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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Roboters sowie eine Vorrichtung, die die Durchführung eines solchen Verfahrens gestattet.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung eines Roboters, beispielsweise eines Roboterarms bzw. Manipulators der Leichtbauweise, werden die einzelnen Komponenten wie Antriebseinheiten, Gehäusestrukturen, Sensoreinheiten, Verkabelung usw. in der Regel von Hand unter Zuhilfenahme von Montagewerkzeugen montiert. Eine vollautomatisierte Montage ist für derartige Roboter kaum realisierbar, da die radial in sich geschlossenen Gehäusestrukturen der einzelnen Achsglieder nur eine sehr umständliche Montage zulassen. Die Achsglieder sind nur von ihren jeweiligen offenen Stirnseiten her zugänglich.
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Ausgehend davon stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Roboters zur Verfügung zu stellen, wobei die Schritte des Herstellungsverfahrens zumindest mehrheitlich eigenständig maschinell, vorzugsweise das gesamte Herstellungsverfahren vollständig automatisiert durchführbar sein soll. Des Weiteren stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, mit der dieses neuartige Verfahren durchgeführt werden kann.
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Vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Roboters der Leichtbauweise, insbesondere zur Herstellung eines Roboterarms bzw. Manipulators für einen solchen Roboter.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung eines Roboters nach Anspruch 1, mit einem durch dieses Verfahren hergestellten Roboter nach Anspruch 13 und mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung eines Roboters nach Anspruch 14.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung bezieht sich auf einen Roboter, der zumindest einen mehrachsigen Roboterarm bzw. Manipulator aufweist, der aus mehreren, relativ zueinander bewegbar angeordneten Achsgliedern besteht, die jeweils eine Achse des Roboterarms ausbilden, wobei zumindest ein Teil der Achsglieder aus zumindest zwei komplementären Gehäusesegmenten aufgebaut ist, die an zumindest einem ihrer Enden jeweils eine Lagervorrichtung zur Aufnahme einer Antriebseinheit aufweisen, und ist darüber hinaus gekennzeichnet durch zumindest einen der Schritte:
- – Anordnen von ersten Gehäusesegmenten in einer für den Roboterarm vorgesehenen Reihenfolge;
- – Einsetzen der Antriebseinheiten in die ersten Gehäusesegmente unter Verbindung der Antriebseinheiten mit den dafür vorgesehenen Lagervorrichtungen der ersten Gehäusesegmente;
- – Aufsetzen der jeweils komplementären zweiten Gehäusesegmente auf die die Antriebseinheiten aufweisenden ersten Gehäusesegmente unter Verbindung der Antriebseinheiten mit den dafür vorgesehenen Lagervorrichtungen der zweiten Gehäusesegmente; und
- – Befestigen der zweiten Gehäusesegmente an den ersten Gehäusesegmenten mit Hilfe von Befestigungsmitteln, wodurch die Antriebseinheiten in den Achsgliedern fixiert werden; wobei die Verfahrensschritte von zumindest einem Montageroboter selbsttätig durchführbar sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise dadurch ermöglicht, dass die Gehäusestrukturen einzelner Achsglieder des Manipulators derart konzipiert und konstruiert sind, dass sie längsseitig, d. h. entlang ihrer Achse zumindest teilweise offen und dadurch zugänglich ausgestaltet sind, bspw. durch zumindest zwei formkomplementäre, halbschalenartige Gehäusehälften, die im Zuge der Montage zusammengesetzt werden, wie diese bspw. in der
Deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2015 012 960.0 beschrieben ist, auf deren Offenbarungsgehalt hierin ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Bei den in der Regel vollständig umfänglich in sich geschlossenen Gehäusestrukturen von Achsgliedern bei Manipulatoren von Robotern aus dem Stand der Technik ist eine Montage der Aggregate, Verkabelung usw. immer nur von einer der offenen Stirnseiten der Achsglieder her möglich, wobei zusätzlich noch durch Abdeckungen verschließbare Montageöffnungen vorgesehen sind, die jedoch die Festigkeit und Torsionssteifigkeit des Gehäuses herabsetzen. Die Montage eines Manipulators bei solchen Robotern erweist sich auf Grund der schweren Zugänglichkeit in das Innere der Gehäuse als äußerst umständlich und ist sogar für eine wirtschaftlich sinnvolle Automatisierung des Herstellungsprozesses abträglich.
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Für ein automatisiertes Einfügen der Antriebseinheiten in die offenen Gehäusesegmente ist es gemäß der Erfindung von Vorteil, wenn die Antriebseinheiten als ein Modul vormontiert sind und entsprechende Verbindungselemente aufweisen, die form- und/oder kraftschlüssig mit in oder an den Gehäusesegmenten angeordneten Verbindungselementen beim Einfügen der Antriebseinheiten eine Verbindung eingehen, die die Lage der Antriebseinheiten in den Gehäusesegmenten festlegen, bevor die oberen Gehäusesegmente aufgesetzt werden.
