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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung bei einem Roboter, ein Messsystem sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils.
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Beim Betreiben von Handhabungseinrichtungen, wie Robotern oder Roboterarmen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass deren Bearbeitungsmittelpunkt, auch Tool-Center-Point (TCP) genannt, bekannt ist bzw. exakt dort liegt, wo er liegen soll. In Folge von Verschleiß, aber auch aufgrund unzulässig hoher Belastungen etc. kann es vorkommen, dass die erwartete Position des Bearbeitungsmittelpunkts nicht mehr mit dem Soll-Zustand übereinstimmt. Derartige Abweichungen müssen detektiert und korrigiert werden. Die
DE 10 2018 125 840 B4 betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Referenzlage eines Bearbeitungsmittelpunkts eines Werkzeugs eines Roboterarms. Dabei wird mit einer Geberplatte gearbeitet, deren Position relativ zu einer Bodenplatte messtechnisch erfasst wird, um einen tatsächlichen TCP eines Werkzeugs zu erfassen. Erkennbar scheint damit allerdings nur eine Drift (translatorische Abweichung) und nicht die tatsächliche Lage im Raum.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Positionsbestimmung bei einem Roboter, ein Messsystem sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils anzugeben, wobei schnell und präzise sowie mit einfachen Mitteln der Bearbeitungsmittelpunkt einer Handhabungseinrichtung, wie eines Industrieroboters, überprüft und ggf. korrigiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch ein Messsystem gemäß Anspruch 6 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Positionsbestimmung bei einem Roboter die Schritte:
- - Anordnen einer Tastvorrichtung, umfassend drei in einer Ebene angeordnete Tastelemente an einem zu vermessenden Roboter;
- - Bereitstellen einer Messvorrichtung, umfassend eine beweglich gelagerte Tastelement-Aufnahme, wobei die Tastelement-Aufnahme einen Bezugspunkt eines Referenz-Koordinatensystems bildet;
- - Verfahren der drei Tastelemente, insbesondere nacheinander oder sequenziell, in oder an die Tastelement-Aufnahme zum Aufspannen des Referenz-Koordinatensystems aus den drei gemessenen Ist-Positionen der Tastelemente, wodurch ein Ist-Koordinatensystem gebildet wird bzw. wodurch ein Ist-Koordinatensystem im dreidimensionalen Raum aufgebaut oder bestimmt werden kann;
- - Vergleichen des Ist-Koordinatensystems mit dem Referenz-Koordinatensystem zum Erkennen einer Abweichung.
Dem Roboter, allgemeiner der Handhabungseinrichtung, bzw. einem dort angeordneten Werkzeug oder Bauteil etc., ist ein Koordinatensystem, beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem, zugeordnet. Dessen Ursprung befindet sich im sogenannten Bearbeitungsmittelpunkt, auch Tool-Center-Point genannt. Das Referenz-Koordinatensystem stellt vorliegend eine Soll-Ausrichtung des vorgenannten Koordinatensystems dar. Dessen Ursprung liegt beispielswiese im vorgenannten Bezugspunkt.
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Wird nun der Bearbeitungsmittelpunkt, und mit ihm das zugeordnete Koordinatensystem, in den Bezugspunkt bewegt oder verfahren, kann erkannt werden, ob das Koordinatensystem die gleiche Ausrichtung und Lage wie das Referenz-Koordinatensystem aufweist.
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Zweckmäßigerweise kann über die Tastvorrichtung in Kombination mit der Messvorrichtung das Ist-Koordinatensystem schnell und präzise erzeugt und in der Folge dem Referenz-Koordinatensystem überlagert werden, wodurch eine etwaige Abweichung festgestellt und vorteilhafterweise entsprechend korrigiert werden kann. Hierzu sind zweckmäßigerweise die drei Tastelemente vorgesehen, welche in der Ebene angeordnet sind. Die Anordnung in der Ebene, also nicht entlang einer Linie, ermöglicht das Aufspannen eines, insbesondere kartesischen, Koordinatensystems anhand der drei Tastelemente bzw. der hieraus ermittelten Positionen oder Messwerte. Der Abstand der Tastelemente zueinander ist zweckmäßigerweise bekannt. Über nur drei Messungen ist es vorliegend vorteilhafterweise möglich, ein Koordinatensystem im Raum zu erzeugen oder festzulegen, welches in der Folge mit dem Soll-TCP bzw. dem Referenz-Koordinatensystem verrechnet oder verglichen werden kann.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Dreidimensionales Vermessen der Position jedes Tastelements über die Tastelement-Aufnahme.
