DE102006049957A1

DE102006049957A1 - System und Verfahren zur Kalibrierung einer Handhabungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102006049957A1
Application number: DE102006049957A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Krappinger; Martin Dipl.-Ing. Kohlmaier
Original assignee: Abb Ag
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2008-04-24
Also published as: US20100138030A1; JP2010506739A; WO2008046620A1; CN101595437A; EP2082298A1

Abstract

System und Verfahren zur Kalibrierung einer Handhabungsvorrichtung (4), wobei mittels wenigstens einer an einer Handhabungsvorrichtung (4) angeordneten Messanordnung (8) sowie einem Werkzeug (6) wenigstens eine Regelgröße beim Abfahren eines Werkstückes (2) erfasst wird und im Zusammenwirken von Messanordnung (8), Werkzeug (6) und Werkstück (2) mittels einer Regeleinrichtung (10) anhand der erfassten Regelgrößenmesswerte wenigstens zwei Flächen A, B des Werkstückes (2) in einem mehrdimensionalen Raum bestimmt werden und aus der resultierenden Schnittlinie S Bahnkoordinaten eines optimierten Bahnverlaufs ermittelt und/oder zur Umsetzung bereitgestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zur Kalibrierung einer Handhabungsvorrichtung in Relation zu einem zu bearbeitenden oder zu verarbeitenden Werkstück zum Zwecke der Prozessoptimierung.
Insbesondere beschäftigt sich die Erfindung auch mit der automatisierten Nach – und Weiterverarbeitung von Gussteilen mittels einer Handhabungsvorrichtung, ungeachtet des Werkstoffs oder des Produktionsverfahrens für den weiteren Fertigungsprozess.
Gießverfahren zur Herstellung von Werkstücken sind in der industriellen Fertigung weit verbreitet und in vielen Bereichen technischer Standard. Die wohl bekannteste und auch älteste Form des Giessens ist der Metallguss. Diese Art des Giessens hat sich in den letzten Jahren aufgrund technischer Entwicklungen immer mehr verfeinert und spezialisiert. Hinzugekommen sind andere Materialien wie z.B. Kunststoff. Dieser Produktionsprozess ist wirtschaftlich so bedeutend geworden, dass er einen eigenen Bereich innerhalb der Gießereikunde darstellt und gewöhnlich als Spritzguss bezeichnet wird.
Durch die enorme Verbreitung und zunehmende Verwendung von Gussteilen gleich welcher Art und gleich welchen Herstellungsverfahrens kommt der Forderung nach Automatisierungskonzepten, die nahezu den gesamten Produktionsprozess umfassen, eine immer größere Priorität zu. Dadurch gewinnt auch die Nachbearbeitung der Guß- und/oder Spritzgussteile immer mehr an Bedeutung. In diesem Bereich erschließt die Automation im Vergleich zur manuellen Bearbeitung immer neue Möglichkeiten, vor allem was Durchsatz, Produktivität, Qualität und Herstellungskosten angeht. Durch vollautomatisch ablaufende, reproduzierbare Prozesse läßt sich die Produktqualität und Fertigungskonstanz vergleichsweise deutlich erhöhen und/oder steigern.
Die beiden häufigsten Bearbeitungsprozesse bei der Nachbearbeitung von Guß- und/oder Spritzgussteilen sind

• Fräsen komplexer 3D Formen durch Roboter
• Entgraten komplexer 3D Gussteile durch Roboter

Durch den Produktionsprozess bedingt ist die Fertigungstoleranz bei Gussteilen unterschiedlich stark ausgeprägt. Eine Nachbearbeitung insbesondere von Kanten erfüllt dabei den Zweck die Maße des Gussteiles innerhalb die für den weiteren Produktionsprozess notwendigen Toleranzen zu bringen. Dabei stellt das Ausrichten des Werkstücks zum Werkzeug schon ein erstes Hindernis dar, da das jeweilige Roboterprogramm beziehungsweise Steuerungsprogramm Positionspunkte im Raum ansteuert und ein hinreichend exaktes Positionieren des Werkstückes oftmals gerade wegen den Fertigungstoleranzen und/oder Unregelmäßigkeiten nicht gewährleistet werden kann.
Eine weitere Schwierigkeit betrifft die stark variierende Erscheinungsform von Überguss am Werkstück selbst. Damit variiert auch quantitativ das Material welches zum Beispiel beim Entgratungsprozess vom Werkstück weggenommen oder abgetragen werden muss.
Bei herkömmlichen Systemen wird das Roboterprogramm und/oder Steuerungsprogramm unmittelbar aus der CAD Zeichnung des jeweiligen Werkstücks erstellt. Liegt eine derartige CAD Zeichnung jedoch nicht vor, so werden die Programme an einem Prototypenteil, auch „Meisterteil" genannt, welches die endgültige Form und Geometrie des Werkstücks bereits darstellt, beispielsweise mit Hilfe des „Tech In" Verfahrens und/oder mittels manueller Koordinateneingabe erstellt. Diese Verfahren sind in aller Regel äußerst zeitaufwendig und/oder fehlerbehaftet und die Qualität der späteren Fertigungsteile kann dabei nur so gut sein wie das Meisterteil selbst.
