CN101898356A

CN101898356A - 用于操作由机械手驱动的工具的附加工具轴的方法和装置

Info

Publication number: CN101898356A
Application number: CN2010101884302A
Authority: CN
Inventors: 安得鲁·史特罗布尔; 克里斯汀·逊勒; 金特·韦德曼
Original assignee: KUKA Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-28
Also published as: CN101898356B; KR101716498B1; US20100305757A1; US9616526B2; EP2298487A2; KR20100129207A; EP2298487A3; DE102009023297A1

Abstract

根据本发明的用于操作机械手的，特别是机器人(1)的，所驱动的工具(2)的附加工具轴(Z)的方法，通过机械手轴的轴位置(q1-q6)预先给出工具(2)的空间位置和/或方向，和预先给出、存储和/或显示工具轴的位置大小(f)，在此在位置大小(f)和起作用的工具轴的轴位置(e)之间实施自动转换。

Description

用于操作由机械手驱动的工具的附加工具轴的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于操作工具的附加工具轴的方法及装置，该工具由机械手，特别是机器人，驱动。

背景技术

例如，由US6,787,729 B2获知，焊把形式的工具通过六轴工业机器人驱动。在此工具-在机器人的工作范围的框架下-以任意长度和方向安装在笛卡尔空间中。附加的线性工具轴使得焊把的安装成为可能。US6,787,729 B2提出线性工具轴的控制可以集成在机器人的控制装置中，其也控制机械手轴。

由DE 10 2004 011 769 B3获知，用六轴工业机器人驱动远程激光头，它的燃烧宽度通过可移动的线性单元调节。在机器人的控制装置中嵌入一个程序，通过机器人手轴的运动来引导激光光束。DE 202007 018 689 U1也提出，激光光学系统通过变换机器人的轴的方法来修正激光的焦点位置。

迄今为止，关于通过机械手的控制装置来触发附加工具轴在实践中通常是这样进行的，即首先预先设定工具轴的预期轴位置，例如线性驱动器的位置或伺服电机的角度。这可例如在线通过所谓的训练(Teachen)或离线通过可编程代码进行。储存所预先设定的预期轴位置。在实施这种所储存的工作程序时控制装置读入所储存的预期轴位置，并根据这个预期轴位置控制诸如线性驱动器或伺服电机的致动器。

这种方法具有许多缺点，在远程激光焊接的例子中说明得很清楚。一方面，激光头的聚焦光学系统的燃烧宽度与所应用的激光的波长有关。假如现在为了工作程序的训练或检测而应用较弱的定位激光器，它的波长与工作操作中所使用的过程激光器存在差别，那么定位激光器在工件上的聚焦要求聚焦光学系统的驱动器的其他预期轴位置作为过程激光器的聚焦。另一方面，聚焦光学系统的燃烧宽度极其非线性地与聚焦光学系统的轴位置有关。假如例如燃烧宽度增加10mm，以在待焊接的工件上形成沉积物，那么这10mm不能在相应的预期轴线位置简单成比例地进行换算，特别是离线编程进一步使得这种精确地产生期望燃烧宽度的预期轴位置变得难以实现。

采用现有的控制装置，其提供直接预先设定的预期轴位置，然后在考虑工具的补偿和传动的情形下开始进行，所以不可能最佳地控制任意的工具轴，特别是这样的与轴位置或诸如激光波长的其他工具参数有非线性关系的工具轴。

发明内容

所以本发明的目的是改善机械手驱动的工具的附加工具轴的操作。

该目的通过具有权利要求1的特征部分所述的方法实现。权利要求13提供了一种装置，权利要求14或15提供了一种计算机程序或计算机程序产品，特别是存储介质或数据载体，用于实施权利要求1所保护的方法。从属权利要求涉及优选的改进方案。

