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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Maschine, insbesondere eines Roboters, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik, insbesondere aus der Massenfertigung von Personenkraftwagen ist es bekannt, zur Realisierung von automatischen Prozessvorgängen, insbesondere Montagevorgängen, Maschinen mit wenigstens einer entlang einer Bewegungsbahn bewegbaren Komponente zu verwenden. Üblicherweise werden Roboter als Maschinen verwendet, wobei diese Roboter jeweils wenigstens einen entlang einer Bewegungsbahn bewegbaren Roboterarm als die Komponente umfassen.
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Üblicherweise werden sogenannte Mehrachs-Roboter verwendet, welche mehrere, relativ zueinander und entlang oder um mehrere Achsen bewegbare Roboterarme umfassen. Mittels solcher Maschinen können beispielsweise Bauteile von einem Aufnahmeort zu einem Montageort bewegt und beispielsweise an einem korrespondierenden, weiteren Bauteil montiert werden. Hierdurch ist beispielsweise eine zeit- und kostengünstige Fertigung von Kraftwagen realisierbar.
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Der
EP 1 600 833 A2 ist ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Maschine, insbesondere eines Roboters, als bekannt zu entnehmen. Bei diesem Verfahren wird wenigstens eine Referenzbewegung der Komponente entlang der Bewegungsbahn durchgeführt. Mit anderen Worten wird die Komponente im Zuge der Referenzbewegung entlang der Bewegungsbahn bewegt. Während dieser Referenzbewegung werden die Referenzbewegung charakterisierende Referenzwerte wenigstens einer Messgröße erfasst. Aus den erfassten Referenzwerten wird schließlich ein Toleranzbereich beziehungsweise ein Toleranzband ermittelt.
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Während des sich an die Referenzbewegung anschließenden Betriebs der Maschine, während welchem die Komponente entlang der Bewegungsbahn bewegt wird, werden Betriebswerte der Messgröße erfasst. Ferner werden die Betriebswerte mit dem Toleranzbereich verglichen.
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Während des Betriebs wird die Maschine in Abhängigkeit von dem Vergleich der Betriebswerte mit dem Toleranzbereich betrieben. Liegt beispielsweise einer der Betriebswerte außerhalb des Toleranzbereichs, so wird in der Folge die Bewegung der Komponente entlang der Bewegungsbahn derart geändert, dass die Bewegung unterbrochen wird. Mit anderen Worten wird die Komponente zumindest zeitweise angehalten.
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Durch diesen Betrieb der Maschine in Abhängigkeit von dem Vergleich der Betriebswerte mit dem Toleranzbereich kann ein sicherer Betrieb der Maschine realisiert werden, da beispielsweise Kollisionen der Komponente mit einem Objekt, beispielsweise einer Person, erkannt werden können. In der Folge kann die Bewegung der Komponente beeinflusst werden, so dass unerwünschte Folgen einer solchen Kollision vermieden oder in einem unkritischen Rahmen gehalten werden können.
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Üblicherweise erfolgt die Ermittlung des Toleranzbereichs unter folgendem Kompromiss: Einerseits gilt es, den Toleranzbereich klein beziehungsweise eng auszugestalten, um unerwünschte Kollisionen sicher erfassen und die Bewegung der Komponente in der Folge unterbrechen zu können. Andererseits gilt es, unnötige Unterbrechungen der Bewegung der Komponente entlang der Bewegungsbahn zu vermeiden, um einen hinreichend schnellen Prozessablauf zu gewährleisten, das heißt um hinreichend geringe Prozesszeiten realisieren zu können. Hierbei ist es problematisch, beispielsweise Unterbrechungen der Bewegung der Komponente bei sehr hohen Betriebswerten, die jedoch aus der normalen Bewegung der Komponente entlang der Bewegungsbahn resultieren, zu vermeiden, jedoch die Bewegung der Komponente entlang der Bewegungsbahn bei entsprechend hohen Betriebswerten, die aus Kollisionen der Komponente mit einem Objekt resultieren, zumindest zeitweise zu unterbrechen. Da das Ermitteln des Toleranzbereichs üblicherweise stets dem geschilderten Kompromiss unterliegt, kann das volle Potential einer durch den Einsatz der Maschine darstellbaren Automatisierung eines Prozesses nicht vollständig ausgenutzt werden, woraus hohe Prozesszeiten resultieren.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Maschine, insbesondere eines Roboters, der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich besonders geringe Prozesszeiten sowie gleichzeitig ein besonders sicherer Betrieb der Maschine realisieren lassen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren zum Betreiben einer Maschine, insbesondere eines Roboters, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, mittels welchem sich einerseits besonders geringe Prozesszeiten und andererseits ein besonders sicherer Betrieb der Maschine realisieren lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Toleranzbereich ein in Abhängigkeit von wenigstens einer Position, in welche die Komponente bei ihrer Bewegung entlang der Bewegungsbahn bewegt wird, variierender Toleranzbereich verwendet wird. Dies bedeutet beispielsweise, dass der Toleranzbereich während wenigstens einer Bewegung der Komponente entlang der Bewegungsbahn in Abhängigkeit wenigstens einer Position, in welche die Komponente bei ihrer Bewegung entlang der Bewegungsbahn bewegt wird, variiert wird. Dies bedeutet, dass der Toleranzbereich beispielsweise größer ist, wenn sich die Komponente in einem ersten Bereich oder einer ersten Position der Bewegungsbahn befindet, als wenn sich die Komponente in einem demgegenüber unterschiedlichen zweiten Bereich oder einer zweiten Position der Bewegungsbahn befindet.
