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1. Technischer Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren als auch ein System zum Positionieren eines Werkstücks, insbesondere zur Montage von Werkstücken wie Gepäckfächern in einer Flugzeugfertigung.
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2. Technischer Hintergrund
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Viele industrielle Montagetätigkeiten werden manuell, also per Hand durch einen Monteur durchgeführt. So wird beispielsweise in der Flugzeugfertigung das Interieur von Flugzeugen manuell in das Flugzeug gebracht und dort montiert. Das Interieur umfasst dabei Sitzreihen, Verkleidungen als auch Gepäckfächer oder Überkopfgepäckfächer, in welche die Passagiere ihr Handgepäck verstauen können. Bei der Montage werden beispielsweise die Gepäckfächer üblicherweise von Monteuren in das Flugzeug getragen, an ihre Position gehoben und dort mittels Schrauben, Nieten, Klickmechanismen oder Ähnlichem an der Innenseite des Rumpfes befestigt.
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Viele industrielle Montageschritte müssen auf erhöhten Positionen durchgeführt werden, wie beispielsweise im Falle der Montage von Gepäckfächern bei der Flugzeugfertigung in einer Höhe von etwa 2 Metern. Die Monteure müssen bei solch einer Montagetätigkeit meist „überkopf” arbeiten. Da die zu montierenden Werkstücke schwergewichtig sein können (z. B. sind Gepäckfächer üblicherweise 50–80 kg schwer), ist sowohl der Transport der Werkstücke als auch eine manuelle Montage, und insbesondere eine Überkopf-Montage aufwendig und schwierig.
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Der Einsatz von Manipulatoren bzw. Roboter für die Montage ist bekannt. Ganz allgemein sind Roboter frei programmierbare, programmgesteuerte Handhabungsgeräte, wobei die eigentliche Robotermechanik als Manipulator bezeichnet werden kann. Um schwere Werkstücke zu bewegen ist dabei insbesondere der Einsatz sogenannter Balancer bekannt, welche eine gewisse Schwerkraft-Kompensation ermöglichen und somit den Manipulator entlasten. Aus der
DE 10 2011 006 992 A1 ist dabei ein Verfahren und Handhabungssystem zum automatisierten Bewegen eines schwerkraftkompensierten Lastkörpers bekannt. Es wird darin unter anderem vorgeschlagen, einen Lastkörper mittels eines kranartigen Hebeseils zu halten, sodass der Lastkörper möglichst „frei schwebend” hängt. Solch ein Balancer ist allerdings insbesondere für eine Überkopf-Montage nicht geeignet, da hier kein Platz oberhalb des Montageplatzes vorhanden sein kann.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2013 220 798 A1 beschreibt ein Verfahren zum Handhaben von Objekten mittels wenigstens zweier Industrieroboter, die jeweils einen Manipulatorarm umfassen. Mittels des einen Manipulatorarms wird das Objekt derart gegriffen, dass das Objekt mit einem ersten Endglied des Manipulatorarms verbunden ist. Ferner wird ein Glied des wenigstens einen anderen Manipulatorarms an eines der Glieder des einen Manipulatorarms angekoppelt.
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Das Dokument
DE 10 2006 056 528 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Halten, Bewegen und Positionieren eines Werkstücks, wobei die Vorrichtung einen mehrachsigen bewegbaren und mit dem Werkstück zerstörungsfrei trennbar verbindbaren Manipulator aufweist.
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Die Gebrauchsmusterschrift
DE 299 09 047 U1 offenbart eine Positioniervorrichtung für Werkstücke, welche mindestens eine Aufnahmevorrichtung aufweist, an der das Werkstück, das von einem mehrachsigen Manipulator gehalten und geführt wird, in ein oder mehreren Achsen beweglich abstützbar und in unterschiedlichen Lagenorientierbar ist.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die obengenannten Nachteile zumindest teilweise auszuräumen. Dabei liegt der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Methode bereitzustellen, mit der eine einfache und möglichst automatisierte Montage von Werkstücken durchgeführt werden kann. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine sensitive Montage von Werkstücken, wie beispielsweise Gepäckfächern an einer Flugzeugwand, zu ermöglichen. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Balancer bereitzustellen, welcher sich für eine Überkopf-Montage eignet.
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Diese und weitere Aufgaben, welche beim Lesen der folgenden Beschreibung ersichtlich werden, werden durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein System gemäß Anspruch 5 gelöst.
