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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit
eines Manipulators, insbesondere des Manipulators eines Roboters,
bezüglich
einer durch den Manipulator zu bearbeitenden Struktur oder Kontur,
z.B. Kante, Falz, Schweißnaht
oder Kleberaube, eines Serienwerkstücks.
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Stand der Technik:
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Wird
eine Kontur an einem Werkstück
automatisch bearbeitet, geschieht dies z.B. in einer Bearbeitungsstation
mit den Komponenten:
- – Manipulator, der eine im
Raum vorgegebene Bahn abfährt;
- – Werkstück, dessen
Kontur bearbeitet wird;
- – Transport-
und Positioniereinrichtung, die das Werkstück transportiert und während der
Bearbeitung in einer festen Position hält.
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Die
Genauigkeit der Bearbeitung an der Kontur wird dabei u.a. von folgenden
Faktoren beeinflusst:
- – Genauigkeit, mit der der
Manipulator seine Bahn wiederholen kann;
- – Genauigkeit,
mit der die Positioniereinrichtung das Werkstück für die Bearbeitung bereitstellt;
- – Gesamt-Formgenauigkeit
des Werkstücks,
d.h. wie genau sind die Abmessungen des Werkstücks insgesamt, im Speziellen
die Abweichungen zwischen den Aufnahmepunkten, an denen die Positioniereinrichtung
das Werkstück
fixiert und der zu bearbeitenden Kontur, wo der Manipulator arbeitet;
- – Lokale
Formgenauigkeit des Werkstücks,
d.h. die lokalen Abweichungen des Werkstücks an der zu bearbeitenden
Kontur.
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Zur
Erhöhung
der Bearbeitungsgenauigkeit werden im Stand der Technik im Wesentlichen
zwei Verfahren angewandt:
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3D-Lagevermessung:
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Mit
Hilfe einer externen Messeinrichtung wird die Werkstücklage,
vorzugsweise gemessen in der Nähe
der zu bearbeitenden Kontur, relativ zum Manipulator bestimmt. Damit
können
Fehler in der Positioniereinrichtung und Gesamt-Formgenäuigkeit des Werkstücks ausgeglichen
werden. Fahler in der lokalen Formgenauigkeit des Werkstücks an der
zu bearbeitenden Kontur bleiben unbeachtet, da der Manipulator immer
dieselbe Bahn abfährt,
die nur als Ganzes im Raum verschoben und gedreht wird.
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Online-Bahnkorrektur:
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Mit
Hilfe eines am Manipulator angebrachten und während der Bearbeitung über die
zu bearbeitende Kontur des Werkstücks geführten Sensors wird die Bahn
des Manipulators während
der Bewegung so korrigiert, dass der Relativbezug zwischen Manipulator
und Bearbeitungsort am Werkstück
konstant bleibt, unabhängig
von den lokalen Formabweichungen am Werkstück. Damit werden alle oben
genannten Positionierfehler korrigiert. Das Verfahren muss aber
direkt in die Manipulatorsteuerung eingreifen und speziell an den
Manipulator angepasst warden, Was einen hohen technischen Aufwand
bedeutet. Die Geschwindigkeit, mit der die Arbeitsaufgabe durchgeführt werden
kann, ist wegen des Sensoreingriffs und der dadurch benötigten Reaktionszeit
des Manipulators gering.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Verbesserung
der Positioniergenauigkeit eines Manipulators bezüglich eines Serienwerkstücks zu schaffen,
welches die genannten Nachteile vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit
eines Manipulators, insbesondere des Manipulators eines Roboters,
bezüglich
einer zu bearbeitenden Struktur oder Kontur, z.B. Kante, Falz, Schweißnaht oder
Kleberaube, eines Serienwerkstücks,
wobei
- – die
Form des Serienwerkstücks
im wesentlichen der Form eines Referenz-Werkstücks entspricht und hiervon
durch herstellungsbedingte Exemplarstreuung abweicht,
- – das
Referenz-Werkstück
eine Referenz-Struktur oder Referenz-Kontur aufweist,
– deren
Form im wesentlichen der Form der Struktur oder Kontur des Serienwerkstücks entspricht und
hiervon durch herstellungsbedingte Exemplarstreuung abweicht,
– und deren
Lage und Orientierung in Bezug auf das Referenz-Werkstück im wesentlichen der Lage
und Orientierung der Struktur oder Kontur in Bezug auf das Serienwerkstück entsprechen
und hiervon durch herstellungsbedingte Exemplarstreuung abweichen,
mit
folgenden Schritten:
a) an dem Manipulator oder Roboter wird
ein Sensor angeordnet, auf welchen ein Sensor-Koordinatensystem
bezogen ist,
b) das Referenz-Werkstück wird im Arbeitsbereich des
Manipulators angeordnet,
c) es wird mindestens ein Punkt, nämlich ein
Referenzpunkt, auf der Referenz-Struktur oder Referenz-Kontur ausgewählt,
d)
der Manipulator wird an eine solche Ausgangsposition verfahren,
von welcher aus der Manipulator den Referenzpunkt mit einem Werkzeug
zu bearbeiten imstande ist,
e) die Lage des Referenzpunkts
im Sensor-Koordinatensystem wird mittels des Sensors erfasst, während sich
der Manipulator in der Ausgangsposition und dort in einer vorgegeneben
Ausgangsorientierung befindet,
f) anstelle des Referenz-Werkstücks wird
das Serienwerkstück
im Arbeitsbereich des Manipulators angeordnet,
g) dem Referenzpunkt
wird ein Punkt, Serienpunkt, der Struktur oder Kontur des Serienwerkstücks so zugeordnet,
dass die Lage des Serienpunkts bezüglich der Struktur oder Kontur
der Lage des Referenzpunkts bezüglich
der Referenz-Struktur oder Referenz-Kontur bis auf eine vorgebbare
Toleranz entspricht,
h) die Lage des Serienpunkts im Sensor-Koordinatensystem
wird mittels des Sensors erfaßt, während sich
der Manipulator immer noch oder erneut in der Ausgangsposition und
der Ausgangsorientierung befindet,
i) die Lageabweichung zwischen
Referenzpunkt und zugeordnetem Serienpunkt wird unter Verwendung
der in den Schritten e) und h) gewonnenen Ergebnisse bestimmt und
hieraus wird eine korrigierte Position dadurch definiert, dass deren Lageabweichung
von der Ausgangsposition nach Betrag und Richtung dieselbe ist wie
die Lageabweichung zwischen Referenzpunkt und Serienpunkt,
k)
der Manipulator wird in die korrigierte Position verfahren und von
dieser aus wird der Serienpunkt mittels des Werkzeugs bearbeitet.
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Gemäß einer
hiervon in den Schritten h) und i) abweichenden, alternativen Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht
- – der
Schritt h) darin, dass die Lage des Serienpunkts (SP1) im Sensor-Koordinatensystem (SKS)
mittels des Sensors erfaßt
wird, während sich
der Manipulator in einer Meßposition,
deren Lageabweichung von der Ausgangsposition bekannt ist, und in
der Ausgangsorientierung befindet,
- – und
der Schritt i) darin, dass die Lageabweichung zwischen Referenzpunkt
(RP1) und zugeordnetem Serienpunkt (SP1) unter Verwendung der in
den Schritten e) und h) gewonnenen Ergebnisse und insbesondere unter
Berücksichtigung der
Lageabweichung zwischen Meßposition
und Ausgangsposition (A) bestimmt und hieraus eine korrigierte Position
(KP1) dadurch definiert wird, dass deren Lageabweichung von der
Ausgangsposition (A1) nach Betrag und Richtung dieselbe ist wie
die Lageabweichung zwischen Referenzpunkt (RP1) und Serienpunkt
(SP1).
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Diese
alternative Variante bietet den Vorteil, dass der Manipulator im
Schritt h) die Ausgangsposition nicht erneut anzufahren bzw. punktgenau
zu treffen braucht. Vielmehr fährt
der Manipulator gemäß dieser
alternativen Variante im Schritt h) anstelle der Ausgangsposition
eine hiervon abweichende Meßposition
an, welche bestimmt wird, z.B. einfach durch Auslesen der Manipulator-Koordinaten bei Erreichen der
Meßposition.
Die Lageabweichung der Meßposition
von der im Schritt d) angefahrenen Ausgangsposition wird durch Vergleich
Meßposition-Ausgangsposition
ermittelt.
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Gemäß der besagten
alternativen Variante wird also die korrigierte Position bestimmt,
ohne dass eigens hierzu nochmals die Ausgangsposition mit dem Manipulator
angefahren werden muss; die ermittelte und zur Ausführung des
Schrittes k) benötigte
korrigierte Position bleibt dennoch unverändert.
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Da
gemäß der besagten
alternativen Variante die Ausgangsposition im Schritt h) nicht getroffen zu
werden braucht, spielen hier bei Ausführung des Schrittes h) insbesondere
z.B. auf den Manipulator wirkende Trägheitskräfte und die dadurch hervorgerufenen
elastischen Auslenkungen des Manipulators keine störende Rolle.
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Besagte
alternaive Variante erweist sich daher insbesondere dann als sehr
vorteilhaft, wenn der Manipulator zur Ausführung des Schrittes h) z.B.
aus Gründen
der Zeitersparnis nicht angehalten werden soll; insbesondere führt bei
Ausführung
des besagten Alternativen Verfahrens während Schrittes h) auch eine
ungleichförmige
Bewegung des Manipulators nicht zu Fehlern. Der Manipulator kann
sich daher während
der Ausführung
des gesamten Schrittes h) z.B. auf einer gekrümmten Bahn schnell bewegen und
somit starken Zentrifugalkräften
unterworfen sein, ohne dass dies Fehler bei der Bestimmung der korrigierten
Position nach sich zieht.
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Mit
der Aussage, dass die Form des Serienwerkstücks im wesentlichen der Form
eines Referenz-Werkstücks
entspricht, ist gemeint, dass diese beiden Werkstücke in allen
Abmessungen bis auf eine vorgegebene Toleranz von z.B. höchstens ±10%, vorzugsweise
höchstens ±5%, besonders
vorzugsweise ±1%
oder weniger, oder in allen Abmessungen bis auf eine vorgegebene
Toleranz von z.B. ±10cm,
vorzugsweise höchstens ±10mm,
besonders vorzugsweise ±1mm
oder weniger, miteinander übereinstimmen.