根据本发明提出的是，机械手所驱动的工具的工具轴的位置大小和对其起作用的工具轴的轴位置进行自动转换。这样的自动转换例如可以考虑激光的波长或燃烧宽度和轴位置之间的非线性关系，进而使得机器人驱动的远程激光头的有利的训练成为可能。根据本发明的一个方面，过程相关的和直观的位置大小以这种方式应用在工作或计算机程序中，这使得编程变得容易，因为操作员现在可直接预先给出或编辑位置大小，例如燃烧宽度。根据本发明的另一方面，工具轴的相反的轴位置可以更过程相关的和更可见的方式表示位置大小。例如在训练的面的检验期间聚焦光学系统所精确占用的轴位置向燃烧宽度转换，这向操作员进行了显示。

机械手通常具有一个或多个，优选为至少六个机械手轴，例如，弯曲臂机器人或SCARA机器人的转动轴或龙门架机器人(Portalroboter)的线性轴。通过机械手轴的轴位置的预先给出可在空间中所期望的位置和/或方向安装一个机械手驱动的工具。该位置例如可通过相对于参照系统的笛卡尔坐标给出，该方向例如可通过相对于参考系统的例如通过相对于参照系统的欧拉角或万向角给出。轴的位置或轴位置可特别表示为围绕旋转轴的角度或沿着平移轴的偏差，也就是坐标值，其描述运动轴的自由度。机械手轴的轴位置通过机械手的向前运动描述工具的位置和方向。相反地，通过反变换或求解工具(例如激光光学系统)在机械手轴的轴位置的空间上向后运动期望的长度和/或沿期望的方向向后运动来描述，所以工具的空间长度和/或方向通过机械手轴的轴位置预先给出。

另一方面，机械手驱动的工具具有至少一个附加的工具轴，例如线性驱动或伺服电机的轴，可用来调节激光头的聚焦光学系统。这种附加的工具轴确定成，优选与机械手轴、工具的位置大小(例如激光头的燃烧宽度或它的燃烧点的距离)无关或解耦。

根据本发明的一个方面，这个位置大小自动地转换成起作用的工具轴的轴位置，并预先给出，特别是存储在计算机程序中。利用这种方法，位置大小本身，例如激光燃烧点至激光头的所期望的笛卡尔距离，可以以简单的方式预先给出，例如通过在训练期间如利用手动设备输入相应的值或者通过编辑所训练的或离线编程的控制装置的工作程序。根据本发明的另一方面，附加的或另外的工具轴的轴位置自动地转换成起作用的位置大小，并进行显示。利用这种方法，位置大小，例如激光燃烧点至激光头的笛卡尔距离，可以以直观的和特定过程的方式示出，所以使得工作程序的检验变得容易。

在本发明的一个优选的实施方式中，位置大小和对其起作用的轴位置的转换在机械手的控制装置中实施。在此在控制装置中安装了一种或多种硬件和/或软件技术的转换装置。在一个优选的实施方式中，当安装了相应的工具时，这样的转换装置可自动或手动激活。通过选择激活不同的转换装置或不同的转换装置的驱动模式，就可以控制不同工具的工具轴。

优选地，位置大小和对其起作用的轴位置的转换在机械手的驱动期间实施，以致在工作程序的设置、修改或检验时可利用，特别是可存储和/或显示直观的和/或过程相关的位置大小。

本发明特别优选的是，当位置大小与起作用的轴位置非线性地相关时，如同例如机械手驱动的激光头的聚焦光学系统的情形那样。

位置大小向起作用的工具轴的轴位置转换也可与一个或多个工具参数有关，如同例如聚焦光学系统的与波长有关的燃烧宽度的情形那样。在这种情况中，轴位置和位置大小的相互变化是不同的，以致特别是可特定过程地、直观地预先给出所期望的位置大小的变化或可特定过程地、直观地显示所出现的轴位置的实际变化。

特别地，当在机械手的控制装置中进行位置大小向起作用的轴位置的转换时，可在控制装置中监测工具轴的轴位置。在此例如可监测工具轴的轴位置是否在预先给定的范围内或是否超越禁止的的软件-终端开关，和/或轴位置关于时间的变化，特别是工具轴的轴速度或加速度是否处于预先给定的范围内或是否超越预先给定的最大值。优选地，这样现存的轴监测不可改变地保留在控制装置中。

