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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum lagegenauen Positionieren von
mehreren Bauteilen zueinander mittels zugehöriger Roboter, wobei jeweils ein
Roboter mindestens ein separates Bauteil mittels einer Bauteilgreifeinheit
trägt,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ferner
bezieht sich die Erfindung auf eine Positioniervorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens, wobei die Positioniervorrichtung eine Mehrzahl an voneinander
unabhängig
mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung ansteuerbaren
Robotern aufweist, die jeweils mit einer Bauteilgreifeinheit versehen
sind, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 10.
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Verfahren
und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind bekannt. Beispielsweise
offenbart die
EP 0
752 633 A1 eine Maschinensteuerung zum zusammenwirkenden
Steuern einer Vielzahl von Steuerobjekten, so wie Industrieroboter,
die eine Vielzahl an Aufgaben erfüllen können. Ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art sind ferner aus der
US 4 894 901 und aus der
DE 42 90 927 C2 bekannt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren vorzuschlagen,
das eine zuverlässige
Positionierung von mehreren Bauteilen mittels Robotern erlaubt.
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Ferner
ist es Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Positioniervorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens vorzuschlagen.
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Zur
Lösung
der Aufgabe ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1
vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils ein Bauteil tragenden
Roboter an ihren Bauteilgreifeinheiten miteinander mechanisch gekoppelt
werden zur Herstellung einer Bauteilgruppe mit zueinander lagegenau
positionierten Bauteilen, wobei das mechanische Koppeln nach Einnahme
einer lagedefinierten Kopplungsstellung der jeweiligen Roboter automatisiert
mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit erfolgt und wobei
die zu koppelnden Roboter ansteuerbare und zueinander wirkkompatiblen
Kopplungseinheiten aufweisen. Durch dieses Verfahren wird ein zuverlässig reproduzierbares
und somit fertigungsgünstiges
Positionieren von mehreren separaten Bauteilen mittels entsprechend
zugeordneter Roboter (Industrieroboter) ermöglicht. Dabei kann aufgrund
der mechanischen Kopplung der die Bauteile tragenden Roboter eine
reproduzierbar lagegenau angeordnete Bauteilgruppe mit entsprechender
Bauteilgruppengeometrie erhalten werden. Die mechanische Kopplung der
Roboter gewährleistet
somit eine hinreichend genaue und auch lagestabile Positionierung
der Bauteile zueinander unter Einsatz von flexiblen Handhabungsgeräten, welche
voneinander unabhängig
ansteuerbar sein können.
Es werden somit die Vorteile von zueinander zeitweise unabhängigen Handhabungsgeräten und
von bei geeigneten Verfahrensschritten mechanisch miteinander gekoppelten
Bauteil-Trägereinheiten
kombiniert, indem die jeweils ein Bauteil tragenden Roboter zu einem
geeigneten Zeitpunkt miteinander mechanisch gekoppelt und wieder entkoppelt
werden können.
Die miteinander mechanisch gekoppelten Roboter bilden dabei eine
Baugruppen-Positioniereinheit. Ein derartiges Verfahren eignet sich
insbesondere für
eine Groß- oder Mittelserienfertigung
unter Erzielung der o.g. Vorteile. Beispielsweise können derartige
Kopplungseinheiten der Roboter miteinander in eine formschlüssige und/oder
in eine kraftschlüssige
Wirkverbindung gebracht werden. Die Festlegung einer konkreten Ausgestaltung
der Kopplungseinheit kann von den jeweils zulässigen Positioniergenauigkeiten
der Bauteile zueinander bei Herstellung der Bauteilgruppe abhängen. Aufgrund
des hohen Automatisierungsgrades der Roboter im industriellen Einsatz
ist die Ausstattung der Roboter mit zusätzlichen Kopplungseinheiten
und die automatisierte Handhabung derselben Kopplungseinheiten verhältnismäßig einfach
realisierbar. Die Kopplungseinheiten können ggf. als modulare Einheiten
ausgebildet und zerstörungsfrei trennbar
mit der Roboterstruktur verbindbar sein.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsvariante
werden die miteinander mechanisch gekoppelten Roboter gemeinsam
bewegt zur Positionierung der Bauteilgruppe in eine lagedefinierte
Betriebsstellung, wobei die Bauteilgruppengeometrie während der
Bewegung praktisch unverändert
bleibt. Dabei kann die Betriebsstellung eine Montagestellung und/oder
eine Bearbeitungsstellung und/oder eine Verbindungsstellung der
Bauteilgruppe sein. Ferner ist es möglich, dass schon während der
Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter die Bauteilgruppe
bearbeitet wird, beispielsweise in Form einer Bauteilgruppenvermessung und/oder
einer mechanischen Bearbeitung. Aufgrund der mechanischen Kopplung
der ein jeweiliges Bauteil tragenden Roboter kann somit auch eine
Bewegungs- bzw.
