-
Technisches Gebiet:
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
die Steuerung von Produktionssystemen, wie beispielsweise Industrieroboteranwendungen
für die
Werkstattindustrie, für
Messsysteme, chirurgische Anwendungen usw.. Die Erfindung betrifft
auch Steuereinrichtungen für
Werkzeugmaschinen.
-
Insbesondere betrifft die Erfindung
elektro-optische Messsysteme in Kombination mit der Steuerung der
betreffenden Geräte:
-
Stand der Technik:
-
Die meisten Einzelteile für das vorliegende Positionierverfahren
und die Positioniervorrichtung sind bereits bekannt, wurden jedoch
noch nicht auf die gegenständliche
Art und weise kombiniert.
-
Bekannte Produktionssysteme für Industrieroboter
werden beispielsweise auf ähnliche
Weise gesteuert wie numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen, d. h.
eine Positioniersteuereinheit empfängt Eingangsdatenwerte von
einem Steuerdatensystem, woraufhin die Steuereinheit Steuerdaten
betreffend die Positionen in drei Dimensionen, die Rotations- und
andere Bewegungsgeschwindigkeiten zum Positionierelement mit seinem
Positionierkopf sendet.
-
Diese Steuerung erfolgt vollkommen
unabhängig
von der Position eines Werkstücks.
Alle Bewegungen und Positionen des Positionierkopfs gehen von einem
Werkstück
an einem ganz bestimmten Ort und mit bestimmten Dimensionen aus.
Die Befestigung des Werkstücks
und die räumliche
Anordnung sämtlicher
Teile des Werkstücks
bestimmen mithin die für
den Arbeitsvorgang erzielten Toleranzen. So müssen beispielsweise Anpassungen
an Temperaturabweichungen, Lagerabnützungen und andere Faktoren
vorgenommen werden, die sich negativ auf den anfänglich zwischen dem Werkstück und dem
Positionierkopf festgelegten Ort auswirken. Dies stellt einen gravierenden
Nachteil gegenwärtiger
Systeme dar.
-
Im Dokument EP-A-0 402 849 wird ein
Verfahren gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
2 offenbart.
-
Gegenstand der Erfindung:
-
Der Gegenstand der Erfindung ist
die Steuerung von Robotern oder anderen Systemen, wie oben erwähnt, unter
Verwendung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, die nicht unter
den Nachteilen bestehender Systeme leiden, für unterschiedliche Aufgaben,
mit elektro-optischen Systemen, wie beispielsweise 3D-videosystemen,
Lasernachführgeräte, Interferometersysteme
usw.. Ein besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die
Steuerung eines Positionierkopfes in Bezug zu einem Werkstück.
-
Die Erfindung schlägt deshalb
ein Verfahren gemäß Anspruch
1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch
2 vor.
-
Die Steuerung wird erzielt mittels
eines zu Grunde liegenden Lokalisierungsmesssystems, als Teil der
Erfindung, welches die Bestimmung der Raumkoordinaten für Zielpunkte
mit sehr hoher Genauigkeit ermöglicht,
und das die räumliche
Anordnung anderer mechanischer Elemente, die mit einem starren,
mit Zielpunkten versehenen Körper
verbunden sind, zu berechnen vermag.
-
Ein Steuerdatensystem in der vorliegenden Erfindung
kann Verschiebungen zwischen der aktuellen Position eines Positionierkopfes
und seinem eingestellten Ort feststellen, um das Steuerprogramm zu
aktualisieren, und es kann auch den Positionierkopf wie gewünscht steuern,
um solche Verschiebungen auszugleichen.
-
Mit Aufzeichnungsvorrichtungen wird
der relative Ort zwischen dem Positionierkopf und dem Werkstück bestimmt,
welche Aufzeichnungsvorrichtungen sich beispielsweise der Photogrammetrie und/oder
der 3D-Videotechnologie bedienen können, um den Ort des Positionierkopfes
zu kalibrieren.
-
Ein Roboter des Typs, wie er in US-A-4
732 525 definiert ist, kann gemäß dem Verfahren
und unter Verwendung der Vorrichtung, wie sie in der vorliegenden
Erfindung offenbart werden, gesteuert werden.
-
Kurze Beschreibung der
Zeichnungen:
-
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen detaillierter beschrieben:
-
1 zeigt
eine Produktionspositioniereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
2 zeigt
eine für
einen Roboter vorgesehene Produktionspositioniereinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
3 ist
eine perspektivische Darstellung eines Roboters gemäß 2.
