DE102012222728B4

DE102012222728B4 - Robotersteuerung bei einem nothaltereignis

Info

Publication number: DE102012222728B4
Application number: DE102012222728.8A
Authority: DE
Inventors: Jianying Shi; David Groll; Peter W. Tavora
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: DE102012222728A1; US8738180B2; CN103157991A; US20130158709A1; CN103157991B

Abstract

System zur Verwendung in einer Arbeitszelle (10), das einen Träger (14) aufweist, der ein Produkt (16, 116) entlang einer Montagelinie bewegt, wobei das System umfasst: einen Montageroboter (30) mit einem Roboterarm, einer Plattform (26), die den Roboterarm transportiert, und einem Motor (33) zum Bewegen der Plattform (26); einen Verfolgungssensor (25), der relativ zum Träger (14) positioniert ist und der eine sich verändernde Position des Trägers (14) erfasst und die sich verändernde Position als Positionssignal (45) codiert; und einen Controller (50) in Verbindung mit dem Montageroboter (30) und dem Verfolgungssensor (25); wobei der Controller (50) ausgestaltet ist, um: das Positionssignal (45) vom Verfolgungssensor (25) zu empfangen; einen Verzögerungswert (Δx) des Montageroboters (30) mit Bezug auf den Träger (14) als Funktion des Positionssignals (45) zu berechnen; ein angefordertes Nothaltereignis (E-Stopp-Ereignis) des Montageroboters (30) zu detektieren, wenn der Arm und das Produkt (16, 116) in gegenseitigem Kontakt stehen; und ein bestimmtes Geschwindigkeitssignal an den Motor (33) nur dann zu übertragen, wenn der berechnete Verzögerungswert (Δx) der Verfolgungsposition über einem abgestimmten Schwellenwert liegt, wobei das Geschwindigkeitssignal bewirkt, dass eine abgestimmte Verzögerung der Plattform (26) auftritt, welche Kontaktkräfte zwischen dem Roboterarm und dem Produkt (16, 116) während des Nothaltereignisses minimiert; dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (50) ein Modellierungsmodul (58) enthält, das Kräfte an dem Produkt (16, 116) während des Nothaltereignisses modelliert und das Kontaktkräfte an dem Produkt (16, 116) während des modellierten Nothaltereignisses schätzt, und wobei der Controller (50) ausgestaltet ist, um Parameter des Geschwindigkeitssignals unter Verwendung der geschätzten Kontaktkräfte zu bestimmen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Steuerung eines Roboters während eines Nothaltereignisses (E-Stopp-Ereignisses) bei einer sich bewegenden Robotermontagelinie.
HINTERGRUND
Die Bewegung eines Arbeitsprodukts durch verschiedene Montagestationen oder Arbeitszellen hat zu dramatischen Verbesserungen bei der Produktionsausbeute und Produktionseffizienz geführt. Einige roboterunterstützte Montagelinien befördern ein Produkt an die verschiedenen Arbeitszellen über einen an der Decke montierten Träger oder einen Unterbodenträger und halten das Produkt dann an einer speziellen Zelle an. Roboter können zugewiesene Arbeitsaufgaben durchführen, bevor die Linie neu gestartet wird. Bei anderen Montagelinienkonfigurationen kann der Roboter der Bewegung der Montagelinie folgen und automatisierte Aufgaben an dem sich bewegenden Produkt durchführen.
Die synchronisierte Bewegung einer sich bewegenden Montagelinie stellt einzigartige Steuerungsaufgaben bereit. Beispielsweise muss die Bewegung des Roboters mit der Bewegung der Montagelinie in ausreichender Weise koordiniert werden, z. B. mit einem speziellen Träger, der das Werkstück an die verschiedenen Stationen oder Zellen in der Anlage transportiert. Sobald zwischen dem Roboter und dem Werkstück eine korrekte Ausrichtung erreicht ist, und sobald die Robotermontageaufgabe beginnt, stehen der Roboter und das zu montierende Werkstück in gegenseitigem Kontakt. In dieser Kontaktphase der Steuerung wird die Bewegung des Roboters als Funktion der Kontaktkräfte zwischen dem Ende eines Arms/Greiforgans des Roboters und dem Produkt gesteuert.
Sich bewegende Robotermontagelinien sind außerdem mit einer großen Menge von Sicherheitsvorrichtungen ausgestattet, etwa Druckmatten, Türen, Lichtvorhängen bzw. Lichtschranken, manuellen Stopptasten und anderen Nothaltvorrichtungen (E-Stopp-Vorrichtungen). Das Auslösen eines Nothaltereignisses stoppt den Roboter typischerweise unmittelbar. Wenn ein Nothaltereignis jedoch während der Kontaktphase der Steuerung auftritt, kann die Unterbrechung der synchronisierten Bewegung zwischen dem Roboter und dem Produkt abrupt sein. In einigen Fällen kann diese Unterbrechung zu einer Kollision zwischen dem Greiforgan und dem Produkt und als Folge zu einer ungewünschten, wenn auch transienten, Aufprallkraft an dem Produkt und dem Robotergreiforgan führen.
Die Druckschrift DE 10 2007 045 143 A1 offenbart ein System zur Verwendung in einer Arbeitszelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird hier ein System zum Minimieren und Bewerten von Kontaktkräften auf ein Produkt in einer Anlage offenbart, speziell während eines Nothaltereignisses (E-Stopp-Ereignisses) in der Kontaktphase der Robotersteuerung. Während der Kontaktphase der Montage weist ein Montageroboter ein Ende eines Armwerkzeugs/Greiforgans in gegenseitigem Kontakt mit dem Produkt auf einem Träger auf. Der Träger bewegt das Produkt wie vorstehend erwähnt durch die Anlage, z. B. ist das Produkt auf dem Träger derart positioniert, dass Trägerstifte auf passende Löcher oder andere Merkmale des Produkts ausgerichtet sind. Wenn ein Nothaltereignis aktiv ist, wird der Montageroboter auf eine spezielle Weise gesteuert, wie hier offenbart ist, um Kontaktkräfte zu minimieren, die auf das Produkt einwirken.
