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Anordnung an einem Industrieroboter
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung an einen Industrieroboter
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Als Beispiel für einen vom Roboter auszuführenden Arbeitsvorgang kann
das Schweißen längs einer Fuge zwischen zwei Werkstücken genannt werden. Ein Industrieroboter
wird meistens dort eingesetzt, wo ein oder mehrere gleiche Arbeitsvorgänge an einer
großen Anzahl von Werkstücken auszuführen sind, die nacheinander dem Roboter zugeführt
werden. Hierbei ist davon auszugehen, daß zwischen den Werkstücken unvermeidlich
Abweichungen hinsichtlich beispielsweise ihrer Lage, Winkelstellung, Form oder ihren
Abmessungen vorliegen. Beim Schweißen von größeren Werkstücken durch einen Roboter,
wie z.B. bei Autokarosserien, kann die Lage der Schweißfuge, also die Bahn, auf
der auf dem Werkstück geschweißt werden soll, so unterschiedlich sein, daß es zur
Erzielung einer brauchbaren Schweißung erforderlich ist, die Lage der Schweißfuge
vor dem Schweißen zu bestimmen und die Roboterhand mit dem Schweißwerkzeug an einen
geeigneten Startpunkt zu führen, vorzugsweise an den Endpunkt der Schweißfuge.
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Ferner ist es wünschenswert, daß der Abstand der Roboterhand und somit
des Schweißwerkzeuges vom Werkstück automatisch eingestellt wird und ständig auf
den korrekten Wert
nachgeregelt wird.
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Bei längeren Schweißfugen genügt es infolge der Abweichungen in der
Orientierung der Werkstücke haufig nicht, nur einen geeigneten Startpunkt für das
Schweißen zu finden. Vielmehr muß die Lage der Schweißfuge relativ zur Roboterhand
in einer oder zwei Richtungen senkrecht zur Schweißfuge während des Schweißens kontunierlich
abgetastet werden, und die Meßwerte müssen dazu verarbeitet werden, den Roboter
so zu steuern, daß er der Schweißfuge folgt.
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Ein weiterer Wunsch besteht darin, vor jedem Schweißen oder kontunierlich
während des Schweißens beispielsweise die Breite des zuzuschweißenden Spaltes oder
das Volumen einer Schweißfuge zu ermitteln. Anhand dieser Meßwerte können dann die
Schweißparameter, z.B. der Schweißstrom, auf geeignete Werte eingestellt werden.
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Ferner ist es erforderlich, beim Erfassen einer Schweißfuge mit einer
hohen Auflösung zu arbeiten, damit auch bei dünnen Blechen die Schweißfuge sicher
erfaßt werden kann.
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Es ist bereits bekannt, zur Erfassung der Lage einer Schweißfuge verschiedene
Arten von optischen Gebern zu verwenden. Diese haben den Vorteil, daß die Lage der
Schweißfuge berührungsfrei ermittelt werden kann. Jedoch haben die Geber dieser
Art, die bisher beim Roboterschweißen verwendet wurden (beispielsweise US-PS 4 306
144) insofern Nachteile, als ihre Auflösung und ihre Arbeitsgeschwindigkeit gering
sind oder ihre Empfindlichkeit gegenüber dem vom Lichtbogen beim Schweißen ausgehenden
Störlicht sie während des Schweißens funktionstüchtig macht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs
genannten Art zu entwickeln, welche folgende vorteilhafte Eigenschaften hat: 1.
Die Anordnung soll eine schnelle und genaue
Positionierung des Roboters
auf einen gewünschten Startpunkt für den Arbeitsvorgang ermöglichen, und zwar auch
bei großen Abweichungen zwischen den nacheinander zu bearbeitenden Werkstücken,
beispielsweise bei Abweichungen hinsichtlich ihrer Lage und Winkelorientierung.
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2. Die Anordnung soll eine kontinuierliche Messung auch während des
Arbeitsvorgangs, beispielsweise einer Lichtbogenschweißung, und damit ein genaues
Folgend beispielsweise einer Schweißfuge, in zwei oder drei Dimensionen ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen
genannt.
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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die
Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen Figur 1: schematisch einen Industrieroboter
nach der Erfindung, der zum Schweißen an einem Werkstück vorgesehen ist, Figur 2:
ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Verbindung zwischen dem Steuersystem des
Roboters und dem Abstandsgeber, Figur 3: den prinzipiellen Aufbau eines Abstandsgebers,
wie er bei der Anordnung gemäß der Erfindung verwendet werden kann, Figur 4: den
Einsatz des Gebers gemäß Figur 3 zum Suchen einer Schweißfuge, Figur 5a und 5b:
das Ausgangs signal des Gebers beim Folgen einer Schweißfuge und ein Blockschaltbild
für die Erzeugung eines
Korrektursignals für das Steuersystem des
Roboters, Figur 6a und 6b: den Verlauf der Ausgangssignale des Abstandsgebers beim
Passieren einer Überlappungsfuge (Figur 6a) und einer Kehlfuge (Figur 6b), Figur
7: das Prinzip für einen Such- oder Folgeverlauf beim Schweißen einer Schweißfuge
an einem Werkstück, Figur 8: das Prinzip für die Filterung und Speicherung der Meßsignale
des Abstandsgebers, Figur 9: einen Programmablaufplan für die Steuerung des Höhensuchens
gemäß Figur7 Figur 10: einen Programmablaufplan für die erste Seitensuchphase nach
Figur 7.