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3. Inhalt der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren eines Werkstücks. Beim Positionieren des Werkstücks kann dabei das Werkstück gehandhabt werden, und beispielsweise die Position des Werkstücks geändert werden. Ein Werkstück kann wiederum ein Bauteil oder ein sonstiger Gegenstand bzw. ein sonstiges Objekt sein, welches handhabbar und/oder bewegbar ist.
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Das Verfahren weist dabei ein Bereitstellen einer das Werkstück haltenden Stützeinrichtung auf, wobei der Stützeinrichtung zumindest ein Mittel zum Erfassen von auf die Stützeinrichtung wirkenden Kräfte zugeordnet ist. Die Stützeinrichtung kann dabei vorzugsweise einen Werkstückhalter umfassen, welcher eingerichtet ist das Werkstück zu halten und zu bewegen. Der Begriff „halten” kann dabei auch ein „fixieren” des Werkstücks umfassen, oder lediglich ein Halten des Werkstücks in einer bestimmten Höhe relativ zum Boden umfassen. Vorzugsweise wird das Werkstück im Wesentlichen von der Stützeinrichtung gehalten und hat keinen direkten Bodenkontakt.
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Ferner weist das Verfahren ein Bereitstellen einer Führungseinrichtung auf, welche wiederum einen Manipulator umfasst, und mittels derer das Werkstück in eine bestimmte Position geführt werden soll. Vorzugsweise ist die Führungseinrichtung separat von der Stützeinrichtung bereitgestellt, und kann unabhängig zu der Führungseinrichtung bewegt werden. Somit wird das Werkstück von der Stützeinrichtung gehalten, und soll mittels der Führungseinrichtung geführt werden, um das Werkstück zu positionieren. Der Manipulator ist dabei ein Gerät, welches physisch mit seiner Umgebung interagieren kann. Vorzugsweise ist der Manipulator ein mehrachsiger Gelenkarmroboter.
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Weiter umfasst das Verfahren ein Ausüben einer Kraft auf die Stützeinrichtung und/oder auf das Werkstück, wobei die Kraft mittels der Führungseinrichtung ausgeübt wird. Beispielsweise drückt hierbei der Manipulator der Führungseinrichtung gegen die Stützeinrichtung und/oder gegen das Werkstück, welches von der Stützeinrichtung gehalten wird. Dies kann durch ein aktives Bewegen des Manipulators erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann hierzu auch die gesamte Führungseinrichtung bewegt werden. Vorzugsweise erfolgt das Ausüben der Kraft derart, beispielsweise wenn der Manipulator der Führungseinrichtung gegen das Werkstück drückt, dass eine Kraft auf die das Werkstück haltende Stützeinrichtung wirkt. Dabei erfolgt das Ausüben der Kraft vorzugsweise derart, dass das Werkstück in die bestimmte Position geführt wird. Ferner wird vorzugsweise während diesem Schritt das Werkstück weiterhin im Wesentlichen von der Stützeinrichtung gehalten.
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Weiterhin weist das Verfahren ein Erfassen der auf die Stützeinrichtung wirkenden Kraft auf. Diese wirkende Kraft kann dabei der mittels der Führungseinrichtung ausgeübten Kraft entsprechen, oder kann aus dieser resultieren. Das Erfassen erfolgt dabei mittels der entsprechenden Mittel, welche der Stützeinrichtung zugeordnet sind. Weiter umfasst das Verfahren, in Reaktion auf das Erfassen der auf die Stützeinrichtung wirkenden Kraft ein Bewegen des Werkstücks mittels der Stützeinrichtung, welche vorzugsweise weiterhin das Werkstück hält. Dabei bewegt die Stützeinrichtung vorzugsweise das Werkstück aktiv, und bringt dabei zumindest 50%, weiter vorzugsweise zumindest 70%, weiter bevorzugt zumindest 90% und am meisten bevorzugt zumindest 95% der Bewegungskraft selber auf. Das Ausüben einer Kraft mittels der Führungseinrichtung liefert dabei vorzugsweise nur einen geringen Anteil von maximal 50%, weiter vorzugsweise von maximal 30%, weiter bevorzugt von maximal 10% und am meisten bevorzugt von maximal 5% zu dieser Bewegungskraft.
