WO2017133929A1 - Mehrachsroboter sowie verfahren zu dessen steuerung bei der lackierung von gegenständen - Google Patents

Mehrachsroboter sowie verfahren zu dessen steuerung bei der lackierung von gegenständen Download PDF

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kinematic
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robot
kinematic chain
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Stephan Schwab
Mirjam SALOMON
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Eisenmann Se
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Definitions

  • the invention relates to a multi-axis robot, in particular a painting robot, a) with a kinematic chain having a tool member and at least one further member, b) wherein the tool member carries a first tool, in particular an application device, c) with a robot controller, the Control of the first tool comprises a kinematic control, which is adapted to receive the trajectory of the first tool based on a parameterizable tool center point and then to drive the members of the kinematic chain such that the tool center follows the trajectory.
  • the invention further relates to an associated paint shop and method for controlling a multi-axis robot, for programming a multi-axis robot and for painting objects.
  • multi-axis robot be delivered with a kinematic control, which is tuned to the kinematic chain, ie the number and design of the movable members and axes of motion of the multi-axis robot.
  • the kinematic control includes a complete kinematics model of the kinematic chain of the multi-axis robot, which allows to easily the trajectory of a mounted on the front end of the multi-axis robot tool program.
  • a so-called. Tool Center Point is deposited depending on the attached tool on the terminal tool member in the kinematic control, which should then proceed via appropriate programming necessary for the process flow trajectory.
  • the kinematic control of the robot manufacturer takes over the calculation of the positions of the various members of the multi-axis robot necessary for the movement and controls the actuators accordingly.
  • the kinematics control ensures, for example, that the respective limbs are driven for collision avoidance only within predetermined ranges of movement, that the new position along the trajectory is reached as quickly as possible or that the most energy-efficient movements possible.
  • the user can easily program the multi-axis robot with the help of the kinematic control so that it performs the tasks intended for it.
  • the user of the multi-axis robot would have to largely circumvent the kinematic control of the robot manufacturer according to the previously known procedure and even calculate and control the required positions of the links. This succeeds only unsatisfactorily in the context of the cost and effort requirements of a project.
  • the at least one further link carries a second tool and that e) the robot control for controlling the second tool is set up such that it transmits all links along the kinematic chain from the tool link to the at least one further link Limb which carries the second tool sets in a fixing position, the tool center point parameterized to an operating point of the second tool and the kinematic control passes the trajectory of the second tool, so that they under the constraint that the fixing position of the links is maintained, using the newly parameterized Tool center point controls the members of the kinematic chain such that the tool center follows the path of movement of the second tool.
  • kinematic control can also be used to control a second tool carried by a member other than the tool member by blocking the degrees of freedom of the kinematic chain between the tool tip end and the other member by manipulating the kinematic chain or the intervening links.
  • Typical kinematics controls allow such a determination of individual or multiple links, for example, collision avoidance.
  • the links By specifying the links, the geometry between the tool member and the operating point of the second tool is then precisely defined so that basically a type of virtual tool is generated by parameterizing the tool center point stored in the kinematic control to the operating point of the second tool for the kinematics control, which, starting from the tool song, comprises all links up to the second tool.
  • all members also includes only a single member, which would then be the tool member.
  • the kinematics control thereby continues to control the center of the tool with the help of the intrinsic kinematics model with respect to the terminal tool member.
  • the constraints on the fixed members are taken into account so that ultimately only the one or more rear members are moved up to and including the member which carries the second tool.
  • First and second tools for the purposes of the present invention may be, for example, application devices such as rotary atomizers, spray guns or printheads, grippers, door or bonnet openers, measuring devices such as scanners or optical or mechanical surface measuring devices, welding heads or tools for intermediate drying such as radiators or air nozzles.
  • application devices such as rotary atomizers, spray guns or printheads, grippers, door or bonnet openers, measuring devices such as scanners or optical or mechanical surface measuring devices, welding heads or tools for intermediate drying such as radiators or air nozzles.
  • the links that are fixed can easily be moved to a previously defined fixing position.
  • the fixing position corresponds to a position which occupies or occupy the or the members to be fixed immediately before the change to the second tool.
  • the robot controller must be set up to calculate the position of the operating point with respect to the tool member when changing, in order to parameterize the kinematic control correctly. In this way, unnecessary movements of the limbs are avoided.
  • the outer contour of the fixed part of the kinematics chain is preferably also used parameterized. As a result, the collision monitoring of the kinematic control can continue to be used.
  • the moment of inertia of the terms should already be taken into account. However, if necessary, an adjustment of the moment of inertia of the tools to the changed tool center point would have to be made (i.e., basically a transition to the changed tool center point coordinate system).
  • the at least one further link may carry a plurality of second tools.
  • the robot controller may be configured to parameterize the tool center point in each case to that second tool which is to be controlled.
  • a plurality of different tools for example a door opener and a separate bonnet opener, can be provided and controlled at a rear element of the kinematics chain.
  • the driving principle according to the invention can also be applied to tools on different links.
  • several second tools can be arranged on different other links.
  • the robot controller can be set up to fix the corresponding links along the kinematics chain from the tool link to the respective further link which carries the respective second tool in a fixing position and to parameterize and control the kinematic control accordingly.
  • such a multi-axis robot can advantageously be used as a painting robot.
