DE102021106990A1

DE102021106990A1 - Kraftgeregelte Handhabungsvorrichtung für die robotergestützte Oberflächenbearbeitung

Info

Publication number: DE102021106990A1
Application number: DE102021106990.4A
Authority: DE
Inventors: Ronald Naderer
Original assignee: Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH
Current assignee: Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2022-09-22
Also published as: CN117042930A; EP4313506A1; JP2024510677A; KR20230159866A; WO2022200329A1; US20240173858A1

Abstract

Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine Handhabungsvorrichtung (handling apparatus) mit einem Linearaktor, der zwischen einem ersten Flansch, der mit einem Manipulator verbindbar ist, und einem zweiten Flansch, an dem ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug montierbar ist, wirkt. Der Linearaktor übt nach Maßgabe einer Stellgröße eine Kraft auf den zweiten Flansch oder einen Endanschlag aus. Die Vorrichtung umfasst weiter einen Kraftsensor, der zwischen den zweiten Flansch und das Werk-zeug gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei Kontakt zwischen Werkzeug und einer Ober-fläche eine von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft zu messen. Eine Steuereinheit weist eine einem Zustandsbeobachter auf, der dazu ausgebildet ist, basierend auf der Stellgröße einen Schätzwert für die von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft zu ermitteln. Die Steuereinheit ist weiter dazu ausgebildet, einen Kontakt zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche zu detektieren, wobei die Stellgröße basierend auf dem Schätzwert und einem Sollwert eingestellt wird, solange kein Kontakt detektiert wird, wohingegen die Stellgröße basierend auf der gemessenen Kraft und dem Sollwert eingestellt wird, solange ein Kontakt detektiert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein eine kraftgeregelte Handhabungsvorrichtung (handling device) für die automatisierte, robotergestützte Oberflächenbearbeitung. Derartige Handhabungsvorrichtungen können insbesondere als Schnittstelle zwischen Manipulator (Roboter) und Werkzeugmaschine dienen.
HINTERGRUND
Bei der robotergestützten Oberflächenbearbeitung wird eine Werkzeugmaschine (z.B. eine Schleifmaschine, eine Bohrmaschine, eine Fräsmaschine, eine Poliermaschine und dgl.) 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 des TCP praktisch beliebig einstellen, um eine Werkzeugmaschine auf einer Trajektorie z.B. parallel zu einer Oberfläche eines Werkstücks zu bewegen. Industrieroboter sind üblicherweise positionsgeregelt, was eine präzise Bewegung des TCP entlang der gewünschten Trajektorie ermöglicht.
Um beim robotergestützten Schleifen, Polieren oder bei anderen Oberflächenbearbeitungsprozessen ein gutes Ergebnis zu erzielen, ist in vielen Anwendungen eine Regelung der Prozesskraft (z.B. 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 dem TCP des Manipulators und der Werkzeugmaschine ein im Vergleich zum Industrieroboter kleine (und leichte) Handhabungsvorrichtung angeordnet sein, die den TCP des Manipulators mit der Werkzeugmaschine koppelt. Die Handhabungsvorrichtung umfasst insbesondere einen Linearaktor und 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. Durch die Kraftregelung kann die Handhabungsvorrichtung mit Hilfe des Linearaktors Ungenauigkeiten in der Lage und der Form des zu bearbeitenden Werkstücks sowie auch Ungenauigkeiten der Trajektorie des Manipulators (innerhalb gewisser Grenzen) ausgleichen.
Bei vielen Oberflächenbearbeitungsprozessen ist die Qualität des Prozessergebnisses stark davon abhängig, ob die Prozesskraft während des Bearbeitungsprozesses auch innerhalb eine gewünschten, spezifizierten Bereichs bleibt. Beispielsweise kann bei einem Schleifprozess eine (auch nur kurzfristig) zu hohe Schleifkraft (Prozesskraft) das Werkstück stark beschädigen oder sogar zerstören und/oder hohe Reparaturkosten verursachen.
Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine verbesserte Handhabungsvorrichtung mit Kraftregelung zu entwickeln, die es ermöglicht, die Einhaltung der spezifizierten Prozesskraft weitgehend sicherzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben genannte Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine Handhabungsvorrichtung (handling apparatus) mit einem Linearaktor, der zwischen einem ersten Flansch, der mit einem Manipulator verbindbar ist, und einem zweiten Flansch, an dem ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug montierbar ist, wirkt. Der Linearaktor übt nach Maßgabe einer Stellgröße eine Kraft auf den zweiten Flansch oder einen Endanschlag aus. Die Vorrichtung umfasst weiter einen Kraftsensor, der zwischen den zweiten Flansch und das Werk-zeug gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei Kontakt zwischen Werkzeug und einer Ober-fläche eine von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft zu messen. Eine Steuereinheit weist eine einem Zustandsbeobachter auf, der dazu ausgebildet ist, basierend auf der Stellgröße einen Schätzwert für die von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft zu ermitteln. Die Steuereinheit ist weiter dazu ausgebildet, einen Kontakt zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche zu detektieren, wobei die Stellgröße basierend auf dem Schätzwert und einem Sollwert eingestellt wird, solange kein Kontakt detektiert wird, wohingegen die Stellgröße basierend auf der gemessenen Kraft und dem Sollwert eingestellt wird, solange ein Kontakt detektiert wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Handhabungsvorrichtung. Diese umfasst einen Linearaktor, der zwischen einem mit einem Manipulator verbindbaren ersten Flansch und einem zweiten Flansch, an dem ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug montierbar ist, wirkt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren umfasst das Ansteuern des Linearaktors mit einer Stellgröße, sodass dieser nach Maßgabe der Stellgröße eine Kraft auf den zweiten Flansch oder einen Endanschlag ausübt. Das Verfahren umfasst weiter das Detektieren eines Kontakts zwischen dem Werkzeug und einer Oberfläche sowie das Messen - bei Kontakt zwischen Werkzeug und einer Oberfläche - einer von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübten Kraft mit Hilfe eines Kraftsensors, der zwischen den zweiten Flansch und das Werkzeug gekoppelt ist. Des Weiteren wird ein Schätzwert für die von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft basierend auf der Stellgröße ermittelt. Solange kein Kontakt detektiert wird, wird die Stellgröße basierend auf dem Schätzwert und einem Sollwert eingestellt, und solange ein Kontakt detektiert wird, wird die Stellgröße basierend auf der gemessenen Kraft und dem Sollwert eingestellt.
