Verfahren und Hilfsvorrichtung zum Einmessen einer robotergeführten optischen Messanordnung
Die Erfindung betrifft eine Hilfsvorrichtung und ein Verfahren zum Einmessen einer optischen Messanordnung mit einem an einem Abstandshalter befestigten optischen Sensor, insbesondere einer optischen Messanordnung zur Verwendung an einem Industrieroboter .
Aus der US 6 321 137 Bl ist ein robotergeführter optischer Sensor bekannt, mit Hilfe dessen im Produk ionsu feld Werkstücke, beispielsweise Fahrzeugkarosserien, an einem oder mehreren Messbereichen vermessen werden können. Der optische Sensor ist an der Roboterhand befestigt und wird mit Hilfe des Roboters in ausgewählten Messbereichen gegenüber dem Werkstück positioniert. Die Verwendung eines optischen Sensors als Messmittel hat den Vorteil, dass ein solche Sensor berührungslos isst und sich daher gegenüber einem taktilen Sensor durch eine wesentlich höhere Messgeschwindigkeit und eine geringere Schwingungsempfindlichkeit auszeichnet. Dadurch sind schnelle und robuste Messungen im Produktionsumfeld möglich. Eine Positionierung des optischen Sensors mit Hilfe eines Roboters hat den zusätzlichen Vorteil einer hohen Flexibilität und reduzierter Kosten; weiterhin lassen sich mit Hilfe der Roboterpositionierung eine gute Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Messergebnisse erreichen.
Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass vor dem eigentlichen Messbetrieb eine hochgenaue Kalibrierung des Gesamtsystems - bestehend aus Roboter und optischem Sensor - durchgeführt wird. Hierbei wird in der Regel zunächst der Roboter kalibriert, indem seine Achsenfehler ermittelt und mit Hilfe der Steuerung kompensiert werden. Weiterhin wird das optische Sensorsystem kalibriert, wobei Fehler der Sensoroptik kompensiert und die Lage des Sensorkoordinatensystems gegenüber einem äußeren Bezugspunkt, beispielsweise dem Sensorgehäuse, ermittelt wird. Schließlich ist es notwendig, den Bezug zwischen der Lage des Sensorkoordinatensystems und der Lage des Roboterkoordinatensystems herzustellen, um die Lage von Mess- punkten des Sensors im Roboterkoordinatensystem ermitteln zu können.
In der US 6 321 137 Bl wird hierzu vorgeschlagen, den optischen Sensor mit Hilfe des Roboters in unterschiedliche Raumpositionen gegenüber einem Referenzkörper zu bewegen und aus den in diesen Raumpositionen gewonnenen Sensormessdaten des Referenzkörpers eine Kalibration des Gesamtsystems durchzuführen. Erfahrungsgemäß kann jedoch auf diese Weise eine nur verhältnismäßig geringe Genauigkeit erzielt, die für viele Anwendungen im Produktionsfeld, insbesondere für Messungen an Fahrzeug- Roh-) Karosserien, nicht ausreicht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Hilfsvorrichtung vorzuschlagen, mit deren Hilfe eine robotergeführte optische Messanordnung schnell, einfach und mit hoher Genauigkeit eingemessen werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst .
Danach wird zum Einmessen der optischen Messanordnung, die einen optischen Sensor und einen Abstandshalter zur Befestigung an einer Roboterhand umfasst, eine Hilfsvorrichtung mit einer Grundplatte verwendet, auf der die optische Messanordnung reproduzierbar befestigt werden kann. Die Hilfsvorrichtung weist ein Sensortarget auf, das in einer solchen Weise gegenüber der Grundplatte angeordnet ist, dass es in Zusammenbaulage der optischen Messanordnung mit der Hilfsvorrichtung im Messraum des optischen Sensors liegt. Die auf der Hilfsvorrichtung befestigte optische Messanordnung wird unter Verwendung eines weiteren (optischen oder taktilen) Messsystems eingemessen, indem einerseits mit Hilfe dieses weiteren Messsystems die Raumlage des Sensortargets ermittelt wird, andererseits mit Hilfe der optischen Messanordnung Messungen des Sensortargets durchgeführt werden. Aus diesen Messungen wird die Raumlage des Sensorkoordinatensystems der optischen Messanordnung berechnet .
