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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Vermessung von Karosserieteilen und anderen Werkstücken, bei der ein Sensor, der an einem beweglichen Arm eines Industrieroboters befestigt ist, die Maßhaltigkeit der Werkstücke prüft. Die Erfindung betrifft insbesondere die Auswechselung eines Kalibrierkörpers, der von dem Sensor zum Zwecke der Kalibrierung vermessen wird.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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In moderne Fertigungsstraßen der Automobilindustrie und anderer Branchen sind immer häufiger Messzellen integriert, in denen die bearbeiteten Werkstücke auf ihre Maßhaltigkeit oder auf andere Fertigungsparameter überprüft werden. Da die Überprüfung bei laufender Fertigung durchgeführt wird, müssen die Werkstücke in den Messzellen nicht nur mit hoher Genauigkeit (typischerweise in einer Größenordnung von 100 μm), sondern auch sehr schnell vermessen werden. Außerdem müssen die Messzellen sehr zuverlässig arbeiten, da Ausfälle der Messvorrichtungen den Betrieb der Fertigungsstraße empfindlich beeinträchtigen können.
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Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, weisen bekannte Messvorrichtungen dieser Art in der Regel einen Industrieroboter auf, der einen beweglichen Arm hat. An dem beweglichen Arm ist ein Sensor befestigt, mit dem sich die Pose von Strukturen der Werkstücke relativ zu dem Sensor messen lässt. Bei diesen Strukturen kann es sich z. B. um Bohrungen, Kanten, Falze oder Nähte handeln. Unter einem Industrieroboter versteht man einen universell einsetzbaren Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, dessen Bewegungen hinsichtlich der Bewegungsfolge, der Bewegungswege und der Bewegungswinkel frei programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Als ”Pose” bezeichnet man die Kombination aus Position und Orientierung eine Körpers im kartesischen Raum. Zur Angabe der Pose werden üblicherweise drei kartesische Koordinaten und drei Winkelkoordinaten verwendet. Bei den am Arm des Industrieroboters befestigten Sensoren handelt es sich in der Regel um optische Sensoren, da sich damit die Pose von Strukturen der Werkstücke schnell, berührungslos und mit hoher Genauigkeit messen lässt.
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Stellt die Messeinrichtung untolerierbar große Abweichungen zwischen den gemessenen Werten und den Sollwerten fest, wird das betreffende Werkstück in einem nachfolgenden Schritt ausgesondert und gegebenenfalls nachbearbeitet, um wieder verwendet werden zu können.
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In der Regel ist es erforderlich, dass die Werkstücke bezüglich eines äußeren raumfesten Koordinatensystems vermessen werden. Da der Sensor nur die Pose von Strukturen der Werkstücke relativ zu dem Sensor messen kann, muss deswegen auch die Position des Sensors in dem äußeren Koordinatensystem exakt bestimmbar sein. Der Industrieroboter muss daher den Sensor mit hoher Genauigkeit an die gewünschte Position relativ zum Werkstück verfahren.
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Bei Industrierobotern unterscheidet man die Absolutgenauigkeit und die Wiederholgenauigkeit. Unter der Absolutgenauigkeit versteht man die maximale Abweichung zwischen einer erwarteten Sollpose und der Istpose, die sich beim Anfahren der Sollpose aus unterschiedlichen Richtungen ergeben. Die Wiederholgenauigkeit gibt an, wie genau ein Roboter bei mehrfachem Anfahren einer Pose aus der gleichen Richtung positioniert werden kann. Für die hier betrachteten Messaufgaben muss sowohl die Absolutgenauigkeit als auch die Wiederholgenauigkeit sehr hoch sein, da sich nur dann die Werkstücke präzise im äußeren Koordinatensystem vermessen lassen. Einschränkungen bei der Absolutgenauigkeit können durch Korrelation mit einem externen Messsystems und den daraus resultierenden Offsets ausgeglichen werden.
