DE102007009275A1

DE102007009275A1 - Fertigungsrobotersystem mit korrigierendem Regelsystem

Info

Publication number: DE102007009275A1
Application number: DE102007009275A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl.-Ing. Lumpp (FH); Mathias Dipl.-Ing. Richter
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2007-11-15

Abstract

In einem Fertigungsrobotersystem zur Bearbeitung von Werkstücken mit einer von einem Fertigungsroboter durchgeführten Bearbeitung wird nach erfolgtem Bearbeitungsschritt eine automatische Prüfung des Werkstückes vorgenommen. Darüber hinaus wird aufgrund der bei der Prüfung ermittelten Messdaten eine mögliche Abweichung von vorgegebenen Solldaten ermittelt. Bei einer vorliegenden Abweichung werden von der Steuereinheit Korrekturdaten bestimmt, die die Steuerparameter des Fertigungsroboters automatisch korrigieren, so dass ein erneutes Auftreten der Abweichung bei der Bearbeitung der nachfolgenden Werkstücke vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fertigungsrobotersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In modernen Fertigungsanlagen sind bereits viele Bearbeitungsschritte an Werkstücken automatisiert und werden von Industrierobotern erledigt. Auch können mehrere unmittelbar aufeinander folgende Fertigungsschritte mithilfe von komplexen Fertigungssteuerungen am gleichen Werkstück von verschiedenen Robotern vorgenommen werden, ohne dass ein manueller Eingriff notwendig ist. Hierbei ist es zwischen den Fertigungsschritten immer wieder erforderlich, dass die Qualität der Ausführung des vorhergehenden Fertigungsschrittes überprüft wird, um Fehler in der Fertigung möglichst früh festzustellen. Auch hier ist eine größtmögliche Automatisierung der Abläufe wünschenswert.
Aus DE 100 50 481 A1 ist ein System kooperierender Roboter bekannt, bei dem die Roboter zu Gruppen zusammengefasst werden, die von einer gemeinsamen Steuereinheit gesteuert werden, um einen ersten Bearbeitungsvorgang mit koordinierten Bewegungen der Roboter an einem einzelnen Werkstück durchzuführen. Zur Durchführung weiterer Bearbeitungsvorgänge am gleichen Werkstück können die gleichen Roboter jeweils wieder einer anders zusammengesetzten Gruppe zugeordnet werden, und wieder von einer gemeinsamen Steuereinheit koordiniert werden. Somit können Fertigungsvorgänge flexibel gestaltet werden, und in Störfällen muss nur eine kleine Anzahl von Robotern im Gesamtsystem wieder angefahren werden. Dieses Robotersystem führt ein vorgegebenes festes Programm aus und ist nicht in der Lage, auf variierende Anforderungen, die sich z.B. aus systematischen Driften von Systemkomponenten oder aus chargenweise variierenden Werkstückeigenschaften ergeben, flexibel zu reagieren. Um derartige Veränderungen zu berücksichtigen, ist ein Engriff durch Wartungspersonal erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Fertigungsrobotersystem anzugeben, das mit einem höheren Grad von Autonomie arbeitet und die Notwendigkeit von Eingriffen durch Wartungspersonal minimiert.
Bei dem erfindungsgemäßen Robotersystem handelt es sich um ein Fertigungsrobotersystem, mit dem an einem oder mehreren Werkstücken eine Bearbeitung vorgenommen wird, und das in der Lage ist, die Qualität der Fertigung zu überwachen und ggfs. zu korrigieren.
Die Steuereinheit des Systems steuert den Fertigungsroboter mittels eines Satzes von Steuerdaten, der Bearbeitungsparameter, zur Durchführung der Bearbeitung an einem Werkstück. Nach der Bearbeitung des Werkstücks erfolgt in einer Prüfzelle eine Überprüfung des Werkstücks anhand von Sensoren. Die Sensoren der Prüfzelle liefern Messdaten über die Bearbeitung an die Steuereinheit des Systems. Die Steuereinheit ist mit diesen Messdaten zusammen mit den Steuerparametern des Fertigungsroboters in der Lage, eine Auswertung der Ergebnisse durchzuführen, und bei einer fehlerhaft oder nicht befriedigend durchgeführten Bearbeitung anhand einer Abweichung der Solldaten von der Vorgabe entsprechende Korrekturdaten zu den Steuerdaten des Fertigungsroboters zu berechnen. Anhand dieser Korrekturdaten kann die Steuereinheit eine Korrektur der Steuerdaten vornehmen, um die Bearbeitung des nächsten Werkstücks mit verbesserten, korrigierten Daten durchzuführen, und somit den Fehler zu vermeiden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verfügt die Steuereinheit über einen vorgegebenen Satz von Regeln, wobei jede Regel zu einem gegebenen Muster von Abweichungen der Ausprägungen von der Vorgabe wenigstens einen zu verändernden Parameter spezifiziert. Durch Zuordnen eines beobachteten Musters von Abweichungen zu wenigstens einem dieser gegebenen Muster kann die Steuereinheit eine oder mehrere Regeln identifizieren, anhand derer die Korrekturdaten ermittelt werden können.