  • a method for controlling a multi-axis robot, in particular a painting robot, having a kinematic chain which has a tool member and at least one further member, wherein the tool member is a first tool, in particular an application device, and the at least one further member is a second tool carry the following steps: a) providing a robot controller comprising a kinematic controller for controlling the first tool, which is adapted to receive the trajectory of the first tool based on a parameterizable tool center point and then to drive the links of the kinematic chain such that the tool center follows the trajectory; b) fixing all members along the kinematic chain from the tool member to the at least one further member supporting the second tool in a fixing position; c) parameterizing the tool center of the kinematic control to an operating point of the second tool; d) Passing the trajectory of the second tool to the kinematic control so that it under the constraint that the fixing position of the links is maintained, based on the newly parameterized tool center the links
  • the following steps can be performed beforehand: a) programming the trajectory of the first tool by means of a tool center point; b) programming the trajectory of the second tool by means of a
  • the inventive method can also be used to control a multi-axis robot with a kinematic chain of xn members using a kinematic control, which is designed for a multi-axis robot with x members.
  • a kinematic control which is designed for a multi-axis robot with x members.
  • the real tool member of the multi-axis robot with xn members for the control purposes corresponds to the second tool.
  • the terminal n members are included fully defined so that the kinematic control maintains them as a fixed constraint throughout the process.
  • the teaching described above in a method for painting an article with a movable component are used.
  • This comprises the following steps: a) providing a painting robot with a kinematic chain having a tool member and at least one further member, wherein the tool member carries an application device as a first tool and the at least one further member a second tool, b) applying the method according to the invention for controlling the painting robot in order to move the movable component with the second tool; c) painting the object before and / or after moving the movable component with the aid of the application device;
  • a method for implementing a multi-axis robot, in particular a painting robot, with a kinematic chain having a tool member and at least one further member, wherein the tool member a first tool, in particular an application device, and the at least one further member may carry a second tool the following steps include: a) programming the path of movement of the first tool, in particular an application device, in a kinematic control, which is adapted to receive the trajectory of the first tool based on a parameterizable tool center point and then to drive the members of the kinematic chain such that the tool center point the trajectory follows; b) fixing all members along the kinematic chain from the tool member to the at least one further member supporting the second tool in a fixing position; c) parameterizing the tool center of the kinematic control to an operating point of the second tool; d) programming the trajectory of the second tool in the kinematic control, so that it can control the members of the kinematic chain under the constraint that the fixing position of the links
  • Figure 1 is a perspective view of a paint shop with two multi-axis robots as painting robot;
  • Figure 2 is a schematic partial view in cross section through the paint shop, which illustrates the programming of a trajectory of an application device
  • FIG. 3 shows a schematic partial view in cross section through the painting installation, which illustrates the programming of a movement path of another operating element
  • FIG. 4 shows a flowchart which shows the method step for reducing the kinematics.
  • Figure 1 shows a perspective view of a portion of an exemplary paint shop 10, which is provided here for painting vehicle bodies 12 or their attachments, which have, for example, a motor hood 13 as a movable component.
  • the vehicle bodies 12 are moved with the aid of a conveyor 14 through a painting booth 16, in which multi-axis robots are arranged as painting robots 18.
  • such a painting robot 18 initially has a base 20 and a fuselage element 22.
  • a three-axle joint 24 is arranged at the upper end, which produces a hinged connection to a first arm portion 26.
  • a Einachsgelenk 28 is arranged, which in turn between the first arm portion 26 and a second arm portion 30 establishes a hinged connection.
  • a three-axis joint 32 is arranged, which in turn carries a third arm portion 34.
  • This third arm portion 34 has a single axis joint 36 which carries a hand portion 38 on which the first tool, in this case a rotary atomizer 40 with a bell cup, is mounted.
  • the painting robot 18 has on the second arm portion 30 an actuating element as a second tool, here by way of example a bonnet opener 42. Furthermore, as an alternative applicable second tool here also a tank flap opener 43 on the same second arm portion 30 is provided.
  • a second tool here by way of example a bonnet opener 42.
  • a tank flap opener 43 on the same second arm portion 30 is provided.
  • a so-called tool center 44 is assigned to the rotary atomizer 40 as a reference point.
  • This tool center 44 may be the point at which the rotary atomizer 40 emits its optimum spray pattern.
  • This tool center 44 is then as needed during the Implementation phase of the paint shop 10 is guided over the surface of each vehicle body 12 to be painted.
  • the tool center 44 can also be performed in front of or behind the actual body surface, for example, to produce a larger or smaller Lackierfleck.
  • a robot controller 50 comprising a kinematic controller 51, which is typically supplied by the manufacturer of the corresponding multi-axis robot.
  • the robot controller communicates with an operator computer 52 for programming.
  • a tool zero point 54 is deposited, with respect to which the tool center 44 is determined depending on the tool. In Figure 2, this is indicated by the double arrow a, which of course is to be considered vectorially. If the painting robot 18 is operated with another tool, for example by an automated tool change during a painting process or between different painting processes, e.g. when changing to different types of vehicle bodies 12, the tool center 44 can be reparameterized.
  • the movement path of the tool center point 44 or of the rotary atomizer 40 including its orientation along the vehicle body 12 is then programmed in a simple manner, for example in the form of a plurality of individual support points of a spline curve, via the operating computer 52.
  • the hood opener 42 is used. Due to the fact that the bonnet opener 42 is arranged on the second arm portion 30 and naturally the rear joints and members and the associated actuators of the painting robot 18 are dimensioned larger than the front elements, the painting robot 18 is capable of doing so because then with the bonnet opener 42 a sufficient force can be applied.
  • the two last joints 32 and 36 are either in their current position or in a predefined position fixed. Depending on the fixed position, the tool center point 44 is now parameterized with respect to the tool zero point 54 to the operating point of the bonnet opener 42 (see double arrow b).
  • the bonnet opener 42 can be controlled according to its required trajectory via the usual kinematics control 51 by means of a path planning.
  • the operating computer 52 accesses the known kinematic control 51 via the robot controller 50, the joints 32 and 36 remaining fixed in the kinematics model as a secondary condition.
  • the tank flap opener 43 can also be operated.
  • the tool center point 44 in the kinematic control 51 is then defined correspondingly differently. If the tank flap opener 43 were to be arranged on another link of the kinetmatic chain, correspondingly more or fewer joints would have to be fixed.