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Figur 1 zeigt einen bekannten Industrieroboter, der von einem Sockel
1 getragen wird. Der auf dem Sockel vorhandene Ständer ist um eine vertikale Achse
drehbar. Am oberen Ende des Ständers ist ein Oberarm 4 über ein Gelenk 3 mit horizontaler
Drehachse angeschlossen. Am anderen Ende des Oberarms schließt sich über ein Gelenk
5 mit horizontaler Drehachse der Unterarm 6 an. Am äußeren Ende des Unterarms 6
ist ein Drehgelenk 7 mit horizontaler Drehachse vorhanden, über welches die Roboterhand
8 mit dem Roboterarm verbunden ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die
Roboterhand nur mit einem Freiheitsgrad relativ zum Unterarm 6 beweglich; die Roboterhand
kann jedoch in an sich bekannter Weise einen oder zwei weitere Freiheitsgrade in
bezug auf den Unterarm haben. Der Roboter ist auf in an sich bekannter Weise mit
Antriebsvorrichtungen, z.B. mit elektrischen Gleichstrommotoren, für die verschiedenen
Bewegungen versehen. Die Roboterhand trägt eine schematisch dargestellte Schweißelektrode
9 zum Lichtbogenschweißen sowie einen Abstandssensor S, der nachstehend noch
ausführlicher
beschrieben wird.
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Der Roboter ist zum Schweißen einer oder mehrerer Schweißfugen an
einem Werkstück 10 vorgesehen. In einem typischen Anwendungsbeispiel ist das Werkstück
eine Autokarosserie, wobei mehrere im wesentlichen gleiche Autokarosserien nacheinander
zu dem Roboter transportiert werden und während der Durchführung des Schweißvorgangs
bei diesem stationiert werden.
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Der Roboter hat ein an sich bekanntes Steuersystem RC, das über eine
Mehrkanalverbindung 11 mit den Antriebsmotoren für die verschiedenen Roboterachsen
und den auf diesen Achsen angeordneten Lagen- und Geschwindigkeitsgéber angeschlossen
ist.
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Der Sensor S ist über eine Verbindung 12 an das Steuerglied SC des
Sensors angeschlossen. Über die Verbindung 12 wird dem Steuerglied SC ein Signal
m zugeführt, das ein Maß für den Abstand d zwischen dem Abstandssensor und dem Werkstück
10 ist. Die Verbindung 12 zwischen dem Sensor und dem Steuerglied kann, wie es nachstehend
noch beschrieben wird, auch Leitungen zur Speisung des Abstandssensors und zur Steuerung
und Erfassung einer Pendelbewegung des Sensors beim Folgen der Fuge enthalten. Das
Steuerglied SC des Sensors ist mit dem Steuerglied RC des Roboters über eine Verbindung
13 verbunden, die den Sensor und den Roboter veranlaßt, in der nachstehend näher
beschriebenen Weise zusammenzuarbeiten.
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Bei dem Industrieroboter und seinen Steuergliedern handelt es sich
um wohlbekannte Ausführungen. Beispielsweise können die Steuerglieder in einer der
in den US-PSen 3 744 032, 3 661 051, 3 306 471, 4 140 953 oder 3 943 343 beschriebenen
Weisen ausgeführt sein. Der Roboter wird dadurch programmiert, daß die Bedienungsperson
ihn nacheinander in eine Anzahl von Punkten führt, die auf der vom Roboter zu durchlaufenden
Bahn liegen, wobei die Koordinaten dieser
Punkte im Programmspeicher
des Roboters gespeichert werden.
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Während des Arbeitsvorganges wird der Roboter dann durch sein Steuerglied
so gesteuert, daß er die zuvor eingespeicherten Punkte der Bahn durchläuft, wobei
eventuell zusätzliche Punkte zwischen den eingespeicherten Punkten durch Interpolation
ermittelt werden.
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Figur 2 zeigt als Blockschaltbild das Steuerglied und das Signalverarbeitungsglied
SC des Sensors und dessen Verbindung mit dem Sensor und dem Steuerglied RC des Roboters.
Der Sensor S ist, wie in Figur 1 gezeigt, an der Roboterhand angeordnet und mißt
den Abstand zwischen dem Sensor und einem Werkstück 10, das eine Schweißfuge 22
hat, die von dem Roboter zugeschweißt werden soll. Der Sensor liefert ein analoges
Meßsignal m, das ein Maß für den Abstand d zwischen dem Sensor und dem Werkstück
ist. In einem Analog-Digitalwandler 21 wird das Signal m in ein digitales Meßsignal
M umgewandelt, das einer Zentraleinheit MP zugeführt wird, die aus einem Mikroprozessor
und einem Halbleiterspeicher bestehen kann. Die Zentraleinheit analysiert in einer
nachstehend beschriebenen Weise das Meßsignal M, um festzustellen, ob die Roboterhand
und der Sensor während des Suchens eine Schweißfuge passieren. Ist dies der Fall,
so gibt die Zentraleinheit ein Suchstoppsignal SS an das Steuerglied des Roboters,
wodurch der Suchlauf unterbrochen wird. Ferner liefert die Zentraleinheit einen
gefilterten Mittelwert M des a Meßsignals M, der direkt vom Roboter verwendet werden
kann.
