DE4100806C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Koordinatenwerten zur Steuerung eines Roboters, insbesondere für die Schuhfertigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Koordinatenwerten zur Steuerung eines Roboters, insbesondere für die Schuhfertigung, der an einem Roboterarm zur Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere aufgeleisteten Schuhschäften, ein Werkzeug führt, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfah­ rens.

Die Erfindung betrifft nicht nur das Gebiet der Schuhfertigung, sie ist auch auf allen technischen Gebieten einsetzbar, auf denen das berührungslose Abtasten vorteilhaft ist und auf denen mit den ermittelten Daten eine Vor­ richtung gesteuert wird, deren Abstand zu einem zu bearbeitenden Werk­ stück konstant zu halten ist, wie zum Beispiel bei Brenn-, Wasserstrahl- und Laserschneideinrichtungen, das Stanzen und Nippeln von Blechen nach Konturvorgabe usw.

Unter Schuhfertigung ist im Rahmen der Erfindung das Anformen von Schuhsohlen an Schuhschäfte, sowie das Kleben von vorgefertigten Schuhsohlen an Schuhschäfte zu verstehen.

Es kommt hierbei vor allem auf ein sorgfältiges Aufrauhen bzw. Aufsprü­ hen des Klebers entlang der Linie der Dichtkante an, damit eine einwand­ freie Verbindung zwischen Sohlenmaterial und Schuhschaft geleistet ist. Ein Aufrauhen bzw. Besprühen mit Kleber der Zone unterhalb dieser Linie in Richtung zur Brandsohle bzw. Bodenfläche des Schaftes ist ebenfalls erforderlich und wichtig, jedoch kann von der extremen Sorgfalt, wie beim Aufrauhen bzw. Aufsprühen von Kleber entlang der Linie der Dichtkante, abgesehen werden.

Es ist bereits bekannt (DE-OS 38 15 013), die zu speichernden Daten für die Steuerung eines Fräsers zum Aufrauhen bzw. eines Sprühkopfes mit Sprühdüse zum Auftragen von Klebstoff entlang der Linie der Dichtkante in der Weise zu gewinnen, daß das am Roboterarm montierte Werkzeug ent­ lang dieser Linie unter gleichzeitigem Materialabtrag bzw. Kleberauftrag geführt wird. Eine Korrektur fehlerhaft gewonnener Daten ist hierbei nicht möglich, insbesondere muß der zur Gewinnung der Speicherdaten ver­ wendete Schuhschaft aussortiert werden, falls der Fräser unter zu hohem Arbeitsdruck Material bis auf den Leisten abträgt. Im allgemeinen muß beim Korrigieren der Daten die Bestimmung mit einem anderen Schuh­ schaft vorgenommen werden.

Es sind Verfahren zum Bestimmen von Koordinatenwerten zum Steuern von Industrie-Robotern bekannt (DE-PS 32 43 341), indem mittels einer Schlitzlichtquelle ein Schlitzbild auf die Ober­ fläche eines zu bearbeitenden Werkstücks projiziert wird und mit einer Vi­ deokamera und Halbleitersonden das Schlitzbild ausgewertet und mit den gegebenenfalls korrigierten Werten das Werkstück bearbeitet wird.

Es sind weiterhin Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit einem programmierten Mehrachsenroboter bekannt (DE-OS 36 13 096). Dieser führt ein Bearbeitungswerkzeug, vorzugsweise einen Laserstrahl entlang einer dreidimensionalen Werkstückkontur, wobei auf ein Muster oder Werkstück eine Markierung, Schnittlinie oder dgl. aufgegeben wird, um die zu bearbeitende Position zu markieren. Weiterhin wird zur Bestimmung der Koordinatenwerte vom Roboterarm anstelle des Bearbeitungswerkzeuges ein Sensor geführt der die Achsen des Roboters so regelt, daß der Sensor stets den Markierungen folgt und an vorgegebenen Punkten die Koordinaten des Sensors in die NC-Steue­ rung als Programmpunkte eingegeben werden und sodann die Werk­ stücke auf der Basis dieses NC-Programms bearbeitet werden. Zum Abta­ sten der Markierungen wird ein TV-Kamera-Sensor verwendet, der die Werkzeugnormale und/oder die Werkzeughöhe zur Werkstückoberfläche ermittelt, so daß zumindestens an den vorgegebenen Punkten der TV-Ka­ mera-Sensor normal und/oder im Werkzeugsollabstand (senkrecht) zur Werkstückoberfläche orientiert ist.

