SE456977B - Robotutrustning foer utfoerande av en arbetsoperation paa ett objekt - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 456 977 - 2 mätorgan eller givare krävs för att säkerställa att arbetsoperationen ut- föres på rätt ställe på objektet.

Det är känt att för detta ändamål använda olika former av fasta lägesgivare, vilka avkänner objektets läge i en eller flera koordinater. Sådana givare måste i allmänhet ha ett relativt stort mätområde, och deras mätnoggrannhet blir därför ofta otillräcklig för att tillfredsställa de för arbetsoperatic- nen uppställda toleranskraven. Ofta är det också vid dylika givare av prak- tiska skäl nödvändigt att bestämma läget hos andra punkter hos objektet än de punkter i vilka arbetsoperationen skall utföras. Oundvikliga avvikelser mellan olika objekt i fråga om dimensioner och orientering kommer därvid att bidra till att precisionen hos arbetsoperationen kommer att bli otill- räcklig . ' Det är vidare känt att använda på robothanden eller på ett på handen monte- rat verktyg fast anbringade givare. Genom att en sådan givare med hjälp av roboten kan föras nära objektet behöver den endast ha ett litet mätområde och dess noggrannhet kan därför bli mycket hög. För att säkerställa att robothanden, givaren eller arbetsverktyget inte kolliderar med arbetsobjek- tet måste den sista delen av robotens rörelse i riktning mot objektet ut- föras med låg hastighet. Vid stora värden på de möjliga avvikelserna hos läge och dimensioner mellan olika objekt blir de sträckor som sålunda måste genomlöpas med låg hastighet relativt långa, och speciellt i de fall då mätning skall utföras i ett flertal olika punkter blir denna kända metod oacceptabelt långsam. Vid många arbetsoperationer har den för arbetsopera- tionen relevanta del, vars läge skall avkännas, så pass liten utsträckning att vid större lägesavvikelser hos objektet givaren helt missar den rela- vanta delen om inte mycket tidskrävande och komplicerade sökoperationer verkställs.

UPPFINNINGEN En robotutrustning enligt uppfinningen innefattar första avståndsgivare, anordnade att i fasta och kända lägen relativt roboten mäta avstånden mel- lan givarna och objektet. Utrustningen innefattar vidare på roboten anord- nade_andra avståndsgivare anordnade att mäta avstånden mellan givarna och objektet. Utrustningen har vidare beräkningsorgan anordnade att med ledning av de av de första givarna avkända avstânden göra en första bestämning av objektets läge relativt roboten. Vidare har utrustningen styrorgan anord- 10 15 20 25 30 3 456 977 nade att med ledning av det sålunda bestämda läget hos objektet styra roboten till förutbestämda lägen relativt objektet. En utrustning enligt uppfinningen har slutligen organ anrodnade att i dessa lägen, med ledning av de av de andra avståndsgivarna avkända avstånden, bestämma läget rela- tivt roboten hos ett flertal punkter hos objektet och att med ledning därav göra en andra bestämning av objektets läge relativt roboten.

Uppfinningen avser att åstadkomma - och med hjälp av uppfinningen åstad- kommes - en robotutrustning av inledningsvis angivet slag vid vilken en mycket snabb och exakt bestämning kan göras av läget hos de för arbets- operationen relevanta delarna av objektet även vid mycket stora avvikelser hos objektets läge och/eller dimensioner.

RITNINGSFIGURER Uppfinningen skall i det följande beskrivas i anslutning till ett utförings- exempel som avser montering av bakrutor på personbilar. Fig 1 visar en arbetsstation för monteringen, sedd uppifrån. Fig 2 visar arbetsstationen, sedd uppifrån, och de fasta avständsgivarna. Fig 3 visar arbetsstationen, sedd bakifrån, med vissa av de fasta givarna. Fig 4 visar arbetsstationen, sedd från sidan, med vissa av de fasta gívarna. Fig 5 visar givarna enligt uppfinningen och deras anslutning till robotens styrsystem. Fig 6 visar ett exempel på hur lägesbestämningen med hjälp av den på robothanden placerade givaren kan göras. Fig 7 visar ett flödesschema för arbetet hos robotens styrutrustning.

UTFÖRINGSEXEMPEL Som utföringsexempel på uppfinningen skall i det följande beskrivas en robot- utrustning för montering av bakrutor på en personbil. Arbetsobjektet 1 i fig 1 utgörs alltså i detta fall av en personbilskaross, vilken ankommer till arbetsstationen på t ex ett löpande band, vilket rör sig i pilens riktning.