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Ebenso
ist mit der Aussage, dass die Form der Referenz-Struktur oder Referenz-Kontur im wesentlichen
der Form der Struktur oder Kontur des Serienwerkstücks entspricht,
gemeint, dass diese beiden Konturen bzw. Strukturen in allen Abmessungen bis
auf eine vorgegebene Toleranz von z.B. ±10%, vorzugsweise höchstens ±5%, besonders
vorzugsweise ±1
% oder weniger, oder in allen Abmessungen bis auf eine vorgegebene
Toleranz von z.B. ±10cm, vorzugsweise
höchstens ±10mm,
besonders vorzugsweise ±1
mm oder weniger, miteinander übereinstimmen.
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Ebenso
ist mit der Aussage, dass die Lage der Referenz-Struktur oder Referenz-Kontur in Bezug auf
das Referenz-Werkstück
im wesentlichen der Lage der Struktur oder Kontur in Bezug auf das
Serienwerkstücks
entspricht, gemeint, dass diese Lagen, bezogen auf das jeweilige
Werkstück,
bis auf eine vorgegebene Toleranz von z.B. ±10%, vorzugsweise höchstens ±5%, besonders
vorzugsweise ±1%
oder weniger, oder bis auf eine vorgegebene Toleranz von z.B. ±10cm,
vorzugsweise höchstens ±10mm,
besonders vorzugsweise ±1
mm oder weniger, miteinander übereinstimmen.
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Ebenso
ist mit der Aussage, dass die Orientierung der Referenz-Struktur
oder Referenz-Kontur in Bezug auf das Referenz-Werkstück im wesentlichen
der Orientierung der Struktur oder Kontur in Bezug auf das Serienwerkstücks entspricht,
gemeint, dass diese Orientierung, bezogen auf das jeweilige Werkstück, bis
auf eine vorgegebene Toleranz von z.B. ±10°, vorzugsweise höchstens ±5°, besonders vorzugsweise ±1° oder weniger,
miteinander übereinstimmen.
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Die
Aussage, dass anstelle des Referenz-Werkstücks das Serienwerkstück im Arbeitsbereich
des Manipulators angeordnet wird (Schritt f), bedeutet, dass das
Serienwerkstück
so genau wie möglich
dort plaziert wird, wo bisher das Referenz-Werkstück plaziert war. Der Unterschied
der Lage jedes Punktes des Referenz-Werkstücks während der Schritte b) bis e)
zur Lage des entsprechenden Punktes des Serienwerkstücks während der Schritte
g) bis k) beträgt
hierbei z.B. maximal ±10%, vorzugsweise
maximal 5%, besonders bevorzugt weniger als 1% der größten Abmessung
des Referenz-Werkstücks.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante werden vor Ausführung des Schrittes f) zusätzlich folgende Schritte
ausgeführt:
- c')
der Schritt c) wird für
einen weiteren Referenzpunkt entsprechend erneut ausgeführt,
- d') der Schritt
d) wird für
den weiteren Referenzpunkt entsprechend erneut ausgeführt, wodurch der
Manipulator an eine weitere Ausgangsposition verfahren wird, welche
dem weiteren Referenzpunkt zugeordnet ist,
- e') der Schritt
e) wird für
den weiteren Referenzpunkt entsprechend erneut ausgeführt, wobei
die Lage des weiteren Referenzpunktes im Sensor-Koordinatensystem mittels des Sensors
erfasst wird, während
sich der Manipulator in der dem weiteren Referenzpunkt zugeordneten
Ausgangsposition und dort in einer vorgegebenen weiteren Ausgangsorientierung
befindet,
und nach Ausführung des Schrittes f) zusätzlich folgende
Schritte ausgeführt: - g')
der Schritt g) wird für
den weiteren Referenzpunkt entsprechend erneut ausgeführt, wodurch diesem
ein weiterer Serienpunkt zugeordnet wird,
- h') der Schritt
h) wird für
den weiteren Serienpunkt jeweils entsprechend erneut ausgeführt, wobei dessen
Lage im Sensor-Koordinatensystem mittels des Sensors erfasst wird,
während
sich der Manipulator in der weiteren Ausgangsposition und der dort
vorgegebenen weiteren Ausgangsorientierung befindet,
- i') der Schritt
i) wird für
den weiteren Referenzpunkt und den ihm zugeordneten weiteren Serienpunkt
entsprechend erneut ausgeführt,
wodurch die Lageabweichung zwischen dem weiteren Referenzpunkt und
dem ihm zugeordneten weiteren Serienpunkt bestimmt wird, und diese
als Korrektur für
die Position des Manipulators verwendet wird, indem zu der weiteren
Ausgangsposition eine zu dieser zugehörige weitere korrigierte Position
dadurch definiert wird, dass deren Lageabweichung von der weiteren
Ausgangsposition nach Betrag und Richtung dieselbe ist wie die Lageabweichung
zwischen dem weiteren Referenzpunkt und dem zugehörigen weiteren
Serienpunkt, und
- k') der Schritt
k) wird für
die weitere korrigierte Position entsprechend erneut ausgeführt, wodurch der
Manipulator die weitere korrigierte Positionen verfahren, und von
dieser aus der weitere Serienpunkt mittels des Werkzeugs bearbeitet.
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Insbesondere
können
die Schritte h) und i) hierbei jedesmal gemäß der oben besagten alternativen
Variante ausgeführt
werden, z.B. um den störenden
Einfluß von
Trägheitskräften auszuschalten
und Zeit zu sparen.
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Mit
der Aussage von Schritt g'),
dass dem weiteren Referenzpunkt ein weiterer Serienpunkt zugeordnet
wird, ist nicht gemeint, dass dem weiteren Referenzpunkt zwei oder
mehr Serienpunkte zugeordnet werden; vielmehr ist mit "weiterer Serienpunkt" der einzige Serienpunkt
gemeint, der dem weiteren Referenzpunkt zugeordnet wird. Die Bezeichnung "weiterer Serienpunkt" wurde lediglich
zur Vermeidung von Verwechslungen mit dem Serienpunkt von Schritt
g) gewählt.
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Ebenso
wird dem weiteren Referenzpunkt nur eine einzige Ausgangsposition
zugeordnet (Schritt d');
diese ist aus analogen Gründen
mit "weitere Ausgangsposition" bezeichnet. Entsprechendes gilt
für die "weitere Ausgangsorientierung" (Schritt e') und die "weitere korrigierte
Position" (Schritt
i').
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Die
vorgegebene weitere Ausgangsorientierung des Manipulators in den
Schritten e') und
h') braucht nicht
dieselbe zu sein wie die seine Ausgangsorientierung in den Schritten
e) und h). Ebenso kann sich bei mehrfacher Ausführung der Schritte e') bzw. h') der Manipulator
jeweils in einer anderen Ausgangsorientierung befinden. Bevorzugt
weist der Manipulator jedoch während
des gesamten Verfahrens eine konstante Orientierung auf, so dass
alle Ausgangsorientierungen identisch sind.
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Gemäß einer
Variante werden die Schritte c'),
d'), e'), g'), h'), i') und k') jeweils m-mal ausgeführt, wobei
m eine natürliche
Zahl ist, d.h. es gilt m = 1, 2, 3 ... usw.. Durch eine hinreichend
hohe Wahl der Zahl m kann die Dichte der Referenzpunkte auf der
Referenzkontur oder Referenzstruktur und damit auch die Dichte der
Serienpunkte auf der Kontur oder Struktur des Serienwerkstücks beliebig
hoch gewählt
werden, so dass auch sehr kleine Details von Exemplarstreuungen
mit dem Verfahren erfaßbar
sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante wird eine Initialisierungsphase durchgeführt, welche
darin besteht, dass zunächst
die Schritte c) und d) ausgeführt werden
und danach die Schritte c')
und d') m-mal alternierend
ausgeführt
werden, d.h. die Reihenfolge der Schritte ist zunächst c),
d) und danach m-mal die Schrittfolge c'), d').
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Gemäß einer
bevorzugten Variante alle m verschiedenen Ausgangspositionen des
Manipulators gespeichert, und/oder alle Ausgangsorientierungen des
Manipulators gespeichert.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante ist die Ausgangsorientierung während jeder
Durchführung der
Schritte e), h), e')
und h') stets dieselbe
oder die Orientierung des Manipulators während des gesamten Verfahrens
wird unverändert
beibehalten.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante wird nach der Initialisierungsphase eine Meßphase durchgeführt, welche
darin besteht, dass zunächst
die Schritte g), h) und i) durchgeführt werden und danach die Schritte
g'), h') und i') m-mal zyklisch
aufeinanderfolgend durchgeführt
werden, d.h. die Reihenfolge der Schritte ist zunächst g),
h), i) und danach m-mal die Schrittfolge g'), h'),
i').
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Gemäß einer
bevorzugten Variante wird nach der Meßphase eine Applikationsphase
durchgeführt,
welche darin besteht, dass zunächst
der Schritt k) und danach m-mal nacheinander der Schritt k') durchgeführt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante ist der Sensor ein zweidimensional ortsauflösender Sensor, wobei
das Sensor-Koordinatensystem ein zweidimensionales Koordinatensystem
ist und die Lageabweichung zwischen Ausgangsposition und korrigierter
Position keine Komponente senkrecht zum Sensor-Koordinatensystem
aufweist und somit in dieser Richtung keine Korrektur vorgenommen
wird.
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Gemäß einer
Variante wird im Schritt i) und/oder im Schritt i') die Lageabweichung
zwischen Referenzpunkt und zugeordnetem Serienpunkt zunächst im
Sensor-Koordinatensystem bestimmt und dann auf ein auf den Manipulator
bezogenes Koordinatensystem umgerechnet.
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Gemäß einer
Variante wird die im Schritt e) und/oder die im Schritt e') im Sensor-Koordinatensystem
erfaßte
Lage des Referenzpunkts und die im Schritt h) und/oder die im Schritt
h') im Sensor-Koordinatensystem
erfaßte
Lage des Serienpunkts jeweils zunächst auf ein auf den Manipulator
bezogenes Koordinatensystem umgerechnet und die Lageabweichung zwischen
diesen beiden Punkten dann in dem auf den Manipulator bezogenen
Koordinatensystem berechnet.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante wird der Sensor im Schritt a) starr am Manipulator
oder einem Teil desselben angeordnet, insbesondere an dem das Werkzeug
tragenden oder an dem eine Aufnahme für das Werkzeug tragenden Teil
des Manipulators.
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Gemäß einer
anderen Variante wird der Sensor in Abweichung von Schritt a) nicht
am Manipulator angeordnet. Der Sensor kann z.B. ortsfest angeordnet
werden.