Transportphase der Bauteilgruppe zur Bearbeitung derselben genutzt
werden. Hierzu kann die Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten
Roboter derart gewählt
werden, dass z.B. eine besonders bearbeitungsgünstige Anordnung der geometriestabilen
Bauteilgruppe erhalten wird. Aufgrund der praktisch unverändert bleibenden
Bauteilgruppengeometrie während
der Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter können somit
neue bzw. zusätzliche
Aufgaben von weiteren Robotern an der Bauteilgruppe, bestehend aus mehreren
separaten getrennten Einzelbauteilen, auch während einer Positionierungsphase
der Bauteilgruppe erfüllt
werden, wobei derartige Aufgaben bei mechanisch entkoppelten Robotern
nicht hinreichend genau bzw. entsprechend reproduzierbar erfüllt werden
könnten.
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Die
gemeinsame Bewegung der mechanisch miteinander gekoppelten Roboter
erfolgt vorzugsweise automatisiert mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit.
Gegebenenfalls kann die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit während der
gemeinsamen Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter
weitere Handhabungseinheiten steuern, die zur Bearbeitung der Bauteilgruppe
während
ihres Transports in eine lagedefinierte Betriebsstellung dienen.
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Mit
Vorteil ist einer der gekoppelten Roboter ein bewegungsführender
Roboter und sind die anderen mit diesem gekoppelten Roboter bewegungsgeführte Roboter.
Der bewegungsführende
Roboter wird auch als „Master"-Roboter bezeichnet,
während die
bewegungsgeführten
Roboter unter der Bezeichnung „Slave"-Roboter geführt werden. Ein Steuerungsprinzip,
mit dessen Hilfe die Bewegung eines „Master"-Roboters und eines „Slave"-Roboters durchführbar ist,
ist beispielsweise an sich bekannt aus der
EP 0 752 633 A1 .
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Der
bewegungsgeführte
Roboter kann relativ zum bewegungsführenden Roboter in mindestens
einer Richtung schwimmend gelagert sein. Mittels der schwimmenden
Lagerung des bewegungsgeführten Roboters
wird vermieden, dass aufgrund von grundsätzlich nicht vollständig zu
vermeidenden Bewegungsungenauigkeiten der jeweiligen Roboter, wobei die
Ungenauigkeiten unterschiedlich groß sein können, sich die mechanisch miteinander
gekoppelten Roboter hinsichtlich ihrer Bewegungsfreiheit gegenseitig
behindern. Die schwimmende Lagerung des bewegungsgeführten Roboters
gewährleistet,
dass der bewegungsführende
Roboter ungehindert seine jeweilige Sollposition anfahren kann,
ohne dass der bewegungsgeführte
Roboter, auch bei unterschiedlichen Bewegungstoleranzen der Roboter
zueinander, bei Vorliegen der mechanischen Kopplung das Anfahren
dieser Sollposition behindert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
der bewegungsgeführte
Roboter mittels der schwimmenden Lagerung stets den Toleranzunterschied
ausgleicht, da die mechanische Kopplung starr ist und einen Toleranzunterschied
ab einer bestimmten Größe nicht
zulässt.
Die mechanische Kopplung in Kombination mit der schwimmenden Lagerung
gewährleistet
somit die Beibehaltung einer hinreichend genauen Bauteilgruppengeometrie auch
während
einer Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter beispielsweise
zur Positionierung der Bauteilgruppe in eine lagedefinierte Betriebsstellung.