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Ein Werkstück kann beispielsweise von der Stützvorrichtung in eine erste Position bewegt werden, und dann von der Führungseinrichtung in eine zweite Position geführt werden, indem die Führungseinrichtung auf das Werkstück oder auf die Stützvorrichtung eine entsprechende Kraft ausübt. Die Stützeinrichtung kann erkennen, dass eine externe Kraft auf sie wirkt, und in Reaktion hierauf das Werkstück entsprechend bewegen. Die Führungseinrichtung führt somit vorzugsweise die Bewegung der Stützvorrichtung. Während des Führens ist die Führungseinrichtung vorzugsweise ständig in direktem Kontakt mit dem Werkstück bzw. der Stützeinrichtung.
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Mittels der Stützvorrichtung kann vorzugsweise eine grobe Vorpositionierung des Werkstücks erreicht werden. Mittels der Führungseinrichtung kann das Werkstück anschließend wesentlich genauer positioniert werden, um beispielsweise ein präzises Anschrauben des Werkstücks an eine bestimmte Stelle zu ermöglichen.
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Ein manuelles Transportieren, Heben oder Positionieren eines Werkstücks ist vorteilhaft nicht notwendig, sodass Monteure bei einer anstrengenden Aufgabe entlastet werden können. Die Stützeinrichtung und Führungseinrichtung können in einer kooperativen Weise das Werkstück positionieren, indem die Stützeinrichtung das Werkstück hält und entsprechend der Führung der Führungseinrichtung bewegt.
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Vorzugsweise kann der Manipulator einen Endeffektor umfassen, welcher ein Befestigen des Werkstücks an einer Umgebung ermöglicht. Das Befestigen kann beispielsweise ein Nieten oder Schrauben umfassen. Ferner kann das Befestigen des Werkstücks auch ein Einrasten oder ein Einklicken des Werkstücks in an der Umgebung vorgesehene Befestigungsmittel umfassen. Somit kann nach dem Bewegen des Werkstücks dieses automatisiert an der Umgebung befestigt werden. Alternativ kann die Befestigung auch durch einen Werker bzw. Monteur erfolgen.
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Vorzugsweise umfasst das Erfassen der wirkenden Kraft ein Bestimmen einer Richtung und/oder einer Stärke der wirkenden Kraft. Das Bewegen des Werkstücks erfolgt dann unter Berücksichtigung der bestimmten Richtung und/oder der bestimmten Stärke der wirkenden Kraft. Weiter vorzugsweise erfolgt das Bewegen des Werkstücks derart, dass die auf die Stützeinrichtung einwirkende Kraft reduziert wird. Hierdurch kann die Stützvorrichtung direkt der Führung der Führungseinrichtung folgen.
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Vorzugsweise weist das Verfahren weiter ein Bereitstellen von Datensignalen von der Führungseinrichtung an die Stützeinrichtung auf. Das Erfassen der wirkenden Kräfte und/oder das Bewegen des Werkstücks mittels der Stützeinrichtung erfolgt dann unter Berücksichtigung der bereitgestellten Datensignale. Insbesondere vorzugsweise sind die Datensignale anzeigend für Steuersignale der Führungseinrichtung. Somit kann beispielsweise die Steuerung der Stützeinrichtung und der Führungseinrichtung softwareseitig verbunden werden, so dass die einzelnen Bewegungen synchronisiert abgestimmt werden können. Ferner können auch andere Freiheitsgrade der Führungs- und Stützeinrichtung synchronisiert werden. Somit kann die Stützeinrichtung vorzugsweise sowohl die erfassten Kräfte als auch die bereitgestellten Datensignale berücksichtigen, um der Führung der Führungseinrichtung mit einer hohen Genauigkeit zu folgen. Beispielsweise kann die Stützeinrichtung mittels der bereitgestellten Datensignale feststellen, dass Kräfte auf sie ausgeübt werden, und durch Erfassen der entsprechenden wirkenden Kräfte die Kraft präzise charakterisieren und entsprechend reagieren.
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Vorzugsweise wird der Manipulator der Führungseinrichtung im kraftgeregelten Modus betrieben. Dabei kann der Manipulator vorzugsweise erkennen, ob die Stützeinrichtung der Bewegung des Manipulators bzw. der von dem Manipulator ausgeübten Kraft folgt, und kann dementsprechend das Ausüben der Kraft auf die Stützeinrichtung anpassen. Folglich ist es möglich, das Werkstück beispielsweise in eine örtlich eingeschränkte Position präzise zu manövrieren, ohne dass das Werkstück oder die Umgebung beschädigt wird.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Positionieren eines Werkstücks. Das System umfasst dabei eine Führungseinrichtung, welche einen Manipulator aufweist. Weiterhin weist das System eine Stützeinrichtung auf, umfassend einen beweglichen Werkstückhalter, um das Werkstück zu halten und zu bewegen, und zumindest ein Mittel zur Erfassung von auf die Stützeinrichtung wirkenden Kräfte. Die Führungseinrichtung und die Stützeinrichtung sind dabei unabhängig zueinander bewegbar.