Figurenliste
Verschiedene Implementierungen werden 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 den dargestellten Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen.

1 ist ein allgemeines Beispiel eines Systems zum robotergestützten Schleifen mit einem Industrieroboter, einer Handhabungsvorrichtung mit Kraftregelung und einer Schleifmaschine.
2 illustriert eine exemplarische Implementierung der Handhabungsvorrichtung (ohne die dazugehörige Steuereinheit).
3 illustriert ein Beispiel einer Steuereinheit für die Handhabungsvorrichtung, in der die Kraftregelung implementiert ist.
4 illustriert ein Beispiel eines Verfahrens zur Steuerung einer Handhabungsvorrichtung für die robotergestützte Oberflächenbearbeitung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bevor verschiedene Ausführungsbeispiele im Detail erläutert werden, wird zunächst ein allgemeines Beispiel einer robotergestützten Schleifvorrichtung beschrieben. Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Konzepte auch auf andere Arten von Oberflächenbearbeitung (z.B. Polieren, Fräsen, Bohren, etc.) übertragbar und nicht auf Schleifen beschränkt sind.
Gemäß 1 umfasst eine robotergestützte Schleifvorrichtung einen Manipulator 80, beispielsweise einen Industrieroboter und eine Schleifmaschine 50 mit rotierendem Schleifwerkzeug 51. Die Schleifmaschine 50 ist mit dem sogenannten Tool-Center-Point (TCP) des Manipulators 1 über einen Linearaktor 100 gekoppelt, der allgemein als Handhabungsvorrichtung bezeichnet wird. Der TCP ist genau genommen kein Punkt, sondern ein Vektor und kann z.B. durch drei Raumkoordinaten (Position) und drei Winkel (Orientierung) 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. Die Position (inkl. Orientierung) des TCP als Funktion der Zeit definiert die Bewegung des Schleifwerkzeugs, die als Trajektorie bezeichnet wird. Als TCP wird oft der Mittelpunkt des Endeffektorflansches des Roboters definiert, was aber nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Der TCP kann ein beliebiger Punkt sein (und theoretisch auch außerhalb des Roboters liegen), dessen Position und Orientierung vom Roboter einstellbar ist. Der TCP kann auch den Ursprung des Werkzeugkoordinatensystems definieren.
Im Falle eines Industrieroboters mit sechs Freiheitsgraden kann der Manipulator 80 aus vier Segmenten 82, 83, 84 und 85 aufgebaut sein, die jeweils über Gelenke G₁₁, G₁₂ und G₁₃ verbunden sind. Das erste Segment 82 ist dabei meist starr mit einem Fundament 81 verbunden (was jedoch nicht zwangsläufig der Fall sein muss). Das Gelenk G₁₁ verbindet die Segmente 82 und 83. Das Gelenk G₁₁ kann 2-achsig sein und eine Drehung des Segments 83 um eine horizontale Drehachse (Elevationswinkel) und eine vertikale Drehachse (Azimutwinkel) ermöglichen. Das Gelenk G₁₂ verbindet die Segmente 83 und 84 und ermöglicht eine Schwenkbewegung des Segments 84 relativ zur Lage des Segments 83. Das Gelenk G₁₃ verbindet die Segmente 84 und 85. Das Gelenk G₁₃ kann 2-achsig sein und daher (ähnlich wie das Gelenk G₁₁) eine Schwenkbewegung in zwei Richtungen ermöglichen. Der TCP hat eine feste Relativposition zum Segment 85, wobei dieses üblicherweise noch ein Drehgelenk (nicht dargestellt) umfasst, welches eine Drehbewegung des am Segment 85 angeordneten Endeffektorflansches 86 um eine Längsachse A des Segments 85 ermöglicht (in 1 als strichpunktierte Line eingezeichnet, entspricht in dem dargestellten Beispiel auch der Drehachse des Schleifwerkzeugs). Jeder Achse eines Gelenks ist ein Aktor (z.B. ein Elektromotor) zugeordnet, der eine Drehbewegung um die jeweilige Gelenksachse bewirken kann. Die Aktoren in den Gelenken werden von einer Robotersteuerung 70 gemäß einem Roboterprogramm angesteuert. Verschiedene Industrieroboter/Manipulatoren und dazugehörige Steuerungen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter erläutert.
