DE102021128336A1

DE102021128336A1 - System und Verfahren zum Kalibrieren und/oder Regeln einer beweglichen Mehrgelenkkinematik

Info

Publication number: DE102021128336A1
Application number: DE102021128336.1A
Authority: DE
Inventors: Christopher Riehs; Dominik Seitz
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2023-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) zum Kalibrieren und/oder Regeln einer beweglichen Mehrgelenkkinematik (100). Zu dem System gehört die Mehrgelenkkinematik (100), die eine Kinematiksteuerung (14) umfasst und an der ein Messobjekt (20) angeordnet ist. Des Weiteren umfasst das System ein Koordinatenmessgerät (200), das eine Messsteuerung (24) und einen Messkopf (26) aufweist. Die Kinematiksteuerung (14) ist dazu eingerichtet, die Mehrgelenkkinematik (100) anzusteuern, das Messobjekt (20) auf Basis von Soll-Koordinaten an eine Vielzahl von Positionen innerhalb eines Messraumes des Koordinatenmessgerätes (200) zu bringen. Das Koordinatenmessgerät (200) ist dazu eingerichtet, an jeder der Vielzahl von Positionen mit dem Messkopf (26) Ist-Koordinaten des Messobjektes (20) zu erfassen. Die Messsteuerung (24) ist dazu eingerichtet, die Soll-Koordinaten mit den Ist-Koordinaten abzugleichen und die bewegliche Mehrgelenkkinematik (100) basierend auf diesem Abgleich zu kalibrieren und/oder zu regeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Kalibrieren und/oder Regeln einer beweglichen Mehrgelenkkinematik nach den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren und/oder Regeln einer beweglichen Mehrgelenkkinematik nach den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 17.
Mehrgelenkkinematiken mit einer Vielzahl von Drehgelenken und/oder translatorischen Schubgelenken (z.B. Linearantrieben/-führungen) finden in der Industrie beispielsweise als Mehrgelenk- bzw. Industrieroboter Verwendung. Diese Mehrgelenkkinematiken zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie anwendungsspezifisch programmierbar und unabhängig vom technischen Gebiet universell einsetzbar sind, um beispielsweise Fertigungsprozesse und Montageprozesse zu automatisieren. Beispielsweise finden Mehrgelenkkinematiken bei der Montage von Werkstücken (beispielsweise an einer Station einer Montagestraße) oder der produktionstechnischen Bearbeitung von Werkstücken Verwendung. Ebenfalls finden Mehrgelenkkinematiken in der Messtechnik bereits Anwendung, wobei deren Messgenauigkeit aktuell noch durch zusätzliche äußere Referenzmesssysteme erhöht werden muss.
Um die Durchführungsgenauigkeit robotergeführter Arbeitsabläufe zu gewährleisten, ist es notwendig, die oftmals komplexen Bewegungsabläufe möglichst genau nachzuverfolgen bzw. positionsgenau zu steuern. Dabei weisen die bekannten Mehrgelenkkinematiken eine Vielzahl von Bewegungsachsen mit einer Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Gelenkverbindungen auf, durch die im Einsatz eine Vielzahl verschiedener, komplexer Bewegungsabläufe gewährleistet wird. Dies erhöht die Flexibilität der Einsetzbarkeit, da nahezu jeder geforderte Bewegungsablauf durch eine entsprechende Programmierung, Ansteuerung und Regelung abgebildet werden kann.
Allerdings erhöht die damit einhergehende hohe Anzahl an Freiheitsgrade steuerungsseitig zumeist überproportional die Anforderungen an die dem Bewegungsablauf zugrundeliegende Programmierung. In dieser muss nämlich ein von dem Mehrgelenkroboterarm geforderter, realer Bewegungsablauf als ein mathematisches bzw. kinematisches Modell hinterlegt werden, durch welches die Steueranweisungen für eine Ansteuerung der einzelnen Gelenkverbindungen des Mehrgelenkroboterarms erzeugt werden können. Ein derartiges kinematisches Modell beschreibt bei einer hinreichenden Parametrisierung der jeweiligen Freiheitsgrade der Mehrgelenkkinematik einen Bewegungsablauf möglichst genau auf physikalische Art und Weise.
Auf Basis des kinematischen Modells wird ein von dem Roboterarm durchzuführender Bewegungsablauf in Form von Steuersignalen an die Antriebe der jeweiligen Gelenkverbindungen übermitteln, so dass diese auf Basis der jeweiligen Steueranweisung bewegt werden. Dadurch kann beispielsweise der Endeffektor des Roboterarms in eine vorbestimmte Position bewegt werden und/oder einen vorbestimmten Bewegungsablauf ausführen.
Die Steuerung bekannter Mehrgelenkkinematiken auf Basis kinematischer Modelle ermöglicht eine Bewegungsgenauigkeit, die grundsätzlich hinreichend genug ist, um beispielsweise mit dem Endeffektor einen Bewegungsablauf auszuführen und/oder eine Position anzufahren, dass ein Armaturenbrett oder ein ähnlich dimensioniertes Bauteil in ein Fahrzeug eingebaut werden kann. Zudem ist die erzielte Bewegungsgenauigkeit (eine erreichbare Reproduzierbarkeit bei einer Wiederholung eines Bewegungsablaufs der Mehrgelenkkinematik) hinreichend genug, um die Mehrgelenkkinematik beispielsweis als Inspektionsroboter zur Führung von einem oder mehreren Inspektionssensoren einzusetzen. Allerdings reicht die erreichbare Bewegungsgenauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit beim Durchführen eines geforderten Bewegungsablaufes und/oder beim Anfahren einer vorbestimmten Position (z.B. einem Tool Center Point (TCP)) nicht aus, um eine derartige Mehrgelenkkinematik beispielsweise in hochgenauen Bearbeitungs- und/oder Messanwendungen einzusetzen, bei denen höhere Genauigkeiten (beispielsweise von < 0,1 cm) gefordert sind.
Auch bei einem Einsatz von Mehrgelenkkinematiken in der sogenannten Inline-Messtechnik, bei der Messdaten innerhalb einer Fertigungslinie taktgebunden, beispielsweise über optische Messsensoren, erfasst werden und in der Fertigungslinie als Prozesssteuergröße dienen, ist die möglichst exakte Bestimmung der Position und Lage des Endeffektors notwendig.
An dem Endeffektor kann beispielsweise ein optischer Messsensor angeordnet sein, der das Werkstück/Karosserieteil vermisst, um Fertigungsfehler festzustellen und/oder die Einhaltung der geforderten Messtoleranzen zu überprüfen. In einem solchen Fall ist die Ermittlung der Position und Lage des Endeffektors (des TCP) zwingend notwendig, um eine exakte Ermittlung der Messdaten zu gewährleisten und Messfehlerüberlagerungen zu vermeiden. Im Stand der Technik erfolgt diese Ermittlung derzeit noch über (optische) Marker, die beispielsweise an dem Endeffektor der Mehrgelenkkinematik und/oder an einem von dem Endeffektor gehaltenen Werkstück angeordnet sein können. Mithilfe dieser Marker kann sich beispielsweise ein optischer Messkopf referenzieren, wodurch indirekt auf eine jeweilige Position und/oder Lage des jeweiligen optischen Markers geschlossen werden kann. Durch die Anordnung der optischen Marker an der Mehrgelenkkinematik werden allerdings Fehler in dem kinematischen Modell nicht hinreichend genug detektiert, da die Marker nicht Bestandteil des Koordinatenmessgerätes (bzw. dessen Maßverkörperungskette) sind. Zudem stellen die Marker oftmals Störgrößen dar, da beispielsweise ein Bewegungsablauf der Mehrgelenkkinematik an Sichtbarkeitserfordernisse zur Sicherstellung einer ständigen Sichtbarkeit zumindest eines Markers angepasst werden muss.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Kalibrieren und/oder Regeln einer beweglichen Mehrgelenkkinematik derart weiterzuentwickeln, dass die oben genannten Nachteile aus dem Stand der Technik gänzlich überwunden oder zumindest teilweise reduziert werden.
Die Aufgabe wird durch ein System zum Kalibrieren und/oder Regeln einer beweglichen Mehrgelenkkinematik gemäß Anspruch 1 gelöst. Dieses System weist die Mehrgelenkkinematik auf, die eine Kinematiksteuerung umfasst und an der ein Messobjekt angeordnet ist. Das Messobjekt dient besonders bevorzugt zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Erfassung eines Tool-Center-Points (TCP) der Mehrgelenkkinematik. Ferner weist das System ein Koordinatenmessgerät auf, das zumindest eine Messsteuerung und zumindest einen Messkopf umfasst. Die Kinematiksteuerung ist dazu eingerichtet, die Mehrgelenkkinematik anzusteuern (d.h. zu regeln), das Messobjekt auf Basis von Soll-Koordinaten an eine Vielzahl von Positionen innerhalb eines Messraumes des Koordinatenmessgerätes zu bringen. Das Koordinatenmessgerät ist dazu eingerichtet, an jeder der Vielzahl von Positionen mit dem Messkopf Ist-Koordinaten des Messobjektes zu erfassen. Die Messsteuerung ist dazu eingerichtet, die Soll-Koordinaten mit den Ist-Koordinaten abzugleichen und die bewegliche Mehrgelenkkinematik basierend auf diesem Abgleich zu kalibrieren und/oder zu regeln.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Kalibrieren und/oder Regeln einer beweglichen Mehrgelenkkinematik gemäß Anspruch 17 gelöst. An der beweglichen Mehrgelenkkinematik ist ein Messobjekt angeordnet. Ferner wird eine Koordinatenmessung mit einem Koordinatenmessgerät durchgeführt, das zumindest einen Messkopf umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf: Ansteuern der Mehrgelenkkinematik, das Messobjekt auf Basis von Soll-Koordinaten an eine Vielzahl von Positionen innerhalb eines Messraumes des Koordinatenmessgerätes zu bringen; Erfassen von Ist-Koordinaten des Messobjektes mit dem Messkopf an jeder der Vielzahl von Positionen; und Abgleichen der Soll-Koordinaten mit den Ist-Koordinaten und Kalibrieren und/oder Regeln der beweglichen Mehrgelenkkinematik basierend auf diesem Abgleich.
Es versteht sich, dass die in den abhängigen Ansprüchen sowie in der Beschreibung genannten Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Systems sich in äquivalenter Art und Weise auf das erfindungsgemäße Verfahren beziehen, ohne für dieses in redundanter Form wiederholt werden zu müssen.
