DE102015012314A1

DE102015012314A1 - Robotersystem zum Durchführen einer Kraftsteuerung

Info

Publication number: DE102015012314A1
Application number: DE102015012314.9A
Authority: DE
Inventors: Takashi Sato
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2035-09-24
Also published as: DE102015012314B4; US9636827B2; JP5927259B2; JP2016068216A; CN105458878B; CN105458878A; US20160089789A1

Abstract

Ein Robotersystem umfasst einen Roboter, der betrieben wird, um ein maschinelles Bearbeitungswerkzeug relativ zu einem Werkstück zu bewegen, ein Stellglied, das eine Position des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs ändert, und eine Steuervorrichtung, die den Roboter steuert. Die Steuervorrichtung umfasst eine Robotersteuereinheit, die den Roboter entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahnkurve betreibt, eine Krafterfassungseinheit, die eine zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück wirkende Kraft erfasst, eine Positionserfassungseinheit, die eine momentane Position des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs erfasst, eine Kraftsteuereinheit, die eine Sollposition des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs derart erlangt, dass ein Erfassungswert der Krafterfassungseinheit sich einem vorbestimmten Wert annähert, und eine Positionskorrektureinheit, die einen Positionskorrekturbetrag eine Bewegungsbahnkurve des Roboters und einen Positionskorrekturbetrag des Stellgliedes in Antwort auf die Sollposition des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges berechnet.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Robotersystem, das einen maschinellen Bearbeitungsvorgang bei dem Werkstück durchführt, in dem ein maschinelles Bearbeitungswerkzeug und ein Werkstück relativ zueinander bewegt werden, während das maschinelle Bearbeitungswerkzeug gegen das Werkstück mit einer vorbestimmten Kraft gepresst wird.
2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Bekannte Robotersysteme führen einen Schleifvorgang oder einen Entgratevorgang unter Verwendung eines Roboters durch. In solchen Robotersystemen wird der Roboter bewegt, während ein maschinelles Bearbeitungswerkzeug (ein Schleifer, eine Schmirgelschleifmaschine und dergleichen), das bei dem Handgelenk des Roboters montiert ist, gegen die Oberfläche des Werkstücks gepresst wird, das in einem Bewegungsbereich des Roboters positioniert ist. Alternativ wird das Werkstück durch den Roboter gehalten und wird der Roboter bewegt, während das Werkstück gegen das maschinelle Bearbeitungswerkzeug gepresst wird, das in dem Bewegungsbereich des Roboters fixiert ist. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Fehler in der Positionierung des Werkstücks oder einer Halteposition des Werkstücks durch den Roboter auftreten. Alternativ kann ein Fehler in einer Positionsbeziehung zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück aufgrund einer individuellen Differenz des Werkstücks, der Abnutzung des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs und dergleichen auftreten. Damit eine Verschlechterung der maschinellen Bearbeitungsqualität aufgrund eines solchen Fehlers verhindert wird, wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen.
Die JP 2009-172692 A offenbart ein Verfahren zum Einlernen einer Bewegungsbahnkurve eines Roboters, der mit einem Abgleichmechanismus zwischen einem Roboterhandgelenk und einem Schleif- oder Entgratewerkzeug versehen ist, um das Werkzeug in Kontakt mit einem Werkstück zu verbringen. Gemäß dem Stand der Technik, selbst wenn ein Fehler in der Positionierung des Werkstücks, ein Fehler in der Halteposition oder eine individuelle Differenz in der Form oder den Abmaßen des Werkstücks vorliegt, ist es noch immer möglich, den Fehler zu neutralisieren und geeignet den Schleifvorgang oder den Entgratevorgang des Werkstücks durchzuführen, so lange sich der Fehler innerhalb eines Hubbereichs des Abgleichmechanismus befindet.
Die US 5,448,146 und die JP H06-226671 A offenbaren ein Verfahren zum Einlernen einer Bewegungsbahnkurve eines Roboters, der mit einem Kraftsteuermechanismus einschließlich eines Stellglieds zwischen einem Roboterhandgelenk und einem Schleif- oder Entgratewerkzeug versehen ist, um das Werkzeug in Kontakt mit dem Werkstück zu verbringen. Gemäß dem Stand der Technik, selbst wenn ein Fehler in der Positionierung des Werkstücks, ein Fehler in der Halteposition oder eine individuelle Differenz in der Form oder den Abmaßen des Werkstücks vorliegt, wird die Kontaktkraft zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück auf einen konstanten Wert gesteuert. So lange sich der Fehler innerhalb eines Hubbereichs des Kraftsteuermechanismus befindet, ist es deshalb möglich, den Fehler zu neutralisieren, der durch verschiedene Faktoren verursacht wird.
Die JP S60-155356 A und die JP H08-087336 A offenbaren ein Verfahren zum Einlernen einer Bewegungsbahnkurve eines Roboters, der mit einem Kraftsensor zwischen einem Roboterhandgelenk und einem Schleif- oder Entgratewerkzeug versehen ist, um das Werkzeug in Kontakt mit einem Werkstück zu verbringen. Gemäß dem Stand der Technik wird die Kraftsteuerung auf eine bekannte Art und Weise durchgeführt, wie eine Impedanzsteuerung oder eine Hybridsteuerung, und wird der Roboter derart gesteuert, dass die Kontaktkraft zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück konstant bleibt. Gemäß dem Stand der Technik ist es möglich, das Werkzeug gegen das Werkstück mit einer vorbestimmten Kraft aus jedweder Richtung zu pressen. Da ein Bewegungsbereich des Roboters groß ist, ist es theoretisch möglich, einen großen Betrag an Fehlern zu neutralisieren.
Die JP H02-015956 A offenbart ein Verfahren zum Einlernen einer Bewegungsbahnkurve eines Roboters, der mit einem Abgleichmechanismus bei einem Handgelenk versehen ist, um ein Schleif- oder Entgratewerkzeug in Kontakt mit einem Werkstück zu verbringen. Gemäß dem Stand der Technik wird eine Reaktionskraft gemessen, die dem Werkzeug von dem Werkstück wiederfährt, und wird die Roboterbahnkurve in Realzeit derart korrigiert, dass die Reaktionskraft einen vorbestimmten Wert annimmt.
Die JP 2011-041992 A offenbart ein Verfahren zum Einstellen, in einem Robotersystem, das mit einem Kraftsensor und einer hydraulischen Zylindervorrichtung versehen ist, von zumindest einer aus Sollgeschwindigkeit und Sollbahn eines Roboters, Sollschub einer hydraulischen Zylindervorrichtung und Sollbewegungsgeschwindigkeit eines maschinellen Bearbeitungswerkzeugs gemäß Erfassungsdaten des Kraftsensors.
In dem in der JP 2009-172692 A offenbarten Verfahren wird in dem Fall, in dem eine flexible Einheit in dem Abgleichmechanismus umfasst ist, der Abgleichmechanismus auf Grund der Gravitation verformt, wenn der Abgleichmechanismus in einer horizontalen Richtung ausgerichtet oder hinsichtlich einer vertikalen Richtung geneigt ist. Im Ergebnis ist es nicht länger möglich, den Fehler in der Positionierung zu neutralisieren, oder es kann eine ungeeignete Presskraft erzeugt werden. Falls des Weiteren die Summe des Positionierungsfehlers oder der individuellen Differenz des Werkstücks größer als der Hub des Abgleichmechanismus ist, ist es nicht möglich, den Fehler zu neutralisieren. In dem Fall, in dem der Abgleichmechanismus eine Feder umfasst, da die Größe des Positionierungsfehlers und der Druckkraft proportional zueinander sind, wird die Presskraft von Ort zu Ort verändert. Somit kann nicht sichergestellt werden, dass die maschinelle Bearbeitungsqualität konstant ist.
In dem in der US 5,448,146 und der JP H01-226671 A offenbarten Verfahren, selbst wenn der Kraftsteuermechanismus in der horizontalen Richtung ausgerichtet ist oder hinsichtlich der vertikalen Richtung geneigt ist, wird die Mechanismuseinheit nicht verformt. Ähnlich dem in der JP 2009-172692 A offenbarten Verfahren ist es jedoch nicht möglich, einen Fehler zu neutralisieren, der größer als der Hub des Abgleichmechanismus ist.
In dem in der JP S60-155356 A und der JP H08-087336 A offenbarten Verfahren, in dem die Druckkraft durch den Betrieb des Roboterkörpers gesteuert wird, wird die Antwortgeschwindigkeit der Kraftsteuerung durch die Masse, die Trägheit und die Steifigkeit des Roboterkörpers sowie die Leistungsfähigkeit eines Stellglieds zum Antreiben des Roboters und dergleichen beeinflusst. Im Allgemeinen gilt: je größer die Masse und die Trägheit des Mechanismus, desto geringer ist die Antwortgeschwindigkeit. Demgemäß führt ein größerer Roboter zu einer verringerten Antwortgeschwindigkeit der Kraftsteuerung, und es ist womöglich nicht möglich, eine erforderliche maschinelle Bearbeitungsqualität zu erreichen. In ähnlicher Weise wird, ebenso gemäß dem in der JP H02-015956 A offenbarten Verfahren, die Antwortgeschwindigkeit der Presskraftsteuerung durch die Masse, die Trägheit und die Steifigkeit des Roboters sowie die Leistungsfähigkeit eines Stellgliedes zum Antreiben des Roboters und dergleichen beeinflusst.
