtet und befestigt. Dies hat den Vorteil, dass die Traverse leichter ist und somit einfacher zum Bewegen geht. Anschließend wird der Roboter mit dem Kran an die Traverse gehoben und dort mittels eines Schnellverschlusses mit der Traverse verbunden wird. Ist der Roboter planmäßig befestigt kann er sein Kalibriervorgang starten und der Schweißroboter ist einsatzbereit.
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Im Einzelnen und wie in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt, weist die exemplarische Ausführungsform des Schweißroboters 1 einen Schweißroboterarm 2 und einen Schweißkopf 3 auf, wobei der Schweißkopf 3 zum Verschweißen mindestens eines Bereichs mindestens eines Werkstücks 4, insbesondere mehrerer Werkstücke 4, ausgebildet ist.
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Der Schweißroboterarm 2 ist auf oder an einer als Trägereinheit dienenden Traverse 5 befestigt bzw. befestigbar. Dabei ist die als Trägereinheit dienende Traverse 5 ausgebildet, an oder auf einer Tragkonstruktion 6 für Fassaden oder Dächer lösbar befestigt zu sein.
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Obgleich in den Zeichnungen nicht explizit dargestellt, ist vorzugsweise dem erfindungsgemäßen Schweißroboter 1 eine Kalibriereinheit zugeordnet, welche ausgebildet ist, insbesondere in einem an oder auf der Tragkonstruktion 6 befestigten Zustand der als Trägereinheit dienenden Traverse 5 (vgl. 4 und 5) eine Position, Lage und/oder Ausrichtung des Schweißroboters 1 und insbesondere des Schweißkopfs 3 des Schweißroboters 1 mit Bezug zu der Tragkonstruktion 6 festzulegen.
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Zu diesem Zweck kann die Kalibriereinheit mindestens eine insbesondere am Schweißroboterarm 2 und insbesondere am Schweißkopf 3 des Schweißroboterarms 2 angeordnete Prüfelektrode bzw. mindestens einen insbesondere am Schweißroboterarm 2 und insbesondere am Schweißkopf 3 des Schweißroboterarms 2 angeordneten Lagesensor aufweisen, welche bzw. welcher ausgebildet ist, um die Position, Lage und/oder Ausrichtung der als Trägereinheit dienenden Traverse 5 bzw. des Schweißkopfs 3 mindestens drei vorab festgelegte oder festlegbare Kalibrierpunkte 7 anzutasten bzw. eine vorab festgelegte oder festlegbare Kontur abzufahren.
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Wie es insbesondere der Darstellung in 7 entnommen werden kann, sind der als Trägereinheit dienenden Traverse 5 Haltemittel 8 zugeordnet, um die Traverse 5 an oder auf der Tragkonstruktion 6 lösbar zu befestigen. Dabei sind die Haltemittel 8 insbesondere als Schnellbefestigungsmittel ausgeführt.
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Die insbesondere als Schnellbefestigungsmittel ausgeführten Haltemittel 8 weisen verschiedene (bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform insgesamt vier) Befestigungselemente auf. Diese sind relativ zueinander verstellbar und dienen insbesondere dazu, durch gegenseitiges Verspreizen die als Trägereinheit dienende Traverse 5 an dem Einsatzort an oder auf der Tragkonstruktion 6 zu befestigen.
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Der Darstellung in 6 ist insbesondere zu entnehmen, dass der Schweißroboterarm 2 der exemplarischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißroboters 1 einen als Knickarm und/oder Gelenkarm ausgeführten Bereich aufweist und ausgebildet ist, den am Schweißroboterarm 2 befestigten Schweißkopf 3 mindestens 6-achsig zu bewegen.
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Den Darstellungen in 1 bis 4 ist zu entnehmen, dass die als Trägereinheit dienende Traverse 5 der exemplarischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißroboters 1 eine Halteeinheit 9 aufweist, welche zur lösbaren Befestigung an einer Transporteinheit 10 vorgesehen ist.
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Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass eine Gerade durch einen geometrischen Mittelpunkt eines Halteelements der Halteeinheit 9 und einen Schwerpunkt der als Trägereinheit dienenden Traverse 5 zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der als Trägereinheit dienenden Traverse 5 gerichtet ist.