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Abstract

Ein Mehrachsroboter, insbesondere ein Lackierroboter (18) hat eine kinematischen Kette, die ein Werkzeugglied (36, 38) und mindestens ein weiteres Glied (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) aufweist, wobei das Werkzeugglied (36, 38) ein erstes Werkzeug (40), insbesondere ein Applikationsgerät (40), trägt. Die zugehörige Robotersteuerung (50) umfasst eine Kinematiksteuerung (51), welche dazu eingerichtet ist, die Bewegungsbahn des ersten Werkzeugs (40) anhand eines parametrisierbaren Werkzeugmittelpunkts (44) entgegenzunehmen und daraufhin die Glieder (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) der kinematischen Kette derart anzusteuern, dass der Werkzeugmittelpunkt (44) der Bewegungsbahn folgt. Ferner legt die Robotersteuerung (50) sämtliche Glieder (32, 34, 36, 38) entlang der kinematischen Kette von dem Werkzeugglied (36, 38) einem weiteren Glied (28, 30), welches das zweite Werkzeug (42, 43) trägt, in einer Fixierstellung fest, parametrisiert den Werkzeugmittelpunkt (44) auf einen Arbeitspunkt des zweiten Werkzeugs (42, 43) und übergibt der Kinematiksteuerung (51) die Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs (42, 43), sodass diese unter der Nebenbedingung, dass die Fixierstellung der Glieder (32, 34, 36, 38) beibe halten wird, anhand des neu parametrisierten Werkzeugmittelpunkts (44) die übrigen Glie der (22, 24, 26, 28, 30) der kinematischen Kette derart ansteuert, dass der Werkzeugmittel punkt (44) der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs (42, 43) folgt.

Description

Mehrachsroboter sowie Verfahren zu dessen Steuerung
bei der Lackierung von Gegenständen
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Mehrachsroboter, insbesondere ein Lackierroboter, a) mit einer kinematischen Kette, die ein Werkzeugglied und mindestens ein weiteres Glied aufweist, b) wobei das Werkzeugglied ein erstes Werkzeug, insbesondere ein Applikationsgerät, trägt, c) mit einer Robotersteuerung, die zur Steuerung des ersten Werkzeugs eine Kinematiksteuerung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, die Bewegungsbahn des ersten Werkzeugs anhand eines parametrisierbaren Werkzeugmittelpunkts entgegenzunehmen und daraufhin die Glieder der kinematischen Kette derart anzusteuern, dass der Werkzeugmittelpunkt der Bewegungsbahn folgt.
Die Erfindung betrifft ferner eine zugehörige Lackieranlage sowie Verfahren zur Steuerung eines Mehrachsroboters, zur Programmierung eines Mehrachsroboters sowie zur Lackierung von Gegenständen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Derzeit ist es gängige Praxis, dass Mehrachsroboter mit einer Kinematiksteuerung ausgeliefert werden, welche auf dessen kinematische Kette, d.h. auf die Anzahl und Ausgestaltung der beweglichen Glieder und Bewegungsachsen des Mehrachsroboters abgestimmt ist. Die Kinematiksteuerung beinhaltet ein vollständiges Kinematikmodell der kinematischen Kette des Mehrachsroboters, welches es erlaubt, auf einfache Weise die Bewegungsbahn eines am vorderen Ende des Mehrachsroboters angebrachten Werkzeugs zu programmieren. Als Referenzpunkt für die Werkzeugposition wird dabei je nach angebrachtem Werkzeug am endständigen Werkzeugglied in der Kinematiksteuerung ein sog. Werkzeugmittelpunkt (Tool Center Point) hinterlegt, welcher dann über entsprechende Programmierung die für den Prozessablauf notwendige Bewegungsbahn abfahren soll.
In diesem Zusammenhang wird selbstverständlich auch die Ausrichtung des Werkzeugs bezüglich des Werkzeugmittelpunkts sowie die Bewegungsgeschwindigkeit entlang der Bewegungsbahn berücksichtigt, so dass der Werkzeugmittelpunkt üblicherweise eine vek- torielle Größe darstellt. Der Einfachheit halber werden diesbezügliche Ausführungen nachfolgend jedoch nicht weiter ausgeführt, da ein Fachmann diese Vorgehensweise kennt.
Die Kinematiksteuerung des Roboterherstellers übernimmt daraufhin unter Berücksichtigung der vollständigen Kinematikkette des Mehrachsroboters die Berechnung der für die Bewegung notwendigen Stellungen der verschiedenen Glieder des Mehrachsroboters und steuert die Aktuatoren entsprechend an. Dabei stellt die Kinematiksteuerung beispielsweise sicher, dass die jeweiligen Glieder zur Kollisionsvermeidung nur innerhalb vorgegebener Bewegungsbereiche angesteuert werden, dass die neue Position entlang der Bewegungsbahn möglichst schnell erreicht wird oder dass dazu möglichst energieeffiziente Bewegungen erfolgen.
Somit kann der Anwender den Mehrachsroboter mit Hilfe der Kinematiksteuerung auf einfache Weise so programmieren, dass er die für ihn vorgesehenen Aufgaben erledigt.
Allerdings hat beispielsweise bei der Lackierung von Gegenständen wie Fahrzeugkarosserien die Erfahrung gezeigt, dass man in manchen Situationen ein zweites Werkzeug benötigt, welches nicht am Werkzeugglied sondern an einem in der kinematischen Kette weiter hinten angeordneten Glied befestigt ist. Dies hat damit zu tun, dass die vorderen Glieder eines Mehrachsroboters feingliedriger sind und entsprechend weniger Kraft aufbringen können.