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Zu diesem Zweck können die Antriebseinheiten beispielsweise so konzipiert und ausgestaltet sein, dass sie Verbindungselemente in Form von umlaufenden Ringnuten aufweisen, die kraft- und drehmomentübertragend mit einem Gehäuseabschnitt eines ersten Achsglieds und mit einem Gehäuseabschnitt eines zweiten Achsglieds verbindbar sind, wobei das zweite Achsglied gegenüber dem ersten Achsglied drehbar gelagert ist, und wobei die Verbindungselemente ausgebildet sind, um in Radialrichtung zu der Drehachse der Antriebsvorrichtung mit den Achsgliedern zusammenzuwirken.
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Die vormontieren Antriebseinheiten können standardisierte Anschlüsse und die Gehäusesegmente können Aufnahmen oder Führungen aufweisen, die es ermöglichen, dass der zumindest eine Montageroboter elektrische Leitungen und/oder Medienleitungen und/oder Sensormodule an den bereits eingesetzten Antriebseinheiten und/oder in den Gehäusesegmenten selbständig anbringen kann.
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Manipulatoren von Robotern insbesondere der Leichtbauweise weisen in der Regel ein standfußartiges Basiselement auf, auf dem der mehrachsige Roboterarm angeordnet ist. Dem Basiselement gegenüberliegend soll der Endeffektor des Manipulators vorgesehen werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann daher darüber hinaus noch die von dem zumindest einen Montageroboter durchführbaren Schritte aufweisen, bei denen ein Basiselement an dem unteren Achsglied des Roboterarms und/oder ein Effektoraufnahmeglied für den Endeffektor an dem oberen Achsglied des Roboterarms angebracht werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist dieses ausgestaltet, dass der zumindest eine Montageroboter die jeweils für die einzelnen Montageschritte erforderlichen Komponenten (Gehäuseteile, Antriebsmodule, Sensormodule, Verbindungs- bzw. Befestigungselemente, Kabel bzw. Leitungen usw.) für den herzustellenden Roboter und/oder die hierfür erforderlichen, unterschiedlichen Werkzeuge bzw. Effektoren von einem stationären und/oder mobilen Lager selbsttätig entnimmt.
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Stationäre Lager können bspw. durch Halterungen gebildet werden, die im Arbeitsbereich des Montageroboters lokalisiert sind. Denkbar sind jedoch auch mobile Lager, wie bspw. Fließbänder, die die je nach Montageschritt aufzunehmenden Teile an dem Montageroboter vorbeiführen, wobei auch die Reihenfolge der Teile willkürlich gewählt sein kann.
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Als Werkzeuge können sämtliche handelsüblichen Werkzeuge zum Einsatz kommen, die von dem Montageroboter bspw. mittels eines entsprechend ausgeprägten Greifmechanismus aufgenommen werden können.
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Es ist zu betonen, dass der Montageroboter gemäß der Erfindung keine für seinen Einsatz vorgesehenen und als Effektor dienenden individualisierten Werkzeugteile und hierfür entsprechende Anschlüsse benötigt, sondern im Handel frei verfügbare Werkzeuge, wie bspw. herkömmliche Akkuschrauber, verwenden kann, wie nachfolgend noch detailliert beschrieben werden soll und was eine eigenständige erfinderische Bedeutung besitzt. Die Werkzeuge selbst können ebenfalls in hierfür vorgesehenen Halterungen im Bereich des Montageroboters vorgesehen sein.
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In diesem Zusammenhang sieht das Verfahren gemäß der Erfindung auch vor, dass der zumindest eine Montageroboter seine für die einzelnen Montageschritte erforderlichen Effektoren bzw. Werkzeuge in Abhängigkeit dieser durchzuführenden Montageschritte selbsttätig wechselt.
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So kann er bspw. entsprechend geformte Greiferbacken für das Aufnehmen und Einfügen der Antriebseinheiten und wiederum anders geformte Greiferbacken für das Aufnehmen eines elektrischen Schraubers und das Zuführen des Schraubers zu den entsprechenden Positionen für das Verschrauben der Gehäusesegmente verwenden, wobei der Greifmechanismus des Montageroboters diese Greiferbacken je nach Bedarf dann von entsprechenden Stellen aufnimmt und ihrer Verwendung zuführt.
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Hierzu weist der Montageroboter an seinem Endglied des Manipulators einen Greifmechanismus auf, der ausgestaltet ist, so dass unterschiedliche Greiferelemente bzw. -backen aufnehmbar sind, die sich an das jeweils aufzunehmende Element bzw. die durchzuführende Tätigkeit richten. Die Greiferbacken lassen sich durch den Montageroboter eigenständig über eine Art Universalanschluss austauschen, wie dies bspw. in der
Deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2016 004 087.4 beschrieben ist, auf deren Offenbarungsgehalt hierin ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Mit anderen Worten, die Greiferbacken für die Aufnahme und das Einfügen der Antriebseinheiten sind entsprechend in ihrer Kontur an die Außenform der Antriebseinheiten angepasst, während die Greiferbacken für die Aufnahme eines Schraubers zum Verbinden der Gehäusesegmente mittels Schrauben in ihrer Kontur entsprechend an die Form bzw. den Griff des Schraubers angepasst sind. Weitere, unterschiedlich ausgestaltete Greiferbacken können darüber hinaus für die Verwirklichung der elektrischen und Medienanschlüsse oder sogar für die Betätigung von externen Schaltern im Bereich der Montagevorrichtung vorgesehen sein.
