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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Raumlage eines bewegten Koordinatensystems, ein Verfahren zur Ermittlung der Raumlage eines Messpunkts eines Sensors oder eines Arbeitspunktes eines Werkzeugs bei einem Roboter, sowie eine hierfür geeignete Anordnung.
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Industrieroboter sind beispielsweise mit einem Sensor zur Vermessung eines Bauteils oder mit einem Werkzeug zur Bearbeitung des Bauteils, zum Beispiel einer Autokarosserie, versehen. Es ist notwendig, die Position des Sensors oder des Werkzeugs genau zu kennen, um diese Aufgaben zu erfüllen.
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Eine Methode zur Steigerung der Absolut-Genauigkeit von Industrierobotern ist der Einsatz eines äußeren Messsystems, wie zum Beispiel eines Laser-Trackers oder eines Multi-Kamera-Systems. Dabei werden z.B. am Werkzeug selbst, und-oder an der Halterung, die das Werkzeug mit einem Roboterflansch verbindet, spezielle Marken angebracht, die vom äußeren Messsystem geortet werden können.
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Aus der
WO 2005/108020 A1 ist eine optische Messanordnung zur Verwendung an einem mehrachsigen Manipulator, insbesondere einem Industrieroboter bekannt, wobei an einem an den Manipulator montierbaren Abstandshalter ein optischer Sensor befestigt ist, und wobei auf dem Abstandshalter und/oder auf einem Gehäuse des Sensors Messmarken vorgesehen sind. Die Lage der Messmarken wird von einer weiteren, externen Messvorrichtung gemessen. Ferner werden eine Hilfsvorrichtung zum Einmessen einer an dem Manipulator montierbaren optischen Messanordnung und ein Verfahren zum Einmessen der Messanordnung mit der Hilfsvorrichtung angegeben.
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Aus verschiedenen Gründen (z.B. Zugänglichkeit, Geometrie des Werkzeugs) können die Messmarken häufig nur relativ weit vom Arbeitspunkt des Werkzeugs oder dem Messpunkt des Sensors befestigt werden. Damit in einer solchen Situation die Lage des Arbeitspunktes/Messpunktes noch mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden kann, muss das äußere Messsystem anhand der Marken die Orientierung des Werkzeuges extrem genau ermitteln. Dies stellt insbesondere dann ein Problem dar, wenn die Abstände zwischen den Marken klein sind im Verhältnis zum Abstand der Marken zum Arbeitspun kt/M esspu nkt.
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Zur Steigerung der Robotergenauigkeit mit Hilfe von äußeren Messsystemen ist es möglich, Messmarken zu verwenden, deren relativer Abstand nicht wesentlich kleiner ist, als der Abstand der Messmarken zum Arbeitspunkt/Messpunkt. Das bedeutet aber in vielen Fällen, dass durch die Messmarken die Störkontur des Werkzeugs oder Sensors erheblich vergrößert wird, was sich wiederum negativ auf die Zugänglichkeit des Werkzeugs oder Sensors zum Bauteil auswirkt.
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Wenn es die Umstände erlauben, kann man den Roboter so programmieren, dass sich die Orientierung des Werkzeugs während des gesamten Arbeitsvorgangs nur minimal ändert. Dann erreicht man am Arbeitspunkt vergleichbare Genauigkeit, wie an den Messmarken selbst, und zwar auch dann, wenn die Abstände der Marker zueinander klein sind im Verhältnis zum Abstand der Marker zum Arbeitspunkt. Es ist aber klar, dass eine solche Vorgehensweise nur in ganz speziellen Fällen möglich ist.
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Als allgemeiner technischer Hintergrund offenbart
DE 10 2016 116 811 A1 ein Auslenkungsmesssystem zum Messen einer Auslenkung einer Mechanismuseinheit eines Gelenkroboters, umfassend:
- eine Messmarke, die an einer von einer beliebigen Mechanismuseinheit des Gelenkroboters und einer vom Gelenkroboter entfernten Position angeordnet ist;
- eine Positionsmessvorrichtung, die an der anderen der beliebigen Mechanismuseinheit des Gelenkroboters und der vom Gelenkroboter entfernten Position angeordnet und zum Messen einer Position der Messmarke gestaltet ist; und ein Steuergerät, das zum Steuern des Gelenkroboters und der Positionsmessvorrichtung gestaltet ist,
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Das Steuergerät umfasst: eine Robotersteuereinheit, die zum Ändern einer Positur des Gelenkroboters gestaltet ist, sodass ein relatives Positionsverhältnis zwischen der Messmarke und der Positionsmessvorrichtung nur abhängig von einer Auslenkung der Mechanismuseinheit geändert wird; und eine Auslenkungsmaßberechnungseinheit, die zum Messen von Positionen der Messmarke entsprechend vor und nach einer Änderung der Positur durch die Positionsmessvorrichtung und Berechnen eines tatsächlichen Auslenkungsmaßes der Mechanismuseinheit basierend auf einem Bewegungsausmaß zwischen der Position der Messmarke, gemessen vor der Änderung der Positur, und der Position der Messmarke, gemessen nach der Änderung der Positur, gestaltet ist.
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Als weiterer allgemeiner technischer Hintergrund betrifft die JP H08- 132 373 A das Problem des Koppelns eines Roboterkoordinatensystems mit einem Sensorkoordinatensystem ohne Vorbereitung präziser Konstruktionsdaten oder spezieller Vorrichtungen durch Bestimmen der relativen Positionsbeziehung zwischen dem Roboterkoordinatensystem und dem Sensorkoordinatensystem durch die Softwareverarbeitung auf der Grundlage von Daten zum Ausdrücken der Position auf dem Roboterkoordinatensystem und Daten, die die Sensorausgabe zeigen. Als Lösung wird vorgeschlagen: Es werden mindestens drei Positionen R0, R1, R2 ausgewählt, die niemals auf einer geraden Linie angeordnet sind. In jeder Messposition wird die Position eines Lochs durch einen Sensorteil dreidimensional gemessen. Es werden Sensorausgangsdaten zum Ausdrücken des Ergebnisses auf einem Sensorkoordinatensystem gewonnen. Die gleiche lineare Transformationsbeziehung besteht zwischen den Sensorausgangsdaten und den Daten zum Ausdrücken jeder Messposition auf einem Roboterkoordinatensystem. Die Matrix, die diese lineare Transformation zeigt, ist eine Koordinatentransformationsmatrix. Die Beziehung der Koordinatentransformation, die für verschiedene Messpositionen hergestellt wurde, wird als simultane Gleichung unter Verwendung eines unbekannten Matrixelements betrachtet, und dies wird gelöst, um die Beziehung zwischen dem Sensorkoordinatensystem und dem Roboterkoordinatensystem zu bestimmen.