Der Manipulator 80 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 85, auf der der TCP liegt, mit A bezeichnet. Wenn der Linearaktor der Handhabungsvorrichtung 100 an einem Endanschlag anliegt, ist mit der Pose des TCPs auch die Pose der Schleifmaschine 50 (und auch der Schleifscheibe 51) definiert. Wie eingangs bereits erwähnt, dient die Handhabungsvorrichtung 100 dazu, während des Schleifprozesses die Kontaktkraft (Prozesskraft) zwischen Werkzeug (z.B. Schleifscheibe 51) und Werkstück 60 auf einen gewünschten Wert einzustellen. Eine direkte Kraftregelung durch den Manipulator 80 ist für Schleifanwendungen in der Regel zu ungenau, da durch die hohe Massenträgheit der Segmente 83 bis 85 des Manipulators 80 eine schnelle Kompensation von Kraftspitzen (z.B. beim Aufsetzen des Schleifwerkzeugs auf das Werkstück 60) mit herkömmlichen Manipulatoren praktisch nicht möglich ist. Aus diesem Grund ist die Robotersteuerung 70 dazu ausgebildet, die Pose (Position und Orientierung) des TCP des Manipulators 80 zu regeln, während die Kraftregelung ausschließlich mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung 100 bewerkstelligt wird.
Wie bereits erwähnt, kann während des Schleifprozesses die Kontaktkraft F_K zwischen Schleifwerkzeug (Schleifscheibe 51der Schleifmaschine 50) und Werkstück 60 mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung 100 und einer Kraftregelung (die beispielsweise in der Steuerung 70 implementiert sein kann) so eingestellt werden, dass die Kontaktkraft F_K (in Richtung der Längsachse A) zwischen Schleifscheibe 51 und Werkstück 60 einem vorgebbaren Sollwert entspricht. Die Kontaktkraft F_K ist dabei eine Reaktion auf die Aktorkraft F_A, mit der die Handhabungsvorrichtung 100 auf die Werkstückoberfläche drückt. Bei fehlendem Kontakt zwischen Werkstück 60 und Werkzeug 51 fährt der in der Handhabungsvorrichtung 100 enthaltene Aktor (siehe auch 2) aufgrund der fehlenden Kontaktkraft am Werkstück 60 gegen einen Endanschlag (nicht dargestellt da im Aktor 2 integriert) und drückt mit einer definierten Kraft gegen diesen. Die Kraftregelung ist dabei durchgehend aktiv. In dieser Situation (kein Kontakt) ist die Aktorauslenkung daher maximal und die Handhabungsvorrichtung befindet sich in einer Endposition. Die definierte Kraft, mit der der (Linear-) Aktor (der in der Handhabungsvorrichtung 100 enthalten ist) gegen den Endanschlag drückt, kann sehr klein sein oder (theoretisch) sogar auf null geregelt werden, um ein möglichst sanftes Kontaktieren der Werkstückoberfläche zu ermöglichen.
Die Positionsregelung des Manipulators 80 (die ebenfalls in der Steuerung 70 implementiert sein kann) kann vollkommen unabhängig von der Kraftregelung der Handhabungsvorrichtung 100 arbeiten. Letztere ist nicht verantwortlich für die Positionierung der Schleifmaschine 50, sondern lediglich für das Einstellen und Aufrechterhalten der erwünschten Kontaktkraft F_K während des Schleifprozesses und zur Erkennung von Kontakt zwischen Werkzeug 51 und Werkstück 60. Ein Kontakt kann z.B. in einfacher Weise dadurch erkannt werden, dass der in der Handhabungsvorrichtung enthaltene Linearaktor sich aus der Endposition herausbewegt hat (Aktorauslenkung a ist kleiner als die maximale Auslenkung a_MAX am Endanschlag).
In 2 ist ein Beispiel der Handhabungsvorrichtung 100 schematisch dargestellt. Teile, die einem Fachmann bekannt und für die folgende Diskussion nicht notwendig sind (wie z.B. Ventile, Linearführungen, etc.) wurden in 2 weggelassen, um die Darstellung nicht zu verkomplizieren. Der in der Handhabungsvorrichtung 100 enthaltene Aktor 153 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/der Handhabungsvorrichtung 100 und die Drehachse der Schleifmaschine 50 nicht notwendigerweise mit der Längsachse A des Segments 85 des Manipulators 80 zusammenfallen müssen. Im Falle eines pneumatischen Aktors kann die Kraftregelung in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Regelventils, eines Reglers (z.B. implementiert in der Steuerung 70) und eines Druckluftspeichers oder Kompressors realisiert werden. Da für die Berücksichtigung der Schwerkraft (d.h. der Gewichtskraft der Schleifmaschine 50) die Neigung zur Lotrechten relevant ist, kann der Aktor 2 einen Neigungssensor (nicht dargestellt) enthalten oder diese Information kann basierend auf den Gelenkwinkeln des Manipulators 80 ermittelt werden. Die ermittelte Neigung wird von dem Kraftregler berücksichtigt (siehe auch Erläuterungen zu 3). Die Handhabungsvorrichtung 100 ermöglicht nicht nur eine gewisse mechanische Entkopplung zwischen Manipulator 80 und Werkstück 60, sondern ist auch in der Lage, Ungenauigkeiten in der Positionierung des TCP auszugleichen.
