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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mehrachsigen Roboters zum Durchführen einer linearen Bewegung eines Roboterwerkzeugs in einem Arbeitsraum. Ferner betrifft die Erfindung einen Roboter für ein Fertigungssystem.
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In einem Fertigungssystem zur Produktfertigung, wie beispielsweise der Automobilherstellung, wird bereits eine Vielzahl unterschiedlicher technischer Funktionen, wie beispielsweise Trennen, Umformen, Fügen oder dergleichen, von Robotern übernommen. Zur Ausführung der Technischen Funktionen weisen Roboter ein Roboterwerkzeug auf, welches an einem Roboterarm des Roboters gehalten und mittels des Roboterarms in einem Arbeitsraum des Roboters bewegbar ist. Eine Bewegung eines Roboterwerkzeugs mittels eines Roboterarms wird auch als „Trajektorie“ bezeichnet. Der Roboterarm ist an einer Roboterplattform gehalten, die üblicherweise an einer vordefinierten Position im Fertigungssystem angeordnet ist. Ein zu bearbeitendes Bauteil, wie beispielsweise eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs, ist zur Bearbeitung durch den Roboter mittels eines Transportsystems an eine vordefinierte Stelle des Arbeitsraums bewegbar.
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Einige dieser technischen Funktionen, wie beispielsweise Bohren, Stecken von Bauteilen oder dergleichen, erfordern eine streng lineare Arbeitsbewegung des Roboterwerkzeugs. Bei einer Steckverbindung kann jede Abweichung von der linearen Trajektorie zu einem Verkanten des zu steckenden Bauteils an einer Bauteilaufnahme führen. Hierdurch ist ein Materialverschleiß der Steckverbindung erhöhbar und eine fehlerhafte Steckverbindung erzeugbar. In Folge eines Verkantens können beispielsweise einzelne Bauteilelemente, wie beispielsweise Pins, Führungszapfen oder dergleichen, verbiegen oder abbrechen.
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Bei einer Entwicklung eines Ansteckprozesses für einen Ladestecker tritt das Problem auf, dass in einigen Stellungen des Roboterarms eine lineare Bewegung zu einem Zielpunkt nicht möglich ist. Ursächlich hierfür ist eine derart ungünstige Stellung mindestens eines Robotergelenks des Roboters, die für ein lineares Weiterbewegen eine Gelenkbewegung mit einer konstanten Geschwindigkeit eine unendliche Winkelgeschwindigkeit des Gelenks erfordert. Ein Punkt im Arbeitsraum, an welchem ein Gelenk eine unendliche Winkelgeschwindigkeit einnehmen müsste, wird auch als „Singularität“ bezeichnet.
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Um das Problem von Singularitäten zu umgehen, gibt es bereits einige Ansätze. Es ist bekannt, den Roboterarm an einer geeigneten Position zu montieren, an welcher keine Singularitäten auftreten. Eine solche Lösung ist bei starren Transfersystemen applizierbar. Gleichwohl ist ein solcher Ansatz bei mobilen Fahrplattformen und einer autonomen Zielfindung nicht mehr möglich, insbesondere da sich eine Zielposition eines Bauteils bei einem solchen System immer verändern kann. Eine weitere Möglichkeit zur Beseitigung oder zumindest zur Reduzierung von Singularitäten ist die Verwendung von Roboterarmen mit redundanten Robotergelenken. Die zusätzlichen Freiheitsgrade erlauben eine Reduzierung der Winkelgeschwindigkeiten der einzelnen Robotergelenke, insbesondere im Bereich der vorherigen Singularitäten. Nachteilig hierbei ist, dass die Kosten für den Roboter sowie der Steuerungsaufwand zum Steuern des Roboters erhöht sind.
