CN206925871U - 用于识别加工工位中部件的准确位置和姿态的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于识别机器人加工工位中部件的准确位置和姿态以及用于加工该部件的装置，具有用于该部件的传送设备，具有用于加工该部件的机器人，其中机器人的加工程序被构建使得该加工程序能够在共同构成参考数据的定义的参考位置和定义的参考姿态精确地加工部件，具有用于识别部件的准确位置的光学传感器系统，其中传感器系统对部件特征进行光学检测，并且具有分析单元，该分析单元被构造使得该分析单元确定部件特征的实际数据并从待加工区域的实际数据与参考数据的差值中计算出至少一个位移矢量，并且机器人控制器被构造使得加工程序在应用位移矢量的情况下能够运行。

Description

用于识别加工工位中部件的准确位置和姿态的装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于识别机器人加工工位 (Roboterbearbeitungsstation)中部件的准确位置和姿态以及用于随后加工该部件的装置。

背景技术

汽车车身在车身制造(也称之为“白车身制造(Rohbau)”)工艺中分几个制造阶段制造而成。在此，单个零部件主要通过诸如焊接、钎焊、粘接或翻边这样的连接工艺彼此连接。装配过程(例如拧紧)和表面处理(例如抛光)也在生产过程中进行。

生产过程在所有的汽车制造商处都以类似的形式来实现。首先制造车身底板的组件(底板总成、底架)。该制造阶段通常分成三个区域：前底板(前)，中底板和后底板。所描述的这三个组件在车身底板制造的主工位中聚集在一起并且在几何构型的、装备有复杂的机械夹紧和定位技术的接合工位中连接。车身制造的主生产线在这里开始。将部件引入提到的接合工位中并且主要通过工业机器人或工作人员进一步运输已组装的零部件在该主生产线开始之前进行。但是从主生产线开始起，部件却又大又笨重，致使不能再借助机器人或工作人员来运输。从该加工阶段开始部件通过传送技术在工件载体(所谓的滑车(Skid))上被运输。在目前讨论的创造性的制造理念中，部件运输在此过程中通常通过基于无人驾驶运输系统 (FTS)的灵活的、可行驶的工件载体来实现。

在主生产线的进一步生产过程中，在车身底板上实施其它的接合操作。在这里由工业机器人或工作人员设置多个焊缝/焊接点(强度)、粘接缝(强度/密封性)或螺栓(功能性)。这些工位通常被称为结合工位 (Ausschweiβstation)。在高度自动化的车身制造生产线中，车身底板区域中大约有10至15个这种结合工位。

在结合工位中执行完所有操作之后，侧面零部件和车顶在其它的几何构型接合工位(根据制造商有1至3个几何工位)中被接合到车身底板上。该过程的主工位也被称为“架构(Framing)”或“组装”。

在进一步的生产过程中，在结合工位中对此时基本完整的汽车车身实施如已经在车身底板上进行的其它的接合操作。在高度自动化的车身制造生产线中，在组装/架构区域有大约20至30个这种结合工位。

在主(焊接)生产线和附件装配之间的后续生产步骤包括例如焊接缺失的缝的精加工和例如抛光门冲切件的表面处理。这个区域通常被称为“整饰(Finish)”。

汽车车身的未涂漆的门和盖在车身制造的附件装配中被装配和装入。在这里，汽车车身的生产过程以传递至涂装设备结束。

类似于以上描述，车身在提到的两个生产阶段–整饰和装配–中位于用于在工件载体下的传送技术的工件载体上。

在主生产线的结合工位以及在整饰和装配中需要精确定位车身或车身底板，以便使工业机器人处于在可重复的准确的操作过程中自动实施加工操作的范围的状态下。为此，需要技术方案，以便将位于工件载体上的车身放置到精确定义的位置上。

在自动化的车身制造中的主生产线的生产技术中已建立两种技术方案用于精确定位车身或车身底板(下文中仅称为部件)。

在用于定位部件的第一种已知的解决方案中，在每个工位中均有位置固定的机械技术，该机械技术通常由啮合进部件的销接纳部的销结合夹紧技术组成。该部件在此方案中在工件载体上经由特别的传送技术(辊道上的滑车)从一个工位被传送到另一个工位。若工件载体位于结合工位，则通过传送技术将工件载体大致定位(+/-5㎜)并将部件下降到被精确配合的销接纳部接纳的销上。通过重力和夹紧技术连同使销接纳部与部件的销的配合来实现精确定位。