Die Handhabungsvorrichtung umfasst neben dem Linearaktor 153 (Pneumatikzylinder) einen Abstandssensor (displacement sensor), der beispielsweise als induktiver Sensor oder als Potentiomenter ausgebildet sein kann. Im Wesentlichen ist der Abstandssensor dazu ausgebildet, die Auslenkung (displacement) des Linearaktors 153 zu messen. Bei einer maximalen Auslenkung a=a_MAX drückt der Linearaktor gegen einen Endanschlag. Der Linearaktor kann die beiden Flansche 101 und 102 koppeln. Die Veränderung des Abstands zwischen den beiden Flanschen 101 und 102 entspricht der Veränderung der Auslenkung des Linearaktors 153. Der (in 2) obere Flansch 102 kann (z.B. mittels Schrauben) mit dem Endeffektorflansch eines Roboters verbunden sein (siehe 1, Endeffektorflansch 86). An dem unteren Flansch 101 kann (direkt oder indirekt) die Werkzeugmaschine 50 montiert sein., wobei in dem dargestellten Beispiel zwischen der Handhabungsvorrichtung und der Werkzeugmaschine 50 ein Kraftsensor 150 angeordnet ist. Dieser Kraftsensor 150 kann z.B. als Kraftmessdose (load cell) ausegebildet sein und ermöglicht die direkt Messung der Kraft, die zwischen der Handhabungsvorrichtung und der Werkzeugmaschine 50 wirkt.
Ein Faltenbalg 121 kann die Teile innerhalb der Handhabungsvorrichtung gegen Staub und dergleichen schützen, und gleichzeitig eine Bewegung in Wirkrichtung des Pneumatikzylinders 153 ermöglichen. Dabei wirkt der Faltenbalg 121 wie eine Feder, deren Kennlinie bei der Kraftregelung berücksichtigt werden kann. Die von dem Faltenbalg 121 bewirkte (Feder-) Kraftkomponente kann beispielsweise basierend auf der vom Abstandssensor 151 gemessenen Auslenkung a ermittelt werden. Im einfachsten Fall ist die von dem Faltenbalg 121 bewirkte (Feder-) Kraftkomponente proportional zur Auslenkung (bei linearer Federcharakteristik). In manchen Ausführungsbeispielen wird die tatsächliche Federcharakteristik des Faltenbalgs 121 mittels Kalibrationsmessungen ermittelt.
Zusätzlich zu der direkten Kraftmessung durch die Kraftmessdose 150 erfolgt eine indirekte Kraftmessung durch Messung des Drucks p im Pneumatikzylinder 153 mit Hilfe eines Drucksensors 152, der pneumatisch mit einer Druckluftleitung des Pneumatikzylinders 153 gekoppelt sein kann. Die Kraft erhält man dann durch Multiplikation des Drucks p mit der im Zylinder wirksamen Kolbenfläche A (F_A=p · A). Wird statt eines pneumatischen Aktors ein elektromechanischer Aktor eingesetzt, kann die Kraft auch aus der Stromaufnahme des elektromechanischen Aktors ermittelt werden. Statt einer Druckmessung wird in diesem Fall eine Strommessung durchgeführt. Aus dem Strommesswert kann wiederum die Aktorkraft berechnet werden
Bei bekannten Systemen ist in der Regel keine redundante Kraftmessung durch einen direkten Kraftsensor wie eine Kraftmessdose vorgesehen, da bei geregelten pneumatischen Systemen ohnehin der Zylinderdruck (oder bei elektromechanischen Aktoren der Strom) als Messwert vorliegt. In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu erwähnen, dass bei dem hier beschriebenen Beispiel die direkte Kraftmessung (Kraft F_M) durch den Kraftsensor 150 nicht einfach einen redundanten Messwert zu der indirekten Kraftmessung (Kraft p·A) liefert. Würde man die indirekte Kraftmessung (mittels Druck- oder Strommessung) durch eine direkte Kraftmessung mittels Kraftmessdose ersetzen wollen, dann müsste der jeweilige Kraftsensor so angeordnet sein, dass der die vom Aktor (Pneumatikzylinder) auf den Flansch 101 der Handhabungsvorrichtung 100 ausgeübte Aktorkraft misst. Bei einer Blockierung der Bewegung des Flanschs 101 (relativ zum Flansch 102) beispielsweise durch einen Endanschlag, würde in diesem Fall der Kraftsensor die gegen den Endanshclag wirkende Aktorkraft messen, auch wenn kein Kontakt mit dem Werkstück vorliegt. Dies ist aber bei dem Beispiel aus 2 nicht der Fall. Der Kraftsensor 150 ist nicht innerhalb der Handhabungsvorrichtung 100 (zwischen Pneumatikzylinder 153 und Flansch 101), sondern außen am Flansch 101, sodass der Kraftsensor nur die Kraft F_M misst, die zwischen Werkzeugmaschine 50 und Handhabungsvorrichtung wirkt. Bei fehlendem Kontakt mit dem Werkstück würde in dem dargestellten Beispiel der Kraftsensor 150 nur die Gewichtskraft der Werkzeugmaschine 50 messen, unabhängig davon, ob und mit welcher Kraft FA der Pneumatikzylinder 153 gegen den Endanschlag drückt. Das heißt, in den hier beschriebenen Beispielen sind - bei fehlendem Kontakt - die direkte Kraftmessung (Kraft F_M) und die indirekte Kraftmessung (Kraft p -A) nicht redundant, sondem es werden prinzipiell unterschiedliche Kräfte gemessen.