Es versteht sich zudem, dass gegenständlich beschriebene Ausführungsformen bei einer Implementierung in dem erfindungsgemäßen Verfahren in sprachüblicher Art und Weise in entsprechende verfahrensbezogene Merkmale umformuliert werden können, ohne dass derartige Formulierungen explizit zu nennen sind. Derartige Formulierungen ergeben sich für den Fachmann zwanglos und sprachüblich bei Betrachtung einer jeweiligen, gegenständlichen Beschreibung von Merkmalen.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass durch die bereitgestellten, vorbestimmten Soll-Koordinaten und die durch den Messkopf erfassten Ist-Koordinaten an der Vielzahl von Positionen ein Datensatz erfasst werden kann, der für den Soll-Ist-Abgleich verwendet werden kann. Ein derartiger Datensatz kann für die Kalibrierung bzw. Nachkalibrierung und/oder für die Steuerung der Mehrgelenkkinematik verwendet werden.
Somit werden Messdaten erfasst, durch die die Bewegungsgenauigkeit der Mehrgelenkkinematik verbessert werden kann. Infolgedessen kann eine derartige Mehrgelenkkinematik nun auch für Anwendungen eingesetzt werden, die eine höhere Genauigkeit erforderlich machen. Dies ist insbesondere für eine Automatisierung von Vorteil, da auch Arbeitsschritte mit hohen Genauigkeitsanforderungen durch die Mehrgelenkkinematik ausgeführt werden können. Die hohe Messgenauigkeit des Koordinatenmessgerätes wird erfindungsgemäß also dazu verwendet, um indirekt die Bewegungsgenauigkeit der Mehrgelenkkinematik zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird die Mehrgelenkkinematik vorzugsweise in einem Messraum des Koordinatenmessgerätes in einer Vielzahl von Positionen positioniert. An jeder der Positionen erfolgt sodann ein Erfassen von Messwerten (den Ist-Koordinaten) an dem Messobjekt durch den Messkopf des Koordinatenmessgerätes. Vorzugsweise ist die Messsteuerung dazu eingerichtet, den Messkopf derart zu steuern, dass dieser in jeder der Vielzahl von Positionen mehrere Messwerte (Ist-Koordinaten) erfasst. Mit anderen Worten ist die Messsteuerung derart eingerichtet, dass in jeder der Vielzahl von Positionen mehrere Messwerte (Ist-Koordinaten) erfasst werden können. Diese mehreren Messwerte können vorzugsweise für jede der Positionen gemittelt werden, um derart einen grundsätzlich möglichen Messfehler zu verringern. Vorzugsweise ist die Vielzahl von Positionen, die von der Mehrgelenkkinematik anzufahren sind, über einen gesamten (mit dem Koordinatenmessgerät erfassbaren) Messraum des Koordinatenmessgerätes verteilt, so dass der erfindungsgemäße Soll-Ist-Abgleich über einen möglichst großen Bereich des Bewegungsspektrums der Mehrgelenkkinematik erfolgen kann. Derart können Soll-Ist-Abweichungen insbesondere in Randbereichen des Bewegungsspektrums der Mehrgelenkkinematik erfasst werden.
Erfindungsgemäß ist es also möglich, dass die Mehrgelenkkinematik und das Koordinatenmessgerät parallel betrieben werden. Die potenziell ungenaue Mehrgelenkkinematik kann dabei vorzugsweise dazu eingerichtet sein, bei einem Arbeitsablauf eine Last zu tragen, welche möglichst genau bewegt und positioniert werden muss, wobei das Koordinatenmessgerät erfindungsgemäß dazu eingerichtet ist, die genaue Positionsregelung der Mehrgelenkkinematik zu übernehmen. Somit kann die Genauigkeit der Mehrgelenkkinematik bei der Durchführung einer Arbeit durch die Genauigkeit des Koordinatenmessgerätes erhöht werden.
Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, dass der Messkopf sich nicht relativ zu der Mehrgelenkkinematik (insbesondere translatorisch) bewegt, sondern lediglich eine Messsensorik als solche bewegt wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das Koordinatenmessgerät dazu eingerichtet ist, die Ist-Koordinaten mittels Multilateration zu erfassen. Dabei kann der Messkopf eine Mehrzahl von Lastertracern (vorzugsweise zumindest drei) aufweisen. Ferner kann das Messobjekt zumindest einen Retroreflektor umfassen. Die Lasertracer sind vorzugsweise dazu eingerichtet, den zumindest einen Retroreflektor anzuvisieren und/oder zu verfolgen. Hierzu sind die Lasertracer vorzugsweise (zumindest rotatorisch) beweglich angeordnet. Durch die Lasertracer werden mittels Multilateration an jeder von der Mehrgelenkkinematik angefahrenen Position die Ist-Koordinaten des zumindest einen Retroreflektors und somit auch die Ist-Koordinaten des Messobjektes ermittelt.
Besonders bevorzugt umfasst der Messkopf mehreren (zumindest drei) Lasertracer, die jeweils dazu eingerichtet sind, die Ist-Koordinaten des zumindest einen Messobjektes, das zumindest einen Retroreflektor umfasst, in jeder der angefahrenen Soll-Positionen durch Multilateration zu ermitteln. Mit anderen Worten wird in jeder angefahrenen Soll-Positionen, eine jeweilige Ist-Position und/oder Lage (= Pose) des zumindest einen Messobjektes durch Multilateration ermittelt.
Wo das Messobjekt an der Mehrgelenkkinematik angeordnet ist, ist grundsätzlich beliebig. Bevorzugt ist das Messobjekt in einem Bereich eines Endeffektors oder eines frei beweglichen Endes der Mehrgelenkkinematik angeordnet. Das Messobjekt kann alternativ an einem Armglied oder einem Gelenk der Mehrgelenkkinematik angeordnet sein. Mit anderen Worten kann das Messobjekt alternativ an einer beliebigen Position entlang der Mehrgelenkkinematik mit dieser verbunden sein. Das heißt also, dass das Messobjekt grundsätzlich entlang der gesamten Mehrgelenkkinematik platziert sein kann.
Bevorzugt ist das Messobjekt unmittelbar in einem Bereich des freien Endes des Endeffektors angeordnet, so dass es einen möglichst geringen Abstand zu dem Endeffektor aufweist. Besonders bevorzugt ist das Messobjekt unmittelbar an dem Endeffektor angeordnet. Grundsätzlich können auch mehrere (beispielsweise auch unterschiedliche) Messobjekte an der Mehrgelenkkinematik angeordnet sein. Das Messobjekt ist vorzugsweise starr, beispielsweise zumindest translatorisch unbeweglich, an der Mehrgelenkkinematik angeordnet. Das Messobjekt kann alternativ mit der Mehrgelenkkinematik derart verbunden sein, dass es mehrere aktive angetriebene oder passive bzw. manuell bewegte Freiheitsgrade umfasst. Somit kann beispielsweise eine optimale Ausrichtung relativ zu dem Messkopf des Koordinatenmessgerätes erfolgen. Insofern ein dem Endeffektor unmittelbar vorgelagertes Gelenk der Mehrgelenkkinematik ein Drehgelenk ist, ist es besonders bevorzugt, wenn das Messobjekt zumindest nicht koaxial zu einer Drehachse dieses Drehgelenkes angeordnet ist, da ansonsten auch die koaxiale Rotationsbewegung mit durch den Messkopf erfasst werden muss, was die technische Ausgestaltung des Messkopfes ggf. aufwendiger macht. Mit anderen Worten ist in diesem Fall das Messobjekt vorzugsweise an einer und/oder entlang einer von dieser Drehachse unterschiedlichen Achse angeordnet.
Die jeweiligen „Soll-Koordinaten“ der Vielzahl von anzufahrenden Positionen werden vorzugsweise auf Basis eines vordefinierten Bewegungsablaufes, der mit der Mehrgelenkkinematik durchgeführt werden soll, vorbestimmt und von der Kinematiksteuerung verarbeitet. Diese errechnet für die jeweiligen Soll-Koordinaten auf Basis des kinematischen Modells einen jeweiligen Bewegungsablauf, der Einzelbewegungen zumindest eines oder mehrerer Gelenke und/oder Antriebe der Mehrgelenkkinematiken umfasst, durch die die Mehrgelenkkinematik die jeweiligen vorbestimmten Soll-Koordinaten anfahren kann. Die Einzelbewegungen werden durch Steuersignale, die von der Kinematiksteuerung an die jeweiligen Antriebe der Mehrgelenkkinematik übermittelt werden, veranlasst. Das kinematische Modell ist vorzugsweise für die Mehrgelenkkinematik spezifisch, hängt also von deren individuellen, technischen Aufbau ab. Alternativ können die anzufahrenden Soll-Koordinaten auch nur in Form von Soll-Gelenk-Positionen an die Kinematiksteuerung als Steuersignal übermittelt werden.
Die Messsteuerung ist dazu eingerichtet, an jeder der durch die Mehrgelenkkinematik angefahrenen Positionen (in denen sich dann auch das Messobjekt befindet) zumindest einen Messwert an dem Messobjekt zu erfassen. Diese Erfassung kann durch ein taktiles Antasten und/oder durch ein optisches Erfassen bzw. Antasten des Messobjektes durch den Messkopf (beispielsweise auch durch eine Vielzahl von Lasertracern) erfolgen. Ebenso kann das Erfassen des zumindest einen Messwertes durch zumindest einen kapazitiven und/oder induktiven Messsensor erfolgen.
Es sei darauf hingewiesen, dass mit der im Anspruch 1 verwendeten Formulierung, dass das Koordinatenmessgerät dazu eingerichtet ist, an jeder der Vielzahl von Positionen mit dem Messkopf Ist-Koordinaten des Messobjektes zu erfassen, nicht gemeint ist, dass die Ist-Koordinaten ausschließlich mit dem Messkopf erfasst und ausgewertet werden. Viel eher ist dies dahingehend zu verstehen, dass die Ist-Koordinaten an jeder der Vielzahl von Positionen mithilfe bzw. unter Verwendung des Messkopfes erfasst werden. Die Auswertung der mit dem Messkopf erfassten Signale erfolgt typischerweise in einer Auswerteeinheit (z.B. einem Computer), in der anhand der vom Messkopf gelieferten Signale letztendlich die Ist-Koordinaten berechnet/ausgewertet werden. Die Bestimmung der Ist-Koordinaten erfolgt typischerweise nicht nur anhand der vom Messkopf selbst gelieferten Signale, sondern auch unter Berücksichtigung der Pose (Position und Lage) des Messkopfe, die sich aus Signalen von entsprechenden weiteren Sensoren oder Maßverkörperungen ergibt bzw. berechnen lässt. Die Auswerteeinheit kann baulich in das Koordinatenmessgerät integriert sein oder in einer separaten Baueinheit angeordnet sein.