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Somit ist die Sensitivität im ersten Bereich gegenüber dem zweiten Bereich herabgesetzt, so dass unnötige Unterbrechungen der Bewegung der Komponente entlang der Bewegungsbahn vermieden werden können. Dies ist beispielsweise auch dann der Fall, wenn es zu Kollisionen der Komponente mit einem Objekt kommt, die oder deren Folgen jedoch unkritisch sind.
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Im zweiten Bereich jedoch ist die Sensitivität gegenüber dem ersten Bereich erhöht, so dass beispielsweise die Bewegung der Komponente entlang der Bewegungsbahn bereits bei geringfügigen Kollisionen beziehungsweise bei geringfügigen Abweichungen der Betriebswerte von den Referenzwerten unterbrochen werden kann.
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Bei dem Toleranzbereich handelt es sich somit um einen während des Prozesses anpassbares beziehungsweise veränderliches Toleranzband, welches einerseits einen besonders sicheren Betrieb der Maschine und andererseits besonders geringe Prozesszeiten ermöglicht, da beispielsweise bei unkritischen Kollisionen im ersten Bereich der Bewegungsbahn unnötige Unterbrechungen der Bewegung der Komponente vermieden werden können und dabei demgegenüber kritischen Kollisionen im zweiten Bereich der Bewegungsbahn die Bewegung der Komponente sofort unterbrochen werden kann. Durch den variierenden beziehungsweise variablen Toleranzbereich ist es somit möglich, innerhalb des Toleranzbereichs unterschiedliche Bedingungen zu definieren, die bei Erfüllt-sein der jeweiligen Bedingungen zu einer Unterbrechung der Bewegung der Komponente führen.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass mehrere Referenzbewegungen der Komponente entlang der Bewegungsbahn durchgeführt werden, wobei jeweilige die jeweilige Referenzbewegung charakterisierende Referenzwerte der wenigstens einen Messgröße erfasst werden. Der Toleranzbereich wird dann aus den erfassten Referenzwerten ermittelt. Durch das mehrmalige Durchführen von Referenzbewegungen kann der Toleranzbereich beispielsweise durch Mittelwertbildung oder durch einen oberen und unteren Grenzwert ermittelt werden, wobei auch Streuungen beziehungsweise Toleranzen berücksichtigt werden können. Es hat sich nämlich gezeigt, dass beim Bewegen der Komponente in eine vorgebbare Position aus einer ersten Richtung andere Referenzwerte beziehungsweise Betriebswerte auftreten können als bei einem Bewegen der Komponente in die vorgebbare Position aus einer der ersten Richtung entgegengesetzten, zweiten Richtung. Diese Unterschiede können durch das mehrmalige Durchführen von Referenzbewegungen berücksichtigt werden. Hierdurch sind ein besonders sicherer Betrieb sowie gleichzeitig geringe Prozesszeiten realisierbar.
