DE19901334A1 - Einrichtung zur Erfassung der Position eines handgeführten Werkzeugs - Google Patents

Abstract

Die optische Positionserfassung eines handgeführten Werkzeugs ist problematisch; es wird oft durch Hindernisse verdeckt. Die neue Einrichtung ermöglicht die Positionserfassung auch dann, wenn keine Sicht zum Arbeitsort besteht. DOLLAR A Die Position des Werkzeugs wird durch ein Sensorsystem am Werkzeug und einen Rechner verfolgt. Es ist vorteilhaft, hierfür Trägheitssensoren zu verwenden und den Bewegungsablauf an bekannten Referenzpunkten zu korrigieren. Als Referenzpunkte können auch bekannte Arbeitspunkte dienen. DOLLAR A Die Einrichtung ermöglicht die Kontrolle von Arbeitsabläufen. Es wird zuverlässig festgestellt, ob die Arbeiten an den gewünschten Orten ausgeführt wurden. Dies ist insbesondere für den Nachweis von sicherheitsrelevanten Arbeiten von Bedeutung.

Description

Es ist bekannt, ein Werkzeug an einem Koordinatentisch zu führen. Die jeweilige Position in X-, Y- und Z-Richtung kann über Skalen abgelesen werden oder elektronisch über sog. Inkremen­ talgeber erfaßt werden.

Desweiteren kann nach dem allgemeinen Stand der Technik an dem Werkzeug eine optische Markierung angebracht und die Position des Werkzeugs mit einer oder mehreren Kameras verfolgt bzw. durch Bildauswertung mit Rechnern erfaßt werden. In dem Moment, in dem mit dem Werkzeug die vorgesehene Arbeit durchgeführt wird, kann die Position aufgenommen und gespeichert werden.

Die DE 39 11 054 C2 beschreibt ein führerloses Förderfahrzeug, das sich immer wieder an diskreten Navigationsstützpunkten in der Fahrbahn orientiert. Es ist hier nicht im Detail darge­ stellt, aber naheliegend, daß zur Führung zwischen den Navigationsstützpunkten odometrische Sensoren, z. B. Radimpulsgeber oder Lenkwinkelgeber und ggf. auch Trägheitssensoren ver­ wendet werden.

Das bildverarbeitende System hat den Nachteil, daß das Werkzeug immer im Blickfeld der Ka­ mera sein muß. In der Praxis ist es von Nachteil, daß der Werkzeugführer selbst, das Werk­ stück oder Arbeitsobjekt bzw. Teile davon oder andere Gegenstände die Sicht zum Werkzeug bzw. zur Markierung verhindern.

Fahrzeuge, die sich an diskreten Navigationsstützpunkten orientieren können, bewegen sich entlang einer vorgegebenen Linie in einem zweidimensionalen Raum. Die Position wird mit ei­ ner fahrzeuginternen Sensorik gemessen und bei einem Fehler im weiteren Fahrverlauf, korri­ giert. Der Navigationsstützpunkt ist so ausgebildet, daß er bei Annäherung die fahrzeuginterne Sensorik beeinflußt. Werkzeuge sind aber im allgemeinen nicht mit einer solchen Sensorik ausgerüstet; des weiteren verfügen die Arbeitsorte auch nicht über die physikalischen Eigen­ schaften eines Navigationsstützpunktes.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einfachen Mitteln und zuverlässig die Position eines handgeführten Werkzeugs zu erfassen.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die jeweilige Position des handgeführten, also mindestens in einer Achse frei von einer Person bewegten Werkzeugs durch ein Sensorsystem und einen Rechner erfaßt, bzw. ermittelt wird. Es ist nicht notwendig, das zu bearbeitende Objekt mit besonderen Navigationsstützpunkten auszustatten oder am Werkzeug eine Sensorik vorzusehen, mit der das Signal von einem solchen Navigationsstütz­ punkt gemessen wird. Als Ersatz für den Navigationsstützpunkt oder auch Referenz dient das Arbeitsobjekt selbst. Mögliche Arbeitsorte an dem Objekt sind entweder als Fläche wie bei einer Wand, als Gerade wie bei einer Schiene oder allgemein als Ort durch drei Achsen definiert. Es ist also auch der Arbeitsort in seine Position bekannt. Das Objekt kann ein Werkstück, prinzipiell aber sogar ein Lebewesen sein.

Nach Anspruch 2 wird zur weiteren Beschreibung des Arbeitsortes auch die notwendige Richtung des Werkzeuges an diesem Ort benutzt.