Insbesondere wird ein System zur Verwendung in einer Arbeitszelle mit einem Träger, der ein Produkt entlang einer Montagelinie bewegt, offenbart. Das System umfasst einen Montageroboter, einen Verfolgungssensor und einen Controller. Der Montageroboter weist einen Roboterarm und eine bewegliche Plattform auf. Der Roboterarm bewegt sich mit Hilfe eines Motors auf der Plattform neben dem Träger. Der Sensor erfasst eine sich verändernde Position des Trägers und codiert die sich verändernde Position als Positionssignal. Der Controller steht in Verbindung mit dem Montageroboter und dem Verfolgungssensor und empfängt folglich das Positionssignal vom Verfolgungssensor.
Der Controller berechnet dann einen Verzögerungswert des Montageroboters mit Bezug auf den Träger, wobei er dies als Funktion des Positionssignals erledigt. Der Controller detektiert außerdem einen angeforderten Nothalt des Montageroboters, wenn der Roboterarm und das Produkt in gegenseitigem Kontakt stehen, und überträgt ein bestimmtes Geschwindigkeitssignal an den Motor. Auf den Empfang des Geschwindigkeitssignals hin verzögert der Motor die Plattform mit einer abgestimmten Rate, während der Träger gestoppt wird. Dies findet nur statt, wenn der berechnete Verzögerungswert der Verfolgungsposition über einem abgestimmten Schwellenwert liegt. Der Controller enthält ferner ein Modellierungsmodul, welches Kontaktkräfte für verschiedene Szenarien schätzt und dann die Auswirkungen dieser Kräfte auf das Produkt bewertet.
Es wird auch ein Verfahren zur Verwendung in der Arbeitszelle offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Roboterarm eines Montageroboters auf einer beweglichen Plattform bewegt wird, die neben dem Träger positioniert ist, und dass eine sich verändernde Position des Trägers unter Verwendung eines Verfolgungssensors erfasst wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass die sich verändernde Position als Positionssignal codiert wird, das Positionssignal an einen Controller übertragen wird und ein Verzögerungswert des Montageroboters über den Controller mit Bezug auf den Träger als Funktion des Positionssignals berechnet wird. Außerdem umfasst das Verfahren, dass ein angeforderter Nothalt des Montageroboters detektiert wird, wenn der Arm und das Produkt in gegenseitigem Kontakt stehen, und dass ein bestimmtes Geschwindigkeitssignal vom Controller an den Montageroboter nur übertragen wird, wenn der berechnete Verzögerungswert der Verfolgungsposition über einem abgestimmten Schwellenwert liegt. Das Geschwindigkeitssignal verursacht, dass eine abgestimmte Verlangsamung der Plattform stattfindet.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Arbeitszelle, die einen Controller aufweist, der Kontaktkräfte zwischen einem Roboter und einem Produkt während eines Nothaltereignisses (E-Stopp-Ereignisses) minimiert.
2 ist eine Aufzeichnung über die Zeit von beispielhaften Kontaktreaktionskräften während eines Nothaltereignisses.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zur Behandlung eines Nothaltereignisses in der Arbeitszelle von 1 beschreibt.
4 ist eine beispielhafte Radnabe, die gleichmäßig verteilte Kontaktkräfte zeigt.
5 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, die gewünschte statische Gleichgewichtsbedingungen mit Bezug auf einen Fahrzeugträger beschreibt.
6 ist eine schematische Darstellung einer potentiellen Karosseriebewegung des in 4 gezeigten Fahrzeugs.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den mehreren Figuren entsprechen und mit 1 beginnend, enthält eine Arbeitszelle 10 ein Förderband 12. Über einen Träger 14 wird ein Produkt 16 durch die Arbeitszelle 10 in Richtung des Pfeils 18 transportiert. Während einer Kontaktphase der Montage wird das Produkt 16 von einem Montageroboter 30 bearbeitet. Wie vorstehend erwähnt wurde, bezeichnet die Kontaktphase die spezielle Steuerungsphase, bei der die Bewegung des Roboters 30 als Funktion von Kontaktkräften zwischen einem Ende eines Armwerkzeugs/Greiforgans 31 des Roboters 30 und dem Produkt 16 gesteuert wird.
Eine Plattform 26 fährt neben dem Förderband 12 her, z. B. auf Schienen 32, die entlang, über, unter oder auf andere Weise neben dem Förderband 12 verlaufen. Die Schienen 32 können im Wesentlichen parallel zum Förderband 12 verlaufen. Obwohl sie der Einfachheit halber weggelassen wurden, können im Wesentlichen identische Schienen 32 an der anderen Seite des Förderbands 12 angeordnet sein, um ähnliche Arbeitsaufgaben an der gegenüber liegenden Seite des Produkts 16 durchzuführen. Die Schienen 32 können einen Motor 33 umfassen, der mit den Schienen 32 in Eingriff steht, oder einen beliebigen anderen geeigneten Antriebsmechanismus, der bewirkt, dass sich die Plattform 26 entlang der Schienen 32 in die Richtungen verschiebt, die durch den Pfeil 28 mit zwei Spitzen angezeigt sind. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Plattform 26 auf einem autonomen Fahrzeug mit oder ohne Verbindung zu den Schienen 32 mitgeführt werden.
