DE102023102111A1

DE102023102111A1 - Verspann- und Fügegerät zur Verbindung von Gebäudeelementen

Info

Publication number: DE102023102111A1
Application number: DE102023102111.7A
Authority: DE
Inventors: Sergej Klassen; Tim Stark; Hans Jakob Wagner; Andreas Gienger; Anja Patricia Regina Lauer; Oliver Sawodny; Achim Menges
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2023-01-30
Filing date: 2023-01-30
Publication date: 2024-08-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung zeigt ein Verspann- und Fügegerät zur Verbindung von Gebäudeelementen beim Bau eines Gebäudes, mit einer Verspannanordnung mit mindestens zwei Verspannelementen, an welchen jeweils eines oder mehrere Verbindungselemente zur Verbindung mit einem Gebäudeelement angeordnet sind, wobei die Verspannelemente relativ zueinander motorisch verfahrbar sind, um die Gebäudeelemente miteinander zu verspannen, und mit mindestens einem Fügeaktor, insbesondere einem Schraubgerät, wobei der Fügeaktor über mindestens eine motorisch angetriebene Bewegungsachse relativ zu den Verspannelementen verfahrbar ist, um unterschiedliche Fügepunkte entlang eines Fügebereiches der Gebäudeelemente anfahren zu können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verspann- und Fügegerät zur Verbindung von Gebäudeelementen beim Bau eines Gebäudes.
Auf Baustellen müssen in Abhängigkeit des Bausystems eine Vielzahl von Elementen miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt werden. Die Verspannung und Verschraubung dieser Gebäudeelemente erfolgt in der Regel händisch und mithilfe handelsüblicher Handwerkzeuge. Eine händische Montage ist dabei zeitaufwendig, erfordert eine ausreichende Qualifikation der ausführenden Personen und ist mit Risiken in der Arbeitssicherheit verbunden. Das Positionieren von Bauelementen erfordert einen sehr großen Kraftaufwand und bedingt ggf. den Einsatz von Spezialwerkzeugen. In großen Höhen ist eine Hubarbeitsbühne oder ein Baugerüst notwendig. Die ausführenden Personen müssen entsprechende Schutzausrüstung zur Absturzsicherung tragen und müssen hierfür ausreichend geschult sein. Das händische Einsetzen der Schrauben birgt das Risiko von falsch eingesetzten Schrauben. Dabei können diese sowohl im falschen Winkel eingesetzt werden, als auch an falschen Stellen. So kann sowohl die Statik des Bausystems verschlechtert werden, als auch Schrauben an ungewünschten Stellen platziert werden. Bei dem Einsatz von manuellen Spannvorrichtungen, werden diese ggf. temporär mit den Gebäudeelementen verschraubt. Die gezielte Platzierung dieser Vorrichtungen erfordert große Fachkenntnis bei den ausführenden Personen. Eine detaillierte Kenntnis über die Statik ist unter Umständen gar nicht vorhanden. Dabei können tragende Strukturen vorgeschädigt werden. Zusätzlich leidet der optische Gesamteindruck durch eingebrachte Schraublöcher und Abdrücke durch Ausrichtwerkzeuge.
Bei einer händischen Verspannung und Verschraubung mithilfe handelsüblicher Werkzeuge werden die Bauelemente üblicherweise nach einer Vorpositionierung manuell ausgerichtet. Häufig findet das Ausrichten unter Einsatz von großen Kräften, die mittels Hebeln und Stangen eingebracht werden, statt. Um die Bauelemente vor dem Verschrauben in die gewünschte Position zu bringen, werden manuelle Spannvorrichtungen verwendet. Häufig werden diese temporär an die Bauelemente verschraubt. Das Einbringen der Schrauben erfolgt manuell mittels manuellen Schaubern. Je nach Einsatzzweck, ist die Position der Schrauben mittels einer Vorbohrung erkennbar. Häufig werden die Schrauben frei Hand gesetzt. Dabei ist keine Kontrolle über der Position oder Schraubwinkel vorhanden. Bei der Montage in großen Höhen sind Arbeitsbühnen und Baugerüste sowie entsprechende persönliche Schutzausrüstung gegen Absturz notwendig.
Das manuelle Verbinden von Gebäudeelementen gemäß dem Stand der Technik ist daher zeitaufwendig, erfordert qualifiziertes Personal, ist ein Risiko für die Statik und die Arbeitssicherheit, und weist eine hohe Ungenauigkeit und Fehleranfälligkeit auf.
