DE3627560C3 - Programmgesteuerte und sensorgeführte Fertigungs- und/oder Montageeinheit, insbesondere Industrieroboter - Google Patents

Programmgesteuerte und sensorgeführte Fertigungs- und/oder Montageeinheit, insbesondere Industrieroboter

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DE3627560C3 DE19863627560 DE3627560A DE3627560C3 DE 3627560 C3 DE3627560 C3 DE 3627560C3 DE 19863627560 DE19863627560 DE 19863627560 DE 3627560 A DE3627560 A DE 3627560A DE 3627560 C3 DE3627560 C3 DE 3627560C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine programmgesteuerte und sensorge­ führte Fertigungs- und/oder Montageeinheit gemäß Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1.
Im Bereich der Fertigungs- und Montagetechnologie nimmt der Einsatz von sogenannten Industrierobotern einen immer größeren Platz ein. Ent­ sprechend der Arbeitssystematik dieser Einrichtungen lassen sie sich in eine gewisse Modellpalette einreihen, wobei beispielsweise Röhren-, Linear-, Gelenkarm- und Knickarmgeräte die gängigsten und am häufigsten zum Einsatz kommenden Modelle sind.
Mit der Zielsetzung, stets die optimalen Voraussetzungen für eine flexible und bedarfsgerechte Fertigung und Montage zu schaffen, weisen die Industrieroboter auch Eigenschaften auf, durch die sie geeignet sind, auf sinnvolle Art und Weise Aufgaben mit höheren Anforderungen erfüllen zu können. Dazu gehören auch Aufgaben, die in den Bereich der mechanischen Verarbeitungsverfahren (schleifen, entgraten, schneiden, bohren usw.) gehen. Werden diese Arbeiten von sensorgeführten Indus­ trierobotern getätigt, so ergeben sich bezüglich der Sensorführung (wegeabhängige, entfernungsabhängige, kraft- und momentenabhängige Steuerung) wegen der zusätzlichen auftretenden Verarbeitungskräfte (z. B. Zerspankräfte) weitere Probleme, wobei auch der Eigengewichtsanteil (Vertikalkomponente) der einzelnen Roboterarme je nach deren Stellung sich auf die Sensorik und die Auswertung der Ergebnisse auswirkt und daher berücksichtigt werden muß.
Konventionelle Roboter nach dem Stand der Technik bestehen aus einer Anzahl von drehbeweglichen und/oder linear geführten Armen, wobei in der Regel jede Verbindungsstelle einen oder mehrere Freiheitsgrade der Bewegung hat, so daß mit der Anzahl der vorhandenen Arme auch die An­ zahl der Freiheitsgrade sich entsprechend aufaddiert. Da solche, als in sich geschlossenen Funktionseinheiten arbeitende Roboter sich auch in einem ihnen zugewiesenen, eigenen Koordinatensystem bewegen, ist mit der Durchführung der mit der vorbeschriebenen entsprechend präzise ar­ beitenden Mechanik vonstatten gehenden Bewegungsabläufe außerdem ein enormer programmtechnischer Aufwand verbunden.
Die von einem Sensor zu erfüllenden Aufgaben sind naturgemäß abhängig von dem eigentlichen mit einer Werkzeuggruppe auszuführendem Bearbei­ tungsvorgang (messen, schleifen, greifen, montieren, schweißen, sor­ tieren usw.)
Von der Vielzahl der dabei möglichen Sensortypen kommen dabei in erster Linie solche mit optischen Erkennungssystemen und solche zur Registrie­ rung kinematischer Bedingungen (Druck, Kraft, Beschleunigung) in Frage. In der Regel sind solche Sensoren unmittelbar mit einer auf den Roboter aufgesetzten Werkzeuggruppe gekoppelt, so daß sie die aktuellen Ver­ hältnisse am Bearbeitungsort unmittelbar erfassen können.