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Um der Schweißfuge während des Schweißverlaufes automatisch folgen
zu können, ist der Sensor mit einem Pendelgeber PM versehen, der über eine Welle
21a mit dem Sensor verbunden ist. Der Pendelgeber verleiht dem Meßpunkt eine hin-
und hergehende Bewegung mit einer Frequenz von einigen Hz.
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Während des Pendelns wird der Meßpunkt 23 des Sensors in einer Richtung
hin- und hergeschoben, die eine Komponente senkrecht zur Längsrichtung der Schweißfuge
22 hat. Die Amplitude der periodischen Bewegung des Meßpunktes kann beispielsweise
einige mm oder einige Dekaden von mm groß
sein. Das Steuerglied
SC des Sensors gibt ein Steuersignal PC an den Pendelgeber, welches diesen während
des Folgens einer Schweißfuge einschaltet. Der Pendelgeber liefert ein Rückführungssignal
PP, das in jedem Augenblick ein Maß für die seitliche Abweichung des Meßpunktes
23 von einer neutralen Lage ist. Dieses Signal wird dem Lagedetektor LD zugeführt,der
nachstehend noch näher beschrieben wird und der Korrektursignale ds und dh zur Korrektur
der Lage der Roboterhand in horizontaler und senkrechter Richtung relativ zur Schweißfuge
abgibt.
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Die Anordnung funktioniert in Kürze wie folgt: Beim Eintreffen eines
Werkstücks am rbeitsplatz des Roboters wird von dem Steuerglied RC des Roboters
eine Suchbewegung gestartet. Die Suchbewegung kann aus einem ersten Abschnitt bestehen,
in dem der Roboter die Roboterhand und den Sensor in einer in der Figur vertikalen
Richtung zum Werkstück führt, bis sich Sensor und Hand in einem vorgegebenen Abstand
zum Werkstück befinden. In einem folgenden Abschnitt wird die Roboterhand im wesentlichen
parallel zur Oberfläche des Werkstücks geführt, wobei die Lage des Werkstücks und
die Lage der Schweißfuge in einem oder mehreren Schritten dadurch festgestellt werden,
daß der Sensor und seine signalverarbeitenden Glieder die Abstandsdiskontinuitäten
erfassen, die an einer Kante oder einer Schweißfuge auftreten. Beim Erfassen einer
solchen Abstandsdiskontinuität gibt die Zentraleinheit MP ein Suchstoppsignal an
die Steuerglieder RC des Roboters, die dann die Suchbewegung abbrechen und eine
neue Suchbewegung in einer anderen Richtung oder den Arbeitsvorgang selbst einleiten.
Wenn durch ein auf diese Weise vorgenommenes Suchen ein Punkt erreicht wird, wo
der Arbeitsvorgang beginnen soll, wird dieser durch die Steuerglieder RC des Roboters
gestartet. Falls erforderlich, z.B. bei längeren Schweißnähten, kann der Roboter
während des Arbeitsvorganges dazu gebracht werden, der Schweißfuge automatisch zu
folgen.
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Das Steuerglied SC des Sensors liefert zu diesem Zweck ein Signal
PC, das die Pendelbewegung des Sensors startet. Die
Zentraleinheit
MP liefert ein Signal ds, das ein Maß für die seitliche Abweichung der Roboterhand
von der Schweißfuge ist.
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Dieses Signal wird den Steuergliedern des Roboters zugeführt, die
mit dessen Hilfe die seitliche Lage der Roboterhand relativ zu einer vorprogrammierten
Bahn korrigieren, welche näherungsweise die Richtung der Schweißnaht angibt. Die
Zentraleinheit MP liefert ferner ein Höhenkorrektursignal dh, das ein Maß für die
Abweichung der Roboterhand in senkrechter Richtung von einem gewünschten Arbeitsabstand
relativ zum Werkstück ist. Auch dieses Signal wird den Steuergliedern RC des Roboters
zugeführt, die es in an sich bekannter Weise benutzen, um die Lage der Roboterhand
in senkrechter Richtung relativ zu einer vorprogrammierten Bahn zu korrigieren.
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Die Steuerglieder liefern außerdem ein Steuersignal LC an den Sensor,
welches den Sensor zu Beginn eines Arbeitsverlaufes einschaltet und ihn nach Beendigung
des Arbeitsverlaufes ausschaltet.
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Figur 3 zeigt den Aufbau des Sensors S etwas genauer. Der Sensor besteht
aus einem Gehäuse, in dem eine Lichtquelle 30, ein Fotodetektor 33, ein Verstärker
35 sowie zwei Linsen 31 und 32 sitzen. Die Lichtquelle 30 kann vorzugsweise aus
einer Leuchtdiode oder einer Laserdiode bestehen. Das von der Lichtquelle ausgesandte
Licht wird mit Hilfe einer Linse 31 zu einem kleinen Lichtfleck 23 fokussiert. Das
von diesem Lichtfleck reflektierte Licht wird von einer Linse 32 auf dem Fotodetektor
33 geleitet. Hierbei handelt es sich bei einer bevorzugten Ausführungsform um einen
sog.