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Die Aufgabe bzw. das Problem der vorliegenden Erfindung bestand darin, die Raumlage eines Arbeitspunktes eines Werkzeugs oder eines Messpunkte seines Sensors genau zu bestimmen, insbesondere wenn die Abstände von Messmarken zueinander klein sind im Verhältnis zum Abstand der Messmarken zum Arbeitspunkt des Werkzeugs oder zum Messpunkt der Sensors.
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Zur Lösung der Aufgabe gibt die Erfindung nach den unabhängigen Patentansprüchen ein Verfahren zur Ermittlung der Raumlage eines beweglichen Koordinatensystems, ein Verfahren zum Vermessen eines Bauteils oder Werkstücks, ein Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils oder Werkstücks und eine Anordnung zur Ermittlung der Raumlage eines Arbeitspunktes eines Werkzeuges oder eines Messpunktes eines Sensors an. In den Unteransprüchen sind jeweils spezielle Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Nach einer Idee der Erfindung wird eine Messung aus einer Messvorrichtung, mit der die Lage zumindest einer Messmarke gemessen wird, mit einer Messung aus einem internen Rotationsmesssystem des Manipulators, insbesondere eines Roboters, kombiniert, bzw. die Messergebnisse kombiniert, um die Raumlage eines beweglichen Koordinatensystems, insbesondere eines Koordinatensystems eines Sensors oder Werkzeugs oder eines Koordinatensystems einer oder mehrerer Messmarken, zu ermitteln. In dem beweglichen Koordinatensystem ist der Arbeitspunkt des Werkzeugs oder der Messpunkt des Sensors ortsfest und entweder bekannt oder ermittelbar. Wenn nachfolgend der Begriff „Roboter“ verwendet wird, ist die Offenbarung im allgemeineren Sinne auch auf einen Manipulator übertragbar.
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Messvorrichtungen, wie Laser-Tracker oder Multi-Kamera-Systeme, die erfindungsgemäß eingesetzt werden können, sind in der Lage, die absolute Genauigkeit der translatorischen Freiheitsgrade von Robotern zu ermitteln oder signifikant zu verbessern.
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Die eingangs beschriebene Problematik tritt aber auf, wenn der Arbeitspunkt des Werkzeugs oder Messpunkt des Sensors weit von der/den Messmarke(n) entfernt ist. Denn dann ist eine sehr hohe absolute Genauigkeit der rotatorischen Freiheitsgrade gefordert, um eine hinreichende Genauigkeit am Arbeitspunkt/Messpunkt zu erreichen.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bezüglich der absoluten Genauigkeit von rotatorischen Freiheitsgraden Manipulatoren, insbesondere Industrieroboter äußerst präzise sind. Dies ist üblicherweise der Fall, da mit ihren langen Armen am Arbeitspunkt oder Messpunkt noch eine akzeptable absolute translatorische Genauigkeit erreicht werden soll.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht also darin, die Stärke des äußeren Messsystems in einer translatorischen Genauigkeit mit der Stärke des Roboters in der rotatorischen Genauigkeit zu vereinen.
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Erfindungsgemäß kann eine Recheneinheit vorgesehen sein, die einerseits mit der äußeren Messvorrichtung und andererseits mit dem Roboter kommuniziert. Vom äußeren Messsystem erhält die Recheneinheit die Lage, insbesondere Informationen über eine translatorische Bewegung, insbesondere absolute translatorische Freiheitsgrade der Messmarke, und aus den Achswinkeln des Roboters kann die Recheneinheit die Rotation, insbesondere die absoluten rotatorischen Freiheitsgrade eines mitbewegten Koordinatensystems oder einer Anordnung mitbewegter Messmarken, die zu einem solchen Koordinatensystem in Bezug stehen oder ein solches Koordinatensystem definieren, berechnen. Daraus kann die Recheneinheit die absolute Lage des Arbeitspunktes oder Messpunktes bestimmen, wenn die relative Lage des Arbeitspunktes oder Messpunktes in dem mitbewegten Koordinatensystem oder zu einer Anordnung Messmarken bekannt ist. Diese relative Lage kann beispielsweise nach einem Einmess-Verfahren, wie in
WO 2005/108020 A1 angegeben, ermittelt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die genaue Ermittlung eines Messpunkts eines Sensors oder Arbeitspunktes eines Werkzeugs an einem Roboter auch bei nahe beieinander liegenden, aber vom Arbeitspunkt/Messpunkt relativ weit entfernten Messmarken, die zu dem Sensor oder dem Werkzeug relativ ortsfest sind.
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Angegeben wird ein Verfahren zur Ermittlung der Raumlage eines bewegten Koordinatensystems bei einer Anordnung, die aufweist:
- - einen Manipulator, insbesondere einen Roboter, noch spezieller einen Industrieroboter, der um zumindest eine Rotationsachse beweglich ist, und an dem ein Werkzeug oder ein Sensor angebracht ist, wobei der Manipulator ein Rotationsmesssystem aufweist, mit dem eine Rotation um die Rotationsachse ermittelbar ist,
- - zumindest eine Messmarke, die ortsfest relativ zu dem Werkzeug oder dem Sensor angebracht ist,
und wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- a) Bewegen des Werkzeugs oder des Sensors durch Bewegen des Manipulators, wobei die Messmarke mitbewegt wird,
- b) Erfassen der Messmarke, insbesondere Ermitteln der Raumlage der Messmarke, mit einer Messvorrichtung, vorzugsweise einer externen Messvorrichtung,
- c) Ermitteln der Raumlage eines Bezugspunktes, der in einem mit dem Werkzeug oder dem Sensor mitbewegten und relativ zu der Messmarke ortsfesten Koordinatensystem ortsfest ist, anders ausgedrückt: in diesem Koordinatensystem nicht veränderliche Koordinaten aufweist,
- d) Ermitteln einer Rotation um die zumindest eine Rotationsachse mit dem Rotationsmesssystem des Manipulators,
- e) Ermitteln der Raumlage des mitbewegten Koordinatensystems aus der Raumlage des Bezugspunktes und aus der Rotation.
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Der Manipulator kann mehrere Rotationsachsen aufweisen. Üblich sind beispielsweise Manipulatoren mit sechs Rotationsachsen. Der Manipulator kann mehrere Teile aufweisen, die unabhängig voneinander ausgewählt sein können aus folgenden: Arm(e), Glied(er), Segment(e), Säule(n), Sockel(n), Basis/Basen. Diese Teile können um die zumindest eine Rotationsachse relativ zueinander rotierbar sein. Das „Bewegen des Manipulators“ deutet insbesondere das Rotieren von Teilen des Manipulators relativ zueinander.
