DE4032403A1 - Mechanische, fuer unterrichtszwecke bestimmte funktionsmodelle computergesteuerter industriemaschinen - Google Patents

Description

Mechanische, für Unterrichtszwecke bestimmte Funktionsmodelle compu­ tergesteuerter Industriemaschinen für Arbeitsvorgänge wie z. B. La­ gern, Manipulieren, Schneiden, Transportieren und Plotten.

Mit derartigen Funktionsmodellen sollen Schüler an die modernen Pro­ duktionsmethoden der Industrie herangeführt werden. Bei diesen werden zunehmend mehr und mehr durch Computer gesteuerte Arbeitsabläufe be­ nutzt. Diese beginnen mit der Konstruktion des industriellen Produk­ tes, erstrecken sich über Lagerhaltung der Einzelteile, Herstellen der Einzelteile, Montage des Produkts, Endkontrolle, Lagerhaltung, Versen­ den bis hin zum Service. Der Lernende soll dabei erfassen, daß sich wiederholende Arbeitsabläufe in der industriellen Produktion durch computergesteuerte Industriemaschinen erledigen lassen, die entspre­ chend programmiert werden müssen. Die Schüler, beispielsweise Schüler allgemeinbildender Schulen, sollen mit Hilfe der Funktionsmodelle die prinzipielle Arbeitsweise EDV-unterstützter Konstruktionshilfen und Maschinen kennenlernen und ihre Auswirkungen auf Arbeitsplatz und Arbeitswelt begreifen.

Mechanische Funktionsmodelle der eingangs genannten Art sind bekannt, es gibt beispielsweise ein Baukastensystem der Firma Fischer (geschützte Bezeichnung), das als "fischertechnik" (eingetragenes Warenzeichen) bekannt ist. Dieses Baukastensystem soll durch Zusammen­ bau und Erstellen verschiedener Roboterkonstruktionen Einblick in den Aufbau und die Funktionsweise computergesteuerter Arbeitsmaschinen geben. Der Baukasten umfaßt Elektromotoren, Getriebe, Sensoren, Füh­ rungen und dergleichen, es können Industriemaschinen verschiedenster Art aufgebaut werden. Für den Anschluß an einen Computer ist ein Interface vorgesehen.

Weiterhin sind einzelne Funktionsmodelle konkreter computergesteuerter Maschinen bekannt, beispielsweise in Form eines selbstfahrenden Mo­ dells (algo-car).

Der vorbekannte Baukasten ist für Unterrichtszwecke weniger geeignet, da der Aufbau der jeweiligen Funktionsmodelle relativ viel Zeit erfor­ dert, die der Lehrer vor der Unterrichtsstunde erbringen muß oder die während der Unterrichtsstunde für die konkrete Darstellung der compu­ terunterstützten Arbeitsabläufe verloren geht. Darüberhinaus ist ein durchgängiger Systemgedanke nicht vorhanden, im Vordergrund steht eher ein spielendes Erlernen als ein gezielter, methodischer Unterricht. Teilweise sind die vorbekannten Baukastensysteme auch mechanisch nicht ausreichend stabil, so daß nicht reproduzierbare Funktionen erzeugt werden. Didaktisch aufbereitete und für den Schulgebrauch geeignete Software ist nicht immer vorhanden.

