DE102009014766A1

DE102009014766A1 - Überlagerte Achsen bei einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug

Info

Publication number: DE102009014766A1
Application number: DE200910014766
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. Pott; Christian Dipl.-Systemwiss. Meyer; Arnold Dipl.-Ing. Puzik
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Universitaet Stuttgart
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Universitaet Stuttgart
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: DE102009014766B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug, wobei die durch eine Handhabungseinheit, insbesondere einen Roboterarm, aufgrund dessen mangelnder Steifigkeit resultierenden Fehler mittels überlagerter Achsen in Form einer dynamisch von der Handhabungseinheit entkoppelten Ausgleichsaktorik ausgeglichen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug, wobei zur Werkstück- und/oder Werkzeughalterung insbesondere ein Industrieroboter eingesetzt werden kann. Bei dem zu bearbeitenden Werkstück kann es sich um ein beliebiges, z. B. optisches, elektronisches, mechanisches, elektromechanisches oder elektrooptisches Bauteil handeln. Bei dem bearbeitenden Werkzeug kann es sich beispielsweise um ein Fräswerkzeug, Bohrwerkzeug oder auch ein Laserschneidwerkzeug handeln.
Industrieroboter haben aufgrund ihrer langen und offenen kinematischen Kette (d. h. ihrem Roboterarm, der aus mehreren gegeneinander translatorisch und/oder rotatorisch bewegbaren Armgliedern besteht) eine geringe Steifigkeit im Vergleich zu Werkzeugmaschinen.
Aus dieser geringen Steifigkeit resultieren u. a. Positionsfehler und unerwünschte Schwingungen, die dann bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Werkzeugen unter Verwendung des Roboterarms (an dem dann das Werkzeug oder auch das Werkstück befestigt ist) zu Bearbeitungsfehlern am Werkstück führen.
Aus diesem Grunde werden Bearbeitungsaufgaben die eine hohe Präzision erfordern (beispielsweise Fräsaufgaben) bisher mit einem Bearbeitungszentrum bzw. unter Einsatz einer Werkzeugmaschine, d. h. ohne Einsatz von Robotern mit langen und offenen kinematischen Ketten ausgeführt. Lediglich weniger anspruchsvolle Prozesse, wie etwa gröberes Fräsen oder gröberes Entgraten (insbesondere an weichen Materialien) wird unter Einsatz von Industrierobotern durchgeführt.
Aus dem Stand der Technik ist darüber hinaus ein Industrieroboter bekannt, bei dem zwischen einem Endglied der kinematischen Kette und einem an diesem Endglied befestigten Werkzeug oder Werkstück eine zusätzliche Aktorik eingesetzt wird, die dann eine bessere Stellgenauigkeit des am Endglied (bzw. der Roboterhand) angeordneten Werkzeugs/Werkstücks relativ zur Roboterhand erlaubt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass eine Handhabung nicht ohne Umgreifen möglich ist, wenn Werkzeuge geführt werden (ein Einsatz in der Serienproduktion ist somit unpraktikabel). Zudem unterliegt dieser Roboter Strukturschwingungen in der kinematischen Kette.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug zur Verfügung zu stellen, bei der der Einsatz einer vergleichsweise einfachen und preisgünstigen Handha bungseinheit (beispielsweise ein mehrere Einzelglieder bzw. eine offene kinematische Kette umfassender Roboterarm eines Industrieroboters bzw. ein solcher Industrieroboter) mit in der Regel nicht ausreichender Steifigkeit (im Vergleich zu Werkzeugmaschinen) vorgesehen ist und mit der dennoch bei der Bearbeitung des Werkstücks mit dem Werkzeug eine hohe Präzision erzielt werden kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus, ein entsprechendes Bearbeitungsverfahren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 sowie durch ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 19 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich jeweils den abhängigen Patentansprüchen entnehmen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Die einzelnen Merkmale, die im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Kombination in der gezeigten Konfiguration verwirklicht sind, müssen dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht in der im Ausführungsbeispiel gezeigten Konfiguration verwirklicht sein, sondern können auch einzeln, d. h. unabhängig voneinander, im Rahmen der vorliegenden Erfindung, deren Schutzumfang sich aus den abhängigen Patentansprüchen ergibt, verwirklicht sein.
Wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung nachfolgend davon gesprochen, dass eine Einheit (beispielsweise eine Handhabungseinheit) zur Aufnahme eines Werkzeugs oder eines Werkstücks ausgebildet ist, so ist damit gemeint, dass das Werkzeug bzw. das Werkstück relativ zu dieser Einheit ortsfest befestigt werden kann, d. h. beispielsweise mit Hilfe einer starren Befestigung an dieser Einheit befestigbar ist. Die Einheit und das Werkzeug bzw. Werkstück sind dann ortsfest in ein und demselben (z. B. kartesischen) Koordinatensystem angeordnet.
Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung ist es, die durch die Handhabungseinheit (z. B. den Roboterarm) der Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks, mit einem Werkzeug aufgrund der fehlenden Steifigkeit der Handhabungseinheit in den Bearbeitungsprozess eingeführten Abweichungen und Fehler (z. B. Abweichung der Ist-Bahn eines durch die Handhabungseinheit geführten Werkzeugs von seiner Soll-Bahn) durch überlagerte Achsen auszugleichen.
Auf diese Art und Weise kann einer langsamen, weit ausholenden Bewegung, die von der Handhabungseinheit (Roboterarm) mit dem daran befestigten Werkzeug oder Werkstück ausgeführt wird, eine kurze, hochdynamische Bewegung mit Hilfe der Ausgleichsachsen unabhängig überlagert werden. Dabei können mehrere Ausgleichsachsen realisiert werden (z. B. translatorisch in alle drei Raumrichtungen eines kartesischen Koordinatensystems, nachfolgend auch als X-, Y- und Z-Richtung bezeichnet), es ist jedoch auch möglich, lediglich eine Ausgleichsachse bzw. einen Ausgleich in eine Raumrichtung (z. B. X-Richtung) vorzusehen.
So kann beispielsweise das Werkstück mit dem Roboterarm geführt werden, die Ausgleichsachse(n) kann/können sich dann dynamisch entkoppelt davon (durch getrennte Montage) zwischen Boden und Werkzeug befinden und zur Durchführung einer Ausgleichsbewe gung mit dem Werkzeug ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß weist hierzu die Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug eine zur Aufnahme eines Werkzeugs und/oder eines zu bearbeitenden Werkstücks und zur Bewegung des so aufgenommenen Elementes (d. h. des Werkzeugs oder des Werkstücks) auf einer vorbestimmten Soll-Bewegungsbahn relativ zu einem ersten, ortsfesten Koordinatensystem ausgebildete Handhabungseinheit auf. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine ortsfest im ersten Koordinatensystem angeordnete und dynamisch von der Handhabungseinheit entkoppelte Aufnahmeeinheit auf. Diese Aufnahmeeinheit ist zur Aufnahme des jeweils anderen, zweiten Elementes (d. h. beispielsweise des Werkstücks, wenn die Handhabungseinheit das Werkzeug aufnimmt) ausgebildet und umfasst darüber hinaus eine Ausgleichsaktorik. Diese Ausgleichsaktorik dient der Durchführung einer Ausgleichsbewegung relativ zum ortsfesten ersten Koordinatensystem, d. h. mit der Ausgleichsaktorik kann das von der Aufnahmeeinheit aufgenommene (zweite) Element so bewegt werden, dass durch diese Ausgleichsbewegung Fehler, d. h. Abweichungen des von der Handhabungseinheit bewegten ersten Elements von seiner Soll-Bewegungsbahn, ausgeglichen werden.
