DE69313590T2

DE69313590T2 - Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Roboterarms

Info

Publication number: DE69313590T2
Application number: DE69313590T
Authority: DE
Inventors: Yasushi - - Mukai; Makoto - - Takahashi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1992-06-29
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2013-06-29
Also published as: US5495090A; EP0601206A4; WO1994000269A1; DE69313590D1; EP0601206A1; EP0601206B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Roboterarms, insbesondere auf einen Schweißroboter vom "teaching playback type", der automatisch einen Schweißpunkt an einem zu schweißenden Werkstück und die Lage des letztgenannten erkennt, um ein Selbstlehren eines Betriebsprogramms durchzuführen, während er automatisch einer Schweißlinie folgt.

Hintergrund der Erfindung

Die meisten der gegenwärtig erhältlichen Schweißroboter sind vom "teaching playback-type", und dementsprechend ist es erforderlich, einem einzelnen Roboter verschiedene Betriebsprogramme beizubringen, um mit einer Produktion mit vielen Sorten und kleinen Mengen umzugehen, während es wünschenswert ist, Maßnahmen zu ergreifen, um die Mannstunden zum effektiven Lehren eines Betriebsprogramms einem Schweißroboter in Anbetracht des Mangels an angebildeten Arbeitskräften zum Lehren eines Roboters zu vermindern.
Ein gegenwärtig allgemein weitverbreitetes Lehrverfahren, bei dem eine Lehrarbeitskraft Manipulationsschalter in einer Manipulationsbox zum Bezeichnen einer Bewegung eines Roboters verwendet, um den Roboter zu einer vorbestimmten Bewegung zu bringen, während er die Bewegung des Roboters überwacht, um ein Betriebsprogramm zu lehren, hat Probleme mit sich gebracht dahingehend, daß nicht nur eine qualifizierte Lehroperation für ein zu schweißendes Werkstück, das eine gekrümmte Schweißlinie, Richtungswechsel od. dgl. erfordert, notwendig ist, sondern darüber hinaus sind auch die Wiederholungen einer empirischen Operation notwendig ist, um die gewünschte Bewegung des Roboters zu erhalten, und dementsprechend erfordert es viel Zeit, den Roboter zu lehren.
In Anbetracht dieser Umstände sind verschiedene Lehrmaßnahmen ohne Verwendung einer Manipulationsbox, wie oben erwähnt, vorgeschlagen worden und Stück um Stück praktisch verwendet worden.
Bei den erwähnten Maßnahmen ist eine das sogenannte Off-line-Lehrverfahren zum Lehren einer Absolutposition in den Koordinaten, die für ein einen Roboter beinhaltendes Arbeitsfeld festgelegt sind. Zum Beispiel ist ein Verfahren vorgeschlagen worden zum Lehren einer Absolutposition unter Verwendung von Computersimulation, ein Verfahren, bei dem eine Positionslehreinheit mit verschiedenen lichtemittierenden Elementen anstelle eines Schweißbrenners entlang einer Schweißlinie an einem zu schweißenden Werkstück bewegt wird und davon emittiertes Licht durch an einem Arbeitsfeld befestigte Lichtsensoren erfaßt wird, um einen Roboter zu lehren, wie offenbart in der Japanischen Patentoffenlegung Nr. 60-136806 oder der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 64-4875. Bei diesen Verfahren ist nicht nur ein hoher Genauigkeitsgrad zur Positionierung eines Roboters erforderlich sondern es ist auch die Bestätigung des Auftretens von Störungen zwischen einem Roboterarm, einem Schweißbrenner oder einem Schweißkabel und einem zu schweißenden Werkstück, einem Randpfosten od. dgl. erforderlich.
Ferner gibt es weitere Verfahren, bei denen das Lehren durchgeführt wird, während ein Roboter tatsächlich betrieben wird. Ein erstes davon ist ein direktes Lehrverfahren, bei dem ein Roboter seine Bewegung gelegentlich erfaßt und in einem Speicher speichert, während ein einen Schweißbrenner oder einen Griffteil mit einem am entfernten Endteil eines Roboterarms befestigten Dummy des Brenners greift, den Brenner od. dgl. so führt, daß er einer Schweißlinie folgt. Zum Beispiel offenbart die Japanische Patentoffenlegung Nr. 56-85106 ein Verfahren zum Erfassen der Bewegung, bei dem eine Krafterfassungseinrichtung zum Erfassen einer Richtung, in der der Arbeiter den Griffteil führt, und einer Kraft zum Führen des Griffteils vorgesehen ist und die Position und Lage des spitzen Endes des Schweißbrenners aus einem Ausgangssignal aus der Erfassungseinrichtung berechnet wird. Da das direkte Lehrverfahren es dem Arbeiter ermöglicht, den Roboter mit seiner Einrichtung (institution) zu manipulieren, ohne sich der in dem Roboter festgelegten Koordinaten bewußt zu sein ist es für den lehrenden Arbeiter leicht handhabbar. Jedoch treten nicht nur Störungen zwischen der vorgesehenen Krafterfassungseinrichtung und einem Werkstück oder Pfosten auf, so daß es nicht manipuliert werden kann, sondern es zwingt auch eine bestimmte Form des Werkstücks den Arbeiter dazu, eine unvernünftige Lage einzunehmen. Ferner besteht möglicherweise das Risiko, daß der Arbeiter zufällig den Roboter berührt und daher verletzt wird.
Ein zweites Verfahren erlaubt es einem Roboter, automatisch einen Schweißstartpunkt und eine Schweißlinie unter Verwendung eines Sensors zu erkennen, so daß der Roboter eine Lehrarbeit durchführt, während er selbständig der Schweißlinie folgt. Da dieses Verfahren nicht nur die Notwendigkeit einer Bestätigung einer Störung und von Korrekturen eines Lehrpunktes beseitigt, sondern auch die Notwendigkeit, einer von einem in direkter Nähe mit dem Roboter befindlichen Arbeiter durchzuführenden Lehrarbeit, kann die Lehrarbeit vollständig durchgeführt werden. Da ferner der Roboter die Positionierung automatisch ausführt und unter Verwendung von Daten aus dem Sensor eine Lage einstellt, ist es möglich, eine Gleichmäßigkeit bei der Qualität des Lehrens anzustreben, ohne von der Qualifikation eines Arbeiters abzuhängen.
Einrichtungen zum automatischen Erkennen eines Schweißstartpunkts und einer Schweißlinie können im wesentlichen in zwei Sorten eingeteilt werden. Die erste Sorte verwendet einen Abstandssensor oder einen Bildsensor unter Einsatz eines Laserstrahls von Ultraschallwellen od. dgl., und die zweite Sorte verwendet eine Schweißarbeit selbst mit einem Schweißdraht, einem Schweißbogen od. dgl.
Im allgemeinen erfordern die meisten Einrichtungen zum automatischen Erkennen eines Schweißstartpunkts und einer Schweißlinie unter Verwendung des Abstandssensors oder des Bildsensors unter Einsatz eines Laserstrahls, von Ultraschallwellen od. dgl. die zusätzliche Befestigung des Sensors an einem Roboter in der Nähe eines Schweißbrenners, und dementsprechend verursacht eine Störung zwischen dem Sensor und einem Werkstück, einem Pfosten od. dgl. möglicherweise eine Behinderung, weil ein kleiner, genauer Sensor gegenwärtig kaum realisierbar ist, und ferner können durch den Oberflächenzustand eines Werkstücks, Umgebungsbeleuchtung, Umgebungstemperatur od. dgl. verursachte Beeinflussungen nicht vernachläßigt werden. Es ist somit ein Problem dahingehend aufgetreten, daß einsetzbare Werkstücke, Pfosten oder Arbeitsumgebungen erheblichen Einschränkungen unterliegen.
Wie offenbart in der japanischen Patentoffenlegung Nr. 54-15441 ist ein Berührungssensor unter Verwendung eines Schweißdrahts als Drahterde ausgelegt zum Erkennen eines Position an einem Werkstück aus der Position eines Roboterarms zu dem Zeitpunkt, zu dem der Schweißdraht als eine der gegenüberliegenden und mit Spannung beaufschlagten Elektroden und die Oberfläche des Werkstücks als eine andere der gegenüberliegenden Elektroden miteinander in Kontakt treten, um eine elektrische Verbindung während der Bewegung des Schweißdrahts durch den Roboter zu erhalten, und durch Wiederholung der erwähnten Prozedur an verschiedenen Punkten kann die Schweißlinie erfaßt werden. Bei dieser Prozedur ist die Erfassung jedoch nicht so schnell, da an verschiedenen Positionen für jeden Lehrpunkt eine Erfassung erforderlich ist, und dementsprechend wird mit zunehmender Komplizierung des Werkstücks und folglich steigender Zahl der Lehrpunkte die zum Lehren erforderliche Zeit länger, wodurch das Problem auftritt, daß die praktische Verwendbarkeit erheblich verschlechtert wird.
