CN1070408C - 生产定位系统 - Google Patents

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Abstract

一种用来相对于一个工件对一个定位头进行定位的生产系统的定位方法。一种用来相对于一个工件对一个定位头进行定位的生产系统的定位设备,包括一个例如是机器人或机床的定位主体、定位主体的一个定位控制单元和定位控制单元的一个控制数据系统,其中设置所述控制数据系统以使其与包括至少一个记录装置的一个三维定位测量系统进行通讯,所述三维定位测量系统用来确定和调整空间中所述定位头的位置。

Description

生产定位系统
本发明涉及象用于工厂工业、测量系统、外科应用等的工业机器人应用这样的控制生产系统。本发明还涉及机床的控制应用。
本发明尤其涉及与所述应用的控制相结合的电光测量系统。
用于本发明定位方法和定位设备的大部分的分立元件已为人所知,但以前并未以本发明的方式把它们结合在一起。
例如,以前以一种类似于数控机床的方式控制人们所知的工业机器人的定位系统,即,定位控制单元接收来自控制数据系统的输入数值,随后该控制单元把有关三维空间中的位置、转速和其它运动的控制数据传输给带有其定位头的定位部件。
这种控制完全不依赖于工件的位置而进行。定位头的所有运动和位置都预先假定一个具有特定位置和特定尺寸的工件。因而该工件的固定与该工件所有部分的位置都为加工操作确定所达到的公差。例如,必须为温度变化、轴承的磨损和对于在工件和定位头之间最初确定的位置有负面影响的其它因素而进行调整。这在目前已知的系统中是一个不可忽视的缺点。
本发明的目的在于借助采用一种不具有目前已知系统的缺点的设备和方法控制用于象3D-图像系统、激光跟踪系统、干涉仪系统等这样的电光系统的各种作业的诸如上述的机器人或其它系统。
本发明的另一个目的是根据该方法并用本发明所披露的设备控制一个瑞典专利申请第8502327-3号中所限定类型的机器人。
本发明揭示了一种用来相对于一个工件对一个定位头进行定位的生产系统的设备,包括一个例如是机器人或机床的定位主体、该定位主体的一个定位控制单元以及该定位控制单元的一个控制数据系统,其中控制数据系统与包括至少一个记录装置的一个三维定位测量系统进行通讯,该三维定位测量系统用来确定和调整空间中定位头的位置。本发明还揭示了一种用来相对于一个工件对一个定位头进行定位的方法。
本发明的一个特殊的特征是相对于一个工件控制一个定位头。用作为本发明一部分的一个基本的定位测量系统实现该控制,该定位测量系统能够确定具有极高精确度的目标点的空间坐标,并能计算接到一个装有目标点的刚性主体上的其它机构元件的空间位置。
本发明中的控制数据系统能够确定一个定位头的实际位置和它的设定位置之间的位置差以便修改控制程序,并且还能根据要求控制定位头以便补偿这样的位置差。
设置记录装置以便确定定位头和工件之间的相对位置,记录装置可以例如用摄影测量法和/或3D-图像技术以便校准定位头的位置。
本发明的记录装置还能同时记录和确定空间中定位头的位置和工件的位置。
现在参照附图更详细地描述本发明。附图中,
图1表示按照本发明的生产定位系统;
图2表示按照供一个机器人用的本发明的生产定位系统;
图3表示按照图2的一个机器人的立体图。
该定位设备包括一个装有定位头2的定位主体1,由定位控制单元3以一个给定的加工量反复调节设置所述主体和头以便使它们到达一个任意位置。该定位设备还包括一个用来与定位控制单元3进行通讯的控制数据系统4。如图1中双向通讯箭头所示,在控制数据系统4与定位控制单元之间进行双路通讯。
定位主体1、定位头2、定位控制单元3和控制数据系统4以人们已知的方式组成一个传统的NC机床或传统的工业机器人。
按照图1所示本发明的实施例的定位设备还装有一个CAD系统5,该CAD系统5能直接向控制数据系统4提供控制数据。该控制数据系统4能够不通过这里所示的CAD系统而以许多其它方式接收作为输入数据的控制数据。
将一个三维定位测量系统接到用于双路通讯的控制数据系统4上,所谓三维定位测量系统指的是该系统能在记录装置中记录所测量的点,然后通过处理所记录的数据确定这些点的空间坐标。该定位测量系统能用来记录和确定空间中一个所测量点的位置。该测量系统要求置于工件上和/或位于定位头2上或其附近固定点的目标器件能被精确地测量。这些目标器件可以是能够通过电光仪器确定其位置的任意类型器件。例如,目标器件可以是反射目标表面、发光二极管、棱镜、刀具孔、球状体等。借助于这些目标器件,定位测量系统能够给定以加工量记录和计算目标器件位置的空间坐标,以便于能把该信息传输给控制数据系统4,控制数据系统4再与用于控制定位头2控制的定位单元3进行通讯。
把一个或多个记录装置7接到用于目标器件的空间坐标位置确定的定位测量系统6上。这些记录装置7可以由直接接到用来进一步计算空间坐标的定位测量系统上的电光仪器组成。这样,记录装置7每隔某个预定时间间隔就记录这些目标器件的位置以能进行所述的进一步计算。定位测量系统6或控制数据系统4还能够计算两个连续的记录和位置确定事件之间的差值,并且还能够借助定位控制单元3为此差值而调整定位头2。这就是说,实时,即,在加工操作进行期间通过定位设备调整例如因温度导致的工件位置相对于定位头2的位置的任何变化。