Eine gattungsgemäße programmgesteuerte und sensorgeführte Fertigungs- und/oder Montageeinheit ist aus "Robotersysteme 1 (1985), Seiten 83- 86, Springer-Verlag, bekanntgeworden. Diese Vorveröffentlichung be­ schäftigt sich inhaltlich im wesentlichen mit Robotersteuerungen für komplexe Roboteranwendungen, bei denen zusätzliche Sensorsignale zu be­ arbeiten sind. Dabei werden, ausgehend von verschiedenen Einsatzberei­ chen, die notwendigen Funktionen und Software-Schnittstellen abgeleitet und zusammengestellt. Diese Vorveröffentlichung erschöpft sich aller­ dings in einer Bestandsaufnahme des gegenwärtigen Standes der Technik, indem versucht wird, die verschiedenen Sensor-Aufgaben zu struktu­ rieren, so daß die notwendigen Funktionen erkennbar werden. Im Ergebnis wird die Erkenntnis gewonnen, daß in vielen anwendungsbezogenen Fällen sich eine Aufgabe entweder mit einem einfachen Sensor, aber zeitaufwen­ digen Steuerungsfunktionen oder mit einem komplexeren Sensor und ein­ fachen Steuerungsfunktionen lösen läßt. Die wesentliche Problematik, nämlich die rasche Rückkopplung von Sensorsignalen, ist in dieser Vor­ veröffentlichung allerdings noch nicht einmal andeutungsweise behan­ delt.
Dabei gewinnt aber gerade die Rückkoppelung von Sensorsignalen, die ein Roboter in kontrollierte Wechselwirkung mit seiner Umwelt bringen, zu­ nehmend an Bedeutung. Mit dem Ziel, eine möglichst schnelle Rückführung und Bearbeitung des Sensor-Tastergebnisses zu erreichen, wurde bei­ spielsweise ein kugelförmiger Kraft-Momentensensor (3 Kräfte, 3 Momen­ te) entwickelt (Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt - DFVLR), mit dem sich die verschiedenartigsten Aufgaben wie Montage, Gußputzen, Erkennen und Speichern von Werkstückkonturen, Pro­ grammierung mit Sensorgriff usw. lösen lassen.
Durch ergänzende Hinzubringung von weiteren optischen und induktiven Sensoren, die in ein Greifersystem integriert werden, ist es weiterhin möglich, Entfernungen zu messen und gegebenenfalls Werkstücktoleranzen zu korrigieren. Mit dieser Sensorkugel ist es außerdem möglich, per Hand den Roboter in gleichzeitig 6-kartesischen Freiheitsgraden zu steuern. Die wesentlichen Stationen eines solchen Steuer- bzw. Regel­ kreises sind: Multiplikation mit der Sensormatrix - Transformation in das Inertialsystem - steuerungstechnische bzw. regelungstechnische Ver­ arbeitung der Werte - ergänzende Koordinatentransformation für die Ge­ lenkkommandos des Roboters in dessen eigenes Koordinatensystem.
Der mit Abstand größte Zeitaufwand für die Rückkoppelung der Sensor­ signale wird für die Transformation der im kartesischen Koordinaten­ system vorliegenden Sensorsignale in die zylindrischen, sphärischen usw. Koordinaten der Roboterarme benötigt. Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist für die kontinuierliche Rückkoppelung eines Sensor­ signales, das heißt von der Aufnahme einer Sensorinformation, z. B. als Abstands- oder Kraft/Momentensignal bis zur aktiven Reaktion des Ro­ boters auf dieses Signal eine Zykluszeit von mindestens 30 Millisekun­ den erforderlich. Diese Zeitverzögerung kann beispielsweise dazu füh­ ren, daß der Roboter wegen seiner relativen mechanischen Trägheit bei plötzlichem Auftreffen auf ein Hindernis dieses zerstören kann. Bewegt sich andererseits der Roboter beispielsweise auf einer vorprogrammier­ ten Bahn und erfaßt ein Sensor Abweichungen zu einer aktuellen Sollbahn mit anschließenden Korrekturkommandos, so wird wegen einer unvermeid­ lichen Einsatzzeitkonstante ein Korrekturkommando erst zu einem ver­ späteten Zeitpunkt ausgeführt, was den Korrektureffekt völlig zunichte machen kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine programmge­ steuerte und sensorgeführte Fertigungs- und/oder Montageeinheit aufzu­ zeigen, mit der eine ausgesprochen rasche Rückkoppelung von Sensor­ signalen erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer programmgesteuerten und sensorgeführten Fertigungs- und/oder Montageeinheit gelöst, welche durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet ist.
