DE102010017865A1

DE102010017865A1 - Automatisch generiertes Energiesparfahrprogramm für Industrieroboter

Info

Publication number: DE102010017865A1
Application number: DE201010017865
Authority: DE
Inventors: Juergen Kuebler; Dipl.-Ing. Ramsperger Hans
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2011-10-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters mit Bewegungsabläufen, welche durch kurzzeitige Stillstandszeiten unterbrochen werden. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein energetisch verbessertes Verfahren zum Steuern einer Bewegungsabfolge eines Roboters bezüglich einzelner Bewegungen und der zwischen diesen Bewegungen befindlichen Stillstandszeiten anzugeben. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters wird zunächst der zeitliche Verlauf eines herkömmlichen Bahnprofils der Bewegung des Roboters betrachtet. Stillstandsphasen zwischen zwei Bewegungen des Roboters mit Maximalgeschwindigkeit werden zumeist durch steile Flanken begrenzt. Diese Flanken stellen die Beschleunigungen der Bewegungen des Roboters als Differenzial der Geschwindigkeit nach der Zeit dar. Hohe Beschleunigungen bewirken jedoch bei den Bewegungen des Roboters auch hohe Spitzenkräfte und Momente in den Lagern und Antriebseinheiten mit entsprechend hohem Leistungsbedarf der Stellmotoren und Verschleiß. Eine weitere vorteilhafte Methode die Energiemaxima zu senken besteht darin, das Beschleunigen und Bremsen der einzelnen Roboterachsen zeitlich so zu steuern, dass Energiespitzen reduziert werden. Dazu werden die Bewegungsaktionen der Achsen zeitlich leicht versetzt beschleunigt. Die Achse 1 wird zuerst in Aktion gesetzt, erst kurz danach beginnt die Achse 2 mit ihrer Bewegung und zeitlich gestaffelt dann die verbleibenden Achsen, so dass sich die benötigten Energiemaxima beim Anfahren der Achsen nicht addieren, sondern über einen längeren Zeitraum verteilen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters mit Bewegungsabläufen, welche durch kurzzeitige Stillstandszeiten unterbrochen werden.
In der industriellen Produktion, insbesondere bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen, kommen für eine Vielzahl von Aufgaben insbesondere in der Produktion oder in der Messtechnik Roboter zum Einsatz, die bezüglich komplexer Umgebungen, beispielsweise beim Schweißen von Rohkarossen oder Vermessen von Innenräumen von Karosserien, positioniert werden müssen. Dabei wird der Roboter typischerweise entlang einer vorprogrammierten („eingelernten”) Bahnkurve bewegt. Zum Einlernen solcher Bahnkurven sind Verfahren zur Steuerung des Roboters bekannt, bei denen Ablaufplanungen für Werkzeug- oder Messkopfbewegungen unter Berücksichtigung von Modellen von Bauteilen, von Modellen einer Umgebung des Bauteils und einer robotereigenen Kinematik erzeugt werden. Zur zügigen Abarbeitung dieser Aufgaben fährt der Roboter mit möglichst hoher Geschwindigkeit von Arbeitsposition zu Arbeitsposition, wobei er beim Erreichen eine vorgegebene Arbeitsposition typischerweise abrupt abgebremst und – nach Erledigen der zugeordneten Aufgabe – wieder abrupt beschleunigt wird. Die Beschleunigungen beim Anfahren und Abbremsen einer Arbeitsposition erfolgen zumeist sehr ruckartig; für den außenstehenden Beobachter muten diese Bewegungen des Roboters teilweise wie ein unkoordinierter Wechsel von hektischen Bewegungen unterbrochen von unerwarteten ungenutzen Stillstandszeiten an.