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Die Wiederholgenauigkeit wird vor allem durch thermische Einflüsse beeinträchtigt. Aufgrund der relativ großen Abmessungen von Industrierobotern können Temperaturschwankungen von wenigen Grad Celsius dazu führen, dass es zu Abweichungen der Istpose des TCP (Tool Center Point; gibt den Werkzeugarbeitspunkt und damit den Ort des Sensors an) von der Sollpose in der Größenordnung von einem Millimeter kommt.
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Um die Wiederholgenauigkeit von Industrierobotern zu verbessern, werden diese üblicherweise in regelmäßigen zeitlichen Abständen, und zwar typischerweise während des laufenden Fertigungsbetriebs, kalibriert. Bei den hier betrachteten Messvorrichtungen erfolgt die Kalibrierung dadurch, dass der vom Industrieroboter getragene Sensor einen raumfest angeordneten Kalibrierkörper anfährt und dort die Pose eines am Kalibrierkörper befestigten Kalibrierelements misst. Bei den Kalibrierelementen handelt es sich häufig um Kugeln, da diese von allen Richtungen betrachtet gleich aussehen. Wenn die Pose des Kalibrierelements im äußeren Koordinatensystem exakt bekannt ist, lässt sich die Messvorrichtung durch Vergleich der vom Sensor gemessenen Pose des Kalibrierelements mit dessen exakt bekannter Pose kalibrieren. Üblicherweise wird nicht nur die Pose von einem, sondern von mehreren Kalibrierelementen gemessen.
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Kalibrierverfahren dieser Art sind der
EP 1 189 732 B1 (entspricht
US 6,615,112 B1 ) beschrieben. Der Kalibrierkörper ist dort als Kalibriertisch ausgebildet und hat eine ebene Fläche, an der Messmarken angeordnet sind, die zum Beispiel als kreisförmige dünne Plättchen oder als kreisförmige Öffnungen ausgebildet sein können.
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Im Stand der Technik bekannt sind außerdem Kalibrierkörper, die einen hohlzylindrischen Träger haben, an dem umfangsseitig mehrere kugelförmige Kalibrierelemente angebracht sind. Der Träger ist an einer Bodenplatte oder einer anderen Tragstruktur befestigt.
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Unabhängig von der Ausbildung des Kalibrierkörpers besteht in der Praxis das Problem, dass der Kalibrierkörper während des Betriebs der Messvorrichtung beschädigt werden kann. Ursache hierfür sind häufig falsch programmierte Bewegungen des Industrieroboters oder Werkstücke, die sich versehentlich aus einer Halterung gelöst haben. Da sich selbst geringfügige Deformationen des Kalibrierkörpers unmittelbar in einer verringerten Messgenauigkeit niederschlagen, muss der Kalibrierkörper neu im äußeren Koordinatensystem vermessen werden, was zeitaufwändig ist und den Fertigungsablauf für längere Zeit unterbricht.
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Häufiger ist es daher günstiger, den Kalibrierkörper gegen einen neuen Kalibrierkörper auszutauschen, dessen Maße durch eine vorausgehende Messung exakt bestimmt wurden. Der neue Kalibrierkörper wird dann mit Hilfe eines Ausrichtelements an der Tragstruktur ausgerichtet. Die Maße des neuen Kalibrierkörpers, und zwar insbesondere die Pose der Kalibrierelemente relativ zu dem Ausrichtelement, das die Pose des Kalbrierkörpers relativ zur Bodenplatte oder einer anderen Tragstruktur festlegt, werden bislang auf einem Datenträger gespeichert und einer Auswerteeinheit der Messvorichtung zugeführt.