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Weiterhin weist das System Steuerungsmittel auf, eingerichtet um den Werkstückhalter zu bewegen, wenn das zumindest eine Mittel eine Kraft erfasst, und eingerichtet zum Steuern des Manipulators der Führungseinrichtung, um durch Ausüben einer Kraft auf die Stützeinrichtung das Werkstück zu positionieren. So kann beispielsweise basierend auf einer durch die Führungseinrichtung auf die Stützeinrichtung ausgeübten Kraft, welche von der Stützeinrichtung erfasst werden kann, ein Aktuator der Stützeinrichtung angesteuert werden, um das Werkstück zu bewegen. Der Manipulator der Führungseinrichtung selber wird dabei derart angesteuert, dass letztendlich das Werkstück durch die Stützeinrichtung zur gewünschten Stelle bewegt wird. Vorzugsweise sind die Steuerungsmittel in einer Steuerung der Stützeinrichtung und/oder in einer Steuerung der Führungseinrichtung bereitgestellt.
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Vorzugsweise weist die Führungseinrichtung Sensoren zum Erfassen der auf den Manipulator wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente auf. Somit erhält die Führungseinrichtung direkte Rückmeldung, ob das geführte Werkstück beispielsweise an die Umgebung anstößt, und kann entsprechend reagieren um die Stützeinrichtung in eine andere Richtung zu führen. Vorzugsweise kann der Manipulator anhand dieser Sensoren im kraftgeregelten Modus betrieben werden. Beispielsweise kann die Führungseinrichtung somit sensitiv arbeiten, und das Werkstück in eine passende Aussparung zu führen, ohne dass das Werkstück oder die Umgebung beschädigt werden.
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Weiter vorzugsweise umfasst die Stützeinrichtung einen Teleskoparm, welcher eingerichtet ist das Werkstück vertikal zu bewegen. Beispielsweise kann der Werkstückhalter auf einem Teleskoparm bereitgestellt sein und durch diesen hoch und/oder runter bewegt werden. Somit können schwere Lasten gehoben werden, ohne dass die Führungseinrichtung selber eine entsprechend hohe Traglast aufweisen muss. Vorzugsweise umfasst die Stützeinrichtung einen Roboterarm, welcher eingerichtet ist das Werkstück zu bewegen. Somit kann das Werkstück in unterschiedliche Orientierungen und/oder Positionen geführt werden. Die Stützeinrichtung kann hierzu vorzugsweise einen oder mehrere Aktuatoren aufweisen, welche das Bewegen des Werkstücks unterstützen. Durch den Einsatz einer Mehrzahl von Aktuatoren kann dabei ein höherer Freiheitsgrad der Bewegung des Werkstücks erzielt werden.
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Erfindungsgemäß umfasst die Stützeinrichtung Transportmittel zum horizontalen Bewegen der Stützeinrichtung. Somit umfasst das Verfahren ein horizontales Bewegen des Werkstücks, vorzugsweise in Reaktion auf das Erfassen der auf die Stützeinrichtung wirkenden Kraft. Diese Transportmittel können beispielsweise eine mobile Plattform oder vorzugsweise eine omnidirektionale Plattform sein, welche die Stützeinrichtung trägt. In Reaktion auf eine durch die Führungseinrichtung auf die Stützeinrichtung ausgeübte Kraft kann beispielsweise die horizontale Position des Werkstücks verändert werden, indem das Transportmittel die gesamte Stützeinrichtung horizontal bewegt. Ferner kann die Stützeinrichtung auch unabhängig von der Führungseinrichtung mittels der Transportmittel bewegt werden, beispielsweise um ein Werkstück zu der Führungseinrichtung hin zu transportieren. Erfindungsgemäß umfasst auch die Führungseinrichtung solche Transportmittel.