Als Beispiel hierfür beschreibt die DE 10 2008 014 789 A1 ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters bezüglich eines Bauteils und einer Umgebung unter Berücksichtigung eines Modells des Bauteils, eines Umgebungsmodells und eines Robotermodells des Roboters. Dabei werden nacheinander mehrere Messpositionen auf einem Bauteil angefahren; die Messprogramme variieren je nach Karosse. Dabei ist das Bahnprofil – also Geschwindigkeit und Beschleunigung – so dimensioniert, dass alle diese unterschiedlichen Programme innerhalb des Produktionstaktes abgefahren werden können.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein energetisch verbessertes Verfahren zum Steuern einer Bewegungsabfolge eines Roboters bezüglich einzelner Bewegungen und der zwischen diesen Bewegungen befindlichen Stillstandszeiten anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters wird zunächst der zeitliche Verlauf eines herkömmlichen Bahnprofils der Bewegung des Roboters betrachtet. Stillstandsphasen zwischen zwei Bewegungen des Roboters mit Maximalgeschwindigkeit werden zumeist durch steile Flanken begrenzt. Diese Flanken stellen die Beschleunigungen der Bewegungen des Roboters als Differenzial der Geschwindigkeit nach der Zeit dar. Hohe Beschleunigungen bewirken jedoch bei den Bewegungen des Roboters auch hohe Spitzenkräfte und Momente in den Lagern und Antriebseinheiten mit entsprechend hohem Leistungsbedarf der Stellmotoren und Verschleiß.
In einer ersten Optimierungsphase werden die Stillstandsphasen zwischen zwei Bewegungen des Roboters, welche nicht für Tätigkeiten wie Messen oder Schweißen benötigt werden, zumindest teilweise durch Bewegungsphasen ersetzt; somit werden die steilen Flanken an den Rändern der Bewegungsphasen teilweise geglättet. Dadurch werden die Beschleunigungen an den Rändern der Bewegungsphasen der Bewegung des Roboters vermindert, wodurch auch die hohen Spitzenkräfte und Drehmomente in den Lagern und Antriebseinheiten mit entsprechend hohem Leistungsbedarf der Stellmotoren und entsprechendem Verschleiß herabgesetzt werden. Vorteilhaft werden die Bewegungen des Roboters werden somit gleichmäßiger auf die gesamte Taktzeit verteilt.
In einer weiteren vorteilhaften Optimierungsphase wird das Bahnprofil in jedem Fertigungstakt nach der zur Verfügung stehenden Taktzeit neu berechnet. Dabei wird aufgrund der vorhandenen Daten wie aktuelle Taktzeit, Entfernung der Messpunkte voneinander sowie benötigte Messzeiten an den einzelnen Messpunkten ein energieoptimiertes Bahnprofil mit den optimalen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen berechnet. Hierzu wird die maximale Beschleunigung und das Abbremsen, sowie die maximale Geschwindigkeit der einzelnen Achsen so berechnet, das die Aufgabe in der zur Verfügung stehenden Taktzeit mit dem geringstmöglichen Energiebedarf erfüllt werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Methode die Energiemaxima zu senken besteht darin, das Beschleunigen und Bremsen der einzelnen Roboterachsen zeitlich so zu steuern, dass Energiespitzen reduziert werden. Der Vorteil besteht darin, dass für den Betrieb notwendige Energieverteil- und Erzeugungseinrichtungen, wie bspw. das Werkshallennetz und das Kraftwerk in der Summe für einen geringeren Spitzenbedarf ausgelegt werden können.
Bisher werden bei einem Roboter üblicherweise alle Achsen gleichzeitig beschleunigt und gebremst, mit der Folge dass es durch die Addition der Energiespitzen beim Anfahren der einzelnen Achsen zu einem kurzzeitig hohen Energiebedarf des Roboters kommt. Dieser Effekt summiert sich zusätzlich, wenn z. B. alle Roboter einer Fertigungslinie zeitnah mit ihren Aufgaben beginnen.