Gemäß dem in der JP 2011-041992 A offenbarten Verfahren, in dem ein Versatzbetrag der hydraulischen Zylindervorrichtung gemessen wird, wenn die Position der hydraulischen Zylindervorrichtung einen mechanischen oberen Grenzwert erreicht, wird die Sollbahn des Roboters revidiert. Deshalb ist es ebenso möglich, einen Fehler zu neutralisieren, der größer als der Hub der hydraulischen Zylindervorrichtung ist. Die Bahn des Roboters wird jedoch lediglich dann revidiert, wenn der Hub den oberen Grenzwert erreicht. Deshalb liegt ein Risiko vor, dass das Werkzeug und das Werkstück zeitweilig nicht in Kontakt miteinander stehen, oder eine ungeeignete Presskraft erzeugt wird.
Somit besteht ein Bedarf an einem Robotersystem, das einen maschinellen Bearbeitungsvorgang zulässt, wie einen Entgratevorgang und einen Schleifvorgang, so dass diese geeignet durchgeführt werden können, selbst wenn ein Positionierungsfehler oder eine individuelle Differenz in der Form oder den Abmaßen eines Werkstücks vorliegt.
Kurzfassung der Erfindung
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Robotersystem bereitgestellt, das einen maschinellen Bearbeitungsvorgang für ein Werkstück unter Verwendung eines maschinellen Bearbeitungswerkzeugs durchführt und das umfasst: einen Roboter, der zumindest eines aus maschinellem Bearbeitungswerkzeug und Werkstück hält und derart betrieben wird, dass das maschinelle Bearbeitungswerkzeug und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden; ein Stellglied mit einem oder mehreren Freiheitsgraden, das bei dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug oder dem Werkstück montiert ist und eine Position eines Wirkpunktes des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs oder des Werkstücks in Zusammenarbeit mit dem Roboter ändert; und eine Steuervorrichtung, die einen Betrieb des Roboters steuert, wobei die Steuervorrichtung umfasst: eine Robotersteuereinheit, die den Roboter entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahnkurve betreibt; eine Krafterfassungseinheit, die eine zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück wirkende Kraft erfasst; eine Positionserfassungseinheit, die eine momentane Position des Wirkpunktes des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs oder des Werkstücks erfasst, das bei dem Stellglied moniert ist; eine Kraftsteuereinheit, die eine Sollposition des Wirkpunktes des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs oder des Werkstücks, das bei dem Stellglied montiert ist, derart erlangt, dass die durch die Krafterfassungseinheit erfasste Kraft sich einem vorbestimmten Wert annähert; und eine Positionskorrektureinheit, die einen Positionskorrekturbetrag einer Bewegungsbahnkurve des Roboters und einen Positionskorrekturbetrag des Stellgliedes in Antwort auf die Sollposition des Wirkpunktes des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs oder des Werkstücks berechnet.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in dem Robotersystem gemäß der ersten Ausgestaltung das Stellglied und ein Positionssensor zum Erfassen einer Position des Stellgliedes bei einer Handgelenkeinheit des Roboters vorgesehen, und ist das Werkstück innerhalb eines Bewegungsbereichs des Roboters angeordnet.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in dem Robotersystem gemäß der ersten Ausgestaltung der Roboter konfiguriert, um das Werkstück zu halten, und sind das Stellglied und ein Positionssensor zum Erfassen einer Position des Stellgliedes bei einer vorbestimmten Position innerhalb eines Bewegungsbereichs des Roboters fixiert.
Gemäß einer vierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in dem Robotersystem gemäß der ersten Ausgestaltung das Stellglied und ein Positionssensor zum Erfassen einer Position des Stellgliedes bei einer Handgelenkeinheit des Roboters vorgesehen, und ist das maschinelle Bearbeitungswerkzeug bei einer vorbestimmten Position und innerhalb eines Bewegungsbereichs des Roboters fixiert.
Gemäß einer fünften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in dem Robotersystem gemäß der ersten Ausgestaltung das maschinelle Bearbeitungswerkzeug bei einer Handgelenkeinheit des Roboters montiert und sind das Stellglied und ein Positionssensor zum Erfassen einer Position des Stellgliedes bei einer vorbestimmten Position und innerhalb eines Bewegungsbereichs des Roboters fixiert.
Gemäß einer sechsten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in dem Robotersystem gemäß zumindest einer der ersten bis fünften Ausgestaltung der Positionskorrekturbetrag der Bewegungsbahnkurve des Roboters, der durch die Positionskorrektureinheit für jede Einheitszeit berechnet wird, begrenzt, um kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert zu sein.
Gemäß einer siebten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst in dem Robotersystem gemäß zumindest einer der ersten bis sechsten Ausgestaltung die Steuervorrichtung weiterhin eine Ausführungseinheit, die zumindest eines aus Anhalten des Roboters mit einem Alarm und Aufzeichnen von zumindest einer momentanen Position und Stellung des Roboters und einer momentanen Position des Stellgliedes durchführt, wenn das Stellglied einen oberen Grenzwert oder einen unteren Grenzwert eines Bewegungsbereichs des Stellgliedes erreicht.
Gemäß einer achten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst in dem Robotersystem gemäß zumindest einer der ersten bis siebten Ausgestaltung die Steuervorrichtung weiterhin eine Ersatzeinheit, die die Bewegungsbahnkurve des Roboters durch eine Bewegungsbahnkurve des Roboters ersetzt, die gemäß dem Korrekturbetrag korrigiert wurde, der wiederum durch die Positionskorrektureinheit berechnet wurde.
Gemäß einer neunten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in dem Robotersystem gemäß zumindest einer der ersten bis achten Ausgestaltung ein Kraftsensor zum Erfassen der zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück wirkenden Kraft auf der Handgelenkeinheit des Roboters montiert.
Gemäß einer zehnten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in dem Robotersystem gemäß zumindest einer der ersten bis achten Ausgestaltung ein Kraftsensor zum Erfassen der zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück wirkenden Kraft bei einer vorbestimmten Position innerhalb des Bewegungsbereichs des Roboters fixiert.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele der Erfindung deutlicher werden, wie sie in den Zeichnungen gezeigt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Darstellung, die einen schematischen Aufbau eines Robotersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
2 eine Funktionsblockdarstellung eines Robotersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine Darstellung, die einen schematischen Aufbau eines maschinellen Bearbeitungswerkzeugs zeigt, das mit einem Stellglied mit einem einzelnen Freiheitsgrad versehen ist;
4 eine Darstellung, die einen schematischen Aufbau eines maschinellen Bearbeitungswerkzeugs zeigt, das mit einem Stellglied mit zwei Freiheitsgraden versehen ist;
5A eine Darstellung, die ein maschinelles Bearbeitungswerkzeug zeigt, das sich entlang einer Bewegungsbahnkurve eines Roboters bewegt;
5B eine Darstellung, die ein maschinelles Bearbeitungswerkzeug zeigt, das sich entlang einer Bewegungsbahnkurve eines Roboters bewegt;
6 ein Ablaufdiagramm, das Vorgänge zeigt, die in einem Robotersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel durchgeführt werden;
7 eine Darstellung, die einen schematischen Aufbau eines Robotersystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt;
8 eine Darstellung, die einen schematischen Aufbau eines Robotersystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt;
9 eine Darstellung, die einen schematischen Aufbau eines Robotersystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt;
10 eine Darstellung, die einen schematischen Aufbau eines Robotersystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt;
11 eine Darstellung, die einen schematischen Aufbau eines Robotersystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt;
12 eine Funktionsblockdarstellung eines Robotersystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
13 eine Funktionsblockdarstellung eines Robotersystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Ausführliche Beschreibung
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Maßstäbe in den gezeigten Elementen werden nach Bedarf geändert, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Dieselben Bezugszeichen werden verwendet, um dieselben Elemente oder entsprechende Elemente auszuweisen.
1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Robotersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ein Robotersystem 10 verwendet einen Roboter 2, um einen maschinellen Bearbeitungsvorgang, wie einen Entgratevorgang oder eine Schleifverarbeitung, bei einem Werkstück 7 durchzuführen. Der Roboter 2 ist z. B. ein Gelenkroboter mit 6 Achsen, wie in der Zeichnung gezeigt ist. Jedweder bekannte Roboter 2 mit anderen Aufbauten kann ebenso verwendet werden. Der Roboter 2 ist konfiguriert, um in der Lage zu sein, seine Position und Stellung gemäß einem Steuerbefehl zu ändern, der aus einer Steuervorrichtung 3 über eine bekannte Kommunikationseinrichtung gesendet ist, wie einem Kommunikationskabel 11.
