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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug und einem Roboter, umfassend eine Roboterkinematik zur relativen Positionierung des Werkstücks und des Werkzeugs zueinander.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks, wobei in einem ersten Schritt das Werkstück und das Werkzeug relativ zueinander positioniert werden.
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Bei einer Bearbeitung eines Werkstücks unter Verwendung eines Roboters übertragen sich Kräfte in eine Roboterkinematik. Durch diese Kräfte kann es aufgrund von Spielen in mechanischen Bauteilen der Roboterkinematik und elastischen Verformungen zu Verwindungen und Verkippungen kommen. Zusätzlich kann eine schnelle Kraftaufgabe am Werkzeug zu einer Positionsabweichung der Roboterkinematik und des Werkzeugs führen. Hierdurch kann es zu unkontrollierten relativen Poseabweichungen des Werkstücks und eines Werkzeugs zueinander kommen. Die durch die Kräfte verursachten Verwindungen und Verbiegungen der Roboterkinematik wirken sich auch auf die Orientierung des Werkzeugs aus. Nach der Kraftaufgabe durch den Bearbeitungsprozess strebt die Roboterkinematik mit dem Werkzeug auf eine unbelastete Position mit der zugehörigen Orientierung zurück. Bei bestimmten Prozessen, beispielsweise einem Bohren, ist es jedoch erforderlich, dass das Werkzeug bei einer Rückbewegung in exakt der gleichen Orientierung wie bei der Hinbewegung geführt wird. Bei einer Abweichung der Orientierung sowie bei den genannten Poseabweichungen kann es bei der Rückbewegung zu einer Kollision oder Berührung des Werkzeugs mit dem Werkstück kommen, wodurch ein Bearbeitungsergebnis negativ beeinflusst werden kann.
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Aus der
DE 10 2009 035 877 B4 ist eine zum Durchführen von translatorischen Ausgleichsbewegungen in eine erste, eine zweite und eine dritte Raumrichtung ausgebildete Ausgleichsaktorik beschrieben. Die Ausgleichsaktorik umfasst eine in die erste, zweite und dritte Raumrichtung translatorisch bewegbare Bewegungseinheit, einen Aktor und eine erste Festkörpergelenkbaugruppe. Die Ausgleichsaktorik ist dabei Bestandteil einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Roboter, wobei die die Bewegungseinheit als Aufnahme für ein Objekt oder als Effektor ausgebildet ist, mit dem das Werkstück oder ein für dieses zum Bearbeiten vorgesehenes Werkzeug aufnehmbar ist. Hierbei ist die Ausgleichsaktorik zum dreidimensionalen Ausgleich translatorischer Positionierfehler vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks und ein verbessertes Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks anzugeben.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks umfasst ein Werkzeug und einen Roboter mit einer eine Roboterkinematik zur relativen Positionierung des Werkstücks und des Werkzeugs zueinander.
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Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung einen Ausgleichsmechanismus, wobei der Ausgleichsmechanismus bei einer Rückbewegung des Werkzeugs nach Abschluss der Bearbeitung Kräfte auf das Werkstück ausübt, welche während einer Hinbewegung in der durchgeführten Bearbeitung von dem Werkzeug auf das Werkstück wirkenden Kräften entsprechen.
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Dadurch werden nach Abschluss der Bearbeitung aus der durchgeführten Bearbeitung resultierende relative Fehlpositionierungen und/oder Fehlorientierungen des Werkzeugs und des Werkstücks zueinander aktiv ausgeglichen, so dass in besonders vorteilhafter Weise insbesondere bei Prozessen, bei welchen das Werkzeug bei einer Rückbewegung in exakt der gleichen Orientierung wie bei der Hinbewegung geführt werden muss, Kollisionen oder Berührungen des Werkzeugs mit dem Werkstück vermieden oder zumindest vermindert werden. Somit sind sehr exakte Bearbeitungen des Werkstücks möglich. Auch können aus der Rückbewegung resultierende negative Beeinflussungen eines Bearbeitungsergebnisses sowie Beschädigungen der Vorrichtung, insbesondere des Werkzeugs und des Roboters mit der Roboterkinematik, vermieden werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks während einer Hinbewegung, und
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2 schematisch eine perspektivische Ansicht des Ausschnitts der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 während einer Rückbewegung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Bearbeiten eines Werkstücks 2 während einer Hinbewegung H dargestellt. 2 zeigt den Ausschnitt gemäß 1 während einer Rückbewegung R der Vorrichtung 1.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ein Werkzeug 3 zur Bearbeitung des Werkstücks 2, welches an einer Roboterkinematik 4 eines Roboters befestigt ist. Die Roboterkinematik 4 ist dabei zur relativen Positionierung des Werkstücks 2 und des Werkzeugs 3 zueinander vorgesehen.