Bei jeder Messung, also bei jedem Einfahren eines Tastelements in die Tastelement-Aufnahme werden drei Messwerte erfasst. Aus den so ermittelten neun Messwerten der Tastelemente kann das Ist-Koordinatensystem berechnet und mit dem Soll-TCP bzw. dem Referenzkoordinatensystem verglichen werden. Das Verfahren zeichnet sich in der Folge durch seine kurze Taktzeit wie auch Genauigkeit aus.
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Zweckmäßigerweise sind die Tastelemente rund, insbesondere kugelförmig. Diese Form ermöglicht ein leichtes Antasten der Tastelement-Aufnahmen sowie eine sichere Kontaktierung derselben. Außerdem können damit in nur einem Schritt exakt mehrere Messwerte bestimmt werden.
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Bevorzugterweise ist der vorgenannte Bezugspunkt der Ursprung des Referenz-Koordinatensystems. Der Ursprung des Referenz-Koordinatensystems liegt also vorteilhafterweise in der Tastelement-Aufnahme. Die Tastelement-Aufnahme bzw. die Messvorrichtung kann beliebig relativ zur Handhabungseinrichtung bzw. zum Roboter positioniert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anordnen der Tastvorrichtung an einem Endeffektor, einer Messplatte oder einem Bauteil.
Entsprechend zueinander angeordnete Tastelemente können direkt an einem Bauteil angeordnet werden, sodass unmittelbar darüber auch eine exakte Bauteillage überprüft werden kann. Alternativ sind die Tastelemente an einer gesonderten Messplatte vorgesehen. Die Messplatte kann einen Endeffektor der Handhabungseinrichtung darstellen. Ein Endeffektor der Handhabungseinrichtung, wie beispielsweise ein Greifer, kann eine derartige Messplatte allerdings auch greifen. Alternativ können die Tastelemente auch direkt an einem Endeffektor ausgebildet sein, welcher in geeigneter Weise konstruktiv um diese Funktionalität erweitert ist.
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Die Erfindung richtet sich auch auf ein Messsystem, umfassend eine Messvorrichtung und eine Tastvorrichtung, wobei die Tastvorrichtung drei in einer Ebene angeordnete Tastelemente aufweist, wobei die Tastelemente derart formschlüssig in oder an der beweglich gelagerten Tastelement-Aufnahme anordenbar sind, dass eine dreidimensionale Vermessung einer Position der Tastelemente möglich ist, wodurch ein Koordinatensystem, insbesondere das/ein Ist-Koordianatensystem, berechnet oder bestimmt werden kann. Die Tastelement-Aufnahme ist zweckmäßigerweise beweglich gelagert, insbesondere in drei Raumrichtungen beweglich gelagert. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Messvorrichtung entsprechende Messelemente zum Erfassen der Auslenkung der Tastelement-Aufnahme. Hierzu können beispielsweise entsprechende Wegsensoren verwendet werden.
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Wie bereits erwähnt, sind die Tastelemente gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kugelförmig geformt. Die Tastelement-Aufnahme ist zweckmäßigerweise kongruent dazu ausgebildet, beispielsweise in Form eine kugelfömigen Tasche. Alternativ kann es sich auch um eine zylindrische Ausnehmung mit einem geeigneten Anschlag handeln, in welche das Tastelement entsprechend eingefahren werden kann. Gemäß einer Ausführungsform ist die Tastelement-Aufnahme auch kegelstumpfförmig oder konisch ausgebildet. Die Form der Tastelement-Aufnahme ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass diese beim Kontakt mit dem Tastelement zusammen mit diesem in dessen Endstellung (Ist-Position) verfahren wird. Diese wird in der Folge messtechnisch erfasst. Die Tastelement-Aufnahme wird hierbei in bis zu drei Raumrichtungen bewegt, es können also bis zu drei Messwerte in einem Schritt erzeugt und der weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Zweckmäßigerweise können insgesamt mit nur drei Messungen neun Messwerte erzeugt werden, welche es ermöglichen, ein Ist-Koordinatensystem zu erstellen.
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Zweckmäßigerweise ist die Messvorrichtung ein mechanisches, insbesondere taktiles, Messsystem. Vorteilhaft ist hier, dass derartige Systeme sehr robust ausführbar sind. Die Tastelement-Aufnahme ist entlang dreier Raumrichtungen linear beweglich angeordnet. Auf ein aufwändiges Lagerungskonzept kann also verzichtet werden. Insbesondere ist die Tastelement-Aufnahme nicht drehbar gelagert bzw. muss nicht drehbar gelagert werden. Die Orientierung des Ist-Koordinatensystems im Raum kann über die drei Messungen, also das dreimalige Anfahren mit der Tastvorrichtung, erzeugt werden.
