CN105479469A - 用于自动机械的正交定位装置、系统和方法 - Google Patents

用于自动机械的正交定位装置、系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及自动地将工具定位在加工表面的所需位置处的正交定位装置，其包括：支承件(2)，支承件(2)适于沿着联接轴线(4)联接工具(7)；三个定位元件(3)，三个定位元件(3)围绕联接轴线(4)联接至支承件(2)；其中，三个定位元件(3)具有从支承件(2)伸出的端部(5)，从而限定大致垂直于联接轴线(4)的平面，用以使工具(7)与加工表面(8)正交地定位；并且其中，每个定位元件(3)均包括距离传感器(6)，距离传感器(6)能够测量至加工表面(8)的距离，用以将工具(7)定位在加工表面(8)的所需位置处。另外，本发明涉及正交定位系统以及用于使工具(7)与加工表面(8)正交地定位的正交定位方法。

Description

用于自动机械的正交定位装置、系统和方法
技术领域
本发明涉及用于将工具正交地定位于加工表面的用于诸如机器人之类的自动机械的正交定位装置、正交定位系统和正交定位方法。
本发明的一个目的在于提供能够确保工具相对于加工表面的正交位置的装置、系统和方法。
本发明的目的还在于在整个工具定位过程期间、以及在经受加工表面位置的任何意外变化的情况下为工具提供实时的正交位置。
本发明的目的还在于提供当先前的位置停止提供工具相对于加工表面的正交位置时能够将工具定位在新的位置的系统和方法。
本发明另外的目的在于提供简化的和紧凑的装置，该装置能够在受限的空间中使用工具，同时提供用于确保工具相对于加工表面的垂直度的节约成本的方案。
背景技术
在制造业中，机器人装置、系统和方法用于执行各种任务，比如定位工件、相对于工件定位工具以及利用工具组装工件。在这样的机器人系统中，对于工件制造和组装而言，工具相对于工件的加工表面的精确的定位是关键性的和至关重要的。
就此而论，常规的定位系统依赖于人工视觉系统来确定工具相对于加工表面的位置。工具的位置通常通过在加工表面上进行激光光斑检测来确定。此后，工具的位置被用于在所述加工表面的所需位置处建立工具相对于加工表面的新的正交位置。以此方式，工具的新的正交位置在工具与加工表面相接触之前建立。
因此，如果在工具与加工表面接触期间发生了任何变形，常规的定位系统则不能够校正偏移。
同样地，如果在加工表面上使用工具之前，加工表面经受了定位的意外变化，则常规的定位系统不能够对工具的位置进行校正。
因此，需要提供能够确保工具相对于加工表面的正交性的技术手段，该技术手段同时能够在工具使用时期的任何时间重新建立工具相对于加工表面的正交位置。
发明内容
本发明通过提供确保工具相对于加工表面的正交位置的用于诸如机器人之类的自动机械的正交定位装置、系统和方法来克服上述缺陷。
本发明的第一方面涉及用于自动地将工具定位在加工表面的所需位置处的正交定位装置，其包括：支承件，该支承件适于沿着联接轴线联接工具；以及三个定位元件，该三个定位元件围绕联接轴线联接至支承件。该三个定位元件具有从支承件伸出的端部，从而限定大致垂直于联接轴线的平面，用以将工具与加工表面正交地定位。每个定位元件均包括距离传感器，该距离传感器能够测量至加工表面的距离用以将工具定位在加工表面的所需位置处。
本发明提供一种装置，该装置构造成附接至工具，并且还构造成为所附接的工具提供相对于加工表面的正交位置。因此，本发明提供了简化的和紧凑的装置，这是因为除了包括适于联接工具的支承件外，还包括三个定位元件，该三个定位元件从所述支承件伸出，使得该三个定位元件的端部限定大致垂直于工具的联接轴线的平面。通过此构型，当装置搁置在加工表面上时，或者当三个定位元件在假设定位元件的伸出部分具有相同的长度的情况下与加工表面相等地间隔开时，装置能够为工具提供相对于加工表面的垂直位置。
另外，每个定位元件均配备有距离传感器，距离传感器能够测量至加工表面的距离。以此方式，装置允许提供精确的实时的位置，这是因为这样的位置是基于加工表面的当前位置的。因此，在任何情况下，此外当在已经执行了测量并且建立了工具位置之后加工表面相对于工具经受了偏移或未对准时，本发明所提供的位置均是可靠的。另外，工具定位的这种可靠性和精确性有助于获得通过自动生产的工件的更好的效果，提高了工件的质量。
