DE19829661A1

DE19829661A1 - Verfahren zur rechnergestützten Erzeugung von Steuerbefehlssequenzen für Roboter

Info

Publication number: DE19829661A1
Application number: DE1998129661
Authority: DE
Inventors: Georg Prof Stark
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1998-07-02
Publication date: 1999-04-22

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Erzeugung von Steuerbefehlsse quenzen für Roboter.

Ein Bespiel ist die Steuerung eines Schweißroboters bei komplexen Werkstücken in der Ein zelteilfertigung. Die Kontur der Schweißnaht muß mit hoher Genauigkeit erfaßt werden. Weiter ist wichtig, daß die Prozeßparameter, wie z. B. Geschwindigkeit, Pendelhub, Schweiß strom, Drahtvorschub, den aktuellen Eigenschaften des Werkstückes, z. B. Spaltbreite, ange paßt werden.

Bisher sind für die Erstellung und anschließende Ausführung von Roboterbefehlssequenzen drei Arten von Verfahren im Einsatz:

1. Teachen, Roboter ohne Bahnverfolgungssensor
Beim sog. Teachen wird die Geometrie eines Werkstücks mit Hilfe des Roboters als Meßmaschine erfaßt. Die Prozeßparameter werden durch den Bediener numerisch vor gegeben.
2. Teachen, Roboter mit Bahnverfolgungssensor
Das Verfahren erfolgt wie bei 1.). Die Programmierung der Bewegungsbahn kann un genauer, mit weniger Zeitaufwand und Qualifikation erfolgen, da die Bewegung wäh rend der Ausführung durch den Sensor der aktuellen Kontur angepaßt wird.
3. Off-line Erstellung von Steuerbefehlssequenzen mit Hilfe eines CAD-Modells.
Die Geometrie der Bewegungsbahn wird auf Grund eines CAD-Modells ermittelt. Die Prozeßparameter werden durch den Bediener numerisch vorgegeben.

Die Nachteile dieser Verfahren können wie folgt charakterisiert werden:
zu 1. Das Verfahren ist zeitaufwendig, erfordert hohe Qualifikation und belegt den Roboter während der Erfassung des Werkstücks. Dies ist ein wesentlicher Gesichtspunkt beim Einsatz in kleinen Unternehmen.
zu 2. Ein industrietaugliches Sensorsystem ist ein hoher Kostenfaktor. Der Wartungs- und Betreuungsaufwand ist hoch. Der Sensor erbringt keine globale Werkstückinformation.
zu 3. Das CAD-Modell ist in der Regel zu ungenau. Oberflächenspezifische Information, z. B. Verschmutzungsgrad, Rauhigkeit, werden nicht geliefert.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile teilweise zu beseitigen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Kombination der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.

Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, daß das Werkstück durch ein dreidimen sional wirkendes, optisches Aufnahmesystem erfaßt wird. Die so gewonnenen Daten be schreiben sowohl die exakte dreidimensionale Geometrie des Werkstücks (Flächen, Kanten), aber auch weitere Eigenschaften wie Oberflächenbeschaffenheit, wie z. B. Farbe, Rauhigkeit, Reflexions- und Absorptionseigenschaften. Mit Hilfe einer geeigneten Aufgabenbeschreibung können aus den gewonnenen Objektdaten Befehlssequenzen zur Steuerung der Roboterpro zesse, insbesondere der Bewegungs- und des Verarbeitungsprozesse, abgeleitet werden. Der gesamte Programmiervorgang kann im Grundsatz automatisch erfolgen.

Vorteile, durch die sich die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik auszeichnet, sind insbesondere folgende:

1. Globale dreidimensionale Bilderfassung

- Es kann eine globale Bahn- und Prozeßplanung durchgeführt werden.
- Dies führt zu kürzeren Ausführungszeiten, schonenderer Maschinenbelastung und besserer Produktqualität.

2. Bildvermessung außerhalb des Arbeitsraums des Roboters

- Das Bilderfassungssystem muß nicht für die in der Regel rauhen Umgebungsbedin gungen im Arbeitsraum eines Roboters ausgelegt sein.
- Während der Erfassung des Werkstücks wird das kapitalintensive Robotersystem nicht blockiert. Die Maschinenauslastung wird dadurch verbessert. Dies ist beson ders in Kleinunternehmen ein wichtiger Gesichtspunkt.

3. Ableitung und Zuordnung von Prozeßparametern

- Aus der 3D-Bildinformation lassen sich wichtige geometrische Merkmale, z. B. Spaltbreite, ermitteln. Diese dienen der Festlegung von Prozeßparametern wie z. B. Verfahrgeschwindigkeit, Pendelhub, Drahtvorschub.
- Zusätzlich können Oberflächen- und Werkstoffparameter, wie z. B. Rauhigkeit, Farbverteilung (erlaubt z. B. Rückschlüsse auf den Verschmutzungsgrad), Refle xions- und Absorptionseigenschaften bestimmt werden.

4. Aufgabenbeschreibung

- Die durchzuführende Fertigungsaufgabe kann durch eine abstrakte Aufgabenbe schreibung definiert sein.
- Mit Hilfe der konkreten Werkstückdaten, die durch das Bilderfassungssystem ermit telt werden, kann automatisch eine konkrete Aufgabenbeschreibung in Form einer konkreten Roboterbefehlssequenz erzeugt und ebenfalls automatisch in den Arbeits raum des Roboters umgesetzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Hierin zeigt Fig. 1 die einzelnen Verfahrensschritte bei der Durchführung. Fig. 2 zeigt die Systemstruktur eines Roboters, der mit einem 3D-Bildverarbeitungssystem gekoppelt ist.

