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Die Erfindung betrifft eine Fertigungsanlage zur Durchführung eines Fertigungsverfahrens, beispielsweise eines kontaktlos oder kontaktbehafteten Fertigungsverfahrens.
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Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen werden meist Faserhalbzeuge (trocken oder vorimprägniert) auf einem Formwerkzeug abgelegt oder drapiert, wobei das Formwerkzeug dem späteren Faserverbundbauteil seine geometrische Form aufprägt. Bei der Fertigung von großen Faserverbundbauteilen, wie beispielsweise Flügelschalen, erfolgt dieser Ablageprozess zunehmen automatisiert, wobei bei diesem Fiber-Placement bzw. der Tapelaying Technologie das abzulegende Fasermaterial auf einer Spule aufgewickelt mit Hilfe von einem Ablegekopf auf dem Formwerkzeug in mehreren Bahnen nebeneinander abgelegt wird. In der gesamten Fläche ergibt sich eine Laminatschicht (PLY), wobei mehrere Laminatschichten zum Teil unterschiedlicher geometrischer Formen das spätere Faserverbundbauteil ergeben.
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Die Ablage des Fasermaterials erfolgt derzeit unter Einsatz großer Portalanlagen, die die Materialspulen mitführen und unter Verwendung geeigneter Endeffektoren das Material entlang der aus einer Offline-Programmierung generierten Bahnen ablegt. Da diese Portalanlagen jedoch hinsichtlich ihres Einsatzzweckes stark begrenzt sind, gibt es Bestrebungen, das Fasermaterial mit Hilfe von Robotern auf dem Formwerkzeug abzulegen.
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So ist aus der
DE 10 2010 015 027 B1 eine Faserlegevorrichtung bekannt, die ein Formwerkzeug, ein um das Formwerkzeug umlaufendes Schienensystem und eine Mehrzahl von auf dem Schienensystem geführte Roboter aufweist. An den Robotern sind als Endeffektoren Ablegeköpfe vorgesehen, die Endlosfasermaterial auf dem Formwerkzeug ablegen können. Die mit dieser Form der robotergestützten Ablage von Fasermaterialien erreichten Flexibilität- und Effizienzsteigerung ermöglicht erstmals die ökonomisch sinnvolle Fertigung von großen Faserverbundbauteilen.
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Zwar ist die Art des Ablageprozesses bei beiden Varianten gleich. Jedoch weisen die deutlich flexibleren Roboteranlagen eine entschieden höhere Nachgiebigkeit und damit höhere Anfälligkeit für Schwingungen auf, so dass der robotergestützte Ablageprozess insbesondere bei hohen Ablagegeschwindigkeiten mitunter signifikante Abweichungen der Ablageposition aufweist, die bei der Herstellung von Bauteilen nicht toleriert werden können. Lediglich durch die internen Lagegrößen des Roboters ist in einem begrenzten Maße die Überprüfung der Bahntreue möglich, was jedoch für hochpräzise Ablageprozesse nicht ausreichend ist.
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Ein weiterer Nachteil der höheren Nachgiebigkeit und damit verbundenen Anfälligkeit für Schwingungen der robotergestützten Ablageanlagen ist die mangelnde Wiederholbarkeit. Dadurch, dass die hochgenaue Ablage der Fasermaterialien nicht prozesssicher wiederholbar ist, können die Kosten insbesondere für große Faserverbundbauteile nicht signifikant gesenkt werden, um so in Konkurrenz zu den herkömmlichen Materialien und Fertigungsverfahren zu gehen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Fertigungsanlage anzugeben, mit der bei robotergestützten Fertigungsverfahren eine hochgenaue Positionierung des Endeffektors während der Durchführung des Fertigungsverfahrens möglich wird.
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Die Aufgabe wird mit der Fertigungsanlage gemäß Anspruch 1 sowie mit dem Verfahren gemäß Anspruch 7 erfindungsgemäß gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 wird eine Fertigungsanlage vorgeschlagen, die einen Roboter, ein an dem Roboter angeordneten Endeffektor zur Durchführung des Fertigungsverfahrens und eine Robotersteuerung hat, die zur Steuerung der Bewegung des Roboters zur Positionierung des Endeffektors an einer vorgegebenen Position eingerichtet ist. Die Robotersteuerung ist dabei so eingerichtet, dass sie die Stellglieder der kinematischen Kette des Roboters so ansteuert, dass der Endeffektor an einer vorgegebenen Soll-Position positioniert wird. Dies beinhaltet auch, die Positionierung des Endeffektors an einer Soll-Position und Bewegung des Endeffektors entlang einer Soll-Bahntrajektorie durch Ansteuerung der Stellglieder des Roboters.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass eine Positionserfassungseinrichtung vorgesehen ist, die eine Mehrzahl von optischen Messeinrichtungen und eine Recheneinheit aufweist. Die optischen Messeinheiten sind dabei so ausgebildet, dass sie jeweils zur berührungslosen Erfassung eines Abstandes zu einem Referenzpunkt ausgebildet sind, wobei die Recheneinheit zum Berechnen der aktuellen Position des Endeffektors in Abhängigkeit von den erfassten Abständen eingerichtet ist. Die aktuelle Position des Endeffektors kann sich beispielsweise auf die Position des TCP (Tool Center Point) beziehen, der in der Regel das Wirkende der kinematischen Kette des Roboters darstellt.
