CN107771117B - 用铰接臂上的钻孔工具在静止工件表面钻孔的方法和设备 - Google Patents

用铰接臂上的钻孔工具在静止工件表面钻孔的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种借助钻孔工具在静止工件(W)表面钻孔的方法和设备，钻孔工具安装在铰接臂机器人(KR)端侧上并被空间定位，其中，钻孔工具定位在与预给定的加工地点距预给定间距的空间位置处；产生将铰接臂机器人(KR)的端侧支撑在工件上的并从工件表面可松脱的固定式机械式连接结构；朝加工地点移动钻孔工具，在铰接臂机器人(KR)的端侧与工件连接时钻孔工具与工件(W)相互嵌入；通过安装在铰接臂机器人(KR)的端侧上的NC进给单元使钻孔工具朝着工件(W)移动；基于使用传感器系统获得的信息监控上述钻孔进程，该传感器系统检测钻孔工具相对于工件表面的位置并且安装在铰接臂机器人(KR)的端侧上；在达到预定钻孔深度时终止钻孔进程。

Description

用铰接臂上的钻孔工具在静止工件表面钻孔的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于借助钻孔工具非常精确地在静止地支承的工件的、具有任何形状的表面中钻出钻孔(优选为盲孔形式)的方法和设备，所述钻孔工具安装在铰接臂机器人的端侧上并且能被该铰接臂机器人进行空间定位。
背景技术
铰接臂机器人(Knickarmroboter)广泛地用作多用途工业机器人，其运动学特性部件(Kinematik)由多个臂元件组成，这些臂元件以铰接的方式彼此连接以引导和定位例如为工具的端侧效应器，从而对工件进行加工。在这种类型的机器人的多种可能构造中，装备有连续运动学特性部件的机器人具有最高的机动性和灵活性，换言之每一臂元件仅连续地连接到另一臂元件。
公开文献WO 84/02301记载了一种典型的所谓的六轴竖直铰接臂机器人，其第一臂元件枢转地安装在底座一侧的端侧上，该底座绕着与竖直轴线相应的第一轴线可旋转地支承。枢转地支承第一臂元件所围绕的枢转轴线称作第二轴线且被定向为正交于第一轴线，即水平地定向。第二臂元件的一个端侧同样枢转地绕着第三枢转轴线连接到第一臂元件的与底座相反的一端，该第三枢转轴线定向成与第二轴线平行。最后，将绕着三条轴线可旋转地支承的中央手/直列式肘节(Zentralhand)安装在第二臂元件与第三轴线相对的端侧上，并且用于例如保持所述工具。
公开文献DE 10 2013 018 857 A1记载了具有两个并联运动学特性部件的另一铰接臂机器人，其中，该铰接臂机器人固定到可绕着第一竖直轴线旋转的底座并且具有一个接一个地布置成运动链的形式的两个第一臂元件，其中，第一臂元件安装在底座上从而可绕着定向为正交于第一轴线的第二轴线旋转，而第二臂元件安装到第一臂元件从而可绕着定向为平行于第二轴线的第三轴线枢转。直列式肘节安装在运动链的端侧上。为了绕着第二轴线枢转第一臂元件，设置第一线性致动器，其通过第一连杆与底座和第一臂元件均作用连接。为了绕着第三轴线枢转第二臂元件，设置第二线性致动器，其通过第二连杆与底座、第一臂元件和第二臂元件作用连接。这两个线性致动器都设计成心轴驱动器，并且均具有与螺杆形式的心轴相互嵌入的马达驱动的心轴螺母单元，该心轴支承成可绕着定向为平行于第二轴线的枢转轴线枢转。
所有已知的铰接臂机器人都具有彼此处于串联运动学连接的臂元件，由此提供了最高达几米的作用范围，但是这铰接臂机器人与机床相比具有较低系统刚度的问题，从而难于使用这种类型的工业机器人加工工件，这是因为加工过程产生的反作用力和力矩会导致遍及机器人的整个运动链的振动。所以，带来了加工速度和加工精度方面的限制。除上述与较低刚度有关的劣势之外，非常长的运动链的绝对精度也会较低，这仍会使得更加难于钻出极其精确的钻孔。但是，与机床相比，机器人的使用更灵活且成本更低，从而需要找到一种方式解决上述问题。
公开文献DE 10 2010 007 591 A1记载了一种具有位于可移动平台上的机器人的机床，借助该可移动平台可将加工机器人单独地定位在工件上，并且该机器人具有安装在其端侧上的加工工具。光学定位辅助用于确保机器人以及工具相对于工件的精准定向。然而，紧凑的、底盘推动的机器人系统不适合尺寸为几米的大型工件的有成本效益的高精度加工，这是因为每次重新配置操作所需的时间是过长的。
发明内容