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Gemäß einer
Variante wird die Orientierung des Sensors während des gesamten Verfahrens
konstant beibehalten.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante wird als Sensor ein solcher verwendet, welcher
zusätzlich
die Position des Manipulators zu erfassen imstande ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante wird zur Bestimmung einer Umrechnungsvorschrift
des Sensor-Koordinatensystems in das Manipulator-Koordinatensystem oder umgekehrt vorgegangen
wird wie folgt:
- A) es wird ein bestimmter Punkt,
insbesondere einer der Referenzpunkte oder einer der Serienpunkte,
mit dem Sensor erfaßt,
- B) der Manipulator wird in seiner x-Richtung um einen bestimmten
Verfahrweg verfahren und
– die
hierdurch hervorgerufene Änderung
der Lage des Punktes im Sensor-Koordinatensystem wird sowohl in
x-Richtung als auch in y-Richtung des
Sensor-Koordinatensystems bestimmt,
– und der Betrag, erster Betrag,
der hierdurch hervorgerufenen Änderung
der Lage des Punktes im Sensor-Koordinatensystem (SKS) wird bestimmt, so
daß der
erste Betrag und die x-Richtung des Manipulator-Koordinatensystems
einander zugeordnet sind,
- C) der Manipulator wird in seiner y-Richtung um den bestimmten
Verfahrweg verfahren und
– die
hierdurch hervorgerufene Änderung
der Lage des Punktes im Sensor-Koordinatensystem wird sowohl in
x-Richtung als auch in y-Richtung des
Sensor-Koordinatensystems bestimmt,
– und der Betrag, zweiter Betrag,
der hierdurch hervorgerufenen Änderung
der Lage des Punktes im Sensor-Koordinatensystem wird bestimmt,
so daß der
zweite Betrag und die y-Richtung des Manipulator-Koordinatensystems
einander zugeordnet sind,
- D) der Manipulator wird in seiner z-Richtung um einen bestimmten
Verfahrweg verfahren und
– die
hierdurch hervorgerufene Änderung
der Lage des Punktes im Sensor-Koordinatensystem wird sowohl in
x-Richtung als auch in y-Richtung des
Sensor-Koordinatensystems bestimmt,
– und der Betrag, dritter Betrag,
der hierdurch hervorgerufenen Änderung
der Lage des Punktes im Sensor-Koordinatensystem wird bestimmt,
so daß der
dritte Betrag und die z-Richtung des Manipulator-Koordinatensystems
einander zugeordnet sind,
- E) die so gewonnenen Ergebnisse werden dazu verwendet, eine
Umrechnungsvorschrift des Sensor-Koordinatensystems in das Manipulator-Koordinatensystem
oder umgekehrt zu ermitteln.
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Gemäß einer
Variante wird der Manipulator
- – im Schritt
B) nicht in seiner x-Richtung, sondern in einer hiervon abweichenden
x'-Richtung um den
bestimmten Verfahrweg verfahren, und/oder
- – im
Schritt C) nicht in seiner y-Richtung, sondern in einer hiervon
abweichenden y'-Richtung
um den bestimmten Verfahrweg verfahren, und/oder
- – im
Schritt D) nicht in seiner z-Richtung, sondern in einer hiervon
abweichenden z'-Richtung
um den bestimmten Verfahrweg verfahren,
so dass der erste
Betrag und die x'-Richtung
des Manipulator-Koordinatensystems
einander zugeordnet, der zweite Betrag und die y'-Richtung des Manipulator-Koordinatensystems
einander zugeordnet und der dritte Betrag und die z'-Richtung des Manipulator-Koordinatensystems
einander zugeordnet sind,
wobei die x'-Richtung, die y-'Richtung und die z'-Richtung linear unanhängig zueinander
gewählt werden.
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Gemäß einer
Variante wird
- – im Schritt B) der Manipulator
nicht um den bestimmten Verfahrweg, sondern um eine erste Verfahrstrecke
verfahren und
– die
hierdurch hervorgerufene Änderung
der Lage des Punktes im Sensor-Koordinatensystem (SKS) sowohl in
x-Richtung als auch in y-Richtung des Sensor-Koorddinatensystems
(SKS) bestimmt,
– die
Größe, erste
Größe, der
hierdurch hervorgerufenen Verschiebung des Punktes im Sensor-Koordinatensystem
(SKS) bestimmt,
– und
der erste Betrag berechnet, indem die erste Größe mit dem Verfahrweg multipliziert
und durch die erste Verfahrstrecke dividiert, also auf den Verfahrweg
normiert,
- – und/oder
im Schritt C) der Manipulator nicht um den bestimmten Verfahrweg,
sondern um eine zweite Verfahrstrecke verfahren und
– die hierdurch
hervorgerufene Änderung
der Lage des Punktes im Sensor-Koordinatensystem (SKS) sowohl in
x-Richtung als auch in y-Richtung des Sensor-Koordinatensystems
(SKS) bestimmt,
– die
Größe, zweite
Größe, der
hierdurch hervorgerufenen Verschiebung des Punktes im Sensor-Koordinatensystem
(SKS) bestimmt,
– und
der zweite Betrag berechnet, indem die zweite Größe mit dem Verfahrweg multipliziert und
durch die zweite Verfahrstrecke dividiert, also auf den Verfahrweg
normiert,
- – und/oder
im Schritt D) der Manipulator nicht um den bestimmten Verfahrweg,
sondern um eine dritte Verfahrstrecke verfahren und
– die hierdurch
hervorgerufene Änderung
der Lage des Punktes im Sensor-Koordinatensystem (SKS) sowohl in
x-Richtung als auch in y-Richtung des Sensor-Koordinatensystems
(SKS) bestimmt,
– die
Größe, dritte
Größe, der
hierdurch hervorgerufenen Verschiebung des Punktes im Sensor-Koordinatensystem
(SKS) bestimmt,
– und
der dritte Betrag berechnet, indem die dritte Größe mit dem Verfahrweg multipliziert
und durch die dritte Verfahrstrecke dividiert, also auf den Verfahrweg
normiert.
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Gemäß einer
Variante wird
- – im Schritt B) die durch das
Verfahren des Manipulators hervorgerufene Änderung der Lage des Punktes
im Sensor-Koordinatensystem
– anstatt in x-Richtung des
Sensor-Koordinatensystems bestimmt zu werden, in einer hiervon abweichenden
x1-Richtung des Sensor-Koordinatensystems
bestimmt,
– und/oder
anstatt in y-Richtung des Sensor-Koordinatensystems bestimmt zu
werden, in einer hiervon abweichenden, zur x1-Richtung linear unabhängigen y1-Richtung
des Sensor-Koordinatensystems
bestimmt,
- – und/oder
im Schritt C) die durch das Verfahren des Manipulators hervorgerufene Änderung
der Lage des Punktes im Sensor-Koordinatensystem
– anstatt
in x-Richtung des Sensor-Koordinatensystems bestimmt zu werden,
in einer hiervon abweichenden x2-Richtung des Sensor-Koordinatensystems
bestimmt,
– und/oder
anstatt in y-Richtung des Sensor-Koordinatensystems bestimmt zu
werden, in einer hiervon abweichenden, zur x2-Richtung linear unabhängigen y2-Richtung
des Sensor-Koordinatensystems
bestimmt,
- – und/oder
im Schritt D) die durch das Verfahren des Manipulators hervorgerufene Änderung
der Lage des Punktes im Sensor-Koordinatensystem
– anstatt
in x-Richtung des Sensor-Koordinatensystems bestimmt zu werden,
in einer hiervon abweichenden x3-Richtung des Sensor-Koordinatensystems
bestimmt,
– und/oder
anstatt in y-Richtung des Sensor-Koordinatensystems bestimmt zu
werden, in einer hiervon abweichenden, zur x3-Richtung linear unabhängigen y3-Richtung
des Sensor-Koordinatensystems
bestimmt.
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Gemäß einer
Variante wird der Schritt A) und/oder der Schritt B) und/oder der
Schritt C) mehrmals nacheinander ausgeführt und über die dabei erhaltenden Ergebnisse
gemittelt, insbesondere durch Berechnung von Ausgleichsgeraden.
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Gemäß einer
Variante wird
- – aus dem ersten Betrag, dem
zweiten Betrag und dem dritten Betrag, der kleinste dieser Beträge ausgewählt, und
- – die
Komponente der Lageabweichung zwischen Referenzpunkt und zugeordnetem
Serienpunkt in Richtung derjenigen Richtung des Manipulator-Koordinatensystems,
welche dem ausgewählten
Betrag zugeordnet ist, bei der Bestimmung der Lage der korrigierten
Positionen nicht berücksichtigt
wird, so dass in dieser Richtung keine Korrektur erfolgt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist gemäß einer
Variante ein Verfahren zur mehrstufigen Bahnkorrektur eines Manipulators
oder zur Veränderung der
Bahnstützpunkte
einer Manipulatorbewegung und dient zur Führung eines Manipulators entlang
einer variablen Kontur an einem Werkstück, z.B. zur Bearbeitung einer
Blechnaht an einer Automobilkarosse.
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Das
vorgeschlagene Verfahren löst
die Aufgabenstellung, auch bei lokalen Formungenauigkeiten des Werkstücks einen
Manipulator an der zu bearbeitenden Kontur am Werkstück genau
zu positionieren. Dazu wird ein mehrschrittiges Verfahren verwendet,
das wie folgt arbeitet (4, 5):
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1. Messfahrt:
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In
einem ersten Schritt fährt
der Manipulator eine Messbahn ab, die mit Hilfe von Bahnstützpunkten
entlang der zu bearbeitenden Kontur definiert ist. Am Manipulator
ist ein Sensor angebracht, der in der Lage ist, in seiner Messebene
die lokale Werkstückkontur
in zwei Koordinaten jeweils an der Position der Bahnstützpunkte
zu erfassen. Die Messebene wird annähernd senkrecht zur Bewegungsrichtung
gestellt. Der Manipulator triggert während der Bewegung den Sensor
an den Bahnstützpunkten
und veranlasst damit jeweils eine Messung (oder mehrere Messungen
um den Stützpunkt
herum). Der Sensor ist an eine Auswerteeinheit angeschlossen, die
alle während
der Bahn veranlassten Sensormessungen zunächst speichert.
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2. Bahnkorrektur:
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In
einem zweiten Schritt kommuniziert der Manipulator mit der Auswerteeinheit
und ruft für
jeden Bahnstützpunkt
die durch den Sensor in der Messebene festgestellte und in der Auswerteeinheit berechnete
zweidimensionale Positionskorrektur ab. Diese wird mit jedem Bahnstützpunkt
verrechnet, so dass in zwei Koordinaten korrigierte, an die lokale Kontur
des Werkstücks
angepasste, Bahnstützpunkte
entstehen.
