DE102018128175A1

DE102018128175A1 - Method and device for determining displacements of a tool center

Info

Publication number: DE102018128175A1
Application number: DE102018128175.7A
Authority: DE
Inventors: Kaveh Haddadian; Felix Hähn; Eberhard Abele
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2020-05-14

Abstract

Vorgestellt werden ein Verfahren (100) sowie eine Vorrichtung zur Ermittlung von Verlagerungen mindestens eines Werkzeugmittelpunktes (TCP) eines Werkzeuges (TL), das von einem Industrie-Roboter (IR) zur Bearbeitung eines Werkstücks (WP) genutzt wird,wobei in einer ersten Schrittfolge (110 - CombTool) anhand von diskreten Orientierungswinkeln (A, B, C), welche die Werkzeugorientierungen des Werkzeugs (TL) beschreiben, alle möglichen Winkel-Kombinationen gebildet werden und dann eine Auswahl davon erfolgt, so dass jede Werkzeugorientierung nur durch jeweils eine Winkel-Kombination repräsentiert wird;wobei in einer zweiten Schrittfolge (120 - ReachTool) anhand eines Robotermodells im Arbeitsraum des Industrie-Roboters (IR) erreichbare Bearbeitungskonfigurationen ermittelt werden, welche jeweils zumindest eine Bearbeitungspose des Industrie-Roboters (IR) angeben, indem anhand der Auswahl der Winkel-Kombinationen nur diejenigen Bearbeitungskonfigurationen ermittelt werden, die für den jeweiligen Werkzeugmittelpunkt (TCP) erreichbar sind; undwobei in einer dritten Schrittfolge (130 - DispTool) die Verlagerungen des Werkzeugmittelpunktes (TCP) des Werkzeuges (TL) anhand eines Nachgiebigkeitsmodells ermittelt werden.A method (100) and a device for determining displacements of at least one tool center point (TCP) of a tool (TL), which is used by an industrial robot (IR) for machining a workpiece (WP), are presented, in a first step sequence (110 - CombTool) on the basis of discrete orientation angles (A, B, C), which describe the tool orientations of the tool (TL), all possible angle combinations are formed and then a selection is made, so that each tool orientation is only by one angle Combination is represented; whereby in a second step sequence (120 - ReachTool) machining configurations that can be achieved are determined based on a robot model in the work space of the industrial robot (IR), each of which specifies at least one machining pose of the industrial robot (IR), based on the selection of the angle combinations, only those machining configurations are determined that are suitable for the the respective tool center point (TCP) can be reached; andwherein a third step sequence (130 - DispTool) the displacements of the tool center point (TCP) of the tool (TL) are determined on the basis of a compliance model.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Verlagerungen eines Werkzeugmittelpunktes eines Werkzeuges, das von einem Industrie-Roboter zur Bearbeitung eines Werkstücks genutzt wird. Das Verfahren und die Vorrichtung dienen auch zur Optimierung von Prozessplanung und -durchführung der Werkstückbearbeitung.The invention relates to a method and a device for determining displacements of a tool center point of a tool, which is used by an industrial robot for machining a workpiece. The method and the device also serve to optimize process planning and execution of the workpiece machining.

Der Einsatz von Industrierobotern zur Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere von großvolumigen Bauteilen, wie z.B. Karosseriebauteilen, ist sehr attraktiv und vorteilhaft. Im Vergleich zu einem Bearbeitungszentrum bietet ein Industrieroboter eine besonders hohe Flexibilität, relativ geringe Investitionskosten pro Kubikmeter Arbeitsraum sowie vorteilhafte Synergieeffekte durch die Integration unterschiedlicher Fertigungsverfahren. Jedoch ergibt sich bei einem Industrieroboter aufgrund seiner seriellen und mehrachsigen Bauart eine geringe Steifigkeit sowie ein stark anisotropisches und positionsabhängiges Nachgiebigkeitsverhalten, welches sich nachteilig auf die Bearbeitungsqualität, insbesondere bei einer spanabhebenden Bearbeitung, auswirkt.The use of industrial robots for machining workpieces, especially large-volume components such as Body components is very attractive and advantageous. In comparison to a machining center, an industrial robot offers particularly high flexibility, relatively low investment costs per cubic meter of work space, and advantageous synergy effects through the integration of different manufacturing processes. However, due to its serial and multi-axis design, an industrial robot has low stiffness and a strongly anisotropic and position-dependent compliance behavior, which has a disadvantageous effect on the machining quality, particularly in the case of machining.

In der DE 10 2007 024 143 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewegungsteuerung für elastische Roboterstrukturen beschrieben. Es wird zwar das Problem aufgegriffen, die Elastizitäten des Roboters zu kompensieren; der dortige Roboter wird jedoch vorwiegend für Lackierarbeiten, also für nicht-spanabhebende Bearbeitung, eingesetzt und die besonderen Probleme im Bereich spanabhebender Bearbeitung werden dort nicht näher behandelt.In the DE 10 2007 024 143 A1 A method and a device for motion control for elastic robot structures are described. The problem of compensating for the elasticity of the robot is addressed; However, the robot there is mainly used for painting work, i.e. for non-machining, and the special problems in the area of machining are not dealt with in more detail there.

Als weiterer Stand der Technik wäre die US 2006 / 048 364 A1 zu nennen.Another state of the art would be US 2006/048 364 A1 to call.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Ausmaß von Verlagerungen eines Werkzeugmittelpunktes eines Werkzeuges zu ermitteln, das von einem Industrie-Roboter zur Bearbeitung eines Werkstücks genutzt wird, wobei die Verlagerungen des Werkzeugmittelpunktes (sog. „Tool Center Point“) u.a. aufgrund statischer wie auch dynamischer Roboternachgiebigkeit auftreten können. Die ermittelten Verlagerungen können für eine deutliche Verbesserung der Qualität bei der Prozessplanung und- durchführung genutzt werden.The present invention is based on the object of determining the extent of displacements of a tool center point of a tool which is used by an industrial robot for machining a workpiece, the displacements of the tool center point (so-called “tool center point”) and others. due to static as well as dynamic robot compliance. The determined relocations can be used to significantly improve the quality of process planning and execution.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1.The object is achieved by a method having the features of claim 1.

Demnach werden ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei denen zunächst anhand von diskreten Orientierungswinkeln, insbesondere Euler-Winkeln, welche die Werkzeugorientierungen des Werkzeugs beschreiben, alle möglichen Winkel-Kombinationen gebildet werden und dann eine Auswahl davon erfolgt, so dass jede Werkzeugorientierung nur durch jeweils eine Winkel-Kombination repräsentiert wird; anschließend werden anhand eines Robotermodells im Arbeitsraum des Industrieroboters (IR) erreichbare Bearbeitungskonfigurationen ermittelt, welche jeweils zumindest eine Bearbeitungspose des Industrie-Roboters angeben, indem anhand der Auswahl der Winkel-Kombinationen nur diejenigen Bearbeitungskonfigurationen ermittelt werden, die für den jeweiligen Werkzeugmittelpunkt (TCP) erreichbar sind; und dann werden anhand eines Nachgiebigkeitsmodells die (statischen und/oder dynamischen) Verlagerungen des Werkzeugmittelpunktes ermittelt.Accordingly, a method and a device are proposed in which all possible angle combinations are first formed on the basis of discrete orientation angles, in particular Euler angles, which describe the tool orientations of the tool, and a selection is then made, so that each tool orientation is only possible by an angle combination is represented; Then using a robot model in the work area of the industrial robot ( IR ) achievable machining configurations, each specifying at least one machining pose of the industrial robot, by using the selection of the angle combinations to determine only those machining configurations that are appropriate for the respective tool center ( TCP ) are reachable; and then the (static and / or dynamic) displacements of the tool center point are determined using a compliance model.

