CH700057A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Handhaben und Positionieren von Gegenständen. - Google Patents

Abstract

In einem Verfahren zum Umsetzen von einzelnen masshaltigen Werkstücken (9) aus einer beliebigen Aufnehmeposition in eine tolerierte Ablegeposition mit einem Roboter (1) wird das am Greifer (2) des Roboters (1) ergriffene Werkstück (9) auf seiner Verfahrbewegung mittels einer optischen Aufnahme- und Auswertevorrichtung (7a) relativ zum Greifer (2) vermessen und aufgrund der Abweichung von Position und Drehlage wird die verbleibende Verfahrbewegung so korrigiert, dass das Werkstück (9) genau in die Ablegeposition abgelegt wird.

Description

  Technisches Gebiet

  

[0001]    Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausrichten oder Repositionieren von gleichartigen Bauteilen oder Werkstücken mit einem steuerbaren Handhabungsgerät, insbesondere einem Roboter und wenigstens einer optischen Aufnahmevorrichtung, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs 12

Stand der Technik

  

[0002]    Beim Handhaben von Bauteilen, Werkstücken oder dergleichen tritt häufig das Problem auf dass die ankommenden Werkstücke in ihrer Aufnahmeposition beispielsweise auf einem Transportband oder dergleichen nicht exakt definiert sind. In der Regel wird in solchen Fällen die Position und Drehlage des zu ergreifenden Werkstücks optisch ermittelt. Im Dokument D1=Microprocessors and Microsystems, Band 8, Nr. 5, Juni 1987, London, UK, Seiten 245 ff. wird ein entsprechendes Verfahren und eine Vorrichtung zum Positionieren von Werkstücken beschrieben. Dabei kommt in Dl eine Kamera zum Einsatz, welche am Transportband angeordnet ist und welche die zugeführten Werkstücke erfasst und dem Roboter entsprechend eine Zielposition in Abhängigkeit der erfassten Lage des Werkstückes vorgibt, damit der Roboter das Werkstück möglichst genau ergreift.

   Es handelt sich dabei aber nicht um ein Verfahren oder eine Vorrichtung zum Repositionieren von Werkstücken welche sich bereits am Greifer befinden, weil die Bildaufnahmevorrichtung nicht entlang der Bahn des Greifers des Roboters sondern stromaufwärts vor diesem Roboter angeordnet ist.

  

[0003]    EP-B-0 494 556 stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, bei welcher eine Bildaufnahmevorrichtung, dort eine Kamera, entlang der Bahn des Greifers des Roboters angeordnet ist. Sobald dort ein aufgegriffenes Werkstück an einem Sensor vorbeigeführt wird, wird die Kamera von diesem Sensor getriggert und nimmt innerhalb einer Tausendstel Sekunde ein Bild des Werkstückes auf. Dieses Bild wird auf dem zugehörigen Steuerungsrechner mit einem Referenzbild eines Werkstücks verglichen und es werden die entsprechende Verschiebung und Verdrehung als Korrekturwerte für die Repositionierung des Roboters ermittelt. Nachteilig hierbei ist, dass der Roboter immer die gleiche Bahn fahren muss und dass die Genauigkeit der Repositionierung von der erforderlichen gleichmässigen und relativ geringen Geschwindigkeit des Roboters beim Durchfahren des Bildaufnahmefensters abhängig ist.

  

[0004]    Für die genaue Handhabung von Werkstücken, insbesondere auch Halbleiter, ist man daher dazu übergegangen, die notwendigen Korrekturwerte für eine Repositionierung bezüglich Verschiebung und Verdrehung von Werkstücken am Greifer eines Roboters über ein optisches Bildverarbeitungssystem zu ermitteln, welches bezüglich des Greifers ortsfest ist. Das wird in einer ersten Ausführung dadurch erzielt, dass, wie in DE-A-10 236 040 gezeigt, wenigstens eine Kamera auf der Greiferplattform selber installiert wird. Diese Kamera erfasst dann die Konturen des Werkstückes und berechnet die Korrekturwerte für die Repositionierung während dem Verfahren von Aufgreifort zu Ablegeort. Nachteilig dabei ist, dass auf dem Greiferkopf des Roboters selber mindestens eine Kamera mit entsprechender Kabelzuführung montiert werden muss.

  

[0005]    Dazu sind auch bereits Greifer mit integrierten Kameras vorgeschlagen worden. Die Greifer fahren über das Werkstück und machen mit der Kamera eine Aufnahme vom Werkstück. Die Bildinformation wird anschliessend ausgewertet. In Abhängigkeit von der detektierten Position des Werkstücks wird dann der Greifer derart über dem Werkstück positioniert, dass er es in einer definierten Lage zu sich selbst aufnehmen kann.

  

[0006]    DE-A-10 236 040 zeigt ausserdem noch zwei weitere bekannte Verfahren zum genauen Übersetzen von Werkstücken aus einer grob definierten Lage in eine genau definierte Ablegeposition. Einerseits kann am Greiferkopf des Roboters eine Kamera montiert sein, welche über das aufzunehmende Produkt fährt und dieses vor dem Aufgreifen vermisst. In diesem Fall wird also keine eigentliche Repositionierung zwischen dem Aufnehmen und Ablegen gemacht, sondern der Greifer wird entsprechend der Verschiebe- und Verdrehinformation der Greiferkamera bereits zum Aufnehmen entsprechend genau positioniert.

