DE102019115562A1

DE102019115562A1 - Ausgleich von lagetoleranzen beim der robotergestützten oberflächenbearbeitung

Info

Publication number: DE102019115562A1
Application number: DE102019115562.2A
Authority: DE
Inventors: Ronald Naderer
Original assignee: Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH
Current assignee: Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2020-12-10
Also published as: WO2020243762A2; EP3980227A2; CN113924458A; CN113924458B; JP2022536300A; US20220314442A1; KR20220017407A; WO2020243762A3

Abstract

Im Folgenden wird eine Vorrichtung zur robotergestützten Bearbeitung von Oberflächen beschrieben. Gemäß einem Beispiel weist die Vorrichtung eine Halterung mit einer Basisplatte ausgebildet zur Montage an einem Manipulator sowie eine an der Halterung aufgehängte Baugruppe umfassend eine Werkzeugmaschine auf. Die Halterung weist einen Kippmechanismus auf, der die Baugruppe so mit der Halterung koppelt, dass die Baugruppe relativ zur Basisplatte um zwei Drehachsen verkippbar ist, wobei die beiden Drehachsen sich schneiden können und unterhalb der Basisplatte durch die Baugruppe hindurch verlaufen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Robotik und insbesondere das robotergestützte Bearbeiten von Werkstückoberflächen.
HINTERGRUND
Bei der robotergestützten Oberflächenbearbeitung wird eine Werkzeugmaschine wie z.B. eine Schleif- oder Poliermaschine (z.B. eine elektrisch betriebene Schleifmaschine mit rotierender Schleifscheibe als Schleifwerkzeug) von einem Manipulator, beispielsweise einem Industrieroboter, geführt. Dabei kann die Werkzeugmaschine auf unterschiedliche Weise mit dem sogenannten TCP (Tool Center Point) des Manipulators gekoppelt sein; der Manipulator kann in der Regel Position und Orientierung der Maschine praktisch beliebig einstellen und die Werkzeugmaschine z.B. auf einer Trajektorie parallel zur Oberfläche des Werkstücks bewegen. Industrieroboter sind üblicherweise positionsgeregelt, was eine präzise Bewegung des TCP entlang der gewünschten Trajektorie ermöglicht.
Um beim robotergestützten Schleifen ein gutes Ergebnis zu erzielen, ist in vielen Anwendungen eine Regelung der Prozesskraft (Schleifkraft) nötig, was mit herkömmlichen Industrierobotern oft nur schwer mit hinreichender Genauigkeit zu realisieren ist. Die großen und schweren Armsegmente eines Industrieroboters besitzen eine zu große Massenträgheit, als dass ein Regler (closed-loop controller) rasch genug auf Schwankungen der Prozesskraft reagieren könnte. Um dieses Problem zu lösen, kann zwischen TCP des Manipulators und der Werkzeugmaschine ein im Vergleich zum Industrieroboter kleiner Linearaktor angeordnet sein, der den TCP des Manipulators mit der Werkzeugmaschine koppelt. Der Linearaktor regelt während der Oberflächenbearbeitung lediglich die Prozesskraft (also die Anpresskraft zwischen Werkzeug und Werkstück) während der Manipulator die Werkzeugmaschine samt Linearaktor positionsgeregelt entlang der gewünschten Trajektorie bewegt.
Es gibt Situationen, in denen die Trajektorie, entlang der der Manipulator die Werkzeugmaschine bewegt, nicht parallel zur Oberfläche verläuft und folglich die Wirkrichtung des Linearaktors (und damit die Richtung der Prozesskraft) nicht rechtwinklig zur Werkstückoberfläche ist. Diese Winkelabweichung (Abweichung vom rechten Winkel zur Oberfläche) kann eine fehlerhafte Oberflächenbearbeitung sowie eine verschlechterte Bearbeitungsqualität zur Folge haben.
Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, eine verbesserte Vorrichtung für die robotergestützte Oberflächenbearbeitung sowie ein entsprechendes Verfahren zu entwickeln.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 18 sowie durch ein System gemäß Anspruch 15 oder 17 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Folgenden wird eine Vorrichtung zur robotergestützten Bearbeitung von Oberflächen beschrieben. Gemäß einem Beispiel weist die Vorrichtung eine Halterung mit einer Basisplatte ausgebildet zur Montage an einem Manipulator sowie eine an der Halterung aufgehängte Baugruppe umfassend eine Werkzeugmaschine auf. Die Halterung weist einen Kippmechanismus auf, der die Baugruppe so mit der Halterung koppelt, dass die Baugruppe relativ zur Basisplatte um zwei Drehachsen verkippbar ist, wobei die beiden Drehachsen sich schneiden können und unterhalb der Basisplatte durch die Baugruppe hindurch verlaufen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung eine Halterung mit einer Basisplatte ausgebildet zur Montage an einem Manipulator sowie eine an der Halterung aufgehängte Baugruppe umfassend eine Werkzeugmaschine. Die Halterung weist einen Kippmechanismus auf, der die Baugruppe so mit der Halterung koppelt, dass die Baugruppe relativ zur Basisplatte um zwei Drehachsen verkippbar ist, wobei der Kippmechanismus einen Anschlag aufweist, sodass eine Verkippung um die zwei Drehachsen nur bis zu definierten Maximalwinkeln möglich ist, und wobei der Kippmechanismus verriegelbar ist, sodass eine Verkippung blockiert ist.
