DE3143834A1

DE3143834A1 - "korrektursystem fuer die bahnsteuerung eines schweissroboters"

Info

Publication number: DE3143834A1
Application number: DE19813143834
Authority: DE
Inventors: Riichi Hiratsuka Kanagawa Abe; Seiji Isehara Kanagawa Tsujikado; Katsuji Tsuruta
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1980-11-17
Filing date: 1981-11-05
Publication date: 1982-06-24
Also published as: JPS5785674A; DE3143834C2; US4448342A; SE452966B; SE8106769L

Description

- VON KREISLER SCHaNWALO* " ESSHÖLd" FUES

VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreislert 1973

KABUSHIKI KAISHA Dr₁-In₉-

KOMATSU SEISAKÜSHO . Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden

Dr. J. F. Fues, Köln

3-6, Akasaka 2-chome Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln

Minato—ku Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln

Tokvo Tanan Dipl.-Ing. G. Selting, Köln

Tokyo, Japan Dr. H.-K. Werner, Köln

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHQF

D-5000 KÖLN 1

4. November 1981 Sg-fz

Korrektursystem für die Bahnsteuerung eines Schweißroboters

Die Erfindung betrifft ein Korrektursystem für die Bahnsteuerung eines Schweißroboters, mit einem eine Erkennung der Schweißfuge in einer bestimmten Richtung durchführenden Sensor zur Ermittlung des Positionsfehlers der Schweißkopfspitze gegenüber einer Schweißlinie in Bezug auf ein relativ zu dem Schweißkopf festes Koordinatensystem.

Beim Schweißen großer Werkstücke mit einem Schweißroboter können erhebliche Fehler auftreten, wenn Her Schweißroboter bei mehreren aufeinanderfolgenden

Werkstücken die Schweißnaht gemäß einer immer wiederholten Bahnsteuerung ausführt, weil infolge von Werkstückungenauigkeiten und Lageungenauigkeiten die Schweißnaht nicht selten um etwa 5 bis 10 mm von der Soll-Schweißlinie abweicht. Damit ist eine erhebliche

Telefon: (0221) 131041 ■ Telex: 8882307 dopa d · Telegramm: Dompatent Köln

Ungenauigkeit und Exemplarstreuung bei den Werkstücken verbunden. Es hat sich als schwierig erwiesen, auf diese Weise eine zufriedenstellende Schweißung durchzuführen.

Zur Vermeidung dieses Nachteils sind Schweißroboter entwickelt worden, die im on-line-Betrieb die tatsächliche Schweißlinie abtasten, indem sie den Positionsfehler der Schweißkopfspitze gegenüber der Soll-Schweißlinie durch. Überwachung des Schweißstromes oder durch überwachung des beim Schweißen erzeugten Entladungsbogens mit einer Fernsehkamera, die am Schweißkopf befestigt ist, überwachen.

Das Koordinatensystem zur Erkennung des Positionsfehlers hängt von der Art des Fehlerdetektors (im Folgenden als "Sensor" bezeichnet) ab. Beispielsweise erkennt cteitiäß Fig. 1a ein Sensor zur Überwachung des Schweißstromes ■ den Fehler in den Richtungen A-A' und B-B^f, die jeweils parallel und rechtwinklig in Bezug auf den Schweißkopf 3 verlaufen, während ein Sensor mit Fernsehkamera den Positionsfehler der Schweißkopfspitze in den Richtungen C-C* und D-D¹ erkennt, die unter einem Winkel von 45° zur Längsachse des Schweißkopfes 3 verlaufen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Koordinatensysteme zur Erkennung des Positionsfehlers der Schweißkopfspitze weichen also voneinander ab. Das Koordinatensystem der Fig. 1 und dasjenige der Fig. 2 werden im Folgenden als JJ-Koordinatensystem bzw. V-Koordinatensystem bezeichnet, um die Erläuterung zu vereinfachen. Im Stand der Technik ist es üblich, daß die Steuerachse des Roboters mit dem Koordinatensystem,in dem der Sensor die Positionswerte angibt, übereinstimmt, damit keine Differenzen in den

Koordinatensystemen bei Verwendung unterschiedlicher Sensorarten auftreten.