Eine Kalibrierung zwischen Werkzeug und Werkstück, auch zur Bestimmung der tatsächlichen Lage und/oder Orientierung des Werkstückes wird üblicherweise, zumindest anteilig manuell durch das Kalibrieren des Werkobjektes und des Werkzeugarbeitspunktes durchgeführt.
Auch ist eine Vermessung mittels Laser zur Aktualisierung des Arbeitspunktes der Handhabungsvorrichtung beispielsweise beim automatisierten Schweißprozess bekannt.
Mit Hilfe der industriellen Bildverarbeitung können auch durch die Integration von Kamerasystemen zur Bahnkorrektur von Handhabungsvorrichtungen, Gusstoleranzen an einem Gussteil bearbeitet werden. Dabei werden Flächen oder Ebenen zur Bearbeitung aus den digitalen Informationen des Vision Systems (Bildverarbeitungssystems) berechnet und als Positionsdaten an den Roboter weitergegeben. Dies setzt jedoch voraus, dass die Position des digitalen Bildverarbeitungsgerätes oder Kombination relativ zum Werkzeug vermessen wurde und diese Koordinaten beim Programmablauf berücksichtig werden. Kleinste Abweichung durch Messfehler des Kamerasystems oder der Kalibrierung können das Werkstück beim Bearbeiten unbrauchbar machen.
Die vorgenanten Schwierigkeiten treten bei den jeweiligen Bearbeitungsverfahren in unterschiedlichen Formen auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Möglichkeit anzugeben vorgenannte Nachteile bei der Kalibrierung einer Handhabungsvorrichtung weitgehend zu vermeiden und den Anwendungsbereich industrieller Handhabungssysteme zu erweitern.
Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Systems sowie ein Verfahren zur Kalibrierung einer Handhabungsvorrichtung sind in weiteren Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Vorgenanntes System zur Kalibrierung einer Handhabungsvorrichtung umfasst eine Handhabungsvorrichtung, insbesondere einen Roboter, sowie an dieser angeordnet wenigstens ein Werkzeug oder wenigstens ein Werkstück, sowie wenigstens eine Messanordnung zur Erfassung wenigstens einer Regelgröße, wobei eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche bei Abfahren eines Werkstückes im Zusammenwirken von Messanordnung, Werkzeug und Werkstück anhand der wenigstens einen Regelgröße wenigstens zwei Flächen in einem mehrdimensionalen Raum bestimmt und deren resultierende Schnittlinie als Bahnkoordinaten eines optimierten Bahnverlaufs zur Umsetzung einer Steuerungseinrichtung bereitstellt.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Steuerungseinrichtung zur Prozesssteuerung und/oder Bewegungssteuerung der Handhabungsvorrichtung vorsehbar.
In vorteilhafter Ausgestaltung Erfindung ist wenigstens eine Schnittstelle zur drahtgebundenen oder drahtlosen Kommunikation und/oder Datenübertragung vorgesehen, über welche die bereitgestellten Bahnkoordinaten und/oder den optimierten Bahnverlaufs zur Umsetzung an die Steuerungseinrichtung der Handhabungsvorrichtung übermittelbar sind.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Regeleinrichtung in die Steuerungseinrichtung integrierbar ist und/oder als Bestandteil der Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, wobei alternativ die Regeleinrichtung auch in die Messanordnung integrierbar und/oder als Bestandteil der Messanordnung ausgebildet sein kann.
Vorteilhaft kann durch Bestimmung der Bahnkoordinaten und/oder des optimierten Bahnverlaufs eine Kalibrierung des Werkzeugs relativ zum Werkstück bewirkt sein.
Eine Weiterbildung des Systems sieht vor, den jeweiligen Be- und/oder Verarbeitungsprozess unter Berücksichtigung vorbestimmbarer Parameter ein- oder mehrmalig zu durchlaufen, bis die jeweils aktuell durchlaufene Bearbeitungsbahn des Werkzeuges und/oder der Handhabungsvorrichtung dem anhand der Flächenschnittlinie ermittelten optimierten Bahnverlauf entspricht, so dass die Endgeometrie des Werkstücks nach Be- und/oder Verarbeitung innerhalb vorbestimmbarer Toleranzen liegt.
Vorteilhaft ist eine mehrachsige Handhabungsvorrichtung, insbesondere eine sechsachsige Handhabungsvorrichtung, oder eine einachsige Handhabungsvorrichtung einsetzbar, wobei – in Weiterführung des Systems – das Koordinaten- beziehungsweise Bezugssystem mindestens einer Achse der Handhabungsvorrichtung als Referenz bei der Bestimmung der Bahnkoordinaten und/oder Bahnkurve einsetzbar ist.
Insbesondere ist die Kalibrierung der Handhabungsvorrichtung gegenüber dem zu bearbeiteten Werkstück und/oder Bestimmung der Bahnkoordinaten zum Erhalt eines optimierten Bahnverlaufs vorteilhaft vor und/oder während des Be- und/oder Verarbeitungsprozesses durchführbar.
Auch ist die Kalibrierung in Weiterbildung des Systems, insbesondere in Abhängigkeit vorbestimmbarer Parameter und/oder Umbebungsbedingungen, beispielsweise positions- und/oder lageabhängig und/oder beeinflusst durch Kanten, Materialübergänge, Oberflächenrauhigkeiten, kontinuierlich oder zyklisch oder diskontinuierlich durchführbar, wobei der Kalibriervorgang insbesondere auch programmgesteuert durchlaufen wird.
