EP4313506A1 - Kraftgeregelte handhabungsvorrichtung für die robotergestützte oberflächenbearbeitung - Google Patents

Kraftgeregelte handhabungsvorrichtung für die robotergestützte oberflächenbearbeitung

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Publication number
EP4313506A1
EP4313506A1 EP22717564.3A EP22717564A EP4313506A1 EP 4313506 A1 EP4313506 A1 EP 4313506A1 EP 22717564 A EP22717564 A EP 22717564A EP 4313506 A1 EP4313506 A1 EP 4313506A1
Authority
EP
European Patent Office
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force
tool
contact
flange
manipulated variable
Prior art date
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Pending
Application number
EP22717564.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ronald Naderer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH
Original Assignee
Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH filed Critical Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH
Publication of EP4313506A1 publication Critical patent/EP4313506A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/37405—Contact detection between workpiece and tool, probe, feeler
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    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39577—Active electromechanical compliance for wrist

Definitions

  • the present invention relates to a force-controlled handling device (handling device) for automated, robot-assisted surface treatment.
  • handling devices can be used in particular as an interface between the manipulator (robot) and the machine tool.
  • a machine tool e.g., a grinder, a drill, a milling machine, a polisher, and the like
  • a manipulator such as an industrial robot.
  • the machine tool can be coupled in different ways to the so-called TCP (Tool Center Point) of the manipulator; the manipulator can usually adjust the position and orientation of the TCP practically at will in order to move a machine tool on a trajectory, e.g. parallel to a surface of a workpiece.
  • Industrial robots are usually position-controlled, which allows precise movement of the TCP along the desired trajectory.
  • the process force (eg grinding force) needs to be regulated in many applications, which is often difficult to achieve with sufficient accuracy using conventional industrial robots.
  • the large and heavy arm segments of an industrial robot have too much inertia for a controller (closed-loop controller) to react quickly enough to fluctuations in the process force.
  • a small (and light) handling device can be arranged between the TCP of the manipulator and the machine tool compared to the industrial robot, which couples the TCP of the manipulator with the machine tool.
  • the handling device comprises in particular a linear actuator and only regulates the process force (i.e.
  • the handling device can use the linear actuator to compensate for inaccuracies in the position and shape of the workpiece to be machined, as well as inaccuracies in the trajectory of the manipulator (within certain limits).
  • the quality of the process result is highly dependent on whether the process force during the treatment process also remains within a desired, specified range. For example, during a grinding process, a grinding force (process force) that is too high (even just for a short time) can severely damage or even destroy the workpiece and/or cause high repair costs.
  • the inventor has set himself the task of developing an improved handling device with force control, which makes it possible to largely ensure compliance with the specified process force.
  • An exemplary embodiment relates to a handling device (handling apparatus) with a linear actuator which acts between a first flange which can be connected to a manipulator and a second flange on which a tool or a machine tool with a tool can be mounted.
  • the linear actuator exerts a force on the second flange or an end stop according to a manipulated variable.
  • the device further comprises a force sensor, which is coupled between the second flange and the tool and is designed to measure a force exerted by the handling device on the tool when the tool contacts a surface.
  • a control unit has a status observer, which is designed to determine an estimated value for the force exerted by the handling device on the tool based on the manipulated variable.
  • the control unit is further configured to detect contact between the tool and the surface, with the manipulated variable being adjusted based on the estimated value and a setpoint as long as no contact is detected, whereas the manipulated variable is adjusted based on the measured force and the setpoint as long as a contact is detected.
  • Another embodiment relates to a method for controlling a handling device. This comprises a linear actuator which acts between a first flange which can be connected to a manipulator and a second flange on which a tool or a machine tool with a tool can be mounted.
  • the method includes activating the linear actuator with a manipulated variable, so that it exerts a force on the second flange or an end stop in accordance with the manipulated variable.
  • the method further includes detecting contact between the tool and a surface and measuring - when there is contact between the tool and a surface - a force exerted by the handling device on the tool using a force sensor which is placed between the two flanges and the tool is coupled. Furthermore, an estimated value for the force exerted by the handling device on the tool is determined based on the manipulated variable. As long as no contact is detected, the manipulated variable is adjusted based on the estimate and a target value, and as long as contact is detected, the manipulated variable is adjusted based on the measured force and the target value.
  • Figure 1 is a general example of a robotic grinding system including an industrial robot, a manipulator with force control, and a grinding machine.
  • FIG. 2 illustrates an exemplary implementation of the handling device (without the associated control unit).
  • FIG. 3 illustrates an example of a control unit for the handling device in which the force control is implemented.
  • FIG. 4 illustrates an example of a method for controlling a handling device for robot-assisted surface treatment.
  • a robot-assisted grinding device comprises a manipulator 80, for example an industrial robot, and a grinding machine 50 with a rotating grinding tool 51.
  • the grinding machine 50 is coupled to the so-called tool center point (TCP) of the manipulator 1 via a linear actuator 100 , which is commonly referred to as a handling device.
  • TCP tool center point
  • the TCP is not a point but a vector and can be described, for example, by three spatial coordinates (position) and three angles (orientation).
  • position and orientation of the TCP is sometimes referred to as a "pose".
  • the orientation of the TCP as a function of time defines the movement of the grinding tool, which is called the trajectory.
  • the center point of the robot's end effector flange is often defined as the TCP, but this is not necessarily the case.
  • the TCP can be any point (and theoretically also be outside the robot) whose position and orientation can be set by the robot.
  • the TCP can also define the origin of the tool coordinate system.
  • the manipulator In the case of an industrial robot with six degrees of freedom, the manipulator
  • the 80 can be made up of four segments 82, 83, 84 and 85, which are connected via joints Gn, G12 and G13, respectively.
  • the first segment 82 is mostly rigid with a foundation
  • Joint G11 connects segments 82 and 83.
  • Joint G11 can be 2-axis and allow segment 83 to rotate about a horizontal axis of rotation (elevation angle) and a vertical axis of rotation (azimuth angle).
  • Joint G12 connects segments 83 and 84 and allows pivotal movement of segment 84 relative to the location of segment 83.
  • Joint G13 connects segments 84 and 85. Joint G13 may be 2-axis and therefore (similar to joint Gn) allow pivotal movement in two directions.
  • the TCP has a fixed position relative to segment 85, which usually also includes a rotary joint (not shown), which enables the end effector flange 86 arranged on segment 85 to rotate about a longitudinal axis A of segment 85 (in Fig. 1 as a dot-dash line shown, also corresponds to the axis of rotation of the grinding tool in the example shown).
  • a rotary joint (not shown), which enables the end effector flange 86 arranged on segment 85 to rotate about a longitudinal axis A of segment 85 (in Fig. 1 as a dot-dash line shown, also corresponds to the axis of rotation of the grinding tool in the example shown).
  • Each axis of a joint is assigned an actuator (eg an electric motor), which can cause a rotational movement about the respective joint axis.
  • the actuators in the joints are controlled by a robot controller 70 according to a robot program.
  • Various industrial robots/manipulators and associated controls are known per se and are therefore not explained further
  • the manipulator 80 is usually position-controlled, i.e. the robot controller can determine the pose (location and orientation) of the TCP and move it along a predefined trajectory.
  • the longitudinal axis of the segment 85 on which the TCP lies is denoted by A in FIG.
  • the pose of the TCP also defines the pose of the grinding machine 50 (and also the grinding wheel 51).
  • the handling device 100 is used to set the contact force (process force) between the tool (e.g. grinding wheel 51) and the workpiece 60 to a desired value during the grinding process.
  • Direct force control by the manipulator 80 is generally too imprecise for grinding applications, since the high mass inertia of the segments 83 to 85 of the manipulator 80 means that force peaks (e.g. when the grinding tool is placed on the workpiece 60) can be quickly compensated for with conventional manipulators is practically not possible.
  • the robot controller 70 is designed to regulate the pose (position and orientation) of the TCP of the manipulator 80, while the force regulation is accomplished solely with the aid of the handling device 100 be.
  • the contact force FK between the grinding tool (grinding wheel 51 of the grinding machine 50) and the workpiece 60 can be adjusted with the aid of the handling device 100 and a force control (which can be implemented in the controller 70, for example) such that the contact force FK (in Direction of the longitudinal axis A) between the grinding wheel 51 and the workpiece 60 corresponds to a predefinable setpoint.