Wie ferner in dem Japanischen offengelegten Gebrauchsmuster Nr. 54-55635 offenbart, ist ein einen Schweißbogen verwendender Bogensensor von dem Typ, der die Position einer Schweißlinie unter Verwendung von Variationen des Schweißstromsignals als Datenquelle erkennt, d.h. daß Variationen im Schweißstrom, die verursacht werden durch Variationen im Abstand zwischen einer Schweißspitze und einem Stammmaterial, die wiederum verursacht werden durch Wellenbewegungen eines Schweißbrenners quer zu der Schweißlinie innerhalb des Maßes einer Schweißverbindung, verwendet worden zum Erkennen der Position der Schweißlinie. Jedoch kann dieses Verfahren nicht wiederholt bzw. übertragen werden (made over again), da der Bogen selbst als Sensor dienen muß, so daß die Lehrarbeit während einer tatsächlichen Schweißarbeit durchgeführt werden muß, und ferner sind Probleme dahingehend aufgetreten, daß die Spurführung einer Schweißlinie bei hoher Geschwindigkeit schwierig ist, die praktische Anwendung auf eine überlappende Verbindung dünner Platten ungeeignet ist, die Leistung bei der Spurführung erheblich durch die Schweißbedingungen beeinflußt ist, die Steuerung der Lage eines Schweißbrenners schwierig ist usw.
Die vorliegende Erfindung ist daraufhin ausgerichtet, die oben erwähnten Probleme zu lösen, und dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Sensor anzugeben mit einer Größe und Form, die die Zugänglichkeit zu einem Werkstück nicht verschlechtern, der bei verschiedenen Werkstückformen und verschiedenen Arbeitsumgebungen anwendbar ist und automatisch die Position einer Schweißlinie und die Lage eines Brenners bezüglich einem Werkstück mit hoher Geschwindigkeit erkennen kann, ohne eine praktische Schweißarbeit durchzuführen, und einen den Sensor verwendenden Schweißroboter anzugeben, der aufleichte Weise ein sicheres und effektives Lehrverfahren mit verminderter Mannstundenzahl ausführen kann.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren für den Steuerbetrieb eines Roboterarms vorgesehen, wie festgelegt in Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind beansprucht in den Unteransprüchen
Nach der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Nichtkontaktabstandssensor durch die Rotations- und Verschiebeeinrichtung rotiert und verschoben, ein Merkmalpunkt in einer Signalwellenform durch die Signalwellenformverarbeitungseinrichtung unter Verwendung der Abstandsdaten bezüglich dem objektiven Werkstück und von Rotationsphasendaten extrahiert, die Positionsbeziehung zwischen dem ersten Koordinatensystem und dem zweiten Koordinatensystem, d.h. die Positionen einer Schweißlinie, des Werkstücks und eines Schweißbrenners und die Lage des letztgenannten, aus den Abstandsdaten und den Rotationsphasendaten bei jedem auf diese Weise extrahierten Merkmalpunkt durch die Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung berechnet und der Roboterarm durch die Robotersteuereinrichtung in solcher Weise bewegt, daß die auf diese Weise berechnete Positionsbeziehung mit der zuvor eingestellten und gespeicherten Positionsbeziehung übereinstimmt. Auf diese Weise kann der Roboterarm automatisch in einer gewünschten Beziehung bewegt werden, die zuvor eingestellt und gespeichert wird, d.h. der Schweißbrenner kann in eine gewünschte Position und eine gewünschte Lage eingestellt werden.
Ferner ist es durch die Verwendung eines Kapazitätstyp- Nichtkontaktabstandssensors als oben erwähnter Nichtkontaktabstandssensor möglich, einen Sensor kleiner Baugröße vorzusehen, der die Erfassung mit einem hohen Genauigkeitsgrad ohne Beeinflussung durch einen Oberflächenzustand eines Werkstücks, einer Umgebungsbeleuchtung, einer Umgebungstemperatur od. dgl. ausführen kann.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Außenansicht, die die erfindungsgemäße Gesamtanordnung illustriert;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das den Datenstrom entsprechend der Erfindung zeigt;
Fig. 3 ist eine einen Kapazitätstyp-Zweikanalabstandssensor illustrierende Ansicht;
Fig. 4 ist eine Ansicht zur Erklärung eines ersten Koordinatensystems;
Fig. 5 ist eine Ansicht zur Erklärung eines zweiten Koordinatensystems;
Fig. 6 ist eine typische Ansicht für einen Fall, bei dem ein Brennerkoordinatensystem mit einem Werkstückkoordinatensystem übereinstimmt;
Fig. 7 ist eine Darstellung einer Wellenform eines Sensorsignals in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem mit dem Werkstückkoordinatensystem übereinstimmt;
Fig. 8 ist eine typische Ansicht des Falls, daß das Brennerkoordinatensystem und das Werkstückkoordinatensystem gegeneinander in der Richtung einer Xt-Achse verschoben sind;
Fig. 9 ist eine Darstellung einer Wellenform eines Sensorsignals in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem und das Werkstückkoordinatensystem gegeneinander in der Richtung der Xt-Achse verschoben sind;
Fig. 10 ist eine typische Ansicht des Falls, daß das Brennerkoordinatensystem und das Werkstückkoordinatensystem gegeneinander um eine Zt-Achse verschoben sind;
Fig. 11 ist eine Darstellung einer Wellenform eines Sensorsignals in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem und das Wrkstückkoordinatensystem gegeneinander um eine Zt-Achse verschoben sind;
Fig. 12 ist eine Darstellung einer Wellenform eines Sensorsignals in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem und das Werkstückkoordinatensystem in der Richtung der Zt-Achse verschoben sind;
Fig. 13 ist eine Darstellung einer Wellenform eines Sensorsignals in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem und das Werkstückkoordinatensystem gegeneinander in der Richtung Zt-Achse verschoben sind;
Fig. 14 ist eine typische Ansicht des Falls, daß das Brennerkoordinatensystem und das Werkstückkoordinatensystem gegeneinander um eine Yt-Achse verschoben sind;
Fig. 15 ist eine Darstellung einer Wellenform eines Sensorsignals in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem und das Wirkstückkoordinatensystem gegeneinander um die Yt-Achse verschoben sind;
Fig. 16(A) ist eine typische Ansicht für den Fall, daß der Kapazitätstyp- Zweikanalabstandssensor verwendet wird und das Brennerkoordinatensystem und das Werkstückkoordinatensystem gegeneinander um die Yt-Achse verschoben sind;
Fig. 16(B) ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in Fig. 6(A) gezeigten Kapazitätstyp-Abstandssensors in der Nähe seines Vorderendes;
Fig. 17 ist eine Darstellung einer Wellenform eines Sensorsignals in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem und das Werkstückkoordinatensystem gegeneinander um die Xt-Achse verschoben sind;
Fig. 18 ist eine Ansicht einer Phasenbeziehung in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem und das Werkstückkoordinatensystem gegeneinander gegen die Xt- Achse verschoben sind;
Fig. 19 ist eine Darstellung einer Wellenform eines Sensorsignals in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem und das Werkstückkoordinatensystem gegeneinander innerhalb eines einzelnen Rasterdurchgangs verschoben sind; und
Fig. 20 ist eine perspektivische Ansicht eines zu schweißenden Werkstücks, das bei einem Lehrbeispiel nach der Erfindung verwendet wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Im folgenden wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen im einzelnen erklärt.