-
Beschreibung der Erfindung:
-
Die Positioniervorrichtung umfasst
einen Positionierkörper 1,
der mit einem Positionierkopf 2 ausgerüstet ist, wobei der Körper und
der Kopf so angeordnet sind, dass sie wiederholt von einer Positioniersteuereinheit 3 zu
einem optionalen Ort in einem gegebenen Arbeitsvolumen gesteuert
werden. Die Positioniervorrichtung umfasst zudem ein Steuerdatensystem 4 zur
Kommunikation mit der Positioniersteuereinheit 3. Zwischen
dem Steuerdatensystem 4 und der Positioniersteuereinheit 3 findet
eine Zweiwegkommunikation statt, wie in 1 durch die bidirektionalen Kommunikationspfeile
angezeigt.
-
Der Positionierkörper 1, der Positionierkopf 2,
die Positioniersteuereinheit 3 und das Steuerdatensystem 4 bilden
auf bekannte Art und Weise eine herkömmliche NC-Maschine oder einen
herkömmlichen
Industrieroboter.
-
Die Positioniervorrichtung gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist zudem mit einem CAD-System 5 ausgerüstet, welches
das Steuerdatensystem 4 direkt mit Steuerdaten versorgen
kann. Das Steuerdatensystem 4 kann Steuerdaten als Eingangsdaten
auch auf zahlreiche andere Wege als durch das hier gezeigte CAD-System
empfangen.
-
Ein dreidimensionales Lokalisierungsmesssystem
ist an das Steuerdatensystem 4 für eine Zweiwegkommunikation
angeschlossen, worunter zu verstehen ist, dass das System in der
Lage ist, gemessene Punkte in der Aufzeichnungsvorrichtung aufzuzeichnen
und dann durch Verarbeitung der aufgezeichneten Daten die Raumkoordinaten
der Punkte zu bestimmen. Das Lokalisierungsmesssystem wird wegen
seiner Fähigkeit
zur Aufzeichnung und Bestimmung der Position eines gemessenen Punktes im
Raum eingesetzt. Das Messsystem benötigt Zielvorrichtungen, die
auf dem Werkstück
und auf oder an einem festen Punkt in der Nähe des Positionierkopfes 2 platziert
sind, der exakt gemessen werden kann. Die Zielvorrichtungen können von
jedem beliebigen Typ sein, mit dem die Position durch eine elektro-optische
Vorrichtung bestimmt werden kann. Die Zielvorrichtungen können beispielsweise
reflektierende Zielflächen,
Leuchtdioden, Prismen, Werkzeugöffnungen,
Kugeln usw. sein. Mit Hilfe dieser Zielvorrichtungen kann das Lokalisierungsmesssystem
Raumkoordinaten für
den Ort der Zielvorrichtungen in einem gegebenen Arbeitsvolumen
aufzeichnen und berechnen, um in der Lage zu sein, diese Informationen
auf das Steuerdatensystem 4 zu übertragen, welches seinerseits
mit der Positioniersteuereinheit 3 zur Steuerung des Positionierkopfes 2 kommuniziert.
-
Eine oder mehrere Aufzeichnungsvorrichtungen 7 sind
mit dem Lokalisierungsmesssystem 6 zur Positionsbestimmung
der Raumkoordinaten der Zielvorrichtungen verbunden. Diese Aufzeichnungsvorrichtungen 7 können aus
elektro-optischen Vorrichtungen bestehen, die direkt mit dem Lokalisierungsmesssystem
zur weiteren Berechnung der Raumkoordinaten verbunden sind. Die
Aufzeichnungsvorrichtungen 7 zeichnen so den Ort der Zielvorrichtungen in
vorher festgelegten Zeitintervallen auf, um weitere Berechnung zu
ermöglichen.
Das Lokalisierungsmesssystem 6 oder das Steuerdatensystem 4 können ebenfalls
den Unterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufzeichnungs-
und Positionsbestimmungsereignissen berechnen und mit Hilfe der Positioniersteuereinheit 3 den
Positionierkopf 2 auf diesen Unterschied einstellen. Das
bedeutet, dass jede Ortsveränderung
des Werkstücks,
z. B. infolge Temperatur, im Bezug zum Ort des Positionierkopfes 2 durch
die Positioniervorrichtung in Echtzeit angepasst wird, also während ein
Arbeitsvorgang abläuft.
-
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Objektidentifikator 8 mit
der Positioniersteuereinheit 3 verbunden, um die Oberfläche des
Werkstücks
direkt zu erfassen, bevor der Positionierkopf 2 an dieser
Position ankommt, um den Positionierkopf 2 direkt über die Positioniersteuereinheit 3 auf
alle räumlichen
Abweichungen der Oberfläche einzustellen.
Der Objektidentifikator 8 ist somit ein ergänzendes
Einstellungsmittel im System.
-
Das Lokalisierungsmesssystem 6 ist
demnach ein elektrooptisches System zur Feststellung des relativen
Ortes des Positionierkopfs 2 in Bezug zu einem Werkstück oder
einem anderen Referenzkoordinatensystem.
