CN117396311A - 工作站及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种机器人工作站，包括：‑用于第一工件(15)的源(13)，每个第一工件(15)具有待加工区域(22)，‑第一机器人(4、5)，其配备有用于加工第一工件(15)的待加工区域(22)的加工工具(8)；‑第二机器人(2)，其配备有夹持工具(7)，用于从源(13)夹持第一工件(15)并将其放置在第一机器人(4、5)的操作范围内；‑控制器(12)，其适于协调第一机器人(2、4)和第二机器人(5)的位移并控制由第一机器人(4、5)的加工；其特征在于，工作站(12)还包括成像系统，并且控制器(12)还适于：a)在来自成像系统的图像中标识夹持工具(7)和第一工件(15)的参考点(19、21；17)，b)计算夹持工具(7)和第一工件的参考点(21；17)的坐标之间的位移矢量(D)，c)基于所述位移矢量(D)，计算为了将第一工件(15)的待加工区域(22)放置在预定目标定位而夹持工具(7)的参考点(21)应当被定位的目标位置，或者当夹持工具(15)的参考点(21)被放置在预定目标位置时待加工区域(22)将被定位的目标定位；d)将夹持工具(7)的参考点(21)放置在所述目标位置，e)将加工工具(8)移动到目标定位以用于加工待加工区域(22)。

Description

工作站及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种用于工件的自动化加工的工作站和用于操作这种工作站的方法。

背景技术

自动化工件加工中的基本问题是，当工件被通用夹持工具夹持时，工件相对于夹持工具的位置可能变化。用于加工工件的工具或待接合到工件上的部件的位置必须被精确地控制，当待加工的工件的区域被加工中使用的工具或部件隐藏时，如果加工包括将所述部件接合到工件，则开环位置控制是困难的。

根据US 8171609B2，可以通过使用限定工件和/或部件的预定位置的支架或夹具来解决定位问题。如果夹具的位置被精确地确定，并且工件被正确地安装在夹具中，则可以计算工件的任何部分的位置。然而，将工件精确地放置在由夹具限定的预定位置中往往是耗时的，并且如果夹具要限定多个工件的位置，这些工件在由夹具保持的相对位置中彼此接合，则对于不同的组装工作将需要特定的夹具。

发明内容

本发明的目的是提供一种工作站和操作方法，通过该工作站和操作方法可以避免夹具的不便。

根据本发明的第一方面，该目的通过一种工作站来实现，该工作站包括：

-用于第一工件的源，每个第一工件具有待加工区域，

-第一机器人，其配备有用于加工第一工件的待加工区域的加工工具；

-第二机器人，其配备有夹持工具，用于从所述源夹持第一工件并将其放置在所述第一机器人的操作范围内；

-控制器，其适于协调第一机器人和第二机器人的位移并控制由第一机器人的加工；

其特征在于，所述工作站还包括成像系统，并且所述控制器还适于：

a)在来自所述成像系统的图像中标识所述夹持工具的参考点和所述第一工件的参考点，

b)计算所述夹持工具的参考点和所述第一工件的参考点的坐标之间的位移矢量，

c)基于所述位移矢量，计算为了将所述第一工件的待加工区域放置在预定目标定位处而所述夹持工具的参考点应当被定位的目标位置，或者当所述夹持工具的参考点被放置在预定目标位置时所述待加工区域将被定位的目标定位；

d)将所述夹持工具的参考点放置在所述目标位置处，

e)将加工工具移动到目标定位并加工待加工区域。

术语“图像”和“成像系统”在这里应该被广义地解释，即在本发明的上下文中，夹持工具及其环境的任何空间分辨的表示可以用作图像，从该空间分辨的表示可以推断出特定点的坐标，并且成像系统可以是这种图像的任何源，例如一个或多个相机、激光扫描仪、雷达传感器等。

通过获得图像并根据其确定第一工件相对于夹持工具的位置，当已知工具参考点的位置时，可以分辨出待加工区域将位于何处。可以使用来自机器人的位置传感器的数据在任何时间确定工具参考点的位置。因此，如果基于所述目标定位计算用于夹持工具的参考点的目标位置，并且然后将参考点操纵到目标位置，则可以将待加工的区域可再现地放置在给定目标定位处。备选地，当参考点被操纵到预定的目标位置时，待加工区域的目标定位可以变化，但是由于它们是已知的，加工工具仍然可以在那里被精确地操纵。