Für die Berechnung statischer TCP-Verlagerungen wird vorzugsweise ein elastostatisches Nachgiebigkeitsmodell verwendet, d.h. ein Starkörpermodell, bei dem die Nachgiebigkeiten der IR-Komponenten, insbesondere der Getriebe, Lagerungen und Strukturkomponenten, durch Federelemente ersetzt werden. Die Anzahl IR-Gelenke wird ausgehend von N realen Gelenken um M virtuelle Gelenke erweitert; dann wird die Verlagerung des TCP aus der Getriebeverdrehung und -verkippung sowie aus der elastischen Verformung von Lagerung und Struktur ermittelt, wobei vorzugsweise eine Transformation basierend auf der Denavit-Hartenberg-Konvention angewendet wird, um die TCP-Verlagerung unabhängig von seiner kartesischen Position berechnen zu können, mit dem Ziel die Bearbeitungsrichtung mit der geringsten TCP-Verlagerung zu finden.For the calculation of static TCP displacements, an elastostatic compliance model is preferably used, ie a strong body model in which the compliance of the IR components, in particular the gears, bearings and structural components, are replaced by spring elements. Starting from N real joints, the number of IR joints is expanded by M virtual joints; then the relocation of the TCP determined from the gearbox twist and tilt as well as from the elastic deformation of the bearing and structure, preferably using a transformation based on the Denavit-Hartenberg convention in order to be able to calculate the TCP shift regardless of its Cartesian position, with the aim of Find the direction of processing with the least TCP relocation.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.These and further advantageous refinements of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung geht u.a. von der Erkenntnis aus, dass die geringe Steifigkeit sowie das anisotrope Nachgiebigkeitsverhalten des Roboters, insbesondere durch folgende Ursachen begründet werden kann:

o Aufbau des Industrieroboters als offene serielle kinematische Kette
◯ Unsymmetrische Gestaltung des Industrieroboters
◯ Unterschiedliche Steifigkeit der einzelnen Komponenten
◯ Konstruktive Auslegung des Industrieroboters für Handlingaufgaben anstatt für Zerspanungsaufgaben

The invention is based inter alia on the knowledge that the low stiffness and the anisotropic compliance behavior of the robot can be justified in particular by the following causes:

o Construction of the industrial robot as an open serial kinematic chain
◯ Unsymmetrical design of the industrial robot
◯ Different stiffness of the individual components
◯ Constructional design of the industrial robot for handling tasks instead of machining tasks

Durch die intelligente Auswahl der Werkstückposition und -orientierung bzw. Vorschubrichtung kann die Verlagerungen von Arbeitspunkt bzw. Tool Center Point (TCP) und somit das Bearbeitungsergebnis positiv beeinflusst werden.Through the intelligent selection of the workpiece position and orientation or feed direction, the displacements from the working point or tool center point ( TCP ) and thus the machining result can be positively influenced.

Die entwickelte Lösung bzw. Erfindung erfüllt die folgenden Aufgaben:

◯ Berechnung der Erreichbarkeit der Bearbeitungspositionen und Darstellung als Erreichbarkeitskarten
◯ Darstellung der statischen Roboternachgiebigkeiten in einer Karte, z.B. als statische Verlagerungskarte
◯ Darstellung der dynamischen Roboternachgiebigkeiten (Schwingungsanalyse während des Bearbeitungsprozesses) in einer Karte, z.B. als dynamisch Verlagerungskarte (Schwingungskarte)
◯ Ermittlung der Bearbeitungsrichtung und -position mit der geringsten statischen und dynamischen Nachgiebigkeit (und Darstellung z.B. als Häufigkeitsdiagramme)
◯ Ermittlung der nachgiebigsten Roboterkomponenten (Sensivitätsanalyse)

The developed solution or invention fulfills the following tasks:

◯ Calculation of the accessibility of the processing positions and display as accessibility cards
◯ Representation of the static robot compliance in a map, e.g. as a static relocation map
◯ Representation of the dynamic robot compliance (vibration analysis during the machining process) on a map, e.g. as a dynamic displacement map (vibration map)
◯ Determination of the machining direction and position with the lowest static and dynamic flexibility (and representation, e.g. as frequency diagrams)
◯ Determination of the most flexible robot components (sensitivity analysis)

Die Methode ist unabhängig vom Robotertyp. Als bevorzugte Einsatzgebiete sind zu nennen:

◯ Bewertung von verschiedenen Robotertypen
◯ Bewertung von Endeffektoren und deren Einfluss auf die Erreichbarkeit der Bearbeitungspunkte
◯ Nutzung der Daten zur Vorsteuerung bei der Korrektur der statischen (und evtl. dynamischen) Nachgiebigkeit in Echtzeit
◯ Bahnplanung
◯ Prozessauslegung

The method is independent of the robot type. The following are the preferred areas of application:

◯ Assessment of different robot types
◯ Evaluation of end effectors and their influence on the accessibility of the processing points
◯ Use of the data for pre-control when correcting the static (and possibly dynamic) compliance in real time
◯ Path planning
◯ Process design

Die Erfindung wird nachfolgend im Detail und anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, die folgende schematische Darstellungen wiedergeben:

1 und 2 zeigen zur Verdeutlichung des Ausgangspunkts der Erfindung jeweils die Darstellung eines Industrieroboters mit seinem typischen „pilzförmigen“ Arbeitsraum;
3 zeigt in Form eines Flussdiagramms den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform; und
4 zeigt ein Blockdiagramm mit einer Struktur zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der danach arbeitenden Vorrichtung;
5 veranschaulicht ein im Verfahren verwendetes elastostatisches Nachgiebigkeitsmodell;
6a/b zeigen im Vergleich zwei sog. Heatmaps, welche aus den berechneten Ergebnissen erstellt worden sind, wobei die 6a eine Erreichbarkeitskarte und die 6b eine Verlagerungskarte darstellt; und
7a/b zeigen einen Industrieroboter in zwei für einen Fräsprozess ermittelten Bearbeitungspositionen, die extrem unterschiedlich sind: 7a zeigt die schlechteste Bearbeitungsposition und 7b zeigt die beste Bearbeitungsposition.

The invention is described below in detail and using exemplary embodiments, reference being made to the accompanying drawings which show the following schematic representations:

1 and 2nd each show the illustration of an industrial robot with its typical “mushroom-shaped” work space to illustrate the starting point of the invention;
3rd shows in the form of a flow chart the sequence of the method according to the invention in a first embodiment; and
4th shows a block diagram with a structure for illustrating a second embodiment of the method according to the invention and the device operating thereon;
5 illustrates an elastostatic compliance model used in the method;
6a / b show a comparison of two so-called heat maps, which were created from the calculated results, the 6a an accessibility card and the 6b represents a relocation map; and
7a / b show an industrial robot in two machining positions determined for a milling process that are extremely different: 7a shows the worst machining position and 7b shows the best machining position.

Zunächst wird auf 1 und 2 Bezug genommen, die den Ausgangspunkt für die Erfindung veranschaulichen. Die 1 zeigt die Darstellung eines sechsachsigen Industrieroboters IR (Vertikal-Knickarmroboter) mit seinem „pilzförmigen“ Arbeitsraum, dessen Grenze G im Wesentlichen durch die Erreichbarkeit des Schnittpunktes SP der Achsen Vier und Fünf definiert ist. Allerdings ist der tatsächliche Arbeitsraum des Industrieroboters bedingt durch den am Roboterflansch angebrachten Endeffektor, also durch das Werkzeug TL, in der Regel größer als der durch die Grenze G beschriebene Arbeitsraum. Die Größe des Arbeitsraums sowie das positions- und richtungsabhängige Verhalten des Industrieroboters stellen für die Prozessplanung sowie -durchführung große Herausforderungen dar, deren Lösung entscheidend für die Prozessstabilität und die Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung mit Industrierobotern ist. Daher ist von besonderer Bedeutung die optimale Positionierung zu finden, wo das Werkstück im Roboterarbeitsraum platziert werden soll, damit alle Bearbeitungsstellen erreicht werden. Des Weiteren ist bedeutend, Methoden bzw. Verfahren, zu ermitteln, welche die statischen und dynamischen Robotereigenschaften so nutzen, dass möglichst ein optimales Bearbeitungsergebnis erzielt werden kann.First up 1 and 2nd Reference, which illustrate the starting point for the invention. The 1 shows the representation of a six-axis industrial robot IR (Vertical articulated arm robot) with its "mushroom-shaped" work area, its boundary G essentially through the accessibility of the intersection SP of axes four and five is defined. However, the actual working space of the industrial robot is due to the end effector attached to the robot flange, i.e. the tool TL , usually larger than that by the border G described workspace. The size of the work area and the position and direction-dependent behavior of the industrial robot pose major challenges for process planning and implementation, the solution of which is crucial for process stability and the economy of processing with industrial robots. It is therefore of particular importance to find the optimal positioning where the workpiece is to be placed in the robot work room so that all processing points can be reached. Furthermore, it is important to determine methods and procedures that use the static and dynamic robot properties in such a way that the best possible machining result can be achieved.

