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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Bearbeiten von Werkstücken
mittels eines mehrachsigen Handhabungsgeräts, wie eines Industrieroboters,
mit einem nach Maßgabe
durch eine Steuerungseinheit des Handhabungsgeräts bewegten Werkzeug, das Eigenbewegungen
mit mehreren Freiheitsgraden ausführen kann. Die Erfindung betrifft
weiterhin eine zur Durchführung
des vorstehend genannten Verfahrens geeignete Vorrichtung zum Bearbeiten
von Werkstücken,
aufweisend ein mehrachsiges Handhabungsgerät mit einer Steuerungseinheit
zur Bewegungssteuerung und ein Werkzeug, das zum Ausführen von
Eigenbewegungen eine Mehrzahl von Freiheitsgraden aufweist.
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Beim Einsatz von Handhabungsgeräten, wie Industrierobotern,
zur Bearbeitung von Werkstücken kommen
auch Werkzeuge zum Einsatz, die in der Lage sind, Eigenbewegungen
mit einer Anzahl von Freiheitsgraden prinzipiell unabhängig von
einer Bewegung des Handhabungsgeräts auszuführen. Dies trifft beispielsweise
auf Industrieroboter zu, die am distalen En de ihres Roboterarms
einen Laser und eine steuerbare Fokussieroptik zur Laserbearbeitung von
Werkstücken
tragen. In diesem Fall kann es sich bei dem eingangs genannten Werkzeug
beispielsweise um ein Laserschneidwerkzeug, ein Laserschweißwerkzeug
oder ein Laserprägewerkzeug handeln,
das mit beweglichen Spiegelanordnungen ausgestattet ist, um so eine
aktive Arbeitsbewegung des Laserstrahls zu ermöglichen, was der eingangs genannten
Eigenbewegung des Werkzeugs gleichkommt.
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Die beweglichen Spiegelanordnungen
derartiger Laserschneidwerkzeuge werden auch als Scannereinheiten
oder Galvoeinheiten bezeichnet.
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Es ist bei Verfahren bzw. Vorrichtungen
der eingangs genannten Art bekannt, Handhabungsgeräte zur Grobpositionierung
des Werkzeugs in der Nähe
eines zu bearbeitenden Werkstücks
einzusetzen, während
anschließend
das Werkzeug selbst (beim genannten Beispiel also die Spiegel und
dadurch bedingt der Laserstrahl) kleinskalige Konturen einer vorbestimmten
Bearbeitungsbahn abfahren. Zur Bearbeitung größerskaliger Konturen muss der Bearbeitungsvorgang
unterbrochen und das Handhabungsgerät neu positioniert werden.
Anschließend übernimmt
das an dem Handhabungsgerät
angeordnete Werkzeug wieder die kleinskalige Bearbeitung des Werkstücks. Eine
solche Arbeitsweise bedingt zeitaufwendige Stop-and-Go-Verfahren,
bei denen zeitweise das Handhabungsgerät, zeitweise das Werkzeug stillsteht.
Ebenso ergeben sich unnötig große Umorientierungen
des (relativ) langsamen Handhabungsgerät.
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Die vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen
zum Bearbeiten von Werkstücken
weisen noch eine Reihe weiterer Nachteile auf. So lässt sich
in der Regel keine konstante Bearbeitungsgeschwindigkeit auf beliebigen
Bearbeitungsgeometrien erreichen, da Bewegungen des Handhabungsgeräts aufgrund
dessen größerer Masse
und Trägheit
immer mit geringerer Geschwindigkeit erfolgen als die kleinskaligen Bewegungen
des Werkzeugs, insbesondere in Kurven und Abbiegungen von Konturen.
Eine konstante Bearbeitungsgeschwindigkeit stellt jedoch bei Laserverfahren
eine Grundvoraussetzung für
qualitativ hochwertige Bearbeitung dar.
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Aufgrund der Tatsache, dass das Handhabungsgerät und das
Werkzeug nach dem Stand der Technik steuerungstechnisch unabhängig voneinander
geführt
werden, ist außerdem
der einer Bearbeitung vorangehende Teaching-Prozess nicht einfach zu
handhaben und damit fehleranfällig,
da hierzu ggf. zwei Steuerungen unprogrammiert werden müssen. Zudem
sind derartige vorbekannte Verfahren und Vorrichtungen nicht online- bzw. echtzeitfähig, da
keine Bahnen beliebig geändert
werden können,
ohne dabei auch die jeweils andere Steuerung mit umprogrammieren
zu müssen.
Aus dem selben Grund ist außerdem
eine Offline-Programmierung nur begrenzt möglich.
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Andere vorbekannte Verfahren bzw.
Vorrichtungen beschränken
sich auf die phasenweise Berücksichtigung
einer gleichförmig-geradlinigen
Bewegung des Handhabungsgeräts,
z.B. eines Fließbands oder
eines Portalschweißgeräts, und überlagern
dieser Eigenbewegungen des Werkzeugs. Derartige Verfahren und Vorrichtungen
stoßen
an ihre Grenzen bei der Bearbeitung komplex, beliebig geformter
Flächen
und Konturen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter
Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile ein Verfahren und
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich einer optimalen
Bewegung des Handhabungsgeräts
und des Werkzeugs bei der Bearbeitung von beliebig geformten Werkstücken zu verbessern,
wobei sich die zu schaffende Weiterentwicklung einer Vorrichtung
der eingangs genannten Art weiterhin durch eine Echtzeit-Anpassbarkeit
sowie eine vereinfachte Handhabung, insbesondere bei der Einrichtung
von Bearbeitungsvorgängen,
auszeichnen soll.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Freiheitsgrade
des Werkzeugs gemeinsam mit Freiheitsgraden von Achsen des Handhabungsgeräts in Echtzeit
zum Bewegen einer Werkzeugspitze (TCP) gemäß einer vorbestimmten Bearbeitungsgeometrie und
zur Bestimmung einer Bewegung des Handhabungsgeräts ausgewertet werden.