Der an jeder der Vielzahl von Positionen zumindest eine erfasste Messwert umfasst die Ist-Koordinaten des Messobjektes, d.h. die Koordinaten im Messraum, in denen sich das Messobjekt tatsächlich befindet. Besonders bevorzugt werden an jeder der Vielzahl von Positionen mehrere Messwerte, d.h. mehrere Ist-Koordinaten des Messobjektes durch den Messkopf erfasst. Auch kann es bevorzugt sein, eine durch den Messkopf durchgeführte Messung an dem Messobjekt über eine vorbestimmte Zeit zu mitteln, um etwaige und/oder zufällige Rauscheffekte bei der Messwertaufnahme zu vermeiden.
Das Koordinatenmessgerät ermittelt die Ist-Koordinaten vorzugsweise in Bezug auf ein Koordinatenmessgerät-eigenes Koordinatensystem, welches über eine geeignete Koordinatentransformation in ein Raumkoordinatensystem umgerechnet werden kann. Das Raumkoordinatensystem entspricht dabei vorzugsweise dem Koordinatensystem der Mehrgelenkkinematik. Das Koordinatenmessgerät ist vorzugsweise vor seinem bestimmungsgemäßen Gebrauch in dem erfindungsgemäßen System gegenüber seiner Umgebung kalibriert.
Die Kinematiksteuerung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, in jeder der Vielzahl von Positionen eine jeweilige Gelenkstellung eines jeden Gelenks der Mehrgelenkkinematik (in einer Speichereinrichtung) zumindest temporär zu speichern. Gleichsam ist die Messteuerung vorzugsweise dazu eingerichtet, die jeweiligen Ist-Koordinaten zu jeder der Vielzahl von Positionen (in einer Speichereinrichtung) zumindest temporär zu speichern. Durch diese gespeicherten Positionen kann vorzugsweise ein Datensatz für die Kalibrierung und/oder Steuerung der Mehrgelenkkinematik bereitgestellt sein.
Unter der Formulierung „das Messobjekt auf Basis von Soll-Koordinaten an eine Vielzahl von Positionen innerhalb eines Messraumes des Koordinatenmessgerätes zu bringen“ wird verstanden, dass die Kinematiksteuerung dazu eingerichtet ist, vorzugsweise einen Endeffektor der Mehrgelenkkinematik oder beispielsweise ein vorbestimmtes Gelenkarm-Glied der Mehrgelenkkinematik an eine vorbestimmte Position (die durch die Soll-Koordinaten beschrieben ist) zu bringen bzw. zu bewegen.
Es versteht sich, dass es auch grundsätzlich möglich ist, dass nicht die Messsteuerung selbst, sondern ein externer Computer dazu eingerichtet sein kann, die Soll-Koordinaten mit den Ist-Koordinaten abzugleichen und die bewegliche Mehrgelenkkinematik basierend auf diesem Abgleich zu kalibrieren und/oder zu regeln.
Es versteht sich zudem, dass die Kinematiksteuerung und die Messsteuerung auch in einer einzigen Steuerung verwirklicht sein können, die sowohl die Ansteuerung der Mehrgelenkkinematik als auch die des Messkopfes des Koordinatenmessgerätes übernimmt.
Vorliegend wird unter dem Begriff „Ansteuern“ verstanden, dass vorzugsweise durch ein Messsystem (z.B. Drehgeber) eine aktuelle Position einer zu regelnden Komponente erfasst wird. Bei Erfassen einer Abweichung zwischen einer Soll- und einer Ist-Position wird ein neues Bewegungssignal gesendet, durch welches die erfasste Abweichung verringert werden sollen. Derart werden beispielsweise eine Mehrgelenkkinematik und/oder ein Koordinatenmessgerät geregelt.
Die Mehrgelenkkinematik kann beispielsweise als Mehrgelenkroboterarm (als ein sog. Manipulator) ausgeführt sein, der die Kinematiksteuerung sowie einen Endeffektor umfasst. Zudem umfasst die erfindungsgemäße Mehrgelenkkinematik vorzugsweise eine Vielzahl von Bewegungsachsen mit einer Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Gelenkverbindungen. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Mehrgelenkkinematik um eine Kinematik bzw. Roboterkinematik mit mehreren Freiheitsgraden, wobei die Freiheitsgrade rotatorisch und/oder translatorisch sein können. Die Mehrgelenkkinematik umfasst also vorzugsweise eine Vielzahl von Drehgelenken und/oder Schubgelenken (z.B. Linearantrieben/ -führungen).
Die Kinematiksteuerung ist dabei bevorzugt dazu eingerichtet, die einzelnen Gelenkverbindungen und/oder Bewegungsachsen jeweils einzeln anzusteuern bzw. zu regeln. Die dabei übermittelten Steuersignale werden durch Antriebe (z. B. Elektromotoren) der jeweiligen Gelenkverbindung und/oder Bewegungsachsen jeweils in eine räumliche Bewegung mit zumindest einem Freiheitsgrad übersetzt. An dem Endeffektor kann beispielsweise ein Werkzeug, ein Greifer und/oder ein oder mehrere Sensoren angeordnet sein, die beispielsweise zur Vermessung, Bearbeitung, Montage, Handhabung und/oder Qualitätskontrolle von Werkstücken eingesetzt werden. Bedingt durch das autonome Ausführen einer Vielzahl von Arbeitsabläufen durch die Mehrgelenkkinematik steigt ein Automatisierungsgrad sowie eine Effizienz, was dazu führt, dass immer größere Stückzahlen mit geringerem Zeitaufwand und geringeren Ausschussquoten produzierbar sind.
Es kann bevorzugt sein, wenn das Koordinatenmessgerät nach jedem Anfahren einer jeweiligen Position der Vielzahl von Positionen in eine Sicherheitsstellung zurückfährt, um bei einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik in eine nächste Position nicht beschädigt zu werden. Eine Dauer zur Ermittlung und zum Anfahren einer jeweils nächsten Position kann dabei beispielsweise mehrere Sekunden betragen, bis der Messkopf wieder in eine nächsten Position verfahren wurde, um dort die Ist-Koordinaten des Messobjektes zu erfassen.
Somit können zur Erfassung der Ist-Koordinaten in einer Vielzahl von Positionen (>> 1000) schnell hohe Messzeiten erreicht werden. So führt beispielsweise eine angenommene, jeweils zwischen zwei Positionen benötigte Messzeit von 10 Sekunden bei 1000 zu erfassenden Positionen bereits zu einer Gesamtzeit von vier Stunden. Trotz dieser an sich hohen Messzeiten ist das erfindungsgemäße Verfahren bzw. System aufgrund der gesteigerten Bewegungsgenauigkeit der Mehrgelenkkinematik von Vorteil.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Messkopf derart mit dem Messobjekt gekoppelt, dass sich der Messkopf bei einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik mit dem Messobjekt entlang zumindest eines Freiheitsgrades mitbewegt. Dabei versucht die Messsteuerung besonders bevorzugt, den Messkopf derart zu bewegen, dass dessen Auslenkung, welche durch die Kopplung mit der Mehrgelenkkinematik hervorgerufen wird, wieder auf einen vorbestimmten Wert, vorzugsweise auf null, zu regeln. Hierdurch folgt der Messkopf der Bewegung des Messobjektes an der Mehrgelenkkinematik.
Mit anderen Worten ist der Messkopf derart mit dem Messobjekt gekoppelt, dass zumindest ein Freiheitsgrad einer Relativbewegung des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt gesperrt ist.
Der Messkopf wird durch die Kopplung also gezwungen, sich entlang des zumindest einen Freiheitsgrades mit dem Messobjekt (und somit auch mit der Mehrgelenkkinematik) mitzubewegen. Der Messkopf wird also derart mit dem Messobjekt derart gekoppelt, dass dieser sich bei der Bewegung der Mehrgelenkkinematik (vorzugsweise unabhängig von der jeweils von dieser angefahrenen Position) stets mit dieser mitbewegt. Durch die Kopplung wird die Bewegungsfreiheit des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt bzw. zu der der Mehrgelenkkinematik eingeschränkt.
Die Messsteuerung steuert den Messkopf vorzugsweise nicht mehr unabhängig von der Mehrgelenkkinematik, sondern wird vorzugsweise in einem Steuermodus betrieben, in dem sie den Messkopf nur noch einer jeweiligen Bewegung der Mehrgelenkkinematik bzw. einer Bewegung eines Teils der Mehrgelenkkinematik, an dem das Messobjekt angeordnet ist, nachführt, um dieser Bewegung zu folgen.
Der Messkopf ist vorzugsweise stets (d.h. fortwährend bzw. konstant), insbesondere unabhängig von der jeweiligen Position der Mehrgelenkkinematik, mit dem Messobjekt gekoppelt. Die Kopplung besteht also auch dann, wenn die Mehrgelenkkinematik von einer Position zu einer nächsten Position der Vielzahl von Positionen fährt.
Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass auf ein Bewegen des Messkopfes zurück in eine Sicherheitsstellung, wie dies vorstehend beschrieben wurde, nunmehr verzichtet werden kann. Dies führt zu einer großen Zeitersparnis, da nunmehr auch eine Vielzahl von Positionen (>> 1000) mit der Mehrgelenkkinematik angefahren werden können, ohne dass hierbei Messzeiten von mehreren Sekunden pro Position notwendig sind.
Durch die Steigerung der Anzahl an anzufahrenden Positionen kann die Bewegungsgenauigkeit der Mehrgelenkkinematik (basierend auf dem dadurch vergrößerten Datensatz für den Ist-Soll-Abgleich) erhöht werden.
Mit anderen Worten werden durch die Kopplung Fahrwege von und zur einer Sicherheitsposition des Koordinatenmessgerätes und auch Fahrwege zurück zum Messobjekt eliminiert. Zusätzlich ist es durch diese Ausgestaltung möglich, die Vielzahl von Positionen zur Kalibrierung und/oder Regelung der Mehrgelenkkinematik ohne Totzeit (d. h. ohne einen Stillstand der Mehrgelenkkinematik) zwischen den jeweiligen Positionen in einem einzigen Bewegungsablauf abzufahren.