Wie in 1 dargestellt wird, soll idealerweise die Bearbeitung in einem optimalem Bereich BA* stattfinden, wo alle Bearbeitungsstellen auf einem Werkstück erreicht werden und der Industrieroboter die geringsten statischen und dynamischen Verlagerungen aufweist. Der optimale Bereich BA* wäre demnach der Überlappungsbereich von drei Bereichen BA1, BA2 und BA3. Dabei beschreibt BA1 den Bereich mit der höchsten Anzahl an erreichbaren Bearbeitungspunkten, BA2 den Bereich mit dem besten statischen Verhalten des Roboters und BA3 den Bereich mit dem besten dynamischen Verhalten des Roboters.As in 1 is shown, the processing should ideally be in an optimal area BA * take place where all processing points are reached on a workpiece and the industrial robot has the least static and dynamic displacements. The optimal range BA * would be the area of overlap of three areas BA1 , BA2 and BA3 . Describes BA1 the area with the highest number of accessible machining points, BA2 the area with the best static behavior of the robot and BA3 the area with the best dynamic behavior of the robot.

Die 2 zeigt in der Hauptfigur 2a) den Industrieroboter IR mit seinem durch die Grenze G markierten Arbeitsraum, der z.B. folgende Ausdehnungen aufweist: horizontale Ausdehnung DX von etwa 2500 mm, vertikale Ausdehnung DZ0 von etwa 2800 mm bzw. DZM von etwa 3000 mm. Das zu bearbeitende Werkstück WP, welches z.B. ein Federbeindom sein kann, ist in der 2b) dargestellt und weist beispielsweise 44 Bearbeitungsstellen (Punkte) auf. In der 2c) ist das Werkzeug TL näher dargestellt sowie der Werkzeugmittelpunkt TCP (sog. Tool Center Point), welcher den eigentlichen am Werkstück WP angreifenden mittleren Bearbeitungspunkt des Werkzeugs darstellt. Die Erfinder haben sich insbesondere mit den folgenden Überlegungen befasst:

Die hohe Beweglichkeit des Industrieroboters IR ermöglicht es, eine Position im kartesischen Arbeitsraum des Roboters aus verschiedenen Richtungen bzw. mit verschiedenen Werkzeugorientierungen zu erreichen. Dadurch ergibt sich für jede Werkzeugorientierung eine andere Achsstellung bzw. eine andere Roboterpose, obwohl die Position des Werkzeugmittelpunkt TCP dieselbe ist. Durch den Aufbau der Roboterachsen und deren Bewegungsbereich sowie durch den Endeffektor bzw. das Werkzeug TL ist die Erreichbarkeit eines Bearbeitungspunktes in verschiedenen Werkzeugorientierungen und somit Roboterposen beschränkt. Dies bedeutet, dass die Bearbeitungspunkte auf einem Bauteil (Werkstück WP) nur an wenigen Positionen im Arbeitsraum erreicht werden. Zudem darf beim Anfahren der Bearbeitungspunkte keine Kollision zwischen dem Endeffektor TL, dem Industrieroboter IR und dem Werkstück WP auftreten.

The 2nd shows in the main character 2a ) the industrial robot IR with his across the border G marked work area, which has the following dimensions, for example: horizontal dimension DX of about 2500 mm, vertical expansion DZ0 of about 2800 mm or DZM of about 3000 mm. The workpiece to be machined WP , which can be, for example, a strut tower, is in the 2 B) shown and points for example 44 Processing points (points). In the 2c ) is the tool TL as well as the tool center TCP (so-called Tool Center Point), which is the actual one on the workpiece WP represents the attacking central machining point of the tool. The inventors have particularly dealt with the following considerations:

The high mobility of the industrial robot IR enables a position in the Cartesian workspace of the robot to be reached from different directions or with different tool orientations. This results in a different axis position or a different robot pose for each tool orientation, although the position of the tool center point TCP is the same. Through the structure of the robot axes and their range of motion as well as through the end effector or the tool TL the accessibility of a processing point in different tool orientations and thus robot poses is limited. This means that the machining points on a component (workpiece WP ) can only be reached at a few positions in the work area. In addition, there must be no collision between the end effector when approaching the processing points TL , the industrial robot IR and the workpiece WP occur.

Die Analyse der kollisionsfreien Erreichbarkeit aller Bearbeitungspunkte auf dem jeweiligen Werkstück WP im Roboterarbeitsraum kann, grundsätzlich, empirisch, analytisch oder numerisch erfolgen. Um einen Bearbeitungspunkt als erreichbar zu definieren sind im Wesentlichen drei Kriterien zu erfüllen: Als erstes muss der Bearbeitungspunkt aus dem Drehbereich der Achsen x, y, z erreichbar sein. Darüber hinaus dürfen beim Anfahren des jeweiligen Bearbeitungspunktes keine Kollision und keine Singularität auftreten. Für eine wirtschaftliche und zeiteffiziente Bearbeitung ist es zielführend, das jeweilige Werkstück WP an der Stelle zu positionieren, an der alle Bearbeitungsstellen vom Werkzeugmittelpunkt TCP aus erreicht werden. Hierfür wurden von den Erfindern das hier vorgestellte Verfahren sowie die danach arbeitende Vorrichtung entwickelt. Beides wird nachfolgend anhand der 3-6 im Detail beschrieben:

Die 3 zeigt den schematischen Ablauf des Verfahrens 100 in einer ersten Ausführungsform mit den Schrittfolgen 110 bis 140. Das Verfahren 100 dient zur Ermittlung und Analyse von Verlagerungen eines Werkzeugmittelpunktes TCP eines Werkzeuges TL, hier insbesondere von solchen Verlagerungen, die durch statische Roboternachgiebigkeiten verursacht werden und wird daher auch kurz mit „StaticRob“ bezeichnet. Das Verfahren 100 umfasst eine umfassende Auswertung der ermittelten Verlagerungen zur Verbesserung der Ansteuerung eines Industrieroboters. Anhand der 4 wird später auch die Integration des Verfahrens 100 in eine Prozessplanung und -durchführung beschrieben sowie die Integration eines Verfahrens 200, welches zur Analyse von Verlagerungen dient, die durch dynamische Roboternachgiebigkeiten verursacht werden und die kurz als „DynamicRob“ bezeichnet wird.

The analysis of the collision-free accessibility of all machining points on the respective workpiece WP in the robot workroom can be done basically, empirically, analytically or numerically. In order to define a machining point as reachable, three criteria have to be met: First, the machining point must be from the rotation range of the axes x , y , e.g. be available. In addition, no collision and no singularity may occur when approaching the respective machining point. For economical and time-efficient machining, it is expedient for the respective workpiece WP to be positioned at the point where all machining points from the tool center TCP be reached from. For this purpose, the inventors have developed the method presented here and the device that operates on it. Both are explained below using the 3-6 described in detail:

The 3rd shows the schematic sequence of the method 100 in a first embodiment with the step sequences 110 to 140 . The procedure 100 is used to determine and analyze displacements of a tool center TCP of a tool TL , here in particular of such relocations that are caused by static robot compliance and is therefore also briefly referred to as "StaticRob". The procedure 100 includes a comprehensive evaluation of the determined relocations to improve the control of an industrial robot. Based on 4th will also later integrate the process 100 described in a process planning and implementation as well as the integration of a process 200 , which is used to analyze displacements that are caused by dynamic robot compliance and which is referred to as "DynamicRob" for short.

Zunächst wird auf die 3 Bezug genommen, die den Verfahrensablauf für den „StaticRob“ betrifft, welcher im Wesentlichen vier Tools umfasst: Das „CombTool“ im Block 110, das „ReachTool“ im Bock 120, das DispTool" im Block 130 und das „AnsTool“ im Block 140:

Im ersten Block „CombTool“, der eine erste Schrittfolge 110 bildet, werden diskrete Werkzeugorientierungswinkel ermittelt bzw. generiert. Die Werkzeugorientierung lässt sich unter anderem durch die Euler-Winkel A, B und C beschreiben. Durch die Änderung der Werkzeugorientierung nimmt der Industrieroboter, ohne dass die TCP-Position sich ändert, verschiedene Bearbeitungsposen an. Für die Analyse der verschiedenen Posen wird daher im ersten Schritt die Kombination aller diskreten Werkzeugorientierungen im CombTool berechnet. Als Input werden der Winkelbereich sowie die Winkelschrittweite der Orientierungswinkel eingegeben. Das Ergebnis ist eine Liste aller Winkelkombinationen. Von der Liste werden die Winkelkombinationen, welche zur selben Werkzeugorientierung führen, ausgeschlossen. Somit werden im Block 110 anhand von diskreten Orientierungswinkeln, vorzugsweise Euler-Winkel A, B, C, welche die Werkzeugorientierungen des Werkzeugs TL beschreiben, alle möglichen Winkelkombinationen gebildet und dann wird eine Auswahl davon gebildet, so dass jede Werkzeugorientierung nur durch jeweils eine Winkel-Kombination repräsentiert wird; hierdurch kann das Datenaufkommen deutlich um die vorhandene Redundanz reduziert werden.

