DE4426523A1

DE4426523A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Zentrierungskalibration von Werkzeugen

Info

Publication number: DE4426523A1
Application number: DE4426523A
Authority: DE
Inventors: Henry F Thorne
Original assignee: Cycle Time Corp
Current assignee: Cycle Time Corp
Priority date: 1993-08-06
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1995-02-09
Also published as: US5457367A; CA2117402C; CA2117402A1; JP3840271B2; SE9402610L; SE516161C2; SE9402610D0; JPH07148682A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zentrierungskalibration von Werkzeugen und zur genauen Ermittlung von Werkzeugmittelpunkten für einen Roboter zwecks genauer Werkzeugausrichtung und Kor rektur von Roboterprogrammen.

Ein Werkzeugmittelpunkt ist ein sechsdimensionaler Vek tor, der die Werkzeugspitzenstellung eines Roboterwerk zeuges in bezug auf eine Roboterfrontfläche definiert. Der Werkzeugmittelpunkt ist wesentlich, damit der Roboter genau weiß, wo sich das Werkzeug befindet. Obgleich ein Roboter genau wissen wird, wo sich zu jeder gegebenen Zeit die Roboterfrontfläche befindet, so kann ein Roboter aus verschiedenen Gründen doch nicht genau wissen, wo sich der Mittelpunkt eines speziellen Werkzeuges befin det. Der Werkzeugmittelpunkt eines speziellen Werkzeuges einer gegebenen Werkzeugtype wird zwischen individuellen Werkzeugen variieren. In Konsequenz werden vorgegebene Werkzeugmittelpunkte für ein individuelles Werkzeug nicht ganz genau vorliegen. Hinzu kommt, daß sich der Werkzeug mittelpunkt aufgrund eines Bruches oder aufgrund von Werkzeugverschleiß verändern kann. Der Roboter braucht aber eine präzise Lokalisierung des Werkzeugmittelpunktes für einen angemessen genauen Bearbeitungsvorgang.

Demgemäß sehen Verfahren zur Bestimmung des Werkzeugmit telpunktes Elemente für die Korrektur eines Roboterpro grammes vor, wenn sich die Werkzeugposition aufgrund ei nes Bruches, Werkzeugveränderung oder anderer äußerer Faktoren ändert. Zusätzlich kann eine genaue Messung für die Korrektur eines Roboterprogrammes vorgesehen werden, ausgehend von der Annahme eines einwandfreien Werkzeuges (d. h., eines Werkzeuges, das genau den Vorgaben ent spricht).

Ein bekanntes Verfahren für die Bestimmung eines Werk zeugmittelpunktes besteht in der physikalischen Messung der Stellung und der Orientierung des Werkzeuges in bezug auf die Roboterfrontfläche und in der Eingabe des gemes senen Werkzeugmittelpunktes. Nachfolgend zur Eingabe des anfänglich gemessenen Werkzeugmittelpunktes wird bspw. eine Punktschweißpistole in Position geschwenkt, von der angenommen ist, daß sie dem Werkzeugmittelpunkt ent spricht. Wenn sich die Spitze des Werkzeuges bewegt, ist der angenommene Werkzeugmittelpunkt einjustiert. Wenn sich die Spitze des Werkzeuges nicht bewegt, und zwar wenn um den angenommenen Werkzeugmittelpunkt gedreht, so ist der richtige Werkzeugmittelpunkt erreicht. Dieser Vorgang benötigt angenähert 15 Minuten für einen geübten Techniker und führt zu einer Genauigkeit von etwa ± 8 mm. Diese Methode erfordert einen geübten Techniker, einen beträchtlichen Zeitaufwand für den Roboter und liefert nur eine minimale Genauigkeit.

Ein System ist für die Datenänderung (updating) von Werk zeugmittelpunktwerten für Werkzeuge entworfen worden, das einen festen Zielpunkt in einer präzisen Stellung aus nutzt. Der Roboterarm wird zur bekannten Zielpunktstel lung bewegt, und das Werkzeug wird justiert, bis sich die Werkzeugspitze fluchtend zum Zielpunkt befindet. Dieses Verfahren erfordert wiederum einen geübten Techniker und braucht eine Zeit von angenähert 10 Minuten. Die Genauig keit des daraus resultierenden Werkzeugmittelpunktes be trägt angenähert + 2 mm. Die Schwierigkeit bei dieser Lö sung besteht darin, daß sie einen geübten Techniker er fordert, Zeit verbraucht und zu einer Werkzeugbeschädi gung führen kann.