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Die
schwimmende Lagerung des bewegungsgeführten Roboters kann insbesondere
automatisiert mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit
aktivierbar und deaktivierbar sein. Hierdurch ist es möglich, dass
die Roboter als voneinander unabhängig ansteuerbare Handhabungseinheiten
jeweils ein vorbestimmtes Bauteil greifen und mit diesem eine lagedefinierte
Kopplungsstellung anfahren können,
wobei die schwimmende Lagerung der bewegungsgeführten Roboter zu diesem Zeitpunkt noch
deaktiviert sein kann. Nach Einnahme der lagedefinierten Kopplungsstellung
wird die schwimmende Lagerung des bewegungsgeführten Roboters, insbesondere
automatisiert, aktiviert, so dass nun das mechanische Koppeln der
jeweiligen Roboter, vorzugsweise ebenfalls automatisiert, eingeleitet
werden kann. Aufgrund der schwimmenden Lagerung werden die bewegungsgeführten Roboter
mittels der mechanischen Kopplung bei ggf. vorliegenden Toleranzen
in der Kopplungsstellung in eine hinreichend genaue Sollposition
gebracht, so dass die sich hierdurch ergebende Bauteilgruppe eine
erwünschte Bauteilgruppengeometrie
bildet. Die schwimmende Lagerung kann beispielsweise in Form eines
hydraulischen Kolben-Zylinder-Systems
ausgebildet sein, wobei ein derartiges System an sich ebenfalls
bereits bekannt ist.
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Ferner
wird die Aufgabe gelöst
durch eine Positioniervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
10. Die Positioniervorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass
die Roboter zueinander wirkkompatible mechanische Kopplungseinheiten
aufweisen, die mittels der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
automatisiert ansteuerbar sind. Mittels einer derartigen Positioniervorrichtung
lassen sich die in Bezug auf das Verfahren vorerwähnten Vorteile
erzielen. Hierdurch kann die mechanische Kopplung zum ggf. verfahrensbedingt
jeweils günstigen
Zeitpunkt ausgelöst
bzw. aufgehoben werden, so dass die Positioniervorrichtung mit der
Mehrzahl an voneinander unabhängig
ansteuerbaren Robotern auch unterschiedlichste Aufgaben erfüllen kann,
unter Gewährleistung
der in Bezug auf das Verfahren vorerwähnten Vorteile.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsform
weist mindestens einer der Roboter eine schwimmende Lagerung auf,
die in wenigstens einer Richtung relativ zu einem anderen Roboter
wirksam ist. Dabei hängt
die Anzahl und Ausrichtung der jeweiligen Richtungen der schwimmenden
Lagerung von der durchzuführenden
gemeinsamen Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter ab.
Bei zwei miteinander mechanisch gekoppelten Roboter kann der bewegungsgeführte Roboter,
beispielsweise in einer Ebene, d. h. in zwei z.B. senkrecht zueinander
stehenden Richtungen schwimmend gelagert sein, um insbesondere ein
störungsfreies
Bewegen der Bauteilgruppe aus einer lagedefinierten Kopplungsstellung
in eine lagedefinierte Betriebsstellung zu ermöglichen, wobei die Bauteilgruppengeometrie
während
dieser Bewegung praktisch unverändert
bleibt, aufgrund der bestehenden mechanischen Kopplung zwischen
den zwei Robotern.
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Mit
Vorteil weist die schwimmende Lagerung ein automatisiert mittels
der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung betätigbares
Aktivierungssystem auf. Ein derartiges Aktivierungssystem kann beispielsweise
in Form eines ansteuerbaren Ventilsystems ausgebildet sein, mittels
welchem die schwimmende Lagerung, beispielsweise in Form einer hydraulischen
Kolben-Zylinder-Einheit,
aktiviert bzw. deaktiviert werden kann.
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Einer
der Roboter ist vorzugsweise ein bewegungsführender Roboter, während die
anderen, mechanisch mit selbigem gekoppelten Roboter bewegungsgeführte Roboter
sein können.
Eine derartige Positioniervorrichtung ist regelungstechnisch verhältnismäßig einfach
ansteuerbar und durch eine vielseitige und zuverlässige Einsetzbarkeit,
insbesondere in einer automatisierten Serienproduktion, gekennzeichnet.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung. Die Erfindung
wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf eine schematische Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung mit
zwei jeweils ein Bauteil tragenden Industrierobotern;
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2 eine
schematische Perspektivdarstellung der Positioniervorrichtung der 1 in
einer lagedefinierten Kopplungsstellung;
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3 eine
schematische Seitenansicht der Positioniervorrichtung der 1 mit
voneinander getrennten Kopplungseinheiten;
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4 eine
schematische Seitenansicht der Positioniervorrichtung der 3 mit
verbundenen Kopplungseinheiten und
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5 eine
schematische Detaildarstellung einer schwimmenden Lagerung eines
Roboters der 1.
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Die 1 und 2 zeigen
jeweils eine schematische Perspektivdarstellung einer Positioniervorrichtung 10,
die zwei mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 22 voneinander
unabhängig
ansteuerbare Roboter 12, 14 aufweist. Die Steuerungs-
und/oder Regelungseinheit 22 ist hierzu mittels Datenübertragungsleitungen
(Pfeile 24, 26) mit den zwei Robotern 12, 14 verbunden.