In Fig. 1 ist ein vertikaler Vielfachverbindungstyp-Roboterarm 1 an seinem Distalende mit einem Schweißbrenner (im folgenden als "Brenner" bezeichnet) 13 versehen, und ein Werkstück 2 weist eine Kehlschweißnaht auf. Ein Kapazitätstyp- Nichtkontaktabstandssensor (im folgenden als "Kapazitätstyp-Abstandssensor" bezeichnet) 5 ist rotierbar an dem spitzen Ende des Brenners 13 befestigt, und zwar exzentrisch gegenüber der Mittenachse (Xt-Achse, die später erklärt wird) des Brenners 13, und dazu ausgelegt, zum Rastern durch eine Rotations- und Verschiebeeinrichtung 6 unter Verwendung eines Servomotors (der nicht gezeigt ist) als Antriebsquelle rotiert zu werden, und zwar um die Mittenachse des Brenners 13 als Rotationsmittenachse und mit einem vorbestimmten Radius. Ein Codierer zum Steuern des Servomotors dient als Rotationsphasenerfassungseinrichtung 7 zum Erfassen einer Rotationsphase des Nichtkontaktabstandssensors 5 unter Verwendung einer Yt-Axialrichtung eines Brennerkoordinatensystems 3, das im folgenden erklärt wird, als Referenzposition. Eine Signalwellenformverarbeitungseinrichtung 8 ermittelt eine eine Beziehung zwischen dem Abstand und einer Phase angebende Signalwellenform aus einem von dem Kapazitätstyp- Abstandssensor 5 gelieferten Ausgangssignal und einem Ausgangssignal aus der Rotationsphasenerfassungseinrichtung 7 und extrahiert aus der Signalwellenform einen Merkmalpunkt, wobei den Merkmalpunkt betreffende Daten zu einer Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung 9 geliefert werden. Die Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung 9 berechnet eine Positionsbeziehung zwischen dem ersten Koordinatensystem 3 und einem zweiten Koordinatensystem 4, die später erklärt werden.
Eine Positionsbeziehungseinstell- und -speichereinrichtung 10 stellt zuvor ein und speichert darin eine gewünschte Zielposition bezüglich dem Werkstück und eine Lage des Brenners als Positionsbeziehung zwischen dem ersten Koordinatensystem 3 und dem zweiten Koordinatensystem 4, und dementsprechend wird der Roboterarm 1 von einer Robotersteuereinrichtung 11 und einem an dem Roboterarm 1 befestigten Wellenantriebsmotor 20 auf solche Weise angetrieben, daß die eingestellte und gespeicherte Positionsbeziehung mit der durch die Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung 9 berechneten Positionsbeziehung übereinstimmt. Die Robotersteuereinrichtung 11 ist, wie in Fig. 1 gezeigt, aus einer Wunschbewegungspositionsberechnungseinrichtung 14, einer Momentanpositionsmanagingeinrichtung 15, einem dritten Koordinatenumwandlungsteil 16, einem ersten Koordinatenumwandlungsteil 17, einer zweiten Koordinatenumwandlungseinrichtung 18, einem Servosteuerteil 19 und dgl., ähnlich wie bei konventionellen Robotern, aufgebaut und ist zusammen mit der Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung 9 und der Positionsbeziehungseinstell- und -speichereinrichtung 10 in einer Robotersteuervorrichtung 12 eingebaut. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist an einem Roboterarmantriebsmotor 20 ein Codierer 21 befestigt. Es ist festzustellen, daß der Motor 20 und der Codierer 21 in Fig. 2 nur für eine Achse gezeigt sind und die für die anderen Achsen weggelassen sind.
Der erfindungsgemäße Kapazitätstyp-Abstandssensor 5, wie in Fig. 3 gezeigt, weist zwei konzentrische Sensorelektroden 21, 23 auf, die in voneinander um einen vorbestimmten Abstand in der Xt-Axialrichtung, die später erklärt wird, beabstandeten Position angeordnet sind, um den Kapazitätstyp-Abstandssensor 5 mit zwei Kanälen, die separat voneinander betrieben werden, zu bilden. Da das Werkstück 2 eine Kehlschweißnaht aufweist, sind die Sensorelektroden in konischer Form gebildet, um den effektiven Elektrodenbereich bezüglich dem Durchmesser der Elektroden zu verstärken. Ferner sind der Brenner 13 und der Kapazitätstyp-Abstandssensor 5 durch Zwischenschaltung eines elektrisch hochisolierenden Elements verbunden, und dementsprechend kann die Ausrichtung zwischen der Mittenachse des Schweißbrenners 18 und der Rotationsmittenachse der Rotations- und Verschiebeeinrichtung 6 und der Positionierung des Kapazitätstyps des Abstandssensors 5 an einem Referenzpunkt einfach durchgeführt werden. Ferner ist es möglich, einen Kurzschluß des Werkstücks 2, das die andere Elektrode des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 ist, mittels eines Schweißdrahts, einer Schaltung in einer Schweißleistungsversorgung od. dgl. zu verhindern.
Es wird im folgenden der Betrieb des wie oben erwähnt aufgebauten Schweißroboters erklärt. Zunächst werden anhand der Fig. 4 und 5 die als Referenz für die Positionsbeziehung zwischen dem Brenner 13 und dem Werkstück 2 dienenden Koordinatensysteme definiert.
Fig. 4 zeigt das erste Koordinatensystem 3 (das im folgenden als "Brennerkoordinatensystem" bezeichnet wird), und zwar auf den Brenner, der an dem Roboterarm 1 befestigt ist, festgelegt. In dem ersten Koordinatensystem 3 wird ein Wirkpunkt an dem spitzen Ende des Brenners 13 als Ursprungspunkt Ot des ersten Koordinatensystems (im folgenden bezeichnet als "Brennerursprungspunkt Ot") verwendet, und die Mittenachse des Brenners 13 wird als Xt-Achse verwendet. Die positive Richtung der Xt-Achse ist in Fig. 4 mit dem Pfeil bezeichnet. Ferner ist eine zu der Xt-Achse orthogonale Linie auf einer die Xt-Achse und die Rotationsmittenachse TW einer Schwenkwelle an dem Distalende des Rotorarms 1 beinhaltenden Ebene als Zt-Achse festgelegt. Die positive Richtung der Zt-Achse ist in Fig. 4 in dem in gestrichelten Linien gezeichneten Pfeil gegeben, der als Senkrechte gezeichnet ist, die von der Rotationsachse TW zu einem auf dem Brenner 13 festgelegten Punkt P verschoben werden. Ferner ist die zu der Xt- und der Zt-Achse orthogonale Richtung, die ein rechtshändiges System bilden, als Yt-Achse definiert.
Desweiteren zeigt Fig. 5 das zweite Koordinatensystem (das im folgenden als "Werkstückkoordinatensystem" bezeichnet ist) 4, das auf dem objektiven Werkstück 2 festgelegt ist. In einem Zustand, in dem der Roboterarm 1 in der Nähe einer Schweißlinie auf dem Werkstück 2 angeordnet ist, ist der Kreuzpunkt zwischen der Schweißlinie und einer sich zu der Schweißlinie von einem Punkt Q, an dem eine Erstreckung der Xt- Achse des oben erwähnten Brennerkoordinatensystem 3 das Werkstück kreuzt, erstrekkenden Senkrechten als Ursprungspunkt Ow des zweiten Koordinatensystems (im folgenden als "Werkstückursprungspunkt Ow" bezeichnet) verwendet. Die Richtung der Schweißlinie von dem Ursprungspunkt Ow wird als Yw-Achse verwendet, und die den Kehlwinkel des Werkstücks zweiteilende Richtung, orthogonal zu Yw, wird als Xw-Achse verwendet. In dieser Phase kann die positive Richtung der Yw-Achse in jeder von beiden Richtungen gewählt werden, die positive Richtung der Xw-Achse ist jedoch so festgelegt, daß sie sich von dem Werkstückursprungspunkt zu der Hinterseitenoberfläche des Werkstücks 2 erstreckt. Die verbleibende Zw-Achse ist orthogonal zu der Xw- und der Yw-Achse und erstreckt sich in einer ein rechtshändiges System bildenden Richtung.
Zunächst verwendet der Kapazitätstyp-Abstandssensor 5 die Tatsache, daß die Kapazität zwischen zwei Elektroden umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen gegenüberliegenden Elektroden ist, und eine in dem Sensor inbegriffene Elektrode wird als eine der gegenüberliegenden Elektroden verwendet, während ein selbst zu vermessendes Objekt als die andere davon verwendet wird, zwischen denen eine Potentialdifferenz gegeben ist, um eine Schaltung zum Messen der Kapazität zwischen den gegenüberliegenden Elektroden zu bilden, wodurch es möglich ist, den Abstand zwischen den gegenüberliegenden Elektroden oder den Abstand zwischen dem Kapazitätstyp- Abstandssensor 5 und dem Werkstück 2 indirekt einzustellen.
Die von dem Kapazitättyp-Abstandssensor 5 gemessenen Abstandsdaten und die von der Rotationsphasenerfassungseinrichtung 7 erhaltenen Phasendaten werden zu der Signalwellenformverarbeitungseinrichtung 8 geliefert, um in Abstandsdaten und Phasendaten für jeden Merkmalpunkt verarbeitet zu werden, die dann zu der Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung 9 zum Berechnen der Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 geliefert werden. Der Betrieb der Signalwellenformverarbeitungseinrichtung 8 und der Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung 9 werden später im einzelnen ausgeführt.