在图1中所示的实施例中,一个目标识别器8接到定位控制单元3上以便于在定位头2到达工件表面位置之前跟踪工件的表面,直接通过定位控制单元3为该表面位置的任何偏差来调整定位头2。因而该目标识别器8是该系统中的一个辅助调整装置。
这样,定位测量系统6就是一个用来确定定位头2相对于一个工件或一些其它参考坐标系的相对位置的电光系统。
该定位设备还组成一个控制系统,该控制系统向定位主体及其定位头提供对其路径的调整,并且/或者根据所要求的位置和所观测的位置直接计算修正的位置。
可以通过以下步骤描述按照本发明的定位方法。
步骤1:把目标器件固定到一个工件上和/或一个把该工件夹持在一个固定的相对空间位置上的元件上。
步骤2:借助某种记录装置确定来自这些目标器件的空间坐标。该器件可以由与以上所述相同的电光仪器或其它诸如坐标测量仪、经纬仪、激光跟踪器之类的测量仪器构成。
步骤3:把目标器件固定在待定位的物体和/或与待定位物体有一个固定关系的附件上。例如,对于一个钻孔操作来说,可以把目标器件固定在钻床主轴上或固定在与该钻床主轴有一个固定关系的附件上。
步骤4:通过外部测量仪器或通过上述电光系统,借助具体程序确定例如钻床主轴端部或待定位附件这样的物体上的目标器件之间的关系。
步骤5:例如象本实施例中3D图像系统这样的一个电光仪器采用根据步骤1和3固定的目标器件来确定某个坐标系中定位头的空间位置。然而,其它种仪器也可以。该坐标系可以是一个工作台的坐标系、一个夹具的坐标系、一个物体的坐标系,即,相对于该坐标系设置定位系统的工作坐标系,或者是某个其它坐标系。
步骤6:
过程1:在多个位置上执行步骤5,并计算定位头2的位置(即,机器人“认为”它所在的位置)与所测量的位置之间平均差值形式的调整值。这些调整值用来以通过这些位置限定但并不受它们限制的加工量来控制定位头2以调整空间位置。为此,可以修改机器人和/或机床控制程序并可以把调整值发送给机器人和/或机床。
过程2:通过用一个反馈环把定位头调节到其确切的位置,在该反馈环中一个如上所述的电光系统完成实时测量以便于控制定位头2。
于是进行记录、位置确定和调整,即,坐标确定之后是定位头2和空间工件的位置调整。
上述定位测量系统6可以是一个多头干涉仪系统,将该系统置于一个固定位置,并且该系统对生产头(production head)或如前所述的定位头2进行定位。
图2中示出一个本发明的具体实施例,其中定位主体由导言中提到的瑞典专利申请第8502327-3号中所述类型的机器人11构成。另外,定位设备和定位方法与上述那些相同。图2中所示的机器人11及其机器人定位头12与本发明一起组成高精度的机器人控制系统。
见图3,用作图2中定位主体的机器人11包括3个执行机构21,每个执行机构采取圆筒23中移动的活塞22的形式。通过图中未示的传统驱动装置在圆筒23中移动活塞22,该传统驱动装置可以是液压的或气动的或可以由一个螺钉和螺母结构组成或由液压系统工作液体组成。每个圆筒端部通过一个固定支架或机架25中的关节24固定。使圆筒23和活塞22相对于机架25沿所有方向摆动的关节24在此表示为一个万向接头,但是它也可以由任何适当类型的万向节构成。每个活塞22经一个类似的关节26接到机器人定位头27上。由于执行机构21的有效长度明确地确定了机器人定位头27的位置,所以沿一个想象的三角锥的边缘设置执行机构21并且通过移动各个圆筒23中的活塞22把机器人定位头27设定在期望位置上。该机器人包括上述定位控制单元3,该定位控制单元3把信号发射给使定位头移动到期望位置处的执行机构21。
由一个轴套210和一个作为枢轴装在轴套210中的主轴(图中未示)组成的手臂28从执行机构21之间的机器人定位头27对称伸出。轴套210与机器人定位头27刚性连接并包括两个装在该轴套一端的轴承,主轴作为枢轴可旋转地装在该轴套中。万向节211固定在机架25上处于沿假想的三角锥的对称轴位置上的一个区域中。万向节211有一个中心孔,该中心孔的截面稍大于轴套210的外径。轴套210穿过该万向节的中心孔并能置于相对于机架25和关节24的轴向方向上,然而该轴套210也能设置在相对于机架25有一个任意的夹角方向上,因而能沿径向调节轴套210并保护轴套210以免向关节24弯曲。轴套210足够长以便在机器人定位头27的整个运动范围内该轴套210总处于万向节211的中心孔内。
轴套210装有一个枢轴电动机(图中未示),该枢轴电动机的转向运动经适当的传输向主轴提供所需的转向运动。
通过机器人定位头27向外伸出的主轴末端支承一个由可由电动机操纵的抓取器械29构成的适当的操纵器械。可以借助于操纵杆在轴套210中轴向旋转运动并伸到轴套210另一端的外面来调节抓取器件并把它接到适当的操纵装置上。
在图3中,执行机构21之间的手臂28由一个主轴和轴套装置构成。但是,它也可以仅由一个作为枢轴装在万向节211和机器人定位头27中的主轴构成。执行机构的数目可以多于图中所示的三个,而且也不必绕手臂28对称设置它们。也可以把主轴安装成在轴套210中可替换。