Die Struktur des Förderbands 12 und der Schienen 32 kann mit der speziellen Ausführungsform und der beabsichtigten Verwendung variieren. Zum Beispiel können das Förderband 12 und/oder die Schienen 32 als eine am Boden oder an der Decke montierte Schiene, Führung, Führungsnut, oder eine beliebige andere Struktur ausgestaltet sein, welche den Träger 14 und die Plattform 26 in einer gesteuerten Weise in Richtung des Pfeils 18 führt. Die Arbeitszelle 10 weist eine Länge auf, die durch jeweilige Start/Stopp-Begrenzungen 20, 22 definiert ist. Folglich tritt der Träger 14 effektiv in die Arbeitszelle 10 ein, wenn er die Begrenzung 20 überquert, und er verlässt die Arbeitszelle 10, wenn er die Begrenzung 22 überquert.
Ein Nothaltereignis (E-Stopp-Ereignis) kann von einer Nothaltvorrichtung 40 zu einem beliebigen Zeitpunkt ausgelöst werden, einschließlich während der Kontaktphase in der Arbeitszelle 10. Während der Kontaktphase auftretende Nothaltereignisse können erhebliche Impulskontaktkräfte auf das Produkt 16 aufbringen. Diese Kontaktkräfte entstehen zu einem großen Teil aufgrund der abrupt unterbrochenen synchronisierten Bewegung zwischen dem Träger 14 und der Plattform 26. Mit anderen Worten werden alle physikalisch in Eingriff stehenden Komponenten des Roboters 30 und des Produkts 16 in dem Moment, in dem ein Nothaltereignis ausgelöst wird, tendenziell gegeneinander arbeiten und somit bewirken, dass eine potentiell große Reaktionskontaktkraft an ihren in Eingriff stehenden Flächen auftritt.
Kurz mit Bezug auf 2 beschreibt eine Kurve 46 mögliche Impuls/Reaktionskontaktkräfte während eines beispielhaften Nothaltereignisses, wobei die Zeit (t) auf der horizontalen Achse aufgetragen ist und die Aufprallkraft auf der vertikalen Achse aufgetragen ist. Von t = 0 bis t = 5 ist ein Nennkraftniveau zwischen dem Greiforgan 31 und dem Produkt 16, die in 1 gezeigt sind, vorhanden, zum Beispiel eine zum Halten des Greiforgans 31 in Kontakt mit einer Radmutter an einem Fahrzeugreifen benötigte Kraft. Ein bei t = 5 auftretendes Nothaltereignis stoppt den bzw. die Montageroboter 30 und/oder das Förderband 12 von 1 auf abrupte Weise, was somit zu einem Nadelimpuls 48 mit einer Spitze etwa bei Punkt 49 resultiert. In einigen Fällen kann die Spitze das Zehnfache eines Nennkraftniveaus betragen. Ein derartiger Nadelimpuls kann bewirken, dass das Produkt 16 von 1 auf dem Träger 14 instabil wird und/oder er kann einen Teil des Produkts 16 beschädigen, etwa das Gewinde einer Radmutter, um beim vorherigen Beispiel zu bleiben.
Wieder mit Bezug auf 1 wird daher ein Controller 50 in der Arbeitszelle 10 verwendet, um die Spitzenaufprallkraft während eines Nothaltereignisses in der Kontaktphase der Steuerung zu reduzieren. Der Controller 50 steht in Verbindung mit dem Montageroboter 30 und ist ausgestaltet, um Anweisungen auszuführen, die ein Steuerverfahren 100 ausführen. Ein beispielhaftes Verfahren 100 ist in 3 gezeigt und wird nachstehend beschrieben. Die Ausführung des vorliegenden Verfahrens 100 steuert die Bewegung der Plattform 26 während eines detektierten Nothaltereignisses auf eine spezielle Weise, um dadurch die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des Produkts 16 sowie des Roboters 30 zu minimieren.
Der Controller 50 kann als Trägermaschine oder als Server mit einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 52 und Speicher 54 ausgestaltet sein, wobei der letztere einen konkreten/nicht vorübergehenden Speicher enthalten kann, in dem die Anweisungen aufgezeichnet sind, die das vorliegende Verfahren 100 verkörpern. Der Speicher 54 kann beispielsweise einen magnetischen Festwertspeicher (ROM), einen elektrischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Flashspeicher usw. umfassen. Der Controller 50 kann außerdem Schaltungen enthalten, die einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, Analog/Digital-Schaltungen (A/D-Schaltungen), Digital/Analog-Schaltungen (D/A-Schaltungen), einen digitalen Signalprozessor, und beliebige notwendige Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen (I/O-Vorrichtungen) und andere Signalaufbereitungs- und/oder Pufferschaltungen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Der Controller 50 kann einen Empfänger 55 in elektrischer/Signal-Verbindung mit einem Verfolgungssensor 25 enthalten.
Der Controller 50 enthält erfindungsgemäß ein Modellierungsmodul 58, welches Kontaktkräfte für verschiedene Szenarien schätzt und dann die Auswirkungen dieser Kräfte auf das Produkt 16 bewertet. Zum Beispiel kann das Modellierungsmodul 58 unter Verwendung der geschätzten Kontaktkräfte die Auswirkung auf ein statisches Gleichgewicht des Produkts 16 von 1 mit Bezug auf den Träger 14 modellieren und/oder es kann die Auswirkung auf eine Drehung des Produkts 16 mit Bezug auf den Träger 14 unter Verwendung der geschätzten Kontaktkräfte modellieren. Auf ähnliche Weise kann das Modellierungsmodul 58 verwendet werden, um die Auswirkungen eines beliebigen Kontakts mit dem Produkt 16 auf die strukturelle Integrität des Produkts 16 zu modellieren. Beispielhafte Bewertungen, die durch das Modellierungsmodul 58 oder offline durchgeführt werden, sind nachstehend mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben.