Alternativ kann der Werkzeugmittelpunkt nach einer be kannten Methode dadurch bestimmt werden, daß man das Werkzeug vom Roboter entfernt, die Roboterfrontfläche in eine feste, bekannte Position bringt, das Werkzeug wieder anmontiert und die Spitzen in die gleiche bekannte Posi tion bringt. Diese Entfernung und Wiedermontage des Werk zeuges kann 20 Minuten beanspruchen mit einer Genauigkeit von nur ± 3 mm. Eine Doppelstrahlkalibrationseinheit ist entworfen worden, speziell für die Kalibration von Licht bogenschweißeinheiten. Siehe den Artikel "Robotic Arc Welding in a flash" der Anmelderin in Robotics Today, Vol. 2, Nr. 4, 4. Quartal 1989. Die Nachteile dieses Sy stems bestehen darin, daß es ein paar von orthogonalen Strahlen braucht und auf spezielle Werkzeugtypen begrenzt ist.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine effiziente Vorrichtung und ein Verfahren für die Be stimmung des Werkzeugmittelpunktes eines Roboterwerkzeu ges zu schaffen, die auf unterschiedliche Typen von Robo terwerkzeugen anwendbar sind. Zudem besteht der Gegen stand der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Kalibration von Punktschweißge räten für Roboterwerkzeuge zu schaffen.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Werkzeugmittelpunkt kalibrationseinheit für einen Roboter vor. Die Werkzeug mittelpunktkalibrationseinheit umfaßt ein Gestell, das innerhalb des Roboterarbeitsbereiches angeordnet ist. Eine Werkzeugmittelpunktkalibrationseinrichtung ist auf dem Gestell angeordnet, wobei die Kalibrationseinrichtung eine Mittelpunktlinie hat, die längs einer einfachen Ge raden verläuft. Die Werkzeugmittelpunktkalibrationsein richtung erzeugt ein Signal geeignet zur Anzeige, wenn sich die Werkzeugspitze auf der Mittelpunktlinie befin det.

Die Kalibrationseinrichtung kann im wesentlichen parallel zu einer Roboterachse und derart positioniert werden, daß der Roboter geeignet ist, um die Kalibrationseinrichtung mit einer Werkzeugspitzenachse zu erreichen, die im we sentlichen parall zu einer der Roboterachsen ist.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung be steht die Kalibrationseinrichtung aus einem einfachen Strahl. In dieser Ausführungsform ist das Gestell vor zugsweise eine Grundplatte mit einem Pfosten, der sich von der Basis erstreckt und einem Paar zueinander distan zierter Arme, zwischen denen sich der Strahl erstreckt.

Ein Lichtleitkabel kann im Rahmen zur Erzeugung des ein fachen Strahles angeordnet sein.

Die vorliegende Erfindung umfaßt auch ein Verfahren für die Werkzeugkalibration eines Roboterwerkzeuges. Das Ver fahren umfaßt die Schritte der Positionierung einer Kali brationseinrichtung innerhalb des Roboterbereiches, wobei die Kalibrationseinheit einen Strahl erzeugt bzw. auf weist, der eine Zentrallinie, positioniert längs einer einfachen Linie, hat.

Die Werkzeugspitze wird zu einer Anfangsposition inner halb des Strahlenweges positioniert. Werte der Roboter frontfläche werden mit der Werkzeugspitze in der anfäng lichen Position innerhalb des Strahlenweges erhalten. Das Werkzeug wird um seine Spitzenachse mindesten in eine zweite Position gedreht, wobei die Werkzeugspitze inner halb des Strahlenweges positioniert ist. Es werden zu sätzliche Werte der Roboterfrontfläche mit der Werkzeug spitze bei Folgepositionen erhalten, und es wird ein Werkzeugmittelpunkt berechnet, basierend auf den erhalte nen Werten. Das Werkzeug kann dann fluchtend eingestellt werden, basierend auf dem berechneten Werkzeugmittel punkt. Alternativ kann der Roboter automatisch die Bewe gung des Werkzeuges im Betrieb einstellen, um dem neuen Werkzeugmittelpunkt Rechnung zu tragen.

Das Verfahren ist gut geeignet für einen Punktschweißro boter. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung ist das Verfahren zur Werkzeugkalibra tion für einen Punktschweißroboter bestimmt, der ein Schweißwerkzeug einschließlich eines Paares von gegen überstehenden Werkzeugspitzen hat, die längs einer Werk zeugachse positioniert sind. Das Verfahren umfaßt fol gende Schritte:

a) Positionierung einer Kalibrationseinrichtung innerhalb des Roboterbereiches, wobei die Kali brationseinrichtung einen Strahl umfaßt, der eine Zentrallinie längs einer einfachen Linie aufweist;
b) Positionierung eines ersten Paares von gegen überstehenden Werkzeugspitzen innerhalb des Strahlenweges;
c) Abtastung der ersten Werkzeugspitze durch Bewe gung des Schweißwerkzeuges relativ zum Strahl;
d) Positionierung der ersten Werkzeugspitze in eine Ausgangsposition, basierend auf der Spit zenabtastung, worin der Strahlenweg die erste Werkzeugspitze schneidet, in einem Zentral punkt, positioniert in einem Mittelpunkt eines im wesentlichen zylindrischen Teiles der ersten Werkzeugspitze;
e) Berechnung einer anfänglichen Annäherung für die Mittelpunktpositionierung der ersten Werk zeugspitze;
f) Ermittlung der Werte der Roboterfrontfläche mit der Werkzeugspitze in der Ausgangsposition;
g) Drehung des Schweißwerkzeuges aus der Ausgangs position in eine zweite Position um eine Achse, die im wesentlichen rechtwinklig zur Zentralli nie der Kalibrationseinrichtung steht;
h) Ermittlung der Werte der Roboterfrontfläche mit der Werkzeugspitze in der zweiten Position.
i) Drehung des Schweißwerkzeuges um eine Achse, die im wesentlichen senkrecht zur Kalibrations einrichtung steht in eine dritte Stellung;
j) Ermittlung der Werte der Roboterfrontplatte mit der Werkzeugspitze in der dritten Position;
k) Drehung des Werkzeuges um eine Achse, die im wesentlichen parallel zur Kalibrationseinrich tung steht, in eine vierte Position;
l) Ermittlung der Werte der Roboterfrontplatte mit der Werkzeugspitze in eine vierte Position;
m) Berechnung der Mittelpunktposition der ersten Spitze;
n) Wiederholung der Schritte b) bis m) für das zweite Paar der Werkzeugspitzen;
o) Berechnung der Werkzeugmittellinie, die sich längs der Linie befindet, die sich zwischen den Mittelpunkten des Paares von Werkzeugspitzen befindet;
p) Abtasten eines Paares von Werkzeugspitzen zur Bestimmung des engsten Abstandes zwischen den Mittelpunkten der ersten und zweiten Werkzeug spitze und
q) Berechnung eines Werkzeugmittelpunktes längs des engsten Abstandes.