-
Die Positioniervorrichtung bildet
auch ein Steuersystem, das den Positionierkörper und seinen Positionierkopf
mit Einstellungen für
seinen Weg versorgt und/oder das aktualisierte Positionen auf der Grundlage
vorgegebener Positionen und beobachteter Positionen direkt berechnet.
-
Das Positionierverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung kann in folgenden Schritten beschrieben werden:
-
Schritt 1: Zielvorrichtungen werden
an einem Werkstück
und/oder einer Komponente befestigt, die das Werkstück an einem
fixierten, relativen räumlichen
Ort halten.
-
Schritt 2: Die Raumkoordinaten von
diesen Zielvorrichtungen werden unter Verwendung einer Form von
Aufzeichnungsvorrichtung festgestellt. Diese Vorrichtung kann aus
der selben elektro-optischen Vorrichtung wie oben beschrieben bestehen,
oder aus einer anderen Messvorrichtung, wie etwa einem Koordinatenmessapparat,
einem Theodolit, einem Lasernachführgerät usw..
-
Schritt 3: Die Zielvorrichtungen
werden an den zu positionierenden Körpern befestigt und/oder an
Adaptern mit einem festen Bezug zu dem zu positionierenden Körper. Für einen
Bohrvorgang können die
Zielvorrichtungen beispielsweise an der Bohrspindel oder an Adaptern
mit einem festen Bezug zur Spindelhalterung befestigt werden.
-
Schritt 4: Das Verhältnis zwischen
den Zielvorrichtungen auf den Körpern,
z. B. das Ende einer Bohrspindel, oder ein zu positionierender Adapter, wird
entweder von einer externen Messvorrichtung oder durch Verwendung
des oben beschriebenen elektro-optischen Systems mit Hilfe von Spezialroutinen
bestimmt.
-
Schritt 5: Eine elektro-optische
Vorrichtung, z. B. ein 3D-Videosystem
wie in der vorliegenden Implementierung, benützt die gemäß Schritt 1 und 3 befestigten
Zielvorrichtungen zur Bestimmung des räumlichen Ortes des Positionierkopfes 2 in
einem Koordinatensystem. Andere Vorrichtungen sind jedoch ebenfalls
möglich.
Bei diesem Koordinatensystem kann es sich um ein Koordinatensystem
für eine Arbeitszelle,
ein Koordinatensystem zu einer Befestigung, ein Koordinatensystem
zu einem Objekt, d. h. das Koordinatensystem zum Werkstück in Bezug dessen
das Positioniersystem platziert werden soll, oder um ein anderes
Koordinatensystem handeln.
-
Schritt 6:
-
Verfahren 1: Schritt 6 wird an einer
Mehrzahl von Orten ausgeführt,
und Einstellungen in Form einer mittleren Differenz werden zwischen
Lokalisierungen des Positionierkopfes 2, d. h. den Positionen, in
denen der Roboter sich "vermutet", und den gemessenen
Orten berechnet. Die Einstellungen werden dazu verwendet, den Positionierkopf 2 in
dem durch diese Lokalisierungen definierten, aber nicht limitierten
Arbeitsvolumen zu steuern, um die räumlichen Orte einzustellen.
Zu diesem Zweck können
der Roboter und/oder das Maschinensteuerprogramm aktualisiert werden,
und die Einstellungswerte können
an den Roboter und/oder die Maschine gesendet werden.
-
Verfahren 2: Der Positionierkopf
wird mittels einer Rückkopplungsschleife,
in der ein wie oben beschriebenes elektro-optisches System Messungen
in Echtzeit vornimmt, um den Positionierkopf 2 zu steuern,
auf seine exakte Position gesteuert.
-
Somit werden eine Aufzeichnung, eine
Positionsbestimmung und eine Einstellung durchgeführt, d.
h. eine Koordinatenbestimmung gefolgt von einer Einstellung der
Position des Positionierkopfes 2 und des Werkstücks im Raum.
-
Das oben beschriebene Lokalisierungsmesssystem 6 kann
ein mehrköpfiges
Interferometersystem sein, das an einem festen Ort platziert ist, und
das den Produktionskopf oder, wie oben beschrieben, den Positionierkopf 2 positioniert.
-
Eine besondere Anwendung der vorliegenden
Erfindung ist in 2 dargestellt,
wo der Positionierkörper
aus einem Roboter 11 des in dem in der Einleitung erwähnten US-A-4 732 525 beschriebenen
Typs besteht. Im übrigen
sind die positioniervorrichtung und das Positionierverfahren mit
den oben beschriebenen identisch. Der in 2 dargestellte Roboter 11 mit
seinem Roboterpositionierkopf 12 bildet in Kombination
mit der vorliegenden Erfindung ein Robotersteuersystem hoher Präzision.