在一个优选的实施方式中，所述转换与一个或多个工具参数有关。这例如可通过操作员预先给定。例如操作员可以选择是否执行机械手的定位或过程激光器。然后该转换基于波长，进而基于聚焦光学系统的轴位置和燃烧宽度之间的非线性关系进行。同样地，还可自动获知所驱动的工具和可选择的相应转换。

在一个优选的实施方式中选择性地预先给出、存储和/或显示位置大小或起作用的工具轴的轴位置。这提高了本发明的灵活性。例如操作员可在实施中选择是否直接显示轴值，即聚焦光学系统的位置，或者通过燃烧宽度间接地进行显示。为了生成计算机程序，也可不根据本发明的控制装置完成，而只能处理轴值本身，在另一个优选的实施例中也可选择性地预先给出，特别是存储，工具轴的轴位置。

附图说明

其他的优点和特征由从属权利要求和实施例给出。在此部分地示意性地图示出：

图1示出了根据本发明的一个实施方式的进行激光加工的机器人；和

图2示出了根据本发明的方法的流程。

附图标记列表

1-机器人

2-工具(激光头)

2.1-驱动器

3-激光器(定位或过程激光器)

3.1-第一(移动的)透镜

3.2-第二(固定的)透镜

4-工件

10-控制装置

11-转换装置

12-工具轴控制单元

20-数据载体

30-输入设备

d-透镜3.1，3.2的主平面的距离

e-轴位置(透镜3.1沿Z的位移)

f-位置值(燃烧宽度)

F-燃烧点

q1-q6-机械手轴

Z-工具轴

具体实施方式

图1示出了一个六轴弯曲臂机器人1，用黑色表示的它的驱动电机驱动水平旋转台相对于底座围绕转动角q1转动，摇杆(Schwinge)相对于水平旋转台围绕转动角q2转动，臂相对于摇杆围绕转动角q3转动和中央手相对于臂沿转动角q4-q6，即围绕成对正交的、每个均在一点切割的手轴转动。这些转动角或六个机械手轴的轴位置q1，....，q6确定远程激光头的空间位置和方向，特别是它的出射光瞳的笛卡尔坐标和它的光轴的方向。通过激光头的所期望的空间位置和/或方向的向后移动可确定机械手轴所属的轴位置(q1-q6)，从而预先给出机器人1的姿势。

远程激光头2具有激光光源3，其在未描述的变型中也可通过分开的，特别是固定的，激光光源的激光光线与光学导体，例如光纤光缆的耦合实现。为了聚焦激光光线，例如用于工件4的焊接或切割，燃烧点F显示远程激光头2具有可调节的聚焦光学系统，在图1中通过固定的第二透镜3.2和与此相对的可移动的第一透镜3.1表示。燃烧宽度f或燃烧点F与第二透镜3.2的主平面的距离根据下列的公式与工具参数λ和工具轴Z的轴位置e非线性地有关：

\frac{1}{f} = \frac{1}{f_{3.2}} + \frac{1}{f_{3.1} - d}

d＝d₀-e (1)

f_3.1＝f_3.1(λ)

f_3.2＝f_3.2(λ)

其中，燃烧宽度f_3.i表示透镜3.1或3.2的参数，与激光3的波长λ有关；并且

二个透镜3.1、3.2的彼此相对的主平面的距离d，其由相对于第二透镜的第一透镜的零位置d₀和沿着激光头2的工具轴Z的轴位置e得到。

为了聚焦，第一透镜3.1的轴位置，也就是它在光轴Z上的位置，利用工具2的线性-或伺服驱动2.1调节。

为了训练，激光头2装备有定位激光器3，并且安装在工件4上方所期望的位置和方向。随后例如通过输入设备30或通过工作程序的编辑，预先给出作为位置大小的燃烧宽度，燃烧点F位于工件表面上。这位置大小，例如在工作程序中或所调用的数据之一，存储在数据载体20上。