Hierzu ist am TV-Kamera-Sensor in einem festen Winkel eine Lichtquelle angebracht, die einen möglichst kleinen punktförmigen Lichtpunkt auf dem Werkstück erzeugt. Der Werkzeugsollabstand ist dann erreicht, wenn der Lichtpunkt und das Zentrum eines Fadenkreuzes des TV-Kamera- Sensors auf der Markierung zusammentreffen. Zur Messung des Neigungswinkels des Werkzeugs sind drei Lichtstrahlen vorgesehen.

Es ist weiterhin bekannt (EP 0238 195), die Fuge bzw. Naht zwischen zwei zum Beispiel senkrecht zueinander angeordneten Werkstücken miteinan­ der zu verkleben, indem eine Vorrichtung mit zwei Lichtquellen zum Ein­ satz kommt, die einen länglichen Lichtfleck auf dem einen oder anderen Werkstück erzeugen. Mit diesen beiden länglichen Lichtflecken wird dann mittels eines mathematischen auf der Triangulierung beruhenden Algo­ rithmus den Verlauf der Klebenaht bestimmt.

Im Prinzip könnten diese Verfahren zum Steuern der Fräser eingesetzt werden, sie sind jedoch für diese Zwecke zu teuer und unwirtschaftlich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der ein­ gangs erwähnten Art derart auszubilden, daß die Bestimmung der Koordinatenwerte einfacher und damit wirtschaftlicher ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Dadurch, daß der Schnittpunkt der Lichtstrahlen mit der Bearbeitungsstelle des Werkzeug es überein­ stimmt, ist es ohne weiteres möglich, für ein Werkzeug mit anderen Abmessungen und damit anderem Abstand der Bearbeitungsstelle zum Roboterarm durch entsprechendes Verschwenken der Lichtstrahlen die Schnittnaht an die neue Bearbeitungsstelle zu verlegen.

Erfindungsgemäß wird der Schnittpunkt somit so geführt, daß seine Quer­ schnittsfläche im wesentlichen konstant ist. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß auch anschließend die Eindringtiefe des Fräsers beim Mate­ rialabtragen eine vorgegebene Tiefe nicht über- und auch nicht unter­ schreitet, da ein Überschreiten der Eindringtiefe gleichbedeutend ist, daß der Schnittpunkt tiefer in das Material bzw. in den Schuhschaft verlegt wird bzw. der Sprühkegel im optimalen Abstand geführt wird.

Im einfachsten Fall wird die Konstanz der Querschnitts­ fläche visuell durch das Bedienungspersonal geprüft.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Konstanz der Quer­ schnittsfläche mit einer Videokamera geprüft. Dies kann beispielsweise in der Weise erfolgen, daß das aufgenommene Bild der Querschnittsfläche auf einem Display mit Millimeterrasterung abgebildet wird, so daß ohne weiteres eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Querschnittsfläche durch eine entsprechende größere Anzahl bzw. kleinere Anzahl der aus­ geleuchteten Elementarquadrate visuell erkennbar ist. Entsprechend kann auch das Bild der Querschnittsfläche dunkel auf hellem Hintergrund abge­ bildet werden. Anstelle der visuellen Beobachtung kann der Vergleich auch elektronisch erfolgen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen Über­ prüfung der Querschnittsfläche mit einer Videokamera werden die mit der Videokamera aufgenommenen Bilder der Querschnittsfläche mit dem ge­ speicherten Bild einer Querschnittsfläche verglichen, wobei eine Abwei­ chung der beiden Bilder um einen vorgegebenen Betrag, der Schnittpunkt der beiden Lichtstrahlen senkrecht zum momentanen Auftreffpunkt durch eine Bewegung des Roboterarms verschoben wird. Durch diese Maßnah­ men ist es möglich, vollautomatisch die Konstanz der Querschnittsfläche zu überwachen, wobei nur noch manuell die Querschnittsfläche entlang der Arbeitslinie geführt wird.

Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist in Anspruch 5 gekennzeichnet.

Durch die Verschiebung kann der gegenseitige Abstand der beiden Strahlenquellen geändert werden. Weiterhin ist durch die zueinander verschwenkbare An­ ordnung der beiden Strahlenquellen die Verlegung der Querschnittsfläche der beiden Lichtquellen an die Bearbeitungsstelle der später in den Ro­ boterarm einzusetzenden Bearbeitungseinrichtungen bzw. Werkzeuge ohne weiteres möglich.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Strahlen­ quellen jeweils in einer Verschwenkeinrichtung angeordnet und beide Ver­ schwenkeinrichtungen derart miteinander verschwenkbar, daß der Schnittpunkt der beiden Lichtstrahlen und die Schnittpunkte der Schwenkachsen der Schwenkeinrichtungen mit der sie verbindenden Ge­ raden ein gleichschenkliges Dreieck bilden. Durch diese Maßnahmen ist eine sehr einfache Anpassung an die arbeitsunterschiedlichen Bearbei­ tungsstelle der unterschiedlichen Werkzeuge möglich.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Roboterarms mit der schematisch dargestellten Vorrichtung sowie einen aufgeleisteten Schuhschaft und

Fig. 2 das Ausführungsbeispiel der mit dem Roboterarm lösbar verbun­ denen Einrichtung.

In Fig. 1 ist schematisch eine Ansicht der gesamten Vorrichtung darge­ stellt. Mit 1 ist der Roboter bezeichnet, dessen Arm 2 am vorderen freien Ende die erfindungsgemäße Einrichtung zum Erzeugen der Querschnitts­ fläche der beiden sich schneidenden Strahlen, die mit 4 bzw. 4′ bezeichnet sind.

Vom Roboter führt in an sich bekannter Weise ein Steuerkabel 5 zu dem Steuerschrank 6, der eine an sich bekannte Steuerung mit Arbeitsspeicher usw. aufweist, die an sich bekannt sind.

Das Aufnehmen der zu speichernden Daten erfolgt mit dem an sich be­ kannten Teach-in-Verfahren, das allgemein bekannt und somit keiner wei­ teren Erklärungen bedarf.

Anstelle des bisher üblichen Fräsers weist zum Erfassen der zu speichern­ den Daten der Roboterarm 2 diese Einrichtung 3 auf. Sie wird von einem nicht dargestellten Bedienungsmann mittels einer ebenfalls nicht darge­ stellten manuellen Steuerung für den Roboter und den Roboterarm so ge­ steuert, daß der Schnittpunkt der beiden Lichtstrahlen entlang der Linie der Dichtkante auf dem Schuhschaft "wandert", d. h., daß der Schnittpunkt (Lichtfleck) mit konstantem Querschnitt entlang dieser Arbeitslinie geführt wird.

Wesentlich ist hierbei, daß wie in den bisher bekannten Fällen der vollau­ tomatischen Bearbeitung bzw. Schuhherstellung die auf einem Leisten 7 aufgeleisteten Schuhschäfte 8 auf Transportpaletten mit einem schema­ tisch angedeuteten Fördersystem 10 in eine stets definierte und gleich Position zum Roboter gebracht werden können, damit eine eindeutige Zu­ ordnung der aufzunehmenden und zu speichernden Daten in bezug auf die Arbeitslinie sichergestellt ist, und zwar während des Entlangführens des Lichtfleckes bzw. der Schnittstelle der beiden sich kreuzenden Licht­ strahlen 4 und 4′.