Demgegenüber sind einzelne Funktionsmodelle, wie das genannte prozeß­ gesteuerte Fahrzeug, fertige Einheiten, die ohne weitere Vorbereitung im Unterricht eingesetzt werden können. Sie sind zumeist auch ausrei­ chend stabil und präzise aufgebaut, um den Anforderungen im Unterricht gerecht zu werden. Bei ihnen fehlt jedoch der Systemgedanke, also die Vermittlung der Erkenntnis beim Schüler, daß die einzelnen Funktions­ modelle sich zwar in ihrer äußeren Erscheinungsform zumeist grundle­ gend unterscheiden, jedoch die Antriebe und Steuerungen letztendlich immer wiederkehren und insoweit vergleichbare Gegebenheiten vorliegen. Es ist gerade für einen Schüler, der auf die Arbeitswelt vorbereitet werden soll, wichtig zu erkennen, daß hinter den unterschiedlichen Industriemaschinen stets dieselben Grundideen im Antrieb und in der Steuerung stecken. Auf diese Weise wird der Schüler vorbereitet, auch spätere, derzeit noch nicht existierende Industriemaschinen verstehen zu können.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das mecha­ nische, für Unterrichtszwecke geeignete Funktionsmodell der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß es als einsatzfertiges, nicht aus Baukastenteilen aufgebautes Funktionsmodell praktisch ohne Vorbereitungszeit für den Unterricht einsetzbar ist, ausreichend sta­ bil und genau arbeitend ausgebildet ist und daß eine Dreiteilung zwi­ schen Steuerung, mechanischer Bewegungsvorrichtung und dem den eigent­ lichen Arbeitsvorgang durchführenden Werkzeug gegeben ist, wobei ver­ schiedene Ausbildungen von Steuerung, mechanischem Bewegungsapparat und Werkzeug in beliebiger Zusammenstellung jeweils einer Dreierein­ heit kombiniert werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch mechanische, für Unterrichtszwecke bestimmte Funktionsmodelle computergesteuerter Industriemaschinen für Arbeitsvorgänge wie z. B. Lagern, Manipulieren, Schneiden, Transpor­ tieren und Plotten (a) mit einem Werkzeughalter, an dem ein dem Ar­ beitsvorgang angepaßtes Werkzeug angeordnet ist und der eine für alle Modelle mechanisch und elektrisch baugleiche Steckverbindung aufweist, (b) mit einer Bewegungseinheit, die mit dergleichen Steckverbindung ausgerüstet ist und zudem eine für alle Modelle mechanisch und elek­ trisch baugleiche Schnittstelle für den Anschluß eines Computers auf­ weist und mindestens einen Antriebsmotor hat und (c) mit einem Compu­ ter, in dem ein Steuerungsprogramm für die Antriebseinheit abläuft.

Bei diesen Funktionsmodellen sind die Bewegungseinheiten und die Werk­ zeughalter einsatzfertige Geräte, die nicht erst im Baukastensystem erstellt werden müssen. Sie sind über die mechanische und elektrische Steckverbindung in unterschiedlichen Kombinationen miteinander ver­ bindbar. Ein typischer Werkzeughalter ist beispielsweise ein Schreib­ stift, ein heizbarer Draht für Styroporschneiden, ein Elektromagnet oder ein zangenartiger Greifarm. Tische Bewegungseinheiten sind ein XY-Tisch, ein Fahrmodell, ein Handhabungsautomat, ein Hochregallager und dergleichen. Die unterschiedlichen Bewegungseinheiten können über die Schnittstelle mit einem Computer verbunden werden. Die Einheit aus Computer, Bewegungseinheit und Werkzeughalter stellt erst das voll­ ständige Funktionsmodell dar.

Erfindungsgemäß kann jede beliebige Bewegungseinheit mit jedem belie­ bigen Werkzeug ausgerüstet werden, beispielsweise kann ein u-Tisch mit einem Werkzeughalter, der als Werkzeug einen Schreibstift trägt, kombiniert werden, auf diese Weise wird ein XY-Schreiber erstellt; es kann aber auch ein heizbarer Stift oder Draht an einem entsprechenden Werkzeughalter vorgesehen sein, der dann den XY-Tisch zu einem XY- Schneidtisch für Styropor oder dergleichen ausbildet; schließlich kann als Werkzeug ein Werkzeughalter mit einem Elektromagneten vorgesehen werden, der ferromagnetische Teilchen innerhalb einer Ebene an unter­ schiedlichen Positionen aufnehmen und absetzen kann. Dieses Beispiel zeigt, wie flexibel die Funktionsmodelle sind und wie vielseitig sie ausgeführt werden können. Für den Austausch eines Werkzeughalters genügen einfache Handgriffe, in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steckverbindung als schraubbare Diodensteckverbin­ dung ausgeführt.

