DE3345710A1

DE3345710A1 - Verfahren zum fuehren eines werkzeugs eines handhabungsgeraets

Info

Publication number: DE3345710A1
Application number: DE19833345710
Authority: DE
Inventors: Manfred 8904 Friedberg Tieschky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-12-17
Filing date: 1983-12-17
Publication date: 1985-06-27

Description

Vorrichtung zum Führen eines Werkzeugs
eines Handhabungsgeräts Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen eines Werkzeugs eines in mehreren Achsen bewegbaren Handhabungsgeräts längs einer von einer Geraden abweichenden Beuegungsbahn, wobei das Werkzeug vom letzten Glied des mehrgliedrigen Handhabungsgeräts gehalten wird, dessen Bewegungen durch Stellmotoren entsprechend einem Steuerprogramm gesteuert werden und hierbei dieses letzte Glied geradlinig von Punkt zu Punkt längs der Bewegungsbahn verfährt.
Soll das letzte Glied eines Handhabungsgeräts , auch Roboter genannt, eine zwei- oder dreidimensionale Kurve durchfahren, so ist dies mit einem erheblichen Programmieraufwand verbunden. Zum Programmieren einer solchen Kurve wird üblicherweise diese punktweise in einen Rechner eingegeben, der dann durch Inter- bzw. Extrapolation die Kurve errechnet und den Stellmotoren entsprechende Steuerbefehle zuführt. Üblicherweise und insbesondere bei dreidimensionaler Kurven ist dies mit Koordinatentransformationen verbunden, welche die Rechnerarbeit wesentlich erhöhen. Die die Handhabungsgeräte steuernden Rechner sind bei solchen Aufgaben üblicherweise an der Grenze ihrer Rechnerkapa zität, was dazu führt, daß das letzte Glied des Handhabungsgeräts mit sehr geringer Geschwindigkeit längs der Kurve verfährt. Da die Handhabungsgeräte nicht absolut steif sind, treten Fehler zwischen der vom Rechner errechneten Sollkurve und der vom letzten Glied des Handhabungsgeräts ausgeführten Istkurve auf. Ein weiterer Nachteil ist in der Dynamik der Bewegungen des Handhabungsgeräts zu sehen, wodurch insbesondere bei raschem Richtungswechsel Positionierfehler auftreten.
Um zu annehmbaren Bewegungsgeschwindigkeiten zu gelangen, ist es bekannt, die Rechnerarbeit zu reduzieren, indem man die vorgenannten Kurven in Linienzüge, bestehend aus Geraden zerlegt. Hierbei werden Punkte längs der Kurve programmiert, zwischen denen das letzte Glied linear verfährt. Je enger diese Punkte beieinander liegen, um so mehr nähert sich die Bewegungsbahn des letzten Glieds des Handhabungsgeräts der Sollkurve an.
Eng beieinander liegende Punkte jedoch führen wegen der erforderlichen Koordinatentransformation wiederum zu geringen Arbeitsgeschwindigkeiten. Bei relativ weit voneinander liegenden Punkten wird wohl die Bewegungsgeschwindigkeit erhöht, gleichzeitig werden jedoch die Positionierfehler infolge der Dynamik der Roboterbewegung erhöht. In beiden Fällen sind die Fehler infolge einer nicht ausreichend steifen Konstruktion des Handhabungsgeräts nach wie vor vorhanden.
Es besteht die Aufgabe, die Vorrichtung so auszubilden, daß das Werkzeug ohne oder mit geringerem Programmieraufwand und mit relativ hoher Arbeitsgeschwindigkeit der von einer Geraden abweichenden Beuegungsbahn mit großer Geschwindigkeit folgt.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Bei der Erfindung wird von folgenden Überlegungen ausgegangen: Verfährt das letzte Glied des Handhabungsgeräts längs einer durch zwei Punkte definierten Geraden, dann ist der damit verbundene Programmieraufwand relativ gering. Weiterhin kann die Geschwindigkeit mit der dieses letzte Glied längs dieser Geraden verfährt, relativ einfach der erforderlichen Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs angepasst werden.