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Der Einsatz einer omnidirektionalen Plattform erlaubt dabei insbesondere ein autonomes Navigieren bzw. Bewegen der Führungseinrichtung und/oder der Stützeinrichtung selbst auf beengtem Raum. So können beispielsweise mehrere Stützeinrichtungen nacheinander Werkstücke zur Montage anliefern und diese Werkstücke in Kooperation mit einer Führungseinrichtung montieren. Die Führungseinrichtung kann dabei von einem Montageplatz zum nächsten bewegt werden, während die Stützeinrichtungen beispielsweise vollständig aus dem Montagebereich hinein und heraus bewegt werden können, um die Werkstücke anzuliefern. Die Führungseinrichtung kann dabei ferner horizontal mittels einer entsprechenden omnidirektionalen Plattform bewegt werden, um die Kraft auf die Stützeinrichtung und/oder das Werkstück auszuüben, also um die Kraft zum Führen auszuüben. Der Fachmann versteht dabei, dass hierbei das Ausüben der Kraft, mittels der Führungseinrichtung, auf die Stützeinrichtung und/oder das Werkstück, aus einer Bewegung des Manipulators selber in Kombination mit einer Bewegung der omnidirektionalen Plattform der Führungseinrichtung resultieren kann.
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So ist beispielsweise in der Flugzeugmontage der für Montagetätigkeiten zur Verfügung stehende Platz üblicherweise sehr begrenzt. Um den empfindlichen Flugzeugrumpf nicht zu beschädigen, dürfen nur bestimmte Bereiche des Rumpfes betreten bzw. belastet werden. Eine Bewegung ist dabei nur auf schmalen Trassen möglich. Der Einsatz einer omnidirektionalen Plattform erlaubt dabei ein sicheres und präzises Bewegen des Werkstücks, ohne den Flugzeugrumpf zu beschädigen. Somit wird menschliches Fehlverhalten reduziert, da diese die Werkstücke (z. B. Gepäckfächer) nicht mehr bewegen müssen.
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Die Transportmittel können neben einer omnidirektionalen Plattform ferner ein mobiles Lastgestell umfassen, welches koppelbar mit der Plattform ist. Die omnidirektionale Plattform kann hierbei das Lastgestell tragen oder auch ziehen/schieben, während das Gewicht vorzugsweise im Wesentlichen auf dem Lastgestell lastet. Auf diesem Lastgestell kann beispielsweise eine Führungseinrichtung oder eine Stützeinrichtung tragen bzw. stützen. Somit können beispielsweise mehrere Lastgestelle mit Führungseinrichtungen und/oder Stützeinrichtungen bereitgestellt werden, welche durch eine geringere Anzahl von omnidirektionalen Plattformen bewegt werden können. Dabei koppelt, zum Beispiel, eine omnidirektionale Plattform an das Lastgestell einer zu bewegenden Führungseinrichtung oder Stützeinrichtung, bewegt dieses und koppelt anschließend wieder von diesem ab. Somit kann eine effiziente Montage ermöglicht werden.
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Die Stützeinrichtung ist vorzugsweise mit Navigationsmitteln ausgestattet, insbesondere wenn – wie vorzugsweise beschrieben – Transportmittel bereitgestellt sind. Die Navigationsmittel erlauben dabei ein präzises Navigieren der Stützeinrichtung, beispielsweise um eine grobe Vorpositionierung des Werkstücks zu ermöglichen, oder um das Werkstück in eine Werkshalle und insbesondere zu der Führungseinrichtung hin zu transportieren. Die Navigationsmittel können dabei Laserscanner umfassen, welche es erlauben, lokale Karten von einer Umgebung aufzuspannen, welche zum Steuern der Stützeinrichtung verwendet werden können. Vorzugsweise kann auch die Führungseinrichtung solche Navigationsmittel umfassen. Die Navigationsmittel der Stütz- und Führungseinrichtung können dabei unabhängig voneinander arbeiten, oder ein relatives Ausrichten der Stütz- und Führungseinrichtung zueinander unterstützen.
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Vorzugsweise weist die Führungseinrichtung eine Hebevorrichtung auf, welche den Manipulator der Führungseinrichtung stützt und welche ferner dazu eingerichtet ist den Manipulator vertikal zu heben oder zu senken. Somit wird sichergestellt, dass der Manipulator auch bei einer Montage in größeren Höhen die Stützeinrichtung bzw. das Werkstück präzise führen kann.
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Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Erfassung der auf die Stützeinrichtung wirkenden Kräfte einen Kraft-Moment-Sensor, und/oder einen Trägheits-Sensor, und/oder Mittel zur Erfassung von Motorströmen. Mittels eines Trägheits-Sensors kann beispielsweise festgestellt werden, ob sich die Neigung der Stützeinrichtung verändert, beispielsweise weil der Manipulator der Führungseinrichtung gegen die Stützeinrichtung drückt. Durch Erfassung der Motorströme können effizient Drehmomente und/oder Kräfte bestimmt werden, welche beispielsweise auf eine motorgetriebene Roboterachse der Stützeinrichtung wirken. Der Kraft-Moment-Sensor kann in Form einer Kraftdose vorliegen, und beispielsweise ein 6D-Kraftsensor sein.