-
Der Roboter 11, vgl. 3, der in 2 als Positionierkörper verwendet wird, umfasst
drei Stellglieder 21, jedes in Form eines Kolbens 22,
der in einem Zylinder 23 verschoben wird. Der Kolben 22 wird im
Zylinder 23 mit konventionellen, nicht dargestellten Antriebsmitteln
verschoben, die hydraulisch oder pneumatisch sein können oder
aus einem Schrauben-Mutternmechanismus oder einem hydraulischen Fluid
bestehen können.
Jedes Zylinderende ist über ein
Gelenk 24 in einem fixierten Ständer oder Rahmen 25 gesichert.
Das Gelenk 24, welches den Zylinder 23 und den Kolben 22 in
die Lage versetzt, in alle Richtungen im Verhältnis zu dem Rahmen 25 zu schwingen,
ist hier als Kardangelenk dargestellt, kann aber aus jedem geeigneten
Typ von Universalgelenk bestehen. Jeder Kolben 22 ist über ein ähnliches
Gelenk 26 mit einem Roboterpositionierkopf 27 verbunden.
Die Stellglieder 21 sind entlang der Seitenkanten einer
gedachten, dreieckigen Pyramide angeordnet, und durch Versetzung
der Kolben 22 in Bezug auf die Zylinder 23 wird
der Roboterpositionierkopf 27 an den gewünschten
Ort versetzt, da die effektive Länge
des Stellglieds 21 den Ort des Roboterpositionierkopfes 27 eindeutig
festlegt. Der Roboter beinhaltet die oben erwähnte Positioniersteuereinheit 3,
die Signale an die Stellglieder 21 abgibt, die den Roboterpositionierkopf
veranlassen, sich an den gewünschten
Ort zu bewegen.
-
Ein Arm 28, bestehend aus
einem Stutzen 210 und einem, nicht dargestellten Schaft,
der im Stutzen 210 gelagert ist, erstreckt sich symmetrisch vom
Roboterpositionierkopf 27 zwischen den Stellgliedern 21.
Der Stutzen 210 ist starr mit dem Roboterpositionierkopf 27 verbunden
und umfasst zwei Lager, die je an einem Ende des Stutzens angeordnet
sind, in denen der Schaft drehbar gelagert ist. Ein Universalgelenk 211 ist
an dem Rahmen 25 in einem Bereich entlang der Symmetrieachse
der gedachten Pyramide befestigt. Das Universalgelenk 211 hat eine
mittlere Öffnung,
deren Querschnitt etwas größer ist
als der Außendurchmesser
des Stutzens 210. Der Stutzen 210 erstreckt sich
durch die mittlere Öffnung
des Gelenks und kann in axialer Richtung in Bezug zu dem Rahmen 25 und
dem Gelenk 24 versetzt werden und gleichzeitig in einen
optionalen Winkel in Bezug zum Rahmen 25 gestellt werden,
wodurch der Stutzen 210 radial gesteuert wird und gegen
Drehen im Gelenk 24 gesichert ist. Der Stutzen 210 ist
ausreichend lang, um immer in der mittleren Öffnung des Universalgelenks 211 innerhalb
des gesamten Bewegungsspielraums des Roboterpositionierkopfes 27 zu sein.
-
Der Stutzen 210 ist mit
einem, nicht dargestellten Drehmotor ausgestattet, dessen Drehbewegungen
dem Schaft mittels einer geeigneten Übersetzung die gewünschte Drehbewegung
ermöglichen.
-
Das durch den Roboterpositionierkopf 27 herausragende
Schaftende stützt
eine geeignete Manipulationsvorrichtung, die aus einer motorbetriebenen Greifvorrichtung 29 bestehen
kann. Die Greifbewegungen der Greifvorrichtung können mit Hilfe von Betätigungsstangen
gesteuert werden, die axial und rotierbar im Inneren des Stutzens 210 verlaufen
und sich über
das andere Ende des Stutzens 210 hinaus erstrecken und
mit geeigneten Betätigungsmitteln verbunden
sind.
-
In 3 umfasst
der Arm 28 zwischen den Stellgliedern 21 eine
Schaft- und Stutzeneinheit. Er kann aber auch aus nur einem Schaft
bestehen, der im Universalgelenk 211 und im Roboterpositionierkopf 27 gelagert
ist. Die Zahl der Stellglieder kann höher als die drei in der Zeichnung
dargestellten sein. Sie müssen
auch nicht symmetrisch um den Arm 28 herum angeordnet sein.
Der Schaft kann auch im Stutzen 210 versetzbar angeordnet
sein.