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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Montage von Baueinheiten mittels eines Manipulators gemäß dem Oberbegriff der
Patentansprüche
1 und 3.
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Ein
solches Verfahren und eine solche Vorrichtung kommen dort zur Anwendung,
wo größere und
kleinere Bauelemente so anzuordnen sind, dass sie mit Hilfe eines
Manipulators zu großen
Baueinheiten zusammengebaut oder in große Baueinheiten eingebaut werden
können.
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Aus
dem Stand der Technik sind Bauteilfördersysteme wie Ketten-, Vibrations-
und Bandförderungseinrichtungen
bekannt, die Bauelemente in der Reichweite von Montagemanipulatoren
fördern.
Die so angeordneten Bauelemente werden in einem automatisierten
Vorgang von einem Manipulator gegriffen, und zu einer größeren Baueinheit
zusammengefügt.
Zur Erkennung von Bauelementen, die in Reichweite eines Manipulators
angeordnet sind, werden Kameras verwendet, die mit CCD-Sensoren
ausgerüstet
sind. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Objekterfassung,
die bei der Montageautomatisierung angewendet wird, wird der Objektraum, in
dem sich das zu erfassende Bauelement befindet, über optische Linsen verkleinert
und auf ein kleines fotosensitives Halbleiterarray abgebildet. Die
Auflösung
der verfügbaren
Fotoarrays ist begrenzt. Deshalb lässt sich die Lage und Orientierung
kleiner Bauelemente innerhalb eines größeren Betrachtungsraums nur
mit geringer Genauigkeit oder gar nicht erfassen. Zu den Fehlern,
welche durch die Auflösung verursacht
werden, kommen Abbildungsfehler der Optik. Falls noch die Objektorientierung
erfasst werden soll, liegt die erforderliche Objektgröße für ein verwertbares
Ergebnis noch höher.
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Der
Erfindung liegt, ausgehend von diesem Stand der Technik, die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem der Zugriff eines Manipulators
auf Bauelemente exakt und sehr einfach ermöglicht wird. Aufgabe der Erfindung
ist es zudem, eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit der ein solches
Verfahren durchgeführt
werden kann.
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Die
Aufgabe, das Verfahren betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Die
Aufgabe, die Vorrichtung betreffend, wird durch die Merkmale des
Patentanspruchs 3 gelöst.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich,
große
und kleine, flächige
oder räumlich ausgebildete
Bauelemente vorzugsweise einzeln nach einander, oder, falls es die
Gegebenheiten erfordern, alle auf einmal aus Magazinen von Bevorratungseinrichtungen
auf eine Montageplatte zu transportieren. Dabei wird jedes Bauelement
auf einem hierfür
vorgesehenen Detektionsfeld angeordnet, und anschließend optisch
erfasst. Aus dieser optischen Information wird die genaue geometrische
Position eines jeden Bauelement auf einem Detektionsfeld berechnet.
Diese Information wird an einen Manipulator weitergeben, welcher
fest mit der Montageplatte verbunden ist. Mit Hilfe der berechneten
Position eines Bauelements ist die Steuerung des Manipulators in
der Lage, den Manipulator so zu steuern, dass er genau das Bauelement
greift, das gerade für die
Montage einer Baueinheit benötigt
wird.
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Für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist wenigstens eine Montageplatte vorgesehen. Jede Montageplatte
ist mit einem oder mehreren Detektionsfeldern ausgerüstet. Jedes
Detektionsfeld wird auf einer Seite von einer Außenkante der Montageplatte
begrenzt. Jede Montageplatte ist fest mit einem Manipulator verbunden.
Dieser ist so installiert, dass er jedes Detektionsfeld der Montageplatte
erreichen und ein definiertes Bauelement, das darauf angeordnet
ist, greifen kann.
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Jedes
Detektionsfeld steht mit einer Fördereinrichtung
in Verbindung, die so installiert, dass sie ummittelbar an der Außenkante
der Montageplatte endet, welche das Detekti onsfeld mitbegrenzt.