Es ist zwar bereits aus der DE-OS 29 05 487 ein programmierbarer Mani­ pulator bekanntgeworden, bei dem zum Zwecke der Vereinfachung der Pro­ grammierfähigkeit bei der Programmerstellung eine Zusatzprogrammein­ richtung vorgesehen ist, deren Steuerparameter zusammen mit den Posi­ tionsdaten eines jeden Pro­ grammschrittes in den Hauptprogrammspeicher des Manipulators übertragbar sind. Dabei besteht eine funktionelle Zu­ ordnung entsprechend einem Unterprogramm zu einem Hauptprogramm, wobei eine ständige Wechselwirkung vorherrschen muß, um zur Erzielung eines gewünschten Schweißmusters die Vorschubbewegung eines Manipulatorarmes mit der Schwenkbewegung einer an ihn angeschlossenen Schweißpistole in Einklang zu bringen. Abgesehen davon, daß in dieser Offenlegungsschrift keine Achsengruppen im Sinne der vorliegenden Erfindung offenbart sind, sind dort insbesondere auch keine Sensoren vorgesehen, bei denen im Zusammenwirken mit der Programmsteuerung das Problem - Rückkopplungs­ verhalten - auftreten könnte. Damit fehlt eine wesentliche Grundlage, um aus dieser Vorveröffentlichung irgendwelche Anregungen entnehmen zu können, die zur Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen­ den Aufgabe hätten führen können.
Die letztlich zu nennende DE-OS 32 28 373 offenbart eine Roboter-Mon­ tageeinrichtung zum Eindrehen von Schrauben in eine Gewindeöffnung, wo­ bei ein Greifer zunächst mittels Roboterarmen in eine Grobposition ge­ bracht wird, wonach eine genauere, sensorgesteuerte Montagepositionie­ rung des Greifers für den Arbeitsvorgang erfolgt. Die dabei vorgesehene Sensoreinrichtung dient dem Zweck, den Sensor in eine definierte Soll- Position zu bringen. Damit ist die Aufgabe der Sensoreinrichtung been­ det, d. h. eine Überwachung des Arbeitsablaufes (Problem-Rückkopplungs­ verhalten) findet nicht statt.
Auch diese Offenlegungsschrift beinhaltet weder eine mit der vorliegen­ den Erfindung vergleichbare Aufgabenstellung, noch ableitbare Lösungs­ ansätze.
Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäßen Fertigungs- bzw. Monta­ geeinheit ist in der wesentlichen Verbesserung des Rückkoppelungsver­ haltens der gesamten Einheit zu sehen. Durch Einbeziehung eines Primär- und Sekundärregelkreises und deren Zuordnung zu den beiden Achsengrup­ pen ist weiterhin eine Reduzierbarkeit des programmtechnischen Aufwan­ des erreichbar. Es entfällt dabei zumindest teilweise eine programm­ technische Zerlegung in Teilaufgaben, eine Erzeugung kartesischer Kommandos, eine Koordinaten-Transformation sowie eine Entwicklung eines internen Gelenkregelkreises. Durch den konstruktiven Aufbau der zweiten Achsengruppe mit ihrem Arbeitsraum und der Anordnung ihrer Bewegungs­ achsen in einem kartesischen Koordinatensystem kann der Bewegungsablauf der davon getragenen Werkzeuggruppe auf einfache Weise programmtech­ nisch eingearbeitet werden. Durch entsprechende geeignete Positionie­ rung eines taktilen Sensors bewegt sich auch dieser stets im Rahmen dieses Koordinatensystems. Weitere Vorteile leiten sich aus den Unter­ ansprüchen und der nachstehenden Figurenbeschreibung ab, die die Erfin­ dung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschreibt. Die Zeichnung zeigt dabei im einzelnen in
Fig. 1 einen Industrieroboter als Fertigungs- und/oder Montageein­ heit mit den beiden unabhängig voneinander ansteuerbaren Achsengruppen,
Fig. 2 eine Einzeldarstellung der Werkzeughalterung als zweite Achsengruppe mit den damit bestreichbaren Arbeitsräumen,
Fig. 3 die Werkzeughalterung mit einer vorteilhaften Anordnung eines Sensors und
Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung des steuerungstechni­ schen Aufbaus.