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Der Manipulator kann zumindest zwei nichtparallele Bewegungsachsen aufweisen, von denen zumindest eine eine Rotationsachse ist. Die Richtungen der Rotationsachse oder der nicht parallelen Achsen sind im Roboterkoordinatensystem bekannt.
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Der Manipulator kann eine oder mehrere Translationsachsen aufweisen. Eine Translationsachse kann beispielsweise an einem äußeren Arm oder Glied ausgebildet sein, der in einer Translationsbewegung verlängert werden kann.
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Das Werkzeug kann ein beliebiges Material-Bearbeitungswerkzeug sein, beispielsweise ein Werkzeug zur Metallverarbeitung, ein Werkzeug zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere ein Schweißwerkzeug, o. ä.
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Der Sensor ist insbesondere ein optischer Sensor. Möglich ist aber ebenso ein taktiler Sensor. Der Sensor ist insbesondere ein Sensor zur Koordinatenmessung an einem Bauteil oder Werkstück.
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Das Rotationsmesssystem ist insbesondere ein Winkelmesssystem. Das Rotationsmesssystem kann dazu eingerichtet sein, einen Betrag und ein Vorzeichen der Rotation, also die Rotationsrichtung, zu ermitteln. Der Begriff „Ermitteln einer Rotation“ bedeutet insbesondere also das Ermitteln eines Rotationswertes bzw. Größenwertes der Rotation, insbesondere eines Winkelwertes, und gegebenenfalls auch einer Rotationsrichtung.
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Die Messmarke kann eine mit einer Kamera erfassbare Messmarke sein. Die Messmarke kann Strahlung, insbesondere Licht, aussenden, die von der Messvorrichtung erfassbar ist. In einer anderen Variante ist die Messmarke eine Strahlung, insbesondere Licht retroreflektierende Messmarke, sodass von der Messvorrichtung ausgesendetes Licht zurück reflektiert werden kann und wiederum erfasst werden kann. Ein solches Verfahren ist in
WO 2005/108020 A1 beschrieben.
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Die Messmarke kann an jedem Ort angebracht sein, der relativ ortsfest zu dem Werkzeug oder dem Sensor, insbesondere ortsfest zu dem Arbeitspunkt/Messpunkt ist. Beispielsweise kann die Messmarke an einem Halter, angebracht sein, wie zum Beispiel in
WO 2005/108020 A1 beschrieben, oder an dem Werkzeug oder dem Sensor selbst, beispielsweise an einem Sensorgehäuse.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, eine einzige Messmarke zu verwenden, oder eine Anordnung Messmarken. Bei einer Anordnung Messmarken können die Messmarken auf einer virtuellen Linie angeordnet sein oder zumindest teilweise auf den Ecken eines virtuellen Vielecks. Bei einer Anordnung Messmarken werden vorzugsweise mindestens drei Messmarken verwendet, die individuell unterscheidbar sind und deren Lage zueinander bekannt ist (d. h., deren Lage relativ zueinander fixiert ist), und die nicht kollinear sind. Bei einer solchen Anordnung kann ein Schwerpunkt der Anordnung aus jeweils drei nicht kollinearen Messmarken bestimmt werden. Die Messmarken können individuell durch das äußere Messsystem unterscheidbar sein, beispielsweise durch eine zugewiesene Kodierung, wie beispielsweise Form, Farbe o. ä.
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Bei dem Bewegen des Werkzeugs oder Sensors durch Bewegen des Manipulators kann das Werkzeug/Sensor so bewegt werden, dass es/er zu der Stelle eines Bauteils oder Werkstücks bewegt wird, die bearbeitet oder vermessen werden soll.
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Bei dem Bewegen des Werkzeugs oder Sensors durch Bewegen des Manipulators wird die zumindest eine Messmarke in gleicher Weise mitbewegt, das heißt in gleicher Weise mit rotiert oder mit translatorisch bewegt. Bei dem Bewegen des Manipulators können Arme oder Glieder des Manipulators relativ zueinander rotiert werden und/oder das Werkzeug oder der Sensor relativ zu übrigen Teilen des Manipulators translatorisch bewegt werden.
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Der Manipulator kann auf einem Untergrund ortsfest angebracht sein, zum Beispiel mit einem Sockel oder Fuß oder auf einem Verfahrsystem, beispielsweise auf Schienen, wobei in diesem Fall das Verfahrsystem als Teil des Manipulators betrachtet werden kann, und eine Translationsachse bildet.
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Dem Manipulator kann ein Manipulator-Koordinatensystem zugewiesen sein, insbesondere ein Roboter-Koordinatensystem, das raumfest ist.
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Die Messvorrichtung kann eine externe Messvorrichtung sein, die in räumlicher Nähe zu dem Manipulator angeordnet sein kann. Der Begriff „extern“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Messvorrichtung kein Teil des Manipulators ist. Die Messvorrichtung ist vorzugsweise auf einem Untergrund ortsfest angebracht, zum Beispiel mit einem Sockel oder Fuß. Der Messvorrichtung kann ein Messvorrichtungs-Koordinatensystem zugewiesen sein, das raumfest ist.
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Die Messvorrichtung kann auf dem Prinzip der Bilderfassung oder auf dem Prinzip der Erfassung von Strahlung basiert sein, insbesondere von der im Messmarke ausgesandter oder ihr selbst ausgesandter und von der Messmarke rückreflektierter Strahlung. Die Messvorrichtung kann mehrere Kameras aufweisen, um eine Messmarke zu erfassen. Die Messvorrichtung kann in einer anderen Variante Strahlung aussenden, insbesondere Licht, vorteilhaft Laserlicht. Ein spezielles Beispiel ist ein Laser-Tracker.
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Die zumindest eine Messmarke kann von der Messvorrichtung in einem raumfesten, vorzugsweise in dem erwähnten Messvorrichtungs-Koordinatensystem erfasst werden. Aus diesem Koordinatensystem kann die Messmarke in ein Mess- oder Bearbeitungsobjekt-Koordinatensystem insbesondere ein Bauteil- Koordinatensystem oder Werkstück-Koordinatensystem, überführt bzw. transformiert werden.
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Das Mess- oder Bearbeitungsobjekt ist insbesondere ein Bauteil oder Werkstück. Das Messobjekt ist das mit dem Sensor zu vermessende Objekt. Das Messobjekt ist zu unterscheiden von der Messmarke, die wiederum von der Messvorrichtung erfasst wird. Das Bearbeitungsobjekt ist das mit dem Werkzeug zu bearbeitende Objekt, beispielsweise ein Autoteil, insbesondere eine Autokarosserie, aber auch jedes andere mögliche Objekt, das bearbeitet werden kann oder soll. Wurde die Messvorrichtung auf ein Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts eingemessen, so kann die aktuelle Lage der Messmarke im raumfesten Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts ermittelt werden.