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Vorzugsweise ist weiterhin eine Kommunikationseinrichtung bereitgestellt, welche eine kontaktlose Kommunikation zwischen der Führungseinrichtung und der Stützeinrichtung ermöglicht. So kann die Führungseinrichtung beispielsweise mittels Funk oder einer WLAN-Verbindung der Stützeinrichtung entsprechende Datensignale mitteilen. Die Datensignale können dabei Steuersignalen des Manipulators entsprechen. Somit kann beispielsweise der Betriebsmodus der Stützeinrichtung durch die Führungseinrichtung mittels der kontaktlosen Kommunikation geändert werden. Beispielsweise kann durch die Führungseinrichtung ein entsprechender Modus der Stützeinrichtung aktiviert werden, welcher ein Führen der Stützeinrichtung durch die Führungseinrichtung erlaubt.
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Vorzugsweise weisen die Führungseinrichtung und die Stützeinrichtung jeweils ein Koppelelement auf. Folglich kann das Verfahren vorzugsweise ein direktes Koppeln der Stützeinrichtung an die Führungseinrichtung umfassen. Bei einer Kopplung der beiden Koppelelemente aneinander kann eine direkte Verbindung und vorzugsweise eine direkte elektrische Verbindung zwischen der Führungseinrichtung und der Stützeinrichtung hergestellt werden. Somit können ebenfalls Datensignale zwischen der Führungseinrichtung und der Stützeinrichtung ausgetauscht werden, um eine präzise Führung der Stützeinrichtung durch die Führungseinrichtung zu ermöglichen.
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Vorzugsweise umfasst die Stützeinrichtung ein Andockelement, an welches sich der Manipulator der Führungseinrichtung andocken kann um Zugkräfte auf die Stützeinrichtung ausüben zu können. Somit kann das Verfahren vorzugsweise ein Andocken des Manipulators an die Stützeinrichtung, und insbesondere das Ausüben einer Zugkraft auf die Stützeinrichtung umfassen. Beispielsweise kann ein Endeffektor des Manipulators in einen entsprechenden Haken eingehängt werden, welcher an der Stützeinrichtung bereitgestellt ist. Somit kann der Manipulator neben Druckkräften auch Zugkräfte auf die Stützeinrichtung ausüben, sodass eine umfangreiche Führung möglich ist.
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Vorzugsweise ist die Stützeinrichtung eingerichtet Lasten von 10–1000 kg, weiter vorzugsweise von 20–500 kg, weiter vorzugsweise von 30–200 kg, weiter vorzugsweise von 40–100 kg und am meisten bevorzugt von 50–80 kg vertikal zu bewegen. Vorzugsweise weist der Manipulator der Führungseinrichtung eine maximale Traglast von 1–30 kg, weiter vorzugsweise von 2–25 kg, weiter vorzugsweise von 3–20 kg, weiter vorzugsweise von 5–15 kg und am meisten bevorzugt von 7–14 kg auf. Die Stützeinrichtung kann also fast beliebig hohe Lasten tragen, während der Manipulator der Führungseinrichtung insbesondere zum Führen des Werkstücks bzw. zum Führen der Stützeinrichtung bereitgestellt ist. Allerdings kann ein geringer Anteil des Gewichts des Werkstücks auch auf der Führungseinrichtung lasten, insbesondere wenn mittels dieser eine Kraft auf das Werkstück ausgeübt wird. Jedoch wird das Werkstück im Wesentlichen, d. h. mindestens 60% und vorzugsweise mindestens 80% des Gewichts des Werkstücks von der Stützeinrichtung gehalten.
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Die oben beschriebenen Komponenten des Verfahrens können mit denen des Systems ausgetauscht und/oder kombiniert werden. Ferner können das System und insbesondere die Steuerungsmittel des Systems dazu eingerichtet sein, eines der beschriebenen Verfahren durchzuführen. Die entsprechende Steuerung der Führungs- und Stützeinrichtung kann auch zentral in einer gemeinsamen Steuervorrichtung bereitgestellt sein. Alternativ kann sowohl die Führungs- als auch die Stützeinrichtung eine eigene Steuervorrichtung aufweisen.
