DE3439096A1 - Roboter, insbesondere fuer schweissarbeiten - Google Patents

Roboter, insbesondere fuer schweissarbeiten

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Description

ASEA AB
S-721 83 Västeras/Schweden
Roboter, insbesondere für Schweißarbeiten
Die vorliegende Erfindung betrifft einen insbesondere für Schweißarbeiten bestimmten Roboter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Automatische Schweißapparate der genannten Art sind bekannt und werden unter anderem von der Firma ASEA AB gefertigt. Ein solcher Roboter hat sechs selbständige, servo-geregelte Drehachsen oder Bewegungsfreiheitsgrade und ein programmierbares Datenverarbeitungssystem. Am äußeren Ende des Armes ο des Roboters befindet sich ein automatisch gesteuertes Schweißwerkzeug (Schweißpistole), welches von dem Roboter auf einer vorprogrammierten Bahn im dreidimensionalen Raum entlanggeführt werden kann. Das Datenverarbeitungssystem ist so programmiert, daß es in jedem Augenblick für jede Rotationsachse (Freiheitsgrad) einen Sollwert für die Position liefert. Aufgrund der Konstruktion des Roboters bewegen die einzelnen Servosysteme das Ende des Roboterarms auf kreisbogenförmigen Bahnen mit Radien, deren Größe von der jeweiligen vom Roboter eingenommenen Position abhängen. Es ist daher davon auszugehen, daß beispielsweise eine programmierte gradlinige Bahn in Wirklichkeit einen poligonähnlicher Verlauf hat, der aus kleinen Kreisbögen zusammengesetzt ist. Wie dies auch immer sei, es ist möglich, mit
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einem solchen bekannten Roboter ohne weiteres gewünschte gerade und kurvenförmige Schweißnahtverbindungen mit großer Präzision herzustellen.
Häufig sind jedoch die zusammenzuschweißenden Werkstücke mit weit geringerer Präzision hergestellt, als die, mit der der Roboter arbeitet. Dies führt zu besonderen Problemen. So kann beispielsweise die Herstellung einer Schweißverbindung zwischen zwei Platten verlangt werden, die nicht gleichmäßig aneinander anliegen, sondern infolge von Unregelmäßigkeiten der Platten Abweichnungen voneinander aufweisen. Ein anderer Grund für das Auftreten von Problemen kann darin bestehen, daß beim Zusammenschweißen von zwei kurvenförmigen oder runden Platten der automatische Schweißprozeß einen höheren Grad an Präzision von dem Werkstück verlangt, als dies mit Rücksicht auf die erforderliche Präzision des fertigen Produktes erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Roboter der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit welchem es bei der Bahnsteuerung eines automatischen Schweißapparates möglich ist, die individuelle und nicht vorhersehbare Gestalt des Werkstückes zu berücksichtigen, so daß das Schweißwerkzeug der tatsächlich zu schweißenden Verbindung folgen kann, so wie es beim Schweißen von Hand möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Roboter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welcher erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.
Die genannte Aufgabe wird also gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zumindest eines der Servosysteme, welche die
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Bewegung des Roboterarms steuern mit einer Einrichtung zur Abschaltung oder Verkleinerung des anderenfalls aktiven integrierenden Schaltelemente (Integrationsfaktor), welche in der Ruckfuhrungsschleife der Regeleinrichtung enthalten sind.