In bestimmten Situationen kann es hierbei besonders vorteilhaft sein, dass die Steuereinheit eine Möglichkeit hat, über eine Anzeige oder Signaleinrichtung dem Bedienpersonal einen Fehler zu signalisieren, für den Fall, dass die Steuereinheit für ein aktuell vorliegendes Datenmuster bei einer Abweichung von den Sollwerten keine Korrekturdaten aus den vorgegebenen Regeln erstellen kann, da für dieses Datenmuster noch keine Regel existiert.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die von den Sensoren der Prüfzelle erfassten Messdaten von mehreren aufeinander folgenden Werkstücken durch die Steuereinheit ausgewertet werden, z.B. indem ein Mittelwert der erfassten Messdaten gebildet wird, und dieser Mittelwert zum Feststellen einer Abweichung von den Solldaten verwendet wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass ein einzelner von den Sensoren der Prüfzelle erfasster Fehler mit besonders großer Abweichung von den Solldaten eine Korrektur der Schweißung durch die Steuereinheit nach sich zieht, obwohl die Bearbeitung an einer Mehrzahl der Werkstücke nicht fehlerbehaftet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
1 zeigt eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus des erfindungsgemäßen Robotersystems.
2 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Bestimmung von Korrekturdaten, gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung.
3 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Behandlung eines Fehlers bei der Bestimmung der Korrekturdaten, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung.
4 zeigt die schematische Darstellung der Einbeziehung einer Messung an einer Vielzahl von Werkstücken, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird als Fertigungsrobotersystem ein Schweißrobotersystem betrachtet. Die Funktions- und Arbeitsweise eines Schweißroboters in einem Fertigungsablauf werden als bekannt angesehen und werden daher im vorliegenden Zusammenhang nicht näher erläutert.
Die Darstellung in 1 zeigt ein Beispiel eines Schweißrobotersystems 1, in dem ein Schweißroboter 2, eine Steuereinheit 3 und eine Prüfzelle 4 angeordnet sind, um an einem Werkstück (nicht dargestellt) eine Schweißung vorzunehmen und das Ergebnis dieses Arbeitsschrittes zu überprüfen. Das Schweißrobotersystem 1 hat eine endliche Zahl von Bearbeitungsfreiheitsgraden oder -parametern, wie etwa Bewegungsfreiheitsgrade eines Schweißwerkzeugs, Schweißgeschwindigkeit, -leistung etc., für die ein Satz 7 von originären Parameterwerten entsprechend einer jeweiligen Bearbeitungsaufgabe vorgebbar ist. Des Weiteren ist für eine Reihe von Merkmalen des fertigen Werkstücks vorgebbar, welche Ausprägungen diese haben sollen.
Zu Beginn eines Fertigungsprozesses übermittelt die Steuereinheit 3 diesen Satz von originären Steuerparametern 7 an den Schweißroboter 2, um damit die Schweißung am Werkstück zu steuern. Nach Fertigstellung der Schweißung wird das Werkstück in der Prüfzelle 4 über das Sensorsystem 5 der Prüfzelle geprüft, um die tatsächlichen Ausprägungen der interessierenden Merkmale des Werkstücks zu ermitteln. Beispielsweise wird die Geometrie der fertigen Schweißnaht anhand von Referenzpunkten vermessen. Die ermittelten Ausprägungen 6 werden an die Steuereinheit 3 übertragen, und dort in einer Auswertungseinheit 8 verarbeitet, z.B. mithilfe von Software-Routinen. Die Auswertungseinheit 8 vergleicht die von der Prüfzelle ermittelten Ausprägungen 6 mit den vorgegebenen Ausprägungen. Wird bei dem Vergleich eine signifikante Abweichung von den vorgegebenen Ausprägungen festgestellt, so legt die Steuereinheit 3 Korrekturdaten 9 zu den ermittelten Abweichungen fest. Solche Korrekturdaten können zum Beispiel Verschiebevektoren oder geänderte Schweißparameter (z.B. Prozessgeschwindigkeit oder andere Prozessparameter wie Stromstärke, Spannung, etc.) sein. Mit diesen Korrekturdaten 9 werden die von der Steuereinheit 3 an den Schweißroboter 2 zu übertragenden Steuerparameter 7 modifiziert und somit ein neuer Satz von Steuerparametern 7' für die Schweißung am nächsten Werkstück erhalten.
Die Darstellung in 2 soll verdeutlichen, auf welche Weise die Steuereinheit 3 in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung aufgrund der von der Prüfzelle 4 übertragenen Messdaten 6 die notwendigen Korrekturparameter 9 zu einer vorliegenden Abweichung bestimmt.