Wenigstens eine Messanordnung ist dabei insbesondere am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung angeordnet, wobei wenigstens eine Messanordnung am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung auch zwischen Handhabungsvorrichtung und dem jeweiligen Werkzeug angeordnet und/oder mit diesen physisch verbunden sein kann.
Auch kann vorgesehen sein, dass eine Haltevorrichtung zur Aufnahme wenigstens eines Werkzeuges oder wenigstens eines Werkstückes vorhanden ist und/oder am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung angeordnet ist, wobei insbesondere auch wenigstens eine am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung angeordnete Messanordnung mit der Haltevorrichtung physisch verbunden ist.
Die Verbindung kann dabei insbesondere als Schraub-, Schweiß-, Klemm-, Bajonett-, Magnet- oder Flanschverbindung ausgestaltet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist wenigstens eine Messanordnung wenigstens einen Sensor zur Erfassung von Kräften und/oder Momenten und/oder Kraft- und/oder Momentendifferenzen auf, wobei insbesondere einer der nachfolgenden Sensorarten Verwendung findet:

– Piezoelektrischer Sensor, bei einem piezoelektrischen Sensor wird mittels Druck, also Kraft pro Fläche, in einem Kristall eine elektrische Spannung hervorgerufen, wobei im Kristall elektrische Ladungen getrennt werden (piezoelektrischer Effekt). Die elektrische Spannung ändert sich dabei in einem vorbestimmten Bereich proportional zur Kraft. Dieser Effekt funktioniert auch umgekehrt, so dass es bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den piezoelektrischen Sensor zu einer Verformung desselben kommt. Piezoelektrische Sensoren bieten darüber hinaus etliche Vorteile, beispielsweise deren Unempfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen, es ist keine äußere Spannungversorgung erforderlich und deren Wirkungsgrad ist vergleichsweise hoch.
– Kraftaufnehmer, beim Einsatz von Kraftaufnehmern wird aufgrund von Krafteinwirkung ein Federelement elastisch verformt, wobei die Kraftaufnahme in vorgeschriebener Richtung zu erfolgen hat. Die durch Krafteinwirkung hervorgerufene Verformung des Federkörpers, in aller Regel Metall, wird über Dehnungsmessstreifen in elektrische Spannung umgewandelt. Dann wird beispielsweise über einen entsprechend vorsehbaren Messverstärker die durch Krafteinwirkung hervorgerufene elektrische Spannung und damit die Dehnungsänderung registriert und/oder kann aufgrund der elastischen Eigenschaften des Federkörpers in einen Kraftmesswert umgerechnet werden.
– Differenzdruckmesser, bei welchem die Differenz zweier Absolutdrücke, der so genannte Differenzdruck, gemessen wird. Der Differenzdrucksensor kann dabei zwei Messkammern aufweisen, die durch eine Membran hermetisch voneinander getrennt sind. Die messbare Auslenkung der Membran ist dann ein Maß für die Größe des Differenzdruckes. Die Kammern können dabei mit Flüssigkeit, insbesondere auch mit einem Gel entsprechender Viskosität gefüllt sein.

In einer Ausgestaltung des Systems ist wenigstens eine Messanordnung zur Kraft- und/oder Momentenbestimmung beziehungsweise Kraft- und/oder Momentendifferenzbestimmung im Bereich wenigstens einer der Achsen beziehungsweise Drehachsen der Handhabungsvorrichtung angeordnet.
Systemgemäß kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Messanordnung als Teil der Kinematik beziehungsweise des kinematischen Systems und/oder des Bewegungsapparates der Handhabungsvorrichtung ausgebildet ist.
Auch ist vorsehbar, dass erfasste Regelgrößenmesswerte und/oder das jeweils aus ihnen gebildete beziehungsweise resultierende Messsignal wenigstens einer Messanordnung als Absolutwerte ausgegeben und/oder weitergeleitet werden.
Alternativ ist vorsehbar, dass die entsprechenden Werte und/oder Signale in als Relativwerte ausgegeben und/oder weitergeleitet werden.
Auch dass die erfassten Regelgrößenmesswerte und/oder das jeweilig resultierende Messsignal als Analog- oder Digitalsignal ausgegeben und/oder weitergeleitet werden ist vorteilhaft vorsehbar, wobei insbesondere entsprechende Schnittstellen beispielsweise in Form von D/A- und/oder A/D-Wandler vorzusehen sind.
Auch kann in einer weitere Ausprägung des Systems vorgesehen sein, dass Regelgrößenmesswerte und/oder Bahnkoordinaten eines optimierten Bahnverlaufs und/oder Bahnkorrekturdaten über ein übergeordnetes Leit – oder Steuerungssystem und/oder Netzwerk in die Steuerungseinrichtung der Handhabungsvorrichtung übermittelt werden.
Weiterhin kann systemgemäß vorgesehen sein, dass Regelgrößenmesswerte und/oder das sich aus ihnen ergebende beziehungsweise resultierende Messsignal über ein externes Steuerungssystem in die Steuerungseinrichtung des Handhabungsgerätes weitergeleitet wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass eine Messung beziehungsweise Erfassung physikalischer Größen, insbesondere relevanter Prozessgrößen, aus dem Prozess heraus bewirkt ist, das heißt während der Kalibrierung und/oder Be- oder Verarbeitung wenigstens eines Werkstückes.