Bakrutan skall placeras i den därför avsedda öppningen 2 hos karossen. En industrirobot 3 är fast placerad på arbetsstationen och har ett med sug- koppar försett och på robothanden anbringat gripverktyg 7. Vindrutorna H ankommmer till arbetsstationen med hjälp av t ex ett andra löpande band.

De är i förväg bestrukna med lim runt randen. Vid ankomsten till arbets- stationen fixeras deras läge och orientering noggrant med hjälp av en lämp- lig fixtur. Robotens styrsystem är i figuren betecknat med 5. Roboten kan 10 15 20 25 30 35 456 977 '* exempelvis vara av den typ - IRB 60/2 - som finns beskriven i ASEAs broschyr ck 09-110212. Robsten är företrädesvis sexaxlig för att få fun frihet vid injustering av rutans läge och orientering vid montering. Vid programmering av roboten körs roboten på känt sätt i tur och ordning till ett flertal punkter som definierar den önskade banan, varvid i varje punkt ytterligare instruktioner kan inlagras exempelvis för aktivering och deaktivering av gripverktyget 7. Vid automatisk körning följer roboten den programmerade banan och utför de inprogrammerade instruktionerna i de aktuella punkterna.

Styrsystemet är på känt sätt försett med s k adaptiv styrning, med vars hjälp en inprogrammerad bana kan parallellförskjutas i beroende av en signal från en givare. Styrsystemet är vidare försett med en koordinat- transformationsfunktion enligt de i ASEAs broschyr CK 09-1ü05 beskrivna principerna. Vid en dylik koordinattransformation kan t ex läget hos tre punkter hos ett föremål avkännas med hjälp av givare och jämföras med de inprogrammerade lägena för motsvarande punkter. Skillnaderna mellan de av- kända och inprogrammerade lägena definierar avvikelserna i läge och orien- tering hos objektet i relation till det läge och den orientering som förut- satts vid programmeringen av arbetsoperationen. Med ledning av dessa av- vikelser beräknas den~koordinattransformation som krävs för att den in- programmerade arbetsoperationen skall utföras på korrekt sätt även relativt ett objekt vars läge och orientering avviker från det läge och den oriente- ring som förutsatts vid programmeringen.

I fig 1 är även inritat det relativt robotens basplatta fasta koordinat- system som används i det följande. Systemets z-axel är riktad rakt uppåt från papperet.

Vid montering av rutan görs på det sätt som skall beskrivas i det följande en första lägesbestämning av karossen med hjälp av fasta avstândsgivare.

Med ledning av denna lägesbestämning görs därefter en andra; noggrannare lägesbestämning av vindruteöppningen med hjälp av en på robothanden an- bringad avståndsgivare. Med begreppet läge avses i det följande såväl en positionsbestämning i en eller flera frihetsgrader som en bestämning av orientering (vridning) i en eller flera frihetsgrader. En lägesbestämning kan alltså innebära en bestämning av 1-6 koordinater. Som framgår av det följande görs den första lägesbestämningen av karossen i fem frihetsgra- der, vilket är tillräckligt i den aktuella tillämpningen, medan läges- bestämningen av bakruteöppningen 2 görs i sex frihetsgrader. 20 25 30 35 s 456 977 Efter den andra lägesbestämningen är i princip den i figuren visade punkten Pm känd i sex koordinater. Denna punkt är så bestämd att när gripverktyget med vidhängande bakruta nått denna punkt befinner sig vindrutan N på exakt rätt läge i rutöppningen. För uppnående av ett definierat tryck vid lim- ningen kan lämpligen punkten Pm bestämmas så att vindrutan i denna punkt befinner sig något innanför öppningen 2. Gripverktyget utförs därvid med viss fjädring i en mot rutans plan vinkelrät riktning, och denna fjädring ger det önskade limtrycket.

Efter den första och den andra lägesbestämningen lagras koordinaterna för punkten Pm. Roboten programmeras att efter lägesbestämningarna gå till ett hämtaläge som betecknas med punkten Ph i fig 1, och denna punkt är så be- stämd att gripverktygets 7 sugkoppar gör kontakt med vindrutan H och kan hämta den. Roboten styrs därefter till punkten Pm varefter isättningen av rutan är klar, sugkopparna deaktiveras och roboten återgår till ett utgångs- läge.