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Das mitbewegte, d. h. nicht raumfeste, Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das in gleichem Maße und in gleicher Bewegung bewegt wird, wie das Werkzeug oder der Sensor. Das mitbewegte Koordinatensystem kann insbesondere ein Sensor-Koordinatensystem, ein Werkzeugkoordinatensystem, oder ein durch eine oder mehrere Messmarken (sofern mehrere Messmarken verwendet werden) definiertes Koordinatensystem sein, das auch als Messmarken-Koordinatensystem bezeichnet wird.
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Die zumindest eine Messmarke und das mitbewegten Koordinatensystem sind relativ zueinander ortsfest. Die räumliche Beziehung zwischen beiden ist bekannt und kann durch Einmessen ermittelt werden.
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Wenn das mitbewegte Koordinatensystem ein Sensor-Koordinatensystem ist, kann die relative Lage des Sensorkoordinatensystems gegenüber der/den Messmarken ermittelt werden, wie in
WO 2005/108020 A1 erläutert. Es kann eine Hilfsvorrichtung eingesetzt werden, wie dort angegeben.
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Wenn das mitbewegte Koordinatensystem ein Werkzeug- Koordinatensystem ist, kann ein Einmessen wie folgt vorgenommen werden: mit dem Werkzeug, insbesondere dessen Arbeitspunkt, kann ein ortsfester Punkt, aus zumindest vier verschiedenen Richtungen angefahren werden, wobei die Lage des ortsfesten Punkts im Messvorrichtungs-Koordinatensystem (Koordinatensystem der Messvorrichtung) bekannt ist. In jeder Anfahrposition wird jeweils die Lage der zumindest einen Messmarke mit der Messvorrichtung ermittelt, wobei jeweils die relative Lage der der Messmarke zu dem Arbeitspunkt bekannt ist. Aus der bekannten Lage des Arbeitspunkts im Werkzeug-Koordinatensystem kann dann aus den mehreren Messungen wiederum die Relativlage des Werkzeug-Koordinatensystems zu der zumindest einen Messmarke ermittelt werden.
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Der Bezugspunkt ist ein in dem mitbewegten Koordinatensystem ortsfester Punkt, dessen Lage in dem mitbewegten Koordinatensystem bekannt ist. Der Bezugspunkt kann verschieden gewählt sein. Der Bezugspunkt ist vorzugsweise nahe bei der zumindest einen Messmarke gelegen. Beispielsweise kann der Bezugspunkt ein Nullpunkt des mitbewegten Koordinatensystems sein. Beispielsweise kann der Bezugspunkt der Schwerpunkt einer Anordnung Messmarken sein, wenn mehrere Messmarken vorhanden sind. Beispielsweise kann der Bezugspunkt der Ort einer Messmarke sein.
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Die zumindest eine Messmarke und der Bezugspunkt sind ebenfalls relativ zueinander ortsfest, und können im Spezialfall identisch sein. Bei mehreren Messmarken kann eine der Messmarken oder der Schwerpunkt mehrerer Messmarken der Bezugspunkt sein.
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Beim Ermitteln der Raumlage des Bezugspunktes kann die Raumlage des Bezugspunktes in einem raumfesten, nicht beweglichen Koordinatensystem ermittelt werden. Der Bezugspunkt ist, wie erwähnt, in dem mitbewegten Koordinatensystem ortsfest, aber in einem raumfesten Koordinatensystem, zum Beispiel in einem Messvorrichtungs-Koordinatensystem oder einem Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts, veränderlich.
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Durch die Ermittlung der Raumlage des Bezugspunkts ist die Raumlage des mitbewegten Koordinatensystems noch nicht bekannt, da aus dem einen Punkt noch nicht die Orientierung des Koordinatensystems bekannt ist. Beispielsweise ist bei Kenntnis der Lage des Nullpunkts eines Koordinatensystems noch nicht die Orientierung von Achsen des Koordinatensystems bekannt. Die Orientierung bzw. Raumlage des mitbewegten Koordinatensystems wird erfindungsgemäß durch die ergänzende Information aus dem Rotationsmesssystem des Manipulators erhalten.
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Die Lage des Bezugspunkts kann in dem Messvorrichtungs-Koordinatensystem ermittelt werden. Die Lage des Bezugspunkts kann alternativ oder zusätzlich in einem Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts ermittelt werden. Wurde die Messvorrichtung auf ein Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts eingemessen, so kann so die Lage des Bezugspunkts im Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts ermittelt werden.
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Bei dem Ermitteln der Rotation um die zumindest eine Rotationsachse mit dem Rotationsmesssystem des Manipulators können Rotationen um eine oder mehrere Achsen in dem erwähnten Manipulator-Koordinatensystem, insbesondere einem Roboter-Koordinatensystem, ermittelt werden. Wurde der Manipulator auf ein Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts eingemessen, so kann die Lage der Rotationsachsen und eine Rotation um diese Rotationsachse im Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Rotation im Koordinatensystem der Messvorrichtung ermittelt werden.
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Bei einer Rotation von Teilen des Manipulators um eine Rotationsachse relativ zueinander wird die Lage einer oder mehrerer weiterer Rotationsachsen geändert. Es kann zur Anfangsbestimmung der Lage der Rotationsachsen in dem Manipulator - Koordinatensystem ein Ausgangszustand hergestellt werden, in dem Rotationswinkel an allen vorhandenen Gelenken des Manipulators in dem Winkelmesssystem auf Null gestellt werden. In diesem Zustand ist die relative Lage der gegeneinander bewegten Teile des Manipulators bekannt. Aus diesem Zustand heraus kann um jedes Gelenk einzeln eine Rotation mit dem Gelenk verbundener Teile des Manipulators vorgenommen werden und die Lage der betreffenden Rotationsachse ermittelt werden. Ebenfalls kann ermittelt werden, wie sich die Rotation auf die Lage weiterer Rotationsachsen auswirkt, sodass bei einer späteren Drehung an diesem Gelenk die Lage weiterer Rotationsachsen bekannt ist. Diese Prozedur kann für alle Gelenke vorgenommen werden, sodass bei beliebigen Drehungen um verschiedene Gelenke die Lage aller Achsen in dem Manipulator - Koordinatensystem bekannt ist. Diese Vorgehensweise ist im Fachmann auf dem Gebiet der Robotik allgemein bekannt.