Des Weiteren wird ein System zur robotergestützten Bearbeitung von Oberflächen beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das System einen Manipulator, eine mit einem Tool-Center-Point (TCP) des Manipulators gekoppelte Baugruppe mit einer Werkzeugmaschine sowie eine Steuerung zur Steuerung der Bewegung des TCPs des Manipulators. Die Steuerung ist dazu ausgebildet eine Winkelabweichung zwischen einer Längsachse der Werkzeugmaschine und einer Normalen einer Werkstückoberfläche zu ermitteln, während ein auf der Werkzeugmaschine montiertes Werkzeug die Werkstückoberfläche berührt. Die Steuerung ist weiter dazu ausgebildet, basierend auf der ermittelten Winkelabweichung die Orientierung des TCPs anzupassen, sodass die Winkelabweichung kleiner wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das System einen Manipulator und eine mit einem TCP des Manipulators gekoppelte Vorrichtung, die eine Halterung mit einer Basisplatte ausgebildet zur Montage an den Manipulator sowie eine an der Halterung aufgehängte Baugruppe umfassend eine Werkzeugmaschine aufweist. Die Halterung weist einen Kippmechanismus auf, der die Baugruppe so mit der Halterung koppelt, dass die Baugruppe relativ zur Basisplatte um zwei Drehachsen verkippbar ist, wobei die beiden Drehachsen sich schneiden können und unterhalb der Basisplatte durch die Baugruppe hindurch verlaufen. Die Vorrichtung umfasst weiter Sensoren, die dazu ausgebildet sind, die den beiden Drehachsen zugeordneten Kippwinkel zu ermitteln.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Zu den Abbildungen:

1 illustriert ein Beispiel einer robotergestützten Schleifvorrichtung.
2 illustriert an einem Beispiel den Ausgleich eines Winkelfehlers der Orientierung des Tool-Center-Points (TCPs) einer robotergestützten Schleifvorrichtung relativ zur Werkstückoberfläche durch Anpassung des TCPs.
3 illustriert an einem Beispiel den Ausgleich eines Winkelfehlers der Orientierung des Tool-Center-Points (TCPs) mittels eines Kreuzgelenks, sodass keine Anpassung des TCPs nötig ist.
4 illustriert ein Beispiel einer Ankopplung einer Schleifmaschine an den TCP eines Manipulators gemäß 3 detaillierter, wobei die Ankopplung über eine Halterung mit einem Kreuzgelenk erfolgt, das verriegelt werden kann.
5 zeigt das Beispiel aus 4 mit entriegeltem Kreuzgelenk und verkippter Schleifmaschine.
6 illustriert eine isometrische Darstellung eines weiteren Beispiels einer robotergestützten Schleifvorrichtung mit einem Kreuzgelenk zum Ausgleich von Winkelfehlern.
7 ist eine Schnittdarstellung zur Illustration einer Verriegelungsvorrichtung (im nicht verriegelten Zustand) zum Fixieren des Kreuzgelenks in dem Ausführungsbeispiel gemäß 6.
8 zeigt die Verriegelungsvorrichtung aus 7 detaillierter.
9 zeigt das Beispiel aus 7, wobei die Verriegelungsvorrichtung das Kreuzgelenk verriegelt, sodass keine Verkippung der Schleifmaschine relativ zum TCP möglich ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bevor verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert werden, wird zunächst ein Beispiel einer robotergestützten Schleifvorrichtung beschrieben. Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Konzepte auch auf andere Arten von Oberflächenbearbeitung (z.B. Polieren, Fräsen, etc.) übertragbar und nicht auf Schleifen beschränkt ist.
Gemäß 1 umfasst die Vorrichtung einen Manipulator 1, beispielsweise einen Industrieroboter und eine Schleifmaschine 10 mit rotierendem Schleifwerkzeug (z.B. eine Orbitalschleifmaschine), wobei dieses mit dem sogenannten Tool-Center-Point (TCP) des Manipulators 1 über eine Ausgleichsvorrichtung 20 gekoppelt ist, die im vorliegenden Beispiel als Linearaktor implementiert ist. Der TCP ist genau genommen kein Punkt, sondern ein Vektor und kann z.B. durch drei Raumkoordinaten und drei Winkel beschrieben werden. In der Robotik werden zur Beschreibung der Lage des TCPs manchmal auch generalisierte Koordinaten (meist sechs Gelenkwinkel des Roboters) im Konfigurationsraum verwendet. Position und Orientierung des TCPs werden manchmal auch als „Pose“ bezeichnet. Ganz allgemein ist die Ausgleichsvorrichtung 20 dazu ausgebildet, Veränderungen der Position der Lage des TCP relativ zur Werkstückoberfläche auszugleichen. Des Weiteren ist die Ausgleichsvorrichtung 20 dazu ausgebildet, eine Prozesskraft zwischen Werkzeugmaschine (im vorliegenden Beispiel die Schleifmaschine 10) und der Werkstückoberfläche zu erzeugen. Im einfachsten Fall kann die Ausgleichsvorrichtung 20 eine Feder sein. Der oben erwähnte Linearaktor erlaubt eine präzise Regelung der Prozesskraft. Für eine Feedback-Regelung kann die Ausgleichsvorrichtung 20 ein Kraftmesssystem enthalten, das in der Lage ist, die Prozesskraft zu messen. Im Falle eines pneumatischen Linearaktors kann das Kraftmesssystem einen Drucksensor aufweisen, der den Luftdruck im Aktor misst, woraus die Prozesskraft ermittelt werden kann (unter Berücksichtigung der Charakteristik des Aktors). Jedoch ließe sich auch eine Feder mit einer Kraftmessdose (load cell) kombinieren. In diesem Fall müsste die Kraftregelung durch den Manipulator bewirkt werden.
Die Funktion der Ausgleichsvorrichtung kann auch von dem Manipulator selbst bereitgestellt werden, wenn dieser in der Lage ist, eine Kraftregelung durchzuführen. Dazu benötigt der Roboter in der Regel Kraft-Momenten-Sensoren (Force-Torque-Sensors) und eine entsprechend aufwändige Regelung.
