DE102021124215A1

DE102021124215A1 - Verfahren zur Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten eines Linearroboters und Linearroboter

Info

Publication number: DE102021124215A1
Application number: DE102021124215.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Köck; Rainer Lott
Original assignee: Linrob GmbH
Current assignee: Linrob Automation De GmbH
Priority date: 2021-09-20
Filing date: 2021-09-20
Publication date: 2023-03-23
Also published as: WO2023041615A1; EP4405138A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten eines Linearroboters (1), der eine Trag- und Führungskonstruktion (2) mit zumindest einer Tragschiene (2.1) mit zumindest einer Linearführung (2.2) und einem auf dieser Tragschiene (2) motorisch bewegbaren Schlitten (3) aufweist, wobei die Tragschiene (2.1) durch ein Strangpressprofil mit mehreren Kammern (2.1.1) gebildet ist, wobei eine Steuereinheit (4) vorgesehen ist, in der ein mathematisches Modell der Trag- und Führungskonstruktion (2) implementiert ist, wobei das mathematische Modell geometrische Veränderungen der Trag- und Führungskonstruktion (2) in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern berechnet und wobei basierend auf dem mathematischen Modell eine Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung einer Befestigungsschnittstelle (5), an der ein Aktor (6) befestigbar ist, in Abhängigkeit von der Änderung eines oder mehrerer Parameter bestimmt wird und wobei die Steuereinheit (4) basierend auf der Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung einer Befestigungsschnittstelle (5) eine Änderung des Verfahrweges des Schlittens (3) vollzieht und/oder an einer Aktorensteuerschnittstelle eine Positionsänderungsinformation für den Aktor (6) bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten eines Linearroboters sowie einen Linearroboter, der eine derartige Positionskompensation aufweist.
Linearroboter sind grundsätzlich bekannt. Sie ermöglichen automatisierte Bewegungsabläufe durch Verfahren entlang einer oder mehrerer gerader Verfahrachsen. Durch die Kombination mehrerer winklig zueinander verlaufender Verfahrachsen ist es möglich, verkettete lineare Bewegungen im Raum zu vollziehen, so dass der Linearroboter unterschiedliche Positionen im dreidimensionalen Raum anfahren kann.
Aus dem Stand der Technik bekannte Linearroboter nutzen meist Stahl-Schweißkonstruktionen als die Verfahrachsen bildende Tragschienen. Derartige Stahl-Schweißkonstruktionen weisen aufgrund des komplexen Herstellungsprozesses geringe Genauigkeiten auf, so dass die Positioniergenauigkeit des Linearroboters sehr gering ist.
Die Genauigkeit der Stahl-Schweißkonstruktionen kann durch eine geeignete Nachbearbeitung beispielsweise durch Spannungsarmglühen und spanende Nachbearbeitung erhöht werden, was jedoch die Herstellung sehr aufwändig macht und damit auch teuer.
Zudem weisen derartige Stahl-Schweißkonstruktionen stets eine individuelle Geometrie auf, so dass stets eine Vermessung der Trag- und Führungskonstruktion des Linearroboters nötig ist, um Positionsungenauigkeiten des Linearroboters kompensieren zu können. Derartige Vermessungen sind ebenfalls sehr teuer.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten eines Linearroboters anzugeben, das eine hohe Positioniergenauigkeit des Linearroboters bei gleichzeitig geringen Kosten ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Linearroboter ist Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 10. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten eines Linearroboters. Der Linearroboter weist eine Trag- und Führungskonstruktion mit zumindest einer Tragschiene mit zumindest einer Linearführung und einem auf dieser Tragschiene motorisch bewegbaren Schlitten auf. Die Tragschiene bildet dabei vorzugsweise eine Verfahrachse des Linearroboters. Vorzugsweise weist der Linearroboter mehrere Tragschienen auf, die miteinander derart gekoppelt sind, dass der Linearroboter an einer Befestigungsschnittstelle, an der ein Aktor befestigt werden kann, translatorische Bewegungen entlang mehrerer Achsen eines kartesischen Koordinatensystems vollziehen kann. So kann beispielsweise eine zweite Tragschiene, die eine zweite Verfahrachse bildet, an einem Schlitten fixiert sein, der auf einer ersten Tragschiene, die die erste Verfahrachse bildet, linear verfahrbar ist. An der zweiten Verfahrachse kann beispielsweise eine dritte Tragschiene gehalten sein, die eine dritte Verfahrachse bildet und die mittels eines zweiten Schlittens an der zweiten Tragschiene linear verfahrbar ist.
Die zumindest eineTragschiene ist durch ein Strangpressprofil mit mehreren Kammern gebildet. Es ist eine Steuereinheit vorgesehen, in der ein mathematisches Modell der Trag- und Führungskonstruktion implementiert ist. Das mathematische Modell berechnet geometrische Veränderungen der Trag- und Führungskonstruktion in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern. Basierend auf den Berechnungen des mathematischen Modells wird eine Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle, an der ein Aktor befestigbar ist, in Abhängigkeit von der Änderung eines oder mehrerer Parameter bestimmt. Die Steuereinheit vollzieht basierend auf der Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle eine Änderung des Verfahrweges des Schlittens und/oder an einer Aktorensteuerschnittstelle wird eine Positionsänderungsinformation für den Aktor bereitstellt, basierend auf der der Aktor eine Positionsänderung vornehmen kann, um trotz der geänderten geometrischen Eigenschaften der Trag- und Führungskonstruktion trotzdem die gewünschte Sollposition anfahren zu können.