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Vorzugsweise ist die Halteeinheit 9 ausgebildet, eine gelenkige Befestigung an der Transporteinheit 10 zu realisieren, wobei in diesem Zusammenhang dem Schweißroboter 1 insbesondere eine Positioniereinrichtung zugeordnet ist, welche ausgebildet ist, in einem Zustand, wenn die Trägereinheit über die mindestens eine Halteeinheit 9 mit der Transporteinheit 10 verbunden ist, die als Trägereinheit dienende Traverse 5 relativ zu der Tragkonstruktion 6 derart auszurichten, dass die Traverse 5 in einer vorab festgelegten oder festlegbaren Position und/ oder Lage ausgerichtet ist, in welcher die Traverse 5 lösbar mit der Tragkonstruktion 6 befestigbar ist. In diesem Zusammenhang sei insbesondere auf die Darstellungen in 3 und 4 verwiesen.
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Der Schweißroboterarm 2 weist den Schweißkopf 3 auf, welcher an einem freien Ende des Schweißroboterarms 2 angeordnet ist. Ferner weist der Schweißroboter 1 eine (in den Zeichnungen nicht gezeigte) Schweißdrahtzuführung auf.
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Der Schweißroboter 1 weist ferner mindestens eine Steuereinrichtung auf, die zu einer Steuerung eines automatischen Verschweißprozesses des entsprechenden Werkstücks 4 vorgesehen ist. Die Steuereinrichtung kann an der als Trägereinheit dienenden Traverse 5 angeordnet sein.
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Die Steuereinrichtung weist eine Recheneinheit auf. Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung ferner eine Speichereinheit auf. In der Speichereinheit ist insbesondere zumindest ein Betriebsprogramm hinterlegt, welches vorzugsweise in der Recheneinheit ausführbar ist. Das Betriebsprogramm ist insbesondere zur Durchführung eines computergesteuerten und vorzugsweise automatischen Verschweißens des Werkstücks 4 vorgesehen. Das Betriebsprogramm umfasst insbesondere CNC-Daten für die Verschweißung des Werkstücks 4.
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Denkbar in diesem Zusammenhang ist es, dass zur Unterstützung des Betriebsprogramms der Schweißroboterarm 2 zumindest eine Sensorik aufweist, die zu einer sensorischen Positionsfindung zumindest eines zu verschweißenden Teils des Werkstücks 4 vorgesehen ist. Die Sensorik kann beispielsweise eine Kamera, eine Laservermessung oder dergleichen umfassen. Insbesondere umfasst die Sensorik mindestens einen taktilen Sensor. Der taktile Sensor reagiert auf eine taktile Veränderung eines Widerstands, auf welchen eine Schweißdrahtspitze des Schweißkopfs 3 trifft.
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Nach einer Findung zumindest eines zu verschweißenden Teils des Werkstücks 4 ist die Steuereinrichtung dazu vorgesehen, die durch die Sensorik ermittelte Position mit einer in der Speichereinheit hinterlegten vorgesehenen Position abzugleichen und basierend auf der tatsächlichen Position eine Korrektur der in der Steuereinrichtung hinterlegten Positionsdaten vorzunehmen.
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Gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung des Schweißroboters als Schweißprozesssteuerung ausgeführt ist. Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, beispielsweise unter Verwendung von Ethernet-Verbindungen ein im Vorfeld erstelltes Schweißprogramm drahtlos an den Schweißroboter 1 zu übersenden. Der kann ferner über eine manuelle Schnittstelleneinrichtung vorzugsweise an der Steuereinrichtung von einem zuständigen Schweißfachmann überwacht und notfalls korrigiert werden.
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Zur Reduzierung eines erforderlichen Verdrahtungsaufwands und zur Erhöhung der Flexibilität beim Einsatz des erfindungsgemäßen Schweißroboters 1 ist in diesem Zusammenhang in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Steuereinrichtung Mittel zur Realisierung einer Datenübertragung zwischen der Steuereinrichtung und dem Schweißroboter 1 bzw. dem Schweißkopf 3 des Schweißroboters 1aufweist, wobei diese Mittel insbesondere derart ausgebildet sind, dass eine drahtlose und vorzugsweise sichere Datenübertragung mittels Funk, insbesondere WLAN, realisierbar ist. Dadurch kann der Verdrahtungsaufwand zwischen dem Schweißkopf 3 des Schweißroboters 1 und der Steuereinrichtung entfallen.
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Vorzugsweise sind die Mittel derart ausgebildet, dass eine drahtlose Datenübertragung mittels eines in der Automatisierungstechnik üblichen Feldbusses, wie beispielsweise Profibus®, Foundation® Fieldbus oder HART®, SER-COS® realisierbar ist, insbesondere auch sichere Protokolle, welche die funktionale Sicherheit SIL gewährleisten.
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Der Benutzer des erfindungsgemäßen Schweißroboters 1 hat damit die Möglichkeit, standortunabhängig mit dem Schweißroboter 1 zu kommunizieren und Daten auszutauschen. Die Mittel zur Realisierung einer Datenübertragung zwischen dem Schweißroboter 1 und der Steuereinrichtung sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine drahtlose Datenübertragung mittels eines in der Automatisierungstechnik üblichen Feldbusses realisierbar ist.