Bei Schweißrobotern, die eine derartige Steuerachse haben, sind jedoch die durchführbaren Schweißmöglichkeiten unvermeidlich stark eingeschränkt. In engen oder schwer zugänglichen Teilen kann auf diese Weise nicht geschweißt werden. Eine bekannte Vorrichtung zur Ermöglichung der Schweißung in engen Teilen weist einen Arm auf, der in der horizontalen und der vertikalen Kbene schwenkbar ist (Fig. 3a und b) und der zwischen einem Roboterkörper 5 und dem Schweißkopf 3 angeordnet ist.

Bei diesem bekannten System ist das Erkennungs-Koordinatensystem, nach dem der an dem Schweißkopf befestigte Sensor arbeitet, schweißkopfbezogen?während die Schweißkopfposition auf der Basis des Koordinatensystems der Roboter-Steuerachse angegeben wird. Die beiden Koordinatensysteme weichen daher voneinander ab. Insbesondere wenn ein Roboter eine Schweißarbeit durchführt, während die Position einer Gelenkvorrichtung 4 gemäß Fig. 4 sich ändert, wird eine Korrekturbewegung erforderlich, d.h. der von dem Sensor ermittelte Positionsfehler der Schweißkopfspitze muß in eine Verschiebebewegung des Roboters umgesetzt werden.

Bei variierenden Schweißfugenformen, die in den Fig. 5a bis 5d dargestellt sind, ändern sich auch die Bedingungen der Schweißkopfbewegung entsprechend und in vielen Fällen muß sogar ein spezieller Sensor benutzt werden. In solchen Fällen ist es natürlich

wünschenswert, denjenigen Sensor an dem Schweißkopf 3 anzubringen, der in Anpassung an die Art der Schweißfuge die besten Ergebnisse bringt. Die bekannten RoboterSteuerungen sind jedoch nicht imstande, den Korrekturvorgang in Abhängigkeit von dem Sensortyp auszuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Korrektürsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das auf einfache Weise eine Umsetzung der Sensordaten in Korrekturdaten des Roboters bewirkt und für mehrere Sensorarten gleichermaßen einsetzbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfirtdungsgemäß vorgesehen, daß ein Speicher zur Speicherung eines Koeffizientenwertes zur Umwandlung des Positionsfehlers der Schweißkopfspitze in ein dem Achsensystem,in dem der RoboLorkörper angetrieben is L, entsprechendes Koordinatensystem vorgesehen ist, wobei als Adressensiqnal für diesen Speicher die Positionssiqnalo des Schweißko.pfes benutzt werden und daß dem Speicher eine arithmetische Schaltung ; nachgeschaltet ist, die die auf das Achsensystem des Roboterkörpers bezogenen Korrekturwerte auf der Basis der aus dem Speicher ausgelesenen Schweißkopfposition und des von dem Sensor ermittelten Fehlers berechnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Korrektursystem werden die Koeffizientenwerte sequentiell aus dem Speicher ausgelesen, der die Koeffizientenwerte entsprechend dem Koordinatensystem des benutzten Sensors enthält. Das Auslesen.erfolgt in Abhängigkeit von dor Istposition

des Armes des Roboters, Der ausgelesene Koeffizientenwert wird mit dem von dem Sensor ermittelten Positionsfehler der Schweißkopfspitze multipliziert und das Ergebnis wird in Verschiebewerte für die drei Achsen X, Y und Z des Roboters umgewandelt. Die umgewandelten Werte (im Folgenden als Korrekturwerte bezeichnet) werden einer Steuervorrichtung zugeführt, um die Verschiebewerte der drei Achsen zu korrigieren.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Darstellungen zur Erläuterung der Schweißi> kopf bewegungen,

Fig. 3a und 3b die Gelenkvorrichtung des Schweißroboters,

Fig. 4 Darstellungen der Armbewegung während der Bahnsteuerung,

Fig. 5a bis 5d verschiedene Schweißfugenarten,und

Fig. 6 ein Blockschaltbild der Bahnkorrekturvorrichtung.