Bei den Robotern 12, 14 handelt es sich um Industrieroboter,
die jeweils eine getrennt ansteuerbare Antriebseinheit 56, 58 zur
Bewegung und Positionierung eines zugehörigen Roboterarms 60, 62 enthalten.
Die Roboterarme 60, 62 sind mit einer zugehörigen Bauteilgreifeinheit 44, 46 versehen,
mittels welchen die Roboter 12, 14 voneinander
unabhängig ein
zugehöriges Bauteil 16, 18 greifen
können.
Bei den Bauteilen 16, 18 handelt es sich beispielsweise
um miteinander zu verbindende Karosserieblechteile für ein Fahrzeug. Die
Roboter 12, 14 sind an ihren Bauteilgreifeinheiten 44, 46 jeweils
mit einer zugehörigen
Kopplungseinheit 28, 30 versehen, mittels welchen
eine mechanische Kopplung der zwei Roboter 12, 14 insbesondere
in einer lagedefinierten Kopplungsstellung der Roboter 12, 14 möglich ist.
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In 1 befinden
sich die Roboter 12, 14 der Positioniervorrichtung 10 mit
ihren jeweiligen, in der zugehörigen
Bauteilgreifeinheit 44, 46 eingespannten Bauteilen 16, 18 in
einer beliebigen, voneinander beabstandeten und nicht miteinander
mechanisch gekoppelten Betriebsstellung. Diese in 1 dargestellte
Betriebsstellung kann beispielsweise eine Ausgangsstellung zur Einleitung
einer kooperierenden Roboterbewegung mit den Bauteilen 16, 18 darstellen.
Dabei werden alle Bewegungs- und Einstellungsphasen der Roboter 12, 14 vorzugsweise
automatisiert mittels der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 22 durchgeführt. Die
Roboter 12, 14 werden somit derart gesteuert,
dass die gespannten Bauteile 16, 18 insbesondere
mittels der Roboterarme 60, 62 aufeinander zubewegt
werden, bis sie eine Bauteilgruppe 20 gemäß 2 mit
einer definierten Bauteilgruppengeometrie bilden. In dieser Position der
Bauteile 16, 18 befinden sich die Roboter 12, 14 und
insbesondere die Roboterarme 60, 62 bzw. deren
Kopfbereiche in einer lagedefinierten Kopplungsstellung, in welcher
die zueinander wirkkompatiblen Kopplungseinheiten 28, 30 der
Bauteilgreifeinheiten 44, 46 miteinander automatisiert
verbunden werden können.
Es erfolgt somit nach Einnahme der in 2 dargestellten
Kopplungsposition der Roboter 12, 14 eine mechanische
Kopplung derselben Roboter miteinander, so dass eine permanente
Bauteilgruppengeometrie aufrechterhalten werden kann, auch wenn anschließend die
Bauteilgruppe 20 mittels der nun mechanisch gekoppelten
Roboter 12, 14 in eine neue Position gebracht
wird bzw. eine erwünschte
Bewegung der Bauteilgruppe 20 mittels der Roboter 12, 14 durchgeführt wird.
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Beispielsweise
kann die Bauteilgruppe 20 mittels der miteinander mechanisch
gekoppelten Roboter 12, 14 in eine andere Betriebsstellung
bewegt werden, wobei die Betriebsstellung eine Montagestellung oder
eine Bearbeitungsstellung oder eine Verbindungsstellung sein kann.
Ferner kann während
der Bewegung der Bauteilgruppe 20 eine Bearbeitung derselben,
beispielsweise eine Schweißbearbeitung
in einer besonders günstigen
Schweißposition
der Bauteilgruppe 20, hinreichend genau durchgeführt werden,
da aufgrund der mechanischen Kopplung der Roboter 12, 14 die
Bauteilgruppengeometrie auch während
der Bewegung der Roboter 12, 14 praktisch unverändert bleibt.