First, the 3rd Reference is made to the procedure for the "StaticRob", which essentially comprises four tools: The "CombTool" in the block 110 , the "ReachTool" in the goat 120 , the DispTool "in the block 130 and the "AnsTool" in the block 140 :

In the first block "CombTool", which is a first step sequence 110 forms, discrete tool orientation angles are determined or generated. The tool orientation can be determined, among other things, by the Euler angles A , B and C. describe. By changing the tool orientation, the industrial robot takes on various machining poses without changing the TCP position. For the analysis of the different poses, the combination of all discrete tool orientations is therefore calculated in the CombTool in the first step. The angular range and the angular step width of the Orientation angle entered. The result is a list of all angle combinations. The angle combinations that lead to the same tool orientation are excluded from the list. Thus, in the block 110 using discrete orientation angles, preferably Euler angles A , B , C. which are the tool orientations of the tool TL describe, all possible combinations of angles are formed and then a selection of them is formed, so that each tool orientation is represented by only one combination of angles; this can significantly reduce the data volume by the existing redundancy.

Der nächste Block „ReachTool“ bildet eine weitere Schrittfolge 120, in welcher die im Arbeitsraum des Industrie-Roboters IR erreichbaren Bearbeitungskonfigurationen ermittelt werden. Unter Bearbeitungskonfigurationen werden zumindest die von dem Industrieroboter IR darstellbaren Bearbeitungsposen verstanden; es können aber zusätzlich auch die erreichbaren am Werkstück WP erreichbaren Bearbeitungspositionen bzw. --stellen umfasst sein. Somit kann jede Bearbeitungskonfiguration jeweils zumindest eine IR-Bearbeitungspose für eine konkret erreichbare WP-Bearbeitungsposition angeben. Der Block 120 bzw. das Berechnungsmodul ReachTool ist also im Wesentlichen ein Analysetool zur Ermittlung der erreichbaren Bearbeitungskonfigurationen. Bei einem solchen Analysetool könnten zwar die Werkzeugorientierungen entweder stochastisch auf einer Sphäre verteilt oder aus einer Liste mit den Bearbeitungspunkten importiert werden. Jedoch erfolgt hier im Block 120 keine stochastische Generierung von Bearbeitungsposen. Stattdessen wird hier über die Importfunktion des ReachTools das Importieren der Werkzeugorientierungen aus verschiedenen Quellen ausgeführt (stochastisch, diskret oder aus CAD-Datei). Insbesondere werden im Block 120, die zuvor im Block 110 ermittelten Werkzeugorientierungen anhand eines vorgebaren Robotermodells analysiert. Hierfür eignet sich z.B. die Simulationssoftware RoboDK® (eingetragene Marke) der Firma ROBODK SOFTWARE, S.L., Spanien. Nach der Analyse werden die Bearbeitungskonfigurationen, welche nicht vom TCP erreicht werden, für weitere Analysen ausgeschlossen. Hierdurch kann wiederum das Datenaufkommen deutlich reduziert werden.The next block "ReachTool" forms a further step sequence 120 , in which the in the work area of the industrial robot IR accessible machining configurations can be determined. Machining configurations include at least those from the industrial robot IR understandable processing poses understood; but it can also be the achievable on the workpiece WP accessible processing positions or locations. Each machining configuration can thus specify at least one IR machining pose for a specific WP machining position that can be reached. The block 120 or the ReachTool calculation module is essentially an analysis tool for determining the machining configurations that can be achieved. With such an analysis tool, the tool orientations could either be distributed stochastically on a sphere or imported from a list with the processing points. However, here takes place in the block 120 no stochastic generation of processing poses. Instead, the import function of the ReachTool is used to import the tool orientations from various sources (stochastic, discreet or from a CAD file). In particular, in the block 120 that were previously in the block 110 The determined tool orientations are analyzed using a predeterminable robot model. The simulation software RoboDK® (registered trademark) from ROBODK SOFTWARE, SL, Spain is suitable for this. After the analysis, the machining configurations that are not from the TCP reached, excluded for further analysis. This in turn can significantly reduce the amount of data.

Somit erfolgt im Block 120 (ReachTool) anhand eines Robotermodells die Ermittlung von erreichbaren Bearbeitungspositionen und -posen, wobei als Eingangsdaten die Kombinationen aller Schrittwinkel (aus Block 110) vorliegen, ferner die Feldbreite und -länge sowie Schrittweite, und des Weiteren eine Auswahl eines Robotermodells. Als Ausgangsdaten liegt die erreichbare Bearbeitungskonfiguration vor.Thus takes place in the block 120 (ReachTool) the determination of accessible machining positions and positions using a robot model, whereby the combinations of all step angles (from block 110 ) are available, furthermore the field width and length as well as step size, and further a selection of a robot model. The attainable machining configuration is available as output data.

In einer weiteren Schrittfolge 130, dem Block „DispTool“, wird nun anhand eines Nachgiebigkeitsmodells jeweils die Verlagerung des Werkzeugmittelpunkts TCP in einer Bearbeitungsposition und -pose berechnet. Hierfür sind neben der Achsstellung Information über den Betrag und die Richtung der am TCP wirkenden Kraft erforderlich. Dabei wird im angewandten elastostatischen Nachgiebigkeitsmodell das Verhalten des TCP im kartesischen Arbeitsraum über das Verhalten der einzelnen Roboterkomponenten im Softwaretool Disp-Tool beschrieben.In a further sequence of steps 130 , the "DispTool" block, the relocation of the tool center is now based on a compliance model TCP calculated in a processing position and pose. For this purpose, in addition to the axis position, information about the amount and the direction of the TCP force required. In the applied elastostatic compliance model, the behavior of the TCP described in the Cartesian workspace about the behavior of the individual robot components in the Disp-Tool software tool.

Grundlage für das DispTool ist das sogenannte Starkörpermodell, bei dem die Nachgiebigkeiten der Roboterkomponenten, einschließlich Getriebe, Lagerungen und Strukturkomponenten, durch Federelemente ersetzt werden. Dabei wird die Verlagerung des TCP aus der Getriebeverdrehung und -verkippung sowie aus der elastischen Verformung von Lagerung und Struktur zusammengesetzt. Man erhält ein elastisches Nachgiebigkeitsmodell (s. 5). Durch diese Betrachtungsart kann die Gesamtverlagerung unabhängig von seiner kartesischen Position berechnet werden. Mit dem Ziel die höchstmögliche Modellgüte zu erreichen, wird der Einfluss aller Komponenten bei der Berechnung der TCP-Verlagerungen berücksichtigt. Somit wird die Gesamtanzahl der Gelenke durch Einführen von virtuellen Gelenken von 6 auf insgesamt 11 erweitert. In der 5 ist das Koordinatensystem des elastischen Nachgiebigkeitsmodells dargestellt, wobei die Lage der Gelenke sich in der Achsstellung [0°, 0°, 0°, 0°, 0°, 0°] befinden.The basis for the DispTool is the so-called strong body model, in which the resilience of the robot components, including gears, bearings and structural components, are replaced by spring elements. The relocation of the TCP composed of the gearbox rotation and tilting as well as the elastic deformation of the bearing and structure. An elastic compliance model is obtained (see 5 ). With this type of observation, the total displacement can be calculated regardless of its Cartesian position. With the aim of achieving the highest possible model quality, the influence of all components is taken into account when calculating the TCP relocations. Thus, the total number of joints is increased from 6 to a total of 11 by introducing virtual joints. In the 5 the coordinate system of the elastic compliance model is shown, the position of the joints being in the axial position [0 °, 0 °, 0 °, 0 °, 0 °, 0 °].