   Andererseits kann die Kamera fest auf dem Weg des Greifers vom Aufnahmeort zum Ablegeort montiert sein, wobei der Greifer in eine genau bestimmte Position über der Kamera geführt wird und wobei dann eine Bildaufnahme des Werkstückes erfolgt und wobei dann die Verschiebe- und Verdrehinformation für die Repositionierung des Werkstückes aufgrund der Verschiebung und Verdrehung gegenüber dem Kamerasensor selber gewonnen wird. Dieses Verfahren bedingt, dass der Roboter den Greifer über der Kamera zum Stillstand bringt, damit die Position des Werkstücks erfasst werden kann.

  

[0007]    Bei anderen bekannten Greifvorrichtungen kommt eine Kombination der beiden vorgenannten Repositionierungsverfahren zur Anwendung. Dazu wird das Werkstück vom Greifer in der gerade vorhandenen, allenfalls mittels einer über dem Transportband installierten optischen Aufnahmevorrichtung grob ermittelten, Position aufgenommen, was beispielsweise bei Vakuumgreifern, Saugvorrichtungen und dergleichen möglich ist. Anschliessend fährt der Greifer auf einem ersten Wegsegment mit dem Werkstück in eine Position über einer Kamera, mit deren Hilfe die Position des Werkstücks relativ zum Kameraaufnahmebereich feststellbar ist. Anschliessend wird aus der Verschiebung und Verdrehung des Werkstücks gegenüber dem Kameraaufnahmebereich die notwendige Repositionierung errechnet.

   Abhängig davon wird dann der Greifer auf dem zweiten Wegsegment so gesteuert, dass er das Werkstück am Zielort in einer ausreichend genau definierten Position absetzen kann.

  

[0008]    Im Vergleich zu EP-B-0 494 556 erlaubt dieses Verfahren deutlich höhere Geschwindigkeiten für die beiden Wegsegmente vom Aufnehmeort zur Kamera und von der Kamera zum Ablegeort, wobei auf diesem zweiten Wegsegment aufgrund der Verschiebe- und Verdrehinformation der Kamera das Werkstück noch repositioniert wird. Nachteilig ist aber auch hier, dass für die Bestimmung der Repositionierungsinformation bezüglich Verschiebung und Verdrehung des Werkstückes relativ viel Zeit benötigt wird, da die Bildaufnahme im Stillstand erfolgen muss und der Roboter allenfalls weitere Zeit zum Ausschwingen über der Kamera benötigt, bevor das Bild aufgenommen werden kann.

  

[0009]    Eine andere Methode erkennt die Hustereigenschaften, beispielsweise Reisslinien, auf einem Wafer. Eine solche Methode ist in US-5 682 242 beschrieben und basiert auf der Tatsache, dass die auf dem Wafer niedergelegten Muster exakt zum Zentrum und zu den Achsen des Wafers ausgerichtet sind und dass weitere asymmetrische Mustereigenschaften mit vermessen werden können. Dabei basiert die eigentliche Vermessung auf dem Vergleich der Mustereigenschaften mit einer stillstehenden Referenzfläche. Dieses Verfahren gestattet grundsätzlich eine erfolgreiche und exakte Ausrichtung, es sein denn dass der optische Kontrast oder die optische Auflösung nicht gut genug für das Erkennen der Mustereigenschaften ist oder dass ein ungemusterter Wafer, beispielsweise ein Test- oder Kontrollwafer, ausgerichtet werden muss.

   Nachteilig ist aber, dass das Werkstück selber über der Referenzfläche vorpositioniert werden muss.

  

[0010]    Die bisher bekannten Anordnungen und Greifvorrichtungen zur Handhabung von Werkstücken aus einer Undefinierten Übergabeposition heraus haben jedoch alle den Nachteil, dass sie für die Feststellung der genauen Position des Werkstückes relativ viel Zeit benötigen oder die Positioniergenauigkeit nur gering ist, da sich Positionierfehler beim Aufnehmen des Werkstücks und beim Bewegen über die Kamera addieren.

  

[0011]    Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, wodurch eine rasche Handhabung von Werkstücken ermöglicht wird, deren Aufnahmeposition nicht ausreichend genau definiert ist und deren Ablegeposition ausreichend genau erreicht werden muss, wobei die Bestimmung der Repositionierungsinformation auf dem Weg von der Aufnahmeposition zur Ablegeposition ohne Verzögerung des Roboters erfolgen soll.

Darstellung der Erfindung

  

[0012]    Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Messung der Verschiebe- und Verdrehinformation des Werkstückes im Raum unabhängig von der Position, Rotation und Bewegung des Greifers gegenüber einer optischen Bildaufnahmevorrichtung, beispielsweise einer Kamera, erfolgen kann, wobei die Bestimmung der Verschiebe- und Verdrehinformation durch eine Vermessung der Position und Lage des Werkstückes gegenüber der Position und Lage des Greifers selber erreicht wird.