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Als die Messgröße kann eine auf die Maschine wirkende Kraft und/oder ein auf die Maschine wirkendes Drehmoment und/oder eine auf die Maschine wirkende Beschleunigung und/oder eine Geschwindigkeit der Maschine, insbesondere der Komponente, und/oder eine Beschleunigung der Maschine, insbesondere der Komponente, und/oder eine Position der Komponente erfasst werden. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zum Erfassen der Messgröße wenigstens ein in die Maschine integrierter Sensor verwendet wird. Bei diesem Sensor handelt es sich beispielsweise um einen Kraft- und/oder Drehmomentsensor, mittels welchem auf die Maschine, insbesondere die Komponente, wirkende Kräfte und/oder Drehmomente erfassbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 ein Diagramm mit einem Kraftverlauf, welcher durch Durchführen wenigstens einer Referenzbewegung einer Komponente einer Maschine entlang einer Bewegungsbahn ermittelt wird;
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2 ein Schaubild zur Veranschaulichung eines Toleranzbereiches, wobei die Maschine in einem sich an die Referenzbewegung anschließenden Automatikbetrieb in Abhängigkeit von dem Toleranzbereich betrieben wird.
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1 und 2 dienen zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben einer Maschine in Form eines Roboters. Der Roboter ist beispielsweise als Mehrachs-Roboter ausgebildet und umfasst mehrere Roboterarme. Die Roboterarme sind gelenkig miteinander verbunden und relativ zueinander um jeweilige Bewegungsachsen bewegbar. Die Roboterarme sind dabei jeweilige Komponenten des Roboters, welche entlang jeweiliger Bewegungsbahnen bewegt werden können. An einem der Roboterarme, insbesondere am letzten Roboterarm, ist eine weitere Komponente in Form eines Werkzeugs angeordnet. Bei diesem Werkzeug handelt es sich beispielsweise um einen Greifer, mittels welchem ein Bauteil eines Kraftwagens gegriffen und dadurch mittels des Roboters aufgenommen werden kann. Der Greifer ist dabei ebenfalls entlang einer Bewegungsbahn bewegbar.
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Durch Aufnehmen und Bewegen des Bauteils ist es beispielsweise möglich, mittels des Roboters eine automatisierte Montage des Bauteils an wenigstens einem weiteren Bauteil des Kraftwagens zu realisieren. Die Montage ist somit ein Prozess, welcher mittels des Roboters in einem Betrieb des Roboters automatisch beziehungsweise automatisiert durchgeführt werden kann. Dieser Betrieb wird daher auch als Automatikbetrieb bezeichnet und ermöglicht die Darstellung einer besonders zeit- und kostengünstigen Massenfertigung von Kraftwagen.
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Zur Realisierung eines zeitgünstigen und gleichzeitig sicheren Betriebs des Roboters wird der Roboter im Automatikbetrieb in Abhängigkeit von einem aus 2 erkennbaren Toleranzbereich 10 betrieben. Durch diesen Betrieb des Roboters in Abhängigkeit von dem Toleranzbereich 10 können Bewegungen des Greifers entlang seiner Bewegungsbahn begrenzt werden. Darüber hinaus kann schnell auf unerwartet auftretende Ereignisse, beispielsweise auf Kollisionen des Greifers mit einem Objekt, beispielsweise einer Person, reagiert werden, um Folgen einer solchen Kollision zu vermeiden oder in einem geringen Rahmen zu halten.
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Zum Ermitteln des Toleranzbereichs 10 wird zunächst wenigstens eine Referenzbewegung des Greifers entlang seiner Bewegungsbahn durchgeführt. Während dieser Referenzbewegung, welche dem Automatikbetrieb zeitlich vorweg geht, werden die Referenzbewegung charakterisierende Referenzwerte wenigstens einer Messgröße erfasst. Vorliegend wird als die Messgröße eine auf den Roboter, insbesondere den Greifer, wirkende Kraft mittels eines Kraftsensors erfasst. Aus diesen Referenzwerten kann ein Kraftverlauf ermittelt werden, welcher in ein Diagramm 12 in 1 eingetragen und dort mit 14 bezeichnet ist. Auf der Abszisse 16 des Diagramms 12 ist beispielsweise die Zeit oder die Position des Greifers entlang der Bewegungsbahn aufgetragen. Auf der Ordinate 18 des Diagramms 12 ist die auf den Greifer wirkende Kraft aufgetragen. Dies bedeutet, dass der Kraftverlauf 14 die auf den Greifer während der Bewegung des Greifers entlang der Bewegungsbahn wirkende Kraft charakterisiert, wenn keine unerwarteten Ereignisse, beispielsweise Kollisionen, auftreten. Der Kraftverlauf 14 ist somit ein Referenzkraftverlauf, welcher aus den Referenzwerten ermittelt werden kann. Die Referenzwerte sind somit jeweilige Werte der auf den Greifer wirkenden Kraft, die während der Referenzbewegung erfasst werden.