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Erfindungsgemäß kann es sich bei der vorstehend
genannten Bearbeitungsgeometrie um eine einfache zusammenhängende Geometrie,
d.h. eine Bearbeitungsbahn, handeln. Möglich ist jedoch auch eine
Bearbeitung auf einer nur stückweise
kontinuierlichen Geometrie, d.h. mit einer sog. Sprungfunktion oder
auf einer Mischung beider Geometrien.
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Erfindungsgemäß lässt sich so insbesondere bei
einer Laserbearbeitung von Werkstücken mit Hilfe eines Scanners
die gegebene, wesentlich schnellere Positionierbarkeit des Laserstrahls
gegenüber herkömmlichen
Laserschweißverfahren
dahingehend einsetzen, dass kürzere
und bauteiloptimierte Bewegungsbahnen des Handhabungsgeräts möglich werden.
In diesem Zusammenhang ergibt sich vor allem bei Vermeidung einer
Umorientierung von Achsen des Handhabungsgeräts ein enormer Geschwindigkeitsvorteil.
Aufgrund der Echtzeit-Integration
der Werkzeugbewegung führen
unterschiedliche Bewegungsbahnen des Handhabungsgeräts zu gleichen Bearbeitungsbahnen
auf dem Werkstück,
so dass sich das erfindungsgemäße Verfahren
gegenüber dem
Stand der Technik durch eine wesentliche höhere Flexibilität im Einsatz
auszeichnet. Darüber
hinaus bedingt die kombinierte Auswertung von Bewegungen des Handhabungsgerätes und
des Werkzeugs vereinfach te Teach- und Bedienvorgänge. Vorzugsweise wird die
Auswertung durch die Steuerungseinheit des Handhabungsgeräts vorgenommen.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs
genannten Art ist zur Lösung
der Aufgabe vorgesehen, dass das Werkzeug und eine Werkzeugspitze
(TCP) bei der Bearbeitung des Werkstücks in ihren Bewegungen nach
Maßgabe
durch die Steuerungseinheit des Handhabungsgeräts steuerbar sind. Somit ist
eine Berücksichtigung
der Werkzeugposition bereits bei der Bahnplanung für das Handhabungsgerät möglich, so
dass die Offline-Programmierbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erreicht ist.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass für
eine Bewegungssteuerung der Werkzeugspitze zumindest Koordinaten
einer vorbestimmten Bearbeitungsgeometrie in eine Steuerungseinheit
des Handhabungsgeräts
eingelesen werden, beispielsweise durch sogenanntes Teach-in. Eine
solche Bearbeitungsgeometrie lässt sich
auch offline mittels einer Teach-Einrichtung in einfacher Weise
vorgeben.
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Nach einer bevorzugten Ausbildung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass anschließend
die Bearbeitungsgeometrie zu einer Abfolge von diskreten Koordinatenwerten
mit einem gleichen zeitlichen Abstand (Taktzeit) zwischen aufeinanderfolgenden
Werten diskretisiert wird. Die Taktzeit, der sogenannte IPO-Takt
(Interpolationstakt), ist dabei je nach den in der Steuerungseinheit eingesetzten
elektronischen Komponenten in einem weiten Bereich frei wählbar, beispielsweise
zwischen 100 μs
und 12 ms.
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In bevorzugter Weise ist vorgesehen,
dass die Koordinatenwerte der Bearbeitungsgeometrie vor der Bearbeitung
in einer mit der Steuereinheit assoziierten Speichereinheit gespeichert
werden. Vorzugsweise werden also die Koordinatenwerte der Bearbeitungsgeometrie
jeweils zu den durch den IPO-Takt bestimmten Zeitpunkten in eine
Datenbank geschrieben. Diese enthält demnach beispielsweise die
Zeitinformation des IPO-Taktes sowie ein in jeder Taktzeit zugeordneten
Positions-Sollwert für
die vorgegebene Bearbeitungsgeometrie in geeigneten Koordinaten,
z.B. kartesischen Koordinaten. Die in der Speichereinheit gespeicherten
Werte sind zur Bewegungssteuerung des Handhabungsgeräts und/oder des
Werkzeugs durch Interpolation abrufbar.
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Nach einer äußerst bevorzugten Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass den Koordinaten der Bearbeitungsgeometrie Abweichungswerte
in Form von Korrekturwerten zugeordnet werden, die maximalen Amplituden der
Eigenbewegungen des Werkzeugs in dessen Freiheitsgraden entsprechen.