Die Fig. 1 zeigt als Ausführungsform eine Fertigungs- und/oder Monta­ geeinheit eines Industrieroboters (1). Dabei ist auf einer Grundplatte (2) dessen Antriebs- und Steuereinheit (3) installiert, über die je nach dem eingegebenen Arbeitsprogramm Drehachsen (4, 5) angesteuert wer­ den sowie eine translatorische ggf. auch rotatorische Bewegung (Achse 6) möglich ist. Aufgrund der sich damit ergebenden Freiheitsgrade in der Bewegung ist mit dieser ersten Achsengruppe (7) des gesamten In­ dustrieroboters (1) ein weitreichender Arbeitsraum erfaßbar. Am vor­ deren Ende (8) eines entlang der Bewegungsachse (6) translatorisch ge­ führten Roboterarmes (9) ist mittels eines geeigneten Kopplungsmecha­ nismus (10) eine zweite Achsengruppe (13) des Industrieroboters (1) befestigt. Die zweite Achsengruppe (13) ist als eigentliche Werkzeug­ halterung ausgeführt und trägt eine für den Bearbeitungsprozeß erfor­ derliche Werkzeuggruppe, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Schleifgerät (14) ausgeführt ist. Mit einem entsprechenden Schleifein­ satz (15) wird die Bearbeitung eines Werkstückes (16) vorgenommen.
Die zweite Achsengruppe (13) ist im gezeigten Ausführungsbeispiel le­ diglich schematisiert dargestellt. Sie besteht zunächst aus einem Grundrahmen (17), der zwei zueinander kreuzförmig angeordnete Werkzeug­ träger (18) bzw. Rahmenträger (19) aufweist. Der Werkzeugträger (18) verfügt an seinen Enden über Zapfen (20), an denen jeweils Werkzeugrup­ pen, wie beispielsweise das gezeigte Schleifgerät (14) oder auch auf der einen Seite eine Werkzeuggruppe und auf der anderen Seite eine Sen­ soreinheit (nicht dargestellt) angeflanscht sein können. Für entspre­ chende Werkzeuggruppen können diese Zapfen (20) gleichzeitig die An­ triebswelle bilden. Der Rahmenträger (19) ist an seinen Enden mittels Lagerzapfen (23) in einander gegenüberliegenden, in eine Basis (24) einmündenden Schenkeln (25, 26) der damit einen U-förmigen Rahmen bil­ denden zweiten Achsengruppe (13) gelagert. Alternativ zur gezeigten Ausführungsform könnten an den Schenkeln (25, 26) zusätzliche Längsfüh­ rungen für die genannten Lagerzapfen (23) vorgesehen sein, so daß der Grundrahmen (17) insgesamt sich entlang derselben bewegen könnte.