Diese und andere Gegenstände der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die Frontansicht einer erfindungsgemäßen Kali brationseinheit

Fig. 2 eine Seitenansicht der Kalibrationseinheit ge mäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Kalibrationseinheint gemäß der Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Kalibrations einheit, angeordnet im Arbeitsbereich eines Roboters;

Fig. 5 schematisch die Kalibrationseinheit gemäß Fig. 4 und einen einzujustierenden Roboter;

Fig. 6 schematisch einen Profilierungs- bzw. Abtast vorgang für eine Werkzeugspitze;

Fig. 7 schematisch den Profilierungsvorgang gemäß Fig. 6, ausgeführt an versetzten Werkzeugspitzen;

Fig. 8 schematisch einen Mittelpunktabschätzungsvor gang, der beim Kalibrierungsvorgang benutzt werden kann;

Fig. 9 schematisch die Stellung der Roboterfrontflä che, die der Rotation um die Werkzeugspitzen achse folgt;

Fig. 10 schematisch relative Werkzeugspitzenstellungen während eines Vorganges zur Korrektur der Werk zeugmittelpunktspitzenwerte und

Fig. 11 schematisch ein Vorgehen zur Bestimmung des Kontaktpunktes sich gegenüberstehender Werk zeugspitzen und des Werkzeugmittelpunktes.

Die Fig. 1 bis 3 verdeutlichen eine Werkzeugmittelpunkt kalibrationseinheit 10. Diese Kalibrationseinheit 10 um faßt ein Gestell 12, das derart ausgebildet ist, um in nerhalb eines Roboterarbeitsbereiches positioniert werden zu können, was nachfolgend beschrieben wird.

Dieses Gestell 12 hat eine im wesentlichen flache Basis 14, die auf dem Boden (Grundplatte) des Roboters durch Befestigungsbohrungen 12 verschraubt werden kann. Auf der Basis 14 ist ein im wesentlichen vertikaler Pfosten 18 angeordnet, der oben ein Paar von zueinander distanzier ten Armen 20 aufweist. Die Arme 20 erstrecken sich vom oberen Ende des Pfostens 18 unter einem Winkel von ange händert 40° schräg nach oben. Innerhalb des Gestelles 12 ist ein Lichtleitkabel 22 angeordnet. Ein LED 24, ein Verstärker 26 und eine Endleitung 28 sind innerhalb der Arme 20 zur Erzeugung eines Einzelstrahles 30 angeordnet, der gestrichelt in Fig. 1 angedeutet ist. Ein Kabel (nicht dargestellt) kann die Kalibrationseinheit 10 mit dem Robotercomputer verbinden, das durch ein Loch 32 in das Gestell 12 eingeführt ist. Ein Signal wird dem Robo tercomputer zugeleitet, das anzeigt, ob der Strahl 30 un terbrochen ist oder nicht (d. h. ob sich ein Gegenstand im Strahl befindet).

Der Strahl 30 hat angenähert einen Durchmesser von 1 mm und hat eine Mittellängslinie längs einer einzelnen Gera den. Der Strahl 30 wird als Kalibrationseinrichtung für die Berechnung des Werkzeugmittelpunktes eines Roboter werkzeuges benutzt, was nachfolgend beschrieben wird.

Der Strahl ist vorzugsweise und im wesentlichen parallel zu einer Roboterachse ausgerichtet und derart positio niert, daß der Roboter mit seinem Arm und einer Werkzeug spitzenachse, die im wesentlichen parallel zu einer der Roboterachsen verläuft die Kalibrationseinrichtung zu er reichen vermag. Es ist darauf hinzuweisen, daß diese be vorzugte Orientierung die erforderlichen Berechnungen vereinfacht und daß jede bekannte Orientierung mit ange paßten Vektor-Transformationen zur Berechnung benutzt werden kann.

Die Arbeitsweise der Werkzeugmittelpunktkalibrationsein heit 10 wird nun in Verbindung mit den Fig. 4-11 be schrieben.

Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die Werkzeugmittelpunkt kalibrationseinheit 10 auf der Grundplatte eines Roboters innerhalb des Roboterbereiches 40 festgeschraubt sein, vorzugsweise, wenn die folgenden Erfordernisse erfüllt sind:
Der Strahl soll sich im wesentlichen parallel zur X- oder Y-Achse des Roboters 40 innerhalb von ca. 5° befinden. Der Roboter 40 soll angepaßt sein, um den Strahl 30 mit einer Pistolen- oder Werkzeugspitzen achse des Werkzeuges 42, im wesentlichen parallel zu den Roboterachsen X, Y oder Z innerhalb von ca. 5°, wie in Fig. 5 gezeigt, zu erreichen. Schließlich soll der Roboter 40 in der Lage sein, das Werkzeug 42 um etwa 30° in beiden Richtungen um die Werkzeug spitzen zu drehen, und zwar ohne in Kollision oder in Überschreitung einer Softwaregrenze zu geraten. Beim Roboter 40 gemäß der Fig. 4 bis 11 handelt es sich um einen Punktschweißroboter mit gegenüberste henden Werkzeugspitzen 44 und 46.

Die Werkzeugmittelpunktkalibrationseinheit 10 verfügt über zwei separate Betriebsweisen. Die Anfangseinstellung läuft nur einmal, bei der der Roboter 40 ohne Information dahingehend startet, wo sich der Strahl 30 befindet und ungenauen Informationen oder keinen Informationen bzgl. der Werkzeugmittelpunktwerte. Diese Anfangseinstellung braucht angenähert 10 Minuten. Die zweite Betriebsweise ist ein Änderungsvorgang, bei der der Roboter die Stel lung des Strahles kennt und mit einer guten Annäherung bzgl. der Werkzeugmittelpunktwerte startet. Dieser Ände rungsvorgang braucht angenähert eine Minute für seinen Lauf.

Bei der Anfangseinstellung muß der Operator manuell den Roboter 40 in eine Startposition bringen, bei der die Spitzen den Strahl 30 erstmalig unterbrechen. Bei dieser Anfangseinstellung startet der Roboter mit der Spitze 44 in einer beliebigen Stellung 50 mit Bezug auf den Strahl, wie schematisch in Fig. 6 angedeutet. Dieser Anfangsein stellung folgend, muß der Operator entweder in eine An fangsschätzung für die Werkzeugmittelpunktwerte eintreten mit der Anfangsschätzung, die genau innerhalb ± 2′′ des tatsächlichen Werkzeugmittelpunktes liegt oder alternativ die Höhe 52 zwischen der Strahlenmitte und dem Mittel punkt der Roboterfrontfläche 54, wie in Fig. 5 gezeigt, berücksichtigen. Letztere Methode wird bevorzugt, weil diese den erforderlichen Input vom Benutzer minimiert und der erforderliche Input (d. h. die Höhe 52) im wesentli chen genauer erhalten werden kann als eine Werkzeugmit telpunktnäherung. Diese anfänglich eingegebenen Werte sind nur wichtig, um Kollisionen mit der Werkzeugmittel punktkalibrationseinheit 10 zu vermeiden. Diese Anfangs schätzungen haben keine Genauigkeit oder Einfluß auf den endgültigen Werkzeugmittelpunkt, der durch den vorliegen den Prozeß berechnet wird.

Der nächste Vorgang, schematisch dargestellt in Fig. 6, ist eine Profilierung (Abtastung) der Werkzeugspitze 44. Diese Profilierung wird durch Bewegung der Werkzeugspitze 44 relativ zum Strahl 30 ausgeführt, um die Querschnitts distanz der Werkzeugspitze 44 in einer Ebene parallel zum Weg des Strahles 30 zu bestimmen. Die Profilierung be ginnt anfänglich mit der Strahlanschneidung der Spitze 44 an einer beliebigen Stelle 50. Der Roboter wird dann die Spitze 44 in einer Ebene parallel zum Strahlenweg bewegen bis der Strahl 30 nicht mehr gebrochen wird, was eine Kante der Werkzeugspitze 44 anzeigt. Die Stellung der Ro boterfrontfläche 54 wird vom Roboter 40 notiert. Die Be wegung der Spitze 44 wird umgekehrt, bis der Strahl 30 wiederum die andere Kante der Werkzeugspitze 44 in der Ebene feststellt. Die Querschnittsdistanz der Werkzeug spitze wird durch die Veränderung in der Stellung der Ro boterfrontfläche 54 zwischen gegenüberliegenden Kanten der Werkzeugspitze 44 bestimmt. Die Bewegung in beiden Richtungen während der Profilierung minimiert Fehler auf grund der Trägheit zwischen dem Werkzeug 42 und dem Robo ter 40.

Der Vorgang wird für eine Mehrzahl von dicht beieinander liegender Ebene längs der Werkzeugspitze 44 wiederholt, wie schematisch in Fig. 6 dargestellt. Der Prozeß wird durchgeführt, bis vier im wesentlichen identische, be nachbarte Querschnittsdistanzen der Werkzeugspitze 44 ge funden sind. Die Position der Querschnittsebene 56 wird aufgezeichnet und der Prozeß fortgesetzt. Wenn vier zu sätzliche Feststellungen erhalten sind, wird der Suchvor gang beendet. Die vorher aufgezeichnete Position der vierten Feststellung in der Ebene 56 wird als Indikation eines im wesentlichen zylindrischen Abschnittes der Werk zeugspitze 44 genutzt. Die Werkzeugspitze 44 wird vom Ro boter 40 so bewegt, daß der Strahl 30 im wesentlichen mittig längs der Ebene 56 beim Zentralpunkt 60 positio niert ist. In Konsequenz ist das Ergebnis des Spitzenpro filierungsvorganges, daß die Spitze 44 dort plaziert ist, wo der Strahl 30 die Achse eines zylindrischen Abschnit tes der Werkzeugspitze 44 im wesentlichen mittig längs der Werkzeugspitze 44 beim Zentralpunkt 60 schneidet.