Die Transformationsmatrix für die Vorwärtstransformation basiert auf der Denavit-Hartenberg Konvention. Hierfür wird die Denavit-Hartenberg Konvention für die Beschreibung aller Gelenke (realer sowie virtueller) erweitert (siehe unten stehende Tabelle). Bei der Berechnung der TCP-Position im kartesischen Arbeitsraum aus den Gelenkstellungen erfolgt in jedem einzelnen Transformationsschritt zunächst eine Drehung um die x-Achse mit dem Wert a. Anschließend folgt eine Translation a entlang der x-Achse, b entlang der y-Achse und d entlang der z-Achse. Im letzten Schritt erfolgt eine Drehung θ um die z- Achse (siehe Tabelle). DH-Parameter des Roboters i α in rad (Rotation um x) ainmm (Translation in x ) b in mm (Translation in y) d in mm (Translation in z) Θ in rad (Rotation um z) 1 0 nach 1 0 0 0 225 -Θ1 2 1 nach 2 π/2 350 450 0 -π/2 - Θ2 3 2 nach (S) -π/2 0 0 575 0 4 (S) nach 3 π/2 0 575 0 -Θ3 5 3 nach (A) -π/2 41,16 0 340 0 6 (A) nach 4 0 0 0 340 -Θ4 7 4 nach (H) 0 0 0 160 0 8 (H) nach 5 π/2 0 160 0 -Θ5 9 5 nach 6 -π/2 0 0 240 -Θ6 10 6nach (KS) 0 0 0 103,2 0 11 (KS) nach (SH) 0 152 0 145,3 0 12 (SH) nach 7 0 290 0 0 0 The transformation matrix for the forward transformation is based on the Denavit-Hartenberg convention. For this purpose, the Denavit-Hartenberg convention for the description of all joints (real and virtual) is expanded (see table below). When calculating the TCP position in the Cartesian workspace from the joint positions, a rotation about the x-axis with the value a takes place in each individual transformation step. This is followed by a translation a along the x axis, b along the y axis and d along the z axis. In the last step there is a rotation θ around the z axis (see table). DH parameters of the robot i α in rad (rotation around x) ainmm (translation in x) b in mm (translation in y) d in mm (translation in z) Θ in rad (rotation around z) 1 0 after 1 0 0 0 225 -Θ1 2nd 1 after 2 π / 2 350 450 0 -π / 2 - Θ2 3rd 2 after (S) -π / 2 0 0 575 0 4th (S) after 3 π / 2 0 575 0 -Θ3 5 3 after (A) -π / 2 41.16 0 340 0 6 (A) after 4 0 0 0 340 -Θ4 7 4 to (H) 0 0 0 160 0 8th (H) after 5 π / 2 0 160 0 -Θ5 9 5 after 6 -π / 2 0 0 240 -Θ6 10th 6to (KS) 0 0 0 103.2 0 11 (KS) to (SH) 0 152 0 145.3 0 12th (SH) after 7 0 290 0 0 0

Aufgrund des anisotropen Nachgiebigkeitsverhaltens des Industrieroboters hat die Richtung der Bearbeitung bzw. die Richtung der wirkenden Prozesskraft, neben dem Betrag der Prozesskraft, einen wesentlichen Einfluss auf die TCP-Verlagerung. Mit dem Ziel, die Bearbeitungsrichtung mit der geringsten TCP-Verlagerung zu finden, kann im Disp-Tool durch die beliebige Vorgabe der diskreten Vorschubrichtung die Verlagerung des TCP in einer Bearbeitungskonfiguration berechnet werden. Die Wirkrichtung der Prozesskraft kann insbesondere bei spanabhebenden Bearbeitungen wie Bohren oder insbesondere Fräsen stark abhängig von der Bearbeitungsrichtung sein:

Denn bei Industrierobotern liegt eine starke Kopplung der Nachgiebigkeiten vor. Beim Fräsen gewinnt diese Tatsache mehr an Bedeutung als beim Bohren, da beim Fräsen eine dreidimensionale Fräskraft auf den Werkzeugmittelpunkt TCP wirkt. Demzufolge ist nicht nur der Betrag der Fräskraftkomponenten entscheidend für eine TCP-Verlagerung. Auch die Richtung der Fräsbahn hat einen starken Einfluss auf die TCP-Verlagerungen. Aus diesem Grund wird in StaticRob in der Analyse (Block 130) der Einfluss der Bearbeitungsrichtung, neben den Arbeitungspositionen und -posen, auf das Verlagerungsverhalten des Industrieroboters berücksichtigt. Die Anzahl der Bearbeitungsrichtungen kann in beliebigen Diskretisierungsschritten in „StaticRob“ eingegeben werden. Für die Analyse wird exemplarisch eine Richtungsschrittweite von 45° gewählt. Somit kann in jeder Bearbeitungskonfiguration das Fräsen in acht Richtungen erfolgen.

Due to the anisotropic compliance behavior of the industrial robot, the direction of processing or the direction of the process force, in addition to the amount of process force, has a significant influence on the TCP relocation. With the aim of finding the machining direction with the least TCP displacement, the displacement of the TCP can be calculated in a machining configuration. The direction of action of the process force can be strongly dependent on the machining direction, particularly in the case of machining operations such as drilling or milling in particular:

Because industrial robots have a strong coupling of compliance. When milling, this fact becomes more important than when drilling because a three-dimensional milling force is exerted on the center of the tool TCP works. As a result, it is not only the amount of the milling force components that is decisive for a TCP shift. The direction of the milling path also has a strong influence on the TCP relocations. For this reason in StaticRob in the analysis (block 130 ) the influence of the machining direction, in addition to the working positions and poses, on the shifting behavior of the industrial robot is taken into account. The number of machining directions can be entered in "StaticRob" in any discretization steps. As an example, a direction step size of 45 ° is selected for the analysis. This means that milling can be carried out in eight directions in any machining configuration.

Die Erfinder haben erkannt, dass sich die Wirkrichtung der Fräskraftkomponenten in Abhängigkeit von der Fräsrichtung ändert. Dabei wirkt die Vorschubkraft in entgegengesetzter Richtung zum Vorschub und die Vorschubnormalkraft senkrecht zur Vorschubkraft. Die Richtung der Passivkraft ist jedoch nicht von der Vorschubrichtung abhängig, sondern von der Geometrie des Werkzeugs und wirkt im Beispiel hier stets in positive x-Richtung des Tool-Koordinatensystems (s. auch 2c). Was die Möglichkeiten des StaticRob betrifft, so kann die Analyse der TCP-Verlagerungen beim Fräsprozess sowohl zur globalen als auch zur lokalen Ermittlung der Verlagerungen erfolgen.The inventors have recognized that the effective direction of the milling force components changes depending on the milling direction. The feed force acts in the opposite direction to the feed and the normal feed force perpendicular to the feed force. However, the direction of the passive force is not dependent on the feed direction, but on the geometry of the tool and in the example here always acts in the positive x-direction of the tool coordinate system (see also 2c ). As far as the possibilities of the StaticRob are concerned, the analysis of the TCP relocations during the milling process can be carried out both for global and local determination of the relocations.

Bei der lokalen Untersuchung der TCP-Verlagerungen erfolgt die Ermittlung der TCP-Verlagerungen in einer Bearbeitungsposition, d.h. an einer konkreten Stelle des Werkstücks, mit einer feinen Diskretisierung der Bearbeitungsrichtungen und -posen, um die beste Bearbeitungsrichtung und -pose zu ermitteln. Bei einer globalen Betrachtung der TCP-Verlagerungen können in einem Teilbereich oder im gesamten Arbeitsraum die Ergebnisse in Form einer sogenannten Heatmap dargestellt werden (siehe auch 6a/b). Bei der lokalen Analyse wird die beste Bearbeitungsrichtung und Werkzeugorientierung in einem Bearbeitungspunkt errechnet. Die Auswertungsergebnisse können in Form von Erreichbarkeits-, Verlagerungs- und Varianzkarten dargestellt werden. Darüber hinaus können z.B. die Häufigkeitsverteilung der Achsbewegung und der Verlagerungen in einem Histogramm präsentiert werden.When examining the TCP displacements locally, the TCP displacements are determined in a machining position, ie at a specific point on the workpiece, with a fine discretization of the machining directions and poses in order to determine the best machining direction and pose. When looking at TCP relocations globally, the results can be displayed in a partial area or in the entire work area in the form of a so-called heat map (see also 6a / b). With the local analysis, the best machining direction and tool orientation are calculated in one machining point. The evaluation results can be in the form of availability, relocation and variance maps being represented. In addition, the frequency distribution of the axis movement and the displacements can be presented in a histogram.