精确定位完成之后，接合操作的执行借助可精确重复的机器人按照绝对编程实施。在结合工位中完成机器人作业后，部件被销向上抬起并进一步传送到下一个工位。

这种机械的解决方案例如在DE 10 2008 020 077 A1中的图5和图6中进行了描述。在该文献中还提到设置一种激光探测器，借助该激光探测器可以识别在传送方向(x方向)上的位置，以便通过控制驱动器在x方向上精确定位部件，用于通过机器人进行进一步加工。但是对三维定位而言，在图5和图6中又公开了一种已知的解决方案用于通过降低到销上来进行机械的定位。因此，总体而言，激光传感器用于使部件在传送方向上保持在适当的位置。

可替代地，在第二种已知的解决方案中销接纳部也被布置在工件载体中。此外，必须确保例如通过夹紧技术将部件精确且牢固地定位在工件载体上。于是，部件就间接地经由工件载体被精确地定位。

在每个工位中用于将部件或工件载体精确地定位的机械技术有以下不足之处。

一方面，这意味着机械的消耗(复杂性)高，相应地其成本高。用于定位(销接纳部和夹紧技术)的机械技术以及提升装置需要高质量的构件。每个工位的购置成本超过了50000欧元。

此外，垂直于传送方向进行的提升和降低还意味着需要花费大量的时间，与此同时工位不能被生产性地利用。该时间增加到部件运输的非生产性时间。

由于生产线中增加的产品多样性(车身变型)，对定位的机械技术的灵活性提出了高的要求，因为该定位是直接经由部件中的销接纳部或工件载体来实现的。特别是在不同轴距的模型中销接纳部的位置彼此偏离。对灵活性的要求导致销和销接纳部以及夹紧技术的结构设计复杂性高。对每种模型必须设置相应的销、销接纳部和夹紧技术。

在另一种类型中，若销接纳部被集成在工件载体中，则能更好地处理部件变化，但工件载体明显更昂贵。这既包括初始投资又包括高昂的运行费用(尤其是维护)，因为必须持续地保证用于定位的机械技术的精度。这种工件载体的投资成本比简单的工件载体高大约15000欧元。

机器人加工系统(例如参阅EP 1 645 439 A2)也公知，其中借助传感器，通常为摄像机来确定姿态和位置数据并通过摄像机图像来引导机器人。这是不利的，因为必须为每个机器人提供多个摄像机，而且这些摄像机通常集成在机器人中，这也是昂贵的。

实用新型内容

基于此现有技术，本实用新型的任务在于提供一种经过改进的用于识别机器人加工工位中部件的准确位置和姿态的装置，借助该装置可以避免上述缺点。

该任务通过具有下文描述的特征的装置得以实现。

根据本实用新型的装置包括：

-传送设备，其用于将部件传送到机器人加工工位中并且从机器人加工工位传送出来，

-至少一个机器人，其用于在部件的待加工区域上加工部件，其中该机器人的加工程序以如下方式构建，使得该加工程序能够在共同构成参考数据的定义的参考位置和定义的参考姿态中精确地加工部件，

-光学传感器系统，其用于识别部件在空间中的准确位置和部件在空间中的姿态，

-其中该传感器系统光学地检测部件特征，

-分析单元，其以如下方式构造，使得其确定部件特征的实际数据，该实际数据由绝对实际位置(x，y，z)和由滚转角俯仰角和偏航角定义的实际姿态组成，

-并且该分析单元被构造成从待加工区域的实际数据与参考数据的差值(Differenz)中计算出至少一个位移矢量，

-并且机器人控制器以如下方式构造，使得加工程序在应用该位移矢量或这些位移矢量的情况下能够运行。

本实用新型取代了先前描述的用于在结合工位中部件的精确定位的机械技术方案。根据本实用新型的装置能够对工件载体上的部件进行灵活的位置和姿态检测，并且使工业机器人处于通过其加工程序适应于部件的位置和姿态地对接合-精加工和装配操作的范围进行处理的状态。通过用传感器系统来识别以及计算一个或更多个位移矢量实现与部件的相应的单独的位置和姿态的匹配，这些位置矢量在执行机器人的加工程序时使用，例如在最简单的情况下被加到机器人坐标。因此，根据本实用新型的装置具有很大的优点，即该装置能够无缝地结合到现有的机器人控制器中。