本发明的任务在于提出一种用于借助钻孔工具非常精确地在静止地支承的工件的、具有任何形状的表面中钻出钻孔(优选为盲孔形式)的方法和设备，所述钻孔工具安装在铰接臂机器人的端侧上并且能被该铰接臂机器人进行空间定位，用以一方面能够实现铰接臂机器人所引导的钻孔工具相对于待加工的工件尽可能最快速且精确的定位，该工件的待加工的工件表面尤其可具有自由形状。另一方面，就质量和尺寸精度这两个加工要求而言，特别是在空间尺寸方面，加工工件相应于甚至超过铰接臂机器人的情况下，借助安装在铰接臂机器人上的钻孔工具对工件的加工还必须满足最严苛的加工要求。
方法权利要求1给出了实现本发明的目的的解决方案。权利要求17的主题在于提供一种用于借助安装在铰接臂机器人上的钻孔工具在静止地支承的工件的表面中钻出钻孔的设备。以有利的方式成为本发明构思的特征构成了从属权利要求的主题，并在下文中尤其参照示例性实施例进行描述。
本发明基于，至少在钻孔工具与工件相互嵌入(Ineingriffnahme)期间，(优选竖直的)铰接臂机器人的运动链附加地机械支撑在工件自身上，该运动链
与铰接臂机器人的尺寸和构型相关地可具有几米长(通常是2米至大约10米)的机器人臂或运动链作用范围，从而以这种方式使铰接臂机器人稳定。上述机械支撑通过铰接臂机器人安装有钻孔工具的端侧与工件之间的机械式连接结构得以确保。在实现了机器人的可预给定的机器人位置和钻孔工具相对于工件的预给定的方位定向之后，建立上述机械式连接结构。铰接臂机器人所引导的钻孔工具相对于工件的正确定位和方位定向借助于激光跟踪系统被检测并可选被校正，直至钻孔工具以高精度实现定位。除了工具相互嵌入外，通过在工件上进行表面加工期间在端侧对运动链进行支撑，使得由加工所引起的力和力矩不太能够引起沿着铰接臂机器人的振动，由此能显著改善品质以及钻孔进程的速度。通过对铰接臂机器人与工件之间的机械式连接结构适当地选定的弹性(elastisch)或弹动(federnd)构型，可有利地减少振动。
通过将铰接臂机器人的运动链的端侧以机械方式支撑在工件自身上，给所述铰接臂机器人提供了双侧固定的张紧机械系统，也即，一方面，铰接臂机器人被固定地夹持在机器人底座上，另一方面，通过根据本发明方案的可松脱的固定式机械式连接结构固定在工件上。这种机械式连接结构与工件的接触可通过纯粹由机器人力加载的、松的面接合或摩擦锁合式接合乃至活性附着式面接合得以实现，在所述活性附着式面接合的情况下，以气动方式或者以磁方式产生的保持力有助于形成到工件上的机械式连接结构的可松脱的固定附着。
在表面加工期间对铰接臂机器人的运动链进行尽可能稳定且少振动地支承可确保：将工件以静止且稳定的方式支承。根据待加工的工件的尺寸、重量和结构，以相应的措施(Vorkehrung)将工件以稳定的方式支承，从而能够完全吸收在表面加工期间由铰接臂机器人作用到工件上的力和负载力矩。对于工件而言适用的是，要么借助于相应的保持和/或固定措施以稳定的方式支承工件，要么确保工件具有足够大的惯性质量以至于即使在表面加工期间其重力也能保证自身稳定的、静止的支承。
根据本发明的方法和相关的设备优选适合于加工非常大的且非常重的工件，例如飞行器构造和造船中所涉及的工件。譬如，在飞机机身上的或者在用于驱动例如集装箱船的大型船舶的船舶螺旋桨或船舶推进器上进行相应的表面加工。这种类型的船舶推进器的推进器直径是几米、通常是4米至12米之间，并且具有毫无疑问能满足上文所述静止稳定支承要求的、为了借助铰接臂机器人所引导的钻孔工具实现表面加工的自重。
如果要在船舶推进器不被提升或翻转的情形下在大型工件中(该工件表面的至少一部分具有自由形状)以预给定的钻孔深度在预给定的加工地点处钻出钻孔，则可认为竖直式铰接臂机器人尤其能很好地适用于执行这种工件加工任务，这是因为用于引导工具的铰接臂机器人能被建造成具有相应的大尺寸。DE 10 2013 018857A1记载了装备有两个臂元件的优选铰接臂机器人，这两个臂元件通过枢转铰链相互连接，并且每个臂元件可具有多达5米的臂长。这种已知的竖直式铰接臂机器人已被特别地设计成适于执行和实施根据本发明的方法，为了解决与引导和空间上定位工具的机器人系统的设计相关的问题，可参照上述文献公开的全部内容。
为了借助钻孔工具执行在静止支承的工件(例如上文描述的船舶推进器)上的、根据本发明的钻孔进程，必须执行下述的方法步骤，其中，钻孔工具安装在铰接臂机器人的端侧上并且被该铰接臂机器人进行空间定位。首先，将由铰接臂机器人所引导的钻孔工具定位到相对于工件的、以可给定的间距与工件表面上的预给定的加工地点相对的空间位置处。为此，将铰接臂机器人和待加工的工件相对于彼此支承，以确保该铰接臂机器人所引导的钻孔工具能够到达工件表面上的各个预给定的加工地点上。