In diesem Fall müsste der Anwender des Mehrachsroboters nach dem bisher bekannten Vorgehen die Kinematiksteuerung des Roboterherstellers weitestgehend umgehen und selbst die benötigten Stellungen der Glieder berechnen und ansteuern. Dies gelingt im Rahmen der Kosten- und Aufwandsvorgaben eines Projekts nur unbefriedigend.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Mehrachsroboter sowie Verfahren zu dessen Steuerung anzugeben, welche die Verwendung eines zweiten Werkzeugs erlauben.
Erfindungsgemäß wird diese dadurch erreicht, dass d) das mindestens eine weitere Glied ein zweites Werkzeug trägt und dass e) die Robotersteuerung zur Steuerung des zweiten Werkzeugs derart eingerichtet, ist, dass sie sämtliche Glieder entlang der kinematischen Kette von dem Werkzeugglied zu dem mindestens einen weiteren Glied, welches das zweite Werkzeug trägt, in einer Fixierstellung festlegt, den Werkzeugmittelpunkt auf einen Arbeitspunkt des zweiten Werkzeugs parametrisiert und der Kinematiksteuerung die Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs übergibt, sodass diese unter der Nebenbedingung, dass die Fixierstellung der Glieder beibehalten wird, anhand des neu parametrisierten Werkzeugmittelpunkts die Glieder der kinematischen Kette derart ansteuert, dass der Werkzeugmittelpunkt der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs folgt.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine Kinematiksteuerung auch zur Steuerung eines zweiten Werkzeugs, das von einem anderen Glied als dem Werkzeugglied getragen wird, verwendet werden kann, wenn man die Freiheitsgrade der kinematischen Kette zwischen dem endständigen Werkzeugglied und dem anderen Glied blockiert, indem man das oder die dazwischen liegenden Glieder festlegt. Typische Kinematiksteuerungen erlauben eine solche Festlegung einzelner oder mehrerer Glieder beispielsweise zur Kollisionsvermeidung. Durch das Festlegen der Glieder ist daraufhin die Geometrie zwischen dem Werkzeugglied und dem Arbeitspunkt des zweiten Werkzeugs genau definiert, sodass durch Parametrisie- ren des in der Kinematiksteuerung hinterlegten Werkzeugmittelpunkts auf den Arbeitspunkt des zweiten Werkzeugs für die Kinematiksteuerung im Grunde eine Art virtuelles Werkzeug erzeugt wird, das ausgehend vom Werkzeuglied sämtliche Glieder bis zum zweiten Werkzeug umfasst. Der Begriff sämtliche Glieder beinhaltet auch nur ein einzelnes Glied, welches dann das Werkzeugglied wäre.
Die Kinematiksteuerung steuert dadurch weiterhin mit Hilfe des intrinsischen Kinematikmodells bezogen auf das endständige Werkzeugglied den Werkzeugmittelpunkt. Allerdings werden dabei die Nebenbedingungen hinsichtlich der festgelegten Glieder beachtet, sodass letztlich nur das oder die hinteren Glieder bis einschließlich demjenigen Glied bewegt werden, welches das zweite Werkzeug trägt.
Erste und zweite Werkzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung können beispielsweise Applikationsgeräte wie Rotatationszerstäuber, Spritzpistolen oder Druckköpfe, Greifer, Tür- oder Haubenöffner, Messgeräte wie Scanner oder optische oder mechanische Ober- flächenmessgeräte, Schweißköpfe oder Werkzeuge zum Zwischentrocknen wie Strahler oder Luftdüsen sein.
Beim Wechsel auf das zweite Werkzeug können die Glieder, die festgelegt werden, auf einfache Weise in eine zuvor definierte Fixierstellung verfahren werden. Dadurch ist die Position des Arbeitspunkts des zweiten Werkzeugs bezüglich dem Werkzeugglied bereits bekannt und kann entsprechend parametrisiert werden. Vorzugsweise entspricht die Fixierstellung jedoch einer Stellung, welche das oder die zu fixierenden Glieder unmittelbar vor dem Wechsel auf das zweite Werkzeug einnimmt bzw. einnehmen. In diesem Fall muss die Robotersteuerung dazu eingerichtet sein, jeweils beim Wechsel die Position des Arbeitspunkts bezüglich des Werkzeugglieds zu berechnen, um die Kinematiksteuerung richtig zu parametrisieren. Auf diese Weise werden unnötige Bewegungen der Glieder vermieden.
Vorzugsweise wird beim Parametrisieren des Werkzeugmittelpunkts auf den Arbeitspunkt des zweiten Werkzeugs auch die Außenkontur des festgelegten Teils der Kinematikkette parametrisiert. Dadurch kann weiterhin die Kollisionsüberwachung der Kinematiksteuerung genutzt werden.
Falls die Kinematiksteuerung bereits die Berechnung unter Nebenbedingung fixierter Glieder erlaubt, sollte darin bereits das Trägheitsmoment der Glieder berücksichtigt sein. Gegebenenfalls müsste jedoch noch eine Anpassung des Trägheitsmoments der Werkzeuge an den geänderten Werkzeugmittelpunkt vorgenommen werden (d.h. im Grunde eine Überführung in das geänderte Werkzeugmittelpunkt-Koordinatensystem).
Ferner kann das mindestens eine weitere Glied mehrere zweite Werkzeuge tragen. In diesem Fall kann die Robotersteuerung dazu eingerichtet sein, den Werkzeugmittelpunkt jeweils auf dasjenige zweite Werkzeug zu parametrisieren, welches gesteuert werden soll. Auf diese Weise können an einem hinteren Glied der Kinematikkette mehrere verschiedene Werkzeuge, beispielsweise ein Türöffner und ein davon separater Haubenöffner, vorgesehen und angesteuert werden.