Konstruktion und Erscheinungsbild der Bewegungseinheiten sind in wei­ ten Grenzen veränderlich. Für den angestrebten didaktischen Zweck ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Antriebe und ihre Bewegungsbereiche gut erkennbar sind. Die Bewegungseinheiten sind so groß, daß sie be­ quem auf einem Tisch eingesetzt und benutzt werden können. Sie sind so ausgeführt, daß ihre Gehäuse eine einfache geometrische Formen haben, daß der Lehrzweck klar erkannt werden kann und nicht anderweitig über­ deckt wird. Sie sind weiterhin so robust gebaut, daß sie für den All­ tagsbetrieb in einer Schule geeignet sind. Die Schnittstelle für den Anschluß des Computers ist an einer rückwärtigen Außenfläche der Bewe­ gungseinheit an einer möglichst verdeckten Stelle angeordnet, so daß die Verbindung mit dem Computer die Gesamtanordnung optisch nicht beeinflußt. Dagegen ist die Steckverbindung für den Werkzeughalter deutlich hervorgehoben ausgebildet, vorzugsweise ist sie auch in einer klar erkennbaren, von der sonstigen Farbe der Bewegungseinheit deut­ lich unterschiedlichen Farbe ausgeführt. Gleiches gilt für den Werk­ zeughalter. Auf diese Weise können die Bewegungen des Werkzeughalters gut verfolgt werden.

Nach Zusammenstecken einer Dreiereinheit aus einem Computer, einer Bewegungseinheit und einem Werkzeughalter ist das Funktionsmodell komplett und kann benutzt werden. Gesteuert wird es durch das im Com­ puter vorhandene Programm. Dies ist für mehrere, unterschiedliche Steuerungen unterschiedlicher Bewegungseinheiten ausgelegt. Es ist vorzugsweise menugesteuert, so daß die Schüler, die die Programmierung vornehmen sollen, im wesentlichen nur eine Auswahl aus angebotenen Möglichkeiten treffen müssen. Sie können beispielsweise einen Styro­ porschneider so programmieren, daß er Buchstaben oder Zahlen aus­ schneidet. Hierzu wird aus einer vorgegebenen Auswahl jeweils ausge­ wählt, die ausgewählte Schnittlinie wird vorzugsweise unmittelbar auf dem Computermonitor dargestellt. Die Schüler können so erkennen, wie man Wege optimieren kann, Arbeitsvorgänge besonders günstig durchführt usw.

Als Computer wird vorzugsweise ein handelsüblicher Standardcomputer verwendet. Für die Verbindung mit einer Bewegungseinheit ist ein In­ terface, das für alle Bewegungseinheiten eingesetzt werden kann, vor­ gesehen. Es ist Bestandteil des Computers.

Schließlich wird für die Bewegungseinheit ein Netzteil benötigt. Es liefert die im allgemeinen elektrische, möglicherweise aber auch pneu­ matische oder hydraulische Energie für die Ausführungen von Bewegungen der Bewegungseinheit. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist dieses Netzteil separat, es wird über die Schnittstelle oder gege­ benenfalls über eine separate Steckverbindung mit der jeweiligen Bewe­ gungseinheit, die jeweils im Einsatz ist, verbunden.

