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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hebeeinrichtung, insbesondere für Unterflurarbeiten, umfassend eine Kranbahn, welche eine Längsrichtung der Hebeeinrichtung definiert, einen an der Kranbahn in der Längsrichtung verfahrbar getragenen Fahrwagen und einen mit dem Fahrwagen verbundenen Manipulatorarm, welcher an einem dem Fahrwagen abgewandten Ende eine Aufnahmevorrichtung zum Halten eines Werkzeugs aufweist, wobei der Manipulatorarm dazu eingerichtet ist, eine Positionierung des Werkzeugs sowohl hinsichtlich einer Breitenrichtung als auch einer Höhenrichtung der Hebeeinrichtung zu erlauben.
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Derartige Hebeeinrichtungen werden beispielsweise in der Fertigung von Kraftfahrzeugen eingesetzt, insbesondere im Zusammenhang mit an den Fahrzeugen durchzuführenden Unterflurarbeiten. Hierzu tragen die Hebeeinrichtungen an ihren Manipulatorarmen Werkzeuge, die dann von einem Benutzer manuell in Position gebracht und bedient werden können, wobei die Manipulatorarme das vollständige Eigengewicht des Werkzeugs tragen und somit die Arbeit für den Benutzer deutlich erleichtern können.
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Um eine relativ freie Bewegbarkeit des Werkzeugs im Raum durch den Manipulatorarm bewerkstelligen zu können, muss dieser mit geeigneten Gelenken, Scharnieren und/oder Verlagerungsvorrichtungen bereitgestellt sein. In bisher bekannten gattungsgemäßen Hebeeinrichtungen werden insbesondere Linearachsen, einachsige Scharniere und Teleskopeinrichtungen zum Verlagern des Werkzeugs im Raum eingesetzt.
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Diese Schwenk- bzw. Verlagerungseinrichtungen sind jedoch in vielen Fällen nicht dazu geeignet, ein beispielsweise von dem Werkzeug erzeugtes Drehmoment aufzunehmen, das unter anderem dann auftreten kann, wenn das Werkzeug durch einen Drehmomentschrauber oder eine ähnliche Vorrichtung gebildet ist. Somit muss bei Hebeeinrichtungen, in denen Kugelgelenke und/oder einachsige Scharniere eingesetzt werden, der Benutzer weiterhin die auftretenden Drehmomente manuell abstützen. Auch besitzen diese Hebeeinrichtungen oftmals einen Freiheitsgrad zu viel, was zu einer komplizierteren Bedienbarkeit führt. Andererseits sind die zur Abstützung von Drehmomenten besser geeigneten teleskopierbaren Arme häufig sehr schwer und teuer in Anschaffung und Unterhalt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Hebeeinrichtung bereitzustellen, die die genannten Nachteile des Stands der Technik ausräumt und bei einer kostengünstigen und leichten Bauweise dennoch eine freie Positionierung eines Werkzeugs im Raum und ein Abstützen von auftretenden Drehmomenten erlaubt.
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Hierzu umfasst der Manipulatorarm der erfindungsgemäßen Hebeeinrichtung eine erste Parallelogrammführung, die derart angeordnet ist, dass sie eine Verlagerung des Werkzeugs im Wesentlichen entlang der Breitenrichtung der Hebeeinrichtung erlaubt, sowie eine zweite Parallelogrammführung, welche derart angeordnet ist, dass sie eine Verlagerung des Werkzeugs im Wesentlichen entlang der Höhenrichtung erlaubt. Durch das Vorsehen dieser beiden Parallelogrammführungen und die damit verbundene Entkopplung der jeweiligen Bewegungen des Werkzeugs in Breiten- und Höhenrichtung kann zum einen eine intuitive Bedienung der erfindungsgemäßen Hebeeinrichtung sichergestellt werden, da durch die Parallelogramme ein Kippen oder Neigen des Werkzeugs bei einer Bewegung in Breitenrichtung bzw. Höhenrichtung ausgeschlossen wird, und zum anderen können beim Bedienen entsprechender Werkzeuge auftretende Drehmomente hervorragend abgestützt werden. Somit handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit Parallelogrammführungen um eine einfacher zu wartende und kostengünstiger herzustellende Alternative zu den oben angesprochenen teleskopierbaren Armen.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hebeeinrichtung kann sich ausgehend von dem Fahrwagen zunächst die erste Parallelogrammführung anschließen und dann die zweite Parallelogrammführung, d.h. es kann ausgehend von dem Fahrwagen zunächst einmal die Führung zur Verlagerung des Werkzeugs entlang der Breitenrichtung angeordnet sein und anschließend die Führung zur Verlagerung des Werkzeugs in Höhenrichtung. Wenngleich eine derartige Ausgestaltung aus Platzgründen in vielerlei Anwendungen vorteilhaft sein kann, so sind jedoch alternativ auch Anwendungen und Ausführungsformen denkbar, in denen die Kinematik des Manipulatorarms umgekehrt sein sollte, d.h. dass sich die zweite Parallelogrammführung an den Fahrwagen anschließt und die erste Parallelogrammführung dann an die zweite Parallelogrammführung.