Ein System, welches das automatisierte Verspannen und Verschrauben von Gebäudeelementen ermöglicht, existiert bisher nicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verspann- und Fügegerät zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verspann- und Fügegerät gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verspann- und Fügegerät zur Verbindung von Gebäudeelementen beim Bau eines Gebäudes, mit einer Verspannanordnung mit mindestens zwei Verspannelementen, an welchen jeweils eines oder mehrere Verbindungselemente zur Verbindung mit einem Gebäudeelement angeordnet sind, wobei die Verspannelemente relativ zueinander motorisch verfahrbar sind, um die Gebäudeelemente miteinander zu verspannen, und mit mindestens einem Fügeaktor, insbesondere einem Schraubgerät. Der Fügeaktor ist über mindestens eine motorisch angetriebene Bewegungsachse relativ zu den Verspannelementen verfahrbar, um unterschiedliche Fügepunkte entlang eines Fügebereiches der Gebäudeelemente anfahren zu können.
Die vorliegende Erfindung erlaubt daher über das gleiche Gerät sowohl eine Verspannung als auch ein Fügen der Gebäudeelemente. Hierdurch ist die Position des Fügeaktors relativ zu den Gebäudeelementen durch die Verspannanordnung definiert. Durch den motorischen Antrieb ist eine händische Betätigung nicht mehr notwendig. Zudem kann der Fügeaktor, während das Verspann- und Fügegerät über die Verspannanordnung an den Gebäudeelementen fixiert ist, motorisch entlang eines Fügebereiches der Gebäudeelemente bewegt werden, so dass mit einer Stellung des Verspann- und Fügegeräts an den Gebäudeelementen mehrere Fügepunkte gefügt werden können.
Bei dem Fügeaktor handelt es sich bevorzugt um einen Aktor zum Einbringen von Verbindungselementen in die Gebäudeelemente. Bevorzugt weist der Fügeaktor ein Magazin mit einer Mehrzahl von Verbindungselementen auf, und kann daher mehrmals hintereinander Verbindungselemente einbringen, ohne nachgeladen zu werden.
Bei dem Fügeaktor handelt es sich bevorzugt um ein Schraubgerät. Bevorzugt weist das Schraubgerät ein Magazin mit Schrauben auf.
Alternativ kann es sich bei dem Fügeaktor um ein Nagelsetzgerät und/oder um ein Nietgerät handeln.
Weiterhin kann es sich bei dem Fügeaktor um einen Klebeaktor handeln.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung umfasst das Verspann- und Fügegerät eine Basis, an welcher mindestens ein Verspannelement über eine motorisch angetriebene Bewegungsachse verfahrbar gelagert ist.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Basis einen Verbindungsbereich zur Befestigung an einem Großraummanipulator aufweist. Hierdurch kann das Verspann- und Fügegerät an einem Großraummanipulator angeordnet werden und über diesen an den Gebäudeelementen platziert werden.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass beide Verspannelemente jeweils über eine motorisch angetriebene Bewegungsachse an der Basis verfahrbar gelagert sind. Dies erlaubt es, durch gegensinnige Ansteuerung der Bewegungsachsen die Verspannbewegung durchzuführen, und durch gleichsinnige Ansteuerung der Bewegungsachsen die Position der Basis bezüglich der Verspannelemente zu verändern.
Alternativ kann auch nur eines der beiden Verspannelemente über eine motorisch angetriebene Bewegungsachse an der Basis verfahrbar gelagert sein, während das andere Verspannelement entweder über eine händisch zu betätigende Bewegungsachse an der Basis gelagert oder fest mit dieser verbunden ist.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Fügeaktor an der Basis angeordnet ist, und insbesondere über die motorisch angetriebene Bewegungsachse an dieser gelagert ist.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung umfasst das Verspann- und Fügegerät eine Steuerung zur Ansteuerung der motorisch angetriebenen Bewegungsachsen und/oder des Fügeaktors.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist die Steuerung zur Ansteuerung der Bewegungsachsen der Verspannanordnung eine Kraftregelung auf, und kann daher eine definierte Verspannkraft aufbringen.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung erfolgt die Ansteuerung des Verspann- und Fügegeräts durch die Steuerung teilweise und/oder komplett automatisiert.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung umfasst die Steuerung einen Ansteuermodus, in welchem die beiden motorisch angetriebenen Bewegungsachsen der Verspannelemente gleichsinnig angetrieben werden, um die Position des Fügeaktors in Verspannrichtung relativ zu den Verspannelementen zu verändern. Bevorzugt erfolgt die gleichsinnige Ansteuerung, während die Verspannanordnung die Gebäudeelemente miteinander verspannt.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Verspannelemente über mindestens eine Linearachse relativ zueinander und/oder der Basis verfahrbar sind.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Fügeaktor über mindestens eine Linearachse relativ zu den Verspannelementen und/oder der Basis verfahrbar ist.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Linearachse senkrecht zu einer Verfahrrichtung der Verspannelemente steht.