  • the contact force FK is a reaction to the actuator force FA, with which the handling device 100 presses on the workpiece surface. If there is no contact between workpiece 60 and tool 51, the actuator contained in handling device 100 (see also Fig.
  • the position control of the manipulator 80 (which can also be implemented in the controller 70) can work completely independently of the force control of the handling device 100.
  • the latter is not responsible for the positioning of the grinding machine 50, but only for setting and maintaining the desired contact force FK during the grinding process and for detecting contact between the tool 51 and the workpiece 60.
  • Contact can be easily detected, for example, by the linear actuator contained in the handling device has moved out of the end position (actuator deflection a is smaller than the maximum deflection aMA at the end stop).
  • the actuator 153 included in the handling device 100 can be a pneumatic actuator, for example a double-acting pneumatic cylinder.
  • other pneumatic actuators can also be used, such as bellows cylinders and air muscles.
  • direct electric drives can also be considered.
  • the direction of action of the actuator/handling device 100 and the axis of rotation of the grinding machine 50 do not necessarily have to coincide with the longitudinal axis A of the segment 85 of the manipulator 80 .
  • the force control in a conventional manner using a control valve, a controller (eg implemented in the controller 70) and a compressed air reservoir or compressor can be implemented.
  • the actuator 2 can contain an inclination sensor (not shown) or this information can be determined based on the joint angles of the manipulator 80. The inclination determined is taken into account by the force controller (see also the explanations for FIG. 3).
  • the handling device 100 not only enables a certain mechanical decoupling between the manipulator 80 and the workpiece 60, but is also able to compensate for inaccuracies in the positioning of the TCP.
  • the handling device includes a distance sensor ( ⁇ displacement sensor), which can be designed, for example, as an inductive sensor or as a potentiomenter.
  • the distance sensor is essentially designed to measure the deflection ( ⁇ displacement) of the linear actuator 153 .
  • the linear actuator can couple the two flanges 101 and 102 .
  • the change in the distance between the two flanges 101 and 102 corresponds to the change in the deflection of the linear actuator 153.
  • the (in Fig. 2) upper flange 102 can be connected (e.g.
  • the machine tool 50 can be mounted on the lower flange 101 (directly or indirectly), with a force sensor 150 being arranged between the handling device and the machine tool 50 in the example shown.
  • This force sensor 150 can be configured as a load cell, for example, and enables the force acting between the handling device and the machine tool 50 to be measured directly.
  • a bellows 121 can protect the parts inside the handling device against dust and the like, while allowing movement in the direction of action of the pneumatic cylinder 153.
  • the bellows 121 acts like a spring, whose characteristic curve can be taken into account in the force control.
  • the (spring) force component caused by the bellows 121 can be determined, for example, based on the deflection a measured by the distance sensor 151 . In the simplest case, the (spring) force component caused by the bellows 121 is proportional to the deflection (with linear spring characteristics). In some exemplary embodiments, the actual spring characteristic of the bellows 121 is determined using calibration measurements.
  • the force sensor 150 is not inside the handling device 100 (between the pneumatic cylinder 153 and the flange 101), but on the outside of the flange 101, so that the force sensor only measures the force FM that acts between the machine tool 50 and the handling device. If there is no contact with the workpiece, in the example shown the force sensor 150 would only measure the weight of the machine tool 50, regardless of whether and with what force FA the pneumatic cylinder 153 presses against the end stop. That is, in the examples described here - in the absence of contact - the direct Force measurement (force FM) and indirect force measurement (force r ⁇ A) are not redundant, but basically different forces are measured.
  • a + AF also applies to the directly measured force, with the offset AF including all disturbing forces (e.g. friction, hysteresis effects, etc.).
  • FIG. 3 shows an example of a control unit that can be used to operate the handling device 100 .
  • the control unit from Fig. is a control unit that can be used to operate the handling device 100 .
  • state observer 160 also called state estimator (state estimato), to which the target or actual manipulated variable (controlled variable) is supplied, which in the present example represents the target value or the measured actual value of the cylinder pressure.
  • the status observer 160 also receives sensor data (e.g. the measured deflection a of the handling device 100, the acceleration of the handling device, the inclination of the handling device to the vertical, etc.) and system parameters (e.g.
  • the weight of the machine tool mounted on the handling device and is designed to do so , to estimate a state of the handling device from the information supplied (sensor data and manipulated variable), in particular the force FA + AF (estimated actual process force) effectively provided by the actuator (pneumatic cylinder) which either hits the end stop (if there is no contact) or the workpiece (on contact) acts.
  • the state observer can contain mathematical models that model the physical behavior of the handling device (eg spring characteristic of the bellows, friction, etc.).
  • the state observer 160 is also designed to detect and signal contact between the machine tool and the tool. Since the actuator (pneumatic cylinder) presses against its end stop if there is no contact, contact can be detected simply by the actuator moving away from the end stop (deflection a smaller than the maximum deflection aMAx at the end stop).
  • a further component of the control unit from FIG. 3 is the process control and monitoring unit 161 (process controller and monitoring unit). This is where the regulation of the process force takes place.
  • the process control and monitoring unit 161 receives the estimated actual process force and information regarding contact from the state observer 160 as well as system parameters (e.g. weight of the machine tool 50), the target process force Fs and the actual process force FM measured directly by the force sensor 150 , which, as discussed above, is only a meaningful measured variable when there is contact.
  • the manipulated variable (controlled variable ) with which the actuator is controlled is calculated using a control algorithm ( in the case of a pneumatic actuator, this is, as mentioned, the cylinder pressure p). Suitable control algorithms are known per se and are therefore not discussed further here.
  • the manipulated variable e.g. a pressure in the case of pneumatic actuators, an actuator current in the case of electromechanical actuators
  • the process control and monitoring unit 161 is further designed to select the "source” for the actual process force (force sensor 150, state observer 160) depending on whether a contact was detected or not. If there is no contact, the status observer 160 is selected, and if contact is detected, the force sensor 150. Ideally, both sources should—if contact is detected—supply the same force value, but influencing parameters determined by calibration flow into the estimated value FA+AF, which change over time whereas the directly measured value FM always measures the actual force (assuming the force sensor 150 is functioning properly). [0030] Plausibility check.
  • the process control and monitoring unit 161 can also be designed to carry out a plausibility check during a surface treatment process (ie upon contact) based on the directly measured force value FM and the force value FA+AF provided by the state observer. For this purpose, the process control and monitoring unit 161 can compare the two values FA+AF and FM and, in the event of discrepancies, report an error, for example. In some situations it is even possible to determine a (probable) cause for the deviation based on the deviation between the two values FA+AF and FM and their progression over time, and possibly taking into account other measured values such as the measured deflection a.
  • the directly measured force value FM no longer follows the value estimated by the condition observer, a probable cause is that the linear guide in the handling device is jammed or the friction is greatly increased. If the directly measured value FM follows the estimated value FA+AF with a smaller deviation, this can indicate that the friction in the pneumatic cylinder (actuator 153) or the linear guide (not shown) is slightly increased and maintenance should be carried out.
  • the exemplary embodiments relate to a system and a method for controlling a handling device with a first and a second flange and with a linear actuator which acts between the first flange and the second flange.
  • a manipulator e.g. to its end effector flange, cf. Fig.
  • the linear actuator can exert a force on the second flange while it is supported on the first flange (cf. FIG. 2, flanges 101 and 102, linear actuator 152).
  • the manipulated variable is air pressure; in the case of an electromechanical actuator, the manipulated variable can be the current flowing through the actuator.
  • a force sensor is arranged between the second flange and the tool, so that the force sensor exerted by the handling device on the tool in contact between the tool and a surface Force FM measures.
  • the contact force between the tool and the surface corresponds to a superimposition of the force FM and the weight force FG (depending on the angular position), which the weight of the machine tool and tool exerts on the surface.
  • an estimated value for the force FA+AF provided by the linear actuator is determined with a status observer, which can be implemented in a control unit, for example, based on the manipulated variable (e.g. setpoint pressure or actual pressure).
