DE10048952A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme der Koordinaten von Raumpunkten, insbesondere an einem Werkstück - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme der Koordinaten von Raumpunkten, insbesondere an einem WerkstückInfo
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Abstract
Zur zeitoptimierten und genauen Bestimmung der räumlichen Situation in einer Arbeitszelle, insbesondere der eines Roboters, insbesondere zur Bestimmung von Arbeitspunkten, unter Gewährleistung der Sicherheit eines Bedieners und Vermeidung von zusätzliche Installationen in der Roboterzelle, sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Aufnahme der Koordinaten unbekannter Arbeitspunkte, insbesondere an einem Werkstück, wie zur Bearbeitung mittels eines Roboters, vor, die eine Tasteinrichtung mit einem Tastelement zur Erfassung des Arbeitspunktes aufweist, bei der die Tasteinrichtung mindestens einen Sensor aufweist und dass zumindest eine separate, von der Tasteinrichtung räumlich getrennte Referenzeinheit mit mindestens einer Referenzmarkierung vorgesehen ist, wobei bei einem Sensor die Referenzeinheit mehrere Referenzmarkierungen aufweist und bei mehreren Sensoren die Referenzeinheit mindestens eine Referenzmarkierung aufweist. Die Erfindung sieht weiterhin ein Verfahren zum Aufnehmen unbekannter Arbeitspunkte, insbesondere an einem Werkstück, wie zum Bearbeiten mittels eines Roboters, vor, bei dem eine Referenzeinheit an einem vorgegebenen Ort im Raum angeordnet wird und dass Arbeitspunkte mit mindestens einer ein Tastelement und mindestens einen Sensor aufweisenden Tasteinrichtung abgetastet werden, wobei die Tasteinrichtung in geeigneter Weise ausgerichtet wird, die Relativposition der Tasteinrichtung zu der Referenzeinheit mittels des oder der Sensoren erfasst wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme der
Koordinaten von Raumpunkten, insbesondere an einem Werk
stück, wie zur Bearbeitung mittels eines Roboters, die eine
Tasteinrichtung mit einem Tastelement zur Erfassung eines
Raumpunktes aufweist, sowie ein Verfahren zum Aufnehmen der
Koordinaten von Raumpunkten, insbesondere an einem Werk
stück, wie zum Bearbeitung mittels eines Roboters.
In klassischer Weise erfolgt die Programmierung von Ar
beitsschritten eines Roboters an einem Werkstück derart,
dass der Roboter mit seinem Werkzeug von Hand an den ent
sprechenden Arbeits- oder Wirkpunkt (Tool-Center-Point TCP)
des Werkstücks gefahren wird und diese Position dann
erfasst wird. Dies ist aufwendig und mit Gefahren für den
Bediener verbunden. Es wurde schon vorgeschlagen, die Lage
eines - passiven - Programmierhilfsmittels an einem
Raumpunkt mittels ortsfester Kameras zu erfassen. Hierzu
sind die Kameras in der Arbeitszelle zunächst zu instal
lieren und nach Erfassung wieder wegzuräumen, was ebenfalls
mit einem erheblichen Aufwand, insbesondere Zeitaufwand
verbunden ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Vor
richtung und ein Verfahren zur Aufnahme unbekannter Ar
beitspunkte, insbesondere Arbeitspunkte an einem Werkstück
zur Bearbeitung durch einen Roboter zu schaffen, mittels
derer eine zeitoptimierte und genaue Erfassung einer räum
lichen Situation in einer Roboterzelle, insbesondere von
Arbeitspunkten unter Gewährleistung der Sicherheit des Pro
grammierers und unter Vermeidung von zusätzlichen Instal
lationen in der Zelle erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung
der eingangs genannten Art gelöst, welche dadurch gekenn
zeichnet ist, dass die Tasteinrichtung mindestens einen
Sensor aufweist und dass zumindest eine separate, von der
Tasteinrichtung räumlich getrennte Referenzeinheit mit min
destens einer Referenzmarkierung vorgesehen ist, wobei bei
einem Sensor die Referenzeinheit mehrere Referenzmarkierun
gen aufweist und bei mehreren Sensoren die Referenzeinheit
mindestens eine Referenzmarkierung aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung weiterhin bei
einem gattungsgemäßen Verfahren vor, dass eine Referenzein
heit an einem vorgegebenen Ort im Raum angeordnet wird und
dass Arbeitspunkte mit einer, mindestens ein Tastelement
und mindestens einen Sensor aufweisenden, Tasteinrichtung
abgetastet werden, wobei die Tasteinrichtung in geeigneter
Weise ausgerichtet wird, und die Relativposition der Tast
einrichtung zu der Referenzeinheit mittels des oder der
Sensoren erfasst wird.