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3. Applikationsfahrt:
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Im
letzten Schritt fährt
der Manipulator die Bahn mit den korrigierten Bahnstützpunkten
ab. Dabei ist die Bahngeschwindigkeit frei wählbar, da sich der Manipulator
in seiner normalen Betriebsart befindet.
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Dem
gesamten Ablauf kann vorzugsweise eine oben beschriebene 3D-Lagevermessung vorgeschaltet
werden, um die auf der Messbahn (Schritt 1) vorgefundenen lokalen
Abweichungen möglichst klein
zu halten.
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Im
Detail ist der Ablauf für
die Einrichtung und den Betrieb des Systems hier nochmals beschrieben:
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Einrichtung der Bahnstützpunkte
als nominale Bahn:
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An
einem ausgewählten
Werkstück
wird die Bahn des Manipulators, definiert über frei wählbare Bahnstützpunkte,
so festgelegt, dass der korrekte Relativbezug zwischen der zu bearbeitenden
Kontur am Werkstück
und dem Bearbeitungswerkzeug am Manipulator, am Ort der Bahnstützpunkte,
hergestellt wird. Die so definierte Bahn wird als nominale Bahn bezeichnet.
Sie führt
das Werkzeug korrekt entlang der Kontur am ausgewählten Werkstück.
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Erfassung der Sensormesswerte
auf der nominalen Bahn in den Bahnstützpunkten:
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Der
Bezugspunkt der Manipulatorbewegung wird gewechselt. Er ist nicht
mehr das Werkzeug, sondern der Sensor. Am ausgewählten Werkstück, das
in der Position unverändert
sein muss, wird die nominale Bahn abgefahren, wobei in jedem Bahnstützpunkt
angehalten wird. Die zur Bahn und dem Bahnstützpunkt gehörenden Kennungen und die Koordinaten
für jeden
Bahnstützpunkt
werden von der Manipulatorsteuerung an die Auswerteeinheit übertragen
und dort gespeichert. In jedem Bahnstützpunkt wird im Stillstand
von der Manipulatorsteuerung eine Sensormessung angestossen. Die
in den beiden Messrichtungen erhaltenen Sensormesswerte werden von
der Auswerteeinheit gespeichert und als nominale Sensormesswerte
bezeichnet.
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Erfassung der Änderung
der Sensormesswerte auf der nominalen Bahn in den Bahnstützpunkten:
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In
jedem Bahnstützpunkt
verfährt
der Manipulator einen kleinen Weg vor und zurück in jeder der drei Koordinatenrichtungen
seines Basiskoordinatensystems (oder des aktuell ausgewählten Bezugskoordinatensystems
für die
Manipulatorbewegung). Der jeweils zurückgelegte Weg ist vorgegeben.
Seine Länge
wird so gewählt,
dass der Sensormessbereich nicht überschritten wird, er darf
aber auch nicht zu klein sein, damit eine merkbare Änderung
in den Sensormesswerten entsteht. Aus der Änderung der Sensormesswerte
und der Länge
des Weges wird eine Empfindlichkeitskennzahl für jede Koordinatenrichtung
berechnet. Weil der Sensor nur zwei Messwerte (horizontaler und
vertikaler Versatz, bezogen auf das Sensorgehäuse) liefert, können auch
nur zwei Koordinatenrichtungen korrigiert werden. Daher wird diejenige
Koordinatenrichtung mit der kleinsten Empfindlichkeitskennzahl von
der Korrektur ausgeschlossen.
-
Speicherung der Anfangsmessung:
-
In
der Auswerteeinheit werden für
den mit Kennung und Koordinaten gespeicherten Bahnstützpunkt
noch der erhaltene nominale Sensormesswert, die beiden korrigierbaren
Koordinatenrichtungen und ihre Empfindlichkeitskennzahlen gespeichert.
-
Vorbereitung der Messfahrt
(Schritt 1):
-
Als
Vorbereitung für
die Messfahrt sendet die Manipulatorsteuerung an die Auswerteeinheit
eine Kennung, die der Auswerteeinheit mitteilt, welche Bahn abgefahren
wird. Dabei wird auch die Anzahl der Bahnstützpunkte übermittelt, damit die Auswerteeinheit
später
prüfen
kann, ob während
der Messfahrt auch die korrekte Anzahl von Messungen vom Sensor
eingetroffen ist.
-
Messfahrt (Schritt 1):
-
Bei
der Messfahrt fährt
der Manipulator die nominale Bahn an einem neuen Werkstück ab. Als Bezugspunkt
für die
Manipulatorbewegung wird der Sensor gewählt. Während der Bewegung wird der Sensor
von der Manipulatorsteuerung in der Nähe jedes Bahnstützpunktes
so getriggert, dass er eine (oder mehrere) Messungen am oder in
der Nähe
des Stützpunktes
durchführt.
Alle auf der Messfahrt durchgeführten
Messungen werden von der Auswerteeinheit in der Reihenfolge des
Eintreffens gespeichert. Bevorzugt speichert der Manipulator des
weiteren im Zeitpunkt der Triggerung seine Position und Orientierung
für jeden
Stützpunkt
intern ab.
-
Abschluss der Messfahrt
(Schritt 1):
-
Am
Ende der Messfahrt sendet die Manipulatorsteuerung an die Auswerteeinheit
nochmals eine Kennung, die der Auswerteeinheit mitteilt, welche Bahn
abgefahren wurde. Dabei wird auch die Anzahl der Bahnstützpunkte
nochmals übermittelt.
Die Auswerteeinheit prüft,
ob die vor und nach der Messfahrt übertragene Kennung der Bahn
identisch ist und ob die korrekte Anzahl von Messungen vom Sensor
eingetroffen ist. Wenn beide Prüfungen
erfolgreich sind, werden die Messungen in der Reihenfolge ihres
Eintreffens den gespeicherten Bahnstützpunkten zugeordnet.
-
Bahnkorrektur (Schritt
2):
-
Nach
der Messfahrt ruft die Manipulatorsteuerung für die Bahnstützpunkte
die für
das aktuelle Werkstück
gültigen
Positionskorrekturen ab. Dazu überträgt sie eine
Kennung für
die Bahn und den einzelnen Bahnstützpunkt und auch die gemäß einer
bevorzugten Variante im Schritt 1 intern gespeicherten Koordinaten
für den
Bahnstützpunkt
an die Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit vergleicht die Kennungen
und die Koordinaten für
den angefragten Bahnstützpunkt
mit den gespeicherten Werten. Wenn die Kennungen existieren und
die Koordinaten übereinstimmen,
wird eine Positionskorrektur berechnet. Für jede Messrichtung des Sensors
wird der für
den Bahnstützpunkt
gespeicherte nominale Wert vom aktuellen Messwert abgezogen. Die
Messwertdifferenzen in den beiden Messrichtungen werden mit den beiden
gespeicherten Empfindlichkeitskennzahlen in geeigneter Weise verrechnet,
so dass eine Positionskorrektur der Manipulatorbasis in zwei Koordinatenrichtungen
bestimmt werden kann. Diese Positionskorrektur wird an die Manipulatorsteuerung übertragen
und dort wieder dem Bahnstützpunkt
zugeordnet.
-
Wenn
die vom Manipulator übertragenen
Koordinaten für
den angefragten Bahnstützpunkt
nicht mit den gespeicherten Werten übereinstimmen, sondern leicht
abweichen (z.B. weil der Manipulator in der Bewegung den ursprünglichen
Stützpunkt
nicht mehr exakt trifft), wird gemäß einer bevorzugten Variante
die Positionskorrektur vor der Übertragung
an die Manipulatorsteuerung noch mit Hilfe der Differenz zwischen
den gespeicherten und den übertragenen Koordinaten
berichtigt.
-
Applikationsfahrt (Schritt
3):
-
Als
Bezugspunkt der Manipulatorbewegung wird das Werkzeug gewählt. Die
vorgegebene Bahn wird am aktuellen Werkstück mit den korrigierten Bahnstützpunkten
abgefahren. Da für
jeden Bahnstützpunkt
die Manipulatorbasis rechnerisch verschoben wird, sind die Positionskorrekturen
auch gültig,
wenn als Bezugspunkt der Manipulatorbewegung statt dem Sensor das
Werkzeug gewählt
ist.
-
Die
nominale Bahn kann mit der Initialisierungsbahn identisch sein.
Ebenso können
die nominalen Sensormesswerte mit den Koordinaten der Referenzpunkte
im Sensor-Koordinatensystem identisch sein.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist vorteilhafterweise durchführbar,
ohne dass der Manipulator während
der Initialisierungsphase angehalten wird. Ebenso ist das erfindungsgemäße Verfahren
vorteilhafterweise durchführbar,
ohne dass der Manipulator während
der Meßphase
angehalten wird. Ebenso ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise durchführbar, ohne
dass der Manipulator während der
Applikationsphase angehalten wird. Die Meßphase und die Applikationsphase
können
vorteilhafterweise mit derselben Geschwindigkeit des Manipulators
durchlaufen werden.
-
Die
Referenzpunkte und die Serienpunkte können auch bei sich bewegendem
Manipulator und sich bewegendem Sensor von diesem erfaßt werden.
-
Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist eine solche, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist,
vorzugsweise vollautomatisch. Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise
den Manipulator bzw. Roboter mit dem Sensor. Mit entsprechenden
Varianten der Vorrichtung sind Varianten des Verfahrens gemäß den Unteransprüchen durchführbar.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnung, in welcher zur Veranschaulichung einer bevorzugten
Variante der Erfindung schematisch zeigen:
-
1 ein
Referenz-Werkstück
mit einer Referenzkante, auf welcher sechs Referenzpunkte ausgewählt sind,
die zur Festlegung einer Initialisierungsbahn für einen Manipulator, insbesondere
den Manipulator eines Roboters herangezogen, werden,
-
2 ein
Serienwerkstück
mit einer Kante, deren Form von derjenigen der Referenzkante abweicht,
und auf welcher sechs Serienpunkte ausgewählt sind,
-
3 das
Serienwerkstück
von 2 sowie eine erfindungsgemäß ermittelte korrigierte Bahn
für den
Manipulator zur Bearbeitung der Kante mit einem Werkzeug.