Eine Handgelenkeinheit 22, die bei einem Ende eines Arms 21 des Roboters 2 vorgesehen ist, ist mit einem Kraftsensor 4, einem Stellglied 5 und einem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6 versehen. Der Kraftsensor 4, der zwischen dem Stellglied 5 und der Handgelenkeinheit 22 vorgesehen ist, erfasst eine externe Kraft, die auf das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 wirkt. Der Kraftsensor 4 ist konfiguriert, um eine Reaktionskraft zu erfassen, die auf das gegen das Werkstück 7 gepresste maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 wirkt, wenn das Werkstück 7 maschinell bearbeitet wird. Das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 ist z. B. ein bekanntes Werkzeug, das für eine maschinelle Bearbeitung verwendet wird, wie einen Entgratevorgang und einen Schleifvorgang, nämlich ein Schleifer, ein Schmirgelschleifer und dergleichen.
Das Stellglied 5 ist mit dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6 bei einem Ende auf der gegenüberliegenden Seite der Handgelenkeinheit 22 angebracht. Das Stellglied 5 weist einen oder mehrere Freiheitsgrade separat von einem Bewegungsmechanismus des Roboters 2 auf. Das Stellglied 5 ist z. B. ausgelegt, um Leistung von einem Servomotor, einem pneumatischen Zylinder, einem hydraulischen Zylinder und dergleichen zu empfangen. Wenn z. B. das Stellglied 5 durch einen Servomotor angetrieben wird, dann wird eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung über eine Kugelrollspindel oder dergleichen umgewandelt. Das Stellglied 5 ist konfiguriert, um gemäß einer Kraftsteuerung durch eine Kraftsteuereinheit 33 betrieben zu werden, die nachstehend beschrieben werden wird, und den Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6 einzustellen. Der Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6 ist ein Punkt, an dem das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 in Kontakt mit dem Werkstück 7 in einem maschinellen Bearbeitungsvorgang steht.
Das Stellglied 5 umfasst einen Positionssensor 51, der die Position des Stellgliedes 5 erfasst. Auf der Grundlage der Position des Stellgliedes 5, die durch den Positionssensor 51 erfasst ist, wird die Position des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6 berechnet. Der Positionssensor 51 umfasst z. B. einen Impulsmessgeber, einen Drehmessgeber, eine lineare Skala oder dergleichen.
3 zeigt einen beispielhaften Aufbau des Stellgliedes 5, das das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 bewegt. Das gezeigte Stellglied 5 weist einen einzelnen Freiheitsgrad auf und kann das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 in einer Richtung bewegen, die durch einen Pfeil A3 (eine Richtung parallel zu einer X-Achse) angegeben ist. Wenn das Werkstück 7 maschinell bearbeitet wird, dann wird der Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6 durch das Stellglied 5 hin zu einer Sollposition bewegt, bei der die Presskraft gegen das Werkstück 7 einen vorbestimmten Wert annimmt. Ein Bewegungsbereich des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6 durch das Stellglied 5 hängt von der Länge einer Kugelrollspindel in dem Stellglied 5, einem Bewegungsbereich eines Zylinders o. ä. ab.
4 zeigt einen weiteren beispielhaften Aufbau des Stellgliedes 5, das das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 bewegt. Das gezeigte Stellglied 5 weist zwei Freiheitsgrade auf und kann das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 in Richtungen bewegen, die durch einen Pfeile A41 und A42 (Richtungen parallel zu der X-Achse bzw. der Y-Achse) angegeben ist. In diesem Fall wird das Stellglied 5 gemäß einer Kraftsteuerung in jeder der X-Achse und der Y-Achse derart gesteuert, dass das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 hin zu einer Sollposition bewegt wird, bei der die zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6 und dem Werkstück 7 wirkende Kraft auf einer X-Y-Ebene einen vorbestimmten Wert erreicht. Ein Bewegungsbereich des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6 auf der X-Y-Ebene hängt von der Länge einer Kugelrollspindel des Stellgliedes 5, einem Bewegungsbereich eines Zylinders o. ä. ab.
Das Werkstück 7 ist bei einer vorbestimmten Position innerhalb des Bewegungsbereiches des Roboters 2 positioniert. Alternativ kann das Werkstück 7 ebenso bei einer unbekannten Position innerhalb des Bewegungsbereichs des Roboters 2 vorgesehen sein. Das Robotersystem 10 ändert die Position und die Stellung des Roboters 2, um das Werkstück 7 maschinell zu bearbeiten, indem das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 entlang eines Abschnitts einer Oberfläche 7a des Werkstücks 7 bewegt wird, bei dem ein Grat ausgebildet wurde, oder entlang eines Abschnitts bewegt wird, der abzuschleifen ist, während das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 gegen das Werkstück 7 mit einer vorbestimmten Kraft gepresst wird.
Die Steuervorrichtung 3 ist ein Digitalcomputer mit einem Hardwareaufbau, der eine CPU, einen ROM, einen RAM und eine Schnittstelle umfasst, die Signale und Daten zu/von einer externen Vorrichtung sendet/empfängt, wie eine Eingabevorrichtung und eine Anzeigevorrichtung. Die Steuervorrichtung 3 führt verschiedene Funktionen, die nachstehend beschrieben werden werden, mit einem vorbestimmten Steuerzyklus durch.
2 zeigt eine Funktionsblockdarstellung des Robotersystems 10. Wie in 2 gezeigt, umfasst die Steuervorrichtung 3 eine Robotersteuereinheit 31, eine Krafterfassungseinheit 32, eine Kraftsteuereinheit 33, eine Positionserfassungseinheit 34 und eine Positionskorrektureinheit 35.
Die Robotersteuereinheit 31 erzeugt einen Steuerbefehl für einen Roboter 2 derart, dass der Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6, das bei der Handgelenkeinheit 22 des Roboters 2 vorgesehen ist, sich entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahnkurve bewegt. In Antwort auf den Steuerbefehl, der durch die Robotersteuereinheit 31 erzeugt ist, wird ein Antriebsstrom einem Servomotor zugeführt, der bei jedem Gelenk des Roboters 2 vorgesehen ist.
Die Krafterfassungseinheit 32 erfasst eine zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6 und dem Werkstück 7 wirkende Kraft durch den Kraftsensor 4, der bei der Handgelenkeinheit 22 des Roboters 2 vorgesehen ist. Der Kraftsensor 4 ist z. B. ein Sensor, der einen Dehnmessstreifen, einen Sensor zum Erfassen einer Änderung in einem Kapazitätswert zum Erlangen der Kraft oder einen Sensor zur optischen Erfassung der Dehnung verwendet. Der Kraftsensor 4 kann jedweder bekannte Kraftsensor sein und ist nicht auf irgendeine Art und Weise hinsichtlich des Erfassungsprinzips eingeschränkt. Der Kraftsensor 4 kann ein Sensor sein, der eine Kraft in einer einzelnen Richtung erfassen kann, oder ein Sensor sein, der eine Kraft in zwei Richtungen oder drei Richtungen erfasst, die lotrecht zueinander stehen, falls dies erforderlich ist.
Die Kraftsteuereinheit 33 steuert die Position des Stellgliedes 5 derart, dass die zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6 und dem Werkstück 7 wirkende Kraft sich einem vorbestimmten Wert annähert. Die Kraftsteuereinheit 33 führt z. B. eine Kraftsteuerung unter Verwendung einer Impedanzsteuerung, einer Dämpfungssteuerung, einer Steifigkeitssteuerung, einer Hybridsteuerung oder dergleichen durch. Die Antwortgeschwindigkeit der Kraftsteuerung hängt von einer Leistungsfähigkeit des Stellgliedes 5 und einer Steuervorrichtung dessen, dem Betrag einer Last auf das Stellglied 5 und dergleichen ab. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entsteht eine Last auf das Stellglied 5 hauptsächlich auf Grund des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 und eines Anfügeabschnitts des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 und ist vergleichsweise klein. Demgemäß weist das Stellglied 5 eine gute Antwortgeschwindigkeit hinsichtlich der Kraftsteuerung auf. Eine Steuervorrichtung, die das Stellglied 5 steuert, kann ebenso separat von der Steuervorrichtung 3 vorgesehen sein, die den Roboter 2 steuert. In diesem Fall sind einige Funktionen der Kraftsteuereinheit 33 und der Positionskorrektureinheit 35, die nachstehend beschrieben werden werden, in einem Computer separat von der Steuervorrichtung 3 vorgesehen.
Die Positionserfassungseinheit 34 erfasst die Position des Stellgliedes 5 aus dem Positionssensor 51, der bei dem Stellglied 5 vorgesehen ist. Die Positionserfassungseinheit 34 kann weiterhin den Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 aus der Position des Stellgliedes durch Berechnung erlangen.
Als nächstes wird ein Schema beschrieben werden werden, in dem der Roboter 2 und das Stellglied 5 Digital gesteuert werden.
Auf der Grundlage der Impedanzsteuerung wird die Kraftsteuerung mit einem konstanten Steuerzyklus Δt derart durchgeführt, dass die nachstehende Gleichung 1 erfüllt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass das Stellglied 5 ein Stellglied mit einem einzelnen Freiheitsgrad ist, wie in 3 beispielhaft gezeigt, und dass eine Bewegungsrichtung des Stellglieds 5 eine X-Achsrichtung in einem Koordinatensystem ist, das hinsichtlich des Positionssensors 51 definiert ist. M × (ẍ – ẍd) + D × (ẋ – ẋd) + K × (x – xd) = fdx – fx Gleichung 1