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eindimensionalen lateralen Fotodetektor. Ein solcher kann zweckmäßigerweise
aus einer schmalen und länglichen Fotodiode beispielsweise des Fabrikats Hamamatsu
S1352 bestehen. Der Mittelpunkt des Detektors ist an eine feste Spannung u angeschlossen,
während seine Endpunkte an die o Plus- und Minuseingänge eines Verstärkers 35 angeschlossen
sind. Das Ausgangs signal m des Verstärkers 35 ist auf bekannte Weise ein Maß für
die Lage des projizierten
Lichtfleckes 34 auf dem Detektor 33.
Wenn der Abstand des Werkstücks 10 vom Sensor geändert wird, verandert sich auch
die Lage des projizierten Lichtfleckes 34 auf dem Detektor.
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Um dies zu veranschaulichen, ist in Figur 3 mit gestrichelten Linien
eine andere Lage 10' des Werkstücks dargestellt. Der Lichtfleck 23 von der Lichtquelle
30 hat dabei die mit 23' bezeichnete Lage, und der projizierte Lichtfleck hat die
mit 34' bezeichnete Lage auf dem Detektor 33. Das Ausgangs signal m des Verstärkers
35 ist dabei ein eindeutiges Maß für den Abstand zwischen dem Sensor und dem Werkstück
10. Dieses Verfahren wird optische Triangulation genannt. Die Anwendung eines Detektors
33 der obengenannten Art hat mehrere wesentliche Vorteile. Da der Detektor eindimensional
ist, kann er sehr schmal ausgeführt werden und nimmt somit ein Mindestmaß an Störlicht
auf, d.h.
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solchem Licht, das nicht von dem projizierten Lichtfleck 23 herrührt.
Dies ist bei gewissen Arbeiten von außerordentlicher Bedeutung, wie z.B. beim Lichtbogenschweißen,
bei dem während des Arbeitsvorganges sehr intensives Licht erzeugt wird. Um die
Empfindlichkeit gegenüber Störlicht weiter zu verringern, kann, falls gewünscht,
das Licht der Lichtquelle 30 mit einer gewissen Modulationsfrequenz moduliert werden.
Es wird dann ein Bandpaßfilter angeordnet, welches das Meßsignal m filtert, so daß
nur Lichtkomponenten hindurchgelassen werden, die mit der Modulationsfrequenz moduliert
sind. Dieses Verfahren zur Verringerung der Störempfindlichkeit kann bei bestimmten
anderen Detektorarten, z.B. solchen, bei denen der Detektor aus mehreren in einer
Reihe hintereinander angeordneten, separaten Fotodioden besteht, nicht angewendet
werden, da diese Dioden periodisch mit einer gewissen Frequenz abgesucht werden
müssen und dieses Absuchen leicht Kollisionen mit der verwendeten Modulationsfrequenz
verursacht. Die Störempfindlichkeit kann in bekannter Weise weiter verringert werden,
indem die Lichtquelle 30 entweder infolge ihrer Beschaffenheit oder mit Hilfe eines
optischen Filters dazu gebracht wird, Licht nur in einem schmalen Frquenzintervall
auszusenden. Ein Filter, das nur Licht
innerhalb dieses Frequenzintervalls
hindurchläßt, wird dabei vor dem Detektor 33 angebracht.
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Ein weiterer Vorteil bei dieser bevorzugten Detektorart besteht darin,
daß das analoge Meßsignal m in jedem Augenblick eine unmittelbare Information über
den Meßabstand gibt, wodurch die Verzögerung vermieden wird, die aufgrund des Absuches
von beispielsweise solchen Detektoren auftritt, die eine Reihe von separaten Fotodiode
enthalten.
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Wie vorstehend erwähnt, ist der Sensor S fest an der Roboterhand montiert.
Während des Suchens zum Feststellen der Lage eines Werkstücks oder z.B. einer Schweißfuge
relativ zur Roboterhand wird die Roboterhand und damit der Sensor im Verhältnis
zum Werkstück unter Erfassung des Abstandes zwischen dem Sensor und dem Werkstück
verschoben.
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Während des Arbeitsvorganges muß die Roboterhand jedoch einer bestimmten
Bahn, z.B. einer Schweißfuge genau folgen, und dieses Verfahren kann daher nicht
verwendet werden, wenn während des Arbeitsvorganges ein automatisches Folgen einer
Kante oder beispielsweise einer Schweißfuge erforderlich ist. Wenn ein automatisches
Folgen wünschenswert ist, kann dies dadurch erreicht werden, daß der Sensor den
Abstand längs einer Richtung periodisch absucht, die einen Winkel mit der Schweißfuge
oder der Kante bildet, der während des Arbeitsvorganges gefolgt werden soll. Wie
in Figur 4 gezeigt, kann dies dadurch geschehen, daß das ganze Sensorgehäuse mit
Hilfe eines Pendelgebers PM in eine periodisch hin- und hergehende Bewegung gebracht
wird. Der Pendelgeber ist mit dem Sensor durch eine Welle 21a verbunden, und verleiht
dem Sensorgehäuse eine hin- und hergehende Bewegung, so daß sich der Lichtfleck
23 senkrecht zur Längsrichtung der Schweißfuge 22 auf der gestrichelten angedeuteten
Linie in der Figur bewegt. Die Frequenz dieser Bewegung kann einige Hz betragen,
und die Amplitude der Bewegung des Lichtflecks 23 kann einige nder einige Dekaden
mm groß sein. Wenn der Lichtfleck 23 über die in Figur 4 gezeigte Schweißfuge 22
hin- und hergeht, tritt bei jedem
Passieren der Fuge eine Diskontinuität
des gemessenen Abstandes d auf. Figur 5 zeigt, wie der abgetastete Abstand d mit
der Lage s des Lichtflecks variiert, die beispielsweise so definiert sein kann,
daß sie Null ist, wenn sich der Lichtfleck senkrecht unter der Lichtquelle 30 des
Sensors befindet.