Um diesen Ausgleich zu ermöglichen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Mess- und Regeleinheit umfassen, mit der während der Bearbeitung eines Werk stücks mit einem Werkzeug in Echtzeit eine Ist-Bewegungsbahn des mit der Handhabungseinheit aufgenommenen und bewegten ersten Elementes erfasst werden kann und hinsichtlich der Differenz (d. h. der räumlichen Abweichung) zur Soll-Bewegungsbahn des ersten Elementes ausgewertet werden kann. Auf Basis dieser bestimmten Differenz kann dann die Ausgleichsaktorik so angesteuert werden, dass mit ihr diese Differenz über eine Ausgleichsbewegung des mit der Aufnahmeeinheit aufgenommenen zweiten Elementes zumindest teilweise, idealerweise vollständig, ausgeglichen werden kann.
Eine vollständige Ausgleichung des Fehlers bzw. der Differenz ist dann möglich, wenn die Genauigkeit der Handhabungseinheit durch Optimierung ihrer Ausgangsgenauigkeit (siehe nachfolgend) schon so groß ist, dass die maximale Differenz bzw. Abweichung von der Soll-Bewegungsbahn klein genug ist, um vollständig durch Verfahren alleine der Ausgleichsaktorik relativ zum ersten Koordinatensystem ausgeglichen zu werden. Kann beispielsweise die Ausgleichsaktorik in allen drei Raumrichtungen X, Y und Z jeweils einen Verfahrweg von bis zu 1 mm realisieren, so ist demgemäß ein vollständiger Ausgleich mit Hilfe der Ausgleichsaktorik nur dann möglich, wenn die Ausgangsgenauigkeit der Handhabungseinheit maximal Toleranzen in dieser Größenordnung zulässt.
Ist die Ausgangsgenauigkeit der Handhabungseinheit hierzu nicht ausreichend, so kann (siehe nachfolgend) die Mess- und Regeleinheit auch so ausgebildet werden, dass größere erfasste Abweichungen zur Steuerung einer Korrekturbewegung durch die Handhabungseinheit selbst verwendet werden, während ein Feinabgleich zwischen der Ist-Bewegungsbahn des mit der Handhabungseinheit bewegten ersten Elementes und seiner Soll-Bewegungsbahn mit Hilfe der Ausgleichsaktorik vorgenommen wird.
In diesem Fall ist somit nicht nur die Ausgleichsaktorik, sondern auch die Handhabungseinheit mit der Mess- und Regeleinheit ansteuerbar: Die Mess- und Re geleinheit ist dann so ausgebildet, dass Abweichungsbewegungen (Bewegungen, die zu Abweichungen der relativen Position beider Elemente von einem Soll-Wert oder zu Abweichungen zwischen der Ist- und der Soll-Bewegungsbahn führen – hierbei kann es sich beispielsweise um Vibrationsbewegungen des Roboterarms oder ähnliches handeln) mit Bewegungsfrequenzen größer gleich einer vorbestimmten Frequenz über eine Ansteuerung der Ausgleichsaktorik ausgleichbar sind und dass entsprechende Abweichungsbewegungen mit Bewegungsfrequenzen unterhalb dieser Frequenz über eine Ansteuerung der Handhabungseinheit selbst und Durchführung einer Korrekturbewegung durch die Handhabungseinheit selbst ausgleichbar sind. Die Grenzfrequenz, bei der zwischen einem Ausgleich durch die Handhabungseinheit (Roboterarm) selbst und einem Ausgleich durch die Ausgleichsaktorik umgeschaltet wird, kann beispielsweise zu 1 Hz gewählt werden: Höherfrequente Abweichungsbewegungen werden dann durch die Ausgleichsaktorik ausgeglichen, niederfrequente durch Nachführung der Handhabungseinheit selbst.
Alternativ oder gleichzeitig dazu ist es auch möglich, die Größe der Abweichungen selbst zu bestimmen: Treten Abweichungen auf, die größer als eine vorbestimmte Distanz (z. B. ein Millimeter) sind, so können und müssen diese Abweichungen in der Regel durch ein Nachführen der Handhabungseinheit zumindest grob ausgeglichen werden (sofern die Ausgleichsbewegung hier nicht mit zu hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden muss, mit anderen Worten, die Ursache, die zu dieser Abweichung geführt hat, im niederfrequenten Bereich zu suchen ist). Abweichungen unterhalb der vorbestimmten Distanz können dann durch Ansteuerung der Ausgleichsaktorik ausgeglichen werden (Feinabgleich). Somit können große Abweichungen bzw. niederfrequente Abweichungsbewegungen durch Regelung der Handhabungseinheit selbst grob ausgeglichen werden, während kleine und/oder hochfrequente Abweichungen bzw. Abweichungsbewegungen mit Hilfe der Ausgleichsaktorik fein ausgeregelt bzw. ausgeglichen werden können (Feinabgleich). Mit Hilfe der Ausgleichsaktorik sind dabei ohne weiteres in Echtzeit Ausgleichsbewegungen mit einigen 100 Hz (beispielsweise zum Ausgleich von Vibrationen der Handhabungseinheit bzw. des Roboterarms in dem entsprechenden Frequenzbereich) möglich.
Die Mess- und Regeleinheit kann hierzu ein Positionsmesssystem umfassen, mit dem die Ist-Bewegungsbahn des ersten Elementes erfasst werden kann (beispielsweise Kamerasystem oder auch Lasertracker), sowie getrennt davon eine Steuer- und Regeleinheit (die beispielsweise Software-gesteuert auf Basis eines Mikrocomputers oder Mikrocontrollers realisiert sein kann) aufweisen. Die Daten des Positionsmesssystems werden dann an die Steuer- und Regeleinheit übertragen, so dass letztere die Ansteuerung der Ausgleichsaktorik zur Durchführung der Ausgleichsbewegung übernimmt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung muss jedoch nicht die Abweichung zwischen einer Ist-Bewegungsbahn und einer Soll-Bewegungsbahn des ersten Elementes bestimmt werden: Alternativ dazu ist es auch möglich, die Mess- und Regeleinheit so auszubilden, dass während der Werkstückbearbeitung in Echtzeit die momentane Position vom mit der Handhabungseinheit bewegten ersten Element relativ zum von der Aufnahmeeinheit aufgenommenen zweiten Element erfasst und ausgewertet werden kann. Die Ausgleichsaktorik kann dann auf Basis dieser relativen Position der beiden Elemente zueinander so angesteuert werden, dass Abweichungen in der relativen Position von einem (momentanen) Soll- Wert über eine mit Hilfe der Ausgleichsaktorik der Aufnahmeeinheit realisierte Ausgleichsbewegung ausgeglichen werden.
Um die Position des ersten Elementes relativ zum zweiten Element zu bestimmen, kann dabei sowohl die absolute Position des ersten Elementes im ersten Koordinatensystem, als auch die absolute Position des zweiten Elementes im ersten Koordinatensystem bestimmt werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Lasertrackers geschehen.