Die von der Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung 9 berechnete Positionsbeziehung wird zu der Wunschbewegungspositionserfassungseinrichtung 14 zusammen mit der zuvor in der Positionsbeziehungseinstell- und -speichereinrichtung 10 gespeicherten Referenzpositionsbeziehung geliefert, um eine in dem Brennerkoordinatensystem 3 angegebene Wunschbewegungsposition zu berechnen, um die berechnete Positionsbeziehung der zuvor eingestellten und gespeicherten Referenzpositionsbeziehung gleich zu machen. Die in dem Brennerkoordinatensystem 3 angegebene Wunschbewegungsposition wird zu dem ersten Koordinatenumwandlungsteil 17 zusammen mit der Momentanposition des ersten Koordinatensystems 3, angegeben durch ein orthogonales Koordinatensystem, das durch den dritten Koordinatenumwandlungsteil 16 berechnet ist, geliefert, und zwar unter Verwendung der in der Momentanpositionsmanagingeinrichtung 15 gespeicherten Momentanachsenpositionen, und wird dann in eine in dem orthogonalen Koordinatensystem angegebene Wunschbewegungsposition umgewandelt. Dann wird sie zu dem zweiten Koordinatenumwandlungsteil 18 geliefert, um weiter in eine in einem Verbindungskoordinatensystem angegebene Wunschbewegungsposition umgewandelt zu werden. Diese in dem Verbindungskoordinatensystem angegebene Wunschbewegungsposition wird zu dem Servosteuerungsteil 19 zum gleichzeitigen Steuern des Roboterarms 1 bezüglich der Achsen geliefert.
Das heißt, daß die Wunschbewegungsposition verglichen wird mit den Momentanachsenpositionsdaten aus der oben erwähnten Momentanpositionsmanagingeinrichtung 15, und Motorrotationsbefehle werden an den in dem Roboterarm 1 eingebauten Motor 20 geliefert. Der an dem Motor 20 befestigte Codierer 21 liefert Rückkopplungsdaten an den Servosteuerungsteil 19, um ein Servosystem zu bilden, und ferner gibt es eine Lieferung an die Momentanpositionsmanagingeinrichtung 15, um zum Updaten oder Aktualisieren der Momentanposition verwendet zu werden.
Im folgenden wird ein spezifisches Verfahren zum Berechnen der Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 unter Verwendung der Signalwellenformverarbeitungseinrichtung 8 und der Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung 9 anhand der Zeichnungen erklärt.
Zunächst ist Fig. 6 eine typische Ansicht für den Fall, daß das Brennerkoordinatensystem 3 mit dem Werkstückkoordinatensystem 4 übereinstimmt. In Fig. 6 ist zu sehen, daß der Kapazitätstyp-Abstandssensor 5 den Abstand zu dem Werkstück in der Xt- Axialrichtung mißt, d.h. sukzessive die Längen mehrerer Pfeile parallel zur Xt-Achse, wie in der Figur gezeigt, mißt, während der Kapazitätstyp-Abstandssensor 5 um die Xt- Achsen als Rotationsmittenachse durch die Rotations- und Verschiebeeinrichtung 6 (die in Fig. 6 nicht gezeigt ist) rotiert wird, und zwar im Gegenuhrzeigersinn wie mit den in gestrichelten Linien gezeigten Pfeil angegeben. Während dieser Zeitspanne kann die Rotationsphase des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 gleichzeitig von der Rotationsphasenerfassungseinrichtung 7 erfaßt werden, und dementsprechend wird eine in Fig. 7 mit einer durchgezogenen Linie gezeigte Signalwellenform erhalten. Die Ordinate zeigt den von dem Kapazitätstyp-Abstandssensor gemessenen Abstand zu dem Werkstück 2, und die Abszisse zeigt die Rotationsphase während der Messung.
Wie in Fig. 7 gezeigt, zeigt die Signalwellenform, die die Beziehung zwischen der Rotationsphase und dem Abstand angibt, theoretisch eine Form, bei der eine Sinuswelle bei eder Halbperiode zurückgefaltet ist. Da jedoch der Kapazitätstyp-Abstandssensor 5 einen aus dem Gesamtwert der Kapazitäten zwischen dem zu messenden Objekt (Werkstück 2) und der Sensorelektrode erhaltenen gemittelten Abstand mißt und das Werkstück nicht als Punkt sondern als Oberfläche erfaßt, ähnelt die tatsächlich erhaltene Signalwellenform einer Sinuswelle mit zwei Perioden pro Umdrehung und ohne Diskontinuitätspunkte, wie in Fig. 7 gestrichelt gezeichnet. Wenn nicht anders angegeben, bezieht sich die Erklärung in der folgenden Beschreibung auf die theoretische Signalwellenform, die in Fig. 7 mit der durchgezogenen Linie angegeben ist.
Die Signalwellenform variiert abhängig von der Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 und dementsprechend kann die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 durch Erfassen der Variation in der Signalwellenform erkannt werden.
Um die Variation in der Signalwellenform zu kennen, ist es bequem ein Verfahren zu verwenden, bei dem ein Merkmalpunkt aus der Signalwellenform extrahiert wird und dann die Variation in der Signalwellenform, d.h. die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4, aus den Daten bei jedem Merkmalpunkt zu analysieren. Insbesondere, weil unter Verwendung eines Extremalpunkts in der Signalwellenform eine Verarbeitung bei hoher Geschwindigkeit möglich ist, wird aus der Signalwellenformverarbeitungseinrichtung 8 ein Extremalpunkt in der in Fig. 7 gezeigten Wellenform extrahiert, und die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 wird berechnet aus den so erhaltenen Extremalpunkt in der Wellenform betreffenden Daten, und zwar durch die Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung 9.
Natürlich enthält die Signalwellenform Rauschen, und dementsprechend werden, wenn die Differenz zwischen den Werten aufeinanderfolgender zwei Extremalpunkte geringer als ein vorbestimmter Wert ist und die Differenz zwischen den Phasen an den beiden Extremalpunkten geringer als ein vorbestimmter Wert ist, diese Extremalpunkte nich als Merkmalpunkte extrahiert, um eine durch Rauschen fehlerhafte Extraktion von Extremalpunkten zu verhindern. Da ferner, wie oben erwähnt, der Kapazitätstyp- Abstandssensor verwendet wird, ist in der Signalwellenform inhärent kein Diskontinuitätspunkt vorhanden, und dementsprechend wird, wenn der Extremalpunkt ein Diskontinuitätspunkt ist, der Punkt als Rauschen bzw. Störung betrachtet und daher ausgeschlossen.
Wie in Fig. 6 deutlich gezeigt, liegen lokale Minimalpunkte in Positionen, bei denen die linke und die rechte Innenoberfläche der Verbindung des Werkstücks 2 die Xt- Zt-Ebene kreuzt. Diese linken und rechten Lokalminimalpunkte sind bezeichnet als LB bzw. RB (wenn die beiden Koordinatensysteme übereinstimmen, wie in Fig. 7 gezeigt, sind diese Punkte bezeichnet als LBO bzw. RBO). Ferner liegen lokale Maximalpunkte vorne und hinten auf der Schweißlinie an dem Werkstück 2 in der Vorwärtsrichtung, und diese Vorder- und Hinterlokalmaximalpunkte sind bezeichnet als FP, BP (in Fig. 7 sind sie bezeichnet als FPO, BPO).
Aus Fig. 7 ergibt sich, daß, wenn das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 übereinstimmen, die Lokalminimalpunkte RBO, LBO und die lokalen Maximalpunkte FPO, BPO jeweils gleiche Werte haben und die Phasen an diesen vier Extremalpunkten eine Umdrehung in vier gleiche Teile einteilen. Da ferner die Referenzposition der Rotationsphase in der positiven Richtung der Yt-Achse festgelegt ist, stimmt die Phase des Punkts FPO mit der Referenzposition der Phase überein.
Desweiteren zeigt Fig. 8 den Zustand, daß das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander um einen Abstand X in der Xt- Axialrichtung verschoben sind, und ferner ist Fig. 8 ein der in Fig. 6 gezeigten typischen Ansicht in der Yw-Axialrichtung entsprechende Ansicht. Ferner ist eine in diesem Zustand erhaltene Signalwellenform in Fig. 9 mit einer durchgezogenen Linie angegeben. In diesem Zustand erhaltene Extremalpunkte sind bezeichnet als FP1, BP1, RB1, LB1. Ferner ist eine in Fig. 9 gestrichelt gezeichnete Wellenform die in Fig. 7 für den Fall gezeigte Wellenform, daß das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 übereinstimmen.
Wie aus Fig. 9 deutlich zu verstehen, kann die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4, wobei die Wellenformen in ihrer Gänze vertikal verschoben ist, wenn das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander in der Xt-Axialrichtung verschoben sind, durch Vergleichen des Mittelwerts der Punkte FP1, BP1, die lokale Maximalpunkte in der Wellenform sind, mit dem Mittelwert der Punkte FPO, BPO in dem Fall erhalten werden, daß das Brennerkoordinatensystem 3 mit dem Werkstückkoordinatensystem 4 übereinstimmt.