Die Erfindung geht dabei davon aus, dass der Arm eines Ro
boters, insbesondere seine Hand bzw. deren Endeffektor im
Raum (bezüglich der Erde) durch einen translatorischen und
einen rotatorischen Anteil mit jeweils drei Koordinaten,
also insgesamt durch sechs Koordinaten erfasst werden kann.
Seine Konstruktionsmaße sind bekannt, so dass für jeden
Raumpunkt im Arbeitsraum über eine Rückwärtstransformation
die zugehörigen Gelenkwinkel in der Robotersteuerung er
rechnet werden können. Durch Einleiten der Achsbewegung
kann der Arbeits- bzw. Wirkpunkt (Tool Center Point TCP) in
die gewünschte Raumposition gebracht werden. Hierdurch wird
die Robotersteuerung in die Lage versetzt, den Wirkpunkt
entsprechend seiner Arbeitsaufgabe zu positionieren, d. h.
entsprechende Achsstellungen zu berechnen. Zwischen der
Sensoren und dem Tastelement besteht ein bekannter
raumfester Bezug.
Die Sensoren der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfassen die
Referenzmarkierung und sind derart im Stande, die Position
des Wirkpunktes, repräsentiert durch das Tastelement und
die Orientierung der Tasteinrichtung in Relation zu den Re
ferenzmarkierungen zu erfassen. Es sind unterschiedliche
Sensorprinzipien und damit Sensoren anwendbar, wie optische
Sensoren, einschließlich Lasersensoren, Ultraschall, Infra
rot, Funkpeiltechniken oder dgl.
Das Tastelement kann unterschiedlich ausgebildet sein, bei
spielsweise mechanisch berührend als Kugel, als Dreibein,
als Spitze oder dgl. Sie kann auch berührungslos als
Lichtprojektion mit geeigneter Abstandseinstellhilfe aus
gebildet sein.
In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Tast
element der Tasteinrichtung austauschbar ist. Hierbei können
die Länge und andere Korrekturgrößen der Tastelemente
über lesbare Codierungen in der Tasteinrichtung erkannt
werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung kann vorgesehen sein,
dass das Tastelement federnd an der Tasteinrichtung ange
ordnet ist und eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung des
Federwegs vorgesehen ist.
Eine ändere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das
Tastelement und die Sensoren der Tasteinrichtung relativ
zueinander definierte Stellungen verschwenkbar sind. Hier
durch kann die Herstellung eines einwandfreien Blickkontak
tes zwischen den Sensoren und den Referenzmarkierungen er
leichtert werden, da die Tasteinrichtung mit einem beweg
lichen Kopf ausgestattet ist, der in mehreren Richtungen
definierte Winkeleinstellungen einnehmen kann. Die einge
stellten Winkeleinstellungen können codiert abgegriffen und
ausgewertet werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung kann vorgesehen sein,
dass die Tasteinrichtung eine Lichtquelle aufweist. Hier
durch kann beispielsweise eine Musterprojektion auf die Re
ferenzmarkierungen vorgenommen werden. Auf diese Weise wird
eine Probeausrichtung zu den Referenzmarkierungen erleich
tert.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung
eine Tastatur und ein Display aufweist. Über Tastatur und
Display können Ein- und Ausgaben erfolgen. So können dem
Bediener Gut- oder Schlechtinformationen gegeben, Bearbei
tungshinweise abgerufen sowie Makros initialisiert werden.
Die Tasteinrichtung kann hierzu eine eigene Intelligenz,
also eine eigene Rechnereinheit aufweisen.