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Die Pendelbewegung kann beispielsweise durch einen elektrischen Motor,
der den Sensor über eine Exzenterscheibe beeinflußt, oder mit Hilfe eines sich hin-
und herbewegenden elektrischen Motors herbeigeführt werden.
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Figur 5b zeigt, wie in der Zentraleinheit MP seitliche und senkrechte
Korrektursignal erzeugt werden können, um während der Durchführung eines Arbeitsvorganges
ein automatisches Folgen zu erreichen. Ein Signal PP des Pendelgebers startet zu
Beginn jedes Zyklusses einen Zeitgeber CL, dessen Ausgangssignal über ein Tor 41
einem Puffer 44 zugeführt wird. Wenn man von der Zentraleinheit MP ein Suchstoppsignal
SS erhält, wird der Zeitgeber abgelesen. Bei jedem Passieren der betreffenden Kante
oder Schweißfuge wird also das Ausgangssignal des Zeitgebers dem Puffer 44 zugeführt,
in dem es bis zum nächsten Passieren gespeichert wird.
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Gleichzeitig wird der zuvor gespeicherte Wert vom Puffer 44 in einen
anderen Puffer 44' gegeben. Der zeitliche Unterschied zwischen zwei sukzessiven
Passagen der Schweißfuge in verschiedenen Richtungen wird in einem Differenzbilder
44" gebildet. Das Ausgangssignal des Differenzbilders 44" wird dadurch kontinuierlich
ein Maß für die Abweichung zwischen der zu folgenden Kante oder Schweißfuge und
der neutralen Lage oder der Nullage des Sensors sein. Dieses Signal ds wird den
Steuergliedern des Roboters zugeführt und auf bekannte Weise dazu benutzt, die Lage
der Roboterhand in seitlicher Richtung zu korrigieren, so daß das Signal ds gegen
Null geht. Ein durch Filterung oder Mittelwertbildung erhaltenes Meßsignal M wird
einem a zweiten Tor 42 zugeführt, dessen Ausgangssignal über einen Puffer 45 einem
negierten Eingang eines Verstärkers 43
zugeführt wird. Auf einen
nicht negierten Eingang des Verstärkers wird ein Bezugswert M gegeben, der dem gewunschten
Abstand zwischen Sensor und Werkstück während des Ablaufs des Arbeitsvorganges entspricht.
Das Tor 42 wird von dem Suchstoppsignal SS gesteuert, wodurch der Meßwert M a bei
jedem Passieren beispielsweise der Schweißfuge 22 in Figur 4 in den Puffer 45 eingelesen
und in diesem gespeichert wird. Das Ausgangssignal des Puffers entspricht dabei
dem letzten Wert des Abstandes des Sensors vom Werkstück. Der Differenz zwischen
diesem Wert und dem Bezugswert M wird in dem Verstärker 43 gebildet und erscheint
als dessen Ausgangssignal dh. Dieses Signal steuert uber das Steuerglied RC die
Lage der Roboterhand in senkrechter Richtung relativ zum Werkstück so, daß der Sensor
während des Arbeitsvorganges auf einen Abstand M von dem Werkstück gehalten wird.
Eine alternative Methode besteht darin, daß die Meßwerte eine halbe Periode lang
gespeichert werden und am Ende derselben die seitliche und senkrechte Lage berechnet.
Beim Folgen ist nämlich keine unmittelbare Maßnahme erforderlich. Auf diese Weise
wird die Störungsempfindlichkeit verringert.
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Vorstehend wurde beschrieben, wie der Sensor während des Folgens in
einer konstanten Lage relativ zum Werkstück gehalten wird, und auf diese Weise wird
auch das von der Roboterhand gehaltene Arbeitswerkzeug, z.B. eine Schweißelektrode,
dazu gebracht, der gewünschten Arbeitsbahn, wie z.B. der Schweißfuge 22 in Fig.
4, genau zu folgen.
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Oben wurde beschrieben, wie das erforderliche Abtasten während des
Folgens dadurch zustandekommen kann, daß der ganze Sensor S eine periodische Bewegung
ausführt. Alternativ kann der Sensor fest an der Roboterhand montiert sein, wobei
die periodische Suchbewegung des Meßpunktes (des Lichtfleckes 23) in an sich bekannter
Weise durch Spiegel oder Prismen erzeugt werden kann, die in eine periodisch
hin-
und hergehende oder kontinuierlich rotierende Bewegung versetzt werden.
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Figur 6a zeigt ganz links schematisch den Sensor S beim Messen des
Abstandes von einem Werkstück. Das letztere besteht z.B. aus zwei Blechen 10' und
10", die bei 22 eine tiberlappungsfuge bilden. Die Verhältnisse liegen analog, wenn
der Sensor zum Abtasten der Kante eines Bleches oder eines anderen Gegenstandes
10" eingesetzt wird, das/der auf einer Unterlage 10' plaziert ist. Das mit SM bezeichnete
Diagramm zeigt den gemessenen Abstand m als Funktion der Zeit t, wenn sich die Anordnung
im Suchmodus befindet, d.h.