  • the control unit can also be designed to detect contact between a tool and a surface. Furthermore, the control unit is designed to set the manipulated variable (e.g.
  • the force information used for force control depends on whether contact is detected or not.
  • FIG. Fig. 4 relates to a method for controlling a handling device with a linear actuator (see Fig. 2, pneumatic cylinder 154) which is connected between a first flange (see Fig. 1, flange 102) that can be connected to a manipulator and a second flange (see Fig. 1 , Flange 101) acts on which a tool or a machine tool with a tool can be mounted.
  • the method includes activating the linear actuator with a manipulated variable (e.g.
  • the method further includes detecting a contact between the tool and the surface (see Fig. 4, step S2) and - in the event of contact between the tool and the surface - measuring a force FM exerted by the handling device on the tool using a force sensor which is mechanical between tween the second flange and the tool is coupled (see Fig. 4, step S3).
  • the method further includes (with or without contact with the surface) determining an estimated value FA+AF for the from the handling device to the tool force FM exerted based on the manipulated variable (see FIG. 4, step S4).
  • the manipulated variable is adjusted based on the estimated value and a target value if and as long as no contact is detected (see Fig. 4, step S6), and based on the measured force and the target value if and as long as contact is detected (see Fig. 4, step S5).
  • step S4 is executed regardless of whether a contact was detected or not. If there is no contact, the estimated value for the force is required in order to be able to set the force with which the linear actuator presses on the end stop. For a gentle contact, this force should be as small as possible (ideally zero or a few Newtons). When the tool touches the surface, the actuator moves away from the end stop and force control can then be based on the directly measured force FM. Nevertheless, the estimated value FA+AF is also determined during the surface treatment process (on contact) to validate the process and identify errors. Before contact occurs, the actuator presses on the end stop with as little (minimum) force as possible. Theoretically, this minimum force can be regulated to zero Newton. In practice, values below 10 Newtons or even below 1 Newton are used in order to be able to contact the surface very gently. Once there is contact, the target force can be increased at a defined rate until the desired process force (grinding force) is reached.
  • further sensor data relating to the state of the actuator and/or the handling device can flow into the determination of the estimated value (cf. FIG. 3, state observer 160), such as the deflection of the actuator, which can be measured, for example, with a potentiometer or an inductive displacement sensor that is coupled to the actuator.
  • the weight can also be taken into account in the direct and indirect force measurement.
  • the tilt angle Q can either be measured or calculated from the (generalized) coordinates of the manipulator's TCP.
  • the robot controller "knows" the angular position of the TCP and thus also the angular position of the handling device and the tool.
  • the force FM measured directly by means of a force sensor
  • the estimated value FA+AF determined by the condition observer
  • the logged data can be evaluated in order to check the validity of the process and/or to indicate any errors.
  • concrete errors can be determined, for example based on deviations between the directly measured force and the estimated value (and possibly other sensor data such as the actuator deflection). If e.g.
  • the measured force does not increase equally while there is contact with the surface, then it is very likely that a linear guide (e.g. arranged parallel to the actuator) or the actuator itself is stuck or at least the friction in the linear actuator or in of the linear guide is abnormally high. In this case, gentle contact can no longer be guaranteed the next time you touch the surface.
  • deviations between the force setpoint and the measured force can also be evaluated.

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Abstract

Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine Handhabungsvorrichtung (handling apparatus) mit einem Linearaktor, der zwischen einem ersten Flansch, der mit einem Manipulator verbindbar ist, und einem zweiten Flansch, an dem ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug montierbar ist, wirkt. Der Linearaktor übt nach Maßgabe einer Stellgröße eine Kraft auf den zweiten Flansch oder einen Endanschlag aus. Die Vorrichtung umfasst weiter einen Kraftsensor, der zwischen den zweiten Flansch und das Werk-zeug gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei Kontakt zwischen Werkzeug und einer Ober-fläche eine von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft zu messen. Eine Steuereinheit weist eine einem Zustandsbeobachter auf, der dazu ausgebildet ist, basierend auf der Stellgröße einen Schätzwert für die von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft zu ermitteln. Die Steuereinheit ist weiter dazu ausgebildet, einen Kontakt zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche zu detektieren, wobei die Stellgröße basierend auf dem Schätzwert und einem Sollwert eingestellt wird, solange kein Kontakt detektiert wird, wohingegen die Stellgröße basierend auf der gemessenen Kraft und dem Sollwert eingestellt wird, solange ein Kontakt detektiert wird.

Description

KRAFTGEREGELTE HANDHABUNGSVORRICHTUNG FÜR DIE ROBOTERGESTÜTZTE OBERFLÄCHENBEARBEITUNG
TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein eine kraftgeregelte Handhabungsvorrich tung {handling device) für die automatisierte, robotergestützte Oberflächenbearbeitung. Derartige Handhabungsvorrichtungen können insbesondere als Schnittstelle zwischen Ma nipulator (Roboter) und Werkzeugmaschine dienen.
HINTERGRUND
[0002] Bei der robotergestützten Oberflächenbearbeitung wird eine Werkzeugmaschine (z.B. eine Schleifmaschine, eine Bohrmaschine, eine Fräsmaschine, eine Poliermaschine und dgl.) von einem Manipulator, beispielsweise einem Industrieroboter, geführt. Dabei kann die Werkzeugmaschine auf unterschiedliche Weise mit dem sogenannten TCP ( Tool Center Point) des Manipulators gekoppelt sein; der Manipulator kann in der Regel Position und Orientierung des TCP praktisch beliebig einstellen, um eine Werkzeugmaschine auf einer Trajektorie z.B. parallel zu einer Oberfläche eines Werkstücks zu bewegen. Industrie roboter sind üblicherweise positionsgeregelt, was eine präzise Bewegung des TCP entlang der gewünschten Trajektorie ermöglicht.
[0003] Um beim robotergestützten Schleifen, Polieren oder bei anderen Oberflächenbear beitungsprozessen ein gutes Ergebnis zu erzielen, ist in vielen Anwendungen eine Rege lung der Prozesskraft (z.B. Schleifkraft) nötig, was mit herkömmlichen Industrierobotern oft nur schwer mit hinreichender Genauigkeit zu realisieren ist. Die großen und schweren Armsegmente eines Industrieroboters besitzen eine zu große Massenträgheit, als dass ein Regler (closed-loop Controller ) rasch genug auf Schwankungen der Prozesskraft reagieren könnte. Um dieses Problem zu lösen, kann zwischen dem TCP des Manipulators und der Werkzeugmaschine ein im Vergleich zum Industrieroboter kleine (und leichte) Handha bungsvorrichtung angeordnet sein, die den TCP des Manipulators mit der Werkzeugma schine koppelt. Die Handhabungsvorrichtung umfasst insbesondere einen Linearaktor und regelt während der Oberflächenbearbeitung lediglich die Prozesskraft (also die Anpress kraft zwischen Werkzeug und Werkstück), während der Manipulator die Werkzeugma schine samt Linearaktor positionsgeregelt entlang der gewünschten Trajektorie bewegt. Durch die Kraftregelung kann die Handhabungsvorrichtung mit Hilfe des Linearaktors Un genauigkeiten in der Lage und der Form des zu bearbeitenden Werkstücks sowie auch Un genauigkeiten der Trajektorie des Manipulators (innerhalb gewisser Grenzen) ausgl eichen.
[0004] Bei vielen Oberflächenbearbeitungsprozessen ist die Qualität des Prozessergeb nisses stark davon abhängig, ob die Prozesskraft während des Bearbeitungsprozesses auch innerhalb eine gewünschten, spezifizierten Bereichs bleibt. Beispielsweise kann bei einem Schleifprozess eine (auch nur kurzfristig) zu hohe Schleifkraft (Prozesskraft) das Werk stück stark beschädigen oder sogar zerstören und/oder hohe Reparaturkosten verursachen.