M:: Der Massekoeffizient
D:: Der Dämpfungskoeffizient
K:: Der Federkoeffizient
x:: Die Ist-Position des Wirkpunktes des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges in der X-Achsrichtung
ẋ:: Die Ist-Geschwindigkeit des Wirkpunktes des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs in der X-Achsrichtung
xd:: Die voreingestellte Position des Wirkpunkts des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges in der X-Achsrichtung
ẋd:: Die voreingestellte Geschwindigkeit des Wirkpunktes des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges in der X-Achsrichtung
ẍd:: Die voreingestellte Beschleunigung des Wirkpunktes des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs in der X-Achsrichtung
fx:: Die Kraft in der X-Achsrichtung, die durch die Krafterfassungseinheit erfasst ist
fxd:: Der Sollkraftwert in der X-Achsrichtung

In der Gleichung 1 sind der Massekoeffizient, der Dämpfungskoeffizient, der Federkoeffizient, die voreingestellte Position, die voreingestellte Geschwindigkeit und die voreingestellte Beschleunigung des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 und der Sollkraftwert voreingestellte Werte, die durch einen Bediener eingegeben werden. Die Ist-Position des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 ist ein Ausgabewert der Positionserfassungseinheit 34. Die Ist-Geschwindigkeit des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 wird z. B. aus einer Differenz in den Ausgabewerten der Positionserfassungseinheit 34 erlangt.
Aus der Gleichung 1 wird die nachstehende Gleichung 2 erlangt, um die Sollbeschleunigung des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 zu bestimmen. ẍ = ẍd + (fd – f + D × (ẋd – ẋ) + K × (xd – x))/M Gleichung 2