Gemäß den Fig. 3a und 3b weist der mit einer Bahnkorrektureinrichtung ausgestattete Schweißroboter eine Gelenkvorrichtung 4 mit einem gewissen Freiheitsgrad auf. Ein Arm 5a des Roboterkörpers 5 ist so gesteuert,daß er sich in den Richtungen der Achsen X,Y und Z bewegen kann und am vorderen Ende des Armes 5a ist die Gelenkvorrichtung 4 installiert. Diese Gelenkvorrichtung 4 ist so gesteuert, daß sie um Gelenkachsen herum um bestimmte Winkel θ und

^O φ innerhalb der horizontalen bzw. der vertikalen Ebene gedreht werden kann und an dem vorderen Ende 4a der Gelenkvorrichtung ist ein Schweißkopf 3 installiert. Der Schweißkopf 3 kann demnach Bewegungen in Richtung der Achsen X,Y und Z (der drei Grundachsen des Roboters) und

Drehungen O und ψ ίη der horizontalen und vertikalen Ebene ausführen. Die Steuervorrichtung 6 dient zur Steuerung der Bewegungen des Armes 5a in den Richtungen der X-, Y- und Z-Achsen des Roboterkörpers 15 und zur Steuerung der Verschwenkung der Gelenkvorrichtung 4 in der horizontalen und der vertikalen Ebene. Die Steuervorrichtung 6 speichert eine Anzahl von Sollpunkten, d.h. die Positionsdaten Dx, Dy und Dz des Armes 5 und Positionsdaten DO und Οφ der Gelenkvorrichtung 4. Die Daten dieser Sollpunkte werden sequentiell als Steuersignale ex, ey, ez, e0 und e<j> (Fig. 6) ausgeben, um die Axialbewegungen des Roboters und die Drehwinkel θ und φ der Gelenkvorrxchtung auf der Basis der Positionsdaten Dx, Dy, Dz, D^:3 und ϋφ entsprechend den anzufahrenden Sollpunkten während der Bahnsteuerung, d.h. während des Schweißvorganges, zu steuern. Der Arm 5 wird entsprechend den Steuersignalen ex, ey und ez in Richtung der X-, Y-• und der Z-Achse gesteuert, während an der Gelenkvorrichtung 4 die Schwenkwinkel entsprechend den Steuer-Signalen e6 und e<J> eingestellt werden.

Gemäß Fig. 6 ist die Korrekturvorrichtung mit der Steuervorrichtung 6 verbunden. Sie erzeugt Signale, die der jeweiligen Position der Gelenkvorrxchtung 4 entsprechen, ein Signal S, das den Typ des verwendeten Sensors angibt, und Korrektursignale Δχ, Ay und Az, die den Steuersignalen ex, ey und ez der Steuervorrichtung entsprechen, auf der Basis eines Signals Ds, das den Fehler der Schweißkopfspitze gegenüber der von einem Sensor entdeckten Schweißnaht L angibt. Fig. 6 zeigt eine Anordnung,

