DE4219042C1

DE4219042C1 - Tool changing device for industrial robot - has light source and camera within robot arm coupled to optical sensor system within tool coupling to allow visual examination

Info

Publication number: DE4219042C1
Application number: DE19924219042
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Weisener
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1992-06-04
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2012-06-05

Abstract

The tool changing device is used to attach different tools to the robot arm (1) each of which has a respective optical sensor system. The coupling (2) at the end of the robot arm includes a camera (5) and a light source (5) for visual examination of the workpiece via the functional elements of the optical sensor system of each tool. Pref. the latter functional elements include direct image transmission optical elements (13) in the tool coupling (6), for transmitting an optical image of the handling elements (8) of the tool to the camera. ADVANTAGE - Flexible application with comparative simplicity.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugwechselvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a tool changing device according to the preamble of claim 1.

Mit zunehmender Flexibilität der Automatisierung wer den Roboter mit Handhabungsgeräte-Wechselsystemen ausgerüstet, so daß bei Montage- und anderen Handha bungsvorgängen ein Wechsel zwischen zwei oder mehr Werkzeugen immer häufiger durchgeführt wird. Daneben nimmt auch der Einsatz von optischen Sensorsystemen in automatisierten Fertigungs- und Montageanlagen mit industriellen Robotern stetig zu. Diese dienen bei spielsweise der Anwesenheitserkennung, Geschwindig keits- und Drehzahlmessung, Farberkennung, usw.; je doch kann auch eine Bildverarbeitung erforderlich sein. Der Aufwand für derartige optische Sensorsyste me ist beträchtlich; z. B. umfaßt der Einsatz von Lichtschranken zur Anwesenheitserkennung den Geräte aufwand für die Auswerteeinheit und die Lichtführung sowie den jeweils spezifischen konstruktiven Instal lationsaufwand.With increasing flexibility of automation who the robot with handling device changing systems equipped so that with assembly and other handha exercises a change between two or more Tools is carried out more and more frequently. Besides also the use of optical sensor systems in automated manufacturing and assembly systems industrial robots. These serve at for example presence detection, speed speed and speed measurement, color detection, etc .; ever however, image processing may also be required be. The effort for such optical sensor systems me is considerable; e.g. B. includes the use of Photoelectric sensors for presence detection of the devices effort for the evaluation unit and the lighting as well as the specific constructive installation lation effort.

Werkzeugwechselvorrichtungen, bei denen eine Kopplung von Signalleitungen möglich ist, sind aus DE-Z: VDI-Z, Nr. 13, 1984, Seiten 475 bis 478, aus Proceedings of "9th North American Manufacturing Research Conference" 1983, Seiten 457 bis 463 und aus der US 4,990,022 bekannt. Diese Werkzeugwechselvorrich tungen sind aber sehr aufwendig und kompliziert auf gebaut.Tool changing devices where a coupling of signal lines is possible from DE-Z: VDI-Z, No. 13, 1984, pages 475 to 478, from proceedings of "9th North American Manufacturing Research Conference "1983, pages 457 to 463 and from the US 4,990,022 known. This tool changer but are very complex and complex built.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeugwechselvorrichtung mit mindestens einem Handhabungsteil, der mit einer Wechseleinrichtung zur Ankopplung un terschiedlicher Handhabungsgeräte mit jeweils eigenem optischen Sensoriksystem versehen ist, mit einem nicht austauschbaren roboterseitigen Kupplungsteil und ei nem mit dem jeweiligen Handhabungsgerät austauschba ren werkzeug-seitigen Kupplungsteil zu schaffen, die trotz hoher Anwendungsflexibilität einen vergleichsweise geringen Aufwand erfordert.It is therefore the object of the present invention a tool changing device with at least one handling part, the one with a changing device for coupling un Different handling devices, each with its own optical sensor system is provided with a not interchangeable robot-side coupling part and egg interchangeable with the respective handling device to create a tool-side coupling part, which despite high application flexibility requires comparatively little effort.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfin dungsgemäßen Werkzeugwechselvorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by the specified in the characterizing part of claim 1 Characteristics. Advantageous further developments of the inventions Tool change device according to the invention result from the Subclaims.