ẍ:: Die Sollbeschleunigung des Wirkpunktes des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges

Durch Durchführen einer Integration zweiter Ordnung auf der rechten Seite von Gleichung 2 wird die Sollposition des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 erlangt. Wenn angenommen wird, dass der Wert der rechten Seite von der Gleichung 2 während eines Steuerzyklus Δt konstant ist, wird die Sollposition nach Δt durch die nachfolgende Gleichung 3 ausgedrückt: ∫∫(ẍd + (fd – f + D × (ẋd – ẋ) + K × (xd – x))/M)dtdt = ∫(v0 + (ẍd + (fd – f + D × (ẋd – ẋ) + K × (xd – x))/M) × t)dt = x0 + v0 × Δt + 0.5 × (ẍd + (fd – f + D × (ẋd – ẋ) + K × (xd – x))/M) × Δt² Gleichung 3

x0:: Die momentane Position des Wirkpunktes des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges
v0:: Die momentane Geschwindigkeit des Wirkpunktes des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges

Die momentane Position des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 ist ein Ausgabewert der Positionserfassungseinheit 34. Die momentane Geschwindigkeit des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 wird aus der Differenz der Ausgabewerte der Positionserfassungseinheit 34 berechnen.
In dem Fall, in dem das Stellglied mit zwei Freiheitsgraden, wie unter Bezugnahme auf 4 beschreiben wurde, verwendet wird, werden zwei Versionen von Gleichung 1 unabhängig voneinander hinsichtlich einer X-Achsrichtung und einer Y-Achsrichtung in einem Koordinatensystem des Positionssensors 51 erlangt (in dem Fall der Y-Achsrichtung wird in „x” in Gleichung 1 durch „y” ersetzt). Ähnlich dem Stellglied mit einem einzelnen Freiheitsgrad werden die Sollpositionen des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 aus Gleichung 3 hinsichtlich der X-Achsrichtung bzw. der Y-Achsrichtung erlangt.
Die Positionskorrektureinheit 35 berechnet einen Positionskorrekturbetrag des Stellgliedes 5 gemäß der Sollposition des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6, die durch die Kraftsteuereinheit 33 erlangt ist. Der Hub des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6, der durch die Kraftsteuereinheit 33 gesteuert wird, hängt von der Länge der Kugelrollspindel des Stellgliedes 5, einem Bewegungsbereich eines Zylinders o. ä. ab. 5A zeigt das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6, wenn der Roboter 2 entlang einer linearen Bewegungsbahnkurve T5 bewegt wird. Der Roboter 2 wird z. B. derart gesteuert, dass ein Referenzpunkt 23, der bei einem Ende der Handgelenkeinheit 22 gesetzt ist, entlang der Bewegungsbahnkurve T5 bewegt wird. Die Bewegungsbahnkurve des Roboters 2 ist nicht auf die lineare Bewegungsbahnkurve T5 beschränkt, die beispielhaft gezeigt ist, und wird in Anbetracht der Form der Oberfläche 7a des Werkstücks 7 o. ä. derart eingestellt, dass die maschinelle Bearbeitung innerhalb des Bewegungsbereichs des Stellgliedes 5 vollendet werden kann. Deshalb kann die Bewegungsbahnkurve ebenso gekrümmt entlang der Form der Oberfläche 7a des Werkstücks 7 sein.
Wenn der Positionierungsfehler des Werkstücks 7 jenseits eines erwarteten Bereichs liegt, oder die Form des Werkstücks 7 unbekannt ist oder eine individuelle Differenz in der Form oder den Abmaßen des Werkstücks groß ist, kann die Sollposition des Wirkpunktes 61 ebenso von dem Bewegungsbereich des Stellgliedes 5 während der Kraftsteuerung abweichen. In diesem Fall, wie durch eine gestrichelte Linie in 5A gezeigt, kann der Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 die Oberfläche 7a des Werkstückes 7 nicht erreichen, und kann somit die Kraftsteuerung nicht durchgeführt werden. Demgegenüber kann das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 dem Werkstück 7 zu nahe kommen, so dass eine ungeeignete Presskraft zwischen dem maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 und dem Werkstück 7 wirken kann.
Wenn die Sollposition des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6, die in der vorstehend beschriebenen Gleichung 3 erlangt ist, von einem vorbestimmten Bereich entsprechend dem Bewegungsbereich des Stellgliedes 5 abweicht, führt deshalb die Positionskorrektureinheit 35 eine Positionskorrektur der Bewegungsbahnkurve des Roboters 2 zusätzlich zu der Positionskorrektur des Stellgliedes 5 auf der Grundlage der Kraftsteuereinheit 33 durch. Im Einzelnen korrigiert die Positionskorrektureinheit 35 automatisch die Bewegungsbahnkurve des Roboters 2 und berechnet den Positionskorrekturbetrag des Roboters 2 zusätzlich zu dem Positionskorrekturbetrag des Stellgliedes 5. Auf diese Art und Weise wird die in Gleichung 3 erlangte Sollposition realisiert. 5B zeigt eine Bewegungsbahnkurve T5', die der Positionskorrektur durch die Positionskorrektureinheit 35 unterzogen wurde. In der Position, die durch eine gestrichelte Linie angegeben ist, wurde die Bewegungsbahnkurve T5' des Roboters 2 korrigiert, um sich hin zu dem Werkstück 7 zu bewegen. Folglich ist es innerhalb des Bewegungsbereichs des Stellgliedes 5 möglich, das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 an das Werkstück 7 mit einer vorbestimmten Presskraft zu pressen.
Das nachstehende Verfahren kann als ein Verfahren zum Realisieren der Sollposition Pt des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6, die in Gleichung 3 erlangt ist, innerhalb des Bewegungsbereiches des Stellgliedes 5 eingesetzt werden. Das Stellglied 5 mit einem einzelnen Freiheitsgrad, das unter Bezug auf 3 beschrieben wurde, wird beispielhaft beschrieben werden. Es werden jedoch in dem Fall des Stellgliedes mit zwei Freiheitsgraden ähnliche Berechnungen hinsichtlich einer X-Achsrichtung bzw. einer Y-Achsrichtung durchgeführt. Wenn z. B. „Pt > Pm + Pr” erfüllt ist, dann korrigiert die Positionskorrektureinheit 35 die Sollposition des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 auf (Pt – Pc). Pm ist die Position des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6, wenn das Stellglied 5 bei dem Mittelpunkt seines Bewegungsbereiches positioniert ist. Pr wird derart voreingestellt, dass sowohl Pm + Pr als auch Pm – Pr in dem Bewegungsbereich des Stellgliedes 5 umfasst sind. Pr ist z. B. ein Wert größer oder gleich 0 und kleiner oder gleich einem halben Hub des Stellgliedes 5. Pr wird jedoch vorzugsweise auf einen Wert hinreichend kleiner als den halben Hub eingestellt, um nicht von dem Bewegungsbereich des Stellgliedes 5 während eines maschinellen Bearbeitungsvorgangs abzuweichen. Die Sollposition Pt ist ein Wert, der in dem Koordinatensystem des Positionssensors 51 beschrieben ist. Des Weiteren korrigiert die Positionskorrektureinheit 35 die Bewegungsbahnkurve des Roboters 2 um einen Betrag von Pc in der X-Achsrichtung (eine Bewegungsrichtung des Stellgliedes 5) in dem Koordinatensystem des Positionssensors 51. Pc ist ein fester Wert und kann z. B. ebenso abhängig von der Art eines Roboters eingestellt werden. Wenn sich Pt einem Grenzwert des Bewegungsbereiches annähert, dann kann Pc des Weiteren ebenso größer eingestellt werden.
Wenn Pt < Pm – Pr erfüllt ist, korrigiert die Positionskorrektureinheit 35 die Sollposition des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 zu (Pt + Pc) und korrigiert die Bewegungsbahnkurve des Roboters 2 in der X-Achsrichtung in dem Koordinatensystem des Positionssensors um einen Betrag von –Pc.
Damit der Roboter 2 glatt betrieben werden kann, kann ein oberer Grenzwert bei dem Positionskorrekturbetrag Pc für die Bewegungsbahnkurve des Roboters 2 in einem einzelnen Steuerzyklus Δt angewendet werden. Wenn in diesem Fall der Positionskorrekturbetrag Pc einen voreingestellten oberen Grenzwert überschreitet, wird der Positionskorrekturbetrag Pc durch den oberen Grenzwert ersetzt. Alternativ kann der Positionskorrekturbetrag Pc ebenso durch einen eingestellten Wert Pc' durch ein Tiefpassfilter o. ä. ersetzt werden. Alternativ kann der Positionskorrekturbetrag in einem einzelnen Steuerzyklus Δt ebenso begrenzt werden und kann die Positionskorrektur ebenso über eine Vielzahl von Steuerzyklen Δt durchgeführt werden.
In dem Fall des Stellgliedes mit zwei Freiheitsgraden, wie in 4 gezeigt ist, wird ein Positionskorrekturbetrag der Bewegungsbahnkurve des Roboters 2 in der Y-Achse unabhängig von der X-Achsrichtung erlangt.
Unter Bezugnahme auf 6 wird der Betriebsablauf, der in dem Robotersystem 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel durchgeführt wird, beschrieben werden. Die Vorgänge in Schritten S601 bis S607 werden innerhalb eines vorbestimmten Steuerzyklus Δt durchgeführt. Wenn das Robotersystem einen maschinellen Bearbeitungsvorgang beginnt, dann bewegt die Robotersteuereinheit 31 den Roboter 2 in Schritt S601 entlang einer Bewegungsbahnkurve, die vorab gelehrt oder ausgewiesen ist. In Schritt S602 erfasst die Krafterfassungseinheit 32 die zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6 und dem Werkstück 7 wirkende Kraft.
Als nächstes erfasst in Schritt S603 die Positionserfassungseinheit 34 eine momentane Position des Stellgliedes 5 und berechnet weiterhin eine momentane Position des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 aus der Position des Stellgliedes 5. In Schritt S604 berechnet die Kraftsteuereinheit 33 die Position des Stellgliedes 5 und deshalb die Sollposition des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 gemäß der vorstehend beschriebenen Gleichung 3 derart, dass die in Schritt S602 erlangte Kraft sich einer vorbestimmten Presskraft annähert. Des Weiteren berechnet die Kraftsteuereinheit 33 eine Sollposition des Stellgliedes 5 entsprechend der Sollposition des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6.
In Schritt S605 wird bestimmt, ob die Sollposition des Stellgliedes 5, die in Schritt S604 erlangt ist, sich innerhalb eines vorab bestimmten Bereichs befindet oder nicht, auf der Grundlage des Bewegungsbereichs des Stellgliedes 5. Der in der Bestimmung verwendete Bereich ist ein Bereich mit einer Zugabe in einem bestimmten Grad, so dass es möglich ist zu bestimmen, ob eine Änderung einer Bewegungsbahnkurve erforderlich ist oder nicht, bevor der Grenzwert des Bewegungsbereichs des Stellgliedes 5 erreicht wird, wie vorstehend beschrieben wurde.
In dem Fall, in dem das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S605 negativ ausfällt, kann der Bewegungsbereich des Stellgliedes 5 überschritten werden, bevor der Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 eine Sollposition erreicht. Deshalb berechnet in Schritt S606, zur angemessen Durchführung der Kraftsteuerung, die Positionskorrektureinheit 35 einen Positionskorrekturbetrag zum Ändern der Bewegungsbahnkurve des Roboters 5 derart, dass das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 sich näher hin zu dem Werkstück 7 oder weiter weg von dem Werkstück 7 bewegt, welcher Vorgang auch immer angemessen ist. In Schritt S607 berechnet die Positionskorrektureinheit 35 einen Positionskorrekturbetrag des Stellgliedes 5, der erlangt wird, indem der Positionskorrekturbetrag der Bewegungsbahnkurve des Roboters 2, der in Schritt S606 erlangt ist, von der Sollposition des Stellgliedes 5 subtrahiert wird, die in Schritt S604 erlangt ist, so dass der Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 die Sollposition erreicht.
Demgegenüber ist es in dem Fall, in dem das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S605 positiv ausfällt, nicht erforderlich, die Bewegungsbahnkurve des Roboters 2 zu ändern, und es kann angenommen werden, dass lediglich das Stellglied 5 die Kraftsteuerung durchführen muss. Folglich wird der Schritt S606 umgangen, um zu dem Schritt S607 überzugehen, in dem die Positionskorrektureinheit 35 den Positionskorrekturbetrag des Stellgliedes 5 gemäß der Sollposition des Stellgliedes 5 berechnet, die in Schritt S604 erlangt ist.
Gemäß dem Robotersystem 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die folgenden Vorteile erlangt.