Systemgemäß ist vorsehbar, dass anhand der erfassten Regelgrößenmesswerte im Zusammenwirken von Messanordnung, Regeleinrichtung und Steuerungseinrichtung Bahnänderungen sehr flexibel und/oder in vergleichsweise kurzen Zeiten ausführbar sind.
Bei der erfassten Regelgröße kann es sich dabei um eine ein- oder mehrdimensionale Größe, beispielsweise eine vektorielle Größe, insbesondere um einen Kraftvektor handeln, oder um einen Koordinatenpunkt ein einem dreidimensionalen Raum.
Die Regelgrößenmesswerte und/oder das resultierende Messsignal können – in Weiterbildung des Systems – auch zur absoluten Kalibrierung des Handhabungsvorrichtung eingesetzt sind.
Auch auftretende Bearbeitungswinkel zwischen Werkzeug und zu bearbeitenden Werkstück können vorteilhaft berücksichtigt werden und/oder haben keinen Einfluss auf die Messanordnung sowie die Regeleinrichtung.
Insbesondere ist die Funktion von Messanordnung und Regeleinrichtung unabhängig von der Relativbewegung und/oder Relativgeschwindigkeit von Werkzeug zum bearbeitenden Werkstück.
Weiterhin wird die gestellte Aufgabe auch durch ein entsprechendes Verfahren zur Kalibrierung einer Handhabungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 32 gelöst.
Vefahrensgemäß wird mittels wenigstens einer an einer Handhabungsvorrichtung angeordneten Messanordnung sowie einem Werkzeug wenigstens eine Regelgröße beim Abfahren eines Werkstückes erfasst wird und im Zusammenwirken von Messanordnung, Werkzeug und Werkstück mittels einer Regeleinrichtung anhand der erfassten Regelgrößenmesswerte wenigstens zwei Flächen des Werkstückes in einem mehrdimensionalen Raum bestimmt werden und aus der resultierenden Schnittlinie Bahnkoordinaten eines optimierten Bahnverlaufs ermittelt und/oder zur Umsetzung bereitstellt werden.
Eine Ausbildung des Verfahrens sieht vor, dass zur Erfassung der wenigstens einen Regelgröße und Schnittlinienbildung benachbarte und/oder aneinandergrenzende Kontur- und/oder Oberflächenbereiche des jeweiligen Werkstückes ein oder mehrmals abgefahren werden, wobei insbesondere ein Versatz zwischen zwei abgefahrenen Bahnen vorgesehen wird.
Weiterhin kann dabei vorgesehen sein, als Regelgröße die entlang wenigstens einer vorbestimmbaren Richtung zwischen Werkzeug und Werkstück wirkende Kraft und/oder Moment und/oder deren Unterschiede zu wenigstens einem vorbestimmbaren Referenzwert zu erfassen.
Insbesondere wird die Anpresskraft beziehungsweise Auflagekraft zwischen Werkstück und Werkzeug erfasst und/oder in Weiterführung des Verfahrens auf einen vorbestimmbaren Referenzwert geregelt.
Alternativ kann unter Berücksichtigung der Orientierung des Werkzeugs- und/oder des Werkstücks, insbesondere anhand von Winkelgeberinformationen der Handhabungsvorrichtung, bereits auch nach einmaligem Abfahren einer jeweiligen Kontur- und/oder Oberflächenbereichs eine Fläche in einem mehrdimensionalen Raum oder Bezugssystem bestimmt werden.
Weiterhin ist vorsehbar, das das Abfahren des Werkstückes beziehungsweise einer Kontur und/oder Oberflächenbereichs automatisiert durchgeführt wird.
Auch ist vorteilhaft vorsehbar, dass eine Steuerungseinrichtung zur Prozesssteuerung und/oder Bewegungssteuerung der Handhabungsvorrichtung eingesetzt wird.
Als Basis für das automatisierte Abfahren ist verfahrensvorbereitend vorteilhaft vorsehbar, dass der Kontur- und/oder Oberflächenverlauf näherungsweise durch manuelles und/oder halbautomatisches Abfahren und/oder Führen und/oder Abtasten des Werkstücks mittels Werkzeug erfasst wird und/oder die Steuerungseinrichtung der Handhabungsvorrichtung trainiert wird.
Verfahrensgemäß kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Schnittstelle zur drahtgebundenen oder drahtlosen Kommunikation und/oder Datenübertragung verwendet wird, über welche die bereitgestellten Bahnkoordinaten und/oder den optimierten Bahnverlaufs zur Umsetzung an die Steuerungseinrichtung der Handhabungsvorrichtung übermittelt werden.
Vorteilhaft kann durch Bestimmung der Bahnkoordinaten und/oder des optimierten Bahnverlaufs eine Kalibrierung des Werkzeugs relativ zum Werkstück durchgeführt werden.
In Weiterführung des Verfahrens wird der jeweilige Be- und/oder Verarbeitungsprozess unter Berücksichtigung vorbestimmbarer Parameter ein- oder mehrmalig so lange durchlaufen, bis die jeweils aktuell durchlaufene Bearbeitungsbahn des Werkzeuges und/oder der Handhabungsvorrichtung dem anhand der Flächenschnittlinie ermittelten Bahnverlauf entspricht, so dass die Endgeometrie des Werkstücks nach Be- und/oder Verarbeitung innerhalb vorbestimmbarer Toleranzen liegt.