显著的优势是通过借助工位中的部件省去工件载体的降低和提升来提高生产率并从而节省了部件在生产中的运行时间。每个工位增加的生产率最终能节省生产区间此外，还省去用于定位和用于提升和降低的昂贵的且占空间的机械装置，该机械装置被相对小的光学传感器代替，使得这样一来结合工位需要更小的生产区间。

由于对新的部件仅需要对光学传感器系统重新示教，所以增加的产品多样性是可易于处理的。由此提高了灵活性。

总之，在同时节省直接成本和维护费用时能够灵活地确定结合工位中部件的位置和姿态。

此外，本实用新型还为整饰(精加工和装配)中的上面描述的过程提供了能够经由工业机器人使操作内容自动化的途径。由于这些工位几乎仅设置了手工的工作岗位，因此没有所描述的机械设备。通过使用本实用新型可以逐项地使用位置和姿态检测并从而能够优化使用自动化技术。

本实用新型也为经由FTS在车身制造中的上述创新性的生产和运输过程提供所需的位置和姿态检测的简单且灵活的解决方案。在现有技术中描述的机械装置在此情况下只有在巨大的花费下才能投入使用。因此，相应的解决方案是实施未来的车身制造的方案的关键技术之一。

在本实用新型的改进形式中，传感器系统被校准到机器人加工工位的坐标系上，这在运行加工程序时简化了该位移矢量或这些位移矢量的应用，原因在于接下来没必要进行坐标变换。

如果设置了部件类型识别单元，则无需其它花费就可以在加工工位中加工不同的部件类型。这仅需要根据软件转换到各个部件类型。然后传感器系统就“知道”识别哪些部件特征以及其参考位置和参考姿态在哪里，这当然需要事先示教。然后机器人也“知道”为该部件类型设置了哪种加工程序。在本实用新型的改进形式中，可以根据复杂性确定多个位移矢量或只确定总位移矢量。

在本实用新型的改进形式中，分析单元被构造用于从这些位移矢量计算出总位移矢量。

出于质量和可靠性的原因，在将位移矢量传递至机器人控制器之前实施可信性检测。

本实用新型进一步提供了这种可能性，即处理冗余的位置测量。这一方面提高了所达到的精度且另一方面能够使系统有高的可支配性和稳定性，因为能够补偿传感器单元的故障。

传感器单元被设计成自校准的并且设置有特别的高精度的安装支架，使得无需在系统内重新校准就更换传感器单元是可能的。因此，该系统无需专家的专有技术知识(Experten-Know-How)就能够操作。

附图说明

下面参考附图并借助实施例对本实用新型进行详细的阐述。图中显示：

图1为具有部件、机器人和光学传感器系统的结合工位的示意图。

具体实施方式

根据本实用新型的装置10具有传送设备12，该传送设备用于将部件 14传送到机器人加工工位16中并从机器人加工工位16传送出来。传送设备12可以以已知的方式来构造并通常传送工件载体18(所谓的滑车)，部件14被装配在该工件载体上。传送设备12例如可以是无人驾驶运输系统的部分，该无人驾驶运输系统包括自主行驶的车辆(Fahrzeug)，其继而构成传送设备12。该传送设备也可以是已知的辊式输送机，滑车在其上被传送。

加工工位16的机器人20在部件14的设置用于加工的区域上加工部件14，并且为此被机器人控制器36控制。在此以如下方式构建机器人20 的加工程序，使得该加工程序能够在共同构成参考数据的定义的参考位置和定义的参考姿态中精确地加工部件14。该定义的参考位置和参考姿态在示教程序中被示教(Teach-in)给装置10，并从而也示教给机器人20。

此外，装置10还包括光学传感器系统22，该光学传感器系统具有至少一个传感器，但优选具有多个传感器24、26、28、30。当部件14位于加工工位中且应被加工时，该传感器系统22用于识别部件14在空间中的准确的实际位置和部件14在空间中的实际姿态。该实际位置例如通过笛卡尔坐标x，y，z来定义且该实际姿态通过滚转角俯仰角和偏航角来定义。坐标和角度构成部件14的实际数据。如稍后还表明的，传感器系统22的坐标系被校准到机器人加工工位的坐标系并从而被校准到机器人20的坐标系。于是，传感器系统22和机器人20在同一坐标系中运行。

为了能够对三维数据(位置和姿态)进行光学检测，若只有一个传感器，则其必须要检测两个以上的维度。这例如可以通过3-D摄像机24来实现。若传感器系统22具有多个传感器，则也可以使用更简单的传感器。在图中所示的实施例中示出了四个传感器24、26、28和30，其中两个传感器24、26示出为摄像机(优选为3-D摄像机)且两个传感器28、30示出为能够检测部件14定义的特征(这里为下边缘区域)的姿态的传感器。