当第一工件的加工包括将待加工区域连接到第二工件时，可以提供第三机器人，该第三机器人配备有夹持工具，用于夹持第二工件并将其放置在第一机器人的操作范围内。

由于第三机器人的夹持工具还具有其抓取第二工件的相对位置可能变化的问题，因此可以对其应用类似于第一工件的加工，其中

a')在来自所述成像系统的图像中标识第三机器人的夹持工具的参考点和第二工件的参考点，

b')计算夹持工具的参考点和第二工件的参考点的坐标之间的矢量差，

c')基于所述矢量差，计算为了将第二工件的接合区域放置成面向待加工区域而第三机器人的夹持工具的参考点应当被定位的目标位置；

d)第三机器人的夹持工具的参考点被放置在所述目标位置处。

由于第二机器人和第三机器人(如果存在的话)的夹持工具是可移动的，因此成像系统可以是静止的，并且机器人可以用于将第一工件或第二工件放置在成像系统的视场内。这应该在从源夹持第一工件(或第二工件)之后并且在将夹持工具的参考点放置在目标位置之前完成。

控制器可以适于将第一工件放置在成像系统的视场内，使得从第一工件的参考点延伸到夹持工具的参考点的线垂直于成像系统的光轴。因此，可以直接提取参考点之间的距离，而不必考虑透视效果。

如果成像系统包括至少一个具有远心透镜的相机，则进一步便于提取距离数据。

在成像系统中提供相机阵列可以增加工作站的加工速度，因为机器人可能必须在源和目标位置之间绕行以便将工件“显示”到成像系统的绕行可以通过将其展示给最方便放置的相机来最小化。

控制器还适于在加工已经执行之后控制将至少第一工件放置在成像系统的视场内。由此获得的图像可以用于判断加工是否已经正确地执行。

加工工具可以是焊接工具。

根据本发明的第二方面，该目的通过一种加工工件的方法来实现，该方法包括以下步骤：

a)使用配备有夹持工具的第二机器人从源夹持第一工件；然后

b)通过所述第二机器人将第一工件放置在成像系统的视场内；

c)在来自所述成像系统的图像中标识夹持工具的参考点与第一工件的参考点之间的位移矢量；

d)基于所述位移矢量，计算为了将第一工件的待加工区域放置在预定目标定位处而夹持工具的参考点应当被定位的目标位置，或者当夹持工具的参考点被放置在预定目标位置处时待加工区域将被定位的目标定位；

e)将夹持工具的参考点放置在所述目标位置处，

f)将加工工具移动到目标定位，以及

g)加工待加工区域。

加工待加工区域的步骤g)可以包括将由第三机器人保持的第二工件的接合区域接合到待加工区域上。

包括多个工件的组件可以通过以下另外的步骤形成：

l)所述第二机器人或第三机器人中的一个机器人释放由其保持的工件，

m)使用所述一个机器人夹持第三工件，将第三工件放置成面对所述第一工件和第二工件中的一个工件，并且将第三工件接合到第一和第二工件。

参考附图，从随后的实施例的描述中，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的工作站在组装过程的初始阶段的总体视图；

图2示出了该方法的一个阶段，其中第一机器人将工件呈现给成像系统用于检查；

图3示出了由成像系统获得的图像；

图4示出了第二机器人将工件呈现给成像系统的阶段；

图5示出了工件彼此接近的阶段；

图6示出了工件彼此焊接的阶段；

图7示出了将在焊接阶段中获得的组件呈现给成像系统的阶段；

图8示出了由成像系统获得的组件的图像；

图9是该组件和接近该组件的另外的部件的放大视图；以及

图10是焊接到组件的另外的部件的放大视图。

具体实施方式

图1是根据本发明的工作站的整体视图。在保护外壳1内，提供了四个机器人2-5。在本示例中，机器人2-5是多关节型机器人，每个机器人具有连接到车间地板的固定基座6和通过多个连杆连接到基座6的末端执行器7、8，末端执行器7、8能够相对于基座6以几个，优选地六个或七个自由度移动，但是很明显，本发明也可以使用具有用于基座的可移动推车等的机器人来实现。