-
Ziel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es, die Positioniergenauigkeit eines Manipulators zu verbessern,
welcher Werkstücke,
die sämtlich
Exemplare einer Serie von gleichartigen Werkstücken sind, mittels eines am
Manipulator angebrachten Werkzeugs bearbeiten soll. Alle Exemplare
der Serie unterscheiden sich auf Grund von Exemplarstreuung im Detail
individuell voneinander. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Fehler
in der Positionierung des Manipulators, welcher durch die Exemplarstreuung
entsteht, ganz wesentlich verringert.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist selbstverständlich
nicht nur dann anwendbar, wenn eine Kante eines Werkstücks durch
den Manipulator bearbeitet werden soll; vielmehr ist das erfindungsgemäße Verfahren
völlig
sinngemäß ebenso
anwendbar, wenn andere serienmäßigen Konturen
oder Strukturen von Werkstücken
durch den Manipulator bzw. Roboter bearbeitet werden sollen, wie z.B.
Falz, Schweißnaht,
Kleberaube, farbige Markierung, Erhebung oder Einsenkung wie z.B.
Rinne. Die Struktur kann insbesondere auch flächenhaft ausgedehnt sein. Ebenso
ist das erfindungsgemäße Verfahren selbstverständlich nicht
nur bei solchen Werkstücken anwendbar,
wie sie in den 1–3 beispielhaft gezeigt
sind, sondern ebenso auf beliebige andere untereinander gleichartige
serienmäßig hergestellte Werkstücke.
-
Unter
Bezug auf die 1–3 wird eine bevorzugte
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand eines speziellen Beispiels erläutert.
-
1 zeigt
ein Referenz-Werkstück
RW mit einer Kante RK, welche im folgenden als Referenzkante bezeichnet
wird und die im vorliegenden Beispiel auf Grund von Ungenauigkeiten
bzw. Exemplarstreuung, welche bei der Fertigung des Referenz-Werkstücks RW aufgetreten
sind, gegenüber
einer idealen Kontur, hier einer Geraden G, verformt ist. Die Kante
RK verläuft
nicht notwendigerweise in einer Ebene, sondern weist in der Regel
einen dreidimensionalen Verlauf auf.
-
Das
Referenz-Werkstück
kann insbesondere ein beliebiges Exemplar einer Serie von gleichartigen Werkstücken sein,
welche sich alle auf Grund von Exemplarstreuung im Detail unterscheiden.
Es ist also für
das erfindungsgemäße Verfahren
vorteilhafterweise nicht erforderlich, dass als Referenz-Werkstück ein solches
aus der Serie ausgewählt
wird, welches besonders geringe Abweichungen von einer vorgegebenen
Idealform aufweist. Die übrigen
Exemplare der Serie werden im folgenden mit "Serienwerkstücke" bezeichnet.
-
Die
Form der Serienwerktücke
entspricht also im wesentlichen der Form des Referenz-Werkstücks RW und
weicht hiervon durch herstellungsbedingte Exemplarstreuung ab. Beispielsweise
kann die Serie mit einer Fertigungstoleranz von z.B. ±5% oder
z.B. mit einer solchen von ±1%
hergestellt sein, so dass alle Werkstücke der Serie einander im wesentlichen
in der Form entsprechen.
-
Alle
Serienwerkstücke
weisen ebenfalls je eine Kante auf, welche der Referenzkante RK
im wesentlichen in ihrer Lage bezüglich des jeweils betreffenden
Werkstücks
und in ihrer Form entsprechen; individuelle Abweichungen in Form
und Lage der Kanten treten durch Exemplarstreuung auf. Diese individuellen
Abweichungen können
durch Vorgabe einer Fertigungstoleranz ebenfalls z.B. auf einen
maximalen relativen Wert von ±5%
oder einen solchen von ±1
% begrenzt worden sein.
-
Die
Referenzkante RK ist somit eine Kontur des Referenz-Werkstücks RW,
deren Form im wesentlichen der Form entsprechender Konturen der Serienwerkstückes entspricht
und hiervon ebenfalls durch herstellungsbedingte Exemplarstreuung
abweicht.
-
Der
Roboter und der Manipulator sind in den 1–3 nicht
gezeigt. Auf den Manipulator ist ein Manipulator-Koordinatensystem
bezogen.
-
Zur
Durchführung
der unter Bezug auf 1–3 erläuterten
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden folgende Schritte durchgeführt, deren Reihenfolge nicht
zwingend ist:
-
Schritt a):
-
An
dem Manipulator wird ein Sensor vorzugsweise starr angeordnet, auf
welchen ein Sensor-Koordinatensystem bezogen ist. Der Sensor ist vorzugsweise
ein zweidimensional ortsauflösender Sensor,
auf welchen ein zweidimensionales Sensor-Koordinatensystem SKS mit
einer x-Achse und einer y-Achse bezogen ist. Vorzugsweise werden
die Richtungen der x- und der y-Achse des Sensor-Koordinatensystems SKS im Manipulator-Koordinatensystem
ermittelt, sofern sie nicht von vornherein bekannt sind. Mit dem
Ausdruck Manipulator-Koordinatensystem ist ein auf den Manipulator
bezogenes Koordinatensystem gemeint.
-
Schritt b):
-
Das
Referenz-Werkstück
RW wird im Arbeitsbereich des Manipulators M angeordnet.
-
Nun
wird eine Initialisierungsphase durchgeführt, in welcher das Werkzeug,
mittels welchem das Serienwerkstück
später
(in der Applikationsphase, siehe unten) bearbeitet werden soll,
vorzugsweise am Manipulator angebracht ist.
-
Schritt c):
-
Auf
bzw. entlang der Referenzkante RK wird ein beliebiger erster Referenzpunkt
RP1 gewählt. Dieser
kann z.B. durch eine Farbmarkierung oder durch einen Lichtstrahl
markiert werden. Eine andere, sehr vorteilhafte Möglichkeit
besteht darin, eine solche Lichtquelle zu verwenden, welche Licht
in einer Ebene, also eine Lichtebene abgibt, wobei diese die Referenzkante
RK schneidet. Bevorzugt verläuft die
Lichtebene im wesentlichen senkrecht zur Referenzkante oder zu einem
Abschnitt derselben oder parallel zur x-y-Ebene des Sensor-Koordinatensystems
SKS.
-
Am
Schnittpunkt zwischen der Lichtebene und der Referenzkante RK wird
der Referenzpunkt RP1 gewählt.
Der Lichtstrahl oder die Lichtebene können insbesondere von einer
solchen Lichtquelle, z.B. Laser, stammen, welche mit dem Manipulator mitbewegt
wird und vorzugsweise gegenüber
dem Sensor eine konstante Orientierung besitzt.
-
Schritt d):
-
Der
Manipulator wird an eine solche Ausgangsposition A1 verfahren, von
welcher aus der Manipulator M den ersten Referenzpunkt RP1 mit einem Werkzeug
zu bearbeiten imstande ist, wobei er ihn jedoch vorzugsweise nicht
bearbeitet, denn das Referenz-Werkstück dient nur als Referenz und
soll vorzugsweise nicht bearbeitet werden. Vorzugsweise trägt der Manipulator
hierbei bereits ein Werkzeug, welches die Kanten der später zu bearbeitenden
Serienwerkstücke
bearbeiten soll, und wird an eine solche erste Ausgangsposition
A1 verfahren, von welcher aus das Werkzeug die Bearbeitung am ersten Referenzpunkt
RP1 vornehmen könnte.
Wenn das Werkzeug z.B. ein Schweißaggregat ist, welches an den
Kanten der später
zu bearbeitenden Serienwerkstücke
Punktschweißungen
vornehmen soll, wird der Manipulator an eine solche erste Ausgangsposition A1
verfahren, von welcher aus das Schweißaggregat eine Punktschweißung am
ersten Referenzpunkt RP1 vornehmen könnte.
-
Auf
diese Weise wird dem Referenzpunkt RP1 die Ausgangsposition A1 zugeordnet.
Die Ausgangsposition A1 befindet sich in einem bestimmten Abstand
d1 zum Referenzpunkt RP1. Die drei räumlichen Koordinaten der Ausgangsposition
A1 im Manipulator-Koordinatensystem werden gespeichert.
-
Das
Anfahren der Ausgangsposition A1 durch den Manipulator kann insbesondere
unter visueller Kontrolle einer Person in Handsteuerung erfolgen.
-
Schritt e):
-
Die
Lage x1, y1 des Referenzpunkts RP1 im Sensor-Koordinatensystem SKS
wird mittels des Sensors erfasst, während sich der Manipulator
in der Ausgangsposition A1 befindet. Die Werte x1, y1 werden ebenfalls
gespeichert. Das Sensor-Koordinatensystem SKS mit den Achsen x,
y ist in 1 exemplarisch in derjenigen
Position eingezeichnet, in welcher es sich befindet, wenn der Sensor
den Referenzpunkt RP1 erfaßt,
und bewegt sich selbstverständlich
mit dem Sensor mit.
-
Schritt c'):
-
Nun
wird der Schritt c) für
einen weiteren Referenzpunkt RP2 auf bzw. entlang der Referenzkante RK
völlig
entsprechend wiederholt, d.h. auf bzw. entlang der Referenzkante
RK wird ein beliebiger zweiter Referenzpunkt RP2 gewählt, welcher
wiederum z.B. durch eine Farbmarkierung oder durch einen Lichtstrahl
oder die Lichtebene markiert werden kann.
-
Schritt d'):
-
Nun
wird der Schritt d) für
den zweiten Referenzpunkt RP2 völlig
entsprechend wiederholt, d.h. der Manipulator wird an eine solche
zweite Ausgangsposition A2 verfahren, von welcher aus der Manipulator
den zweiten Referenzpunkt RP2 zu bearbeiten imstande ist bzw. von
welcher aus das Werkzeug die Bearbeitung am zweiten Referenzpunkt RP2
vornehmen könnte.
-
Auf
diese Weise wird dem Referenzpunkt RP2 die Ausgangsposition A2 zugeordnet.
Die Ausgangsposition A2 befindet sich in einem bestimmten Abstand
d2 zum Referenzpunkt RP2, welcher mit dem Abstand d1 nicht notwendigerweise
identisch zu sein braucht.
-
Die
drei räumlichen
Koordinaten der Ausgangsposition A2 im Manipulator-Koordinatensystem werden
ebenfalls gespeichert.
-
Schritt e'):
-
Die
Lage x2, y2 des Referenzpunkts RP2 im Sensor-Koordinatensystem wird
mittels des Sensors erfasst, während
sich der Manipulator in der Ausgangsposition A2 befindet. Die Werte
x2, y2 werden ebenfalls gespeichert.