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Aus dem Dokument
DE 10 2016 212 911 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer Roboterbewegung eines Roboters bekannt. In einem ersten Schritt wird ein Viskositätsvolumenmodell eines Arbeitsraums des Roboters erstellt, welches sämtliche Singularitäten im Arbeitsraum berücksichtigt. In dem Viskositätsvolumenmodell werden Singularitäten eine unendlich hohe Viskosität zugeteilt. Hiervon ausgehend werden Bereiche im Arbeitsraum bestimmt, welche eine Viskosität unterhalb einem festgelegten Viskositätsgrenzwert aufweisen. Der auf diese Weise reduzierte Arbeitsraum definiert die Bewegungsfreiheit beim Steuern des Roboters. Ein solches Verfahren erfordert einen besonders hohen Rechenaufwand und ist nicht geeignet, auf etwaige Hindernisse im Arbeitsraum zeitnah zu reagieren. Aus den Dokumenten
DE 10 2019 108 804 B4 ,
DE 10 2019 004 545 A1 ,
DE 11 2019 004 519 T5 ,
DE 10 2013 101 095 B4 ,
DE 10 2012 209 769 B4 und
DE 10 2011 084 412 A1 sind weitere Roboter und Verfahren zum Steuern von Robotern bekannt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Verfahren zum Betreiben eines mehrachsigen Roboters zum Durchführen einer linearen Bewegung eines Roboterwerkzeugs in einem Arbeitsraum zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und einen Roboter für ein Fertigungssystem zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise bei einem reduzierten Rechenaufwand eine derartige Positionierung des Roboters gewährleisten, dass Singularitäten bei der Durchführung einer linearen Arbeitsbewegung vermieden sind, selbst wenn eine Ist-Zustellposition einer in den Arbeitsraum zugestellten Bauteilaufnahme zur Aufnahme eines mittels des Roboters in der linearen Arbeitsbewegung zu fügenden Bauteils im Rahmen vordefinierter Zustelltoleranzen von einer Soll-Zustellposition abweicht.
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Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines mehrachsigen Roboters zum Durchführen einer linearen Bewegung eines Roboterwerkzeugs in einem Arbeitsraum mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch einen Roboter für ein Fertigungssystem mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Roboter und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines mehrachsigen Roboters zum Durchführen einer linearen Bewegung eines Roboterwerkzeugs des Roboters in einem Arbeitsraum des Roboters gelöst. Der Roboter weist eine Roboterplattform zum Anordnen des Roboters auf einer Ebene, das Roboterwerkzeug, einen mehrere Robotergelenke aufweisenden Roboterarm und eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Roboters auf. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Bestimmen einer Zielposition des Roboterwerkzeugs in dem Arbeitsraum relativ zu einer Plattformposition der Roboterplattform mittels der Steuerungsvorrichtung,
- - Festlegen einer zu steuernden, linearen Arbeitsbewegung des Roboterwerkzeugs zur Zielposition mittels der Steuerungsvorrichtung,
- - Bereitstellen eines digitalen Zwillings des Roboters mittels der Steuerungsvorrichtung,
- - Bestimmen eines Toleranzfelds der Zielposition mit mehreren tolerierten Zielpositionen relativ zur Plattformposition mittels der Steuerungsvorrichtung,
- - Durchführen einer Simulation der Arbeitsbewegungen des Roboterwerkzeugs in mehrere der tolerierten Zielpositionen innerhalb des Toleranzfelds mit dem Zwilling mittels der Steuerungsvorrichtung,
- - Ermitteln eines Erfolgs der Simulation der Arbeitsbewegungen für die jeweiligen tolerierten Zielpositionen mittels der Steuerungsvorrichtung,
- - Auswerten einer Qualität der Plattformposition der Roboterplattform mittels der Steuerungsvorrichtung in Abhängigkeit des ermittelten Erfolgs,
- - Anpassen der Plattformposition der Roboterplattform des Zwillings zur Zielposition sowie erneute Bestimmung des Toleranzfelds, Durchführung der Simulation, Ermittlung des Erfolgs und Auswertung der Qualität mittels der Steuerungsvorrichtung, wenn die Qualität ein vorgegebenes Qualitätskriterium nicht erfüllt, und
- - Identifizieren der Plattformposition der Roboterplattform, bei welcher das Qualitätskriterium erfüllt ist, mittels der Steuerungsvorrichtung.