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Bevorzugt können mehrere Stützvorrichtungen eingesetzt werden, welche selbstständig seriell Werkstücke zu der Führungsvorrichtung transportieren. Dort werden sie dann von der Führungsvorrichtung entsprechend geführt, um das Werkstück präzise zu positionieren. Durch die Trennung von vielen kostengünstigeren Stützvorrichtungen und mindestens nur einer sensitiven Führungsvorrichtung kann eine Montage schnell und kosteneffizient durchgeführt werden.
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Der Fachmann versteht, dass sich die vorliegende Erfindung insbesondere zur Montage von Gepäckfächern in einer Flugzeugfertigung eignet. Allerdings kann das beschriebene Verfahren und das beschriebene System auch für andere industrielle Montagetätigkeiten eingesetzt werden.
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4. Ausführungsbeispiel(e)
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 schematisch ein System zum Positionieren eines Werkstücks gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der 1 ist ein System zum Positionieren eines Werkstücks gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das System umfasst eine Führungseinrichtung 10 und eine Stützeinrichtung 20. Der Fachmann versteht, dass das System weitere Stützeinrichtungen 20 aufweisen kann, welche in Zusammenarbeit mit der Führungseinrichtung 10, wie unten beschrieben, das Positionieren eines bzw. mehrerer Werkstücke ermöglichen.
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Die Führungseinrichtung 10 umfasst ein Transportmittel 14, welches in Form einer omnidirektional beweglichen Plattform 14 ausgebildet ist und ein horizontales Bewegen der Führungseinrichtung 10 ermöglicht. Auf dieser Plattform 14 ist ein Teleskoparm 13 bereitgestellt, welcher wiederum einen Manipulator 11 stützt. Die Plattform 14 kann dabei koppelbar mit einem entsprechenden Lastgestell sein, welches beispielsweise den Teleskoparm 13 trägt bzw. stützt. Der Manipulator 11 ist in Form eines mehrachsigen Gelenkarmroboters 11 ausgebildet, welcher vorzugsweise ein Leichtbauroboter ist. An den Achsen des Manipulators 11 sind Kraft-Moment-Sensoren bereitgestellt, welche die auf die Achsen wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente erfassen. Mittels des Teleskoparms 13 kann der Manipulator 11 vertikal bewegt werden. Der Manipulator 11 weist selber einen Endeffektor 12 auf, welcher sich zum Führen bzw. Positionieren des Werkstücks gemäß der vorliegenden Erfindung eignet.
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Ebenso umfasst die Stützeinrichtung 20 ein Transportmittel 24, welches in Form einer omnidirektional beweglichen Plattform 24 ausgebildet ist. Auf dieser Plattform 24 ist wiederum ein Teleskoparm 23 bereitgestellt, mittels welchem ein Werkstückhalter 21 vertikal bewegt werden kann. Die Plattform 24 kann dabei koppelbar mit einem entsprechenden Lastgestell sein, welches beispielsweise den Teleskoparm 23 trägt bzw. stützt. Der Werkstückhalter 21 hält ein Werkstück 30. Der Werkstückhalter 21 kann das Werkstück 30 dabei auch fixieren, oder durch einen Formschluss festhalten. Weiterhin ist an der Stützeinrichtung 20 ein Sensor 22 bereitgestellt, welcher als Mittel zum Erfassen von auf die Stützeinrichtung 20 wirkenden Kräfte dient. Dieser Sensor 22 kann dabei eine Kraftdose sein, und/oder ein oder mehrere Kraft-Moment-Sensoren umfassen. Vorzugsweise weist sich die Stützeinrichtung 20 durch eine leichte Konstruktion aus, sodass beispielsweise ein Flugzeugboden, bestehend aus einer druckempfindlichen Wabenstruktur, durch ein Transportieren des Werkstücks 30 mittels der Stützeinrichtung 20 nicht beschädigt wird.
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Sowohl die Führungseinrichtung 10 als auch die Stützeinrichtung 20 weisen entsprechende Steuerungen 17, 27 auf, welche jeweils die Bewegungen der einzelnen Komponenten steuern. Ferner können mit den Steuerungen 17, 27 auch Navigationsmittel bereitgestellt sein, welche ein Navigieren der Einrichtungen 10, 20 erlauben, und beispielsweise ein sicheres Bewegen der Stützeinrichtung 20 mittels der Plattform 24 durch eine Montagehalle ermöglichen.