  

[0013]    Dazu wird eine Referenzplatte verschiebe- und verdrehfest mit der Greiferachse des Roboters verbunden. Dabei ist bezüglich dem Begriff Greiferachse je nach Ausführung des Roboters weiter zu unterscheiden. Bei seriellen Kinematiken sei hier die Rotationsbewegung der Achse höchster Ordnung verstanden. Bei Scara Robotern im speziellen sei die Rotationsachse der meist als Kugelrollspindel ausgeführten kombinierten dritten und vierten Achse zu verstehen. Bei parallelen Kinematiken mit drei oder weniger parallelen Freiheitsgraden und einer unabhängigen Drehachse sei die Drehachse unterhalb der Trägerplatte verstanden, welche in den meisten Fällen von einer teleskopischen Vorrichtung oder einem Motor aktuiert wird.

   Hier kann die Referenzplatte allenfalls fest mit der Trägerplatte selber verbunden werden, da die Trägerplatte bei diesen Kinematiken keine Rotationsbewegung erfährt. Bei parallelen Kinematiken mit vier parallelen Freiheitsgraden sei die Trägerplatte gemeint, da dort die Rotationsbewegung aus der koordinierten Bewegung der vier Parallelarme zueinander erzeugt wird.

  

[0014]    Die mit der Greiferachse oder allenfalls mit der Trägerplatte fest verbundene Referenzplatte soll weiter unmittelbar oberhalb der Werkstückaufnahmefläche zu liegen kommen, so dass das Werkstück nach dem Aufnehmen auf die Werkstückaufnahmefläche des Greifers vor diese Referenzplatte zu liegen kommt und so dass die Kontur der Referenzplatte von der Werkstückseite her betrachtet hinter dem Werkstück ausreichend ersichtlich ist. Die Referenzplatte kann neben der Aussenkontur weitere Referenzmerkmale enthalten, welche durch Bilderkennungsmethoden zuverlässig erfasst werden können.

   Ideal ist es, wenn das Werkstück nach dem Aufnehmen auf die Werkstückaufnahmefläche möglichst direkt auf der Referenzplatte aufliegt, was aber in der Praxis nicht immer realisierbar ist, da die Referenzplatte in Anwendungen mit einem dichten zugeführten Produktestrom vom Werkstück beabstandet sein muss, um Kollisionen auszuschliessen.

  

[0015]    Die mindestens eine Kamera wird in einer festen Position entlang der typischen Bahn des Greifers des Roboters vom Aufnehmeort zum Ablegeort so installiert, dass der Greifer den Bildaufnahmebereich der Kamera mit einem an der Werkstückaufnahmefläche des Greifers aufgenommenen Werkstück jeweils durchfährt.

  

[0016]    Soweit mehrere Kameras zum Einsatz kommen, werden diese ebenfalls in fester Position so installiert, dass der Greifer des Roboters mit jedem aufgenommenen Werkstück eine Kamera, idealerweise unmittelbar nach dem Aufnehmen des Werkstückes, durchfahren kann.

  

[0017]    Die mindestens eine Kamera ist mit einer Auswerte- und Steuereinrichtung verbunden, die die Bildinformation der mindestens einen Kamera auswertet und die Bewegung des Greifers in Abhängigkeit von der Bildinformation beeinflusst.

  

[0018]    Eine wesentliche Voraussetzung ist, dass die Orientierung der Referenzplatte zum Zeitpunkt der Bildaufnahme entweder absolut bekannt oder zumindest relativ zu einer anderen Position bekannt ist.

  

[0019]    Dazu eignen sich insbesondere Deltaroboter bei welchen die Trägerplatte während der Verfahrbewegung keine Verdrehung gegenüber der Basisplatte erfährt. Dort wird die Verdrehung immer ausschliesslich durch eine vierte, rotatorische Achse erzielt, welche auf die Trägerplatte selber nicht einwirkt, sondern nur auf den Greifer. Da die Trägerplatte keine Verdrehung erfährt, kann die Referenzplatte auch direkt mit der eigentlichen Trägerplatte verbunden sein, soweit der Greifer selber zum Zeitpunkt der Bildaufnahme steht oder soweit zumindest die Drehlage des Greifers relativ zur Referenzplatte zum Zeitpunkt der Bildaufnahme bekannt ist. Dieses Vorgehen ist möglich, weil bei Deltarobotern die Rotation des Greifers ausschliesslich durch den Antrieb der vierten teleskopischen Achse oder allenfalls einen Motor auf der Trägerplatte betätigt wird.

   Insbesondere bei mehrspuriger Zuführung von Werkstücken und bei Verwendung mehrerer Kameras in der Nähe der Aufnahmepositionen der Werkstücke erweist sich das als Vorteil, da der Greifer zwischen dem Aufnehmen des Werkstückes und der Bestimmung der Position und Drehlage des Werkstückes an der Werkstückaufnahme des Greifers nicht rotiert werden muss.