Während dieses Bewegungsablaufes werden vorzugsweise an jeder erreichten Position die jeweiligen Ist-Koordinaten durch den Messkopf erfasst und zumindest temporär gespeichert. Die Ist-Koordinaten werden während eines solchen Bewegungsablaufes fortlaufend in Form eines Datenlogs erfasst und jeweils mit einem bewegungseindeutigen Zeitstempel versehen. Besonders bevorzugt werden, während eines derartigen (vorzugsweise unterbrechungsfreien) Bewegungsablaufes, die jeweiligen Gelenkpositionen der Mehrgelenkkinematik fortlaufend, vorzugsweise mit einem Zeitstempel der jeweiligen Steuerung versehen, und zumindest temporär gespeichert. Im Anschluss an einen derartigen Bewegungsablauf oder in Echtzeit während des Bewegungsablaufs können die jeweils erfassten Daten miteinander (zeitlich) synchronisiert werden, so dass ein entsprechender Datensatz für den Soll-Ist-Abgleich und die darauf basierende Kalibrierung und/oder Steuerung erzeugt werden kann. Hierbei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Messsteuerung und die Kinematiksteuerung als eine einzige (gemeinsame) Steuerung ausgebildet sind. Durch eine derartige Ausbildung der Steuerung kann die Synchronisierung der Messdaten weiter vereinfacht werden.
In einem Fall, in dem die Mehrgelenkkinematik beispielsweise noch nicht kalibriert ist und somit ein jeweiliger Bewegungsablauf zum exakten (positionsgenauen) Anfahren sämtlicher Soll-Positionen (Soll-Koordinaten) innerhalb eines Arbeitsraumes der Mehrgelenkkinematik auf Basis des kinematischen Modells noch nicht ermöglicht wird (die jeweiligen Gelenkbewegungen also noch nicht exakt errechnet werden können), ist es besonders bevorzugt, wenn durch das Koordinatenmessgerät (bzw. die Messsteuerung), nicht an diskreten Posen der Mehrgelenkkinematik zu diskreten Zeitpunkten punktuell gemessen wird, sondern in einen passiven Messmodus (Follow-Me-Modus) versetzt wird, in dem die Messsteuerung dazu eingerichtet ist, den Messkopf lediglich derart anzusteuern bzw. zu bewegen, dass dieser stets einer jeweiligen Bewegung der Mehrgelenkkinematik bzw. des Messobjektes nachfolgt.
In dem passiven Modus steuert die Messteuerung vorzugsweise nicht mehr aktiv eine Bewegung des Messkopfes. Dies ermöglicht eine Bewegung der Mehrgelenkkinematik, bei der das Koordinatenmessgerät lediglich versucht, eine vorbestimmte Regelgröße (beispielsweise eine Auslenkung und/oder einen Abstand und/oder einen Drehwinkel) des Messkopfs stets auf einen vorbestimmten Wert, vorzugsweise auf null, zu regeln.
Es sei erwähnt, dass es grundsätzlich auch möglich ist, bei einer Kopplung zwischen dem Messkopf und dem Messobjekt den Messkopf an der Mehrgelenkkinematik und das Messobjekt an dem Koordinatenmessgerät anzuordnen.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Mehrgelenkkinematik einen Knickarmroboter. Knickarmroboter, auch als Gelenkarmroboter, Knickarm- bzw. Gelenkarm-Industrieroboter bezeichnet, sind dreidimensional bewegliche Industrieroboter, deren Kinematik aus mehreren gelenkig miteinander verbundenen Armgliedern aufgebaut ist, um Endeffektoren, wie beispielsweise Greifer oder Werkzeuge, zu führen. Grundsätzlich kann es sich bei der Mehrgelenkkinematik auch um eine Multi-Achse-Seriell-Kinematik (mit einer Mehrzahl von kinematisch seriell verbundenen Bewegungsachsen) handeln. Auch kann es sich bei der Mehrgelenkkinematik um eine Parallelkinematik, wie beispielsweise eine Stewart-Plattform oder einen Delta-Roboter, handeln. Eine Stewart-Plattform ist ein Parallelmanipulator mit sechs prismatischen Stellgliedern (vorzugsweise Hydraulikzylindern oder elektrischen Linearantrieben), die paarweise an drei Positionen auf einer Grundplatte der Stewart-Plattform angeordnet sind und sich mit drei Befestigungspunkten einer oberen Platte der Stewart-Plattform kreuzen. Die zwölf Verbindungen sind vorzugsweise über Kardangelenke hergestellt. Die obere Platte fungiert als Endeffektor, der in sechs Freiheitsgraden (Freiheit in drei translatorischen Bewegungsrichtungen x, y, z und in drei rotatorischen Drehrichtungen (Nicken, Rollen und Gieren)) bewegt werden kann. Ein Delta-Roboter beschreibt einen Parallelarmroboter, der eine Stabkinetik umfasst. Eine Form von zumindest drei Armen dieses Parallelarmroboters sind vorzugsweise über Kreuzgelenken mit einer Basis des Delta-Roboters verknüpft. Alternativ oder ergänzend kann die Mehrgelenkkinematik auch einen Scara-Roboter umfassen. Der SCARA-Roboter (Abkürzung für engl. Selective Compliance Assembly Robot Arm) ist ein Industrieroboter, dessen Aufbau einem menschlichen Arm ähnelt und daher auch als „horizontaler Gelenkarmroboter“ bezeichnet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Messkopf ein taktiles Tastelement auf, das mit dem Messobjekt mechanisch und/oder magnetisch gekoppelt ist. Alternativ oder ergänzend (und/oder) weist der Messkopf ein optisches Element auf, das mit dem Messobjekt optisch gekoppelt. Alternativ oder ergänzend kann der Messkopf auch ein kapazitives Element bzw. einen kapazitiven Sensor umfassen, der mit dem Messobjekt kapazitiv gekoppelt ist. Durch den kapazitiven Sensor kann eine elektrische Kapazität zwischen dem kapazitiven Element und dem Messobjekt gemessen und damit auf den relativen Versatz zwischen dem Messkopf mitsamt Sensorik und dem Messobjekt geschlossen werden. Alternativ oder ergänzend kann der Messkopf zumindest ein induktives Element, vorzugsweise einen induktiven Sensor, umfassen, der mit dem Messobjekt induktiv gekoppelt ist. Durch den induktiven Sensor, der insbesondere als Abstandssensor fungiert, wird ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugt. Besonders bevorzugt ist das Messobjekt in diesem Fall aus einem metallischen Werkstoff. Bei einem derartigen metallischen Messobjekt innerhalb des elektromagnetischen Feldes werden Wirbelströme erzeugt, welche eine Änderung der Induktivität verursachen. Die Änderung der Induktivität wird wiederum durch den Abstand zwischen dem Messobjekt und dem induktivem Sensor beeinflusst. Durch Erfassung der Induktivitätsänderung kann auf den relativen Versatz zwischen dem Messkopf, vorzugsweise mitsamt einer Messsensorik, und dem Messobjekt geschlossen werden.
Der Messkopf kann bevorzugt ein oder mehrere taktile Tastelemente und/oder ein oder mehrere optische Elemente umfassen. Das taktile Tastelement kann beispielsweise ein Taststift sein. Das optische Element kann beispielsweise eine Kamera sein. Auf welche Art und Weise die mechanische und/oder magnetische und/oder optische Kopplung zwischen dem Messkopf und dem Messobjekt erfolgt, ist grundsätzlich beliebig. Zum Ermöglichen eines möglichst unterbrechungsfreien taktilen und/oder optischen Antastens des Messkopfes am Messobjekt (zur Erfassung der jeweiligen Ist-Koordinaten) ist es bevorzugt, dass der Messkopf mit dem Messobjekt derart verbunden ist, dass eine messtechnische Kopplung der zu erfassenden Freiheitsgrade ermöglicht ist, wohingegen alle nicht zu erfassenden Freiheitsgrade ungehindert bzw. entkoppelt bleiben.
Besonders bevorzugt kann ein kapazitives Element an einem beweglichen Bauteil (z. B. einer Pinole) des Koordinatenmessgerätes angeordnet sein, wobei die Messsteuerung dazu eingerichtet ist, bei einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik eine Abstandsänderung zwischen dem kapazitiven Element und dem Messobjekt und/oder eine Drehwinkeländerung zwischen dem kapazitiven Element und dem Messobjekt zu erfassen und einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik dadurch nachzufolgen, dass sie die erfasste Abstandsänderung und/oder Drehwinkeländerung durch Nachbewegen des Messkopfes auf einen vorbestimmten Wert, insbesondere auf null, regelt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Messkopf derart mit dem Messobjekt gekoppelt, dass zumindest zwei Freiheitsgrade einer Relativbewegung des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt gesperrt sind.
Mit anderen Worten ist der Messkopf derart mit dem Messobjekt gekoppelt, dass sich der Messkopf bei einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik mit dem Messobjekt entlang zumindest zweier Freiheitsgrade mitbewegt. Der Messkopf wird also in seiner Relativbeweglichkeit gegenüber dem vorzugsweise starr an der Mehrgelenkkinematik angeordneten Messobjekt in zumindest zwei Freiheitsgraden eingeschränkt. Ob es sich hierbei um zwei translatorische Freiheitsgrade oder um zwei rotatorische Freiheitsgrade oder um einen translatorischen Freiheitsgrad und einen rotatorischen Freiheitsgrad handelt, ist grundsätzlich beliebig und hängt von dem jeweiligen Systemaufbau und den jeweiligen Systemanforderungen ab.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Koordinatenmessgerät dazu ausgebildet, den Messkopf zumindest entlang zweier translatorischer Freiheitsgrade zu bewegen, wobei der Messkopf derart mit dem Messobjekt gekoppelt ist, dass zumindest zwei translatorischen Freiheitsgrade einer Relativbewegung des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt jeweils gesperrt sind.
Mit anderen Worten ist der Messkopf derart mit dem Messobjekt gekoppelt, dass sich der Messkopf bei einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik mit dem Messobjekt entlang der zwei translatorischen Freiheitsgrade mitbewegt. Eine Relativbewegung des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt in den zwei translatorischen Freiheitsgraden ist also gesperrt.
Das Koordinatenmessgerät ist in dieser Ausgestaltung vorzugsweise dazu eingerichtet, den Messkopf in den zwei translatorischen Freiheitsgraden, die durch die Kopplung gesperrt sind, zu bewegen, da ansonsten ein Nachführen bzw. Folgen bzw. Mitbewegen des Messkopfes mit dem Messobjekt nicht möglich ist. Mit anderen Worten können lediglich so viele Freiheitsgrade durch die Kopplung gesperrt werden, wie das Koordinatenmessgerät für den Messkopf auch Bewegungsfreiheitsgrade bereitstellen kann. Hierbei werden vorzugsweise nur solche Freiheitsgrade durch die Kopplung gesperrt, in denen das Koordinatenmessgerät auch eine Bewegung des Messkopfes bereitstellen kann.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Koordinatenmessgerät dazu ausgebildet, den Messkopf in drei translatorischen Freiheitsgraden und zumindest einem rotatorischen Freiheitsgrad zu bewegen, und wobei der Messkopf derart mit dem Messobjekt gekoppelt ist, dass die drei translatorischen Freiheitsgrade einer Relativbewegung des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt und der zumindest eine rotatorische Freiheitsgrad der Relativbewegung des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt jeweils gesperrt sind.