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Die Raumlage des mitbewegten Koordinatensystems bedeutet dessen Raumlage in einem raumfesten Koordinatensystem. Wenn die Rotation bzw. der rotatorische Bewegungsanteil im Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts bekannt ist, ist die Rotation des mitbewegten, hier: mitrotierten, Koordinatensystems im Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts ebenfalls bekannt. Kombiniert man diese Information mit der Information der Raumlage des Bezugspunkts im Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts, so ist die Raumlage des mitbewegten Koordinatensystems vollständig ermittelt. Alternativ oder zusätzlich kann die Raumlage des mitbewegten Koordinatensystems im Koordinatensystem der Messvorrichtung ermittelt werden.
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Als weiteren Verfahrensschritt kann das Verfahren aufweisen: Das Ermitteln der Raumlage eines Arbeitspunkts des Werkzeugs oder eines Messpunktes des Sensors. Die Raumlage kann im Koordinatensystem der Messvorrichtung und/oder im Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts ermittelt werden. Dieses Verfahren kann auch als Verfahren zum Ermitteln der Raumlage eines Arbeitspunkts des Werkzeugs oder eines Messpunktes des Sensors bezeichnet werden.
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Der Arbeitspunkt/Messpunkt ist in dem mitbewegten Koordinatensystem (z.B. Werkzeug-Koordinatensystem oder Sensor-Koordinatensystem) bekannt. Somit kann aus der Lage des mitbewegten Koordinatensystems in dem Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts die Raumlage des Arbeitspunkts des Werkzeugs oder des Messpunktes des Sensors in dem Koordinatensystem des Mess- oder Bearbeitungsobjekts ermittelt werden.
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In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vermessen eines Werkstücks, insbesondere zur Koordinatenmessung, wobei bei dem Verfahren ein Werkstück mit dem Sensor vermessen wird und bei dem Verfahren die Raumlage des Messpunkts des Sensors gemäß einem Verfahren wie vorangehend beschrieben ermittelt wird.
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In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils oder Werkstücks, wobei bei dem Verfahren ein Bauteils oder Werkstück mit dem Werkzeug bearbeitet wird und bei dem Verfahren die Raumlage des Arbeitspunktes des Werkzeugs gemäß einem Verfahren wie vorangehend beschrieben ermittelt wird. Das Verfahren kann während der Bearbeitung durchgeführt werden oder kurz vor der Bearbeitung, um das Werkzeug zielgerichtet zu führen.
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Gemäß noch einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Ermittlung der Raumlage eines Arbeitspunktes eines Werkzeuges oder eines Messpunktes eines Sensors, aufweisend
- - einen Manipulator, insbesondere einen Roboter, der um zumindest eine Rotationsachse beweglich ist, und an dem ein Werkzeug oder ein Sensor angebracht ist, wobei der Manipulator ein Rotationsmesssystem aufweist, mit dem eine Rotation um die Rotationsachse ermittelbar ist,
- - zumindest eine Messmarke, die ortsfest relativ zu dem Werkzeug oder dem Sensor angebracht ist,
- - eine Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, insbesondere dazu programmiert ist, folgende Operationen auszuführen wenn das Werkzeug oder der Sensor durch Bewegen des Manipulators bewegt wird, und dabei die Messmarke mitbewegt wird, eine Raumlage der Messmarke mit einer Messvorrichtung gemessen wird, eine Raumlage eines Bezugspunktes in einem mit dem Werkzeug oder dem Sensor mitbewegten und relativ zu der Messmarke ortsfesten Koordinatensystem ermittelt wird und mit dem Rotationsmesssystem des Manipulators eine Rotation um die zumindest eine Rotationsachse ermittelt wird:
- Ermitteln der Raumlage des mitbewegten Koordinatensystems aus der Raumlage des Bezugspunktes und aus der Rotation.
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Die Recheneinheit kann beliebiger Stelle untergebracht sein. Die Recheneinheit kann eine externe Recheneinheit sein, oder in eine der genannten Vorrichtungen, wie Manipulator oder Messvorrichtung integriert sein.
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Die Recheneinheit kann dazu eingerichtet sein, die folgende Operation durchzuführen: Ermitteln der Raumlage des Arbeitspunktes des Werkzeugs oder des Messpunktes des Sensors aus der Raumlage des mitbewegten Koordinatensystems.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine erfindungsgemäße Anordnung;
- 2: einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf;
- 3: eine weitere erfindungsgemäße Anordnung.
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1 zeigt die Anordnung mit dem Manipulator 1, der hier ein Roboter ist. Der Roboter weist die Säule 2 und den Arm 3 auf, wobei die Säule 2 um die Rotationsachse R1 relativ zu dem ortsfesten Sockel 4 rotierbar ist, und der Arm 3 um die Rotationsachse R2 relativ zu der Säule 2 rotierbar ist. Das Werkzeug 5 ist über den Abstandhalter 6 und den Flansch 8 mit dem Arm 3 verbunden. Das Werkzeug 5 weist den Arbeitspunkt 7 auf.
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An dem Abstandhalter 6 sind drei Messmarken 9 in Form von Leuchtdioden oder retroreflektierenden Marken angebracht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch nur mit einer Messmarke durchführbar.
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Die Lage der Messmarken 9 kann mit der externen Messvorrichtung 10 ermittelt in einem Koordinatensystem der externen Messvorrichtung werden, die ein Multi-Kamerasystem oder ein Laser-Tracker ist. Sowohl der Roboter 1 als auch die externe Messvorrichtung 10 sind mit der Recheneinheit 11 verbunden.
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Der Roboter 1 weist ferner noch das Rotationsmesssystem 17 auf, mit dem Rotationswinkel der Säule 2 und des Arms 3 um die Rotationsachsen R1 und R2 ermittelbar sind.
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Der Roboter 1 weist das raumfeste Roboter-Koordinatensystem 12 auf. Die externe Messvorrichtung 10 weist das raumfeste Messvorrichtungs-Koordinatensystem 13 auf. Ferner ist ein Bauteil 14 in Form einer Karosserie gezeigt, die das ebenfalls raumfeste Bauteil-Koordinatensystem 15 aufweist.
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Das Werkzeug 5 weist das nicht raumfeste, bewegliche Werkzeug-Koordinatensystem 16 auf. Das Koordinatensystem 16 wird zusammen mit dem Werkzeug 5 bewegt, wenn das Werkzeug 5 durch eine Bewegung von Teilen 2, 3 des Roboters 1 um die Rotationsachse R1, R2 bewegt wird. Ferner kann auch noch ein Koordinatensystem der Messmarken 9 definiert werden, das ebenfalls beweglich ist und hier nicht gezeigt ist.