Im Block 130 erfolgt also die Ermittlung von TPC-Verlagerungen, wobei als Eingangsdaten die Eingabe aller erreichbaren Bearbeitungspositionen und -posen für die Erstellung einer Verlagerungskarte vorliegen; oder die Eingabe von allen erreichbaren Posen in einer Bearbeitungsposition zur Ermittlung der besten Bearbeitungsrichtung und -pose; ferner noch Daten betreffend die Prozesskräfte, DH-Parameter des eingesetzten Industrieroboters und Nachgiebigkeitsparamter der eingesetzten Roboterkomponenten. Als Ausgangsdaten liegt dann die Arbeitspunkt-Verlagerung vor; und ebenso achsspezifische Verlagerungen.In the block 130 TPC relocations are thus determined, the input data being the input of all accessible processing positions and poses for the creation of a relocation map; or the input of all reachable poses in a processing position to determine the best processing direction and pose; furthermore data relating to the process forces, DH parameters of the industrial robot used and compliance parameters of the robot components used. The operating point shift is then available as output data; and also axis-specific relocations.

Im nächsten Block 140, dem „AnsTool“ erfolgt dann eine umfassende, insbesondere statistische, Auswertung der Ergebnisse. Je nach Art der Betrachtung der Analysen (global oder lokal) stehen im Ans-Tool verschiede Darstellungsmöglichkeiten zur Verfügung. Bei einer globalen Betrachtung der TCP- Verlagerungen in einem Teilbereich oder im gesamten Arbeitsraum können die Ergebnisse in Form einer sogenannten Heatmap dargestellt werden, d.h. in Form von grafischen Verlagerungskarten (s. 6b). Bei der lokalen Analyse wird die beste Bearbeitungsrichtung und Werkzeugorientierung in einem Bearbeitungspunkt errechnet. Die Auswertungsergebnisse können in Form von Erreichbarkeits-, Verlagerungs- und Varianzkarten dargestellt werden. Darüber hinaus können z. B. die Häufigkeitsverteilung der Achsbewegung und der Verlagerungen in einem Histogramm präsentiert werden. Des Weiteren werden die beste und schlechteste Bearbeitungspose und -richtung bestimmt und angezeigt.In the next block 140 , the "AnsTool" then a comprehensive, in particular statistical, evaluation of the results. Depending on the way in which the analyzes are viewed (global or local), various display options are available in the Ans tool. If the TCP relocations are viewed globally in a sub-area or in the entire work area, the results can be displayed in the form of a so-called heat map, ie in the form of graphic relocation maps (see 6b) . With the local analysis, the best machining direction and tool orientation are calculated in one machining point. The evaluation results can be presented in the form of accessibility, relocation and variance maps. In addition, e.g. B. the frequency distribution of the axis movement and the displacements are presented in a histogram. Furthermore, the best and worst processing pose and direction are determined and displayed.

Demnach liegen dem Block 140 als Eingangsdaten die Arbeitspunkt-Verlagerungen vor; ebenso achsspezifische Verlagerungen. Als Ausgangsdaten werden insbesondere erstellt: eine Verlagerungskarte, ein Häufigkeitsdiagramm der Posen mit geringster bzw. höchster TCP-Abweichung bzw. -Verlagerung, Häufigkeitsdiagramm der Bearbeitungsrichtung mit geringster bzw. höchster TCP-Abweichung bzw. - Verlagerung, eine Varianzkarte, eine Häufigkeitsdichte der Verlagerungen, eine Häufigkeitsdichte des Drehbereichs der Achswinkel und/oder eine Sensitivitätsanalyse.Accordingly, the block 140 the operating point shifts as input data; also axis-specific relocations. In particular, the following are created as initial data: a displacement map, a frequency diagram of the poses with the lowest or highest TCP deviation or displacement, frequency diagram of the processing direction with the lowest or highest TCP deviation or displacement, a variance map, a frequency density of the displacements, a frequency density of the range of rotation of the axis angle and / or a sensitivity analysis.

Exemplarisch für die umfassenden Ergebnisse aus dem „StaticRob“ zeigen die 6a und 6b zwei Heatmaps, welche aus den berechneten Ergebnissen erstellt worden sind. Die 6a zeigt eine Erreichbarkeitskarte mit dem in hell/weiß dargestellten Bereich BA1 für die höchste Erreichbarkeit. Die 6b zeigt eine Verlagerungskarte mit dem in hell/weiß dargestellten Bereich BA2 mit dem geringsten arithmetischen Mittel der euklidischen Norm. Bei der Gegenüberstellung der Erreichbarkeitskarte (links) mit der Verlagerungskarte der euklidischen Normen (rechts) wird ersichtlich, dass es keine Überschneidung der optimalen Bearbeitungsbereiche gibt, im Unterschied zu der erhofften Annahme (vergl. 1b), dass sich ein Bereich finden möge, in dem möglichst alle Kriterien erfüllt werden: also die höchste Anzahl an erreichbaren Bearbeitungspunkten (BA1), das beste statische Verhalten des Roboters (BA2) und auch das beste dynamische Verhalten des Roboters (BA3).The show the examples of the comprehensive results from the "StaticRob" 6a and 6b two heat maps, which were created from the calculated results. The 6a shows an accessibility map with the area shown in light / white BA1 for maximum accessibility. The 6b shows a relocation map with the area shown in light / white BA2 with the least arithmetic mean of the Euclidean norm. When comparing the accessibility map (left) with the relocation map of the Euclidean norms (right), it can be seen that there is no overlap of the optimal processing areas, in contrast to the hoped-for assumption (cf. 1b) that there should be an area in which as many criteria as possible are met: i.e. the highest number of processing points that can be reached ( BA1 ), the best static behavior of the robot ( BA2 ) and also the best dynamic behavior of the robot ( BA3 ).

Auch für den Fall, dass sich die Bereiche nicht alle überlappen, ist es trotzdem möglich, in einer Bearbeitungsposition das lokale Optimum aus Bearbeitungspose und -richtung zu finden. Das heißt, wenn eine globale Betrachtung zu keinem Bereich führt, der möglichst alle Kriterien erfüllt, dann kann eine lokale Betrachtungsweise noch zu einer ausreichenden Optimierung führen. Wie gesagt: Aus verschieden Gründen ist häufig in der Realität die Bearbeitung an der Stelle, an der das beste Bearbeitungsergebnis erreichbar ist, nicht möglich. Ein Grund dafür ist, wie zuvor beschrieben, die geringe Erreichbarkeit der Bearbeitungsposen an dieser Stelle. Um an der Stelle, an der die höchste Erreichbarkeit der Bearbeitungspunkte gegeben ist, das bestmögliche Bearbeitungsergebnis zu erreichen, wird dann mit dem StaticRob eine lokale Verlagerungsanalyse durchgeführt. Da die Analyse nur in einer Position stattfindet, kann die Schrittweite der Bearbeitungsposen und -richtungen für eine gute Auflösung erhöht werden, ohne dass der Rechenaufwand zu groß wird. Die Schrittweite der Bearbeitungsposen beträgt zum Beispiel 3° und die Schrittweite der Bearbeitungsrichtungen beträgt zum Beispiel 1 °. Darüber hinaus kann der Analysebereich der Euler-Winkel A und B auf ± 20 ° eingeschränkt werden. Der Drehbereich des Euler-Winkels C liegt beispielsweise bei ± 180 °. Dann werden die beste und schlechteste Bearbeitungspose und -richtung für die konkrete Bearbeitungsposition (hier z.B. x = 255,2 mm, y = -1634,9 mm und z = 614,8 mm) mit dem StaticRob ermittelt.Even in the event that the areas do not all overlap, it is still possible to find the local optimum of the processing pose and direction in one processing position. This means that if a global view does not lead to an area that meets all the criteria, a local view can still lead to sufficient optimization. As I said: For various reasons, it is often not possible in reality to work at the point where the best machining result can be achieved. One reason for this, as previously described, is the poor accessibility of the processing poses at this point. In order to achieve the best possible machining result at the point at which the machining points can be reached easily, the StaticRob is then used to carry out a local displacement analysis. Since the analysis only takes place in one position, the step size of the processing poses and directions can be increased for a good resolution without the computing effort becoming too great. The step size of the machining poses is, for example, 3 ° and the step size of the machining directions is, for example, 1 °. In addition, the analysis range can be the Euler angle A and B limited to ± 20 °. The range of rotation of the Euler angle C. is, for example, ± 180 °. Then the best and worst machining pose and direction for the specific machining position (here eg x = 255.2 mm, y = -1634.9 mm and z = 614.8 mm) are determined with the StaticRob.