Der Verfolgungssensor 25 kann relativ zum Förderband 12 positioniert sein. Ein derartiger Verfolgungssensor 25 erfasst die sich verändernde Position des Trägers 14 und des Produkts 16. Der Sensor 25 kann eine elektrooptische Vorrichtung wie etwa eine Kamera sein, obwohl andere Sensorausführungsformen verwendet werden können, ohne den beabsichtigten erfinderischen Umfang zu verlassen. Der Sensor 25 kodiert die erfasste Position als Positionssignal (Pfeil 45) und überträgt das erfasste Positionssignal (Pfeil 45) an den Controller 50. Somit ist der Controller 50 in der Lage, die sich verändernde Position des Trägers 14 in der Zelle 10 und damit dessen Geschwindigkeit zu bestimmen, indem die Positionssignale (Pfeil 45) verarbeitet werden, die vom Sensor 25 erhalten werden.
Der Controller 50 steht außerdem in Verbindung mit der Nothaltvorrichtung 40. Die Nothaltvorrichtung 40 kann ein E-Stopp-Taster bzw. Notaustaster, ein Lichtvorhang bzw. eine Lichtschranke, eine Druckmatte, eine Tür oder eine beliebige andere Vorrichtung sein, die manuell oder automatisch signalisiert, dass der Roboter 30 schnell stoppen soll. Andere Bedingungen können ein Nothaltereignis auslösen, zum Beispiel die detektierte Anwesenheit eines Objekts auf dem Weg des Bands 12 und/oder der Schiene 32. Unabhängig davon, wie das Nothaltereignis ausgelöst wird, überträgt die Nothaltvorrichtung 40 ein Nothaltsignal (Pfeil 42) an den Controller 50. Das Nothaltsignal (Pfeil 42) und das Positionssignal (Pfeil 45) werden vom Empfänger 55 empfangen und von der CPU 52 während einer Ausführung des Verfahrens 100 verarbeitet. Dann werden Steuerungssignale (Pfeil 44) vom Controller 50 an den Motor 33 oder ein anderes Stellglied übertragen, um die Geschwindigkeit und Verzögerung der Plattform 26 auf die Weise zu steuern, die nachstehend offengelegt wird.
Mit Bezug auf 3 wird ein beispielhaftes Verfahren 100 mit Bezugnahme auf die vorstehend mit Bezug auf 1 beschriebene Struktur beschrieben. Bei Schritt 102 beginnend empfängt und verarbeitet der Controller 50 die Positionssignale (Pfeil 45), die vom Verfolgungssensor 25 übertragen werden, und zeichnet dann die Werte, die durch die Positionssignale (Pfeil 45) übermittelt werden, im Speicher 54 auf. Nach dem Aufzeichnen der Werte aus den Positionssignalen (Pfeil 45) geht das Verfahren 100 zu Schritt 104 weiter.
Bei Schritt 104 berechnet der Controller 50 eine gegenwärtige Bandgeschwindigkeit (V) und deren gleitenden Mittelwert (V_a) des Trägers 14 über ein kalibriertes Intervall. Dann geht das Verfahren 100 zu Schritt 106 weiter.
Bei Schritt 106 berechnet der Controller 50 als nächstes die zur Geschwindigkeitsteuerung des Motors 33 benötigten Steuerungssignale (Pfeil 44), wobei diese Geschwindigkeitsteuerung eine im Wesentlichen synchronisierte Bewegung der Plattform 26 und des Förderbands 12 erzeugt. Insbesondere umfasst Schritt 106, dass über die Steuerungssignale (Pfeil 44) ein Geschwindigkeitsbefehl an den Motor 33 übertragen wird, der bewirkt, dass sich die Plattform 26 mit der berechneten gleitenden Durchschnittsgeschwindigkeit (V_a) des Bands bewegt, die bei Schritt 104 bestimmt wurde. Dies trägt zum Glätten der Bewegung der Plattform 26 bei, ohne eine signifikante Positionsverzögerung beim nachstehenden Schritt 108 zu bewirken.
Bei Schritt 108 berechnet der Controller 50 von 1 einen gegenwärtigen Verfolgungspositionsverzögerungswert (Δx) für jede Steuerungsschleife, z. B. einmal alle 2 ms, unter Verwendung von: Δx = ∫(V – V_a)dt
Bei Schritt 110 stellt der Controller 50 fest, ob ein Satz von Bedingungen erfüllt ist. Insbesondere prüft der Controller 50, ob ein Nothaltereignis aktiv ist, was aus dem Empfang eines Nothaltsignals (Pfeil 42) bekannt ist, und ob der gegenwärtige Verfolgungspositionsverzögerungswert (Δx) einen kalibrierten Verzögerungsschwellenwert überschreitet. Der Controller 50 geht zu Schritt 111 nur weiter, wenn beide Bedingungen erfüllt sind. Andernfalls geht der Controller 50 zu Schritt 112 weiter.
Bei Schritt 111 kann der Controller 50 den linearen Schienenmotor 33 mit einem kalibrierten Bandgeschwindigkeitsprofil steuern. Diese Geschwindigkeit legt ein vorbestimmtes Verzögerungsprofil an den Motor 33 an. Das kalibrierte Bandgeschwindigkeitsprofil kann experimentell bestimmt worden sein und im Speicher 54 des Controllers 50 aufgezeichnet sein. Das Geschwindigkeitsprofil kann mit Unterstützung durch beliebige geeignete Mittel ausgeführt werden, etwa einem elektromagnetischen, Drehmoment- und/oder Reibungsbremsen. Alternativ kann Antriebsleistung an den Motor 33 unterbrochen werden, etwa indem ein Leistungsschalter ausgelöst wird, um die Leistungszufuhr an denen Schienenmotor 33 zu unterbrechen, wodurch veranlasst wird, dass sich die Plattform 26 in ihrem natürlichen Zustand ohne Bremsen verzögert. Das Nothaltsignal (Pfeil 42) wird dann an den Träger 14 übertragen. Das Verfahren 100 geht zu Schritt 112 weiter.