Auf diese Weise wird um die Bearbeitungsgeometrie eine Art "Bewegungsschlauch" definiert, der dem
Bereich auf dem Werkstück
entspricht, der ausgehend von einer eingenommenen Position auf der
Bearbeitungsgeometrie aufgrund einer Eigenbewegung des Werkzeugs
von diesem erreicht und bearbeitet werden kann. Seitens des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist weiterhin vorzugsweise vorgesehen, dass eine Bewegungsbahn des
Handhabungsgeräts
durch die Steuerungseinheit dadurch bestimmt wird, dass eine momentane Koordinatendifferenz
zwischen der Bearbeitungsgeometrie und einer Position der Werkzeugspitze
nicht größer als
die maximalen Amplitude der entsprechenden Eigenbewegung des Werkzeugs
ist. Demnach kann die eigentliche Bewegungsbahn des Handhabungsgeräts derart
gewählt
werden, dass sie mehr oder weniger beliebig innerhalb des oben definierten
Bewegungsschlauches verläuft,
so dass die Bewegungsbahn möglichst kurz
bzw. bauteilgerecht ausgebildet werden kann. Die Bewegungsbahn kann als
vorbestimmte Bewegungsbahn des Handhabungsgeräts vor der Bearbeitung in der
mit der Steuerungseinheit assoziierten Speichereinheit gespeichert
werden. Erfindungsgemäß ist eine
derartige vorgegebene Bewegungsbahn jedoch nicht fest vorgeben,
sondern kann im Verlauf der Bearbeitung in Abstimmung mit Eigenbewegungen
des Werkzeugs in Echtzeit, d.h. "fliegend" abgeändert werden.
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Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass einzelne Koordinaten der Bewegungsbahn des
Handhabungsgeräts
und davon abhängig
eine Position und Orientierung (Pose) des Werkzeugs zu den Takten
der Koordinatenwerte der Bearbeitungsgeometrie bestimmt werden.
Auf diese Weise ergeben sich durch die Differenz der im (IPO-)Takt
vorgegebenen (gespeicherten) Koordinatenwerte der Bearbeitungsbahn
und der im selben (IPO-)Takt bestimmten Bewegungsbahn des Handhabungsgeräts die entsprechenden Bewegungs-Sollwerte
für die
Freiheitsgrade des Werkzeugs, beispielsweise für die Spiegelbewegungen eines
Scannersystems. Diese werden erfindungsgemäß in Echtzeit an das Scannersystem
weitergegeben.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Bewegungen des Handhabungsgeräts und des
Werkzeugs zwischen den Takten durch Interpolation bestimmt werden.
Die somit grundsätzlich
im IPO-Takt bestimmten Koordinatenwerte können mit Hilfe geeignet eingerichteter
Berechnungsmittel in ihrer Bestimmungsfrequenz an eine gegebene
Konfiguration der Bewegungsbahn bzw. Bearbeitungsgeometrie angepasst
werden. Vorzugsweise sieht das erfindungsgemäße Verfahren hierzu vor, dass
die Taktzeit zumindest zeitweise an wenigstens einem Parameter der
Bewegungen angepasst wird. Bei diesem Parameter kann es sich beispielsweise
um eine Bahnkrümmung
im Raum handeln, so dass im Zuge einer geradlinigen Bewegung entsprechend
weniger Koordinatenwerte bestimmt werden, da eine Bahnplanung durch
Extrapolation erfolgen kann.
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Nach einer äußerst bevorzugten Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass die Bewegung der Werkzeugspitze mit im wesentlichen
konstanter Geschwindigkeit erfolgt, so dass eine entscheidende Voraussetzung
für den Einsatz
des erfindungsgemäßen Verfahrens
im Zuge einer hochqualitativen Werkstückbearbeitung, beispielsweise
durch Lasereinwirkung, gewährleistet
ist.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zeichnet sich dadurch aus, dass entweder das Werkstück oder
das Werkzeug während
der Bearbeitung mit dem Handhabungsgerät verbunden und durch dieses
bewegbar ist. Somit ist es beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung
möglich,
ein zu bearbeitendes Werkstück
mittels eines geeignet ausgebildeten Handhabungsgeräts, wie
eines Sechsachs-Industrieroboters aufzunehmen und einem separat
angeordneten und fixierten Werkzeug zur Bearbeitung zuzuführen, das
mit dem Handhabungsgerät
nur steuerungstechnisch verbunden ist (externe TCP-Technik). Es
kann jedoch auch verfahrensökonomischer
sein, das Werkzeug direkt am Handhabungsgerät anzubringen und gemeinsam
mit diesem über
das Werkstück
zu bewegen.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist vorgesehen, dass diese eine mit der Steuerungseinheit des Handhabungsgeräts assoziierte
Speichereinheit zum Speichern zumindest einer diskretisierten Abfolge von
Koordinatentwerten für
eine Bearbeitungsgeometrie auf dem Werkstück aufweist, z.B. einen (flüchtigen)
Arbeitsspeicher oder einen Permanentspeicher. Zur Weiterverarbeitung
einer derartig (auch offline) vorgebbaren Koordinatenabfolge ist
vorzugsweise vorgesehen, dass die erfindungsge mäße Vorrichtung eine Bestimmungseinheit
zum Bestimmen von Amplituden der Eigenbewegungen des Werkzeugs entsprechenden
Abweichungen für
die Koordinatenwerte der Bearbeitungsgeometrie aufweist.