(1) Wenn ein maschineller Bearbeitungsvorgang gemäß einer Kraftsteuerung durchgeführt wird, dann kann eine Positionsbeziehung zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6 und dem Werkstück 7 durch das Stellglied 5 geändert werden. Demgemäß hängt die Antwortgeschwindigkeit auf die Kraftsteuerung von dem Stellglied 5 unabhängig von dem Aufbau des Roboters 2 ab. Die Last auf das Stellglied 5 ist im Allgemeinen klein, und das Stellglied weist eine gute Antwortgeschwindigkeit auf. Deshalb ist es möglich, das Robotersystem 10 mit einer überlegenen Antwortgeschwindigkeit auf die Kraftsteuerung vorzusehen.
(2) In dem Fall, in dem die Sollposition des Wirkpunktes 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges 6 den Bewegungsbereich des Stellgliedes 5 überschreitet, wird die Bewegungsbahnkurve des Roboters 2 automatisch geändert. Demgemäß ist die Bewegungsbahnkurve des Roboters 2 nicht auf den Bewegungsbereich des Stellgliedes 5 beschränkt. Selbst wenn ein Fehler groß ist, ist es deshalb noch immer möglich, einen maschinellen Bearbeitungsvorgang geeignet durchzuführen.
(3) In dem Fall, in dem ein Positionskorrekturbetrag, der durch die Positionskorrektureinheit 35 berechnet ist, einen vorbestimmten oberen Grenzwert überschreitet, wird der Positionskorrekturbetrag auf den oberen Grenzwert beschränkt. Deshalb ist es möglich zu verhindern, dass der Roboter 2 oder das Stellglied 5 sich schnell innerhalb eines einzelnen Steuerzyklus Δt schnell bewegt.