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Auch ein solcher Austausch eines Kalibrierkörpers führt jedoch zu einem längeren Ausfall der Messvorrichtung, da das Einspielen der Daten, welche die Pose der Kalibrierelemente relativ zu dem Ausrichtelement angeben, Systemkenntnisse erfordert und daher nur von einem Mitarbeiter des Herstellers der Messvorrichtung oder entsprechend geschultem Personal durchgeführt werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kalibrieren einer Messvorrichtung und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Messvorrichtung anzugeben, bei dem sich ein Austausch des Kalibrierkörpers rascher durchführen lässt.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Messvorrichtung, die zur Vermessung von Karosserieteilen und anderen Werkstücken eingerichtet ist, mit den folgenden Schritten:
- a) Bereitstellen einer Messvorrichtung, die aufweist:
- – einen Industrieroboter, der einen beweglichen Arm hat,
- – einen Sensor, der an dem beweglichen Arm befestigt und dazu eingerichtet ist, die Pose von Werkstücken relativ zu dem Sensor zu messen,
- – eine Tragstruktur, deren Pose relativ zu dem Industrieroboter bekannt ist, und
- – einen Kalibrierkörper, der aufweist:
- – einen Träger,
- – ein relativ zu dem Träger starr angeordnetes Ausrichtelement, das mit einem an der Tragstruktur vorgesehenen Gegenstück zusammenwirkt,
- – ein an dem Träger starr befestigtes Kalibrierelement,
- – eine Kodierungszone, in der Daten kodiert sind, welche die Pose des Kalibrierelements relativ zu dem Ausrichtelement angeben;
- b) Ausrichten des Kalibrierkörpers an der Tragstruktur mit Hilfe des Ausrichtelements und des Gegenstücks;
- c) Anfahren der Kodierungszone mit dem Sensor;
- d) Lesen der in der Kodierungszone kodierten Daten mit Hilfe des Sensors,
- e) Ermitteln der Pose des Kalibrierelements relativ zu der Tragstruktur unter Verwendung der in Schritt d) gelesenen Daten;
- f) Anfahren des Kalibrierelements mit dem Sensor;
- g) Kalibrieren der Messvorrichtung, indem der Sensor die Pose des Kalibrierelements misst.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass die Messvorrichtung in Form des Sensors ohnehin über eine Einrichtung verfügt, mit der Daten eingelesen werden können. Deswegen weist der Kalibrierkörper eine Kodierungszone auf, in der Daten kodiert sind, welche die Pose des Kalibrierelements relativ zu dem Ausrichtelement angeben. Wenn der Sensor mit Hilfe des Industrieroboters die Kodierungszone anfährt, kann er die darin kodierten Daten lesen. Eine geeignet programmierte Software in der Auswerteeinheit verknüpft die eingelesenen Daten mit den anderen hinterlegten Koordinatensystemen, wodurch die Pose des Kalibrierelements im äußeren Koordinatensystem mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Der neue Kalibrierkörper kann dann sofort zur normalen Kalibrierung der Messvorrichtung im laufenden Messbetrieb verwendet werden.
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Auf diese Weise kann die Messvorrichtung nach dem Austausch des Kalibrierkörpers wieder in Betrieb genommen werden, ohne dass Bedienpersonen mit Systemkenntnissen Daten einlesen und Konfigurierungen vornehmen müssen. Das Anfahren der Kodierungszone mit dem Sensor im Schritt c) wird vorzugsweise durch einen Befehlt ausgelöst, der von einer Bedienperson an eine Steuerung des Industrieroboters erteilt wird. Alle nachfolgenden Schritte können dann selbständig und programmgesteuert durchgeführt werden. Auf diese Weise lässt sich die Zeitspanne zwischen einer Beschädigung des Kalibrierkörpers und einem Kalibriervorgang unter Verwendung eines neuen Kalibrierkörpers innerhalb von wenigen Minuten durch den Betreiber der Messvorrichtung durchführen.
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Selbstverständlich lassen sich diese Vorteile auch bei der erstmaligen Inbetriebnahme der Messvorrichtung nutzen. In diesem Fall wird der Kalibrierkörper nicht ausgetauscht, sondern erstmalig verwendet.
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Besonders vorteilhaft einsetzbar ist die Erfindung, wenn nicht nur einer, sondern mehrere Kalibrierkörper vorgesehen sind. Im Allgemeinen steigt dann nämlich die Häufigkeit, mit der ein Kalibrierkörper ausgetauscht werden muss.