Wie bereits angedeutet, kann es sich bei der Handhabungseinheit um einen Industrieroboter handeln, mit dessen Roboterarm das Werkzeug bzw. das zu bearbeitende Werkstück im ersten Koordinatensystem bewegt werden kann. Die Handhabungseinheit kann dann eine ortsfest im ersten Koordinatensystem angeordnete Basiseinheit aufweisen (feststehender Rahmen des Industrieroboters) relativ zu der dann eine Halteeinheit zur Aufnahme des Werkzeugs/Werkstücks im ersten Koordinatensystem bewegt werden kann. Die Halteeinheit kann hierbei mehrere kinematische Glieder aufweisen (einzelne Glieder des Roboterarms), die dann für eine nahezu beliebige Beweglichkeit des aufgenommenen Werkzeugs/Werkstücks relativ zur Basiseinheit sorgen: Bei ausreichender Anzahl und bei geeigneter Gestaltung der kinematischen Glieder sind nahezu beliebige Dreh-, Schwenk- und (translatorische) Verschiebebewegungen mit dem Werkzeug/Werkstück möglich.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sowohl das Werkzeug mit der Handhabungseinheit geführt werden (die Aufnahmeeinheit nimmt dann das Werkstück auf) als auch das Werkstück (in letzterem Falle nimmt dann die Aufnahmeeinheit das Werkzeug auf). Die Aufnahme einheit bzw. ein Teil derselben kann starr mit einem separaten Bodenelement, beispielsweise einem Maschinenbett oder einer einfachen Stahlplatte, verbunden sein. Ebenso kann ein Teil der Handhabungseinheit (Sockel des Roboterarms) starr mit dem entsprechenden Bodenelement verbunden sein.
Wie bereits vorbeschrieben, kann die Ausgleichsaktorik ein- oder idealerweise mehrachsig ausgebildet sein: Idealerweise können mit ihr sowohl translatorische Ausgleichsbewegungen in alle drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems, als auch rotatorische Ausgleichsbewegungen um drei senkrecht zueinander stehende Achsen eines Koordinatensystems durchgeführt werden. Wie nachfolgend noch näher beschrieben, kann die Ausgleichsaktorik hierzu mehrere einzelne, unabhängig voneinander ansteuerbare Ausgleichs- bzw. Aktorelemente umfassen, wobei ein solches Ausgleichs- bzw. Aktorelement in Form eines mittels eines Piezoaktors ansteuerbaren Festkörpergelenks ausgebildet sein kann. Beim Anlegen einer Spannung an den Piezoaktor bzw. durch Ausdehnung desselben werden, durch geeignete Positionierung des Piezoaktors sowie des ihm zugeordneten Festkörpergelenks, dann das Festkörpergelenk und der mit ihm verbundene Endeffektor (an dem das Werkzeug oder das Werkstück fixiert ist) ausgelenkt. Derart realisierte Aktorelemente haben den Vorteil, dass sie die entsprechende Ausgleichsbewegung spielfrei, ohne Reibung (und sofern keine Ermüdungsbrüche auftreten) verschleißfrei durchführen können.
Anstelle der Piezoaktor/Festkörpergelenk-Kombinationen können jedoch auch z. B. Linearmotoren oder Kugelgewindetriebe als Aktorelemente verwendet werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit aus den Hauptkomponenten Industrieroboter, Ausgleichsaktorik, Positionsmesssystem bzw. Absolutsensorik und Steuerund Regeleinheit aufgebaut sein. In einem ersten Schritt kann dabei die Ausgangsgenauigkeit des Industrieroboters optimiert werden, indem eine CNC-Steuerung und eine Temperaturkompensation realisiert werden. Eine CNC-Steuerung ermöglicht eine genaue Steuerung des Industrieroboters bzw. des Roboterarms; der Aufbau einer solchen Steuerung ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
Wird der Roboter zusätzlich mit einer Sensorik zur Lagemessung des Werkstücks bzw. Werkzeugs ausgestattet, sowie eine Kalibrierung dergestalt vorgenommen, dass die Anlage der äußeren Umgebung (Temperatur, Druck, Luftfeuchte, ...) angepasst wird. Mit der Sensorik zur Lagemessung können die entsprechenden Positionen nachgemessen werden, um Fehler nachzujustieren (z. B. bei Arbeitsbeginn, Neuaufbau des Systems, ...). so lassen sich durch diese Maßnahmen Ausgangs-Robotergenauigkeiten im Bereich von einem bis einigen wenigen Zehntel Millimetern erzielen. Möglich ist dabei auch der Einsatz von Roboter- und Prozessmodellen als Fehlerkompensationsmöglichkeit zur Optimierung der Ausgangsgenauigkeit.
In einem zweiten Schritt wird dann wie vorbeschrieben der Restfehler, also die dann noch auftretende Abweichung von der Ist- zur Soll-Bewegungsbahn oder die Abweichung der relativen Position von Werkstück und Werkzeug von einem vorgegebenen Soll-Wert, durch die Mess- und Regeleinheit bestimmt. Hierzu wird im Rahmen der Mess- und Regeleinheit bevorzugt ein absolutes Positionsmesssystem eingesetzt, das die Abwei chungen von Ist-Lagen zu Soll-Lagen erfassen kann. Bei diesem Positionsmesssystem kann es sich beispielsweise um einen Lasertracker handeln, es sind jedoch auch optische Sensoren, CCD-Kameras, kraftflussfreie Messtechniken über Stäbe oder Fadensensoren einsetzbar.
Eine Messkinematik erlaube eine hochgenaue Messung bei hoher Dynamik. Über Stäbe, Kniehebel, Lambda-Kinematiken oder Teleskopstangen werden die Bewegungen des zu vermessenden Punktes erfasst. Da die Messkinematik in den Arbeitsraum des Roboters ragt, muss verhindert werden, dass Kollisionen mit der Anlagenstruktur auftreten.
Das entsprechende Positionsmesssystem kann dabei entweder ortsfest im ersten Koordinatensystem (beispielsweise verbunden mit einem Maschinenbett) oder auch ortsfest an der Handhabungseinheit, also mit dieser mitbewegbar, ausgebildet werden.
Die so bestimmten Differenzen bzw. Abweichungen werden dann in Echtzeit über die Ausgleichsaktorik ausgeglichen. Wie vorbeschrieben, kann die Ausgleichsaktorik auf Basis von Piezoaktoren realisiert werden, es ist jedoch auch möglich, zur Realisierung der translatorischen und/oder rotatorischen Bewegungen Lineardirektantriebe, Kugelgewindetriebe, Magnetlagerungselemente, Magnetostriktionselemente oder Magnetspindeln einzusetzen. Mit den entsprechenden Maßnahmen können dabei ohne weiteres Stellwege von bis zu 1 bis 2 mm ausgeglichen werden.
Eine wesentliche Idee der vorliegenden Erfindung ist es somit, die Ausgleichsaktorik nicht mit der Handhabungseinheit zu verbinden, sondern sie fern von der Handhabungseinheit, also dynamisch entkoppelt von der Handhabungseinheit statisch zu positionieren: Diese ortsfeste Anordnung der Ausgleichsaktorik im ersten Koordinatensystem (also z. B. fest mit dem Maschinenbett oder einem Bodenelement verbunden) ermöglicht es, sämtliche zu Ungenauigkeiten führende Einflüsse der Handhabungseinheit zu vermeiden und die Werkstücke- bzw. Werkzeuge auf optimale Art und Weise zu handhaben.