7 zeigt einen schematischen Aufbau des Robotersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist an der Handgelenkeinheit 22 des Roboters 2 ein Haltewerkzeug 62 montiert, das das Werkstück 7 halten kann. Demgegenüber ist das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 in dem Bewegungsbereich des Roboters 2 über einen Trägerkörper 12 fixiert. Der Roboter 2 bewegt das Werkstück 7 relativ zu dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6, indem die Position und die Stellung des Roboters 2 geändert werden, während das Werkstück 7 durch das Haltewerkzeug 62 gehalten wird. Das Haltewerkzeug 62 ist z. B. eine Hand, die mit sich öffnenden und schließenden Greifern versehen ist, ein Ansaugwerkzeug, das eine Saugkraft mittels eines negativen Drucks erzeugt, ein magnetisches Werkzeug, das das Werkstück 7 magnetisch anzieht oder ähnliches. Zwischen dem Trägerkörper 12 und dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6 sind der Kraftsensor 4, der Positionssensor 51 und das Stellglied 5 vorgesehen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein maschineller Bearbeitungsvorgang durchgeführt, indem der Wirkpunkt des Werkstücks 7 und der Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6 relativ zueinander mittels des Stellgliedes 5 und des Roboters 2 derart bewegt werden, dass das Werkstück 7 eine vorbestimmte Presskraft gegen das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 erzeugt. Der Wirkpunkt des Werkstücks 7 ist ein Kontaktpunkt mit dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6, der auf der Oberfläche 7a des maschinell zu bearbeitenden Werkstücks 7 gelegen ist. Der funktionale Aufbau der Steuervorrichtung 3 ist ähnlich jenem des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels.
8 zeigt einen schematischen Aufbau des Robotersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist an der Handgelenkeinheit 22 des Roboters 2 das Haltewerkzeug 62 montiert, das das Werkstück 7, das Stellglied 5, den Positionssensor 51 und den Kraftsensor 4 halten kann. Demgegenüber ist das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 innerhalb des Bewegungsbereiches des Roboters 2 über den Trägerkörper 12 fixiert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein maschineller Bearbeitungsvorgang durchgeführt, in dem der Wirkpunkt des Werkstücks 7 und der der Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6 relativ zueinander mittels des Stellgliedes 5 und des Roboters 2 derart bewegt werden, dass eine vorbestimmte Presskraft zwischen dem Werkstück 7 und dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6 erzeugt wird. Der funktionale Aufbau der Steuervorrichtung 3 ist ähnlich jenem des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels.
9 zeigt einen schematischen Aufbau des Robotersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Roboter 2 an seinem Handgelenk 22 mit dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6 versehen. Demgegenüber ist der Trägerkörper 12 mit dem Kraftsensor 4, dem Positionssensor 51, dem Stellglied 5 und dem Haltewerkzeug 62 versehen, das an dem Stellglied 5 montiert ist und das Werkstück 7 halten kann. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bewegt der Roboter 2 den Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6 und bewegt das Stellglied 5 den Wirkpunkt des Werkstücks 7, das durch das Haltewerkzeug 62 gehalten wird, derart, dass eine vorbestimmte Presskraft zwischen dem Werkstück 7 und dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6 erzeugt wird. Der funktionale Aufbau der Steuervorrichtung 3 ist ähnlich jenem des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels.
10 zeigt einen schematischen Aufbau des Robotersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist an der Handgelenkeinheit 22 des Roboters 2 der Positionssensor 51, das Stellglied 5 und das Haltewerkzeug 62 montiert. Demgegenüber sind der Kraftsensor 4 und das maschinelle Bearbeitungswerkzeug 6 an dem Trägerkörper 12 fixiert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein maschineller Bearbeitungsvorgang für das Werkstück 7 durchgeführt, indem der Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6 und der Wirkpunkt des Werkstücks 7 relativ zueinander in Zusammenarbeit zwischen dem Roboter 2 und dem Stellglied 5 bewegt werden. Der funktionale Aufbau der Steuervorrichtung 3 ist ähnlich jenem des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels.
11 zeigt einen schematischen Aufbau des Robotersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Roboter 2 an seinem Handgelenk 22 mit dem Kraftsensor 4 und dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug 6 versehen. Demgegenüber sind der Positionssensor 51, das Stellglied 5 und das Haltewerkzeug 62 an dem Trägerkörper 12 fixiert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein maschineller Bearbeitungsvorgang für das Werkstück 7 durchgeführt, indem der Wirkpunkt 61 des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs 6 und der Wirkpunkt des Werkstücks 7 relativ zueinander in Zusammenarbeit zwischen dem Roboter 2 und dem Stellglied 5 bewegt werden. Der funktionale Aufbau der Steuervorrichtung 3 ist ähnlich jenem des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels.
12 zeigt eine Funktionsblockdarstellung des Robotersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Steuervorrichtung 3 weiterhin eine Ausführungseinheit 36 zusätzlich zu dem in 2 gezeigten Aufbau. Die Ausführungseinheit 36 hält den Roboter 2 mit einem Alarm an, wenn die Position des Stellgliedes 5, die durch den Positionssensor 51 erfasst ist, einen oberen Grenzwert oder einen unteren Grenzwert des Bewegungsbereichs des Stellgliedes 5 erreicht, oder dem oberen Grenzwert oder dem unteren Grenzwert hinreichend nahe kommt. In diesem Fall, wenn das Stellglied 5 im Wesentlichen den Grenzwert des Bewegungsbereichs erreicht, kann das Robotersystem 10 einen Bediener bezüglich einer Anomalie benachrichtigen. Zum Beispiel kann der Bediener das Werkstück 7 als ein schadhaftes Produkt im Unterschied zu einem Qualitätsprodukt verwerfen, oder kann ebenso einen maschinellen Bearbeitungsvorgang noch einmal mit geänderten Einstellungen durchführen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Ausführungseinheit 36 ebenso konfiguriert sein, um zumindest eines aus momentaner Position des Roboters 2 und momentaner Position des Stellgliedes 5 aufzuzeichnen, wenn das Stellglied 5 im Wesentlichen den Grenzwert des Bewegungsbereichs erreicht. In diesem Fall kann das Robotersystem 10 einen maschinellen Bearbeitungsvorgang ohne den Alarmhalt des Roboters 2 durchführen, und kann ein Bediener später einen Abschnitt überprüfen, in dem eine Anomalie auftritt, oder kann ebenso einen maschinellen Bearbeitungsvorgang noch einmal durch geänderte Einstellungen durchführen.
13 zeigt eine Funktionsblockdarstellung des Robotersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Steuervorrichtung 3 weiterhin eine Ersatzeinheit 37 zusätzlich zu dem in 2 gezeigten Aufbau. Die Ersatzeinheit 37 speichert eine Bewegungsbahnkurve, die gemäß einem Positionskorrekturbetrag korrigiert ist, der wiederum durch die Positionskorrektureinheit 35 berechnet wurde, und ersetzt die Bewegungsbahnkurve des Roboters 2, die durch die Robotersteuereinheit 31 verwendet wird, durch die korrigierte Bewegungsbahn.
Selbst in dem Fall, in dem vergleichsweise große individuelle Differenzen hinsichtlich der Form oder den Abmaßen unter Werkstücken mit unterschiedlichen Herstellungschargennummern vorliegen, tendieren z. B. Werkstücke mit derselben Herstellungschargennummer zu kleinen individuellen Differenzen. In einem solchen Fall wird eine korrigierte Bewegungsbahnkurve des Roboters, die als Ergebnis eines maschinellen Bearbeitungsvorgangs erlangt ist, der für das erste Mal durchgeführt wird, nachdem Werkstücke mit einer anderen Herstellungschargennummer eingeführt werden, als eine neue Bewegungsbahnkurve gespeichert. Dies beseitigt den Bedarf an einer Korrektur der Bewegungsbahnkurve des Roboters 2 für jedes Werkstück 7, bis Werkstücke mit einer anderen Herstellungschargennummer maschinell bearbeitet werden. Folglich kann ein maschineller Bearbeitungsvorgang stabilisiert werden.
Wirkung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung, selbst wenn ein Positionierungsfehler eines Werkstücks groß ist oder eine individuelle Differenz in der Form oder den Abmaßen des Werkstücks vorliegt, ist es möglich, einen maschinellen Bearbeitungsvorgang geeignet durchzuführen, wie einen Entgratevorgang und einen Schleifvorgang des Werkstücks. Des Weiteren hängt die Antwortgeschwindigkeit der Kraftsteuerung von der Leistungsfähigkeit des Stellgliedes mit einem einzelnen oder mehreren Freiheitsgraden ab, das unabhängig von dem Roboter gesteuert wird, so dass es möglich ist, eine gute maschinelle Bearbeitungsqualität ohne Rücksichtnahme auf den Aufbau des Roboters zu erreichen.
Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele und Varianten der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben wurden, ist für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, dass die beabsichtigten Funktionen und Wirkungen ebenso durch andere Ausführungsbeispiele und Varianten erreicht werden können. Es ist insbesondere möglich, ein bildendes Element der Ausführungsbeispiele und Varianten auszulassen oder zu ersetzen, oder zusätzlich eine bekannte Einrichtung vorzusehen, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Des Weiteren ist es für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung durch jedwede Kombination von Merkmalen der Ausführungsbeispiele implementiert werden kann, die hier explizit oder implizit offenbart sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-172692 A [0003, 0008, 0009]
US 5448146 [0004, 0009]
JP 06-226671 A [0004]
JP 60-155356 A [0005, 0010]
JP 08-087336 A [0005, 0010]
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JP 2011-041992 A [0007, 0011]
JP 01-226671 A [0009]