Der technische Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass durch die Verwendung eines Strangpressprofils als Tragschiene eine Trag- und Führungskonstruktion mit einer hohen Genauigkeit und einer hohen Reproduzierbarkeit geschaffen wird. Diese hochgenaue und reproduzierbar herstellbare Trag- und Führungskonstruktion ermöglicht es, die parameterabhängigen geometrischen Veränderungen der Trag- und Führungskonstruktion modellbasiert zu berechnen, und zwar vorzugsweise ohne den Linearroboter vermessen zu müssen. Dadurch können Positionierungsungenauigkeiten, die aufgrund von parameterbedingten Veränderungen der Geometrie der Trag- und Führungskonstruktion des Linearroboters entstehen, beispielsweise Temperaturveränderungen, Stellungen des Linearroboters mit einer größeren Ausladung oder veränderte Lasten durch Transportieren eines Objekts durch den Aktor oder durch Wechsel des Aktors auf einen Aktor mit anderem Gewicht, minimiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das mathematische Modell mehrere Splines, die geometrische Änderungen eines oder mehrerer Bauteile der Trag- und Führungskonstruktion in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern beschreiben. Unter „Spline“ wird entweder ein einzelnes Polynom n-ten Grades verstanden oder ein Polynomzug, der mehrere Polynome umfasst. Durch diese Splines wird die parameterabhängige Geometrie einzelner Bauteile der Trag- und Führungskonstruktion, einer Gruppe von Bauteilen der Trag- und Führungskonstruktion oder der gesamten Trag- und Führungskonstruktion beschrieben. Die Splines können beispielsweise basierend auf einer Finite-Elemente-Methode berechnet worden sein. Basierend auf den Splines und den Werten von einem oder mehrerer Parameter wird die Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle bestimmt. Durch die Verwendung der Splines ist es möglich, mit beschränkten Rechenressourcen einer Steuereinheit des Linearroboters sehr schnell die parameterabhängigen, geometrischen Änderungen der Trag- und Führungskonstruktion iterativ zu berechnen, so dass bei sich ändernden Parametern fortlaufend eine Positionskompensation durchgeführt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Linearroboter mehrere winkelig zueinander verlaufende Verfahrachsen auf. Diese werden jeweils durch eine stranggepresste Tragschiene gebildet. Die Steuereinheit berechnet basierend auf der Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle für jede Verfahrachse einen Korrekturwert und die Sollposition, die von dem auf der jeweiligen Verfahrachse bewegten Schlitten anzufahren ist, wird basierend auf dem Korrekturwert modifiziert. Dadurch kann eine Positionskompensation des Linearroboters entlang mehrerer Raumachsen erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die durch geometrische Veränderung der Trag- und Führungskonstruktion bedingten Positionierungsungenauigkeiten durch Zusammenwirken des Linearroboters und des an der Befestigungsschnittstelle fixierten Aktors kompensiert, und zwar derart, dass eine erste Teilkompensation durch eine Modifizierung des Verfahrweges zumindest eines Schlittens des Linearroboters und eine zweite Teilkompensation durch Modifizierung der Positionierung eines bewegten Teils des Aktors erfolgt. So kann beispielsweise eine translatorische Positionierungsabweichung entlang einer oder mehrerer Raumachsen durch den Linearroboter und eine Positionierungsabweichung, die aufgrund einer Rotation um eine Raumachse entsteht, durch den Aktor selbst, der beispielsweise ein Gelenkarmroboter ist, kompensiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten iterativ vorgenommen, und zwar derart, dass basierend auf dem mathematischen Modell zeitlich nacheinander Informationen bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle in Abhängigkeit einer oder mehrerer Parameter berechnet werden und basierend auf den Informationen bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung einer Befestigungsschnittstelle eine Änderung des Verfahrweges des Schlittens vollzogen wird und/oder an einer Aktorensteuerschnittstelle eine Positionsänderungsinformation für den Aktor bereitgestellt wird. Dadurch ist im laufenden Betrieb des Linearroboters und bei sich verändernden Parametern eine fortlaufende Kompensation der Positionierungsungenauigkeiten möglich.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen die Parameter externe Parameter, die Informationen hinsichtlich der Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit und/oder Gewicht eines durch den Aktor bewegten Objekts aufweisen. Diese Parameter können durch eine entsprechende Sensorik dem Linearroboter bereitgestellt werden. Damit ist es möglich, abhängig von externen Parametern die geometrischen Veränderungen der Trag- und Führungskonstruktion zu bestimmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen die Parameter Maschinenparameter, d.h. Parameter des Linearroboters selbst, die Informationen zu der Bewegungsposition zumindest eines Schlittens, dem Gewicht des Aktors und/oder der Stromaufnahme eines Motors aufweisen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, zu bestimmen, welche Durchbiegung der Trag- und Führungskonstruktion sich aufgrund der mechanischen Belastung bei einer bestimmten Ausladung des Linearroboters oder aufgrund des Eigengewichts des Aktors ergibt.