Mit anderen Worten ist der Messkopf derart mit dem Messobjekt gekoppelt, dass sich der Messkopf bei einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik mit dem Messobjekt entlang der drei translatorischen Freiheitsgrade und um den zumindest einen rotatorischen Freiheitsgrad mit diesem mitbewegt. Das Koordinatenmessgerät ist in dieser Ausgestaltung dazu eingerichtet, den Messkopf in den drei translatorischen Freiheitsgraden sowie um den zumindest einen rotatorischen Freiheitsgrad, die allesamt durch die Kopplung gesperrt sind, zu bewegen. Durch die Kopplung sollten die Relativbewegung zwischen Messobjekt und Messkopf jedoch nicht in mehr Freiheitsgraden gesperrt werden als durch das Koordinatenmessgerät Bewegungsfreiheitsgrade bereitgestellt werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass das Koordinatenmessgerät mehr Bewegungsfreiheitsgrade des Messkopfes ermöglicht, als durch die Kopplung zwischen dem Messkopf und dem Messobjekt gesperrt sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Koordinatenmessgerät dazu ausgebildet, den Messkopf in drei translatorischen Freiheitsgraden und drei rotatorischen Freiheitsgraden zu bewegen, wobei der Messkopf derart mit dem Messobjekt gekoppelt ist, dass die drei translatorischen Freiheitsgrade einer Relativbewegung des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt und die drei rotatorischen Freiheitsgrade der Relativbewegung des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt jeweils gesperrt sind.
Mit anderen Worten ist der Messkopf derart mit dem Messobjekt gekoppelt, dass sich der Messkopf bei einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik mit dem Messobjekt entlang der drei translatorischen Freiheitsgrade und um die drei rotatorischen Freiheitsgrade mit diesem mitbewegt.
Gemäß dieser Ausgestaltung ist es möglich, das Kopplungsprinzip auf die Erfassung (bzw. Sperrung) von sechs Freiheitsgraden zu erweitern. Hierdurch kann die Messgenauigkeit des Koordinatenmessgerätes maximal genutzt werden, um die Bewegungsgenauigkeit der Mehrgelenkkinematik zu steigern. Hierzu ist es vorteilhaft, dass die Kopplung dazu ausgebildet ist, alle sechs Bewegungsfreiheitsgrade störungsfrei bzw. reibungsfrei zu sperren.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Messkopf derart mit dem Messobjekt gekoppelt, dass eine Relativbewegung des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt entlang zumindest eines Freiheitsgrades ermöglicht ist.
Der Messkopf kann also derart mit dem Messobjekt gekoppelt sein, dass seine Relativbeweglichkeit gegenüber dem Messobjekt nicht in allen sechs Freiheitsgraden, sondern beispielsweise lediglich in einem Freiheitsgrad eingeschränkt ist. Eine Relativbewegung des Messkopfes zu dem Messobjekt in den nicht durch die Kopplung gesperrten Freiheitsgraden ist dann möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Messkopf an einem beweglichen Bauteil (beispielsweise einer Pinole) des Koordinatenmessgerätes angeordnet und weist eine Messkopfhalterung auf, an der ein taktiles Tastelement gelenkig gelagert ist. Die Messsteuerung ist dazu eingerichtet, eine jeweilige (translatorische) Auslenkung (und/oder eine rotatorische Drehung) des taktilen Tastelementes gegenüber seiner Ruhestellung in Form eines Messsignals zu erfassen. Die Messsteuerung ist ferner dazu eingerichtet, einer jeweiligen Bewegung der Mehrgelenkkinematik (beim Anfahren einer jeweiligen Position) dadurch nachzufolgen, dass sie die jeweils erfasste Auslenkung des taktilen Tastelements gegenüber seiner Ruhestellung durch Bewegen des Messkopfes auf einen vorbestimmten Wert, insbesondere auf null, regelt.
Es ist vorteilhaft, wenn es sich bei dem taktilen Tastelement beispielsweise um einen Taststift handelt, der an der Messkopfhalterung gelenkig gelagert ist. Der Taststift ist vorzugsweise derart gelagert, dass er im normalen Messbetrieb beim Antasten eines Messobjektes, je nach Antaststellung, gegenüber einer Ruhestellung (gemessen relativ zu der Messkopfhalterung) eine Auslenkung und/oder Drehung erfährt, die in Form von Messsignalen durch den Messsensor erfasst werden kann. Diese Messsignale umfassen vorzugsweise Informationen darüber, in welcher Raumrichtung die Auslenkung und/oder um welche Drehachse die Drehung und wie stark die jeweilige Auslenkung und/oder Drehung erfolgt. Die Messsteuerung kann dann dazu eingerichtet sein, das taktile Tastelement auf Basis dieser Messsignale vorzugsweise fortwährend in seine Ruhestellung zurückzubringen, sobald eine Auslenkung und/oder Drehung relativ zu seiner Ruhestellung ermittelt wird. Eine derartige Auslenkung und/oder Drehung wird erfindungsgemäße aufgrund der Kopplung zwischen dem taktilen Tastelement und dem Messobjekt bei jeder Bewegung der Mehrgelenkkinematik in das taktile Tastelement eingeleitet. Die Messsteuerung bewegt zur Kompensation vorzugweise zumindest das bewegliche Bauteil entlang und/oder um eine Bewegungsachse des Koordinatenmessgerätes. Die erfasste bzw. ermittelte Auslenkung und/oder Drehung wird also durch ein Nachführen bzw. Nachbewegen des Koordinatenmessgerätes entlang zumindest einer Bewegungsachse und/oder um zumindest eine Drehachse kompensiert.
Das Koordinatenmessgerät kann somit der Bewegung der Mehrgelenkkinematik aufgrund der extern eingeleiteten Auslenkung des Messkopfes folgen. Kommt die Mehrgelenkkinematik zum Stillstand, bleibt vorzugsweise auch das bewegliche Bauteil (z.B. eine Pinole, ein Ständer oder ähnliches des Koordinatenmessgerätes) i n einer Position stehen, in der das taktile Tastelement gegenüber seiner Ruhestellung keine Auslenkung aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Kopplung zwischen dem Messkopf und dem Messobjekt zumindest ein Gelenk auf.
Besonders bevorzugt weist die Kopplung zwischen dem Messkopf und dem Messobjekt zumindest eines der folgenden Gelenke auf: ein Ein-Kugelgelenk, ein Mehrkugelgelenk, ein Gelenk mit einer darin integrierten Venturi-Düse, ein Kugel-Gelenk, bei dem eine Gelenkkugel in einer konusförmigen Gelenkpfanne liegt, ein Drehgelenk.
Bei einem beispielhaften Konus-Gelenk liegt vorzugsweise eine taktile Tastkugel oder eine Messkugel (je nach Anbringungsrichtung) magnetisch oder auf sonstige Weise gehalten in einem Konus, der als Gelenkpfanne fungiert.
Zudem ist eine Kopplung über ein oder mehrere Kardangelenke und/oder Zapfengelenke möglich. Ein derartiges Kardangelenk kann beispielsweise an einer Seite drehfest mit der Mehrgelenkkinematik (z. B. an deren Endeffektor) verbunden sein. Auf der anderen Seite des Kardangelenkes kann vorzugsweise ein Zapfengelenk vorgesehen sein, über das eine mechanische Kopplung zu dem Messkopf des Koordinatenmessgerätes hergestellt werden kann. Grundsätzlich können auch ein oder mehrere Zapfengelenke und/oder ein oder mehrere Scharniergelenke zur mechanischen Kopplung eingesetzt werden. So kann beispielsweise sowohl an der Mehrgelenkkinematik als auch an dem Messkopf jeweils ein Zapfengelenk angeordnet sein. Die beiden Zapfengelenke können bevorzugt über ein Scharniergelenk verbunden sein.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Messkopf mit dem Messobjekt über zumindest einen Permanentmagnet und/oder über zumindest einen Elektromagnet magnetisch gekoppelt.
Eine derartige magnetische Kopplung kann alternativ oder ergänzend zu einer mechanischen und/oder optischen Kopplung erfolgen. Ein Vorteil dieser Kopplungsart ist, dass zumindest eine kontaktarme und dadurch zumindest reibungsarme Kopplung des Messkopfes mit dem Messobjekt ermöglicht ist.
Die magnetische Kopplung kann auch vollständig kontaktlos erfolgen, indem beispielsweise eine zwischen dem Messkopf und dem Messobjekt erfassbare magnetische Anziehungskraft als Regelgröße für die Messsteuerung verwendet wird. Die Messsteuerung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine magnetische Anziehungskraft zwischen dem Messkopf und dem Messobjekt (beispielsweise durch Hall-Sensoren) vorzugsweise permanent in zu erfassen, diese jeweils mit einer magnetischen Referenzanziehungskraft (in einer Ruhestellung des Messkopfs) zu vergleichen und bei einer ermittelten Änderung den Messkopf dazu veranlassen, sich derart zu bewegen, dass die magnetische Anziehungskraft wieder auf ihren Referenzwert korrigiert wird. Dadurch folgt der Messkopf der Bewegung des Messobjektes basierend auf der magnetischen Kopplung.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der Messkopf einen optischen Messsensor (beispielsweise eine oder mehrere Kameras) mit einem optischen Element (beispielsweise eine oder mehrere CCD- (charge-coupled device) Arrays und/oder eine oder mehrere Photodioden), das derart mit dem Messobjekt optisch gekoppelt ist, dass ein Abstand zwischen dem optischen Element und dem Messobjekt und/oder ein Drehwinkel zwischen dem optischen Element und dem Messobjekt an jeder der Vielzahl von angefahrenen Positionen jeweils konstant ist. Besonders bevorzugt ist das optische Element derart mit dem Messobjekt optisch gekoppelt, dass ferner jeweilige Parallelverschiebungen parallel zu einer Sensorebene des optischen Messsensors konstant bleiben, so dass insgesamt ein Abstand im Dreidimensionalen konstant gehalten wird.