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Zweckmäßig ist es, wenn zwischen den Schritten b) und c) der Kalibrierkörper derart kräftemäßig entkoppelt an der Tragstruktur befestigt wird, dass auf den Kalibrierkörper einwirkende Kräfte zumindest im Wesentlichen nicht auf die Tragstruktur übertragen werden. Dadurch wird sichergestellt, dass von einem Roboterarm oder einem Werkstück auf den Kalibrierkörper einwirkende Kräfte diesen zwar gegebenenfalls deformieren oder zu einem Lösen von der Tragstruktur führen, die Tragstruktur selbst jedoch nicht beschädigt wird. Denn wenn über den Kalibrierkörper auch die Tragstruktur beschädigt wird, muss diese ebenfalls ausgetauscht werden. Dies verursacht einen wesentlich größeren Aufwand als der Austausch des Kalibrierkörpers.
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Im einfachsten Fall wird eine kräftemäßige Entkoppelung dadurch erzielt, dass der Kalibrierkörper nur mit seinem Eigengewicht auf der Tragstruktur aufliegt. Dies hat allerdings den Nachteil, dass der Kalibrierkörper selbst durch sehr kleine Kräfte seine Lage verändert und dann wieder neu ausgerichtet werden muss. Noch ungünstiger ist es, wenn solche kleinen Lageveränderungen unbemerkt bleiben und dann zu Messfehlern führen.
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Bevorzugt ist es deswegen, wenn zum Befestigen des Kalibrierkörpers an der Tragstruktur elastische Befestigungselemente verwendet werden. Dadurch kann der Kalibrierkörper gegen die von den elastischen Befestigungselementen erzeugten Kräfte ausgelenkt werden, wird durch diese Kräfte aber gleichzeitig wieder in seine durch das Ausrichtelement festgelegte Lage zurückgeführt.
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Wenn es sich bei dem Sensor um einen optischen Sensor handelt, können in der Kodierungszone die Daten optisch kodiert sein. Bei Sensoren, die ein Lichtmuster auf dem Werkstück erzeugen und mit einer Kamera ein Bild des Werkstücks mit dem darauf projizierten Lichtmuster aufnehmen, kann die Kodierungszone beispielsweise ein Strich- oder Punktmuster aufweisen, das von der Kamera des Sensors erfasst wird. Bei Tastsensoren können die Daten auch durch eine geeignete Oberflächenstruktur, z. B. durch punkt- oder strichförmige Erhebungen oder Ausnehmungen, kodiert sein.
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Die in der Kodierungszone kodierten Messdaten werden vorzugsweise durch eine Messung außerhalb der Messvorrichtung, und zwar insbesondere durch eine Messung beim Hersteller des Kalibrierkörpers, erhalten.
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Bei dem Ausrichtelement kann es sich um jede Struktur handeln, die im Zusammenwirken mit dem Gegenstück eine gegenseitige Ausrichtung zweier Körper ermöglichen. In Betracht kommen neben Zapfen und anderen Vorsprüngen verschiedenartig geformte Ausnehmungen oder Kanten, deren Wirkung auf Formschluss beruht. Geeignet sind aber auch magnetisch wirkende Elemente. Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für das Gegenstück, das an das Ausrichtelement funktional angepasst ist.
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Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Messvorrichtung zur Vermessung von Karosserieteilen oder anderen Werkstücken weist auf:
- a) einem Industrieroboter, der einen beweglichen Arm hat,
- b) einem Sensor, der an dem beweglichen Arm befestigt und dazu eingerichtet ist, die Pose von Werkstücken relativ zu dem Sensor zu messen,
- c) einer Tragstruktur, deren Pose relativ zu dem Industrieroboter bekannt ist, und
- d) einem Kalibrierkörper, der aufweist:
- – einen Träger,
- – ein relativ zu dem Träger starr angeordnetes Ausrichtelement, das mit einem an der Tragstruktur vorgesehenen Gegenstück zusammenwirkt,
- – ein an dem Träger starr befestigtes Kalibrierelement,
- – eine Kodierungszone, in der Daten kodiert sind, welche die Pose des Kalibrierelements relativ zu dem Ausrichtelement angeben;
- e) einer Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, die Pose des Kalibrierelements relativ zu der Tragstruktur unter Verwendung der Daten zu ermitteln, die mit Hilfe des Sensors in der Kodierungszone gelesen wurden.
