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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren eines Elements in einer Öffnung oder an einer Erhebung eines Bauteils der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Die
DE 10 2010 005 798 A1 zeigt ein gattungsgemäßes Verfahren, bei welchem ein als Stopfen ausgebildetes Element mittels eines Roboters in einer Öffnung eines Bauteils positioniert wird.
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Insbesondere beim Positionieren eines Elements, beispielsweise eines Stopfens oder einer Schraube, in einer Öffnung eines Bauteils besteht eine Schwierigkeit darin, die betreffende Öffnung positionsgenau bestimmen zu können. Beispielsweise lassen sich Löcher zum Setzen einer Schraube oder eines Stopfens aufgrund von Bauteiltoleranzen nicht direkt mittels eines Roboters anfahren.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Position einer Öffnung oder auch einer Erhebung an einem Bauteil besonders exakt und einfach bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Positionieren eines Elements in einer Öffnung oder an einer Erhebung eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine besonders exakte und einfache Positionsbestimmung einer Erhebung oder einer Öffnung eines Bauteils zu bestimmen, in beziehungsweise an welchem ein Element, beispielsweise in Form eines Stopfens, angebracht werden soll, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Element mittels des Roboters oder ein Endeffektor des Roboters auf dem Bauteil entlang einer vorgegebenen Bahn bewegt und währenddessen die auf den Roboter wirkende Kraft gemessen sowie anhand dieser gemessenen Kraft die Position der Öffnung oder der Erhebung ermittelt wird. Im Falle der Positionsbestimmung einer Öffnung wird ein beliebiger Aufsatzpunkt an einem Rand der betreffenden Öffnung genutzt, wobei mittels einer durch den Roboter vorgenommenen Drehung ein Kraft-Weg-Histogramm aufgebaut wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf einfache und zuverlässige Weise ermöglicht, die exakte Position einer Öffnung oder auch einer Erhebung eines Bauteils zu bestimmen, sodass beispielsweise auf besonders zuverlässige Weise ein Stopfen oder eine Schraube in einer Öffnung positioniert werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass jeweiligen Bahnpunkten der Bahn ein jeweils gemessener Kraftwert zugeordnet und derjenige Bahnpunkt, welcher den geringsten Kraftwert aufweist, als die Position der Öffnung festgelegt wird. Mit anderen Worten wird also diejenige Stelle beziehungsweise Position bestimmt, an der sich die zu suchende Öffnung befindet, indem innerhalb des Kraft-Weg-Histogramms derjenige Bahnpunkt bestimmt wird, bei welchem die geringste Gegenkraft auf den Roboter eingewirkt hat.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Kreis als die Bahn vorgegeben wird, wobei mehrere diskrete Kraftmessungen an jeweiligen Bahnpunkten des Kreises vorgenommen werden. Mit anderen Worten ist es also möglich, eine komplette Kreisbahn abzufahren und mehrere diskrete Messungen entlang dieser Bahn durchzuführen. Alternativ können auch, insbesondere wenn eine besonders schnelle Positionsbestimmung erfolgen soll, nur wenige, beispielsweise vier Messungen bei 0 Grad, 90 Grad, 180 Grad und 270 Grad entlang der Kreisbahn durchgeführt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass jeweiligen Bahnpunkten der Bahn ein jeweils gemessener Kraftwert zugeordnet und derjenige Bahnpunkt, welcher den größten Kraftwert aufweist, als die Position der Erhebung festgelegt wird. Mit anderen Worten kann das Verfahren umgekehrt auch zum Auffinden von Bauteilerhebungen angewendet werden, wobei lediglich das Verfahren dahingehend umgekehrt wird, dass der größte auftretende Kraftwert dazu benutzt wird, die exakte Position der Erhebung zu bestimmen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass zusätzlich die Mitte der Öffnung ermittelt wird, indem das Element mittels des Roboters oder der Endeffektor des Roboters an zwei unterschiedlichen Randbereichen der Öffnung aufgesetzt und jeweils ein auf den Roboter wirkender Kraftvektor bestimmt sowie anschließend ein Schnittpunkt der Kraftvektoren ermittelt wird, wobei der Schnittpunkt als die Mitte der Öffnung festgelegt wird. Vorzugsweise werden die zwei unterschiedlichen Randbereiche derart gewählt, dass diese nicht auf derselben Geraden liegen. Dadurch wird verhindert, dass die beiden Kraftvektoren nicht kollinear angeordnet sind, was eine Auffindung der Mitte erschweren beziehungsweise unmöglich machen würde.