  

[0020]    Bei anderen Kinematiken, insbesondere bei SCARA Robotern oder bei Parallelkinematiken mit mehr als drei Freiheitsgeraden aus der Parallelstruktur, kann durch entsprechende Massnahmen in der Bahnplanung nicht sichergestellt werden, dass der Werkzeugträger auf seiner Bahn vom Aufnehmeort zum Bildaufnahmeort keine Rotationsbewegung gegenüber dem Gesamtsystem ausführt.

  

[0021]    Daher muss insbesondere bei SCARA Robotern und anderen seriellen Kinematiken die Referenzplatte und die Werkstückaufnahmefläche am Greifer selber nicht drehbar befestigt sein und mit diesem rotiert werden. Beim Aufnehmen der Produkte muss dort weiter sichergestellt werden, dass sich der Greifer und entsprechend die Referenzplatte in einer exakt bekannten Drehlage befinden, so dass die Ausgangsposition in der Berechnung der Repositionierung mitberücksichtigt werden kann. Dabei kann die Drehlage des Greifers sowohl über eine Kalibrierung bei der Initialisierung des Roboters, als auch über eine Positionsbestimmung, beispielsweise durch ein Latching eines Drehgebers, zum Zeitpunkt der Werkstückaufnahme erfasst werden.

   Soweit der Greifer bei seiner Verfahrbewegung über die Kamera hinweg gleichzeitig gedreht wird, ist durch eine Limitierung der Drehung in diesem Bereich der Verfahrbewegung oder durch eine entsprechend schnelle Bildaufnahmezeit sicherzustellen, dass die optischen Merkmale der Referenzplatte ausreichend genau und ohne Verwischungen erfasst werden können.

  

[0022]    Bei Parallelkinematiken mit mehr als drei parallelen Achsen kann sowohl zum Zeitpunkt der Werkstückaufnahme als auch zum Zeitpunkt des Durchfahrens des Bildaufnahmebereichs der Kamera nicht ausreichend sichergestellt werden, dass die Drehlage der Werkstückaufnahme sich nicht verändert. Hier muss man sich insofern behelfen, als die Position der Achsen zum Zeitpunkt der Bildaufnahme exakt festgehalten wird oder dadurch, dass der Greifer den Bildaufnahmebereich auf einer Geraden in einer bestimmten Höhe durchfährt, so dass aus einer zusätzlichen Berechnung auf die Position der Werkstückaufnahmefläche relativ zur Position der vier Achsen rückgeschlossen werden kann.

   Ebenfalls möglich ist die Berechnung der Repositionierungsinformation ausgehend von der Initialiserungsdrehlage der Referenzplatte, wobei auch hier eine zusätzliche Berechnung zur Bestimmung der Drehlage der Referenzplatte zum Zeitpunkt der Bildaufnahme relativ zur Solldrehlage im Ablagepunkt erfolgen muss. Insgesamt gestaltet sich das Verfahren bei Parallelkinematiken mit mehr als drei parallelen Achsen deutlich aufwendiger als bei SCARA- oder Deltarobotern.

  

[0023]    Der Steuerungsrechner des Roboters errechnet im Voraus den Zeitpunkt, zu welchem der Greifer des Roboters das Werkstück und entsprechend auch die Referenzplatte durch den Aufnahmebereich der mindestens einen Kamera bewegen wird. Entsprechend wird die Kamera so ausgelöst, dass Sie zu diesem Zeitpunkt ein Bild aufnimmt und dass allenfalls gleichzeitig auch ein Lichtblitz von sehr kurzer Dauer abgegeben wird, der eine nochmals verkürzte Bildaufnahmezeit sicherstellt. Soweit die Geschwindigkeit des Greifers sehr hoch ist, kann allenfalls zwischen Steuerungsrechner und Kamera rsp. Lichtblitzzündung eine weitere zeitliche Feinunterteilung der exakten Bildaufnahmezeit erforderlich sein.

   Eine solche zeitliche Feinunterteilung zur genauen Bestimmung des Bildaufnahmezeitpunktes kann in der Kamera selber, einem sehr schnell laufenden Task mit entsprechendem Auslösesignal in der Steuerung, oder in einem zusätzlichen, zwischen Steuerung und Kamera eingesetzten Mikroprozessor realisiert werden.

  

[0024]    Die Bildaufnahmedauer, die Geschwindigkeit der Trägerplattform am Bildaufnahmeort und allenfalls die Dauer eines Lichtblitzes bestimmen die erreichbare Genauigkeit massgeblich. Soweit die Kamera im Zentrum des Arbeitsbereiches eines typischen parallelkinematischen Roboters installiert wird, können bei einer Beschleunigung von 120 m/s2 und einer Distanz zwischen Aufnehmeort und Ablegeort von 1200 mm Geschwindigkeiten von bis zu 12 m/s erreicht werden. Entsprechend ergibt sich bei einer Bildaufnahmezeit von 1 ms eine Bewegungsunschärfe von immerhin 12 mm.

  

[0025]    Entsprechend sind weitere Massnahmen erforderlich, um die Bildaufnahmegenauigkeit zu verbessern. Idealerweise wird die Kamera möglichst nahe an den Aufnehmeort platziert, da dort die Geschwindigkeit noch gering ist. Soweit eine solche Positionierung im Randbereich nicht realisierbar ist, kommt der Beleuchtung des Werkstückes und der Referenzplatte grosse Bedeutung zu.