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Da der Montageroboter ausgestaltet ist, individualisierte Greiferbacken aufzunehmen, kann das Verfahren gemäß der Erfindung darüber hinaus die Schritte aufweisen, die von dem zumindest einen Montageroboter durchführbar sind und mit denen der hinsichtlich seiner Gehäusestruktur vollständig montierte Roboter an eine Stromversorgung und/oder Datenversorgung und/oder Medienversorgung angeschlossen werden kann, wobei auch hier der Montageroboter entsprechende Greiferbacken nutzt.
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Ist der zu montierende Roboter vollständig zusammengebaut, d. h. sind alle mechatronischen Komponenten eingesetzt und angeschlossen sowie die Gehäusesegmente miteinander verbunden und befestigt, kann das Verfahren gemäß der Erfindung weiter den Schritt aufweisen, der von dem zumindest einen Montageroboter durchführbar ist und bei dem zumindest ein Funktionstest für den montierten Roboter aktiviert wird.
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Der zusammengebaute Roboter wird bspw. mit Strom versorgt, indem der Montageroboter eigenständig einen externen Schalter betätigt, so dass eine durch eine Testsoftware durchgeführte Testroutine durchgeführt werden kann, die prüft, ob alle Antriebseinheiten, Sensormodule usw. sowie die damit zusammenhängenden elektrischen Kontakte existieren bzw. einwandfrei funktionieren.
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Abschließend kann es gemäß dem Verfahren der Erfindung vorgesehen sein, dass der zusammengebaute Roboter, der vorzugsweise nur aus dem Basiselement und dem darauf angeordneten Manipulator besteht, durch den Montageroboter aufgerichtet wird. Hierbei kann das Basiselement an einem Widerlager der Montagevorrichtung gelenkig gelagert sein, so dass der Manipulator um die Achse des Widerlagers durch den Montageroboter quasi gekippt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist es jedoch vorgesehen, da der montierte Roboter alle Antriebseinheiten und Anschlüsse nach ggfs. einem erfolgreich bestandenen Funktionstest in einer funktionstüchtigen Anordnung beinhaltet, dass der montierte Roboter mit Strom versorgt wird und sich dadurch, unter Berücksichtigung eines vorprogrammierten Bewegungsablaufes, selbsttätig in eine definierte Position aufrichtet, bevor er dann von der Montagevorrichtung entnommen werden kann oder mittels einer Fördereinrichtung von dieser wegbewegbar ist.
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Sämtliche, vorhergehend genannten Montageschritte lassen sich bevorzugt mittels zumindest eines Montageroboters durchführen, der nachgiebig und/oder feinfühlig ausgestaltet ist.
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Roboter mit positionsgesteuerten Achsen eignen sich für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren nicht, da zur Positionsregelung die von außen auf den Roboter einwirkenden Kräfte gemessen werden müssen, die die Basis für ein gewünschtes dynamisches Verhalten bilden, das über eine inverse Kinematik dann auf den Roboter übertragen wird, auch Admittanzregelung genannt. Der Programmmieraufwand wäre im vorliegenden Fall auf Grund der an vielen unterschiedlichen Positionen durchzuführenden, von ihrer Art sich abwechselnden Montagetätigkeiten für einen einzigen Montageroboter zu hoch. Die geforderte Positionsregelung müsste hochgenau erfolgen, damit die einzelnen roboterseitigen und werkzeug- bzw. effektorseitigen Kupplungselemente für einen Wechsel der Werkzeuge bzw. Greiferbacken und für die Durchführung der einzelnen vorhergehend geschilderten Montageschritte überhaupt realisierbar wären. Derartige Roboter sind auf Grund des zum Einsatz kommenden Regelprinzips daher nicht in der Lage, Fehler oder Abweichungen zu erkennen, beispielsweise wenn aus irgendwelchen Gründen die Ist-Position des offenen Gehäusesegments zum Einpressen einer Antriebseinheit von der hierfür vorgesehenen Soll-Position etwas abweicht, um entsprechend darauf zu reagieren. Ein einwandfreies Einfügen der Antriebseinheiten oder weiterer Komponenten in die Gehäusesegmente sowie die Durchführung der Verschraubungen der Gehäusesegmente wäre daher nur möglich, wenn die Effektoren bzw. Werkzeuge hierfür exakt in der durch die Programmierung vorgegebenen Position, beispielsweise in einer im Arbeitsbereich des Roboters stationär angeordneten Haltevorrichtung, abgelegt sind, und auch der zu montierende Roboter bzw. die entsprechenden Gehäusesegmente in entsprechend stationären Halterungen bzw. Positionen sich befinden. Bereits die Verwendung eines Werkzeugmagazins mit mehreren austauschbaren, ggfs. unterschiedlichen Werkzeugen bzw. Effektoren (Greifer, Greiferbacken, Schrauber, Taster usw.) würde den Programmieraufwand und damit die Fehleranfälligkeit erheblich erhöhen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung soll der zumindest eine Montageroboter, vorzugsweise alle zum Einsatz kommenden Montageroboter eine solche integrierte Nachgiebigkeitsregelung aufweisen oder mit einer intrinsischen Nachgiebigkeit oder mit einer Kombination aus aktiver und passiver Nachgiebigkeit ausgestattet sein, weshalb die Montage auch bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich, von derart programmierbaren, mehrachsigen Robotern, bevorzugt Leichtbaurobotern, durchgeführt werden soll.