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Vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden verschiedene Einmess-Vorgänge durchgeführt, die nachfolgend beschrieben sind:
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Bestimmung des Arbeitspunktes 7 im Koordinatensystem 16
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Mit dem Arbeitspunkt 7 des Werkzeugs 5 wird der ortsfeste Punkt P aus zumindest vier verschiedenen Richtungen angefahren, sodass der Arbeitspunkt 7 sich an dem Punkt P befindet. Die Lage des ortsfesten Punkts P im Messvorrichtungs-Koordinatensystem 13 muss nicht bekannt sein. Der Punkt P kann an einer hier nicht gezeigten Vorrichtung ausgebildet sein. Es wird nach dem Positionieren des Arbeitspunktes 7 an dem Punkt P, beim Anfahren aus verschiedenen Raumrichtungen jeweils die Lage des Koordinatensystems 16 aus Sicht des Koordinatensystems 13 ermittelt. Aus dieser Information können die Koordinaten des Arbeitspunktes im Koordinatensystem 16 errechnet werden. In diesem Beispiel sind nur zwei Rotationsachsen R1 und R2 vorhanden, wodurch der hier beispielhaft gezeigte Roboter 1 sehr unflexibel ist. In der Realität sind üblicherweise sechs Rotationsachsen vorhanden, wodurch Raumpunkte flexibel angefahren werden können.
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Wenn das Teil
5 kein Werkzeug sondern ein optischer Sensor ist, und das Koordinatensystem
16 ein Sensor-Koordinatensystem ist, dann kann die Bestimmung der Relativlage von der Messmarken
9 zu dem Sensor-Koordinatensystem
16 so erfolgen, wie in
WO 2005/108020 A1 im dort offenbarten Verfahren erläutert.
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Bestimmung der Relativlage des Messvorrichtungs-Koordinatensystems 13 zu dem Bauteil-Koordinatensystem 15
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Das Bauteil 14 ist in die Halterung 18 eingespannt, an der drei Messmarken 19, 20, 21 angebracht sind, die mit dem externen Messsystem 10 in gleicher Weise vermessen werden können wie die Messmarken 9. Die relative Lage von Bauteil 14, hier einer Fahrzeugkarosserie, zu der Halterung 18 ist ortsfest und definiert, sodass die Lage des Bauteil-Koordinatensystems 15 relativ zu der Halterung 18 und den Messmarken 19, 20, 21 bekannt ist. Der Nullpunkt des Bauteil-Koordinatensystems 15 liegt in diesem Beispiel in der Mitte des Bauteils, hier: der Karosserie 14, im Schwerpunkt, kann aber auch anders liegen, beispielsweise auf der Mitte einer Vorderachse. Durch Vermessen der Messmarken 19, 20, 21 mit dem externen Messsystem 10 kann also die Lage des Messvorrichtungs-Koordinatensystems 13 zu dem Bauteil-Koordinatensystem 15 bestimmt werden, sodass Werte später von einem Koordinatensystem in das andere transformiert werden können.
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Bestimmung der Lage der Rotationsachsen R1, R2 in dem Messvorrichtungs-Koordinatensystem 13 und dem Bauteil-Koordinatensystem 15
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Zunächst wird die Lage der Rotationsachsen R1, R2 in dem Messvorrichtungs-Koordinatensystem 13 ermittelt. Zur Ermittlung der räumlichen Lage der Drehachse R1 wird die Säule 2 um die Achse R1 relativ zu dem Sockel 4 gedreht, wodurch der Arm 3 um diese Achse R1 mit dreht und die Messmarken 9 im Kreis um die Achse R1 herum bewegt werden. Entlang der Kreisbahn wird die Position zumindest einer der der Messmarken 9 von der externen Messvorrichtung 10 erfasst. Somit wird von der externen Messvorrichtung 10 auch die Lage des beschriebenen Kreises im Raum erfasst, wobei die Drehachse R1 den Kreis mittig durchstößt und senkrecht zu der Kreisebene steht.
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Bewegungsfehler des Roboters 1, beispielsweise Taumelfehler bei einer Rotation um Rotationsachsen, können vorher gesondert kalibriert werden.
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In analoger Weise werden auch die Lagen weiterer Drehachsen erfasst. Bei Rotation des Arms 3 um die Drehachse R2 werden die Messmarken 9 ebenfalls auf einer Kreisbahn um die Rotationsachse er 2 herum rotiert. In diesem Beispiel ist der Abstand der Messmarken 9 zu der Rotationsachse R2 sehr gering, aber bei Robotern mit noch mehr Achsen könnten in der Praxis die Messmarken 9 zuvor durch ein weiteres, hier nicht gezeigtes Drehgelenk so verschwenkt werden, dass der Abstand von der Rotationsachse R2 vergrößert wird.
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Nachdem die Lage der Drehachse R1, R2 im Messsystem-Koordinatensystem 13 ermittelt wurden, kann auch die Lage der Drehachse in dem Bauteil-Koordinatensystem 15 ermittelt werden, da gemäß obigem Punkt 2. der Bezug zwischen diesen Koordinatensystemen hergestellt wurde.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der 2 beschrieben. Das Verfahren weist die Schritte auf:
- S1: Bewegen des Werkzeugs 5 oder des Sensors durch Bewegen des Manipulators 1, wobei die Messmarke 9 mitbewegt wird.
- Beispielsweise wird das Werkzeug 5 an einen mit dem Werkzeug zu bearbeitenden Punkt an dem Bauteil 14 bewegt. Die räumliche Darstellung ist hier nicht Abstands- und maßstabsgerecht. Bei dem Bewegen erfolgen Drehungen um die Rotationsachse R1 und R2. Die Messmarken 9 werden gleichermaßen mit bewegt.
- S2 Erfassen der Messmarke 9 mit einer externen Messvorrichtung 10:
- Bei der Bewegung in Schritt S1 werden die Messmarken 9 mit der externen Messvorrichtung 10 beobachtet und die Lage der Messmarken 9 jederzeit in dem Messvorrichtung-Koordinatensystem 13 ermittelt. Die Beobachtung einer der Messmarken 9 reicht aber erfindungsgemäß auch aus.
- S3 Ermitteln der Raumlage eines Bezugspunktes B zu einem mit dem Werkzeug 5 oder dem Sensor mitbewegten Koordinatensystem 16:
- Bei einer Messmarke 9 ist der Bezugspunkt B hier identisch mit dem durch die Messmarke 9 definierten Punkt. Bei mindestens drei nicht kollinearen Messmarken, die unterscheidbar sind, lässt sich der Bezugspunkt (z.B. der Schwerpunkt) ermitteln, weil die Lage der Marken zueinander zuvor (z.B. photogrammetrisch) ermittelt wurde.