在这种情况下，传感器系统22检测各个部件特征。这些部件特征是部件14的表示特征的且定义的可局部化的区域，例如在部件上大量存在的边缘40、孔32或还有所谓的主接纳部42、44。在示出的实施例中，摄像机26(例如以3D摄像技术)检测前边缘40作为部件特征且摄像机24 检测部件14的孔32。传感器28和30能够检测部件14的下边缘或还检测部件14的主接纳部或其它定义的区域。具有1D、2D或3D技术的其它传感器可以根据精度的要求补充地使用，以便检测部件14的其它特征。借助这样检测到的部件特征能够在分析单元34中确定实际位置和实际姿态。

在该分析单元中，参考数据也在上面提到的示教过程中被示教和记录。此外，还将分析单元构造成用于确定部件14被机器人20待加工的区域的实际数据与参考数据的差值。从这些差值中计算出至少一个或更多个位移矢量。

该位移矢量或这些位移矢量被传输到机器人控制器36上。此时在使用这些位移矢量的情况下能够执行机器人20的加工程序。如果部件14恰巧正好位于参考位置和参考姿态，则每个位移矢量为零并且可以不经过校正而实施加工。但是通常的情况是，在实际位置和/或实际姿态与参考数据偏离时，可以准确地运行同一个加工程序，然而这时借助由该位移矢量或这些位移矢量的附加校正才能运行。

原则上只有总位移矢量是必需的，因为总是只有一个待加工的部件 14。但根据部件14的尺寸也有意义的是单独计算每个部件区域的每个位移矢量，以避免由于大的长度差距造成的部件公差和误差。为此位移矢量被机器人20利用以适应部件14的当前位置，其中特别要考虑所有机器人坐标的位移或各个机器人路径的位移或只考虑各个焊接点坐标的位移。

在实施形式中可以设置部件类型识别单元38。如果有明确数量的用于加工的不同类型，则部件类型识别单元38可以识别类型并据此激活机器人20的适当的加工程序，并且“通知”传感器系统22或分析单元34哪种类型等待进行光学测量，以便使传感器系统“知道”要识别哪些部件特征以及事先示教的其参考位置和参考姿态在哪里，从而能够计算出正确的位移变量。部件类型识别单元38可以是单独的单元，该单元例如用 RFID技术来操作并读取部件14上的相应的RFID标签。但部件类型识别单元38也可以由分析单元34和传感器系统22构成，该部件类型识别单元光学地识别不同的类型。

Claims (8)

1.一种用于识别机器人加工工位(16)中部件(14)的准确位置和姿态以及用于加工所述部件(14)的装置，所述装置具有：

-传送设备(12)，其用于将所述部件(14)传送到所述机器人加工工位(16)中并且从所述机器人加工工位(16)传送出来，

-至少一个机器人(20)，其用于在所述部件(14)的待加工区域上加工所述部件(14)，所述机器人(20)被机器人控制器(36)控制，其中所述机器人(20)的加工程序以如下方式构建，使得所述加工程序能够在共同构成参考数据的定义的参考位置和定义的参考姿态中精确地加工所述部件(14)，

-光学传感器系统(22)，其用于识别所述部件(14)在空间中的准确位置和所述部件在空间中的姿态，

-其中所述光学传感器系统(22)对部件特征(32)进行光学检测，

-并且具有分析单元(34)，所述分析单元以如下方式构造，使得所述分析单元确定所述部件特征(32)的实际数据，所述实际数据由绝对的实际位置(x，y，z)和实际姿态组成，所述实际姿态由滚转角俯仰角和偏航角定义，并且

-所述分析单元(34)还被构造成从待加工区域的实际数据与参考数据的差值中计算出至少一个位移矢量，

-并且所述机器人控制器(36)以如下方式构造，使得所述加工程序在应用所述位移矢量或这些位移矢量的情况下能够运行。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学传感器系统被校准到所述机器人加工工位的坐标系。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，设置有部件类型识别单元，且对每种部件类型设置另外的加工程序。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述分析单元被构造用于从这些位移矢量计算出总位移矢量。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述分析单元被构造用于从这些位移矢量计算出总位移矢量。

6.根据权利要求1、2和5中任一项所述的装置，其特征在于，这些位移矢量的可信性被检验。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，这些位移矢量的可信性被检验。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，这些位移矢量的可信性被检验。