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Zweckmäßigerweise weist die Tastelement-Aufnahme bzw. die Messvorrichtung geeignete Rückstellelemente auf, wie beispielsweise eine oder mehrere, insbesondere vorgespannte, Federn, welche ausgelegt sind, die Tastelement-Aufnahme in eine Ausgangs- oder Anfangslage zurückzuverfahren. Die vorgenannte Ausgangslage stellt beispielsweise den eingangs erwähnten Bezugspunkt, welcher beispielsweise der Ursprung des Referenz-Koordinatensystems ist, dar.
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Zweckmäßigerweise sind die Tastelemente derart zueinander angeordnet, dass ein Koordinatensystem, insbesondere ein kartesisches Koordinatensystem, aufgespannt werden kann. Typischerweise ist der Abstand der Tastelemente zueinander bekannt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Tastvorrichtung eine Messplatte, auf welcher die Tastelemente befestigt sind. Die Messplatte kann geeignete Befestigungsöffnungen aufweisen, sodass sie über einen (Parallel-)Greifer gegriffen werden kann. Über die Messplatte kann die planare oder ebene Anordnung der Tastelemente vorgegeben werden. Entsprechend bildet die Messplatte beispielsweise die xy-Ebene, von welcher ausgehend dann beispielsweise im mittig angeordneten Tastelement die z-Richtung ausgerichtet werden kann.
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Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, wobei zum Kalibrieren eines Roboters oder einer Handhabungseinrichtung das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsbestimmung verwendet wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens zur Positionsbestimmung bzw. eines Messsystems mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine Ausführungsform einer Messvorrichtung in einer schematischen Darstellung;
- 2: das Kontaktieren einer Tastelement-Aufnahme mit einem Tastelement in einer schematischen Darstellung.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung zwei Ansichten einer Tastvorrichtung 10. In der unteren Darstellung ist eine Draufsicht gezeigt, wobei drei kugelförmige Tastelemente 14 zu erkennen sind, welche entlang eines (kartesischen) Koordinatensystems, vgl. die Achsen bzw. Bezugszeichen x, y, z, ausgerichtet sind. Die Tastelemente 14 sind auf einer Messplatte 12 angeordnet, welche in der hier gezeigten Ausführungsform zwei Befestigungsöffnungen 16 aufweist. Über diese kann die Tastvorrichtung 10 beispielsweise mittels eines (Parallel-)Greifers gefasst und verfahren werden. In der oberen Bildhälfte ist die Tastvorrichtung 10 um 90° nach oben geklappt zu sehen, sodass die Tastelemente 14 von der Seite zu erkennen sind. Deutlich wird hierbei, dass die Tastelemente 14 in einer Ebene, vorliegend in einer durch die Achsen x und y aufgespannten Ebene, liegen.
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2 zeigt eine Skizze, in welcher dargestellt ist, wie ein Tastelement 14 in einer Tastelement-Aufnahme 20 angeordnet wird. Die Tastelement-Aufnahme ist in drei Raumrichtungen beweglich gelagert, vgl. diesbezüglich die mit dem Bezugszeichen P versehenen Pfeile. Die Tastelement-Aufnahme 20 bildet oder umfasst einen Bezugspunkt B bzw. legt diesen fest. In diesem ist ein Referenz-Koordinatensystem R verortet. Vorliegend ist nun ein Zustand gezeigt, in welchem eines der drei Tastelemente 14 in die Tastelement-Aufnahme 20 verfahren wurde. Zu erkennen ist, dass ein Ursprung des Ist-Koordinatensystems relativ zum Bezugspunkt B und damit auch zum Referenz-Koordinatensystem R versetzt ist. Dies bedeutet, dass der tatsächliche TCP vom Soll-TCP, der im Bezugspunkt B liegt bzw. dort liegen sollte, abweicht. Entsprechend ist das Ist-Koordinatensystem I nicht deckungsgleich mit dem Referenz-Koordinatensystem R. Dieser Versatz bzw. diese Abweichung kann ausgewertet werden, um den tatsächlichen oder Ist-TCP zu korrigieren. Bei jedem Anfahren der Tastelement-Aufnahme 20 mit einem Tastelement 14 werden drei Messwerte erzeugt. Mit anderen Worten ist eine Position des Tastelements 14 im Raum bekannt. Durch dreimaliges Anfahren der Tastelement-Aufnahme 20 kann so schnell und effektiv ein Ist-Koordinatensystem erzeugt und mit einem Soll-Koordinatensystem bzw. dem Soll-TCP verrechnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Tastvorrichtung
- 12
- Messplatte
- 14
- Tastelement
- 16
- Befestigungsöffnung
- 20
- Tastelement-Aufnahme
- x, y, z
- Koordinatensystem
- I
- Ist-Koordinatensystem
- B
- Bezugspunkt
- R
- Referenz-Koordinatensystem
- P
- Translation
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018125840 B4 [0002]