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wenn der Sensor vo dem Roboter in der mit dem Pfeil bezeichneten Suchrichtung
an der Oberfläche des Werkstückes entlanggeführt wird. Zur Zeit t wird die Kante
des Bleches 10', d.h. die Fuge 22 passiert, und der gemessene Abstand zeigt eine
Diskontinuität. Wie nachstehend noch beschrieben wird, wird bei t ein sog. Suchstoppsignal
abgegeben, das die mit Hilfe des Roboters ausgeführte Suchbewegung stoppt. Das rechts
in Figur 6a gezeigte Diagramm TM beschreibt das Ausgangssignal m des Sensors als
Funktion der Zeit während des automatischen Folgens, beispielsweise wenn sich der
Roboter während des Schweißens längs der Schweißfuge 22 in einer Richtung senkrecht
zur Zeichenebene bewegt und seine Meßstelle sich periodisch über die Naht 22 hin-
und her bewegt. Die mit t1, t und t 2 2 3 bezeichneten Zeitpunkte entsprechen den
Augenblicken, in welchen die Meßstelle die Naht 22 passiert, wobei Diskontinuitäten
im gemessenen Abstand auftreten. Während des Folgens kann, wie im Zusammenhang mit
den Figuren 4 und 5 beschrieben, ein Korrektursignal auftreten, welches die Roboterhand
automatisch dazu bringt, der Fuge 22 zu folgen.
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Figur 6b zeigt eine entsprechende Figur und ein entsprechendes Diagramm
für den Fall, daß der Roboter einen Kehlstoß 22 zwischen zwei Blechen 10' und 10"
abtastet. Das linke, mit SM bezeichnete Diagramm zeigt den gemessenen Abstand m
als Funktion der Zeit während des Suchmodus, d.h.
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wenn der Sensor S vom Roboter in Richtung des Pfeils geführt wird.
Die Meßstelle des Sensors passiert die Fuge im Zeitpunkt tl, und wie nachstehend
noch beschrieben wird, wird dabei ein Suchstoppsignal abgegeben. Das rechte Diagramm
zeigt in gleicher Weise wie Figur 6a das Meßsignal des Sensors als Funktion der
Zeit während des Folgemodus. Zu den Zeitpunkten t1, t und t passiert die Meßstelle
2 2 3 des Sensors die Fugenmitte. Auch in diesem Fall kann natürlich, wie oben beschrieben,
ein Korrektursignal gewonnen und dem Roboter zur automatischen Steuerung der Roboterhand
längs der Fuge zugeführt werden.
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Figur 7 zeigt schematisch einen vollständigen Suchverlauf bei einer
Anordnung gemäß der Erfindung. Die Anordnung sucht eine Überlappungsfuge 22 zwischen
zwei auf einer Unterlage liegenden Blechen 10' und 10". Von dem Roboter ist nur
der an der Roboterhand montierte Sensor S gezeigt. Der Roboter ist so programmiert,
daß er sich zu einem Startpunkt bewegt, der so liegt, daß sich die Meßstelle des
Sensors in dem mit I bezeichneten Punkt befindet. Wenn dieser Punkt erreicht worden
ist, gehen die Steuerglieder des Roboters im Programm weiter zu dem ersten Suchabschnitt,
in dem sich der Roboterarm im wesentlichen vertikal nach unten zur Oberfläche des
Werkstücks längs der mit einer gestrichelten Linie gekennzeichneten Bahn bewegt.
In dem mit II bezeichneten Punkt haben der Sensor und damit die Roboterhand einen
gewünschten vorbestimmten Abstand zum Werkstück erreicht, wobei ein erstes Suchstoppsignal
gegeben wird. Das Suchstoppsignal unterbricht die Bewegung des Roboters. Der Roboter
macht eine Überschwingung, geht jedoch zum Punkt II zurück. Das Suchstoppsignal
veranlaßt ferner die Steuerorgane des Roboters, den nächsten Suchabschnitt einzuleiten.
In diesem Abschnitt bewegt sich die Roboterhand in einer vorprogrammierten Richtung
vom Punkt II weg. Diese Richtung verläuft im wesentlichen parallel zur Oberfläche
des Werkstückes und senkrecht zur Fuge 22. Wenn die Meßstelle des Sensors im Punkt
III die Fuge erreicht, wird ein zweites Suchstoppsignal gegeben. Dieses Suchstoppsignal
unterbricht
die Bewegung des Roboters. Der MeBfleck wird jedoch ein Stück in den Bereich des
Bleches 10" hinein geschoben. Das Suchstoppsignal initiiert ferner den nächsten
Suchabschnitt, in welchem sich der Roboter längs einer vorprogrammierten Richtung
vom Punkt IV wegbewegt. Diese Richtung verläuft zweckmäßigerweise parallel zur Längsrichtung
der Fuge 22. Wenn die Meßstelle des Sensors im Punkt V die Kante des Werkstückes
erreicht, wird ein drittes Suchstoppsignal gegeben, das die Bewegung des Roboters
unterbricht. Der Meßfleck befindet sich im Punkt V. Von diesem Punkt aus folgt eine
programmierte Bewegung, die die Schweißelektrode auf den Punkt VI positioniert.