Vorzugsweise werden von dem Aktor Informationen zu dessen aktueller Position bzw. Bewegungsstellung an die Steuereinheit des Linearroboters übertragen, so dass auch die Position bzw. Bewegungsstellung des Aktors bei der Kompensation der Positionierungsungenauigkeiten berücksichtigt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in der Steuereinheit ein maschinell lernendes Verfahren zur Verarbeitung der Parameter implementiert. Das maschinell lernende Verfahren stellt basierend auf mehreren Parametern eine Bewertungsinformation bereit. Insbesondere können beispielsweise ein oder mehrere Parameter dazu verwendet werden, einen anderen Parameter zu bewerten. So kann beispielsweise eine Information eines Temperatursensors mit einem die Sonneneinstrahlung messenden Sensor kombiniert werden, um zu erkennen, ob es sich bei der Temperaturerhöhung um eine wetterbedingte Temperaturerhöhung handelt oder um eine Temperaturerhöhung, die durch den Linearroboter selbst bedingt wurde. Die Änderung des Verfahrweges des Schlittens und/oder die Bereitstellung der Positionsänderungsinformation wird basierend auf der Bewertungsinformation vollzogen. Damit ist es möglich, die Kompensation der Positionierungsungenauigkeiten nicht nur von den reinen Roh-Parameterwerten abhängig zu machen, sondern von abgeleiteten Informationen, die durch eine Weiterverarbeitung mehrerer Parameter durch das maschinell lernende Verfahren entstehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in der Steuereinheit ein maschinell lernendes Verfahren zur Verarbeitung der Parameter implementiert. Das maschinell lernende Verfahren empfängt mehrere Parameter als Eingangsinformationen und stellt durch adaptive Kombination und adaptive Bewertung der Parameter eine Wartungsinformation bereit. Die adaptive Kombination bzw. Bewertung erfolgt aufgrund der sukzessiven Anpassung von Gewichtungsfaktoren des maschinell lernenden Systems. Damit ist es möglich, eine prädiktive Wartung zu implementieren, die nicht nur von den reinen Roh-Parameterwerten abhängig ist, sondern von abgeleiteten Informationen, die durch eine Weiterverarbeitung mehrerer Parameter durch das maschinell lernende Verfahren entstehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Linearroboter. Der Linearroboter umfasst eine Trag- und Führungskonstruktion mit zumindest einer Tragschiene mit zumindest einer Linearführung und einem auf dieser Tragschiene motorisch bewegbaren Schlitten. Die Tragschiene bildet dabei vorzugsweise eine Verfahrachse des Linearroboters. Vorzugsweise weist der Linearroboter mehrere Tragschienen auf, die miteinander derart gekoppelt sind, dass der Linearroboter an einer Befestigungsschnittstelle, an der ein Aktor befestigt werden kann, translatorische Bewegungen entlang mehrerer Achsen eines kartesischen Koordinatensystems vollziehen kann. So kann beispielsweise eine zweite Tragschiene, die eine zweite Verfahrachse bildet, an einem Schlitten fixiert sein, der auf einer ersten Tragschiene, die die erste Verfahrachse bildet, linear verfahrbar ist. An der zweiten Verfahrachse kann beispielsweise eine dritte Tragschiene gehalten sein, die eine dritte Verfahrachse bildet und die mittels eines zweiten Schlittens an der zweiten Tragschiene linear verfahrbar ist.
Die Tragschiene ist durch ein Strangpressprofil mit mehreren Kammern gebildet. Insbesondere ist die Tragschiene ein Aluminium-Strangpressprofil. Es ist eine Steuereinheit vorgesehen, die ein mathematisches Modell der Trag- und Führungskonstruktion aufweist, mittels dem geometrische Veränderungen der Trag- und Führungskonstruktion in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern berechenbar sind. Die Steuereinheit kann eine einzelne Steuereinheit sein oder durch eine Gruppe von miteinander zusammenwirkenden Steuermodulen gebildet sein. Die Trag- und Führungskonstruktion weist eine Befestigungsschnittstelle auf, an der ein Aktor befestigbar ist. Der Aktor kann insbesondere ein Schwenkarmroboter sein. Das mathematische Modell ist dazu ausgebildet, die Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle in Abhängigkeit von der Änderung eines oder mehrerer Parameter zu bestimmen. Zudem ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, basierend auf der Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle eine Änderung des Verfahrweges des Schlittens zu vollziehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist auf der Tragschiene ein Paar von Linearführungen fixiert, und zwar mittels Schrauben, die in Nutensteine eingeschraubt sind, welche in Nuten der Tragschiene formschlüssig eingebracht sind. Dadurch kann ohne die Notwendigkeit der Herstellung von Bohrungen eine hochgradig genaue Verfahrachse erreicht werden, die derart genau montierbar ist, dass die parameterbedingte geometrische Veränderung der Trag- und Führungskonstruktion hinreichend genau durch das mathematische Modell vorherbestimmbar ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Linearführungen aus Aluminium-Strangpressprofilen gebildet, die Stahleinlagen aufweisen, an denen der linear bewegbare Schlitten geführt ist. Diese Art der Linearführungen kann hochgenau und reproduzierbar gefertigt werden, so dass die parameterabhängigen geometrischen Veränderungen der Linearführungen und damit der gesamten Trag- und Führungskonstruktion modellbasiert berechenbar sind, und zwar vorzugsweise ohne Vermessung der Trag- und Führungskonstruktion.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Schlitten einen einstückig gegossenen Tragkörper aus Gusseisen auf. Ein solcher Schlitten hat den Vorteil, dass dessen parameterbedingte geometrische Veränderung mathematisch hochgenau bestimmbar ist, so dass es insgesamt möglich ist die parameterabhängigen geometrischen Veränderungen der gesamten Trag- und Führungskonstruktion, zu der auch der zumindest eine Schlitten gehört, mit einer hohen Genauigkeit modellbasiert bestimmen zu können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Linearroboter mehrere winkelig zueinander verlaufende Verfahrachsen auf. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, basierend auf der Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle für jede Verfahrachse einen Korrekturwert zu berechnen und die Sollposition, die von dem auf der jeweiligen Verfahrachse bewegten Schlitten anzufahren ist, basierend auf dem Korrekturwert zu modifizieren.