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In beiden der genannten Ausführungsformen kann die sich an den Fahrwagen anschließende Parallelogrammführung direkt mit dem entsprechenden Fahrwagen verbunden sein. Andererseits könnten jedoch zwischen dem Fahrwagen und der entsprechenden Parallelogrammführung auch noch andere Komponenten vorgesehen sein, beispielsweise Konsolen mit vorbestimmten Formen, die eine räumliche Orientierung der entsprechenden Parallelogrammführung zu dem Fahrwagen festlegen, so dass beispielsweise am Einsatzort der erfindungsgemäßen Hebeeinrichtung befindliche Hindernisse umgangen werden können.
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Eine derartige Konsole kann ferner zusätzlich oder alternativ zwischen der ersten Parallelogrammführung und der zweiten Parallelogrammführung vorgesehen sein, wobei insbesondere an Konsolen gedacht werden kann, welche sich im Wesentlichen in Höhenrichtung der Hebeeinrichtung erstrecken.
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Alternativ oder zusätzlich kann zwischen der dem Fahrwagen abgewandten Parallelogrammführung und der Aufnahmevorrichtung ein Ausleger vorgesehen sein, welcher sich beispielsweise wenigstens abschnittsweise im Wesentlichen in Breitenrichtung der Hebeeinrichtung erstreckt. Durch geeignete Wahl der Abmessungen der Parallelogrammführungen sowie gegebenenfalls der Konsole(n) und des Auslegers kann der gesamte Raumbereich festgelegt werden, innerhalb dessen das Werkzeug während seines Betriebs angeordnet werden kann, so dass im oben genannten Beispiel die entsprechenden Komponenten derartig ausgelegt werden könnten, dass die gesamte Länge und Breite des zu bearbeitenden Bereichs des Unterbodens des Fahrzeugs überstrichen werden könnte, wobei zusätzlich ein ausreichender Höhenbereich vorgesehen werden sollte, der einem Bediener der Hebeeinrichtung ein komfortables Arbeiten ermöglicht.
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Um dem Bediener seine Arbeit weiter zu erleichtern, kann der zweiten Parallelogrammführung eine Unterstützungsvorrichtung zugeordnet sein, insbesondere eine pneumatische Unterstützungsvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, der Gewichtskraft der von der zweiten Parallelogrammführung getragenen Komponenten komplett oder wenigstens teilweise entgegenzuwirken und insbesondere ein von der Aufnahmevorrichtung gehaltenes Werkzeug in der Schwebe zu halten. Indem auf diese Weise das Gewicht des Werkzeugs von der Hebeeinrichtung getragen wird, ist dem Benutzer lediglich noch die korrekte Positionierung und Bedienung des Werkzeugs überlassen, so dass er die eigentliche Last des Werkzeugs bei seiner Arbeit gar nicht mehr bemerken wird. Als Unterstützungsvorrichtung können sämtliche an sich bekannte, für diesen Einsatzzweck geeignete Vorrichtungen Einsatz finden, wobei sich pneumatische Vorrichtungen häufig alleine schon deshalb anbieten, weil Druckluft in der Regel zur Verfügung steht und solche pneumatischen Vorrichtungen kostengünstig und zuverlässig sind.
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In einer Ausführungsform kann die Kranbahn zwei parallel verlaufende Schienen umfassen, an welchen der Fahrwagen hängend getragen ist. Alternativ wären jedoch auch andere Ausführungsformen denkbar, beispielsweise könnte der Fahrwagen auf Schienen aufstehen und auch die Anzahl der Schienen könnte sich von zwei unterscheiden.