Die optische Kopplung kann dadurch erfolgen, dass die Messsteuerung dazu ausgebildet ist, fortwährend einen Abstand und/oder einen Drehwinkel zwischen dem optischen Element und dem Messobjekt auf einem jeweils vorbestimmte Referenzwert zu halten. Ein Referenzabstand und/oder ein Referenzdrehwinkel zwischen dem optischen Element und dem Messobjekt ist vorzugsweise gegenüber einer Referenzruhestellung definiert. Der Drehwinkel kann vorzugsweise dadurch ermittelt werden, indem das optische Element stets mehrere Punkte auf dem dreidimensionalen Messobjekt optisch erfasst. Die mehreren Punkte werden in im optischen Messsensor als mehrere Pixel in einer festen Anordnung zueinander in einer zweidimensionalen Ebene abgebildet. Wird nun eine Drehung dieser festen Pixelanordnung gegenüber einer Referenzanordnung festgestellt, kann daraus ein Drehwinkel ermittelt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das optische Element an einem beweglichen Bauteil des Koordinatenmessgerätes angeordnet, wobei die Messsteuerung dazu eingerichtet ist, bei einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik eine Abstandsänderung zwischen dem optischen Element und dem Messobjekt und/oder eine Drehwinkeländerung zwischen dem optischen Element und dem Messobjekt zu erfassen und einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik dadurch nachzufolgen, dass sie die erfasste Abstandsänderung und/oder Drehwinkeländerung durch Nachbewegen des beweglichen Bauteils bzw. des Messkopfes auf einen vorbestimmten Wert, insbesondere auf null, regelt.
Diese Art des Nachfolgens zwischen Messkopf und Messobjekt hat den Vorteil, dass es vollkommen kontaktlos und somit reibungslos erfolgen kann. Wird eine Veränderung eines Abstandes in einer der Raumrichtungen gegenüber einer Referenzstellung zwischen dem Messkopf und dem Messobjekt festgestellt, ist die Messsteuerung dazu veranlasst, den Messkopf derart (durch Bewegung zumindest des beweglichen Bauteils) translatorisch und/oder rotatorisch zu bewegen, dass die Abstandsänderung gegenüber der Referenzstellung nicht mehr vorliegt. Wird eine Veränderung eines Drehwinkels um eine der Drehachsen gegenüber einer Referenzstellung zwischen dem Messkopf und dem Messobjekt festgestellt, ist die Messsteuerung dazu veranlasst, den Messkopf derart (durch Bewegung zumindest des beweglichen Bauteils) rotarorisch zu bewegen, dass die Drehwinkeländerung gegenüber der Referenzstellung nicht mehr erfassbar (auf null geregelt) ist.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Messobjekt zumindest eine Messkugel (auch Einmesskugel genannt). Grundsätzlich sind auch andere Messnormale als Messobjekte möglich, beispielsweise ein Messzylinder und/oder ein Konus und/oder ein Kugeltripel und/oder eine Messring. Es versteht sich, dass das Messobjekt grundsätzlich auch mehrere Messkugeln umfassen kann. Werden beispielsweise drei Messkugeln an der Mehrgelenkkinematik (vorzugsweise nacheinander) angetastet und/oder erfasst, kann aus diesen Informationen eine Position und/oder Lage (d. h. Pose) des Tool Center Points der Mehrgelenkkinematik vorzugsweise in allen sechs Freiheitsgraden ermittelt werden.
Durch den erfindungsgemäßen Soll-Ist-Abgleich ist es möglich, die Mehrgelenkkinematik zu kalibrieren. Wird beispielsweise eine Abweichung zwischen Ist-Koordinaten und vorgegebenen Soll-Koordinaten durch die Messsteuerung ermittelt, ist dies ein Indikator dafür, dass der durch das kinematische Modell errechneten Bewegungsablauf fehlerhaft ist. Erfindungsgemäß kann auf Basis der gemessenen Ist-Koordinaten eine Fehlerkorrektur bzw. eine Kalibrierung durchgeführt werden. Dabei können über die bekannten, eingestellten bzw. angesteuerten Gelenkpositionen der Mehrgelenkkinematik und die Information über die tatsächliche Ist-Position des Messobjekts vorzugsweise Parameter des kinematischen Modells (beispielsweise eine Lage und/oder Orientierung der jeweiligen Gelenke der Mehrgelenkkinematik zueinander und/oder elastische Eigenschaften der Mehrgelenkkinematik und/oder thermische Eigenschaften (beispielsweise eine thermisch bedingtes Ausdehnungsverhalten)) iterativ (nach-) ermittelt werden, so dass die Abweichung zwischen der jeweils vorgegebenen Soll-Position und der tatsächlich durch die Mehrgelenkkinematik angesteuerten Ist-Position wieder minimiert wird.
Ferner ist es durch den erfindungsgemäßen Soll-Ist-Abgleich auch möglich, die Mehrgelenkkinematik (vorzugsweise aktiv) zu steuern. Somit kann das erfindungsgemäße System und Verfahren vorzugsweise zur Online-Korrektur bzw. zur Online-Positionsregelung der Mehrgelenkkinematik verwendet werden. Ein mögliches Anwendungsszenario ist beispielsweise, dass eine Mehrgelenkkinematik an ihrem Endeffektor zumindest einen Werkstück-Messsensoren zur Aufnahme von Messwerten an einem Werkstück umfasst, jedoch lediglich auf Basis seines kinematischen Modells nicht genau genug gesteuert werden kann, um diese Aufgabe hinreichend zu erfüllen bzw. den zumindest einen Werkstück-Messsensor mit einer vorbestimmten Genauigkeit gegenüber dem zu vermessenden Werkstück zu positionieren. In einem solchen Fall ist es möglich, eine Erfassung einer jeweiligen Werkstück-Messsensorposition erfindungsgemäß in Form der Ist-Koordinaten durch den Messkopf zu erfassen. Stimmt eine so erfasste Position nicht mit einer vordefinierten Soll-Position überein, ist es dann über den Soll-Ist-Abgleich möglich, diese Position im Messbetrieb (d.h. während der Messung des Werkstückes) in Echtzeit (d.h. Online) zu korrigieren. Die Mehrgelenkkinematik wird vorzugsweise auf Basis der erfassten Ist-Koordinaten (also auf Basis eines Positionssignals) nachgeregelt, bis die vorbestimmte Soll-Position (die Soll-Koordinaten) erreicht ist.
Ein Vorteil dieser Regelung besteht darin, dass die hohe Messgenauigkeit des Koordinatenmessgerätes nutzbar gemacht werden kann, um die (für sich genommen vergleichsweise ungenaue) Mehrgelenkkinematik mit dieser Messgenauigkeit zu steuern. Als Resultat kann die Mehrgelenkkinematik kostengünstiger aufgebaut sein (da eine geringere Genauigkeit gefordert ist). Die geringeren Genauigkeitsanforderungen an die Mehrgelenkkinematik werden erfindungsgemäß von dem Koordinatenmessgerät kompensiert. Es bleibt die Anforderung an einen Roboter, dass dieser eine erreichte Position halten kann.
Grundsätzlich ist es mit dem erfindungsgemäßen System und Verfahren auch möglich, eine Mehrgelenkkinematik mit einer für ihren jeweiligen Anwendungsfall ausreichenden Bewegungsgenauigkeit zu kalibrieren, da auch bei einer an sich genauen Mehrgelenkkinematik fortwährend eine Nachkalibrierung notwendig ist. Diese kann durch ein taktiles Antasten und/oder optisches Erfassen und/oder kapazitives und/oder induktives Erfassen des Messobjektes in einer Vielzahl von Positionen innerhalb eines Arbeitsbereiches (= des Messraums) des Koordinatenmessgerätes erfolgen. Eine solche Nachkalibrierung kann vorzugsweise für sämtliche Korrekturparameter der Mehrgelenkkinematik erfolgen, indem mehrere Positionen nacheinander mit der Mehrgelenkkinematik angefahren werden. Alternativ kann zwischen zwei Messaufgaben der Mehrgelenkkinematik, z.B. während eines Werkstückwechsels, auch nur ein Teil der zur Nachkalibrierung benötigten Daten durch das erfindungsgemäße System bzw. durch das erfindungsgemäße Verfahren erfasst. Bei einem weiteren Werkstückwechsel wird sodann ein weiterer Teil des Datensatzes erfasst, bis dieser vollständig ist und eine Nachkalibrierung erfolgen kann. Der vollständige Datensatz zur Nachkalibrierung kann also auch sequenziell zusammengesetzt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur einzeln oder in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems;
2 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems;
3 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kopplung zwischen einem Messkopf und einem Messobjekt;
4 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer mechanisch-magnetischen Kopplung zwischen einem Messkopf und einem Messobjekt;
5 eine Detailansicht der 4;
6 eine schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Kopplung zwischen einem Messkopf und einem Messobjekt;
7 eine Detailansicht der 6; und
8 eine Schnittansicht des dritten Ausführungsbeispiels einer Kopplung zwischen einem Messkopf und einem Messobjekt.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum Kalibrieren und/oder Regeln einer beweglichen Mehrgelenkkinematik 100. Neben der Mehrgelenkkinematik 100 umfasst das System 1 ein Koordinatenmessgerät 200.
Die Mehrgelenkkinematik 100 umfasst einen Knickarmroboter 10 mit einer Vielzahl von Gelenken 12, die durch nicht näher gezeigte Antriebe, zum Beispiel elektrische Stellmotoren, jeweils einzeln ansteuerbar sind. Zumindest zum Ansteuern der Vielzahl von Gelenken 12 umfasst die Mehrgelenkkinematik 100 eine Kinematiksteuerung 14.
Die Gelenke 12 sind über Armabschnitte 15 miteinander verbunden. Die Kinematiksteuerung 14 kann über ein oder mehrere Kabel oder kabellos mit der Knickarmroboter 10 verbunden sein.
Der Knickarmroboter 10 ist auf einer Basisplatte 16 angeordnet, gegenüber der sich der Knickarmroboter 10 durch Bewegung der einzelnen Gelenke 12 zwischen einer Vielzahl von Positionen hin und her bewegen lässt. An einem frei gegenüber der Basisplatte 16 beweglichen Ende des Knickarmroboters 10 ist ein Endeffektor 18 vorgesehen. An dem Endeffektor 18 ist ein Messobjekt 20 angeordnet, bei dem es sich vorliegend um eine Messkugel 22 handelt.
An dem Endeffektor 18 können ergänzend ein oder mehrere Werkzeuge zur Bearbeitung eines Werkstückes und/oder ein oder mehrere Greifer zum Manipulieren eines Werkstückes und/oder ein oder mehrere Messsensoren zur Vermessung eines Werkstückes angeordnet sein.