Fig 2 visar arbetsstationen sedd uppifrån. Vidare visas de fem ultraljuds- givarna G1-G5. Givarna G1, G2, Gu och G5 är fast monterade på lämpliga ramar eller ställningar. Givaren G är som närmare visas i fig 4 anbringad på gripverktyget 7. Vid den förstaslägesbestämningen är roboten programme- rad att gå till ett fast läge i vilket givaren alltså befinner sig i en känd position och är så riktad att den mäter avståndet rakt framåt (i x-riktningen) mot den bakre takkanten hos karossen. Ultraljudsgivarna kan exempelvis utgöras av den av firma Conrad Ekengren AB, Lidingö, framställda givaren CONMESS.

Givarna G1 och G2 har sina avkänningsriktningar i y-axelns riktning medan givarna Gu och G5 mäter avståndet rakt nedåt. Fig 3 visar arbetsstationen sedd i x-riktningen samt hur givarna G1, G2, Gu och G5 är anordnade. I fig 3 visas vidare de tre punkter P1, P2 och P3 vilka används vid den nedan beskrivna andra lägesbestämningen, dvs den noggranna bestämningen av rut- öppningens position och orientering. Fig H visar arbetsstationen sedd i y-riktningen samt givarna Gu/G5 och G3. Som ovan nämnts är givaren G3 mon- terad;pâ robotens gripverktyg 7, vilket i det ovannämnda fasta mätläget är så orienterat att givaren mäter horisontellt rakt framåt mot karossens bakre takkant. I figuren visas även två sugkoppar 8, 9 av de för fasthåll- ning av vindrutan på gripverktyget anordnade sugkopparna. I figuren är ro- botens handled betecknad med IH och dess underarm med 13. 10 20 25 30 456 977 6 Genom att dubbla och på avstånd från varandra anbringade givare är anord- nade i y-led (G1, G2) och z-led (Gu, G5) kan karossens vridningsvinkel runt x- och z-axlarna bestämmas. Karossens avvikelse i vridningsled runt y-axeln är i det aktuella utföringsexemplet mindre och kan försummas.

Fig 5 visar de fem ultraljudsgivarna G1-G5, vilkas utsignaler y1, ya, x3, zu och z5 tillförs en beräkningsenhet 6. Denna kan lämpligen utföras av en på lämpligt sätt programmerad mikrodator, vilken på i och för sig trivialt sätt med ledning av de tillförda givarsignalerna, koordinaterna för givarnas kända lägen i det fasta koordinatsystemet samt karossens kända nominella dimensioner bestämmer läget hos den punkt P1 (se fig 3) i vilken den första delen av den noggranna lägesbestämningen av bakruteöppningen skall göras.

Koordinaterna för punkten P1 tillförs som börvärde till robotens styrsystem 5, vilket är programmerat att efter den första lägesbestämningen förflytta sig till punkten P1. 7 Styrsystemet 5 är via en signalförbindelse S förbundet med robotens olika axelservon. Roboten är schematiskt visad med sin bottenplatta 10, sin vrid- bara pelare 11, sin överarm 12, sin underarm 13 samt sin handled 1H och det vid handleden monterade gripverktyget 7 med sugkopparna 8 och 9. Vidare vi- sas i figuren den på gripverktyget 7 monterade avståndsgivare G6 som används för den noggranna lägesbestämningen av punkterna P1, P2 och P3 i fig 3.

Givaren är en med hjälp av s k optisk triangulering arbetande givare och kan exempelvis vara av den typ som finns beskriven i ASEAs broschyr CK 09- -1207S. Givaren bestämmer avståndet till en yta hos objektet, och det av givaren avkända avståndet betecknas med d. Utsignalen från denna givare tillförs robotens styrsystem 5.

Fig 6 visar schematiskt utförandet av lägesbestämningen i punkten P1 (se fis 3). I figuren är karossens 1 närmast vindruteöppningen 2 belägna del visad liksom - med streckade linjer - bakrutans H läge efter monteringen.

Efter den första lägesbestämningen med hjälp av de i fasta lägen anordnade ultraljudsgivarna är roboten programmerad att röra sig till ett sådant läge att givaren G6 befinner sig i punkten P1 och har den 1 figuren visade orien- teringen. Givaren belyser med hjälp av en utsänd ljusstråle r1 en punkt på karossytan och det från denna punkt reflekterade ljuset r2 êvkänfles av 10 15 20 25 30 35 1 ' 456 977 givaren för bestämning av avståndet d mellan givaren och karossytan. Efter att ha nått punkten P är roboten programmerad att förflytta givaren i riktning mot punkten QI1 till dess att avståndet mellan givaren och kaross- ytan nedgâtt till värdet do varvid rörelsen stoppas. Roboten är programme- rad att från denna punkt röra sig i riktning mot punkten P13 under konti- nuerlig avkänning av avståndet mellan givaren och karossplåten. På det i den nyssnämnda broschyren beskrivna sättet är roboten anordnad att avkänna en plötsligt uppträdande diskontinuitet 1 det uppmätta avståndet. Denna diskontinuitet uppträder när givaren nått punkten P1” och mätpunkten där- med nått punkten P Robotverktygets läge och orientering i punkten P1u 15' är kända liksom det i denna punkt avkända avståndet d vilket innebär att 1 f efter denna mätning läget hos vindruteöppningen i punkten P1 är noggrant känt i två mot varandra i huvudsak vinkelräta riktningar, nämligen P1-P11 och P12-P13.