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Zum Montieren des Werkstücks 30 kann dieses mittels der Stützeinrichtung 20 grob vorpositioniert werden, in dem die Stützeinrichtung 20 das Werkstück 30 mittels der Plattform 24 horizontal und mittels des Teleskoparms 23 vertikal bewegt. Zur genauen Positionierung bewegt sich die Führungseinrichtung 10 zu der Stützeinrichtung 20 hin und führt das Werkstück 30 durch Aufbringen einer Kraft hin zur gewünschten Montageposition. Hierzu drückt der Manipulator 11 beispielsweise mittels eines Endeffektors 12 gegen das Werkstück 30, wie durch den Pfeil 40 in der 1 dargestellt. Da der Manipulator 11 bei der eigenständigen Aufbringung einer ausreichenden Kraft zum Bewegen des Werkstücks 30 an seine Kraftgrenze gelangen würde, misst der Sensor 22 der Stützeinrichtung 20 die von außen auf die Stützeinrichtung 20 wirkenden Kräfte. Mittels dieser Messdaten wird eine entsprechende Reaktionsbewegung der Stützeinrichtung 20 bestimmt. Beispielsweise kann das Werkstück 30 in Reaktion auf die durch den Manipulator 11 aufgebrachte Kraft (vgl. Pfeil 40) vertikal und horizontal bewegt werden, wie durch die Pfeile 41 und 42 in der 1 dargestellt. Hierzu wird die Plattform 24 und der Teleskoparm 23 entsprechend angesteuert. Da die Stützeinrichtung 20 hohe Lasten tragen kann, kann sie das Werkstück 30 ohne weiteres auf diese Weise bewegen.
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Da an dem Manipulator 11 ebenfalls Kraft-Moment-Sensoren bereitgestellt sind, welche die auf die Achsen des Manipulators 11 wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente messen, kann dieser Manipulator 11 sensitiv betrieben werden und auf eine Bewegung des Werkstücks 30 bzw. der Stützeinrichtung 20 reagieren. Dies gilt insbesondere wenn der Manipulator 11 in direktem Kontakt mit der Stützeinrichtung 20 bzw. dem Werkstück 30 ist und dieses führt. Wenn beispielsweise das Werkstück 30 gegen eine Wand stößt, wird dies durch die an den Manipulator 11 bereitgestellten Kraft-Moment-Sensoren detektiert, so dass der Manipulator 11 in Reaktion hierauf derart gesteuert werden kann, dass er nicht weiter oder anders gegen das Werkstück 30 drückt, worauf wiederum die Stützeinrichtung 20 entsprechend reagiert.
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An der Stützeinrichtung 20 ist weiter ein Andockelement 28 dargestellt, welches in der in 1 dargestellten Ausführungsform an dem Werkstückhalter 21 angebracht ist. Der Endeffektor 12 des Manipulators 11 kann an dieses Andockelement 28 andocken, und durch einen daraus resultierenden Kraftschluss auch Zugkräfte auf die Stützeinrichtung 20 auswirken.
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Weiterhin ist sowohl die Führungseinrichtung 10 als auch die Stützeinrichtung 20 mit einem jeweiligen Koppelelement 16, 26 ausgestattet. Diese sind dabei derart eingerichtet, dass sie aneinander koppeln können, wodurch eine direkte elektrische Verbindung zwischen der Führungseinrichtung 10 und Stützeinrichtung 20 bereitgestellt wird. Dadurch kann die Steuerung 17 der Führungseinrichtung 10 direkt mit der Steuerung 27 der Stützeinrichtung 20 kommunizieren.
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Weiterhin ist die Führungseinrichtung 10 und die Stützeinrichtung 20 mit jeweils einem Kommunikationselement 15, 25 bereitgestellt, welches eine drahtlose Kommunikation zwischen der Führungseinrichtung 10 und Stützeinrichtung 20 ermöglicht. Dadurch können die Bewegungen der beiden Einrichtungen synchron abgestimmt werden um eine gemeinsame Montage des Werkstücks 30 zu ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Führungseinrichtung
- 11
- Manipulator
- 12
- Endeffektor
- 13, 23
- Teleskoparm
- 14, 24
- Transportmittel
- 15, 25
- Kommunikationselement
- 16, 26
- Koppelelement
- 17, 27
- Steuerung
- 20
- Stützeinrichtung
- 21
- Werkstückhalter
- 22
- Sensor
- 28
- Andockelement
- 30
- Werkstück