Bei Schritt 112 berechnet der Controller 50 eine gegenwärtige Geschwindigkeitsjustierung J^–1Δx für jede Steuerungsschleife für das Greiforgan 31. Wie in der Technik verstanden wird, ist J^–1 die inverse Jacobi-Matrix, die eine Funktion der verschiedenen mechanischen Glieder und Gelenkwinkel des Roboters 30 ist. Dieser Wert wird als Teil der Steuerungssignale (Pfeil 44) übertragen.
Das vorliegende Verfahren 100 soll in Verbindung mit einem leistungsfähigen Bewertungsprozess verwendet werden, um die maximal zulässigen Kontaktkräfte für das spezielle Produkt, das montiert wird, zu bestimmen. Da die Größe, die Materialien und die Masse des Produkts 16 von 1 je nach Konstruktion zusammen mit den speziellen Mitteln zum Befördern des Produkts 16 durch die Arbeitszelle 10 variieren können, kann eine korrekte Bewertung der Effekte von Kontaktkräften dazu beitragen, die Konstruktion des Produkts 16 sowie die Weise, auf die das Produkt 16 durch die Arbeitszelle 10 bewegt und von dem Montageroboter 30 bearbeitet wird, zu verbessern.
In 4 ist eine beispielhafte Nabe 60 gezeigt, um einige mögliche Bewertungsschritte zur Verwendung mit dem Verfahren 100 darzustellen. Die Nabe 60 kann ein Teil eines Rads für ein Fahrzeug sein oder eine beliebige andere Nabe mit einem Nabenflansch 62, der einen Löchersatz 64 definiert. Bei der Installation werden Gewindeschrauben 66 in die Löcher 64 geschraubt. Ein Nothaltereignis, das auftritt, wenn sich das Greiforgan 31 von 1 in Kontakt mit Material der Nabe 60 befindet, kann eine erhebliche Kontaktkraft erzeugen. Abhängig von der Verteilung der Löcher 64 mit Bezug auf einen Mittelpunkt 63 der Nabe 60 kann die Kontaktkraft (Pfeil 68) auf die verschiedenen Löcher 64 und schließlich auch die Gewindeschrauben 66, die in jedem der Löcher 64 enthalten sind, gleichmäßig (Pfeile 69) oder ungleichmäßig verteilt sein.
Die individuelle Kontaktkraft an jedem unabhängigen Kontaktpunkt kann schwer zu erfassen sein. Die summierte Energie (6) kann jedoch experimentell gemessen werden und die Kontaktkräfte können anschließend für jede Kontaktfläche geschätzt werden, indem eine gleichmäßige Verteilung angenommen wird. Bei einer gleichmäßigen Verteilung kann die summierte Energie (δ) angenähert werden als:
Die individuellen Kräfte können dann nach Bedarf analysiert werden, zum Beispiel mit Bezug auf eine Kraftverteilung in einem gegebenen Loch 64 und auf die Auswirkungen dieser Kraft auf das spezielle Gewindemuster einer (nicht gezeigten) darin enthaltenen Schraube.
Zum Beispiel kann bewertet werden, ob der Gewindebolzen nach dem Aufprall plastisch verformt ist, d. h. der Bolzen eine globale permanente strukturelle Veränderung erlitten hat oder ob die Gewindeoberfläche lokal deformiert worden ist, d. h. eine lokale permanente Strukturveränderung. Für die anfängliche Bewertung kann die Schätzung vereinfacht werden, indem angenommen wird, dass der Bolzen ein massiver Zylinder ist, der an der Nabe 60 starr befestigt ist. Bei einer nachfolgenden Bewertung können detaillierte Kontaktbereiche zwischen dem Gewinde und dem Loch 64 modelliert werden, z. B. unter Verwendung der Höhe des Lochs 64, der Anzahl der Gewindegänge in Kontakt mit dem Material, das das Loch 64 definiert. Eine Modellierung einer massiven mechanischen Struktur kann verwendet werden, etwa eine Analyse mit finiten Elementen, um eine Beurteilung so detailliert wie gewünscht durchzuführen.
Auch der Aufprall auf den Roboter 30 kann betrachtet werden. Bei der Roboteranordnung 30 werden Kontaktkräfte auf jedes Robotergelenk ein zusätzliches Drehmoment aufbringen. Die Auswirkung ist ähnlich wie eine Kollision zwischen dem Greiforgan 31 am Ende eines Roboterarms und der Umgebung, d. h. der Roboter 30 wird die lineare Geschwindigkeit des Greiforgans 31 am Kontaktpunkt abrupt verändern. Jedes Gelenk wird zusätzliche Kräfte aufgrund der externen Kollision erfahren, während die Gelenkservomotoren Nothaltdrehmomente aufbringen, um die Bewegung des Roboters 30 zu stoppen.
Aufgrund des Eingriffskontakts bei der Montage am Ende des Armwerkzeugs/Greiforgans 31 des Roboters wird jedes Robotergelenk ein zusätzliches Drehmoment aufgrund der externen Kollisionskraft wie folgt erfahren: AΔv →_r(t) = F →_r(t) (2) Δv → = JΔq →(t) (3) HΔq →(t) = τ'(t) (4) τ'(t) = HJ^TA^–1F_r(t) (5) wobei F →_r(t) die externe Impulskollisionskraft ist, die auf das Greiforgan 31 aufgebracht wird, Δv →(t) die abrupte lineare Geschwindigkeitsänderung am Greiforgan 31 ist, A eine symmetrische positiv-definite 6×6-Trägheitsmatrix im Aufgabenraum (Arbeitsraum) ist, J eine 6×n-Jacobi-Matrix ist, die eine Funktion mechanischer Roboterglieder und deren Struktur ist, Δq →(t) die abrupte Gelenkgeschwindigkeitsänderung aufgrund einer externen Impulskollisionskraft ist, H eine symmetrische positiv-definite verallgemeinerte n×n-Trägheitsmatrix ist und τ'(t) das zusätzliche Drehmoment zum Kompensieren der abrupten Gelenkbewegung ist.