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird mit Hilfe des weiteren Messsystem die Raumlage des Sensortargets gegenüber der Grundplatte ermittelt, so dass die mit Hilfe der optischen Messanordnung gewonnenen Messdaten des Sensortargets verwendet werden, um die Raumlage des Sensorkoordinatensystems relativ zur Grundplatte (und somit relativ zur Roboterhand) zu berechnen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind auf dem Abstandshalter und/oder dem Sensorgehäuse der optischen Messanordnung Messmarken vorgesehen. Mit Hilfe des weiteren Messsystems wird die Raumlage des Sensortargets gegenüber diesen Messmarken ermittelt. Die unter Verwendung der optischen Messanordnung gewonnenen Messdaten des Sensortargets werden dann verwendet, um die Raumlage des Sensorkoordinatensystems relativ zu den Messmarken zu berechnen.
Diese Messmarken sind beispielsweise durch Stahlkugeln gebildet, deren Mittelpunkte mit Hilfe eines taktilen Messmittels, insbesondere durch den Messfühler einer Koordinatenmessma- schine, mit hoher Genauigkeit ermittelt werden können. Alternativ können die Messmarken durch Retroreflektoren gebildet sein, was eine hochgenaue Messung der Position dieser Messmarken mit Hilfe eines Lasertrackers ermöglicht. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Messmarken Retroreflektorkugeln, was sowohl eine taktile als auch eine optische Messung der Positionen dieser Messmarken gestattet. Zweckmäßigerweise sind diese Kugeln in einer solchen Weise lösbar an der optischen Messanordnung befestigt, dass sie (während des Messbetriebs) entfernt werden können, aber für das Einmessen bzw. für Kalibrations- und Überprüfungsmessung in hochgenau reproduzierbarer Weise an der optischen Messanordnung angebracht werden können.
Durch eine geeignete Anordnung der Messmarken kann die Raumlage des Sensorkoordinatensystems gegenüber den Messmarken mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Dies gestattet eine hochgenaue Kalibrierung des Messbereichs des optischen Sensors gegenüber der Roboterhand. Weiterhin können die Messmarken verwendet werden, um - beispielsweise mit Hilfe eines Lasertrackers - die Raumlage der an der Roboterhand befestigten optischen Messanordnung relativ zum Roboterkoordinatensystem mit hoher Genauigkeit zu ermitteln und auf diese Weise die Fehler bzw. Ungenauigkeiten bei der Transformation der Sensormesswerte in das Roboterkoordinatensystem zu detektieren bzw. zu kompensieren.
Die für das Einmessen verwendete Hilfsvorrichtung kann klein, handlich und robust gestaltet werden und kann daher einerseits in einem (taktil messenden) Koordinatenmessgerät ver-
wendet werden, um die Lage des Sensorkoordinatensystems relativ zu den Messmarken zu ermitteln; sie kann andererseits im Fabrikumfeld eingesetzt werden, um die Kalibration der optischen Messanordnung turnusmäßig zu überprüfen. Insbesondere eignet sich die Hilfsvorrichtung für das Einmessen und die Überprüfung unterschiedlicher optischer Sensoren.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer robotergeführten optischen Messanordnung; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung zum Einmessen der optischen Messanordnung der Figur 1;
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Messanordnung 1 mit einem optischen Sensor 2, der an einem Abstandshalter 3 befestigt ist. Der Abstandshalter 3 weist einen Flansch 4 auf, mit Hilfe dessen die optische Messanordnung 1 an einer Roboterhand 5 eines mehrachsigen Manipulators, insbesondere eines sechsachsigen Industrieroboters 6, montiert ist. Zur Speicherung und Auswertung der Messdaten des optischen Sensors 2 ist eine Auswerteeinheit 7 vorgesehen. Der Roboter 6 ist an eine Robotersteuereinheit 8 zur Bewegungssteuerung der Roboterhand 5 angeschlossen. Vor dem Messbetrieb wird der Roboter 6 kalibriert, indem seine Achsenfehler ermittelt und mit Hilfe der Steuereinheit 8 kompensiert werden.