Fig. 10 zeigt den Zustand, daß das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander um die Zt-Achse um einen Winkel γ verschoben sind (d.h. geneigt). Fig. 10 entspricht der in Fig. 6 gegebenen typischen Ansicht in der Zw-Axialrichtung. Eine in diesem Zustand erhaltene Signalwellenform ist in Fig. 11 mit einer durchgezogenen Linie angezeigt. Extremalpunkte in diesem Zustand sind bezeichnet als FP2, BP2, RB2 bzw. LB2. Ferner ist eine gestrichelt in Fig. 11 angezeigte Wellenform die in Fig. 7 für den Fall gezeigte Wellenform, daß das Brennerkoordinatensystem 3 mit dem Werkstückkoordinatensystem 4 übereinstimmt.
Wie aus Fig. 11 deutlich zu verstehen, besteht zwischen den Punkten FP2, BP2, die die Extremalpunkte in der Wellenform sind ein Unterschied, wenn das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander um die Zt- Achse verschoben sind. Da der Radius des Rotationsrasterns bereits bekannt ist, kann die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 um die Zt-Achse berechnet werden aus der Differenz zwischen den Punkten FP2, BP2 und dem Rotationsradius.
Fig. 12 zeigt den Zustand, daß das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander um einen Abstand Z in der Zt-Axialrichtung verschoben sind. Fig. 12 entspricht der in Fig. 6 gegebenen typischen Ansicht in der Yw- Axialrichtung, ähnlich Fig. 8, und eine in diesem Zustand erhaltene Signalwellenform ist in Fig. 13 mit durchgezogener Linie angezeigt. In diesem Zustand erhaltene Extremalpunkte sind bezeichnet als FP3, BP3, RB3 bzw. LB3. Es ist festzustellen, daß die in Fig. 13 gezeigte Signalwellenform die durch tatsächliche Messung unter Verwendung des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 erhaltene ist, und eine mit gestrichelter Linie angezeigte Wellenform ist eine Signalwellenform in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem 3 mit dem Werkstückkoordinatensystem 4 übereinstimmt, und beide sind gleichermaßen erhalten durch tatsächliche Messung unter Verwendung des Kapazitätstyp- Abstandssensors 5.
Wie aus Fig. 13 klar zu verstehen, besteht zwischen den Werten der lokalen Minimalpunkte LB3, RB3 an der linken und der rechten Oberfläche des Werkstücks 2 ein Unterschied, wenn das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander in der Zt-Axialrichtung verschoben sind, und es besteht ferner ein Unterschied zwischen der Phase, mit dem die rechte Innenoberfläche abgerastert wird, d.h. der Differenz RH3 zwischen dem Phasenwert des lokalen Maximalpunkts FP3 und dem Phasenwert des lokalen Maximalpunkts BP3, und der Phase, mit dem die linke Innenoberfläche abgerastert wird, d.h. der Differenz LH3 zwischen dem Phasenwert des lokalen Maximalpunkts FP3, und dem Phasenwert des lokalen Maximalpunkts BP3. Es ist festzustellen, daß der lokale Maximalpunkt FP3' erhalten wird durch Messen der Position desselben als derjenigen des lokalen Maximalpunkts FP3 eine Umdrehung zuvor.
Obwohl wie oben erwähnt die Verschiebung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 in der Zt-Axialrichtung berechnet werden kann unter Verwendung entweder der Differenz zwischen zwei lokalen Minimalpunkten oder der Phasendifferenz zwischen zwei lokalen Maximalpunkten, wie oben erwähnt, weil keine Diskontinuitätspunkte an den lokalen Maximalpunkten in der tatsächlichen von dem Kapazitätstyp-Abstandssensor 5 gemessenen Signalwellenform, wie in Fig. 13 gezeigt, anwesend sind, ist die Erfassungsgenauigkeit bei dem die Phase verwendenden Berechnungsverfahren schlechter. Erfindungsgemäß wird die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 in der Zt-Axialrichtung unter Verwendung der Differenz zwischen den Werten der lokalen Minimalpunkte RB3, LB3 berechnet.
Fig. 14 zeigt den Zustand, daß das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander um die Yt-Achse um einen Winkel β verschoben (oder geneigt) sind.
Fig. 14 entspricht der typischen Ansicht in Fig. 6 in der Yt-Axialrichtung, ähnlich den Fig. 8 und 10.
Eine in diesem Zustand erhaltene Signalwellenform ist in Fig. 15 mit einer durchgezogenen Linie angezeigt. In diesem Zustand erhaltene Extremalpunkte sind bezeichnet als FP4, BP4, RB4 bzw. LB4.
Es ist festzustellen, daß die in Fig. 15 gezeigte Signalwellenform auch durch tatsächliche Messung unter Verwendung des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 erhalten ist, ähnlich der in Fig. 13 gezeigten.
Die Resultate der oben erklärten Berechnung der Positionsbeziehungen können in ähnlicher Weise unter Verwendung eines der beiden Kanäle des Kapazitätstyp- Abstandssensors 5 erhalten werden. Wie jedoch aus dem Vergleich zwischen Fig. 15 und 13 klar wird, können die gleichen Wellenformen erhalten werden in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 5 gegeneinander um die Yt-Achse um einen Winkel β verschoben sind und in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander um die Zt-Axialrichtung um einen Abstand Z verschoben sind. Dementsprechend ist in dieser Situation, so wie sie ist, die Unterscheidung zwischen dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander um die Yt- Achse verschoben sind, und dem Fall, daß beide Systeme 3, 4 gegeneinander in der Zt- Axialrichtung verschoben sind, nicht möglich. Um diese beiden Fälle voneinander zu unterscheiden, werden die beiden Kanäle des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 verwendet.
Die Fig. 16(A) und (B) sind Ansichten zur Erklärung eines Berechnungsverfahrens für den Fall, daß das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 um die Yt-Achse um einen Winkel β geneigt sind, und zwar unter Verwendung dieses Zweikanal-Kapazitätstyp-Abstandssensors 5. Da, wie oben erwähnt, der Kapazitätstyp-Abstandssensor 5 einen Abstand aus dem Gesamtwert der Kapazitäten zwischen dem zu vermessenden Objekt und der Sensorelektrode ermittelt, ist der tatsächlich gemessene Abstand ein Abstand in der Xw-Axialrichtung, und dementsprechend messen die beiden Kanäle des Kapazitätstyp-Abstandssensor 5 die Abstände zwischen einem in der Figur mit einer durchgezogenen Linie angegebenen Pfeil bzw. einem mit einer gestrichelten Linie angegebenen Pfeil.
Der Abstand SZ zwischen dem durchgezogenen Pfeil und dem gestrichelten Pfeil in der Zw-Axialrichtung variiert abhängig von dem Winkel β, wie aus den Fig. 6(A) und (B) (richtig 16(A) und 16(B)) klar ist, und kann daher in der Weise erhalten werden, daß der Kapazitätstyp-Abstandssensor 5 rotiert und verschoben wird, und Verschiebungen in der Zt-Axialrichtung werden jeweils für die beiden Kanäle berechnet, um die Differenz zwischen den entsprechenden Resultaten der Berechnung zu erzielen.
Fig. 16(B) ist eine vergrößerte Ansicht des Elektrodenteils des Kapazitätstyp- Abstandssensors 5, der in Fig. 16(A) gezeigt ist. Anhand Fig. 16(B) ist zu sehen, daß die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 23 den Abstand von Punkten S1, S2 zu dem Werkstück 2 messen, wie in der Figur gezeigt, wobei diese Punkte S1, S2 voneinander um einen Abstand SX in einer Xt'-Axialrichtung, die zu der Xt-Achse parallel ist, beabstandet sind. Wenn der Schnittpunkt zwischen einer von dem Punkt S1 in der Xt'- Axialrichtung gezogenen Linie und dem gestrichelten Pfeil, der den von der zweiten Elektrode 23 gemessenen Abstand anzeigt, als S' bezeichnet wird, kann der Winkel β, d.h. die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 um die Yt-Achse (d.h. die Neigung des Kapazitätstyp- Abstandssensors 5) erhalten werden durch Berechnen der inversen Sinusfunktion der Division von SX durch SZ, weil β der Winkel S1, S2, S' des rechtwinkligen Dreiecks S1, S2, S' ist.
Schließlich ist eine Signalwellenform in Fig. 17 mit durchgezogener Linie gezeigt, die erhalten wird, wenn das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander um einen Winkel α um die Xt-Achse verschoben sind. In diesem Zustand erhaltene Extremalpunkte sind bezeichnet als FP5, BP5, RB5 bzw. LB5. Ferner ist mit einer gestrichelten Linie die in dem Fall erhaltene Signalwellenform angegeben, daß das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 übereinstimmen.