Die Datenübertragung zwischen der Tasteinrichtung und der
mit ihr gekoppelten Steuerung kann in beliebiger Weise rea
lisiert werden; sie erfolgt vorzugsweise drahtlos über Funk
oder Infrarot; sie kann aber auch drahtgebunden erfolgen.
Hinsichtlich der Verteilung der Elektronik bestehen eben
falls verschiedene Möglichkeiten, so kann diese vollständig
in der portablen Tasteinrichtung untergebracht sein oder
ganz oder teilweise in einem externen stationären Gehäuse.
In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die
Tasteinrichtung mit einer Zusatzeinrichtung, wie einer geo
metrischen Nachbildung eines Roboterwerkzeugs oder eines
Teiles davon (Punktschweißzange, Klebedüse usw.) gekoppelt
ist. Hierdurch kann die Vorstellung des Bedieners beim Er
fassen der Arbeitspunkte unterstützt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich
dadurch aus, dass eine Referenzeinheit ortsfest angeordnet
ist. Hierdurch ist eine leichtere Freihaltung des Sensor
blickfeldes möglich und eine räumliche Behinderung ent
fällt.
Zusätzlich oder alternativ kann in äußerst bevorzugter
Weise vorgesehen sein, dass eine Referenzeinheit roboter
fest, insbesondere an der Roboterhand angeordnet ist. Hier
durch wird eine höhere Genauigkeit aufgrund des Wegfalls
zusätzlicher räumlicher Bezüge erreicht, insbesondere wenn
die Referenzeinheit unmittelbar an der Roboterhand angeord
net ist. Abweichungen von der theoretisch-mathematischen
Genauigkeit, wie verursacht durch Schieflauf, Nichtlineari
tät, Maßabweichung, Ausdehnung, Elastizität etc. wirken
sich um so geringer aus, je näher die Roboterstellung der
eigentlichen Arbeitsstellung (Arbeitspunkt) liegt, d. h. bei
Anbringen der Referenzmarkierungen an oder nahe der Roboterhand
und einer arbeitspunktnahen Roboterstellung wird
eine hohe Erfassungs- und Programmiergenauigkeit erreicht,
die robotereigene Fehler weitgehend berücksichtigt.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vor
gesehen, dass eine Referenzeinheit an einem vorgegebenen
Ort im Raum angeordnet wird und dass Arbeitspunkte mindes
tens durch ein Tastelement und durch mindestens eine einen
Sensor aufweisende Tasteinrichtung abgetastet werden, wobei
die Tasteinrichtung in geeigneter Weise ausgerichtet wird,
die Relativposition der Tasteinrichtung zu der Refe
renzeinheit mittels des oder der Sensoren erfasst wird
und/oder dass aufgrund der erfassten Relativposition die
Absolutposition und -ausrichtung der Tasteinrichtung im
Raum bestimmt wird.
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf
die Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Arbeitszelle mit Werkstück in Form einer
Karosserie und mit einem Roboter sowie eine er
findungsgemäße Vorrichtung zum Aufnehmen unbe
kannter Arbeitspunkte am Werkstück; und
Fig. 2 eine genauere Darstellung einer bevorzugten
Ausführungsform einer Tasteinrichtung mit Da
tenübertragungsweg.
Eine Arbeitszelle 1 ist durch Begrenzungen 2, 3 definiert.
In der Arbeitszelle 1 findet sich ein Werkstück 4 in Form
einer Karosserie, deren Blechteile 5 und 6 die über
Schweißpunkte 7 als Arbeitspunkte befestigt werden sollen.
Es ist weiterhin ein Roboter 8, insbesondere ein üblicher
Sechsachsenroboter, mit einer Schweißzange 9 zum Verschwei
ßen der Karosserieteile an den Arbeitspunkten 7 vorgesehen.
Um dem Roboter Raumpunkte einzugeben, an allen beispiels
weise nach Arbeitspunkten Arbeitsvorgänge wie Punktschwei
ßen auszuführen sind, d. h. den Roboter zu lehren (teachen)
wo er beispielsweise Verschweißungen vornehmen soll, ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme der zunächst
unbekannten Arbeitspunkte mit einer Tasteinrichtung 11 und
einer Referenzeinheit 12 vorgesehen. Die Tasteinrichtung 11
weist ein Tastelement 13, hier in Form einer mechanischen
Tastspitze, sowie Sensoren 14, im dargestellten
Ausführungsbeispiel drei Sensoren, auf, deren räumliche
Beziehung zur Tastspitze 13 definiert ist.