Im Falle eines Industrieroboters mit sechs Freiheitsgraden kann der Manipulator aus vier Segmenten 2a, 2b, 2c und 2d aufgebaut sein, die jeweils über Gelenke 3a, 3b und 3c verbunden sind. Das erste Segment ist dabei meist starr mit einem Fundament 41 verbunden (was jedoch nicht zwangsläufig der Fall sein muss). Das Gelenk 3c verbindet die Segmente 2c und 2d. Das Gelenk 3c kann 2-achsig sein und eine Drehung des Segments 2c um eine horizontale Drehachse (Elevationswinkel) und eine vertikale Drehachse (Azimutwinkel) ermöglichen. Das Gelenk 3b verbindet die Segmente 2b und 2c und ermöglicht eine Schwenkbewegung des Segments 2b relativ zur Lage des Segments 2c. Das Gelenk 3a verbindet die Segmente 2a und 2b. Das Gelenk 3a kann 2-achsig sein und daher (ähnlich wie das Gelenk 3c) eine Schwenkbewegung in zwei Richtungen ermöglichen. Der TCP hat eine feste Relativposition zum Segment 2a, wobei dieses üblicherweise noch ein Drehgelenk (nicht dargestellt) umfasst, welches eine Drehbewegung um eine Längsachse A des Segments 2a ermöglicht (in 1 als strichpunktierte Line eingezeichnet, entspricht der Drehachse des Schleifwerkzeugs). Jeder Achse eines Gelenks ist ein Aktor zugeordnet, der eine Drehbewegung um die jeweilige Gelenksachse bewirken kann. Die Aktoren in den Gelenken werden von einer Robotersteuerung 4 gemäß einem Roboterprogramm angesteuert. Verschiedene Industrieroboter/Manipulatoren und dazugehörige Steuerungen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter erläutert.
Der Manipulator 1 ist üblicherweise positionsgeregelt, d.h. die Robotersteuerung kann die Pose (Ort und Orientierung) des TCP festlegen und diesen entlang einer vordefinierten Trajektorie bewegen. In 1 ist die Längsachse des Segments 2a, auf der der TCP liegt mit A bezeichnet. Wenn der Aktor 20 an einem Endanschlag anliegt, ist mit der Pose des TCP auch die Pose der Schleifwerkmaschine 10 (und auch der Schleifscheibe 11) definiert. Wie eingangs bereits erwähnt, dient der Aktor 20 dazu, während des Schleifprozesses die Kontaktkraft (Prozesskraft) zwischen Werkzeug und Werkstück 40 auf einen gewünschten Wert einzustellen. Eine direkte Kraftregelung durch den Manipulator 1 ist für Schleifanwendungen in der Regel zu ungenau, da durch die hohe Massenträgheit der Segmente 2a-c des Manipulators 1 eine schnelle Kompensation von Kraftspitzen (z.B. beim Aufsetzen des Schleifwerkzeugs auf das Werkstück 40) mit herkömmlichen Manipulatoren praktisch nicht möglich ist. Aus diesem Grund ist die Robotersteuerung 4 dazu ausgebildet, die Pose (Position und Orientierung) des TCP des Manipulators 1 zu regeln, während die Kraftregelung ausschließlich vom Aktor 20 bewerkstelligt wird.
Wie bereits erwähnt, kann während des Schleifprozesses die Kontaktkraft F_K zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück 40 mit Hilfe des (Linear-) Aktors 20 und einer Kraftregelung (die beispielsweise in der Steuerung 4 implementiert sein kann) so eingestellt werden, dass die Kontaktkraft F_K (in Richtung der Längsachse A) zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück 40 einem vorgebbaren Sollwert entspricht. Die Kontaktkraft F_K ist dabei eine Reaktion auf die Aktorkraft F_A, mit der der Linearaktor 20 auf die Werkstückoberfläche drückt. Bei fehlendem Kontakt zwischen Werkstück 40 und Werkzeug fährt der Aktor 20 aufgrund der fehlenden Kontaktkraft am Werkstück 40 gegen einen Endanschlag (nicht dargestellt da im Aktor 20 integriert) und drückt mit einer definierten Kraft gegen diesen. In dieser Situation (kein Kontakt) ist die Aktorauslenkung a daher maximal (a=a_MAX) und der Aktor 20 befindet sich in einer (äußeren) Endposition.
Die Positionsregelung des Manipulators 1 (die ebenfalls in der Steuerung 4 implementiert sein kann) kann vollkommen unabhängig von der Kraftregelung des Aktors 20 arbeiten. Der Aktor 20 ist nicht verantwortlich für die Positionierung der Schleifmaschine 10, sondern lediglich für das Einstellen und Aufrechterhalten der erwünschten Kontaktkraft F_K während des Schleifprozesses und zur Erkennung von Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück. Ein Kontakt kann z.B. in einfacher Weise dadurch erkannt werden, dass der Aktor sich aus der Endposition wegbewegt hat (Aktorauslenkung a ist kleiner als die maximale Auslenkung a_MAX am Endanschlag).
Der Aktor kann ein pneumatischer Aktor sein, z.B. ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder. Jedoch sind auch andere pneumatische Aktoren anwendbar wie z.B. Balgzylinder und Luftmuskel. Als Alternative kommen auch elektrische Direktantriebe (getriebelos) in Betracht. Es versteht sich, dass die Wirkrichtung des Aktors 20 nicht notwendigerweise mit der Längsachse A des Segments 2a des Manipulators zusammenfallen muss. Im Falle eines pneumatischen Aktors kann die Kraftregelung in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Regelventils, eines Reglers (implementiert in der Steuerung 4) und eines Druckluftspeichers realisiert werden. Da für die Berücksichtigung der Schwerkraft (d.h. der Gewichtskraft der Schleifmaschine 10) die Neigung zur Lotrechten relevant ist, kann der Aktor 20 einen Neigungssensor enthalten. Die gemessene Neigung wird von dem Kraftregler berücksichtigt. Die konkrete Implementierung der Kraftregelung ist an sich bekannt und für die weitere Erläuterung nicht wichtig und wird daher auch nicht detaillierter beschrieben.