Der Arbeitsprozeß wird nach Anspruch 3 an einer bekannten Position gestartet. Hierdurch ist eine Referenzbasis für das Messen mit dem Sensorsystem gegeben. Die bekannte Position kann eine stationäre Einrichtung sein. Es ist aber auch möglich, das Werkzeug in der Bewegung z. B. mit einer Kamera zu erfassen und dadurch den Ort und ggf. auch die Orientierung, Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit zu bestimmen und den Arbeitsprozeß im Augenblick der Erfassung des bewegten Werkzeugs zu beginnen.

In vielen Arbeitsprozessen ist es gewünscht, daß bekannte Arbeitsorte oder Arbeitspositionen mit dem Werkzeug angefahren werden. Nach Anspruch 4 kann mit der Einrichtung überprüft werden, ob die gewünschten Arbeitsorte abgearbeitet wurden.

Für ein frei bewegliches Werkzeug ist es nach Anspruch 5 vorteilhaft, daß das Sensorsystem mit Trägheitssensoren arbeitet. Somit sind keine festen Meßverbindungen zu einer stationären Position notwendig. Der Arbeitsablauf wird an einer bekannten Position gestartet. Hierzu wer den die Trägheitssensoren zunächst zurückgesetzt. Die Trägheitssensoren sind nicht lang­ zeitstabil, sonder in der Regel nur für kurze Bewegungsabläufe geeignet. Sie müssen daher möglichst häufig über bekannte Positionen oder Bewegungsabläufe kontrolliert werden.

Der Einfachheit halber bietet es sich natürlich an, Trägheitssensoren dann an einen bekannten Punkt in Ruhe, bzw. relativ ruhiger Lage, zurückzusetzen. Die Startposition kann selbst ein Ar­ beitsort sein. An jedem neuen Arbeitsort wird die Trägheitssensorik wieder zurückgesetzt. Dies ist dann möglich, wenn die Position dieser Arbeitsorte und ggf. auch die hier notwendige Wek­ zeugrichtung bekannt sind und somit geringe Fehler der Trägheitssensorik, die bei der Bewe­ gung von einem Arbeitsort zum nächsten auftreten, wieder ausgeglichen werden können. Der Arbeitsprozeß wird fortgesetzt bis zum letzten Arbeitsort.

Es ist nach Anspruch 6 vorteilhaft, daß durch diese Einrichtung die Qualitätssicherung, z. B. in der Montage, gewährleistet werden kann. Die einzelnen Arbeitsschritte können dokumentiert werden.

Nach Anspruch 7 kann festgestellt werden, daß die Arbeit richtig ausgeführt wurde. Hierzu können weitere Sensoren verwendet werden, die möglicherweise die Verweildauer am Arbeits­ ort, das Drehmoment, Kräfte, Stromfluß oder andere Qualitätsmerkmale erfassen. Das zu bearbeitende Objekt befindet sich in einer bekannten Lage befindet. Das Objekt muß nicht unbedingt stationär sein, es ist auch möglich, daß das Werkstück mit festgelegter Ge­ schwindigkeit von einem schienengeführten System transportiert wird. Das Werkstück kann auf vielfältige Weise bearbeitet werden, z. B. durch Schrauben, Bohre, Nieten, Schweißen, Do­ sieren, Gewindeschneiden und dergleichen.

Der Rechner kann sich nach Anspruch 8 am Sensorsystem befinden. Dadurch ist eine relativ ungestörte Verbindung zwischen Rechner und Sensorsystem möglich. In anderen Fällen ist es besser, den Rechner an einer geschützten, stationären Position unterzubringen. Die Verbin­ dung zwischen Rechner und Sensorsystem kann dann über möglichst flexible Leitungen oder auch drahtlos hergestellt werden.

Es ist bekannt, daß Personen bei der Arbeit Fehler machen können. Nach Anspruch 9 ist es daher vorgesehen, daß der Werkzeugführer in diesem Fall informiert wird. Das Vergessen des Arbeitsortes wird dadurch ermittelt, daß der Arbeitsort vom Werkzeugführer nicht angefahren wurde. Ob eine Arbeit richtig oder falsch ausgeführt wurde, kann durch sonstige Sensorik, z. B. Kraftsensoren und Zeitmesser, festgestellt werden.

Es ist, möglich, daß das Sensorsystem durch falsche Bedienung, z. B. Überschreitung der Meß­ zeit oder Schockbelastung irritiert wird. Die Bewegung von einem ersten zum zweiten Arbeitsort kann dann mit diesem Sensorsystem nicht mehr richtig kontrolliert werden. Es ist nach An­ spruch 10 aber möglich, daß dann von dem dritten Arbeitsort die Position zudem zweiten Ar­ beitsort überprüft wird. Auch hier ist dabei davon auszugehen, daß z. B. die Position der Ar­ beitsorte an sich bekannt ist, und daß bei Verwendung von Trägheitssensorik an diesen Ar­ beitsorten bei Bedarf eine Rücksetzung erfolgen kann.