-
Nun
werden die Schritte c), d) und e) völlig entsprechend für weitere
Referenzpunkte RP3, RP4, RP5 und RP6 wiederholt, so dass dem Referenzpunkt
RP3 die hiervon um einen Abstand d3 beabstandete Ausgangsposition
A3, dem Referenzpunkt RP4 die hiervon um einen Abstand d4 beabstandete Ausgangsposition
A4, dem Referenzpunkt RP5 die hiervon um einen Abstand d5 beabstandete
Ausgangsposition A5 und dem Referenzpunkt RP6 die hiervon um einen
Abstand d6 beabstandete Ausgangsposition A6 zugeordnet werden.
-
Die
jeweiligen drei räumlichen
Koordinaten der Ausgangspositionen A3–A6 im Manipulator-Koordinatensystem
werden ebenfalls gespeichert.
-
Ebenso
werden die entsprechenden Lagen x3, y3 bzw. x4, y4 bzw. x5, y5 bzw.
x6, y6 der Referenzpunkte RP3–RP6
im Sensor-Koordinatensystem jeweils ebenfalls gespeichert.
-
Falls
alle Abstände
d1 bis d6 gleich groß sind und
alle Verbindungslinien zwischen Ausgangsposition und zugeordnetem
Referenzpunkt jeweils parallel verlaufen, brauchen die Werte x2
bis x6 und y2 bis y6 nicht ermittelt und gespeichert zu werden,
da sie mit den Werten x1 bzw. y1 identisch sind. In diesem Fall brauchen
die Referenzpunkte R2–R6
nicht mit dem Sensor erfaßt
zu werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann in diesem Fall daher in einer vereinfachten Variante durchgeführt werden.
-
Hiermit
ist die Initialisierungsphase abgeschlossen.
-
Die
Verbindungslinie von der Ausgangsposition A1 zur Ausgangsposition
A2, von dort zur Ausgangsposition A3 usw. bis zur Ausgangsposition
A6 wird im folgenden als Initialisierungsbahn IB bezeichnet. Diese
liegt im Regelfall, so auch im vorliegenden Beispiel, ebenso wie
die Referenzkante nicht in einer Ebene, sondern weist einen dreidimensionalen
Verlauf auf.
-
Im
vorliegenden Beispiel wurden somit sechs Referenzpunkte RP1, RP2,
RP3, RP4, RP5, RP6 ausgewählt.
Allgemein kann die Zahl der ausgewählten Referenzpunkte n sein,
wobei n = 1, 2, 3 ..., also n eine natürliche Zahl ist.
-
Vorzugsweise
wird die Orientierung des Sensors so gewählt, dass das Sensor-Koordinatensystem
im wesentlichen senkrecht zur Referenzkante RK steht. Beispielsweise
kann der Sensor so orientiert sein, dass das Lot auf das Sensor-Koordinatensystem
die Verbindungslinie vom Anfangspunkt zum Endpunkt der Referenzkante
RK oder vom ersten zum letzten Referenzpunkt RP1, RP6 oder die Ausgleichsgerade
durch alle Referenzpunkte in einem Winkel von weniger als 30°, vorzugsweise
weniger als 10°,
schneidet. Gemäß einer
weiteren Variante ist der Sensor so orientiert, dass das Lot auf
das Sensor-Koordinatensystem die Verbindungslinie zwischen zwei
ausgewählten
Referenzpunkten in einem Winkel von weniger als 30°, vorzugsweise
weniger als 10°,
schneidet.
-
Vorzugsweise
wird die Orientierung des Sensors gegenüber dem Referenz-Werkstück während der
gesamten Initialisierungsphase unverändert belassen. Die Richtungen
der x- und der y-Achse des Sensor-Koordinatensystems SKS werden
im Manipulator-Koordinatensystem ermittelt, sofern sie nicht von
vornherein bekannt sind.
-
Das
Sensor-Koordinatensystem kann einmalig gegen das Manipulator-Koordinatensystem eingemessen
werden. Vorzugsweise wird das Sensor-Koordinatensystem für jede der Ausgangspositionen
A1–A6
des Manipulators gegen das Manipulator-Koordinatensystem separat
eingemessen. Gemäß einer
Variante ist der Sensor ein dreidimensional ortsauflösender Sensor,
so dass in diesem Fall das Sensor-Koordinatensystem eine x-, eine
y- und eine z-Achse aufweist.
-
Die
so gewonnenen Werte werden vorzugsweise gespeichert.
-
2 zeigt
ein Serienwerkstück
SW mit einer Kante SK, deren Form von derjenigen der Referenzkante
RK abweicht. Die Kante SK entspricht der Referenzkante RK im wesentlichen
in ihrer Lage bezüglich
des jeweils betreffenden Werkstücks
und in ihrer Form; Abweichungen in Form und Lage der Kanten SK und
RK treten durch Exemplarstreuung auf. Die Referenzkante RK ist somit
eine Kontur des Referenz-Werkstücks
RW, deren Form im wesentlichen der Form der Kante SK der Serienwerkstückes SW
entspricht und hiervon durch herstellungsbedingte Exemplarstreuung
abweicht. Die Referenzkante RK ist in 2 zum Vergleich
gestrichelt eingezeichnet, obwohl des Referenz-Werkstück RW in 2 nicht
dargestellt ist.
-
Nun
wird das Verfahren mit dem
Schritt f)
fortgesetzt: Anstelle
des Referenz-Werkstücks
RW wird ein Serienwerkstück
SW im Arbeitsbereich des Manipulators angeordnet (2).
Vorzugsweise wird das Serienwerkstück SW hierbei exakt bzw. so
genau wie möglich,
z.B. auf ±5%
genau, vorzugsweise auf besser als ±1% genau an die Stelle plaziert,
an welcher sich zuvor das Referenz-Werkstück befand, bzw. das Serienwerkstück SW wird
so plaziert, dass sich die Kante KS so genau wie möglich z.B.
auf ±10mm
genau, vorzugsweise auf besser als ±1 mm genau, an der Stelle
befindet, an welcher sich zuvor die Referenzkante RK befand.
-
Ebenso
sollte das Serienwerkstück
möglichst
genau, z.B. auf ±5° genau, vorzugsweise
auf ±1° genau oder
besser, in die Orientierung gebracht werden, in welcher sich zuvor
das Referenzwerkstück
befand.
-
Würde nun
mit dem Manipulator z.B. der erste Ausgangspunkt A1 angefahren und
von diesem aus das Serienwerkstück
SW mit dem Werkzeug bearbeitet, so würde hierbei nicht, wie gewünscht, der Serienpunkt
SP1 getroffen und bearbeitet werden, sondern die Position des ersten
Referenzpunktes RP1, dessen Lage in der Regel von derjenigen des ersten
Serienpunktes SP1 abweicht (Exemplarstreuung). Die Positionierung
des Manipulators an der ersten Ausgangsposition A1 wäre also
für eine
zielgenaue Bearbeitung des ersten Serienpunkte SP1 unbefriedigend,
evtl. sogar gänzlich
ungeeignet.
-
Daher
wird erfindungsgemäß zunächst eine Meßphase durchgeführt, in
welcher das Serienwerkstück
noch nicht bearbeitet wird. Das Werkzeug, mittels welchem das Serienwerkstück später (in
der Applikationsphase, siehe unten) bearbeitet werden soll, ist
daher während
der Meßphase
vorzugsweise nicht am Manipulator angebracht, um versehentliche
Kollisionen des Werkzeugs mit dem Serienwerkstück zu vermeiden.
-
Meßphase:
-
Schritt g):
-
Dem
ersten Referenzpunkt RP1 wird ein Punkt, nämlich ein erster Serienpunkt
SP1, der Kante SK so zugeordnet, dass die Lage des Serienpunkts SP1
bezüglich
der Kante SK der Lage des Referenzpunkts RP1 bezüglich der Referenzkante RK
bis auf eine vorgebbare Toleranz entspricht.
-
Der
Serienpunkt SP1 kann dem ersten Referenzpunkt RP1 auf verschiedene
Weisen zugeordnet werden. Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit
besteht darin, dem Referenzpunkt RP1 denjenigen Punkt der Kante
SK zuzuordnen, an welchem die im Schritt c) erläuterte Lichtebene die Kante
SK schneidet, wenn die Lichtebene von einem festen Bezugspunkt denselben
Abstand besitzt, welchen sie bereits während der Ausführung des
Schrittes c) aufwies. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dem
Referenzpunkt RP1 denjenigen Punkt der Kante SK zuzuordnen, welcher
von einem festen Bezugspunkt, z.B. einem vorgegebenen festen Startpunkt
des Manipulators, denselben Abstand besitzt, welchen der Referenzpunkt
RP1 zu diesem Bezugspunkt während
der Ausführung
der Schritte c) bis e')
aufwies.
-
Schritt h):
-
Die
erste Ausgangsposition A1 wird erneut mit dem Manipulator angefahren,
und die Lage x1', y1' des Serienpunkts
SP1 im Sensor-Koordinatensystem SKS wird mittels des Sensors erfaßt, während sich
der Manipulator in der Ausgangsposition A1 befindet. Falls z.B.
die Lichtquelle, welche die Lichtebene erzeugt, starr mit dem Sensor
oder dem Manipulator mitbewegt wird, kann als erster Serienpunkt SP1
derjenige Punkt dem ersten Referenzpunkt RP1 zugeordnet werden,
an welchem die Lichtebene die Kante SK schneidet, wenn sich der
Manipulator in der Ausgangsposition K1 befindet. In diesem Fall
wird der Schritt g) vorzugsweise erst nach dem Schritt h) ausgeführt.
-
Das
Sensor-Koordinatensystem SKS mit den Achsen x, y ist in 2 exemplarisch
in derjenigen Position eingezeichnet, in welcher es sich befindet,
wenn der Sensor den Serienpunkt SP1 erfaßt, und bewegt sich selbstverständlich mit
dem Sensor mit.
-
Schritt i):
-
Die
Lageabweichung zwischen dem ersten Referenzpunkt RP1 und dem ersten
Serienpunkt SP1 im Sensor-Koordinatensystem wird bestimmt. Hierzu
wird der im Schritt h) gefundene Wert x1' von dem im Schritt e) gespeicherten
Wert x1 subtrahiert; die hieraus erhaltene Differenz dx1 gibt die
Lageabweichung in x-Richtung
des Sensor-Koordinatensystems SKS an. Ebenso wird der im Schritt
h) gefundene Wert y1' von
dem im Schritt e) gespeicherten Wert y1 subtrahiert; die so erhaltene
Differenz dy1 gibt die Lageabweichung in y-Richtung des Sensor-Koordinatensystems
SKS an.