An der Kreuzungsstelle von Werkzeugträger (18) und Rahmenträger (19) ist eine im Detail nicht näher dargestellte Doppellagerung (27) vorge­ sehen. Mit dieser ist es möglich, den Werkzeugträger (18) in eine Translationsbewegung entlang dem Rahmenträger (19) mit diesem als Trans­ lationsachse zu bewegen (Pfeil 29), während zusätzlich die Möglichkeit geschaffen ist, den Werkzeugträger (18) in der Doppellagerung (27) in Querrichtung zu bewegen (Pfeil 28). Zur Steuerung dieser Bewegungsab­ läufe mit Rücksicht auf den Bearbeitungsvorgang ist an der Koppelungs­ stelle des Schleifgerätes (14) mit dem Werkzeugträger (18) ein kraft- und momentenaufnehmender Sensor (30) vorgesehen. Im vorderen Bereich des Schleifergerätes (14) ist ein wegaufnehmender Sensor (33) vorgesehen, der beispielsweise mittels eines optischen Meßsystems oder eines anderen geeigneten Systems die relative Lage (Abstand) zum Werkstück (16) ermittelt und als Signal der Programmsteuerung zuführt.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist über eine Translation des Werkzeug­ trägers (18) entlang einer x-Achse sowie über eine weitere Translation entlang einer z-Achse mit einer auf dem Zapfen (20) aufgesetzten Werk­ zeuggruppe (nicht dargestellt) eine quadratische oder rechteckförmige Arbeitsfläche (34) erfaßbar. Wird diesen Translationsbewegungen (Pfeile 28, 29) eine zusätzliche Rota­ tionsbewegung (Pfeil 35) des Rahmenträgers (19) um seine Längsachse (x-Achse) überlagert, so entsteht ein Arbeits­ raum (36), wie er in Fig. 2 neben der zweiten Achsengruppe (13) abge­ bildet ist. Wird hingegen den vorgenannten Translationsbewegungen (Pfeile 28, 29) eine zusätzliche Rotationsbewegung (Pfeil 37) der zwei­ ten Achsengruppe (13) im Bereich des Kopplungsmechanismus (10) der Basis (24) mit dem vorderen Ende (8) des Roboterarmes (9) überlagert, so entsteht ein etwa zylinderförmiger Arbeitsraum (38), wie er eben­ falls Fig. 2 entnommen werden kann. Der Kopplungsmechanismus (10) ist dabei im einzelnen nicht näher beschrieben, er befindet sich sich vorzugs­ weise in der Mitte der Basis (24).
Hinsichtlich Anordnung und Ausgestaltung des Koppelungsmechanismus sind eine Reihe von Variationsmöglichkeiten gegeben, die jeweils entspre­ chende Varianten von Arbeitsräumen eröffnen. Durch eine Anordnung im Übergangsbereich zwischen Basis (24) und einem der Schenkel (25, 26) und dabei fluchtend mit diesem ist beispielsweise eine wesentliche Ver­ größerung eines damit erzielbaren Arbeitsraumes gegeben. Ebenfalls ist dies erreichbar durch eine Kombination verschiedener Rotations- und Translationsbewegungen.
Grundsätzlich sollte insbesondere die zweite Achsengruppe (13) in der Weise gestaltet sein, daß sie lediglich soviele Translations- bzw. Ro­ tationsachsen (gff. nur eine einzige) aufweist, wie der Bearbeitungs­ vorgang es erfordert. So ist also zum Bestreichen der Arbeitsfläche (34) lediglich eine zweiachsige Achsengruppe (13) notwendig, während die zum Bestreichen der Arbeitsräume (36 oder 38) dreiachsig und zum Be­ streichen aller dieser Arbeitsflächen bzw. -räume (34 und 36 und 38) vierachsig ausgeführt sein muß. Diese Kriterien können die konstruktive Gestaltung der zweiten Achsengruppe (13) beeinflussen. Die Aufteilung, d. h. Zuordnung von Regelkreisen (43, 55), wie diese weiter unten noch beschrieben werden, bleibt davon allerdings unbeeinflußt.
Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die zweite Achsen­ gruppe (13) mit einem am vorderen Ende des Werkzeugträgers (18) im Be­ reich der Zapfen (20) vorgesehenen wegaufnehmenden Sensor (33). Auf­ grund der bereits vorgeschriebenen translatorischen Bewegungen des Werkzeugträgers (18) in der Doppellagerung (27) entlang der z-Achse und der Führung auf dem Rahmenträger entlang der x-Achse bewegt sich auch der Sensor (33) auf diesem kartesischen Koordinatensystem, so daß die Verarbeitung der von diesem an die Steuerung weitergegebenen Signale nur einen relativ geringen rechentechnischen Aufwand erfordert, da eine Koordinatentransformation von einem bzw. in ein anderes Koordinaten­ system entbehrlich wird.
Fig. 4 letztlich zeigt in einem Flußdiagramm den schaltungstechnischen Aufbau bzw. die entsprechende Zuordnung der beiden Achsengruppen (7, 13). Die von den beiden Sensoren (Kraft/Momentesensor 30 und wegauf­ nehmender Sensor 33) ausgegebenen Signale werden einer Signalverstär­ kung (39) zugeführt. Darin können die zur Umwandlung von analogen in digitale Signale bzw. umgekehrt erforderlichen AD/DA-Wandler integriert sein. Die so aufbereiteten Signale werden einem Mikrorechner (40) zuge­ führt. Dieser steht weiterhin innerhalb eines Sekundärregelkreises (43) mit einer Signalanpassung (44), einem Verfahrenstechnologie-Speicher (45) sowie einer Bahnvorgabe (46) im Datenaustausch. Die Bahnvorgabe (46) ist unmittelbar mit dem Verfahrenstechnologie-Speicher (45) gekop­ pelt und leitet die aus dieser Kopplung sich ableitenden Sollvorgaben einer Ansteuerung (47) für die Stellmotoren der Bewegungsmechanismen (Kopplungsmechanismus 10, Lagerzapfenlagerung 23, Doppellagerung 27, Werkzeuggruppen-Antriebszapfen 20) zu. Ein mit der Signalanpassung (44) gekoppeltes Maschineninterface (48) liefert die ergänzenden Daten für die Stellmotoren-Ansteuerung (47). Damit kann mit geringem programm­ technischen Aufwand und vor allen Dingen durch eine daraus sich erge­ bende kurze Rückkoppelungszeit die zweite Achsengruppe (13) rasch angesteuert und der Bewegungsablauf einer angekoppelten Werkzeuggruppe (14) an die Erfordernisse angepaßt und innerhalb des mit der zweiten Achsengruppe (13) möglichen Arbeitsraumes angesteuert werden.
Die erste Achsengruppe (7) ist innerhalb eines Primärregelkreises (55) über eine Ablaufsteuerung (49) sowie eine automatische Prozeßüberwa­ chung (50) mit dem Mikrorechner (40) gekoppelt. Über die Wechselwirkung mit Schnittstellen (53), z. B. Drucker, wird ein Leitrechner (54) ange­ steuert, der die Steuerung für die erste Achsengruppe (7) beinhaltet und die entsprechenden Stellbefehle an die Antriebs- und Steuereinheit (3) der ersten Achsengruppe (7) und damit an die Drehachsen (4, 5) bzw. Bewegungsachsen (6) der Roboterarme (9, 11, 12) weiterleitet. Über eine mit dem Mikrorechner (40) in Wechselbeziehung stehende Bedienkonsole (56) kann mittels dort vorgesehener Tastatur, Anzeige und sonstiger Einrichtungen ein manueller Eingriff in das Programm und damit gegebe­ nenfalls in den Arbeitsablauf vorgenommen werden.