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Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
vorzugsweise Bestimmungsmittel zum dynamischen Bestimmen einer relativen
Pose zwischen Werkzeugspitze und einer Summe aus den Koordinatenwerten
der Bearbeitungsgeometrie und den zugehörigen Abweichungen auf.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Bewegung der Werkzeugspitze
innerhalb des durch die Summe aus den Koordinatenwerten der Bearbeitungsgeometrie und
den zugehörigen
Abweichungen bestimmten Raumbereichs (Bewegungsschlauch). In diesem
Zusammenhang weist die erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer äußerst bevorzugten
Weiterbildung programmtechnisch eingerichtete Prozessormittel zum
zeitlichen und/oder räumlichen
Optimieren einer momentanen Bewegung des Handhabungsgeräts unter
Ausnutzung der Freiheitsgrade des Werkzeugs auf, da sich die Bewegungen
des Werkzeugs aufgrund der dort vorhandenen geringere Masse bzw. der
geringeren erforderlichen Bewegungsamplituden in der Regel schneller
durchführen
lassen, als entsprechende gleichwirkende Bewegungen des Handhabungsgeräts. Es ist
damit nicht länger
erforderlich, das Handhabungsgerät
zu jeder Zeit im wesentlichen auf der geforderten Bearbeitungsgeometrie
zu bewegen, vielmehr kann das Bearbeitungsgerät der Bearbeitungsgeometrie
vor- oder nacheilen, wodurch sich die Positionierzeiten des Handhabungsgeräts stark reduzieren
lassen, was sich positiv auf die Gesamtbearbeitungszeit auswirkt.
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Dabei führt das Vor- bzw. Nacheilen
des Werkzeugs, beispielsweise der Galvospiegel, vor allem bei Kurven
der Bearbeitungsgeometrie zu erheblichen Vorteilen, da auf diese Weise
auch enge Bewegungsradien ohne Geschwindigkeitseinbrüche durchfahren
werden können.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile
ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen, in denen einige Ausführungsformen der Erfindung
exemplarisch dargestellt sind. Es zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Form eines Sechsachs-Industrieroboters mit einem am distalen
Ende des Roboterarms angeordneten Laser-Bearbeitungswerkzeug;
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2 eine
schematische Darstellung der Ablenkung eines zur Werkstückbearbeitung
eingesetzten Laserstrahls durch die Optik des Scannersystems;
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3 eine
zusammenhängende
Bearbeitungsgeometrie (Bearbeitungsbahn) für ein Werkstück mit überlagerter
Bahnbewegung des Handhabungsgeräts;
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4 die
Bearbeitungsbahn gemäß 3 mit einer anderen überlagerten
Bahnbewegung des Handhabungsgeräts;
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5 eine
schematische Darstellung einer stückweise zusammenhängenden
Bearbeitungsgeometrie (Sprungfunktion) mit einer zugehörigen Bahnbewegung
des Handhabungsgeräts;
und
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6 ein
Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Bearbeitung von Werkstücken.
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Die 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit
einem Handhabungsgerät 2 in
Form eines Sechsachs-Industrieroboters, an dessen Arm 2.1 am
distalen Ende 2.2 ein Werk zeug 3 zum Bearbeiten
eines Werkstücks 4 angeordnet
ist. Der Roboter 2 ist für Bewegungen im Raum mit bis
zu sechs Freiheitsgraden F1 bis F6 ausgebildet.
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Bei dem Werkzeug 3 handelt
es sich beim Ausführungsbeispiel
der 1 um ein Laser-Bearbeitungswerkzeug
mit einem integrierten Scannersystem, das weiter unten anhand der 2 näher dargestellt ist. Die Bearbeitung
des Werkstücks 4 erfolgt,
wie in 1 schematisch
dargestellt, durch einen Laserstrahl 5, der vom Werkzeug 3 ausgesandt wird
bzw. selbst Teil des Werkzeugs ist und auf das Werkstück 4 einwirkt.
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Zur Bewegungssteuerung weist die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine
Steuerungseinheit 2.3 auf, deren Steuersignale über ein Übertragungsmedium 2.8,
wie Feldbus, Echtzeit-Ethernet
oder Firewire an das Werkzeug 3 und/oder den Roboter 2 übertragen
werden.
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Die Steuerungseinheit 2.3 umfasst
weitere Funktionseinheiten, namentlich eine Speichereinheit 2.4,
beispielsweise ein Arbeits- oder Permanentspeicher, eine Bestimmungseinheit 2.5,
weitere Bestimmungsmittel 2.6 sowie Prozessormittel 2.7,
die weiter unten bei einer Beschreibung der 3 näher
erläutert
werden.
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Bei vorbekannten Vorrichtungen dieser
Art ist es üblich,
das Werkzeug 3 durch Bewegen des Roboters 2 zumindest
grob in der Nähe
der zu bearbeitenden Fläche
des Werkstücks 4 zu
positionieren, um anschließend
die zur Bearbeitung des Werkstücks 4 noch
erforderlichen (Rest-)Bewegungen durch Eigenbewegungen des Werkzeugs 3 und
entsprechende Bewegungen des Laserstrahls 5 auszuführen. Eine
Bewegungssteuerung des Roboters 2 und des Werkzeugs 3 erfolgt
praktisch unab hängig voneinander,
was einen Großteil
der eingangs erwähnten
Nachteile mit sich bringt.
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Die 2 zeigt
schematisch den inneren Aufbau des Werkzeugs 3 der 1. Es weist zum Ablenken
des Laserstrahls 5 ein Scannersystems 3.1 bestehend
aus Spiegeln 3.2, 3.3 und zugeordneten Antrieben 3.4, 3.5 auf.