Die dynamisch bedingten Positionierfehler, die auch durch Überlagerung der Bewegung der Stellmotoren der Glieder des Handhabungsgeräts bedingt sind, werden hierbei weitgehend vermieden bzw. können durch einfache Korrekturen eliminiert werden. Gleiches gilt für Wegfehler infolge des nicht starren Aufbaus eines solchen Handhabungsgeräts.
Dadurch, daß das Werkzeug relativ zum letzten Glied des Handhabungsgeräts bewegbar ist, ist es möglich, mit relativ geringem Aufwand dieses Werkzeug längs der gewünschten Bewegungsbahn zu führen, welche zwei- oder dreidimensional sein kann. Die Steuerung zwischen dem letzten Glied und dem Werkzeug ist ohne Koordinatentransformation ausführbar, wenn die Relativbewegung durch Stellmotoren bewirkt wird. Erfolgt diese Steuerung über einen Rechner, dann wird die Gerade, längs der das letzte Glied von Punkt zu Punkt verfährt als Grundkoordinate für die Steuerung des Werkzeugs herangezogen. In der einfachsten Form der steuerung wird das Werkzeug oder ein mit ihm verbundener Abtaster gegen eine Schablone geführt, durch welche die Bewegungsbahn des Werkzeugs definiert wird.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf die Vorrichtung und Fig. 2 eine stirnseitige Ansicht der Vorrichtung.
Bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Werkzeug handelt es sich um einen Fingerüräser 1, der längs einer dreidimensionalen Bewegungsbahn 2 verfahren werden soll, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Schablone definiert wird. Hierbei soll der Fingerfräser 1 über die Schablone 2 überstehendes Material 3 abfräsen.
Am letzten Glied 4 des Handhabungsgeräts ist ein Halterahmen 5 befestigt. Bei dem Handhabungsgerät handelt es sich beispielsweise um ein solches, dessen Glieder in fünf oder sechs Achsen bewegbar sind.
Das Handhabungsgerät wird so programmiert, daß das letzte Glied 4 geradlinig von Punkt A nach Punkt B längs der Bewegungsbahn 2 verfährt. Durch die Gerade AB wird eine X-Achse definiert. Rechtwinklig dazu wird eine Y-Achse definiert, welche wiederum rechtwinklig zu einer Z-Achse verläuft, die mit der Achse des Fingerfräsers 1 zusammenfällt oder parallel zu dieser verläuft und die wiederum rechtwinklig angeordnet ist zur X-Achse.
Der Fingerfräser 1 wird angetrieben durch einen Antriebsmotor 6, welcher längs der 2-Achse verschiebbar in einem Schiebegehäuse 7 angeordnet ist. Dieses Schiebegehäuse 7 ist mit dem Halterahmen 5 verbunden über Bauelemente 8, 9, 10, die einerseits am Halterahmen 5, andererseits am Schiebegehäuse 7 gelenkig angelenkt sind.
Bei diesen Bauelementen 8, 9, 10 handelt es sich beispielsweise um Stellmotoren in Form von Kolben-Zylinder-Bauteilen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Bauelemente 8, 9, 10 in ihrer Normallage um 1200 versetzt zueinander angeordnet. Die Normallage der Bauelemente 9, 10 wird verdeutlicht durch die Geraden 11, 12.
Ein weiteres nicht dargestelltes Bauelement kann zwischen dem Schiebegehäuse 7 und dem Gehäuse des Antriebsmotors 6 vorgesehen sein.
Die Bauelemente 8, 9, 10 sind in der Lage, das Werkzeug 1 relativ zum Halterahmen 5 in Richtung der X- und Y-Achsen zu verschieben. Das zwischen dem Schiebegehäuse 7 und dem Motor 6 vorgesehene Bauelement ist in der Lage, das Werkzeug 1 relativ zum Halterahmen 5 längs der Z-Achse zu verschieben.
Nachfolgend werden verschiedene Steuerungsmöglichkeiten behandelt.
