Einmessvorrichtung und Verfahren zum Einmessen eines Arbeitspunktes von Werkzeugen für Industrieroboter
Die Erfindung betrifft eine Einmessvorrichtung zum Einmessen eines Ar- beitspunktes von Werkzeugen für Industrieroboter sowie ein Verfahren zum Einmessen eine Arbeitspunktes von Werkzeugen für Industrieroboter mit einer solchen Messvorrichtung.
Industrieroboter haben zum Anfahren beliebiger Punkte innerhalb eines Ar~ beitsraums mehrere miteinander verbundene Arme, einen Handflansch am Ende des letzten Arms der miteinander verketteten Arme, und ein Werkzeug, das an den Handflansch angebracht ist. Das Werkzeug kann beispielsweise ein Greifer, ein Schweißkopf oder ähnliches sein.
Die Lage und Orientierung des Handflansches oder des Arbeitspunktes eines an den Handflansch angebrachten Werkzeugs kann in einem ortsfesten roboterunabhängigen Weltkoordinatensystem oder einem ortsfesten auf einen Verankerungspunkt des Industrieroboters bezogenen Basiskoordinatensystem erfolgen. Die Beschreibung der Lage der Freiheitsgrade, d. h. der Achsen und der Handorientierung erfolgt hingegen in Roboterkoordinaten, wobei ausgehend von der Grundachse des Roboters, d. h. des Basiskoordinatensystems, für jeden Arm ein Achsen-Roboterkoordinatensystem definiert ist, das die relative Lage jeder Achse bezogen auf ihre vorgehende Achse beschreibt. Der Zusammenhang der Achsen- Roboterkoordinatensysteme eines Industrieroboters wird durch definierte Koordinatentransformationen beschrieben. Durch Vorgabe der Lage und der
Orientierung des Handflansch oder des Arbeitspunktes eines Werkzeugs im Weltkoordinatensystem können somit durch Koordinatentransformation die Achsen-Roboterkoordinaten berechnet werden, um die einzelnen Achsen des Industrieroboters ansteuern zu können.
Die Lage eines Arbeitspunktes eines Werkzeuges, das an den Handflansch des Industrieroboters angebracht wird, wird durch sogenannte TCP- Lagekoordinaten beschrieben. Die Programmierung des Industrieroboters erfolgt auf der Basis des Handflanschs und der festgelegten TCP- Lagekoordinaten. Die TCP-Lagekoordinaten werden bei jedem Werkzeug mitgeliefert und sind als Tool-Center-Point (TCP) bekannt. Die TCP- Lagekoordinaten sind ebenso wie die Achsen-Roboterkoordinaten jeweils ein Vektor mit sechs Dimensionen. Die ersten drei Koordinaten definieren die Lage des Arbeitspunktes relativ zu dem Werkzeugbasispunkt des Indu- strieroboters, d. h. des Befestigungspunktes des Werkzeugs an dem Handflansch. Die anderen drei Koordinaten definieren die Orientierung der Achsen des Arbeitspunktes relativ zu dem Werkzeugbasispunkt.
Der Arbeitspunkt des Werkzeugs kann beispielsweise die Spitze eines Schweißkopfes sein. Nur wenn die TCP-Lagekoordinaten exakt bekannt sind, kann der Arbeitspunkt des Werkzeugs präzise verfahren werden.
Im Betrieb kann sich der Arbeitspunkt des Werkzeugs jedoch durch Werkzeugverschleiß, Verbiegung etc. ändern, was zu einer fehlerhaften Positio- nierung des Arbeitspunktes des Werkzeugs führt.
Es besteht daher die Notwendigkeit den Arbeitspunkt von Werkzeugen hochgenau einzumessen.
In der EP 0 417 320 A1 ist ein Verfahren zum Einmessen des Arbeitspunktes (TCP) des Werkzeuges eines Industrieroboters beschrieben, bei dem ein Einstellpunkt an dem Handflansch des Roboterarms festgelegt ist, wobei die Position des Einstellpunktes relativ zu dem Handflansch bekannt ist. Weiterhin ist eine Referenzspitze im Arbeitsraum des Industrieroboters aufgestellt. Zum Einmessen des Arbeitspunktes wird die Spitze des Werkzeugs auf die Referenzspitze aufgesetzt und die Position und Orientierung der Werkzeugspitze in einem Basiskoordinatensystem bestimmt. Dann wird der Einstellpunkt des Handflansches auf die Referenzspitze aufgesetzt und die Position und Orientierung des Einstellpunktes in dem Koordinatensystem des Handflansches bestimmt. Zudem wird die Position und Orientierung der Referenzspitze in dem Bezugskoordinatensystem bestimmt und aus den drei Matrizen eine Transformationsmatrix zur Bezeichnung der TCP- Lagekoordinaten des Arbeitspunktes des Werkzeuges berechnet.