  

[0026]    Die mindestens eine Bildaufnahmevorrichtung ist dann vorzugsweise derart im Arbeitsbereich des Roboters angeordnet, dass der Greifer bei optimaler Bahnplanung das Werkstück direkt und in gerader Bahn vor der Kamera durchführt. Zusätzlich kommt eine Lichtquelle zum Einsatz, welche einen sehr kurzen Lichtblitz abgibt. Geeignet sind dazu insbesondere Xenon-Blitzgeräte. Diese zeichnen sich bei entsprechender Ladespannung durch einen sehr kurzen Lichtblitz von etwa 0.5 bis 1.2 [micro]s aus. Entsprechend reduziert sich die prinzipbedingte Bewegungsunschärfe im obigen Beispiel auf nurmehr etwa 0.01 bis 0.05 mm.

  

[0027]    Es ist dann sogar möglich, dass die Bildauswerteeinheit zusätzlich anhand der Form der Kontur eine Beschädigungsüberprüfung des Werkstücks durch Vergleich mit der Kontur eines unbeschädigten Werkstücks durchführt. Wird eine Beschädigung des an der Werkstückaufnahme des Greifers befindlichen Werkstücks detektiert, so kann der Greifer sofort zu einer Ablageposition für Ausschussteile bewegt werden. Auf diese Weise ist sowohl für die Bestimmung der Repositionierungsinformation als auch für die Gut-Schlecht-Prüfung eines Werkstücks nur ein minimaler Zeitaufwand nötig.

  

[0028]    Besonders geeignet ist dieses Verfahren zum Handhaben von sehr bruchempfindlichen Werkstücken wie Solarzellen oder Wafer. Solche Werkstücke können vom Greifer beispielsweise aus einer Übergabevorrichtung, die die Werkstücke durch Einblasen von Luft aus einem Stapel vereinzelt, aufgenommen werden. Zur Vermeidung einer Beschädigung solch empfindlicher Werkstücke lässt sich vorzugsweise ein Bernoulli-Greifer einsetzen, der ein berührungsloses Erfassen der Werkstücke ermöglicht.

   Hier macht das Vorsehen des erfindungsgemässen Verfahrens und der dazu gehörenden Vorrichtung zur Repositionierung von Werkstücken besonderen Sinn, da das Vereinzeln der Werkstücke durch Luft und die berührungslose Aufnahme mittels eines Bernoulli-Greifers dazu führen, dass die Lage des aufgenommenen Werkstücks in der Werkstückaufnahme des Greifers nicht vorhersagbar ist. Ähnliches gilt auch für lose auf einem Transportsystem herangeführten Werkstücken. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren kann nun eine Überprüfung der Position und Drehlage des Werkstücks in der Werkstückaufnahme während der Bewegung des Greifers erfolgen, so dass ein deutlich geringerer Zeitverlust durch die Erfassung der Position und Drehlage des Werkstücks auftritt.

   Entsprechend ist auch eine Bestimmung der repositionierten Zielkoordinaten des Greifers in Abhängigkeit von der aus der Bildinformation gewonnenen Positionsinformation während der Bewegung des Greifers möglich. Der Greifer kann die Werkstücke - je nach Einsatzzweck - beispielsweise auf einem Transportband zur Weiterleitung an Bearbeitungsstationen oder direkt in einer Bearbeitungsstation in der erforderlichen Genauigkeit absetzen Damit arbeitet das erfindungsgemässe Greifverfahren mit der gleichen Geschwindigkeit wie eine Greifvorrichtung für Werkstücke, deren Aufnahmeposition bereits beim Erfassen der Werkstücke genau definiert ist.

  

[0029]    Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Zeichnungen

  

[0030]    Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Verfahrens und der dazugehörigen Vorrichtung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
<tb>Fig. 1: <sep>eine schematische Ansicht einer Roboterarbeitszelle zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens;


  <tb>Fig. 2: <sep>eine Ansicht und Untersicht auf die Greifvorrichtung mit einem daran gehaltenen Werkstück


  <tb>Fig. 3a <sep>zeigt eine Aufsicht auf die Referenzplatte 2b ohne Werkstück.


  <tb>Fig. 3b <sep>zeigt eine ideale Positionierung des Werkstücks 9 relativ zur Referenzplatte 2b


  <tb>Fig. 3c <sep>zeigt ein Werkstück 9, welches gegenüber der Referenzplatte verschoben und verdreht aufgenommen wurde.


  <tb>Fig. 4 <sep>zeigt den typischen Intensitätsverlauf einer impulsartigen Beleuchtung im [micro]s-Raster, hier einer marktüblichen Xenon-Blitzlampe, welche von der Kamera während der Bildaufnahme mit einem Triggersignal gezündet wird.