[0005] Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine verbesserte Handhabungsvorrich tung mit Kraftregelung zu entwickeln, die es ermöglicht, die Einhaltung der spezifizierten Prozesskraft weitgehend sicherzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG
[0006] Die oben genannte Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen und Wei terentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Ein Ausführungsbei spiel betrifft eine Handhabungsvorrichtung (handling apparatus) mit einem Linearaktor, der zwischen einem ersten Flansch, der mit einem Manipulator verbindbar ist, und einem zweiten Flansch, an dem ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug montierbar ist, wirkt. Der Linearaktor übt nach Maßgabe einer Stellgröße eine Kraft auf den zweiten Flansch oder einen Endanschlag aus. Die Vorrichtung umfasst weiter einen Kraftsensor, der zwischen den zweiten Flansch und das Werk-zeug gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei Kontakt zwischen Werkzeug und einer Ober-fläche eine von der Hand habungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft zu messen. Eine Steuereinheit weist eine einem Zustandsbeobachter auf, der dazu ausgebildet ist, basierend auf der Stell größe einen Schätzwert für die von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausge übte Kraft zu ermitteln. Die Steuereinheit ist weiter dazu ausgebildet, einen Kontakt zwi schen dem Werkzeug und der Oberfläche zu detektieren, wobei die Stellgröße basierend auf dem Schätzwert und einem Sollwert eingestellt wird, solange kein Kontakt detektiert wird, wohingegen die Stellgröße basierend auf der gemessenen Kraft und dem Sollwert eingestellt wird, solange ein Kontakt detektiert wird. [0007] Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Hand habungsvorrichtung. Diese umfasst einen Linearaktor, der zwischen einem mit einem Ma nipulator verbindbaren ersten Flansch und einem zweiten Flansch, an dem ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug montierbar ist, wirkt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren umfasst das Ansteuern des Linearaktors mit einer Stellgröße, sodass dieser nach Maßgabe der Stellgröße eine Kraft auf den zweiten Flansch oder einen Endanschlag ausübt. Das Verfahren umfasst weiter das Detektieren ei nes Kontakts zwischen dem Werkzeug und einer Oberfläche sowie das Messen - bei Kon takt zwischen Werkzeug und einer Oberfläche - einer von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübten Kraft mit Hilfe eines Kraftsensors, der zwischen den zwei ten Flansch und das Werkzeug gekoppelt ist. Des Weiteren wird ein Schätzwert für die von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft basierend auf der Stell größe ermittelt. Solange kein Kontakt detektiert wird, wird die Stellgröße basierend auf dem Schätzwert und einem Sollwert eingestellt, und solange ein Kontakt detektiert wird, wird die Stellgröße basierend auf der gemessenen Kraft und dem Sollwert eingestellt.
KURZE BESCHREBIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0008] Verschiedene Implementierungen werden nachfolgend anhand von den in den Ab bildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangs läufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den dargestellten Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen.
[0009] Figur 1 ist ein allgemeines Beispiel eines Systems zum robotergestützten Schlei fen mit einem Industrieroboter, einer Handhabungsvorrichtung mit Kraftregelung und einer Schleifmaschine.
[0010] Figur 2 illustriert eine exemplarische Implementierung der Handhabungsvorrich tung (ohne die dazugehörige Steuereinheit).
[0011] Figur 3 illustriert ein Beispiel einer Steuereinheit für die Handhabungsvorrich tung, in der die Kraftregelung implementiert ist. [0012] Figur 4 illustriert ein Beispiel eines Verfahrens zur Steuerung einer Handhabungs vorrichtung für die robotergestützte Oberflächenbearbeitung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
[0013] Bevor verschiedene Ausführungsbeispiele im Detail erläutert werden, wird zu nächst ein allgemeines Beispiel einer robotergestützten Schleifvorrichtung beschrieben. Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Konzepte auch auf andere Arten von Oberflä chenbearbeitung (z.B. Polieren, Fräsen, Bohren, etc.) übertragbar und nicht auf Schleifen beschränkt sind.
[0014] Gemäß Fig. 1 umfasst eine robotergestützte Schleifvorrichtung einen Manipulator 80, beispielsweise einen Industrieroboter und eine Schleifmaschine 50 mit rotierendem Schleifwerkzeug 51. Die Schleifmaschine 50 ist mit dem sogenannten Tool-Center -Point (TCP) des Manipulators 1 über einen Linearaktor 100 gekoppelt, der allgemein als Hand habungsvorrichtung bezeichnet wird. Der TCP ist genau genommen kein Punkt, sondern ein Vektor und kann z.B. durch drei Raumkoordinaten (Position) und drei Winkel (Orien tierung) beschrieben werden. In der Robotik werden zur Beschreibung der Lage des TCPs manchmal auch generalisierte Koordinaten (meist sechs Gelenkwinkel des Roboters) im Konfigurationsraum verwendet. Position und Orientierung des TCPs werden manchmal auch als „Pose“ bezeichnet. Die Position (inkl. Orientierung) des TCP als Funktion der Zeit definiert die Bewegung des Schleifwerkzeugs, die als Trajektorie bezeichnet wird. Als TCP wird oft der Mittelpunkt des Endeffektorflansches des Roboters definiert, was aber nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Der TCP kann ein beliebiger Punkt sein (und theoretisch auch außerhalb des Roboters liegen), dessen Position und Orientierung vom Roboter einstellbar ist. Der TCP kann auch den Ursprung des Werkzeugkoordinatensys tems definieren.
[0015] Im Falle eines Industrieroboters mit sechs Freiheitsgraden kann der Manipulator
80 aus vier Segmenten 82, 83, 84 und 85 aufgebaut sein, die jeweils über Gelenke Gn, G12 und G13 verbunden sind. Das erste Segment 82 ist dabei meist starr mit einem Fundament
81 verbunden (was jedoch nicht zwangsläufig der Fall sein muss). Das Gelenk G11 verbin det die Segmente 82 und 83. Das Gelenk G11 kann 2-achsig sein und eine Drehung des Segments 83 um eine horizontale Drehachse (Elevationswinkel) und eine vertikale Dreh achse (Azimutwinkel) ermöglichen. Das Gelenk G12 verbindet die Segmente 83 und 84 und ermöglicht eine Schwenkbewegung des Segments 84 relativ zur Lage des Segments 83. Das Gelenk G13 verbindet die Segmente 84 und 85. Das Gelenk G13 kann 2-achsig sein und daher (ähnlich wie das Gelenk Gn) eine Schwenkbewegung in zwei Richtungen er möglichen. Der TCP hat eine feste Relativposition zum Segment 85, wobei dieses übli cherweise noch ein Drehgelenk (nicht dargestellt) umfasst, welches eine Drehbewegung des am Segment 85 angeordneten Endeffektorflansches 86 um eine Längsachse A des Seg ments 85 ermöglicht (in Fig. 1 als strichpunktierte Line eingezeichnet, entspricht in dem dargestellten Beispiel auch der Drehachse des Schleifwerkzeugs). Jeder Achse eines Ge lenks ist ein Aktor (z.B. ein Elektromotor) zugeordnet, der eine Drehbewegung um die je weilige Gelenksachse bewirken kann. Die Aktoren in den Gelenken werden von einer Ro botersteuerung 70 gemäß einem Roboterprogramm angesteuert. Verschiedene Industriero boter/Manipulatoren und dazugehörige Steuerungen sind an sich bekannt und werden da her hier nicht weiter erläutert.
[0016] Der Manipulator 80 ist üblicherweise positionsgeregelt, d.h. die Robotersteuerung kann die Pose (Ort und Orientierung) des TCP festlegen und diesen entlang einer vordefi nierten Trajektorie bewegen. In Fig. 1 ist die Längsachse des Segments 85, auf der der TCP liegt, mit A bezeichnet. Wenn der Linearaktor der Handhabungsvorrichtung 100 an einem Endanschlag anliegt, ist mit der Pose des TCPs auch die Pose der Schleifmaschine 50 (und auch der Schleifscheibe 51) definiert. Wie eingangs bereits erwähnt, dient die Handhabungsvorrichtung 100 dazu, während des Schleifprozesses die Kontaktkraft (Pro zesskraft) zwischen Werkzeug (z.B. Schleifscheibe 51) und Werkstück 60 auf einen ge wünschten Wert einzustellen. Eine direkte Kraftregelung durch den Manipulator 80 ist für Schleifanwendungen in der Regel zu ungenau, da durch die hohe Massenträgheit der Seg mente 83 bis 85 des Manipulators 80 eine schnelle Kompensation von Kraftspitzen (z.B. beim Aufsetzen des Schleifwerkzeugs auf das Werkstück 60) mit herkömmlichen Manipu latoren praktisch nicht möglich ist. Aus diesem Grund ist die Robotersteuerung 70 dazu ausgebildet, die Pose (Position und Orientierung) des TCP des Manipulators 80 zu regeln, während die Kraftregelung ausschließlich mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung 100 be werkstelligt wird.