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ausrichtung und/oder der Abstand des Fügeaktors relativ zu den Gebäudeelementen über eine Schwenk- und/oder Hubachse verstellbar ist. Hierdurch kann der Fügeaktor an unterschiedliche Verbindungssysteme, welche beispielsweise unterschiedliche Schraubwinkel aufweisen, angepasst werden. Die Verstellung der Schwenk- und/oder Hubachse kann manuell oder motorisch ausgeführt sein.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Schwenk- und/oder Hubachse an der motorisch angetriebenen Bewegungsachse angeordnet ist.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung umfasst das Verspann- und Fügegerät zwei Fügeaktoren, welche über mindestens eine motorisch angetriebene Bewegungsachse entlang des Fügebereiches der Gebäudeelemente verfahrbar sind. Bevorzugt sind die beiden Fügeaktoren über die gleiche Bewegungsachse verfahrbar, und insbesondere an einem gemeinsamen Schlitten, welcher über die Bewegungsachse bewegt wird, angeordnet. Hierdurch können die beiden Fügeaktoren Fügungen vornehmen, welche in einem definierten Abstand zueinander erfolgen sollen.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die beiden Fügeaktoren jeweils im Hinblick auf die Ausrichtung und/oder den Abstand relativ zu den Gebäudeelementen über eine Schwenk- und/oder Hubachse verstellbar sind. Hierdurch ist wiederum eine Anpassung an die gewünschte Verbindung möglich.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die beiden Fügeaktoren konfiguriert sind, um eine Kreuzverschraubung der Gebäudeelemente vorzunehmen. Insbesondere sind die Fügeaktoren daher in einem Winkel zueinander angeordnet.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung umfasst das Verspann- und Fügegerät mindestens eine Kamera, über welche eine Fügeposition überwacht und/oder erfasst werden kann. Die Überwachung und/oder Erfassung kann durch eine Bedienperson oder automatisiert über die Steuerung erfolgen.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kamera zusammen mit dem Fügeaktor verfahrbar ist.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Verspannelemente jeweils eine Verspannschiene umfassen, welche sich parallel zu der als Linearachse ausgestalteten Bewegungsachse zum Bewegen des Fügeaktors erstreckt, und an welcher mindestens zwei Verbindungselemente angeordnet sind. Hierdurch können zwei Gebäudeelemente so miteinander verspannt werden, dass die Verbindungsebene parallel zur als Linearachse ausgestalteten Bewegungsachse zum Bewegen des Fügeaktors verläuft.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass es sich bei den Verbindungselementen um Verbindungsgeometrien handelt, welche in Gegenelemente an den Gebäudeelementen eingreifen.
Die Verbindungsgeometrien können aktuiert sein, beispielsweise ausfahrbar, oder starr.
Die Verbindungsgeometrien und/oder Gegenelemente können so ausgestaltet sein, dass sie eine Zentrierwirkung aufweisen.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung kann es sich bei den Verbindungselementen um Verbindungspins handeln, welche in Aussparungen an den Gebäudeelementen eingreifen.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein System aus mindestens einem Großraummanipulator und mindestens einem Verspann- und Fügegerät, wie es oben beschrieben wurde, wobei das Verspann- und Fügegerät an dem Großraummanipulator angeordnet ist und über diesen bewegt werden kann.
Daher kann auch die Positionierung des Verspann- und Fügegerät motorisch erfolgen. Weiterhin kann der gesamte Montageprozess automatisiert werden.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Großraummanipulator die Pose des Verspann- und Fügegeräts in 6 Freiheitsgraden einstellen kann. Insbesondere weist der Großraummanipulator hierfür mindestens 6 unabhängige Bewegungsachsen auf.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung umfasst das System mindestens einen weiteren Großraummanipulator und/oder mindestens einen Kran zum Positionieren mindestens eines Gebäudeelementes in der Fügeposition.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung umfasst das System eine Steuerung zur Ansteuerung des Großraummanipulators und des Verspann- und Fügegeräts. Die Steuerung kann auch den mindestens einen weiteren Großraummanipulator und/oder mindestens einen Kran zum Positionieren mindestens eines Gebäudeelementes ansteuern.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Steuerung das Positionieren, Verspannen und/oder Verfügen der Gebäudeelemente automatisiert durchführt.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ansteuerung des Großraummanipulators und des Verspann- und Fügegeräts positionsgeregelt erfolgt.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Positionsbestimmung durch eine Robotic Total Station erfolgt.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung umfasst diese eine an dem Verspann- und Fügegerät angeordnete Tachymeter-Station, um die Absolut-Position des Verspann- und Fügegeräts bezüglich eines Baustellen-Koordinatensystems zu bestimmen.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Großraummanipulator einen Mastarm aufweist, welcher ausfahrbar ist, über einen Drehbock um eine vertikale Achse drehbar und um eine horizontale Achse verschwenkbar ist, wobei an der Mastspitze eine Bewegungsanordnung mit mindestens zwei und bevorzugt drei aktuierten Drehgelenken angebracht ist.