Die Referenzeinheit 12 weist (im dargestellten Ausführungs
beispiel) mehrere Referenzmarkierungen 15 auf. Grundsätz
lich gilt, dass bei einem Sensor an der Tasteinheit meh
rere, vorzugsweise mindestens drei Referenzmarkierungen an
der Referenzeinheit vorgesehen sein müssen, bei mehreren,
insbesondere drei Sensoren 14 der Tasteinheit 11 reicht
grundsätzlich eine Referenzmarkierung 15 der Referenzein
heit 12, um in beiden Fällen nicht nur den Ort des Arbeits
punktes 7, an dem das Tastelement 13 angreift, sondern auch
die Ausrichtung der Tasteinheit 11 vom Arbeitspunkt 7 aus
im Raum zu bestimmen, die beispielsweise der Richtung des
Angreifens des Arbeitswerkzeugs, wie hier der Schweißzange
9 entspricht.
Aufgrund der festen Anbringung der Referenzeinheit 12 an
der Roboterhand 16 ist bei bekannter Positionierung des Ro
boters 8 im Raum die Anordnung der Referenzmarkierungen 15
im Raum bestimmt und es kann durch die Erfassung des Ortes
der Sensoren über dieselben anhand der Referenzeinheit 12
und die bekannte Beziehung zwischen den Sensoren 14 und dem
Tastelement 13 an der Tasteinheit 11 der genaue Ort und die
Ausrichtung des Tastelements 13 demgemäss rechnerisch über
einen Rechner 17 bestimmt und zur Steuerung des Roboters 8
beim Arbeiten mittels dessen Steuereinheit 18 verwendet
werden.
Zur Positionierung des Roboters aktiviert der Bediener die
die Antriebe des Roboters und fährt in manuellen Betrieb
mittels der Start-Taste und Zustimmungsschalter des Robo
ters den Roboterarm mit der Hand 16 in die vorgesehene
Messstellung. Nach Deaktivieren der Antriebe kann die Auf
nahme der Koordination der Arbeitspunkte beginnen.
Zur Bestimmung der Raumkoordinaten der Arbeitspunkte 7 und
der zum Arbeiten erforderlichen Orientierung des Werkzeugs
9 beim Angreifen an denselben setzt der Bediener das Tast
element 13 auf einen zu programmierenden Arbeitspunkt 7 auf
und richtet die Tasteinrichtung und mit ihr eben das Tast
element 13 in der zum Bearbeiten vorgesehenen Weise aus.
Damit die Sensoren 14 die Referenzmarkierungen auch unter
geeigneten Winkeln 10 "sehen können" wurde vorher der Robo
terarm in eine geeignete Position gebracht/bewegt. Nach An
setzen und Ausrichten der Tasteinrichtung gibt der Bediener
eineningabebefehl, beispielsweise durch Drücken einer
Taste, woraufhin die von den Sensoren gemessenen Relativpo
sition in Bewegung zu den Referenzmarkierungen dem Rechner
17 übergeben und dort in einen Roboter-Bewegungsbefehl
übertragen werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsge
mäßen Verfahren ist es möglich, Koordinaten beliebiger
Punkte in einer Zelle zu bestimmen und zwar neben den Koor
dinaten eines Werkstücks auch solche von Werkstückaufnahmen
und weiterer Elementen. Insbesondere kann mittels der er
findungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Ver
fahren auch eine Vermessung des Arbeitswerkzeugs, wie der
am Roboter vorzusehenen Schweißzange selbst relativ zum Ro
boter vorgenommen werden, indem beispielsweise die Tast
einrichtung 11 mit ihrem Tastelement 13 an verschiedenen
Punkten des Arbeitswerkzeugs 9 (Schweißzange) angesetzt und
deren Relativposition zu den Referenzmarkierungen 15 und
damit zur Hand 16 des Roboters bestimmt wird.