[0017] Wie bereits erwähnt, kann während des Schleifprozesses die Kontaktkraft FK zwi schen Schleifwerkzeug (Schleifscheibe 51der Schleifmaschine 50) und Werkstück 60 mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung 100 und einer Kraftregelung (die beispielsweise in der Steuerung 70 implementiert sein kann) so eingestellt werden, dass die Kontaktkraft FK (in Richtung der Längsachse A) zwischen Schleifscheibe 51 und Werkstück 60 einem vorgeb- baren Sollwert entspricht. Die Kontaktkraft FK ist dabei eine Reaktion auf die Aktorkraft FA, mit der die Handhabungsvorrichtung 100 auf die Werkstückoberfläche drückt. Bei feh lendem Kontakt zwischen Werkstück 60 und Werkzeug 51 fährt der in der Handhabungs vorrichtung 100 enthaltene Aktor (siehe auch Fig. 2) aufgrund der fehlenden Kontaktkraft am Werkstück 60 gegen einen Endanschlag (nicht dargestellt da im Aktor 2 integriert) und drückt mit einer definierten Kraft gegen diesen. Die Kraftregelung ist dabei durchgehend aktiv. In dieser Situation (kein Kontakt) ist die Aktorauslenkung daher maximal und die Handhabungsvorrichtung befindet sich in einer Endposition. Die definierte Kraft, mit der der (Linear-) Aktor (der in der Handhabungsvorrichtung 100 enthalten ist) gegen den End anschlag drückt, kann sehr klein sein oder (theoretisch) sogar auf null geregelt werden, um ein möglichst sanftes Kontaktieren der Werkstückoberfläche zu ermöglichen.
[0018] Die Positionsregelung des Manipulators 80 (die ebenfalls in der Steuerung 70 im plementiert sein kann) kann vollkommen unabhängig von der Kraftregelung der Handha bungsvorrichtung 100 arbeiten. Letztere ist nicht verantwortlich für die Positionierung der Schleifmaschine 50, sondern lediglich für das Einstellen und Aufrechterhalten der er wünschten Kontaktkraft FK während des Schleifprozesses und zur Erkennung von Kontakt zwischen Werkzeug 51 und Werkstück 60. Ein Kontakt kann z.B. in einfacher Weise dadurch erkannt werden, dass der in der Handhabungsvorrichtung enthaltene Linearaktor sich aus der Endposition herausbewegt hat (Aktorauslenkung a ist kleiner als die maximale Auslenkung aMA am Endanschlag).
[0019] In Fig. 2 ist ein Beispiel der Handhabungsvorrichtung 100 schematisch darge stellt. Teile, die einem Fachmann bekannt und für die folgende Diskussion nicht notwendig sind (wie z.B. Ventile, Linearführungen, etc.) wurden in Fig. 2 weggelassen, um die Dar stellung nicht zu verkomplizieren. Der in der Handhabungsvorrichtung 100 enthaltene Ak tor 153 kann ein pneumatischer Aktor sein, z.B. ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder. Jedoch sind auch andere pneumatische Aktoren anwendbar wie z.B. Balgzylinder und Luftmuskel. Als Alternative kommen auch elektrische Direktantriebe (getriebelos) in Be tracht.
[0020] Es versteht sich, dass die Wirkrichtung des Aktors/der Handhabungsvorrichtung 100 und die Drehachse der Schleifmaschine 50 nicht notwendigerweise mit der Längs achse A des Segments 85 des Manipulators 80 zusammenfallen müssen. Im Falle eines pneumatischen Aktors kann die Kraftregelung in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Regelventils, eines Reglers (z.B. implementiert in der Steuerung 70) und eines Druckluft speichers oder Kompressors realisiert werden. Da für die Berücksichtigung der Schwer kraft (d.h. der Gewichtskraft der Schleifmaschine 50) die Neigung zur Lotrechten relevant ist, kann der Aktor 2 einen Neigungssensor (nicht dargestellt) enthalten oder diese Infor mation kann basierend auf den Gelenkwinkeln des Manipulators 80 ermittelt werden. Die ermittelte Neigung wird von dem Kraftregler berücksichtigt (siehe auch Erläuterungen zu Fig. 3). Die Handhabungsvorrichtung 100 ermöglicht nicht nur eine gewisse mechanische Entkopplung zwischen Manipulator 80 und Werkstück 60, sondern ist auch in der Lage, Ungenauigkeiten in der Positionierung des TCP auszugleichen.
[0021] Die Handhabungsvorrichtung umfasst neben dem Linearaktor 153 (Pneumatikzy linder) einen Abstandssensor (< displacement sensor ), der beispielsweise als induktiver Sen sor oder als Potentiomenter ausgebildet sein kann. Im Wesentlichen ist der Abstandssensor dazu ausgebildet, die Auslenkung (< displacement ) des Linearaktors 153 zu messen. Bei ei ner maximalen Auslenkung a=aMAx drückt der Linearaktor gegen einen Endanschlag. Der Linearaktor kann die beiden Flansche 101 und 102 koppeln. Die Veränderung des Ab stands zwischen den beiden Flanschen 101 und 102 entspricht der Veränderung der Aus lenkung des Linearaktors 153. Der (in Fig. 2) obere Flansch 102 kann (z.B. mittels Schrau ben) mit dem Endeffektorflansch eines Roboters verbunden sein (siehe Fig. 1, Endeffektor flansch 86). An dem unteren Flansch 101 kann (direkt oder indirekt) die Werkzeugma schine 50 montiert sein., wobei in dem dargestellten Beispiel zwischen der Handhabungs vorrichtung und der Werkzeugmaschine 50 ein Kraftsensor 150 angeordnet ist. Dieser Kraftsensor 150 kann z.B. als Kraftmessdose ( load cell) ausegebildet sein und ermöglicht die direkt Messung der Kraft, die zwischen der Handhabungsvorrichtung und der Werk zeugmaschine 50 wirkt.
[0022] Ein Faltenbalg 121 kann die Teile innerhalb der Handhabungsvorrichtung gegen Staub und dergleichen schützen, und gleichzeitig eine Bewegung in Wirkrichtung des Pneumatikzylinders 153 ermöglichen. Dabei wirkt der Faltenbalg 121 wie eine Feder, de ren Kennlinie bei der Kraftregelung berücksichtigt werden kann. Die von dem Faltenbalg 121 bewirkte (Feder-) Kraftkomponente kann beispielsweise basierend auf der vom Ab standssensor 151 gemessenen Auslenkung a ermittelt werden. Im einfachsten Fall ist die von dem Faltenbalg 121 bewirkte (Feder-) Kraftkomponente proportional zur Auslenkung (bei linearer Federcharakteristik). In manchen Ausführungsbeispielen wird die tatsächliche Federcharakteristik des Faltenbalgs 121 mittels Kalibrationsmessungen ermittelt.