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An der Roboterkinematik 4 ist ein Aktuator 5 angeordnet, welcher einen so genannten Endeffektor für das Werkzeug 3 an der Roboterkinematik 4 bildet. Der Aktuator 5 ist zur Steuerung einer Bewegung des Werkzeugs 3 relativ zum Werkstück 2 und zur Roboterkinematik 4 vorgesehen.
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Mittels des Werkzeugs 3, welches beispielsweise einen Bohrer oder Fräser umfasst, wird in einem zweiten Schritt nach einer mittels der Roboterkinematik 4 durchgeführten Positionierung des Werkstücks 2 und des Werkzeugs 3 zueinander in einem zweiten Schritt bei einer Hinbewegung H des Werkzeugs 3 die Bearbeitung des Werkstücks 2 durchgeführt. Beispielsweise wird in der Hinbewegung H des Werkzeugs 3 eine Bohrung erzeugt. Hierbei werden zur Erzeugung der Bohrung mittels des Werkzeugs 3 Kräfte auf das Werkstück 2 ausgeübt, welche während der Kraftausübung zu Verwindungen und Verkippungen durch elastische Verformungen und Spiele in der Roboterkinematik 4 und somit zu einer Drehbewegung D1 des Aktuators 5 und des daran angeordneten Werkzeugs 3 führen können. Nach Beendigung der Kraftausübung können aus diesen elastischen Verformungen und Spielen Positions- und Orientierungsabweichungen der Roboterkinematik 4 und des Aktuators 5 und somit auch des Werkzeugs 3 gegenüber der Hinbewegung H resultieren. In den 1 und 2 ist ein unbelasteter Zustand der Roboterkinematik 4 und des Aktuators 5 jeweils mittels einer unterbrochenen Linie dargestellt und ein belasteter Zustand mittels einer durchgezogenen Linie.
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Um diese Positions- und Orientierungsabweichungen zumindest zu verringern und daraus resultierende unkontrollierte relative Poseabweichungen des Werkstücks 2 und des Werkzeugs 3 zueinander zu vermeiden, ist an dem Aktuator 5 ein Ausgleichsmechanismus 6 angeordnet.
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Während der Hinbewegung H des Werkzeugs 3 und der dabei durchgeführten Bearbeitung des Werkstücks 2 ist der Ausgleichsmechanismus 6 inaktiv. Um die Positions- und Orientierungsabweichungen zumindest zu minimieren, wird der Ausgleichsmechanismus 6 in einem dritten Schritt während der Rückbewegung R des Werkzeugs 3 aktiviert, so dass nach Abschluss der Bearbeitung aus der durchgeführten Bearbeitung resultierende relative Fehlpositionierungen und Fehlorientierungen des Werkzeugs 3 und des Werkstücks 2 zueinander aktiv ausgeglichen werden, indem mittels des Ausgleichsmechanismus 6 während der Rückbewegung R nach Abschluss der Bearbeitung Kräfte auf das Werkstück 2 ausgeübt werden, welche während der Hinbewegung H in der durchgeführten Bearbeitung vom Werkzeug 3 auf das Werkstück 2 wirkenden Kräften entsprechen. Eine ungewollte Rückbewegung des Werkzeugs 3 in seine Ausgangsposition unmittelbar nach der Bearbeitung des Werkstücks 2 wird somit vermieden.