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Der für die Durchführung des Verfahrens vorzugsweise zu verwendende Roboter weist die Roboterplattform auf, welche vorzugsweise als Basis des Roboters ausgebildet ist. Die Roboterplattform ist zum Anordnen des Roboters auf der Ebene, wie beispielsweise einem Abstellort in einem Fertigungssystem, ausgebildet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass an der Roboterplattform Fixiermittel zum Befestigen der Roboterplattform an dem Abstellort angeordnet sind. Der Roboterarm ist an der Roboterplattform gehalten und weist mehrere Gelenke auf. Durch die Gelenke ist der Roboterarm in mehrere Armsegmente unterteilt, welche durch die Gelenke relativ zueinander schwenkbar angeordnet sind. Zum relativen Bewegen der Armsegmente weist der Roboter vorzugsweise mehrere Antriebe auf. Die Antriebe können beispielsweise an den Gelenken angeordnet oder in die Gelenke integriert sein. Vorzugsweise ist ein erstes Armende des Roboterarms an der Roboterplattform gehalten. Weiter bevorzugt ist einem dem ersten Armende entgegengesetzt angeordneten zweiten Armende des Roboterarms das Roboterwerkzeug angeordnet. Das Roboterwerkzeug ist zum Ausüben einer Arbeitsaufgabe, wie beispielsweise Halten eines Werkstücks, Bohren, Fräsen, Schleifen, Polieren oder dergleichen, ausgebildet. Die Steuerungsvorrichtung ist zum Steuern des Roboters, wie beispielsweise der Antriebe der Gelenke sowie des Roboterwerkzeugs, ausgebildet.
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Zunächst wird mittels der Steuerungsvorrichtung die Zielposition des Roboterwerkzeugs in dem Arbeitsraum relativ zur Plattformposition der Roboterplattform bestimmt. Unter einer Zielposition wird in diesem Zusammenhang eine Endposition des Roboterwerkzeugs am Ende eines beabsichtigten Arbeitsschritts verstanden. Bei einem Steckprozess eines Bauteils an einer Bauteilaufnahme, wie beispielswiese eines elektronischen Steckelements an einem elektronischen Stecksockel, wäre dies beispielsweise eine Lage, in welcher das Bauteil in die Bauteilaufnahme bestimmungsgemäß eingesteckt ist.
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Anschließend wird mittels der Steuerungsvorrichtung die zu steuernde, lineare Arbeitsbewegung des Roboterwerkzeugs zur Zielposition festgelegt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine lineare Fügestrecke, die mindestens erforderlich ist, um das Bauteil und die Bauteilaufnahme von der Zielposition ausgehend außer Eingriff zu bringen. Weiter bevorzugt umfasst die lineare Arbeitsbewegung zusätzlich eine freie Strecke zum Entfernen des Bauteils von der Bauteilaufnahme, um ein sicheres Heranführen des Bauteils zur Bauteilaufnahme auf einer nichtlinearen Strecke und/oder einer Strecke quer zur Fügestrecke mittels des Roboters zu gewährleisten.
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Ferner wird mittels der Steuerungsvorrichtung der digitale Zwilling des Roboters bereitgestellt. Dies kann beispielsweise durch Auslesen von Daten aus einer Speichervorrichtung der Steuerungsvorrichtung erfolgen. Der digitale Zwilling ist ein Abbild des Roboters, insbesondere des Zusammenwirkens der Robotergelenke, den zwischen den Robotergelenken angeordneten Armsegmenten sowie des Roboterwerkzeugs. Mittels des digitalen Zwillings sind Arbeitsbewegungen des Roboters virtuell abbildbar und in einer Simulation planbar.
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Mittels der Steuerungsvorrichtung wird das Toleranzfeld der Zielposition mit mehreren tolerierten Zielpositionen relativ zur Plattformposition bestimmt. Das Toleranzfeld trägt einer Ortstoleranz beim Bereitstellen der Bauteilaufnahme im Arbeitsbereich des Roboters Rechnung. Eine solche Ortstoleranz kann in einem Fertigungssystem beispielsweise bis zu 30 cm betragen. Eine Größe des Toleranzfelds ist mindestens so groß festgelegt, dass eine fertigungssystembedingten Ortstoleranz bei dem Positionieren der Bauteilaufnahme im Arbeitsraum des Roboters in jedem Fall innerhalb des Toleranzfelds liegt. Die tolerierten Zielpositionen stehen für mögliche Relativpositionen der Bauteilaufnahme zur bestimmten Zielposition. Vorzugsweise wird zur Reduzierung des Rechenaufwands das Toleranzfeld der Zielposition auf die Plattformposition der Roboterplattform übertragen. Mit anderen Worten wird im Rahmen der Berechnung angenommen, dass die Bauteilaufnahme stets in derselben Position bereitgestellt wird und die Plattformposition innerhalb des Toleranzfelds veränderbar ist.