Dabei kann die Aufnahmeeinheit mit ihrer Ausgleichsaktorik so ausgebildet sein, dass sie das Werkzeug aufnimmt (die Handhabungseinheit trägt in diesem Falle das Werkstück); ebenso ist jedoch auch die entgegengesetzte Konfiguration, bei der die Aufnahmeeinheit mit der Ausgleichsaktorik das Werkstück trägt und die Handhabungseinheit das Werkzeug im ersten Koordinatensystem zur Durchführung der erwünschten Bearbeitung (beispielsweise: Fräsen des Werkstücks mit dem Werkzeug) bewegt.
Um ausreichende Stellwege bzw. Auslenkungen mit den Aktorelementen der Ausgleichsaktorik zu erzielen, können mit Hilfe der bereits beschriebenen Elemente (Piezoaktoren mit Festkörpergelenkmechanismen) durch geeignete geometrische Ausformung und Anordnung (Hebelgesetz) auch Übersetzungsverhältnisse realisiert werden, die die durch die eigentlichen Stellelemente (Piezoaktoren) realisierten Auslenkungen vervielfachen (Übersetzung der Aktoren durch eine Hebelkinematik bzw. durch die vorbeschriebenen Festkörpergelenke)
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ei ne Reihe von Vorteilen auf:

• Durch Vorsehen eines Ausgleichsmechanismus (Ausgleichsaktorik), der dynamisch von der bewegbaren Handhabungseinheit entkoppelt (also statisch angeordnet) ist, kann eine schwache, zur Ausführung von hoch präzisen Bearbeitungsprozessen (beispielsweise: Fräsen) nicht geeignete Kinematik (Handhabungseinheit-Kinematik) in ihren Ungenauigkeiten und Fehlern durch eine schnelle und präzise zusätzliche Kinematik (Ausgleichsaktorik) ausgeglichen werden. In Kombination mit einer Positionsmesssensorik zur Erfassung der Positionen des Werkzeugs und/oder des Werkstücks und dem Vergleich mit einer Soll-Lage können mit Hilfe der vorbeschriebenen Regelungstechnik und einer hochdynamischen Ausgleichsaktorik in Echtzeit Ausgleichsbewegungen realisiert werden, die eine Genauigkeit der Bearbeitung bis hin in den Mikrometer-Bereich erlauben.
• Im Gegensatz zur Idee, die Steifigkeit der Handhabungseinheit bzw. deren kinematischer Kette zu erhöhen (was mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist, da zur Genauigkeitserhöhung immer stärkere Getriebe und zusätzliche Verspannungen notwendig sind), verfolgt die vorliegende Erfindung somit einen anderen Ansatz, mit dem bei wesentlich geringerem Aufwand deutlich bessere Ergebnisse erzielt wurden: Mit Prototypen wurden bereits Fräsgenauigkeiten im Bereich von 10 μm erzielt.
• Die vorliegende Erfindung kann dabei in vielfältigen Varianten realisiert werden: So können insbesondere Handhabungseinheiten in Form von Industrierobotern bzw. deren Roboterarmen hinsichtlich ihrer Bearbeitungsgenauigkeit deutlich verbessert werden. Es ist jedoch auch möglich, andere Positioniersysteme (auf Basis von linearen oder rotato rischen Achsen) als Handhabungseinheiten einzusetzen, deren Bearbeitungsgenauigkeit mit der vorliegenden Erfindung deutlich erhöht werden kann.
• Eindimensionale bis zu sechsdimensionale (im letzteren Falle den Ausgleich in drei Translationsrichtungen und um drei Rotationsachsen ermöglichende) Systeme können im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisiert werden, wobei der Ausgleich in die eine oder mehreren Dimension(en) durch entsprechende Piezoaktoren mit Festkörpergelenken, Linearmotoren oder auch anderen Aktoren realisiert werden kann. Auch die Messsysteme, die Absolut- oder Relativ-Positionen des Werkstücks und/oder Werkzeugs zur Prozesseinheit erfassen können, können zur Erfassung von Bewegungen lediglich in einer Dimension bis hin zur Erfassung von Bewegungen in allen sechs Dimensionen ausgebildet werden. Eine gekoppelte Steuerung von Handhabungseinheit und Ausgleichskinematik ist ebenso möglich wie eine Stand-alone-Steuerung. Unterschiedlich komplexe Regler (beispielsweise mit zusätzlichem Anti-wind- up) können integriert werden. Der Anti-Wind-up dient dazu, Ausbrüche der Regelung, insbesondere der Führungsgröße aus dem möglichen Stellbereich zu kontrollieren. Nimmt man z. B. eine Arbeitsposition von 250 μm und den Stellbereich von ±250 μm an, dann sollte die Führungsgröße den Stellbereich von 250 μm nicht über bzw. im negativen unterschreiben. Dies kann jedoch passieren (Späneflug durch den Lasersensor, Extreme Schwingungen des Roboters, ...) und sollte aber die Funktionsfähigkeit der Regelung nicht beeinflussen. Das Problem der Regelung ist, dass sich der I-Anteil ständig weiterintegriert, da die Rückführung nur den maximalen Stellwert des Endeffektor zurückgibt und daher die Regeldifferenz entsprechend groß bleibt. Das kann dazu führen, dass die Regelung gar nicht mehr oder nur sehr spät sich wieder einfängt. Daher kann der Anti-wind-up eingebaut werden, der dafür sorgt, dass die Stellgröße auf die maximale Stellgröße des Aktors beschränkt wird, d. h. gibt die Regelung Werte größer U1 aus so werden aber nur Werte U2 rückgeführt, mit U2 = obere Spannungsgrenze des Aktors (Stellbereich des Piezoaktors ist z. B. 0–8,5 V), um die Integration des I-Anteils zu verhindern. In dem negativen Stellbereich genauso. Wenn die Regelung negative Werte rückführen würde, wird 0 V rückgeführt.
• Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich hochgenaue Bearbeitungsvorgänge durchführen, hierbei kann beispielsweise auch eine Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Rahmen komplexer Handhabungs- und Bearbeitungsanlagen vorgenommen werden: Insbesondere kann die vorliegende Erfindung im Rahmen solcher Anlagen eine Bearbeitungseinheit, die aus einem Roboter, der ein Bauteil von einem Transportband greift und einer anschließend angeordneten Werkzeugmaschine zur Bearbeitung zuführt, und dieser Werkzeugmaschine besteht, ersetzen.
• Mit der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl verschiedener Bearbeitungsvorgänge realisierbar: Fräsen, Entgraten, Laserschneiden, Laserschweißen und Bohren, um nur einige zu nennen.
• So können mit der vorliegenden Erfindung beispielsweise Industrieroboter Frästeile in einer einem Bearbeitungszentrum vergleichbaren Qualität fertigen, dies jedoch kostengünstiger. Dieser Kostenvorteil wird umso größer, je besser der Arbeitsraum des Roboters ausgenutzt wird.
• Mit der vorliegenden Erfindung können somit Industrieroboter auch für hochgenaue Bearbeitungs prozesse eingesetzt werden, so dass sich der Einsatzbereich von Industrierobotern um den Ersatz von klassischen Werkzeugmaschinen zur Durchführung der vorgenannten Bearbeitungsprozesse erweitert.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben: Das Ausführungsbeispiel zeigt den Prototypen eines Fräsroboters mit Ausgleichskinematik in einer oder auch in mehreren Achsen, bei dem Piezoaktoren verwendet werden, die über Festkörpergelenke zum Durchführen der Ausgleichsbewegungen der Ausgleichsaktorik übersetzt werden. Die Absolut- und/oder Relativ-Positionen von Werkstück und/oder Werkzeug werden dabei über einen Laserdistanz-Sensor bzw. Lasertracker ermittelt. Die Steuer- und Regeleinheit wurde als Echtzeit-Steuerung von dSPACE (eine Echtzeit-Umgebung für Echtzeitsignalverarbeitung) übernommen.