Dadurch kann eine Positionierungskompensation des Linearroboters entlang mehrerer Raumachsen erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Steuereinheit eine Aktorensteuerschnittstelle auf, an der eine Information zur Positionskompensation für den an der Befestigungsschnittstelle befestigten Aktor bereitgestellt wird. Dadurch können die durch geometrische Veränderung der Trag- und Führungskonstruktion bedingten Positionierungsungenauigkeiten durch Zusammenwirken des Linearroboters und des an der Befestigungsschnittstelle fixierten Aktors kompensiert werden, und zwar derart, dass eine erste Teilkompensation durch eine Modifizierung des Verfahrweges zumindest eines Schlittens des Linearroboters und eine zweite Teilkompensation durch Modifizierung der Positionierung eines bewegten Teils des Aktors erfolgt. So kann beispielsweise eine translatorische Positionierungsabweichung entlang einer oder mehrerer Raumachsen durch den Linearroboter und eine Positionierungsabweichung, die aufgrund einer Rotation um eine Raumachse entsteht, durch den Aktor selbst, der beispielsweise ein Gelenkarmroboter ist, kompensiert werden.
Die Ausdrücke „näherungsweise“, „im Wesentlichen“ oder „etwa“ bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 beispielhaft eine Anordnung umfassend einen Linearroboter und einen am Linearroboter fixierten Schwenkarmroboter als Aktor in einer perspektivischen Darstellung;
2 beispielhaft eine Tragschiene zur Bildung einer Verfahrachse des Linearroboters in einer perspektivischen Darstellung; und
3 beispielhaft eine Schnittdarstellung der Tragschiene gemäß 2.

1 zeigt beispielhaft eine Anordnung aus einem Linearroboter 1, an dessen Befestigungsschnittstelle 5 ein Aktor 6 in Form eines Schwenkarmroboters fixiert ist. Der Vorteil einer derartigen Anordnung ist, dass ein Schwenkarmroboter verwendet werden kann, dessen Aktionsradius wesentlich kleiner ist als die Verfahrwege des Linearroboters 1, was die Positioniergenauigkeit erhöht, jedoch durch den Linearroboter 1 eine Reichweitenerhöhung erreicht wird, so dass die Anordnung aus Linearroboter 1 und Schwenkarmroboter einen deutlich größeren Aktionsbereich hat, als der Schwenkarmroboter allein. Um allein mit einem Schwenkarmroboter diesen Aktionsbereich abzudecken, wäre ein Schwenkarmroboter mit einer viel größeren Armlänge nötig, was jedoch zu Nachteilen bei der Positionsgenauigkeit führt.
Es sei angemerkt, dass an der Befestigungsschnittstelle 5 auch andere Arten von Aktoren 6 befestigt sein können, beispielsweise Messgeräte, Greifer, Werkzeuge wie beispielsweise Pinsel, Spritzdüsen, Schweißgeräte etc.
Der Linearroboter 1 weist in der gezeigten Ausführungsform eine Trag- und Führungskonstruktion 2 mit drei Achsen auf, die rechtwinklig zueinander verlaufen, und zwar eine X-Achse, eine Y- Achse und eine Z-Achse gemäß dem in 1 gezeigten kartesischen Koordinatensystem. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die die X-Achse des Linearroboters 1 auf eine Aufstellfläche montiert, die Z-Achse steht winklig nach oben von dieser X-Achse ab und die Y-Achse ist wiederum rechtwinklig an der Z-Achse gehalten.
Es versteht sich, dass der Linearroboter 1, je nach Anwendungsfall, mehr oder weniger Achsen aufweisen kann. Zudem kann die Fixierung des Linearroboters 1 in anderer Weise erfolgen, beispielsweise an einer senkrecht stehenden Wand oder aber auch hängend, d.h. die X-Achse des Linearroboters 1 wäre in diesem Fall an einer Decke fixiert und die Z-Achse würde von dieser X-Achse nach unten hin abstehen.