Den Spiegeln im Strahlengang nachgeschaltet ist eine Fokussieroptik 3.6.
Ferner beinhaltet das Werkzeug 3 eine Steuerungseinheit 3.7,
die über
das Übertragungsmedium 2.8 Signale der
Steuerungseinheit 2.3 (1)
zum Steuern der Antreibe 3.4, 3.5 und zum Einstellen
der Optik 3.6 in Echtzeit empfängt.
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Mit Hilfe der drehbaren Spiegel 3.2, 3.3 sowie
der Fokussieroptik 3.6 lassen sich auf dem Werkstück 4 in
einem bestimmten, durch die maximalen Amplituden der Eigenbewegungen
der Spiegel 31, 33 bzw. der Fokusverschiebung
der Optik 3.6 vorgegeben Bereich, quasi beliebige Bearbeitungsgeometrien
B im Raum abfahren. Die drei Freiheitsgrade der Werkzeugbewegung,
im Ausführungsbeispiel
in der 2 der Bewegung
des Laserstrahls 5 auf dem Werkstück 4, sind in 2 mit F7 bis
F9 bezeichnet. Auf dem Werkstück 4 entsprechen
diesen Freiheitsgraden F7–F9 in der gewählten Darstellung gemäß 2 kartesische Verschiebungen
in X-, Y- und Z-Richtung,
wie im unteren Teil der 2 in
gegenüber
dem Rest der 2 gekippter
Darstellung gezeigt ist. Dabei entspricht insbesondere die Z-Richtung
dem Fokussier-Freiheitsgrad F9 des Werkzeugs 3.
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Ein Einkoppeln E von Laserenergie
erfolgt im Bereich einer Einkopplungseinheit 3.8, die alternativ zu
der in 2 gezeigten Ausführung auch
außerhalb
des Werkzeugs 3 im Bereich der fünften oder sechsten Roboterachse
angeordnet sein kann.
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Die 3 zeigt
schematisch eine mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens
realisierbare einfach zusammenhängende
Bearbeitungsgeometrie, d.h. eine Bewegungsbahn B der Werkzeugspitze
(TCP) in Form einer kreuzförmigen
Kontur, beispielsweise zur Laserbeschriftung der Oberfläche eines
Werkstücks 4. Der
Bearbeitungsbahn B überlagert
dargestellt ist in 3 eine
Bewegungsbahn B' des
Roboters 2 (1)
bzw. des distalen Endes 2.2 des Roboterarms 2.1,
an dem erfindungsgemäß das Werkzeug 3 befestigt
sein kann. Die Bewegungsbahn B' des
Roboters weist insbesondere in Bereichen 6, 6', in denen sich
ein Verlauf der Bearbeitungsbahn B stark ändert, d.h. an Ecken oder Kanten
der Bearbeitungsbahn B einen deutlich von der Bearbeitungsgeometrie
B abweichenden Verlauf B' auf.
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Die Roboterbewegung B' verläuft während der
gesamten Bearbeitung innerhalb eines Raumbereichs B'' ("Bewegungsschlauch"; in 3 schraffiert dargestellt), der die Bearbeitungsbahn
B allseitig umgibt, und dessen Abweichung ΔB von der Bearbeitungsbahn B
jeweils einer maximalen Bewegungsamplitude des Werkzeugs 3 in
einem seiner drei Freiheitsgrade F7–F9 entspricht (vergleiche 2).
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Die Punkte P längs der Bearbeitungsbahn B, von
denen im oberen Teil der 3 einige
vergrößert dargestellt
sind, stellen den Interpolationstakt (IPO-Takt) der Steuerungseinheit 2.3 der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dar
(1). Der IPO-Takt besitzt
beim Ausführungsbeispiel
der 3 ein Zeitraster
T, beispielsweise mit T = 2 ms. Die regelmäßige Abfolge von Punkten P
längs der
Bearbeitungsbahn B gibt an, dass die Bearbeitung des Werkstücks 4 erfindungsgemäß mit konstanter
Bearbeitungsgeschwindigkeit stattfin det. Bei vorbekannten Bearbeitungsvorrichtungen
bzw. -verfahren entspricht die Bewegungsbahn B' des Handhabungsgeräts 2 im wesentlichen der vorgegebenen
Bearbeitungsbahn B. Dies führt
insbesondere in Bereichen 6, 6', in denen die Bearbeitungsbahn
B abrupt die Richtung wechselt, dazu, dass aufgrund der erforderlichen Umpositionierung
der relativ trägen
Achsen des Handhabungsgeräts 2 in
diesen Bereichen nur mit abgesenkter Bearbeitungsgeschwindigkeit
gearbeitet werden kann. Entsprechend rutschen die Punkte P in einer
der 3 entsprechenden
Darstellung in diesen Bereichen 6, 6' enger zusammen.
Dadurch wird die Bearbeitungszeit t für ein gegebenes Werkstück 4 deutlich
verlängert.