Im Messbetrieb werden mit Hilfe des optischen Sensors 2 Messwerte eines Messobjekts 9 gewonnen, wobei diese Messwerte in einem (mit der optischen Messanordnung 1 mitbewegten) Sensorkoordinatensystem 10 erzeugt werden. Um die Messwerte in ein
raumfestes Roboterkoordinatensystem 11 oder ein Koordinatensystem 12 des Messobjekts 9 transformieren zu können, muss die Raumlage des Sensorkoordinatensystems 10 im Roboterkoordinatensystem 11 in Abhängigkeit von der Bewegung der Roboterhand 5 bekannt sein. Hierzu ist es notwendig, die optische Messanordnung 1 „einzumessen" .
Hierzu wird die in Figur 2 gezeigte Hilfsvorrichtung 13 verwendet. Sie weist eine Grundplatte 14 auf, an der der Flansch 4 der optischen Messanordnung 1 vorteilhafterweise in einer solchen Weise befestigt werden kann, dass eine hochgenau reproduzierbare Lage und Ausrichtung der optischen Messanordnung 1 gegenüber der Hilfsvorrichtung 13 gewährleistet ist . Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Flansch 4 mit Hilfe mehrerer Bolzen 15 an der Grundplatte 14 angeschraubt.
Auf der Hilfsvorrichtung 13 ist ein Sensortarget 16 in einer solchen Weise angeordnet, dass es sich in einem Messvolumen 17 des optischen Sensors 2 befindet. Das Sensortarget 16 weist geometrische Merkmale 18,19 auf, die eine schnelle und hochgenaue Berechnung der Lage und Ausrichtung des Sensors 2 gegenüber dem Sensortarget 16 gestatten. Diese geometrischen Merkmale 18,19 sind auf das Messprinzip des optischen Sensors 2 abgestimmt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der optische Sensor 2 in der Lage, einerseits (mit Hilfe des Licht- schnittverfahrens) dreidimensionale Messpunkte zu erzeugen, andererseits (mit Hilfe einer Graubildauswertung) zweidimen- sionale Merkmale zu erkennen. In diesem Fall umfasst das Sensortarget 16 - wie in Figur 2 angedeutet - eine oder mehrere Höhenstufen 18 (deren Raumlage mit Hilfe des Lichtschnittverfahrens gemessen werden kann) . Weiterhin umfasst das Sensortarget 16 mehrere kreisförmige Messmarken 19, insbesondere Bohrungen (deren Mittelpunkte durch Bildverarbeitung der Graubilder berechnet werden können) . Auf diese Weise kann mit
hoher Genauigkeit die Raum- und Winkellage des Sensortargets 16 im Sensorkoordinatensystem 10 ermittelt werden; daraus kann die Lage des Sensorkoordinatensystems 10 gegenüber einem fest mit der Hilfsvorrichtung 13 verbundenen Koordinatensystem 20 berechnet werden.
Im folgenden wird das Einmessen der optischen Messanordnung 1 beschrieben:
Nach der Befestigung der optische Messanordnung 1 auf der Grundplatte 14 der Hilfsvorrichtung 13 werden mit Hilfe des Sensors 2 Messungen des Sensortargets 16 durchgeführt, aus denen die Raumlage des Sensorkoordinatensystems 10 (auch TCP = Tool Center Point genannt) gegenüber dem Sensortarget 16 ermittelt wird.
Um aus diesen Messungen die Raumlage des Sensorkoordinatensystems 10 relativ zur Grundplatte 14 (und somit relativ zur Anflanschstelle an die Roboterhand 5) bestimmen zu können, muss die Raumlage des Sensortargets 16 in dem Koordinatensystem 20 der Hilfsvorrichtung 13 hochgenau bekannt sein. Hierzu wird die Lage des Sensortargets 16 auf der Hilfsvorrichtung 13 in einem Koordinatenmessgerät - insbesondere mit Hilfe eines taktilen Messfühlers 21 - vermessen. Diese Messung kann zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, bevor die optische Messanordnung 1 an der Hilfsvorrichtung 13 befestigt wird; dies hat den Vorteil einer optimalen Zugänglichkeit. Durch taktile Messung des Sensortargets 16 und (beispielsweise) der Lage und Ausrichtung der Grundplatte 14 wird dabei die Lage des Sensortargets 16 gegenüber dem in der Grundplatte 14 der Hilfsvorrichtung 13 verankerten Koordinatensystem 20 ermittelt. Wenn die Grundplatte 14 identisch zur Roboterhand 5 gestaltet ist, kann aus einer Kombination der (durch die optische Messung des Sensors 2 gewonnenen) Raumlage des Sensor-
targets 16 im Sensorkoordinatensystem 10 und der (durch die taktile Messung des Messfühlers 21 gewonnenen) Raumlage des Sensortargets 16 im Koordinatensystem 20 der Grundplatte 14 eine Transformation berechnet werden, durch die - nach einem Anflanschen der optischen Messanordnung 1 an die Roboterhand 5 des kalibrierten Industrieroboters 6 - die mit Hilfe des optischen Sensors 2 gewonnenen Messdaten in das Roboterkoordinatensystem 11 überführt werden.
