DE102004029279A1

DE102004029279A1 - Werkzeug für einen Industrieroboter eines Handhabungssystems mit einer Messeinrichtung und geeignetes Verfahren zum Prüfen der Positioniergenauigkeit des Industrieroboters

Info

Publication number: DE102004029279A1
Application number: DE200410029279
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Kraus (FH); Siegried Schulmann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-01-12

Abstract

Das Industrieroboter-Werkzeug (12) weist eine Mehrzahl an Außenflächen auf, wobei mindestens drei hinreichend ebene Außenflächen (14, 16, 18) am Werkzeug (12) mit einem einzigen gemeinsamen Schnittpunkt vorgesehen sind. Die drei Außenflächen (14, 16, 18) sind mittels einer Messeinrichtung (20) hinsichtlich ihrer Lage zueinander vermessbar. DOLLAR A Ferner sind ein geeigneter Industrieroboter (10) mit einem entsprechenden Werkzeug (12) und eine geeignete Messeinrichtung (20) vorgesehen, die zusammen ein Handhabungssystem (26) bilden. Zusätzlich wird ein geeignetes Verfahren zum Prüfen der Positioniergenauigkeit des Industrieroboters (10) des Handhabungssystems (26) vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Industrieroboter-Werkzeug, dass eine Mehrzahl an Außenflächen aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Industrieroboter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5, auf eine Messeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 8, auf ein Handhabungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 und auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.

Industrieroboter-Werkzeuge und Handhabungssysteme der eingangs genannten Art sind bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 100 03 611 A1 ein Verfahren zum Einmessen eines Roboters, wobei mit einer relativ zu einer Roboterbasis kalibrierten Messspitze des Roboters mindestens drei Referenzmarken mit bekannten absoluten Koordinaten angefahren werden und mittels dieser Referenzmarken die Koordinaten des Roboters bestimmt werden. Dabei handelt es sich bei der Messspitze um eine Einheit, die ausschließlich zum Einmessen des Roboters vorgesehen ist. Bei dem Roboter kann es sich beispielsweise um einen Lackierroboter handeln.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Messsystem zum Einmessen von Industrierobotern vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird erfüllt durch ein Industrieroboter-Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Werkzeug zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens drei hinreichend ebene Außenflächen am Werkzeug mit einem einzigen gemeinsamen Schnittpunkt vorgesehen sind, wobei die drei Außenflächen mittels einer Messeinrichtung hinsichtlich ihrer Lage zueinander vermessbar sind. Die ebenen Außenflächen des Werkzeugs sind somit als Messflächen ausgebildet und erlauben die Durchführung von schnellen Prüfmessungen am Werkzeug selbst beziehungsweise an einem Industrieroboter, der das Werkzeug trägt. Das Werkzeug weist somit zusätzlich die Funktion eines Prüfgegenstands zur Durchführung einer Werkzeug- beziehungsweise Industrieroboterprüfung auf.

Mit Vorteil sind die drei Außenflächen voneinander räumlich beabstandet angeordnet und ist der Schnittpunkt ein theoretischer Schnittpunkt. Somit können die als Messflächen dienende Außenflächen an beliebigen Stellen des Werkzeugs vorgesehen sein, insbesondere in Bezug auf die Werkzeugbeanspruchung in unkritischen Bereichen. Die Messflächen können somit an die jeweilige Beanspruchung und/oder konstruktive Ausbildung des Werkzeugs angepasst an selbigem vorgesehen werden.

Die drei Außenflächen können an unterschiedlichen Werkzeugseiten angeordnet sein. Dabei müssen die Außenflächen zur Durchführung einer Prüfmessung mittels einer geeigneten Messeinrichtung wenigstens während der Prüfmessung von außen entsprechend frei zugänglich sein. Die Messflächen können gegebenenfalls während des Bearbeitungseinsatzes des Werkzeugs mittels einer geeigneten Einrichtung nach außen hin abgeschirmt beziehungsweise geschützt sein.

Das Werkzeug kann ein Bearbeitungswerkzeug oder ein Montagewerkzeug oder ein Messwerkzeug sein. Eine Vermessung derartiger Werkzeuge während eines automatisierten Bearbeitungsprozesses ist besonders vorteilhaft zur Gewährleistung vorgegebener Bearbeitungsgenauigkeiten. Dabei kann mittels einer Werkzeugvermessung auch eine Aussage in Bezug auf die Positioniergenauigkeit eines das Werkzeug tragenden Industrieroboters getroffen werden.