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Im Fall, dass jedoch genau zwei Schienen vorgesehen sind, kann der Fahrwagen an drei Punkten an den beiden Schienen getragen sein, welche drei Punkte vorzugsweise als gleichseitiges Dreieck angeordnet sind, wobei zwei der Punkte der dem Werkzeug abgewandten Schiene zugeordnet sind. Diese Konfiguration der Aufhängungspunkte des Kranwagens an den Schienen trägt ebenfalls zu einer optimalen Abstützung von auftretenden Drehmomenten bei einer gleichzeitigen Minimierung des Eigengewichts der Hebeeinrichtung bei. Selbstverständlich könnten jedoch auch vier oder mehr Aufhängungspunkte vorgesehen werden, um eine weitere Versteifung der Aufhängung zu erreichen, wobei die Aufhängungspunkte dann beispielsweise als Quadrat oder Rechteck angeordnet sein könnten.
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Um einen erhöhten Automatisierungs- und Integrationsgrad der erfindungsgemäßen Hebeeinrichtung zu ermöglichen, kann wenigstens einer der Parallelogrammführungen und/oder dem Fahrwagen ein Antrieb zugeordnet sein, der dazu eingerichtet ist, eine Verlagerung des Werkzeugs in gesteuerter Weise anzutreiben. Durch diese Maßnahme erhält die erfindungsgemäße Hebeeinrichtung Aspekte eines Roboterarms, wobei für die entsprechenden Antriebe ebenfalls an sich bekannte Techniken wie pneumatische, hydraulische und/oder elektromechanische Linearaktuatoren zurückgegriffen werden kann und über eine betriebsmäßige Kopplung einer Steuervorrichtung des oder der entsprechenden Aktuatoren mit einer übergeordneten Steuerungsinstanz oder auch der Steuerung des Werkzeugs eine Integration von mit der Hebeeinrichtung durchgeführten Arbeitsschritten in einen übergeordneten Gesamtarbeitsablauf erreicht werden kann.
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Um nicht nur die drei Translationsfreiheitsgrade mit der erfindungsgemäßen Hebeeinrichtung abzudecken, kann ferner die Aufnahmevorrichtung wenigstens ein Gelenk umfassen, welches ein Schwenken des Werkzeugs gegenüber dem Manipulatorarm ermöglicht. Indem beispielsweise hierzu ein Kugelgelenk oder ein Mehrachsen-Gelenk eingesetzt wird, können falls gewünscht sämtliche sechs Translations- und Rotationsfreiheitsgrade durch die erfindungsgemäße Hebeeinrichtung vollständig abgedeckt werden. Zusätzlich könnte eine Verriegelung oder Blockierung für das wenigstens eine Gelenk vorgesehen werden, so dass das Werkzeug nach Schwenken in seine vorgesehene Winkelposition festgesetzt und evtl. auftretende Drehmomente wiederum abgestützt werden können.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Manipulatorsystem, umfassend eine erfindungsgemäße Hebeeinrichtung sowie ein von der Aufnahmevorrichtung gehaltenes Werkzeug, beispielsweise einen Drehmomentschrauber. Es kann jedoch auch an völlig andere Werkzeuge, wie beispielsweise Schweißgeräte gedacht werden, und auch austauschbare Werkzeuge, die jeweils an die Aufnahmevorrichtung angepasst sind, können im Rahmen eines Bausatzsystems vorgesehen werden.
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Ferner kann das erfindungsgemäße Manipulatorsystem ein Gehänge umfassen, welches dazu eingerichtet ist, ein mittels des Werkzeugs zu bearbeitendes Produkt im Wesentlichen oberhalb der Hebeeinrichtung zu tragen, beispielsweise das oben im Rahmen eines Beispiels bereits angesprochene Fahrzeug, dessen Unterboden mit Hilfe der erfindungsgemäßen Hebeeinrichtung bearbeitet werden soll.
