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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Steifigkeit eines Körpers, wie Kraftfahrzeugtür, Heckklappe.
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Insbesondere im Bereich der Automobilindustrie ist es notwendig, Kenndaten von eingesetzten Materialien zur Verfügung zu haben und die entsprechenden Objekte regelmäßig zu überprüfen. Dabei ist es erforderlich, reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, insbesondere dann, wenn eine automatische Prüfung ohne Eingriff von Personen erfolgen soll.
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Die
DE 11 2016 002 797 T5 bezieht sich auf eine Kalibriervorrichtung und ein Robotersystem, das eine solche verwendet.
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Gegenstand der
DE 10 2015 214 170 A1 ist ein Roboter mit einer Kraftmesseinrichtung. Dabei werden innerhalb des Roboterarms auftretende Kräfte gemessen, um einen Roboterarm präzise positionieren zu können.
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Der
DE 20 2013 105 036 U1 ist eine Einrichtung zu entnehmen, die für eine Mensch-Roboter-Kooperation bestimmt ist. Dabei gelangt eine Messeinrichtung zur Anwendung, um eine prozessgerechte Positionierung im Arbeitsbereich des Industrieroboters sicherzustellen.
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Die
DE 10 2009 041 734 A1 hat die Vermessung eines Manipulators zum Gegenstand, wobei ein Maßkörper kugelförmiger Gestalt zum Einsatz gelangt.
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Gegenstand der
DE 102 03 002 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kalibrieren eines Roboters, um auf geometrische Bezugselemente eines zu bearbeitenden Werkstücks kalibriert zu werden.
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Ein Kalibrierverfahren für einen Roboter ist der
US 5 177 563 A zu entnehmen, wobei ein 3-Punkt-Kontakt zwischen einem Sensor und einem Objekt erfolgt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Steifigkeit eines Körpers mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu messen.
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Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass zur Messung der Steifigkeit ein mit einem Mehr-Achs-Roboter verbundener Sensor verwendet wird und dass die mittels des Sensors ermittelten Steifigkeitswerte mit zumindest einem roboterspezifischen Eigenschaftswert korrigiert werden, der die Gelenksteifigkeit des Mehr-Achs-Roboters berücksichtigt wird.
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Erfindungsgemäß wird die auch als Eigenelastizität zu bezeichnende Steifigkeit eines Roboters ermittelt, um die mit dem Roboter an einem zu prüfenden Körper gemessenen Steifigkeitswerte zu korrigieren. Dabei wird berücksichtigt, dass in unterschiedlichen Positionen ein Mehr-Achs- wie Sech-Achs-Roboter unterschiedlich steif ist. Befindet sich z.B. der Sensor, der üblicherweise von einem Roboterflansch ausgeht, der am letzten Glied des Roboterarms befestigt ist, sehr dicht am am Fuß verlaufenden Gelenk des Arms, so ist der Roboter recht steif. Im ausgeladenen Zustand, wenn der Roboterflansch an die Grenzen seines Arbeitsraums stößt, ist der Roboter hingegen weich.
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Ursächlich hierfür ist, dass dann, wenn eine Kraft auf den Roboterflansch einwirkt, Drehmomente an bzw. in den einzelnen Gelenken auftreten. In Abhängigkeit von der Gelenksteifigkeit geben die Gelenke um kleine Winkel nach, so dass infolgedessen auch der Flansch und somit der Sensor nachgibt. Für eine ausgeladene Position sind die Drehmomente an den einzelnen Gelenken deutlich höher als in einer eingefahrenen Position, so dass infolgedessen der Roboter in der ausgeladenen Position mehr nachgibt und damit weicher ist.
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Da es häufig nicht möglich ist, eine Steifigkeitsmessung des Roboters an der jeweiligen Position durchzuführen, an dem an einem Körper gemessen wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Ermittlung der Steifigkeit der mit dem Roboter verbundene Sensor in verschiedenen Stellungen auf einen Kalibrierkörper einwirkt und unter Berücksichtigung dieser Werte ein Modell für die Eigensteifigkeit des Roboters berechnet wird, aus dem für jede Stellung des Roboters in seinem Arbeitsraum die Eigensteifigkeit ermittelbar ist, mit der der Steifigkeitswert eines Körpers im jeweiligen Messpunkt korrigiert wird.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass als Kalibrierkörper zumindest ein von einer Säule ausgehender Antastkörper verwendet wird, dessen Oberfläche aus aneinandergrenzenden einen Winkel zueinander einschließenden ebenen Flächen besteht, wobei die Ecken der aneinandergrenzenden Flächen auf einer Kugeloberfläche oder einem Kugelflächenabschnitt liegen sollten. Die entsprechenden Messwerte werden unter Einbeziehung der jeweiligen Roboterposition, bei der die Messung durchgeführt ist, und Denavit-Hartenberg-Parameter für Berechnungen eines Modells verwendet, aus dem sich für jede Roboterposition die roboterspezifische Steifigkeit ergibt. Dabei wird bei der realen Messung der Gelenksteifigkeiten der Sensor derart auf die Kalibrierfläche des Antastkörpers ausgerichtet, dass eine Auslenkung des Roboters in Abhängigkeit von der eingeleiteten Kraft in Normalrichtung der Fläche erfolgt.