Da die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsge
mäße Verfahren eine sehr komfortablere und zeitsparende Me
thode zur Punktaufnahme beinhalten, können ohne Zeitnach
teil auch zusätzlich zu den prozesstechnisch notwendigen
Arbeitspunkten (Schweißpunkten) genügend Hilfspunkte er
zeugt werden, die als Art Basis für eine automatische Ge
nerierung einer Bahn bzw. von kompletten Verfahrprogrammen
für den Roboter dienen können. Hierdurch kann insbesondere
eine hindernis- und damit kollisionsfreie Bahn für den
Roboter erzeugt werden.
1
Arbeitszelle
2
Begrenzung
3
Begrenzung
4
Werkstück
5
Verkleidungselemente
6
Holme
7
Schweißpunkte
8
Roboter
9
Schweißzange
11
Tasteinrichtung
12
Referenzeinheit
13
Tastelement
14
Sensoren
15
Referenzmarkierungen
16
Roboterhand
17
Rechner
18
Steuereinheit
Claims (12)
1. Vorrichtung zur Aufnahme vor unbekannter Raumpunkten,
insbesondere an einem Werkstück, wie zur Bearbeitung
mittels eines Roboters, die eine Tasteinrichtung mit
einem Tastelement zur Erfassung eines Raumpunktes auf
weist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasteinrichtung
(11) mindestens einen Sensor (14) aufweist und das zu
mindest eine separate, von der Tasteinrichtung räumlich
getrennte Referenzeinheit (12) mit mindestens einer Re
ferenzmarkierung (15) vorgesehen ist, wobei bei einem
Sensor (14) die Referenzeinheit (12) mehrere Referenz
markierungen aufweist und bei mehreren Sensoren (14)
die Referenzeinheit (12) mindestens eine Referenzmar
kierung aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Tastelement (13) der Tasteinrichtung (11) aus
tauschbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass das Tastelement (13) federnd an der
Tasteinrichtung (11) angeordnet ist und eine Erfas
sungseinrichtung zur Erfassung des Federwegs vorgesehen
ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das Tastelement (13) und die Sen
soren (14) der Tasteinrichtung (11) relativ zueinander
in definierte Stellungen verschwenkbar sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass die Tasteinrichtung (11)
eine Lichtquelle aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Tasta
tur und ein Display aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass eine Referenzeinheit (12)
ortsfest angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Referenzeinheit roboterfest,
insbesondere an der Roboterhand (16) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass die Referenzeinheit (12)
eine Tafel mit mehreren Referenzmarkierungen (15) auf
weist.
10. Verfahren zum Aufnehmen von Raumpunkten, insbesondere
an einem Werkstück, wie zum Bearbeiten mittels eines
Roboters, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenz
einheit an einem vorgegebenen Ort im Raum angeordnet
wird und dass Raumpunkte mit einer mindestens ein Tast
element und mindestens einen Sensor aufweisenden Tast
einrichtung angetastet werden, wobei die Tasteinrichtung
in geeigneter Weise ausgerichtet wird, die Rela
tivposition der Tasteinrichtung zu der Referenzeinheit
mittels des oder der Sensoren erfasst wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass aufgrund der erfassten Relativposition die Abso
lutposition und -ausrichtung der Tasteinrichtung im
Raum bestimmt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn
zeichnet, dass aufgrund der erfassten Position und Aus
richtung der Tasteinrichtung ein Bewegungsbefehl für
einen Roboter zum Anfahren des Raumpunktes oder zum
Arbeiten am Raumpunkt generiert wird.
Priority Applications (1)
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DE2000148952 DE10048952B4 (de) | 2000-10-04 | 2000-10-04 | Verfahren und Vorrichtung zur Aufnahme unbekannter Raumpunkte in einer Arbeitszelle eines Roboters |
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Publications (2)
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DE10048952A1 true DE10048952A1 (de) | 2002-04-11 |
DE10048952B4 DE10048952B4 (de) | 2008-08-21 |
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ID=7658540
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Legal Events
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Owner name: AMATEC ROBOTICS GMBH, 86165 AUGSBURG, DE |
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Owner name: KUKA ROBOTER GMBH, 86165 AUGSBURG, DE |
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Owner name: KUKA DEUTSCHLAND GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: KUKA ROBOTER GMBH, 86165 AUGSBURG, DE |
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