Wie aus Fig. 17 deutlich zu verstehen, sind die Phasen an den Punkten FP5, BP5, die lokale Maximalpunkte in der Wellenform sind, und an den Punkten RB5, LB5, die lokale Minimalpunkte sind, bezüglich der Referenzposition als Ganzes verschoben wenn das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander um die Xt-Achse verschoben sind.
Fig. 18 ist eine Ansicht, die zeigt, daß die Phasen an den Extremalpunkten FP, BP, LB, RB in dem Fall, daß das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander in sowohl der Xt-Axial- als auch der Zt-Axialrichtung verschoben sind und ferner um die Xt-Achse, Yt-Achse und Zt-Achse, auf der Rotations- und Rasterbahn des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 gegeben sind. In diesem Fall ist die zu erhaltende Positionsbeziehung der Verschiebungswert um die Xt-Achse, d.h. der Winkel α zwischen der Schweißlinie Yw und der Yt-Achse.
Wenn, wie oben erwähnt, der Verschiebungswert α um die Xt-Achse erhalten werden kann, kann die Positionsbeziehung um die Xt-Achse allein berechnet werden, unabhängig von der Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4.
In Fig. 18 sind die sich zwischen den lokalen Minimalpunkten RB, LB erstreckende und mit der gestrichelten Linie in der Figur angegebene gerade Linie und die sich zwischen den Punkten FP, BP erstreckende gerade Linie, d.h. die Yw-Achse, immer orthogonal aufeinander auf der Rotations- und Rasterbahnebene, und diese Tatsache ist zu verstehen aus der Betrachtung der Form des Werkstücks und der Definition der Koordinatensysteme sowie aus der geometrischen Betrachtung der Rotations- und Rasterbahn.
Dementsprechend kann der Winkel α berechnet werden in einer Richtung, die durch den Mittelwert B zwischen der Phase an dem Punkt RB bezüglich der Referenzposition und der Phase an dem Punkt LB bezüglich der Referenzposition gegeben ist, oder in einer Richtung, die orthogonal zu einer durch den Mittelwert P zwischen der Phase an dem Punkt FP bezüglich der Referenzposition und der Phase an dem Punkt BP bezüglich der Referenzposition gegebenen Richtung ist, und mit diesem Berechnungsverfahren kann in einfacher Weise die Positionsbeziehung um die Xt-Achse berechnet werden.
Mit der oben erwähnten Operation können von sechs Komponenten, die die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 geben, fünf Komponenten leicht berechnet werden durch Rotieren und Verschieben des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5.
Wie oben bereits erwähnt, kann durch Bewegen des Roboterarms 1 in solcher Weise, daß die so berechnete Positionsbeziehung mit einer zuvor eingestellten und im Speicher gespeicherten Wunschpositionsbeziehung übereinstimmt, das Werkstück, dessen Richtung und Position beide unbekannt sind, automatisch erfaßt werden, und der Roboterarm 1 oder der Brenner 13 können in einer Wunschzielposition oder -brennerlage positioniert werden.
Bezüglich der Positionsbeziehung in der Yt-Axialrichtung oder Positionsbeziehung der Schweißlinie als verbleibender einer Komponente, die die Positionsbeziehung ergibt, ist es ausreichend, immer Null für die Erfassung des Startpunkts einzustellen, und wenn ein anderer Wert als Null gegeben ist, wird der Roboterarm 1 zu einer aus der Momentanposition in der Richtung der Schweißlinie verschobenen Position bewegt. Durch Wiederholung dieser Prozedur wird die oben erwähnte Operation sukzessive so ausgeführt, daß der Roboterarm 1 so bewegt werden kann, daß er automatisch der Schweißlinie in der Spur folgt, während eine Wunschzielposition und Brennerlage aufrechterhalten werden.
Dies bedeutet, daß die Komponente in der Yt-Axialrichtung unter den sechs die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 angebenden Komponenten eine Variable ist, die die Richtung und die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Spurführung bezüglich der Schweißlinie stattfindet. Durch Veränderung dieses Werts mit den Befehlen des Bedieners des Roboters können die Richtung der Schweißlinie und die Schweißgeschwindigkeit nach Wunsch gewählt oder eingestellt werden.
Wenn ferner die Krümmung der Schweißlinie, die Betriebsgeschwindigkeit der Wellen der Roboterarme und dgl. aus der Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 berechnet werden, die erhalten worden ist durch das oben erwähnte Berechnungsverfahren, so daß der Wert der Komponente in der Yt-Axialrichtung abhängig davon erhöht oder erniedrigt wird, kann die Schweißgeschwindigkeit optimal je nach Gelegenheit eingestellt werden.
Jedoch tritt in dem Fall, daß der Roboterarm kontinuierlich unter Spurführung der Schweißlinie betrieben wird, in dem Resultat der Berechnung der Positionsbeziehung nach dem oben erwähnten Berechnungsverfahren ein Fehler auf. Dies wird dadurch verursacht, daß das oben erwähnte Berechnungsverfahren durch die Schätzung durchgeführt wird, daß der Roboterarm stationär ist, oder genauer, daß die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 nicht innerhalb einer Rotationsrasterzeit des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 variiert. Um so größer die Geschwindigkeit ist, mit der die Spurführung der Schweißlinie stattfindet, um so größer ist die Differenz zwischen diesem Schätzzustand und dem tatsächlichen Zustand, und dementsprechend nimmt der Fehler zu. Diese Tatsache verursacht eine Einschränkung der zulässigen Geschwindigkeit der Spurführung der Schweißlinie.
Um diesen Fehler zu vermindern, ist es wirksam, die Rotations- und Rasterperiode des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 so zu verkürzen, daß die Zeit pro Umdrehungsrasterung verkürzt wird, damit der kontinuierliche Betrieb des Roboterarms vernachlässigbar wird. Tatsächlich haben jedoch die Ansprechfrequenz des Kapazitätstyp- Abstandssensors 5 und verschiedene Prozeßzeiten Grenzen, und ferner hat auch die realisierbare Rotations- und Rasterperiode eine Grenze.
Somit kann erfindungsgemäß dieser Fehler reduziert werden durch hypothetisches Erzeugen eines Zustands, in dem die Positionsbeziehung stationär ist, und zwar aus tatsächlichen Daten in dem Zustand, daß die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 innerhalb einer Rotations- und Rasterzeit des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 variiert, und es wird anhand der Zeichnungen ein spezifisches Verfahren dazu erklärt.
In Fig. 19 ist mit einer durchgezogenen Linie eine in dem Fall erhaltene Signalwellenform angegeben daß der Roboterarm mit konstanter Geschwindigkeit in der Xt- Axialrichtung aus dem Zustand in dem das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 gegeneinander in der Xt-Axialrichtung verschoben sind, in den Zustand, in dem beide Koordinatensysteme übereinstimmen, bewegt wird, und zwar während einer Umdrehungsrasterung des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5, und Extremalpunkte in diesem Zustand sind bezeichnet als FP6, RB6, BP6 bzw. LB6.
Ferner ist mit einer gestrichelten Linie eine Signalwellenform angegeben für den Fall, daß der Übergang durchgeführt wird, während ein Zustand, in dem das Brennerkoordinatensystem 3 und das Werkstückkoordinatensystem 4 übereinstimmen, wie er ist, aufrechterhalten wird, und Extremalpunkte in diesem Fall sind bezeichnet als FP0, RB0, BP0 bzw. LB0.
Dann wird die Differenz zwischen dem Wert eines lokalen Maximalpunkts FP6 und dem Wert des gleichen lokalen Maximalpunkts FP6' eine Umdrehung zuvor dividiert durch eine Phasendifferenz PH6 zwischen beiden Extremalpunkten, um eine Verschiebung DDXt pro Einheitsphase zu erhalten, und DDXt wird mit den Phasendifferenzen zwischen dem Punkt FP6 und den anderen Punkten RB6, BP6, LB6 multipliziert, die zwischen den lokalen Maximalpunkten gelegen sind, um Kompensationswerte für diese Extremalpunkte zu erhalten. Dementsprechend wird die Kompensierung für die entsprechenden Werte durchgeführt.