1. Als erster Verfahrensschritt wird durch ein dreidimensional wirkendes optisches Aufnahme system das zu bearbeitende Werkstück außerhalb des Arbeitsraums des Roboters erfaßt. Dies kann z. B. mit kodiertem Lichtschnittverfahren erfolgen. Mehrere Aufnahmen können zu einem gemeinsamen 3D-Bild zusammengesetzt werden.
2. Mit Hilfe geeigneter Algorithmen, z. B. "Regionenexpansion", oder "Kantenextraktion mit Laplace-Operator", wird eine geometrische Darstellung der Teilflächen und Kanten des Werkstückes gewonnen.
3. Es wird eine abstrakte Aufgabenbeschreibung der durchzuführenden Fertigungsaufgabe eingelesen. Diese besteht einmal aus Geometriemodellen, die z. B. bei der CAD- Konstruktion des Werkstücks gewonnen werden können. Weiter enthält die Aufgabenbe schreibung eine Darstellung des Verarbeitungsprozesses. Diese besteht aus der Definition der Abläufe (sequentiell, gegebenenfalls parallel), den einzelnen Bearbeitungsoperationen und den Parametervariablen mit ihren Datenattributen. Alternativ kann die zu bearbeitende Fertigungsaufgabe, z. B. Schweißen bestimmter Nähte an einem Werkstück, bei den nach folgenden Verfahrensschritten Nr. 4, 5, 6 in Fig. 1 durch interaktive Bedienoperationen vor gegeben werden.
4. Mit Hilfe der Geometriemodelle der Aufgabenbeschreibung werden die zu bearbeitenden Kanten und Flächen des Werkstückes identifiziert und vermessen.
5. Auf Grund der für die Bearbeitung identifizierten Flächen und Kanten werden die Be fehlssequenzen für die Definition der Bewegungstrajektorien, z. B. Polygonzug, Kreisseg ment, abgeleitet.
6. Die konkreten Prozeßparameter, z. B. Verfahrgeschwindigkeit, Pendelhub, werden aus dem Prozeßmodell und den identifizierten Objekteigenschaften, z. B. Spaltbreite, Oberflä chenrauhigkeit, Farbverteilung, ermittelt.
7. Die generierten Steuerbefehlssequenzen werden anschließend in den Arbeitsraum des Ro boters übertragen. Insbesondere die in den Befehlen enthaltenen Geometriedaten, z. B. kar tesische Koordinaten, müssen auf das roboterspezifische Koordinatensystem umgesetzt werden. Dazu wird ein lokales Werkstückkoordinatensystem definiert, auf das alle Geome triedaten bezogen werden. Zusätzlich wird bei der Bilderfassung auch die Lage des lokalen Werkstückkoordinatensystems ermittelt. Dies erfolgt z. B. durch die Vermessung definierter Marken (Punkte), Kanten oder Flächen. Nachdem das Werkstück in den Arbeitsraum des Roboters transportiert worden ist, wird die Lage des lokalen Werkstückkoordinatensystems im Arbeitsraum des Roboters erneut bestimmt. Dies geschieht dadurch, daß Regelflächen (z. B. Ebene), die sich am Werkstück oder dem Werkstückträger befinden müssen, durch eine genügend große Anzahl an Meßpunkten identifiziert und berechnet werden. Durch die anschließende Berechnung der Schnittkurven (z. B. Geraden), wird das definierte lokale Koordinatensystem des Werkstücks, bezogen auf das Koordinatensystem des Roboters bestimmt. Mit diesen Informationen können die Geometriedaten in den Arbeitsraum des Roboters transformiert werden. Die erzeugte Steuerbefehlssequenz kann ausgeführt wer den.

Claims

1. Verfahren zur rechnergestützten Erzeugung von Steuerbefehlssequenzen für Roboter, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Erfassen der Oberflächenmerkmale eines Werkstückes einschließlich seines Werkstückträgers (soweit vorhanden) mittels eines dreidimensionalen Bilderfassungssystems.
b) Umsetzen des erfaßten Bildes in ein aus Teilflächen und Kanten bestehendes Oberflächenmodell des Werkstücks, einschließlich seines Werkstückträgers.
c) Einlesen einer Aufgabenbeschreibung für die Bearbeitung des Werkstücks durch den Roboter.
d) Ermitteln der Bewegungstrajektorie und der für die Definition des Bewegungs- und Verarbeitungsprozesses erforderlichen Parameter aus den erfaßten Oberflächenmerkmalen und der vorliegenden Aufgabenbeschreibung.
e) Erzeugung der Steuerbefehlssequenz für den Roboter zur Realisierung der Fertigungsaufgabe.
f) Festlegen eines lokalen Werkstückkoordinatensystems anhand des Oberflächenmodells des Werkstücks und des Werkstückträgers.
g) Nach Transport des Werkstückes, einschließlich des Werkstückträgers, in den Arbeitsraum des Roboters Ausmessen der Lage des Werkstückkoordinatensystems in bezug auf das Koordinatensystem des Roboters.
h) Umsetzung der Steuerbefehlssequenz in den Arbeitsraum des Roboters.