[0023] Zusätzlich zu der direkten Kraftmessung durch die Kraftmessdose 150 erfolgt eine indirekte Kraftmessung durch Messung des Drucks p im Pneumatikzylinder 153 mit Hilfe eines Drucksensors 152, der pneumatisch mit einer Druckluftleitung des Pneumatikzylin ders 153 gekoppelt sein kann. Die Kraft erhält man dann durch Multiplikation des Drucks p mit der im Zylinder wirksamen Kolbenfläche A (FA=P A). Wird statt eines pneumati schen Aktors ein elektromechanischer Aktor eingesetzt, kann die Kraft auch aus der Stromaufnahme des elektromechanischen Aktors ermittelt werden. Statt einer Druckmes sung wird in diesem Fall eine Strommessung durchgeführt. Aus dem Strommesswert kann wiederum die Aktorkraft berechnet werden
[0024] Bei bekannten Systemen ist in der Regel keine redundante Kraftmessung durch einen direkten Kraftsensor wie eine Kraftmessdose vorgesehen, da bei geregelten pneuma tischen Systemen ohnehin der Zylinderdruck (oder bei elektromechanischen Aktoren der Strom) als Messwert vorliegt. In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu erwähnen, dass bei dem hier beschriebenen Beispiel die direkte Kraftmessung (Kraft FM) durch den Krafts ensor 150 nicht einfach einen redundanten Messwert zu der indirekten Kraftmessung (Kraft r· A) liefert. Würde man die indirekte Kraftmessung (mittels Druck- oder Strommes sung) durch eine direkte Kraftmessung mittels Kraftmessdose ersetzen wollen, dann müsste der jeweilige Kraftsensor so angeordnet sein, dass der die vom Aktor (Pneuma tikzylinder) auf den Flansch 101 der Handhabungsvorrichtung 100 ausgeübte Aktorkraft misst. Bei einer Blockierung der Bewegung des Flanschs 101 (relativ zum Flansch 102) beispielsweise durch einen Endanschlag, würde in diesem Fall der Kraftsensor die gegen den Endanshclag wirkende Aktorkraft messen, auch wenn kein Kontakt mit dem Werk stück vorliegt. Dies ist aber bei dem Beispiel aus Fig. 2 nicht der Fall. Der Kraftsensor 150 ist nicht innerhalb der Handhabungsvorrichtung 100 (zwischen Pneumatikzylinder 153 und Flansch 101), sondern außen am Flansch 101, sodass der Kraftsensor nur die Kraft FM misst, die zwischen Werkzeugmaschine 50 und Handhabungsvorrichtung wirkt. Bei feh lendem Kontakt mit dem Werkstück würde in dem dargestellten Beispiel der Kraftsensor 150 nur die Gewichtskraft der Werkzeugmaschine 50 messen, unabhängig davon, ob und mit welcher Kraft FA der Pneumatikzylinder 153 gegen den Endanschlag drückt. Das heißt, in den hier beschriebenen Beispielen sind - bei fehlendem Kontakt - die direkte Kraftmessung (Kraft FM) und die indirekte Kraftmessung (Kraft r· A) nicht redundant, son dern es werden prinzipiell unterschiedliche Kräfte gemessen.
[0025] Ein Zusammenhang zwischen der durch die indirekte Kraftmessung ermittelte Aktorkraft FA (FA=P A im Falle eines Pnaumatikzylinders) und der direkt gemessenen Kraft FM kann nur bei vorhandenem Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeugma schine formuliert werden. Nur in dieser Situation (Kontakt vorhanden) wirkt eine Kontakt kraft FK (Prozesskraft) auf die Handhabungsvorrichtung zurück und es gilt FK=FM+FG, wo bei FG die auf die Werkstückoberfläche wirkende Gewichtskraft der Werkzeugmaschine und FM die direkt gemessene Kraft, mit der die Handhabungsvorrichtung auf die Werk zeugmaschine drückt, bezeichnet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Gewichtskraft FG auch negativ werden kann, wenn die Schleifmaschine kopfüber betrieben wird. Bei Kontakt gilt für die direkt gemessene Kraft weiter FM = FA + AF = r· A + AF, wobei der Offset AF sämtliche Störkräfte (z.B. Reibung, Hystereseeffekte, etc.) beinhaltet. Für die Kontaktkraft/Prozesskraft gilt bei Kontakt demnach FK=FA+FG + AF = FM + FG, wobei der vom Zustand der Handhabungsvorrichtung abhängige Offset AF im Betrieb ermittelt wer den kann (z.B. basierend auf mathematischen Modellen und/oder Kalibrationsmessungen).
[0026] Das Blockschaltbild aus Fig. 3 zeigt ein Beispiel eine Steuereinheit, die zum Be trieb de Handhabungsvorrichtung 100 verwendet werden kann. Die Steuereinheit aus Fig.
3 umfasst einen Zustandsbeobachter 160 {state observer ), auch Zustandsschätzer {state e- stimato ) genannt, dem die Soll- oder Ist- Stellgröße {controlled variable) zugeführt wird, welche im vorliegenden Beispiel den Sollwert oder den gemessenen Istwert des Zylinder drucks repräsentiert. Der Zustandsbeobachter 160 empfängt des Weiteren Sensordaten (z.B. die gemessene Auslenkung a der Handhabungsvorrichtung 100, die Beschleunigung der Handhabungsvorrichtung, die Neigung der Handhabungsvorrichtung zur Lotrechten, etc.) sowie Systemparameter (z.B. das Gewicht der an der Handhabungsvorrichtung mon tierten Werkzeugmaschine) und ist dazu ausgebildet, aus den zugeführten Informationen (Sensordaten und Stellgröße) einen Zustand der Handhabungsvorrichtung zu schätzen, ins besondere die effektiv vom Aktor (Pneumatikzylinder) bereitgestellte Kraft FA + AF (ge schätzte Ist-Prozesskraft) die entweder auf den Endanschlag (bei fehlendem Kontakt) oder auf das Werkstück (bei Kontakt) wirkt. Für die Zustandsschätzung kann der Zustandsbe obachter mathematische Modelle beinhalten, die das physikalische Verhalten der Handha bungsvorrichtung modellieren (z.B. Federkennlinie des Faltenbalgs, Reibung, etc.). [0027] Der Zustandsbeobachter 160 ist weiter dazu ausgebildet, einen Kontakt zwischen Werkzeugmaschine und Werkzeug zu detektieren und zu signalisieren. Da bei fehlendem Kontakt der Aktor (Pneumatikzylinder) gegen seinen Endanschlag drück, kann ein Kontakt z.B. allein dadurch detektiert werden, dass der Aktor sich vom Endanschlag weg bewegt (Auslenkung a kleiner als die Maximalauslenkung aMAx am Endanschlag).
[0028] Eine weitere Komponente der Steuereinheit aus Fig. 3 ist die Prozesssteuerung und -Überwachungseinheit 161 (process Controller and monitoring unit). Hier findet die Regelung ( regulation ) der Prozesskraft statt. Dazu empfängt die Prozesssteuerung und -Überwachungseinheit 161 die geschätzte Ist-Prozesskraft und Information bezüglich Kon takt vom Zustandsbeobachter 160 sowie Systemparameter (z.B. Gewicht der Werkzeugma schine 50), die Soll-Prozesskraft Fs und die vom Kraftsensor 150 direkt gemessene Ist-Pro- zesskraft FM, die wie oben besprochen jedoch nur bei vorhandenem Kontakt eine sinnvolle Messgröße dargestellt. Basierend auf Soll-Prozesskraft Fs und der direkt gemessenen und/oder geschätzten Ist-Kraft FM oder FA+AF und unter Berücksichtigung der Gewichts kraft FG wird mit Hilfe eines Regelalgorithmus die Stellgröße ( controlled variable ) berech net, mit der der Aktor angesteuert wird (bei einem Pneumatikaktor ist das wie erwähnt der Zylinderdruck p). Geeignete Regelalgorithmen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter diskutiert. Bei einem theoretischen Regelfehler ( control deviation ) von null wird die Stellgröße (z.B. ein Druck bei pneumatischen Aktoren, ein Aktorstrom bei elekt romechanischen Aktoren) so eingestellt, dass bei Kontakt für die Prozesskraft FK folgendes gilt: FK= FM + FG = Fs. Das heißt, die Prozesskraft (Kontaktkraft) entspricht der (ggf. vari ierenden) Soll-Kraft.
