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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-Formgenauigkeit des Werkstücks ausgeglichen werden. Fehler 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 werden, 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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In der Patentanmeldeschrift
US 2004 0254677 A1 werden Verfahren zur Feinabstimmung eines Roboterprogramms für eine Roboteranwendung umfassend einen industriellen Roboter, ein Werkzeug und ein Werkstück dargestellt, das entlang einer Bahn von dem Werkzeug bearbeitet wird.
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Obwohl in dieser Patentanmeldeschrift auch weitere Anwendungsbereiche wie Lichtbogenschweißen, Wasserstrahlschneiden, Laserschneiden, Kleben und Montieren genannt sind, richten sich alle Figuren auf formgebende Werkzeuge. Es wird zwar die äußere Form eines zu bearbeitenden Werkstücks ermittelt. Durch die Formgebung wird jedoch dieses Werkstück verändert, während beim Anmeldungsgegenstand das Werkzeug in einer relativ zum Werkstück gleichbleibenden Referenzlage verfahren werden.
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Darüber hinaus ist in den Figuren ein Messtaster beschrieben, der die Form des Werkstücks abtastet. Mit Hilfe der dadurch gewonnenen Messwerte soll auch die Bahn des Manipulators korrigiert werden. In keinem der Ausführungsbeispiele ist der Messtaster gleichzeitig mit dem Werkzeug auf der Roboterhand montiert. Die Fehler des Messtasters in seinen Freiheitsgraden addieren sich somit zusätzlich zu den Fehlern des Manipulators oder des Werkstücks. Dadurch sind die Korrekturrechnungen aufwändiger.
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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 und die Geschwindigkeit beim Abfahren der Bahnkurve zu verbessern, so dass der Ausgleich der Positionsgenauigkeit nicht zulasten der Steuerung gehen soll.
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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,
- c') für einen weiteren Referenzpunkt entsprechend erneut ausgeführt wird,
- d) der Manipulator wird an eine solche Ausgangsposition verfahren, von welcher aus der Manipulator den Referenzpunkt mit einem Werkzeug zu bearbeiten imstande ist,
- d') der Schritt d) für den weiteren Referenzpunkt entsprechend erneut ausgeführt wird, wodurch der Manipulator an eine weitere Ausgangsposition verfahren wird, welche dem weiteren Referenzpunkt zugeordnet 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,
- e') der Schritt e) für den weiteren Referenzpunkt entsprechend erneut ausgeführt wird, 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,
- 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,
- g') der Schritt g) für den weiteren Referenzpunkt entsprechend erneut ausgeführt wird, wodurch diesem ein weiterer Serienpunkt zugeordnet wird,
- h) die Lage des Serienpunkts im Sensor-Koordinatensystem mittels des Sensors erfaßt wird, während sich der Manipulator in einer Meßposition, deren Lageabweichung von der Ausgangsposition bekannt ist, und in der Ausgangsorientierung befindet,
- h') der Schritt h) für den weiteren Serienpunkt jeweils entsprechend erneut ausgeführt wird, 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) die Lageabweichung zwischen Referenzpunkt und zugeordnetem Serienpunkt unter Verwendung der in den Schritten e) und h) gewonnenen Ergebnisse und insbesondere unter Berücksichtigung der Lageabweichung zwischen Meßposition und Ausgangsposition bestimmt und hieraus eine korrigierte Position dadurch definiert wird, dass deren Lageabweichung von der Ausgangsposition nach Betrag und Richtung dieselbe ist wie die Lageabweichung zwischen Referenzpunkt und Serienpunkt,
- i') der Schritt i) für den weiteren Referenzpunkt und den ihm zugeordneten weiteren Serienpunkt entsprechend erneut ausgeführt wird, 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 Manipulator wird in die korrigierte Position verfahren und von dieser aus wird der Serienpunkt mittels des Werkzeugs bearbeitet,
- k') der Schritt k) für die weitere korrigierte Position entsprechend erneut ausgeführt, wodurch der Manipulator in die weitere korrigierte Positionen verfahren wird, und von dieser aus der weitere Serienpunkt mittels des Werkzeugs bearbeitet wird.
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Diese Erfindung 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 Erfindung 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 Erfindung 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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Die Erfindung 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. ±10 cm, vorzugsweise höchstens ±10 mm, besonders vorzugsweise ±1 mm 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. ±10 cm, vorzugsweise höchstens ±10 mm, 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. ±10 cm, vorzugsweise höchstens ±10 mm, 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 ±10 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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Insbesondere können die Schritte h) und i) hierbei jedesmal gemäß der Erfindung 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):
- 1. Messfahrt:
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:
- 2. Bahnkorrektur:
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.