Die X-, Y- und Z-Achsen werden jeweils durch eine Tragschiene 2.1 gebildet. Auf den Tragschienen 2.1 ist jeweils ein Schlitten 3 vorgesehen, der entlang der Längsachse der jeweiligen Tragschiene 2.1 motorisch verschiebbar ist, um damit eine Verstellung in der jeweiligen Achsrichtung zu erreichen, entlang der die jeweilige Tragschiene 2.1 verläuft. Damit kann die Befestigungsschnittstelle 5 und damit auch der an dieser befestigte Aktor 6 mittels der X-, Y- und Z-Achsen des Linearroboters 1 in x-, y- und z-Richtung verstellt werden. Es sei angemerkt, dass auf einer Achse, beispielsweise der X-Achse, auch mehr als ein Schlitten 3 und damit verschiebbar geführte Achsen vorgesehen sein können, die unabhängig voneinander verfahren und kompensiert werden können. Zudem können zumindest einige der Achsen drehbar an dem Schlitten 3 gehalten sein, und zwar derart, dass die Achsen um deren Längsachsen rotiert werden können.
Die Tragschiene 2.1 ist in Einzeldarstellung bzw. im Schnitt in den 2 und 3 gezeigt. Die Tragschiene 2.1 ist erfindungsgemäß aus einem Strangpressprofil gebildet, das mehrere Kammern 2.1.1 und diese Kammern 2.1.1 bildende bzw. die Tragschiene 2.1 aussteifende Stege aufweist. Das Strangpressprofil ist vorzugsweise ein Alu-Strangpressprofil. Der Vorteil des Strangpressprofils besteht darin, dass dieses hochgenau, wiederholbar und homogen gefertigt werden kann, so dass die Veränderung der Geometrie der Tragschiene 2.1 in Abhängigkeit von Parametern durch ein mathematisches Modell mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
Die Tragschiene 2.1 weist außenseitig eine Vielzahl von Nuten 2.1.2 auf, die in Längsrichtung der Tragschiene 2.1 verlaufen. In diese Nuten 2.1.2 lassen sich Nutensteine einschieben, die ein Innengwinde aufweisen, so dass dadurch die Tragschiene 2.1 an einer Aufstellfläche montiert werden kann oder Anbauteile an der Tragschiene 2.1 selbst fixiert werden können.
Um einen Schlitten 3 an der jeweiligen Tragschiene 2.1 führen zu können, ist an der Tragschiene 2.1 ein Paar von Linearführungen 2.2 vorgesehen. Die Linearführungen 2.2 bilden eine Führungskulisse, in der Führungselemente des Schlitten 3 geführt sind.
Die Linearführungen 2.2 sind vorzugsweise ebenfalls Alu-Strangpressprofile und weisen Stahleinlagen auf, an denen die Führung des Schlittens 3 erfolgt. Dadurch sind die Linearführungen 2.2 hochgenau, wiederholbar und homogen fertigbar, so dass wiederum die Veränderung der Geometrie der Linearführungen 2.2 in Abhängigkeit von Parametern durch ein mathematisches Modell mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
Die Linearführungen 2.2 sind vorzugsweise auf die Tragschiene 2.1 aufgeschraubt, wobei wiederum eine Verschraubung mittels Nutensteine, die in oberseitige Nuten 2.1.2 der Tragschiene 2.1 eingeschoben sind, bevorzugt ist.
Nachfolgend wird beschrieben, wie eine Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten der Befestigungsschnittstelle 5 oder eines Werkzeugs eines Aktors 6, der beispielsweise ein Schwenkarmroboter sein kann, erfolgt, um ein möglichst exaktes Anfahren einer Sollposition zu ermöglichen, d.h. die Abweichung der Istposition, an der sich die Befestigungsschnittstelle 5 bzw. das Werkzeug des Aktors 6 befindet von der gewünschten Sollposition so gering wie möglich zu halten.
Die Trag- und Führungskonstruktion 2 des Linearroboters 1, d.h. die Anordnung von konstruktiven Teilen zwischen einer Befestigungsfläche, beispielsweise dem Boden, der Wand, der Decke etc. und der Befestigungsschnittstelle 5, ist durch ein mathematisches Modell beschrieben. Das mathematische Modell gibt insbesondere an, wie sich die Geometrie der Trag- und Führungskonstruktion 2 des Linearroboters 1 in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern verändert. Diese Veränderungen können beispielsweise aus thermischen Ausdehnungen, Durchbiegung, Verwindung, Verdrehung etc. resultieren.
Die Parameter können beispielsweise externe Einflüsse abbilden, beispielsweise die Umgebungstemperatur, die Luftfeuchtigkeit oder das Gewicht eines vom Aktor bewegten Objekts oder aber Parameter des Linearroboters 1 bzw. des Aktors 6 selbst, beispielsweise Informationen zur Bewegungsposition eines oder mehrerer Schlitten 3, das Gewicht des Aktors 6, die Bewegungsstellung des Aktors oder die Stromaufnahme eines Motors.
Da derartige Parameter einen Einfluss auf die Geometrie der Trag- und Führungskonstruktion 2 des Linearroboters 1 haben, werden diese dem mathematischen Modell als Eingangsgrößen bereitgestellt, um basierend auf dem mathematischen Modell die Änderung der Geometrie der Trag- und Führungskonstruktion 2 zu berechnen. Diese Änderung der Geometrie verursacht nämlich eine Änderung der Position bzw. der Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle, so dass sich der Aktor 6 abhängig von den jeweiligen Parametern nicht mehr an der gewünschten Sollposition befindet, sondern an einer Ist-Position, die abhängig vom Grad der Geometrieänderung der Trag- und Führungskonstruktion 2 von der Soll-Position abweicht.