[0029] Die Prozesssteuerung und -Überwachungseinheit 161 ist weiter dazu ausgebildet die „Quelle“ für die Ist-Prozesskraft (Kraftsensor 150, Zustandsbeobachter 160) abhängig davon auszuwählen, ob ein Kontakt detektiert wurde oder nicht. Bei fehlendem Kontakt wird der Zustandsbeobachter 160 ausgewählt und bei detektiertem Kontakt der Kraftsensor 150. Idealerweise müssten beide Quellen - bei detektiertem Kontakt - denselben Kraftwert liefern, jedoch fließen in den geschätzten Wert FA+ AF durch Kalibration bestimmte Ein flussparameter ein, die sich mit der Zeit verändern können, wohingegen der direkt gemes sene Wert FM immer die tatsächliche Kraft misst (vorausgesetzt der Kraftsensor 150 funk tioniert ordnungsgemäß). [0030] Plausibilitätsprüfung. Die Prozesssteuerung und -Überwachungseinheit 161 kann weiter dazu ausgebildet sein, während eines Oberflächenbearbeitungsprozesses (d.h. bei Kontakt) basierend auf dem direkt gemessenen Kraftwert FM und dem vom Zustandsbe obachter gelieferten Kraftwert FA+AF eine Plausibilitätsprüfung durchzuführen. Dazu kann die Prozesssteuerung und -Überwachungseinheit 161 die beiden Werten FA+AF und FM ver gleichen, und bei Abweichungen z.B. einen Fehler melden. In manchen Situationen ist es sogar möglich basierend auf der Abweichung zwischen den beiden Werten FA+AF und FM und deren zeitlichen Verlauf, und ggf. unter Berücksichtigung anderer Messwerte wie z.B. die gemessene Auslenkung a eine (wahrscheinliche) Ursache für die Abweichung zu ermit teln. Wenn beispielsweise der direkt gemessene Kraftwert FM nicht mehr dem vom Zu standsbeobachter geschätzten Wert folgt, ist eine wahrscheinliche Ursache dafür, dass die Linearführung in der Handhabungsvorrichtung klemmt oder die Reibung stark erhöht ist. Folgt der direkt gemessene Wert FM dem geschätzten Wert FA+AF mit einer kleineren Ab weichung, kann das daraufhindeuten, dass die Reibung in dem Pneumatikzylinder (Aktor 153) oder der Linearführung (nicht dargestellt) leicht erhöht ist und eine Wartung durchge führt werden soll.
[0031] Im Folgenden werden einigen Aspekte und Merkmale der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zusammengefasst. Es versteht sich, dass das Folgende keine ab schließende Aufzählung, sondern lediglich eine exemplarische Zusammenfassung darstellt. Die Ausführungsbeispiele betreffen ein System und ein Verfahren zum Steuern einer Handhabungsvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Flansch und mit einem Li nearaktor, der zwischen dem ersten Flansch und dem zweiten Flansch wirkt. Der erste Flansch ist im Betrieb an einem Manipulator (z.B. an dessen Endeffektorflansch, vgl. Fig.
1) montiert, und an dem zweiten Flansch ist im Betrieb ein Werkzeug (oder eine Werk zeugmaschine mit einem Werkzeug) montiert. Der Linearaktor kann nach Maßgabe einer Stellgröße eine Kraft auf den zweiten Flansch ausüben, während er sich an dem ersten Flansch abstützt (vgl. Fig. 2, Flansche 101 und 102, Linearaktor 152). Im Falle eines pneu matischen Aktors (Pneumatikzylinder) ist die Stellgröße ein Luftdruck, im Falle eines elektromechanischen Aktors kann die Stellgröße der durch den Aktor fließende Strom sein.
[0032] In einem Ausführungsbeispiel ist ein Kraftsensor zwischen dem zweiten Flansch und dem Werkzeug angeordnet, sodass der Kraftsensor bei Kontakt zwischen Werkzeug und einer Oberfläche eine von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft FM misst. Die Kontaktkraft zwischen Werkzeug und Oberfläche entspricht einer Überlagerung der Kraft FM und der (von der Winkel Stellung abhängigen) Gewichtskraft FG, welche das Gewicht von Werkzeugmaschine und Werkzeug auf die Oberfläche ausübt.
[0033] Ohne Kontakt, hängt die Werkzeugmaschine an der Handhabungsvorrichtung und der Kraftsensor misst lediglich deren Gewichtskraft FG, während der Linearaktor (kraftge regelt) gegen einen Endanschlag drückt. In dieser Situation ist der erwähnte Kraftsensor nicht für die Kraftregelung verwendbar. Daher wird mit einem Zustandsbeobachter, der z.B. in einer Steuereinheit implementiert sein kann, basierend auf der Stellgröße (z.B. Soll druck oder Ist-Druck) ein Schätzwert für die von dem Linearaktor bereitgestellte Kraft FA+AF ermittelt. Die Steuereinheit kann auch dazu ausgebildet sein, einen Kontakt zwi schen Werkzeug und einer Oberfläche zu detektieren. Des Weiteren ist die die Steuerein heit dazu ausgebildet, die Stellgröße (z.B. Druck p) für den Linearaktor basierend auf dem Schätzwert FA+AF und einem Sollwert einzustellen, wenn kein Kontakt detektiert wird, und die Stellgröße basierend auf der gemessenen Kraft FM und dem Sollwert einzustellen, wenn (sobald uns solange) ein Kontakt detektiert wird. Das heißt, die für die Kraftregelung verwendete Kraftinformation hängt davon ab, ob ein Kontakt detektiert wird oder nicht.
[0034] Ein Beispiel des hier beschriebenen Konzepts wird im Folgenden anhand des Flussdiagrams aus Fig. 4 zusammengefasst. Fig. 4 betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Handhabungsvorrichtung mit einem Linearaktor (siehe Fig. 2, Pneumatikzylinder 154), der zwischen einem mit einem Manipulator verbindbaren ersten Flansch (siehe Fig. 1, Flansch 102) und einem zweiten Flansch (siehe Fig. 1, Flansch 101) wirkt, an dem ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug montierbar ist. Das Verfahren umfasst das Ansteuem des Linearaktors mit einer Stellgröße (z.B. einem Luftdruck p), sodass die ser (nach Maßgabe der Stellgröße) eine Kraft auf den zweiten Flansch (bei Kontakt zwi schen Werkzeug und Oberfläche) oder auf einen Endanschlag (bei fehlendem Kontakt) ausübt (siehe Fig. 4, Schritt Sl). Das Verfahren umfasst weiter der Detektieren eines Kon takts zwischen Werkzeug und Oberfläche (siehe Fig. 4, Schritt S2) sowie - bei Kontakt zwischen Werkzeug und Oberfläche - das Messen einer von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübten Kraft FM mit Hilfe eines Kraftsensors, der mechanisch zwi schen dem zweiten Flansch und das Werkzeug gekoppelt ist (siehe Fig. 4, Schritt S3).
[0035] Das Verfahren umfasst weiter (mit oder ohne Kontakt zur Oberfläche) das Ermit teln eines Schätzwerts FA+AF für die von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft FM basierend auf der Stellgröße (siehe Fig. 4, Schritt S4). Die Stellgröße wird eingestellt basierend auf dem Schätzwert und einem Sollwert, wenn und solange kein Kontakt detektiert wird (siehe Fig. 4, Schritt S6), und basierend auf der gemessenen Kraft und dem Sollwert, wenn und solange ein Kontakt detektiert wird (siehe Fig. 4, Schritt S5). Es versteht sich, dass die in Fig. 4 gezeigten Verfahrensschritte teilweise parallel ablaufen. Die Pfeile in dem Flussdiagramm implizieren keine zwingende zeitliche Reihenfolge.
[0036] Insbesondere wird der Schritt S4 unabhängig davon ausgeführt, ob ein Kontakt detektiert wurde oder nicht. Bei fehlendem Kontakt wird der Schätzwert für die Kraft be nötigt, um die Kraft einstellen zu können, mit der der Linearaktor auf den Endanschlag drückt. Für einen sanften Kontakt sollte diese Kraft so klein wie möglich sein (idealerweise null oder einige wenige Newton). Wenn das Werkzeug die Oberfläche berührt, bewegt sich der der Aktor vom Endanschlag weg und die Kraftregelung kann dann basierend auf der direkt gemessenen Kraft FM erfolgen. Nichtsdestotrotz wird zur Validierung des Prozesses und zur Fehlererkennung auch während des Oberflächenbearbeitungsprozesses (bei Kon takt) der Schätzwert FA+AF ermittelt. Vor einem Kontakt drückt der Aktor mit einer mög lichst kleinen (Minimal-) Kraft auf den Endanschlag. Theoretisch kann diese Minimalkraft auf null Newton geregelt werden. In der Praxis werden Werte von unter 10 Newton oder sogar unter 1 Newton verwendet, um die Oberfläche sehr sanft kontaktieren zu können. Sobald ein Kontakt besteht, kann die Sollkraft mit einer definierten Rate erhöht werden, bis die gewünschte Prozesskraft (Schleifkraft) erreicht ist.