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In einer Weiterbildung kann dieses Gehänge ferner dazu eingerichtet sein, das zu bearbeitende Produkt entlang der Längsrichtung der Hebeeinrichtung zu verlagern, d.h. entlang der selben Richtung, in der auch der Fahrwagen an der Kranbahn verlagerbar ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform deutlich, wenn diese im Zusammenhang mit den beiliegenden Figuren betrachtet wird. Diese zeigen im Einzelnen:
- 1 a bis 1c eine erfindungsgemäße Hebeeinrichtung in einer ersten Arbeitsposition in drei verschiedenen Ansichten;
- 2a bis 2c die Hebeeinrichtungen aus den 1a bis 1c in einer zweiten Arbeitsposition;
- 3a und 3b die erste und zweite Parallelogrammführung aus der Hebeeinrichtung aus den 1a bis 2c jeweils in vergrößerter schematischer Ansicht; und
- 4 die erfindungsgemäße Hebeeinrichtung aus den 1a bis 3b im Arbeitsbetrieb in schematischer Ansicht.
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In den 1a bis 1c und 2a bis 2c ist eine erfindungsgemäße Hebeeinrichtung in zwei verschiedenen Arbeitspositionen und jeweils drei Ansichten gezeigt und hierbei ganz allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Hebeeinrichtung 10 umfasst eine Kranbahn 12, die aus zwei entlang einer Längsrichtung L der Hebeeinrichtung 10 verlaufenden Schienen 12a und 12b gebildet ist, die mittels Halterungen 14 hängend aufgehängt sind.
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An der Kranbahn 12 ist entlang der Längsrichtung L verfahrbar ein Fahrwagen 16 getragen, der in Draufsicht die Form eines gleichschenkligen Dreiecks aufweist und mittels jeweils an den Ecken dieses Dreiecks vorgesehenen Rollen an den Schienen 12a und 12b hängend getragen ist.
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An diesem Fahrwagen 16 ist nun der Manipulatorarm 20 angebracht, der im Folgenden beschrieben werden wird, und der aus mehreren Komponenten besteht.
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Zunächst an dem Fahrwagen 16 unmittelbar befestigt umfasst die Hebeeinrichtung 10 und insbesondere der Manipulatorarm 20 eine erste Parallelogrammführung 18, die durch zwei Doppelgelenke 18a und 18b sowie ein Paar von parallelen Streben 18c und 18d gebildet ist, die sich jeweils zwischen den Doppelgelenken 18a und 18b erstrecken, wobei durch das namensgebende Parallelogramm gebildet ist, das stets eine Verlagerung der Doppelgelenke 18a und 18b gegeneinander ohne Winkelversatz ermöglicht. Die beiden Streben 18c und 18d verlaufen hierbei parallel zueinander in der horizontalen Ebene, so dass durch die erste Parallelogrammführung 18 eine Verlagerung der weiteren Komponenten des Manipulatorarms 20 lediglich in Breitenrichtung B der Hebeeinrichtung 10 ermöglicht wird. Hierbei ist festzuhalten, dass ein Schwenken der ersten Parallelogrammführung 18, wie anhand des Übergangs beispielsweise von 1a zu 2a und insbesondere auch aus 3a nachvollziehbar ist, zwar entlang einer Bogenkurve erfolgt, diese Bogenbewegung jedoch durch ein entsprechendes Gleiten des Fahrwagens 16 an der Kranbahn 12 ausgeglichen werden kann, so dass durch eine Überlagerung dieser beiden Bewegungen eine Bewegung des Manipulatorarms 20 rein in Breitenrichtung B erzielt werden kann. Ferner sei festgehalten, dass im Bereich des Übergangs von dem Doppelgelenk 18b zum Manipulatorarm 20 ein zusätzliches festsetzbares Gelenk vorgesehen sein kann, das ein Schwenken des Manipulatorarms 20 um beispielsweise 90° oder 180° in der horizontalen Ebene erlauben kann, um ihn in eine Parkposition oder Wartungsposition zu bringen oder auch um den Arbeitsbereich entsprechend zu erweitern.
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Wie bereits angesprochen, stellen die 1a und 2a jeweils in Draufsicht zwei Arbeitspositionen der Hebeeinrichtung 10 dar, zwischen denen durch ein Schwenken der ersten Parallelogrammführung 18 und der zweiten Parallelogrammführung 22 übergegangen werden kann. Dieses Schwenken ist auch anhand von 3a nachzuvollziehen, wobei hier zusätzlich eine Zwischenposition dargestellt ist. In ähnlicher Weise kann durch die zweite Parallelogrammführung 22 eine Höhenverstellung des Manipulatorarms 20 in analoger Weise erzielt werden, wobei auch die zweite Parallelogrammführung 22 jeweils zwei Doppelgelenke 22a und 22b sowie zwei Streben 22c und 22d umfasst.