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Mit anderen Worten ist der Kraftverlauf 14 ein Kraftprofil oder ein Bewegungsprofil, welches die Bewegung des Greifers bei der Referenzbewegung charakterisiert. Alternativ kann auch ein Drehmomentprofil ermittelt werden, welches auf den Greifer bei Durchführen der Referenzbewegung wirkende Drehmomente charakterisiert. Alternativ können auch Positions- und/oder Geschwindigkeitswerte des Greifers während der Referenzbewegung ermittelt werden. Um Toleranzen und Streuungen zu berücksichtigen, ist es vorteilhaft, mehrere Referenzbewegungen durchzuführen, wobei jeweilige Referenzwerte erfasst werden.
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Schließlich wird aus den erfassten Referenzwerten der Toleranzbereich 10 ermittelt. Ausgehend von den beispielsweise gemittelten Referenzwerten werden beispielsweise obere Grenzwerte und untere Grenzwerte bestimmt. Die oberen Grenzwerte ergeben einen oberen Grenzverlauf 20, wobei die unteren Referenzwerte einen unteren Grenzverlauf 22 ergeben. Wie aus 2 erkennbar ist, wird der Toleranzbereich 10 nach oben hin durch den oberen Grenzverlauf 20 und nach unten hin durch den unteren Grenzverlauf 22 begrenzt. Die jeweiligen oberen Grenzwerte und die jeweiligen unteren Grenzwerte korrespondieren dabei mit einer jeweiligen Position des Greifers entlang der Bewegungsbahn. Mit anderen Worten umfasst der obere Grenzverlauf 20 einen mit einer ersten Position der Komponente entlang der Bewegungsbahn korrespondierenden, ersten oberen Referenzwert sowie wenigstens einen mit einer zweiten Position der Komponente entlang der Bewegungsbahn korrespondierenden, zweiten oberen Referenzwert. Der untere Grenzverlauf 22 umfasst demzufolge einen mit der ersten Position und dem ersten oberen Referenzwert korrespondierenden und gegenüber dem ersten oberen Referenzwert geringeren ersten unteren Referenzwert sowie wenigstens einen mit der zweiten Position und dem zweiten oberen Referenzwert korrespondierenden und gegenüber dem zweiten oberen Referenzwert geringeren zweiten unteren Referenzwert. Der erste obere Referenzwert und der erste untere Referenzwert weisen dabei einen ersten Abstand zueinander auf, wobei der zweite obere Referenzwert und der zweite untere Referenzwert einen zweiten Abstand zueinander aufweisen.
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Im Rahmen des Automatikbetriebs, welcher sich an die Referenzbewegung anschließt, werden Betriebswerte der Messgröße, das heißt der Kraft erfasst. Diese Betriebswerte werden mit dem Toleranzbereich 10 während des Automatikbetriebs der Maschine, während welchem die Komponente (Greifer) entlang der Bewegungsbahn bewegt wird, verglichen. Liegt beispielsweise einer der Betriebswerte außerhalb des Toleranzbereichs 10, so kann dadurch auf eine etwaige Kollision des Greifers mit einem Objekt rückgeschlossen werden. In der Folge kann die Bewegung des Greifers entlang der Bewegungsbahn zumindest zeitweise unterbrochen werden.
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Um einerseits einen besonders sicheren Betrieb des Roboters sowie andererseits besonders geringe Prozesszeiten zu realisieren, ist es – wie aus 2 erkennbar ist – vorgesehen, dass der Toleranzbereich 10 in Abhängigkeit von wenigstens einer Position, in welche der Greifer bei seiner Bewegung entlang der Bewegungsbahn bewegt wird, variiert. Vorliegend weist der Toleranzbereich 10 zwei Bereiche 24, 26 auf. Im Bereich 24 weist der Toleranzbereich 10 eine größere Breite auf als im Bereich 26. Dies bedeutet, dass zwischen den oberen Grenzwerten und den damit korrespondierenden unteren Grenzwerten im Bereich 24 ein größerer Abstand vorgegeben ist, als zwischen den oberen Grenzwerten und den unteren Grenzwerten im Bereich 26.