Das dritte, im Punkt y abgegebene Suchstoppsignal initiiert (eventuell nach einer
vorgenommenen Korrektur der Ausgangslage) den Beginn des Arbeitsvorgangs. Die Steuerorgane
des Roboters steuern dabei die Roboterhand so, daß sie einer vorprogrammierten Richtung
folgt, die im wesentlichen mit der Längsrichtung der Fuge 22 übereinstimmt. Wenn
die Schweißnaht kurz ist und/oder die Abweichungen hinsichtlich der Orientierung
zwischen aufeinanderfolgenden Werkstücken klein sind, kann der Arbeitsvorgang längs
der vorprogrammierten Bahn ohne Anwendung eines automatischen Folgens durchgeführt
werden. Bei längeren Schweißnähten oder bei größeren Variationen der Werkstücke
hinsichtlich ihrer Orientierung kann dagegen ein automatisches Folgen angewendet
werden. In dem letztgenannten Fall startet das Roboterprogramm das Pendeln des Sensors
und die Korrektur der vorprogrammierten Bahn mit den von der Signalverarbeitungseinheit
des Sensors empfangenen Korrektursignalen (siehe die vorstehende Beschreibung zu
den Figuren 4 - 6).
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Nachstehend soll anhand der Figur 8 die Arbeitsweise der Zentraleinheit
MP näher beschrieben werden. Das in der Zentraleinheit eintreffende digitale Meßsignal
M wird zunächst gefiltert. Die 40 letzten gefilterten Meßwerte sind die ganze Zeit
in einem Speicher MU gespeichert, der die gefilterten Meßwerte Mo , Mi, M39 enthält.
Der Wert
M ist dabei der zuletzt gefilterte Meßwert. Der Speicher
0 MU ist schematisch in Fig. 8b gezeigt. Fig. 8a zeigt schematisch einen Programmablaufplan
für das Filtern. Dieses wird in Intervallen von 0,6 ms vorgenommen, d.h. jede zweite
ms erhält man ein Startsignal. M ist dabei der aktuelle Meßwert und O( ist eine
Konstante, die beispielsweise 0,6 betragen kann.
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In Intervallen von 3,5 ms wird in der Zentraleinheit MP eine Berechnung
vorgenommen, um die Höhenlage, eine Kante oder eine Fuge zu erfassen. Ausgangspunkt
für diese Berechnung ist dabei der Inhalt des Speichers MU. Figur 9 zeigt die Arbeitsweise
der Zentraleinheit MP bei der Höhensuche (Strecke 1 - II in Figur 7}. Alle 3,5 ms
wird ein Startsignal gegeben. Dabei erfolgt zunächst eine Berechnung des Mittelwertes
MV2 der fünf letzten Meßwerte im Speicher MU. Dieser Mittelwert wird anschließend
mit einem Höhenbezugswert d verglichen. Ist der berechnete Mittelwert MV2 großer
als der Bezugswert, so geht die Zentraleinheit zurück und wartet auf ein neues Startsignal.
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Wenn dagegen der Mittelwert MV2 kleiner als oder gleich dem Bezugswert
ist, so wird ein Suchstoppsignal SS abgegeben.
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Figur 10 zeigt die Arbeitsweise der Zentraleinheit beim Seitensuchen
(Strecke II - III oder IV - V in Figur 7). Auch diese Berechnung erfolgt in Intervallen
von 3,5 ms. Alle 3,5 ms erhält man also ein Startsignal, das den Berechnungsablauf
startet. Zuerst werden die beiden Mittelwerte MV2 und MV17 berechnet, danach anhand
dieser Mittelwerte ein Richtunqssignal RI und anschließend ein Prognosenwert PR.
Der Prognosenwert ist der Meßwert, der in dem aktuellen Augenblick erwartet werden
kann, wenn die Oberfläche des Werkstückes eben ist, d.h. wenn der gemessene Abstand
eine lineare und kontinuierliche Funktion der Zeit ist. Durch die Berechnung des
Richtungssignals RI wird auch der Fall berücksichtigt, daß sich der Sensor während
des Suchens nicht parallel zur Oberfläche des Werkstücks bewegt.
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Danach wird untersucht, ob der Prognosenwert PR um mehr als
einem
vorbestimmten Betrag K von dem letzten Meßwert M abweicht. Ist die Abweichung kleiner
als K, so setzt die Zentraleinheit eine Größe N zu Null, geht zurück und wartet,
bis nach 3,5 ms ein neues Startsignal eintrifft. Die Größe K wird so gewählt, daß
sie einerseits bei kleineren Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche des Werkstücks
nicht überschritten wird, andererseits beim Auftreten einer Kante, Fuge o. dgl.
mit Sicherheit überschritten wird. Wenn der absolute Wert der Abweichung PR - M
größer als K ist, dann läuft das Programm weiter und erhöht die Große N mit Eins.
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Danach wird untersucht, ob N die Zahl 5 erreicht hat. Ist dies nicht
der Fall, so wird in den Speicher MU anstelle des letzten Meßwerte der Prognosenwert
PR eingegeben, und das Programm geht zurück und wartet auf ein neues Startsignal.