控制装置10，其一方面控制机器人1的六个机械手的轴，另一方面控制激光头2的工具轴Z，驱动器2.1因此得到轴位置e_ist和位置大小u，例如在此给出预期电流值，此外，控制装置10具有转换装置11和工具轴控制单元12。在此控制装置10具有界面，用于工具轴Z和其他可能附加的工具轴通过转换装置11而管理所执行的换算功能。

例如通过操作员输入或通过作为所安装工具的远程-激光头2的认知而激活用于工具轴Z或相应的驱动模式的转换装置11。另外，读入结构数据，该数据中存放函数关系(1)。根据定位激光器或过程激光器是否由机器人1驱动而在此设置用于波长λ的相应的值。

在执行完数据载体20上所存储的工作程序时，控制装置10得到预先给出的用于待调节的燃烧宽度的位置值f_soll。由此具有(1)和用于波长λ的相应值的转换装置11确定用于工具轴Z的轴位置e，也就是第一透镜3.1或驱动器2.1的预期位置。这个预期轴位置在工具轴控制单元12中向用于激光头2的驱动器2.1的控制指令u转换，控制单元12在图2中利用简单的比例调节器表示。

从而在工作程序中直观的和过程相关的位置值能够以所期望的燃烧宽度f预先给出、存储和编辑。控制装置根据所安装的激光器的波长和聚焦光学系统的非线性特征，将与所应用的激光器无关的位置值转换成有用的轴位置e，并对其进行变换。假如例如在定位激光器的位置现在仅使用实际的过程激光器，那么转换装置11用燃烧宽度f3.i(λ_{过程激光器})换算所存储的工具的预期位置值，也就是激光头2的燃烧宽度f，因此，尽管与用于在工件4上进行训练的定位激光器不同仍然进行聚焦。

如在图2中所表示的那样，附加地或另外地可以的是，根据(1)的驱动器2.1的实际轴位置e_ist向经调节的燃烧宽度f_ist转换，并在输入设备30上进行显示。在此操作员可优选地选择是否显示轴位置e_ist或位置值f_ist。

Claims

1.一种用于操作机械手，特别是机器人(1)所驱动的工具(2)的附加工具轴(Z)的方法，具有下列步骤：

通过所述机械手的轴的轴位置(q1-q6)预先给出所述工具的空间位置和/或方向；和

预先给出、存储和/或显示所述工具轴的位置大小(f)；

其特征在于，在位置大小(f)和工具轴的起作用的轴位置(e)之间进行自动转换。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述机械手的控制装置(10)中实施自动转换。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述机械手的执行期间实施自动转换。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述位置大小(f)非线性地与起作用的所述轴位置(e)有关。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述位置大小(f)与所述机械手的轴的轴位置(q1-q6)无关。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述位置大小(f)包括笛卡尔空间中的尺寸，特别是所述工作点(F)的距离或工作直线的方向。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述转换与工具参数(λ)有关。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述转换与所述工具有关，并且在此预先给出工具参数(λ)或可自动获知机械手所控制的工具。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，选择性地预先给出、存储和/或显示所述位置大小(f)或起作用的所述工具轴的轴位置(e)。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，监测所述工具轴的轴位置(e)。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述机械手具有至少六个机械手轴。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述工具具有激光头，特别是远程激光头(2)。

13.一种用于机械手，特别是机器人(1)的控制装置(10)，用于控制机械手轴的轴位置(q1-q6，e)和附加的工具轴，其特征在于，所述控制装置用于实施根据前述权利要求中的任一项所述的方法。

14.一种计算机程序，当其在根据权利要求13的控制装置中运行时，实施根据权利要求1-12中的任一项所述的方法。

15.一种具有程序编码的计算机程序产品，其存储在机器可读的载体上，并且包括根据权利要求14所述的计算机程序。