Das Einmessen erfordert einen mehrstufigen Verfahr- Vorgang sowie Koordinatentransformationen.
Aus dem US-Patent 6,352,354 B1 ist ein Lichtpunktelement zur Erzeugung eines Lichtpunktsignals an einem Arbeitspunkt eines Industrieroboter- Werkzeugs beschrieben. Hierdurch kann die genaue Position des Werkzeugs während einer Lernphase beschrieben werden.
In dem US-Patent 5,929,584 ist ein Verfahren zum Einmessen eines Ar- beitspunktes von Werkzeugen mit einem Kalibrierblock beschrieben, der vertikale und horizontale Flächen hat. Durch Bewegung des Werkzeugs von einer Startposition bis zu einem Berührungspunkt des Werkzeugs an einer der Flächen und Zurückfahren des Werkzeugs zum Startpunkt und Wiederholen des Vorgangs für die andere Fläche werden die TCP-Lagekoordinaten des Arbeitspunktes berechnet. Hierzu ist nachteilig eine aufwändige Koor-
dinatentransformation von dem Bezugskoordinatensystem über die einzelnen Roboterkoordinaten bis zu dem Handflansch erforderlich, um aus den Bezugskoordinaten die TCP-Lagekoordinaten im TCP-Koordinatensystem zu ermitteln.
Aufgabe der Erfindung war es, eine verbesserte Einmessvorrichtung zum Einmessen eines Arbeitspunktes von Werkzeugen für Industrieroboter sowie ein Verfahren hierzu zu schaffen, um im Betrieb präzise und schnell den Arbeitspunkt von Werkzeugen einmessen zu können.
Die Aufgabe wird mit der gattungsgemäßen Einmessvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einmessvorrichtung mehrere sich in einem Referenz-Kreuzungspunkt kreuzende Lichtschranken hat.
Im Unterschied zu den herkömmlichen Kalibrierblöcken mit horizontalen und vertikalen Flächen kann eine solche Einmessvorrichtung mit Gabellichtschranken relativ klein und leicht aufgebaut und fest im Arbeitsraum des Industrieroboters montiert werden. Im Betrieb kann der Arbeitspunkt des Werkzeugs, in der Regel die Werkzeugspitze, in den Referenz- Kreuzungspunkt der Lichtschranken gefahren werden, um die TCP- Lagekoordinaten (Tool-Center-Point-TCP) neu einzumessen.
Hierzu hat die Lichtschrankenmesseinrichtung vorzugsweise einen auf einer Seite offenen Rahmen mit zwei voneinander beabstandeten parallelen Schenkeln. Mindestens im Bereich des vorderen und hinteren Endes der
Schenkel ist jeweils ein Sender und Empfänger für zwischen den Schenkeln zu dem Rahmen ausgerichtete Lichtschranken vorgesehen. Das Werkzeug kann somit in diese U-förmige Einmessvorrichtung hineingefahren und solange dort verfahren werden, bis der Arbeitspunkt, d. h. die Werkzeugspitze des Werkzeuges den Referenz-Kreuzungspunkt passiert und beide Licht-
schranken unterbrochen sind und demzufolge ein Schaltsignal abgeben. Dann werden die TCP-Lagekoordinaten ermittelt.
Die Lichtschranken sind vorzugsweise als Infrarot-Lichtschranken ausge- führt.