Von den vorstehend aufgelisteten Gleichungen (2)–(5) ist Gleichung (2) die lineare Geschwindigkeitsänderung Δv →_r(t) des Greiforgans 31 unter der Impulsaufprallkraft F →_r(t) im Aufgabenraum (Arbeitsraum). Gleichung (3) ist die klassische Jacobi-Gleichung, die Gelenkgeschwindigkeit und Greiforgangeschwindigkeit miteinander in Beziehung setzt. Gleichung (4) ist das Impulsgelenkdrehmoment τ'(t), das die abrupte Gelenkgeschwindigkeitsänderung aufgrund des Aufpralls überwinden kann. Gleichung (5) sind die zusätzlichen Gelenkdrehmomente, die aufgebracht werden sollten, um der externen Impulsaufprallkraft am Greiforgan 31 zu widerstehen.
An der Roboterseite der Arbeitsstation 10 zeigt Gleichung (5), dass die zusätzlichen Gelenkdrehmomente von der Roboterpose sowie den Parametern der mechanischen Roboterglieder, die als die HJ^TA^–1-Matrix ausgedrückt sind, abhängen. Um die Auswirkung der Kollision mit der Umgebung auf die Gelenke des Roboters zu minimieren, sollte die Matrix minimiert werden. Dies bedeutet, dass einige Roboterposen oder Gelenkpositionen dem Aufprall besser widerstehen können als andere Posen. Bei einem Roboter mit sechs nicht redundanten Freiheitsgraden wird die Gelenkposition oft durch die Position des Produkts 16 gewählt, zum Beispiel einer Rad- und Reifenmontagestelle. Daher können keine anderen Robotergelenkpositionen gewählt werden, um den Kollisionsaufprall auf alle Gelenkmotoren zu minimieren.
Mit Bezug auf 5 sind statische Gleichgewichtsbedingungen für ein Beispielprodukt 116 in der Form eines Fahrzeugs schematisch dargestellt. Einige oder alle folgenden Bewertungen können über das Modellierungsmodul 58 von 1 durchgeführt werden. Die Auswirkung einer externen Kraft auf die Karosserie 60 auf dem Träger 14 hängt von drei Hauptfaktoren ab: den Gesamtdimensionen des Fahrzeugs und der Stelle der Radbasis, dem Gewicht und der Gewichtsverteilung des Fahrzeugs, und den Mechanismen, die verwendet werden, um das Fahrzeug auf dem Träger 14 anzuordnen und zu befestigen. Typischerweise werden Trägerstifte 72 verwendet, um die Karosserie 60 sicher entlang des sich bewegenden Bandes 12 von 1 zu befördern. Löcher oder Strukturen am Produkt 16 sind auf Trägerstifte 72 am Träger 14 ausgerichtet. Bei einer speziellen Ausführungsform können mehr oder weniger Trägerstifte 72 verwendet werden.
Löcher (nicht gezeigt), welche die zwei vorderen Trägerstifte 72 aufnehmen, werden die Impulskraft aufgrund der externen Kollision mit dem Greiforgan 31 bei einer Radanordnung 70 von 4 während eines beispielhaften Nothaltereignisses aushalten. Wenn die Karosserie 60 wie ein starrer Körper behandelt wird, müssen die Kräfte und Drehmomente auf statische Weise ausgeglichen werden, damit die Karosserie eine stabile Position auf dem Träger 14 beibehält. Dies ist die statische Gleichgewichtsbedingung, damit die Karosserie 60 bei der ursprünglichen Halteposition bleibt, die in 5 gezeigt ist.
Kräfte und Drehmomente können wie folgt ausgeglichen werden:
wobei F →_vb(t) die externe Impulskollisionskraft mit dem Greiforgan 31 an der Radmontagestelle ist; F →_p1(t) die interne Impulsreaktionskraft an der Stelle p1 in 5 ist; F →_p2(t) die interne Impulsreaktionskraft an der Stelle pin2 ist; L_{w_p1} die Distanz vom Roboter 30 (siehe 1) zu der Stelle p1 des ersten Stifts in der X-Richtung der Karosserie 60 ist; W_{w_p1} die Distanz vom Roboter 30 zu der Stelle p1 des ersten Stifts entlang der Y-Richtung der Karosserie ist; H_{w_p1} die Distanz vom Roboter 30 zu der Stelle p1 des ersten Stifts in die Z-Richtung der Karosserie 60 ist (d. h. die vertikale Achse der Karosserie 60 rechtwinklig zu den X- und Y-Achsen, die in 5 und 6 gezeigt sind); und W_P die Distanz zwischen den zwei vorderen Trägerstiften 72 entlang der Y-Richtung der Karosserie 60 ist.