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Darüber hinaus ist die Robotersteuerung erfindungsgemäß so eingerichtet, dass sie die Bewegung des Roboters zur Positionierung des Endeffektors an der vorgegebenen Position weiterhin auch in Abhängigkeit von der aktuellen Position des Endeffektors steuert, so dass sich eine Bewegungsregelung des Endeffektors bezüglich einer vorgegebenen Soll-Position ergibt.
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Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird es möglich, den Endeffektor zur Durchführung eines Fertigungsverfahrens hochgenau an der vorgegebenen Soll-Position zu positionieren, so dass beispielsweise Faserablagen wiederholbar hochgenau auf einem Formwerkzeug abgelegt werden können. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann somit der Nachteil der deutlich flexibleren Roboteranlagen hinsichtlich der höheren Nachgiebigkeit und Anfälligkeit für Schwingungen ausgeglichen werden, wobei eine hochgenaue Soll-Positionierung in Echtzeit durch die erfindungsgemäße Regelung erreicht werden kann.
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Unter einem Roboter im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Bewegungsautomat verstanden, mit dem der Endeffektor zumindest hinsichtlich einer Dimension frei positionierbar ist. Ein derartiger Roboter kann beispielsweise ein Knickarmroboter sein, wie er beispielsweise als Industrie-Bewegungsautomat eingesetzt wird. Ein solcher Roboter kann beispielsweise auch einen Gantry-Antrieb aufweisen. Unter einem Roboter im Sinne der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus auch beispielsweise eine Portalanlage sowie Bewegungsautomaten mit kartesischer Kinematik verstanden.
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Unter dem von dem Endeffektor durchzuführenden Fertigungsverfahren wird im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere jedes hochgenaue, bahnbasierte Fertigungsverfahren verstanden. Dies kann beispielsweise im Bereich der Fasertechnologie das Ablegen von Faserbahnen sein. Denkbar sind allerdings auch Fertigungsverfahren wie beispielsweise abrasive und/oder additive Fertigungsverfahren, z.B. Fräsen, Drehen sowie hochgenaue Inspektions- und Vermessungsvorgänge und hochgenaue Bewegungsfahrten.
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Handelt es sich bei der Fertigungsanlage um eine Faserlegeanlage zum Legen von Fasermaterialien auf einem Werkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, bei der der Endeffektor ein Faserablegekopf ist, so lassen sich hohe Ablegegeschwindigkeit der Fasermaterialien auf dem Werkzeug erreichen, die gegenüber herkömmlichen Portalanlagen deutlich schneller sind, ohne jedoch an Genauigkeit beim Ablegeprozess Einbußen zu erhalten. Vielmehr wird mit Hilfe der vorliegenden Erfindung eine größtmögliche Flexibilität des robotergestützten Ablegeprozesses mit der hohen Genauigkeit von Portalanlagen kombiniert. Mit dem vorliegenden Regelungssystem wird somit die Prozesssicherheit und -genauigkeit während des Ablageprozesses gesteigert.
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Durch die höhere Ablegegenauigkeit lässt sich darüber hinaus Ausschuss reduzieren und Herstellungskosten senken.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Steuerung der Bewegung des Roboters zur Positionierung des Endeffektors an der vorgegebenen Position in Abhängigkeit von der vorgegebenen Position und der aktuell ermittelten Position des Endeffektors während der Durchführung des Fertigungsverfahrens, beispielsweise während des Ablegens von Fasermaterialien auf dem Formwerkzeug.
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Die optischen Messeinheiten können beispielsweise in der Umgebung des Roboters beabstandet angeordnet sein, wobei der Referenzpunkt an dem Roboter oder dem Endeffektor angeordnet ist. Im Referenzpunkt kann beispielsweise ein Reflektor vorgesehen sein. Denkbar ist allerdings auch, dass die optischen Messeinheiten an dem Roboter oder dem Endeffektor angeordnet sind und in der Umgebung des Roboters entsprechende Referenzpunkte bzw. Referenzmarkierungen angeordnet sind, deren jeweiliger Abstand von den optischen Messeinheiten ermittelt wird. Anhand der Position der Referenzpunkte bzw. der Position der feststehenden optischen Messeinheiten und des dazugehörigen Abstandes kann dann unter Anwendung von Methode der Multilateration die Position des Endeffektors ermittelt werden.