Ferner wird die Aufgabe gelöst durch einen Industrieroboter mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Der Industrieroboter ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine Steuerung- und/oder Regelungseinrichtung mit einem integrierten Messwertverarbeitungssystem aufweist oder mit einer entsprechenden separaten Einrichtung verbunden ist. Ein derartiger Industrieroboter erlaubt eine Werkzeugvermessung während eines Bearbeitungsprozesses, wobei auch Rückschlüsse auf die Positioniergenauigkeit des Industrieroboters mit dem Werkzeug aus den Messergebnissen geschlossen werden können. Dabei kann die jeweilige Prüfmessung an dem Industrieroboter vollautomatisiert ohne einen notwendigerweise vorzunehmenden Werkzeugwechsel durchgeführt werden.

Bei dem Roboter kann es sich um einen Knickarm-Roboter handeln, wobei der Knickarm-Roboter beispielsweise ein Sechsachsen- oder Siebenachsen-Industrieroboter sein kann. Derartige Roboter befinden sich insbesondere in der Serienfertigung zur Durchführung sehr unterschiedlicher Fertigungsprozesse im Einsatz, wobei die Positioniergenauigkeit des Industrieroboters die Fertigungsgenauigkeit maßgeblich beeinflusst.

Das Werkzeug kann austauschbar am Industrieroboter fixierbar sein. Somit kann der Industrieroboter mit verschiedenenartigen Werkzeugen bestückt werden, wobei jedes Werkzeug mit seinen spezifischen Messflächen versehen ist zur Gewährleistung einer jeweils schnellen und zuverlässigen Industrieroboterprüfung auch während eines Bearbeitungsprozesses hinsichtlich einer hinreichend genauen Werkzeugpositionierung.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Die Messeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Abtasteinheit aufweist zum Bestimmen von jeweils drei Punkten in den drei ebenen Außenflächen des Werkzeugs. Durch das Bestimmen von jeweils drei Punkten in den entsprechenden Messflächen des Werkzeugs kann der gemeinsame Schnittpunkt der drei Messflächen bestimmt werden. Hierdurch ist es verhältnismäßig schnell und hinreichend genau möglich, eine Abweichung des mittels des Roboters positionierten Werkzeugs (Ist-Position des gemeinsamen Schnittpunkts der drei Messflächen) relativ zu einer Soll-Position des gemeinsamen Schnittpunkts der Messflächen zu ermitteln und gegebenenfalls diese Abweichung bei folgenden Positioniervorgängen des Industrieroboters kompensierend zu berücksichtigen. Dabei kann bei einem traditionellen sechsachsigen Industrieroboter eine Positionierabweichung in allen sechs Freiheitsgraden (X, Y, Z, A, B, C) festgestellt werden. Bei der Messeinrichtung kann es sich um eine berührungslose Abtasteinheit oder auch um ein berührendes Messsystem handeln. Dabei ist die Messeinrichtung vorzugsweise mit einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung insbesondere des Industrieroboters operativ verbunden. Dies ermöglicht die Durchführung vollautomatisierter Prüfmessungen eines an einem Industrieroboter fixierten Werkzeugs.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Handhabungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vorgeschlagen. Das Handhabungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass es ein vollautomatisiert betreibbares Handhabungssystem ist. Mittels eines derartigen Handhabungssystems lassen sich die oben erwähnten Vorteile in Bezug auf das erfindungsgemäße Werkzeug, den erfindungsgemäßen Industrieroboter und/oder die erfindungsgemäße Messeinrichtung erzielen.

Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 12. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:

– Positionieren des mit dem Industrieroboter verbundenen Werkzeugs in eine definierte Messstellung,
– erstes Vermessen der drei ebenen Außenflächen,
– Bestimmen der räumlichen Lage des gemeinsamen Schnittpunkts der drei ebenen Außenflächen,
– nach einer Betriebszeit des Industrieroboters erneutes Vermessen der drei ebenen Außenflächen,
– Ermitteln einer gegebenenfalls vorliegenden räumlichen Lageveränderung des gemeinsamen Schnittpunkts.