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Die zum Verfahren genannten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen gelten für die erfindungsgemäße Messvorrichtung entsprechend.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Messzelle mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einer Seitenansicht;
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2 eine Draufsicht auf den in der 1 gezeigten Kalibrierkörper;
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3 einen Längsschnitt durch den in der 2 gezeigten Kalibrierkörper entlang der Linie III-III in einem teilmontierten Zustand.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1. Aufbau der Messvorrichtung
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Die 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Messzelle 10, in der eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 12 angeordnet ist. Die Messzelle 10 ist Teil einer Fertigungsstraße und von Wänden umgeben, die teilweise mit Türen versehenen und in der 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Durch die Türen hindurch können Werkstücke 14 in die Messzelle 10 eingebracht und aus dieser entfernt werden. Hierzu dienen Industrieroboter, Fördereinrichtungen oder spezielle Handhabungsgeräte, die ebenfalls in der 1 nicht gezeigt sind.
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Die Messvorrichtung 12 umfasst einen Industrieroboter 16, bei dem es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um einen 6-Achs-Roboter handelt. Für größere Werkstücke 14 sind häufig 7-Achs-Roboter zweckmäßiger, bei denen der in der 1 gezeigte Aufbau zusätzlich auf einer am Boden befestigten Schiene in einer Richtung verfahrbar ist.
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Der Industrieroboter 16 hat einen beweglichen Arm 18, der eine ebenfalls bewegliche Greifhand 20 trägt, die den TCP festlegt und an der ein optischer Sensor 22 befestigt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der optische Sensor 22 eine Linienerzeugungseinrichtung 24 und eine Kamera 26. Mit dem Sensor 22 lässt sich im Wege der Mehrlinientriangulation die Pose von Strukturen des Werkstücks 14 messen, und zwar mit einer Messgenauigkeit in der Größenordnung von 100 μm. Für noch vielfältigere Einsatzmöglichkeiten können die von der Kamera 26 erzeugten Bilder einer Grauwertbildverarbeitung und einer Schatten-Auswertung unterzogen werden, um beispielsweise Bolzen schneller und sicherer erfassen zu können.
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Teil der Messvorrichtung 12 ist außerdem eine Bodenplatte 28, auf welcher der Industrieroboter 16 starr (oder im Falle eines 7-Achs-Roboters beweglich) befestigt ist. Die Bodenplatte 28 bildet im dargestellten Ausführungsbeispiel die Referenz für ein äußeres Koordinatensystem 30.
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Zur Messvorrichtung 12 gehört außerdem ein Kalibrierkörper 32, der einen Träger 34 und mehrere daran befestigte kugelförmige Kalibrierelemente 36 aufweist. Am unteren Ende des Trägers 34 befindet sich ein Ausrichtelement, das relativ zu dem Träger 34 starr angeordnet ist. Das Ausrichtelement ist in der 1 der Einfachheit halber als zentrale konische Ausnehmung 38 ausgebildet und wirkt mit einem konischen Vorsprung 40 an der Bodenplatte 28 zusammen. Tatsächlich weist der Kalibrierkörper 32 drei Ausrichtelemente auf, um auch seine Orientierung um seine Längsachse festzulegen. Nähere Einzelheiten hierzu werden weiter unten in Bezug auf die 3 erläutert.
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An seiner Oberseite ist der Träger 34 mit einem in der 3 erkennbaren Aufkleber 35 versehen, auf den ein DataMatrix-Code 37 aufgedruckt ist.