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Die Nachgiebigkeitsregelung basiert zum Beispiel auf der sogenannten Impedanzregelung, die im Gegensatz zu der bereits erwähnten Admittanzregelung eine Drehmomentenregelung auf Gelenkebene zum Gegenstand hat. Hierbei werden in Abhängigkeit eines gewünschten dynamischen Verhaltens und unter Berücksichtigung der Abweichungen einer tatsächlichen Lage von einer definierten Solllage und/oder einer tatsächlichen Geschwindigkeit von einer Sollgeschwindigkeit und/oder einer tatsächlichen Beschleunigung von einer Sollbeschleunigung Kräfte bzw. Momente bestimmt, die dann über die bekannte Kinematik des Montageroboters, die sich aus der Anzahl und Anordnung der Gelenke und Achsen und damit Freiheitsgrade ergibt, auf entsprechende Gelenkdrehmomente abgebildet werden, die über die Drehmomentenregelung eingestellt werden. Die hierfür in den Gelenken integrierten Momentensensorelemente erfassen das jeweils am Abtrieb des Getriebes der im Gelenk befindlichen Antriebseinheit vorherrschende eindimensionale Drehmoment, das als Messgröße die Elastizität des Gelenks im Rahmen der Regelung berücksichtigen kann. Insbesondere erlaubt die Verwendung einer entsprechenden Drehmomentensensorvorrichtung, im Gegensatz zur Verwendung nur eines Kraftmomentensensors am Endeffektor, wie bei der Admittanzregelung, auch die Messung von Kräften, die nicht auf den Endeffektor, sondern auf die Glieder des Montageroboters sowie auf einen vom dem Montageroboter gehaltenen oder durch diesen zu bearbeitenden Gegenstand ausgeübt werden. Die Drehmomente können auch über Kraftsensoren in der Struktur und/oder Basis des Robotersystems gemessen werden. Insbesondere können auch Gelenkmechanismen zwischen den einzelnen Achsen des Manipulators zum Einsatz kommen, die eine mehrachsige Drehmomenterfassung erlauben. Denkbar sind auch translatorische Gelenke, die mit entsprechenden Kraftsensoren ausgestattet sind.
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Die auf diese Weise realisierte Nachgiebigkeitsregelung und Feinfühligkeit erweist sich für die vorliegende Erfindung in vielerlei Hinsicht als vorteilhaft.
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Grundsätzlich gestattet es eine solche Nachgiebigkeitsregelung, dass der für das gedachte Herstellungsverfahren bzw. für einzelne Verfahrensschritte davon genutzte Montageroboter in die Lage versetzt wird, gesteuerte Eigenbewegungen durchzuführen, wobei diese Eigenbewegungen dann einzelnen Montageschritten entsprechen, wie z. B. Einfügen bzw. Einpressen der Antriebseinheiten in die Gehäusesegmente, Verknüpfen der internen Anschlüsse der Antriebseinheiten, Anschließen der externen Anschlüsse, Einlegen bzw. Führen der Verkabelung in den Gehäusesegmenten, Betätigen von Funktionsschaltern oder dergleichen und insbesondere Verschrauben der Gehäusesegmente. Dies alles auch verbunden mit einem eigenständigen Wechsel von unterschiedlichen Werkzeugen bzw. Effektoren, wie bspw. unterschiedlichen Greiferbacken.
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Darüber hinaus ist ein solcher Montageroboter in der Lage, die unterschiedlichen Positionen des zu montierenden Roboters sowie Positionen an der Montagevorrichtung als auch Werkzeugelemente bzw. Effektoren zu „suchen” und beschädigungsfrei zu „ertasten”.
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Auf diese Art und Weise lassen sich beliebig viele, funktional unterschiedliche Montageschritte von ein und demselben Montageroboter durchführen.
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Ein weiterer Vorteil der Nachgiebigkeitsregelung liegt darin, dass diese grundsätzlich eine ungenauere bzw. nicht genau positionierte Kupplung bzw. Verbindung zwischen den Komponenten und Verbindungselementen erlaubt, wodurch diese mit höheren Toleranzen gefertigt werden können. Dadurch bedingte Ungenauigkeiten können durch eine entsprechende nachgiebige Regelung über eine damit verbundene Reduktion der Kontaktkräfte beim Verbinden der Komponenten, bspw. beim Einfügen der Antriebseinheiten in die halbseitig offenen Gehäusesegmenten unter Einfügen von darin vorgesehenen Verbindungselementen, wie bspw. Nutsteinen, in die Ringnuten, in entsprechender Art und Weise ausgeglichen werden. Gleiches triff auf das Verschrauben der Gehäusehälften zu.