Die 7a und 7b zeigen einen Industrieroboter in zwei solchen Bearbeitungspositionen, die für einen Fräsprozess und einen konkreten TCP ermittelt wurden. Die 7a zeigt die schlechteste Bearbeitungsposition und die 7b zeigt die beste Bearbeitungsposition. Wie ein Vergleich beider Figuren zeigt, kann es durchaus vorkommen, dass einzelne (oder auch mehrere) Achsstellungen dieser beiden extrem unterschiedlichen Bearbeitungspositionen sich nicht besonders stark voneinander unterscheiden.The 7a and 7b show an industrial robot in two such processing positions, for a milling process and a concrete one TCP were determined. The 7a shows the worst machining position and the 7b shows the best machining position. As a comparison of the two figures shows, it may well happen that individual (or also several) axis positions of these two extremely different machining positions do not differ from one another particularly strongly.

Was die Ermittlung des Einflusses der Roboterkomponenten auf die statische TCP-Verlagerung (Sensitivitätsanalyse) angeht, so wird hierfür auch das anhand der 5 veranschaulichte elastostatische Nachgiebigkeitsmodell verwendet. Denn, wie bereits beschrieben, ergibt sich die Gesamtverlagerung des TCP aus den Verlagerungen der einzelnen Gelenke und Strukturen. Für eine gezielte Komponetenoptimierung muss Roboterhersteller über die Information verfügen, welche Komponente den größten Beitrag zur Gesamtverlagerung leistet, um diese Komponente hinsichtlich ihrer Steifigkeiten zu optimieren. Aus diesem Grund wird in Rahmen der Sensitivitätsanalyse der Einfluss der Komponenten auf die Gesamtverlagerung des TCP analysiert. Die Einflüsse der Komponenten auf die Gesamtverlagerung des TCP lassen sich in kinematische und elastostatische unterteilen. Dabei erfolgt bei der Sensitivitätsanalyse im ersten Schritt die Berechnung der kinematischen Gewichtungsgrößen. In dem darauffolgenden Schritt erfolgt durch die Kopplung der kinematischen Gewichtungen der Komponenten mit deren Steifigkeiten die Ermittlung des Beitrags jeder Komponente zur Gesamtverlagerung. Grundlage der kinematischen Gewichtung ist die Betrachtung des Einflusses jedes einzelnen Gelenkes (insgesamt z.B. 33 Gelenke; 5) auf die TCP-Verlagerungen in x, y und z-Richtung sowie auf die TCP-Verkippungen um die Euler-Winkel A, B und C. Dabei hängt die kinematische Gewichtung der Roboterkomponenten von der Position des TCP ab. Je größer der Abstand der Komponente zum TCP desto höher ihrer Gewichtung. Daher muss die kinematische Gewichtung für jede Pose neu berechnet werden. As far as the determination of the influence of the robot components on the static TCP shift (sensitivity analysis) is concerned, this is also based on the 5 illustrated elastostatic compliance model used. Because, as already described, the total shift of the results TCP from the displacements of the individual joints and structures. For a targeted component optimization, robot manufacturers must have information on which component makes the greatest contribution to the overall displacement in order to optimize this component with regard to its rigidity. For this reason, the influence of the components on the overall displacement of the TCP analyzed. The influences of the components on the overall displacement of the TCP can be divided into kinematic and elastostatic. The first step in the sensitivity analysis is to calculate the kinematic weighting variables. In the subsequent step, the contribution of each component to the overall displacement is determined by coupling the kinematic weights of the components with their stiffness. The basis of the kinematic weighting is the consideration of the influence of each individual joint (overall, e.g. 33 Joints; 5 ) to the TCP relocations in x , y and z-direction as well as the TCP tilting around the Euler angle A , B and C. . The kinematic weighting of the robot components depends on the position of the TCP from. The greater the distance between the component and TCP the higher their weighting. Therefore the kinematic weighting has to be recalculated for each pose.

Bei der Berechnung wird jeweils ausgehend von der Soll-Pose jedes Gelenk nacheinander um einen festen Winkel z.B. 1 ° verdreht und die daraus resultierende TCP-Verlagerung und -Verkippung mit der Vorwärtskinematik berechnet. Im letzten Schritt, wird die jeweilige prozessbedingte Gelenkverdrehungen mit der entsprechenden kinematischen Gewichtung des jeweiligen Gelenks multipliziert. Durch die Auswertung der Daten kann eine Aussage über den Einfluss eines Gelenks auf die TCP-Verlagerungen getroffen werden. Hier wurde die kinematische Gewichtung der Arbeitungspositionen und -posen aus dem Fräsprozess mit den jeweiligen Gelenkverdrehungen multipliziert. Die Auswertung der Daten zeigt, dass das eines der Y-Gelenke (ys) sehr häufig zu Verlagerungen in x0- und z0- Richtung beiträgt. Wiederum sind einige der Z-Gelenke (z1, z2, z3) in großen Maßen an den y-Verlagerungen beteiligt. Diese Ergebnisse können für eine Reduzierung der Verlagerungen um die Euler-Winkel genutzt werden. Für eine Reduzierung der Verlagerungen um A und B wird beispielsweise das Gelenk z4 optimiert; und für die Reduzierung der Verlagerung um C wird z.B. das Gelenk z6 optimiert.In the calculation, each joint is rotated one after the other by a fixed angle, e.g. 1 °, based on the target pose and the resulting TCP displacement and tilting are calculated using the forward kinematics. In the last step, the respective process-related joint rotations are multiplied by the corresponding kinematic weighting of the respective joint. By evaluating the data, a statement can be made about the influence of a joint on the TCP relocations. Here the kinematic weighting of the working positions and poses from the milling process was multiplied by the respective joint rotations. The evaluation of the data shows that one of the Y-joints ( ys ) very often contributes to displacements in the x0 and z0 direction. Again, some of the Z joints ( z1 , z2 , z3 ) involved to a large extent in the y-displacements. These results can be used to reduce the displacements by the Euler angles. For a reduction in relocations A and B for example the joint z4 is optimized; and for reducing the shift by C. the z6 joint is optimized, for example.

Die obige Beschreibung zusammenfassend, wird mit dem vorgestellten Verfahren 100, welches den „StaticRob“, kennzeichnet, das statische Nachgiebigkeitsverhalten des Industrieroboters IR umfassend erfasst und ausgewertet. Die Ergebnisse können für die Prozessplanung wie auch für die Durchführung von Bearbeitungsprozessen herangezogen werden und somit die Werkstück-Bearbeitung durch den IR deutlich verbessern, insbesondere hinsichtlich einer Beschleunigung des Ablaufs wie auch einer Erhöhung der Qualität.Summarizing the above description, the presented method 100 , which characterizes the "StaticRob", the static compliance behavior of the industrial robot IR comprehensively recorded and evaluated. The results can be used for process planning as well as for the execution of machining processes and thus the workpiece machining by the IR significantly improve, especially with regard to accelerating the process and increasing the quality.

Das hier vorgestellte Verfahren 100 „StaticRob“ bietet eine schnelle Identifikation von TCP-Verlagerungen für beliebige Robotertypen, Zerspanprozessen (Bohren und Fräsen) sowie Bearbeitungskräfte. Voraussetzungen sind vorhandene Steifigkeitswerte der einzelnen mechanischen Komponenten sowie die kinematischen Daten des Roboters. Die Schrittweite bei der Analyse der Nachgiebigkeiten im Arbeitsraum und die Anzahl von Werkzeugorientierungen sind beliebig einstellbar. Somit können Arbeitsbereiche zunächst grob identifiziert und dann genauer lokalisiert werden. Die Ergebnisse veranschaulichen die Abhängigkeit der Verlagerung des TCP von dessen Position im Arbeitsraum. So liegt beispielsweise die gemittelte Gesamtverlagerung in dem Bereich mit der höchsten Erreichbarkeit bei ca. 1,5 mm. The procedure presented here 100 "StaticRob" offers quick identification of TCP relocations for any type of robot, machining processes (drilling and milling) and machining forces. The prerequisites are the existing stiffness values of the individual mechanical components as well as the kinematic data of the robot. The step size in the analysis of the compliance in the work area and the number of tool orientations can be set as desired. Work areas can thus be roughly identified and then localized more precisely. The results illustrate the dependence of the relocation TCP from its position in the work area. For example, the average total displacement in the area with the highest accessibility is approximately 1.5 mm.