Als erstes wird der Fall behandelt, daß der Fingerfräser wohl in der Lage ist, das Material 3 abzutragen, nicht jedoch in der Lage ist, Material von der wesentlich härterer Schablone 2 abzutragen. Die beiden als Stellmotoren in Form von Kolben-Zylinder-Aggregaten ausgebildeten Bauelemente 9, drücken das Schiebegehäuse 7 in Richtung der Y-Achse gegen die Kontur der Schablone 2, wobei Material 3 abgefräst wird. Gleichzeitig bewegt sich das letzte Glied 4 von A nach B längs der X-Achse . Die Bauelemente 9, 10 weisen also eine erste Bewegungskomponente in Richtung der Y-Achse auf, wodurch die in Richtung der Y-Achse wirkende Kraft bewirkt, daß der Fingerfräser 1 zur Anlage an die Schablone 2 kommt. Der Druck gegen die Fräskante 13 in Richtung der X-Achse wird durch die Bewegung des Glieds von A nach B aufgebracht und über das Bauelement C übertragen. Im Gegensatz zu den Bauelemente 9, 10 braucht das Bauelement 8 nicht durch ein Fluid beaufschlagt zu werden.
In ihrer einfachsten Ausführungsform kann das Werkzeug 1 in einem in Richtung der Y-Achse verlaufenden Schlitz des Halterahmens geführt sein und zwischen Halterahmen 5 und dem Werkzeug 1 bzw. dessen Motor 6 bzw. dem Schiebegehäuse 7 ist ein Bauelement vorgesehen, welches das Werkzeug 1 in Richtung der Y-Achse auf den Rand der Schablone 2 verschiebt. In seiner einfachsten Ausführungsform kann hierbei das Bauelement aus einem Federelement bestehen, welches das Werkzeug 1 in Richtung der Y-Achse gegen den Rand der Schablone 2 drückt. Die Vorschubkraft in Richtung der X-Achse gegen die Fräskante 13 wird durch die Vorschubbewegung von A nach B erzeugt und über die Schlitzführung übertragen.
Gemäß einem zweiten Fall kann die Kontur der Schablone 2 durch einen mechanischen Abtaster abgetastet werden, der mit dem Werkzeug 1 bzw. mit seinem Antriebsmotor 6 oder dem Schiebegehäuse 7 verbunden ist. Hierbei kommt dann der Fräser 1 nicht mehr direkt sondern über den Abtaster in Kontakt mit dem Rand der Schablone 2. Hierbei kann es sich um einen aktiven Abtaster handeln, welcher Steuersignale zum Verstellen der Bauelemente 8, 9, 10 mindestens in Richtung der X-Achse, bevorzugt auch in Richtung der Y-Achse erzeugt. Ein solcher Fall wird nachfolgend verdeutlicht, wobei der Fingerfräser 1 die Funktion des Abtasters übernimmt. Zwischen dem Antriebsmotor 6 und dem Schiebegehäuse 7 sind zwei Drucksensoren 14, 15 angeordnet. Der Drucksensor 14 befindet sich hierbei in einer durch die X- und Y-Achse gebildeten Ebene während der Drucksensor 15 in einer durch die X- und Z-Achse gebildeten Ebene angeordnet ist. Ist keiner der Drucksensoren 14, 15 beaufschlagt, dann führen die Bauelemente 9, 10 den Taster 1 und das mit ihm verbundene Werkzeug in Richtung der Y-Achse, bis der Drucksensor 14 durch einen tiaximaldruck anzeigt, daß der Taster 1 in Berührung gekommen ist mit dem Rand der Schablone 2. Sodann setzt die Bewegung von A nach B ein. Durch die Signale des Drucksensors 14 wird der Abtaster 1 gegen den Rand der Schablone 2 gehalten,wobei diese Signale die Bauelemente 9, 10 steuern.
Der Drucksensor 15 bestimmt mit seinen Signalen die Bewegung des Tasters 1 und des mit ihm verbundenen Werkzeugs in Richtung der X-Achse. Verfährt das Glied 4 mit konstanter Geschwindigkeit von A nach B und wird die vom Sensor 15 aufgenommene Kraft unzulässig groß, dann bewirken die Bauelemente 8, 9, 10 eine Bewegung des Tasters 1 und des mit ihm verbundenen Werkzeugs relativ zum Halterahmen 5 in einer Richtung von B nach A. Dieser Drucksensor 15 kann auch dazu herangezogen werden, die Vorschubgeschwindigkeit des Glieds 4 von A nach B zu steuern. Die Bewegungsgeschwindigkeit von A nach B kann hierbei umgekehrt proportional gewählt werden zur vom Sensor 15 aufgenommenen Kraft, nachdem der Sensor 14 ein Heranführen an den Schablonenrand bewirkt hat.