根据本发明，在对铰接臂机器人所引导的钻孔工具以过程监控的方式进行相应定位(这将在下文进行描述)之后，在工件表面与铰接臂机器人之间产生可松脱的固定式机械式连接结构，这促成铰接臂机器人的端侧的一侧相对于工件固定夹持(Einspannung)。
在接下来的过程中，在铰接臂机器人的端侧与工件连接期间，通过将钻孔工具接近加工地点从而进行表面加工，并且随后将钻孔工具与工件在加工地点处相互嵌入。
在完成钻孔之后，将机械式连接结构进行松脱，并且将铰接臂机器人所引导的钻孔工具远离于加工地点且必要时可相对于工件重新定位。
为了实施根据本发明的方法，所述铰接臂机器人装备有用于对安装在铰接臂机器人上的钻孔工具进行空间定位和方位定向的控制单元，从而只有借助于铰接臂机器人的机器人运动学特性部件才能将铰接臂机器人所引导的钻孔工具快速地靠近与加工地点间隔开地对置的空间位置。
优选地，这种快速地定位和靠近进程优选是基于对描绘待加工工件的空间形状的二进制数据组、基于工件表面上的预给定的加工地点、以及基于配属于钻孔工具的工具中心点得以实现，其中，对铰接臂机器人所引导的钻孔工具以及工件表面上的预给定的加工地点的相对空间位置进行测量技术方面的检测和监控。为了在测量技术方面检测工件与铰接臂机器人所引导的钻孔工具的相对空间位置，采用无接触地工作的跟踪系统(例如激光跟踪系统)，该跟踪系统非常精确地产生至少一个描绘工件空间位置的工件坐标系(WKS)以及描绘机器人的空间位置的机器人坐标系(RKS)，其中，这两个坐标系在空间上相互关联。
另外，间距传感器系统优选在没有接触的情形下起作用并且布置在铰接臂机器人的运动链的端侧区域中，该间距传感器系统检测出铰接臂机器人所引导的钻孔工具与工件上的加工地点之间的间距。除了检测出精确的间距之外，这种间距传感器系统优选还能够检测出钻孔工具相对于加工地点的区域中的工件表面的空间位置，从而能够核查并且必要时校正被安装在铰接臂机器人的端侧上的并且被该铰接臂机器人定位到空间位置上的钻孔工具相对于工件表面的空间方位，从而钻孔工具能够在该空间位置处自动地占据可预给定的额定方位。此外，对定位在所述空间位置处的钻孔工具的上述方位核查，也可以结合或者可替换地基于借助所述激光跟踪系统所获得的空间及方位信息得以执行或者至少得以支持。也可以采用现有的传感器系统检测出在表面加工期间由加工过程所引起的、与额定方位的偏差，该偏差为了方位补偿和/或钻孔进程评估而得以使用。因而，例如可从传感器信号推断出机器人所引导的钻头的钻孔深度。
除了无接触地工作的间距传感器系统(优选呈三个独立安装的激光跟踪器的形式)之外，在机器人臂端部上安装有固定式机械式连接结构(优选呈至少一个线性致动器形式)，用于建立铰接臂机器人被支撑在工件的一侧上的并且在工件表面上可松脱的固定式机械式连接结构。所述至少一个线性致动器(优选构造成可伸缩形式)具有布置成面向工件的接合器件(Fügemittel)。所述接合器件以其尽可能大面积地贴靠到工件表面上。在第一实施例中，所述接合器件仅以力加载的方式由仅借助铰接臂机器人产生的压紧力所决定地与工件表面接触，以建立纯机械的摩擦接合结构。在另一优选的实施例中，附加的保持力能够将所述至少一个线性致动器的接合器件固定在工件表面上。可控的磁式或气动式力单元适合于产生上述附加的保持力。如接下来参照示例性实施例所描述的那样，特别有利的是，借助于三个单独的线性致动器在铰接臂机器人与工件之间形成机械式连接结构，这些线性致动器能相互独立地激活和偏转，由此能够实现机器人臂的端侧相对于工件的稳定放置，这种稳定放置尤其能可靠地避免了机器人运动学特性部件(Roboterkinematik)相对于工件表面的横向漂移或打滑。
特别地，在加工大型工件(例如船舶推进器、飞行器部件等)时，已经发现的是，由于来自安装在机器人臂端部上的机械式连接单元的以力加载形式的压紧力，工件可能经受由支承引起的变形和/或方位变化，这可能最终导致钻孔工具相对于工件上的期望钻孔位置的错误定位。为了避免这种错误的偏差，优选的方法变型在于：在工件上实施钻孔进程之前，以力加载的方式将承载铰接臂机器人的连接单元布置在工件的代表性表面区域上或者布置在钻孔位置的区域中，用以确定：是否发生和以何种程度发生这种由力引起的工件错误定位。随后，借助于所述激光跟踪系统对工件进行精确的空间测量，其中，这些精确的空间坐标能够由设置在工件的不同表面区域上的、可由所述激光跟踪系统检测出的、优选三个测量标记求取到。借助铰接臂机器人以力加载的方式靠置在工件上期间对工件的精确方位检测，可借助于所述激光跟踪系统检测出工件侧上的钻孔位置与安装在机器人上的钻孔工具之间的可能偏差。为了起到校正作用，考虑到已确定的方位校正，将铰接臂机器人连同安装在其端侧上的连接单元相对于工件重新定位，以便开始钻孔进程。