Das mathematische Modell der Trag- und Führungskonstruktion 2 gibt an, welche geometrische Änderung im Bereich der Befestigungsschnittstelle 5 in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern resultiert. Beispielsweise kann mittels des mathematischen Modells bestimmt werden, welche Durchbiegung bzw. Verwindung in der Trag- und Führungskonstruktion 2 auftritt, wenn beispielsweise die Y-Achse des Linearroboters 1 derart bewegt wird, dass der Aktor 6 von einer zentraleren Position im Bereich der Z-Achse in eine davon weiter beabstandete Position bewegt wird, was beispielsweise eine stärkere Durchbiegung der Y- und Z-Achse zur Folge hat. Weiterhin kann das mathematische Modell beispielsweise angeben, welche Positionsänderung sich aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur in Folge der geänderten Materialausdehnung ergibt.
Das mathematische Modell kann beispielsweise auf einer Finite-Elemente-Methode fußen.
Um bei schnellen Änderungen von Parametern eine zeitnahe Neuberechnung der geometrischen Änderungen der Trag- und Führungskonstruktion 2 durchführen zu können, wird vorzugsweise nicht für jeden Iterationsschritt eine neue Berechnung gemäß der Finite-Elemente-Methode durchgeführt, sondern es wird basierend auf der Finite-Elemente-Methode ein vereinfachtes mathematisches Modell erzeugt, das mit geringerer Rechenleistung berechenbar ist. Das vereinfachte mathematisches Modell umfasst mehrere Splines (d.h. funktionale Beschreibungen in Form von Polynomen n-ter Ordnung), die angeben, welche geometrischen Veränderungen in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern auftreten.
Basierend auf diesem vereinfachten mathematischen Modell ist es möglich, eine Berechnung der Geometrieveränderungen der Trag- und Führungskonstruktion 2 und damit eine Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten auch bei schnellen Parameteränderungen vorzunehmen.
Um die parameterbedingte Geometrieveränderungen der Trag- und Führungskonstruktion 2 und damit die Abweichung zwischen der Ist- und der Soll-Position der Befestigungsschnittstelle 5 bzw. des Endeffektors des Aktors 6 auszugleichen, weist der Linearroboter 1 eine Steuereinheit 4 auf. In dieser Steuereinheit 4 erfolgt vorzugsweise die Berechnung der parameterbedingten Geometrieveränderungen aufgrund des mathematischen bzw. vereinfachten mathematischen Modells. Zudem ist die Steuereinheit 4 dazu ausgebildet die Verfahrwege des Linearroboters 1 derart anzupassen, dass die Befestigungsschnittstelle 5 bzw. der Endeffektor des Aktors 6 möglichst genau die Sollposition anfährt.
Aufgrund der ausschließlichen linearen Verfahrbarkeit der Schlitten 3 ist lediglich eine Kompensation durch eine geänderte lineare Bewegung möglich, d.h. der Schlitten kann kürzer oder länger entlang der jeweiligen Verfahrachse bewegt werden.
Um eine weitergehende Kompensation der Positionsungenauigkeiten auch durch den Aktor 6 selbst, der an der Befestigungsschnittstelle 5 fixiert ist, vornehmen zu können, weist die Steuereinheit 4 vorzugsweise eine Aktorensteuerschnittstelle auf. Diese Aktorensteuerschnittstelle kann beispielsweise eine OPC/UA- oder ETHERCAT-Schnittstelle sein. Über diese Aktorensteuerschnittstelle ist es möglich, Korrekturinformationen an den Aktor 6 zu übertragen, so dass dieser basierend auf den Korrekturinformationen eine geänderte Bewegung des Aktors 6 erfolgen kann, um die Positionierungsungenauigkeiten zu kompensieren.
Es versteht sich, dass auch eine Gesamtkompensation der Positionierungsungenauigkeiten durch eine auf den Linearroboter 1 und den Aktor 6 verteilte Kompensation erfolgen kann, d.h. eine erste Teilkompensation wird durch den Linearroboter 1 und eine zweite Teilkompensation wird durch den Aktor 6 realisiert, wobei sich die erste und zweite Teilkompensation sich derart ergänzen, dass dadurch die gewünschte Gesamtkompensation erreicht wird.
Weiterhin kann die Kompensation der Positionierungsungenauigkeiten derart erreicht werden, dass die Gesamtkompensation durch den Aktor 6 vorgenommen wird, d.h. am Linearroboter 1 selbst erfolgt keine Kompensation, sondern die gesamten zur Kompensation notwendigen Korrekturinformationen werden über die Aktorensteuerschnittstelle an den Aktor 6 übermittelt, so dass dieser allein die Gesamtkompensation bewirken kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform implementiert die Steuereinheit 4 einen maschinell lernenden Algorithmus, der beispielsweise durch ein künstliches neuronales Netz realisiert ist. Der maschinell lernende Algorithmus empfängt mehrere Parameter. Die Parameter können beispielsweise Parameter sein, die von dem mathematischen Modell zur Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten benötigt werden. Zusätzlich können jedoch auch weitere Parameter von dem maschinell lernenden Algorithmus empfangen werden, die nicht direkt zur Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten notwendig sind, sondern beispielsweise zu Zwecken des Maschinenmonitoring bzw. einer vorausschauenden Wartung (engl. predictive maintenance). Der maschinell lernende Algorithmus kann dazu ausgebildet sein, die Informationen bzgl. der jeweiligen Parameter zu verarbeiten bzw. in Beziehung zueinander zu setzen, um Korrelationen zwischen den Parametern zu erkennen und basierend auf den erkannten Korrelationen Handlungen einzuleiten.