Gemäß einer anderen möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass es sich bei dem Großraummanipulator um einen Roboterarm mit mindestens sechs Drehgelenken handelt.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Verbindung von Gebäudeelementen beim Bau eines Gebäudes unter Verwendung eines Verspann- und Fügegeräts bzw. eines Systems, wie sie oben beschrieben wurden, mit den Schritten:

- Verspannen der Gebäudeelemente über die Spannelemente und
- Fügen der Gebäudeelemente im verspannten Zustand über den mindestens einen Fügeaktor.

Gemäß einer anderen möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Fügeaktor nach dem Verspannen der Gebäudeelemente in eine oder mehrere Fügeposition verfahren wird.
Gemäß einer anderen möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Betrieb des Verspann- und Fügegeräts und/oder des Systems bevorzugt automatisiert erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt bevorzugt so, wie dies oben bereits beschrieben wurde.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verspann- und Fügegerätes in einer perspektivischen Ansicht,
2 das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht bei dem Fügen einer Verbindung,
3 ein alternatives Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht bei dem Fügen einer Verbindung,
4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems,
5 eine Detailansicht des in 4 gezeigten Systems und
6 ein um einen weiteren Großraummanipulator erweitertes System bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spann- und Fügegeräts 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Ausführungsbeispiel erfolgt das Fügen durch eine Verschraubung, so dass es sich um ein Spann- und Verschraubgerät handelt.
Alternativ oder zusätzlich zur Verschraubung ist auch der Einsatz anderer Werkzeuge, wie z.B. Bohrer, Klebesysteme u.Ä. denkbar. Hierbei können am Spann- und Fügegerät auch mehrere Werkzeuge angeordnet sein, welche beispielsweise mithilfe eines Werkzeugwechselsystems nacheinander zum Einsatz kommen.
Das Spann- und Fügegerät 10 umfasst zwei angetriebene bewegliche Verspannschienen 11, an welchen Fixier- bzw. Zentriergeometrien 12 zur Arretierung und Ausrichtung der Gebäudeelemente 20 während des Verspannvorgangs angebracht sind.
Diese Fixier- bzw. Zentriergeometrien 12 können beweglich, starr oder aktuiert ausgeführt sein. Ein automatischer Wechsel je nach Bedarf ist hierbei möglich. In 1 ist mit Z1 ein optional mögliches, über einen Aktor angesteuertes Ein- und Ausfahren der Fixier- bzw. Zentriergeometrien 12 eingezeichnet. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Fixier- bzw. Zentriergeometrien 12 um Fixierstifte bzw. Pins.
Im Ausführungsbeispiel sind die beiden Verspannschienen 11 jeweils über eine motorisch angetriebene Linearachse 13 an einer Basis 17 des Spann- und Fügegeräts 10 angeordnet. Die Verfahrbewegung der beiden Verspannschienen 11 ist in 1 mit X1 bzw. X2 eingezeichnet. Die Linearachse 13 und die beiden Verspannschienen 11 verlaufen hierbei parallel zueinander. Durch ein gemeinsames Verstellen der beiden Linearachsen kann die Position der Basis 17 gegenüber den Verspannschienen 11 eingestellt werden, ohne den Abstand zwischen den Verspannschienen 11 zu ändern, was mit X3 eingezeichnet ist.
Des Weiteren verfügt das Spann- und Verschraubgerät 10 über eine oder mehrere linear verfahrbare Achsen 15, auf welchen ein oder mehrere Fügegeräte, im Ausführungsbeispiel Schrauber 14, angebracht sind und über welche die Füge- bzw. Schraubpositionen entlang der zu verschraubenden Elemente 20 in Richtung Y1 exakt angefahren werden kann. Die linear verfahrbare Achse 15 ist über den Antrieb 18 motorisch antreibbar. Im Ausführungsbeispiel verläuft die Verfahrrichtung Y1 der linear verfahrbaren Achsen 15 senkrecht zur Verfahrrichtung X1, X2 der Verspannschienen 11.
An der Basis 17 ist eine Halterung 16 angeordnet, über welche das Spann- und Fügegerät 10 an einem Großraummanipulator 60 angebracht werden kann, wie dies beispielsweise in 4 gezeigt ist.