Ferner werden unter Verwendung einer Verschiebung Xt in der Xt-Axialrichtung pro einer Umdrehungsrasterung, aus der oben erwähnten Verschiebung DDXt pro Einheitsphase erhalten, Kompensationswerte für die Phasen der lokalen Punkte PB6, LB6 berechnet, und diese Phasen werden kompensiert.
Somit kann ein Fehler kompensiert werden, der verursacht wird durch Bewegen des Roboterarms in der Xt-Axialrichtung während einer Umdrehungsrasterung des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5.
Dementsprechend wird in dem Fall, daß der Roboterarm mit konstanter Geschwindigkeit in der Zt-Axialrichtung während einer Umdrehungsrasterung des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 bewegt wird, unter Verwendung der Tatsache, daß eine sich zwischen den lokalen Minimalpunkten RB, LB erstreckende gerade Linie und eine sich zwischen den lokalen Maximalpunkten FP, BP erstreckende gerade Linie orthogonal zueinander sind, wie anhand Fig. 18 erklärt, eine Verschiebung in der Zt-Axialrichtung während einer Umdrehungsrasterung erhalten, und dementsprechend können die Phasen an den Extremalpunkten unter Verwendung der so erhaltenen Verschiebung kompensiert werden.
Das heißt, daß in dem Fall, daß der Roboterarm in der Zt-Axialrichtung während einer Umdrehungsrasterung bewegt wird, die sich zwischen den oben erwähnten lokalen Minimalpunkten RB, LB erstreckende gerade Linie nicht orthogonal zu der sich zwischen den lokalen Maximalpunkten FP, BP erstreckenden geraden Linie wird. Dementsprechend wird eine Verschiebung in der Zt-Axialrichtung pro Umdrehungsrasterung erhalten aus einer Differenz zwischen einem durch beide gerade Linien definierten Winkel und einem rechten Winkel und einem Rotationsrasterradius, und unter Verwendung der so erhaltenen Verschiebung werden Kompensationswerte für Phasen an den Extremalpunkten berechnet, ähnlich dem Fall, bei dem der Roboterarm in der Xt-Axialrichtung bewegt wird, wodurch es ermöglicht wird, die entsprechenden Phasen zu kompensieren.
Somit kann ein Fehler kompensiert werden, der durch die Bewegung des Roboterarms in der Zt-Axialrichtung während einer Umdrehungsrasterung des Kapazitätstyp- Abstandssensors 5 verursacht wird.
In dem Fall, daß der Roboterarm bewegt wird, während der Arm tatächlich der Schweißlinie in der Spur folgt, ist die Bewegung des Roboterarms während einer Umdrehungsrasterung des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 nicht immer konstant. Da jedoch die Rotations- und Rasterperiode des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 kurz ist und da eine Umdrehungszeit sehr kurz ist, treten keine praktischen Probleme auf, wenn die Kompensation unter der Annahme durchgeführt wird, daß der Roboterarm mit konstanter Geschwindigkeit während einer Umdrehungsrasterung bewegt wird.
Wie oben erwähnt, kann die Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung 9 präzise die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 berechnen.
Der Vergleich zwischen der Lehrzeit des Schweißroboters nach dieser Erfindung und der eines konventionellen Verfahrens unter Verwendung einer Manipulationsbox ist gezeigt in Tabelle 1. Tabelle 1
Die Lehrarbeit wurde durchgeführt für ein in Fig. 2 (richtig: Fig. 20) gezeigtes Werkstück unter Verwendung von Kreismarkierungen als Lehrpunkte. Bei dieser Lehrarbeit wurde festgelegt, daß der Brennerwinkel bezüglich einer horizontalen Ebene auf 45º eingestellt wurde, und der Vor- oder Rückwinkel bezüglich der Schweißlinie wurde auf Null eingestellt. Die Anzahl von Lehrpunkten war 22, und die Schweißlänge war dabei 810 mm.
Wie aus Tabelle 1 klar wird, kann die Lehrzeit mit der Verwendung des erfindungsgemäßen Schweißroboters um ungefähr 30% im Vergleich zu der des konventionellen Verfahrens reduziert werden (richtig: auf etwa 30%). Ferner kann selbst ein Anfänger eine Lehrarbeit in einer im wesentlichen der eines qualifizierten Arbeiters gleichen Zeit durchführen, unabhängig von der Qualifikation des Arbeiters. In Anbetracht dieser Tatsache ist es möglich, hervorragende technische Wirkungen und Vorteile zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird, wie oben erwähnt, der Kapazitätstyp-Abstandssensor 5 rotiert und verschoben durch die Rotations- und Verschiebeeinrichtung 6, ein Merkmalpunkt aus einer Signalwellenform durch die Signalwellenformverarbeitungseinrichtung 8 extrahiert unter Verwendung von Abstandsdaten zu dem objektiven Werkstück 2 und Rotationsphasendaten, die Positionsbeziehung zwischen dem Brennerkoordinatensystem 3 und dem Werkstückkoordinatensystem 4 aus den Abstandsdaten und Rotationsphasendaten pro auf diese Weise extrahiertem Merkmalpunkt berechnet durch die Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung 9 und der Roboterarm bewegt die Robotersteuereinrichtung und zwar in der Weise, daß die so berechnete Positionsbeziehung mit einer zuvor eingestellten und gespeicherten Positionsbeziehung übereinstimmt. Dementsprechend kann der Roboterarm 1 oder der Brenner 13 automatisch so bewegt werden, daß er eine zuvor eingestellte und gespeicherte Positionsbeziehung aufweist, d.h. zu einer Wunschschweißbrennerposition oder -lage bewegt werden.
Obwohl eine Struktur erklärt worden ist, bei der der Kapazitätstyp- Abstandssensor 5 zuvor an der Rotations- und Verschiebeeinrichtung 6 befestigt worden ist und dementsprechend zusammen mit der Rotations- und Verschiebeeinrichtung 6 an dem Schweißbrenner 13 befestigt ist, kann erfindungsgemäß ein Teil der den Brenner 13 bildenden Elemente, etwa ein zur Rotation zusammen mit dem Elektrodenstab des Kapazitätstyp-Abstandssensors 5 ausgelegter Chip so ersetzt werden, daß ein zu dem Brenner gehörender Elektrodenstabrotationsmechanismus als Rotations- und Verschiebeeinrichtung 6 verwendet werden kann.
Obwohl die Erklärung darauf gerichtet war, daß der Codierer als Rotationsphasenerfassungseinrichtung 7 verwendet wird, kann natürlich ferner erfindungsgemäß die Rotationsphasenerfassungseinrichtung 7 auch realisiert sein durch präzises Rotieren der Rotations- und Verschiebeeinrichtung 6 zur Zeitmessung.
Obwohl sich ferner die Erklärung auf ein Kombinationsverfahren für den Fall bezog, daß der Roboterarm kontinuierlich in der Xt-Axialrichtung und der Zt-Axialrichtung bewegt wird, kann erfindungsgemäß die Kompensation für andere Positionsbeziehungen durchgeführt werden, etwa daß der Roboterarm kontinuierlich um jede der Achsen bewegt wird, und zwar mit der gleichen Überlegung, daß jeder der Extremalpunkte unter Verwendung der Differenz zwischen dem Wert eines beliebigen Extremalpunkts und dem Wert des Extremalpunkts im wesentlichen eine Umdrehung zuvor kompensiert werden kann. Obwohl ferner die oben erwähnte Kompensation, wie oben erwähnt, unter Verwendung von Verschiebungen pro Umdrehungsrasterung in verschiedenen Richtungen durchgeführt wird, wenn die durch die Schätzung, daß die Positionsbeziehung stationär ist, berechnete Positionsbeziehung von der eine Umdrehungsrasterung zuvor berechneten Positionsbeziehung subtrahiert wird, um angenähert Bewegungen pro Umdrehung zu berechnen, wird die Positionsbeziehung wieder berechnet durch Kompensieren der Werte der Extremalpunkte und der Phasen an den Punkten unter Verwendung der somit angenähert berechneten Bewegungen, und dementsprechend wird es möglich, Fehler zu reduzieren.
Ferner kann erfindungsgemäß anstelle des Kapazitätstyp-Abstandssensor ein anderer Typ eines Nichtkontaktabstandssensors verwendet werden, etwa ein Lasertypabstandssensor.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Das erfindungsgemäße Verfahren kann, wie oben erwähnt, in geeigneter Weise verwendet werden zur leichten und wirksamen Ausführung einer Lehrarbeit für ein Werkstück, das eine komplizierte Form aufweist, so daß es mehrere Lehrpunkte erfordert, oder für ein Werkstück, das mehrere Operationsprogramme erfordert wegen einer Produktion mit vielen Sorten und kleinen Mengen, und zwar mit einer hohen Genauigkeit und durch einen Arbeiter ohne Lehrqualifikation.