在这方面可认为上述操作方式是特别有利的，这是因为这样不仅能在实际钻孔进程之前检测出工件侧的方位变化偏差，而且也能探测到机器人侧的变形。原则上可能的是，在实际钻孔之前，在每个钻孔位置上执行铰接臂机器人到工件上的纯压靠进程(Anpressvorgang)，用于检测出可能的错误定位。但是，在执行整个钻孔操作时，这会花费额外的时间。同样可能的是，在执行一定数量的钻孔进程(这些钻孔进程可在不同的钻孔位置上执行，这些不同的钻孔位置在工件的表面上彼此在空间方面靠得很近)之前，通过将铰接臂机器人的连接单元在钻孔的区域中一次性以力加载的方式进行按压，能够检测出可能的错误定位。随后，在考虑到事先一次性确定的错误定位以及由此推导出的方位校正的情况下，可不间断地执行多个钻孔进程。为了钻孔，在工件表面上可松脱的机械式连接结构被建立之后，运行所述钻孔工具，并且将所述钻孔工具以过程监控的方式朝着工件表面行驶。一般而言，也能够以这种方式在工件表面上进行钻孔、铣削、削切、研磨或其它磨削加工进程。在下文中将描述高精度钻孔的执行，其中，采用了钻头/钻机(Bohrer)，该钻头/钻机借助于安装在铰接臂机器人的端侧上的NC进给单元朝着工件行驶。以过程监控方式的钻孔进程一旦达到预给定的钻孔深度就停止。
附图说明
下文将使用实施例并参照附图示例性描述本发明，而不会限制整体性的发明构思。在附图中：
图1：在船舶推进器中钻出钻孔的设备；
图2a,b,c：安装在铰接臂机器人的运动链的端侧上的钻机主轴设备的不同侧的视图，所述钻机主轴设备具有用于与工件产生机械式连接结构的连接单元；
图3：处于力作用下的船舶推进器；
图4a,b：处于停机状态以及加工状态下的船舶推进器；
图5：定位在工件表面上的钻孔设备；和
图6-8：钻孔工具对工件表面的接近进程。
具体实施方式
图1示出了待加工的船舶推进器形式的工件W，该工件W将在预给定的一些加工地点要设置钻孔。由于工件W的尺寸以及主要由自由形状的表面组成的表面的原因，对工件后续加工仅适合采用唯一装置为竖直式大型铰接臂机器人KR，在该铰接臂机器人KR由两个臂元件2,3组装而成的运动链的端侧上安装有钻孔设备B。在文献DE 10 2013 018 857 A1中全文描述的铰接臂机器人KR装备有机器人臂，该机器人臂固定在可绕着竖直轴线旋转的底座1上。机器人臂具有两个以运动链的形式相继布置的臂元件2,3，其中，第一臂元件2绕着定向为正交于竖直轴线的第二轴线可枢转地支承在底座1上。第二臂元件3绕着定向为平行于第二轴线的第三轴线可枢转地安装在第一臂元件1上。直列式肘节4安装在运动链的端侧(即第二臂元件3的终端)上，钻孔设备B通过承载框架安装在该直列式肘节4上，下文将更详细地描述所述承载框架。为了说明铰接臂机器人KR的其它构件可参照先前引用文献中的公开内容。同样能安装另一臂元件(未示出)至直列式肘节4，而不是钻孔设备B。该另一臂元件优选装备有伸缩式延展机构，从而能够伸展到所需的臂长。钻孔设备B可安装在该附加伸缩臂元件的端部上。
竖直铰接臂机器人KR的臂元件2,3可分别具有2.5至3.5米之间的臂长。这表明了铰接臂机器人KR所能达到的足够大加工范围，从而能借助于安装在铰接臂机器人KR的端侧上的工具对结构高度为几米的工件W进行表面加工，而不需要移动工件W本身。
为了进行表面加工，首先需要检测到待加工的工件W和铰接臂机器人KR(尤其是安装在铰接臂机器人KR的端侧上的工具，在本实施例中是钻孔设备B)的空间布局。为此，设有例如以激光跟踪器LT形式的无接触式加工的空间分辨的对象检测系统。借助于恰当地安装并且形成在工件W上的标记M1，激光跟踪器LT能够获取到定义出工件W的空间方位的工件坐标系WKS。以相同的方式，激光跟踪器LT能够借助固定配属于铰接臂机器人KR的标记M2产生属于铰接臂机器人的机器人坐标系RKS，该机器人坐标系也能用于确定出固定至铰接臂机器人KR的钻孔设备B的空间方位。
将激光跟踪器LT检测到的工件坐标系以及将机器人坐标系传送至控制单元S，在该控制单元S中，这两个坐标系被相互关联。
在预给定出定义了在工件W的工件表面上要钻出钻孔的加工地点的空间坐标的情况下，铰接臂机器人KR将固定在其上的钻孔设备B定位在与工件表面上的预给定的加工地点相对的且距该预给定的加工地点一预给定的间距的空间位置处。借助于铰接臂机器人的运动学特性部件，能够非常快速地实现定位进程。在完成定位之后，借助于激光跟踪器LT检测并检查出钻孔设备B的当前空间位置，尤其是配属于该钻孔工具的工具重心的空间位置。在确定出偏离了预给定的额定位置的情形下，铰接臂机器人KR相应进行补偿调节。可多次进行补偿调节进程，直至到达精确的空间位置。