Das Verfahren eignet sich besonders zur Gewährleistung einer hinreichend hohen Bearbeitungsgenauigkeit des Industrieroboters während eines oder mehrerer Fertigungsprozesse. Es wird somit in zuverlässiger Weise vermieden, dass während eines Fertigungsprozesses sich beim Industrieroboter nichtakzeptable Positionierungenauigkeiten einstellen können, ohne das selbige zeitnah erkannt und mittels der Steuerung- und/oder Regelungseinrichtung insbesondere des Industrieroboters kompensiert werden könnten.

Die Dauer eines Betriebszeitabschnitts, nach welchem ein erneutes Vermessen der drei ebenen Außenflächen des Werkzeugs durchgeführt wird, ist vorzugsweise frei vorgebbar. Dabei kann die Dauer des Betriebszeitabschnitts in Abhängigkeit von jeweiligen Betriebssituationen unterschiedlich lang vorgebbar sein. Hierdurch ist es möglich, Positionierungenauigkeiten eines Industrieroboters schnell zu erkennen und zu kompensieren, die auf eine spezielle, vorgesehene beziehungsweise auf eine unvorhergesehene Betriebssituation zurückgeführt werden können. Hierbei ist es insbesondere möglich, dass der Zeitpunkt zum Einleiten eines weiteren Vermessens des Werkzeugs automatisiert nach Auftreten einer vorgebbaren maximalen Betriebskraft am Industrieroboter eingeleitet wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Perspektivansicht auf ein Handhabungssystem mit einem Industrieroboter, der ein erfindungsgemäßes Werkzeug trägt.
Die Figur zeigt in schematischer Darstellung ein Handhabungssystem 26, das einen Industrieroboter 10 mit einem Industrieroboter-Werkzeug 12 und eine Messeinrichtung 20 aufweist. Der Industrieroboter 10 ist ein sechsachsiger Knickarm-Roboter. Die Messeinrichtung 20 enthält eine berührungslos arbeitende Abtasteinheit 22, die zur Vermessung des am Industrieroboter 10 fixierten Werkzeugs 12 vorgesehen ist, das hierzu mittels des Industrieroboters 10 in eine definierte Messstellung positionierbar ist.
Das Industrieroboter-Werkzeug 12 ist mit drei hinreichend ebenen Außenflächen 14, 16, 18 versehen, an denen mittels der Messeinrichtung 20 beziehungsweise mittels deren Abtasteinheit 22 jeweils drei voneinander beabstandete Punkte (Messpunkte 24) bestimmbar sind. Mittels Bestimmen der drei Messpunkte 24 in jeweils einer Messebene (Außenflächen 14, 16, 18) des Werkzeugs 12 lässt sich die Lage der drei Messebenen 14, 16, 18 zueinander hinreichend genau bestimmen. Dabei sind die drei ebenen Außenflächen 14, 16, 18 am Werkzeug 12 derart angeordnet, dass sie einen einzigen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen, der gegebenenfalls wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein theoretischer Schnittpunkt sein kann.
Zur Durchführung einer Prüfmessung des am Industrieroboter 10 fixierten Industrieroboter-Werkzeugs 12 mittels der Messeinrichtung 20 wird das Werkzeug 12 mittels des Industrieroboters 10 in eine definierte Messstellung positioniert, in welcher die Abtasteinheit 22 der Messeinrichtung 20 an jeder ebenen Außenfläche 14, 16, 18 des Werkzeugs 12 drei unterschiedliche Punkte 24 bestimmen kann. Anschließend ist es möglich, durch die Kenntnis der Position der Punkte 24 in den jeweiligen ebenen Außenflächen 14, 16, 18 die Lage derselben Außenflächen 14, 16, 18 zueinander zu bestimmen und somit den einzigen gemeinsamen Schnittpunkt (theoretischer Schnittpunkt) dieser ebenen Außenflächen 14, 16, 18 zu bestimmen. Eine derartige Prüfmessung des Industrieroboter-Werkzeugs 12 kann vollständig automatisiert erfolgen und ist verhältnismäßig schnell durchführbar.
Während eines sich nun anschließenden Bearbeitungsprozesses mittels des Industrieroboters 10 und des am selbigen fixierten Industrieroboter-Werkzeugs 12 können sich gegebenenfalls Lage- beziehungsweise Positionierabweichungen am Industrieroboter 10 und/oder am Werkzeug 12 einstellen, die durch ein anschließendes Vermessen des am Industrieroboter 10 fixierten Werkzeugs 12 schnell und zuverlässig ermittelt werden können. Hierzu wird der oben beschriebene Vorgang einer Prüfmessung wiederholt und eine gegebenenfalls vorliegende Positionierabweichung des gemeinsamen Schnittpunkts (theoretischer Schnittpunkt) festgestellt. Dabei kann bei einem traditionellen sechsachsigen Industrieroboter eine Positionierabweichung in allen sechs Freiheitsgraden (X, Y, Z, A, B, C) festgestellt werden. Diese Abweichung kann auf eine Ungenauigkeit des Industrieroboters 10 und/oder auf eine Verformung des Werkzeugs 12 zurückgeführt werden. Die Positionierungenauigkeit des Industrieroboters 10 mit einem Werkzeug 12 kann somit in Kenntnis ihrer quantitativen Größe durch das Steuerungs- und/oder Regelungssystem des Industrieroboters 10 kompensiert werden, so dass eine hinreichend genaue Bearbeitung mittels des Industrieroboters 10 mit einem Werkzeug 12 während des gesamten Bearbeitungsprozesses gewährleistet werden kann.
Bei zu großen sich einstellenden Positionierabweichungen des Industrieroboters kann gegebenenfalls ein Wechsel des Industrieroboter-Werkzeugs 12 vorgesehen werden.
Das in der Figur dargestellte Handhabungssystem 26 ist besonders vorteilhaft in einer vollautomatisierten Serienproduktion einsetzbar unter Gewährleistung einer hinreichend großen Bearbeitungsgenauigkeit.