Anstelle einer mechanischen Abtastung des Rands der Schablone 2 kann auch eine berührungslose Abtastung vorgesehen sein . Hierbei kann es sich beispielsweise um eine elektro-optische Abtastung handeln, wobei die Abtastvorrichtung ebenfalls am Werkzeug oder an einem mit ihm verbundenen Teil angeordnet ist. Die Steuerungsmöglichkeiten sind dann die gleichen wie im zweiten Fall beschrieben.
Gemäß einem vierten Fall kann die Bewegung des Werkzeugs 1 relativ zum Halterahmen 5 programmiert werden. In einem solchen Fall wird für jeden Punkt längs der X-Achse , beispielsweise für den Punkt X1 die zugehörige Koordinate 1 in die Steuerung eingegeben. Für jeden Punkt X werden dann die Stellmotoren 8, 9, 10 so eingestellt, daß das Werkzeug die Position Y einnimmt. Durch Interpolation oder durch Extrapolation kann ein gleichmäßiger Kurvenverlauf längs der Bewegungsbahn 2 erreicht werden. Eine Koordinatentransformation ist bei dieser Steuerungsart entbehrlich.
Sind die Stellmotoren 8, 9, 10 in Richtung der Y-Achse voll aus- oder zusammengefahren, dann kann die geradlinige Bewegungsbahn des Gliedes 4 parallel zur Bewegungsbahn A B in Richtung oder weg zur oder von der Kontur 2 versetzt werden. Sind die Stellmotoren 8, 9, 10 in Richtung der X-Achse voll aus oder zusammengefahren, dann kann die Bewegungsgeschwindigkeit von A nach B erhöht oder unterbrochen werden Ist die Bewegungsbahn 2 auch in Richtung der Z-Achse gekrümmt, also dreidimensional, dann kann das Werkzeug bzw. der Taster auch eine Bewegung in Richtung dieser Z-Achse ausführen. Zu diesem Zweck ist der rotor 6 in einem Schiebegehäuse 7 gelagert. In der einfachsten Ausführungsform liegt ein Bund 16 des Gehäuses des Antriebsmotors 6 gegen die Kante der Schablone 2 an. Dieser Bund 16 stützt sich in Richtung der Z-Achse ab und dient somit zur Führung des Werkzeugs 1 in Richtung der Z-Achse.
Die Bewegung in Richtung der Z-Achse kann auch durch einen Stellmotor zwischen Schiebegehäuse 7 und dem Gehäuse 6 bewirkt werden, der den Bund 16 gegen den Schablonenrand 2 hält. Der Bund 16 kann dabei als Abtaster ausgebildet sein. Die zuvor erwähnte berührungslose Abtastung und die zuvor erwähnte Programmierung in Richtung der X- und Y-Achsen kann in gleicher Weise vorgenommen werden in Bezug auf die Z-Achse.