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Der konische Vorsprung 40 befindet sich nicht unmittelbar an der Bodenplatte 28, sondern an einem Einsatz 42, der austauschbar in einer Ausnehmung der Bodenplatte 28 aufgenommen ist. Der plattenförmige und sehr präzise bearbeitete Einsatz 42 ist mit Markierungen versehen, um ihn vor der Inbetriebnahme der Messvorrichtung 12 einmessen zu können. Die Bodenplatte 28 und der Einsatz 42 bilden eine gemeinsame Tragstruktur für den Kalibrierkörper 32 und den Industrieroboter 16.
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Der Sensor 22 ist über ein Datenkabel 44, das von einem beweglichen Schutzschlauch (nicht dargestellt) umhüllt sein kann, mit einer Auswerteeinheit 46 verbunden. In Betracht kommt jedoch ebenso eine kabellose Kommunikationsverbindung mit dem Sensor 22. Die Auswerteeinheit 46 liefert aus den vom Sensor 22 erzeugten Daten die gewünschten Angaben zur Pose der auf dem Werkstück 14 erfassten Strukturen. Die Auswerteeinheit 46 kommuniziert dabei mit einer Robotersteuerung 48, die ihrerseits von einer Bedieneinheit 50 über ein Datenkabel 52 angesteuert werden kann.
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Das Werkstück 14 befindet sich im dargestellten Ausführungsbeispiel auf einem Werkstückträger 54, der starr mit der Bodenplatten 28 verbunden ist. Das Werkstück 14 kann aber auch mit Hilfe der Messvorrichtung 12 vermessen werden, während es von einem weiteren Industrieroboter gehalten wird, der das Werkstück 14 geeignet dem Industrieroboter 16 zustellt. Der weitere Industrieroboter kann das Werkstück 14 nach der Vermessung dann an eine nachfolgende Bearbeitungszelle in der Fertigungsstraße übergeben.
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Die 2 und 3 zeigen den Kalibrierkörper 32 in einer Draufsicht bzw. einem Längsschnitt entlang der Linie III-III.
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Der Träger 34 besteht aus einem Rohr, das aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff gefertigt ist und an seinem oberen Ende durch eine kreisrunde Deckplatte 54 abgeschlossen ist. An dieser sind umfangsseitig drei kugelförmige Kalibrierelemente 36 in einem Winkelabstand von 120° befestigt. Drei weitere Kalibrierelemente sind an einem Ring 56 fixiert, der den Träger 34 umschließt. Die plane Oberseite der Deckplatte 54 trägt den Aufkleber 35 mit dem DataMatrix-Code 37.
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Das untere Ende des Trägers 34 ist in eine Hülse 58 eingeklebt, die mit Hilfe von drei Schrauben 60 starr an einem Fuß 62 des Kalibrierkörpers 32 befestigt ist. Wie am besten in dem vergrößerten Ausschnitt der 3 erkennbar ist, weist der Fuß 62 drei in einem Winkelabstand von 120° angeordnete Bohrungen 64 auf, in denen jeweils eine Zugfeder 66 axialbeweglich aufgenommen ist. In das untere Ende der Zugfedern 66 ist jeweils eine Gewindehülse 68 eingesetzt. Gleichartige Gewindehülsen 70 befinden sich an dem gegenüberliegenden oberen Ende der jeweiligen Zugfeder 66.
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In der 3, die den Kalibrierkörper 32 in einem teilmontierten Zustand zeigt, ist erkennbar, dass auf jede der Zugfedern 66 eine hohlzylindrische Kappe 72 aufgesetzt ist. Diese Kappe 72 ist mittels einer Schraube 74, die durch eine Bohrung im Bodenteil der Kappe 72 hindurchreicht, mit der oberen Gewindehülse 70 und damit mit der jeweiligen Zugfeder 66 verschraubt.