Es ist bekannt, daß in einem Regelsystem, in welchem die Rückführungsgröße ausschließlich durch die Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert bestimmt wird (reine Proportionalregelung) eine bleibende Regelabweichung auftritt, die umgekehrt proportional dem Verstärkungsgrad in der Regelschleife ist.-Es ist ferner bekannt, daß die vorgenannte Regelabweichung, die sogenannte eingebaute Abweichung, normalerweise dadurch beseitigt wird, daß in die Regelschleife integrierende Schaltelemente eingefügt wird, so daß dem Eingang des Verstärkers des Servosystems (Stellglied) die Summe aus der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert und dem über ein bestimmtes Zeitintervall gebildeteten Integral aus der vorgenannten Differenz zugeführt wird. Normalerweise wird diese Integration so ausgeführt, daß die späteren Abweichungen stärker berücksichtigt werden, häufig mittels eines integrierenden RC-Gliedes mit einer geeigneten Zeitkonstante.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, zumindest hinsichtlich eines der oben genannten Freiheitsgrade den genannten integrierenden Einfluß (Integrationsfaktor) aus dem Regelsystem zu entfernen oder zu verkleinern. Dadurch ist es möglich, die Bewegungsbahn des Roboterarms so zu programmieren, daß das Schweißwerkzeug in die oder unter die gewünschte Bahn für die Schweißverbindung fällt, so daß das Schweißwerkzeug durch das Servosystem gegen das Werkstück gedrückt wird. Wenn dann eine abstandshaltende oder zurückhaltende Einrichtung verwendet wird, wie z.B. eine Gleitschiene, ein Rad, oder eine Rolle, die so angebracht wird, daß sie einen Abstand gegenüber dem
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Werkstück erzwingt, dann wird diese abstandshaltende Einrichtung sich auf dem Werkstück entlangbewegen und dabei gegen das Werkstück mit einer Kraft andrücken, welche der Differenz zwischen dem Istwert und dem nicht erreichbaren Sollwert sowie dem Verstärungsfaktor des Servosystems proportional ist. Vorzugsweise ist der Roboter so programmiert, daß eine seiner Rotationsachsen einen rechten Winkel mit der Richtung bildet, in welcher die Schweißnaht herzustellen ist. Diese Achse soll vorzugsweise vom Roboterarm weit entfernt liegen, da Rotationsachsen welche dicht an der Einspannstelle des Werkzeugs am Roboterarm liegen Drehmomente erzeugen, deren Größe sich mit verändernder Ausladung des Roboterarms stark verändern. Alternativ kann der Verstärkungsfaktor in einer Weise variiert werden, welche
•j 5 dem Maß der Ausladung des Armes angepaßt ist.
Bei bestimmten Formen von Schweißnähten kann es schwierig sein, eine Rotationsachse zu finden, die mit der programmierten Bewegungsbahn einen rechten oder nahezu rechten Winkel bildet. In solchen Fällen kann in zwei getrennten Servosystemen, von denen jedes die Lage einer Rotationsachse regelt, das integrale Verhalten des Regelkreises abschaltbar gemacht werden. Wenn die herzustellende Schweißverbindung selbst gute Bewegungsführungseigenschaften bietet, wie es beim Schweißen einer Kehlnaht zwischen zwei zueinander winkelförmig angeordneten Platten der Fall ist, verursacht die durch das Fehlen des integralen Verhaltens der Regelung in zwei Freiheitsgraden bedingte "Durchhängung" des Roboterarms keine besonderen Probleme. Das gleiche gilt für eine Stumpfschweißung zwischen zwei am Rande stark abgeschrägten Platten, wo das Vorhandensein eines Führungskanals für die Abstandshaltereinrichtung die zu schweißende Naht deutlich bestimmen kann.
Wenn ein Werkstück jedoch nicht solche Spur- oder Führungseigenschaften hat und wenn es nicht möglich ist eine Anpreß-
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Wirkung annähernd rechtwinklig zur Oberfläche des Werkstücks mit Hilfe nur einer Rotationsachse zu erzeugen, so ist es möglich, eine kompensierende integrierende Wirkung zu erzeugen, bei welcher die integrierende Wirkung nur in bezug auf solche Lagefehler wirksam wird, welche seitliche Fehler in bezug auf den gewünschten Schweißpfad enthalten. Dies wird dadurch erreicht, daß jedes von zwei Servosystemen mit entsprechenden Einrichtungen zur Abschaltung des integrierenden Verhaltens versehen wird und eine Berechnungseinheit verwen- det wird, welche zwei Komponentensignale errechnet, von denen jedes aus der Summe der gewichteten Differenzen zwischen Istwert und Sollwert der beiden Systeme besteht. Diese Komponentensignale werden integriert und anschließend dem zugehörigen Servosystem anstelle des integrierten, diesem Servosystem eigenen Signals zugeführt. Wenn beispielsweise die beiden Freiheitsgrade einen gegebenen Winkel miteinander definieren und alle Gewichtsfaktoren den Wert eins (1) haben, dann kann erreicht werden, daß die Kombination der beiden Servosysteme erfindungsgemäß in der Richtung der Halbierungslinie des genannten Systems wirken, während ein volles PI-Regelverhalten (Proportional-Integral) im rechten Winkel dazu vorhanden ist.
Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
Figur 1 einen Roboter mit seinen Freiheitsgraden,
Figur 2 schematisch einen Regelkreis für einen der Motoren des Roboters,
Figur 3A -3C und 4A - 4B Beispiele für abstandshaltende oder zurückhaltende Einrichtungen,
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Figur 5 schematisch eine Regeleinrichtung, die in einer resultierenden Richtung zweier servogeregelter Rotationsachsen "weich" ist.
Figur 1 zeigt einen Roboter bekannter Bauart. Der Roboter hat fünf Drehachsen und somit fünf Freiheitsgrade, um welche das von der Roboterhand getragene Werkzeug gedreht werden kann. Zu jeder Drehachse gehört ein in der Figur nur zum Teil erkennbarer Antriebsmotor und ein mit dem Motor IQ gekoppeltes Lagemeßglied. Diese werden von einer Datenprogrammeinheit gesteuert. Da der gezeigte Roboterarm bekannt ist und mit ähnlichen Robotern auf dem Markt weit verbreitet ist, besteht keine Veranlassung, den Roboter hier näher zu beschreiben.
Figur 2 zeigt schematisch ein Servosystem für eine der Drehachsen des Roboters. Die Winkellage des Motors 2 wird durch einen Meßwertwandler 3, einen sogenannten Koordinatenwandler, gemessen. Obwohl dieser normalerweise analog arbeitet und das Steuersystem hauptsächlich digital arbeitet, sind die für die Analog-Digitalwandlung erforderlichen Schaltungskreise im Interesse der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Für die vorliegende Beschreibung wird daher der Einfachheit halber angenommen, daß der Meßwertwandler ein Lageistwertsignal liefert, welches in dem Vergleichsglied 4 mit einem Sollwertsignal verglichen wird, welches von einem Sollwertgeber Ί geliefert wird. In Wirklichkeit wird das Fehlersignal, daß in der Figur 2 vom Vergleichsglied 4 geliefert wird, von einem Analog-Digital-Wandler geliefert, welcher mit dem nicht dargestellten Datenprozessor zusammenarbeitet. Figur 2 ist also als eine schematische Darstellung des Prinzips einer Regelung zu verstehen.
Das Fehlersignal wird einem schematisch dargestellten Verstärker 5 zugeführt, dessen Ausgangssignal eine Speiseeinheit 6 steuert, welche den Motor 2 mit Antriebsstrom versorgt. An den Verstärker 5 ist eine Rückführungsschaltung 7 angeschlossen, welche Schalter 12 und 13 enthält, mit welchen Schaltungen in der Rückführungsschaltung vorgenommen werden können. Der Widerstand 10 und der Kondensator 11 bilden einen integrierenden Zweig, während die Widerstände 8 und 9 einen rein ohmschen Zweig bilden. Wenn der Schalter 13 geschlossen ist, ist der integrierende Zweig kurzgeschlossen, so daß die Rückführung einen rein proportionalen Charakter (reines P-Verhalten) hat. Normalerweise ist jedoch der integrierende Zweig eingeschaltet, der der Rückführung ein PI-Verhalten verleiht.
Wie bekannt, wird ein PI-Verhalten für eine Regelung normalerweise dann verlangt, wenn der Sollwert sehr genau angefahren werden soll. Bei einem P-Verhalten kommt die Verstellung der Regelgröße zur Ruhe, bevor der Sollwert exakt erreicht worden ist.