Bei komplizierten Werkstücken oder Arbeitsobjekten ist es leicht möglich, daß der Werkzeug­ führer einen Arbeitsort vergißt oder den nächsten Arbeitsort nicht sofort findet. Nach Anspruch 11 ist es daher hilfreich, wenn dem Werkzeugführer mitgeteilt wird, wo sich der nächste Ar­ beitsort befindet. Ob sich am Werkzeug eine optische, akustische, taktile oder sonstige Ein­ richtung befindet, die ihm die Position oder Richtung des nächsten Arbeitsortes zeigt, ist nicht festgelegt.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

In der Figur ist der Bewegungsablauf des Schraubers (13) an einer Maschine (12) abgebildet. Der Schrauber (13) wird für den Arbeitsprozeß beispielsweise mit einer Aufnahme für 8 mm Schrauben und mit einer Sensorik zur Erfassung der Drehmomente (14) ausgerüstet. Der Schrauber verfügt des weiteren über eine Trägheitssensorik (15), die z. B. mit drei translatori­ schen und drei rotatorischen Beschleunigungssensoren bzw. Drehratensensoren ausgestattet ist. Es sind natürlich auch andere Sensorkombinationen möglich.

Der Arbeitsprozeß beginnt mit dem automatischen oder manuell durchgeführten Rücksetzen an der Startposition (1). An dem ersten Arbeitsort (2) wird eine Schraube M8 angezogen und da­ bei das Drehmoment festgestellt. Die Räumkoordinaten des ersten Arbeitsortes sind bekannt. Eventuell sind auch die für die Arbeit notwendige Arbeitsrichtung und das erforderliche Drehmoment bekannt. Möglicherweise hat die Trägheitssensorik (15) mit dem Rechner (16) eine Position ermittelt, die 10 mm neben der Position des ersten Arbeitsortes (2) liegt. Dieser Fehler ist evtl. der Trägheitssensorik (15) zuzuschreiben, aber noch tolerierbar.

Es wird nun an das Qualitätssicherungssystem gemeldet, daß der erste Arbeitsort 2 richtig an­ gefahren und die Arbeit richtig ausgeführt wurde. Das gemessene Drehmoment liegt im ge­ wünschten Bereich. Die Trägheitssensorik (15) wird zurückgesetzt. Der erste Arbeitsort (2) dient jetzt als Referenz für die weitere Weg- bzw. Positionsberechnung.

Nun wird die Arbeit in bekannter Weise am zweiten Arbeitsort (3) mit dem Befestigen der näch­ sten Schraube M8 fortgesetzt.

Nach dem Abarbeiten des dritten Arbeitsortes (4) möchte der Werkzeugführer den vierten Ar­ beitsort (6) anfahren. Dabei stößt er an ein Hindernis (5). Das Sensorsystem ist jedoch nicht ausgelegt für derartige Schocks. Die Position des vierten Arbeitsortes (6) kann daher nicht ge­ nau ermittelt werden. Die Abweichung ist zu groß. Nach Anfahrt des fünften Arbeitsortes (7) kann jedoch verifiziert werden, daß die Strecke zwischen dem vierten und, fünften Arbeitsort (6, 7) mit akzeptabler Sicherheit erfaßt wurde.

Nach Bearbeitung des sechsten Arbeitsortes (8) versucht der Werkzeugführer den siebten Ar­ beitsort (10) anzufahren. Er findet ihn jedoch nicht gleich, sondern benötigt eine Suchphase (9). Durch diesen großen Zeitraum wird der siebte Arbeitsort (10) nicht mehr genau erfaßt. Wie aber auch schon zuvor kann der siebte Arbeitsort (10) durch Rückführung des Schraubers (13) an die Startposition (1) zurückverfolgt werden.

Es ist aus dem Bewegungsablauf zu sehen, daß der Werkzeugführer den achten Arbeitsort. (11) vergessen hat. Je nach Ausstattung der Einrichtung ist es möglich, daß dem Werkzeug­ führer nicht nur angezeigt wird, daß erden achten Arbeitsort (11) vergessen hat, sondern daß ihm auch z. B. akustisch oder über ein Display mitgeteilt wird, daß er einen Arbeitsort rechts unten an der Maschine, möglicherweise neben einem markanten Teil, noch durchzuführen hat.