  <tb>Fig. 5 <sep>zeigt schliesslich einen schematischen Verlauf eines erfindungsgemässen Verfahrens, wobei hier von einer Zykluszeit des Roboters zwischen Aufnahmeposition und Ablegeposition und umgekehrt von jeweils 250 ms ausgegangen wird

Beschreibung der Ausführung der Erfindung

  

[0031]    In Fig. 1 sieht man einen Roboter 1, der einen Greifer 2, beispielsweise einen Bernoulli Greifer, trägt und der sich im Raum über die Steuerung 8 innerhalb des Arbeitsraums frei programmierbar bewegen kann. Der Roboter kann entsprechend über die Produktzuführung 4 bewegt werden, um dort ein flächiges, geometrisches Werkstück 9, beispielsweise einen Wafer, aufzunehmen, um diesen nachher in der Produktablage 5 abzulegen. Über der Produktzuführung 4 befinden sich wenigstens ein Sensor 6, beispielsweise eine Matrix- oder Zeilenkamera, welche die Position und Drehlage der zugeführten Werkstücke 9 grob erfassen. Alternativ kann man sich auch vorstellen, dass die Werkstücke grob geführt herangeführt werden und so der Sensor entfallen kann, da die Grobposition und ungefähre Drehlage aus der Geometrie der Zuführung 4 berechnet werden können.

  

[0032]    Mit dem Greifer 2 soll eine möglichst schonende Aufnahme des Werkstücks 9 erfolgen, um einen Bruch des Werkstücks 9 zu vermeiden. Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführung eines solchen Greifers. Am Greifer 2 ist unmittelbar über der Werkstückaufnahmefläche 2a, aber ausreichend beabstandet zu dieser, eine Referenzplatte 2b drehfest mit der Drehachse 2c des Greifers 2 verbunden. Die Referenzplatte 2b kann bei parallelkinematischen Robotern mit maximal drei parallelen Freiheitsgraden auch direkt mit der Trägerplatte 1b des Roboters 1 verbunden werden, da diese dort bei der Bewegung im Raum keine Rotation erfährt. Die Referenzplatte 2b ist so gross auszuführen, dass deren äusserer Rand nach der Aufnahme eines Werkstücks 9 am Greifer 2 hinter diesem Werkstück 9 ausreichend ersichtlich bleibt.

   Die Referenzplatte 2b kann zusätzlich über Erkennungsmerkmale verfügen, welche deren Geometrie genauer beschreiben oder welche eine Verbesserung des Kontrasts der Referenzplatte 2b gegenüber dem Werkstück 9 herbeiführen.

  

[0033]    Zwischen der Produktezuführung 4 und der Produkteablage 5 ist ein Sensor 7 zur Feinbestimmung der Position und Drehlage des Werkstücks 9 relativ zur Referenzplatte 2b montiert. Der Sensor besteht aus mindestens einer Bildaufnahme- und Auswerteeinheit 7a, beispielsweise einer Matrixkamera, und soweit erforderlich mindestens einer Beleuchtungseinheit 7b. Soweit eine oder mehrere Sensoren sehr nahe an der Produktezuführung 4 installiert sind, kann die Beleuchtungseinheit 7b als einfache Flächenbeleuchtung ausgeführt werden. Soweit der Sensor 7 ungefähr auf halbem Weg des Greifers 2 von der Produktezuführung 4 zur Produkteablage 5 installiert ist, kann die Beleuchtungseinheit 7b als Impulsbeleuchtung, beispielsweise als Xenon-Ringblitzleuchte ausgeführt sein. Die Bildaufnahme- und Auswerteeinheit 7a ist mit der Steuerung 8 verbunden.

   Die Beleuchtungseinheit 7b ist, soweit diese eine Impulsbeleuchtung sicherstellt, mit der Bildaufnahme- und Auswerteeinheit 7a oder direkt mit der Steuerung 8 so zu verbinden, das der Lichtimpuls zeitlich genau ausgelöst werden kann. Die Dauer des Lichtimpulses der Beleuchtungseinheit 7b kann bei Entladungslampen nur beschränkt beeinflusst werden. Bei Xenon Blitzlichtlampen beträgt die Dauer des Lichtpulses je nach Blitzlampe zwischen 0.5 und 5 [micro]s. Ein Intensitätsverlauf einer marktüblichen Xenon Blitzlampe ist in Fig. 4 beispielhaft gezeugt. Entsprechend ist der Lichtpuls in einem optimalen Zeitpunkt auszulösen, damit die Bildaufnahme zur Feinbestimmung der Position und Drehlage des Werkstücks 9 zuverlässig ausgewertet werden kann.

  

[0034]    Die Bestimmung dieses optimalen Zeitpunktes ergibt sich aus der Bahn des Greifers 2 zwischen Produktezuführung 4 und Produkteablage 5. Die Steuerung 8, welcher die Bahnplanung für den Roboter 1 obliegt, berechnet dazu eine optimale Bahn zwischen der Aufnahme des Werkstücks 9 an der Produktezuführung 4 mit dem Greifer 2 und der Ablage des Werkstücks 9 in die Produkteablage 5. Auf dieser optimalen Bahn muss der Greifer 2 zusätzlich im Bildaufnahmebereich des mindestens einen Sensors 7 vorbeigeführt werden.