Die Fig. 7 illustriert den Spitzenprofilierungsvorgang bzw. Abtastvorgang bei unsymmetrischen Werkzeugspitzen 44A und 46A. Wie in Fig. 7 dargestellt, wird die vorlie gende Methode noch die Spitze 44A im Strahl 30 positio nieren, und zwar mit dem Strahl 30 in einem im wesentli chen zylindrischen Mittelabschnitt der Werkzeugspitze 44A beim Mittelpunkt 60A.

Bei der Anfangsoperation, wenn die Höhe 52 zwischen dem Strahl 30 und der Roboterfrontfläche 54 vom Benutzer be nutzt wird, kann die Zentralpunktstellung längs der Y- Achse (CPY) angenähert werden durch sehr geringe Drehung, bspw. 3/100 eines Radius oder angenähert 1,719° um die Roboterfrontfläche 54 parallel zur Roboter-X-Achse. Die CPY wird angenähert durch Teilung der Veränderung in der Höhe des Werkzeuges 42 (ΔZ) geteilt durch den kleinen radialen Drehwinkel. Diese Annäherung kann mit einem ho hen Grad an Genauigkeit ausgeführt werden und ist schema tisch in Fig. 8 dargestellt. Die Veränderung in Z-Posi tion des Werkzeuges 42 (ΔZ) wird bestimmt nach der Dre hung des Werkzeuges 42 um die Roboterfrontfläche 54, und die Veränderung wird bestimmt durch Bewegung des Werkzeu ges 42 relativ zum Strahl 30 in Richtung der Z-Achse, wo bei dann die Veränderung der Stellung der Roboterfront fläche in der Z-Achse festgestellt wird.

Mit der Positionierung des Strahles 30 beim Zentralpunkt 60 innerhalb des Mittelpunktes eines im wesentlichen zy lindrischen Abschnittes der Werkzeugspitze 44 und einer anfänglichen Annäherung der CPY und CPZ können die Werk zeugspitzen 44 und 46 um die Werkzeugspitzenachsen ± ei nem Winkel Φ, bspw. 30°, gedreht werden, wie in Fig. 9 dargestellt. Messungen des Zentralpunktes an allen drei Stellen können genutzt werden, um die Werte für CPY und CPZ zu bestimmen. Die Messungen beziehen sich auf die be kannte Position der Roboterfrontfläche 54 in jeder Stel lung. Die CPY- und CPZ-Werte können basierend auf diesen drei Messungen bestimmt werden, weil die bezüglichen CPY- und CPZ-Orientierungen mit der Roboterfrontfläche 54 dre hen und die spezifische Stellung der Roboterfrontfläche 54 /d. h. ZO Z-Φ und Z+Φ) in jeder Stellung bekannt ist.

Infolgedessen wird eine Gleichung für jede spezifische Messung erhalten. Die drei Gleichungen können wie folgt zusammengefaßt werden:

CPZ = (Z-Φ+Z+Φ -2ZO)/2(cosΦ-1)

H = ZO-CPZ

CPY = (Z+Φ-H-CPZcosΦ)/sinΦ

In den obigen Gleichungen ist Φ der Drehwinkel um die Werkzeugspitzenachse. Die Lösung dieser drei Gleichungen für die drei Unbekannten bestimmt zwei der drei Dimensio nen.

Die verbleibende Unbekannte ist die Dimension CPX, darge stellt in Fig. 5, die im wesentlichen senkrecht zum Strahl 30 steht. Um diese unbekannte Dimension CPX zu be stimmen, wird ein unechter Punkt 62 bei einer Stellung von -CPZ von der Roboterfrontfläche 64 erzeugt, wie in Fig. 10 gezeigt. Der Roboter 40 kann um einen kleinen Winkel gedreht werden bspw. 3/100 eines Radius, und zwar um den gedachten Punkt 62. Eine Abschätzung von CPX wird durch Teilung der Höhenänderung des Werkzeuges 42 (Z) durch den Grad der Drehung in Bogengrad erhalten. Dieses Vorgehen ist ähnlich der Einschätzung des CPY, wie in Verbindung oben mit Fig. 8 beschrieben, wobei nur die Höhe zwischen dem Strahl 30 und der Roboterfrontfläche 54 eingeführt wurde. Wie oben erörtert, ist die Änderung in der Höhe des Werkzeuges 42 (ΔZ) proportional zur Distanz CPX. Alternativ kann eine Abschätzung für das CPX be stimmt werden durch Verschrauben der Kalibrationseinheit 10 an der Robotergrundplatte, wobei sich der Strahl 30 in einer bekannten Position relativ zur Roboterfrontfläche 54 befindet.