Weiterhin kann gemäß Fig. 2 der Roboter noch zusätzlich eine Videoka­ mera 11 aufweisen, die gemäß Fig. 2 in die Einrichtung 3 integriert ist und von der eine Signalleitung 12′ zu einer elektronischen Baugruppe 12 führt, die einerseits einen Speicher zum Speichern eines Lichtfleckes mit vorge­ gebenen Querschnitt, zum weiteren einen Speicher zur laufenden Speiche­ rung des von der Videokamera aufgenommenen Lichtfleckes während des Entlangführens auf der Arbeitslinie aufweist, wobei dann weiterhin noch eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, die die aufgenommenen Bilder mit dem Speicherbild vergleicht. Diese Maßnahmen sind ebenfalls an sich bekannt, und deshalb des Näheren nicht erläutert.

Sobald der Lichtfleck zu groß bzw. bezüglich seiner Querschnittsfläche zu klein wird, erfolgt durch entsprechende Steuerbefehle eine Verschwen­ kung des Roboterarms derart, daß die Querschnittsfläche die vorgege­ bene Größe (Sollwert) wieder erreicht.

Fig. 2 zeigt schematisch die Einrichtung 3 mit den beiden Lichtstrahlen. Sie weist ein Gehäuse 13 auf, in dem auf einer Schiene (optischen Bank) die beiden Lichtstrahler 14 und 15 verschwenkbar zueinander verschoben werden können, und zwar derart, daß beim Verschwenken des einen Licht­ strahlers der andere Lichtstrahler automatisch so verschwenkt wird, daß die beiden von der Schiene und den Lichtstrahlen eingeschlossenen Win­ keln, die mit ß bezeichnet sind, stets gleich groß sind. Durch diese Maß­ nahmen wird erreicht, daß sich stets ein gleichschenkliges Dreieck gebil­ det hat, dessen Spitze auf der Mittelsenkrechten dieser optischen Bank verläuft, so daß sich durch einfache geometrische Beziehungen entspre­ chende Korrekturen der zu speichernden Daten über eine Rechenschal­ tung durchführen lassen, wenn beispielsweise die Arbeitsfläche eines an­ deren Werkzeuges die Stellung d′ statt d einnimmt, wobei selbst­ verständlich auch der Abstand des zu bearbeitenden Schuhschaftes von der Einrichtung sich ändert.

Claims (6)

1. Verfahren zum Bestimmen von Koordinatenwerten zur Steuerung eines Roboters, insbesondere für die Schuhfertigung, der an einem Roboterarm zur Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere aufgeleisteten Schuhschäften, ein Werkzeug und zur Bestimmung Koordinatenwerte anstelle des Werkzeuges eine zwei sich schneidende Lichtstrahlen aussendende Einrichtung führt, wobei die Achsen der Lichtstrahlen derart zueinander geneigt werden, daß der Schnittpunkt die Bearbeitungsstelle des Werkzeuges einnimmt, der Schnittpunkt entlang einer Arbeitslinie des Werkzeuges geführt wird, die Koordinatenwerte des sich mit dem Schnittpunkt bewegenden Roboter­ arms erfaßt und gespeichert werden und der Schnittpunkt so geführt wird, daß seine Querschnittsfläche im wesentlichen konstant ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Konstanz der Querschnittsfläche visuell geprüft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstanz der Querschnittsfläche mit einer Videokamera ge­ prüft wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Videokamera aufgenommenen Bilder der Querschnitts­ fläche mit dem gespeicherten Bild einer Querschnittsfläche verglichen werden und bei einer Abweichung der beiden Bilder um einen vorge­ gebenen Betrag, der Schnittpunkt der beiden Lichtstrahlen senkrecht zum momentanen Auftreffpunkt durch eine Bewegung des Robo­ terarms verschoben wird.

5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zwei jeweils einen Lichtstrahl aussendende Strah­ lenquellen aufweist, die beiden Strahlenquellen in der Einrichtung zueinander verschiebbar und zueinander verschwenkbar angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die beiden Strahlenquellen jeweils in einer Verschwenkeinrichtung angeordnet sind und beide Verschwenkeinrichtungen derart miteinan­ der verschwenkbar sind, daß der Schnittpunkt der beiden Lichtstrahlen und die Schnittpunkte der Schwenkachsen der Schwenkeinrichtungen mit der sie verbindenden Geraden ein gleichschenkliges Dreieck bil­ den.