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Die stationäre Lage oder sich verändernde Lage (bspw. bei einem Förderband) der einzelnen Komponenten für den zu montierenden Roboter im Bereich der Montagevorrichtung, die jeweiligen Lagen der ebenfalls darauf angeordneten Effektoren bzw. Werkzeuge, die Lage von Betätigungsschaltern und Anschlüssen, jeweils auch im Verhältnis zur Lage des Montageroboters, sowie die im Rahmen der Montage durch den Montageroboter jeweils einzunehmenden Posen geben die von diesem durchzuführenden Bewegungsabläufe sowie deren Genauigkeit vor. Alle diese Parameter müssen in einem dem Montageroboter zugeordneten Koordinatensystem berücksichtigt werden, wobei sich die Auswahl der Art der Koordinaten (bspw. kartesische, Zylinder-, Kugelkoordinaten) durch das gewünschte Verhalten des Montageroboters im hierfür vorgesehenen Aufgabenraum bestimmt, wobei unterschiedliche Montageschritte dann unterschiedliche Aufgabenräume festlegen können. Das Verhalten des Montageroboters basiert auf einer entsprechenden Nachgiebigkeitsregelung, weshalb sich Roboter mit einer solchen integrierten Nachgiebigkeitsregelung, insbesondere Roboter der Leichtbauweise, besonders für den Einsatz bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Montageroboter eignen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass der zumindest eine Montageroboter zu dem zu montierenden Roboter baugleich ausgestaltet ist. Vorzugsweise handelt es sich also um einen Roboter der Leichtbauweise.
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Mit anderen Worten, der Montageroboter, unterstützt durch die vorhergehend erläuterte Nachgiebigkeitsregelung und Feinfühligkeit, ist in der Lage, sich selbst zu replizieren. Unter Bereitstellung einer entsprechenden Montagevorrichtung mit ggfs. kontinuierlich zugeführten Komponenten kann ein Roboter dieser Art unter Verkürzung der Taktzeiten und damit einhergehend mit wesentlich verringerten Produktionskosten hergestellt und vervielfältigt werden.
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In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Roboters, der zumindest einen mehrachsigen Roboterarm aufweist, der aus mehreren, relativ zueinander bewegbar angeordneten Achsgliedern besteht, die jeweils eine Achse des Roboterarms ausbilden, wobei zumindest ein Teil der Achsglieder aus zumindest zwei komplementären Gehäusesegmenten aufgebaut ist, die an zumindest einem ihrer Enden jeweils eine Lagervorrichtung zur Aufnahme einer Antriebseinheit aufweisen,
- – mit zumindest einem Montageroboter, der ausgestaltet ist, diverse Montageschritte zur Herstellung des Roboters durchzuführen; und
- – mit einem Arbeitsraum, der dem zumindest einem Montageroboter zugeordnet ist, wobei der Arbeitsraum eine Haltevorrichtung für zumindest ein Gehäusesegment des Roboterarms, vorzugsweise abschnittswiese mehrere Haltevorrichtungen für mehrere Gehäusesegmente von aufeinander folgenden Achsgliedern des Roboterarms aufweist.
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Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Haltevorrichtung(en) zumindest teilweise komplementär zu der Kontur der Gehäusesegmente der Achsglieder des Roboterarms ausgebildet ist/sind.
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Idealerweise sind die Haltevorrichtungen dabei so ausgebildet, dass sie den Manipulator bzw. Roboterarm des zu montierenden Roboters in seiner Längserstreckung horizontal positionieren, wobei vorzugsweise alle Achsglieder des Manipulators sich in einer gemeinsamen Ebene befinden, was das Einfügen der jeweiligen Komponenten in die offenen Gehäusesegmente sowie das Aufsetzen der die Achsglieder vervollständigenden oberen Gehäusesegmente erleichtert.
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Um zu verhindern, dass sich die Position des aus mehreren, aneinander grenzenden offenen Gehäusesegmenten bestehenden Manipulators bei der Durchführung einzelner Montageschritte, wie beim Einpressen der Antriebseinheiten, gegebenenfalls verändern kann, ist an der Haltevorrichtung jeweils ein Widerlager für die beiden Enden des Manipulators vorgesehen, so dass dieser in seiner axialen, horizontalen Lage fixiert ist.
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Ein Widerlager für das Basiselement des Roboterarms kann dabei derart ausgestaltet sein, dass der montierte Roboterarm mit Hilfe des Montageroboters um dieses Widerlager in eine definierte, vorzugsweise aufrechte bzw. vertikale Position kippbar ist, wobei der Montageroboter hierfür an der dem Basiselement gegenüberliegenden Seite an dem Effektor angreifen kann.