Unter der Annahme, dass beide vorderen Trägerstifte 72 Spitzenkontaktkräfte ohne Beschädigung der dazu passenden Löcherstrukturen aushalten können, ist das Gleichgewicht der Fahrzeugkarosserie stabil, wenn sich die Höhe der Radanordnung 70 auf der gleichen Höhe wie die Stifte 72 befindet, d. h. H_{w_p1} = 0. Es besteht kein Risiko, dass das Produkt 116 gekippt oder umgeworfen wird, wenn sich alle Kräfte auf einer einzigen horizontalen Ebene befinden. Wenn H_{w_p1} > 0, d. h. die Kontakthöhe die Höhe des Gelenkstifts überschreitet, ist das Gleichgewicht immer noch stabil, wenn der Schwerpunkt des Produkts 116 höher als die Kontakthöhe der Anordnung ist. Daher veranschaulicht 5 die Art der Analyse, die von dem Modellierungsmodul 58 auf den Gleichgewichtszustand des Produkts 116 beim Bewerten der Effekte einer gegebenen Kontaktkraft angewendet werden kann, welche bei einer Ausführungsform wie vorstehend erwähnt von dem Modellierungsmodul 58 modelliert oder geschätzt werden können.
Mit Bezug auf 6 kann eine Bewegung der Fahrzeugkarosserie auch betrachtet werden, wenn einer der vorderen Trägerstifte 172 ein Drehpunkt ist, wie durch Pfeil 75 angezeigt ist. Die klassische Mechanik kann verwendet werden, speziell die Prinzipien der Erhaltung des Drehimpulses und des linearen Impulses. Die externe Impulskollisionskraft F →_vb(t) wird eine abrupte lineare Geschwindigkeitsveränderung sowie eine Drehbeschleunigung der Karosserie 116 mit Bezug auf den Trägerstift 172 verursachen. Diese abrupte Bewegung wird zu einer kleinen linearen Bewegung oder Drehung der starren Karosserie führen, um die Abmessungstoleranz zwischen dem Trägerstift und dem Unterbodenloch abzudecken, bis eine Bewegung durch die Ränder des Lochs begrenzt wird. Mit anderen Worten ist die Abmessungstoleranz der Raum für eine freie Bewegung für die Karosserie nach der Kollision, da sich das Fahrzeug ruckweise nach vorne bewegt und sich um einen vorderen Trägerstift 172 dreht.
Darüber hinaus liegt die Kollisionskraft in der gleichen Ebene wie die Trägerstifte 72, 172. Somit kann die Analyse auf ein ebenes Kollisionsproblem vereinfacht werden. Die Impulsdynamik wird den klassischen Gleichungen des Linear- und Drehimpulses für die Bewegung starrer Körper folgen, wie folgt:
Wobei F →_vb(t) die externe Impulskollisionskraft mit dem Greiforgan 31 an der Stelle der Radanordnung 70 ist, τ →_vb(t) die externe Impulskollisionskraft mit Bezug auf einen der vorderen Stifte ist, M die Masse der Fahrzeugkarosserie ist, Δv → die translatorische Geschwindigkeitsänderung der Karosserie 60 von der Anfangsgeschwindigkeit Null aus ist, I_pin das Trägheitsmoment der Karosserie 60 um den Trägerstift 172 ist und Δω → die Winkelgeschwindigkeitsveränderung der Karosserie 60 von der Anfangsgeschwindigkeit Null aus ist.
Somit kann eine gegebene Aufprallkraft hinsichtlich ihrer tatsächlichen Deformation und/oder Verschiebung einer gegebenen Komponente des Produkts 16 von 1, wie etwa der beispielhaften Radnabe 60 von 4, sowie hinsichtlich der Bewegung des Produkts mit Bezug auf den Träger 14 bewertet werden, wie vorstehend mit Bezug auf das Produkt 116 von 5 und 6 erläutert ist. Eine Steuerung der Verzögerung des Montageroboters 30 (1) in der Weise, die vorstehend im Detail offengelegt ist, kann zum Verringern der Spitzenaufprallkraft beitragen, wobei ein beispielhafter Verlauf derselben in 2 gezeigt ist, und somit zum Verringern der Fläche unter der Kurve, welche die Aufprallkraftimpulsspitze 48 definiert, wie in der gleichen Figur gezeigt ist.
Das erfindungsgemäße Modellierungsmodul 58 von 1 kann bei einigen Ausführungsformen verwendet werden, um beispielsweise das statische Gleichgewicht und/oder die Drehung des Produkts 16 und seiner Ausführungsformen mit Bezug auf den Träger 14 von 1 wie vorstehend erwähnt, unter Verwendung geschätzter und/oder gemessener Kontaktkräfte, der strukturellen Integrität des Produkts 16, wenn derartige Kontaktkräfte darauf einwirken, usw. zu bewerten. Bei einer derartigen Ausführungsform können die vorstehend mit Bezug auf 4 und 5 offengelegten verschiedenen Gleichungen unter Verwendung des Controllers 50 in Verbindung mit modellierten/geschätzten Kontaktkräften oder tatsächlichen/gemessenen Kontaktkräften gelöst werden. Insgesamt kann der vorliegende Ansatz zum Schutz des Produkts 16 und des Roboters 30 während eines Nothaltereignisses, das in der Kontaktphase der Montage auftritt, beitragen.