Jede Fördereinrichtung
wird durch eine flache Rinne gebildet, die beidseitig nach außen begrenzt
ist. In jede Rinne münden
ein oder mehrere Magazine einer Bevorratseinrichtung, in denen Bauelemente
enthalten sind. Die Bauelemente eines Magazins sind vorzugsweise
hintereinander angeordnet. Mit Hilfe eines Vorschubelements kann
aus einem Magazin ein Bauelement nach dem anderen in die Rille geschoben
werden. Ein Förderelement,
das entlang der Rille hin und her bewegt werden kann, wird dazu
genutzt, die Bauelemente auf das Detektionsfeld zu fördern. Der Transport
der Bauelemente auf ein Detektionsfeld muss nicht sehr genau erfolgen.
Es muss lediglich gewährleistet
sein, dass jedes Bauelement innerhalb der Begrenzung des Detektionsfeldes
angeordnet wird. Die genaue Position eines jeden Bauelementes auf
dem Detektionsfeld wird anschließend ermittelt. Unter oder über einem
jeden Detektionsfeldes ist eine hochauflösende Kamera installiert. Oberhalb
eines jeden Detektionsfeldes befindet sich eine Beleuchtungseinrichtung.
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Die
von der Kamera erfasste optische Information wird an einen Digitalisierer
weitergeleitet, der die analogen Signale der Kamera in digitale
Signale wandelt und einem Rechner zugeführt. Der Rechner ist beispielsweise
als Mikroprozessor ausgebildet. Er ermittelt aus den empfangenen
Signalen die genauen Koordination des Bauelements auf dem Detektionsfeld
in Bezug auf den Mittelpunkt oder einen Eckpunkt des Kamerabildes.
Sind die Position der Kamera relativ zum Manipulator und die optischen
Abbildungseigenschaften der Kamera bekannt, so kann die Position
des Bauelements in Bezug auf den Manipulator berechnet werden. Der
Manipulator kann dann mit Hilfe von diesen Daten von der zugehörigen Steuereinrichtung
gesteuert werden.
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Für die optische
Erfassung der Bauelemente können
Verfahren der Binärbildverarbeitung
durch Anwendung eines Schwellwertoperators angewendet werden, da
das Objekt unmittelbar als dunkler Schattenbereich in der Kamera
abgebildet wird, weil die Beleuchtungseinrichtung über dem
Bauelement installiert ist. Zur Bestimmung der Lage und Orientierung
bieten sich beispielsweise Verfahren der Momentenberechnung in Binärbildern
an.
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Jede
Kamera und jedes Detektionsfeld, die zu einer Montageplatte gehören, sind
bezüglich
des zugeordneten Manipulators fest montiert. Zudem ist die Position
jeder Kamera in der Steuereinrichtung des Manipulators gespeichert.
Diese Steuereinrichtung erhält
zudem die Information über
die Lage und Orientierung des Bauelements in Bezug auf die Kamera.
Mit dieser Informationen ist es möglich, den Manipulator so zu
steuern, dass er jedes Bauelement auf einem Detektionsfeld an genau
definierter Stelle greifen kann.
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Durch
den Greifvorgang kann sich neben der Position auch die Orientierung
des Bauelements ändern.
Gegebenenfalls ist es dann erforderlich, die Lage eines Bauelements
erneut mit der Kamera zu detektieren. Mit Hilfe einer genauen Lage-
und Orientierungsinformation des von dem Manipulator gegriffenen
Bauelements kann die Steuerung des Manipulators dann so erfolgen,
dass er das Bauelement passgenau in eine zu fertigende Baueinheit
einfügt.
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Ist
die Montageplatte mit mehreren Detektionsfeldern ausgerüstet, so
sind unter oder über
jedem Detektionsfeld eine Kamera und eine Beleuchtungseinrichtung
installiert. Wo sich die jeweilige Kamera und die zugehörige Beleuchtungseinrichtung befinden,
ist von der Größe des Detektionsfeldes
und des darauf positionierten Bauelements abhängig.