Beim Ausführungsbeispiel erfolgt entweder eine Führung eines Werkstücks mit Hilfe eines Roboterarms entlang des an der feststehenden Aufnahmeeinheit angeordneten Werkzeugs oder umgekehrt. Die Abweichung der Ist-Bewegung des Roboterarms von seiner Soll-Bewegung kann dabei beispielsweise mittels einzelner am Roboterarm angebrachter Marker, die vom Lasertracker erfasst werden, festgestellt werden.
Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Werkstückbearbeitung.
2 die Handhabungseinheit und die Aufnahmeeinheit samt Ausgleichsaktorik eines Prototypaufbaus gemäß 1 (links) und einen Schnitt durch eine verwendete Aktoreinheit (rechts).
3a ein einfaches Beispiel für eine erfindungsgemäße eindimensionale Ausgleichsaktorik samt mechanischem Ersatzschaltbild als Wirkungsmechanismus.
3b ein vereinfachtes Wirkprinzip der Ausgleichsaktorik aus 3a.
4 ein mechanisches Ersatzschaltbild für eine dreidimensionale translatorische Ausgleichsaktorik gemäß der Erfindung.
5 das Regelungsprinzip einer erfindungsgemäßen Ausgleichsaktorik.
6 das Prinzip des Einrichtens und Einmessens bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Werkstückbearbeitung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks 1 mit einem Werkzeug 2.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein fest mit dem Boden eines Werkraums verbundenes Maschinenbett 8 auf. Durch dieses ortsfest angeordnete Maschinenbett 8 wird das erste, ortsfeste Koordinatensystem K1 mit den drei senkrecht zueinander stehenden Raumrichtungen X, Y und Z definiert.
Fest mit dem Maschinenbett 8 verbunden, also unbeweglich im ersten Koordinatensystem K1 angeordnet, ist die Basiseinheit 3a bzw. der Sockel eines als Handhabungseinheit 3 ausgebildeten Industrieroboters. Die Halteeinheit 3b bzw. der Roboterarm des Industrieroboters 3 ist am einen Ende (über eine entsprechende Gelenkvorrichtung) an der Basiseinheit 3a fixiert, weist mehrere kinematische Glieder auf, die es dem Roboterarm ermöglichen, sowohl translatorische als auch rotatorische Bewegungen mit seinem anderen Ende durchzuführen (Drehbewegungen, Schwenkbewegungen und Schiebebewegungen) und weist an diesem anderen Ende bzw. seinem kinematischen Endglied eine Aufnahme auf, die das Bearbeitungswerkzeug 2 (hier: Fräselement) trägt. Aufgrund der mehreren kinematischen Glieder des Roboterarms 3b ist das Werkzeug 2 somit nahezu beliebig innerhalb des ersten Koordinatensystems K1 beweglich. Durch eine geeignete Robotersteuerung (beispielsweise mit Hilfe eines Mikrocomputers) kann das Werkzeug 2 somit auf einer vorbestimmten Soll-Bewegungsbahn innerhalb des Koordinatensystems K1 zur Bearbeitung des Werkstücks 1 geführt werden.
Dynamisch getrennt vom Roboter 3, seitlich versetzt und beabstandet zur Basiseinheit 3a des Roboters 3, ist mit dem Maschinenbett 8 der Sockel 4a einer Aufnahmeeinheit 4 verbunden. Durch die starre Verbindung des Sockels 4a mit dem Maschinenbett 8 ist somit auch die Basis der Aufnahmeeinheit 4 ortsfest im ersten Koordinatensystem K1 angeordnet.
Auf dem Sockel 4a weist die Aufnahmeeinheit 4 die Ausgleichsaktorik 5 (die nachfolgend auch als Endeffektor bezeichnet wird) auf. Die Ausgleichsaktorik 5 ist hier vereinfacht mit lediglich zwei Bauteilen 5a und 5b dargestellt: Einer fest mit dem Sockel 4a verbundenen, unteren Platte 5b und einer darauf angeordneten, mit Hilfe entsprechender Aktoreinheiten relativ zur unteren Platte 5b in die drei Raumrichtungen X, Y und Z verschieblich bewegbaren oberen Platte 5a.
An der oberen (im Koordinatensystem K1 zur Durchführung der vorbeschriebenen Ausgleichsbewegungen beweglichen) Platte 5a ist das zu bearbeitende Werkstück 1 (hier: zu fräsendes Bauteil) starr fixiert.
Die gezeigte Vorrichtung weist darüber hinaus das als Lasertracker ausgebildete, ortsfest im Koordinatensystem K1 angeordnete Positionsmesssystem 6 auf. Durch Anbringung geeigneter Marker am Roboterarm 3b und/oder am Werkzeug 2 sowie an der oberen (beweglichen) Platte 5a der Ausgleichsaktorik 5 und/oder am Werkstück 1 kann das Positionsmesssystem 6 auf dem Fachmann bekannte Art und Weise sowohl die Absolut-Position des Werkzeugs 2 im Raum (also die momentane Position des Werkzeugs 2 im Koordinatensystem K1, siehe Pfeil a1), als auch die absolute Position des Werkstücks 1 im Raum (also die momentane Position dieses Werkstücks im Koordinatensystem K1, siehe Pfeil a2) detektieren. Hierdurch wird es möglich, die relative Position der beiden Elemente 1 und 2 zueinander und Abweichungen dieser relativen Position von einer (z. B. mittels eines computergestützten Bearbeitungsablaufplans) vorgegebenen Soll-Relativposition zu ermitteln. Solche Abweichungen können beispielsweise aus der im Bild skizzierten Störgröße in Form von unerwünschten Vibrationen des Roboterarms 3b resultieren.
Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich (wenn durch geeignete Ausbildung der Ausgleichsaktorik 5a, 5b und eine vor Beginn der Bearbeitung durchgeführte Kalibriermessung die Absolut-Position des Werkstücks 1 im Raum mit hinreichend großer Genauigkeit bekannt ist), durch das Positionsmesssystem 6 lediglich die momentane Position des Werkzeugs 2 im Koordinatensystem K1 zu erfassen und die Abweichung dieser Position von einer Soll-Position (bzw. von der Soll-Bewegungsbahn) des Werkzeugs 2 zu ermitteln.
Um die vorbeschriebenen Abweichungen auszugleichen, ist das Positionsmesssystem 6 mit einer Steuer- und Regeleinheit 7 in Form eines Rechnersystems verbunden. Die von dem Positionsmesssystem 6 erfassten Mess- und daraus die berechneten Positions- bzw. Abstandsdaten werden der Steuer- und Regeleinheit 7 übermittelt, die dann je nach Größe bzw. Distanz der Abweichung und/oder Frequenz der Abweichungsbewegung (siehe vorstehend) entweder die Handhabungseinheit 3 selbst oder die Ausgleichsaktorik 5 zur Durchführung einer entsprechenden Ausgleichsbewegung in Echtzeit ansteuert. So werden in der Regel (hochfrequente) Vibrationen des Roboterarms und notwendige Feinjustierungen durch eine entsprechende Ausgleichsbewegung mit Hilfe der Ausgleichsaktorik 5 ausgeglichen bzw. vorgenommen. Der zu regelnde Abstand kann somit während der Bearbeitung in Echtzeit hochgenau eingestellt werden, indem zur Feinjustierung die hochdynamische Ausgleichsaktorik 5 die Ungenauigkeiten der Roboterarmbewegung unmittelbar ausgleicht.