[0037] In die Ermittlung des Schätzwertes (vgl. Fig. 3, Zustandsbeobachter 160) können neben der Stellgröße (Druck im Falle eines pneumatischen Aktors) weitere Sensordaten betreffend den Zustand des Aktors und/oder der Handhabungsvorrichtung einfließen wie z.B. die Auslenkung des Aktors, welche z.B. mit einem Potentiometer oder einem indukti ven Wegsensor (displacement sensor ), der mit dem Aktor gekoppelt ist, gemessen werden kann. Die Gewichtskraft FG=m g cos(0) kann beispielsweise bei der Kraftregelung (siehe Fig. 3, Prozesssteuerung 161) berücksichtigt werden, indem beispielsweise die Gewichts kraft FG von der Sollkraft subtrahiert wird (m bezeichnet die Masse der Werkzeugmaschine samt Werkzeug, g die Erdbeschleunigung und #die Winkelabweichung von der Lotrechten (Kippwinkel, tilt)). Alternativ kann die Gewichtskraft auch bei der direkten und indirekten Kraftmessung berücksichtigt werden. Der Kippwinkel Q kann entweder gemessen werden oder aus den (verallgemeinerten) Koordinaten des TCP des Manipulators berechnet wer den. Die Robotersteuerung „kennt“ ja die Winkel Stellung des TCPs und damit auch die Winkel Stellung der Handhabungsvorrichtung und des Werkzeugs.
[0038] Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, automatisiert die Prozess validität eines Oberflächenbearbeitungsprozesses zu prüfen und am Ende des Prozesses zu bestätigen. Dazu kann beispielsweise während eines Oberflächenbearbeitungsprozesses die (mittels Kraftsensor direkt) gemessenen Kraft FM und den (vom Zustandsbeobachter ermit telten) Schätzwert FA+AF verglichen werden und eventuellen Abweichungen zwischen Messwert und Schätzwert für einen bestimmten Oberflächenbearbeitungsprozess protokol liert werden. Am Ende des Prozesses ober bereites während des Prozesses können die pro tokollierten Daten ausgewertet werden, um die die Validität des Prozesses zu überprüfen und/oder ggf. Fehler anzuzeigen. Dazu können beispielsweise basierend auf Abweichun gen zwischen direkt gemessener Kraft und Schätzwert (und ggf. weiteren Sensordaten wie z.B. die Aktorauslenkung) konkrete Fehler ermittelt werden. Wenn z.B. bei einer Erhöhung des Schätzwertes die gemessene Kraft nicht gleichermaßen ansteigt, während Kontakt mit der Oberfläche besteht, dann ist es sehr wahrscheinlich, dass eine (z.B. parallel zum Aktor angeordnete) Linearführung oder der Aktor selbst feststeckt oder zumindest die Reibung im Linearaktor oder in der Linearführung ungewöhnlich hoch ist. In diesem Fall kann beim nächsten Kontaktieren der Oberfläche ein sanfter kontakt nicht mehr garantiert werden. Zusätzlich oder alternativ können auch Abweichungen zwischen dem Kraftsollwert und der gemessenen Kraft ausgewertet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Ein System, das folgendes umfasst: eine Handhabungsvorrichtung mit einem Linearaktor (153), der zwischen einem ersten Flansch (102), der mit einem Manipulator verbindbar ist, und einem zweiten Flansch (101), an dem ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug montierbar ist, wirkt, wobei der Linearaktor (153) nach Maßgabe einer Stellgröße (p) eine Kraft auf den zweiten Flansch (101) oder einen Endanschlag ausübt; einen Kraftsensor, der zwischen dem zweiten Flansch (101) und das Werk zeug gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei Kontakt zwischen Werkzeug und einer Ober fläche eine von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft (FM) ZU messen; eine Steuereinheit mit einem Zustandsbeobachter (160), der dazu ausgebil det ist, basierend auf der Stellgröße (p) einen Schätzwert (FA+AF) für die von der Handha bungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft (FM) ZU ermitteln; wobei die Steuereinheit weiter dazu ausgebildet ist: einen Kontakt zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche zu detektieren, die Stellgröße (p) basierend auf dem Schätzwert (FA+AF) und einem Soll wert einzustellen, solange kein Kontakt detektiert wird, und die Stellgröße (p) basierend auf der gemessenen Kraft (FM) und dem Soll wert einzustellen, solange ein Kontakt detektiert wird.
2. Das System gemäß Anspruch 1, wobei der Sollwert variabel ist und nach Detektion des Kontakts ausgehend von einem Minimalwert erhöht wird.
3. Das System gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Linearaktor (153) gegen einen Endanschlag drückt, solange kein Kontakt detektiert wird.
4. Das System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit weiter dazu ausgebildet ist, solange Kontakt detek tiert wird, die gemessenen Kraft (FM) und den Schätzwert (FA+AF) ZU vergleichen und ba sierend auf einer eventuellen Abweichung einen Fehler anzuzeigen oder zu protokollieren.
5. Das System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit weiter dazu ausgebildet ist, solange Kontakt detek- tiert und ein Oberflächenbearbeitungsprozess durchgeführt wird, basierend auf der gemes senen Kraft (FM) und dem Schätzwert (FA+AF) die Prozessvalidität zu überprüfen und, so fern die Überprüfung fehlschlägt, mögliche Fehlerquellen zu ermitteln.
6. Das System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Zustandsbeobachter (160) dazu ausgebildet ist, den Schätzwert (FA+AF) basierend auf der Stellgröße (p) und auf weiteren Sensordaten betreffend den Zu stand des Linearaktors (153), insbesondere die Aktorauslenkung, zu ermitteln.
7. Ein Verfahren zum Steuern einer Handhabungsvorrichtung mit einem Linearaktor (154), der zwischen einem mit einem Manipulator verbindbaren ersten Flansch (102) und einem zweiten Flansch (101), an dem ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug montierbar ist, wirkt; das Verfahren umfasst folgendes:
Ansteuem des Linearaktors (153) mit einer Stellgröße (p), sodass dieser nach Maßgabe der Stellgröße (p) eine Kraft auf den zweiten Flansch (101) oder einen End anschlag ausübt;
Detektieren eines Kontakts zwischen dem Werkzeug und einer Oberfläche;
Messen - bei Kontakt zwischen Werkzeug und einer Oberfläche - einer von der Handhabungsvorrichtung auf das Werkzeug ausgeübten Kraft (FM) mit Hilfe eines Kraftsensors, der zwischen den zweiten Flansch (101) und das Werkzeug gekoppelt ist;
Ermitteln eines Schätzwerts (FA+AF) für die von der Handhabungsvorrich tung auf das Werkzeug ausgeübte Kraft (FM) basierend auf der Stellgröße (p);
Einstellen der Stellgröße (p) basierend auf dem Schätzwert (FA+AF) und ei nem Sollwert, solange kein Kontakt detektiert wird, und Einstellen der Stellgröße (p) ba sierend auf der gemessenen Kraft (FM) und dem Sollwert, solange ein Kontakt detektiert wird.
8. Das Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei beim Ermitteln des Schätzwertes (FA+AF) weitere Sensordaten be züglich den Zustand des Linearaktors (153), insbesondere eine Auslenkung des Linearak tors berücksichtigt werden.
9. Das Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei ein Kontakt zwischen dem Werkzeug und einer Oberfläche detektiert wird, wenn der Linearaktor sich von dem Endanschlag wegbewegt.
10. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei während eines Oberflächenbearbeitungsprozesses das Werkzeug die Oberfläche berührt, basierend auf dem ermittelten Schätzwert und weiter basierend auf der gemessenen Kraft (FM) die Validität des Oberflächenbearbeitungsprozesses geprüft wird, und ggf. bei Abweichungen zwischen der gemessenen Kraft (FM) und dem Schätzwert eine Fehlerursache ermittelt wird.
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