Ein Zusammenhang zwischen der durch die indirekte Kraftmessung ermittelte Aktorkraft F_A (F_A=p · A im Falle eines Pnaumatikzylinders) und der direkt gemessenen Kraft FM kann nur bei vorhandenem Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeugmaschine formuliert werden. Nur in dieser Situation (Kontakt vorhanden) wirkt eine Kontaktkraft F_K (Prozesskraft) auf die Handhabungsvorrichtung zurück und es gilt F_K=F_M+F_G, wobei FG die auf die Werkstückoberfläche wirkende Gewichtskraft der Werkzeugmaschine und F_M die direkt gemessene Kraft, mit der die Handhabungsvorrichtung auf die Werkzeugmaschine drückt, bezeichnet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Gewichtskraft FG auch negativ werden kann, wenn die Schleifmaschine kopfüber betrieben wird. Bei Kontakt gilt für die direkt gemessene Kraft weiter F_M = F_A + ΔF = p · A + ΔF, wobei der Offset ΔF sämtliche Störkräfte (z.B. Reibung, Hystereseeffekte, etc.) beinhaltet. Für die Kontaktkraft/Prozesskraft gilt bei Kontakt demnach F_K=F_A+F_G + ΔF = F_M + F_G, wobei der vom Zustand der Handhabungsvorrichtung abhängige Offset ΔF im Betrieb ermittelt werden kann (z.B. basierend auf mathematischen Modellen und/oder Kalibrationsmessungen).
Das Blockschaltbild aus 3 zeigt ein Beispiel eine Steuereinheit, die zum Betrieb de Handhabungsvorrichtung 100 verwendet werden kann. Die Steuereinheit aus 3 umfasst einen Zustandsbeobachter 160 (state observer), auch Zustandsschätzer (state e-stimator) genannt, dem die Soll- oder Ist-Stellgröße (controlled variable) zugeführt wird, welche im vorliegenden Beispiel den Sollwert oder den gemessenen Istwert des Zylinderdrucks repräsentiert. Der Zustandsbeobachter 160 empfängt des Weiteren Sensordaten (z.B. die gemessene Auslenkung a der Handhabungsvorrichtung 100, die Beschleunigung der Handhabungsvorrichtung, die Neigung der Handhabungsvorrichtung zur Lotrechten, etc.) sowie Systemparameter (z.B. das Gewicht der an der Handhabungsvorrichtung montierten Werkzeugmaschine) und ist dazu ausgebildet, aus den zugeführten Informationen (Sensordaten und Stellgröße) einen Zustand der Handhabungsvorrichtung zu schätzen, insbesondere die effektiv vom Aktor (Pneumatikzylinder) bereitgestellte Kraft F_A + ΔF (geschätzte Ist-Prozesskraft) die entweder auf den Endanschlag (bei fehlendem Kontakt) oder auf das Werkstück (bei Kontakt) wirkt. Für die Zustandsschätzung kann der Zustandsbeobachter mathematische Modelle beinhalten, die das physikalische Verhalten der Handhabungsvorrichtung modellieren (z.B. Federkennlinie des Faltenbalgs, Reibung, etc.).
Der Zustandsbeobachter 160 ist weiter dazu ausgebildet, einen Kontakt zwischen Werkzeugmaschine und Werkzeug zu detektieren und zu signalisieren. Da bei fehlendem Kontakt der Aktor (Pneumatikzylinder) gegen seinen Endanschlag drück, kann ein Kontakt z.B. allein dadurch detektiert werden, dass der Aktor sich vom Endanschlag weg bewegt (Auslenkung a kleiner als die Maximalauslenkung a_MAX am Endanschlag).
Eine weitere Komponente der Steuereinheit aus 3 ist die Prozesssteuerung und -überwachungseinheit 161 (process controller and monitoring unit). Hier findet die Regelung (regulation) der Prozesskraft statt. Dazu empfängt die Prozesssteuerung und -überwachungseinheit 161 die geschätzte Ist-Prozesskraft und Information bezüglich Kontakt vom Zustandsbeobachter 160 sowie Systemparameter (z.B. Gewicht der Werkzeugmaschine 50), die Soll-Prozesskraft Fs und die vom Kraftsensor 150 direkt gemessene Ist-Prozesskraft F_M, die wie oben besprochen jedoch nur bei vorhandenem Kontakt eine sinnvolle Messgröße dargestellt. Basierend auf Soll-Prozesskraft Fs und der direkt gemessenen und/oder geschätzten Ist-Kraft F_M oder F_A+ΔF und unter Berücksichtigung der Gewichtskraft FG wird mit Hilfe eines Regelalgorithmus die Stellgröße (controlled variable) berechnet, mit der der Aktor angesteuert wird (bei einem Pneumatikaktor ist das wie erwähnt der Zylinderdruck p). Geeignete Regelalgorithmen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter diskutiert. Bei einem theoretischen Regelfehler (control deviation) von null wird die Stellgröße (z.B. ein Druck bei pneumatischen Aktoren, ein Aktorstrom bei elektromechanischen Aktoren) so eingestellt, dass bei Kontakt für die Prozesskraft F_K folgendes gilt: F_K= F_M+ F_G = F_S. Das heißt, die Prozesskraft (Kontaktkraft) entspricht der (ggf. variierenden) Soll-Kraft.