Bei der Startposition (1) handelt es sich hier um eine Halterung für den Schrauber (13). Des weiteren ist daneben der Rechner (16) dargestellt, in dem auch die Positionen und eventuell Arbeitsrichtungen der abzuarbeitenden Arbeitsorte an der Maschine (12) abgespeichert sind.

Der Rechner (16) ist mit dem Schrauber (13) bzw. dem Sensorsystem - in diesem Fall der Trägheitssensorik (15) - über Funk oder Leitung verbunden. Der Rechner (16) ermittelt durch die Signale von der Trägheitssensorik (15) den Weg, bzw. letztendlich die jeweilige Position der Trägheitssensorik (15). Wichtig ist die Ortsermittlung, wenn der Schrauber (13) an einem der Arbeitsorte eingeschaltet wird. Die ermittelten Orte müssen mit den bekannten Arbeitsorten überprüft werden. Der Rechner (16) meldet die Ergebnisse an ein nicht dargestelltes Qualitäts­ system zur Dokumentation. Auch die Richtung des Schraubers (13) kann bei Bedarf benutzt werden, um die Qualität der Arbeit zu dokumentieren und/ oder die Trägheitssensorik (15) an einen Arbeitsort zurückzusetzen. Der Schrauber (13) muß am Arbeitsort auf die Achse der Schraube ausgerichtet sein.

An sich möchte man mit der Trägheitssensorik (15) die Lage des Arbeitsortes feststellen. Deshalb sollte die Trägheitssensorik auch möglichst dicht an den Arbeitsort herangebracht werden. Die Differenz zwischen Arbeitsort und Ort der Trägheitssensorik (15) kann rechnerisch berücksichtigt werden. Mit zunehmender Differenz werden im allgemeinen auch die Fehler größer. Praktisch bietet es sich deshalb an, die Trägheitssensorik (15) möglichst weit vorn am Schrauber (13) zu plazieren.

Claims (11)

1. Einrichtung zur Erfassung der Position eines handgeführten Werkzeugs, bestehend aus ei­ nem Rechner und einem Sensorsystem,
dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Sensorsystem sich im, am oder in der Nähe des Werkzeuges befindet,
• - daß Positionsänderungen des Werkzeugs von dem Sensorsystem erfaßt werden,
• - daß zur Positionsermittlung ein Rechner verwendet wird,
• - daß die Lage eines oder mehrerer möglicher Arbeitsorte an einem zu bearbeitenden Objekt bekannt ist und
• - daß die ermittelte Position mit den möglichen Arbeitsorten an dem bekannten Objekt ver­ glichen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Richtung des Werkzeugs in mindestens einer Achse erfaßt wird und
• - daß verglichen wird, ob diese Richtung an diesem Arbeitsort zulässig ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Arbeitsablauf von einer bekannten Position aus gestartet wird.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß kontrolliert wird, ob die jeweiligen Arbeitsorte abgearbeitet wurden.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Sensorsystem mit Trägheitssensoren arbeitet,
• - daß die Trägheitssensoren an einer bekannten Position zurückgesetzt werden,
• - daß die Positionsänderung zu einem bekannten Arbeitsort mit den Trägheitssensoren er­ faßt wird,
• - daß die Trägheitssensorik sodann auch an diesen bekannten Arbeitsort wieder zurückge­ setzt wird und
• - daß daraufhin die Positionsänderung zu den nächsten bekannten Arbeitsorten in gleicher Weise erfaßt wird.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Einrichtung zur Qualitätssicherung in der Montage verwendet wird und
• - daß mit der Einrichtung überprüft wird, ob die gewünschten Arbeiten tatsächlich durchge­ führt wurden.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß an den Arbeitsorten registriert wird, ob die Arbeit richtig ausgeführt wurde und
• - daß weitere Sensoren verwendet werden, die Qualitätsmerkmale der Arbeit erfassen.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Rechner sich am Sensorsystem oder an einer stationären Position befindet und
• - daß die Datenübertragung zwischen Sensorsystem und Datenverarbeitungssystem lei­ tungsgebunden oder drahtlos erfolgt.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugführer informiert wird, wenn er einen Arbeitsort vergessen oder die Ar­ beit hier falsch ausgeführt hat.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Position eines Arbeitsortes auch rückwärts von dem nächsten Arbeitsort bzw. der Ablageposition kontrolliert werden kann.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß sich an dem Werkzeug eine Einrichtung befindet, die den Werkzeugführer zum näch­ sten Arbeitsort oder zu einem Arbeitsort, der vergessen oder falsch ausgeführt wurde, führt.