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Im Bereich des Arbeitsraums ist zumindest ein Lager für die Komponenten zur Montage des Roboters vorgesehen, in dem diese, wie z. B. die Antriebseinheiten stationär abgelegt sind. Vorzugsweise ist im Bereich des dem Montageroboter zugeordneten Arbeitsraums zumindest eine Fördereinrichtung vorgesehen, entlang der die Komponenten zur Montage des Roboters kontinuierlich oder getaktet bewegbar sind.
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Des Weiteren kann im Bereich des dem Montageroboter zugeordneten Arbeitsraums zumindest eine Halterung bzw. ein Magazin für diverse Effektoren und Werkzeuge (Schrauber, Greifmechanismus mit mehreren auswechselbaren Greiferbacken usw.) vorgesehen sein, deren sich der zumindest eine Montageroboter eigenständig bedient.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Montagevorrichtung gemäß der Erfindung sind zumindest zwei Montageroboter vorgesehen, die entweder einem gemeinsamen Arbeitsraum zugeordnet sind oder die jeder für sich einen eigenständigen Arbeitsraum innerhalb der Montagevorrichtung definieren. Die Montageroboter können ausgestaltet sein, unterschiedliche oder gleichartige Montageschritte gleichzeitig oder sequentiell durchzuführen. Z. Bsp. ist es denkbar, dass ein Montageroboter nur dem Einpressen der Antriebseinheiten dient, während der weitere Montageroboter nur dem Aufsetzen der oberen Gehäusesegmente dient, nachdem die Antriebseinheiten eingefügt und ggfs. angeschlossen wurden, und dass darüber hinaus ein noch weiterer Montageroboter dem Verschrauben der Gehäusesegmente dient. Hierdurch lassen sich die Taktzeiten erheblich reduzieren.
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Das vorhergehend geschilderte Verfahren soll gemäß der Erfindung vollautomatisiert durchgeführt werden, d. h. der oder die Montageroboter montieren einen weiteren Roboter, vorzugsweise der gleichen Bauart, selbstständig. Einzelne der oben genannten Herstellungsschritte können jedoch auch manuell von einem Menschen durchgeführt werden, während der oder die Montageroboter, die eine entsprechende Nachgiebigkeitsregelung aufweisen und daher sich für eine solche Mensch-Roboter-Kollaboration eignen, zur weiteren Unterstützung herangezogen werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der anhand der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
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1a eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines Roboters gemäß der Erfindung;
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1b eine weitere perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines Roboters gemäß der Erfindung;
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2a, b und c Darstellungen in Bezug auf die Durchführung eines Schritts des Verfahrens zur Herstellung eines Roboters gemäß der Erfindung, bei dem eine Antriebseinheit in ein Gehäusesegment eingesetzt werden soll;
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3 eine Explosiondarstellung eines schematischen Aufbaus von Gehäusesegmenten des herzustellenden Roboters;
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4a, b und c Darstellungen in Bezug auf die Durchführung eines weiteren Schritts des Verfahrens zur Herstellung eines Roboters gemäß der Erfindung, bei dem ein Gehäusesegment auf ein anderes Gehäusesegment aufgesetzt werden soll;
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5a und b Darstellungen in Bezug auf die Durchführung eines weiteren Schritts des Verfahrens zur Herstellung eines Roboters gemäß der Erfindung, bei dem Gehäusesegmente miteinander verschraubt werden sollen;
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6a und b Darstellungen in Bezug auf die Durchführung eines weiteren Schritts des Verfahrens zur Herstellung eines Roboters gemäß der Erfindung, bei dem ein Anschlussstecker am Roboter montiert werden soll;
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7a und b Darstellungen in Bezug auf die Durchführung eines weiteren Schritts des Verfahrens zur Herstellung eines Roboters gemäß der Erfindung, bei dem ein Schalter betätigt werden soll; und
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8a und b Darstellungen in Bezug auf die Durchführung eines weiteren Schritts des Verfahrens zur Herstellung eines Roboters gemäß der Erfindung, bei dem sich der montierte Roboter selbständig aufrichten soll.
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In den 1a und 1b sind jeweils exemplarisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung gezeigt.
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An einem Montagetisch bzw. Arbeitsraum 1 sind zwei Montageroboter M1 und M2 positioniert, die der Montage eines weiteren Roboters R dienen.
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Bei den Montagerobotern M1 und M2 handelt es sich um Roboter mit einem Manipulator 2, der aus mehreren Achsgliedern 3 besteht und an seinem Ende einen Effektor 4 aufweist, der im vorliegenden Fall einen Greifmechanismus 5 trägt.
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Wie zu erkennen ist, soll nach dem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung vorzugsweise, jedoch nicht zwangsläufig, ein Roboter R montiert werden, der die gleiche Bauart wie die beiden Montageroboter M1 und M2 besitzt, also einen aus mehreren Achsgliedern 3 bestehenden Manipulator 2, an dessen Ende ebenfalls ein Effektor 4 und diesem Effektor 4 gegenüberliegend ein Basiselement 6 vorgesehen sind.