Die Prozesssteuerung und -überwachungseinheit 161 ist weiter dazu ausgebildet die „Quelle“ für die Ist-Prozesskraft (Kraftsensor 150, Zustandsbeobachter 160) abhängig davon auszuwählen, ob ein Kontakt detektiert wurde oder nicht. Bei fehlendem Kontakt wird der Zustandsbeobachter 160 ausgewählt und bei detektiertem Kontakt der Kraftsensor 150. Idealerweise müssten beide Quellen - bei detektiertem Kontakt - denselben Kraftwert liefern, jedoch fließen in den geschätzten Wert F_A+ ΔF durch Kalibration bestimmte Einflussparameter ein, die sich mit der Zeit verändern können, wohingegen der direkt gemessene Wert F_M immer die tatsächliche Kraft misst (vorausgesetzt der Kraftsensor 150 funktioniert ordnungsgemäß).
Plausibilitätsprüfung: Die Prozesssteuerung und -überwachungseinheit 161 kann weiter dazu ausgebildet sein, während eines Oberflächenbearbeitungsprozesses (d.h. bei Kontakt) basierend auf dem direkt gemessenen Kraftwert F_M und dem vom Zustandsbeobachter gelieferten Kraftwert F_A+ΔF eine Plausibilitätsprüfung durchzuführen. Dazu kann die Prozesssteuerung und -überwachungseinheit 161 die beiden Werten F_A+ΔF und F_M vergleichen, und bei Abweichungen z.B. einen Fehler melden. In manchen Situationen ist es sogar möglich basierend auf der Abweichung zwischen den beiden Werten F_A+ΔF und F_M und deren zeitlichen Verlauf, und ggf. unter Berücksichtigung anderer Messwerte wie z.B. die gemessene Auslenkung a eine (wahrscheinliche) Ursache für die Abweichung zu ermitteln. Wenn beispielsweise der direkt gemessene Kraftwert F_M nicht mehr dem vom Zustandsbeobachter geschätzten Wert folgt, ist eine wahrscheinliche Ursache dafür, dass die Linearführung in der Handhabungsvorrichtung klemmt oder die Reibung stark erhöht ist. Folgt der direkt gemessene Wert F_M dem geschätzten Wert F_A+ΔF mit einer kleineren Abweichung, kann das darauf hindeuten, dass die Reibung in dem Pneumatikzylinder (Aktor 153) oder der Linearführung (nicht dargestellt) leicht erhöht ist und eine Wartung durchgeführt werden soll.
Im Folgenden werden einigen Aspekte und Merkmale der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zusammengefasst. Es versteht sich, dass das Folgende keine abschließende Aufzählung, sondern lediglich eine exemplarische Zusammenfassung darstellt. Die Ausführungsbeispiele betreffen ein System und ein Verfahren zum Steuern einer Handhabungsvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Flansch und mit einem Linearaktor, der zwischen dem ersten Flansch und dem zweiten Flansch wirkt. Der erste Flansch ist im Betrieb an einem Manipulator (z.B. an dessen Endeffektorflansch, vgl. 1) montiert, und an dem zweiten Flansch ist im Betrieb ein Werkzeug (oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug) montiert. Der Linearaktor kann nach Maßgabe einer Stellgröße eine Kraft auf den zweiten Flansch ausüben, während er sich an dem ersten Flansch abstützt (vgl. 2, Flansche 101 und 102, Linearaktor 152). Im Falle eines pneumatischen Aktors (Pneumatikzylinder) ist die Stellgröße ein Luftdruck, im Falle eines elektromechanischen Aktors kann die Stellgröße der durch den Aktor fließende Strom sein.
In einem Ausführungsbeispiel ist ein Kraftsensor zwischen dem zweiten Flansch und dem Werkzeug angeordnet, sodass der Kraftsensor bei Kontakt zwischen Werkzeug und einer Oberfläche eine von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft F_M misst. Die Kontaktkraft zwischen Werkzeug und Oberfläche entspricht einer Überlagerung der Kraft F_M und der (von der Winkelstellung abhängigen) Gewichtskraft FG, welche das Gewicht von Werkzeugmaschine und Werkzeug auf die Oberfläche ausübt.
Ohne Kontakt, hängt die Werkzeugmaschine an der Handhabungsvorrichtung und der Kraftsensor misst lediglich deren Gewichtskraft FG, während der Linearaktor (kraftgeregelt) gegen einen Endanschlag drückt. In dieser Situation ist der erwähnte Kraftsensor nicht für die Kraftregelung verwendbar. Daher wird mit einem Zustandsbeobachter, der z.B. in einer Steuereinheit implementiert sein kann, basierend auf der Stellgröße (z.B. Solldruck oder Ist-Druck) ein Schätzwert für die von dem Linearaktor bereitgestellte Kraft F_A+ΔF ermittelt. Die Steuereinheit kann auch dazu ausgebildet sein, einen Kontakt zwischen Werkzeug und einer Oberfläche zu detektieren. Des Weiteren ist die die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Stellgröße (z.B. Druck p) für den Linearaktor basierend auf dem Schätzwert F_A+ΔF und einem Sollwert einzustellen, wenn kein Kontakt detektiert wird, und die Stellgröße basierend auf der gemessenen Kraft F_M und dem Sollwert einzustellen, wenn (sobald uns solange) ein Kontakt detektiert wird. Das heißt, die für die Kraftregelung verwendete Kraftinformation hängt davon ab, ob ein Kontakt detektiert wird oder nicht.