2 zeigt links einen Ausschnitt eines Prototypenaufbaus gemäß 1, bei dem das kinematische Endglied der Halteeinheit 3b des Roboterarms 2 mit einem darin fest verspannten Werkstück 1 (und nicht, wie in 1 gezeigt, einem Werkzeug) zu sehen. Im rechten unteren Bildabschnitt ist der verschiebliche Teil 5b des Endeffektors bzw. der Ausgleichsaktorik 5 sowie darunter der Sockel 4a der Aufnahmeeinheit 4 zu erkennen, die das Werkzeug halten (nur teilweise sichtbar).
2 rechts zeigt im Schnitt ein einfaches Bei spiel für eine eindimensionale Ausgleichsaktorik auf Basis eines Piezoaktors samt von diesem angesteuerter Festkörpergelenke.
Dabei zeigt 10 den in die Bewegungsrichtung (x-Richtung) 11 auslenkbaren Endeffektor mit der Masse m (vgl. 3a) und 12 skizziert die gegebene Hebelübersetzung (Getriebe). 13 zeigt eine gehärtete Druckplatte zur Aufnahme des Drucks bei Auslenkung des Piezoaktors 14, der hier nur angedeutet ist. Die Bezugszeichen 15a bis 15d beschreiben vier Nebengelenke zur Verdrehsicherung des Endeffektors, die dafür sorgen, dass nur eine Bewegung in x-Richtung (eindimensionale Bewegung) und keine Drehung um die z-Achse (senkrecht zur Papierebene) möglich ist. Die Bezugszeichen 16a bis 16d zeigen die vier Hauptgelenke, die für die Bewegung in x-Richtung ausgebildet sind. 17 beschreibt einen Platz für einen Sensor (beispielsweise kapazitiver Sensor), der angeordnet werden kann, um die Ist-Position des Endeffektors zu überwachen und die Ist-Position in der Regelung zurückzuführen.
Die Verdeutlichtung der Mechanik und Wirkweise der in 2 rechts skizzierten Ausgleichsaktorik zeigt ein mechanisches Ersatzschaltbild (vgl. 3a und 3b): 3a links zeigt erneut einen Schnitt der eindimensionalen Ausgleichsaktorik, während 3a rechts ein stark vereinfachtes Ersatzschaltbild dieser Ausgleichsaktorik zeigt, in welchem alle Feder- und Dämpfungselemente der Ausgleichsaktorik zu einer einzigen Größe c_ges bzw. d_ges zusammen gefasst sind

(c = Gesamt-Dämpfungskonstante des gezeigten Systems, d = Gesamt-Federkonstante des gezeigten Systems, m = bewegte Masse des Systems, F = Kraft- und An griffspunkt derselben, X = Auslenkungsrichtung der gezeigten Ausgleichsaktorik).

Das Prinzip des gezeigten Mechanismus ist somit ein Getriebe auf Hebelbasis (3b): Die Anordnung der Festkörpergelenke (einzelne Federsteifigkeiten) des gezeigten eindimensionalen Ausgleichsaktors gewährleistet, dass keine Verdrehung der Ausgleichsaktorik bzw. des Endeffektors (Masse m) stattfindet, sondern dass eine rein eindimensionale translatorische Bewegung der Ausgleichsaktorik bzw. des Endeffektors erzeugt wird.
Wie das mechanische Ersatzschaltbild von 4 für eine dreidimensionale Ausgleichsaktorik zeigt, kann die Ausgleichsaktorik translatorisch jederzeit unabhängig voneinander als eindimensionale, zweidimensionale oder dreidimensionale Ausgleichsaktorik aufgebaut werden. Die in 4 gezeigte dreidimensionale Ausgleichsaktorik ist, wie im Bild zu sehen, seriell realisiert.
Das Schaubild skizziert alle Federsteifigkeiten in einer einzigen für jede Bewegungsrichtung zugeordnete Steifigkeit und Dämpfung. Weiterhin sind die Massen (Endeffektor mx für den 1-achsigen Aufbau) symbolisch gezeichnet. Auf diese Weise kann eine in Reihe geschaltete Ausgleichsaktorik geschaffen werden, die vorhergehende Achse hat ihre Befestigung in der jeweils nachfolgenden Ausgleichsrichtung (die y-Bewegung bewegt alles von x mit und die z-Aktorik bewegt x und y mit; der x-Aktor muss nur die Masse mx bewegen, der y-Aktor mx und my, der z-Aktor mx, my und mz zusammen).
Entsprechend kann eine solche translatorische Ausgleichsaktorik durch bis zu drei weitere rotatorische Ausgleichseinheiten ergänzt werden.
Die Mess- und Regeleinheit 6, 7 bzw. das Positionsmesssystem 6 (Messsensorik) kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung die momentane Ist-Position des an der Handhabungseinheit geführten ersten Elementes und/oder die momentane Ist-Position des an der Aufnahmeeinheit 4 angeordneten, mit der Ausgleichsaktorik 5 geführten zweiten Elementes messen.
Die Messsensorik kann dazu das Werkstück (Target auf dem Werkstück, dass vom Lasertracker getrackt wird) verfolgen und damit die Ist-Position messen. Die Differenz aus diesem Ist und dem Soll (aus der Robotersteuerung) kann grob vom Roboter ausgeregelt werden und der feine Ausgleich über die Piezoausgleichsaktorik μm-genau vorgenommen werden.
Bevor bearbeitet wird, werden alle Koordinatensysteme mit dem Messsystem (hier Lasertracker) gemessen, womit alle Positionen bekannt sind, insbesondere der Ausgleichsaktorik (also des Werkzeuges bzw. des Werkstücks). Die Arbeitsposition des Endeffektor ist auch eingestellt und bekannt. Ein kapazitiver Sensor überprüft die Ist-Position des Endeffektors und dient zur Rückführung in der Regelung und Differenzbildung mit der Führungsgröße (Führungsgröße = Differenz aus Soll und ist vom Lasertracker). Somit ist die aktuelle Lage des Endeffektors zum Messsystem stets bekannt. Während der Bearbeitung ist das entscheidene Messmittel der Lasertracker, der die Position des Werkstücks bzw. Werkzeugs misst. Der kapazitive Sensor ist nur für die Regelung wichtig, ohne ihn wäre es nur Steuern.
Der zur Soll-Position gemessene Unterschied wird mit den erfassten Daten berechnet und kann mit Hilfe der Echtzeit-verarbeitenden Steuer- und Regeleinheit 7 ausgeregelt werden.
Grundsätzlich können für die Messsensorik alle hochgenauen Sensorsysteme verwendet werden, so kann beispielsweise ein Lasertracker verwendet werden, mit dem die Raumposition eines Elementes mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann.
Die Ausgleichsbewegung kann dann durch die an die Piezoaktoren angelegten Spannungen eingestellt werden.
Es ist davon auszugehen, dass Abweichungen des Roboters bzw. Roboterarms 3b von seiner Soll-Position sowohl negativ als auch positiv sind, daher kann die Arbeitsposition der Ausgleichsaktorik 5, beispielsweise zu Beginn der Bearbeitung, auf die Hälfte ihres jeweiligen Stellweges in den drei Raumrichtungen X, Y und Z gestellt werden. Bei einem insgesamt möglichen Stellweg von beispielsweise 500 μm ergibt sich so eine Arbeitsposition bei 250 μm, so dass ein Ausgleich von ± 250 μm in beide Richtungen einer Raumrichtung möglich ist.