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die mit zwei verschiedenen Sensorarten zusammenarbeiten kann. Eine Bahnsteuerungs-Korrektureinrichtung 10 enthält Speicher 11 und 12 zur Speicherung von Korrekturkoeffizienten für die einzelnen Koordinatensysteme, einen Selektor 13 für die Auswahl von Koeffizientenwerten für den benutzten Sensor'aus den von den Speichern 11 und 12 ausgegebenen Koeffizientenwerten und zur Ausgabe der ausgewählten Werte, sowie eine arithmetische Schaltung 14 zur Umsetzung der ausgewählten Koeffizientenwerte in die drei Axialverschiebungen des Roboterkörpers 15 durch Multiplizierung dieser Werte mit dem von dem Sensor angegebenen Wert des Fehlers der Schweißkopfspitze. Der Speicher 11 speichert beispielsweise Korrekturkoeffizienten Ku (Kux, Kuy, Kuz) zur Umwandlung des in dem oben erwähnten U-Koordinatensystem (Fig. 1a) ermittelten Fehlers in Werte, die den X-, Y- und Z-Achsen des Roboters entsprechen. Diese Koeffizientenwerte werden für eine Anzahl bestimmter Drehwinkel gespeichert, beispielsweise für jeden Winkelgrad, wobei die Positionsdaten θ undφ der Gelenkvorrichtung 4 als Parameter benutzt werden. Bei der Bahnsteuerung geben diese Speicher 11 und 12 entsprechend der Istposition der Gelenkvorrichtung 4, d.h. entsprechend den Winkeln θ und φ sequentiell die Werte Ku (Kux, Kuy, Kuz) und Kv (Kvx, Kvy, Kvz) aus.

Zusätzlich gibt die Steuervorrichtung 6 Steuersignale ex, ey, ez, e9 und εφ aus, die den während der Bahnsteuerung in der Sollwertstufe gespeicherten Daten Dx, Dy, Dz, D6 und Όφ entsprechen, treibt den Arm 5a und die Gelenkvorrichtung 4 des Roboterkörpers 5 an und steuert den Schweißkopf 3. Der Sensor gibt ein Signal S aus, das die Art des Sensors kennzeichnet und ein dem Wert des

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Positionsfehlers der Schweißkopfspitze gegenüber der Schweißlinie L entsprechendes üi.ijnal Os aus und führ L das Signal S dem Selektor 13 und das Signal Ds der arithmetischen Schaltung 14 zu. Den Speichern 11 und werden die den Istwinkeln θ und φ der Gelenkvorrichtung 4 zugeführt und die entsprechenden Koeffizienten Ku (Kux, Kuy, Kuz) und Kv (Kvx, Kvy und Kvz) werden sequentiell ausgegeben und dem Selektor 13 zugeführt. Der Selektor 13 wählt entweder die Koeffizientenwerte Ku oder Kv aus und führt die betreffende Wertegruppe der arithmetischen Schaltung 14 zu. Diese arithmetische Schaltung 14 gibt den Korrekturwert Δ (Δχ, Δγ, Δζ) auf der Basis der selektierten Koeffizientenwerte und des Ist-Fehlerwertes Ds des Schweißkopfes 3 gegenüber der Schweißfuge aua. Der Korrekturwert Δ (Δχ, Ay, Δζ) ist durch Umwandlung des Fehlers Ds des Schweißkopfes 3 in die Koordinaten des Roboterkörpers 5 in X-,Y- und Z-Richtung entstanden. Dieser Korrekturwert Δ (Δχ, Δγ, Δζ) wird der Steuervorrichtung 6 zugeführt. Die Steuervorrichtung 6 korrigiert die Steuersignale ex, ey und ez entsprechend dem Korrekturwert C und gibt die so korrigierten Signale als Signale ex", ey' und ez¹ aus. Dann steuert die Steuervorrichtung 6 die Position des Armes 5a auf der Basis dieser korrigierten Steuersignale ex¹, ey' und ez' und sie steuert ferner die Stellung des Schweißkopfes 3.