Die Handlung kann dabei beispielsweise darin bestehen, dass bei der Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten nicht direkt die von Sensoren oder anderen Einheiten bereitgestellten Parameterwerte herangezogen werden, sondern Ausgangsinformationen des maschinell lernenden Algorithmus, die aufgrund einer Kombination von mehreren Parametern bzw. Informationen erhalten werden.
Alternativ oder zusätzlich können durch den maschinell lernenden Algorithmus auch mehrere Parameter miteinander in Kombination gebracht und dadurch bewertet werden, um eine Wartungsinformation durch die Steuereinheit zu generieren. So kann beispielsweise die Kombination von auftretenden Vibrationen bei der Bewegung des Linearroboters 1, die zudem mit einem erhöhten Stromverbrauch des Motors einhergeht, der die Bewegung initiiert, darauf hindeuten, dass beispielsweise ein Schaden an einem Lager bzw. einer Linearführung vorliegt, wohingegen beispielsweise ein lediglich höherer Stromverbrauch des Motors für sich allein noch kein Hinweis auf einen Schaden ist und damit keine Generierung einer Wartungsinformation auslöst.
Der maschinell lernende Algorithmus kann dabei die Gewichtungsfaktoren, basierend auf denen die Kombination der Parameter erfolgt, adaptiv anpassen, so dass der Algorithmus die Art und Weise, wie die Parameter zueinander in Korrelation gebracht werden, sukzessive modifiziert.
Vorstehend wurde bereits angemerkt, dass auf einer Achse, beispielsweise der X-Achse, auch mehr als ein Schlitten 3 und damit mehr als eine verschiebbar geführte Achse vorgesehen sein können, die unabhängig voneinander verfahren und kompensiert werden können. In anderen Worten weist der Linearroboter 1 damit zwei oder mehr unabhängig voneinander verfahrbare Teilbereiche (beispielsweise bestehend aus einer Z-Achse und/oder einer Y-Achse) auf, die an einem gemeinsamen Teil der Trag- und Führungskonstruktion 2, beispielsweise an einer gemeinsamen X-Achse, verschiebbar geführt sind.
Die beiden voneinander unabhängig verfahrbaren Teilbereiche des Linearroboters 1 können jeweils eine eigenständige Steuereinheit aufweisen, wobei jede Steuereinheit die Steuerung und Kompensation des jeweiligen ihm zugeordneten Teilbereichs des Linearroboters 1 übernimmt. Die Kompensation des einen Teils des Linearroboters 1 kann dabei unabhängig von der Kompensation des zumindest einen weiteren Teils des Linearroboters 1 erfolgen.
Für den Fall, dass durch den gemeinsamen Teil der Trag- und Führungskonstruktion 2 eine mechanische Kopplung der beiden Teilbereiche des Linearroboters 1 zu erwarten ist, kann die von der Steuereinheit eines ersten Teilbereichs des Linearroboters 1 vollzogene Kompensation in Abhängigkeit von Parametern des zweiten Teilbereichs des Linearroboters 1 erfolgen. Um eine voneinander abhängige Kompensation, d.h. gekoppelte Kompensation, der beiden Teilbereiche zu ermöglichen, kann entweder eine Kommunikation zwischen den jeweiligen Steuereinheiten selbst erfolgen oder die Steuereinheiten können mit einer übergeordneten Steuereinheit gekoppelt sein. Die übergeordnete Steuereinheit könnte in diesem Falle die zur gekoppelten Kompensation notwendigen Informationen der jeweiligen Steuereinheit der Teilbereiche des Linearroboters 1 zur Verfügung stellen.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der durch die Patentansprüche definierte Schutzbereich verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Linearroboter
2: Trag- und Führungskonstruktion
2.1: Tragschiene
2.1.1: Kammer
2.1.2: Nut
2.2: Linearführung
3: Schlitten
4: Steuereinheit
5: Befestigungsschnittstelle
6: Aktor
X: erste Verfahrachse
Y: zweite Verfahrachse
Z: dritte Verfahrachse

Claims

Verfahren zur Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten eines Linearroboters (1), der eine Trag- und Führungskonstruktion (2) mit zumindest einer Tragschiene (2.1) mit zumindest einer Linearführung (2.2) und einem auf dieser Tragschiene (2) motorisch bewegbaren Schlitten (3) aufweist, wobei die Tragschiene (2.1) durch ein Strangpressprofil mit mehreren Kammern (2.1.1) gebildet ist, wobei eine Steuereinheit (4) vorgesehen ist, in der ein mathematisches Modell der Trag- und Führungskonstruktion (2) implementiert ist, wobei das mathematische Modell geometrische Veränderungen der Trag- und Führungskonstruktion (2) in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern berechnet und wobei basierend auf dem mathematischen Modell eine Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung einer Befestigungsschnittstelle (5), an der ein Aktor (6) befestigbar ist, in Abhängigkeit von der Änderung eines oder mehrerer Parameter bestimmt wird und wobei die Steuereinheit (4) basierend auf der Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle (5) eine Änderung des Verfahrweges des Schlittens (3) vollzieht und/oder an einer Aktorensteuerschnittstelle eine Positionsänderungsinformation für den Aktor (6) bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell mehrere Splines umfasst, die geometrische Änderungen eines oder mehrerer Bauteile der Trag- und Führungskonstruktion (2) in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern beschreiben und dass basierend auf den Splines und den Werten von einem oder mehrerer Parameter die Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle (5) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearroboter (1) mehrere winkelig zueinander verlaufende Verfahrachsen (X, Y, Z) aufweist und dass die Steuereinheit (4) basierend auf der Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle (5) für jede Verfahrachse (X, Y, Z) einen Korrekturwert berechnet und die Sollposition, die von dem auf der jeweiligen Verfahrachse (X, Y, Z) bewegten Schlitten (3) anzufahren ist, basierend auf dem Korrekturwert modifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsungenauigkeiten durch Zusammenwirken des Linearroboters (1) und des an der Befestigungsschnittstelle fixierten Aktors (6) kompensiert werden, und zwar derart, dass eine erste Teilkompensation durch eine Modifizierung des Verfahrweges zumindest eines Schlittens (3) des Linearroboters (1) und eine zweite Teilkompensation durch Modifizierung der Positionierung eines bewegten Teils des Aktors (6) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass iterativ eine Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten vorgenommen wird, und zwar derart, dass basierend auf dem mathematischen Modell zeitlich nacheinander Informationen bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle (5) in Abhängigkeit einer oder mehrerer Parameter berechnet werden und basierend auf den Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung einer Befestigungsschnittstelle (5) eine Änderung des Verfahrweges des Schlittens (3) vollzogen wird und/oder an einer Aktorensteuerschnittstelle eine Positionsänderungsinformation für den Aktor (6) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter externe Parameter umfassen, die Informationen hinsichtlich der Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit und/oder Gewicht eines durch den Aktor (6) bewegten Objekts aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter Maschinenparameter umfassen, die Informationen zu der Bewegungsposition zumindest eines Schlittens (3), dem Gewicht des Aktors (6) und/oder der Stromaufnahme eines Motors aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (4) ein maschinell lernendes Verfahren zur Verarbeitung der Parameter implementiert ist, dass das maschinell lernende Verfahren basierend auf mehreren Parametern eine Bewertungsinformation bereitstellt und dass die Änderung des Verfahrweges des Schlittens (3) und/oder die Bereitstellung der Positionsänderungsinformation basierend auf der Bewertungsinformation vollzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (4) ein maschinell lernendes Verfahren zur Verarbeitung der Parameter implementiert ist, dass das maschinell lernende Verfahren mehrere Parameter als Eingangsinformationen empfängt und durch adaptive Kombination und adaptive Bewertung der Parameter eine Wartungsinformation bereitstellt.
Linearroboter umfassend eine Trag- und Führungskonstruktion (2) mit zumindest einer Tragschiene (2.1) mit zumindest einer Linearführung (2.2) und einem auf dieser Tragschiene (2.1) motorisch bewegbaren Schlitten (3), wobei die Tragschiene (2.1) durch ein Strangpressprofil mit mehreren Kammern gebildet ist, wobei eine Steuereinheit (4) vorgesehen ist, die ein mathematisches Modell der Trag- und Führungskonstruktion (2) aufweist, mittels dem geometrische Veränderungen der Trag- und Führungskonstruktion (2) in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern berechenbar ist, wobei die Trag- und Führungskonstruktion (2) eine Befestigungsschnittstelle (5) aufweist, an der ein Aktor (6) befestigbar ist, wobei das mathematische Modell dazu ausgebildet ist, die Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle (5) in Abhängigkeit von der Änderung eines oder mehrerer Parameter zu bestimmen und wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgebildet ist, basierend auf der Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle (5) eine Änderung des Verfahrweges des Schlittens (3) zu vollziehen.
Linearroboter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Tragschiene (2.1) ein Paar von Linearführungen (2.2) fixiert ist, und zwar mittels Schrauben, die in Nutensteine eingeschraubt sind, welche in Nuten der Tragschiene (2.1) formschlüssig eingebracht sind.
Linearroboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführungen (2.2) aus Aluminium-Strangpressprofilen gebildet sind, die Stahleinlagen aufweisen, an denen der linear bewegbare Schlitten (3) geführt ist.
Linearroboter nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (3) einen einstückig gegossenen Tragkörper aus Gusseisen aufweist.
Linearroboter nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearroboter (1) mehrere winkelig zueinander verlaufende Verfahrachsen (X, Y, Z) aufweist und dass die Steuereinheit (4) dazu ausgebildet ist, basierend auf der Information bezüglich der Änderung der geometrischen Position und Ausrichtung der Befestigungsschnittstelle (5) für jede Verfahrachse (X, Y, Z) einen Korrekturwert zu berechnen und die Sollposition, die von dem auf der jeweiligen Verfahrachse (X, Y, Z) bewegten Schlitten (3) anzufahren ist, basierend auf dem Korrekturwert zu modifizieren.
Linearroboter nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) eine Aktorensteuerschnittstelle aufweist, an der eine Information zur Positionskompensation für den an der Befestigungsschnittstelle (5) befestigten Aktor (6) bereitgestellt wird.