Zur konstruktiven Auslegung und zu Details einer konkreten Bewegungs­ einheit in Form eines XY-Tischs wird auf die parallele Anmeldung der­ selben Anmelderin "XY-Tisch als mechanisches, für Unterrichtszwecke bestimmtes Funktionsmodell mit einer Schnittstelle für den Anschluß eines Computers" verwiesen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übri­ gen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht ein­ schränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung in Form eines Blockdiagramms des erfin­ dungsgemäßen Systems mechanischer, für Unterrichtszwecke be­ stimmter Funktionsmodelle,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Bewegungseinheit Fahrmodell mit ange­ setztem Werkzeugträger Elektromagnet,

Fig. 3 eine Draufsicht gemäß Fig. 2 mit gestrichelt gezeichneten Ein­ zelheiten,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer Bewegungseinheit in Form eines Handhabungsgerätes mit angesetztem Werkzeugträger Klapp­ armgreifer,

Fig. 5 die Seitenansicht eines Werkzeugträgers mit einem Schreibstift als Werkzeug und

Fig. 6 eine axiale Ansicht eines Werkzeugträgers für Styroporschneiden mit einem Bügel und einem Heizdraht.

Fig. 1 zeigt schematisch ein komplettes, für Unterrichtszwecke be­ stimmtes Funktionsmodell einer computergesteuerten Industriemaschine nach der Erfindung. Es besteht aus (a) einem Werkzeughalter 20, hier in Form eines Doppelarmgreifers, (b) einer Bewegungseinheit 22, hier in Form eines Manipulators mit einem Gelenkarm und (c) einem Computer 24. Zur besseren Erkennbarkeit dieser drei Teile sind gestrichelte Rahmen eingezeichnet. Der Computer 24 besteht in bekannter Weise aus einer Rechnereinheit 26 mit Tastatur und einem Monitor 28, weiterhin ist ein spezielles Interface 30 vorgesehen. Die Teile 20 bis 24 sind miteinander steckverbunden, auf diese Steckverbindungen wird im fol­ genden näher eingegangen.

Die Verbindung zwischen dem Interface 30 des Computers 24 und der Bewegungseinheit 22 erfolgt über eine Schnittstelle 32, die durch die strichpunktierte Verbindungslinie zwischen den Rahmen für diese beiden Teile 22, 24 in Fig. 1 symbolisiert ist. Im konkreten Ausführungsbei­ spiel handelt es sich um eine Mehrfachsteckverbindung, beispielsweise Sub-D-Steckverbindung entsprechend MIL-C 24308 oder Centronics-Steck­ verbindung. Diese Steckverbindung der Schnittstelle 32 ist für alle Computer 24 bzw. Bewegungseinheiten 22 baugleich. In der konkreten Ausführung befindet sich an einer Rückfläche der Bewegungseinheit 22 ein Steckverbinder.

Unterschiedlich hiervon ist die mechanisch und elektrisch, gegebenen­ falls aber auch pneumatisch und hydraulisch verbindende Steckverbin­ dung 34 zwischen der Bewegungseinheit 22 und dem Werkzeughalter 20 ausgeführt, in der Fig. 1 ist sie durch die strichpunktierte Linie 32 symbolisiert. Für diese Steckverbindung 34 werden handelsübliche Rund­ steckverbinder eingesetzt, in der konkreten Ausführung haben sie Schraubverriegelung, sie können aber auch mit Bajonettverschluß oder einer entsprechenden anderen mechanischen Sicherung ausgebildet sein. Eingesetzt werden können beispielsweise Rundsteckverbinder mit Schraubverriegelung wie sie als DIN-Niederfrequenz-Steckverbinder oder Dioden-Steckverbinder bekannt sind. Es gibt sie in vielpoliger Ausfüh­ rung, beispielsweise bis zu zwölfpolig. Durch die Verriegelung mittels Verschraubung oder Bajonett wird eine mechanisch sichere Verbindung zwischen dem Werkzeughalter 20 und der Bewegungseinheit 22 erzielt. Der Steckverbinder 34 sichert eine präzise mechanische Verbindung zwischen Werkzeughalter und Bewegungseinheit 22. Ein Netzteil 35 versorgt die Bewegungseinheit 22 und über sie auch einen eventuellen Verbraucher (Elektromagnet, Elektromotor usw.) des Werkzeughalters 20 mit elektrischer Spannung.