本发明的第二方面涉及用于将工具定位在加工表面的所需位置处的正交定位系统，其中，该系统包括：机器人，该机器人具有以铰接的方式安装在机器人中的机器人手臂；工具，该工具沿着工作轴线连接至机器人手臂；以及机器人手臂控制器，该机器人手臂控制器构造成将机器人手臂定位在用于将工具定位在加工表面上的所需位置。根据本发明，该系统附加地包括如上文所限定的正交定位装置，其中，该装置连接至工具，使得装置的联接轴线与工具的工作轴线对准。附加地，本发明的机器人手臂控制器构造成：当装置的定位元件中的至少一者在工具被定位在所需位置时与加工表面相接触时，基于由装置所测量的距离将机器人手臂定位在新的所需位置，并且其中，新的所需位置使装置的三个定位元件能够与加工表面相接触，从而实现工具相对于加工表面的正交定位。
本发明的该第二方面提供了机器人系统，该机器人系统能够将工具定位在加工表面的新的位置处，使得在该新的位置处，工具相对于加工表面正交地定位。以此方式，系统使得对于在工具被定位在所需位置时加工表面经受了偏移或未对准的情况能够为工具重新建立相对于加工表面的正交位置。因此，本发明允许在加工表面上使用工具之前获得精确的以及实时的正交位置。
此外，系统通过将正交定位装置在轴向上连接至工具来确保提供相对于加工表面的正交位置。以此方式，由于装置被赋予了实现了这样的正交性的构型，故而通过仅仅将装置的三个定位元件放置成与加工表面相接触而确保了正交性。
本发明的第三方面涉及用于将工具定位在加工表面的所需位置处的正交定位方法，其中，工具沿着工作轴线连接至机器人手臂，其中，机器人手臂以铰接的方式安装至机器人，并且其中，该方法附加地包括如下步骤：
-提供如之前所限定的正交定位装置，
-将该装置连接至工具，使得装置的联接轴线与工具的工作轴线对准，
-当装置的定位元件中的至少一个定位元件在工具被定位在所需位置时与加工表面相接触时，机器人手臂控制器基于装置的距离传感器的测量值而计算用于将工具定位在加工表面上的新的所需位置，其中新的所需位置使得装置的三个定位元件能够与加工表面相接触，
-将工具定位在新的所需位置处。
本发明的第三方面提供由机器人执行的方法，其允许重新建立工具相对于加工表面的正交性。与系统类似地，该方法实现了在使用工具之前借助于连接至工具的装置提供精确的以及实时的正交位置。优选地，为了实现这样的精确的以及实时的正交位置，计算用于对工具进行定位的新的所需位置的步骤可以包括：装置的每个定位元件的每个传感器测量至加工表面的距离，并且装置的每个传感器将所测量的距离发送至机器人手臂控制器。
在另外的优选实施方式中，该方法还包括检查在将工具定位在新的所需位置处之后装置的三个定位元件是否与加工表面相接触。在定位元件中的至少一个定位元件与加工表面间隔开的情况下，该方法返回至计算步骤以便有效地为工具提供正交位置。以此方式，该方法在每次使用工具之前确保工具的正交性。
由于不再需要激光跟踪器和人工视觉系统，故而本发明允许减少成本。另外，由于本发明需要更少的时间对自动机械进行定位，因而本发明在制造时间方面作出了改进。
附图说明
为了更好地理解本发明，出于示例性以及非限制性的目的提供了以下附图，在附图中：
图1示出了根据本发明优选实施方式的正交定位装置的立体图。
图2示出了联接至准备在加工表面上使用的工具的图1中示出的正交定位装置的立体图。
图3示出了根据本发明另外的优选实施方式的正交定位装置的不同的立体图。
图4示出了根据本发明优选实施方式的正交定位系统的立体图以及示出了连接至机器人手臂的元件的详细视图。
具体实施方式
图1示出了正交定位装置1，该正交定位装置1包括支承件2以及三个定位元件3，支承件2构造成联接至工具(未示出)，三个定位元件3围绕联接轴线4联接至支承件2。三个定位元件3具有从支承件2伸出的端部5。这些端部5的最末稍端部限定了大致垂直于联接轴线4的平面。通过此构型，装置1在搁置于表面上时、并且尤其是在被定位在加工表面8上时能够提供正交位置。