机架9承载多个静止相机10(也参见图2)。相机10安装成与其光轴平行。每个相机10可以包括远心透镜，使得由相机10产生的物体的图像的尺寸将不取决于透镜和物体之间的距离。备选地，相机10可以具有常规的透镜，其产生物体的图像，该图像的尺寸取决于透镜和物体之间的距离。在这种情况下，相机的光轴可以以任何确保位于距相机10足够距离处的物体将被多于一个的相机10看到的方式来布置，使得物体的距离可以通过传统的三角测量技术来计算，并且物体的两个点之间的真实距离可以根据来自相机10中的一个相机的图片中的点的图像之间的距离来计算。

地面安装的电缆管道11将机器人2-5和相机10连接到公共控制器12。

机器人2、3的末端执行器是夹持工具7，其设计成抓取和操纵工件。这里，安装在外壳的开口中的转台形成用于工件的源13，14；可以将新的工件放置在外壳外部的转台的一部分上，并且通过旋转转台13、14，可以使工件15、16进入机器人2、3的范围内。可选择的可能的源可以是输送机、自动导引车(AGV)或夹持工具7适于从其拾取工件的任何容器。

机器人4、5具有用于末端执行器的焊接工具8。

在图1的配置中，在由控制器12执行的制造程序的控制下，机器人2接近源13的转台上的细长工件15。工件15在转台上的位置没有具体限定，并且其可以从组装过程的一次迭代到下一次迭代而变化。因此，当机器人2的夹持工具7已经抓取工件15时，工件的参考点(例如其尖端17)与夹持工具7的参考点(例如工具中心点或突出的几何特征)之间的距离在工件15的后续焊接所需的精度下是未知的。

因此，当机器人3从源14抓取工件16时，机器人2将工件15放置在相机10的前面，如图2所示。相机10的视场18用锥体表示，其基平面垂直于相机10的光轴。在图2所示的构造中，工件15的纵向轴线相对于基平面倾斜地延伸；当机器人2已经将工件15的纵向轴线与基平面对准时，控制器12从相机10获得如图3所示的图片。这里，夹持工具7包括两对夹爪20，它们在对准时可平行于相机10的光轴移动，以便夹紧工件15。在图中，控制器标识夹持工具7的参考点，并从这些参考点计算工作站地板静止的坐标系中的工具中心点21的坐标。该坐标系(这里称为相机坐标系)可以与由控制器12用于指定和控制机器人2-5的运动的坐标系(这里称为工作站坐标系)相同，或者可以与该坐标系通过变换相关，控制器12从夹持工具7的坐标和取向可以推断该变换，控制器12从夹持工具7的坐标和取向中推断该变换，在车间坐标系中夹持工具7的坐标和取向对于该控制器12可获得。为了使描述简单，假设相机和车间坐标系相同。

夹持工具7的参考点可以是例如夹爪20的突角19。备选地，它们可以是被设计为在来自相机10的图像中容易标识的标记，并且例如通过粘贴、印刷或雕刻将其有意地施加到夹持工具7的表面，以便限定与工具7一起移动的工具坐标系。为了方便起见，这里假设刀具中心点21是刀具坐标系的原点。此外，基于在图片中标识的工件15的参考点(例如在尖端17处)和在制造程序中指定的参考点17与待加工(例如焊接)的工件的区域22之间的位移d，控制器12标识在图3中由虚线轮廓标识的待加工区域22的位置，并且计算从工具中心点21延伸到待加工区域22的向量D。

制造程序指定待加工区域22将被放置在工作站坐标系中的位置。通过从待加工区域22的目标定位中减去矢量D来获得工具中心点21的对应目标位置。

如图4所示，当机器人2将其工具中心点21移动到该工具中心点目标位置时，机器人3将从源14获取的工件16呈现给相机10。类似于矢量D，连接机器人3的工具中心点15和接合区域23(参见图8)的矢量从由机器人3的夹持工具7夹持的工件16的图片中获得。基于该矢量，计算机器人3的工具中心点的目标位置，使得当机器人3的工具中心点处于所述目标位置时，接合区域23将足够接近待加工区域22，以允许二者的焊接。