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Aus der Lage des Bezugspunktes B in dem Messvorrichtungs-Koordinatensystem 13 kann auch die Lage in dem Bauteil-Koordinatensystem 15 ermittelt werden, da gemäß obigem Punkt 2. eine Bestimmung der Relativlage des Messvorrichtungs-Koordinatensystems 13 zu dem Bauteil-Koordinatensystem 15 erfolgte.
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Der Bezugspunkt B ist diesem Beispiel der Nullpunkt des bewegten Werkzeug-Koordinatensystems 16, kann aber auch anders und im ortsfesten Bezug zu diesem Koordinatensystem, und damit zu den Nullpunkt des Koordinatensystems gewählt sein.
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S4 Ermitteln einer Rotation, die bei dem Bewegen des Werkzeugs 5 oder des Sensors erfolgt, um die zumindest eine Rotationsachse R1, R2 mit dem Rotationsmesssystem 17 des Manipulators 1.
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In diesem Schritt ermittelt das Rotationsmesssystem 17 Rotationswinkel und Rotationsrichtungen der bewegten Teile 2,3 um die Rotationsachsen R1 und R2.
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S5 Ermitteln der Raumlage des mitbewegten Koordinatensystems 16 aus der Raumlage des Bezugspunktes B und aus der Rotation.
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Wie oben bei Schritt S3 beschrieben, wurde die Lage des Bezugspunktes des B in dem Bauteil-Koordinatensystem 15 bereits ermittelt. Nun ist es noch erforderlich, auch die Orientierung bzw. Raumlage des bewegten Werkzeug-Koordinatensystems 16 in dem Bauteil-Koordinatensystem 15 zu ermitteln, also die Ausrichtung der Koordinatenachsen, die sich durch die Rotation in Schritt S4 geändert hat. Hierzu wird die Lage der Rotationsachsen R1, R2 in dem Bauteil-Koordinatensystem 15 verwendet, die in Punkt 3. oben ermittelt wurde. Es sind sowohl die Lage der Rotationsachse R1, R2 bekannt, als auch die Drehwinkel und Drehrichtungen aus dem Rotationsmesssystem 17. Aus diesen Informationen wird die Raumlage des Werkzeug-Koordinatensystems 16 in dem Bauteil-Koordinatensystem 15 bestimmt.
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Da die Lage des Arbeitspunkts 7 in dem Werkzeug-Koordinatensystem 16 bekannt ist, kann somit auch die Lage des Arbeitspunkts 7 in dem Bauteil-Koordinatensystem 15 bestimmt werden, was in 2 als Schritt S6 bezeichnet ist.
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Anhand 3 werden nachfolgend ein erfindungsgemäßer Aufbau und ein Verfahren nochmals erläutert. In 3 ist der Manipulator 30 gezeigt. Es wird bei diesem Beispiel von fünf verschiedenen Koordinatensystemen ausgegangen:
- 1. Das Roboter-Koordinatensystem KS1. Es wird vorausgesetzt, dass der Roboter mindestens zwei (rotatorische oder translatorische) Achsen besitzt, deren Richtungen nicht parallel sind und die in KS1 bekannt sind. Bei gängigen 6-Achs-Industrierobotern ist zum Beispiel die Richtung der ersten Achse meist die (positive oder negative) Z-Richtung von KS1 und die Richtung der zweiten Achse meist die (positive oder negative) Y-Richtung von KS1.
- 2. Das Messmarken-Koordinatensystem KS2, dessen Ursprung im Schwerpunkt aller Marken liegt, und dessen Richtungen mit den Richtungen des RoboterKoordinatensystems KS1 übereinstimmen, wenn alle Achswinkel des Roboters Null sind.
- 3. Das Werkzeug- oder Sensor-Koordinatensystem KS3.
- 4. Das Koordinatensystem KS4 der externen Messvorrichtung.
- 5. Das Bauteil-Koordinatensystem KS5, welches in dieser Abbildung nicht gezeigt ist, aber dem Koordinatensystem 15 in 1 entspricht.
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Bezüglich der Marken 9 sind zwei Fälle denkbar:
- a) Es gibt nur eine einzige Marke 9. Dies hat den Vorteil, dass das externen Messvorrichtung 10 den Ursprung des Markensystems KS2 immer mit derselben Genauigkeit bestimmen kann, wie die Marke 9 selbst. Der Nachteil besteht darin, dass die Marke nur bei sehr eingeschränkter Bewegung des Roboters 30 sichtbar sein wird.
- b) Es gibt ein räumlich ausgedehntes Cluster von mindestens drei Marken 9, wie hier gezeigt. In diesem Fall müssen die Marken 9 etwa durch unterschiedliche Muster oder Färbung oder sonstige Codierung von der externen Messvorrichtung 10 individuell eindeutig identifizierbar sein. Ferner muss die Lage der Marken 9 zueinander bekannt sein, in dem Sinne, dass es möglich sein muss, den Schwerpunkt S der Marken 9 (der nahe bei der mittleren Marke 9 liegt) auch dann zu berechnen, wenn die Position von nur drei nicht auf einer Linie liegenden Marken 9 bekannt ist. Die Lage der Marken zueinander kann im Vorfeld etwa durch photogrammetrische Methoden bestimmt werden und darf sich während des Betriebs nicht ändern, was durch feste Anordnung der Marken 9 an dem Roboter 30 gewährleistet ist. Der Vorteil eines solchen Clusters ist, dass der Ursprung von KS2 in vielen verschieden Roboter-Posen bestimmbar ist. Der Nachteil ist, dass je nach Entfernung des Schwerpunktes von den gerade sichtbaren Marken 9 der Ursprung von KS2 mit etwas geringerer Genauigkeit bestimmt werden kann, als die Marken 9 selbst. Dieser Nachteil wirkt sich aber desto geringer aus, je dichter die Marken 9 beieinander liegen.
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Einmessen der Richtung einer Roboter-Achse in das Koordinatensystem des äußeren Messsystems KS4. Es werden zwei Fälle unterschieden:
- • Rotatorische Achse: Man verfährt den Roboter 30 mit mindestens drei verschiedenen Achswinkeln dieser Achse, wobei ausschließlich das zu dieser Achse gehörige Gelenk bewegt wird und alle Gelenke, die in der kinematischen Kette vor diesem Gelenk liegen, in Nullstellung sind. Mit dem äußeren Messsystem bestimmt man dabei den Schwerpunkt S der Marken 9 in den verschiedenen Winkelstellungen. Diese liegen auf einem Kreis. Durch Berechnung der Normalen durch den Mittelpunkt es Kreises erhält man die Drehachse im Koordinatensystem KS4 und insbesondere ihre Richtung.