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Die Steuereinrichtung kann beispielsweise mit einem Display und einer Benutzereingabemöglichkeit ausgebildet sein und die für den Schweißprozess notwendigen Daten graphisch aufbereiten und visualisieren.
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Parallel zu einem im Vorfeld erstellten Schweißprogramm besteht somit eine vorzugsweise drahtlose Verbindung (Funkübertragung, WLAN, etc.) des Schweißroboters 1 zu einer externen Steuereinheit. Über diese Steuereinheit wird der Roboter 1 und insbesondere der Schweißkopf 3 vom zuständigen Schweißfachmann überwacht und kann notfalls steuerungstechnisch eingreifen.
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8 zeigt schematisch und in einer isometrischen Ansicht eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißroboters 1, wobei bei dieser Ausgestaltung der als Trägereinheit dienenden Traverse 5 des Schweißroboters 1 ein entsprechendes Linearführungssystem 11 zugeordnet ist, welches auf bzw. an der zu fertigenden Tragkonstruktion 6 befestigt ist.
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Bei der in 8 gezeigten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schweißroboters 1 ist vorgesehen, dass der als Trägereinheit dienenden Traverse 5 des Schweißroboters 1 ein Linearführungssystem 11, insbesondere Schienensystem, zugeordnet ist, um die als Trägereinheit dienende Traverse 5 mit dem daran befestigten Schweißroboterarm 2 am Einsatzort linear in unterschiedliche Richtungen versetzen bzw. positionieren zu können.
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In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise denkbar, dass das der als Trägereinheit dienenden Traverse 5 zugeordnete Linear-Führungssystem 11 gitter- bzw. netzartig ausgestaltet ist und auf bzw. an der Tragkonstruktion 6 angeordnet/befestigt ist. Andererseits ist die als Trägereinheit dienende Traverse 5 vorzugsweise durch das Linearführungssystem 11 relativ zu der Tragkonstruktion 6 geführt bewegbar.
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So ist es beispielsweise denkbar, dass über einen Bereich der Tragkonstruktion 6 das insbesondere als Schienensystem ausgestaltete Linearführungssystem 11 befestigt wird, wobei dann die als Trägereinheit dienende Traverse 5 mit dem Schweißroboterarm 2 in einfacher Weise relativ zu den einzelnen Bereichen der Tragkonstruktion 6 positioniert bzw. bewegt werden kann, um so dem Schweißkopf 3 des Schweißroboterarms 2 zu ermöglichen, im Bereich der notwendigen Gebiete/Bereiche der Tragkonstruktion 6 scheißend tätig zu werden.
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Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform sind dabei die der als Trägereinheit dienenden Traverse 5 zugeordneten Haltemittel 8, die insbesondere als Schnellbefestigungsmittel ausgeführt sind, an dem Linearführungssystem 11 angeordnet und ausgebildet, das Linearführungssystem 11 und somit indirekt die Traverse 5 an oder auf der Tragkonstruktion 6 zu befestigen.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen gezeigte exemplarische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißroboters 1 beschränkt. Vielmehr ergibt sich die Erfindung aus einer Zusammenschau sämtlicher hierin offenbarter Merkmale und Aspekte.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere denkbar, dass der Schweißroboter 1 einen Schutzgasspeicher aufweist. Der Schutzgasspeicher kann an der als Trägereinheit dienenden Traverse 5 angeordnet sein.
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Darüber hinaus kann der Schweißroboter 1 einen Schaltschrank aufweisen. Der Schaltschrank umfasst insbesondere zumindest eine Energieversorgungseinheit, welche zur Versorgung weiterer Komponenten des Schweißroboters 1 mit elektrischer Energie dient. Die Energieversorgungseinheit kann mindestens ein Netzgerät umfassen. Auch kann die Energieversorgungseinheit mindestens einen Energiespeicher aufweisen, um insbesondere auf eine Kabelverbindung mit dem mobilen Schweißroboter 1 verzichten zu können. Die Energieversorgungseinheit kann gegenüber von der Steuereinrichtung angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schweißroboter
- 2
- Schweißroboterarm
- 3
- Schweißkopf
- 4
- Werkstück
- 5
- Trägereinheit/Traverse
- 6
- Tragkonstruktion
- 7
- Kalibrierpunkt
- 8
- Haltern ittel/Schnellbefestigungsmittel
- 9
- Halteeinheit
- 10
- Transporteinheit
- 11
- Linearführungssystem