-
Die
so gefundene Lageabweichung dx1, dy1 zwischen dem ersten Referenzpunkt
RP1 und dem ersten Serienpunkt SP1 bezieht sich auf das Sensor-Koordinatensystem
SKS.
-
Die
Richtung dieser Lageabweichung, d.h. die Richtung der Verbindungslinie
vom ersten Referenzpunkt RP1 zum ersten Serienpunkt SP1, wird auf das
Manipulator-Koordinatensystem umgerechnet, was möglich ist, da die Richtungen
der x- und der y-Achse des Sensor-Koordinatensystems SKS im Manipulator-Koordinatensystem
bekannt sind.
-
Der
Betrag dieser Lageabweichung, d.h. der Abstand zwischen dem ersten
Referenzpunkt RP1 und dem ersten Serienpunkt SP1, kann vom Sensor-Koordinatensystem
SKS auf das Manipulator-Koordinatensystem umgerechnet werden, sofern
die zugehörige
Umrechnungsvorschrift, z.B. Transformationsmatrix, bekannt ist.
Andernfalls kann diese sehr leicht ermittelt werden, beispielsweise
wie folgt:
Der Roboter fährt
in seiner x-Richtung einen kleinen Betrag. Die Änderungen in den beiden Sensorkoordinaten
werden gespeichert. Dann passiert dasselbe in y-Richtung und in z-Richtung. Nun werden
die beiden Richtungen ausgewählt,
wo die größten Änderungen im
Sensor waren (im Normalfall sind dies die Roboterbewegungen senkrecht
zur Bahn, d.h. die beiden ausgewählten
Roboterkoordinaten werden sich ändern,
wenn die Kontur um eine Ecke läuft).
Nur für
die beiden ausgewählten
Richtungen wird eine Korrektur durchgeführt.
-
Bei
bereits bekannter Umrechnungsvorschrift kann der Manipulator mitsamt
dem Sensor z.B. in x-Richtung des Sensor-Koordinatensystems um z.B.
die Länge
einer Skaleneinheit des Manipulator-Koordinatensystems verfahren
werden, so dass der vom Sensor erfaßte erste Serienpunkt von seiner Lage
x1', y1' in x-Richtung an einer
Position x1' + dx1', y1' auswandert. Aus
dem Verhältnis
dx1' zu der Länge der
Skaleneinheit des Manipulator-Koordinatensystems ergibt sich, wieviele
Skaleneinheiten des Sensor-Koordinatensystems SKS einer Skaleneinheit
des Manipulator-Koordinatensystems entsprechen, d.h. das Skalierungsverhältnis der
beiden Koordinatensysteme zueinander.
-
Selbstverständlich sind
diese Vorgehensweisen zur Ermittlung der Umrechnungsvorschrift bzw. des
Skalierungsverhältnisses
nicht an die Erfassung speziell des ersten Serienpunktes SP1 gebunden; vielmehr
genügt
es, irgend einen Punkt mit dem Sensor zu erfassen und mit diesem
anstelle des ersten Serienpunktes z.B. das Skalierungsverhältnis in
der genannten Weise zu bestimmen; ebenso kann eine beliebige andere
Verfahrrichtung als die x-Richtung gewählt werden.
-
Gemäß einer
anderen Variante werden das Skalierungsverhältnis in x-Richtung und in
y-Richtung des Sensor-Koordinatensystems getrennt bestimmt. Falls
der Sensor ein dreidimensional auflösender Sensor ist, kann auch
das Skalierungsverhältnis
in z-Richtung des Sensor-Koordinatensystems getrennt bestimmt werden.
-
Vorzugsweise
wird das Skalierungsverhältnis
oder werden die Skalierungsverhältnisse
für jede Ausgangsposition
A1, A2, ... des Manipulators jeweils separat bestimmt.
-
Die
so gewonnenen Werte werden vorzugsweise gespeichert.
-
Nun
wird die Lageabweichung zwischen dem ersten Referenzpunkt RP1 und
dem ersten Serienpunkt SP1 mit Hilfe der so gewonnenen Ergebnisse
vom Sensor-Koordinatensystem
SKS auf das Manipulator-Koordinatensystem umgerechnet. Sofern letzteres
ein kartesisches Koordinatensystem X, Y, Z ist, setzt sich somit
die Lageabweichung im Manipulator-Koordinatensystem aus einer Komponente in
X-Richtung, einer Komponente in Y-Richtung und einer Komponente
in Z-Richtung zusammen,
welche im folgenden mit dX1, dY1 und dZ1 bezeichnet werden. Diese
drei Werte dX, dY, dZ geben die Lageabweichung zwischen dem ersten
Referenzpunkt RP1 und dem ersten Serienpunkt SP1 im Manipulator- Koordinatensystem
an und werden erfindungsgemäß als Korrekturwerte
verwendet:
Werden die drei räumlichen Koordinaten des ersten Ausgangspunktes
A1 im Manipulator-Koordinatensystem mit X1, Y1, Z1 bezeichnet, so
definieren die Koordinaten X1 + dX1, Y1 + dY1, Z1 + dZ1 einen Punkt
im Manipulator-Koordinatensystem,
welcher im folgenden als erste korrigierte Position KP1 bezeichnet
wird. Diese ist also dadurch definiert, dass ihre Lageabweichung
vom der Ausgangsposition A1 dieselbe ist wie die Lageabweichung
zwischen ersten Referenzpunkt RP1 und dem ersten Serienpunkt SP1.
Die Verbindungslinie D1 zwischen dem ersten Serienpunkt SP1 und
der ersten korrigierten Position KP1 entspricht daher nach Länge und
Richtung der Verbindungslinie d1 von 1.
-
Wenn
der Manipulator die Ausgangsposition A1 nicht exakt trifft, wird
gemäß einer
bevorzugten Variante der Korrekturwert noch um die Abweichung zwischen
der in der Meßphase
tatsächlich
getroffenen Ausgangsposition und der ursprünglichen Ausgangsposition A1
berichtigt.
-
Die
drei räumlichen
Koordinaten der korrigierten Position KP1 im Manipulator-Koordinatensystem
werden gespeichert; alternativ werden die Korrekturwerte gespeichert.
Es ist im Rahmen der Meßphase
nicht erforderlich, dass der Manipulator die korrigierte Position
KP1 anfährt.
-
Schritt g'):
-
Nun
wird in völliger
Analogie zum Schritt g) dem zweiten Referenzpunkt RP2 wird ein Punkt, nämlich ein
zweiter Serienpunkt SP2, der Kante SK so zugeordnet, dass die Lage
des Serienpunkts SP2 bezüglich
der Kante SK der Lage des Referenzpunkts RP2 bezüglich der Referenzkante RK
bis auf eine vorgebbare Toleranz entspricht. Der Serienpunkt SP2
kann dem ersten Referenzpunkt RP2 auf verschiedene Weisen zugeordnet
werden, wie oben im Schritt g) völlig
entsprechend für
den Serienpunkt SP1 und den Referenzpunkt RP1 erläutert wurde.
-
Schritt h'):
-
Nun
wird in völliger
Analogie zum Schritt h) die zweite Ausgangsposition A2 erneut mit
dem Manipulator angefahren, und die Lage x2', y2' des
Serienpunkts SP2 im Sensor-Koordinatensystem SKS mittels des Sensors
erfaßt,
während
sich der Manipulator in der Ausgangsposition A2 befindet. Gegebenenfalls
ist es möglich,
den Schritt g')
erst nach dem Schritt h')
auszuführen,
wie oben bezüglich
der Schritte g) und h) völlig
entsprechend erläutert
wurde.
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Schritt i'):
-
Nun
wird in völliger
Analogie zum Schritt i) die Lageabweichung dx2, dy2 zwischen dem
zweiten Referenzpunkt RP2 und dem zweiten Serienpunkt SP2 im Sensor-Koordinatensystem
bestimmt und auf das Manipulator-Koordinatensystem
umgerechnet. Anschließend
wird ebenfalls in völliger
Analogie zum Schritt i) die Lageabweichung dX2, dY2 und dZ2 zwischen
dem zweiten Referenzpunkt RP2 und dem zweiten Serienpunkt SP2 im
Manipulator-Koordinatensystem
berechnet und erfindungsgemäß als Korrekturwerte
zur Definition einer zweiten korrigierten Position KP2 verwendet:
Werden die drei räumlichen Koordinaten
des zweiten Ausgangspunktes A2 im Manipulator-Koordinatensystem mit X2, Y2, Z2 bezeichnet,
so definieren die Koordinaten X2 + dX2, Y2 + dY2, Z2 + dZ2 die zweite
korrigierte Position KP2, deren Lageabweichung vom der Ausgangsposition A2
dieselbe ist wie die Lageabweichung zwischen Referenzpunkt RP2 und
dem Serienpunkt SP2.
-
Die
drei räumlichen
Koordinaten der korrigierten Position KP2 im Manipulator-Koordinatensystem
werden ebenfalls gespeichert; alternativ werden die zugehörigen Korrekturwerte
gespeichert.
-
Nun
werden die Schritte g), h) und i) jeweils völlig analog für die restlichen
Referenzpunkte RP3, RP4, RP5 und RP6 sowie die restlichen Ausgangspositionen
A3, A4, A5 und A6 durchgeführt.
Man erhält
damit die weiteren Serienpunkte SP3, SP4, SP5 und SP6 sowie die
weiteren korrigierten Positionen KP3, KP4, KP5 und KP6. Die drei
räumlichen
Koordinaten dieser korrigierten Positionen KP3–KP6 im Manipulator-Koordinatensystem
werden ebenfalls gespeichert; alternativ werden die zugehörigen Korrekturwerte
gespeichert.
-
Hiermit
ist die Meßphase
abgeschlossen. Es ist im Rahmen der Meßphase nicht erforderlich,
dass der Manipulator auch nur eine der korrigierten Positionen KP1–KP6 anfährt.
-
Der
Manipulator braucht beim Verfahren von einer Ausgangsposition zur
nächsten
(Schritte h, h') nicht
notwendigerweise der Initialisierungbahn IB zu folgen; entscheidend
ist allein, dass er nacheinander die Ausgangspositionen anfährt. Die
dazwischen zurückgelegte
Bahn spielt keine Rolle.
-
Die
Verbindungslinie von der korrigierten Position KP1 zur korrigierten
Position KP2, von dort zur korrigierten Position KP3 usw. bis zur
korrigierten Position KP6 wird im folgenden als korrigierte Bahn
KB bezeichnet. Diese liegt im Regelfall, so auch im vorliegenden
Beispiel, ebenso wie die Kante SK nicht in einer Ebene, sondern
weist einen dreidimensionalen Verlauf auf. 3 zeigt
das Serienwerkstück
SW von 2 sowie die erfindungsgemäß ermittelte korrigierte Bahn
KB.