Dadurch, daß im roboterseitigen Kupplungsteil die allen Sensoriksystemen gemeinsamen optischen Funk tionselemente und im jeweils werkzeug-seitigen Kupplungsteil die spezifischen optischen Funktions elemente des dem Handhabungsgerät zugeordneten Senso riksystems angeordnet sind, wird der Aufwand, der mit einer mehrfachen Bereitstellung von Sensorsignalaus werteeinheiten verbunden ist, erheblich reduziert. Über die parallele Anknüpfung beispielsweise von Bildverarbeitungsfunktion und optischer Sensorsignal auswertung mit Hilfe eines Modulbaukastens zur An bringung von optischen Strahlführungen am werkzeug-seitigen Kupplungsteil werden sowohl der hardwa remäßige Geräteaufwand als auch der konstruktive Auf wand verringert. The fact that in the robot-side coupling part optical radio common to all sensor systems tion elements and in the tool side Coupling part the specific optical function elements of the Senso assigned to the handling device riksystems are arranged, the effort involved with multiple provision of sensor signal value units is significantly reduced. Via the parallel connection of, for example Image processing function and optical sensor signal Evaluation with the help of a modular construction kit Application of optical beam guides on the tool side Coupling parts are both the hardwa Remaining equipment costs as well as the constructive wall reduced.

Das vorliegende Sensorsystem kann als Standardkompo nente von industriellen Robotern eingesetzt werden, wobei es nicht nur zur Signalauswertung direkt am Werkzeug des Handhabungsgerätes dienen, sondern auch als frei positionierbares "Auge" eine Bildverarbei tung für optische Überwachungsaufgaben wie die Erfas sung von Prozeßzuständen, Qualitätsmerkmalen, Ord nungszuständen von Werkstücken und dergleichen über nehmen kann. Hierzu kann das werkzeug-seitige Kupp lungsteil mit einer optischen Erweiterung der aufneh menden Kamera in Form eines Objektivs ausgestattet Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The present sensor system can be used as a standard compo industrial robots, where it is not only for signal evaluation directly on Serve tool of the handling device, but also image processing as a freely positionable "eye" device for optical monitoring tasks such as capturing solution of process states, quality features, ord States of workpieces and the like can take. For this, the tool-side coupling lung part with an optical extension of the recording camera in the form of a lens The invention is described in the following in the Figures illustrated embodiments closer explained. Show it:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Anordnung aus roboterseitigem und ei nem ersten werkzeug-seitigen Kupp lungsteil, Fig. 1 is a schematic illustration of an arrangement of roboterseitigem and ei nem first tool-sided Kupp averaging part,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines zweiten werkzeug-seitigen Kupplungs teils, und Fig. 2 is a schematic representation of a second tool-side coupling part, and

Fig. 3 die schematische Darstellung eines dritten werkzeug-seitigen Kupplungs teils. Fig. 3 is a schematic representation of a third tool-side coupling.

Da das beispielsweise an einem Roboterarm 1 ange brachte roboterseitige Kupplungsteil 2 für alle werkzeug-seitigen Kupplungsteile gleich ausgebildet ist, ist es aus Gründen der Übersichtlichkeit nur in Fig. 1 dargestellt.Since the robot-side coupling part 2, for example on a robot arm 1 , is of the same design for all tool-side coupling parts, it is only shown in FIG. 1 for reasons of clarity.

Zentrales Element des optischen Sensoriksystems ist eine Matrix-Kamera 3, die fester Bestandteil des ro boterseitigen Kupplungsteils 2 ist. Die Kamerafunk tionen sind durch das jeweilige Handhabungsgerät be stimmt und werden über das im werkzeug-seitigen Kupplungsteil vorhandene optische Führungssystem rea lisiert. Die werkzeug-seitigen Kupplungsteile nach den Fig. 1 und 2 sind für den Einsatz bei zwei funk tional unterschiedlichen Erkennungsaufgaben vorgese hen, nämlich gemäß Fig. 1 zur direkten Bildauswertung und gemäß Fig. 2 zur Auswertung einfacher digitaler optischer Signale, beispielsweise zur Anwesenheits kontrolle.The central element of the optical sensor system is a matrix camera 3 , which is a fixed component of the coupling part 2 on the robot side. The camera functions are determined by the respective handling device and are implemented via the optical guide system in the tool-side coupling part. The tool-side coupling parts according to FIGS . 1 and 2 are hen for use in two functionally different detection tasks, namely according to FIG. 1 for direct image evaluation and according to FIG. 2 for evaluating simple digital optical signals, for example for presence control.

Das roboterseitige Kupplungsteil 2 weist weiterhin eine optische Kupplung 4 im optischen Pfad zwischen den Funktionselementen des werkzeug-seitigen Kupp lungsteils und der Matrix-Kamera 3 sowie eine Be leuchtungsquelle 5 auf.The robot-side coupling part 2 also has an optical coupling 4 in the optical path between the functional elements of the tool-side coupling part and the matrix camera 3 and a lighting source 5 .