Die Fig. 2 und 3 zeigen ein konkretes Ausführungsbeispiel für eine Bewegungseinheit 22 in Form eines Fahrmodells und für einen Werkzeug­ halter 20 mit einem Werkzeug in Form eines Elektromagneten 36. Die Steckverbindung 34 zwischen Bewegungseinheit 22 und Werkzeughalter 20 ist zusammengefügt, so daß beide Teile mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind.

Das Fahrmodell hat ein geometrisch einfaches Gehäuse, zusammengesetzt aus einem Kubus und einem Prisma mit im wesentlichen dreieckförmiger Grundfläche, die eine Abrundung hat. In ihrer Nähe befinden sich zwei motorisch angetriebene Räder 38 und von ihr springt mittig und recht­ winklig zur Verbindungsachse der beiden Räder 38 ein zylindrischer, kurzer Ansatz vor, der vorn eine Rundsteckverbinderbuchse 40 trägt. Der Werkzeughalter 20 besteht im wesentlichen aus einem Rundsteckver­ binderstecker 42 in Form eines Kabelsteckers, in dessen Gehäuse der Elektromagnet 36 eingesetzt ist. Seine Anschlüsse sind mit Stecker­ stiften des Steckers 42 verbunden.

Wie Fig. 3 zeigt, befindet sich innerhalb des Gehäuses ein Antriebs­ motor 44 in Form eines Elektromotors, er ist über ein Getriebe 46 mit einem der beiden Räder 38 verbunden. Ein entsprechender Antriebsmotor ist für das andere Rad 38 vorgesehen. Das Gehäuse ruht noch auf einer Kugel 50, die sich im hinteren Bereich befindet und durch die zusammen mit den beiden Rädern 38 eine Dreipunktabstützung erreicht wird.

Die Buchsenkontakte des Elektromagneten 36 und die Anschlüsse der Antriebsmotoren 44 sind mit Kontakten einer SUB-D-Buchsenleiste 52 verbunden, die am Gehäuse auf einer Rückseite angeordnet ist. Sie bildet zusammen mit einem entsprechenden Stecker die Schnittstelle 32. Ebenso bilden die beiden Rundsteckverbinderteile 40, 42 die Steckver­ bindung 34.

Das Fahrmodell nach den Fig. 2 und 3 ist als ein Ausführungsbei­ spiel für eine Bewegungseinheit zu verstehen, ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel zeigt Fig. 4. Hierbei handelt es sich um eine Bewegungs­ einheit in Form eines Manipulators bzw. einer Hub-Dreheinheit. Auch hier ist wiederum ein Werkzeughalter 20 angesetzt, er hat ein Werkzeug in Form von zwei zangenförmigen Greifarmen, die gegeneinander bewegbar sind. Wiederum hat das Gehäuse eine einfache Formgebung. In ihm ist mittig und beim praktischen Betrieb lotrecht eine Schraubspindel 54 gelagert, die über einen (nicht dargestellten) Antriebsmotor gedreht werden kann. Er ist auf einer kreisrunden Scheibe angeordnet, die einen Teil der oberen Abschlußwand des Gehäuses bildet. Sie ist gegen­ über dem Rest des Gehäuses über einen weiteren, nicht dargestellten Elektromotor drehbar. Die Scheibe ist mit einem nach oben vorstehenden Bügel 56 verbunden, zu dem die Spindel 54 mittig verläuft. An den vertikalen Armen des Bügels ist eine Traverse 58 geführt, sie hat in ihrem Mittelbereich eine Mutter, die mit dem Gewinde der Spindel 54 in Eingriff ist. Durch Drehen der Spindel 54 kann die Traverse 58 auf- und abbewegt werden. Durch Betätigen des anderen Elektromotors wird die Scheibe und damit die gesamte Einheit, die sich auf der Scheibe befindet, gedreht.

Weitere Bewegungseinheiten, die jedoch hier nicht dargestellt sind, sind Manipulatoren unterschiedlicher Art, ein Kran, ein XY-Tisch, ein Hochregallager und dergleichen.