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Weitere
erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäße Vorrichtung
für die
Montage von Baueinheiten,
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2 die
Vorrichtung nach 1 im Vertikalschnitt,
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3 eine
Variante der in 1 dargestellten Vorrichtung,
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4 die
Vorrichtung nach 3 im Vertikalschnitt,
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5 eine
weitere Ausführungsform
der in 1 dargestellten Vorrichtung.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1 mit einer Montageplatte 2,
einem Detektionsfeld 3, einer Bevorratungseinrichtung 4 und
einer Fördereinrichtung 5. Das
Detektionsfeld 3 ist transparent ausgebildet. Es ist über eine
Fassung 3F so in die Montageplatte 2 integriert,
dass es bündig
mit der Oberfläche
der Montageplatte 2 abschließt und auf einer Seite von
einer Außenkante
der Montageplatte 2 mitbegrenzt wird.
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Wie 2 zu
entnehmen ist, ist auf der Unterseite des Detektionsfeldes 3 eine
hochauflösende Kamera 6 installiert.
Die Kamera 6 grenzt unmittelbar an das Detektionsfeld 3 an.
Sie ist mit einer ebenen, transparenten Schutzschicht versehen,
oder durch ein transparentes Glas- oder Kunststoffplättchen abgedeckt
(hier nicht dargestellt). Oberhalb des Detektionsfeldes 3 ist
eine Beleuchtungseinrichtung 7 installiert. Die Kamera 6 steht
mit einem Rechner 8 in Verbindung, der bei dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel
als Mikroprozessor ausgebildet ist. Die optischen Signale der Kamera 6 werden
mit Hilfe eine CCD-Chip, der in die Kamera 6 eingebaut
ist, in elektrische Signale umgewandelt. Die analogen Signale der
Kamera 6 werden mit einem Digitalisierer (Frame Grabber)
in digitale Signale für
den Rechner 8 umgewandelt. Ein solcher Digitalisierer (hier
nicht dargestellt) wird zwischen die Kamera 6 und den Rechner 8 geschaltet.
In dem Rechner 8 wird aus den empfangenen Signalen die
genaue Position des jeweiligen Bauelements 100 bestimmt,
das gerade auf dem Detektionsfeld 3 angeordnet ist. Der
Signalausgang des Rechners 8 ist an einen Manipulator 10 angeschlossen,
der mit der Montageplatte 2 fest verbunden ist. Der Manipulator 10 ist
mit einem Arm 10A ausgerüstet, an dessen freiem Ende
eine Greifervorrichtung 10G befestigt ist. Die Länge des
Arms 10A und seine Bewegungsmöglichkeiten sind so ausgelegt,
dass die Greifervorrichtung 10G das Bauelement 100 erfassen
und in einer Baueinheit 110 installieren kann, die, wie 4 zeigt,
neben der Vorrichtung 1 angeordnet ist. Mit Hilfe der Ausgangssignale des
Rechners 8, die der Steuereinheit des Manipulators 10 zugeführt werden,
kann der Arm 10A des Manipulators 10 so gesteuert
werden, dass die Greifervorrichtung 10G genau zu der Position
geführt
wird, an der sich das Bauelement 100 auf dem Detektionsfeld 3 befindet.
Falls es die Gegebenheiten erfordern, kann nach dem Aufnehmen des
Bauelements 100 durch die Greifervorrichtung 10G die
Position des Bauelements 100 noch einmal mit der Kamera 6 bestimmt
werden. Die Greifervorrichtung 10G kann dann exakt an die
Stelle geführt
werden, an der das Bauelement 100 in der Baueinheit 110 zu
installieren ist.
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Bevor
ein Bauelement 100 auf einem Detektionsfeld 3 angeordnet
wird, befindet es sich, wie 1 zeigt,
in der Bevorratungseinrichtung 4, die mit einem oder mehreren
Magazinen 4M versehen ist. Die Magazine 4M sind
mit Bauelementen 100 gefüllt, die gleich oder unterschiedlich
gestaltet jedoch etwa gleich groß sind. Beidem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist die Bevorratungseinrichtung 4 ist mit drei Magazinen 4M versehen,
die nebeneinander angeordnet sind, so dass ihre Längsachsen
parallel zueinander ausgerichtet sind. Senkrecht zu den Längsachsen
der Magazine 4M ist die Fördereinrichtung 5 installiert,
die durch eine Rinne 5R gebildet wird. Die Rinne 5R endet
an der Außenkante
der Montageplatte 3, die das Detektionsfeld 3 unmittelbar
begrenzt. Jedes Magazin 4M ist mit jeweils einem Vorschubelement 4V versehen.