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Die Steifigkeit ergibt sich sodann aus der Steigung der Kraft-Weg-Beziehung.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass für die real durchgeführten Messungen der Steifigkeit Positionen an dem Antastkörper bzw. den Antastkörpern ausgewählt werden, die im Bereich der am Körper durchzuführenden Messpositionen liegen.
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Bei der Bestimmung der Gelenksteifigkeiten des Messroboters soll bei den Messungen selbst der Sensor und damit der Roboter verschiedene Orientierungen aufweisen, damit dass berechnete Modell zuverlässig die Gelenksteifigkeiten aller Achsen wiedergeben kann.
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Um den Kraftvektor auf die Normale der Fläche auszurichten, an der ein Messwert für die Robotersteifigkeit zu ermitteln ist, ist bevorzugterweise vorgesehen, dass zur Ermittlung der Normalenrichtung zumindest 3, vorzugsweise 4 den Messpunkt umgebende Punkte auf dem Kalibrierkörper ermittelt werden, so dass aus den Punkten eine Fläche und sodann der von dieser ausgehende Normalenvektor berechnet werden kann.
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Alternativ können Lissajous-Figuren mittels Laser auf der Fläche abgefahren werden, um noch mehr Flächenpositionen zu gewinnen. Hierzu ist es dem Grunde nach nur erforderlich, dass ein Laserabstandssensor am Roboterflansch befestigt wird. Lissajous-Figuren können dicht auf einer Fläche verlaufen. Die Kurvenform wird durch die Frequenzverhältnisse zweier Sinusschwingungen eingestellt und durch die Roboterbewegung praktisch realisiert. Durch den Laserscan erhält man somit ein detailliertes Bild der Oberfläche. Problemlos kann der Normalenvektor bestimmt werden.
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Als Sensor wird insbesondere ein Linearaktor verwendet, der am Flansch des Roboterarms befestigt ist.
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In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass der Linearaktor den Roboter aktiv wegdrückt. Dabei ist eine Anwendung nicht nur parallel zum Schwerefeld der Erde, sondern in beliebigen Roboterflanschstellungen möglich.
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Zur Ermittlung der Steifigkeit des Körpers werden sodann über in dem Roboterarm integrierte Kraft- und/oder Drehmomentsensoren die Kraft und über gegebenenfalls weitere Sensoren und der Weg bzw. der Weg mittels des Sensors ermittelt, um aus der Beziehung zwischen Kraft und Weg die Steifigkeit zu bestimmen. Anschließend wird die sich aus dem Modell ergebende Steifigkeit des Roboters für den Messpunkt berücksichtigt, um die tatsächliche Steifigkeit des Körpers am Messpunkt zu ermitteln.
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Bezüglich der Messpunkte ist anzumerken, dass dann, wenn ein CAD-Modell des Körpers vorliegt, virtuell die Messpunkte festgelegt werden können, um sodann mittels des Roboters bzw. des mit diesem verbundenen Sensor in den realen Messpunkten des Körpers die Steifigkeit zu ermitteln. Das CAD-Modell kann dabei durch Scannen des Körpers erzeugt werden.
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Um eine möglichst genaue Korrektur der realen Messergebnisse mit denen der Robotersteifigkeit in der Messposition vorzunehmen, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die gemessenen Steifigkeiten am Kalibrierkörper mit den nach dem Modell berechneten Steifigkeiten verglichen werden. In Bereichen, in denen sich größere Abweichungen ergeben, können ergänzende Messungen durchgeführt werden, um Verfälschungen an den Steifigkeitswerten des zu messenden Körpers zu reduzieren bzw. auszuschließen.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung eines Mehr-Achs-Roboters zum Messen der Steifigkeit eines Körpers,
- 2 korrigierte und nicht korrigierte Messwerte der Steifigkeit des Körpers in Prinzipdarstellung,
- 3 ein Beispiel gemessener und berechneter Steifigkeitswerte eines Roboters,
- 4 eine Kalibriereinrichtung in verschiedenen Positionen zu einem Roboter und
- 5 einen Antastkörper.