Claims

Industrieroboter-Werkzeug (12), das eine Mehrzahl an Außenflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei hinreichend ebene Außenflächen (14, 16, 18) am Werkzeug (12) mit einem einzigen gemeinsamen Schnittpunkt vorgesehen sind, wobei die drei Außenflächen (14, 16, 18) mittels einer Messeinrichtung (20) hinsichtlich ihrer Lage zueinander vermessbar sind.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Außenflächen (14, 16, 18) voneinander räumlich beabstandet angeordnet sind und der Schnittpunkt ein theoretischer Schnittpunkt ist.
Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Außenflächen (14, 16, 18) an unterschiedlichen Werkzeugseiten angeordnet sind.
Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Bearbeitungswerkzeug oder ein Montagewerkzeug oder ein Messwerkzeug ist.
Industrieroboter (10) mit einem Werkzeug (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Industrieroboter (10) eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung mit einem integrierten Messwertverarbeitungssystem aufweist oder mit einer entsprechenden separaten Einrichtung verbunden ist.
Industrieroboter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Knickarmroboter ist.
Industrieroboter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (12) austauschbar am Industrieroboter (10) fixierbar ist.
Messeinrichtung (20) zur Vermessung eines Werkzeugs (12) eines Industrieroboters (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (20) eine Abtasteinheit (22) aufweist zum Bestimmen von jeweils drei Punkten (24) in den drei ebenen Außenflächen (14, 16, 18) des Werkzeugs (12).
Messeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (20) eine berührungslose Abtasteinheit aufweist.
Messeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung insbesondere des Industrieroboters (10) operativ verbunden ist.
Handhabungssystem (26), mit einem Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7 und mit einer Messeinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ein vollautomatisiert betreibbares Handhabungssystem (26) ist.
Verfahren zum Prüfen der Positioniergenauigkeit eines Industrieroboters (10) eines Handhabungssystems (26) nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Positionieren des mit dem Industrieroboter (10) verbundenen Werkzeugs (12) in eine definierte Messstellung, – erstes Vermessen der drei ebenen Außenflächen (14, 16, 18), – Bestimmen der räumlichen Lage des gemeinsamen Schnittpunkts der drei ebenen Außenflächen (14, 16, 18), – nach einer Betriebszeit des Industrieroboters (10) erneutes Vermessen der drei ebenen Außenflächen (14, 16, 18), – Ermitteln einer gegebenenfalls vorliegenden räumlichen Lageveränderung des gemeinsamen Schnittpunkts.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer eines Betriebszeitabschnitts frei vorgebbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer eines Betriebszeitabschnitts in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebssituation unterschiedlich vorgebbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt zum Einleiten eines weiteren Vermessens automatisiert nach Auftreten einer vorgebbaren maximalen Betriebskraft eingeleitet wird.