   Dieses Vorbeiführen des Greifers 2 kann ohne Verzögerung oder Abbremsen des Roboters 1 bei Nutzung des vollen Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsvermögens erfolgen, wenn die Bahnplanung der Steuerung 8 den Zeitpunkt der Durchfahrt des Greifers 2 durch den Bildaufnahmebereich des Sensors 7 so genau vorausberechnen kann, dass der Sensor 7 und, soweit vorgesehen, die Beleuchtungseinheit 7b zeitgenau ausgelöst werden. Dabei ist die Position des Greifers 2 vor dem Sensor 7 nicht so ausschlaggebend, als vielmehr, dass das Werkstück 9 und die Referenzplatte 2b vollständig für den Sensor 7 sichtbar sind.

   Angenommen, der Roboter beschleunigt mit 120 m/s2 und erreicht so im Zentrum des Arbeitsbereiches eine Maximalgeschwindigkeit von 12 m/s und der Bahnplanungszyklus beträgt 1 ms, so muss der Bildaufnahmebereich des Sensors 7 wenigstens 24 mm grösser sein, als die grösste Ausdehnung der Referenzplatte 2b. Für eine zusätzliche Verbesserung kann überlegt werden, den Zeitpunkt der Bildaufnahme zusätzlich feiner zu unterteilen, in dem im Bereich der Bildaufnahme eine Bahnplanung in kürzeren Zeitsegmenten, beispielsweise 100 [micro]s erfolgt und dann entsprechend die Steuerung 8 direkt die Impulsbeleuchtung 7b, unter Berücksichtigung von deren Auslöseverzögerung, ansteuert, wobei die Bildaufnahmeeinheit 7a bereits vorher zur Aufnahme bereit geschaltet wurde.

   Da solche Bildaufnahmeeinheiten kürzeste Belichtungszeiten von etwa 1 ms aufweisen., kann einfach sichergestellt werden, dass die Bildaufnahmeeinheit 7a träger eingestellt ist, als die Beleuchtungseinheit 7b.

  

[0035]    Im Anschluss an die Bildaufnahme durch die Bildaufnahme- und Auswerteeinheit 7a wird dieses Bild ausgewertet. Diese Auswertung kann entweder in der Bildaufnahme- und Auswerteeinheit 7a, in der Steuerung 8 oder in einem anderen geeigneten Rechner erfolgen. Die eigentliche Auswertung der Bildaufnahme besteht darin, die Position und Drehlage des Werkstücks 9 relativ zur Referenzplatte 2b zu bestimmen. Aufgrund dieser Positions- und Drehlageinformation kann die Steuerung 8 die notwendige Repositionierung des Greifers 2 relativ zur Produkteablage 5 berechnen und entsprechend kann die Steuerung 8 die Bahnplanung für das noch verbleibende Wegsegment korrigieren.

  

[0036]    Aus den Fig. 3 wird dieses Verfahren im Detail ersichtlich. Die Position der Referenzplatte 2b wie in Fig. 3agezeigt, ist gegenüber dem Roboter 1 bekannt und kann nach der Initialisierung des Roboters oder sogar absolut über entsprechende Drehgeber bekannt sein. Wenn nun das Werkstück, wie in Fig. 3bgezeigt, in richtiger Position und Lage aufgenommen wird, so ist keine Bahnkorrektur erforderlich. Sobald das Werkstück 9 dagegen, wie in Fig. 3cgezeigt, eine Verschiebung und Verdrehung gegenüber der Referenzplatte 2b erfährt, so ist aus der Verschiebung A und der Verdrehung (D eine entsprechende Korrektur vorzunehmen. Welche Berechnungsmethode dafür zum Einsatz kommt oder ob allenfalls sogar noch die Parallaxe zwischen Werkstück 9 und Referenzplatte 2b berücksichtigt wird, sei hier nicht weiter ausgeführt.

  

[0037]    Nicht gezeigt wird ein Werkstück 9, welches beschädigt ist. Soweit solche Beschädigungen, oder irgendwelche anderen optisch erkennbaren Schlechtmerkmale des Werkstücks 9, während der Bildauswertung erkannt werden, kann der Greifer 2 zu einer hier nicht gezeigten Ablegeposition für Ausschussware umgelenkt werden.

  

[0038]    In Abhängigkeit von der detektierten Lage des Werkstücks 9 im Greifer 2 und/oder der Feststellung eventueller Beschädigungen wird von der Auswerte- und Steuereinrichtung 8 die Bewegung des Greifers 2 derart beeinflusst, dass der Greifer 2 das Werkstück 9 exakt und lagerichtig an der gewünschten Ablegeposition 5 absetzt. Dies kann beispielsweise ein Transportband, eine Bearbeitungsstation oder im Falle einer Beschädigung eine Ablageposition für Ausschussware sein.