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Erfindungsgemäß wird insbesondere dieser Nachteil
dadurch vermieden, dass aufgrund der kombinierten Echtzeit-Bewegungssteuerung
von Handhabungsgerät 2 und
Werkzeug 3 der negative Trägheitseffekt der Roboterachsen
dadurch ausgeglichen wird, dass diese in ihrer Bewegung B' in bestimmten Bereichen 6, 6' einer vorgegebenen
Bearbeitungsbahn B voraus- bzw. nacheilen und dabei ggf. von dieser
abweichen, während
das Abfahren der Bearbeitungsbahn B in diesen Bereichen 6, 6' durch Eigenbewegungen
des Werkzeugs 3 sichergestellt ist, die regelmäßig mit
größerer Geschwindigkeit
durchführbar
sind. Anschaulich gesprochen kürzt
das Handhabungsgerät 2 in
schwierigen Bereichen der Bearbeitungskontur eine Länge seiner
Bahnbewegung B' ab
und überlässt das
Abfahren der Bearbeitungsbahn B' in
diesen Bereichen dem Werkzeug 3 selbst, damit nicht der
Bearbeitungsvorgang als ganzer durch die Trägheit des Handhabungsgerät 2 negativ
beeinflusst wird.
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Die Bearbeitungsbahn B ist in der
in 1 gezeigten Speichereinheit 2.4 der
Steuerungseinheit 2.3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in
Form von zeitlich um den Wert T beabstandeten Koordinatenwerten
gespeichert. Zur Bestimmung des Bewegungsschlauchs B'' dient die ebenfalls in 1 gezeigte Bestimmungseinheit 2.5.
Zur zeitlich und/oder räumlich
optimierten Bewegungssteuerung des Handhabungsgeräts 2 innerhalb
des Bewegungsschlauchs B'' dienen die ebenfalls
in 1 gezeigten Prozessormittel 2.7,
die mit den Bestimmungsmitteln 2.6 zusammenwirken, mittels
derer durch dynamisches Bestimmen einer relativen Pose (Ort und
Ausrichtung) zwischen der Werkzeugspitze der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und einer Summe aus den Koordinatenwerten der Bearbeitungsbahn B
und den zugehörigen
Abweichungen ΔB
sichergestellt ist, dass die Bearbeitungsbahn B trotz dynamischer
Anpassung der Roboterbewegung B' und/oder
der Eigenbewegungen X, Y, Z des Werkzeugs 3 jederzeit eingehalten
wird.
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Zu diesem Zweck übermittelt die Steuerungseinheit 2.3 (1) nach erfolgter Optimierung der
Bewegungsbahn B' angepasste
Steuersignale an die Steuerungseinheit 3.7 des Werkzeugs 3.
So können
die Eigenbewegung X, Y, Z des Werkzeugs 3 die Bewegungsbahn
B' zur Bearbeitungsbahn
B "ergänzen".
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Die 4 zeigt
eine weitere mögliche
Bewegungsbahn B' des
Handhabungsgeräts 2 zum
Abfahren der vorgegebenen, kreuzförmigen Bearbeitungsbahn B der 3. Beim Ausführungsbeispiel
der 4 wird ausschließlich der
innerhalb der Kontur der Bearbeitungsbahn B liegende Bereich des
Bearbeitungsschlauchs B'' ausgenutzt. Eine
derartige Bewegungsführung
des Handhabungsgeräts 2 ist
insbesondere dann von Vorteil, wenn weitläufigere Roboterbewegungen B' aufgrund äußerer Hindernisse nicht
realisierbar sind oder in anderer Weise eine besonders bauteiloptimierte
Bewegungsbahn B' erforderlich
oder angestrebt ist.
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Die 5 zeigt
schematisch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
bei einer Werkstückbearbeitung,
bei der die Werkzeugspitze keine einfach zusammenhängende Bahn
auf dem Werkstück
abfährt;
vielmehr ergibt sich die Bearbeitungsgeometrie J der 5 als Abfolge stückweise
zusammenhängender
Geometrieteilstücke
BJ, BJ' im Rahmen einer sogenannten
Sprungfunktion. Zwischen den zusammenhängenden Teilstücken BJ führt
die Werkzeugspitze eine Sprungbewegung J' durch, die mit 100 bis 1000-fach höherer Geschwindigkeit
als die Bearbeitungsbewegung während
der Bewegung auf den Teilstücken
BJ, BJ' erfolgt, so dass
keine Prozesszeit verloren geht. Bei Sprungfunktionen können beliebige
Bearbeitungsgeometrien (auch in drei Dimensionen) mit einer Roboterbewegung
aus der zuletzt abgearbeiteten Bahnfunktion (Bearbeitungsmodus mit
einfach zusammenhängender
Bahn) angesprungen werden. Da die Sprünge eine geringe zeitliche Dauer
besitzen (wenige μs),
ist es möglich,
die Laserleistung während
der Sprünge
nicht vollständig
wegzuschalten, sondern lediglich durch sogenannte Rampen herunterzusetzen.
Da die Sprünge
mit höherer
Geschwindigkeit erfolgen als die Bearbeitungsbewegungen (s.o.),
sind dann auf den Werkstücken keine
Laserspuren zu sehen. Die Geometrien können sich von Sprung zu Sprung
unterscheiden, so dass auch Schriften oder Graphiken erzeugt werden können. Ein
weiteres Beispiel für
die Anwendung von Sprungfunktionen ist eine Abfolge isolierter,
d.h. räumlich
voneinander getrennter Schweißpunkte.
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Die 6 zeigt
anhand eines Ablaufdiagramms den Ablauf eines erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens
mittels eines mit einem Laser-Bearbeitungswerkzeug 3 ausgestatteten
Industrieroboters 2. Das in 6 dargestellte
Steuerungsverfahren läuft
erfindungsgemäß in der
Steuerungseinheit 2.3 des in 1 dargestellten
Handhabungsgeräts 2 ab.