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Demnach erfolgt im Gegensatz zu der ersten Parallelogrammführung 18 die Schwenkbewegung der zweiten Parallelogrammführung 22 in Höhenrichtung H, ebenfalls entlang einer Bogenkurve. Es sei festgehalten, dass zwischen der ersten Parallelogrammführung 18 und der zweiten Parallelogrammführung 22 noch eine Konsole 24 vorgesehen ist, die jedoch lediglich ein starres Bauteil darstellt und einen Versatz des ersten Doppelgelenks 22a der zweiten Parallelogrammführung 22 gegenüber dem zweiten Doppelgelenk 18b der ersten Parallelogrammführung 18 erzeugt, um einen geeigneten Höhenbereich durch die Hebeeinrichtung 10 abdecken zu können.
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In ähnlicher Weise schließt sich an das zweite Doppelgelenk 22b der zweiten Parallelogrammführung 22 ein Ausleger 26 an, der eine Verlängerung des Manipulatorarms 22 in Breitenrichtung B darstellt und der ebenfalls lediglich eine starre Komponente ist.
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An den Ausleger 26 anschließend umfasst der Manipulatorarm 20 schließlich eine Aufnahmevorrichtung 28 zum Halten eines Werkzeugs 30, wobei die Aufnahmevorrichtung derart ausgebildet ist, dass sie ein selektiv festsetzbares Schwenken des Werkzeugs 30 um wenigstens eine Schwenkachse ermöglicht, so dass neben den drei Translationsfreiheitsgraden L, H und B auch noch zusätzlich dieser Rotationsfreiheitsgrad zugänglich wird. In einer Variante der gezeigten Ausführungsform könnte auf die Schwenkbarkeit der Aufnahmevorrichtung 28 jedoch auch verzichtet werden und es könnte demnach eine starre Aufnahmevorrichtung 28 eingesetzt werden.
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Unter Bezugnahme auf die 3b sei schließlich noch darauf hingewiesen, dass der zweiten Parallelogrammführung 22 ferner eine pneumatische Unterstützungsvorrichtung 32 in Form eines Gaszylinders zugeordnet ist, der dazu eingerichtet ist, die Gewichtskraft des Auslegers 26, der Aufnahmevorrichtung 28 und des Werkzeugs 30, also sämtlicher der zweiten Parallelogrammführung 22 nachgelagerter Komponenten, derart auszugleichen, dass das Werkzeug 30 in der Schwebe gehalten wird. Somit sorgt die Unterstützungsvorrichtung 32 dafür, dass in einem nicht von einem Benutzer bedienten Zustand das Werkzeug 30 zunächst einmal ortsfest verbleibt und von einem Benutzer mit minimalem Kraftaufwand an eine gewünschte Position durch Verlagern des Fahrwagens 16 und Schwenken der beiden Parallelogrammführungen 18 und 22 verlagert werden kann.
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Ein derartiger Arbeitsvorgang kann nun beispielsweise anhand von 4 nachvollzogen werden, in der die Hebeeinrichtung 10 aus den 1a bis 2c neben einem Gehänge 34 montiert ist, von dem momentan ein zu montierendes Automobil 36 getragen ist. Mit Hilfe der Hebeeinrichtung 10 kann ein Benutzer U nun das Werkzeug 30 unterhalb des Fahrzeugs 36 an eine geeignete Position und in eine geeignete Schwenkstellung verlagern und daraufhin Arbeitsvorgänge an dem Fahrzeug 36 vornehmen. Sofern es sich bei dem Werkzeug 30 um einen Drehmomentschrauber oder ein ähnliches Werkzeug handelt, wird durch die Ausführung der Hebeeinrichtung 10 mit ihren beiden Parallelogrammführungen 18 und 22 eine optimale Abstützung des durch das Werkzeug 30 wirkenden Drehmoments über den Manipulatorarm 20 und die Kranbahn 12 erzielt.