Zur Verdeutlichung der obigen Beschreibung werden im Folgenden die Operationen des Speichers 12 und der arithmetischen Schaltung 14 für den Fall erläutert, daß der dem V-Koordinatensystem angehörende Sensor benutzt wird. Das V-Koordinatensystem ist, wie oben dargelegt,

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ein Koordinatensystem, das an dem Schweißkopf 3 fest ist und in dem die Erkennung des Fehlers der Schweißkopfspitze in Richtungen erfolgt, die 45° gegenüber dem Schweißkopf 3 geneigt sind, d.h. in den Richtungen C-C und D-D¹ in Fig. 2. Wenn c und d die Komponenten der gemessenen Werte in den. Richtungen C-C¹ und D-D' sind und Ax, Ay und Az die Komponenten des Korrekturwertes Λ in Richtung der X-, Y- bzw. Z-Achse darstellen, gilt:

Δχ = c sin (45° - φ) sinG + d cos (45° - φ) cosG ... (1) Äy = c sin (45° - φ) sin8 + d cos (45° - φ) sinG ... (2) Δζ = c cos (45° - φ) + d sin (45° - φ) (3)

In dem Speicher 12, dessen Inhalt im V-Koordinatensystem angegeben ist, sind Gruppen aus sechs Werten gespeichert. Diese Werte erhält man für jeden der Winkel φ und.θ aus sin (45° -φ ) sin9 und cos (45° - φ) cos θ für den Koeffizienten KVx, aus sin (45° - φ) sin8 und cos (45°- φ) Ξχηθ für den Koeffizienten KVy und aus cos (45° - φ) und sin (45° - φ) für den Koeffizienten Kvz.

Als Antwort auf die Eingangssignale φ und Θ, die als Adressensignale benutzt werden, gibt der Speicher 12 die obengenannten sechs Werte aus. Das Signal Ds enthält den Wert c und d der in den Richtungen C-C' und D-D' gemäß Fig. 2 gemessen wurde. Die arithmetische Schaltung 14 führt die arithmetische Operation gemäß den Gleichungen (1) bis (3) durch und gibt als Antwort auf die Eingangswerte von c und d und die obengenannten sechs Werte die Korrekturwerte Δχ, Ay und Δζ aus.

Auf diese Weise werden die Einstellungen in den drei Achsen des Roboterkörpers 5 in Abhängigkeit von der Isteinstellung der Gelenkvorrichtung 4 und der Art des verwendeten Sensors korrigiert und der Schweißkopf 3 wird so gesteuert, daß er der Schweißfuge L exakt folgt.

Die Speicher 11 und 12 müssen nicht notwendigerweise für jede Sensorart separat vorgesehen sein. Beispielsweise kann auch ein einziger Speicher vorgesehen werden, in den die Koeffizientenwerte des jeweils.benutzten Sensors eingegeben werden und dessen Inhalt neu eingespeichert wird, wenn ein anderer Sensortyp benutzt wird.

Die Erfindung ermöglicht eine Bahnsteuerung,bei der der Schweißkopf der Schweißfuge präzise folgt, indem der durch Umwandlung des Wertes des Positionsfehlers der Schweißkopfspitze entstandene Korrekturwert in dem Koordinatensystem der drei Achsen des Roboterkörpers angegeben wird, wobei die Eingangssignale der Isteinstellungen der Gelenkvorrichtung, die Koordinatensysteme der Sensorerkennung und der Wert des Positionsfehlers der Schweißkopfspitze berücksichtigt werden.

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Claims

Ansprüche

( 1. Korrektursystem für die Bahnsteuerung eines Schweißroboters, mit einem eine Erkennung der Schweißfuge in einer bestimmten Richtung durchführenden Sensor zur Ermittlung des Positionsfehlers der Schweißkopfspitze gegenüber einer Schweißlinie in Bezug auf ein relativ zu dem Schweißkopf festes Koordinatensystem, dadurch gekennzeichnet , daß ein Speicher (11,12) zur Speicherung eines Koeffizientenwertes zur Umwandlung des Positionsfehlers der Schweißkopfspitze in ein· dem Achsensystem,in dem der Roboterkörper (5) angetrieben ist, entsprechendes Koordinatensystem vorgesehen ist, wobei als Adressensignal für diesen Speicher (11,12) die Positionssiqnale des Schweißkopfes benutzt werden, und daß dem Speicher (11,12) eine arithmetische _<f'" Schaltung (14) nachgeschaltet ist, die die auf das -·|