Verfahrensgemäß ist eine mehrachsige Handhabungsvorrichtung, insbesondere eine sechsachsige Handhabungsvorrichtung, oder eine einachsige Handhabungsvorrichtung einsetzbar.
Weiterhin ist vorsehbar, dass das Koordinatensystem und/oder Bezugssystem mindestens einer Achse der Handhabungsvorrichtung als Referenz bei der Bestimmung der Bahnkoordinaten und/oder der Bahnkurve eingesetzt wird.
Eine weitere Ausführung des Verfahrens sieht vor die Kalibrierung der Handhabungsvorrichtung gegenüber dem zu bearbeiteten Werkstück und/oder die Bestimmung der Bahnkoordinaten zum Erhalt eines optimierten Bahnverlaufs vor und/oder während des Be- und/oder Verarbeitungsprozesses durchzuführen.
Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass die Kalibrierung der Handhabungsvorrichtung gegenüber dem zu bearbeiteten Werkstück und/oder Bestimmung der Bahnkoordinaten zum Erhalt eines optimierten Bahnverlaufs, insbesondere in Abhängigkeit vorbestimmbarer Parameter, kontinuierlich oder zyklisch oder diskontinuierlich durchgeführt wird.
Verfahrengemäß kann die Kalibrierung der Handhabungsvorrichtung gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück vorteilhaft programmgesteuert und/oder parameterabhängig durchgeführt werden.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Regelgrößenmesswerterfassung mittels wenigstens einer am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung angeordneten Messanordnung durchgeführt wird, wobei alternatiiv auch eine Messanordnung, welche am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung zwischen Handhabungsvorrichtung und Werkzeug angeordnet ist und/oder mit diesen physisch verbunden ist, verwendet werden kann.
Verfahrengemäß ist vorsehbar, dass eine Messanordnung mit wenigstens einem Sensor zur Erfassung von Kräften und/oder Momenten und/oder Kraft- und/oder Momentendifferenzen verwendet wird.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass eine Haltevorrichtung zur Aufnahme wenigstens eines Werkzeuges oder wenigstens eines Werkstückes verwendet wird und/oder am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung angeordnet wird.
Auch ist vorsehbar, dass wenigstens eine am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung angeordnete Messanordnung mit der Haltevorrichtung physisch verbunden wird.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Regelgrößenmesswerte und/oder das jeweilig resultierende Messsignal wenigstens einer Messanordnung als Absolutwerte ausgegeben werden.
In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens ist vorgesehen, dass Regelgrößenmesswerte und/oder das aus ihnen gebildete beziehungsweise resultierende Messsignal als Relativwerte ausgegeben werden.
Auch dass Regelgrößenmesswerte und/oder das jeweilig resultierende Messsignal als Analog- oder Digitalsignal ausgegeben werden, ist vorteilhaft vorsehbar.
Weiterhin kann vorgesehen sein Regelgrößenmesswerte und/oder Bahnkoordinaten eines optimierten Bahnverlaufs und/oder Bahnkorrekturdaten über ein übergeordnetes Leit – oder Steuerungssystem und/oder Netzwerk an die Steuerungseinrichtung der Handhabungsvorrichtung zu übermitteln.
Auch kann vorgesehen sein, dass erfasste Regelgrößenmesswerte und/oder dass resultierende Messsignal über ein externes Steuerungssystem in die Steuerungseinrichtung des Handhabungsgerätes weitergeleitet werden.
Weiterführend kann vorgesehen sein dynamische Messgrößen zu ermitteln.
Verfahrensgemäß ist weiterhin vorsehbar, dass anhand der erfassten Regelgrößenmesswerte im Zusammenwirken von Messanordnung und Steuerungseinrichtung Bahnänderungen flexibel ausführbar sind.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Regelgröße als ein- oder mehrdimensionale Größe, insbesondere als vektorielle Größe, ermittelt wird.
Auch eine absolute Kalibrierung des Handhabungsgerätes kann in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens unter Verwendung der Regelgrößenmesswerte und/oder des resultierenden Messsignals durchgeführt werden
Verfahrensgemäß ist vorsehbar, dass auftretende Bearbeitungswinkel zwischen Werkzeug und zu bearbeitendem Werkstück berücksichtigt werden und/oder keinen Einfluss auf die Messanordnung sowie die Regeleinrichtung haben.
Mit der Erfindung ist insbesondere erreichbar, dass unabhängig von der tatsächlichen Geometrie des Werkstücks direkt nach der Produktion eine Bearbeitung in reproduzierbaren Einzelschritten erfolgen kann. Hervorzuheben ist dabei, dass durch den Einsatz von Sensortechnik zum Messen der tatsächlichen Anpresskraft des Werkzeuges an das zu bearbeitende Werkstück im mehrdimensionalen Raum die Geschwindigkeit des Werkzeuges durch die Steuerungseinrichtung der Handhabungsvorrichtung jederzeit auf einen optimalen Wert geregelt werden kann.