Der Vorgang kann wiederholt werden, um eine Korrektur für den geschätzten CPX-Wert vorzunehmen, wie in Fig. 10 ge zeigt. Die Werkzeugspitze 45 wird wieder um den geschätz ten Zentralpunkt gedreht. Die Höhenänderung der Werkzeug spitze 44 (ΔZ) wird durch Bewegung des Werkzeuges 42 ge messen, bis der Strahl 30 wieder geschnitten und auf die Werkzeugspitze 44 zentriert und die Höhenänderung der Ro boterfrontfläche 54 festgestellt wird. Die Korrektur der geschätzten CPX-Position ist gegeben durch

AX = Z/(sinΦcosΦ).

Der Zentralpunkt 60 für die erste Spitze 44 ist nun be kannt.

Der ganze Vorgang wird nun für die gegenüberliegende Spitze 46 wiederholt. Zu diesem Zeitpunkt oder zu jeder Zeit, die der Bestimmung des Zentralpunktes 60 gemäß Fig. 6 folgt, ist die Stellung der Zusammentreffebene 70 oder des Kontaktpunktes zwischen den sich gegenüberstehenden Spitzen 44 und 46 bestimmt. Dieser Vorgang ist in Fig. 11 schematisch dargestellt. Die Werkzeugspitze 44 wird hori zontal in einer Distanz von ca. 25 mm längs einer Linie 72 und zwar 4 mm über dem Zentralpunkt 60 abgetastet. Falls der Strahl 30 nicht unterbrochen bleibt, wird der Vorgang in entgegengesetzter Richtung wiederholt. Falls der Strahl 30 wiederum ungebrochen bleibt, wird der Vor gang wiederum längs einer Linie 74 einige Millimeter über der Linie 72 wiederholt. Nach Auffindung der Stelle, bei der der Strahl 30 nicht länger unterbrochen wird, was eine Kante der Werkzeugspitze 44 anzeigt, folgt eine Ge fälleermittlung, um die Zusammentreffebene 70 zu lokali sieren.

Die Gefälleermittlung beginnt durch Abtasten des Durch messers der Werkzeugspitze 44 ähnlich dem Profilierungs schritt gemäß Fig. 6. Die Werkzeugspitze 44 wird etwa 2 mm längs der Werkzeugspitzenachse bewegt, und ein neuer Durchmesser wird bestimmt. Wenn der neue Durchmesser mehr als 0,5 mm größer ist als der alte Durchmesser, wird der Vorgang in entgegengesetzter Richtung wiederholt. Der ge fundene Kleinstdurchmesser zeigt dann die Zusammentreff ebene 70 an.

Beginnend von einer beliebigen Stelle 50′ auf der entge gengesetzten Seite der Zusammentreffebene 60 wird die Werkzeugspitze 46 zick-zack-artig wegbewegt, um eine Ab tastung auszuführen, bis ein Zentralpunkt 60′ für die Werkzeugspitze 46 erhalten wird.

Nach Wiederholung des ganzen Vorganges für die Werkzeug spitze 46 können die zwei Zentralpunkte 60 und 60′ für die Spitze 44 und 46 berechnet werden. Die Mittellinie 46 des Werkzeuges 42 ist nun bekannt. Die Werkzeugmittelli nie ist die Linie, die die zwei bekannten Zentralpunkte 60 und 60′ verbindet. Der Roboter 40 kann die Werkzeug mittellinienachse mit einer Roboterhauptachse zum Fluch ten bringen und kann den ganzen Kalibrationsprozeß von Beginn an wiederholen. Zweck dieser Wiederholung ist die Beseitigung jeglichen Fehlers, verursacht durch das Nichtfluten des Strahles 30. Während des Durchlaufes die ses Prozesses sollte der Strahl an der gleichen Stelle unterbrochen werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß nach einer Anfangseinstellung der Prozeß von dieser Position aus begonnen werden kann.

Die Zusammentreffebene 70 kann nun genutzt werden, um die Stellung des Werkzeugmittelpunktes 80 für das Werkzeug spitzenpaar 44 und 46 anzuzeigen. Die Distanz zwischen einem Werkzeugmittelpunkt 60 oder 60′ und dem schmalsten Abschnitt in der Zusammentreffebene 70 kann einem der Zentralpunkte 60 oder 60′ zuaddiert werden, um einen Werkzeugmittelpunkt 80 für das Werkzeug 42 zu berechnen. Das Werkzeug 42 kann für den bekannten Werkzeugmittel punkt 80 passend zur Flucht gebracht und/oder das Steue rungssystem korrigiert werden.

Falls es einen Versatz bzgl. der Werkzeugspitzen gibt, wie in Fig. 7 dargestellt, wird der Versatz A während des Profilierungsschrittes bestimmt und dem berechneten Werk zeugmittelpunkt 80 zuaddiert.

Die Erzeugung eines Werkzeugmittelpunktvektors von einem gegebenen, bekannten Weltkoordinatenvektors wird unter Benutzung der Eulertransformation erreicht

worin A, B und C laufende Euler-Winkel des Roboterfront plattenkoordinatensystems sind.