Efter mätningen i punkten P1 är roboten programmerad att röra sig till och upprepa samma mätförfarande i punkterna P2 och P3 (se fig 3). Mätningarna i dessa tre punkter ger erforderligt underlag för den ovan nämnda och i ASEAs broschyr CK 09-IÅOS beskrivna koordinattransformation som transformerar om de för ett nominellt läge hos vindruteöppningen 2 inprogrammerade koordi- naterna för punkten Pm till de koordinater i sex frihetsgrader som ger bak- rutan rätt position och orientering vid montering i den aktuella karossen.

Fig 7 visar principiellt flödesschemat för det program som robotens styr- system har vid utförandet av den ovan beskrivna funktionen. Storheten "i" i fig 7 kan anta värdena 1, 2 eller 3. Programmet startas vid karossens ankomst till arbetsstationen, lämpligen med hjälp av en givare (icke visad i figurerna) som känner ankomsten av karossen. Roboten rör sig först till punkten P , vilken punkt betecknar det i fig N visade mätläget för bestäm- O ning av karossens läge med hjälp av ultraljudsgivaren G3. När roboten nått detta läge aktiveras givarna G1-G och beräkningsorganet 6 beräknar koordi- 5 naterna för punkten P1. I programmet sätts i = 1 och roboten rör sig till punkten P1 (se fig 6) och därefter vidare mot punkten P11. Så länge av- ståndet d understiger värdet do fortsätta rörelsen mot punkten P11. När d = do avbryts rörelsen och roboten börjar att röra sig i den inprogram- merade riktningen mot punkten P . På ovan beskrivet sätt avbryts denna 13 rörelse i punkten P1u och läget hos denna punkt samt det avkända avståndet d1 bestämmer läget hos punkten P15, vilket lagras. Därefter avkänns om i_= 3. 10 15 20 25 30 456 977 s Gm så inte är fallet sätts i = i +1 och roboten rör sig till den närmast i tur stående av punkterna P2 och P3.

När mätning gjorts i samtliga tre mätpunkter kan koordinaterna för punkten Pm i sex frihetsgrader bestämmas och lagras. Därefter är roboten programme- rad att röra sig till det i fig 1 visade hämtaläget Ph, där vindrutan grips, varefter roboten rör sig till punkten Pm och monteringen är klar. Efter de- aktivering av gripverktyget rör sig roboten till ett i figurerna icke visat utgångsläge Pu och monteringsförfarandet är avslutat.

ALTERNATIVA UTFÖRANDEN Ovan har endast en av ett stort antal möjliga utföringsformer och använd- ningar av en utrustning enligt uppfinningen beskrivits och ett stort antal andra utföringsformer och användningar är möjliga inom ramen för uppfin- ningen.

Sålunda behöver exempelvis givaren G3 inte vara anordnad på gripverktyget utan kan exempelvis vara fast monterad på arbetsstationen om detta låter sig göras utan att givaren utgör ett hinder för karossens förflyttning.

I det fall givaren är monterad på roboten behöver den inte heller vara monterad på gripverktyget 7 som ovan beskrivits utan kan exempelvis vara monterad på själva handleden eller eventuellt på robotens underarm 13.

De ovan beskrivna avståndsgivarna - ultraljudsgivare för den första av- ståndsbestämningen och en optisk trianguleringsgivare för den andra av- stândsbestämningen - har visat sig vara mycket lämpliga, men inom ramen för uppfinningen kan även avståndsgivare av andra typer användas.

Ovan har beskrivits en utrustning enligt uppfinningen använd enbart för montering av bakrutan hos en personbil. Lämpligen kan dock industri- roboten 3 i fig 3 användas både för montering av bakrutan och - vid tvâ- dörrars karosser - karossens högra bakre sidoruta. Lämpligen kan därvid ytterligare en industrirobotutrustming av samma slag anordnas med roboten vid karossens främre vänstra del. Denna robotutrustning kan då användas för montering av bilens vindruta och dess vänstra bakre sidoruta.