Das erfindungsgemäße Ansteuerungsprinzip kann selbstverständlich auch auf Werkzeuge an verschiedenen Gliedern angewandt werden. So können auch mehrere zweite Werkzeuge an unterschiedlichen weiteren Gliedern angeordnet sein. Dazu kann die Robotersteuerung dazu eingerichtet sein, dass sie die entsprechenden Glieder entlang der Kinematikkette von dem Werkzeugglied bis zu dem jeweiligen weiteren Glied, welches das jeweilige zweite Werkzeug trägt, in einer Fixierstellung festlegt und dass sie die Kinematiksteuerung entsprechend parametrisiert und ansteuert.
Im Hinblick auf eine Lackieranlage zum Lackieren von Gegenständen, insbesondere von Fahrzeugkarosserien oder -anbauteilen, kann vorteilhaft ein solcher Mehrachsroboter als Lackierroboter verwendet werden.
Im Hinblick auf ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern eines Mehrachsroboters, insbesondere eines Lackierroboters, mit einer kinematischen Kette, die ein Werkzeugglied und mindestens ein weiteres Glied aufweist, wobei das Werkzeugglied ein erstes Werkzeug, insbesondere ein Applikationsgerät, und das mindestens eine weitere Glied ein zweites Werkzeug tragen kann, sind folgende Schritte vorgesehen: a) Bereitstellen einer Robotersteuerung, die zur Steuerung des ersten Werkzeugs eine Kinematiksteuerung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, die Bewegungsbahn des ersten Werkzeugs anhand eines parametrisierbaren Werkzeugmittelpunkts entgegenzunehmen und daraufhin die Glieder der kinematischen Kette derart anzusteuern, dass der Werkzeugmittelpunkt der Bewegungsbahn folgt; b) Festlegen sämtlicher Glieder entlang der kinematischen Kette von dem Werkzeugglied zu dem mindestens einen weiteren Glied, welches das zweite Werkzeug trägt, in einer Fixierstellung; c) Parametrisieren des Werkzeugmittelpunkts der Kinematiksteuerung auf einen Arbeitspunkt des zweiten Werkzeugs; d) Übergeben der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs an die Kinematiksteuerung, sodass diese unter der Nebenbedingung, dass die Fixierstellung der Glieder beibehalten wird, anhand des neu parametrisierten Werkzeugmittelpunkts die Glieder der kinematischen Kette derart ansteuert, dass der Werkzeugmittelpunkt der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs folgt.
Vorzugsweise können vorher die folgenden Schritte durchgeführt werden: a) Programmieren der Bewegungsbahn des ersten Werkzeuges mit Hilfe eines Werkzeugmittelpunkts; b) Programmieren der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeuges mit Hilfe eines
Werkzeugmittelpunkts unter der Nebenbedingung, dass die Fixierstellung der Glieder beibehalten wird.
Vorzugsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dazu verwendet werden, einen Mehrachsroboter mit einer kinematischen Kette von x-n Gliedern mit Hilfe einer Kinematiksteuerung zu steuern, die für einen Mehrachsroboter mit x Gliedern ausgelegt ist. In diesem Fall entspricht das reale Werkzeugglied des Mehrachsroboters mit x-n Gliedern für die Steuerungszwecke dem zweiten Werkzeug. Die endständigen n Glieder werden dabei vollständig festgelegt, sodass die Kinematiksteuerung diese während des gesamten Prozesses als feststehende Nebenbedingung beibehält.
Besonders vorteilhaft kann die oben beschriebene Lehre bei einem Verfahren zum Lackieren eines Gegenstandes mit einem beweglichen Bauteil, insbesondere einer Fahrzeugkarosserie mit einer Türe, einer Motorhaube, einer Kofferraumklappe und/oder einer Tankklappe, eingesetzt werden. Dazu umfasst dieses folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Lackierroboters, mit einer kinematischen Kette, die ein Werkzeugglied und mindestens ein weiteres Glied aufweist, wobei das Werkzeugglied ein Applikationsgerät als erstes Werkzeug und das mindestens eine weitere Glied ein zweites Werkzeug trägt, b) Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung des Lackierroboters, um mit dem zweiten Werkzeug das bewegliche Bauteil zu bewegen; c) Lackieren des Gegenstandes vor und/oder nach dem Bewegen des beweglichen Bauteils mit Hilfe des Applikationsgerätes;
Ferner kann ein Verfahren zur Implementierung eines Mehrachsroboters, insbesondere eines Lackierroboters, mit einer kinematischen Kette, die ein Werkzeugglied und mindestens ein weiteres Glied aufweist, wobei das Werkzeugglied ein erstes Werkzeug, insbesondere ein Applikationsgerät, und das mindestens eine weitere Glied ein zweites Werkzeug tragen kann, folgenden Schritte umfassen: a) Programmieren der Bewegungsbahn des ersten Werkzeuges, insbesondere eines Applikationsgerätes, in eine Kinematiksteuerung, die dazu eingerichtet ist, die Bewegungsbahn des ersten Werkzeugs anhand eines parametrisierbaren Werkzeugmittelpunkts entgegenzunehmen und daraufhin die Glieder der kinematischen Kette derart anzusteuern, dass der Werkzeugmittelpunkt der Bewegungsbahn folgt; b) Festlegen sämtlicher Glieder entlang der kinematischen Kette von dem Werkzeugglied zu dem mindestens einen weiteren Glied, welches das zweite Werkzeug trägt, in einer Fixierstellung; c) Parametrisieren des Werkzeugmittelpunkts der Kinematiksteuerung auf einen Arbeitspunkt des zweiten Werkzeugs; d) Programmieren der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs in die Kinematiksteuerung, sodass diese unter der Nebenbedingung, dass die Fixierstellung der Glieder beibehalten wird, anhand des neu parametrisierten Werkzeugmittelpunkts die Glieder der kinematischen Kette derart ansteuern kann, dass der Werkzeugmittelpunkt der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs folgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Lackieranlage mit zwei Mehrachsrobotern als Lackierroboter;
Figur 2 eine schematische Teilansicht im Querschnitt durch die Lackieranlage, welche die Programmierung einer Bewegungsbahn eines Applikationsgerätes veranschaulicht;
Figur 3 eine schematische Teilansicht im Querschnitt durch die Lackieranlage, welche die Programmierung einer Bewegungsbahn eines anderweitigen Betätigungselements veranschaulicht;
Figur 4 ein Ablaufdiagramm, welches die Verfahrensschritt zur Reduktion der Kinematik zeigt. BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Lackieranlage 10, die hier zur Lackierung von Fahrzeugkarosserien 12 oder deren Anbauteile vorgesehen ist, die als bewegliches Bauteil beispielsweise eine Motorhaube 13 aufweisen.