Das Einmessen des Arbeitspunktes erfolgt vorzugsweise mit den Schritten:
a) Festlegen der TCP-Lagekoordinaten des Arbeitspunktes des Werk- zeuges bezogen auf einen Werkzeugbasispunkt des Industrieroboters und eines auf den Arbeitspunkt bezogenen TCP-Koordinatensystems,
b) Verfahren des Werkzeuges mit Bezug auf das TCP- Koordinatensystem solange, bis der Arbeitspunkt des Werkzeuges in dem Referenz-Kreuzungspunkt der Lichtschrankenmesseinrichtung liegt,
c) Korrigieren der TCP-Lagekoordinaten um die Differenz zwischen den festgelegten TCP-Lagekoordinaten und der beim Verfahren des Werk- zeuges in Bezug auf das TCP-Koordinatensystem unmittelbar im TCP-
Koordinatensystem vorliegenden Lage des Arbeitspunktes in dem Referenz-Kreuzungspunkt.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, das Werkzeug in Bezug auf das TCP-Koordinatensystem zu verfahren, d. h. die Steuerung erfolgt nicht wie herkömmlich auf der Basis des Weltkoordinatensystems oder Basiskoordinatensystems des Industrieroboters, sondern unmittelbar mit Bezug auf TCP-Koordinatensystem. Das TCP-Koordinatensystem hat in der Regel seinen Ursprung im Arbeitpunkt, beispielsweise der Messspitze des Werk-
zeugs, und eine Orientierung in Richtung des Werkzeugbasispunktes, beispielsweise des Befestigungspunktes des Werkzeugs an dem Handflansch.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die Steuerungsposition des Industriero- boters unmittelbar auf das TCP-Koordinatensystem bezogen ist und ohne weitere Transformationen die Verschiebung des Arbeitspunktes relativ zu den vorher festgelegten TCP-Lagekoordinaten des Arbeitspunktes bestimmt werden kann. Es wird somit die Verschiebung des Referenz -Kreuzungspunktes bezogen auf den Ursprung des TCP-Koordinatensystems bestimmt, wobei der Ursprung des TCP-Koordinatensystems in der Regel den Arbeitspunkt eines neuwertigen Werkzeuges beschreibt. Die TCP- Lagekoordinaten können somit unmittelbar ohne weitere Transformation zur Korrektur der vorher festgelegten TCP-Lagekoordinaten verwendet werden.
Diese Vorgehensweise führt einerseits dazu, dass zum Einmessen lediglich ein einfacher Referenz-Kreuzungspunkt im Arbeitsraum des Industrieroboters definiert werden muss. Die Einmessvorrichtung kann somit relativ einfach im Vergleich zu einem Kalibrierblock aufgebaut werden. Zudem ermöglicht das Verfahren das schnelle und einmalige Anfahren des Referenz- Kreuzungspunktes durch die Werkzeugspitze, um eine Korrektur der TCP- Lagekoordinaten bei Verschleiß, Verbiegung oder ähnliches des Werkzeuges vorzunehmen. Dies wird auf einfache Weise nur dadurch erreicht, dass das Werkzeug zum Einmessen im TCP-Koordinatensystem geführt wird. Der Ursprung des TCP-Koordinatensystems, d. h. der Arbeitspunkt des Werk- zeugs wird auf dem früher festgelegten Arbeitspunkt stationär gehalten und es werden somit die Basiskoordinaten des Referenz-Kreuzungspunktes der Lichtschrankenmesseinrichtung in Bezug auf den früher festgelegten Arbeitspunkt vermessen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Einmessvor- richtung mit zwei sich kreuzenden Lichtschranken;
Figur 2 - Draufsicht auf die Einmessvorrichtung nach Figur 1 ;
Figur 3 - Skizze eines Industrieroboters mit mehreren Armen und Basis- koordinatensystem sowie Achsenkoordinatensystemen;
Figur 4 - Skizze der Verlagerung des Arbeitspunktes eines Werkzeugs nach Verschleiß in Bezug auf ein TCP-Koordinatensystem.
Die Figur 1 lässt eine erfindungsgemäße Einmessvorrichtung 1 in perspektivischer Ansicht erkennen. Die Einmessvorrichtung 1 hat einen auf einer Seite offenen Rahmen 2 mit zwei voneinander beabstandeten parallelen Schenkeln 3a, 3b. Die Einmessvorrichtung 1 ist somit U-förmig. Die Schenkel 3a, 3b sind integral mit einer Halteplatte 4 verbunden, mit der die Ein- messvorrichtung 1 ortsfest in dem Arbeitsraum des Industrieroboters montiert werden kann.
In den Schenkeln 3a, 3b sind diagonal hierzu ausgerichtete Lichtschranken 5a, 5b vorgesehen, die sich in einem Referenz-Kreuzungspunkt R im Zwi- schenraum zwischen den Schenkeln 3a, 3b treffen. Hierzu ist jeweils ein Sender 6 und ein Empfänger 7 pro Lichtschranke 5a, 5b an einem vorderen Ende eines ersten Schenkels 3a und am hinteren Endes des anderen Schenkels 3b für die erste Lichtschranke 5a bzw. an dem hinteren Ende des ersten Schenkels 3a und dem vorderen Ende des zweiten Schenkels 3b für die zweite Lichtschranke 5b angebracht. Auf diese Weise wird eine Ga-
bellichtschranke geschaffen, die vorzugsweise als Infrarot-Lichtschranke ausgebildet ist.
Die Figur 2 lässt die Einmessvorrichtung 1 in der Draufsicht erkennen. Es wird deutlich, dass die Lichtschranken 5a, 5b diagonal zwischen den
Schenkeln 3a und 3b verlaufen und sich im Zwischenraum der Schenkel 3a, 3b in einem Referenz-Kreuzungspunkt R treffen.