Die Fig. 5 und 6 schließlich zeigen Ausführungsbeispiele für Werk­ zeughalter 20 mit jeweils einem Werkzeug. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 besteht der gezeigte Werkzeughalter 20 aus einem Rundsteckver­ binder-Kabelstecker 42, dessen Gehäuse quer zur Steckrichtung so durchbohrt wurde, daß ein Schreibstift 60, der hier das Werkzeug bil­ det, eingesetzt werden kann. Das den Steckerstiften entgegengesetzte Ende des Steckergehäuses hat ein Innengewinde, in das eine Feststell­ schraube 62 eingedreht ist, die mit ihrem inneren Ende am Schreibstift 60 anliegt und diesen festhält.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist wiederum ein Rundsteckver­ binder-Kabelstecker 42 wesentlicher Bestandteil der mechanischen Aus­ führung. Er ist mit einem U-förmigen Bügel 64 verbunden, an dessen freiem Bügelende ein Draht 66 befestigt ist, der mit seinem anderen Ende am Steckergehäuse festliegt. Dieser Draht 66 verläuft in einem Winkel von 90^o zu demjenigen Schenkel des Bügels 64, der mit dem Steckergehäuse verbunden ist. Der Draht 66 ist über eine Isolierdurch­ führung mit einem der Stifte des Steckers 42 verbunden. Ebenfalls ist der Bügel 64, der aus Metall gefertigt ist, mit einem anderen Stecker­ stift verbunden. Durch Anlegen einer geringen Spannung zwischen den beiden genannten Steckerstiften wird der Draht 66 geringfügig erhitzt, so daß mit ihm Styropor geschnitten werden kann.

Claims (7)

1. Mechanische, für Unterrichtszwecke bestimmte Funktionsmodelle com­ putergesteuerter Industriemaschinen für Arbeitsvorgänge wie z. B. La­ gern, Manipulieren, Schneiden, Transportieren und Plotten, (a) mit einem Werkzeughalter (20), an dem ein dem Arbeitsvorgang angepaßtes Werkzeug angeordnet ist und der eine für alle Modelle mechanisch und elektrisch baugleiche Steckverbindung (34) aufweist, (b) mit einer Bewegungseinheit (22), die mit der gleichen Steckverbindung ausgerü­ stet ist und zudem eine für alle Modelle mechanisch und elektrisch baugleiche Schnittstelle (32) für den Anschluß eines Computers (24) aufweist und mindestens einen Antriebsmotor (44) hat und c) mit einem Computer (24), in dem ein Steuerungsprogramm für die Antriebseinheit abläuft.

2. Funktionsmodelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steckverbindung (34) als Rundsteckverbinder mit Schraubverriegelung, insbesondere Steckverbinder nach DIN (Dioden-Steckverbinder) ausgebildet ist.

3. Funktionsmodelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeughalter (20) im wesentlichen durch ein Steckergehäuse eines Rundsteckverbindersteckers (42) gebildet wird.

4. Funktionsmodelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Rundsteckverbindersteckers (42) eine quer verlaufende Bohrung für die Aufnahme eines Schreibstiftes (60) als Werkzeug und ein quer hierzu laufendes Gewinde für eine Feststellschraube (62) aufweist.

5. Funktionsmodelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse des Rundsteckverbindersteckers (42) ein U-förmiger Bügel (64) befestigt ist, der zwischen seinem freien Ende und dem Steckergehäuse einen Draht (66) aufspannt, dessen Enden mit Steckerstiften des Rundsteckverbindersteckers (42) verbunden sind.

6. Funktionsmodelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeughalter (20) einen Elektromagneten (36) aufweist, dessen Spulenenden mit Stiften des Rundsteckverbindersteckers (42) verbunden sind.

7. Funktionsmodelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinheit (22) eine rückwärtige Fläche aufweist, in der ein Steckverbinder (34) einer Schnittstelle (32) angeordnet ist.