Gemäß der Erfindung wird jedoch eine besondere Eigenschaft der P-Regelung ausgenutzt, die es ermöglicht, ein äußeres Drehmoment auf die Drehachse des Motors auszuüben, woraufhin der Motor versucht, diesem Drehmoment entgegenzuwirken und eine Gegenkraft erzeugt, die proportional dem Lagefehler ist, der durch das äußere Drehmoment verursacht wird. Durch die Verwendung eines solchen Servosystems bekommt der Motor ein Federkraftverhalten. Dieses Verhalten wird gemäß der Erfindung ausgenutzt, indem ein Sollwert eingestellt wird, der aus zwingenden geometrischen Gründen nicht eingenommen werden kann, wodurch eine Kraft gegen das Werkstück ausgeübt wird.
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Bei der Anwendung der Erfindung ist an das Ende des Armes, also an die Hand, des beispielsweise in Figur 1 gezeigten Roboters ein bekanntes Schweißwerkzeug (zum Beispiel eine Schweißpistole) angebracht. Man erkennt aus Figur 1, daß die Rotationsachsen fünf Freiheitsgrade zur Verfugung stellen. Bei der Anwendung der Erfindung ist mindestens eine der Rotationsachsen zweckmäßigerweise mit einem schaltbaren Servosystem gemäß Figur 2 ausgerüstet. Wenn beispielsweise der mit II bezeichnete Freiheitsgrad (B) mit der Einrichtung gemäß der Erfindung versehen ist, kann das Schweißen erfindungsgemäß in einer Richtung rechtwinkelig oder im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung dieser Achse vorgenommen werden.
Da das Schweißwerkzeug gegen das Werkstück gedruckt werden soll und an diesem gegen die Reibungskraft entlanggezogen werden soll, ist das Ende des Schweißwerkzeugs mit einer geeigneten Zurückhalteeinrichtung oder Abstandshaltereinrichtung gemäß der Erfindung versehen. Diese Zurückhalteeinrichtung kann aus einer Gleitschiene oder einfach aus einer Kante des Schweißwerkzeuges selbst bestehen. Vorzugsweise gehört zu dieser Einrichtung jedoch eine Anordnung mit einem drehbaren Rad oder einer Rolle, wodurch die Reibungskräfte herabgesetzt werden können. Die Figuren 3A - 3C und 4A - 4C zeigen geeignete Einrichtungen für diesen Zweck. Die Figuren 3A - 3C zeigen Ausführungsformen, die ein einziges Rad enthalten, welches das Schweißwerkzeug (Schweißelektrode) von der eigentlichen Schweißstelle bzw. den ihr benachbarten Teilen auf Abstand hält. Diese Ausführungsform wird vorzugsweise beim Schweißen einer Kehlnaht verwendet. In den Figuren ist eine Kehlschweißnaht mit 21 bezeichnet und ein Schweißwerkzeug ist an dem nicht dargestellten Roboterarm montiert. An dem Schweißwerkzeug 20 ist ein Halter 24 angebracht, an welchem eine Stange 23 angeordnet ist, die in Längsrichtung in verschiedenen Lagen relativ zum
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Halter 2 4 arretiert werden kann und an deren eines Ende ein Rad 2 3 drehbar gelagert ist. In der in Figur 3B gezeigten Ausführungsform ist das Rad 22'an seiner Lauffläche mit einer Hohlkehle versehen, welche eine freie Bewegung über die Schweißnaht ermöglicht, wenn in wechselnden Schweißrichtungen gearbeitet werden soll, und die ebenfalls Raum für das Überfahren von vorgefertigten Heftschweißstellen schafft. Die in Figur 3C gezeigte Ausführungsform hat ein Rad 22"', welches direkt gegen die Stelle anliegt, an Ό welcher später eine Schweißnaht erzeugt werden soll.