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Kommt es beispielsweise in Folge einer Kollision des Greifers mit einem Objekt zu einer relativ großen Abweichung eines der Betriebswerte vom korrespondierenden Referenzwert des Referenzverlaufs 14 in einer zum Bereich 24 gehörenden Position des Greifers, so liegt dieser Betriebswert aufgrund der hohen Breite des Toleranzbereichs 10 dennoch innerhalb des Toleranzbereichs 10 und eine Unterbrechung der Bewegung des Greifers unterbleibt. Kommt es jedoch zu einer gleichen Abweichung im gegenüber dem Bereich 24 schmaleren Bereich 26 des Toleranzbereichs 10, so liegt der entsprechende Betriebswert außerhalb des Toleranzbereichs 10 und die Bewegung des Greifers wird sofort unterbrochen.
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Hintergrund dieser unterschiedlichen Abstände beziehungsweise Breiten des Toleranzbereichs 10 ist, dass es beispielsweise In einem ersten, zum Bereich 24 des Toleranzbereichs 10 gehörenden Bereich der Bewegungsbahn des Greifers nur zu unkritischen Kollisionen des Greifers mit einem Objekt kommen kann. Daher wird im Bereich 24 gegenüber dem Bereich 26 eine herabgesetzte Sensitivität zugelassen. Mit anderen Worten werden im Bereich 24 höhere Abweichungen der auf den Greifer wirkenden Kraft vom Referenzverlauf 14 zugelassen als im Bereich 26, ohne dass es zu Unterbrechungen der Bewegung kommt.
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In einem zweiten, zum Bereich 26 des Toleranzbereichs 10 gehörenden und vom zuvor genannten ersten Bereich der Bewegungsbahn unterschiedlichen Bereich der Bewegungsbahn jedoch sind Kollisionen des Greifers mit einem Objekt, beispielsweise mit einer Person, kritisch, so dass bei einer nur geringfügigen Abweichung eines Betriebswerts vom Referenzverlauf 14 die Bewegung des Greifers unterbrochen wird. Dadurch können die Folgen einer Kollision vermieden oder besonders gering gehalten werden. Beispielsweise kann es im zum Bereich 24 gehörenden, ersten Bereich der Bewegungsbahn lediglich zu einem leichten, unkritischen Kontakt des Greifers mit einem Arm einer Person kommen, was wesentlich unkritischer ist, als eine Kollision des Greifers mit dem Kopf der Person, zu der es beispielsweise im zum Bereich 26 gehörenden zweiten Bereich der Bewegungsbahn kommen könnte.
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Der Toleranzbereich 10 stellt somit ein Toleranzband beziehungsweise einen Toleranzschlauch dar, welcher vorliegend ein Kraftschlauch ist und auch als Kraft-Trace bezeichnet wird. Zur Ermittlung des Toleranzbereichs 10 werden beispielsweise Minima und Maxima zu jedem aufgezeichneten Punkt bestimmt.
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Im Automatikbetrieb vergleicht beispielsweise eine Steuerung oder Regelung zum Betreiben des Roboters in einem sehr geringen Takt, beispielsweise in einem Takt von einer Millisekunde oder in einem noch geringeren Takt die Betriebswerte mit dem hinterlegten beziehungsweise gespeicherten Toleranzbereich 10. Eine Überschreitung oder Unterschreitung, das heißt eine Abweichung der Betriebswerte von dem Referenzverlauf 14 ergibt dann – je nach entsprechender Breite des Toleranzbereichs 10 an der Position, an der es zu der Abweichung kommt – eine Veränderung der Bewegung, das heißt beispielsweise eine Unterbrechung der Bewegung, oder nicht. Als Reaktion auf einen Betriebswert, der außerhalb des Toleranzbereichs 10 liegt, wird beispielsweise die Bewegung des Greifers verlangsamt oder gestoppt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Greifer zurückbewegt wird.
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Vorzugsweise kann eine zweikanalige Ausführung dieser Funktion und deren sensorischer Grundbausteine zu einem gemeinsamen und sicheren Betrieb von einer oder mehreren Maschinen und einem oder mehreren Menschen innerhalb desselben Arbeitsraumes genutzt werden.
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Ferner ist es auch möglich, in den unterschiedlichen Bereichen der Bewegungsbahnen unterschiedliche Geschwindigkeiten des Greifers einzustellen, so dass dadurch einerseits besonders geringe Prozesszeiten darstellbar sind und andererseits Folgen von kritischen Kollisionen vermieden oder zumindest geringgehalten werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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