Achsensystem des Roboterkörpers (5) bezogenen Korrektur- "* werte auf der Basis der aus dem Speicher (11,12) ausgelesenen Schweißkopfposition und des von dem Sensor ermittelten Fehlers berechnet.
2.Korrektursystern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor den Positionsfehler der Schweißkopfspitze sowohl in Richtung parallel als auch rechtwinklig zur Schweißkopfachse ermittelt.

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3. Korrektursysteia nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor den Positionsfehler der Schweißkopfspitze in Richtungen ermittelt, die unter bestimmten Winkeln in Bezug auf die Schweißkopfachse verlaufen.
4. Korrektursystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (11,12) die Koeffizientenwerte für dasjenige Koordinatensystemein dem der Roboterkörper (5) angetrieben ist, erzeugt.
5. Korrektursystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (11,12) ein Festwertspeicher ist und daß jeweils für einen Sensortyp ein eigener Speicher mit festem Inhalt vorgesehen ist.
6. Korrektursystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (11,12) ein Speicher mit veränderbarem Inhalt ist, in dem ein dem verwendeten Sensor entsprechender Inhalt einschreibbar ist.
7. Korrektursystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen,in denen der Roboterkörper (5) angetrieben ist, drei rechtwinklig zueinander verlaufende Achsen sind und daß die arithmetische Schaltung (14) die jeweiligen Korrekturwerte in dem betreffenden orthogonalen Koordinatensystem erzeugt.

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8. Korrektursystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Roboterkörper (5) und einem Schweißkopf (3) eine Gelenkvorrichtung (4) mit einem Freiheitsgrad angeordnet ist, daß der Sensor den Positionsfehler der Schweißkopfspitze gegenüber der Schweißlinie in einem auf den Schweißkopf bezogenen Koordinatensystem ermittelt, daß .dem Speicher Signale über die Stellung der Gelenkvorrichtung (4) mitgeteilt werden und daß die arithmetische Schaltung (14) den Roboterkörper (5) auf der Basis dor entsprechend dem Zustand der Gelenkvorrichtung (4) aus dem Speicher (11,12) ausgelesenen Signale zur Reduzierung des Positionsfehlers antreibt.
9. Korrektursystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Gelenkvorrichtung (4) zwei schwenkbare Teile

aufweist, die um rechtwinklig zueinander verlaufende Achsen schwenkbar sind.
10. Korrektursystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das den Zustand der Gelerikvorrichtung (4) angebende Signal die Schwenkstellungen der beiden Schwenkteile (3,4) angibt.

1T. Korrekturverfahren für einen Schweißroboter, bei welchem ein Sensor mit einer bestimmten Richtung zur Erkennung des Positionsfehlers einer Schweißkopfspitze gegenüber einer Schweißlinie in Bezug auf ein zu dem Schweißkopf festes Koordinatensystem vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Koeffizientenwert zur Umwandlung des Positionsfehlers in einen Korrekturwert in Bezug auf die Achsen, in denen der Roboterkörper angetrieben ist, für die Schweißkopfposition aus einem

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Speicher ausgelesen wird, in dem der Koeffizientenwert als das die Schweißkopfposition angebende Adressensignal gespeichert ist, daß in einer arithmetischen Schaltung arithmetische Rechenoperationen zur Ermittlung des Korrekturwertes auf der Basis des Koeffizientenwertes und eines von dem Sensor ermittelten Wertes durchgeführt werden und daß die Korrektur in Bezug auf die Achsen unter Verwendung des Korrekturwerts erfolgt.