Der Fügevorgang durch die Fügegeräte wird durch Aktuatoren angesteuert. Im Ausführungsbeispiel weisen die Schraubgeräte 14 eine aktuierte Vorschubachse 14 und eine aktuierte Drehachse A1 zum Eindrehen der Schrauben auf.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung lässt sich durch eine höhen- und winkelverstellbare Schrauberhaltung die Schrauberposition flexibel der Arbeitsstellung anpassen. Diese kann aktuiert oder manuell verstellbar sein.
Mithilfe eines nicht dargestellten Kamerasystems am Spann- und Verschraubgerät 10 kann die Füge- bzw. Schraubposition manuell oder vollautomatisiert durch Algorithmen der Bildverarbeitung korrigiert und der Schraubvorgang überwacht werden. Die verwendeten Steuerungs-/ Regelungs- und Bildverarbeitungsalgorithmen werden in einer oder mehreren Recheneinheiten des Systems implementiert.
Für das Zusammenfügen von Gebäudeteilen 20, wie es in 2 und 3 dargestellt ist, ist eine Verspannung sowie eine Verschraubung notwendig, welche sich durch die folgenden Schritte charakterisiert, welche für jedes Gebäudeelement wiederholt werden müssen:

1. Positionierung des Spann- und Verschraubgeräts 10 über den zu montierenden Bauelementen 20
2. Exakte Ausrichtung/Zentrierung der Gebäudeelemente 20 zueinander
3. Verspannen der Gebäudeelemente 20 um ein exaktes Abschließen der Gebäudeelemente 20 sicherzustellen
4. Temporäre Kupplung des Spann- und Verschraubgeräts 10 mit dem Bausystem
5. Exakte Positionierung des Schraubers 14 über der Schraubposition
6. Schraubvorgang
7. Nachladen des Schraubers 14

Die Schritte 1-4 müssen für jedes Gebäudeelements 20 und die Schritte 5-7 müssen für jede Schraubposition an den Gebäudeelementen 20 wiederholt werden.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Spann- und Verschraubgeräts 10 lassen sich die oben beschriebenen Aufgaben wie in 2 und 3 gezeigt wie folgt erledigen:

1. Exakte und vollautomatisierte Positionierung des Spann- und Verschraubgeräts 10 mithilfe eines Industrieroboters oder Großraummanipulators an der zu verschraubenden Kante 30, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme des Kamerasystems der Verschraubeinheit und Bildverarbeitungsalgorithmen.
2. Ausrichtung der geräteseitigen Fixier- bzw. Zentriergeometrien 12 an den im Bausystem angebrachten Gegengeometrien 21, gegebenenfalls über automatisiert verstellbare Fixier- bzw. Zentriergeometrien 12, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme des Kamerasystems der Verschraubeinheit und Bildverarbeitungsalgorithmen.
3. Verspannen der Gebäudeelemente 20 durch kraft- und positionsüberwachtes Zusammenziehen der beweglichen Schienen 11, was durch die Fixier- bzw. Zentriergeometrie 12 des Verschraubsystems und Gegengeometrie 21 im Gebäudeelement 20 zu einer Selbstzentrierung der Gebäudeelemente 20 führt. Gegebenenfalls Korrektur der Positionierung der Basis 17 bzw. Linearachse 15 zur zu verschraubenden Kante 30 durch Bewegung der Schienen 11 in dieselbe Richtung bei konstanter Verspannkraft.
4. Durch das Zentrieren und Verspannen des Verschraubsystems mit den Gebäudeelementen 20 erfolgt eine gleichzeitige temporäre Kupplung. Eine Relativbewegung zwischen Gebäudeelementen 20 und Vorrichtung ist nicht mehr möglich.
5. Positionierung der Schrauber 14 mithilfe der Linearachse 15 entlang der Kante 30 zur ersten Schraubposition, gegebenenfalls Anpassung des Einschraubwinkels und des Abstandes zum Arbeitspunkt - Gegebenenfalls Korrektur der Schraubposition und des Schraubverfahrwegs mittels Kamerasystem, Bildverarbeitungs- und Regelungsalgorithmen.
6. Automatisiertes Einschrauben und Überwachung durch Kamerasystem.
7. Kraft-, moment- und positionsüberwachtes Schrauben der Schrauben 40.
8. Automatisiertes Nachladen der nächsten Schraube 40 mit Füllstandüberwachung.

Die Schritte 1-4 werden für jedes Gebäudeelement 20 und die Schritte 5-10 für die verschiedenen Schraubpositionen entlang einer Kante 30 wiederholt.