装置1还设置有传感器6，传感器6用于使装置1能够提供精确的以及实时的位置。为此，每个定位元件3均包括能够测量至加工表面8的距离的距离传感器6。因此，该装置构造成能够在需要时提供每个定位元件3的空间位置。
图2示出了通过支承件2联接至工具7的装置1，使得装置1的联接轴线4与工具7的工作轴线12对准。提供装置1与工具7之间的固定联接、以及为工具7与装置1提供共用轴线，使得相对于加工表面8定位工具7的任务变得容易，这是因为以此方式，装置1相当于工具7的一体部分。
图3示出了根据另外的优选实施方式的正交定位装置1。如图所示，支承件2构造为单一本体，其附加地包括形成为本体的足部9的三个定位元件3。与图1和图2中示出的装置1相类似，足部9的端部限定了大致垂直于联接轴线4的平面以便为工具提供正交位置。以相同的方式，图3的装置1在每个足部9处均配备有能够测量从足部9至加工表面8的距离的距离传感器6。
优选地，如图3中所示，装置1具有三脚架形状，其具有管状本体以及环绕基部，该管状本体带有用于使工具(未示出)通过的中央孔口，该环绕基部具有环形部段，三个足部9从该环形部段伸出。
根据优选实施方式，距离传感器6放置在定位元件3的最末端5处。
优选地，定位元件3彼此等距地布置。
根据另外的优选实施方式，定位元件3具有大致相同的长度。
根据另外的优选实施方式，距离传感器6为电容式传感器或电感式传感器。
图4示出了根据本发明优选实施方式的正交定位系统的立体图以及详细示出了连接至系统的机器人手臂的元件的分解图。
如图所示，该系统包括：机器人11，机器人11具有以铰接的方式安装至机器人11的机器人手臂10；沿着工作轴线12连接至机器人手臂10的工具7；构造成将机器人手臂10在所需位置处定位在加工表面8上以便对工具进行定位的机器人手臂控制器；以及本发明的正交定位装置1。该装置1连接至工具7，使得装置1的联接轴线4与工具7的工作轴线12对准。
通过将正交定位装置1连接至工具7，仅仅将装置1的三个定位元件3定位成与加工表面8相接触，该系统就能够为工具7提供相对于加工表面8的正交位置。为了在工具使用时期的任何时间重新建立工具相对于加工表面的正交位置，机器人手臂控制器构造成基于通过装置1所测量的距离将机器人手臂10定位在新的所需位置处，其中这样的所测量的距离提供了工具的正交位置。
优选地，机器人手臂控制器还构造成确定将工具7定位在与通过装置1所测量的距离相对应的新的所需位置处所需的机器人手臂运动。
优选地，并且如图4所示，该系统包括工具转换器13，工具转换器13安装在工具7与机器人手臂10之间，使得能够将工具7连接至机器人手臂10。
优选地，工具7为钻削工具或铆接工具。
最后，并且为了能够适当地确保工具相对于加工表面的正交位置，所述加工表面必须是大致平坦的，使得该表面具有500mm的最大曲率半径。

Claims (14)

1.一种正交定位装置，所述正交定位装置用于将工具自动地定位在加工表面的所需位置处，其特征在于，所述正交定位装置包括：
-支承件(2)，所述支承件(2)适于沿着联接轴线(4)联接所述工具(7)，
-三个定位元件(3)，所述三个定位元件(3)围绕所述联接轴线(4)联接至所述支承件(2)，
-其中，所述三个定位元件(3)具有端部(5)，所述端部(5)从所述支承件(2)伸出以限定大致垂直于所述联接轴线(4)的平面，用以与所述加工表面(8)正交地定位所述工具(7)，以及
-其中，每个定位元件(3)均包括距离传感器(6)，所述距离传感器(6)能够测量至所述加工表面(8)的距离用以将所述工具(7)定位在所述加工表面(8)的所需位置处。
2.根据权利要求1所述的正交定位装置，其中，所述支承件(2)构造为单一本体，所述支承件(2)附加地包括形成为所述本体的足部(9)的所述三个定位元件(3)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的正交定位装置，其中，所述距离传感器(6)被放置在所述定位元件(3)的最末端部(5)处。