Das Koordinatenmessgerät 200 umfasst eine Messsteuerung 24 und einen Messkopf 26. Der Messkopf 26 ist dazu ausgebildet das Messobjekt 20 optisch zu erfassen und/oder taktil anzutasten, um dessen Raumkoordinaten zu erfassen.
Der Messkopf 26 kann eine Messensorik umfassen, die vorzugsweise zumindest teilweise in den Messkopf 26 integriert ist. Die Messsensorik ist dazu eingerichtet, Messsignale zu erfassen und diese zur Auswertung an die Messsteuerung 24 weiterzuleiten. Dies kann über ein oder mehrere Kabel oder kabellos erfolgen.
Die Bauweise des Koordinatenmessgeräts 200 ist auf keine spezielle Bauweise beschränkt. Das Koordinatenmessgerät 200 kann beispielsweise in Ausleger-, Brücken-, Portal- oder Ständerbauweise realisiert sein. Der Begriff „Koordinatenmessgerät“ ist dementsprechend breit aufzufassen als jegliche Art von Gerät oder System, das sich zur Erfassung von Koordinaten eines Messobjekts eignet. Dies schließt beispielsweise auch Kinematiken ein, wie sie allgemein bei (Industrie-) Robotern zu finden sind. Ebenfalls schließt dies beispielsweise auch Kinematiken ein, wie sie allgemein bei Systemen mit Lasertracer für eine Multilateration zu finden sind.
Im dem vorliegend beispielhaft und schematisch gezeigten Fall ist das Koordinatenmessgerät 200 in Brückenbauweise ausgeführt. Es weist eine in x-Richtung verfahrbare Brücke 28 auf, an der ein in y-Richtung gegenüber der Brücke 28 beweglicher Schlitten 30 angeordnet ist. Von dem Schlitten 30 ragt nach unten hin eine Pinole 32 ab, die entlang der vertikalen z-Richtung verfahrbar ist. Der Messkopf 26 ist an dem unteren freien Ende der Pinole 32 angeordnet.
Demnach weist das in 1 und 2 gezeigte Koordinatenmessgerät 200 drei translatorische Bewegungsfreiheitsgrade in x-, y- und z-Richtung auf, entlang derer sich der Messkopf 26 bewegen lässt. Je nach Ausgestaltung können Teile des Messkopfes 26 zusätzlich noch um eine oder mehrere Achsen (beispielsweise x-, y- und/oder z-Achse) rotierbar sein.
Die Kinematiksteuerung 14 ist dazu eingerichtet, die Mehrgelenkkinematik 100 derart anzusteuern, dass das Messobjekt 20 auf Basis von Soll-Koordinaten an eine Vielzahl von Positionen innerhalb eines Messraumes des Koordinatenmessgerätes 200 gebracht wird. Das Koordinatenmessgerät 200 ist dazu eingerichtet, an jeder der Vielzahl von Positionen mit dem Messkopf 26 Ist-Koordinaten des Messobjektes 20 zu erfassen.
Die Messsteuerung 24 ist dazu eingerichtet, die Soll-Koordinaten mit den Ist-Koordinaten abzugleichen und die bewegliche Mehrgelenkkinematik 100 basierend auf diesem Abgleich zu kalibrieren und/oder zu regeln.
Zum Anfahren der Soll-Koordinaten umfasst die Kinematiksteuerung 14 ein kinematisches Modell, dass beispielsweise als Programmcode, durch den eine Algorithmus ausgeführt wird, in einer Speichereinheit der Kinematiksteuerung 14 abgespeichert ist und von einem Prozessor der Kinematiksteuerung 14 ausgeführt werden kann. Durch das kinematische Modell werden Bewegungsabläufe in Form von Steuersignalen für die Vielzahl der Gelenke 12 ausgegeben, die durch Ansteuern der jeweiligen Gelenkantriebe ausgeführt werden, so dass der Knickarmroboter 100 den Endeffektor 18 in die durch die Soll-Koordinaten bestimmten Position im Messraum verstellt.
Die in 1 und 2 dargestellten Systeme 1 unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Art der Ausgestaltung des Messkopfes 26.
Im Falle des in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels umfasst der Messkopf 26 eine Messkopfhalterung 36, an der ein taktiles Tastelement 38 angeordnet ist. Das Tastelement weist beispielweise einen Taststift 40 mit einer oder mehreren Tastkugeln 42 auf. Das taktile Tastelement 38 ist gegenüber der Messkopfhalterung 36 in einer oder mehreren Richtungen auslenkbar, wobei die Auslenkbarkeit richtungsabhängig in Form von Messsignalen durch den Messkopf 26 erfassbar ist.
Im Falle des in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels umfasst der Messkopf 26 einen oder mehrere optische Messsensoren 44 mit jeweils einem optischen Element 46. Der optische Messsensor 44 kann beispielsweise ein CMOS-Sensor einer Kamera sein. Das optische Element 46 kann beispielsweise das Objektiv der jeweiligen Kamera umfassen.
Gemäß beiden gezeigten Ausführungsbeispielen kann die Messsteuerung 24 des Koordinatenmessgeräts 200 jeweils dazu eingerichtet sein, den Messkopf 26 derart anzusteuern, dass das an der Mehrgelenkkinematik 100 angeordnete Messobjekt 20 jeweils angetastet wird, sobald die Mehrgelenkkinematik 100 zum Stillstand gekommen ist, und danach den Messkopf 26 wieder in eine Sicherheitsposition zu bringen, um eine Kollision mit der Mehrgelenkkinematik 100 zu vermeiden. Sobald sich der Messkopf 26 in seiner Sicherheitsposition befindet, wird die Mehrgelenkkinematik 100 wieder bewegt, um das Messobjekt 20 in eine neue Position zu bringen, die dann erneut mit dem Messkopf 26 angetastet wird.
Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn der Messkopf 26 mit dem Messobjekt 20 derart gekoppelt ist, dass sich der Messkopf 26 bei einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik 100 mit dem Messobjekt 20 entlang zumindest eines Freiheitsgrades mitbewegt. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann zwischen dem Messkopf 26 und dem Messobjekt 20 bzw. zwischen dem taktilen Tastelement 38 und der Messkugel 22 beispielsweise eine mechanische Kopplung vorgesehen sein. Je nach Ausführung kann diese mechanische Kopplung ein Gelenk 48, wie es in 3-5 gezeigt ist, oder ein Gelenk 48', wie es in 6-8 gezeigt ist, aufweisen.
Die Messsteuerung 24 ist dazu eingerichtet, eine jeweilige Auslenkung des taktilen Tastelementes 38 gegenüber seiner Ruhestellung in Form eines Messsignals zu erfassen. Ferner ist die Messsteuerung 24 dazu eingerichtet, einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik 100 dadurch nachzufolgen, dass sie die jeweils erfasste Auslenkung des taktilen Tastelements 38 gegenüber seiner Ruhestellung durch Bewegen des Messkopfes 26 auf einen vorbestimmten Wert, vorliegend auf null, regelt.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht zwischen dem Messkopf 26 und dem Messobjekt 20 bzw. zwischen dem optischen Messsensor 44 und der Messkugel 22 eine optische Kopplung 50. Die optische Kopplung 50 wird dadurch erreicht, dass die Messsteuerung 24 dazu eingerichtet ist, zumindest einen jeweiligen Abstand d_x und d_z zwischen dem optischen Element 46 und dem Messobjekt 20 an jeder der Vielzahl von angefahrenen Positionen jeweils konstant zu halten. Dadurch wird das Koordinatenmessgerät 200 veranlasst, einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik 100 immer dann nachzufolgen, wenn eine Abstandsänderung gegenüber diesem jeweiligen Referenzabstand d_x und d_z durch die Messteuerung 24 bzw. durch den optischen Messsensor 44 ermittelt wird. Die optische Kopplung 50 besteht im Falle des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels zumindest in den zwei translatorischen Freiheitsgraden x, z, in denen jeweils eine Relativbewegung des Messkopfes 26 zu dem Messobjekt 20 gesperrt ist. Die Messsteuerung 24 ist dazu eingerichtet, bei einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik 100 eine Abstandsänderung ∂d_x und ∂d_z zwischen dem optischen Element 46 und dem Messobjekt 20 zu erfassen und einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik 100 dadurch nachzufolgen, dass sie die erfasste Abstandsänderung durch Nachbewegen des Messkopfes 26 (d.h. durch Bewegen der beweglichen Bauteile 28, 30, 32) auf null regelt.
Ein Ausführungsbeispiel einer mechanischen und magnetischen Kopplung zwischen dem Messkopf 26 und dem Messobjekt 20 ist in 3-5 gezeigt. Die gelenkige Kopplung wird hier durch ein Mehrkugelgelenk erreicht. Dieses umfasst vorliegend die Messkugel 22 sowie exemplarisch drei Tastkugeln 42. Die Messkugel 22 ist an einem schaftartigen Fortsatz 49 des Endeffektors 18 angeordnet. Die Kombination von einer Kugel (hier die Messkugel 22), die in einem Kugeltrippel (hier die Tastkugeln 42) liegt, stellt eine statisch bestimmte Verbindung dar, durch die eine Relativbewegung zwischen dem Messkopf 26 (hier zwischen dem taktilen Tastelement 38) und dem Messobjekt 20 (hier der Messkugel 22) in drei translatorischen Freiheitsgraden gesperrt ist. Hierzu ist es lediglich notwendig, dass die Messkugel 22 fortwährend in das Kugeltrippel gedrückt wird. Das Kugeltrippel liegt, wie in den 4 und 5 erkennbar, in einer Kugelaufnahme 51. Ein fortwährendes Andrücken der Messkugel 22 in das Kugeltrippel wird durch einen oder mehrere Magnete 52 erreicht, wie dies in 4 und 5 gezeigt ist.
Der Magnet 52 ist vorzugsweise in der Kugelaufnahme 51 angeordnet. Besonders bevorzugt berührt ein derartiger Magnet 52 die Messkugel 22 nicht. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Magneten 52 und der Messkugel 22 ein Luftspalt 54 existiert. Welche Art von Magnet 52 verwendet wird, ist grundsätzlich beliebig.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Kugeln 22, 42 selbst magnetisiert sind. Anstelle zumindest eines Magneten 52, durch den ein Eindrücken der Kugeln ermöglicht ist, kann auch eine mechanische Fixierung beispielsweise über eine Blattfeder oder ähnliches erfolgen. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Anordnung derart umzukehren, dass die Messkugel 42 an dem Endeffektor 18 der Mehrgelenkkinematik 100 angeordnet sind und als Messobjekt 20 fungieren, während die Kugel 22 an dem taktilen Tastelement 38 angeordnet ist.