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Die beiden Montageroboter M1 und M2 sind so angeordnet und programmiert, dass sie gleichzeitig oder hintereinander die diesen jeweils zugedachten Montageschritte ausführen können.
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Der zu montierende Roboter R ist mit seinen unteren Gehäusesegmenten 7 auf einer Haltevorrichtung 8 im Wesentlichen horizontal gelagert, so dass die nach oben offenen Gehäusesegmente 7 von aneinander grenzenden Achsgliedern 3 durchgehend eine Aufnahmefläche für die einzusetzenden Antriebseinheiten 9 in den Gelenkbereichen zwischen zwei Achsgliedern 3 bieten.
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In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens können die unteren Gehäusesegmente 7 für den Manipulator 2 von den Montagerobotern M1 und M2 von einem Lager, bspw. von einem an diesen vorbeiführenden Förderband 10 aufgenommen und in der für die Struktur des Manipulators 2 vorgesehenen Orientierung und Reihenfolge auf der Haltevorrichtung 8 abgelegt werden.
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Das Förderband 10 kann hierfür Aufnahmehalterungen 11 für die Antriebseinheiten 9 aufweisen, während bspw. die oberen Gehäusesegmente 12 lose auf dem Förderband 10 abgelegt sein können.
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Neben einem solchen mobilen Lager ist es jedoch auch denkbar, dass die Antriebseinheiten 9 auf einer stationären Halterung 13 im Bereich der Montagevorrichtung abgelegt sind, wie dies die 2a zeigt.
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In dieser Halterung 13 ist die Antriebseinheit 9 so abgelegt, dass der Greifmechanismus 5 eines der Montageroboter M1 bzw. M2 das Gehäuse der Antriebseinheit 9 sicher greifen kann, indem an Greiffingern 14 des Greifmechanismus 5 entsprechende Greiferbacken 15 vorgesehen sind, die komplementär zu der Kontur des Gehäuses der Antriebseinheit 9 ausgestaltet sind.
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Wie die durch die Darstellungen der 2a, 2b und 2c verdeutlichte Bewegungsfolge wiedergibt, entnimmt der Montageroboter M1 oder M2 die Antriebseinheit 9 der Halterung 13 (2a) und führt sie zu dem Gelenk zwischen zwei angrenzenden Achsliedern 3 (2b), bei denen die beiden unteren Gehäusesegmente 7 nach oben hin offen sind, und setzt die Antriebseinheit 9 in diesem Gelenkbereich ein (2c).
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Eine derartige automatisierte Montage der Antriebseinheiten 9 ist möglich, da die Gehäusestruktur eines Achsglieds 3 des zu montierenden Roboters 2 aus zwei halbschalenförmigen Gehäusehälften bzw. -segmenten 7 und 12 zusammengesetzt wird einerseits, und da die Antriebseinheiten 9 inklusive Motor, Getriebe, Steuerung, Abtriebsgehäuse und ggfs. weiteren Komponenten als eine modulare Einheit vormontiert sind andererseits.
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Dieses Konzept, dem eine eigene erfinderische Bedeutung zukommt, ist in der 3 veranschaulicht, die schematisch den Aufbau eines Gelenks zwischen zwei aneinander grenzenden Achsgliedern 31 und 32 für einen Manipulator 2 des zu montierenden Roboters R zeigt.
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Beide Achsglieder 31 und 32 bestehen jeweils aus einem unteren halbschalenförmigen Gehäusesegment 7 und aus einem oberen halbschalenförmigen Gehäusesegment 12.
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Die Antriebseinheit 9 weist Verbindungselemente in der Form von radial umlaufenden Ringnuten 16 und 17 auf, wobei die Antriebseinheit 9 ein Abtriebsgehäuse 18 aufweist, das gegenüber dem Motor-/Getriebegehäuse 19 der Antriebseinheit 9 verdrehbar ist. Die Ringnut 16 des Motor-/Getriebegehäuses 19 nimmt Nutsteine 20 auf, die an entsprechenden Stellen an der Innenseite des unteren Gehäusesegments 7 des einen Achsglieds 31 vorgesehen sind, während zur gleichen Zeit beim Einpressen der Antriebseinheit 9 die Ringnut 17 des Abtriebsgehäuses 18 mit Nutsteinen 21 des unteren Gehäusesegments 7 des anderen Achsglieds 32 in Eingriff gelangt.
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Danach werden die jeweils oberen Gehäusesegmente 12 aufgesetzt, so dass die Ringnuten 16 und 17 im oberen Bereich ebenfalls mit den entsprechenden Nutsteinen 20 und 21 in Eingriff gelangen. Die abschließende Befestigung der Nutsteine 20 und 21 in den Ringnuten 16 und 17 sowie dadurch auch die Befestigung des unteren Gehäusesegments 7 mit dem oberen Gehäusesegment 12 erfolgt mittels Schrauben 22.
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Der hier beschriebene Aufbau der Achsglieder
31 bzw.
32 sowie die Montage einer Antriebseinheit
9 in einem Gelenk zwischen diesen Achsgliedern
31 bzw.