Dadurch, dass die an der Handhabungsvorrichtung angebrachte Kombination aus in der Messanordnung verwirklichter Sensortechnik und Werkzeug auch die benötigten Flächen zur Ermittlung der Bearbeitungsbahn bestimmt, entfällt eine zusätzliche zur Kalibrierung eingesetzte Messeinrichtung gleich welcher Art, die diese Funktion zusätzlich und extern zur Steuerung der Handhabungsvorrichtung aktuell durchführen müssen.
Damit können die unterschiedlichen Aufgaben und Funktionen vor und während des Bearbeitens ausgeführt werden und Toleranzen des Werkstücks bei der Produktion ausgleicht. Durch die Vermeidung zusätzlicher Sensoren werden weitere Kosten beim Einrichten dieser Bearbeitungszellen vermieden.
Für die weitere Beschreibung soll der Schwerpunkt der Ausführungen auf dem Entgraten von Metallgussteilen liegen. Andere Bearbeitungsverfahren werden aber ebenso umfasst.
Die weitere Darlegung der Erfindung und vorteilhafter Weiterbildungen erfolgt anhand von einigen Figuren und Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 beispielhaft ausgebildetes System zur Kalibrierung einer Handhabungsvorrichtung mit Werkstück mit verfahrensgemäß bestimmter optimierter Bahnkurve für ein Entgratungswerkzeug
2 Schnittdarstellung eines Werkstückes mit zwei Graten und einer verfahrensgemäß ermittelten optimierten Bahnkurve
3 3-dim Darstellung eines Werkstücks mit verfahrensgemäß ermittelter optimierter Bahnkurve
In 1 ist ein beispielhaft ausgebildetes erfindungsgemäßes System sowie ein zu entgratendes Werkstück 2 mit verfahrensgemäß bestimmter optimierter Bahnkurve für einen Roboter 4 mit Entgratungswerkzeug 6 gezeigt. Die Dartsellung ist nicht maßstabsgerecht. Zur Kalibrierung des Roboters 2 mit Entgratungswerkzeug 6 relativ zum Werkstück 2 mit Grat 7 wird mittels wenigstens einer an dem Roboter 2 angeordneten Messanordnung 8 mit wenigstens einem Kraftsensor zur Erfassung der Auflagekraft F beziehungsweise Anpresskraft zwischen Entgratungswerkzeug 6 und Werkstück 2 die Anpresskraft beim Abfahren des Werkstückes 2 erfasst und im Zusammenwirken von Messanordnung 8, Werkzeug 6 und Werkstück 2 mittels einer Regeleinrichtung 10 anhand der erfassten Kraftmesswerte wenigstens zwei Flächen A, B, des Werkstückes 2 sowie deren Schnittlinie S im 3-dim Raum bestimmt und entsprechend der Schnittlinie S die Bahnkoordinaten für einen zum Entgraten optimierten Bahnverlauf ermittelt und zur Umsetzung an die Steuerungseinrichtung 14 des Roboters 4 übermittelt. Die Steuerungseinrichtung 14 umfasst dabei noch eine Anzeige- 16 sowie Eingabeeinrichtung 18, beispielsweise zur Parametereingabe. Auch ist systemgemäß eine Haltevorrichtung 20 zur Aufnahme des Entgratungswerkzeuges 6 vorgesehen.
Wie in 2 gezeigt werden zum Erhalt der Flächen A, B und Bestimmung der Schnittlinie S benachbarte und/oder aneinandergrenzende Kontur- und/oder Oberflächenbereiche des jeweiligen Werkstückes 2 zumindest zweimal mit Versatz V oder Abstand zueinander abgefahren.
Die Bearbeitung, insbesondere Entgratung des Werkstücks 2 erfolgt automatisiert, wobei der Roboter 4 mit Entgratungswerkzeug 6 und zwischen distalem Ende des Roboters 4 und Entgratungswerkzeug 6 angeordneter Messanordnung 8 mit Kraftsensoren zur Erfassung der Anpresskräfte F zwischen Werkzeug 6 und Werkstück 2 versucht durch mehrmaliges Abfahren des Werkstückes 2 mit dem Entgrater 6 die optimierte Bahnkurve S zu erreichen.
Dabei wird unter Berücksichtigung der erfassten Anpresskräfte F stets auch eine Optimierung des jeweiligen Be- und/oder Verarbeitungsprozesses bewirkt.
In 3 ist ein entsprechendes Werkstück 2 mit zwei Flächen A, B mit je zwei Abfahrbahnen 31a, 31b sowie 32a und 32b und der sich aus den Flächen ergebenden Schnittlinie S beziehungsweise optimierten Bahnkurve angegeben.