Mit Hilfe der Vorschubelemente 4V, die beispielsweise von
Schrittmotoren (hier nicht dargestellt) angetrieben werden, können die
Bauelemente 100 durch die Magazine 4M geschoben
werden. Jedes Vorschubelement 4V kann von dem Rechner 8 separat
angesteuert werden, woraufhin aus einem bestimmten Magazine 4M ein
Bauelement 100 in die Rinne 5R befördert wird.
Die Rinne 5R ist mit einem Förderelement 5V versehen,
das von einem Motor (hier nicht dargestellt) angetrieben wird. Ist
das Detektionsfeld 3 leer, wird aus einem Magazine 4M ein
Bauelement 100 in die Rinne 5R befördert, und
von dem Förderelement 5V auf
das Detektionsfeld 3 transportiert. Der Motor des Förderelements 5V kann
ebenfalls von dem Rechner 8 aus gesteuert werden.
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3 zeigt
eine Montageplatte 2, die mit zwei Detektionsfeldern 3A und 3B ausgerüstet. Die beiden
Detektionsfelder 3A und 3B sind so installiert, wie
das in 1 dargestellte Detektionsfeld 3. Im Unterschied
dazu werden, die beiden Detektionsfelder 3A und 3B von
zwei Außenkanten
der Montageplatte 2 begrenzt, die im rechten Winkel zueinander
angeordnet sind. Das Detektionsfeld 3A ist bezüglich seiner
Abmessungen so ausgebildet wie das in 1 dargestellte
und in der zugehörigen
Beschreibung erläuterte
Detektionsfeld 3. Unter dem Detektionsfeld 3A ist,
ebenso wie in 2 dargestellt, wiederum eine
Kamera 6 installiert, während
sich über
dem Detektionsfeld 3A eine Beleuchtungseinrichtung 7 befindet.
Die Signale der Kamera 6 werden auch hierbei an einen Rechner 7 zur
Auswertung weitergeleitet. Auf das Detektionsfeld 3A können Bauelemente 100 befördert werden,
wie sie in den Magazinen 4M der Bevorratungseinrichtung 4 enthalten
sind. Die Bevorratungseinrichtung 4 steht mit der Rinne 5R einer Fördereinrichtung 5 in
Verbindung. Die Bevorratungseinrichtung 4 und die Fördereinrichtung 5 sind so
ausgebildet und arbeiten in der gleichen Weise wie die in 1 dargestellten
und in der zugehörigen Beschreibung
erläuterten
Einrichtungen 4 und 5.
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Das
zweite Detektionsfeld 3B weist westlich größere Abmessungen
auf als das Detektionsfeld 3A. Damit ist es möglich, auf
das Detektionsfeld 3B Bauelemente 101 zu fördern, deren
Abmessungen die der Kamera 6 überschreiten. Die Kamera 6 wird auch
hier zur Erfassung der Position eines jeden Bauelements 101 genutzt.
Sie ist, wie 4 zeigt, unter dem Detektionsfeld 3B installiert.
Das Detektionsfeld 3B wird durch eine transparente Glas-
oder Kunststoffplatte gebildet. Für die Beleuchtung eines jeden
Bauelementes 101, das auf dem Detektionsfeld 3B angeordneten
wird, ist eine Beleuchtungseinrichtung 7 installiert. Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Beleuchtungseinrichtung 7 über dem
Detektionsfeld 3B angeordnet. Die Kamera 6 ist
bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
mit einer zusätzlichen
Optik 6A ausgerüstet.
Wo die jeweilige Kamera 6 und die zugehörige Beleuchtungseinrichtung 7 installiert
werden, hängt
von der Größe des Detektionsfeldes
und der darauf zu positionierenden Bauelemente ab. Da die Kamera 6 mit
einem Objektiv 6A versehen ist, kann damit ein Bereich erfasst
werden, der größer ist
als das Detektionsfeld 3B.