Ein Arbeitspunkt TCP eines Werkzeugs für einen Industrieroboter, bei- spielsweise die Werkzeugspitze, wird zum Einmessen des Arbeitspunktes TCP so verfahren, dass der Arbeitspunkt TCP in dem Referenz- Kreuzungspunkt R der Einmessvorrichtung 1 liegt. In diesem Falle sind beide Lichtschranken 5a, 5b durch die Werkzeugspitze unterbrochen, so dass ein Schaltsignal erzeugt wird.
Das Einmessverfahren wird im Folgenden näher erläutert.
Die Figur 3 lässt eine Skizze eines Industrieroboters 8 erkennen. Ein Industrieroboter 8 hat ein Basiskoordinatensystem O0 oder Weltkoordinatensy- stem, das ortsfest in Bezug auf das Fundament des Industrieroboters 8 ausgerichtet ist. An dem Sockel 9 befindet sich eine Kette von über Gelenke 10 miteinander verbundene Arme 1 1. Für jeden dieser Arme 1 1 ist ein Achsen-Koordinatensystem Öx , Ö2 , Ö3 definiert, mit dem Position und Orientierung des jeweiligen Endes des entsprechenden Arms 1 1 in Bezug auf das zugeordnete Gelenk 10, mit der Arm 1 1 mit dem vorhergehenden Arm 1 1 verbunden ist, beschreibt.
An dem Ende der Kette von Armen 1 1 befindet sich eine Handfläche 12, an die das Werkzeug 13 angebracht ist.
Für das Werkzeug 13 ist ein TCP-Koordinatensystem Öτcp festgelegt, das einen Ursprung in dem Arbeitspunkt TCP des Werkzeugs hat. Für das Werkzeug 13 werden auf der Basis dieses TCP-Koordinatensystems OTCP TCP-Lagekoordinaten bereitgestellt, die die Position und Orientierung des Arbeitspunktes TCP in Bezug auf den Werkzeugbasispunkt W am Handflansch 12, d. h. in Bezug auf den Befestigungspunkt des Werkzeugs 13 an dem Industrieroboter 8 definiert.
Um die TCP-Lagekoordinaten im Betrieb bezogen auf den Werkzeugbasispunkt W des Industrieroboters 8 schnell und mit geringen Rechenaufwand einmessen zu können, wird erfindungsgemäß die Werkzeugspitze des Werkzeugs 13 in den Referenz-Kreuzungspunkt R der ortsfest montierten Einmessvorrichtung 1 auf der Basis des TCP-Koordinatensystems Öτcp ver- fahren. Es erfolgt somit eine auf den Arbeitspunkt TCP bezogene Interpolation des Verfahrweges beim Führen des Werkzeugs 13 durch den Industrieroboter 8. Der Ursprung des TCP-Koordinatensystems Öτcp wird hierbei stationär in Bezug auf die festgelegten TCP-Lagekoordinaten des Arbeitspunktes TCP gehalten. Aus dem Verfahrweg kann direkt die Verschie- bung des Arbeitspunktes TCP bei Verschleiß oder Verbiegen des Werkzeugs 13 in den TCP-Koordinaten bestimmt werden. Es wird also quasi eine Verschiebung des Referenz-Kreuzungspunktes R in Bezug auf einen ursprünglichen Referenz-Kreuzungspunkt RTCP bestimmt. Damit entfällt die Notwendigkeit, aufwändige Koordinatentransformationen durchzuführen und es braucht lediglich wie in einem Schritt der Referenz-Kreuzungspunkt R angefahren werden.
Die Figur 4 lässt das Werkzeug 13 mit dem TCP-Koordinatensystem ÖTCP erkennen, dass seinen Ursprung im Arbeitspunkt TCP des Werkzeugs 13
hat. Für den Fall der skizzierten Verkrümmung des Werkzeuges verlagert sich der Arbeitspunkt TCPT in Bezug auf den vorher festgelegten ursprünglichen Arbeitspunkt TCP0. Die TCP-Lagekoordinaten sind um diese Verschiebung ΔTCP0 = TCP TCP0 ZU korrigieren. Da erfindungsgemäß die Steuerung des Industrie-Roboters 8 in Bezug auf das TCP-Koordinatensystem Öτcp erfolgt, wird die Differenz zwischen den ursprünglich festgelegten TCP- Lagekoordinaten TCP0 und die Lage des neuen Arbeitspunktes lCP eines verschlissenen Werkzeugs 13 unmittelbar ermittelt.