Wie 5 zeigt, kann die zu regelnde Führungsgröße (beispielsweise die Differenz zwischen Soll- und Ist-Position) aus den mit dem Positionsmesssystem 6 erfassten Messdaten gewonnen werden. Die niederfrequenten Anteile können dann am Roboterarm 3b selbst ausgeregelt werden (dies kann beispielsweise auch einfach durch geeignete Filter geschehen), die hochfrequenten Anteile können dann mit Hilfe der Ausgleichsaktorik 5 wie vorbeschrieben ausgeglichen werden.
Die innere Kaskade („Piezo-Ansteuerung”, siehe 5) kann dabei einer internen Regelung des Längenausgleichs eines Piezoaktors entsprechen, die mit Hilfe von internen Dehnungsmessstreifen (DMS) am Piezoaktor realisiert werden kann. Die äußere Kaskade („FKG”) kann beispielsweise mit Hilfe eines PID-Reglers die vorgenannte Führungsgröße ausregeln.
Die innere Kaskade soll dafür sorgen, dass die Linearität des Piezoaktors gewährleistet ist. Der DMS am Piezo misst dazu die aktuelle Position und dient als Rückführgröße auf die Führungsgröße für die Piezoansteuerung. Das erhöht die Stellgenauigkeit des Piezoaktors der damit seine Position regelt. Ohne den DMS würde man den Piezoaktor nur ansteuern und nicht regeln. Ohne DMS würde daher keine Überprüfung der Auslenkung des Piezoaktors stattfinden.
Die äußere Kaskade FKG (FKG = Festkörpergelenk) dient dazu die Position des Endeffektors zu prüfen und den kapazitiven Messwert in der Regelung rückzuführen.
6 skizziert, wie das Ausrichten und Einmessen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Werkstückbearbeitung realisiert werden kann. Das Koordinatensystem K₁ entspricht hierbei dem ortsfesten Koordinatensystem K1 aus 1.
Mit Hilfe des Lasertrackers (Koordinatensystem K_LT) können alle beliebigen Koordinatensysteme eingemessen werden. Der Lasertracker selbst kann sich im ortsfesten Koordinatensystem K₁ befinden bzw. in diesem Koordinatensystem ortsfest angeordnet sein. Hierdurch können alle weiteren Koordinatensysteme, nämlich das Koordinatensystem K_RB des Roboters, das Koordinaten system am Toll-Center-Point K_TCP und das Koordinatensystem des Werkstücks K_WS roboterseitig bzw. auf Seite der Ausgleichsaktorik über die Piezobasis-Koordinatensystem K_PB und das Werkzeug (Koordinatensystem K_WZ) eingemessen werden.
KT1 und folgende KT2, ... sind mögliche Positionen, in denen das Target des Lasertrackers angebracht werden und vom Lasertracker verfolgt werden kann. Sie sind konstant zum Koordinatensystem KTCP und haben eine definierte Position auf dem Werkstück.
Über den Lasertracker ist hierbei die Transformation zwischen den einzelnen Koordinatensystemen möglich.

Claims

Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (1) mit einem Werkzeug (2) umfassend eine zur Aufnahme eines Werkzeugs und/oder eines zu bearbeitenden Werkstücks und zur Bewegung eines so aufgenommenen ersten Elements (1, 2) auf einer vorbestimmten Soll-Bewegungsbahn relativ zu einem ersten Koordinatensystem (K1) ausgebildete Handhabungseinheit (3), eine ortsfest im ersten Koordinatensystem (K1) angeordnete und somit dynamisch von der Handhabungseinheit entkoppelte, zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstücks und/oder eines Werkzeugs ausgebildete Aufnahmeeinheit (4), die eine zur Durchführung einer Ausgleichsbewegung relativ zum ersten Koordinatensystem mit einem so aufgenommenen zweiten Element (2, 1) ausgebildete Ausgleichsaktorik (5) aufweist, und eine Mess- und Regeleinheit (6, 7), mit der während der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug in Echtzeit sowohl eine Ist-Bewegungsbahn des mit der Handhabungseinheit aufgenommenen und bewegten ersten Elements (1, 2) erfassbar und hinsichtlich ihrer Differenz zur Soll-Bewegungsbahn dieses ersten Elements (1, 2) auswertbar ist, als auch die Ausgleichsaktorik auf Basis dieser Differenz so ansteuerbar ist, dass mit ihr diese Differenz über eine Ausgleichsbewegung des mit der Aufnahmeeinheit aufgenommenen zweiten Elements (2, 1) zumindest teilweise, bevorzugt vollständig ausgeglichen wird.
Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (1) mit einem Werkzeug (2) umfassend eine zur Aufnahme eines Werkzeugs und/oder eines zu bearbeitenden Werkstücks und zur Bewegung eines so aufgenommenen ersten Elements (1, 2) relativ zu einem ersten Koordinatensystem (K1) ausgebildete Handhabungseinheit (3), eine ortsfest im ersten Koordinatensystem (K1) angeordnete und somit dynamisch von der Handhabungseinheit entkoppelte, zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstücks und/oder eines Werkzeugs ausgebildete Aufnahmeeinheit (4), die eine zur Durchführung einer Ausgleichsbewegung relativ zum ersten Koordinatensystem mit einem so aufgenommenen zweiten Element (2, 1) ausgebildete Ausgleichsaktorik (5) aufweist, und eine Mess- und Regeleinheit (6, 7), mit der während der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug in Echtzeit sowohl die momentane Position vom mit der Handhabungseinheit aufgenommenen und bewegten ersten Element (1, 2) relativ zum mit der Aufnahmeeinheit (4) aufgenommenen zweiten Element (2, 1) erfassbar und auswertbar ist, als auch die Ausgleichsaktorik auf Basis dieser relativen Position so ansteuerbar ist, dass mit ihr eine Abweichung dieser relativen Position von einem vorgegebenen und/oder vorgebbaren Sollwert über eine Ausgleichsbewegung des mit der Aufnahmeeinheit aufgenommenen zweiten Elements (2, 1) zumindest teilweise, bevorzugt vollständig ausgeglichen wird.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Position des ersten relativ zum zweiten Element durch Feststellen der absoluten Position (a1) des ersten und der absoluten Position (a2) des zweiten Elements im ersten Koordinatensystem bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungseinheit (3) eine ortsfest im ersten Koordinatensystem (K1) angeordnete Basiseinheit (3a) und eine mit der Basiseinheit verbundene, relativ zur Basiseinheit bewegliche, insbesondere relativ zur Basiseinheit dreh-, schwenk- und/oder translatorisch verschiebbare und/oder mehrere kinematische Glieder aufweisende Halteeinheit (3b), insbesondere ein Roboterarm, zur Aufnahme eines Werkzeugs und/oder eines zu bearbeitenden Werkstücks, aufweist und/oder dass die Handhabungseinheit ein Industrieroboter ist, mit dessen Roboterarm ein Werkzeug und/oder ein zu bearbeitendes Werkstück im ersten Koordinatensystem bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass nicht nur die Ausgleichsaktorik (5), sondern auch die Handhabungseinheit (3) mit der Mess- und Regeleinheit (6, 7) ansteuerbar ist, wobei die Mess- und Regeleinheit (6, 7) so ausgebildet ist, dass Abweichungsbewegungen, also Bewegungen die zu Abweichungen der relativen Position beider Elemente von einem Sollwert oder zu Abweichungen zwischen der Ist- und der Soll-Bewegungsbahn führen, mit