Erfindungsgemäß werden die Bewegungsaktionen der Achsen zeitlich leicht versetzt. So beschleunigt z. B. die Achse 1 zuerst, erst kurz danach beginnt die Achse 2 mit ihrer Bewegung und zeitlich gestaffelt dann die verbleibenden Achsen, so dass sich die benötigten Energiemaxima beim Anfahren der Achsen nicht addieren, sondern über einen längeren Zeitraum verteilen.
Bewegungsabläufe sind in folgenden Diagrammen dargestellt. Dabei zeigen:
1 einen herkömmlichen Bewegungsablauf eines Roboters
2 einen optimierten Bewegungsablauf eines Roboters
3 Energiebedarfsspitze bei gleichzeitigem Beschleunigen aller Achsen
4 Verteiltes Energiemaxima bei gestaffelten Beschleunigen aller Achsen
1 stellt den beispielhaften herkömmlichen Ausschnitt aus einem Bewegungsablauf eines Roboters graphisch über einen Fertigungstakt dar. Auf der Abszisse ist die Zeit über den Bewegungsablauf aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Geschwindigkeit einer Bewegung eines Roboters aufgetragen. In einem Zeitabschnitt von t1 bis t2 wird die Bewegung des Roboters von Stillstand V0 auf der Maximalgeschwindigkeit Vmax beschleunigt. In einem darauffolgenden Zeitabschnitt von t2 bis t3 bleibt die Geschwindigkeit des Roboters konstant. Im nun folgenden Zeitabschnitt von t3 bis t4 bremst der Roboter wieder von Maximalgeschwindigkeit Vmax auf eine niedrigere Geschwindigkeit ab z. B. einem Vorhaltepunkt im Zeitabschnitt t4. Auffällig sind die steilen Flanken von t1 bis t2 sowie wiederum von t3 bis t4 an den Rändern der Bewegungsphase.
2 stellt einen vergleichbaren Ausschnitt aus einem optimierten Bewegungsablauf eines Roboters graphisch über einen Fertigungstakt dar.
Hier sind Beschleunigung und maximale Geschwindigkeit so begrenzt, das bei geringem Mehrbedarf an Taktzeit deutlich weniger Energie für die gleiche Aufgabe benötigt wird. Steht wenig Taktzeit zur Verfügung, kann jederzeit wieder ein Verhalten wie in 1 gefahren werden.
3 zeigt eine Energiebedarfsspitze bei nahezu gleichzeitigem Beschleunigen aller Achsen eines Roboters. Es werden alle Achsen nahezu gleichzeitig beschleunigt und gebremst, mit der Folge dass es durch die Addition der Energiespitzen beim Anfahren der einzelnen Achsen zu einem kurzzeitig hohen Energiebedarf des Roboters kommt.
4 zeigt ein verteiltes Energiemaxima bei gestaffelten Beschleunigen der verschiedenen Achsen eines Roboters. Hierbei werden die Bewegungsaktionen der Achsen zeitlich leicht versetzt. Somit beschleunigt z. B. die Achse 1 zuerst, erst kurz danach beginnt die Achse 2 mit ihrer Bewegung und zeitlich gestaffelt dann die verbleibenden Achsen, so dass sich die benötigten Energiemaxima beim Anfahren der Achsen nicht addieren, sondern über einen längeren Zeitraum verteilen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008014789 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters über eine Taktzeit dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Bewegungen des Roboters über die Taktzeit auf die nicht durch Aufgaben belegten Standzeiten vor, zwischen und nach den herkömmlichen Bewegungen des Roboters verteilt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der vorhandenen Daten wie aktuelle Taktzeit, Entfernung der Messpunkte voneinander sowie benötigte Messzeiten an den einzelnen Messpunkten ein energieoptimiertes Bahnprofil mit den optimalen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen berechnet wird.
Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters mit mehreren Achsen über eine Taktzeit dadurch gekennzeichnet, dass das Anfahren der verschiedenen Achsen eines Roboters mit einer zeitlichen Staffelung ausgeführt wird.