Anstelle des soeben beschriebenen Verfahrens, bei dem die Raumlage des Sensortargets 16 gegenüber der Grundplatte 14 ermittelt wird, kann die Raumlage des Sensortargets 16 gegenüber Messmarken 22 ermittelt werden, die auf der (während des Einmessens auf der Halterung 13 fixierten) optischen Messanordnung 1 vorgesehen sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind diese Messmarken 22 durch Stahlkugeln 23 gebildet, die auf dem Abstandshalter 3 und dem Gehäuse 2' des optischen Sensors 2 befestigt sind. Zur Befestigung der Metallkugeln 23 sind am Abstandshalter 3 und am Sensorgehäuse 2' Gewindebohrungen 24 vorgesehen, in die sogenannte „Nester" 25 eingeschraubt werden. Die „Nester" 25 sind als Ringscheiben ausgestaltet, in die die Stahlkugeln 23 in einer hochgenau definierten Lage reproduzierbar eingelegt werden können. Die „Nester" 25 sind mit Magnetelementen versehen, so dass die Stahlkugeln 23 - unabhängig von der räumlichen Ausrichtung der „Nester" 25 - sicher in den „Nestern" 25 fixiert und gehalten werden. In der Darstellung der Figur 2 sind nur einige Gewindebohrungen 24 mit „Nestern" 25 bestückt, und nur einige dieser „Nester" 25 sind mit darin fixierten Stahlkugeln 23 dargestellt. Wie der Fachmann weiß, hat die Zahl und Lage der Messmarken 22 einen großen Einfluss auf die Genauigkeit, mit der die räumliche Lage des Sensortargets 16 gegenüber der Hilfsvorrichtung 13 (bzw. der auf der Hilfsvorrichtung 23 fixierten optischen Messanordnung 1) bestimmt werden
kann. Eine sorgfältige Wahl der Messmarken 22 ist daher entscheidend für die Qualität des Einmessergebnisses.
Das Einmessen der auf der Hilfsvorrichtung 13 fixierten optischen Messanordnung 1 umfasst nun - zusätzlich zu der oben beschriebenen optischen Messung des Sensortargets 16 durch den Sensor 2 - eine taktile Messung des Sensortargets 16 und der Messmarken 22 auf Abstandshalter 3 und Sensorgehäuse 2 ' durch das Koordinatenmessgerät , dessen Messfühler 21 die Stahlkugeln 23 von unterschiedlichen Seiten antastet und aus den dabei gewonnenen Messdaten die Lage der Kugelmittelpunkte 26 berechnet. Aus einer Kombination der optischen Messungen des Sensortargets 16 durch den Sensor 2 und der taktilen Messungen des Sensortargets 16 und der Stahlkugeln 23 durch den Messfühler 21 kann die Lage des Sensorkoordinatensystems 10 relativ zu den Kugelmittelpunkten 26 hochgenau bestimmt werden. Wird die optische Messanordnung 1 nun an die Roboterhand 5 angeflanscht, so kann aus einer Messung der Raumlagen der Stahlkugeln 23 im Roboterkoordinatensystem 11 hochgenau auf die Lage des Sensorkoordinatensystems 10 relativ zum Roboterkoordinatensystem 11 rückgeschlossen werden.
Um eine solche Messung der Raumlagen der Stahlkugeln 23 im Fabrikumfeld durchführen zu können, ist es vorteilhaft, die Stahlkugeln 26 mit Retroreflektoren 27 zu versehen; solche Retroreflektoren 27 gestatten eine hochgenaue Positionsbestimmung mit Hilfe eines in Figur 1 angedeuteten Lasertrackers 28. Zweckmäßigerweise sind die Stahlkugeln 23 als Retroreflektorkugeln ausgestaltet, so dass eine taktile und eine optische Messung dasselbe Ergebnis für die Lage des Kugelmittelpunktes 26 liefert.