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Ausgangspunkt des Verfahrens ist
in Schritt S1 eine Ermittlung des Robotertyps (Achsenzahl) ggf.
des zur Bewegungssteuerung eingesetzten Koordinatensystems (z.B.
kartesisch). Anschließend
erfolgt in Schritt S2 die Abfrage, ob das eingesetzte Laser-Bearbeitungswerkzeug 3 drei
unabhängige
Freiheitsgrade der Bewegung, hier speziell zwei Spiegelachsen F7, F8 und eine Fokusachse
F9, aufweist. Wird die Abfrage S2 verneint
(n), so erfolgt die Bewegung der Werkzeugachsen nach dem Stand der Technik
wahlweise synchron oder asynchron zur Roboterbewegung S3. Anderenfalls
erfolgt in Schritt S4 die Abfrage, ob eine synchrone Werkzeugsteuerung (Spiegel-Fokus-Steuerung)
durch die Steuerungseinheit 2.3 des Roboters 2 übernommen
werden soll. In diesem Fall erfolgt in Schritt S5 die Abfrage, ob
zwischen Roboter und Werkzeug eine Bewegungskoordination stattfinden
soll.
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Unter einer synchronen Werkzeugsteuerung gemäß Schritt
S4 ist eine übergeordnete
Bahnplanung zu verstehen, die dem Roboter und den Spiegeln synchron
die anzufahrenden Positionen mitteilt. Dies geschieht beispielsweise
im IPO-Takt durch einen externen Rechner in Schritt S6 (s.u.), der
den Takt für
beide Bewegungssteuerungen (Roboter und Werkzeug) synchron angibt.
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Bei der Bewegungskoordination gemäß Schritt
S5 setzt sich das Positionssystem der Spiegelsteuerung auf das dreidimensionale
Tooldatensystem (TCP-Koordination) des Roboters auf.
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Wird eine der beiden Abfragen S4,
S5 verneint, so erfolgt in Schritt S6 eine Koordination und Bewegungsführung der
Achsen durch eine externe Steuerungseinheit (nicht dargestellt).
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Werden beide Abfragen S4, S5 bejaht,
so erfolgt in Schritt S7 eine weitere Abfrage dahingehend, ob die
vorgegebene Bearbeitungsbahn B identisch einer Einwirkungsbahn,
hier einer Laserbahn, ist. Bei Bahnfunktionen, d.h. Bearbeitungsmodi
mit zusammenhängender
Bearbeitungsgeometrie, liegt die Bearbeitungsbahn in der Regel außerhalb
der Roboterbahn, um Geschwindigkeitsvorteile der Spiegel zu nutzen.
Es ist jedoch auch ein Bearbeitungsmodus möglich, bei dem sich die Bearbeitungsgeometrie quasi
auf der Roboterbahn befindet und nur Ecken oder enge Radien der
Kontur in einem "Überschleifmodus" der TCP-Bewegung
bearbeitet werden. Dabei fährt
der Roboter längs
einer Bewegungsbahn, die z.B. Ecken der Bearbeitungskontur "abschneidet", ähnlich wie
in 3 bei Bezugszeichen 6 dargestellt,
wobei die Roboterbahn auch eine bogenförmige im Raum ("Überschleifkugel") sein kann. Die Spiegel
fahren als Bearbeitungsbahn den vorgesehenen (geteachten) Umkehrpunkt,
d.h. den Eckpunkt an. Dabei kann sich, was die Bearbeitungskontur
anbelangt, eine Ecke in diesem Punkt ergeben, die abhängig von
den zuvor und danach gegebenen Punkten frei im (dreidimensionalen)
Raum liegt. Wird die Abfrage S7 verneint, so ist es in Schritt S8
möglich, im
Rahmen sogenannter Sprungfunktionen einzelne definierte Abweichungen
von einer Bearbeitungsbahn zuzulassen (5). In diesem Fall beginnt mit Schritt
S9 direkt anschließend
die koordinierte Bewegung von Werkzeug (Scanner) 3 und
Handhabungsgerät 2.
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Für
den Fall, dass in Schritt S7 eine Identität von Bearbeitungsbahnen B
und Laserbahn bejaht wurde, schließen sich an Schritt S7 anstelle
des vorstehend beschriebenen Schrittes S8 nacheinander die folgenden
Verfahrensschritte S8.1 bis S8.4 an: Zunächst werden in Schritt S8.1
die Bearbeitungsbahn B (und die Laserbahn) in diskrete Punktfolgen von
Koordinatenwerten auf der Grundlage eines Zeitrasters nach Maßgabe durch
die erreichbaren IPO-Takte des Handhabungsge räts 2 bzw. dessen Steuerungseinheit 2.3 zerlegt.
Das heißt
konkret, dass die Koordinatenwerte von jeweils in einem zeitlichen
Abstand T (3) nacheinander
einzunehmenden Positionen bestimmt und in einer Speichereinheit 2.4 der
Steuerungseinheit 2.3 abgelegt werden, beispielsweise in
Form einer Datenbank. Anschließend
wird in Schritt S8.2 für
jeden IPO-Takt eine Bahndifferenz zwischen der vorgegebenen Bearbeitungsbahn
B und einer geteachten Roboterbahn bestimmt, deren Koordinatenwerte
ebenfalls in der Speichereinheit 2.4 der Steuerungseinheit 2.3 gespeichert
sein können.