Claims (9)

1.一种用来相对于一个工件对一个定位头(2,12,27)进行定位的生产系统的定位方法,包括一个定位主体(1,11)、所述定位主体(1,11)的一个定位控制单元(3)以及所述定位控制单元(3)的一个控制数据系统(4),其中所述控制数据系统(4)与一个包含至少一个记录装置(7)的三维定位测量系统(6)进行通讯,所述三维定位测量系统(6)确定和调整空间中所述定位头(2,12,27)的位置,其特征在于所述记录装置(7)借助能被精确测量的目标器件记录和确定所述定位头(2,12,27)相对于所述工件的空间位置,不仅可把所述记录装置和所述目标器件都放在所述工件上和/或与所述工件有一个固定且稳定关系的物体上,还可把这两者放在所述定位头上和/或与所述定位头有一个已知关系的器件上。
2.一种用来相对于一个工件对一个定位头(2,12,27)进行定位的生产系统的定位设备,包括一个定位主体(1,11)、所述定位主体(1,11)的一个定位控制单元(3)以及所述定位控制单元(3)的一个控制数据系统(4),其中设置所述控制数据系统(4)以使其与包括至少一个记录装置(7)的一个三维定位测量系统(6)进行通讯,所述三维定位测量系统(6)用来确定和调整空间中所述定位头(2,12,27)的位置,其特征在于设置所述记录装置(7)以借助能被精确测量的目标器件记录和确定所述定位头(2,12,27)相对于所述工件的空间位置,不仅可把所述记录装置和所述目标器件都放在所述工件上和/或与所述工件有一个固定且稳定关系的物体上,还可把这两者放在所述定位头上和/或与所述定位头有一个已知关系的器件上。
3.一种如权利要求2所述的定位设备,其特征在于所述记录装置(7)由一个电光记录器构成。
4.一种如权利要求3所述的定位设备,其特征在于所述记录装置(7)由一个多头干涉仪系统构成。
5.一种如权利要求3所述的定位设备,其特征在于在定位主体(1,11)的附近设置一个或多个电光记录装置(7)以使定位测量系统(6)能通过三角测量记录定位主体(1,11)和工件在空间中的位置。
6.一种如前述任意一个权利要求所述的定位设备,其特征在于一个工件识别器(8)接到所述定位控制单元(3)上。
7.一种如前述任意一个权利要求所述的定位设备,其特征在于所述记录装置(7)同时记录和确定空间中所述定位头(2,12,27)的位置和所述工件的位置。
8.一种如权利要求1或2所述的定位设备,其特征在于所述定位主体(1,11)是机器人或机床。
9.一种如权利要求3所述的定位设备,其特征在于所述电光记录器是3D图像系统或激光跟踪器。
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