Bewegungsfrequenzen größer gleich einer vorbestimmten Frequenz f1 und/oder Abweichungen der relativen Position beider Elemente von einem Sollwert oder zwischen der Ist- und der Soll-Bewegungsbahn die kleiner gleich einer vorbestimmten Distanz d1 sind, über die Ansteuerung der Ausgleichsaktorik ausgleichbar sind und dass entsprechende Abweichungsbewegungen mit Bewegungsfrequenzen unterhalb der Frequenz f1 und/oder entsprechende Abweichungen oberhalb der Distanz d1 über eine Ansteuerung der Handhabungseinheit (3) und Durchführung einer Korrekturbewegung mit derselben ausgleichbar sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz f1 aus dem Bereich zwischen 0.01 Hz und 20 Hz, bevorzugt zwischen 0.1 Hz und 10 Hz, gewählt ist und/oder dass die Distanz d1 aus dem Bereich zwischen 100 μm und 5000 μm, bevorzugt zwischen 500 μm und 2000 μm, gewählt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungseinheit (3) zur Aufnahme eines Werkzeugs (2) ausgebildet ist und die Aufnahmeeinheit (4) zur Aufnahme eines Werkstücks (1) ausgebildet ist oder dass die Handhabungseinheit (3) zur Aufnahme eines Werkstücks (1) ausgebildet ist und die Aufnahmeeinheit (4) zur Aufnahme eines Werkzeugs (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (4) oder ein Teil (4a) derselben starr mit einem Bodenelement (8), insbesondere einem Maschinenbett und/oder einer Stahlplatte, verbunden ist und/oder dass ein Teil der Handhabungseinheit (3), insbesondere die Basiseinheit (3a), starr mit einem Bodenelement, bevorzugt mit dem vorstehend beschriebenen Bodenelement (8), verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mit der zur Durchführung der Ausgleichsbewegung ausgebildeten Ausgleichsaktorik (5) mit dem aufgenommenen zweiten Element (2, 1) eine translatorische oder rotatorische Bewegungsanteile aufweisende Ausgleichsbewegung, bevorzugt eine translatorische und rotatorische Bewegungsanteile aufweisende Ausgleichsbewegung, relativ zum ersten Koordinatensystem durchführbar ist, wobei die translatorischen Bewegungsanteile mindestens einen Bewegungsanteil in eine erste Raumrichtung X, bevorzugt darüber hinaus auch einen Bewegungsanteil in eine zweite Raumrichtung Y, die bevorzugt senkrecht zu X verläuft, und besonders bevorzugt darüber hinaus auch einen Bewegungsanteil in eine dritte Raumrichtung Z, die bevorzugt senkrecht zu X und zu Y verläuft, umfassen, und wobei die rotatorischen Bewegungsanteile entsprechend mindestens einen Bewegungsanteil um eine erste Achse, bevorzugt darüber hinaus auch einen Bewegungsanteil um eine zweite Achse, die bevorzugt senkrecht zur ersten Achse verläuft, und besonders bevorzugt darüber hinaus auch einen Bewegungsanteil um eine dritte Achse, die bevorzugt senkrecht zur ersten und zur zweiten Achse verläuft, umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungseinheit (3) eine CNC-Steuerung, eine Temperaturkompensation, eine Sensorik zur Positionsmessung des aufgenommenen ersten Elements (1, 2) relativ zur Handhabungseinheit (3) und/oder eine Kalibriereinheit zur Verbesserung der Genauigkeit, mit der das aufgenommene erste Element (1, 2) bewegbar ist, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Regeleinheit (6, 7) ein Positionsmesssystem (6) umfasst, das entweder relativ zum ersten Koordinatensystem ortsfest oder relativ zu einem das erste Element (1, 2) aufnehmenden Ende der Handhabungseinheit (3) ortsfest angeordnet ist, und mit dem die Differenz zwischen der Ist-Bewegungsbahn des ersten Elements (1, 2) und seiner Soll-Bewegungsbahn und/oder die momentane Relativposition vom ersten Element (1, 2) zum zweiten Element (2, 1) bestimmbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Positionsmesssystem (6) eine laserbasierte Messeinheit, insbesondere einen Lasetracker, einen optischen Sensor und/oder ein Kamerasystem, insbesondere eine CCD-Kamera, samt Bildverarbeitungseinheit, umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsaktorik mindestens ein, bevorzugt mehrere Aktorelement(e) umfassend jeweils einen Piezoaktor und ein vom jeweiligen Piezoaktor mittels einer an ihm anliegenden und/oder ange legten elektrischen Spannung auslenkbares Festkörpergelenk aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsaktorik mindestens ein, bevorzugt mehrere Aktorelement(e) umfassend jeweils einen Linearmotor, einen Lineardirektantrieb, einen Kugelgewindetrieb, ein Magnetlagerungselement, ein Magnetostriktionselement und/oder ein Magnetspindelelement aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (4) einen ortsfest zum ersten Koordinatensystem (K1) angeordneten Teil (4a), insbesondere einen starr an einem Bodenelement (8), insbesondere einem Maschinenbett und/oder einer Stahlplatte, fixierten Teil (4a), aufweist, wobei zur Durchführung der Ausgleichsbewegung eine zumindest abschnittsweise relativ zu diesem Teil (4a) bewegliche Ausgleichsaktorik (5) vorgesehen ist, an der das zweite Element (2, 1) starr fixierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Regeleinheit (6, 7) ein zur Positionsmessung und/oder zur Bahndifferenzbestimmung ausgebildetes Positionsmesssystem (6) und eine auf Basis der mit dem Positionsmesssystem erfassten und/oder berechneten Messdaten die Ausgleichsbewegung steuernde und/oder regelnde Steuer- und Regeleinheit (7) aufweist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Positionsmesssystem (6) und/oder die Steuer- und Regeleinheit (7) einen Mikrocomputer und/oder einen Mikrocontroller umfasst oder als Teil eines Mikrocomputers und/oder eines Mikrocontrollers ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug ein Fräswerkzeug, ein Werkzeug zum Entgraten, ein Laserschneidwerkzeug, ein Laser schweißwerkzeug oder ein Bohrwerkzeug ist und/oder dass das Werkstück ein mechanisches, elektronisches und/oder optisches Bauelement ist.
Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (1) mit einem Werkzeug (2) dadurch gekennzeichnet, dass entweder in die Handhabungseinheit (3) einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ein Werkstück eingespannt wird und dass in die Aufnahmeeinheit (4) dieser Vorrichtung ein Werkzeug eingespannt wird oder dass in die Handhabungseinheit (3) einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ein Werkzeug eingespannt wird und dass in die Aufnahmeeinheit (4) dieser Vorrichtung ein Werkstück eingespannt wird und dass das Werkstück mit dem Werkzeug durch eine Relativbewegung dieser beiden Elemente (1, 2) zueinander, der die Ausgleichsbewegung überlagert wird, bearbeitet wird.
Verwendung einer Vorrichtung oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Fräsen, Entgraten, Laserschneiden, Laserschweißen und/oder Bohren eines Werkstücks, insbesondere zum Fräsen, Entgraten, Laserschneiden, Laserschweißen und/oder Bohren eines Werkstücks mit einem Industrieroboter.