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Mit dem digitalen Zwilling führt die Steuerungsvorrichtung anschließend die Simulation der Arbeitsbewegungen des Roboterwerkzeugs in mehrere der tolerierten Zielpositionen innerhalb des Toleranzfelds durch. Hierbei werden vorzugsweise Winkelgeschwindigkeiten sowie Winkelstellungen der Robotergelenke ermittelt.
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Die Steuerungsvorrichtung ermittelt für jede der simulierten Arbeitsbewegungen des Roboterarms des digitalen Zwillings den Erfolg. Unter einem Erfolg einer Arbeitsbewegung wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass die Arbeitsbewegung linear durchführbar ist. Vorzugsweise wird unter einem Erfolg der Arbeitsbewegung zusätzlich verstanden, dass die Arbeitsbewegung mit konstanter Geschwindigkeit durchführbar ist.
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In Abhängigkeit des ermittelten Erfolgs wertet die Steuerungsvorrichtung die Qualität der aktuellen Plattformposition des digitalen Zwillings aus, welche der Simulation zugrunde lag. Unter einer Qualität der Plattformposition wird im Rahmen der Erfindung verstanden, wie hoch eine Erfolgsquote der jeweiligen Plattformposition ist. Die Steuerungsvorrichtung vergleicht die Qualität mit dem vorgegebenen Qualitätskriterium. Das Qualitätskriterium kann beispielsweise festlegen, wie hoch der Anteil der Erfolge bei einer Plattformposition in der Simulation sein muss. Hierbei ist bevorzugt, dass der Anteil auf 100% festgelegt wird. Das bedeutet, dass bei einer Plattformposition, die dieses Qualitätskriterium erfüllt, die Durchführung der linearen Arbeitsbewegung bei jeder akzeptierten Lageabweichung der Bauteilaufnahme zur Roboterplattform gewährleistet ist.
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Der Vergleich der Qualität mit dem vorgegebenen Qualitätskriterium kann zu zwei Ergebnissen führen. Entweder die Qualität der Plattformposition wird dem Qualitätskriterium gerecht oder die Qualität wird dem Qualitätskriterium nicht gerecht. Wenn die Qualität der Plattformposition dem Qualitätskriterium nicht gerecht wird, wird die Plattformposition der Roboterplattform des Zwillings zur Zielposition mittels der Steuerungsvorrichtung verändert. Hierdurch wird das Toleranzfeld entsprechend mitbewegt. Ferner wird die Simulation mit der Auswertung erneut durchgeführt. Die Veränderung der Plattformposition erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit der ermittelten Erfolge derart, dass für die Erfolge bei der neuen Plattformposition eine verbesserte Qualität zu erwarten ist. Wenn die Qualität der Plattformposition dem Qualitätskriterium gerecht wird, identifiziert die Steuerungsvorrichtung die jeweilige Plattformposition zum Positionieren der Roboterplattform.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines mehrachsigen Roboters zum Durchführen einer linearen Bewegung eines Roboterwerkzeugs in einem Arbeitsraum hat gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Plattformposition der Roboterplattform des Roboters identifizierbar ist, bei welcher im Fertigungsbetrieb des Fertigungssystems stets gewährleistet ist, dass die linearen Arbeitsbewegungen des Roboterwerkzeugs problemlos durchführbar sind. Durch die Simulation und Auswertung sind Singularitäten der Robotergelenke bei der Bewegung des Roboterwerkzeugs bereits am digitalen Zwilling erkennbar, sodass die Wahl einer ungeeigneten Plattformposition vermeidbar ist. Durch die Simulation einer konkreten Arbeitsbewegung am digitalen Zwilling ist ein Rechenaufwand gegenüber bekannten Verfahren, die beispielsweise auf vollständigen Volumenviskositätsmodellen des Roboters aufbauen, erheblich reduzierbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass ein zweidimensionales Toleranzfeld bestimmt wird, wobei das zweidimensionale Toleranzfeld horizontal angeordnet ist. Das zweidimensionale Toleranzfeld ist vorzugsweise quadratisch aufgebaut. Das zweidimensionale Toleranzfeld ist horizontal und somit parallel zur Ebene des Fertigungssystems ausgebildet. Das zweidimensionale Toleranzfeld trägt einer Positioniergenauigkeit einer Bauteilaufnahme beim horizontalen Heranfahren an den Roboter Rechnung. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein besonders leichtes Identifizieren einer geeigneten Plattformposition gewährleistet ist.