如果钻孔设备B处于与工件表面上的加工地点相对置的正确空间位置，则进行钻孔设备B与工件表面之间的间距测量检测、以及加工地点处的工件表面相对于钻孔设备B的取向或空间方位的测量检测。
为了这个目的，围绕钻孔设备B和/或在钻孔设备B上安装(优选三个独立的)激光间距传感器。基于激光间距传感器所检测到的间距值，能够准确地将钻头纵轴线与加工地点处的工件表面正交地定向。
为了说明安装在铰接臂机器人KR的直列式肘节4上的钻孔设备B，下文将参照从不同角度示出钻孔设备B的图2a-c。图2a和2b以两个不同的侧视图示出了钻孔设备B，图2c采用钻头纵轴线从下方轴向地描绘出钻孔设备B。以下标记同等地适合于图2a-2c这三幅图。
承载框架5固定地布置在第二臂元件3的端侧处设置的直列式肘节4上，钻孔进程所需的多个部件安装在该第二臂元件3的端侧上。在其它方面，三个激光间距传感器6间接地与承载框架5固定地连接，这些激光间距传感器6能够检测承载框架5的空间方位以及其距工件表面的间距。
在钻孔设备B以过程监控的方式在空间位置处已占据与工件W对置的正确方位之后，激活被安装在承载框架5上的连接单元，从而在承载框架5与工件W之间产生机械式连接结构。
在图2a-c所示的实施例中，连接单元包括安装在承载框架5上的三个线性致动器7，这三个线性致动器7都装备有可由电动地、液压地或气动地操作的伸缩(即长度可变的)机制。对于图2a-c所示的实施例而言，每个线性致动器7均由气动式升降缸单元组成，该气动式升降缸单元的气动缸7.1能分别借助于阀控式气动单元7.2改变长度(参见图2a,b中所示的双箭头)。
在气动缸7.1的与承载框架5背离的端部上安装有分别以气动方式借助于负压可激活的、构造成真空吸抓取器的接合器件8。真空吸抓取器优选通过球窝接头与气动缸7.1的端部连接，以便由此在与表面接触的情况下能够自动地实现正确的接触方位。这三个线性致动器7还如此绕着居中设置的钻孔工具10布置，从而钻孔工具10位于通过这些线性致动器7所撑开的等边三角形的面重心处，参见图2c中的点划线。
为了在运动学机器人KR的第二臂元件3与工件W之间形成机械式连接结构，气动缸7.1单个地并且以非常小的增量且相互独立地伸展，直至构造成真空吸抓取器的接合器件8触碰到工件表面。为此，气动缸7.1通过在气动单元7.2上设置的比例阀以微小的超压进行伸展，直至已正在抽吸的真空吸抓取器触碰到工件表面并且紧固在该表面上。这避免了钻孔设备B由于铰接臂机器人KR系统中存在的不同刚度而引起的漂移(Auswandern)。
随后，增大这些接合器件8附着在工件表面上的机械式按压力。为此，通过气动单元7.2上设置的比例阀P调节设定较高的压力，由此承载框架5和所有与其牢固连接的部件被张紧在工件与铰接臂机器人KR的运动链之间。
在接下来的步骤中，停用气动缸7.1，以使得它们仅能起到张紧弹簧(gespannteFedern)的作用。此时，铰接臂机器人KR的整个运动链以及承载框架5连同在其上固定的所有部件以在单侧上被固定附着在工件表面上的方式被支撑，其中，这种单侧夹紧结构构成弹性弹动式支承结构，由此抑制了加工过程引起的、可能传递到运动链上的振动和摆动。
在下一步骤中，测量出激光间距传感器6与工件表面之间的大致间距。
与承载框架5固定连接的钻孔设备B包括驱动该钻头10的主轴钻机9。钻头10借助于NC-进给单元11以尽可能高的速度尽可能靠近工件表面地移动。此时，随后实现钻孔进给(Bohrvorschub)，直至钻头10与加工地点处的工件表面之间形成表面接触。钻头10以过程监控的方式以相应预给定的转速以及进给速度被向前驱动到工件中，直至实现确定的预给定的钻孔深度。所述过程监控以传感器监控的方式实现，例如通过检测出NC进给单元11和/或主轴钻机9的发动机处的有效功率，或者借助于适当安装的加速度传感器或力传感器。固定安装在承载框架5上的间距传感器6也检测出钻孔进程期间的承载框架5与工件表面之间的间距，从而使该间距保持恒定。如果钻头进给使得承载框架5回缩(Zurückweichen)，则这会被激光间距传感器6检测到并能够直接得以补偿。
也能够借助上述的监控参数来检测出钻头损坏，从而能快速停止钻孔进程。
如果已经达到所期望的钻孔深度，则钻头10借助NC进给单元11回拉，并且将真空吸盘8从工件表面松脱。铰接臂机器人KR于是将钻孔设备B移至工件表面上与另一加工地点相对的新空间位置。