Wie oben beschrieben, wird die erfindungsgemäße Hilfsvorrichtung 13 genutzt, um die optische Messanordnung 1 in einer Ko-
ordinatenmessmaschine mit Hilfe eines taktilen Messfühlers 21 hochgenau einzumessen. Daneben gestattet die Hilfsvorrichtung 13 im Produktionsumfeld eine schnelle Überprüfung der optischen Messanordnung 1, beispielsweise nach einem Crash: Hierzu wird die optische Messanordnung 1 auf der Grundplatte 14 der Hilfsvorrichtung 13 befestigt, und es wird mit Hilfe des Sensors 2 eine Messung des Sensortargets 16 durchgeführt. Die bei dieser Messung gewonnenen Ergebnisse werden mit den Ergebnissen der während des (oben beschriebenen) Einmessens durchgeführten Messung verglichen. Stimmen die Ergebnisse ü- berein, so ist die optische Messanordnung 1 intakt; weichen die Ergebnisse voneinander ab, so ist dies ein Indiz für eine Lageveränderung des Sensors 2 gegenüber dem Flansch 4 des Abstandshalters 3; in diesem Fall muss die optische Messanordnung 1 erneut einem Einmessvorgang unterzogen werden, bei dem die (veränderte) Raumlage des Sensorkoordinatensystems 10 gegenüber dem Koordinatensystem 20 der Hilfsvorrichtung 13 bestimmt wird.
Sollen mit Hilfe der auf dem Messroboter 6 montierten optischen Messanordnung 1 reproduzierbar hochgenaue optische Messungen durchgeführt werden, so ist es vorteilhaft, in regelmäßigen zeitlichen Abständen die Lage des Sensorkoordinatensystems 10 relativ zum Roboterkoordinatensystem 11 zu überprüfen. Hierzu wird die Roboterhand 5 mit Hilfe der Robotersteuerung 8 in unterschiedliche Raum- und Winkellagen positioniert, in denen jeweils die Raumlagen der Stahlkugeln 23 auf Abstandshalter 3 und Sensorgehäuse 2' gemessen werden. Aus den jeweiligen Lagen der Kugelmittelpunkte 26 der an der Roboterhand 5 angeflanschten optischen Messanordnung 1 kann auf die Roboterkalibrierung, d.h. die Transformation zwischen dem (raumfesten) Roboterkoordinatensystem 11 und dem (bewegten) Koordinatensystem der Roboterhand 5, rückgeschlossen werden.
Die Lagerung der Stahlkugeln 23 bzw. der Retroreflektorkugeln in magnetischen „Nestern" 25 hat den Vorteil, dass die Stahlkugeln 23 während des Messbetriebs entfernt werden können; dadurch wird im Messbetrieb das Gewicht der optischen Messanordnung 1 und somit die Belastung der Roboterhand 5 verringert; weiterhin wird der Raumbedarf der optischen Messanordnung 1 reduziert. Falls im Zuge des Messbetriebs (z.B. aufgrund eines Crashs des Messroboters 6) eine weitere Kalibration der optischen Messanordnung 1 bzw. des Messroboters 6 notwendig wird, können die Kugeln 23 jederzeit in reproduzierbarer Weise in die „Nester" 25 eingelegt werden.
Neben der oben beschriebenen Ausgestaltung der Messmarken 22 als Stahlkugeln 23 bzw. Retroreflektorkugeln sind beliebige andere Formen von Messmarken möglich. Weiterhin kann die während des Einmessens stattfindende taktile Messung der Mess- marken 22 (mit Hilfe des Messfühlers 21) durch eine optische Messung (z.B. mit Hilfe eines Lasertrackers oder eines anderen optischen Messmittels) ersetzt werden.
Die Hilfsvorrichtung 13 kann für optische Messanordnungen 1 mit unterschiedlichen Messprinzipien eingesetzt werden, insbesondere für Lichtschnittsensoren,. CCD-Kameras mit Graubildverarbeitung, Streifenprojektionssensoren etc.