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Claims

Ansprüche 1. Vorrichtung zum Führen eines Werkzeugs eines in mehreren Achsen bewegbaren Handhabungsgeräts längs einer von einer Geraden abweichenden Bewegungsbahn, wobei das Werkzeug vom letzten Glied des mehrgliedrigen Handhabungsgeräts gehalten wird, dessen Bewegungen durch Stellmotoren entsprechend einem Steuerprogramm gesteuert werden und hierbei dieses letzte Glied geradlinig von Punkt zu Punkt längs der Bewegungsbahn verfährt, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem letzten Glied (4) und dem Werkzeug (1) mindestens ein den Abstand zwischen diesem Glied (4) und dem Werkzeug (1) veränderndes erstes Bauelement (z.B. 10) angeordnet ist, welches Bewegungen in mindestens einer ersten Bewegungskomponente (Y-Achse) ausführt, die senkrecht zur von Punkt zu Punkt verlaufendeR geradlinigen Bewegung (A-B) des letzten Glieds (4) angeordnet ist und dieses Bauelement (z.B. 10) in dieser ersten Bewegungskomponente (Y-Achse) das Werkzeug (1) bewegt und diese Bewegungen dem Relativabstand (Y1) zwischen der geradlinigen Bewegung (A-B) des letzten Glieds (4) und der Bewegungsbahn (2) entsprechen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das erste Bauelement (z.B.10) eine zweite Bewegungskomponente (X-Achse) aufweist, welche senkrecht zur ersten Bewegungskomponente (V-Achse) in Richtung der geradlinigen Bewegung (A-B) verläuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein erstes und ein zweites Bauelement (z.B. 9, 10) vorgesehen sind, welche Bewegungen in der ersten und in der zweiten Bewegungskomponente (X- und Y-Achsen) ausführen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Bewegungsbahn durch die Kontur einer Schablone (2) definiert wird, deren Verlauf durch einen mit dem Werkzeug (1) verbundenen Abtaster abgetastet wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Bewegungsbahn (2) durch deren Koordinatenverlauf (X, Y) in Bezug auf den Koordinatenverlauf (X, Y = 0 ) der geradlinigen Bewegung (A-B) des letzten Glieds (4) definiert wird und die dabei sich ergebenden Koordinatendifferenzen (Y1) die Steuersignale für den oder die als Stellmotoren ausgebildeten Bauelemente (8, 9, 10) bilden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Verlauf der Kontur (2) vom Abtaster berührungslos abgetastet wird, das oder die Bauelemente (8, 9 , 10) jeweils als Stellmotor ausgebildet sind und Abweichungen der Stellung des Abtasters zum Konturverlauf (2) Steuersignale des Abtasters für den oder die Stellmotoren bewirken, die das Werkzeug (1) dem Konturverlauf (2) nachführen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Verlauf der Kontur (2) vom Abtaster mechanisch abgetastet wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Schablone (2) als Anschlag für den Abtaster dient und das oder die Bauelemente (8, 9, 10) den Abtaster gegen die Kontur der Schablone (2) drücken.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das oder die Bauelemente (z.B.

9, 10) passive Bauelemente sind, die den Abtaster elastisch gegen die Kontur der Schablone (2) führen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß das oder die Bauelemente (8, 9, 10) aktive Bauelemente sind, die den Abtaster mit konstanter Kraft gegen die Kontur der Schablone (2) führen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Abtaster bei Berührung der Schablone (2) in Richtung der Senkrechten zum Konturverlauf am Berührungspunkt ausgelenkt wird und hierbei Steuersignale durch Sensoren (14, 15) für das oder die als Stellmotoren ausgebildeten Bauelemente (8, 9, 10) in dessen oder deren Bewegungskomponenten (X- und Y-Achse ) erzeugt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Erreichen des maximalen Verstellwegs des oder der Bauelemente (8, 9, 10) in Richtung der Bewegungsbahn (2) das letzte Glied (4) senkrecht zu seiner geradlinigen Bewegung (A-B) in Richtung der Bewegungsbahn (2) und bei Erreichen des maximalen Verstellwegs weg von der Bewegungsbahn 2) das letzte- Glied (4) senkrecht zu seiner geradlinigen Bewegung (A-B) weg von der Bewegungsbahn (2) geführt wird und anschließend eine geradlinige Bewegung parallel zu seiner ursprünglichen Bewegung (A-B) ausführt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Geschwindigkeit des letzten Glieds (4) in Richtung seiner geradlinigen Bewegung (A-B) etwa umgekehrt ist zur dazu parallelen Kraftkomponente , mit welcher der Abtaster gegen die Schablone (2) drückt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welcher das Werkzeug ein sich drehendes , spanbildendes Werkzeug ist, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Geschwindigkeit des letzten Glieds (4) in Richtung seiner geradlinigen Bewegung (A-B) etwa umgekehrt ist zum am Werkzeug wirkenden Drehmoment.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß drei sternförmig angeordnete Bauelemente (8, 9, 10) zwischen Werkzeug (1) und einem am letzten Glied (4) angeordneten Rahmen (5) vorgesehen sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Werkzeug (1) durch ein weiteres Bauelement senkrecht zur ersten Bewegungskomponente (Y-Achse) und senkrecht zur geradlinigen Bewegung (A-B) bewegbar ist, das entsprechend dem oder den anderen Bauelementen (8, 9, 10) in seiner Bewegungsrichtung (Z-Achse) steuerbar ist.