Als Fixier-/Zentriergeometrien 12 befinden sich im Ausführungsbeispiel an den Spannschienen 11 eine oder mehrere zylindrische Pins. Am Bauelement 20 befinden sich an einer oder mehreren Stellen keilförmige Gegengeometrien 21, welche ins Bauelement 20 gefräst sind. Die zylindrischen Pins 12 werden in Schritt 2 in den keilförmigen Gegengeometrien 21 positioniert und beim anschließenden Verspannen der Bauelemente 20 in Schritt 3 erfolgt eine Selbstzentrierung der Bauteile 20. Falls sich Schraubpositionen außerhalb des Arbeitsbereiches der Schrauber 14 befinden, erfolgt eine Umpositionierung des Spann- und Verschraubgeräts 10 zu anderen Gegengeometrien 21 der Bauelemente.
Die Vorgänge 5., 6. und 7. können auch mit anderen Werkzeugen zum Vorbohren, Kleben, Abdichten, etc. durchgeführt oder mit den Vorgängen anderer Werkzeuge kombiniert werden. Der Vorgang der Verklebung und Abdichtung kann vor der Verspannung der Gebäudeelemente stattfinden.
Die Vorrichtung kann mit einer oder mehreren Schraubeinheiten (oder anderen Werkzeugen) ausgerüstet sein und eine Verschraubung (oder Bohrung, Verklebung, etc.) senkrecht zur Bauteiloberfläche und/oder in einem Winkel dazu ermöglichen.
So können beispielsweise eine direkte Verschraubung zweier übereinanderliegender Bauteile, eine Kreuzverschraubung zweier in einer Ebene liegender Bauteile (1) oder eine Hilfsverschraubung für eine Schraubenpressverklebung (3) realisiert werden.
Bei der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind zwei Schrauber 14, welche in einem Winkel zueinander an dem Schlitten 19 der Linearachse 15 angeordnet sind, vorgesehen, um eine Kreuzverschraubung vorzunehmen. Bei dem Ausführungsbeispiel in 3 ist ein senkrecht zur Bauteiloberfläche ausgerichteter Schrauber 14 vorgesehen. In einer möglichen Ausgestaltung sind die Schrauber über eine Schwenkachse an dem Gerät angeordnet, um den Schraubwinkel einstellen zu können und/oder um zwischen den in 2 und 3 dargestellten Schraubpositionen wechseln zu können.
Die Ansteuerung des Spann- und Verschraubgeräts 10 sieht bevorzugt eine Messung und Regelung der Verspann- und Schraubkräfte vor, so dass Beschädigungen vermieden und eine einwandfreie Produktqualität sichergestellt wird.
Das Spann- und Verschraubgerät 10 kann an einem Großraummanipulator 60 angebracht und über diesen bewegt werden, wie dies in 4 und 5 dargestellt ist. Der Großraummanipulator 60 weist eine Basis 61 auf, welche über Stützbeine 62 auf der Baustelle aufgestellt werden kann. Auf der Basis 61 ist ein um eine vertikale Drehachse drehbarer Drehbock 63 angeordnet, an welchem ein austeleskopierbarer Mast 65 um eine horizontale Schwenkachse 64 schwenkbar angeordnet ist.
An der Mastspitze ist eine Gelenkanordnung 70 mit drei Drehachsen 71 bis 73, welche in 5 näher dargestellt sind, vorgesehen, um die Pose des Spann- und Verschraubgeräts 10 in allen 6 Freiheitsgraden einstellen zu können.
Alternativ könnte als Großraummanipulator auch ein Roboterarm mit einer entsprechenden Anzahl von Drehgelenken eingesetzt werden, beispielsweise ein Industrieroboter mit einem entsprechend großen Arbeitsraum.
Der Großraummanipulator weist bevorzugt einen Arbeitsraum mit einem Durchmesser von mehr als 4 Metern auf, weiter bevorzugt mit einem Durchmesser von mehr als 8 Metern.
Die Erfindung ermöglicht eine Vollautomatisierung des Verspann- und Verschraubvorgangs. Dabei kann der Positionier- und Verschraubvorgang sowohl in produktionsfabrikähnlichen Bedingungen als auch direkt an der Baustelle stattfinden. Hierfür ist eine Steuerung vorgesehen, welche das Spann- und Verschraubgerät 10 und ggf. den oder die Großraummanipulatoren autonom ansteuert. Ebenso wäre ein halbautomatischer Betrieb denkbar, bei welchem die Großraummanipulatoren händisch angesteuert werden, um die Gebäudeelemente 20 aneinander und/oder das Spann- und Verschraubgerät 10 an den Gebäudeelementen 20 zu positionieren, und der Spann- und Verschraubvorgang automatisiert durch eine autonom durchgeführte Spann- und Verschraubroutine durchgeführt wird.