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Schließlich ist es in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Kraftmessung über eine in dem Roboter integrierte Sensorik oder über eine am Endeffektor angeordnete Kraftmessdose erfolgt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Seitenansicht auf einen teilweise dargestellten Roboter, an dessen Endeffektor ein Stopfen angeordnet ist, welcher gerade in einem Randbereich einer Öffnung eines Bauteils aufgesetzt wird;
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2 ein schematisches Diagramm, in welchem jeweilige auf den in 1 dargestellten Roboter wirkenden Kraftwerte entlang einer mit dem Roboter verfahrenden Bahn aufgetragen sind; und in
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3 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Öffnung des Bauteils, wobei zwei unterschiedliche Aufsatzpunkte an jeweiligen Randbereichen der Öffnung gekennzeichnet sind, an welchen der Stopfen mittels des Roboters im Bereich der Öffnung aufgesetzt worden ist.
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Ein Roboter 10 ist teilweise in einer schematischen Seitenansicht in 1 gezeigt. Der Roboter 10 umfasst einen Endeffektor 12, an welchem ein Stopfen 14 angeordnet ist. Der Stopfen 14 wird gerade auf ein Bauteil 16, und zwar in einem Randbereich 18 einer Öffnung 20 des Bauteils 16, auf das Bauteil 16 aufgesetzt. Ziel ist es, den Stopfen 14 mittels des Roboters 10 exakt innerhalb der Öffnung 20 zu positionieren, um die Öffnung 20 zu verschließen.
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Dafür ist es zunächst einmal erforderlich, dass die exakte Position der Öffnung 20 ermittelt wird. Der am Endeffektor 12 des Roboters 10 angeordnete Stopfen 14 wird durch den Roboter 10 so aufgesetzt, dass der Stopfen 14 wie in 1 gezeigt auf dem Bauteil 16 aufgesetzt wird. Ein Teil des Stopfens 14 ragt also in die Öffnung 20 hinein beziehungsweise überragt zumindest einen Teil der Öffnung 20. Bei aufgesetztem Stopfen 14 erfolgt eine Bewegung der nicht näher gekennzeichneten restlichen Achsen des Roboters 10, wodurch eine Art Bewegung eines Punktes auf einer Hand- oder Ellenbogenachse des Roboters 10 entlang einer gedachten Kreisbahn durchgeführt wird, die parallel und oberhalb der Bauteilebene liegt. Dabei werden Winkelstellungen zwischen 0 und 2π, also entlang einer vollständigen Kreisbahn, abgefahren, wobei jeweilige dabei am Endeffektor 12 wirkende Kräfte F gemessen werden.
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Mit anderen Worten wird der Stopfen 14 also mittels des Roboters 10 auf dem Bauteil 16 entlang einer vorgegebenen Bahn, vorliegend entlang einer Kreisbahn, bewegt und währenddessen die auf den Roboter 10 wirkende Kraft F gemessen sowie anhand dieser gemessenen Kraft F die Position der Öffnung 20 ermittelt.
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Jeweiligen Bahnpunkten der abgefahrenen Bahn wird also ein jeweils gemessener Kraftwert F zugeordnet, und derjenige Bahnpunkt, welcher den geringsten Kraftwert F aufweist, wird als die Position der Öffnung 20 festgelegt.
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In 2 sind jeweilige Kraftwerte F entlang der abgefahrenen Bahn s aufgetragen. Mit anderen Worten ist in 2 also eine Art Kraft-Weg-Histogramm aufgetragen. Anhand dieses Diagramms ist ersichtlich, dass der Roboter 10 den Stopfen 14 in die Richtung der geringsten gemessenen Kraft, welche mittels des Pfeils 22 gekennzeichnet ist, bewegen muss, weil sich dort die Öffnung 20 befindet. Auf diese Weise können jeweilige Bauteillöcher zuverlässig aufgefunden werden.
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Die Startposition des Roboters 10 wird dem Roboter 10 durch sogenanntes Teaching vorgegeben. Der Roboter 10 kann bis auf wenige, beispielsweise 2 Millimeter genau positioniert werden. Bei einem Stopfendurchmesser von beispielsweise 20 Millimetern ist dabei immer gewährleistet, dass die in 1 dargestellte Startposition erreicht wird.
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Die eigentliche Kraftmessung kann vorteilhafterweise über eine im Roboter 10 integrierte Sensorik erfolgen, denkbar ist aber auch eine an dem Endeffektor 12 angebrachte Kraftmessdose.