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass für die Simulation die tolerierten Zielpositionen über das Toleranzfeld verteilt gewählt werden. Vorzugsweise ist zumindest ein Teil der tolerierten Zielpositionen an einem Rand oder einem Randbereich des Toleranzfelds angeordnet. Weiter bevorzugt ist zumindest ein Teil der tolerierten Zielpositionen in einem Zentrum des Toleranzfelds angeordnet. Besonders bevorzugt sind die tolerierten Zielpositionen gleichmäßig oder zumindest im Wesentlichen gleichmäßig über das Toleranzfeld verteilt. Eine Dichte der tolerierten Zielpositionen ist vorzugsweise derart gewählt, dass jede innerhalb des Toleranzfelds vorhandene Singularität des Roboters beim simulierten Anfahren der tolerierten Zielpositionen zuverlässig identifizierbar ist. Benachbarte tolerierte Zielpositionen weisen vorzugsweise einen Abstand voneinander zwischen 3 cm und 7 cm, vorzugsweise von etwa 5 cm, auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Identifizierung einer geeigneten Plattformposition verbessert ist.
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Weiter bevorzugt werden Objekte im Arbeitsraum identifiziert, wobei die identifizierten Objekte bei der Simulation berücksichtigt werden. Die Objekte können bewegliche und unbewegliche Hindernisse umfassen. Durch die Objekte ist die Bewegung des Roboterarms beeinträchtigbar, beispielsweise derart, dass der Roboterarm das Objekt umgehen muss, um eine Kollision mit dem Objekt zu vermeiden. Durch derartige Objekte sind Freiheitsgrade des Roboterarms einschränkbar, sodass das Risiko des Auftretens von Singularitäten im Toleranzfeld vergrößert ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise bei der Identifizierung der geeigneten Plattformposition auf veränderliche sowie unveränderliche örtliche Begebenheiten eingegangen werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass die Bestimmung des Toleranzfelds in Abhängigkeit einer Positioniergenauigkeit einer Objektzustellvorrichtung zum Zustellen eines vom Roboter zu bearbeitenden Objekts in den Arbeitsraum des Roboters durchgeführt wird. Das Objekt kann beispielsweise als Bauteilaufnahme zur Aufnahme eines Bauteils ausgebildet sein. Unter der Positioniergenauigkeit der Objektzustellvorrichtung wird eine Positionstoleranz verstanden, mit welcher das Objekt im Arbeitsraum anordenbar ist. Die Positioniergenauigkeit ist durch die Ausbildung und Einrichtung der Objektzustellvorrichtung festgelegt und somit leicht ermittelbar. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Identifizierung einer geeigneten Plattformposition verbessert ist.
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Vorzugsweise wird ein Roboterarm verwendet, der sechs oder weniger Robotergelenke aufweist. Vorzugsweise weist der Roboterarm genau sechs Robotergelenke auf. Mit sechs Robotergelenken weist der Roboterarm ausreichend Freiheitsgrade auf, um jeden Punkt im Arbeitsraum mit dem Roboterwerkzeug unter jeweils mehreren unterschiedlichen Anfahrrichtungen anzufahren. Gleichwohl weist ein solcher Roboter im Arbeitsraum Singularitäten auf, sodass die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Identifizierung einer günstigen Plattformposition vorteilhaft ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Durchführung der Arbeitsbewegung auch bei Lagetoleranzabweichungen gewährleistet ist, wobei redundante Robotergelenke und die damit verbundenen erhöhten Kosten sowie der damit einhergehende erhöhte Steuerungsaufwand vermieden sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird beim Ermitteln des Erfolgs ein Abstand der Bewegungsbahn des Roboterwerkzeugs zu mindestens einer Singularität des Zwillings mit einem vordefinierten Mindestabstand verglichen. Beispielsweise durch die Überwachung der Gelenkstellungen sowie Winkelgeschwindigkeiten der Robotergelenke ist ermittelbar, wie nah die jeweiligen Robotergelenke einer Singularität kommen. Dies wird im Rahmen der Erfindung als der Abstand zur Singularität bezeichnet. Der Mindestabstand ist vorzugsweise derart gewählt, dass die Winkelgeschwindigkeiten der Robotergelenke innerhalb vorgegebener Maximalgeschwindigkeiten bleiben, sodass eine lineare Bewegung des Roboterwerkzeugs, vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit, gewährleistet ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Identifizierung einer geeigneten Plattformposition verbessert ist.