图3示出了图1中所示的呈船舶推进器形式的工件W的侧视图，该工件W支承在电机驱动的旋转平台12上，从而能够实现绕着竖直轴线Z的受控旋转以及实现船舶推进器相对于侧向布置的铰接臂机器人KR(图3未示出)的由此可能的定向。例如，如果要在船舶推进器的可竖直从上方触及到的表面钻出钻孔，则钻孔设备B要定位在钻孔位置的上方，并且气动缸7.1与推进器叶片的表面正交地行进并且以真空吸盘8与该表面接触，参见图2a,2b。在该过程中，产生正交于推进器表面取向的压紧力PA，该压紧力由对船舶推进器起作用的竖直力PV和水平力PH构成。由于推进器叶片的倾斜位置，因此水平力PH特别是产生绕着竖直轴线Z的转矩D，由于旋转平台12中可能的轴承间隙，因此该转矩D可能会导致船舶推进器旋转。除了由铰接臂机器人所施加的压紧力PA，旋转方向以及转矩的大小与推进器叶片的地点和倾斜状态相关。
钻孔位置的坐标大体上是已知的，并且呈现为上文描述的工件坐标系WKS中的点坐标集，其中，工件坐标系WKS借助于激光跟踪器LT在静止的工件W上已经被记录。只要工件在加工期间没有经历方位变化，则驱控所述铰接臂机器人的控制单元能够提供钻孔工具相对于钻孔位置的非常精确的定位。
在船舶推进器发生加工导致的方位改变(例如由于如上文所述绕着竖直轴线Z旋转)的情况下，工件坐标系WKS'也会改变，从而此时使得已知的钻孔位置坐标不再与方位改变的工件坐标系WKS'匹配。这在图4a,b中进行了描绘。在图4a中，工件坐标系WKS中的额定钻孔坐标Bsoll和实际钻孔坐标Bist是相同的。在图4b中，由于船舶推进器已经发生旋转，额定钻孔坐标Bsoll和实际钻孔坐标Bist不再相同，这是因为最初的工件坐标系WKS在铰接臂机器人的压紧力作用下转变为新的工件坐标系WKS'。
为了校正这种错误定位，在铰接臂机器人压靠着船舶推进器的表面的状态下测量和确定出工件坐标系。可基于当前接收到的工件坐标系采用例如从CAD系统获得的已知钻孔坐标。
可单独对工件坐标系的单次测量(Einmessen)过程，或者在每次单个钻孔进程之前分别通过使钻孔设备压靠在当前的相应钻孔位置上执行所述测量过程。通过这种方式，可以完全消除由于方位改变所引起的错误。
如果完成上文描述的定位进程，则尤其对于不平坦的工件表面已经发现在钻孔进程中仍会发生在可完成的所期望的钻孔深度(所谓的额定钻孔深度)方面的不利误差。优选的钻孔策略用于消除在不平坦的工件表面上钻孔时的误差，这将参照图5-8进行描述。
图5示出了精确定位在工件表面WO上的钻孔设备B。激活使钻孔工具10旋转的主轴钻机9，NC进给单元11在工件表面WO上方快速(200mm/s)行驶直至约10mm为止。由于不完全了解工件表面WO准确的构造特性
Figure BDA0001493050540000111
，因而存在不确定性。完全可想到工件表面WO具有局部的突起E。如果该突起E例如大于10mm，则在钻孔工具10以如此高的速度与工件表面WO碰撞的情形下钻孔工具10将会折断。
为了解决这个问题，采用钻孔设备B上的三个激光间距传感器6测量距工件表面WO的间距，参见图6。由于所述表面的曲率也是不知道的，因此在此采用例如10mm的估算值作为偏移量(Offset)。所有三个传感器都借助于激光射束L测量距工件表面WO的间距。随后进行合理性
Figure BDA0001493050540000112
检查；如果这顺利完成，则从上述三个测量的间距值中求取到平均值。从平均间距值GA中减去所述偏移量，用以考虑可能的表面曲率，从而获得第一行进区段13，钻孔工具10沿着该第一行进区段以例如200mm/s的行进速度快速行驶。当钻孔工具10接近偏移量(相当于第二行进区段)的区域时，钻孔工具10仅以大约6mm/s的常规钻孔进给速度行驶。基于运行安全和商业原因重要的是，将平均间距划分成两个区段以获得尽可能短的钻孔进程，这是因为钻孔工具10以降低的钻孔进给速度(大约仅6mm/s)行进越久，则整个过程持续时间越长。例如，如果钻孔工具10以仅6mm/s的速度沿着整个第一区段(例如24mm)行驶，则每个钻孔的形成将比上文描述的情形多花费4秒。
在偏移量区域以内，钻孔工具10以钻头进给速度行驶，直至钻孔工具10接触到工件表面WO。通过主轴钻机9的电动有效功率，对第一次接触进行监控。如果有效功率超过特征阈值，则认为已被识别出。在该情形下，向控制器发送数字信号。该信号促成将所有三个激光间距传感器6“归零”设置，由此使得随后仅测量钻孔工具10到工件W中的刺入，参见图7。如果达到扣除掉制动到零所需的路径X的期望钻孔深度SBT，则才将进给减速至完全的停止，并且然后在驶出方向上加速。