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Wie bereits erläutert, ist es möglich, dass mittels des Roboters 10 eine vollständige Kreisbahn abgefahren wird, wobei mehrere diskrete Messungen entlang der abgefahrenen Bahn durchgeführt werden. Alternativ können auch, insbesondere wenn eine besonders schnelle Positionsermittlung der Öffnung 20 erfolgen soll, nur wenige Messungen, beispielsweise vier Messungen bei einer Stellung von 0 Grad, 90 Grad, 180 Grad und 270 Grad durchgeführt werden.
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Das erläuterte Verfahren zur exakten Positionsbestimmung einer Öffnung 20 in einem Bauteil 16 kann auch umgekehrt genutzt werden, um jeweilige, hier nicht dargestellte Bauteilerhebungen aufzufinden. In diesem Fall werden jeweiligen Bahnpunkten der mittels des Roboters 10 abgefahrenen Bahn s ebenfalls jeweils gemessene Kraftwerte F zugeordnet, wobei derjenige Bahnpunkt, welcher den größten Kraftwert F aufweist, als die Position der betreffenden Erhebung festgelegt wird.
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Darüber hinaus ist es auch möglich, dass gar nicht der Stopfen 14 oder auch beispielsweise eine Schraube auf dem Bauteil 16 aufgesetzt werden muss. Stattdessen ist es auch möglich, dass lediglich der Endeffektor 12 direkt auf dem Bauteil 16 aufgesetzt wird, wenn dieser entsprechend gestaltet ist. Mit anderen Worten kann also zunächst der Endeffektor 12 auf dem Bauteil 16 wie bereits beschrieben verfahren werden, um die exakte Position der Öffnung 20 oder auch weiterer Öffnungen oder auch Erhebungen zu bestimmen. Anschließend kann danach beispielsweise der Stopfen 14 oder auch ein anderes Element, wie beispielsweise eine Schraube oder dergleichen, an dem Endeffektor 12 angebracht und innerhalb der Öffnung 20 positioniert werden, deren exakte Position nunmehr bekannt ist.
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In 3 ist die Öffnung 20 des Bauteils 16 in einer schematischen Ansicht dargestellt. Es kann zusätzlich neben der Positionsbestimmung der Öffnung 20 selbst auch von Interesse sein, die exakte Mitte 24 der Öffnung 20 zu ermitteln. Dies erfolgt dadurch, indem entweder der Stopfen 14 mittels des Roboters 10 oder der Endeffektor 12 direkt an zwei unterschiedlichen Randbereichen 26, 28 der Öffnung 20 aufgesetzt und jeweils ein auf den Roboter 10 wirkender Kraftvektor 30, 32 bestimmt sowie anschließend ein Schnittpunkt der Kraftvektoren 30, 32 ermittelt wird, wobei der Schnittpunkt als die Mitte 24 der Öffnung festgelegt wird.
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Zur Bestimmung der Mitte 24 der Öffnung 20 kann also zufällig eine erste Position auf dem Rand der Öffnung 20 angefahren werden, wobei eine auf den Roboter 20 wirkende Kraft in Form eines Kraftvektors – also Kraftkomponenten in allen drei Raumrichtungen – erfasst werden. Anschließend wird eine weitere beliebige Position an dem Lochrand angefahren, sodass ein weiterer, vorzugsweise vom Betrag her größerer Kraftvektor ermittelt werden kann.
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Die beiden Kraftvektoren 30, 32, welche auch als Gradienten verstanden werden können, schneiden sich zwangsläufig im geometrischen Mittelpunkt der Öffnung 20, solange die beiden Randbereiche 26, 28, an welchen die beschriebenen Messungen vorgenommen werden, nicht direkt an gegenüberliegenden Punkten der Öffnung 20 angeordnet sind. Denn in diesem Fall würden die beiden Kraftvektoren 30, 32 kollinear verlaufen, sodass deren Schnittpunkt und somit die Mitte 24 des Lochs 20 nicht bestimmt werden könnte.
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Zusätzlich ist es möglich, dass der Roboter 10, welcher im Wesentlichen eine taktile Maschine darstellt, sich selbst einmessen kann. Der Roboter 10 kann dabei, wie im Zusammenhang mit dem sogenannten Robot Farming bekannt, verschoben werden, wenn dieser keinen festen Standpunk hat. Dazu fährt der Roboter 10 die zuvor erwähnte und in 1 gezeigte Startposition an. Da der Roboter 10 in dieser Position üblicherweise die Öffnung 20 nicht gleich finden kann, wird zunächst diese erste Position detektiert. Anhand der Verschiebungskoeffizienten, die durch eine entsprechende Sensorik detektiert werden, kann der Roboter 10 sich selbst einmessen und alle weiteren Positionen zielgerichtet im weiteren Verlauf anfahren und die oben beschriebenen Verfahrensschritte durchführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010005798 A1 [0002]