Auch können u.a. die optimale Werkzeugorientierung und Bauteilposition z.B. bei einem Fräsprozess ermittelt werden.You can also the optimal tool orientation and component position e.g. be determined in a milling process.

In ähnlicher Weise kann zusätzlich auch ein Verfahren 200, das als „DynamicRob“ bezeichnet wird, in die Prozessplanung und -durchführung eingebunden werden, um das dynamische Nachgiebigkeitsverhalten des Industrieroboters IR zur erfassen und auszuwerten.A method can also be used in a similar manner 200 , which is referred to as "DynamicRob", can be integrated into the process planning and implementation to determine the dynamic compliance behavior of the industrial robot IR to record and evaluate.

Die nachfolgend beschriebene 4 zeigt in Form eines Blockdiagramms die beiden Verfahren 100 „StaticRob“ und 200 „DynamicRob“ eingebunden in die Prozessplanung, insbesondere Bahnplanung 300, sowie in die Durchführung eines Bearbeitungsprozesses (Blöcke 400-410):

Das Verfahren 100 (StaticRob) liefert als Ergebnisse 100R die o.g. Auswertungen, welche angeben, in welcher Bearbeitungskonfiguration und Bearbeitungsrichtung die statische TCP-Verlagerung am geringsten ist. Das Verfahren 200 (DynamicRob) liefert als Ergebnisse 200R die Auswertungen, welche angeben, in welcher Bearbeitungskonfiguration und Bearbeitungsrichtung die dynamischen TCP-Verlagerung am geringsten ist und welche Zerspanungsparameter ggf. zu instabilen Prozesszuständen führen können.

The one described below 4th shows the two methods in the form of a block diagram 100 "StaticRob" and 200 "DynamicRob" integrated into process planning, especially path planning 300 , as well as in the execution of a processing process (blocks 400-410 ):

The procedure 100 (StaticRob) returns results 100R the above-mentioned evaluations, which indicate in which processing configuration and processing direction the static TCP shift is the least. The procedure 200 (DynamicRob) returns results 200R the evaluations, which indicate in which machining configuration and machining direction the dynamic TCP relocation is the least and which machining parameters can possibly lead to unstable process states.

Beide Ergebnisse 100R und 200R können die Prozessplanung 300 optimieren, insbesondere die Bahnplanung und Prozessauslegung bzw. Auslegung der Schnittparameter für die anstehende Werkstück-Bearbeitung. Der eigentliche Bearbeitungsprozess (Zerspanung im Block 300) erfolgt dann aufgrund der Prozessplanung 300. Both results 100R and 200R can process planning 300 optimize, in particular the path planning and process design or design of the cutting parameters for the upcoming workpiece machining. The actual machining process (machining in the block 300 ) is then based on process planning 300 .

Die Ergebnisse 100R und 200R werden aber auch für die Prozessregelung (Block 310) genutzt, um insbesondere Korrekturen der Roboternachgiebigkeiten und/oder eine Vorsteuerung durchzuführen. Die in der Prozessregelung (Block 310) verwendeten Daten werden in einem Prozessdatenspeicher 420 abgelegt und dienen der Regleroptimierung (Rückschleife zum Block 410) und des Weiteren auch zur Modelloptimierung des jeweiligen Analyse- und Auswertungs-Verfahrens (Rückschleife zum Block 100 bzw. 200).The results 100R and 200R are also used for process control (block 310 ) is used to carry out corrections to robot compliance and / or a pre-control. The process control (block 310 ) Data used are stored in a process data memory 420 stored and serve to optimize the controller (loop back to the block 410 ) and also for model optimization of the respective analysis and evaluation process (loop back to the block 100 respectively. 200 ).

Zusammenfassend haben die Erfinder das Problem erkannt und untersucht, dass signifikante Abweichungen des Arbeitspunktes bzw. TCP auftreten, die durch statische und dynamische Krafteinflüsse auf das Werkzeug und/oder den Roboter während der Bearbeitung eines Werkstücks hervorgerufen werden. Zur Korrektur wurden die offenbarten Verfahren entwickelt, bei denen eine erste Analyse von statischen Eigenschaften des Roboters durchgeführt wird und eine zweite Analyse von dynamischen Eigenschaften des Roboters durchgeführt wird. Die Ergebnisse beider Analysen können direkt in eine Prozessplanung (Bahnplanung und Prozessauslegung) einfließen; auch können die Ergebnisse beider Analysen in eine Prozessdurchführung einfließen und dort für die Regelung des Bearbeitungsprozesses genutzt werden wie auch zur Regleroptimierung selbst. Die Daten aus der Prozessregelung können in einem Prozessdatenspeicher abgelegt und zur Modelloptimierung genutzt werden.In summary, the inventors recognized the problem and investigated that significant deviations in the working point or TCP occur that are caused by static and dynamic forces on the tool and / or the robot during the machining of a workpiece. For the correction, the disclosed methods were developed, in which a first analysis of static properties of the robot is carried out and a second analysis of dynamic properties of the robot is carried out. The results of both analyzes can flow directly into process planning (path planning and process design); The results of both analyzes can also flow into a process implementation and be used there for the control of the machining process as well as for controller optimization itself. The data from the process control can be stored in a process data memory and used for model optimization.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102007024143 A1 [0003]
US 2006/048364 A1 [0004]

Claims

Method (100) for determining displacements of at least one tool center point (TCP) of a tool (TL), which is used by an industrial robot (IR) to machine a workpiece (WP), whereby in a first step sequence (110 - CombTool) all possible angle combinations are formed on the basis of discrete orientation angles (A, B, C), which describe the tool orientations of the tool (TL) and then a selection is made, so that each tool orientation is only represented by a combination of angles; In a second step sequence (120 - ReachTool), machining configurations achievable are determined based on a robot model in the working space of the industrial robot (IR), each of which specifies at least one machining pose of the industrial robot (IR), based on the selection of the angle combinations only determine the machining configurations that can be reached for the respective tool center point (TCP); and in a third step sequence (130 - DispTool) the displacements of the tool center point (TCP) of the tool (TL) are determined on the basis of a compliance model.

Method (100) according to Claim 1 , wherein in the first step sequence (110 - CombTool) at least one of the features is carried out as follows: - the steps or step sizes of the orientation angles (A, B, C) are evaluated; - Euler angles (A, B, C) are used as orientation angles;

Method (100) according to Claim 1 or 2nd , wherein in the second sequence of steps (120 - ReachTool) at least one of the features is carried out as follows: - a robot model is selected for the machining to be planned; - The robot model used in each case is represented by a simulation of a typical industrial robot; - The field width and length as well as step size for the processing positions are also processed;

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein in the third step sequence (130 - DispTool) at least one of the features is carried out as follows: - A strong body model is used as the compliance model, in which the compliance of components of the industrial robot (IR), in particular of gears, bearings and structural components, are replaced by spring elements; - When using the compliance model, the number of robot joints is expanded from N real joints by M virtual joints, and then the displacement of the tool center (TCP) from the gearbox rotation and tilting as well as from the elastic deformation of the bearing and structure is determined , wherein preferably a transformation based on the Denavit-Hartenberg convention is used to calculate the TCP shift regardless of its Cartesian position, with the aim of finding the processing direction with the least TCP shift.

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein in a fourth step sequence (140) the respectively determined TCP relocations, and in particular also axis-specific relocations, are evaluated, at least one of the following steps being carried out: - at least one relocation map is created, - Frequency diagrams of the processing poses with the lowest and / or highest TCP shift are created; - Frequency diagrams of the processing directions with the lowest and / or highest TCP shift are created; - at least one variance map is created; - at least the frequency density of the displacements is determined; - At least the frequency density of the range of rotation of the axis angle is determined; - At least one sensitivity analysis is carried out.

Method according to one of the preceding claims, the method being implemented as a method (100 - StaticRob) for determining TCP relocations caused by static robot compliance and / or as a method (200 - DynamicRob) for determining TCP relocation caused by dynamic robot compliance becomes.

Use of the method (100; 200) according to one of the preceding claims for process planning (300), in particular path planning, and / or for process control (410) for carrying out a machining process (400), in particular machining, on the workpiece (WP) with the aid of the industrial robot (IR).

The device for performing the method (100; 200) according to one of the preceding claims, wherein the device comprises components that are configured to execute at least the first, second and third sequence of steps (110-130).