Dazu werden die Fahrzeugkarosserien 12 mit Hilfe einer Fördereinrichtung 14 durch eine Lackierkabine 16 hindurchbewegt, in welcher Mehrachsroboter als Lackierroboter 18 angeordnet sind.
Ein solcher Lackierroboter 18 weist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zunächst einen Standfuß 20 sowie ein Rumpfelement 22 auf. An diesem Rumpfelement 22 ist am oberen Ende ein Dreiachsgelenk 24 angeordnet, welches eine gelenkige Verbindung zu einem ersten Armabschnitt 26 herstellt. Am anderen Ende des ersten Armabschnitts 26 ist ein Einachsgelenk 28 angeordnet, welches seinerseits zwischen dem ersten Armabschnitt 26 und einem zweiten Armabschnitt 30 eine gelenkige Verbindung herstellt. Am zweiten Armabschnitt 30 ist wiederum ein Dreiachsgelenk 32 angeordnet, welches seinerseits einen dritten Armabschnitt 34 trägt. Dieser dritte Armabschnitt 34 weist ein Einachsgelenk 36 auf, welches einen Handabschnitt 38 trägt, an welchem das erste Werkzeug, in diesem Fall ein Rotationszerstäuber 40 mit einem Glockenteller, montiert ist.
Ferner weist der Lackierroboter 18 an dem zweiten Armabschnitt 30 ein Betätigungselement als zweites Werkzeug auf, hier beispielhaft ein Motorhaubenöffner 42. Ferner ist als alternativ anwendbares zweites Werkzeug hier außerdem ein Tankklappenöffner 43 am selben zweiten Armabschnitt 30 vorgesehen.
Die verschiedenen Gelenke und Abschnitte des Lackierroboters 18 vom Standfuß 20 bis zum Handabschnitt 30 bilden zusammen die kinematische Kette des Lackierroboters 18.
Um festzulegen, wie sich der Rotationszerstäuber 40 um die Fahrzeugkarosserie 12 herum bewegt, wird dem Rotationszerstäuber 40 wie aus Figur 2 ersichtlich, ein sog. Werkzeugmittelpunkt 44 als Referenzpunkt zugeordnet. Bei diesem Werkzeugmittelpunkt 44 kann es sich um jenen Punkt handeln, in welchem der Rotationszerstäuber 40 sein optimales Strahlbild abgibt. Dieser Werkzeugmittelpunkt 44 wird dann je nach Bedarf während der Implementierungsphase der Lackieranlage 10 über die Oberfläche einer jeweils zu lackierenden Fahrzeugkarosserie 12 geführt. Dabei kann der Werkzeugmittelpunkt 44 auch vor oder hinter die eigentliche Karosserieoberfläche geführt werden, um beispielsweise einen größeren oder kleineren Lackierfleck zu erzeugen.
Zur Steuerung des Roboters 18 ist dieser mit einer Robotersteuerung 50 verbunden, die eine Kinematiksteuerung 51 umfasst, welche typischerweise vom Hersteller des entsprechenden Mehrachsroboters mitgeliefert wird. Die Robotersteuerung steht mit einem Bedienrechner 52 zur Programmierung in Verbindung.
In der Kinematiksteuerung 51 ist ein Werkzeugnullpunkt 54 hinterlegt, bezüglich welchem je nach Werkzeug der Werkzeugmittelpunkt 44 festgelegt wird. In Figur 2 ist dies durch den Doppelpfeil a angedeutet, welcher selbstverständlich vektoriell zu betrachten ist. Wird der Lackierroboter 18 mit einem anderen Werkzeug betrieben, beispielsweise durch einen automatisierten Werkzeugwechsel während eines Lackierprozesses oder zwischen verschiedenen Lackierprozessen, z.B. beim Wechsel auf andersartige Fahrzeugkarosserien 12, so kann der Werkzeugmittelpunkt 44 neu parametrisiert werden.
Über den Bedienrechner 52 wird dann auf einfache Weise, beispielsweise in Form einer Vielzahl von individuellen Stützpunkten einer Spline-Kurve, die Bewegungsbahn des Werkzeugmittelpunkts 44 bzw. des Rotationszerstäubers 40 einschließlich dessen Orientierung entlang der Fahrzeugkarosserie 12 programmiert.
Um während eines Lackierprozesses beispielsweise die Motorhaube der Fahrzeugkarosserie 12 zu öffnen und zu schließen, wird der Motorhaubenöffner 42 verwendet. Aufgrund dessen, dass der Motorhaubenöffner 42 an dem zweiten Armabschnitt 30 angeordnet ist und naturgemäß die hinteren Gelenke und Glieder sowie die zugehörigen Aktuatoren des Lackierroboters 18 stärker dimensioniert sind als die vorderen Elemente, ist der Lackierroboter 18 hierzu in der Lage, da dann mit dem Motorhaubenöffner 42 eine ausreichende Kraft aufgebracht werden kann. Um auch für die Bewegung des Motorhaubenöffners 42 eine einfache Programmierbarkeit mit Hilfe der Kinematiksteuerung 51 zu erreichen, werden, wie in Figur 3 durch die Striche- lung angedeutet, die beiden letzten Gelenke 32 und 36 entweder in ihrer momentanen Stellung oder in einer vorab festgelegten Stellung fixiert. Abhängig von der fixierten Stellung wird nun der Werkzeugmittelpunkt 44 bezüglich des Werkzeugnullpunkts 54 auf den Arbeitspunkt des Motorhaubenöffners 42 parametrisiert (vgl. Doppelpfeil b).