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Wenn die erfaßte Abweichung des Prognosenwertes vom Meßwert nur zufällig
ist und beispielsweise durch einen Riß ii Werkstück oder durch Schmutzteilchen auf
dem Werkstück verursacht wurde, so wird die Differenz zwischen Prognosenwert und
Meßwert bei der nächsten Berechnung kleiner als K sein, die Größe N wird um 1 auf
wenigstens 0 verringert, und in den Speicher MU wird der Meßwert M eingegeben. Wenn
die Abweichung jedoch darauf beruht, daß eine Kante oder eine Fuge erfaßt worden
ist, so wird auch bei den folgenden Berechnungen eine Abweichung zwischen Prognosenwert
und Meßwert auftreten, die Größe N wird also bei jeder Berechnung mit Eins erhöht,
und wenn die Größe N den Wert 5 erreicht, wird ein Suchstoppsignal gegeben.
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Die Erfindung ist vorstehend für die Verwendung eines Roboters zum
Lichtbogenschweißen beschrieben worden. Sie kann jedoch auch für andere Zwecke verwendet
werden, beispielsweise beim Leimen mit Hilfe eines Industrieroboters. Eine Anordnung
gemäß der Erfindung ist im allgemeinen dort anwendbar, wo die Forderung besteht,
die Lage und Orientierung von Werkstücken genau feststellen zu können, um auf diese
Weise den Punkt und/oder die Bahn bestimmen zu können, an dem/der ein Arbeitsvorgang
begonnen oder ausgeführt werden soll.
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Bei gewissen Schweißverfahren ist die Schweißfuge ein Spalt.
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Dabei ist es oft wichtig, die Abmessungen oder den Querschnitt des
Spalts feststellen zu können, um optimale Schweißparameter wählen zu können. Die
Anordnung nach der Erfindung kann zu diesem Zweck verwendet werden. Da der zu der
Anordnung gehörende Sensor ein abstandserfassender Sensor ist, erhält man leicht
ein Maß für die Tiefe des Spaltes, und auf die vorstehend beschriebene Weise kann
während des Suchens als auch während des Folgens die Lage der Kanten des Spaltes
und damit auch die Breite des Spaltes bestimmt werden.
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Eine Anordnung nach der Erfindung hat gegenüber entsprechenden bekannten
Anordnung erhebliche Vorteile.
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Dadurch, daß der Sensor auf der Roboterhand angeordnet ist, und dadurch,
daß der Roboter für das einleitende Suchen benutzt wird, können auch große Flächen
schnell auf einfache Weise abgesucht werden. Wenn die Roboterhand die gesuchte Stelle
auf dem Werkstück erreicht, befinden sich Roboterhand und Sensor direkt in der richtigen
Lage, um entweder eine'weitere Suchphase einzuleiten oder einen Arbeitsvorgang zu
beginnen. Hierdurch kann der Roboter mit minimalen Zeitverzögerungen arbeiten.
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Dadurch, daß die Anordnung nach der Erfindung einen abstandserfassenden
Sensor enthält, wird die Funktionsweise der Anordnung sehr weitgehend von der Oberflächenbeschaffenheit,
dem Reflexionsvermögen usw. des Werkstückes unabhängig. Die Anordnung hat daher
eine sehr große Flexibilität und einen großen Anwendungsbereich und kann bei Arbeitsvorgängen
an Arbeitsstücken sehr unterschiedlicher Art und sehr unterschiedlichen Materials
verwendet werden. Der abstandsmessende Sensor bewirkt auch, wie vorstehend erläutert,
den wesentlichen Vorteil, daß das Schweißvolumen einer Spaltenfuge o. dgl. bei Bedarf
einfach berechnet und zum Einstellen von Schweißparametern verwendet werden kann.
Dadurch, daß die erfassende Vorrichtung des Sensors nur den sehr kleinen Lichtfleck,
den der Sensor auf dem Werkstück erzeugt, "betrachtet", ist der Sensor gegenüber
Störlicht
sehr unempfindlich. Zu dieser Unempfindlichkeit trägt in großem Maße die Tatsache
bei, daß gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein eindimensionaler Fotodetektor
verwendet wird. Hierdurch wird die Anordnung nach der Erfindung beispielsweise beim
elektrischen Lichtbogenschweißen oder anderen Arbeitsvorgängen, die starkes Licht
erzeugen, anwendbar. Die Anordnung nach der Erfindung hat hierdurch gegenüber bekannten
Anordnung, die beim Schweißen oder anderen Arbeitsvorgängen, die starkes, störendes
Licht erzeugen, nicht anwendbar gewesen sind, einen außerordentlichen Vorteil. Ein
weiterer hierdurch gewonnener großer Vorteil besteht darin, daß der Meßpunkt des
Sensors sehr nahe an dem Arbeitspunkt, z.B. der von dem Roboter getragenen Schweißausrüstung,
angeordnet werden kann, wodurch man einerseits erreicht, daß die Abmessungen der
von der Roboterhand getragenen Ausrüstung kleiner werden und dadurch das Gewicht
und die Zugänglichkeit größer werden, und andererseits, daß die Genauigkeit beim
Suchen und Folgen groß wird. Die Anordnung nach der Erfindung hat sich bei Versuchen
als sehr zuverlassig und anwendbar erwiesen. Sie kann mit großer Genauigkeit z.B.
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Überlapppungsfugen in sehr dünnem Blech erfassen, was bei den bekannten
Ausrüstungen ein großes Problem ist.
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