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Besonders bevorzugt werden die ermittelten Erfolge quantifiziert und anhand der Quantifizierung gewichtet, wobei das Auswerten der Qualität der Plattformposition auf Basis der gewichteten Erfolge erfolgt. Mittels einer Quantifizierung ist eine bessere Unterscheidung zwischen den einzelnen Erfolgen durchführbar. So ist beispielsweise bei einem Erfolg mit einer besonders hohen Wertung davon auszugehen, dass in benachbarten Bereichen des Toleranzfelds ebenfalls Erfolge zu verzeichnen sind. Eine Gewichtung der Erfolge kann ein zielgerichteteres Anpassen der Plattformposition des Zwillings erleichtern. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Identifizierung einer geeigneten Plattformposition verbessert ist.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass eine Verteilung der ermittelten Erfolge und Misserfolge im Toleranzfeld ermittelt wird, wobei ein Anpassen der Plattformposition derart erfolgt, dass anschließend im Toleranzfeld ein Verhältnis der Erfolge zu den Misserfolgen zugunsten der Erfolge verschoben ist. Mit anderen Worten wird das ursprüngliche Toleranzfeld vorzugsweise derart zu einem neuen Toleranzfeld verschoben, dass ein Verhältnis der schon vor der nachfolgenden Simulation bekannten Misserfolge zu den Erfolgen im ursprünglichen Toleranzfeld größer ist als im neuen Toleranzfeld. Das Verschieben des Toleranzfelds erfolgt vorzugsweise derart, dass in Randbereichen des ursprünglichen Toleranzfelds ermittelten Misserfolge in dem neuen Toleranzfeld nicht mehr vorhanden sind. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Identifizierung einer geeigneten Plattformposition verbessert ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Roboter für ein Fertigungssystem gelöst. Der Roboter weist eine Roboterplattform zum Anordnen des Roboters auf einer Ebene, einen mehrere Robotergelenke aufweisenden Roboterarm, ein an dem Roboterarm gehaltenes Roboterwerkzeug zum Durchführen einer linearen Arbeitsbewegung in einem Arbeitsraum des Roboters sowie eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Roboters auf. Erfindungsgemäß ist der Roboter zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
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Der Roboter weist die Roboterplattform auf, welche vorzugsweise als Basis des Roboters ausgebildet ist. Die Roboterplattform ist zum Anordnen des Roboters auf der Ebene, wie beispielsweise einem Abstellort in einem Fertigungssystem, ausgebildet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass an der Roboterplattform Fixiermittel zum Befestigen der Roboterplattform an dem Abstellort angeordnet sind. Der Roboterarm ist an der Roboterplattform gehalten und weist mehrere Gelenke auf. Durch die Gelenke ist der Roboterarm in mehrere Armsegmente unterteilt, welche durch die Gelenke relativ zueinander schwenkbar angeordnet sind. Zum relativen Bewegen der Armsegmente weist der Roboter vorzugsweise mehrere Antriebe auf. Die Antriebe können beispielsweise an den Gelenken angeordnet oder in die Gelenke integriert sein. Vorzugsweise ist ein erstes Armende des Roboterarms an der Roboterplattform gehalten. Weiter bevorzugt ist einem dem ersten Armende entgegengesetzt angeordneten zweiten Armende des Roboterarms das Roboterwerkzeug angeordnet. Das Roboterwerkzeug ist zum Ausüben einer Arbeitsaufgabe, wie beispielsweise Halten eines Werkstücks, Bohren, Fräsen, Schleifen, Polieren oder dergleichen, ausgebildet. Die Steuerungsvorrichtung ist zum Steuern des Roboters, wie beispielsweise der Antriebe der Gelenke sowie des Roboterwerkzeugs, ausgebildet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Roboter ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat der erfindungsgemäße Roboter gegenüber herkömmlichen Robotern den