Die Schleifmaschine 10 hat üblicherweise einen Elektromotor, der die Schleifscheibe 11 antreibt. Bei einer Orbitalschleifmaschine ist die Schleifscheibe 11 an einer Trägerplatte (Schleifteller 12) montiert, die wiederum mit der Motorwelle des Elektromotors verbunden ist. Als Elektromotoren kommen Asynchronmotoren oder Synchronmotoren in Betracht. Synchronmotoren haben den Vorteil, dass sich die Drehzahl nicht mit der Belastung ändert (sondern lediglich der Schlupfwinkel), wohingegen bei Asynchronmaschinen die Drehzahl bei steigender Belastung sinkt. Die Belastung des Motors ist dabei im Wesentlichen proportional zur Kontaktkraft F_K und der Reibung zwischen der Schleifscheibe 11 und der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks 40.
Alternativ zu Schleifmaschinen mit elektrischem Antrieb können auch Schleifmaschinen mit pneumatischem Motor (Druckluftmotor) verwendet werden. Mit Druckluft betriebene Schleifmaschinen können relativ kompakt gebaut werden, da Druckluftmotoren in der Regel ein geringes Leistungsgewicht aufweisen. Eine Drehzahlregelung ist mittels eines (z.B. von der Steuerung 4 elektrisch angesteuertes) Druckregelventils einfach möglich (zusätzlich oder alternativ auch mittels einer Drossel), wohingegen bei Synchron- und Asynchronmotoren (z.B. von der Steuerung 4 elektrisch angesteuerte) Frequenzumrichter für die Drehzahlsteuerung benötigt werden. Die hier beschriebenen Konzepte können mit einer Vielzahl unterschiedlicher Arten von Schleifmaschinen, Poliermaschinen und anderen Maschinen zur Oberflächenbearbeitung implementiert werden.
Wie erwähnt, bewegt der Manipulator 1 den TCXP (und damit die Schleifmaschine 10) entlang einer vordefinierten Trajektorie, die der Oberfläche (Kontur) des Werkstücks folgt. In der Praxis können Situationen auftreten, in denen der TCP der Oberfläche nicht genau folgt und Winkelabweichungen auftreten. Diese Winkelabweichungen können einerseits eine Folge von Lagetoleranzen des Werkstücks 40 oder einer (absichtlich oder unabsichtlich) ungenauen Programmierung der Trajektorie sein. 2 zeigt ein Beispiel einer Situation, in der die Trajektorie x(t) nicht parallel zur Werkstückoberfläche liegt, sondern um einen Winkel ϕ verkippt ist. Damit ist auch der TCP relativ zur Oberflächennormalen um den Winkel ϕ verkippt, d.h. die Wirkrichtung des Aktors 20 steht nicht rechtwinklig zur Werkstückoberfläche, sondern in einem Winkel von 90°-ϕ. Gemäß 1 hat der Aktor 20 zum Zeitpunkt to bei einer TCP-Position x(t₀) eine Auslenkung von a(to). Zu einem Zeitpunkt t₁ hat sich der TCP (und damit die ganze Schleifmaschine 10 samt Aktor 20) zur Position x(t₁) weiterbewegt, was eine Verschiebung von Δx= x(t₁)-x(t₀) bedeutet. Aufgrund der Verkippung um den Winkel ϕ hat sich die Auslenkung des Aktors 20 um Δa reduziert (Δa=a(t₁)-a(t₀)). Die Werte Δx und Δa sind der Robotersteuerung bekannt und somit kann der Winkel der (lokalen) Verkippung zwischen Werkstückoberfläche und TCP-Trajektorie berechnet werden: $ϕ= {tan}^{- 1} (Δ a/ Δ x) .$
Alternativ ist auch eine Messung des Winkels möglich, z.B. durch eine Messung des Abstands zwischen TCP und der Werkstückoberfläche auf gegenüberliegenden Seiten der Schleifmaschine. Aus der Differenz der gemessenen Abstände lässt sich der Winkel der Verkippung ermitteln. Wie erwähnt ist eine Messung jedoch nicht unbedingt nötig, da der Winkel aus Größen (z.B. Δa und Δx), die der Robotersteuerung ohnehin bekannt sind, berechnet werden kann. In dem eingangs erwähnten Beispiel, in dem die Funktion des Linearaktors (Ausgleichseinrichtung) von dem Manipulator selbst bereitgestellt wird, „weiß“ die Robotersteuerung beide Größen Δa und Δx, da ja die Bewegungskomponente, die von dem Linearaktor durchgeführt wird, in diesem Fall vom Roboter selbst durchgeführt werden muss.
Wie erwähnt ist der Winkel ϕ der Verkippung zwischen Werkstückoberfläche und TCP-Trajektorie gleich der Winkelabweichung des Wirkrichtung des Aktors 20 (und damit der Richtung der Prozesskraft) von der Oberflächennormalen. Nach einer Berechnung der Winkelabweichung ϕ (z.B. gemäß Gleichung 1) kann die Robotersteuerung die Pose des TCP so korrigieren, dass die Prozesskraft im rechten Winkel auf die Oberfläche wirkt. Diese Situation ist in 2 rechts dargestellt, in der der TCP an die Position x(t2) weiterbewegt und die Winkelabweichung ϕ korrigiert wurde. 2 zeigt ein vereinfachtes Beispiel mit einer eindimensionalen Roboterbewegung. Diese Winkelkorrektur kann auch in mehrere Raumrichtungen erfolgen.