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Um die Steifigkeit eines Körpers 10, wie z. B. Kraftfahrzeugtür, Heckklappe, Flächenelemente oder Ähnliches, zu ermitteln, wird erfindungsgemäß ein mittels eines Roboters 12 automatisch durchgeführtes Messverfahren durchgeführt, bei dem Messverfälschungen durch die Elastizität bzw. Steifigkeit des Roboters 12 eliminiert sind; denn in unterschiedlichen Positionen ist der Roboter 12, bei dem es sich um einen Sechs-Achs-Roboter handeln kann, unterschiedlich steif.
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In der Prinzipdarstellung gem. 1 weist der Roboter einen Arm 14 mit vier Gliedern 16, 18, 20, 22 auf, wobei das proximale Glied 16 von einer Basis 22 ausgeht, die einen Fuß 24 aufweist, zu dem der Roboter 12 drehbar ist. Zwischen dem Basiselement 22 und den Gliedern 16, 18, 20, 22 sind Gelenke 26, 28, 30, 32 zum Ausrichten des Arms 14 in die gewünschte Richtung bzw. Position. Von dem distalen Glied 22 geht ein Flansch 34 aus, der über ein Verbindungselement 36 mit einem Sensor 38 verbunden ist, der im Ausführungsbeispiel ein Linearaktor mit Stößeln 40 ist, der auf die Oberfläche 42 des Körpers 10 zur Ermittlung dessen Steifigkeit einwirkt. Dabei ist der Sensor 38 zu der Oberfläche 42 derart ausgerichtet, dass die Kraft über den Stößel 40 entlang des Normalenvektors der Fläche 42 verläuft.
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Die auf diese Weise gemessene Elastizität, also die Kraft (F)-Weg (S)-Abhängigkeit ist in 2a dargestellt. Aus der Steigung der Geraden 44 lässt sich die Steifigkeit ermitteln. Allerdings sind die so gemessenen Werte durch die Eigenelastizität des Roboters 14 verfälscht. Diese muss in der sich aus der Geraden 44 ergebenden Elastizität berücksichtigt werden, um sodann die tatsächliche Elastizität des Körpers 10 bzw. dessen gemessener Begrenzungsfläche 42 zu ermitteln. Die korrigierte Elastizität, also diejenige, bei der die Steifigkeit bzw. Eigenelastizität des Roboters 12 berücksichtigt worden ist, ist der 2b zu entnehmen, in der gleichfalls die Kraft F gegenüber dem Weg S aufgetragen ist und die Gerade 46 infolgedessen die tatsächliche Steifigkeit wiedergibt.
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Ist in den zeichnerischen Darstellungen ein linearer Anstieg der Kurven gezeichnet, so kann die Kraft-Weg-Abhängigkeit des Körpers auch nichtlinear sein. So können Kurven Maxima und Minima durchlaufen. Das erfindungsgemäße Konzept der Steifigkeitskorrektur ist auch in einem solchen Fall anwendbar.
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Um die Eigenelastizität bzw. Steifigkeit des Roboters 12 zu ermitteln, wird ein Modell berechnet, in dem real ermittelte Steifigkeitswerte des Roboters 12 bei vorgegebenen Positionen des Sensors 38, die Denavit-Hartenberg-Parameter und ggf. Bauart des Roboters 12 eingehen.
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Um reale Steifigkeitswerte des Roboters 12 zu ermitteln, wird eine als Kalibrierkörper zu bezeichnende Prüfeinrichtung gewählt, die im Ausführungsbeispiel aus einer Kalibriersäule 46 mit ortsfest mit diesem verbundenen Antastkörpern 48, 50, 52 besteht. Dabei ist die Kalibriersäule 46 auf einer Laufrillen aufweisenden Montageplatte 54 in verschiedenen Positionen fixierbar, wie sich prinzipiell aus den vier Darstellungen der 4 ergibt. Der Roboter 12 und die Montageplatte 54 bleiben in ortsfester Beziehung, wohingegen die Kalibriersäule 46 in unterschiedlichen Positionen auf der Montageplatte 54 angeordnet wird, um in Abhängigkeit von unterschiedlichen Positionen des Sensors 38 durch Antasten der Antastkörper 48, 50, 52 die Eigenelastizität bzw. Steifigkeit des Roboters 12 in den einzelnen Messpositionen zu ermitteln.