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Unmittelbar neben den Bohrungen 64 für die Zugfedern 66 sind in den Fuß 62 drei Stützzapfen 76 eingesetzt, auf denen der Fuß 62 ruht, wenn er vor der Montage außerhalb der Messzelle abgestellt werden soll. Ferner ist Fuß 62 mit drei Ausnehmungen 38 versehen, die durch Einsätze 78 definiert werden und von denen die in der 3 erkennbare Ausnehmung eine teilkonische Innenfläche 80 hat.
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In der 3 ebenfalls gezeigt ist der austauschbare Einsatz 42, der gemeinsam mit der Bodenplatte 28 eine Tragstruktur für den Kalibrierkörper 32 und den Industrieroboter 16 definiert. In dem vergrößerten Ausschnitt der 3 ist erkennbar, dass durch jeweils eine von drei Stufenbohrungen 81 eine Schraube 82 reicht, die in die untere Gewindehülse 68 eingeschraubt ist und damit die jeweilige Zugfeder 66 mit dem Einsatz 42 verbindet. Im montierten Zustand erzeugen die Zugfedern 66 somit eine Kraft, welche die Kappe 72 gegen den Fuß 62 und damit den Fuß 62 gegen den Einsatz 42 presst. Wird durch einen äußeren Einfluss, zum Beispiel einen beweglichen Roboterarm, ein Moment auf den in sich steifen Kalibrierkörper 32 ausgeübt, so kann der Fuß 62 gegen die Kraft der Zugfedern 66 vom Einsatz 42 abheben und dadurch verkippt werden. Die Zugfedern 66 erzeugen dabei gleichzeitig eine Rückstellkraft, die bewirkt, dass der Kalibrierkörper 32 nach Wegfall des von außen einwirkenden Moments von allein wieder in seine Ausgangsposition zurückkehrt, bis der Fuß 62 wieder an den Einsatz 42 gepresst wird.
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Neben den Stufenbohrungen 81 für die Schrauben 82 befinden sich im Einsatz 42 Sackbohrungen 84, in die im montierten Zustand die Stützzapfen 76 des Kalibrierkörpers 32 eingreifen.
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Ebenfalls benachbart zu den Stufenbohrungen 81 befinden sich die ebenfalls als Einsätze ausgebildeten konischen Vorsprünge 40, die in die gegenüber liegenden Ausnehmungen 38 so eingreifen, dass der Kalibrierkörper 32 durch Formschluss in allen drei Raumrichtungen ausgerichtet wird.
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Eine weitere Bohrung 88 im Einsatz 42 dient der Befestigung des Einsatzes 42 in der Ausnehmung der Bodenplatte 28. Eine Bohrung 90 mit kleinerem Durchmesser dient als Markierung, mit deren Hilfe der Einsatz 42 nach der Befestigung in der Bodenplatte 28 eingemessen werden kann. Wenn der Ort der Markierung 90 genau bekannt ist, ist auch die Lage der Zentrierausnehmung 78 und damit die Lage des Kalibrierkörpers 32 relativ zum äußeren Koordinatensystem 30 bekannt.
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2. Kalibrierverfahren
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Wie oben bereits erwähnt wurde, kann es beim Betrieb der Messzelle 10 dazu kommen, dass ein bewegliches Teil des Industrieroboters 16 oder das Werkstück 14 unbeabsichtigt den Kalibrierkörper 32 berührt. Eine solche Berührung führt in der Regel dazu, dass auf den Kalibrierkörper 32 ein Moment einwirkt und dieser relativ zum Einsatz 42 verkippt wird. Infolge der elastischen Verbindung mit Hilfe der Zugfedern 66 werden die von außen auf den Kalibrierkörper 32 einwirkenden Kräfte nicht auf den Einsatz 42 übertragen. Dieser bleibt deswegen in aller Regel unbeschädigt und muss nicht ausgetauscht werden. Sollte es doch einmal zu einer Beschädigung des Einsatzes 42 kommen, so lässt sich der Einsatz 42 vergleichsweise leicht gegen einen neuen Einsatz austauschen. Der neue Einsatz muss dann aber wieder mit Hilfe der Markierungen 90 neu gegenüber dem äußeren Koordinatensystem 30 eingemessen werden, was zeitaufwendig ist.