- • Translatorische Achse, wenn vorhanden: Man verfährt den Roboter mit mindestens zwei verschiedenen Verschiebungen entlang dieser Achse, wobei alle Gelenke des Roboters, die in der kinematischen Kette vor der betrachteten Achse liegen, in Nullstellung sind. Mit dem äußeren Messsystem bestimmt man dabei den Schwerpunkt der Marken 9 bei den verschiedenen Verschiebungen. Diese liegen auf einer Geraden. Die Richtung der Geraden im Koordinatensystem KS4 ist die gesuchte Richtung der Achse.
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Wenn man auf die oben beschrieben Art und Weise die Richtungen von mindestens zwei zueinander nicht paralleler Achsen des Roboters im Koordinatensystem KS4 bestimmt, so kann man daraus anschließend den Rotationsanteil der Koordinatentransformation von KS1 nach KS4 errechnen. Nach Definition von KS2 sind damit auch die Koordinatenrichtungen von KS2 im Koordinatensystem KS4 bekannt.
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Bestimmung der Transformation von KS2 in KS4 bei variierenden Roboterposen mithilfe der kombinierten Information von der externen Messvorrichtung 10 und der Roboterwinkel: Voraussetzung ist, dass die externen Messvorrichtung 10 genügend viele Marken 9 sieht, um den Schwerpunkt des Marker-Clusters zu bestimmen. Dieser Schwerpunkt ist dann der Ursprung des bewegten Koordinatensystems KS2. Die Richtungen des bewegten Koordinatensystems können im KS4 durch Matrizenmultiplikation berechnet werden, da nach obigem Einmessungs-Vorgang die Richtungen der Roboterachsen in Nullstellung im KS4 bekannt sind und auch die Achswinkel der betrachteten Roboterpose vorliegen.
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Einmessen des Arbeitspunktes 7:
- Das obige Verfahren zur Bestimmung der Transformation KS2 in KS4 bei variierenden Roboterposen kann nun dazu verwendet werden, um den Ursprung von KS3 in KS2 zu bestimmen. Das Verfahren ist allgemein bekannt und es wird hier nur der Vollständigkeit halber skizziert. Es werden zwei Fälle unterschieden:
- • Das Werkzeug 5 kann von sich aus keine Information darüber liefern, wie seine relative Lage zu einem Punkt am Bauteil 14 (analog wie in 1) ist. In diesem Fall wählt man einen zu der externen Messvorrichtung 10 ortsfesten Punkt P (analog wie in 1), verfährt den Roboter in mindestens 4 verschiedene Posen so, dass der Arbeitspunkt des Werkzeugs 5 jeweils im Punkt P zu liegen kommt und bestimmt die jeweilige Transformation des bewegten KS2 in das KS4. Aus dem resultierenden Gleichungssystem kann man dann die Koordinaten des Arbeitspunktes 7 im KS2 (und die Koordinaten von P im KS4) berechnen.
- • Wenn statt eines Werkzeugs zur Bearbeitung ein 3D-Sensor verwendet wird. Auch in diesem Fall wählt man sich einen im äußeren Messsystem ortsfesten Punkt P, der durch ein Merkmal definiert ist, den man mit dem 3D-Sensor messen kann (etwa der Mittelpunkt einer Kugel, oder eines Lochs in einem ebenen Blech). Dann verfährt man den Roboter in mindestens sieben verschiedene Posen so, dass P im Messvolumen des 3D-Sensors liegt und bestimmt die jeweilige Transformation des bewegten KS2 in das KS4 sowie die jeweiligen Sensor-Koordinaten von P. Aus dem resultierenden Gleichungssystem kann man sowohl den Ursprung als auch die Richtungen des Koordinatensystems KS3 im KS2 berechnen.
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Die Bestimmung der Transformation von KS4 nach KS5 erfolgt durch allgemein bekannte Methoden, etwa indem man mit dem äußeren Messsystem mindestens drei Marken auf der Bauteilaufnahme misst, deren Koordinaten im KS5 bekannt sind. Eine solche Vorgehensweise wurde anhand der 1 beschrieben.
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Nach diesen Vorbereitungen kann man durch kombinierte Verwendung des äußeren Messsystems und der Roboterwinkel die Lage des Arbeitspunktes 7 im Bauteilkoordinatensystem 15 durch Ausführung folgender Schritte bestimmen:
- 1. Schritt S1: Verfahren des Roboters 30 an die Stelle des Bauteils 14, die man bearbeiten oder messen möchte.
- 2. Schritt S2 und S3: Bestimmung des Schwerpunktes S des Marken-Clusters aus den Marken 9 mithilfe der externen Messvorrichtung 10,
- 3. Schritt S4: Auslesen der Roboterwinkel.
- 4. Schritt S5: Berechnung der Transformation vom bewegten Koordinatensystem KS2 ins Koordinatensystem KS4 des äußeren Messsystems.
- 5. Da die Koordinaten des Arbeitspunktes im KS2 bekannt sind, kann man jetzt die Koordinaten des Arbeitspunktes auch im KS4 berechnen. Ist zusätzlich die gesamte Transformation von KS3 nach KS2 bekannt (etwa im Fall eines 3D-Sensors), so kann man auch die gesamte Transformation von KS3 nach KS4 bestimmen.
- 6. Da die Transformation von KS4 nach KS5 bekannt ist, bekommt man jetzt die Koordinaten des Arbeitspunktes im KS5 (bzw. die gesamte Transformation von KS3 nach KS5).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Manipulator
- 2
- Säule
- 3
- Arm
- 4
- Sockel
- 5
- Werkzeug
- 6
- Abstandhalter
- 7
- Arbeitspunkt
- 8
- Flansch
- 9
- Messmarke
- 10
- Messvorrichtung
- 11
- Recheneinheit
- 12
- Roboter-Koordinatensystem
- 13
- Messvorrichtungs-Koordinatensystem
- 14
- Bauteil
- 15
- Bauteil-Koordinatensystem
- 16
- Werkzeug-Koordinatensystem
- 17
- Rotationsmesssystem
- 18
- Halterung
- 19
- Messmarke
- 20
- Messmarke
- 21
- Messmarke
- 30
- Manipulator
- B
- Bezugspunkt
- KS1
- Roboter-Koordinatensystem
- KS2
- Messmarken-Koordinatensystem
- KS3
- Werkzeug- oder Sensor-Koordinatensystem
- KS4
- Koordinatensystem der externen Messvorrichtung
- KS5
- Bauteil-Koordinatensystem
- P
- ortsfester Punkt
- R1
- Rotationsachse
- R2
- Rotationsachse
- S
- Schwerpunkt der Messmarken 9