I den ovan beskrivna tillämpningen kan stora avvikelser förekomma hos karossens läge och orientering när den ankommit till arbetsstationen, och

Claims (1)

1. 0 9 456 977 likaså kan relativt. stora dimensionsavvikelser förekomma hos själva karos- sen. Av dessa skäl görs den ovan beskrivna första lägesbestämningen i fem frihetsgrader och den andra lägesbestämningen i sex frihetsgrader. Om läges-, orienterings- och dimensionsavvikelserna är mindre än i det ovan beskrivna fallet, åtminstone i någon riktning, kan eventuellt tillräcklig noggrann- het erhållas med färre givare än de ovan visade. Likaså kan, om så anses nödvändigt, även den första lägesbestämningen göras i sex frihetsgrader. Antalet mätpunkter för den andra lägesbestämningen är i det ovan beskrivna exemplet tre. I vissa tillämpningar kan eventuellt två mätpunkter vara till- räckliga och likaså kan inom ramen för uppfinningen fler mätpunkter än tre användas för höjande av noggrannheten. PATENTKRAV 1. Robotutrustning för utförande av en arbetsoperation på ett objekt (1). Utrustningen innefattar en industrirobot (3) samt mätorgan för bestämning av objektets läge relativt roboten. Utrustningen k ä n n e t e c n a s a v att den innefattar första avstândsgivare (G1-G5), anordnade att i fasta och kända lägen rela- tivt roboten mâta avstånden (y1-zs) mellan givarna och objektet, på roboten anordnade andra avståndsgivare (G6) anordnade att mäta avstånden mellan givarna och objektet, beräkningsorgan (6) anordnade att med ledning av de av de första givarna avkända avstånden göra en första bestämning av objektets läge relativt ro- boten, styrorgan (5) anordnade att med ledning av det sålunda bestämda läget hos objektet styra roboten till förutbestämda lägen (t ex P1) relativt objektet, organ (5) anordnade att 1 dessa lägen med ledning av de av de andra avstånds- givarna avkända avstånden bestämma läget relativt roboten hos ett flertal punkter (P1, P P3) hos objektet och att med ledning därav göra en andra 2! bestämning av objektets läge relativt roboten. 10 456 977 2. Robotutrustníng enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, 1/ att minst en av de första givarna (G3) är monterad på roboten, varvid organ (6) är anordnade att för den första lägesbestämningen styra roboten till ett fast läge. n 3. Robotutrustning enligt något av patentkraven 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a d därav, att den innefattar ett flertal första givare (t ex G1, G3, objektets läge i minst tvâ koordinater. Gu) anordnade med skilda avkänningsriktningar för bestämning av U. Robotutrustning enligt något av patentkraven 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a d därav, att de första givarna innefattar två givare (t ex Gu, G5) med i huvudsak samma avkänningsriktning (z) för bestämning av ob- jektets orientering. 5. Robotutrustning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att de andra givarna är anordnade att avkänna avstânden till punkter (P1, P2, P3) 1 anslutning till den för utförande av arbetsoperationen avsedda delen av objektet. 6. Robotutrustning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att den innefattar organ (6) anordnade att med ledning av det genom den andra lägesbestämningen erhållna läget hos objektet styra roboten till den punkt (Pm) där arbetsoperationen skall utföras. 7. Robotutrustning enligt patentkrav 2, vid vilken ett arbetsverktyg (7, 8, 9) är uppburet av roboten, k ä n n e t e c k n a d därav, att minst en av de första givarna (G3) är fast monterad på arbetsverktyget. 8. Robotutrustning enligt patentkrav 1, vid vilken ett arbetsverktyg (7, 8, 9) är uppburet av roboten, k ä n n e t e c k n a d därav, att minst en av de andra givarna (G6) är fast monterad på arbetsverktyget. 9. hwwwæmmgmnfipamwmvh kännetecknad fimn att den innefattar organ (6) anordnade att i minst ett av nämnda förut- ; bestämda lägen (t ex P1) styra roboten i riktning mot objektet utefter en första bana (Pio-P13) till dess att det av en av nämnda andra givare (G6) , avkända avståndet nedgått till ett förutbestämt värde (do), att därefter 11 456 977 styra roboten utefter en andra bana (P ), som bildar en vinkel med 12'P13 den första banan, under kontinuerlig mätning av avståndet samt att under rörelsen utefter den andra banan för bestämning av objektet; läge detek- tera en diskontinuitet (Pis) hos det uppmätta avståndet.