2 illustriert die „aktive“ Ermittlung und Korrektur von Winkelabweichungen durch die Robotersteuerung. Das Beispiel in 3 illustriert einen „passiven“ Ansatz, bei dem die Schleifmaschine 10 (inklusive Aktor 20) schwenkbar zur Orientierung des TCPs an diesem „aufgehängt“ ist. Beispielsweise kann eine Halterung 30 mit einer Art Kreuzgelenk (cardan joint) für die Aufhängung verwendet werden, um eine Verkippung in zwei Richtungen (in Vorschubrichtung und quer zur Vorschubrichtung, d.h. entlang der Trajektorie und quer dazu) zu ermöglichen. Dadurch, dass der Aktor 20 die Schleifmaschine 10 und damit die Schleifscheibe 11 mit definierter (Aktor-) Kraft gegen die Oberfläche des Werkstücks 40 drückt, wird sich die Schleifmaschine 10 „automatisch“ (passiv, ohne aktive Positionierung) parallel zur Oberflächennormalen Ns ausrichten, sodass die Kontaktkraft F_K normal auf die Oberfläche wirkt. Winkelfehler können somit ausgeglichen werden, ohne dass die Robotersteuerung davon wissen muss; die TCP-Orientierung N_T kann dabei unverändert bleiben und muss nicht aktiv angepasst werden. Änderungen des Normalabstandes zwischen Oberfläche und TCP werden durch den Aktor 20 und die Kraftregelung ebenso „automatisch“ ausgeglichen, da der Kraftregler den Aktor 20 immer so ansteuert, dass die Kontaktkraft F_K einer Soll-Kraft entspricht.
Die Kopplung des TCPs des Roboters mit der Baugruppe, umfassend die Schleifmaschine 10 und den Aktor 20, ist in 4 und 5 detaillierter dargestellt. Wie erwähnt erfolgt diese Kopplung mittels einer Halterung 30, die eine Art Kreuzgelenk aufweist, sodass die Schleifmaschine 10 samt Aktor 20 relativ zur Orientierung N_T des TCPs um zwei Achsen R_x, R_y verkippbar ist, wobei in einer Nullposition (keine Verkippung) die beiden Achsen R_x, R_y senkrecht aufeinander stehen und beide Achsen R_x, R_y senkrecht zur Orientierung N_T des TCPs liegen. Gemäß dem dargestellten Beispiel weist die Halterung 30 einen L-förmigen Montagewinkel 31 (L-shaped bracket) auf, wobei eine Basisplatte 31a und ein Ausleger 31b die beiden Schenkel des Montagewinkels 31 bilden. Die Basisplatte 31a ist starr mit dem TCP des Roboters 1 (z.B. mittels Schraubverbindungen) verbunden, wobei der Ausleger 31b (im nicht verkippten Zustand) im Wesentlichen parallel zur Orientierung N_T des TCPs liegt. Die Oberseite der Basisplatte liegt in diesem Fall an der Stirnseite des Armsegmentes 2a des Roboters 1 an, wohingegen im Beispiel gemäß 1, die obere Montageplatte 22 (Flansch) des Aktors 20 direkt mit dem Manipulator gekoppelt ist. Im dargestellten Beispiel schließen Ausleger 31b und Basisplatte 31a einen rechten Winkel ein.
Die erste Drehachse R_x des erwähnten Kreuzgelenks verläuft durch den Ausleger 31b, an dem ein weiterer Montagewinkel 32 (bracket) drehbar (um die Drehachse R_x) gelagert ist. Ein erster Schenkel des Montagewinkel 32 (in 4 und 5 nicht sichtbar) ist drehbar an dem Ausleger 31b gelagert; und an dem zweiten Schenkel des Montagewinkel 32, der rechtwinklig von dem Ausleger 31b absteht, ist ein dritter Montagewinkel 33 (oder eine Montageleiste, mounting bar) drehbar (um die Drehachse R_y ) gelagert. Der dritte Montagewinkel 33 kann somit sowohl um die Drehachse R_x als auch um die Drehachse R_y gekippt werden, wodurch ein Kreuzgelenk gebildet wird. Der Aktor 20 ist mit seiner oberen Montageplatte 22 so mit dem Montagewinkel 33 verbunden, dass (im nicht verkippten Zustand) die Wirkrichtung des Aktors 20 (und damit auch die Rotationsachse der Schleifscheibe 11) koaxial zur Orientierung N_T des TCPs ist. Die Schleifmaschine 10 ist mit der unteren Montageplatte 21 (Flansch) des Aktors 22 verbunden (z.B. mittels einer Schraubverbindung). Die Drehachsen R_x und R_y schneiden einander unterhalb der Basisplatte 31a. Gemäß dem dargestellten Beispiel kann der Schnittpunkt der Drehachsen R_x und R_y oberhalb der Schleifmaschine 10 liegen, also im Inneren des Aktors 20. In anderen Beispielen kann der Schnittpunkt weiter unten liegen, also im Inneren der Schleifmaschine 10.
Wie in 3 dargestellt kann sich die Schleifmaschine 10 „automatisch“ der Werkstückoberfläche durch Verkippen um die Drehachsen R_x und R_y anpassen, wenn die Schleifmaschine 10 mit der Schleifscheibe 11 gegen die Werkstückoberfläche gedrückt wird. Es gibt jedoch Situationen, in denen diese Verkippung nicht gewünscht ist. Gemäß dem in 4 und 5 dargestellten Beispiel ist zwischen der Oberseite des Aktors 20 (obere Montageplatte 22) und der Unterseite der Basisplatte 31a ein Verriegelungsmechanismus (locking mechanism) vorgesehen, der dazu geeignet ist, die Halterung 30 zu verriegeln, sodass eine Verkippung um die Drehachsen R_x und R_y nicht mehr möglich ist und die Schleifmaschine 10 starr (nicht bewegbar/verkippbar) mit dem TCP des Roboters 1 gekoppelt ist.