Claims

System zur Kalibrierung einer Handhabungsvorrichtung relativ zu einem Werkstück mit einer Handhabungsvorrichtung, insbesondere ein Roboter, wobei an der Handhabungsvorrichtung wenigstens ein Werkzeug oder wenigstens ein Werkstück sowie wenigstens eine Messanordnung zur Erfassung wenigstens einer Regelgröße vorgesehen sind, wobei eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche bei Abfahren eines Werkstückes im Zusammenwirken von Messanordnung, Werkzeug und Werkstück anhand der wenigstens einen Regelgröße wenigstens zwei Flächen in einem mehrdimensionalen Raum bestimmt und deren resultierende Schnittlinie als Bahnkoordinaten eines optimierten Bahnverlaufs zur Umsetzung bereitstellt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung zur Prozesssteuerung und/oder Bewegungssteuerung der Handhabungsvorrichtung.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schnittstelle zur drahtgebundenen oder drahtlosen Kommunikation und/oder Datenübertragung vorgesehen ist, über welche die bereitgestellten Bahnkoordinaten und/oder den optimierten Bahnverlaufs zur Umsetzung an die Steuerungseinrichtung der Handhabungsvorrichtung übermittelbar sind.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung in die Steuerungseinrichtung integrabel ist und/oder als Bestandteil der Steuerungseinrichtung ausgebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung in die Messanordnung integrabel ist und/oder als Bestandteil der Messanordnung ausgebildet ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Bestimmung der Bahnkoordinaten und/oder des optimierten Bahnverlaufs eine Kalibrierung des Werkzeugs relativ zum Werkstück bewirkt ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es dafür eingerichtet ist den jeweiligen Be- und/oder Verarbeitungsprozess unter Berücksichtigung vorbestimmbarer Parameter ein- oder mehrmalig zu durchlaufen, bis die jeweils aktuell durchlaufene Bearbeitungsbahn des Werkzeuges und/oder der Handhabungsvorrichtung dem anhand der Flächenschnittlinie ermittelten Bahnverlauf entspricht, so dass die Endgeometrie des Werkstücks nach Be- und/oder Verarbeitung innerhalb vorbestimmbarer Toleranzen liegt.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koordinatensystem mindestens einer Achse der Handhabungsvorrichtung als Referenz bei der Bestimmung der Bahnkoordinaten und/oder Bahnkurve eingesetzt ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrachsige Handhabungsvorrichtung, insbesondere eine sechsachsige Handhabungsvorrichtung, eingesetzt ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine einachsige Handhabungsvorrichtung eingesetzt ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung der Handhabungsvorrichtung gegenüber dem zu bearbeiteten Werkstückes und/oder Bestimmung der Bahnkoordinaten zum Erhalt eines optimierten Bahnverlaufs vor und/oder während des Be- und/oder Verarbeitungsprozesses durchführbar ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung der Handhabungsvorrichtung gegenüber dem zu bearbeiteten Werkstückes und/oder Bestimmung der Bahnkoordinaten zum Erhalt eines optimierten Bahnverlaufs, insbesondere in Abhängigkeit vorbestimmbarer Parameter, kontinuierlich oder zyklisch oder diskontinuierlich durchführbar ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung der Handhabungsvorrichtung gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück programmgesteuert und/oder parameterabhängig bewirkt ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Messanordnung am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung angeordnet ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Messanordnung am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung zwischen Handhabungsvorrichtung und Werkzeug angeordnet und/oder mit diesen physisch verbunden ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Messanordnung wenigstens einen Sensor zur Erfassung von Kräften und/oder Momenten und/oder Kraft- und/oder Momentendifferenzen aufweist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haltevorrichtung zur Aufnahme wenigstens eines Werkzeuges oder wenigstens eines Werkstückes vorgesehen und/oder am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung angeordnet ist.
System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung angeordnete Messanordnung mit der Haltevorrichtung physisch verbunden ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Regelgrößenmesswerte und/oder das jeweilig resultierende Messsignal wenigstens einer Messanordnung als Absolutwerte ausgebbar sind.
System nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Regelgrößenmesswerte und/oder das jeweilig resultierende das Messsignal als Relativwerte ausgebbar sind.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Regelgrößenmesswerte und/oder das jeweilig resultierende Messsignal als Analog- oder Digitalsignal ausgebbar sind.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Regelgrößenmesswerte und/oder Bahnkoordinaten eines optimierten Bahnverlaufs und/oder Bahnkorrekturdaten über ein übergeordnetes Leit – oder Steuerungssystem und/oder Netzwerk in die Steuerungseinrichtung der Handhabungsvorrichtung übermittelbar sind.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erfasste Regelgrößenmesswerte und/oder dass resultierende Messsignal über ein externes Steuerungssystem in die Steuerungseinrichtung des Handhabungsgerätes weitergeleitet sind.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung physikalischer Größen resultierend aus dem Prozess bewirkt ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dynamische Messgrößen ermittelt sind.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Messanordnung als Teil der Kinematik der Handhabungsvorrichtung und/oder als Bestandteil des Bewegungsapparates ausgebildet ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der erfassten Regelgrößenmesswerte im zusammenwirken von Messanordnung und Steuerungseinrichtung eine flexible Bahnänderung ausführbar ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Regelgröße als ein- oder mehrdimensionale Größe ermittelt ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgrößenmesswerte und/oder das resultierende Messsignal auch zur absoluten Kalibrierung des Handhabungsvorrichtung eingesetzt sind.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auftretende Bearbeitungswinkel zwischen Werkzeug und zu bearbeitenden Werkstück berücksichtigt sind und/oder keinen Einfluss auf die Messanordnung sowie die Regeleinrichtung haben.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion von Messanordnung und Regeleinrichtung unabhängig von der Relativbewegung und/oder Relativgeschwindigkeit von Werkzeug zum bearbeitenden Werkstück ist.