Das Spann- und Verschraubgerät 10 kann beispielsweise bei der Montage eines Holzgebäudes 100 eingesetzt werden, wie dies in 4 bis 6 dargestellt ist, und ermöglicht insbesondere den automatisierten Zusammenbau des Holzgebäudes.
Als Beispiel eines Anwendungsszenarios ist in 4 bis 6 die Montage von Holzkassetten 20 für das Holzgebäude dargestellt.
Die Holzkassetten 20 werden in diesem Anwendungsszenario mithilfe eines ersten hydraulischen Großraummanipulators 60` mit Vakuumgreifer 80 in der Zielpose positioniert.
Ein zweiter hydraulischer Großraummanipulator 60 positioniert das Spann- und Verschraubgerät 10 in der Zielpose und es wird der oben beschriebene Ablauf zur Verspannung und Verschraubung ausgeführt, wie dies in 6 dargestellt ist.
Im Ausführungsbeispiel werden die Holzbauelemente mit ebenen Stoßflächen an der Kante 30 aneinandergelegt und dann mit einer Kreuzverschraubung miteinander verschraubt, wie dies in 2 dargestellt ist. Die Elemente 20 weisen hierfür vorgebohrte Löcher für die Kreuzverschraubung auf.
Das Spann- und Verschraubsystem ist jedoch für die Montage verschiedener Bausysteme geeignet. Beispielsweise können auch Elemente 20`, welche über eine senkrecht zur Oberfläche der Elemente verlaufende Verschraubung verbunden werden, verarbeitet werden, wie dies in 3 gezeigt ist. Hierfür weisen die Stoßkanten 30 der Holzelemente Stufen auf, mit welchen sie aufeinander aufliegen. Die Stufen können dann quer zur Erstreckungsebene der Holzelemente miteinander verschraubt werden.
Sind anstelle oder zusätzlich zu den Schraubern andere Werkzeuge vorgesehen, beispielsweise Elemente zum Verkleben von Bauelementen, kann das System für weitere Anwendungen eingesetzt werden. Ein möglicher Anwendungsbereich wäre die Verlegung von Isolierplatten, insbesondere zur Isolierung von Bestandsgebäuden. Hierfür sind die Spannschienen 11 bevorzugt mit Saug-Greifern anstelle der Stifte 11 ausgestattet, um die Isolierplatten über die Saug-Greifer greifen zu können. Bevorzugt ist mindestens eine weitere Achse vorgesehen, über welche die Position und/oder Ausrichtung der Spannschienen 11 gegenüber der Basis und damit der von der jeweiligen Spannschiene 11 gegriffenen Platte einstellbar ist, insbesondere über eine Schwenkachse, um an der Spannschiene 11 angeordnete Elemente parallel zueinander und/oder zu der Bewegungsachse 15 zum Bewegen des Fügeaktors auszurichten, bevor sie miteinander verspannt und gefügt werden.
Die vorliegende Erfindung weist insbesondere einen oder mehrere der folgenden Vorteile auf:

• Automatisierte Verspannung und Verschraubung von Gebäudeelementen
• Effizienzsteigerung und Zeitersparnis
• Dokumentation und Qualitätssicherung mit Kamerasystem und Sensordaten möglich
• Keine qualifizierten Arbeitskräfte notwendig
• Reduzierung der benötigen Arbeitskräfte
• Gewinn von Komfort und Arbeitssicherung
• Wiederholgenauere Montage

Claims

Verspann- und Fügegerät zur Verbindung von Gebäudeelementen beim Bau eines Gebäudes, mit einer Verspannanordnung mit mindestens zwei Verspannelementen, an welchen jeweils eines oder mehrere Verbindungselemente zur Verbindung mit einem Gebäudeelement angeordnet sind, wobei die Verspannelemente relativ zueinander motorisch verfahrbar sind, um die Gebäudeelemente miteinander zu verspannen, und mit mindestens einem Fügeaktor, insbesondere einem Schraubgerät, wobei der Fügeaktor über mindestens eine motorisch angetriebene Bewegungsachse relativ zu den Verspannelementen verfahrbar ist, um unterschiedliche Fügepunkte entlang eines Fügebereiches der Gebäudeelemente anfahren zu können.
Verspann- und Fügegerät nach Anspruch 1, mit einer Basis, an welcher mindestens ein Verspannelement über eine motorisch angetriebene Bewegungsachse verfahrbar gelagert ist, wobei bevorzugt die Basis einen Verbindungsbereich zur Befestigung an einem Großraummanipulator aufweist.