Ein Beispiel des hier beschriebenen Konzepts wird im Folgenden anhand des Flussdiagrams aus 4 zusammengefasst. 4 betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Handhabungsvorrichtung mit einem Linearaktor (siehe 2, Pneumatikzylinder 154), der zwischen einem mit einem Manipulator verbindbaren ersten Flansch (siehe 1, Flansch 102) und einem zweiten Flansch (siehe 1, Flansch 101) wirkt, an dem ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug montierbar ist. Das Verfahren umfasst das Ansteuern des Linearaktors mit einer Stellgroße (z.B. einem Luftdruck p), sodass dieser (nach Maßgabe der Stellgröße) eine Kraft auf den zweiten Flansch (bei Kontakt zwischen Werkzeug und Oberfläche) oder auf einen Endanschlag (bei fehlendem Kontakt) ausübt (siehe 4, Schritt S1). Das Verfahren umfasst weiter der Detektieren eines Kontakts zwischen Werkzeug und Oberfläche (siehe 4, Schritt S2) sowie - bei Kontakt zwischen Werkzeug und Oberfläche - das Messen einer von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübten Kraft F_M mit Hilfe eines Kraftsensors, der mechanisch zwischen dem zweiten Flansch und das Werkzeug gekoppelt ist (siehe 4, Schritt S3).
Das Verfahren umfasst weiter (mit oder ohne Kontakt zur Oberfläche) das Ermitteln eines Schätzwerts F_A+ΔF für die von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft F_M basierend auf der Stellgröße (siehe 4, Schritt S4). Die Stellgröße wird eingestellt basierend auf dem Schätzwert und einem Sollwert, wenn und solange kein Kontakt detektiert wird (siehe 4, Schritt S6), und basierend auf der gemessenen Kraft und dem Sollwert, wenn und solange ein Kontakt detektiert wird (siehe 4, Schritt S5). Es versteht sich, dass die in 4 gezeigten Verfahrensschritte teilweise parallel ablaufen. Die Pfeile in dem Flussdiagramm implizieren keine zwingende zeitliche Reihenfolge.
Insbesondere wird der Schritt S4 unabhängig davon ausgeführt, ob ein Kontakt detektiert wurde oder nicht. Bei fehlendem Kontakt wird der Schätzwert für die Kraft benötigt, um die Kraft einstellen zu können, mit der der Linearaktor auf den Endanschlag drückt. Für einen sanften Kontakt sollte diese Kraft so klein wie möglich sein (idealerweise null oder einige wenige Newton). Wenn das Werkzeug die Oberfläche berührt, bewegt sich der der Aktor vom Endanschlag weg und die Kraftregelung kann dann basierend auf der direkt gemessenen Kraft F_M erfolgen. Nichtsdestotrotz wird zur Validierung des Prozesses und zur Fehlererkennung auch während des Oberflächenbearbeitungsprozesses (bei Kontakt) der Schätzwert F_A+ΔF ermittelt. Vor einem Kontakt drückt der Aktor mit einer möglichst kleinen (Minimal-) Kraft auf den Endanschlag. Theoretisch kann diese Minimalkraft auf null Newton geregelt werden. In der Praxis werden Werte von unter 10 Newton oder sogar unter 1 Newton verwendet, um die Oberfläche sehr sanft kontaktieren zu können. Sobald ein Kontakt besteht, kann die Sollkraft mit einer definierten Rate erhöht werden, bis die gewünschte Prozesskraft (Schleifkraft) erreicht ist.
In die Ermittlung des Schätzwertes (vgl. 3, Zustandsbeobachter 160) können neben der Stellgröße (Druck im Falle eines pneumatischen Aktors) weitere Sensordaten betreffend den Zustand des Aktors und/oder der Handhabungsvorrichtung einfließen wie z.B. die Auslenkung des Aktors, welche z.B. mit einem Potentiometer oder einem induktiven Wegsensor (displacement sensor), der mit dem Aktor gekoppelt ist, gemessen werden kann. Die Gewichtskraft F_G=m·g·cos(θ) kann beispielsweise bei der Kraftregelung (siehe 3, Prozesssteuerung 161) berücksichtigt werden, indem beispielsweise die Gewichtskraft FG von der Sollkraft subtrahiert wird (m bezeichnet die Masse der Werkzeugmaschine samt Werkzeug, g die Erdbeschleunigung und θ die Winkelabweichung von der Lotrechten (Kippwinkel, tilt)). Alternativ kann die Gewichtskraft auch bei der direkten und indirekten Kraftmessung berücksichtigt werden. Der Kippwinkel θ kann entweder gemessen werden oder aus den (verallgemeinerten) Koordinaten des TCP des Manipulators berechnet werden. Die Robotersteuerung „kennt“ ja die Winkelstellung des TCPs und damit auch die Winkelstellung der Handhabungsvorrichtung und des Werkzeugs.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, automatisiert die Prozessvalidität eines Oberflächenbearbeitungsprozesses zu prüfen und am Ende des Prozesses zu bestätigen. Dazu kann beispielsweise während eines Oberflächenbearbeitungsprozesses die (mittels Kraftsensor direkt) gemessenen Kraft F_M und den (vom Zustandsbeobachter ermittelten) Schätzwert F_A+ΔF verglichen werden und eventuellen Abweichungen zwischen Messwert und Schätzwert für einen bestimmten Oberflächenbearbeitungsprozess protokolliert werden. Am Ende des Prozesses ober bereites während des Prozesses können die protokollierten Daten ausgewertet werden, um die die Validität des Prozesses zu überprüfen und/oder ggf. Fehler anzuzeigen. Dazu können beispielsweise basierend auf Abweichungen zwischen direkt gemessener Kraft und Schätzwert (und ggf. weiteren Sensordaten wie z.B. die Aktorauslenkung) konkrete Fehler ermittelt werden. Wenn z.B. bei einer Erhöhung des Schätzwertes die gemessene Kraft nicht gleichermaßen ansteigt, während Kontakt mit der Oberfläche besteht, dann ist es sehr wahrscheinlich, dass eine (z.B. parallel zum Aktor angeordnete) Linearführung oder der Aktor selbst feststeckt oder zumindest die Reibung im Linearaktor oder in der Linearführung ungewöhnlich hoch ist. In diesem Fall kann beim nächsten Kontaktieren der Oberfläche ein sanfter kontakt nicht mehr garantiert werden. Zusätzlich oder alternativ können auch Abweichungen zwischen dem Kraftsollwert und der gemessenen Kraft ausgewertet werden.