Die Figuren 4A - 4B zeigen eine weitere Ausführungsform, welche zwei drehbare Räder 2 5 enthält. Diese Räder werden von einer in ihrer vertikalen Lage justierbaren Stange
-* 23'getragen, die in ähnlicher Weise angeordnet ist, wie die anhand von Figur 3A beschriebene Stange. Jedoch ist in diesem Falle die Stange 23'an ihrem im Sinne der Figur 4B unteren Ende gegabelt ausgeführt, und an jedem Gabelende ist ein Rad 25 angeordnet, wobei jedes Rad gegen je eines der beiden Teile des Werkstückes anliegt, welche mit einer Kehlnaht zusammengeschweißt werden sollen.
Figur 5 zeigt sche-matisch eine Ausführungsform eines Servosystems, in welchem die Beweglungen in zwei individuellen Freiheitsgraden miteinander im Hinblick auf den Integrationsfaktor koordiniert sind. Diejenigen Bauteile, die auch in der Ausführungsform gemäß Figur 2 vorkommen, sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Allerdings sind in Figur 5 die in der Ausführungsform nach Figur 2 gezeigten Umschaltmöglichkeiten (12, 13) nicht dargestellt. Die Bauteile 7 und 7'repräsentieren funktionelle Widerstandsnetzwerke. Das bedeutet, daß aus Gründen der Einfachheit Figur 5 nicht die Umschaltmöglichkeiten zeigt, die durch die vorliegende Erfindung möglich sind.
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Zusätzlich zu einer P-Rückführungsschaltung ist auch eine besonders kombinierte I-Rückführungsschaltung vorhanden ingestalt von Divisionsgliedern 50, 50', mit deren Hilfe ein einstellbarer Teil (gewichteter Teil) der Regelabweichung gewonnen wird. Die Ausgangssignale der Divisionsglieder werden in Multiplikationsgliedern 51',51 mit einem Fehlerfaktor multipliziert, welcher der Regelabweichung des jeweils anderen Regelkreises entspricht. Die Ausgangsgrößen der Multiplikationsglieder werden in Integrationsgliedern 52, 52' verarbeitet und zu der Eingangsgröße des zugehörigen Verstärkers addiert. Auf diese Weise wird der Servoeffekt verstärkt, gesehen in einer von den beiden Freiheitsgraden definierten Ebene, in einer Richtung, die von zwei einstellbaren Konstanten K, K' bestimmt wird, während der Federeffekt gemäß der Erfindung in einer anderen Richtung erzeugt wird, unter einem Winkel dazu. Es ist zu beachten, daß bei der Anwendung dieses Prinzips der Aufbau des Roboters berücksichtigt werden muß, da die verschiedenen Drehachsen des Roboters mit untereinander unterschiedlichen Hebellängen arbeiten. Die obige Beschreibung ist mehr als ausreichend, um einen normalen Fachmann auf diesem Gebiet zu befähigen, einen Roboter und seine Steuerkreise so anzupassen, daß sie jeder besonderen Anforderung genügen.
In vielen Fällen kann jedoch das Werkstück in bezug auf den Aufbau des Roboters in einer solchen Weise ausgerichtet werden, daß man, bedingt durch das Fehlen einer I-Regelung, Flexibilität in der Richtung erhallt, die mit Rücksicht auf die Gestalt des Werkstückes am besten geeignet ist, beispielsweise in Richtung auf den Kanal, in welchem eine Kehlnaht geschweißt werden soll.
In den obigen Ausführungen wird ausschließlich von Schweißen gesprochen. Die Erfindung kann jedoch auf vielen anderen Ge-5 bieten angewendet werden, wie beispielsweise beim Entgraten,
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dem Auftragen von Klebstoff, Dichtungsmasse oder dergleichen usw.
Die Erfindung wurde in allgemeiner Form beschrieben. Es ist jedoch klar, daß der normale Fachmann auf diesem Gebiet zu vielen Modifikationen imstande ist, um den Anforderungen zu genügen, denen er sich in der Praxis gegenüber sieht. Obwohl die Erfindung beispielsweise im Hinblick auf Kehlschweißnähte beschrieben wurde, kann sie mit Erfolg überall eingesetzt werden, wo das Werkstückes mit geeigneten Führungsflächen versehen ist, zum Beispiel bei groben Stumpfschweißungen, bei denen die abgeschrägten Kanten einen V-förmigen Kanal bilden.