Gemäß dem in 4 und 5 dargestellten Beispiel umfasst der Verriegelungsmechanismus einen Aktor 53, der beispielsweise an der Oberseite des Aktors 20 befestigt ist und der einen Riegel (latch) aufweist. Dieser Riegel ist dazu ausgebildet - in einem ausgefahrenen Zustand des Aktors 53 - in eine korrespondierende Vertiefung 51 in der Unterseite der Basisplatte 31a einzugreifen und auf diese Weise den Aktor 20 an der Basisplatte 31a zu fixieren. Der Aktor 53 kann z.B. ein pneumatischer Aktor oder ein Magnetaktor (solenoid actuator) sein, der dazu geeignet ist, den Riegel 52 zwischen einer eingefahrenen Endposition (entriegelter Zustand) und einer ausgefahrenen Endposition (verriegelter Zustand) hin- und her zubewegen.
Die Vertiefung 51 kann eine in Bezug auf die Längsachse des Aktors 20 (und der Drehachse der Schleifmaschine 10 im nicht verkippten Zustand) symmetrische Form aufweisen. Beispielsweise kann die Vertiefung eine konische, zylindrische oder pyramidenförmige Form oder die Form eines Kugelsegments (konkave Formen) aufweisen. Der Riegel 52 hat ebenso eine symmetrische (konvexe) Form aufweisen (z.B. zylindrisch, Kugelsegment, pyramidenförmig, etc.). Die konkrete Form ist nicht wichtig; die symmetrische Ausgestaltung von Vertiefung 51 und Riegel 52 kann allerdings so konstruiert sein, dass der Aktor 20 und die Schleifmaschine 10 (d.h. deren Drehachse) „automatisch“ koaxial zum TCP (Normalvektor N_T ) ausgerichtet werden, wenn der Aktor 53 die Riegel 52 in die Vertiefung 51 drückt. Dier Verriegelungsmechanismus ist demnach selbstausrichtend (self-aligning).
Im linken Teil des 4 ist die Vorrichtung im entriegelten Zustand dargestellt (d.h. Aktor 20 und Schleifmaschine 10 können verkippt werden); im rechten Teil des 4 ist die Vorrichtung im verriegelten Zustand dargestellt (d.h. Aktor 20 und Schleifmaschine 10 sind starr mit dem TCP gekoppelt). Eine Verriegelung kann insbesondere in Situationen wünschenswert sein, in denen die Schleifscheibe 11 absichtlich nicht tangential auf der Werkstückoberfläche aufliegen soll, beispielsweise beim Schleifen von schmalen Kanten. Des Weiteren kann eine Verriegelung wünschenswert sein, wenn der Roboter 1 die Schleifmaschine 10 in eine Wechselstation bewegt, um die Schleifscheibe 11 abzuziehen und eine neue Schleifscheibe 11 zu montieren. Geeignete Wechselstationen zum automatischen Wechseln von Schleifscheiben 11 sind an sich bekannt.
Der Riegel 52 und die Vertiefung 51 können auch so geformt sein, dass die Kanten der Vertiefung 51 für den Riegel 52 einen Anschlag (stop collar) bilden, der den Kippwinkel ϕ auf einen maximalen Kippwinkel ϕ_MAX begrenzt. Der linke Teil der 5 ist praktisch identisch mit dem linken Teil der 4. Der rechte Teil der 5 zeigt die Schleifmaschine 10 und den Aktor 20 in einer gekippten Position, in der der Riegel 52 an einer Kante der Vertiefung 51 (die den erwähnten Anschlag bildet) anliegt. In der dargestellten Situation entspricht der Kippwinkel dem maximalen Kippwinkel ϕ_MAX.
6 ist eine isometrische Darstellung eines weiteren Beispiels einer robotergestützten Schleifvorrichtung mit einem Kreuzgelenk zum Ausgleich von Winkelfehlern. Dargestellt ist die Schleifmaschine 10 mit der Trägerscheibe 12, auf der eine Schleifscheibe montiert werden kann. Die Schleifmaschine 10 ist mit der unteren Montageplatte 21 des Aktors 20 verbunden (z.B. mittels Schraubverbindungen); an der oberen Montageplatte 22 des Aktors 20 ist ein erster Schenkel des Montagewinkels 33 verbunden (z.B. ebenfalls mittels Schraubverbindungen). Ein zweiter Schenkel des Montagewinkels 33 ist um die Drehachse R_y schwenkbar mit dem Montagewinkel 32 (in 6 durch den Aktor 20 verdeckt, siehe 5) verbunden, und der Montagewinkel 32 ist wiederum um die Drehachse R_x schwenkbar mit dem Ausleger 31b des Montagewinkels 31 verbunden. Die Basisplatte 31a des Montagewinkels 31 liegt im nicht verkippten Zustand im Wesentlichen parallel zur Montageplatte 22 des Aktors 20. Die beiden Drehachsen R_x und R_y können einen rechten Winkel einschließen, wodurch ein Kreuzgelenk gebildet wird wie es bereits weiter oben unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben wurde. Wie in 6 dargestellt, können an dem Montagewinkel 31 (z.B. am Ausleger 31b) ein oder mehrere Schläuche und/oder Kabel befestigt sein, die an der Schleifmaschine 10 angeschlossen sind. Der in 6 gezeigte Schlauch 15 kann z.B. der Absaugung von Staub dienen. Die Kabel dienen unter anderem der Versorgung des Elektromotors der Schleifmaschine. In 6 sind auch die Schrauben 310 zu erkennen, mit denen der Montagewinkel 31 am TCP eines Manipulators befestigt werden kann.