图5示出了在从上方将工件16接近由机器人2保持的工件15的过程中的机器人3。在该示例中，工件16是U形轮廓，其具有通过中心部分连接的两个侧壁，并且其中轮廓的中心部分的一部分在轮廓的下端处被切除，使得两个侧壁形成向下突出的突片，该突片在目标位置处将覆盖工件15的两侧上的待加工区域22。每个突片因此构成接合区域23(如在图8至图10中更详细地看到的)。

在图6中，工件15、16两者已到达其相应的目标位置，其中工件16横跨工件15。由机器人4、5携带的焊接工具8已经被放置在接合区域23的外侧，以便将其焊接到工件15的区域22，并且因此将工件组合成组件24。

当已经进行焊接时，机器人3释放工件16并移动到源14以取出下一个工件。同时，机器人2将组件24呈现给相机10，如图7所示。图8示意性地示出了在这种情况下提供给控制器12的图像。基于该图像，控制器12判断工件16是否已被正确安装，并仅以肯定的方式继续组装过程。它标识下一个待加工区域25，例如与工件15的尖端17相对的区域。

在图9中，在图7的阶段中由机器人3取出的工件(用附图标记26表示)通过将其焊接到区域25而被添加到组件24，并且机器人3将另外的工件28放置成面对工件26的下端处的区域27。

图10示出了在将工件28焊接到区域27的过程中的机器人4、5。

很明显，组件24和组装成组件24的工件本身与本发明无关，而只是作为描述机器人2-5的操作的背景。显然，上述过程可以用所需数量的工件来重复，以获得完整的组件，并且在这些重复的任一个中，释放组件24并取出下一个工件的机器人可以是机器人2以及机器人3，或者可以同时使用多于两个的机器人来保持在一个连接(例如焊接)过程中彼此连接的任何数量的工件。

此外，在待加工区域进行的加工不一定必须是另一工件的安装，也可以是一些局部加工，例如钻孔，机加工，激光雕刻，或施加表面层例如油漆、底漆、粘合剂等。

附图标记

1外壳

2机器人

3机器人

4机器人

5机器人

6基座

7末端执行器(夹持工具)

8末端执行器(焊接工具)

9机架

10相机

11电缆管道

12控制器

13源

14源

15工件

16工件

17尖端

18视场

19角

20夹爪

21工具中心点

22待加工区域

23接合区域

24组件

25待加工区域

26工件

27待加工区域

28工件

Claims (13)

1.一种工作站，包括：

-用于第一工件(15)的源(13)，每个第一工件(15)具有待加工区域(22)，

-第一机器人(4、5)，所述第一机器人配备有加工工具(8)，用于加工所述第一工件(15)的所述待加工区域(22)；

-第二机器人(2)，所述第二机器人配备有夹持工具(7)，用于从所述源(13)夹持第一工件(15)并且将其放置在所述第一机器人(4、5)的操作范围内；

-控制器(12)，所述控制器适于协调所述第一机器人(4、5)和所述第二机器人(2)的位移并且控制由所述第一机器人(4、5)的加工；

其特征在于，所述工作站(12)还包括成像系统，并且所述控制器(12)还适于：

a)在来自所述成像系统的图像中标识所述夹持工具(7)和所述第一工件(15)的参考点(19、21；17),

b)计算所述夹持工具(7)和所述第一工件的所述参考点(21；17)的坐标之间的位移矢量(D)，

c)基于所述位移矢量(D)，计算为了将所述第一工件(15)的所述待加工区域(22)放置在预定目标定位而所述夹持工具(7)的所述参考点(21)应当被定位的目标位置，或者当所述夹持工具(15)的所述参考点(21)被放置在预定目标位置时所述待加工区域(22)将被定位的目标定位；