Vorteil, dass mittels des Roboters mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Plattformposition der Roboterplattform des Roboters identifizierbar ist, bei welcher im Fertigungsbetrieb des Fertigungssystems stets gewährleistet ist, dass die linearen Arbeitsbewegungen des Roboterwerkzeugs problemlos durchführbar sind. Durch die Simulation und Auswertung sind Singularitäten der Robotergelenke bei der Bewegung des Roboterwerkzeugs bereits am digitalen Zwilling erkennbar, sodass die Wahl einer ungeeigneten Plattformposition vermeidbar ist. Durch die Simulation einer konkreten Arbeitsbewegung am digitalen Zwilling ist ein Rechenaufwand gegenüber bekannten Verfahren, die beispielsweise auf vollständigen Volumenviskositätsmodellen des Roboters aufbauen, erheblich reduzierbar.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren sowie ein erfindungsgemäßer Roboter werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einer Seitenansicht einen Roboter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 in einer Draufsicht ein Toleranzfeld der Zielposition,
- 3 in einer Draufsicht ein Toleranzfeld der Plattformposition mit einer dargestellten Zielposition, und
- 4 in einem Ablaufdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Roboter 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Der Roboter 1 weist eine Roboterplattform 3 auf, die in einer Plattformposition P auf einer Ebene E eines Fertigungssystems angeordnet ist. In diesem Beispiel ist die Roboterplattform 3 über einen feststehenden Robotersockel 10 auf der Ebene E angeordnet. Die Roboterplattform 3 ist an verschiedenen Plattformpositionen P auf dem Robotersockel 10 anordenbar. Eine alternative Plattformposition P ist durch gestrichelte Linien dargestellt. An der Roboterplattform 3 ist ein erstes Armende 8 eines Roboterarms 5 des Roboters 1 angeordnet.
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Der Roboterarm 5 weist mehrere Armsegmente 7 auf, die jeweils paarweise über ein Robotergelenk 4 des Roboterarms 5 miteinander mechanisch gekoppelt sind. An einem zweiten Armende 9 des Roboterarms 5 ist ein Roboterwerkzeug 2 des Roboters 1 angeordnet. Zum Steuern des Roboters 1, wie beispielsweise zum Bewegen der Robotergelenkte 4 oder zum Betreiben des Roboterwerkzeugs 2, weist der Roboter 1 eine Steuerungsvorrichtung 6 auf.
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Auf der Ebene E ist zudem eine Haltevorrichtung 11 angeordnet. An einem Bereich der Haltevorrichtung 11, welcher in den Arbeitsraum hineinragt, ist eine Bauteilaufnahme 12 angeordnet. Durch die Bauteilaufnahme 12 ist eine Zielposition Z des Roboterwerkzeugs 2, beispielsweise zum Durchführen einer Steckbewegung in Form einer linearen Arbeitsbewegung L, definiert.
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2 zeigt ein Toleranzfeld T der Zielposition Z schematisch in einer Draufsicht. Das Toleranzfeld T ist parallel zur Ebene E ausgerichtet und weist eine quadratische Ausbildung auf. In dem Toleranzfeld T sind mehrere potenzielle Zielpositionen Z dargestellt, um eine Zustellgenauigkeit einer Bauteilaufnahme 12 im Arbeitsraum A abzubilden.
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In 3 ist ein Toleranzfeld T der Plattformposition P mit einer dargestellten Zielposition Z schematisch in einer Draufsicht dargestellt. Das Toleranzfeld T der Zielposition Z lässt sich direkt als Toleranzfeld T der Plattformposition P verwenden, da die Zustellgenauigkeit eine relative Lagetoleranz zwischen der Roboterplattform 3 und der Bauteilaufnahme 12 betrifft. Für zwei Plattformpositionen P sind Roboterarme 5 schematisch dargestellt, welche zur Ausführung einer linearen Arbeitsbewegung L von der jeweiligen Plattformposition P aus unterschiedlichen Gelenkstellungen der Robotergelenke 4 aufweisen.