Wenn n die Zahl der von der Prüfzelle 4 an einem Werkstück gemessenen Größen ist, so kann die Abweichung von deren jeweils an einem Werkstück gemessenen Ausprägungen von den vorgegebenen Ausprägungen als ein n-dimensionaler Vektor aufgefasst werden. Es gibt Abweichungsmuster, die durch Verändern eines einzigen Bearbeitungsparameters korrigierbar sind. Diese können als Basisvektoren 10 des Vektorraums aufgefasst werden, sind in der Auswertungseinheit 8 gespeichert und verkörpern jeweils die Regel 10, dass eine zu dem betreffenden Basisvektor parallele Abweichung durch Ändern des zugeordneten Bearbeitungsparameters zu korrigieren ist. Durch Berechnen der Projektionen des Vektors eines gemessenen Abweichungsmusters auf diese Basisvektoren 10 (oder durch Multiplizieren des Vektors des Abweichungsmusters mit einer durch die Basisvektoren 10 gebildeten Matrix) werden die notwendigen Korrekturparameter 9 erhalten.
3 zeigt eine Darstellung einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, bei der die Steuereinheit 3 eine Einrichtung enthält, die einen Fehler anzeigen kann, der bei der Bestimmung von Korrekturparametern 9 zu einem vorliegenden Abweichungsmuster M auftreten kann. Bei der Komplexität von möglichen auftretenden Abweichungen der Messdaten 6 von den Solldaten kann es vorkommen, dass das von der Auswertungseinheit 8 ermittelte Abweichungsmuster M neu ist und für dieses Abweichungsmuster M noch keine Korrekturregel in der Steuereinheit 3 gespeichert ist, d.h. dass der Vektor des Abweichungsmusters M orthogonal zu den Basisvektoren ist. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass die Steuereinheit 3 ein Fehlersignal für das Bedienpersonal des Schweißrobotersystems 1 an einer Fehleranzeigeeinrichtung 11 ausgeben kann, damit der Fehler behoben werden kann. Das Fehlersignal kann hierbei optisch ausgegeben werden, beispielsweise in Form eines Fehlertextes an einem Display, oder in Form eines auffälligen Lichtsignals. Der Fehler kann aber auch akustisch signalisiert werden, z.B. als Warnton. Die Fehleranzeigeeinrichtung kann aber auch optische und akustische Signale kombinieren, um auf das Auftreten eines Fehlers aufmerksam zu machen, und kann darüber hinaus noch haptische Signale verwenden, beispielsweise die Vibration eines Bedienelements im Fehlerfall.
In 4 ist nochmals eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schweißrobotersystems 1 dargestellt. Bei der Vielzahl der in einem solchen System nacheinander bearbeiteten Werkstücke kann es vorkommen, dass beispielsweise eine an einem Werkstück aufgetretene größere Abweichung aufgrund einer besonderen Einzelsituation entstanden ist, die sich nicht oder nur wenig auf nachfolgende Werkstücke auswirkt, z.B. aufgrund eines Defekts des Werkstücks. Eine sofortige Korrektur eines solchen sporadischen Fehlers durch eine automatische Änderung der Parameter im Gesamtsystem wäre hier nicht wünschenswert, da sich die Korrektur sonst an nachfolgenden Werkstücken mit hoher Wahrscheinlichkeit nachteilig auswirken würde und weitere Abweichungen zur Folge hätte. Daher ist es vorteilhaft, dass die Auswertungseinheit 8 die von den Sensoren 5 der Prüfzelle 4 gelieferten Messdaten filtert, um sporadische Ausreißer zu unterdrücken. Hierfür speichert die Auswertungseinheit 8 die an einer Vielzahl aufeinander folgender Werkstücke von der Prüfzelle 4 gemessenen Merkmalsausprägungen 6-1..6-m. Aus diesen Ausprägungen 6-1..6-m berechnet die Auswertungseinheit eine Fehlerklassifizierung, beispielsweise einen Mittelwert. Durch Berechnen der Projektionen des Vektors dieses Mittelwerts auf die Basisvektoren werden benötigte Korrekturdaten 9 ermittelt, mit denen die Steuerparameter modifiziert werden.
Ergibt die Fehlerklassifizierung, dass es sich um einen systematischen Fehler handelt, also um einen Fehler, der häufig an der gleichen Stelle oder in deren Umgebung auftaucht, so wird über eine Heuristik versucht, die Fehlerursache zu beseitigen. Dazu identifiziert die Auswertungseinheit 8 eine wahrscheinlichste Lösung und wendet eine korrespondierende Regel 10 zur Bahn- oder Prozesskorrektur an. Korrekturdaten können sein: Bahnparameter, z.B. Verschiebungsvektor; Prozessparameter z.B. Prozessgeschwindigkeit, Stromstärke, Spannung, etc.
Nach erfolgter Korrektur wird der Erfolg der Korrektur (positive Fehlerentwicklung) überprüft und wenn nötig die Korrektur wieder zurückgenommen. Aus falschen "Entscheidungen" kann das System lernen, in dem es in der gewählten Konstellation andere Lösungen eher bevorzugt.