Das werkzeug-seitige Kupplungsteil 6 gemäß Fig. 1 ist mit verschiedenen Kanälen 7 zur Lichtführung aus gestattet, die für einen weiten Anwendungsbereich sternförmig ausgebildet sein können und die Verbin dung zu beliebigen Punkten der Handhabungsorgane 8 eines Handhabungsgerätes 9 ermöglichen. Demgemäß zeigt auch das werkzeug-seitige Kupplungsteil 10 in Fig. 2 die gleiche Anordnung der Kanäle 7.The tool-side coupling part 6 according to FIG. 1 is provided with different channels 7 for guiding light, which can be star-shaped for a wide range of applications and enable the connection to any points of the handling elements 8 of a handling device 9 . Accordingly, the tool-side coupling part 10 in FIG. 2 shows the same arrangement of the channels 7 .

Für die nach Fig. 1 vorgesehene Bildverarbeitung ist ein exemplarischer Strahlengang 11 zur Bildübertra gung angedeutet. Zur Bildübertragung außerhalb des Kupplungsteils 6 ist an dieses ein Lichtführungs-Ka nal 12 angesetzt. Zur gewünschten Übertragung des Bildes von den Handhabungsorganen 8 zur Matrix-Kamera 3 sind die Kanäle 7 und 12 mit Spiegel- oder Prismen systemen 13 oder mit Lichtleitern aus dem Modulbauka sten ausgestattet.For the image processing provided in FIG. 1, an exemplary beam path 11 for image transmission is indicated. For image transmission outside the coupling part 6 , a light guide channel 12 is attached to this. For the desired transfer of the image from the handling elements 8 to the matrix camera 3 , the channels 7 and 12 are equipped with mirror or prism systems 13 or with light guides from the modular module.

Das gegen das Kupplungsteil 6 nach Fig. 1 auswechsel bare werkzeug-seitige Kupplungsteil 10 nach Fig. 2 dient der Erzeugung und Auswertung digitaler opti scher Signale. Durch geeignete Installation von Lichtleitern 14, die über ein Kupplungsstück 15 an die Beleuchtungsquelle 5 angeschlossen sind, kann eine gewünschte punktweise Beleuchtung erhalten wer den. Von der Anwesenheit eines Werkstücks abhängige Lichtsignale werden über Lichtleiter 16 zu einem ma trixartigen Lichtteiler 17 übertragen, durch den die Möglichkeit gegeben ist, die Lichtsignale in bestimm te Kamerabereiche einzublenden, so daß verschiedene digitale Signale ausgewertet werden können.The exchangeable tool-side coupling part 10 according to FIG. 2, which can be exchanged for the coupling part 6 according to FIG. 1, serves to generate and evaluate digital optical signals. By suitable installation of light guides 14 , which are connected to the lighting source 5 via a coupling piece 15 , a desired point-by-point lighting can be obtained. Depending on the presence of a workpiece, light signals are transmitted via light guides 16 to a ma trix-like light divider 17 , which gives the possibility of fading in the light signals into certain camera areas so that various digital signals can be evaluated.

Für den Einsatz der Matrix-Kamera 3 zu einer frei positionierbaren Bildaufnahme ist das werkzeug-sei tige Kupplungsteil 18 gemäß Fig. 3 als Objektivhalte rungs-Modul ausgebildet, das ein Linsensystem 19 für die Fokussierung der Matrix-Kamera 3 auf den jeweils gewünschten Bildbereich enthält.For the use of the matrix camera 3 for a freely positionable image recording, the tool-based coupling part 18 according to FIG. 3 is designed as a lens holder module which contains a lens system 19 for focusing the matrix camera 3 on the desired image area .

Claims

1. Tool changing device for industrial robots, for coupling different tools, each with its own optical sensor system, characterized in that a camera ( 3 ) and a lighting source ( 5 ) are arranged in the robot-side coupling part ( 2 ), and that in the respective tool-side coupling part ( 6 ; 10 ; 18 ) the specific optical functional elements of the tool's own sensor system are arranged.

2. Tool changing device according to claim 1, characterized in that the tool-side coupling parts ( 6 ) have optical elements ( 13 ) for direct areal image transmission.

3. Tool changing device according to claim 1, characterized in that the tool-side coupling parts ( 10 ) have optical elements ( 15 , 16 , 17 ) for point-by-point light transmission.

4. Tool changing device according to claim 3, characterized in that light guides ( 16 ) are provided for point light transmission.

5. Tool changing device according to claim 4, characterized in that the ends of the light guide ( 16 ) with the camera ( 3 ) optically couplable matrix-like light dividers ( 17 ) are the verbun.

6. Tool changing device according to claim 1, characterized in that the tool-side coupling parts ( 18 ) contain a lens system ( 19 ) for a freely selectable image recording.