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4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einem Ablaufdiagramm. In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird mittels der Steuerungsvorrichtung 6 eine Zielposition Z des Roboterwerkzeugs 2 in dem Arbeitsraum A relativ zu einer Plattformposition P der Roboterplattform 3 bestimmt. In einem zweiten Verfahrensschritt 200 wird mittels der Steuerungsvorrichtung 6 die zu steuernde, lineare Arbeitsbewegung L des Roboterwerkzeugs 2 zur Zielposition Z festgelegt. In einem dritten Verfahrensschritt 300 wird mittels der Steuerungsvorrichtung 6 ein digitaler Zwilling des Roboters 1 bereitgestellt.
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In einem vierten Verfahrensschritt 400 wird mittels der Steuerungsvorrichtung 6 ein Toleranzfeld T der Zielposition Z mit mehreren tolerierten Zielpositionen Z relativ zur Plattformposition P bestimmt. Alternativ hierzu wird ein Toleranzfeld T der Plattformposition P mit mehreren tolerierten Plattformpositionen P relativ zur Zielposition Z bestimmt. In einem fünften Verfahrensschritt 500 wird mittels der Steuerungsvorrichtung 6 eine Simulation der Arbeitsbewegungen L des Roboterwerkzeugs 2 in mehrere der tolerierten Zielpositionen Z innerhalb des Toleranzfelds T mit dem Zwilling mittels der Steuerungsvorrichtung 6 durchgeführt. Alternativ hierzu wird mittels der Steuerungsvorrichtung 6 eine Simulation der Arbeitsbewegungen L des Roboterwerkzeugs 2 in die Zielposition Z aus mehreren der tolerierten Plattformpositionen P innerhalb des Toleranzfelds T mit dem Zwilling mittels der Steuerungsvorrichtung 6 durchgeführt. In einem sechsten Verfahrensschritt 600 wird mittels der Steuerungsvorrichtung 6 der Erfolg der Simulation der Arbeitsbewegungen L für die jeweiligen tolerierten Zielpositionen Z ermittelt. Alternativ hierzu wird mittels der Steuerungsvorrichtung 6 der Erfolg der Simulation der Arbeitsbewegungen L für die jeweiligen tolerierten Plattformpositionen P ermittelt.
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In einem siebten Verfahrensschritt 700 wird mittels der Steuerungsvorrichtung 6 eine Qualität der Plattformposition P der Roboterplattform 3 in Abhängigkeit des ermittelten Erfolgs ausgewertet. Wenn die Qualität ein vorgegebenes Qualitätskriterium nicht erfüllt, erfolgt in einem achten Verfahrensschritt 800 mittels der Steuerungsvorrichtung 6 ein Anpassen der Plattformposition P der Roboterplattform 3 des Zwillings zur Zielposition Z sowie eine erneute Bestimmung des Toleranzfelds T, Durchführung der Simulation, Ermittlung des Erfolgs und Auswertung der Qualität. Wenn die Qualität das vorgegebene Qualitätskriterium erfüllt, wird in einem neunten Verfahrensschritt 900 mittels der Steuerungsvorrichtung 6 die entsprechende Plattformposition P der Roboterplattform 3 identifiziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Roboter
- 2
- Roboterwerkzeug
- 3
- Roboterplattform
- 4
- Robotergelenk
- 5
- Roboterarm
- 6
- Steuerungsvorrichtung
- 7
- Armsegment
- 8
- erstes Armende
- 9
- zweites Armende
- 10
- Robotersockel
- 11
- Haltevorrichtung
- 12
- Bauteilaufnahme
- 100
- erster Verfahrensschritt
- 200
- zweiter Verfahrensschritt
- 300
- dritter Verfahrensschritt
- 400
- vierter Verfahrensschritt
- 500
- fünfter Verfahrensschritt
- 600
- sechster Verfahrensschritt
- 700
- siebter Verfahrensschritt
- 800
- achter Verfahrensschritt
- 900
- neunter Verfahrensschritt
- A
- Arbeitsraum
- E
- Ebene
- L
- Arbeitsbewegung
- P
- Plattformposition
- T
- Toleranzfeld
- Z
- Zielposition