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Bei Einwirken äußerer Kräfte auf den Kalibrierkörper 32 kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass dieser sich (wenn auch nur geringfügig) deformiert. Die Kalibrierelemente 36 befinden sich dann nicht mehr an den zuvor bestimmten Orten. Ein solcher Fehler wirkt sich unmittelbar auf die Genauigkeit aus, mit der die Pose von Strukturen des Werkstücks 14 relativ zu dem äußeren Koordinatensystem 30 gemessen wird.
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Da man nicht wissen kann, ob es zu einer Deformation gekommen ist oder nicht, wird der Kalibrierkörper 32 grundsätzlich und unverzüglich im Falle eines Zusammenstoßes mit einem anderen größeren Gegenstand gegen einen neuen Kalibrierkörper 32 ausgetauscht, der beim Betreiber der Messzelle 10 vorgehalten wird. Der Austausch ist einfach, da der Kalibrierkörper 32 in den Einsatz 42 lediglich eingesteckt und mit Hilfe der Schrauben 74 verschraubt ist. Gegebenenfalls ist noch eine Verliersicherung (z. B. ein in den Figuren nicht dargestelltes kurzes Seilstück) zu lösen, damit der deformierte Kalibrierkörper aus der Messzelle 10 entfernt werden kann.
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Mit Hilfe der Bedieneinheit 50 wird nun der Robotersteuerung 48 der Befehl erteilt, den Sensor 22 in eine Leseposition bezüglich des DataMatrix-Codes 37 zu überführen. Die entsprechende Zielposition ist in der Robotersteuerung 48 hinterlegt. Der bewegliche Arm 18 und die Greifhand 20 positionieren nun den Sensor 22 so über dem Kalibrierkörper 32, dass die Kamera 26 des Sensors 22 den DataMatrix-Code 37 vollständig erfassen kann. Im DataMatrix-Code 37 sind Daten kodiert, welche die Pose des Kalibrierelements 36 relativ zu der Ausnehmung 38 angeben.
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Die Auswerteeinheit 46 erkennt den DataMatrix-Code 37 und liest die darin kodierten Daten ein. Der Auswerteeinheit 46 ist nun als Ist-Wert bekannt, wo genau sich die Kalibrierelemente 36 relativ zu der Ausnehmung 38 und damit relativ zur Bodenplatte 28 und dem äußeren Koordinatensystem 30 befinden.
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In einem nächsten Schritt wird die Robotersteuerung 48 dazu veranlasst, den Industrieroboter 60 so anzusteuern, dass der Sensor 22 ein oder mehrere der Kalibrierelemente 36 anfährt, um deren Pose zu messen. Aus dem Vergleich der so gemessenen Pose mit dem zuvor bestimmten Ist-Wert der Pose relativ zum äußeren Koordinatensystem 30 wird der Industrieroboter 16 kalibriert.
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Wenn der Sensor 22 jetzt während des Messbetriebs eine Bohrung, eine Kante oder eine andere Struktur des Werkstücks 14 erfasst, so lässt sich deren Pose im äußeren Koordinatensystem 30 exakt bestimmen, da man nach der Kalibrierung die Pose des TCP und damit des Sensors 22 genau kennt. In der Regel werden die vom Sensor 22 erfassten Messwerte mit Korrekturwerten korrigiert, die durch die Kalibrierung erhalten wurden. Alternativ hierzu kann man auf der Basis der gleichen Korrekturwerte den Industrieroboter 16 so ansteuern, dass er die gewünschten Soll-Posen des TCP und damit des Sensors 22 genauer anfährt. Dies erfordert jedoch einen Eingriff in die Robotersteuerung 48.
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Die Kalibrierung wird typischerweise in regelmäßigen Zeitabständen oder bei Veränderungen der Umgebungsbedingungen (insbesondere der Temperatur) erneut durchgeführt, wie dies an und für sich im Stand der Technik bekannt ist.