Verfahren zur Kalibrierung einer Handhabungsvorrichtung, wobei mittels wenigstens einer an einer Handhabungsvorrichtung angeordneten Messanordnung sowie einem Werkzeug wenigstens eine Regelgröße beim Abfahren eines Werkstückes erfasst wird und im Zusammenwirken von Messanordnung, Werkzeug und Werkstück mittels einer Regeleinrichtung anhand der erfassten Regelgrößenmesswerte wenigstens zwei Flächen des Werkstückes in einem mehrdimensionalen Raum bestimmt werden und aus der resultierenden Schnittlinie Bahnkoordinaten eines optimierten Bahnverlaufs ermittelt und/oder zur Umsetzung bereitstellt werden.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der wenigstens einen Regelgröße und Schnittlinienbildung benachbarte und/oder aneinandergrenzende Kontur- und/oder Oberflächenbereiche des jeweiligen Werkstückes ein oder mehrmals mit Versatz abgefahren werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung zur Prozesssteuerung und/oder Bewegungssteuerung der Handhabungsvorrichtung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schnittstelle zur drahtgebundenen oder drahtlosen Kommunikation und/oder Datenübertragung verwendet wird, über welche die bereitgestellten Bahnkoordinaten und/oder den optimierten Bahnverlaufs zur Umsetzung an die Steuerungseinrichtung der Handhabungsvorrichtung übermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass durch Bestimmung der Bahnkoordinaten und/oder des optimierten Bahnverlaufs eine Kalibrierung des Werkzeugs relativ zum Werkstück durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Be- und/oder Verarbeitungsprozess unter Berücksichtigung vorbestimmbarer Parameter ein- oder mehrmalig so lange durchlaufen wird, bis die jeweils aktuell durchlaufene Bearbeitungsbahn des Werkzeuges und/oder der Handhabungsvorrichtung dem anhand der Flächenschnittlinie ermittelten Bahnverlauf entspricht, so dass die Endgeometrie des Werkstücks nach Be- und/oder Verarbeitung innerhalb vorbestimmbarer Toleranzen liegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Koordinatensystem und/oder Bezugssystem mindestens einer Achse der Handhabungsvorrichtung als Referenz bei der Bestimmung der Bahnkoordinaten und/oder der Bahnkurve eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrachsige Handhabungsvorrichtung, insbesondere eine sechsachsige Handhabungsvorrichtung, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass eine einachsige Handhabungsvorrichtung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung der Handhabungsvorrichtung gegenüber dem zu bearbeiteten Werkstück und/oder die Bestimmung der Bahnkoordinaten zum Erhalt eines optimierten Bahnverlaufs vor und/oder während des Be- und/oder Verarbeitungsprozesses durchführbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung der Handhabungsvorrichtung gegenüber dem zu bearbeiteten Werkstückes und/oder Bestimmung der Bahnkoordinaten zum Erhalt eines optimierten Bahnverlaufs, insbesondere in Abhängigkeit vorbestimmbarer Parameter, kontinuierlich oder zyklisch oder diskontinuierlich durchführbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung der Handhabungsvorrichtung gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück programmgesteuert und/oder parameterabhängig durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Messanordnung am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Messanordnung am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung zwischen Handhabungsvorrichtung und Werkzeug angeordnet und/oder mit diesen physisch verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Messanordnung mit wenigstens einem Sensor zur Erfassung von Kräften und/oder Momenten und/oder Kraft- und/oder Momentendifferenzen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haltevorrichtung zur Aufnahme wenigstens eines Werkzeuges oder wenigstens eines Werkstückes verwendet wird und/oder am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine am distalen Ende der Handhabungsvorrichtung angeordnete Messanordnung mit der Haltevorrichtung physisch verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass Regelgrößenmesswerte und/oder das jeweilig resultierende Messsignal wenigstens einer Messanordnung als Absolutwerte ausgegeben werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass Regelgrößenmesswerte und/oder das jeweilig resultierende das Messsignal als Relativwerte ausgegeben werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass Regelgrößenmesswerte und/oder das jeweilig resultierende Messsignal als Analog- oder Digitalsignal ausgegeben werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass Regelgrößenmesswerte und/oder Bahnkoordinaten eines optimierten Bahnverlaufs und/oder Bahnkorrekturdaten über ein übergeordnetes Leit – oder Steuerungssystem und/oder Netzwerk an die Steuerungseinrichtung der Handhabungsvorrichtung übermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass erfasste Regelgrößenmesswerte und/oder dass resultierende Messsignal über ein externes Steuerungssystem in die Steuerungseinrichtung des Handhabungsgerätes weitergeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung physikalischer Größen resultierend aus dem Prozess heraus durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 54, dadurch gekennzeichnet, dass dynamische Messgrößen ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 55, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der erfassten Regelgrößenmesswerte im zusammenwirken von Messanordnung und Steuerungseinrichtung eine flexible Bahnänderung ausführbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass das die Regelgröße als ein- oder mehrdimensionale Größe ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 57, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgrößenmesswerte und/oder das resultierende Messsignal auch zur absoluten Kalibrierung des Handhabungsgerätes eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 58, dadurch gekennzeichnet, dass auftretende Bearbeitungswinkel zwischen Werkzeug und zu bearbeitenden Werkstück berücksichtigt werden und/oder keinen Einfluss auf die Messanordnung sowie die Regeleinrichtung haben.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 32 bis 59, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion von Messanordnung und Regeleinrichtung von der Relativbewegung und/oder Relativgeschwindigkeit von Werkzeug zum bearbeitenden Werkstück nicht beeinflusst wird.