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Hierzu umfasst der Ausgleichsmechanismus 6 zwei an dem Werkzeug 3 angeordnete Kraftkoppelmodule 6.1, 6.2 zur Übertragung einer Kraft zwischen dem Werkstück 2 und dem Aktuator 5. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen der Vorrichtung 1 kann auch eine andere Anzahl an Kraftkoppelmodulen 6.1, 6.2 vorgesehen sein. Die Kraftkoppelmodule 6.1, 6.2 werden während der Rückbewegung R kraft- und/oder formschlüssig mit dem Werkstück 2 verbunden. Zur Erzeugung der kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung umfassen die Kraftkoppelmodule 6.1, 6.2 in nicht näher dargestellter Weise jeweils zumindest ein Verbindungselement zur Erzeugung von Reibkräften, Unterdruckkräften, Magnetkräften und/oder Molekularkräften. Hierzu umfassen die Verbindungselemente beispielsweise Mittel zum Einhaken oder zur Erzeugung einer Gewindeverbindung oder eine Ansaugvorrichtung oder einen Magnet zur Erzeugung einer Magnetkraft.
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Hierbei werden die Kraftkoppelmodule 6.1, 6.2 unter Kraftausübung auf das Werkstück 2 aus dem Ausgleichmechanismus 6 ausgefahren, so dass bei der Rückbewegung R die gleichen Positions- und Orientierungsabweichungen des Werkzeugs 3 gegenüber einer Ausgangsposition des Werkzeugs 3 auftreten wie bei der Hinbewegung H. Hierbei erfolgt während der Rückbewegung R aufgrund der Erzeugung der Kraft mittels des Ausgleichsmechanismus 6 eine der Drehbewegung D1 des Aktuators 5 und des daran angeordneten Werkzeugs 3 entgegengesetzte Drehbewegung D2. Das heißt, während der Rückbewegung R erfolgt die Drehbewegung D2 auf der gleichen Bewegungsbahn wie die Drehbewegung D1 gemäß: D2 = –D1, (1) wobei aufgrund der mittels des Ausgleichsmechanismus 6 erzeugten Kraftausübung auf das Werkstück 2 dieses während der Rückbewegung R kontinuierlich in der gleichen relativen Position zum Werkzeug 3 positioniert ist, wie bei der Hinbewegung. Dadurch werden Kollisionen zwischen dem Werkzeug 3 und dem Werkstück 2 während der Rückbewegung R vermieden.
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Die mittels Kraftkoppelmodule 6.1, 6.2 erzeugten Kräfte sind bereits vor der Bearbeitung des Werkstücks 2 vorgebbar, wodurch diese individuell an den Bearbeitungsprozess angepasst werden kann.
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Alternativ ist zur Erfassung der während der Bearbeitung auftretenden Kräfte in einer nicht näher dargestellten möglichen Ausgestaltung zumindest ein Kraftsensor vorgesehen, mittels welchem während der Hinbewegung H die Kräfte auf das Werkzeug 3 ermittelt werden. Diese ermittelten Kräfte werden bei der Rückbewegung R zur Steuerung der Kraftkoppelmodule 6.1, 6.2 verwendet.
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Nachdem die Rückbewegung R des Werkzeugs 3 abgeschlossen ist oder nachdem das Werkzeug 3 einen möglichen Kontaktbereich mit dem Werkstück 2 verlassen hat, wird die Bewegung der Kraftkoppelmodule 6.1, 6.2 eingestellt und die Kraftausübung auf das Werkstück 2 beendet.
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In weiteren Ausführungsbeispielen ist es zur Optimierung eines Kraftverlaufs sowie zur Minimierung der Positions- und Orientierungsabweichungen vor, während und/oder nach dem Bearbeitungsprozess, d. h. vor, während und/oder nach der Hinbewegung H, mittels des Ausgleichsmechanismus 6 vorgesehen, dass Kräfte auf das Werkstück 2 und somit von dem Werkstück auf das Werkzeug 3 ausgeübt werden.
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Weiterhin ist es auch möglich, dass abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel, in welchem der Aktuator 5 und das Werkzeug 3 an der Roboterkinematik 4 befestigt sind, in nicht näher dargestellter Weise mittels der Roboterkinematik 4 das Werkstück 2 in dem ersten Schritt zu einer feststehenden Bearbeitungsstation und dem dort befindlichen Werkzeug 3 geführt wird. Bei dieser Ausgestaltung kann der Ausgleichsmechanismus 6 an der feststehenden Bearbeitungsstation oder an der Roboterkinematik 4 angeordnet sein und die kraft- und/oder formschlüssige Verbindung wird nach Beendigung der Bearbeitung des Werkstücks 2 vor dem Start der Rückbewegung R erzeugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009035877 B4 [0004]