7 illustriert die Vorrichtung aus 6 in einer Seitenansicht, mit einem teilweisen Längsschnitt, sodass der oben bereits unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschriebene Verriegelungsmechanismus zu sehen ist. Des Weiteren ist in dieser Ansicht der Montagewinkel 32 zu sehen. 8 ist eine vergrößerte Darstellung des oberen Teils der 7. In der dargestellten Situation ist der Aktor 53 eingefahren und der Riegel 53 daher an seiner unteren Endposition. Schleifmaschine 10 und Aktor 20 sind um den maximalen Winkel ϕ_MAX um die Achse R_y verkippt, sodass die (symmetrische und konvexe) Ausbuchtung 521 des Riegels 52 an einer Kante der (konkaven) Ausnehmung des Bauelements 50 anliegt. Aus fertigungstechnischen Gründen ist in diesem Beispiel die Ausnehmung 51 nicht direkt in der Basisplatte 31 angeordnet, sondern in dem Bauelement 50, welches das Gegenstück zum Riegel 52 bildet und das mit der Basisplatte 31a verbunden ist. In anderen Ausführungsformen können das Gegenstück 50 und die Basisplatte 31a jedoch auch eine integrale Komponente sein. In manchen Anwendungen kann es allerdings nützlich sein, das Bauelement 50 mit der Ausnehmung 51 austauschbar zu gestalten, um die Vorrichtungen mit verschiedenen Bauelementen 50 mit jeweils unterschiedlich geformten Ausnehmungen 51 zu verwenden. Durch eine Variation des Bauelements 50 kann z.B. der maximale Kippwinkel ϕ_MAX angepasst werden. Des Weiteren kann die Vorrichtung mit unterschiedlichen Aktoren 20 und Schleifmaschinen 10 betrieben werden, wenn die Geometrie des Bauelements 50 an die Abmessungen von Aktor 20 und Schleifmaschine 10 angepasst werden kann.
9 zeigt das gleiche Beispiel wie in 7, wobei der Aktor 53 ausgefahren ist und der Riegel 52 so in die Ausnehmung 51 des Bauelements 50 eingreift, dass eine Kippbewegung der Schleifmaschine 10 und des Aktors 20 nicht mehr möglich ist. In diesem Zustand sind Schleifmaschine 10 und Aktor 20 starr mit dem TCP des Roboters 1 gekoppelt.
In 7 bis 9 ist auch gut zu erkennen, dass der Schnittpunkt der Drehachsen R_x und R_y deutlich unterhalb der Basisplatte 31a im Inneren des Aktors 20 oder im Inneren der Schleifmaschine 10 liegt. Im Betrieb (d.h. wenn die Schleifmaschine die Werkstückoberfläche berührt, richtet sich die Längsachse der Schleifmaschine 10 (und somit auch die Wirkrichtung des Aktors 20) normal zur Werkstückoberfläche aus und es stellt sich ein Kippwinkel ϕ < ϕ_MAX zwischen der Oberflächennormalen Ns und der Orientierung N_T des TCPs ein. Sofern der Kippwinkel den Maximalwert ϕ_MAX erreicht, ist nicht mehr sichergestellt, dass die Längsachse der Schleifmaschine 10 im Wesentlichen senkrecht auf die Werkstückoberfläche steht (und somit die Schleifscheibe tangential an der Oberfläche anliegt).
In manchen Anwendungen kann es Sinn machen, die Kippwinkel um die Drehachsen R_x und R_y zu messen und/oder zu detektieren, wann der maximale Winkel ϕ_MAX erreicht wurde und der Riegel 52 das Bauelement 50 berührt. Basierend auf dieser Information kann die Robotersteuerung verschiedene Maßnahmen ergreifen wie z.B. die Schleifmaschine anheben bis der Kontakt zwischen Schleifwerkzeug und Werkstückoberfläche gelöst wird. Dazu können beispielsweise mit den Drehgelenken mit den Drehachsen R_x und R_y Winkelsensoren gekoppelt sein, welche der Steuerung 4 die Information über die tatsächlichen Kippwinkel liefern. Die Winkelsensoren sind in den Abbildungen nicht dargestellt. Es ist einem Fachmann jedoch bekannt, wie an einem Drehgelenk der Winkel, den die drehbaren Teile zueinander einschließen, gemessen werden kann, weshalb die Sensorik hier nicht weiter diskutiert wird.
Des Weiteren sei angemerkt, dass der „aktive“ Ansatz gemäß 2 und der „passive“ Ansatz gemäß den 3-5 kombiniert werden können. Das heißt, dass die Robotersteuerung auch bei einer Vorrichtung gemäß 3 die Orientierung des TCPs immer so nachregeln kann, dass die Kippwinkel ϕ unter einem vorgebbaren Schwellenwert bleiben. Das heißt, bevor der Kippwinkel ϕ den maximalen Kippwinkel ϕ_MAX erreicht wird (und die Ausbuchtung 521 an einer Kante der Ausnehmung 51 anstößt, siehe 8), kann die Robotersteuerung den TCP so anpassen, dass der Kippwinkel ϕ reduziert wird. Sind die Kippwinkel (z.B. basierend auf einer Messung) bekannt, können die Kippwinkel ϕ auf annähernd Null geregelt werden (unter Berücksichtigung unvermeidbarer Toleranzen). Um ein ständiges Nachregeln des TCP zu vermeiden, kann die Steuerung 4 dazu ausgebildet sein, den Kippwinkel ϕ nur dann durch Anpassung des TCP zu reduzieren, wenn der gemessene Winkel ϕ einen Schwellenwert ϕ_R erreicht hat, wobei der Schwellenwert ϕ_R kleiner sein kann als der Maximalwinkel ϕ_MAX.