Wie bei dem vorne am Lackierroboter 18 angebrachten Rotationszerstäuber 40 wird ferner das Trägheitsmoment der entsprechenden Bauteile, um welches die Kinematikkette des Lackierroboters 18 durch das Fixieren der Gelenke 32 und 36 reduziert wurde, parametrisiert. Danach kann über die übliche Kinematiksteuerung 51 mit Hilfe einer Bahnplanung der Motorhaubenöffner 42 entsprechend seiner benötigten Bewegungsbahn gesteuert werden. Zu diesem Zweck greift der Bedienrechner 52 über die Robotersteuerung 50 auf die bekannte Kinematiksteuerung 51 zu, wobei im Kinematikmodell als Nebenbedingung die Gelenke 32 und 36 fixiert bleiben.
In gleicher Weise wie die Steuerung des Motorhaubenöffners 42 erfolgt, kann auch der Tankklappenöffner 43 bedient werden. Dabei wird dann der Werkzeugmittelpunkt 44 in der Kinematiksteuerung 51 entsprechend abweichend definiert. Würde der Tankklappenöffner 43 an einem anderen Glied der Kinetmatikkette angeordnet sein, müssten entsprechend mehr oder weniger Gelenke fixiert werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die Erfindung anhand eines Lackierroboters 18 mit vier Gelenken erläutert, an welchem die Roboterkinematik zur Bahnplanung um die letzten beiden Gelenke reduziert wurde. Dem Fachmann ist jedoch selbstverständlich klar, dass sich dieses Prinzip grundsätzlich beliebig dahingehend erweitern lässt, dass mehr oder weniger Glieder als Freiheitsgrade zur Verfügung stehen und um mehr oder weniger Glieder eine Reduzierung erfolgt.
Auf diese Weise ist es möglich, auch bei zukünftig noch feingliedrigeren Mehrachsrobotern bezüglich unterschiedlicher Glieder der kinematischen Kette die Programmierung der einzelnen Werkzeuge vorzunehmen, indem auf das bekannte Mittel einer Bahnplanung zurückgegriffen wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Mehrachsroboter, insbesondere ein Lackierroboter (18), a) mit einer kinematischen Kette, die ein Werkzeugglied (36, 38) und mindestens ein weiteres Glied (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) aufweist, b) wobei das Werkzeugglied (36, 38) ein erstes Werkzeug (40) , insbesondere ein Applikationsgerät (40), trägt, c) mit einer Robotersteuerung (50), die zur Steuerung des ersten Werkzeugs eine Kinematiksteuerung (51) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, die Bewegungsbahn des ersten Werkzeugs (40) anhand eines parametrisierbaren Werkzeugmittelpunkts (44) entgegenzunehmen und daraufhin die Glieder (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) der kinematischen Kette derart anzusteuern, dass der Werkzeugmittelpunkt (44) der Bewegungsbahn folgt, dadurch gekennzeichnet, dass d) das mindestens eine weitere Glied (28, 30) ein zweites Werkzeug (42, 43) trägt und dass e) die Robotersteuerung (50) zur Steuerung des zweiten Werkzeugs (42, 43) derart eingerichtet ist, dass sie sämtliche Glieder (32, 34, 36, 38) entlang der kinematischen Kette von dem Werkzeugglied (36, 38) zu dem mindestens einen weiteren Glied (28, 30), welches das zweite Werkzeug (42, 43) trägt, in einer Fixierstellung festlegt, den Werkzeugmittelpunkt (44) auf einen Arbeitspunkt des zweiten Werkzeugs (42, 43) parametrisiert und der Kinematiksteuerung (51) die Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs (42, 43) übergibt, sodass diese unter der Nebenbedingung, dass die Fixierstellung der Glieder (32, 34, 36, 38) beibehalten wird, anhand des neu parametrisierten Werkzeugmittelpunkts (44) die übrigen Glieder (22, 24, 26, 28, 30) der kinematischen Kette derart ansteuert, dass der Werkzeugmittelpunkt (44) der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs (42, 43) folgt.
Mehrachsroboter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierstellung einer Stellung entspricht, welche das oder die zu fixierenden Glieder (32, 34, 36, 38) unmittelbar vor dem Wechsel auf das zweite Werkzeug (42, 43) einnimmt bzw. einnehmen.
Mehrachsroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Parametrisieren des Werkzeugmittelpunkts (44) auf den Arbeitspunkt des zweiten Werkzeugs (42, 43) auch die Außenkontur des festgelegten Teils der Kinematikkette parametrisiert wird.
Mehrachsroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere Glied (28, 30) mehrere zweite Werkzeuge (42, 43) trägt und dass die Robotersteuerung (50) dazu eingerichtet ist, den Werkzeugmittelpunkt (44) jeweils auf dasjenige zweite Werkzeuge (42, 43) zu parametrisieren, welches gesteuert werden soll.
Mehrachsroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zweite Werkzeuge (42, 43) an unterschiedlichen weiteren Gliedern (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) angeordnet sind und zur Steuerung des jeweiligen zweiten Werkzeugs (42, 43) die Robotersteuerung dazu eingerichtet ist, dass sie die entsprechenden Glieder (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) entlang der Kinematikkette von dem Werkzeugglied (36, 38) zu dem jeweiligen weiteren Glied (28, 30), welches das jeweilige zweite Werkzeug (42, 43) trägt, in einer Fixierstellung festlegt und dass sie die Kinematiksteuerung (51 ) entsprechend parametrisiert und ansteuert.