Claims

Fertigungsrobotersystem (1) mit wenigstens einem Fertigungsroboter (2), sowie mit einer Steuereinheit (3) und einer Prüfzelle (4), wobei die Prüfzelle (4) eingerichtet ist, Ausprägungen (6) der Merkmale eines vorgegebenen Satzes von Merkmalen an wenigstens einem gefertigten Werkstück zu erfassen, und die Steuereinheit (3) eingerichtet ist, die Durchführung einer Fertigung durch den Fertigungsroboter durch Übermittlung eines Satzes von Steuerparametern (7, 7') zu steuern, die von der Prüfzelle (4) erfassten Ausprägungen (6) mit einer Vorgabe zu vergleichen und im Falle einer Abweichung der Ausprägungen (6) von der Vorgabe wenigstens einen Parameter (9) des Satzes (7) zu verändern.
Fertigungsrobotersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) über einen vorgegebenen Satz von Regeln (10) verfügt, wobei jede Regel (10) zu einem gegebenen Muster von Abweichungen der Ausprägungen (6) von der Vorgabe wenigstens einen zu verändernden Parameter (9) spezifiziert.
Fertigungsrobotersystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) eine Fehleranzeigeeinrichtung (11) umfasst zum Anzeigen eines Fehlers, wenn der Satz von Regeln (10) zu einem erfassten Muster von Abweichungen keine Regel enthält.
Fertigungsrobotersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfzelle (4) eingerichtet ist, Ausprägungen (6) der Merkmale an einer Mehrzahl von Werkstücken zu erfassen und die Steuereinheit (3) eingerichtet ist, den Vergleich mit der Vorgabe an einem Mittelwert der erfassten Ausprägungen (6-1..6-m) vorzunehmen.
Fertigungsrobotersystem (1) mit wenigstens einem Fertigungsroboter (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Schweißrobotersystem (1) mit wenigstens einem Schweißroboter (2) ausgestaltet ist.