  

[0039]    Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch für andere Bauteile oder Werkstücke als dünne oder flächige Elemente eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

  

[0040]    
<tb>1<sep>Roboter


  <tb>1b<sep>Trägerplatte


  <tb>2<sep>Greifer


  <tb>2a<sep>Werkstückaufnahme des Greifers


  <tb>2b<sep>Referenzplatte zur Vermessung


  <tb>2c<sep>Drehachse zur Greiferrotation


  <tb>3<sep>Vakuumleitung


  <tb>4<sep>Produktzuführung


  <tb>5<sep>Produktablage


  <tb>6<sep>Sensor zur groben Positions- und Lagebestimmung


  <tb>7<sep>Sensor zur Feinbestimmung von Position und Drehlage


  <tb>7a<sep>Matrixkamera


  <tb>7b<sep>Beleuchtung, allenfalls Blitzlampe


  <tb>8<sep>Steuerungsrechner


  <tb>9<sep>Werkstück

Claims (12)

1. Verfahren zum Umsetzen von einzelnen masshaltigen Werkstücken aus einer beliebigen Aufnehmeposition in eine tolerierte Ablegeposition mittels einem von einer Steuerungseinrichtung gesteuerten Roboter mit einem Greifer, wobei die Position und Drehlage eines umzusetzenden Werkstücks im Greifer nach dem Ergreifen dieses Werkstückes an der Aufnehmeposition nicht ausreichend genau definiert ist, mit mindestens einer, zwischen Aufnehmeposition und Ablegeposition angebrachten, optischen Aufnahmevorrichtung mit einer Auswertevorrichtung dadurch gekennzeichnet,

dass der Greifer auf seiner Bahn zwischen der beliebigen Aufnahmeposition und der tolerierten Ablegeposition am Bildaufnahmebereich der optischen Aufnahmevorrichtung vorbeigeführt wird und die optische Bildaufnahmevorrichtung während der Vorbeifahrt des Greifers eine Bildaufnahme des Werkstücks und des Greifers macht und die Auswerteeinheit die Bildaufnahme bezüglich der Position und Drehlage des Werkstücks relativ zum Greifer auswertet und die Steuerungseinrichtung die Bahn des Greifers in Abhängigkeit der Auswertung derart korrigiert, dass das Werkstück in der richtigen Position und Drehlage in die Ablegeposition übergeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Greifer auf seiner Werkstückaufnahmeseite eindeutige und ortsfeste Referenzmerkmale, insbesondere eine Referenzplatte mit Oberflächenmarkierungen, aufweist, welche sich in der Bildaufnahme neben dem Werkstück kontrastreich abzeichnen.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahme während der Vorbeifahrt des Greifers an der optischen Aufnahmevorrichtung an einer beliebigen Position erfolgt, in welcher sich der Greifer mit dem umzusetzenden Werkstück vollständig im Bildaufnahmebereich der optischen Aufnahmevorrichtung befindet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der Bildaufnahme durch mindestens eine Steuerungseinrichtung vorausberechnet und gesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem Zeitpunkt der Bildaufnahme der Greifer und das Werkstück impulsartig beleuchtet werden und dieser Beleuchtungsimpuls von kürzerer Dauer ist als die Bildaufnahmedauer der optischen Aufnahmevorrichtung.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmedauer in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Greifers beim Durchfahren des Aufnahmebereiches eingestellt werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Greifers beim Durchfahren des Aufnahmebereiches erfasst wird und diese Geschwindigkeitsinformation für die Ermittlung der Verschiebung und Verdrehung des ergriffenen Werkstückes relativ zum Greifer des Roboters verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Greifer auf einer geraden Bahn, welche orthogonal zur Achse der optischen Bildaufnahmevorrichtung verläuft, bewegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Greiferaufnahme des Roboters gegenüber der Achse der optischen Aufnahmevorrichtung des Roboters nicht drehbar ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter zwischen dem Zeitpunkt des Aufnehmens des Werkstücks und dem Zeitpunkt der Bildaufnahme keine Rotationsbewegung des Greifers ausführt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit die Bildaufnahme ausserdem bezüglich Masshaltigkeit, Unversehrtheit oder anderer Qualitätsmerkmale des Werkstücks auswertet und mindestens zwei Ablegepositionen vorhanden sind und die Steuerungseinrichtung die optimale Bahn des Greifers derart korrigiert, dass das Werkstück in der richtigen Position und Drehlage und in Abhängigkeit dieser zweiten Auswertung in eine der mindestens zwei Ablegepositionen übergeben wird.

12. Vorrichtung zum Umsetzen von einzelnen masshaltigen Werkstücken aus einer beliebigen Aufnehmeposition in mindestens eine tolerierte Ablegeposition mittels einem Roboter mit einem Greifer, wobei die Position und Drehlage eines umzusetzenden Werkstücks im Greifer nach dem Ergreifen dieses Werkstückes an der Aufnehmeposition nicht genau definiert ist, mit mindestens einer, zwischen Aufnehmeposition und Ablegeposition angebrachten, optischen Aufnahmevorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertevorrichtung zur Auswertung einer Bildaufnahme der optischen Aufnahmevorrichtung und eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Roboters vorhanden sind,

mittels welcher eine Bildaufnahme des Greifers mit dem ergriffenen Werkstück während der Verfahrbewegung des Roboters erfolgen kann und mittels welcher nach der Auswertung der Bildaufnahme die Verfahrbewegung des Roboters so korrigiert werden kann, dass das Werkstück vom Roboter lagerichtig in eine tolerierte Ablegeposition abgelegt werden kann.