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Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass es sich bei den Antastkörpern 48, 50, 52 um jeweils einen Prismenkörper handelt, der in vergrößerter Darstellung in 5 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 56 gekennzeichnet ist. Dabei besteht der Prismenkörper 56 aus einzelnen ebenen Flächen, die einen Winkel zueinander beschreiben. Zwei Flächen sind mit dem Bezugszeichen 58, 60 gekennzeichnet. Die Ecken der Flächen selbst sollten auf der Oberfläche einer Kugel bzw. eines Kugelabschnitts liegen.
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Um in Abhängigkeit von der Position des Sensors 38, 40 und damit der Positionierung und Ausrichtung des Arms 14 die Steifigkeit zu ermitteln, wird bei der an einem der Antastkörper 48, 50, 52 durchzuführenden Messung der Sensor 38 bzw. Stößel 40 derart auf eine Fläche - z.B. die Fläche 60 - ausgerichtet, dass die eingeleitete Kraft entlang der Flächennormalen verläuft. Wird z. B. ein Linearaktor - wie prinzipiell in 1 gezeigt - benutzt, ohne dass hierdurch die Erfindung eingeschränkt wird, vielmehr können andere geeignete Sensoren gleichfalls eingesetzt werden, so wird der Stößel 40 entlang der Flächennormalen ausgerichtet. Die Spitze des Stößels 40 berührt die Fläche. Sodann werden vorgegebene Kräfte über den Stößel 40 eingeleitet mit der Folge, dass der Arm 14 ausweicht, so dass sich aus der Steigung der Kraft-Weg-Kurve die Steifigkeit ergibt.
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Dass sich die Steifigkeit in Abhängigkeit von der Stellung der Kalibriersäule 46 zu dem Roboter ändert, wird anhand der 4 verdeutlicht. Durch Zahlen werden Steifigkeitswerte quantitativ angegeben, die sich erkennbar positionsabhängig ändern.
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Ganz allgemein läuft der Messablauf wie folgt ab. Es werden verschiedene Flächen der Antastkörper 48, 50, 52 und ggf. der Säule 46 angefahren und mit dem Linearaktor 38,40 gegen diese gedrückt. Die gemessenen Kraft-Weg-Beziehungen werden analysiert und es werden somit die Robotersteifigkeiten in Achsrichtung des Linearaktors 38, 40 zusammen mit den Gelenkwinkeln in den Roboterstellungen bestimmt. Aus dieser Messung kann sodann unter Berücksichtigung der Denavit-Hartenberg-Parameter ein Modell für die Robotersteifigkeit berechnet werden, und zwar für grundsätzlich jede Stellung des Roboterarms 14, d. h. des Sensors 38 im Arbeitsraum.
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In 3 sind die nach dem Modell berechneten Steifigkeitswerte für verschiedene Positionen des Sensors 38 wiedergegeben. Dabei sind in der Abszisse die Positionen des Sensors und in der Ordinate die Steifigkeitswerte angegeben. Auf der Kurve 62 sind die Steifigkeitswerte abzulesen, die sich aus dem Modell ergeben. Die Kurve 64 wird durch die tatsächlich gemessenen Steifigkeitswerte gebildet. Mit entsprechenden Kurven kann der Nutzer die Güte der Kalibrierung, also der Korrekturwerte, beurteilen. Bereiche größerer Abweichungen, in denen ggf. Messungen durchgeführt werden, können ggf. nachkalibriert werden.
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Die tatsächlich an dem Körper 10 zu messenden Punkte können zuvor anhand eines CAD-Modells festgelegt werden, damit sodann der Messer in die gewünschten Messpositionen verfahren werden kann. Sollte ein CAD-Modell nicht vorliegen, so besteht die Möglichkeit, zuvor den Körper zu scannen, um somit die erforderlichen Daten zur Verfügung zu haben.
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Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, auf dem Körper Markierungen für Messpunkte anzubringen, in denen gemessen werden soll. Die Markierungen können sodann mit einem Sensor erfasst werden, und entsprechend wird der Roboter 12 bzw. der Sensor 38 auf die Markierungen ausgerichtet.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre sind mit hoher Genauigkeit Werte der Steifigkeit messbar, die den Widerstand des Körpers gegen elastische Verformungen wiedergeben und sich aus dem Quotienten Kraft-Weg ergeben, innerhalb dessen eine elastische Verformung vorliegt.