Die vorliegende Werkzeugmittelpunktskalibrationseinheit 10 hat in bezug auf vorbekannte Systeme verschiedene spe zifische Vorteile. Das vorliegende System erfordert sehr geringen mechanischen Aufwand, da die Werkzeugmittel punktskalibrationseinheit 10 lediglich auf dem Boden zu verschrauben ist. Die elektrische Einrichtung ist zudem minimal und erfordert nur ein Signal für den Roboter. Der Softwareaufwand ist vereinfacht und erfordert nur, daß der Benutzer das Werkzeug 42 manuell zur Kalibrationsein heit 10 einstellt und die eingegebene Software durchlau fen läßt. Die vorliegende Kalibrationseinheit 10 vergrö ßert die Meßgenauigkeit bzgl. des Werkzeugmittelpunktes 80 bis auf 1/2 mm. Ferner führt das vorliegende System zu einem schnellen Kalibrationsverfahren, wobei die Einrich tung angenähert 10 Minuten braucht und die Änderungsein stellung eine Minute oder weniger. Die einfache Ausbil dung der vorliegenden Erfindung führt zu einer stabilen Konstruktion und zu geringen Kosten. Zudem kann die vor liegende Erfindung für jeden Roboter (ABB, KUKA usw.) laufen. Ferner ist kein äußerer Computer für den Betrieb des vorliegenden Systems erforderlich, das mit dem Com putersystem zusammenarbeiten kann, das sich im Roboterma nipulator befindet.

Obgleich bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, liegt es für den Fach mann auf der Hand, daß verschiedene Veränderungen und Mo difikationen möglich sind, ohne deren Bereich zu verlas sen. So kann bspw. der Strahl 30 durch einen Tastdraht ersetzt werden oder andere Typen von Sensoren, die es er möglichen, das Vorhandensein der Werkzeugspitze längs ei ner Linie anzuzeigen. Demgemäß dienen die Ansprüche nur dazu, den beanspruchten Schutzbereich zu umreißen.

Claims

1. Eine Werkzeugmittelpunktskalibriereinheit für einen Roboter mit X-, Y- und Z-Achsen und ein Werkzeug mit Spitzenachse, gekennzeichnet durch ein im Roboterarbeitsbereich des Roboters angeordne tes Gestell und durch am Gestell (10) angeordnete Elemente zur Werkzeugmittelpunktskalibration, welche Elemente eine längs einer Geraden angeordnete Mit tellinie aufweisen und ein Signal erzeugen, das das Vorhandensein eines Gegenstandes in der Mittellinie anzeigt.

2. Kalibriereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierelemente im wesentlichen parallel zu einer Roboterachse (X, Y, Z) angeordnet sind, und zwar derart, daß der Roboter mit der Werkzeugspit zenachse die Kalibrierelemente in Parallelstellung zu einer der Roboterachsen erreicht.

3. Kalibriereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierelemente ein einziger Strahl (30) sind.

4. Kalibriereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell (10) eine Grundplatte (14) umfaßt, auf der ein Pfosten (12) angeordnet ist, von dem aus sich zueinander distanzierte Arme (20) zum Strahl (30) erstrecken, der sich zwischen den beiden Armen (20) erstreckt.

5. Kalibriereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Gestell (10) zur Erzeugung des Strahles Lichtleitkabel (22) angeordnet sind.

6. Verfahren zur Werkzeugkalibration für einen Roboter mit einer Roboterfrontfläche, die ein Werkzeug mit einer Werkzeugspitzachse aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Positionierung der Kalibrierungselemente in der Roboterarbeitsbereich, wobei die Kalibrierungs elemente einen Strahl umfassen, der eine Mittellinie längs einer einzigen Geraden aufweist;
b) Positionierung der Werkzeugspitze in einer An fangsposition innerhalb des Strahlenweges;
c) Ermittlung der Werte der Roboterfrontfläche mit der Werkzeugspitze, die sich im Strahlweg be findet;
d) Drehung des Werkzeuges um die Spitzenachse min destens in eine zweite Stellung mit der Werk zeugspitze, die sich im Strahlenweg befindet.
e) Ermittlung der Werte der Roboterfrontfläche mit der Werkzeugspitze, die sich in der mindestens zweiten Position befindet und
f) Berechnung eines Werkzeugmittelpunktes, basie rend auf den ermittelten Werten.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Roboter ein Punktschweißroboter verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, der ferner den folgenden Schritt umfaßt:

Positionierung der Kalibrierungselemente im wesent lichen parallel zu einer Roboterachse, wobei der Ro boter so ausgebildet ist, daß er mit der Werkzeug spitzenachse im wesentlichen parallel zu einer Robo terachse die Kalibrierelemente erreicht.

9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Positionierung der Werkzeugspitze in die Anfangsstellung folgende Schritte umfaßt:

Positionierung der Werkzeugspitze auf eine beliebige Stellung im Strahlweg;
Abtasten der Werkzeugspitze mit dem Strahl durch Re lativbewegung der Werkzeugspitze zum Strahl,
Berechnung der Anfangsposition, basierend auf dem ermittelten Abtastprofil, wobei sich die Anfangspo sition in einem Mittelpunkt der Werkzeugspitze be findet und
Einstellung der Werkzeugspitze auf die Ausgangsstel lung.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsposition eine Position im wesentli chen im zylindrischen Teil der Werkzeugspitze ge wählt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei zur Abtastprofi lierung in Folge die Querschnittslängen der Werk zeugspitzen in Ebenen parallel zum Strahl bestimmt werden und wobei eine Mehrzahl von im wesentlichen gleichen Querschnittslängen in benachbarten Ebenen den im wesentlichen zylindrischen Teil der Werkzeug spitze anzeigen.