Claims

System zur Verwendung in einer Arbeitszelle (10), das einen Träger (14) aufweist, der ein Produkt (16, 116) entlang einer Montagelinie bewegt, wobei das System umfasst: einen Montageroboter (30) mit einem Roboterarm, einer Plattform (26), die den Roboterarm transportiert, und einem Motor (33) zum Bewegen der Plattform (26); einen Verfolgungssensor (25), der relativ zum Träger (14) positioniert ist und der eine sich verändernde Position des Trägers (14) erfasst und die sich verändernde Position als Positionssignal (45) codiert; und einen Controller (50) in Verbindung mit dem Montageroboter (30) und dem Verfolgungssensor (25); wobei der Controller (50) ausgestaltet ist, um: das Positionssignal (45) vom Verfolgungssensor (25) zu empfangen; einen Verzögerungswert (Δx) des Montageroboters (30) mit Bezug auf den Träger (14) als Funktion des Positionssignals (45) zu berechnen; ein angefordertes Nothaltereignis (E-Stopp-Ereignis) des Montageroboters (30) zu detektieren, wenn der Arm und das Produkt (16, 116) in gegenseitigem Kontakt stehen; und ein bestimmtes Geschwindigkeitssignal an den Motor (33) nur dann zu übertragen, wenn der berechnete Verzögerungswert (Δx) der Verfolgungsposition über einem abgestimmten Schwellenwert liegt, wobei das Geschwindigkeitssignal bewirkt, dass eine abgestimmte Verzögerung der Plattform (26) auftritt, welche Kontaktkräfte zwischen dem Roboterarm und dem Produkt (16, 116) während des Nothaltereignisses minimiert; dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (50) ein Modellierungsmodul (58) enthält, das Kräfte an dem Produkt (16, 116) während des Nothaltereignisses modelliert und das Kontaktkräfte an dem Produkt (16, 116) während des modellierten Nothaltereignisses schätzt, und wobei der Controller (50) ausgestaltet ist, um Parameter des Geschwindigkeitssignals unter Verwendung der geschätzten Kontaktkräfte zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, wobei der Motor (33) mit Bezug auf eine Schiene (32) neben der Montagelinie positioniert ist und wobei das Geschwindigkeitssignal ein abgestimmtes Bremsen des Schienenmotors (33) mit Bezug auf die Schiene (32) bewirkt.
System nach Anspruch 1, wobei der Verfolgungssensor (25) eine elektrooptische Verfolgungskamera (25) umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller (50) eine Durchschnittsgeschwindigkeit (V_a) des Förderbands (12) als Funktion des Positionssignals (45) berechnet und die Plattform (26) mit Hilfe des Motors (33) mit der berechneten Durchschnittsgeschwindigkeit (V_a) immer dann bewegt, wenn kein Nothaltereignis angefordert ist.
System nach Anspruch 4, wobei der Controller (50) einen augenblicklichen Geschwindigkeitsjustierungswert für ein Greiforgan (31) des Roboterarms berechnet, wenn das Nothaltereignis nicht angefordert ist, und den berechneten Geschwindigkeitsjustierungswert an das Greiforgan (31) überträgt, um eine abgestimmte Ausrichtung zwischen dem Greiforgan (31) und dem Produkt (16, 116) aufrechtzuerhalten.
System nach Anspruch 1, wobei das Modellierungsmodul (58) unter Verwendung der geschätzten Kontaktkräfte den Effekt auf ein statisches Gleichgewicht des Produkts (16, 116) mit Bezug auf den Träger (14) modelliert.
System nach Anspruch 1, wobei das Modellierungsmodul (58) unter Verwendung der geschätzten Kontaktkräfte den Effekt auf eine Drehung des Produkts (16, 116) mit Bezug auf einen Stift (72, 172) des Trägers (14) modelliert.
System nach Anspruch 1, wobei das Modellierungsmodul (58) unter Verwendung der geschätzten Kontaktkräfte den Effekt eines Kontakts mit dem Produkt (16, 116) auf die strukturelle Integrität modelliert.
System zur Verwendung in einer Arbeitszelle (10), das einen Träger (14) aufweist, der ein Produkt (16, 116) entlang einer Montagelinie bewegt, wobei das System umfasst: einen Montageroboter (30) mit einem Roboterarm, einer Plattform (26), die den Roboterarm transportiert, und einem Schienenmotor (33), der die Plattform (26) auf einer Schiene (32) neben der Montagelinie auf synchrone Weise mit Bezug auf eine Bewegung des Trägers (14) voranbewegt; eine elektrooptische Verfolgungskamera (25), die relativ zum Träger (14) positioniert ist, welche elektrooptische Bilder des Trägers (14) erzeugt, wenn der Träger (14) das Produkt (16, 116) bewegt; und einen Controller (50) in Verbindung mit dem Montageroboter (30) und der Kamera (25); wobei der Controller (50) ausgestaltet ist, um: ein Positionssignal (45) von der Verfolgungskamera (25) zu empfangen, das die sich verändernde Position des Trägers (14) beschreibt; eine Durchschnittsgeschwindigkeit (V_a) des Trägers (14) unter Verwendung des Positionssignals (45) zu berechnen; einen Verzögerungswert (Δx) der Plattform (26) mit Bezug auf den Träger (14) unter Verwendung des Positionssignals (45) zu berechnen; ein angefordertes Nothaltereignis (E-Stopp-Ereignis) des Trägers (14) zu detektieren, wenn der Arm und das Produkt (16, 116) im gegenseitigen Kontakt stehen; ein erstes bestimmtes Geschwindigkeitssignal an den Schienenmotor (33) nur dann zu übertragen, um zu veranlassen, dass eine abgestimmte Verlangsamung der Plattform (26) auftritt, wenn der berechnete Verzögerungswert (Δx) der Verfolgungsposition über einem abgestimmten Schwellenwert liegt, wodurch Kontaktkräfte zwischen dem Roboterarm und dem Produkt (16, 116) während des Nothaltereignisses minimiert werden; und ein zweites bestimmtes Geschwindigkeitssignal an den Schienenmotor (33) zu übertragen, um die Plattform (26) mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit (V_a) des Trägers (14) zu bewegen, wenn der berechnete Verzögerungswert (Δx) der Verfolgungsposition unter dem abgestimmten Schwellenwert liegt; wobei der Controller (50) ein Modellierungsmodul (58) enthält, das Kräfte an dem Produkt (16, 116) während des Nothaltereignisses modelliert und das Kontaktkräfte an dem Produkt (16, 116) während des modellierten Nothaltereignisses schätzt, und wobei der Controller (50) ausgestaltet ist, um Parameter des Geschwindigkeitssignals unter Verwendung der geschätzten Kontaktkräfte zu bestimmen.