Verspann- und Fügegerät nach Anspruch 2, wobei beide Verspannelemente jeweils über eine motorisch angetriebene Bewegungsachse an der Basis verfahrbar gelagert sind, und/oder wobei der Fügeaktor über die motorisch angetriebene Bewegungsachse an der Basis gelagert ist.
Verspann- und Fügegerät nach Anspruch 3, mit einer Steuerung, welche einen Ansteuermodus aufweist, in welchem die beiden motorisch angetriebenen Bewegungsachsen der Verspannelemente gleichsinnig angetrieben werden, um die Position des Fügeaktors in Verspannrichtung relativ zu den Verspannelementen zu verändern.
Verspann- und Fügegerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Fügeaktor über mindestens eine Linearachse relativ zu den Verspannelementen und/oder der Basis verfahrbar ist, wobei die Linearachse bevorzugt senkrecht zu einer Verfahrrichtung der Verspannelemente steht.
Verspann- und Fügegerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ausrichtung und/oder der Abstand des Fügeaktors relativ zu den Gebäudeelementen über eine Schwenk- und/oder Hubachse verstellbar ist, wobei bevorzugt die Schwenk- und/oder Hubachse an der motorisch angetriebenen Bewegungsachse angeordnet ist.
Verspann- und Fügegerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zwei Fügeaktoren, welche über mindestens eine motorisch angetriebene Bewegungsachse entlang des Fügebereiches der Gebäudeelemente verfahrbar und/oder bevorzugt jeweils im Hinblick auf die Ausrichtung und/oder den Abstand relativ zu den Gebäudeelementen über eine Schwenk- und/oder Hubachse verstellbar sind, wobei die beiden Fügeaktoren bevorzugt konfiguriert sind, um eine Kreuzverschraubung der Gebäudeelemente vorzunehmen.
Verspann- und Fügegerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit mindestens einer Kamera, über welche eine Fügeposition überwacht und/oder erfasst werden kann, wobei die Kamera bevorzugt zusammen mit dem Fügeaktor verfahrbar ist.
Verspann- und Fügegerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Verspannelemente jeweils eine Verspannschiene umfassen, welche sich parallel zu der als Linearachse ausgestalteten Bewegungsachse zum Bewegen des Fügeaktors erstreckt, und an welcher mindestens zwei Verbindungselemente angeordnet sind, und/oder wobei es sich bei den Verbindungselementen um Verbindungsgeometrien handelt, welche in Gegenelemente an den Gebäudeelementen eingreifen.
System aus mindestens einem Großraummanipulator und mindestens einem Verspann- und Fügegerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verspann- und Fügegerät an dem Großraummanipulator angeordnet ist, wobei bevorzugt der Großraummanipulator die Pose des Verspann- und Fügegeräts in 6 Freiheitsgraden einstellen kann.
System nach Anspruch 10, mit mindestens einem weiteren Großraummanipulator und/oder mindestens einem Kran zum Positionieren mindestens eines Gebäudeelementes in der Fügeposition.
System nach Anspruch 10 oder 11, mit einer Steuerung zur Ansteuerung des Großraummanipulators und des Verspann- und Fügegeräts, wobei bevorzugt die Steuerung das Positionieren, Verspannen und/oder Verfügen der Gebäudeelemente automatisiert durchführt.
System nach Anspruch 12, wobei die Ansteuerung des Großraummanipulators und des Verspann- und Fügegeräts positionsgeregelt erfolgt, wobei bevorzugt die Positionsbestimmung durch eine Robotic Total Station erfolgt, welche bevorzugt eine an dem Verspann- und Fügegerät angeordnete Tachymeter-Station umfasst, um die Absolut-Position des Verspann- und Fügegeräts bezüglich eines Baustellen-Koordinatensystems zu bestimmen.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Großraummanipulator einen Mastarm aufweist, welcher ausfahrbar ist, über einen Drehbock um eine vertikale Achse drehbar und um eine horizontale Achse verschwenkbar ist, wobei an der Mastspitze eine Bewegungsanordnung mit mindestens zwei und bevorzugt drei aktuierten Drehgelenken angebracht ist, oder wobei es sich bei dem Großraummanipulator um einen Roboterarm mit mindestens sechs Drehgelenken handelt.
Verfahren zur Verbindung von Gebäudeelementen beim Bau eines Gebäudes unter Verwendung eines Verspann- und Fügegeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder eines Systems nach einem der Ansprüche 10 bis 14, mit den Schritten: - Verspannen der Gebäudeelemente über die Spannelemente und - Fügen der Gebäudeelemente im verspannten Zustand über mindestens einen Fügeaktor, wobei der Betrieb des Verspann- und Fügegeräts und/oder des Systems bevorzugt automatisiert erfolgt.