Claims

Ein System, das folgendes umfasst: eine Handhabungsvorrichtung mit einem Linearaktor (153), der zwischen einem ersten Flansch (102), der mit einem Manipulator verbindbar ist, und einem zweiten Flansch (101), an dem ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug montierbar ist, wirkt, wobei der Linearaktor (153) nach Maßgabe einer Stellgröße (p) eine Kraft auf den zweiten Flansch (101) oder einen Endanschlag ausübt; einen Kraftsensor, der zwischen dem zweiten Flansch (101) und das Werkzeug gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei Kontakt zwischen Werkzeug und einer Oberfläche eine von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft (F_M) zu messen; eine Steuereinheit mit einem Zustandsbeobachter (160), der dazu ausgebildet ist, basierend auf der Stellgröße (p) einen Schätzwert (F_A+ΔF) für die von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft (F_M) zu ermitteln; wobei die Steuereinheit weiter dazu ausgebildet ist: einen Kontakt zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche zu detektieren, die Stellgröße (p) basierend auf dem Schätzwert (F_A+ΔF) und einem Sollwert einzustellen, solange kein Kontakt detektiert wird, und die Stellgröße (p) basierend auf der gemessenen Kraft (F_M) und dem Sollwert einzustellen, solange ein Kontakt detektiert wird.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei der Sollwert variabel ist und nach Detektion des Kontakts ausgehend von einem Minimalwert erhöht wird.
Das System gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Linearaktor (153) gegen einen Endanschlag drückt, solange kein Kontakt detektiert wird.
Das System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit weiter dazu ausgebildet ist, solange Kontakt detektiert wird, die gemessenen Kraft (F_M) und den Schätzwert (F_A+ΔF) zu vergleichen und basierend auf einer eventuellen Abweichung einen Fehler anzuzeigen oder zu protokollieren.
Das System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit weiter dazu ausgebildet ist, solange Kontakt detektiert und ein Oberflächenbearbeitungsprozess durchgeführt wird, basierend auf der gemessenen Kraft (F_M) und dem Schätzwert (F_A+ΔF) die Prozessvalidität zu überprüfen und, sofern die Überprüfung fehlschlägt, mögliche Fehlerquellen zu ermitteln.
Das System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Zustandsbeobachter (160) dazu ausgebildet ist, den Schätzwert (F_A+ΔF) basierend auf der Stellgröße (p) und auf weiteren Sensordaten betreffend den Zustand des Linearaktors (153), insbesondere die Aktorauslenkung, zu ermitteln.
Ein Verfahren zum Steuern einer Handhabungsvorrichtung mit einem Linearaktor (154), der zwischen einem mit einem Manipulator verbindbaren ersten Flansch (102) und einem zweiten Flansch (101), an dem ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug montierbar ist, wirkt; das Verfahren umfasst folgendes: Ansteuern des Linearaktors (153) mit einer Stellgröße (p), sodass dieser nach Maßgabe der Stellgröße (p) eine Kraft auf den zweiten Flansch (101) oder einen Endanschlag ausübt; Detektieren eines Kontakts zwischen dem Werkzeug und einer Oberfläche; Messen - bei Kontakt zwischen Werkzeug und einer Oberfläche - einer von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübten Kraft (F_M) mit Hilfe eines Kraftsensors, der zwischen den zweiten Flansch (101) und das Werkzeug gekoppelt ist; Ermitteln eines Schätzwerts (F_A+ΔF) für die von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft (F_M) basierend auf der Stellgröße (p); Einstellen der Stellgröße (p) basierend auf dem Schätzwert (F_A+ΔF) und einem Sollwert, solange kein Kontakt detektiert wird, und Einstellen der Stellgröße (p) basierend auf der gemessenen Kraft (F_M) und dem Sollwert, solange ein Kontakt detektiert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei beim Ermitteln des Schätzwertes (F_A+ΔF) weitere Sensordaten bezüglich den Zustand des Linearaktors (153), insbesondere eine Auslenkung des Linearaktors berücksichtigt werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei ein Kontakt zwischen dem Werkzeug und einer Oberfläche detektiert wird, wenn der Linearaktor sich von dem Endanschlag wegbewegt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei während eines Oberflächenbearbeitungsprozesses das Werkzeug die Oberfläche berührt, basierend auf dem ermittelten Schätzwert und weiter basierend auf der gemessenen Kraft (F_M) die Validität des Oberflächenbearbeitungsprozesses geprüft wird, und ggf. bei Abweichungen zwischen der gemessenen Kraft (F_M) und dem Schätzwert eine Fehlerursache ermittelt wird.