-
Nun
wird zur Bearbeitung des Serienwerkstücks SW eine Applikationsphase
durchgeführt,
in welcher das Werkzeug, mittels welchem das Serienwerkstück SW bearbeitet
werden soll, am Manipulator angebracht ist. Falls das Werkzeug bereits
in der Initialisierungsphase am Manipulator angebracht war und danach
angenommen wurde, wird es für
die Applikationsphase vorzugsweise in Bezug auf den Manipulator
wieder in derselben Stellung und Orientierung wie in der Initialisierungsphase
angebracht.
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Schritt k):
-
Der
Manipulator wird an die korrigierte Position KP1 verfahren; anschließend wird
von dieser aus der Serienpunkt SP1 mittels des Werkzeugs bearbeitet.
Da sich der Manipulator nicht mehr an der Ausgangsposition A1, sondern
an der ihr zugeordneten ersten korrigierten Position KP1 befindet,
ist die individuelle Abweichung des ersten Serienpunktes SP1 vom
ersten Referenzpunkt RP1, also eine Exemplarstreuung des Serienwerkstücks SW1
bzw. der Kante SK, erfindungsgemäß berücksichtigt
und weitgehend kompensiert, so dass auf Grund der Exemplarastreuung
bei der Bearbeitung des Serienpunkts SP1 nur noch ein sehr geringer
Positionierungsfehler des Manipulators auftritt.
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Schritt k'):
-
Völlig analog
zu Schritt k) wird der Manipulator an die korrigierte Position KP2
verfahren; anschließend
wird von dieser aus der Serienpunkt SP2 mittels des Werkzeugs bearbeitet.
Wieder wird die individuelle Exemplarstreuung, hier bestehend in
der Abweichung des zweiten Serienpunktes SP2 vom zweiten Referenzpunkt
RP2, erfindungsgemäß weitgehend
ausgeglichen.
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Nun
wird der Schritt k) jeweils völlig
analog für
die restlichen korrigierten Positionen KP3, KP4, KP5 und KP6 durchgeführt, wobei
die restlichen Serienpunkte SP3, SP4, SP5 und SP6 mit dem Werkzeug
bearbeitet werden und jeweils die dort auftretenden individuellen
Exemplarstreuungen erfindungsgemäß weitgehend
kompensiert werden.
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Hiermit
ist das erfindungsgemäße Verfahren abgeschlossen.
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Insgesamt
gehören
also zu jedem Referenzpunkt genau ein Serienpunkt, genau eine Ausgangsposition
und genau eine korrigierte Position, d.h. diese Punkte gehören jeweils
quartettweise zusammen und sein einander zugeordnet. Die Anzahl
der so gebildeten Quartette von jeweils einander zugeordneten Punkten
ist gleich der Zahl n der gewählten
Referenzpunkte, wobei n eine natürliche
Zahl 1, 2, 3 ... ist.
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Der
Sensor und der Roboter bzw. Manipulator brauchen gegenüber dem
Werkzeug nicht eingemessen zu werden, was ein bedeutender Vorteil
der hier beschriebenen Variante der Erfindung ist.
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Die
Anzahl und Dichte der Referenzpunkte und damit auf die Anzahl und
Dichte der korrigierten Positionen kann im Prinzip beliebig hoch
gewählt werden.
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Der
Manipulator braucht beim Verfahren von einer korrigierten Position
zur nächsten
(Schritte k, k') nicht
notwendigerweise der korrigierten Bahn KB zu folgen; entscheidend
ist allein, dass er nacheinander die korrigierten Positionen anfährt. Die
dazwischen zurückgelegte
Bahn spielt prinzipiell keine Rolle; es sollte aber ggf. darauf
geachtet werden, dass das Werkzeug beim Verfahren des Manipulators
nicht mit dem Serienwerkstück
kollidiert.
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Vorzugsweise
ist die Verfahrgeschwindigkeit des Manipulators während der
Meßphase
und während
der Applikationsphase gleich groß gewählt.
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Gemäß einer
Variante wird als Sensor ein dreidimensional ortsauflösender Sensor
verwendet, dessen Sensor-Koordinatensystem eine x-Achse. eine y-Achse und eine z-Achse
besitzt. Die Lageabweichung von Referent- und zugehörigem Serienpunkt
kann über
eine Koordinatentransformation vom Sensor- und das Manipulator-Koordinatensystem umgerechnet
werden.
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Alternativ
kann das Sensor-Koordinatensystem und/oder das Manipulator-Koordinatensystem eine
Polar- bzw. Kugelkoordinatensystem sein.
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Die
Reihenfolge der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann in vielfältiger Weise
variiert werden. Beispielsweise können die Schritte g), h), i)
und k) unmittelbar nacheinander für ein Quartett von einander
zugeordneten Punkten ausgeführt,
danach für
das nächste
Quartett von einander zugeordneten Punkten wiederum unmittelbar nacheinander
ausgeführt
werden, usw..
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Der
Manipulator bzw. Roboter braucht nicht über eine Echtzeitsteuerung
zu verfügen.
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Gemäß einer
weiteren Variante wird der Sensor in Abweichung vom Schritt a) nicht
am Manipulator angeordnet und nicht mit diesem mitbewegt, sondern
es wird als Sensor ein solcher verwendet, welcher sich an einer
vorzugsweise festen Position befindet, von welcher aus der die Referenzpunkte
und die Serienpunkte zu erfassen imstande ist. Vorzugsweise wird
hierbei als Sensor ein solcher verwendet, welcher auch die Position
des Manipulators zu erfassen imstande ist.
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Gemäß einer
nicht in den Figuren dargestellten, in den Schritten h) und i) abweichenden,
alternativen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
- – der
Schritt h) jeweils darin, dass die Lage des jeweils betreffenden
Serienpunkts SP1–SP6
im Sensor-Koordinatensystem SKS mittels des Sensors erfaßt wird,
während
sich der Manipulator in jeweils einer Meßposition, deren Lageabweichung
von der jeweiligen Ausgangsposition A1–A6 bekannt ist, und in der
Ausgangsorientierung befindet,
- – und
der Schritt i) jeweils darin, dass die Lageabweichung zwischen dem
jeweiligen Referenzpunkt RP1–RP6
und dem jeweils zugeordnetem Serienpunkt SP1–SP6 jeweils unter Verwendung der
in den Schritten e) und h) gewonnenen Ergebnisse und insbesondere
jeweils unter Berücksichtigung
der Lageabweichung zwischen jeweiliger Meßposition und jeweiliger Ausgangsposition A1–A6 bestimmt
und hieraus jeweils eine korrigierte Position KP1–KP6 dadurch
definiert wird, dass deren jeweilige Lageabweichung von der jeweiligen
Ausgangsposition A1–A6
nach Betrag und Richtung dieselbe ist wie die Lageabweichung zwischen
dem jeweiligen Referenzpunkt RP1–RP6 und jeweiligen Serienpunkt
SP1–SP6.
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Diese
alternative Variante bietet den Vorteil, dass der Manipulator im
Schritt h) die jeweilige Ausgangsposition nicht erneut anzufahren
bzw. punktgenau zu treffen braucht; vielmehr wird jeweils die korrigierte
Position bestimmt, ohne dass eigens hierzu nochmals die jeweilige
Ausgangsposition mit dem Manipulator angefahren werden muss. Auf
diese Weise wird der störende
Einfluß von
Trägheitskräften währen der
Meßphase
eliminiert, so dass der Manipulator während der gesamten Meßphase nicht
angehalten zu werden braucht und sich hierbei dennoch auf einer
gekrümmten
Bahn bewegen kann: die hierbei zwangsläufig auftretenden Zentrifugalkräfte spielen
bei Durchführung
des ertindungsgemäßen Verfahrens
gemäß besagter
Alternative keine störende oder verfälschende
Rolle. Die hiermit verbundene Zeitersparnis kann in der Praxis erheblich
sein.
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Diese
alternative Variante ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die Ausgangspositionen
während der
Meßphase
nicht exakt getroffen werden; in der Praxis werden sie vielen Fällen nur
dann exakt getroffen, wenn der Manipulator dort jeweils anhält. Wenn
der Manipulator dort z.B. aus Zeitgründen während der Meßphase nicht
anhalten soll, werden die Ausgangspositionen "überschliffen", d.h. der Manipulator
fährt diese
Positionen gemäß der alternativen
Variante nur ungefähr
an (z.B. mit 2mm Toleranz) an, um die Gesamtbahn schnell durchlaufen
zu können.
Der Sensor wird in diesen Fällen
z.B. dann vom Manipulator getriggert, wenn er der betreffenden Ausgangsposition
am nächsten
ist.
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Somit
macht der Sensor gemäß der alternativen
Variante eine Messung (= Lagebestimmung des betreffenden Serienpunktes),
ohne dass er sich exakt an der betreffenden, in der Initialisierungsphase
festgelegten Ausgangsposition befindet. Der daraus berechnete Korrekturwert
zur gewünschten
Erreichung der korrigierten Position ist also unter Umständen falsch,
sofern nicht das Verfahren gemäß besagter Alternative
durchgeführt
wird. Gemäß der alternativen
Variante wird der Korrekturwert jedoch seinerseits mit der Lageabweichung
zwischen Meßposition und
zugehöriger
Ausgangsposition korrigiert. Auf diese Weise wird ein gemäß der alternativen
Variaante korrekter Korrekturwert auch dann erzeugt, wenn die Meßposition
von der zugehörigen
Ausgangsposition abweicht.
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Gewerbliche Anwendbarkeit:
-
Die
Erfindung ist gewerblich anwendbar z.B. im Bereich der Automatisierungstechnik,
der Robotik, der Fertigungstechnik und der Serienproduktion von Geräten, Maschinen
und Fahrzeugen.
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- A1–A6
- Ausgangspositionen
- d1–d6
- Abstände zwischen
Referenzpunkten und Ausgangspositionen
- D1–D6
- Abstände zwischen
Serienpunkten und korrigierten Positionen
- G
- Gerade
- IB
- Initialisierungsbahn
- KB
- korrigierte
Bahn
- KP1–KP6
- korrigierte
Positionen
- RK
- Referenzkante
- RP1–RP6
- Referenzpunkte
- RW
- Referenz-Werkstück
- SK
- Kante
von SW
- SKS
- Sensor-Koordinatensystem
- SP1–SP6
- Serienpunkte
- SW
- Serienwerkstück