Claims

Robotersystem (10), das einen maschinellen Bearbeitungsvorgang für ein Werkstück (7) unter Verwendung eines maschinellen Bearbeitungswerkzeuges (6) durchführt, umfassend: einen Roboter (2), der zumindest eines aus maschinellem Bearbeitungswerkzeug (6) und Werkstück (7) hält und derart betrieben wird, dass das maschinelle Bearbeitungswerkzeug (6) und das Werkstück (7) relativ zueinander bewegt werden; ein Stellglied (5) mit einem oder mehreren Freiheitsgraden, das an dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug (6) oder dem Werkstück (7) montiert ist und eine Position eines Wirkpunktes (61) des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs (6) oder des Werkstücks (7) in Zusammenarbeit mit dem Roboter (2) ändert; und eine Steuervorrichtung (3), die einen Betrieb des Roboters (2) steuert, wobei die Steuervorrichtung (3) umfasst: eine Robotersteuereinheit (31), die den Roboter (2) entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahnkurve betreibt; eine Krafterfassungseinheit (32), die eine zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug (6) und dem Werkstück (7) wirkende Kraft erfasst; eine Positionserfassungseinheit (34), die eine momentane Position des Wirkpunktes (61) des maschinellen Bearbeitungswerkzeugs (6) oder des Werkstücks (7) erfasst, das an dem Stellglied (5) montiert ist; eine Kraftsteuereinheit (33), die eine Sollposition des Wirkpunktes (61) des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges (6) oder des Werkstücks (7), das an dem Stellglied (5) montiert ist, derart erlangt, dass die durch die Krafterfassungseinheit (32) erfasste Kraft sich einem vorbestimmten Wert annähert; und eine Positionskorrektureinheit (35), die einen Positionskorrekturbetrag der Bewegungsbahnkurve des Roboters (2) und einen Positionskorrekturbetrag des Stellgliedes in Antwort auf die Sollposition des Wirkpunktes (61) des maschinellen Bearbeitungswerkzeuges (6) oder des Werkstücks (7) berechnet.
Robotersystem (10) gemäß Anspruch 1, wobei das Stellglied (5) und der Positionssensor (51) zum Erfassen einer Position des Stellgliedes (5) bei einer Handgelenkeinheit (22) des Roboters (2) vorgesehen sind, und das Werkstück (7) innerhalb eines Bewegungsbereichs des Roboters (2) angeordnet ist.
Robotersystem (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Roboter (2) konfiguriert ist, um das Werkstück (7) zu halten, und das Stellglied (5) und ein Positionssensor (51) zum Erfassen einer Position des Stellgliedes (5) bei einer vorbestimmten Position innerhalb eines Bewegungsbereichs des Roboters (2) fixiert sind.
Robotersystem (10) gemäß Anspruch 1, wobei das Stellglied (5) und der Positionssensor (51) zum Erfassen einer Position des Stellgliedes (5) bei einer Handgelenkeinheit (22) des Roboters (2) vorgesehen sind, und das maschinelle Bearbeitungswerkzeug (6) bei einer vorbestimmten Position innerhalb eines Bewegungsbereichs des Roboters (2) fixiert ist.
Robotersystem (10) gemäß Anspruch 1, wobei das maschinelle Bearbeitungswerkzeug (6) auf einer Handgelenkeinheit (22) des Roboters (2) montiert ist, und das Stellglied (5) und der Positionssensor (51) zum Erfassen einer Position des Stellgliedes (5) bei einer vorbestimmten Position innerhalb eines Bewegungsbereichs des Roboters (2) fixiert sind.
Robotersystem (10) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Positionskorrekturbetrag der Bewegungsbahnkurve des Roboters (2), der durch die Positionskorrektureinheit (35) für jede Einheitszeit berechnet ist, kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert beschränkt ist.
Robotersystem (10) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuervorrichtung (3) weiterhin eine Ausführungseinheit (36) umfasst, die zumindest eines aus Anhalten des Roboters (2) mit einem Alarm und Aufzeichnen von zumindest einer aus momentaner Position und Stellung des Roboters (2) und momentaner Position des Stellgliedes (5) durchführt, wenn das Stellglied (5) einen oberen Grenzwert oder einen unteren Grenzwert des Bewegungsbereichs des Stellgliedes (5) erreicht.
Robotersystem (10) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuervorrichtung (3) weiterhin eine Ersatzeinheit (37) umfasst, die die Bewegungsbahnkurve des Roboters (2) durch eine Bewegungsbahnkurve des Roboters (2) ersetzt, die gemäß dem Korrekturbetrag korrigiert ist, der wiederum durch die Positionskorrektureinheit (35) berechnet wurde.
Robotersystem (10) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Kraftsensor (4) zum Erfassen der zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug (6) und dem Werkstück (7) wirkenden Kraft auf der Handgelenkeinheit (22) des Roboters (2) montiert ist.
Robotersystem (10) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Kraftsensor (4) zum Erfassen der zwischen dem maschinellen Bearbeitungswerkzeug (6) und dem Werkstück (7) wirkenden Kraft bei einer vorbestimmten Position und innerhalb des Bewegungsbereichs des Roboters (2) fixiert ist.