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Die
Detektionsfelder 3A und 3B sind so installiert,
dass sie sich beide in Reichweite des Manipulators 10 befinden,
der fest mit der Montageplatte 2 verbunden ist. Die Greifervorrichtung 10G des
Manipulators 10 kann somit jedes Bauelement 100 als auch
jedes Bauelement 101 erfassen. Die Ausgangssignale beider
Kameras 6 werden dem Rech ner 8 zugeführt, der
daraus die genauen geometrischen Positionen der Bauelement 100 und 101 auf
den Detektionsfeldern 3A und 3B ermittelt. Diese
Information wird an die Steuerung des Manipulators 10 weiter
geleitet. Die Bauelemente 101 sind ebenfalls in einem Magazin 4M einer
Bevorratungseinrichtung 4 enthalten. Das Magazin 4M steht
mit einer Fördereinrichtung 5 in
Verbindung. Über
die Rinne 5R der Fördereinrichtung 5 kann
auch hierbei ein Bauelement 101 nach dem anderen auf das
Detektionsfeld 3B transportiert werden. Die Bevorratungseinrichtung 4 und die
Fördereinrichtung 5 sind
in gleicher Weise ausgebildet und mit und dem Detektionsfeld 3B verbunden wie
die in 1 dargestellten und in der zugehörigen Beschreibung
erläuterten
Einrichtungen 4 und 5.
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5 zeigt
eine Montageplatte 2, die mit zwei Detektionsfeldern 3A und
zwei Detektionsfeldern 3B ausgerüstet. Die beiden Detektionsfelder 3A sind
so ausgebildet wie das in 3 gezeigte
und in der zugehörigen
Beschreibung erläuterte
Detektionsfeld 3A. Sie grenzen mit einer Seite an eine
erste Außenkante
der Montageplatte 2. Zu jedem Detektionsfeld 3A können Bauelemente 100 aus
den Magazinen 4M einer zugehörigen Bevorratungseinrichtung 4 über die
Rinne 4R einer Fördereinrichtung 5 transportiert
werden. Unter jedem Detektionsfeld 3A ist in analoger Weise
wie in 2 dargestellt und in der zugehörigen Beschreibung erläutert, eine
Kamera 6 installiert, während
sich über
jedem Detektionsfeld 3A eine Beleuchtungseinrichtung 7 befindet.
Die Signale der Kameras 6 werden auch hierbei an einen Rechner 8 zur
Auswertung weitergeleitet.
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Die
beiden Detektionsfelder 3B sind so ausgebildet wie das
in 3 gezeigte und in der zugehörigen Beschreibung erläuterte Detektionsfeld 3B.
Eines dieser Detektionsfelder 3B wird durch eine zweite
und das weitere Detektionsfeld 3B durch eine dritte Außenkante
der Montageplatte 2 begrenzt. Die beiden Detektionsfelder 3B weisen
westlich größere Abmessungen
auf als die Detektionsfelder 3A. Damit ist es möglich, auch
hierbei Bauelemente 101 auf die Detektionsfelder 3B zu
transportieren, deren Abmessungen die der Kamera 6 überschreiten.
Zu jedem Detektionsfeld 3B können Bauelemente 101 aus dem
Magazin 4M einer zugehörigen
Bevorratungseinrichtung 4 über die Rinne 4R einer
Fördereinrichtung 5 transportiert
werden.
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Unter
bzw. über
jedem Detektionsfeld 3B sind auch hier, wie in 4 dargestellt
und in der zugehörigen
Beschreibung erläutert,
jeweils eine Kamera 6 mit einem zusätzlichen Objektiv 6A und
eine Beleuchtungseinrichtung 7 installiert. Die Ausgangssignale
aller Kameras 6 werden zur Ermittlung der genauen Positionen
eines jeden Bauelements 101 dem Rechner 8 zugeführt. Seine
Ausgangssignale werden an die Steuereinrichtung des Manipulators (hier
nicht dargestellt) weitergeleitet, der auch hier mit der Montageplatte 2 verbunden
und so installiert ist, dass die an seinem Arm befestigte Greifervorrichtung 10G jedes
Bauelement 100, 101 auf einem jeden Detektionsfeld 3A, 3B erreichen,
greifen und in einer Baueinheit montieren kann.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht nur auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr umfasst
sie alle Variationen des Verfahren und der Vorrichtung, die dem
Kern der Erfindung zugeordnet werden können.