通过根据本发明的用于加工静止地支承的工件的表面的方法以及与之关联的设备，能够以非常高的精度在任意弯曲的工件表面上钻出钻孔，并且这能够几乎完全独立于铰接臂机器人系统的刚度和绝对精度。除上文描述的根据本发明的在工件中钻出钻孔之外，铰接臂机器人还可以装配有铣削、研磨或削切工具。进一步地，可采用上文记载的加工方法以高精度的方式在工件上进行接合进程，例如旋拧进程、铆接进程、焊接进程、或者粘接进程。
附图标记列表
1 机器人底座
2 第一臂元件
3 第二臂元件
4 直列式肘节/中央手
5 承载框架
6 激光间距传感器
7 连接单元，线性致动器
7.1 气动缸
7.2 气动单元
8 接合器件
9 主轴钻机
10 钻头
11 NC进给单元
12 旋转平台
13 第一间距
D 转矩
Z 竖直轴线
A2 第二轴线
B 钻孔设备
KR 铰接臂机器人
GA 平均间距值
M1 标记
M2 标记
S 控制单元
W 工件
WO 工件表面
LT 激光跟踪器
L 激光射束
P 比例阀
PA 压紧力
PH 水平力
PV 竖直力
SBT 额定钻孔深度
WKS, 工件坐标系
WKS'
X 制动路径

Claims (16)

1.一种用于借助钻孔工具在静止地支承的工件的表面中钻出钻孔的方法，所述钻孔工具安装在铰接臂机器人的端侧上并且能够被该铰接臂机器人进行空间定位，所述方法包括以下方法步骤：
-基于描绘待加工工件的空间形状的二进制数据组、基于工件表面上的预给定的加工地点、以及基于配属于工具的工具中心点，将铰接臂机器人所引导的钻孔工具定位到以预给定的间距与工件表面上的预给定的加工地点相对置的空间位置上，其中，借助于无接触式跟踪系统在测量技术方面对铰接臂机器人所引导的钻孔工具相对于在工件表面上的预给定的加工地点的空间位置进行检测和监控，所述无接触式跟踪系统生成至少一个工件坐标系(WKS)以及机器人坐标系(RKS)，所述工件坐标系描绘出工件的空间位置，所述机器人坐标系描绘出铰接臂机器人的空间位置，并且所述工件坐标系和所述机器人坐标系在空间上相互关联；
-建立构造为固定式夹持结构的类型的固定式机械式连接结构，该固定式机械式连接结构将铰接臂机器人的端侧支撑在工件上，并且该固定式机械式连接结构能从工件表面松脱；在所述固定式夹持结构中，铰接臂机器人在一侧支撑在工件表面上并且吸收沿着铰接臂机器人起作用的力和力矩，借助安装在铰接臂机器人的端侧上的、以非常小的增量的至少三个线性致动器，在铰接臂机器人以其它方式被定位以及静止的情况下，所述至少三个线性致动器与工件表面间接和/或直接接触，并且
-在铰接臂机器人的端侧与工件连接期间，借助于安装在铰接臂机器人的端侧上的NC进给单元，将钻孔工具朝着加工地点靠近，并且随后将钻孔工具在工件表面上的加工地点处与工件相互嵌入，其中，基于借助传感器系统所获得的信息对钻孔进程进行过程监控，所述传感器系统检测出钻孔工具相对于工件表面的相对位置，并且所述传感器系统安装在铰接臂机器人的端侧上，并且在达到预给定的钻孔深度时，钻孔进程被终止；
其特征在于，
在铰接臂机器人以力加载的方式与工件处于作用连接的状态下，生成所述工件坐标系和所述机器人坐标系，并且
对钻孔工具相对于工件表面上加工地点的空间方位进行核查且必要时可进行校正，所述钻孔工具安装在铰接臂机器人的端侧上，并且所述钻孔工具被该铰接臂机器人定位到空间位置上，从而钻孔工具在该空间位置处占据额定方位。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
在铰接臂机器人以力加载的方式在加工地点处或者在加工地点的区域中与工件处于作用连接的状态下，生成所述工件坐标系和所述机器人坐标系。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
基于借助安装在铰接臂机器人的端侧上的传感器系统所获得的信息，确定出精确的钻孔深度和/或确定出钻孔工具相对于加工地点的区域中的工件表面的空间方位。
4.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
在建立所述固定式机械式连接结构之后，借助于安装在铰接臂机器人的端侧上的传感器系统测量出到工件表面的间距，所述固定式机械式连接结构将铰接臂机器人的端侧支撑在工件上并且能够从工件表面松脱，
所测量到的间距被划分成至少两个区段：面向铰接臂机器人的第一区段，和面向工件表面的第二区段；并且
借助于安装在铰接臂机器人的端侧上的NC进给单元，使得钻孔工具沿着所述第一区段比沿着所述第二区段以更大的进给速度朝着工件行驶。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，