Die Steuerung ist dabei grundsätzlich dergestalt aufgebaut, daß sämt­ liche Arbeitsabläufe, die innerhalb der zweiten Achsengruppe (13) statt­ finden, über den Sekundärregelkreis (43) abgewickelt werden können. Die erste Achsengruppe (7), die natürlich auch anders als im gezeigten Aus­ führungsbeispiel aufgebaut sein kann, verbleibt dabei in Ruhe, so daß lediglich die Elemente der zweiten Achsengruppe (13) die entsprechenden translatorischen und rotatorischen Bewegungen ausführen. Reicht die da­ mit überstreichbare Arbeitsfläche (34) bzw. der damit erfaßbare Ar­ beitsraum (36, 38) im Rahmen des gesamten Bearbeitungsprozesses nicht aus, so wird die erste Achsengruppe (7) angesteuert und soweit in eine neue Position verfahren, damit die Summe der sich jeweils mit der zweiten Achsengruppe (13) ergebenden Arbeitsflächen (34) bzw. Arbeits­ räume (36, 38) den für den Bearbeitungprozeß notwendigen Gesamt-Arbeits­ raum ergibt. Zur Verarbeitung von Rückkoppelungssignalen, beispiels­ weise zur Ausführung von Korrekturkommandos für die Werkzeuggruppe (14) entlang einer vorprogrammierten Bahn oder ähnlichem, wird es dagegen stets ausreichen, dies sowohl steuerungstechnisch als auch im mechani­ schen Bewegungsablauf ausschließlich innerhalb der zweiten Achsengruppe (13) ablaufen zu lassen. Die Bahnsteuerung arbeitet somit schlepp­ fehlerfrei, was optimale Arbeitsergebnisse zur Folge hat.

Claims (9)

1. Programmgesteuerte und sensorgeführte Ferti­ gungs- und/oder Montageeinheit, insbesondere In­ dustrieroboter, mit einer Anzahl von Bewegungs­ achsen für translatorische und/oder rotatorische Bewegungen einzelner Elemente der Fertigungs- und/oder Montageeinheit, deren Bewegungsabläu­ fe über ein verfahrensabhängiges Arbeitspro­ gramm eingeleitet und durchgeführt werden und ergänzend mittels Sensoren Ist-Werte des Arbeits­ ablaufes registriert, gegebenenfalls Korrektur­ größen ermittelt und als Stellbefehle an Antriebs- und Stellorgane der Elemente und von ihnen getra­ genen Werkzeuggruppen gegeben werden, ge­ kennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • - die Bewegungsachsen (4, 5, 6 bzw. 10, 23, 27) sind in zwei unabhängig voneinander an­ steuerbare und jeweils einen weiträumigen Arbeitsraum erfassende Achsengruppen (7, 13) geteilt,
  • - die erste, von einem Primärregelkreis (55) ansteuerbare Achsengruppe (7) trägt die zwei­ te, von einem Sekundärregelkreis (43) ansteu­ erbare Achsengruppe (13) und bewegt sie in­ nerhalb des mit der ersten Achsengruppe (7) erfaßbaren Arbeitsraumes,
  • - die zweite Achsengruppe (13) überstreicht, vorzugsweise nach Beendigung der Bewegung der ersten Achsengruppe (7), den ihr eigenen Arbeitsraum (34, 36, 38) und trägt und bewegt dabei die Werkzeugruppe (14),
  • - die Verarbeitung der mittels der Sensoren (30, 33) registrierten Ist-Werte des Arbeitsab­ laufes mit nachfolgender Ermittlung von Kor­ rekturgrößen und deren Umsetzung in Stell­ befehle erfolgt innerhalb der zweiten Achsen­ gruppe (13) durch den Sekundärregelkreis (43).
2. Programmgesteuerte und sensorgeführte Ferti­ gungs- und/oder Montageeinheit nach Patentan­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Achsengruppe (13) mit einer Anzahl von kraft-/mo­ mentenaufnehmenden Sensoren (30) und/oder we­ geaufnehmenden Sensoren (33) zur Registrierung der Wechselbeziehung von Werkzeuggruppe (14) und Werkstück (16) ausgestattet ist.