Claims

1. Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Roboterarms (1) mit einem Distalende, beinhaltend die Schritte:

Festlegen eines ersten Koordinatensystems (3), in dem sich das Distalende des Roboterarms bewegt;

Festlegen eines zweiten Koordinatensystems an einem zu bearbeitenden objektiven Werkstück (2);

Messen eines Abstands zu dem objektiven Werkstück mittels eines an dem Distalende des Roboterarms befestigten Nichtkontaktabstandssensors (5) zum Liefern von Abstandsdaten;

den Nichtkontaktabstandssensor (5) mittels einer Dreh- und Rastereinrichtung (6) zur Rotation und Verschiebung bringen, und zwar mit einer an dem ersten Koordinatensystem festgelegten Rotationsmittenachse;

Erfassen einer Rotationsphase des Nichtkontaktabstandssensors mittels einer Rotationsphasenerfassungseinrichtung zum Liefern von Rotationsphasendaten aus der Rotationsphasenerfassungseinrichtung;

Liefern von Abstandsdaten und Rotationsphasendaten jedes von Merkmalpunkten einer aus den Abstandsdaten und den Rotationsphasendaten erhaltenen Signalwellenform mittels einer Signalwellenformverarbeitungseinrichtung (8) zum Extrahieren der Merkmalpunkte aus der Signalwellenform;

Berechnen einer Positionsbeziehung zwischen dem ersten Koordinatensystem und dem zweiten Koordinatensystem aus einem Signal aus der Signalwellenformverarbeitungseinrichtung mittels einer Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung (9);

zuvor Festlegen und in einem Speicher Speichern einer Referenzpositionsbeziehung, die als Referenz für das erste und das zweite Koordinatensystem dient, und zwar in einem Positionsbeziehungsberechnungssystem (10);

Steuern des Roboterarms mittels einer Roboterarmsteuereinrichtung (11), um die Positionsbeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Koordinatensystem, berechnet durch die Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung, mit der zuvor festgelegten und gespeicherten Referenzpositionsbeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Koordinatensystem übereinstimmen zu lassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der aus der Signalwellenform durch die Signalwellenformverarbeitungseinrichtung extrahierte Merkmalpunkt ein Extremalpunkt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem keiner aufeinanderfolgender Extremalpunkte als Merkmalpunkt durch die Signalwellenformverarbeitungseinrichtung extrahiert wird, wenn eine Phase zwischen den beiden Extremalpunkten niedriger als ein vorbestimmter Winkel ist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zwei aufeinanderfolgende Extremalpunkte nicht als Merkmalpunkte durch die Signalwellenformverarbeitungseinrichtung extrahiert werden, wenn eine Differenz zwischen den Werten der Extremalpunkte niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Extremalpunkt nicht als Merkmalpunkt durch die Signalwellenformverarbeitungseinrichtung extrahiert wird, wenn ein von dem Nichtkontaktabstandssensor gelieferter Abstand außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung Abstandsdaten und Phasendaten an einer Mehrzahl von Merkmalpunkten zwischen einem Merkmalpunkt und einem Merkmalpunkt ungefähr eine Umdrehung des Nichtkontaktabstandssensors zuvor kompensiert unter Verwendung einer Differenz zwischen diesen beiden Merkmalpunkten und danach eine Positionsbeziehung zwischen dem ersten Koordinatensystem und dem zweiten Koordinatensystem berechnet.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung Abstandsdaten und Phasendaten an einer Mehrzahl von Merkmalpunkten in Beziehung zu einem beim letzten Mal erhaltenen Resultat einer Berechnung der Positionsbeziehung kompensiert und danach die Positionsbeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Koordinatensystem berechnet.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Positionsbeziehungsberechnungseinrichtung eine Positionsbeziehung in einer Richtung einer Schweißlinie einstellt unter Verwendung eines Resultats einer Berechnung der Positionsbeziehung zwischen dem ersten Koordinatensystem und dem zweiten Koordinatensystem.