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Die
Kopplungseinheiten 28, 30 der Roboter 12, 14 können miteinander
in eine formschlüssige und/oder
in eine kraftschlüssige
Wirkverbindung gebracht werden. Wie in den 3 und 4 schematisch
dargestellt ist, können
die Kopplungseinheiten 28, 30 der Roboter 12, 14 jeweils
mit Verriegelungselementen 32 versehen sein, die zueinander
kompatibel ausgebildet sind und eine hinreichend stabile und lagegenaue
mechanische Kopplung der Bauteilgreifeinheiten 44, 46 (siehe
auch 1, 2) und damit der Roboter 12, 14 gewährleisten.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
enthalten die Verriegelungselemente 32 des Roboters 12 zwei
gemäß den Drehpfeilen 64, 66 verschwenkbare
Hebel 68, 70, die in Kopplungsstellung gemäß 4 derart
in eine Verriegelungsposition gedreht werden können, dass mit den zugehörigen Verriegelungselementen 32 des
Roboters 14 eine korrekte formschlüssige und/oder kraftschlüssige Wirkverbindung
erhalten wird, unter Ausbildung der mechanischen Kopplung der Roboter 12, 14.
Dabei tragen die Roboter 12, 14 der 3, 4 jeweils
ein Bauteil 16, 18 (siehe auch 1, 2),
die allerdings nicht in den 3, 4 dargestellt
sind. Die Roboterpositionierung und die mechanische Kopplung gemäß den 1 bis 4 erfolgt
mittels der Steuerungs- und/oder
Regelungseinheit 22, vorzugsweise vollautomatisiert. Die Positioniervorrichtung 10 ist
diesbezüglich
mit geeigneten Erfassungssystemen, wie z.B. an sich bekannte Sensoren,
ausgestattet.
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Zur
Gewährleistung
einer störungsfreien
gemeinsamen Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten Roboter
12,
14 wird
gemäß vorliegendem
Ausführungsbeispiel
der Roboter
12 als bewegungsführender Roboter und der Roboter
14 als
bewegungsgeführter
Roboter mittels der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit
22 angesteuert.
Ein derartiges Steuerungskonzept zur Bewegung zweier Roboter ist
an sich bekannt und beispielsweise in der
EP 0 752 633 A1 offenbart.
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Der
bewegungsgeführte
Roboter 14 („Slave"-Roboter) ist zur
Gewährleistung
einer störungsfreien
Bewegung beider Roboter 12, 14 mit einer schwimmenden
Lagerung 42 versehen, so dass der bewegungsgeführte Roboter 14 eine
hinreichend genaue Bewegungsanpassung an den bewegungsführenden
Roboter 12 („Master"-Roboter) gewährleistet bei
einer gemeinsamen Bewegung der miteinander mechanisch gekoppelten
Roboter 12, 14. Dies ist deshalb von Bedeutung,
da die voneinander unabhängig
angesteuerten Roboter 12, 14 unterschiedlich große Bewegungstoleranzen
aufweisen können,
was bei einer gemeinsamen Bewegung und bei vorliegender mechanischer
Kopplung zu einer wechselseitigen Störung der Roboter 12, 14 hinsichtlich
ihrer freien Bewegung führen
kann.
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5 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform der
schwimmenden Lagerung 42 am bewegungsgeführten Roboter 14.
Die schwimmende Lagerung 42 ist an einer geeigneten Stelle
am Roboterarm 62 des bewegungsgeführten Roboters 14 ausgebildet,
beispielsweise an einer Rahmeneinheit 34 des Roboterarms 62.
Die schwimmende Lagerung 42 ist hierzu mit zwei Lagerungselementen 48, 50 versehen,
wobei das Lagerungselement 50 mittels einer hydraulischen
Zylindereinheit 74 mit der Rahmeneinheit 34 des
Roboterarms 62 in Verbindung steht. Das Lagerungselement 48 ist
dagegen mittels einer hydraulischen Zylindereinheit 72 mit
einer Rahmeneinheit 35 der das Bauteil 18 tragenden
Kopfeinheit des Roboterarms 62 verbunden. Mittels der schwimmenden Lagerung 42 kann
somit der das Bauteil 18 tragende Kopfbereich des Roboterarms 62 des
Roboters 14 gemäß den Doppelpfeilen 52 und/oder
den Doppelpfeilen 54 relativ zur Rahmeneinheit 34 und
somit zum nicht schwimmend gelagerten Roboterarmrest bewegt werden.
Die hydraulischen Zylindereinheiten 72, 74 sind
vorzugsweise mittels eines nicht in 5 dargestellten
Ventilsystems, das mittels der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 22 ansteuerbar ist,
aktivierbar und deaktivierbar. Dabei erfolgt die Aktivierung der
schwimmenden Lagerung 42 vorzugsweise unmittelbar vor Herstellung
der mechanischen Kopplung der Roboter 12, 14.