Claims

Eine Vorrichtung, die folgendes aufweist: eine Halterung (30) mit einer Basisplatte (31a) ausgebildet zur Montage an einem Manipulator (1); eine an der Halterung (30) aufgehängte Baugruppe umfassend eine Werkzeugmaschine (10), wobei die Halterung (30) einen Kippmechanismus aufweist, der die Baugruppe (10, 20) so mit der Halterung (30) koppelt, dass die Baugruppe relativ zur Basisplatte (31a) um zwei Drehachsen (R_x, R_y) verkippbar ist und wobei die beiden Drehachsen (R_x, R_y) sich schneiden und unterhalb der Basisplatte (31a) durch die Baugruppe hindurch verlaufen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die beiden Drehachsen (R_x, R_y) im Wesentlichen senkrecht aufeinander stehen und sich schneiden.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Kippmechanismus eine kardanische Aufhängung aufweist, der eine Verkippung der Baugruppe relativ zur Basisplatte (31a) um die zwei Drehachsen (R_x, R_y) erlaubt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Halterung (30) einen ersten Montagewinkel (31), einen zweiten Montagewinkel (32) und einen dritten Montagewinkel (33) aufweist, die so miteinander mechanisch gekoppelt sind, dass der zweite Montagewinkel (32) relativ zum ersten Montagewinkel (31) um eine erste der beiden Drehachsen (R_x) und der dritte Montagewinkel (33) relativ zum zweiten Montagewinkel (32) um eine zweite der beiden Drehachsen (R_y) verkippbar ist, und wobei die Baugruppe am dritten Montagewinkel (33) starr montiert ist und die Basisplatte (31a) Teil des ersten Montagewinkels (31) ist.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die weiter aufweist: einen Verriegelungsmechanismus, der dazu ausgebildet ist, die Baugruppe an der Basisplatte (31b) zu fixieren, sodass eine Verkippung nicht mehr möglich ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei der Verriegelungsmechanismus einen Aktor (53), einen Riegel (52) sowie ein Bauelement (50) mit einer Vertiefung (51) aufweist, die so ausgestaltet sind, dass der Riegel (52) von dem Aktor (53) in die Vertiefung (51) geschoben werden kann.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das Bauelement (50) mit der Vertiefung (51) ein integraler Bestandteil der Basisplatte (31a) oder starr mit dieser verbunden ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei im nicht verriegelten Zustand Seitenflächen der Vertiefung einen Anschlag bilden, der die mögliche Verkippung um die beiden Drehachsen (R_x, R_y) auf definierte Maximalwinkel begrenzt.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Verriegelungsmechanismus so konstruiert ist, dass er im nicht verriegelten Zustand eine Verkippung der Baugruppe um beide Drehachsen (R_x, R_y) ermöglicht, solange die Kippwinkel kleiner sind als ein der Drehachse zugeordneter Maximalwinkel.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei der Verriegelungsmechanismus einen Anschlag aufweist, der Kippwinkel größer als der Maximalwinkel verhindert.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, die weiter aufweist: Sensoren, die dazu ausgebildet sind, die den beiden Drehachsen zugeordneten Kippwinkel zu ermitteln.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Baugruppe weiter aufweist: ein Kraftmesssystem, welches dazu ausgebildet ist, die von der Werkzeugmaschine auf eine Werkstückoberfläche ausgeübte Kraft zu messen.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Baugruppe weiter aufweist: eine mit der Werkzeugmaschine gekoppelte Ausgleichsvorrichtung (20) die dazu ausgebildet ist, Veränderungen der Position der Halterung (30) relativ zu einer Werkstückoberfläche auszugleichen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei die Ausgleichsvorrichtung (20) ein Aktor, insbesondere ein Linearaktor, oder eine Feder ist.
Ein System umfassend: einen Manipulator (1); eine mit einem TCP des Manipulators (1) gekoppelte Baugruppe umfassend eine Werkzeugmaschine (10); eine Steuerung (4) zur Steuerung der Bewegung des TCPs des Manipulators (1), wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist: eine Winkelabweichung (ϕ) zwischen einer Längsachse der Werkzeugmaschine (20) und einer Normalen einer Werkstückoberfläche zu ermitteln, während ein auf der Werkzeugmaschine (10) montiertes Werkzeug (11) die Werkstückoberfläche berührt, und basierend auf der ermittelten Winkelabweichung (ϕ) die Orientierung des TCPs anzupassen, sodass die Winkelabweichung (ϕ) kleiner wird.
Das System gemäß Anspruch 15, wobei die Baugruppe einen Linearaktor (20) aufweist, der mit der Werkzeugmaschine (10) gekoppelt ist; und wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Winkelabweichung (ϕ) basierend auf einer Verschiebung (Δx) des TCPs und einer zugehörigen Veränderung (Δa) der Auslenkung des Linearaktor (20) zu berechnen.
Ein System umfassend einen Manipulator (1); eine mit einem TCP des Manipulators (1) gekoppelte Vorrichtung gemäß Anspruch 11; eine Steuerung (4) zur Steuerung der Bewegung des TCPs des Manipulators (1), wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, basierend auf der von den Sensoren gemessenen Winkeln die Orientierung des TCPs anzupassen.
Eine Vorrichtung, die folgendes aufweist: eine Halterung (30) mit einer Basisplatte (31a) ausgebildet zur Montage an einem Manipulator (1); eine an der Halterung (30) aufgehängte Baugruppe umfassend eine Werkzeugmaschine (10), wobei die Halterung (30) einen Kippmechanismus aufweist, der die Baugruppe (10, 20) so mit der Halterung (30) koppelt, dass die Baugruppe relativ zur Basisplatte (31a) um zwei Drehachsen (R_x, R_y) verkippbar ist, wobei der Kippmechanismus einen Anschlag aufweist, sodass eine Verkippung um die zwei Drehachsen (R_x, R_y) nur bis zu definierten Maximalwinkeln (ϕ_MAX) möglich ist, und wobei der Kippmechanismus verriegelbar ist, sodass eine Verkippung blockiert ist.