32 ist bspw. in der
Deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2015 012 960.0 beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Auf diese Art und Weise ist das Achsglied
32 dann abschließend gegenüber dem Achsglied
31 drehbar gelagert.
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Die Folge der 4a, 4b und 4c zeigt einen weiteren Schritt des Verfahrens gemäß der Erfindung, bei dem ein Montageroboter M1 bzw. M2 das obere Gehäusesegment 12 von einer Ablage aufgreift, indem der Greifmechanismus 5 an der Außenkontur des oberen Gehäusesegments 12 angreift. Hierzu weisen die Greiffinger 14 entsprechend ausgestaltete weitere Greiferbacken 23 auf, die sich an die Kontur des oberen Gehäusesegments 12 anlehnen.
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Die Greiferbacken 23 sind dabei so ausgestaltet, dass sie das Gehäusesegment 12 so greifen, dass es nicht von selbst aus dem Greifmechanismus 5 herausfallen können. Denkbar hierfür ist bspw. eine reibungserhöhende, ggfs. auch nachgiebige Beschichtung an der Innenseite der Greiferbacken 23. Auch können die Greiferbacken 12 zapfenartige Vorsprünge, Stifte oder dergleichen aufweisen, die in die bereits im Gehäusesegment vorgesehenen Bohrungen 26 für die Verschraubungen (s. 3) eingreifen und so gleichzeitig das Gehäusesegment 12 richtig im Greifmechanismus 5 zentrieren.
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Danach werden beide Gehäusesegmente 7 und 12 miteinander verschraubt, wie die beiden 5a und 5b zeigen.
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Hierzu weist der Greifmechanismus 5 Greiferbacken 24 auf, die so ausgestaltet sind, dass sie einen herkömmlichen, normalerweise für eine manuelle Betätigung ausgelegten, elektrischen Schrauber 25 aufnehmen und dann sequentiell zu den entsprechenden Öffnungen 26 in den Gehäusesegmenten 7, 12 führen und dort das Schraubenzieherelement des Schraubers 25 einfügen. Vorab können die Schrauben 22 in diese Öffnungen 26 durch einen der Montageroboter M1 bzw. M2 lose eingesetzt werden oder die Schrauben 22 sind magnetisiert und werden mit dem Schraubenzieherelement des Schrauber 25 direkt über eine Führung des Montageroboters M1 bzw. M2 aus einem entsprechenden Lager aufgenommen.
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Auf Grund der Tatsache, dass die Montageroboter M1 und M2 ausgestaltet sind, handelsübliche Werkzeuge zu greifen und an die entsprechenden Stellen zu führen, entfällt die Notwendigkeit für individuell konstruierte und damit teure Werkzeugvorrichtungen, die dann über zusätzlich vorzusehende Kupplungsmechanismen mit dem Effektor verbunden werden müssten. Auch entfällt eine aufwändige Programmierung für die Kupplung und Führung derartiger Werkzeugadapter, die darüber hinaus für ihre exakte Steuerung mit entsprechenden weiteren Sensorvorrichtungen ausgestattet werden müssen.
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Sind alle Achsglieder 3 des Manipulators 2 vollständig montiert, der Effektor 4 und das Basiselement 6 angebracht und die Verkabelung für eine Stromversorgung und Steuerung der Antriebseinheiten 9 an den entsprechenden Stellen im Inneren verlegt worden, kann der Roboter 3 mit einem Strom- und Steuerungsanschluss versehen werden. Wie die 6a und 6b zeigen, ist es möglich, dass der Greifmechanismus 5 hierfür entsprechende Greiferbacken 27 aufweist, die einen Stecker 28 greifen und auf eine entsprechende Steckerbuchse 29 an dem Basiselement 6 aufstecken.
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Damit kann der montierte Roboter R mit Strom versorgt werden. Gemäß der Erfindung ist es denkbar, dass dann ein Ein-/Ausschalter 30 durch einen der Montageroboter M1 bzw. M2 betätigt wird, wie die 7a und 7b zeigen. Der Greifmechanismus 5 weist hierfür entsprechend geformte Greiferbacken 33 auf.
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Die Montageroboter M1 und M2 sind so konzipiert, dass diese in der Lage sind, eigenständig zwischen unterschiedlichen Greiferbacken
15,
23,
24,
27 und
33 je nach durchzuführendem Montageschritt zu wechseln, da diese zwischen den Greiffingern
14 und den Greiferbacken
15,
23,
24,
27 und
33 eine identische Kupplung aufweisen, die einen einfachen Wechsel ermöglicht. Ein solcher Universalanschluss ist beispielsweise in der
Deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2016 004 087.4 im Detail beschrieben, auf deren Offenbarungsgehalt hierin ausdrücklich Bezug genommen werden soll.
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Ist der montierte Roboter R dann mit Strom versorgt, bewirkt eine entsprechende Programmsteuerung, dass sich dieser eigenständig aufrichtet, indem die einzelnen Antriebseinheiten 9 angesteuert werden, wie dies exemplarisch durch die 8a und 8b gezeigt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015012960 [0007, 0073]
- DE 102016004087 [0019, 0081]