Das in 3-5 gezeigte Kugelgelenk 48 sperrt eine Bewegung des Messkopfes 26 relative zu dem Messobjekt 20 in den drei translatorischen Freiheitsgraden (x, y und z), während eine Relativbewegung von Messkopf 26 und Messobjekt 20 entlang aller drei rotatorischer Freiheitsgrade (um x, y und z) möglich ist. Vorzugsweise kann sich der Taststift 40 mit den Messkugeln 42 relativ zu der Messkugel 22 störungsfrei um jeweils ±90° quer zu einer Schaftachse der Messkugel 22 und 360° um die Schaftachse drehen, ohne dabei eine ungewünschte Berührung anderer Komponenten (z. B. dem Schaftartigen Fortsatz des Endeffektors 18) zu riskieren.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer mechanischen Kopplung zwischen dem Messkopf 26 und dem Messobjekt 20 bzw. zwischen dem taktilen Tastelement 38 und der Messkugel 22 ist in 6-8 gezeigt. Dabei liegt die Messkugel 22, die an dem schaftartigen Fortsatz 49 des Endeffektors 18 drehfest montiert ist, in einer Kugelpfanne 53, die eine kugelkalottenförmige Ausnehmung 56 umfasst. An einem Pol der Ausnehmung 56 ist eine Düse 58 bzw. Öffnung 58 (oder Bohrung) vorgesehen. In die Düse kann entlang einer Einströmrichtung 60 Druckluft eingeströmt werden.
Vorzugsweise hat die kugelkalottenförmige Ausnehmung 56 einen Durchmesser (bezogen auf eine fiktive Vollkugel), der größer als ein Durchmesser der Messkugel 22 ist. Wird die Messkugel 22 in die eingelegt und Druckluft durch die Öffnung 58 eingeströmt, so wird Messkugel 22 in Richtung der Kugelpfanne 51 gezogen. Die Messkugel 22 wird dadurch in die Ausnehmung 56 gesaugt. Diese Gelenkverbindung zur mechanischen Kopplung zwischen dem Messkopf 26 und dem Messobjekt 20 macht sich somit das physikalische Prinzip einer Venturi-Düse zunutze.
Infolgedessen kann eine Relativbewegung der Messkugel 22 zu der Kugelpfanne 51, die an dem Messkopf 26 angeordnet ist oder Teil des Messkopfes 26 ist, in allen drei Raumrichtungen (bzw. allen drei translatorischen Freiheitsgraden) eingeschränkt werden. Hingegen ist eine Relativbewegung der Messkugel 22 gegenüber der Kugelpfanne 51 in allen drei Rotationsrichtungen (bzw. allen drei rotatorischen Freiheitsgraden) weiterhin möglich.
Es versteht sich, dass neben den in 3-8 gezeigten Möglichkeiten einer mechanischen Kopplung zwischen Messobjekt 20 und Messkopf 26 diverser weitere Kopplungsmöglichkeiten mittels beliebiger Gelenke bestehen. Auch eine starre Kopplung, die alle sechs Freiheitsgrade sperrt, kommt in Betracht, sofern der Messkopf 26 bzw. der Taststift 40 entlang aller sechs Freiheitsgrade beweglich ist.

Claims

System (1) zum Kalibrieren und/oder Regeln einer beweglichen Mehrgelenkkinematik (100), wobei das System aufweist: - die Mehrgelenkkinematik (100), die eine Kinematiksteuerung (14) umfasst und an der ein Messobjekt (20) angeordnet ist; - ein Koordinatenmessgerät (200), das eine Messsteuerung (24) und einen Messkopf (26) umfasst; wobei die Kinematiksteuerung (14) dazu eingerichtet ist, die Mehrgelenkkinematik (100) anzusteuern, das Messobjekt (20) auf Basis von Soll-Koordinaten an eine Vielzahl von Positionen innerhalb eines Messraumes des Koordinatenmessgerätes (200) zu bringen, wobei das Koordinatenmessgerät (200) dazu eingerichtet ist, an jeder der Vielzahl von Positionen mit dem Messkopf (26) Ist-Koordinaten des Messobjektes (20) zu erfassen; und wobei die Messsteuerung (24) dazu eingerichtet ist, die Soll-Koordinaten mit den Ist-Koordinaten abzugleichen und die bewegliche Mehrgelenkkinematik (100) basierend auf diesem Abgleich zu kalibrieren und/oder zu regeln.
System nach Anspruch 1, wobei der Messkopf (26) derart mit dem Messobjekt (20) gekoppelt ist, dass sich der Messkopf (26) bei einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik (100) mit dem Messobjekt (20) entlang zumindest eines Freiheitsgrades mitbewegt.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Messkopf (26) ein taktiles Tastelement (38) aufweist, das mit dem Messobjekt (20) kraftschlüssig und/oder formschlüssig, insbesondere mechanisch und/oder magnetisch, gekoppelt ist, und/oder wobei der Messkopf (26) ein optisches Element (46) aufweist, das mit dem Messobjekt (20) optisch gekoppelt ist, und/oder wobei der Messkopf (26) ein kapazitives Element umfasst, das mit dem Messobjekt (20) kapazitiv gekoppelt ist, und/oder wobei der Messkopf (26) ein induktives Element umfasst, das mit dem Messobjekt (20) induktiv gekoppelt ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Messkopf (26) derart mit dem Messobjekt (20) gekoppelt ist, dass zumindest zwei Freiheitsgrade einer Relativbewegung des Messkopfes (26) relativ zu dem Messobjekt (20) gesperrt sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Koordinatenmessgerät (200) dazu ausgebildet ist, den Messkopf (26) zumindest entlang zweier translatorischer Freiheitsgrade zu bewegen, und wobei der Messkopf (26) derart mit dem Messobjekt (20) gekoppelt ist, dass die zumindest zwei translatorischen Freiheitsgrade einer Relativbewegung des Messkopfes (26) relativ zu dem Messobjekt (20) gesperrt sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Koordinatenmessgerät (200) dazu ausgebildet ist, den Messkopf (26) in drei translatorischen Freiheitsgraden und zumindest einem rotatorischen Freiheitsgrad zu bewegen, und wobei der Messkopf (26) derart mit dem Messobjekt (20) gekoppelt ist, dass die drei translatorischen Freiheitsgrade einer Relativbewegung des Messkopfes (26) relativ zu dem Messobjekt (20) und der zumindest eine rotatorische Freiheitsgrad der Relativbewegung des Messkopfes (26) relativ zu dem Messobjekt (20) gesperrt sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Koordinatenmessgerät (200) dazu ausgebildet ist, den Messkopf (26) in drei translatorischen Freiheitsgraden und drei rotatorischen Freiheitsgraden zu bewegen, und wobei der Messkopf (26) derart mit dem Messobjekt (20) gekoppelt ist, dass die drei translatorischen Freiheitsgrade einer Relativbewegung des Messkopfes (26) relativ zu dem Messobjekt (20) und die drei rotatorischen Freiheitsgrade der Relativbewegung des Messkopfes (26) relativ zu dem Messobjekt (20) gesperrt sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Messkopf (26) derart mit dem Messobjekt (20) gekoppelt ist, dass eine Relativbewegung des Messkopfes (26) relativ zu dem Messobjekt (20) entlang zumindest eines Freiheitsgrades ermöglicht ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Messkopf (26) an einem beweglichen Bauteil (32) des Koordinatenmessgerätes (200) angeordnet ist und eine Messkopfhalterung (36) aufweist, an der ein taktiles Tastelement (38) gelenkig gelagert ist, wobei die Messsteuerung (24) dazu eingerichtet ist, eine jeweilige Auslenkung des taktilen Tastelementes (38) gegenüber seiner Ruhestellung in Form eines Messsignals zu erfassen, und wobei die Messsteuerung (24) dazu eingerichtet ist, einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik (100) dadurch nachzufolgen, dass sie die jeweils erfasste Auslenkung des taktilen Tastelements (38) gegenüber seiner Ruhestellung durch Bewegen des Messkopfes (26) auf einen vorbestimmten Wert, insbesondere auf null, regelt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Kopplung zwischen dem Messkopf (26) und dem Messobjekt (20) zumindest ein Gelenk (48) aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Messkopf (26) mit dem Messobjekt (20) über zumindest einen Permanentmagnet und/oder über zumindest einen Elektromagnet magnetisch gekoppelt ist.
System nach Anspruch 3, wobei der Messkopf (26) einen optischen Messsensor (44) mit einem optischen Element (46) umfasst, das derart mit dem Messobjekt (20) optisch gekoppelt ist, dass ein Abstand zwischen dem optischen Element (46) und dem Messobjekt (20) und/oder ein Drehwinkel zwischen dem optischen Element und dem Messobjekt (20) an jeder der Vielzahl von angefahrenen Positionen jeweils konstant ist.
System nach Anspruch 12, wobei das optische Element an einem beweglichen Bauteil (32) des Koordinatenmessgerätes (200) angeordnet ist, wobei die Messsteuerung (24) dazu eingerichtet ist, bei einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik (100) eine Abstandsänderung zwischen dem optischen Element (46) und dem Messobjekt (20) und/oder eine Drehwinkeländerung zwischen dem optischen Element (46) und dem Messobjekt (20) zu erfassen und einer Bewegung der Mehrgelenkkinematik (100) dadurch nachzufolgen, dass sie die erfasste Abstandsänderung und/oder Drehwinkeländerung durch Nachbewegen des Messkopfes (26) auf einen vorbestimmten Wert, insbesondere auf null, regelt.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mehrgelenkkinematik (100) einen Endeffektor (18) aufweist, an dem das Messobjekt (20) angeordnet ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Messobjekt (20) eine Messkugel (22) umfasst.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mehrgelenkkinematik (100) einen Knickarmroboter (10) umfasst.
Verfahren zum Kalibrieren und/oder Regeln einer beweglichen Mehrgelenkkinematik (100), an der ein Messobjekt (20) angeordnet ist, wobei eine Koordinatenmessung mit einem Koordinatenmessgerät (200) durchgeführt wird, das einen Messkopf (26) umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Ansteuern der Mehrgelenkkinematik (100), das Messobjekt (20) auf Basis von Soll-Koordinaten an eine Vielzahl von Positionen innerhalb eines Messraumes des Koordinatenmessgerätes (200) zu bringen; - Erfassen von Ist-Koordinaten des Messobjektes (20) mit dem Messkopf (26) an jeder der Vielzahl von Positionen; und - Abgleichen der Soll-Koordinaten mit den Ist-Koordinaten und Kalibrieren und/oder Regeln der beweglichen Mehrgelenkkinematik (100) basierend auf diesem Abgleich.