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Vorteilhafterweise ist die Robotersteuerung zum Erkennen einer Abweichung von der vorgegebenen Position in Abhängigkeit von der aktuell ermittelten Position des Endeffektors und zur Steuerung der Bewegung des Roboters zur Korrektur der Abweichung eingerichtet. Bei einer ausreichend hohen Messdynamik lässt sich eine Abweichung von der Soll-Position, die aufgrund der höheren Nachgiebigkeit der kinematischen Kette des Roboters in den Lagesensoren des Roboters nicht erkannt wird, in Echtzeit erfassen und online im Prozess korrigieren.
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Es ist zweckmäßig, wenn die optischen Messeinheiten Sensoren sind, die zum Aussenden eines Laserstrahls zum Referenzpunkt, zum Empfangen des reflektierten Laserstrahls von dem Referenzpunkt und zum Ermitteln des Abstandes zum Referenzpunkt in Abhängigkeit von der Laufzeit des ausgesendeten und empfangenen Laserstrahls ausgebildet sind. Unter Kenntnis der Position der jeweiligen ortsfesten Einheit (Laser-Abstand-Sensor oder Referenzpunkt) sowie des aus der Laufzeit des Laserstrahls abgeleiteten Abstandes lässt sich dann unter Anwendung der Triangulation die Position des Endeffektors ermitteln.
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Aufgrund der Tatsache, dass der Endeffektor zur Durchführung des Fertigungsverfahrens eine Bewegung im Raum ausführt, ist es vorteilhaft, wenn die Laser-Abstand-Sensoren zum Nachführen des Laserstrahls auf den Referenzpunkt bei einer Bewegung des Roboters oder Endeffektors eingerichtet sind. Somit wird der Laserstrahl immer auf den Referenzpunkt, auch während einer Bewegung des Roboters oder Endeffektors, fokussiert, so dass sich zu jedem Zeitpunkt ein entsprechender Abstand zwischen dem jeweiligen Laser-Abstand-Sensor und dem Referenzpunkt ermitteln lässt. Vorteilhafterweise ist dieser Sensor ein Laserabstandssensor.
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So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn mindestens vier Laser-Abstand-Sensoren vorgesehen sind, so dass sich aus vier Raumpunkten somit die Punktkoordinaten des Endeffektors bzw. des TCP errechnen lassen. Die Messunsicherheit für räumliche Versatzmessung beträgt 0,2 µm plus 0,3 µm pro Meter nominellen Abstands bei einer Auflösung von 0,001 µm. Die einstellbare Abtastrate liegt vorteilhafterweise bei 1 kHz.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Roboter eine Korrekturaktuatorik auf, die zur Bewegung des Endeffektors unabhängig von der Bewegung des Roboters ausgebildet ist. Eine solche Korrekturaktuatorik kann beispielsweise auch integraler Bestandteil des Endeffektors, beispielsweise eines Faserablegekopfes, sein. Mit Hilfe der Korrekturaktuatorik kann die Positionierung des TCP in ein oder zwei Raumkoordinaten hochgenau eingestellt werden, wobei die Robotersteuerung zur Korrektur einer Abweichung zwischen der vorgegebenen Position und der aktuell ermittelten Position des Endeffektors durch Ansteuerung der Korrekturaktuatorik zum Bewegen des Endeffektors ausgebildet ist. Mit Hilfe der Korrekturaktuatorik lässt sich somit die Position des Endeffektors und somit die Position des TCP ansteuern und entsprechende Abweichungen aufgrund der Nachgiebigkeit der kinematischen Kette des Roboters ausgleichen.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
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1 – schematische Darstellung der erfindungsgemäß Fertigungsanlage.
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1 zeigt eine Fertigungsanlage 1, die zum Ablegen von Fasermaterial auf einem nicht dargestellten Werkzeug vorgesehen ist. Hierzu weist die Fertigungsanlage 1 einen Sechsarm-Knick-Roboter auf, an dessen Ende der kinematischen Kette ein Faserablegekopf 3 als Endeffektor vorgesehen ist. Mittels des Faserablegekopfes 3 können von einer Faserspule bereitgestellte Fasermaterialien auf dem Werkzeug abgelegt werden.
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Um eine größtmögliche Flexibilität des Faserablegekopfes 3 hinsichtlich seiner Positionierung sowie Bahntrajektorie zu ermöglichen, ist der Roboter als Sechsarm-Knick-Roboter ausgebildet, wodurch eine hohe Flexibilität und Bewegungsgeschwindigkeit ermöglicht wird. Selbstverständlich sind auch andere Formen von Robotern denkbar.