In Schritt S8.3 wird für
die vorgegebenen Bearbeitungsbahn B in der Bestimmungseinheit 2.5 (1) der vorstehend anhand
der 3 beschriebene Bewegungsschlauch
B'' berechnet.
-
Die Bahndifferenzen werden anschließend in Schritt
S8.4 durch die Bestimmungsmittel 2.6 mit den maximal zulässigen Abweichungen ΔB von der
Bearbeitungsbahn B verglichen, woraufhin die geteachte Bahnbewegung
des Handhabungsgeräts
und davon abhängig
die Eigenbewegungen des Werkzeugs, d.h. die Spiegelstellungen und
der Laserfokus ggf. derart angepasst werden, dass die Bewegungsbahn B' des Roboters innerhalb
des in 3 definierten Bewegungsschlauches
B'' liegt.
-
In Schritt S8.4 sorgt weiterhin eine
Minimierungsautomatik für
die IPO-Punkte P (3, 4) dafür, dass in Abschnitten der
Bewegungsbahn B, in denen sich eine Bearbeitungsgeschwindigkeit
bzw. eine Richtung der Bearbeitungsbahn B nicht oder nur unwesentlich
verändert,
mit einer möglichst
geringen Anzahl von IPO-Punkten (Koordinatenwerten) und entsprechend
längeren
IPO-Takten gearbeitet wird. Es ist auf diese Weise möglich, in
derartigen Bereichen das Handhabungsgerät 2 mit extrapolierten
Koordinatenwerten schneller zu bewegen.
-
Die Technik der Minimierungsautomatik
bezieht sich auf die Reduzierung der IPO-Punkte auf der Roboterbahn.
Beispielsweise benötigt
man für eine
geradlinige Bewegung des TCP nur zwei Stützpunkte. Bei engen Kurven
mit hoher Geschwindigkeit sind z.B. bei hoher geforderter Genauigkeit
eine Vielzahl von Bahnstützpunkten
im IPO-Takt erforderlich. Wird die Bahnbeschwindigkeit oder die
zu erreichende Bahngenauigkeit gesenkt, so reichen eventuell weniger
Bahnstützpunkte
auf der Roboterbahn aus. Die Minimierungsautomatik richtet sich
nach der gewünschten
Genauigkeit des Systems und wählt
offline die maximal notwendigen Bahnstützpunkte auf der Roboterbahn
aus. Die Spiegel selbst werden jedoch in einem Vielfachen des IPO-Taktes
angefahren.
-
An Schritt S8.4 anschließend erfolgt
in Schritt S8.5 eine Abfrage, ob zusätzliche Bearbeitungsgeometrien
abseits der eigentlichen Bearbeitungsbahn B angefahren werden sollen.
Darunter ist folgendes zu verstehen: Fährt eine erfindungsgemäße Vorrichtung
Bahnfunktionen, wie längere
Nähte (auch
abseits der Roboterbahn), so kann als nächster Bearbeitungsmodus auch
eine Sprungfunktion folgen, danach wieder eine längere Naht (also eine Bahn)
usw. Türecken
werden beispielsweise als Naht geschweißt; danach folgen fünf klammerartige
Kanten, die Schweißpunkte
ersetzen. Auf dieser Weise können
Bahnfunktionen und verschiedene Geometrien gemischt werden, z.B.
Linien, Kreise, Klammern, Buchstaben, ASCII-Zeichen und die daraus
erzeugbaren zwei- und dreidimensionalen Geometrien. Wird dies Abfrage
bejaht, so werden die bereits vorstehend erläuterten Schritte S8 und S9
ausgeführt, anderenfalls
beginnt direkt an S8.4 bzw. S8.5 anschließend die koordinierte Bewegung
von Werkzeug 3 und Roboter 2 in Schritt S9.
-
- 1
- Vorrichtung
zum Bearbeiten von Werkstücken
- 2
- Handhabungsgerät/Roboter
- 2.1
- Roboterarm
- 2.2
- distales
Ende (von 2.1)
- 2.3
- Steuerungseinheit
- 2.4
- Speichereinheit
- 2.5
- Bestimmungseinheit
- 2.6
- Bestimmungsmittel
- 2.7
- Prozessormittel
- 2.8
- Übertragungsmedium
- 3
- Werkzeug/Laser-Bearbeitungswerkzeug
- 3.1
- Scannersystem
- 3.2,
3.3
- Ablenkspiegel
- 3.4,
3.5
- Antrieb
- 3.6
- Fokussieroptik
- 3.7
- Steuerungseinheit
- 3.8
- Einkopplungselement
- 4
- Werkstück
- 5
- Laserstrahl
- 6,
6'
- Abschnitt
(von B)
- B
- Bearbeitungsbahn
- B'
- Bewegungsbahn
- B''
- Bewegungsschlauch
- ΔB
- Abweichung
- BJ, BJ'
- zusammenhängende Teilstücke
- E
- Einkopplung
(des Laserstrahls 5)
- F1–F9
- Freiheitsgrad
- J
- Bearbeitungsgeometrie
(Sprungfunktion)
- P
- IPO-Punkt
- S1–S9
- Verfahrensschritte
- t
- Bearbeitungszeit
- T
- IPO-Taktzeit
- X,
Y, Z
- kartesische
Koordinate