3. Programmgesteuerte und sensorgeführte Fertigungs- und/oder Montage­ einheit nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu­ ordnung der Elemente (18, 19, 24-27) der zweiten Achsengruppe (13) in der Weise ausgeführt ist, daß die von ihnen getragene Werkzeug­ gruppe (14) und die zugeordneten Sensoren (30, 33) sich entlang eines kartesischen Koordinatensystems innerhalb des Arbeitsraumes (34, 36, 38) bewegen.
4. Programmgesteuerte und sensorgeführte Fertigungs- und/oder Montage­ einheit nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Achsengruppe (7) eine Grundplatte (2) aufweist, die eine An­ triebs- und Steuereinheit (3) trägt, über die Bewegungsachsen (4- 6) zum Bewegen von Roboterarmen (9, 11, 12) angesteuert werden und der in einer Reihenfolge letzte Roboterarm (9) einen Kopplungs­ mechanismus (10) für die zweite Achsengruppe (13) aufweist.
5. Programmgesteuerte und sensorgeführte Fertigungs- und/oder Montage­ einheit nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Achsengruppe (13) aus einem Grundrahmen (17) besteht, der zwei zueinander kreuzförmig angeordnete, mittels Doppellagerung (27) relativ zueinander bewegbare Werkzeugträger (18) und Rahmen­ träger (19) aufweist, wobei der Rahmenträger (19) an seinen Enden mittels Lagerzapfen (23) in einander gegenüberliegenden, in eine Basis (24) einmündenden Schenkeln (25, 26) gelagert ist und der Werkzeugträger (18) an seinen Enden über Zapfen (20) zur Aufnahme von Werkzeugruppen (14) und/oder der Sensoren (30, 33) verfügt.
6. Programmgesteuerte und sensorgeführte Fertigungs- und/oder Montage­ einheit nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Achsengruppe (13) über die Basis (24) mit dem Kopplungs­ mechanismus (10) der ersten Achsengruppe (7) gekoppelt ist.
7. Programmgesteuerte und sensorgeführte Fertigungs- und/oder Montage­ einheit nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraft-/Momentensensor (30) an der Anbindungsstelle der Werkzeug­ gruppe (14) an dem Werkzeugträger (18) vorgesehen ist, während im Bereich des eigentlichen Werkzeugs (15) ein weiterer, wegeauf­ nehmender Sensor (33) vorgesehen und auf ein Werkstück (16) ge­ richtet ist.
8. Programmgesteuerte und sensorgeführte Fertigungs- und/oder Montage­ einheit nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Achsengruppe (7) innerhalb eines Primärregelkreises (55) über eine Ablaufsteuerung (49) sowie eine automatische Prozeßüberwachung (50) mit einem Mikrorechner (40) gekoppelt ist, der über eine Wechselwirkung mit Schnittstellen (53) einen Leitrechner (54) an­ steuert, der die Achsengruppen-Steuerung für die erste Achsengruppe (7) beinhaltet und die entsprechenden Stellbefehle an die An­ triebs- und Steuereinheit (3) leitet, wobei dem Mikrorechner (40) weiterhin eine Bedienkonsole (56) mit dort vorgesehener Tastatur und Anzeige zugeordnet ist.
9. Programmgesteuerte und sensorgeführte Fertigungs- und/oder Montage­ einheit nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Sensoren (30, 33) ausgegebenen Signale über eine Signalverstär­ kung (39) und einen Mikrorechner (40) mit einem Sekundärregelkreis (43) gekoppelt sind, wobei dabei der Mikrorechner (40) mit einer Signalanpassung (44), einem Verfahrenstechnologie-Speicher (45) so­ wie einer Bahnvorgabe im Datenaustausch steht und die Bahnvorgabe die aus dieser Koppelung sich ableitenden Sollvorgaben einer An­ steuerung (47) für die Stellmotoren der Bewegungsmechanismen (10, 20, 23, 27) zuleitet, während ein mit der Signalanpassung (44) gekop­ peltes Maschineninterface (48) die ergänzenden Daten für die Stell­ motoren-Ansteuerung (47) liefert.
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