借助于安装在铰接臂机器人的端侧上的NC进给单元，使得钻孔工具沿着所述第一区段和所述第二区段行驶，
在钻孔工具至少沿着所述第二区段行驶期间，钻孔工具借助于主轴钻机以马达运行的方式处于旋转，并且
测量出能够在主轴钻机上起作用的有效电功率，所述有效电功率用于探测出钻孔工具与工件表面之间的第一次接触。
6.根据权利要求5所述的方法，
其特征在于，
在探测到所述第一次接触的情况下，产生重置间距测量的信号，
在钻孔工具进给到工件中期间，安装在铰接臂机器人的端侧上的传感器系统检测出当前的钻孔深度，并且
在达到额定钻孔深度之前，进给进程在一最短间距处停止，其中，所述最短间距相当于完全停止该进给进程所需的行进路程。
7.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述表面是自由形状的表面。
8.一种用于借助安装在铰接臂机器人上的钻孔工具在静止地支承的工件的表面中钻出钻孔的设备，所述设备包括以下部件：
-控制单元，该控制单元用于将安装在铰接臂机器人的机器人臂端部上的钻孔工具进行空间上的定位和方位定向；
-间距传感器系统，该间距传感器系统安装在机器人臂端部上并且检测出钻孔工具与工件的表面上的加工地点之间的至少一个间距；
-连接单元，该连接单元安装在机器人臂端部上，该连接单元用于建立在工件的一侧上支撑铰接臂机器人的、并且能从工件表面松脱的机械式连接结构，其中，该连接单元包括以独立的分布方式安装在承载框架上的、并且能够以非常小的增量伸展的至少三个线性致动器，所述至少三个线性致动器中的每个线性致动器在一侧与承载框架连接并且具有离承载框架最远的致动器端部，在该致动器端部上安装有接合器件，所述接合器件适用于构成能够在工件表面上松脱的固定式机械式连接结构；和
-被过程监控的致动机构，该致动机构使钻孔工具相对于机器人臂端部延伸，
-无接触式跟踪系统，该无接触式跟踪系统生成至少一个工件坐标系(WKS)以及机器人坐标系(RKS)，所述工件坐标系描绘出钻孔工件的空间位置，所述机器人坐标系描绘出铰接臂机器人的空间位置，并且所述工件坐标系和所述机器人坐标系在空间上相互关联，其中，所述无接触式跟踪系统将求取到的方位信息以线缆引导的方式或者无线的方式传送至控制单元，
其中，通过所述控制单元基于描绘待加工工件的空间形状的二进制数据组、基于工件表面上的预给定的加工地点、以及基于配属于工具的工具中心点，将铰接臂机器人所引导的钻孔工具定位到以预给定的间距与工件表面上的预给定的加工地点相对置的空间位置上，其中，借助于所述无接触式跟踪系统在测量技术方面对铰接臂机器人所引导的钻孔工具相对于在工件表面上的预给定的加工地点的空间位置进行检测和监控，其中，在铰接臂机器人以力加载的方式与工件处于作用连接的状态下，生成所述工件坐标系和所述机器人坐标系，并且
其中，借助间距传感器系统对钻孔工具相对于工件表面上加工地点的空间方位进行核查且必要时可进行校正，所述钻孔工具安装在铰接臂机器人的端侧上，并且所述钻孔工具被该铰接臂机器人定位到空间位置上，从而钻孔工具在该空间位置处占据额定方位。
9.根据权利要求8所述的设备，
其特征在于，
在机器人臂端部上安装有承载框架，间距传感器系统、连接单元以及致动机构间接或直接安装在所述承载框架上。
10.根据权利要求8或9所述的设备，
其特征在于，
所述至少三个线性致动器能以电动方式、液压方式或者气动方式被操纵。
11.根据权利要求8或9所述的设备，
其特征在于，
所述接合器件能够产生磁性保持力和/或产生基于吸力效应的附着到工件表面上的保持力。
12.根据权利要求10所述的设备，
其特征在于，
所述至少三个线性致动器构造成气动缸，在每个气动缸的背离承载框架的气动缸端部上安装有真空抓取器。
13.根据权利要求8或9所述的设备，
其特征在于，
所述间距传感器系统包括安装在承载框架上的至少三个激光间距传感器。
14.根据权利要求8或9所述的设备，
其特征在于，
致动机构包括钻孔主轴和作为推进单元的NC进给轴，并且
致动机构包括以下传感器中的至少一种：有效功率传感器、加速度传感器、力传感器。
15.根据权利要求8或9所述的设备，
其特征在于，
静止的铰接臂机器人具有分别至少5米的竖直及水平机器人臂作用范围。
16.根据权利要求8或9所述的设备，
其特征在于，
所述工件被支承为：能够相对于铰接臂机器人以受控的方式旋转。
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