- 3. Applikationsfahrt:
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.
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Speicherung der Anfangsmessung:
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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.
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Vorbereitung der Messfahrt (Schritt 1):
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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.
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Messfahrt (Schritt 1):
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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.
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Abschluss der Messfahrt (Schritt 1):
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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.
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Bahnkorrektur (Schritt 2):
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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.
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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.
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Applikationsfahrt (Schritt 3):
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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.
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Die nominale Bahn kann mit der Initialisierungsbahn identisch sein. Ebenso können die nominalen Sensormesswerte mit den Koordinaten der Referenzpunkte im Sensor-Koordinatensystem identisch sein.
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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.
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Die Referenzpunkte und die Serienpunkte können auch bei sich bewegendem Manipulator und sich bewegendem Sensor von diesem erfaßt werden.
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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.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung, in welcher zur Veranschaulichung einer bevorzugten Variante der Erfindung schematisch zeigen:
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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,
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2 ein Serienwerkstück mit einer Kante, deren Form von derjenigen der Referenzkante abweicht, und auf welcher sechs Serienpunkte ausgewählt sind,
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3 das Serienwerkstück von 2 sowie eine erfindungsgemäß ermittelte korrigierte Bahn für den Manipulator zur Bearbeitung der Kante mit einem Werkzeug.
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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.
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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.
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Unter Bezug auf die 1–3 wird eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines speziellen Beispiels erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Roboter und der Manipulator sind in den 1–3 nicht gezeigt. Auf den Manipulator ist ein Manipulator-Koordinatensystem bezogen.
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Zur Durchführung der unter Bezug auf 1–3 erläuterten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden folgende Schritte durchgeführt, deren Reihenfolge nicht zwingend ist:
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Schritt a):
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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.
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Schritt b):
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Das Referenz-Werkstück RW wird im Arbeitsbereich des Manipulators M angeordnet.
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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.
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Schritt c):
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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.
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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.
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Schritt d):
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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.
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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.
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Das Anfahren der Ausgangsposition A1 durch den Manipulator kann insbesondere unter visueller Kontrolle einer Person in Handsteuerung erfolgen.
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Schritt e):
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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.
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Schritt c'):
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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.
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Schritt d'):
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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.
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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.
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Die drei räumlichen Koordinaten der Ausgangsposition A2 im Manipulator-Koordinatensystem werden ebenfalls gespeichert.
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Schritt e'):
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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.
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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.
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Die jeweiligen drei räumlichen Koordinaten der Ausgangspositionen A3–A6 im Manipulator-Koordinatensystem werden ebenfalls gespeichert.
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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.
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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.
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Hiermit ist die Initialisierungsphase abgeschlossen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die so gewonnenen Werte werden vorzugsweise gespeichert.
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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.
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Nun wird das Verfahren mit dem
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Schritt f)
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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 ±10 mm genau, vorzugsweise auf besser als ±1 mm genau, an der Stelle befindet, an welcher sich zuvor die Referenzkante RK befand.
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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.
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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.
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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.
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Meßphase:
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Schritt g):
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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.
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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.
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Schritt h):
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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.
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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.
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Schritt i):
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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.
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Die so gefundene Lageabweichung dx1, dy1 zwischen dem ersten Referenzpunkt RP1 und dem ersten Serienpunkt SP1 bezieht sich auf das Sensor-Koordinatensystem SKS.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise wird das Skalierungsverhältnis oder werden die Skalierungsverhältnisse für jede Ausgangsposition A1, A2, ... des Manipulators jeweils separat bestimmt.
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Die so gewonnenen Werte werden vorzugsweise gespeichert.
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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.
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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.
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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.
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Schritt g'):
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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.
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Schritt h'):
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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'):
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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.
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Die drei räumlichen Koordinaten der korrigierten Position KP2 im Manipulator-Koordinatensystem werden ebenfalls gespeichert; alternativ werden die zugehörigen Korrekturwerte gespeichert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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):
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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'):
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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 vertfügen.
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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 erfindungsgemäßen 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 2 mm 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:
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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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Liste der Bezugzeichen:
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- A1–A6A
- usgangspositionen
- 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