4.根据前述权利要求中任一项所述的正交定位装置，其中，所述定位元件(3)彼此等距地布置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的正交定位装置，其中，所述定位元件(3)具有大致相同的长度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的正交定位装置，其中，所述距离传感器(6)为电容式传感器或电感式传感器。
7.一种正交定位系统，所述正交定位系统用于将工具定位在加工表面的所需位置处，所述正交定位系统包括：
-机器人(11)，所述机器人(11)具有以铰接的方式安装在所述机器人中的机器人手臂(10)，
-工具(7)，所述工具(7)沿着工作轴线(12)连接至所述机器人手臂(10)，
-机器人手臂控制器，所述机器人手臂控制器构造成将所述机器人手臂(10)定位在所需位置处用以将所述工具(7)定位在加工表面(8)上，
其特征在于，所述系统还包括：
-根据前述权利要求1至6中任一项所述的正交定位装置(1)，其中，所述装置(1)连接至所述工具(7)，使得所述装置(1)的所述联接轴线(4)与所述工具(7)的所述工作轴线(12)对准，
并且，所述机器人手臂控制器构造成：当所述装置(1)的所述定位元件(3)中的至少一个定位元件在所述工具(7)被定位在所述所需位置处时与所述加工表面(8)接触时，基于通过所述装置(1)所测量出的距离将所述机器人手臂(10)定位在针对所述工具(7)的新的所需位置处，
-并且其中，所述新的所需位置使所述装置(1)的所述三个定位元件(3)能够与所述加工表面(8)接触，从而实现所述工具(7)相对于所述加工表面(8)的正交定位。
8.根据权利要求7所述的正交定位系统，其中，所述机器人手臂控制器还构造成确定将所述工具(7)定位在所述新的所需位置处所需的所述机器人手臂运动。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的正交定位系统，其中，所述工具(7)为钻削工具。
10.根据权利要求7至8中任一项所述的正交定位系统，其中，所述工具(7)为铆接工具。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的正交定位系统，其中，所述系统包括工具转换器(13)，所述工具转换器(13)安装在所述工具(7)与所述机器人手臂(10)之间用以使得能够将所述工具(7)连接至所述机器人手臂(10)。
12.一种正交定位方法，所述正交定位方法用于将工具定位在加工表面的所需位置处，其中，所述工具(7)沿着工作轴线(12)连接至机器人手臂(10)，其中，所述机器人手臂(10)以铰接的方式安装至机器人(11)，并且其中，所述方法的特征在于，所述正交定位方法包括如下步骤：
-提供根据前述权利要求1至6中任一项所述的正交定位装置(1)，
-将所述装置(1)连接至所述工具(7)，使得所述装置(1)的所述联接轴线(4)与所述工具(7)的所述工作轴线(12)对准，
-当所述装置(1)的所述定位元件(3)中的至少一个定位元件在所述工具(1)被定位在所需位置处时与所述加工表面(8)相接触时，机器人手臂控制器基于所述装置(1)的所述距离传感器(6)的测量值而计算用于将所述工具(7)定位在所述加工表面(8)上的新的所需位置，其中所述新的所需位置使得所述装置(1)的所述三个定位元件(3)与所述加工表面(8)相接触，
-将所述工具(7)定位在所述新的所需位置。
13.根据权利要求12所述的正交定位方法，其中，计算用于定位所述工具(7)的所述新的所需位置包括：
-所述装置(1)的每个定位元件(3)的每个传感器(6)测量至加工表面(8)的距离；并且
-所述装置(1)的每个传感器(6)向所述机器人手臂控制器发送所测量出的距离。
14.根据权利要求12至13中任一项所述的正交定位方法，其中，所述方法还包括：在将所述工具(7)定位在所述新的所需位置处之后，检查所述装置(1)的所述三个定位元件(3)是否与所述加工表面(8)相接触，并且在所述定位元件(3)中的至少一个定位元件与所述加工表面(8)间隔开的情况下，所述方法返回至计算步骤。
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