d)将所述夹持工具(7)的所述参考点(21)放置在所述目标位置处，

e)将所述加工工具(8)移动到所述目标定位以用于加工所述待加工区域(22)。

2.根据权利要求1所述的工作站，还包括：

第三机器人(3)，所述第三机器人配备有夹持工具(7)，所述夹持工具用于夹持第二工件(16)并且将其放置在所述第一机器人(4、5)的操作范围内；

其中加工包括将所述第二工件(16)的接合区域(23)接合到所述待加工区域(22)。

3.根据权利要求2所述的工作站，其中所述控制器还适于协调所述第三机器人(3)与所述第一机器人(4、5)和所述第二机器人(2)的位移，并且适于：

a')在来自所述成像系统的图像中标识所述第三机器人(3)的所述夹持工具和所述第二工件(16)的参考点，

b')计算所述夹持工具(7)和所述第二工件(16)的所述参考点的坐标之间的矢量差，

c')基于所述矢量差，计算为了将所述第二工件(16)的所述接合区域(23)放置成面向所述待加工区域(22)而所述第三机器人(3)的所述夹持工具(7)的所述参考点应当被定位的目标位置；

d')将所述第三机器人(3)的所述夹持工具(7)的所述参考点放置在所述目标位置处。

4.根据前述权利要求中任一项所述的工作站，其中所述成像系统是静止的，并且所述控制器(12)适于：在从所述源(13)夹持所述第一工件(15)之后并且在将所述第二机器人(2)的所述夹持工具(7)的所述参考点(21)放置在所述目标位置处之前，使至少所述第二机器人(2)将所述第一工件(15)放置在所述成像系统的视场(18)内。

5.根据前述权利要求中任一项所述的工作站，其中所述控制器(12)适于将所述第一工件(15)放置在所述成像系统的视场(18)内，使得从所述第一工件(15)的所述参考点(17)延伸到所述第二机器人(2)的所述夹持工具(7)的所述参考点(21)的线(D)垂直于所述成像系统的光轴。

6.根据前述权利要求中任一项所述的工作站，其中所述成像系统包括至少一个具有远心透镜的相机和/或相机阵列(10)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的工作站，其中所述控制器(12)适于：在已经执行所述加工之后控制将至少所述第一工件(15)放置在所述成像系统的视场(18)内。

8.根据前述权利要求中任一项所述的工作站，其中所述加工工具(8)是焊接工具。

9.一种加工工件的方法，包括以下步骤：

a)使用配备有夹持工具(7)的第二机器人(2)从源(13)夹持第一工件(15)；然后

b)通过所述第二机器人(2)将所述第一工件(15)放置在成像系统的视场(18)内；

c)在来自所述成像系统的图像中标识所述夹持工具(7)和所述第一工件(15)的参考点(19、21；17)之间的位移矢量(D)；

d)基于所述位移矢量(D)，计算为了将第一工件(15)的待加工区域(22)放置在预定目标定位而所述夹持工具(7)的所述参考点(21)应该被定位的目标位置，或者当所述夹持工具(7)的所述参考点(21)被放置在预定目标位置时，所述待加工区域(22)将被定位的目标定位；

e)将所述夹持工具(7)的所述参考点(21)放置在所述目标位置处，

f)将所述加工工具(8)移动到所述目标定位，以及

g)加工所述待加工区域(22)。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

h)将所述第一工件(15)放置在所述成像系统的所述视场(18)内；以及

i)基于加工后的所述区域(22)的图像来判断加工的质量。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中加工所述待加工区域(22)包括：将由第三机器人(3)保持的第二工件(16)的接合区域(23)接合到所述待加工区域。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

j)在来自所述成像系统的图像中标识所述第三机器人(3)的夹持工具(7)的参考点与所述第二工件(16)的参考点之间的位移矢量；

k)基于所述位移矢量，计算为了将所述接合区域(23)放置成面向所述待加工区域(22)而所述第三机器人(3)的所述夹持工具(7)的所述参考点应当被定位的目标位置。

13.根据权利要求11或12所述的方法，还包括：1)所述第二或第三机器人(2、3)中的一个机器人释放由其保持的工件(15、16)；

m)使用所述一个机器人(3)夹持第三工件(26、28)；将所述第三工件(26、28)放置成面向所述第一工件(15)和所述第二工件(16)中的一个工件；以及将所述第三工件(26、28)接合到所述第一工件(15)和所述第二工件(16)。