Die Erfindung kann insbesondere auch bei der Vielfachherstellung von Werkstücken angewendet werden, bei der die einzelnen Werkstücke in einem gewissen Ausmaße Unterschiede untereinander aufweisen oder uneben oder dergleichen sind. Solche Toleranzen können in geeigneter Weise dadurch berücksichtigt werden, daß man den betreffenden Teilen ein äußere Form gibt, welche imstande ist, die Aufbringung der Schweißnaht in der Schweißnahtvertiefung zu führen.
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Claims (4)

Patentansprüche
1. Roboter, insbesondere für Schweißarbeiten, mit einem beweglichen Roboterarm, der ein Schweißwerkzeug (Schweißelektrode) für Lichtbogenschweißung zu tragen vermag und der von Servoeinrichtungen geregelt wird, die ihn in einer Mehrzahl von Freiheitsgraden bewegen können (Figur 1), wobei die Servoregeleinrichtung für jeden Freiheitsgrad des Roboterarms ein Servosystem (Figur 2) enthält, welches nach Vergleich eines gemessenen Istwertes mit einem vorgegebenen Sollwert einen Motorantrieb in der Weise steuert, daß der Istwert sich dem Sollwert nähert, mit einem Datenprozessor (1), welcher die Sollwerte für die verschiedenen Freiheitsgrade liefert, mit je einer Rückführungsschleife (7) in den Servosystemen, welche Rückführungsschleife sowohl proportionalen als auch integralen Charakter hat, dadurch
I^gekennze i chne t, daß die Rückführungsschleife mindestens eines Servosystems eine Einrichtung (12, 13) zur Abschaltung oder Herabsetzung des Integrationsfaktors (10, 11) in der Regelung enthält.
2. Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte, mit der Abschalteinrichtung versehene Servosystem ferner eine Einrichtung (1) enthält zur Änderung des Sollwertes, daß der Arm des Roboters an einer nahe der Schweißelektrode gelegenenen Stelle mit einer Äbstandshaltereinrichtung (Figuren 3 und 4) versehen ist, beispielsweise einem Rad, einer Rolle oder einer Gleitschiene, welche so angeordnet ist, daß sie gegen das zu schweißende Werkstück drückt, und daß der Sollwert eine Größe hat, welche einer Lage des Armes entspricht, an deren Einnahme der Roboterarm durch die Äbstandshaltereinrichtung gehindert wird.
3. Roboter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Servosysteme für je
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einen entsprechenden Freiheitsgrad mit je einer Einrir/ Cr? Tlo* zur Abschaltung des integrierenden Faktors der Regelt***] versehen sind und daß die Fehlersignale der beiuen Regelsysteme einer Berechnungseinheit (51, 51') zugeführt werden, welche zwei Komponentensignale erzeugt, in die gewichtete Werte der Fehlersignale eingehen, daß zwei Integrationsglieder (52, 52') vorhanden sind zur Integration der Komponentensignale und daß Glieder zur Übertragung der integrierten Komponentensignale an das zugehörige Servosystem vorhanden sind, um dort zu dem steuernden Fehlersignal addiert zu werden, wobei beim Fehlen eines Integrationsfaktors eine Selbsteinstellung erreicht wird in einer Richtung, die von einer Vektorsumme bestimmt wird, die aus einem ersten Vektor, welcher einem ersten Freiheitsgrad entspricht, und einem Vektor, welcher einen zweiten Freiheitsgrad entspricht, besteht.
4. Roboter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshaltereinrichtung zwei zueinander parallele Räder (Figuren 4A - 4B) enthält, deren Achsen sich rechtwinklig zu einer gegebenen Schweißrichtung der Schweißelektrode erstrecken.
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