Lackieranlage (10) zum Lackieren von Gegenständen (12), insbesondere von Fahrzeugkarosserien oder -anbauteilen, mit einem Mehrachsroboter (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
7. Verfahren zum Steuern eines Mehrachsroboters (18), insbesondere eines Lackierroboters (18), mit einer kinematischen Kette, die ein Werkzeugglied (36, 38) und mindestens ein weiteres Glied (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) aufweist, wobei das Werkzeugglied (36, 38) ein erstes Werkzeug, insbesondere ein Applikationsgerät (40), und das mindestens eine weitere Glied (28, 30) ein zweites Werkzeug (42, 43) tragen kann, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Robotersteuerung (50), die zur Steuerung des ersten Werkzeugs (40) eine Kinematiksteuerung (51) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, die Bewegungsbahn des ersten Werkzeugs (40) anhand eines parametrisierbaren Werkzeugmittelpunkts (44) entgegenzunehmen und daraufhin die Glieder (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) der kinematischen Kette derart anzusteuern, dass der Werkzeugmittelpunkt (44) der Bewegungsbahn folgt; b) Festlegen sämtlicher Glieder (32, 34, 36, 38) entlang der kinematischen Kette von dem Werkzeugglied (36, 38) zu dem mindestens einen weiteren Glied (28, 30), welches das zweite Werkzeug (42, 43) trägt, in einer Fixierstellung; c) Parametrisieren des Werkzeugmittelpunkts (44) der Kinematiksteuerung (51) auf einen Arbeitspunkt des zweiten Werkzeugs (42, 43); d) Übergeben der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs (42, 43) an die Kinematiksteuerung (51 ), sodass diese unter der Nebenbedingung, dass die Fixierstellung der Glieder (32, 34, 36, 38) beibehalten wird, anhand des neu parametrisierten Werkzeugmittelpunkts (44) die übrigen Glieder (22, 24, 26, 28, 30) der kinematischen Kette derart ansteuert, dass der Werkzeugmittelpunkt (44) der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs (42, 43) folgt.
8. Verfahren zur Steuerung eines Mehrachsroboters (18) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vorher die folgenden Schritte durchgeführt werden: a) Programmieren der Bewegungsbahn des ersten Werkzeuges (40) mit Hilfe eines Werkzeugmittelpunkts (44); b) Programmieren der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeuges (42, 43) mit Hilfe eines Werkzeugmittelpunkts (44) unter der Nebenbedingung, dass die Fixierstellung der Glieder (32, 34, 36, 38) beibehalten wird.
9. Verfahren zum Lackieren eines Gegenstandes (12) mit einem beweglichen Bauteil, insbesondere einer Fahrzeugkarosserie mit einer Türe, einer Motorhaube (13), einer Kofferraumklappe und/oder einer Tankklappe, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Lackierroboters (18), mit einer kinematischen Kette, die ein Werkzeugglied (36, 38) und mindestens ein weiteres Glied (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) aufweist, wobei das Werkzeugglied (36, 38) ein Applikationsgerät (40) als erstes Werkzeug und das mindestens eine weitere Glied (28, 30) ein zweites Werkzeug (42, 43) trägt, b) Anwenden des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 oder 8 zur Steuerung des Lackierroboters (18), um mit dem zweiten Werkzeug (42, 43) das bewegliche Bauteil (13) zu bewegen; c) Lackieren des Gegenstandes (12) vor und/oder nach dem Bewegen des beweglichen Bauteils (13) mit Hilfe des Applikationsgerätes (40);
10. Verfahren zur Implementierung eines Mehrachsroboters, insbesondere eines Lackierroboters (18), mit einer kinematischen Kette, die ein Werkzeugglied (36, 38) und mindestens ein weiteres Glied (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) aufweist, wobei das Werkzeugglied (36, 38) ein erstes Werkzeug, insbesondere ein Applikationsgerät (40), und das mindestens eine weitere Glied (28, 30) ein zweites Werkzeug (42, 43) tragen kann, mit folgenden Schritten: a) Programmieren der Bewegungsbahn des ersten Werkzeuges, insbesondere des Applikationsgerätes (40), in eine Kinematiksteuerung (51 ), die dazu eingerichtet ist, die Bewegungsbahn des ersten Werkzeugs (40) anhand eines parametrisierba- ren Werkzeugmittelpunkts (44) entgegenzunehmen und daraufhin die Glieder (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) der kinematischen Kette derart anzusteuern, dass der Werkzeugmittelpunkt (44) der Bewegungsbahn folgt; Festlegen sämtlicher Glieder (32, 34, 36, 38) entlang der kinematischen Kette von dem Werkzeugglied (36, 38) zu dem mindestens einen weiteren Glied (28, 30), welches das zweite Werkzeug (42, 43) trägt, in einer Fixierstellung;
Parametrisieren des Werkzeugmittelpunkts (44) der Kinematiksteuerung (51) auf einen Arbeitspunkt des zweiten Werkzeugs (42, 43);
Programmieren der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs (42, 43) in die Kinematiksteuerung (51 ), sodass diese unter der Nebenbedingung, dass die Fixierstellung der Glieder (32, 34, 36, 38) beibehalten wird, anhand des neu parametrisier- ten Werkzeugmittelpunkts (44) die übrigen Glieder (22, 24, 26, 28, 30) der kinematischen Kette derart ansteuern kann, dass der Werkzeugmittelpunkt (44) der Bewegungsbahn des zweiten Werkzeugs (42, 43) folgt.
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