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Der in der 1 dargestellte Sechsarm-Knick-Roboter 2 besitzt insgesamt sechs Drehachsen A1 bis A6, die zum Teil senkrecht zueinander stehen, wodurch der Roboter 2 den Faserablegekopf 3 in die drei translatorischen und drei rotatorischen Bewegungsrichtungen bewegen kann.
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Des Weiteren weist die Fertigungsanlage 1 eine Robotersteuerung 4 auf, die eine Steuereinheit 5 enthält, die zur Ansteuerung des Roboters 2 zur Positionierung des Faserablegekopfes 3 ausgebildet ist. Darüber hinaus ist die Steuereinheit 5 so ausgebildet, dass sie den Roboter 2 so ansteuert, dass der Faserablegekopf 3 eine vorgegebene Bahntrajektorie abfährt, während er das Fasermaterial auf dem nicht dargestellten Werkzeug ablegt.
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Die Steuereinheit 5 der Robotersteuerung 4 setzt somit die aus der Offline-Programmierung entwickelten Trajektorien des Endeffektors 3 in eine entsprechende Bewegung des Roboters 2 um, dass der Endeffektor bzw. Faserablegekopf 3 die entsprechende Trajektorie abfährt.
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Erfindungsgemäß ist nun eine Positionserfassungseinrichtung 6 vorgesehen, die eine Mehrzahl von optischen Messeinheiten 7a bis 7d aufweist. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind insgesamt vier optische Messeinheiten 7a bis 7d vorgesehen, wobei die optischen Messeinheiten 7a bis 7d als Sensoren ausgebildet sind. Jeder dieser Sensoren 7a bis 7d ist zum Aussenden eines Laserstrahls 8 ausgebildet, der an einem Referenzpunkt reflektiert wird, wobei der reflektierte Laserstrahl dann wiederum von der jeweiligen Messeinheit 7a bis 7d empfangen wird und anhand der Laufzeit des Laserstrahles der Abstand zwischen der jeweiligen Messeinheit 7a bis 7d und dem Referenzpunkt 9 ermittelt wird. Hierzu sind die Sensoren 7a bis 7d mit einer Recheneinheit 10 der Robotersteuerung 4 verbunden, welche die entsprechende Berechnung der Abstände zwischen den jeweiligen Messeinheiten 7a bis 7d und dem Referenzpunkt 9 durchführt.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Referenzpunkt 9 an dem Endeffektor bzw. Faserablegekopf 3 der Fertigungsanlage 1 angeordnet, wobei am Referenzpunkt 9 beispielsweise ein Reflektor angeordnet sein kann. Mit Hilfe des Reflektors werden die ausgesendeten Laserstrahlen 8 entsprechend reflektiert und können so von den Messeinheiten 7a bis 7d gut empfangen werden.
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Denkbar ist auch, dass die Messeinheiten 7a bis 7d an dem Roboter bzw. Endeffektor angeordnet sind, wobei der Referenzpunkt bzw. die Referenzpunkte ortsfest im Raum angeordnet sind.
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Die aus den Laufzeiten der Laserstrahlengänge 8 ermittelten Abstände werden dann von der Recheneinheit 10 an die Steuereinheit 5 der Robotersteuerung 4 übertragen, wo sie dann nach Berechnung der 3D-Position des Endeffektors zur Onlinebahnkorrektur des Endeffektors 3 verwendet werden können. Anhand der hochgenauen Positionsangabe des Endeffektors bzw. des Referenzpunktes, kann auf den TCP (Tool Center Point) geschlossen werden, so dass der Roboter 2 hinsichtlich seiner Bewegung so angesteuert werden kann, dass er hochgenau den TCP an der vorgegebenen Position positioniert. Hierfür ist es beispielsweise denkbar, dass eine Korrekturaktuatorik in dem Endeffektor 3 vorgesehen ist, der eine entsprechende Feinkorrektur des TCP vornimmt.
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Des Weiteren erfassen die Sensoren 7a bis 7d die Bewegung des Roboters. Anhand der erfassten Bewegung des Roboters bzw. insbesondere des Referenzpunktes 9 lässt sich dann der Laserstrahl 8 entsprechend der Bewegung des Roboters nachführen, so dass der Laserstrahl 8 immer auf den Referenzpunkt 9 fokussiert bleibt. Ein solches Multitracersystem liefert somit zu jedem Zeitpunkt eine hochgenaue Positionsangabe des Referenzpunktes 9, und zwar auch dann, wenn der Roboter sich bewegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fertigungsanlage
- 2
- Roboter
- 3
- Endeffektor (Faserablegekopf)
- 4
- Robotersteuerung
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Positionserfassungseinrichtung
- 7
- optische Messeinheiten
- 8
- Laserstrahl
- 9
- Referenzpunkt
- 10
- Recheneinheit
- A1 bis A6
- Drehachsen den Roboters
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010015027 B1 [0004]