12. Verfahren zur Werkzeugkalibration eines Punkt schweißroboters mit einer Roboterfrontfläche und ei nem daran angeordneten Schweißwerkzeug, bestehend aus zwei sich längs der Werkzeugachse gegenüberste henden Werkzeugspitzen, umfassend die Schritte:

a) Positionierung der Kalibrierungselemente in der Roboterarbeitsbereich, wobei die Kalibrierungs elemente einen Strahl umfassen, der eine Mittellinie längs einer einzigen Geraden aufweist;
b) Positionieren einer ersten der sich gegenüber stehenden Werkzeugspitzen im Strahlweg;
c) Abtastprofilierung dieser ersten Werkzeugspitze durch Relativbewegung des Schweißwerkzeuges zum Strahlenweg;
d) Positionierung der ersten Werkzeugspitze auf eine Ausgangsposition, basierend auf der Abtastprofilierung, wo der Strahlenweg die er ste Werkzeugspitze einen Zentralpunkt schnei det, der sich an einen Mittelpunkt eines im we sentlichen zylindrischen Teiles der ersten Werkzeugspitze befindet.
e) Berechnung einer Anfangsnäherung für die Zen tralpunktstellung der ersten Werkzeugspitze;
f) Ermittlung der Werte der Roboterfrontfläche mit der Werkzeugspitze in der Ausgangsstellung;
g) Drehung des Schweißwerkzeuges aus der Ausgangs position in eine zweite Position um eine Achse im wesentlichen senkrecht zu den Kalibrierungs elementen in eine zweite Position;
h) Ermittlung der Werte der Roboterfrontfläche mit dem Werkzeug in der zweiten Position;
i) Drehung des Schweißwerkzeuges um besagte Achse, die sich im wesentlichen senkrecht zu den Kali brierungselementen erstreckt, in eine dritte Stellung;
k) Drehung des Schweißwerkzeuges um eine Achse im wesentlichen parallel zu den Kalibrierungsele menten in eine vierte Position;
l) Ermittlung der Werte der Roboterfrontfläche mit der Werkzeugspitze in der vierten Position;
m) Berechnung der Zentralpunktstellung der ersten Spitze, basierend auf den ermittelten Werten;
n) Wiederholung der Schritte b) bis m) für das zweite Werkzeug des Werkzeugpaares und
o) Berechnung der Werkzeugzentrallinie, die sich zwischen den Zentralpunkten des Werkzeugpaares erstreckt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei zur Werkzeugspit zen-Abtastprofilierung in Folge die Querschnittslän gen der Werkzeugspitzen in zum Strahl parallelen Ebenen bestimmt werden und wobei eine Mehrzahl von im wesentlichen gleichen Querschnittslängen in be nachbarten Ebenen den im wesentlichen zylindrischen Teil der Werkzeugspitze anzeigen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei vier im wesentli chen gleiche Querschnittslängen der Werkzeugspitzen während der Abtastprofilierung zur Indikation des im wesentlichen zylindrischen Teiles verwendet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 12 mit dem weiter folgenden Schritt:

p) Ausrichtung des Werkzeuges, basierend auf dem Verlauf der Zentrallinie, wobei die Schritte b) bis o), der Ausrichtung folgend, wiederholt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Zentrallinien berechnung folgend das Werkzeugpaar abgetastet wird, um ein schmalstes Profil zwischen den Zentralpunkten der ersten und zweiten Werkzeugspitze zu ermitteln und wobei ein Werkzeugzentralpunkt längs des schmal sten Abtastprofils berechnet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, worin der Werkzeugzen tralpunkt der Schnitt der Ebene des schmalsten Ab tastprofiles und der Zentrallinie ist.

18. Verfahren zur Werkzeugkalibration für einen Roboter mit folgenden Schritten:

a) Anordnung eines Kalibrationselementes in einem Roboterarbeitsbereich, wobei die Kalibrations elemente eine Zentrallinie längs einer einzigen Geraden haben;
b) Positionierung des Werkzeuges im Strahlenweg;
c) Abtastprofilierung des Werkzeuges durch Rela tivbewegung zum Strahl, um in Folge Quer schnittslängen des Werkzeuges in Ebenen paral lel zum Kalibrationselement zu bestimmen, wobei eine Mehrzahl von im wesentlichen gleichen Querschnittslängen einen im wesentlichen zy lindrischen Teil des Werkzeugs anzeigen;
d) Berechnung eines Werkzeugmittelpunktes längs des im wesentlichen zylindrischen Teiles und
e) Ausrichtung des Werkzeuges, basierend auf den berechneten Mittelpunkten.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei vier im wesentli chen gleiche Querschnittslängen der Werkzeugspitze zur Indikation des Vorhandenseins eines im wesentli chen zylindrischen Teiles benutzt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei vier zusätzliche Querschnittslängen berechnet werden, nachdem vier im wesentlichen gleiche Querschnittslängen bestimmt sind.